基于DSP的超聲原子力顯微系統(tǒng)的開發(fā)與應用.pdf

1、近年來隨著科學技術的高速發(fā)展，觀察、測量以及操縱納米尺度的物體逐漸成為熱門的研究領域，用來分析和操作納米世界的工具經(jīng)過了漫長的發(fā)展探索。超聲原子力顯微鏡(UAFM)技術結合原子力顯微鏡與超聲方法，驅動AFM探針的懸臂梁做超聲振動，接觸過程中精確測量針尖-樣品接觸諧振頻率的改變，以此表征或計算出樣品表面局部機械性質，實現(xiàn)在納米或亞納米尺度材料的彈性性能的無損檢測。傳統(tǒng)UAFM工作在接觸模式下時具有接觸力較大、易損傷樣品的缺點，本文通過對新

2、型自感應音叉探針施加雙頻激勵，使得UAFM工作在輕敲模式，減小接觸力和掃描過程中的側向力影響，實現(xiàn)樣品表面力學特性和亞表面結構的表征。
　　本文基于原子力顯微鏡設計思想，將新型音叉探針與納米壓電位移平臺相結合，搭建了雙頻激勵超聲原子力顯微測試系統(tǒng)，并通過實驗驗證測量方案的可行性。論文主要內容包括：
　　1)介紹UAFM工作原理。通過分析針尖-樣品接觸模型，研究傳統(tǒng)UAFM定量測量楊氏模量的原理，分析超聲原子力顯微技術應用于輕

3、敲模式下的可行性。
　　2)介紹了新型音叉探針的基本原理。將新型音叉探針應用于超聲原子力系統(tǒng)中，通過實驗排除單頻測量系統(tǒng)的可行性，在此基礎上設計雙頻激勵系統(tǒng)方案。
　　3)研究以FFT為基礎的頻率分離及頻譜細化算法，設計并制作DSP為核心的頻譜分析模塊，實現(xiàn)頻率測量，結合實驗情況，改進和優(yōu)化系統(tǒng)設計。
　　4)以鎖相環(huán)和濾波器為基礎改進雙頻超聲原子力顯微測試系統(tǒng)方案，完成探針信號合成、分離等電路設計和制作，設計并搭建雙