微力傳感器系統(tǒng)設(shè)計及在AFM中的應(yīng)用研究.pdf

1、基于測量范德華力制成的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、表面科學(xué)等微觀領(lǐng)域。壓電式傳感器和執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、高頻適用性強、驅(qū)動和處理電路簡單等特點，在精密位移，精密定位、聲學(xué)及力學(xué)量的檢測等方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。壓電微懸臂在AFM中的應(yīng)用是近十年的研究工作，一般用于位移傳感、力傳感和高速反饋定位。 本文研究了基于PZT雙片壓電懸臂的微力傳感器特

2、性，并對該傳感器應(yīng)用于AFM進行了初步探索。為了提取和檢測雙片梁微弱的壓電信號，搭建了基于電荷放大模塊與鎖相放大模塊的微弱信號檢測模塊，具有體積小、重量輕和使用方便等優(yōu)點。結(jié)合雙片壓電微懸臂梁在AFM中的實際應(yīng)用模式，對其進行了機械特性和電學(xué)特性的測試測量，包括微懸臂法向彈性系數(shù)測量、準(zhǔn)靜態(tài)傳感特性分析、靜態(tài)執(zhí)行特性測試、執(zhí)行傳感集成的諧頻響應(yīng)特性測試和一階固有頻率檢測，并利用壓電雙晶片對雙片梁對樣品表面形貌掃描的微力測試進行了模擬，驗

3、證了雙片結(jié)構(gòu)的壓電梁在微力感知與微位移檢測方面的適用性。壓電陶瓷管掃描器是AFM中的核心器件之一，在AFM工作時完成對樣品X、Y方向的掃描，為了精確控制其掃描偏移量，搭建了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的測試平臺，對其X/Y方向的微位移進行了檢測，根據(jù)等間隔掃描的工作特點，提出簡易非線性校正方法，大大降低了位移滯回偏差。 研究表明雙片結(jié)構(gòu)的PZT壓電微懸臂梁由于集成了執(zhí)行與傳感能力，在微力感知與微位移檢測方面是適用的。在現(xiàn)有工藝