固体内耗仪测控系统的改进设计

对传统的固体内耗仪进行了改进 .主要通过对测控系统的重新设计 ,使测量频率范围达到 1× 10 - 4～ 5× 10 2 Hz ,变频精度达到 0 0 5% ;内耗测量精度提高到 3× 10 - 5,同时消除了原测量方法所带来的系统误差 ;实现了主控计算机系统的升级 .为扩展内耗的研究范围 。

新型纳米阻抗显微镜前置放大器的设计

基于扫描隧道显微镜的新型纳米阻抗显微镜(STM-NIM)能够测量材料表面的纳米微区阻抗性质并具有分辨率高的突出优点,但传统STM前置放大器的频率带宽不能满足STM-NIM测量模式的要求,因而需要设计新型前置放大器。STM-NIM前置放大器必须在噪声和频率带宽两方面同时具有非常优良的性能。本文利用STM及NIM信号的特点,通过将信号一分为二并对电路进行优化,研制出了满足STM-NIM测量要求的新型前置放大器。测试表明,该前置放大器能同时用于NIM阻抗测量和STM形貌扫描;其NIM信号的频率带宽达到300 kHz;其STM信号的噪声约为0．8 mV,能满足原子级分辨成像的要求。

开放式SPM控制系统的设计与实现

本文设计并实现了一种新的扫描探针显微镜的开放式控制系统。该控制系统设计了灵活开放的总线接口,并对电路模块进行了优化,采取了一系列抗干扰措施,从而使之具备了接口开放、稳定性高等优点,特别适合于个性化的科学研究。本文所采用的开放式设计思想及总线接口的具体实现,对SPM的结构改进及商品化有一定的参考价值。

基于DSP的SPM反馈控制器设计

反馈是扫描探针显微镜控制的核心技术,但目前SPM通常使用基于模拟电路的反馈,因而基于数字信号处理器的数字反馈控制器具有较高的实用价值。该文设计了一种基于DSP的SPM数字反馈控制器,并介绍了其软硬件的设计及算法的改进。测试表明,该反馈控制器功能正常,稳定性和灵活性比模拟反馈控制器有较大的提高。

共振吸收谱仪测量系统的研制

讨论了共振吸收谱仪测量系统的设计．由于频率越高，信号越微弱，同时要求的ＡＤ的采样速度也越高，因而限制了测量频率和精度的提高．通过高速低相差ＡＤＣ及大功率低噪音放大器的研制，使测量频率范围达到１×１０－３～５×１０２Ｈｚ，变频精度达到０．０５％；内耗测量精度达到５×１０－６，为固体振动能吸收谱的研究提供了必要工具．

高速低相差双路AD数据采集器的设计

介绍一种高速低相差双路ＡＤ数据采集器．通过使用比要求的采样速度更高速的ＡＤＣ及对两路ＡＤＣ进行严格的同步控制等措施，设计出的ＡＤ数据采集器具有相位抖动小于１个采样周期，并与采样速度无关，且对接口速度要求低。接口硬件简单等特点．实验表明，对频率为５Ｈｚ的模拟输入信号，其相位分辨率可达 ５ × １０－５ｒａｄ．

纳米阻抗显微镜的研制及商品化

纳米阻抗显微镜(Nanoscale impedance microscopy,NIM)能够测量材料表面的纳米微区阻抗性质,已经成为纳米材料表征的重要工具,得到越来越多的应用;但其应用目前仅局限于实验室范围,而国内尚未有纳米阻抗显微镜研究的文献报道。本文主要介绍纳米阻抗显微镜的基本原理及其仪器的研制。以国内外现有的扫描探针显微镜仪器为基础,研制出了两套不同的纳米阻抗显微镜样机,并率先实现了这种技术的商品化,还利用该技术开展了氧化锌多晶陶瓷材料的应用研究。

凝聚态物质的切变波共振吸收谱仪的工作原理

研制成能工作于１０－２～１０３ｃｍ－１波数范围内的切变波共振吸收谱仪，填补了现有谱学在１０－２～１０２ｃｍ－１波数范围的空白．首次观测到水在 １００～３００ ｃｍ－１波数范围的 ２个共振吸收峰．它可在凝聚态物理、溶液研究、胶体化学、有机化学、生物化学和生命过程的研究中得到广泛的应用．

电话线传输自动报警系统的设计研究

本文介绍一种通过公共电话网传递信息、用电脑进行控制的新型报警系统．文章对它的通讯性能进行了定性分析，并着重讨论了平均通讯时间和误报率等指标，设计出适合该系统的优化通讯．实验表明，这种设计方案是成功的．

一些液体在低波数范围的共振吸收峰

用准连续变频的凝聚态物质共振吸收谱仪在１００～２５０ｃｍ－１范围内测量了血红蛋白、谷氨酸水溶液在室温到６０℃时的共振吸收谱以及酒精和果酸酶水溶液在室温时的共振吸收谱．发现了它们的特征共振吸收峰．讨论了这些共振吸收峰的实验规律和可能的相变行为．

液体膜切变波共振吸收谱仪的研制与应用

自行研制了液体膜切变波共振吸收谱仪,给出了该仪器的工作原理和技术指标,应用该仪器对厚度为0.1mm的水膜进行测试,在150-550Hz的频率范围得到8个共振吸收峰,并发现系统的共振频率由空载时的150Hz以下移至550Hz以上,显示水膜已参与了振动,提供回复力矩,故全部的峰均可能是水的共振吸收峰,其中178Hz和476Hz的吸收峰有可能是固体起振Cu丝与水相互耦合的共振吸收峰。

Ta间隙固溶体中的耦合弛豫

以广义Arrhenius方程对不同氧的原子个数百分比[N(O)]和不同氮的原子个数百分比[N(N)]的Ta间隙固溶体的内耗数据进行曲线拟合,并对结果进行了讨论。预设不同的T0代替TC,得到标准差SD最小值时的自发有序温度TC、指数前因子τ0和表观激活自由能ΔG;对低弛豫元浓度的情况,由T0-ΔG数据(T0是TC附近的温度)线性拟合的截距得到激活焓ΔH,由此计算熵的变化ΔS和参数τ'0。结果显示:①自发有序温度TC与N(O)及N(N)基本上成正比的关系,显示随着N(O)或N(N)的增加,氧原子之间或氮原子之间的耦合增加,使自发有序温度TC上升;②随着N(O)或N(N)的增加,组态熵的贡献TCΔS增大,表观激活自由能ΔG下降;③参数τ'0基本不随N(O)变化,这一结果与"不同含氧量具有同一个激活焓ΔH"这一条件是自洽的,说明了在讨论的N(O)范围弛豫元是相同的,是耦合的单个弛豫元;④N(N)小于1.0%时,弛豫元是耦合的单个弛豫元;N(N)较大时,弛豫元发生变化,可能出现弱耦合的弛豫元对等,使ΔS增大。

频谱分析在共振系统中的应用

采用频谱分析的方法对机械系统中的振动模式进行分析，使系统中的共振模式的测定规范化、定量化．此方法应用于液体切变波共振吸收谱仪的研制中，取得了良好的效果．

基于MEMS技术的微桥制备与共振频率测量

基于扫描探针显微镜(SPM)微机械性能测试的需求,设计了一种可用电容力驱动微桥面振动的新型微桥。通过实验选材和单晶Si的刻蚀研究,提出了一种新的正面刻蚀成桥方法,获得了一种基于湿法刻蚀的低成本、易加工的实用微桥加工技术。利用SEM和AFM观察了微桥,证实微桥已制备成功且微桥桥面形貌比较平整。最后用改进的扫描隧道显微镜(STM)测量了微桥振动的频率响应,测得的共振频率与理论估算值基本一致。

用于微区阻抗测量的STM探针的制备

基于扫描隧道显微镜（scanning tunneling micmscope，STM）的新型扫描阻抗显微镜（scarming impedance microscope，SIM）可以对绝缘电介质表而的阻抗性质进行测量，但由于传统STM针尖不适用于这种模式，需要制备新型的探针。介绍了利用电化学腐蚀法制备SIM针尖的工艺，研究了制备过程中各种条件的控制对针尖质量的影响。根据实验结果，对切断时问的控制效果提出了与以往经验不同的看法。最后通过实验分析了适用于阻抗性质扫描的针尖特点，认为适用于阻抗扫描的针尖其曲率半径应在100～200nm之间，且具有小的纵横比和一级新月结构。

惯性步进扫描器控制接口的设计

介绍了一种采用惯性步进型扫描器的新型扫描隧道显微镜(STM)的设计,研制出了一种用于该扫描器的接口电路。文章重点对该扫描器的位置粗调驱动电路和隧道电流前置放大电路等接口进行了设计,并完成了该接口的制作和调试,最后在使用该接口电路的新型STM上扫描出具有较高分辨率的镀金铜的表面形貌。测试表明,该接口工作稳定,使用方便,并能发挥该惯性步进型扫描器高稳定性的优点。

DSP与CPLD在扫描探针显微镜中的应用

扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)经过二十多年的发展,已进入成熟期;应用最新的计算机软硬件技术实现SPM控制的优化及性价比的提高是该领域目前的研究热点之一。本文主要介绍DSP和CPLD在SPM控制系统的应用,并详细论述了具体的设计方案及软硬件的实现。通过采用将先进的DSP与小规模的CPLD相结合的方案,研制了一套新颖的SPM控制系统。测试表明该系统具有性能稳定、功能可扩展等显著特点。

基于原子力显微镜的微桥机械特性测量

研究了基于原子力显微镜(AFM)的微桥机械特性的测量方法。通过微机电系统(MEMS)技术制备了可用静电力驱动进行机械振动的金属微桥。利用一套改进的商用AFM实验装置对测量方法进行了优化,并对微桥的共振频率进行了测量,所得实验结果与理论估算和仿真计算的结果基本一致。基于AFM的微桥机械特性的测量具有精度高和容易实现的特点,可作为测量平台扩展用于薄膜材料或微量液体的内耗、粘弹等性质的表征。

扫描探针显微镜中数据格式的分析及转换程序的设计

随着扫描探针显微镜技术发展和广泛应用,扫描探针显微镜的技术标准化问题在国内外受到越来越多的关注。然而在数据格式方面,由于所用硬件平台的不同等原因,各制造商所生产的扫描探针显微镜大多使用专用的数据格式。这些数据格式又往往互不兼容,给数据后续的分析处理和交流共享带来不便。本文首先对扫描探针显微镜中数据格式的发展及应用较多的格式进行了分析,然后从扫描探针显微镜现有数据的类型、内容和特点出发,研究了规范扫描探针显微镜数据格式的基本要求和思路;经过比较和筛选提出了一种基于HDF5标准(hierarchical data format,HDF)的标准格式方案;并用C++语言实现了对该格式的操作及其与几种专用数据格式之间的相互转换,完成了格式方案和代码资源的开源共享。

多频率开尔文探针力显微镜的设计

本文研究开尔文探针力显微镜(KPFM)中多频率方法的实现。KPFM中的多频率方法同时激发微悬臂探针的第一次和第二次的本征机械振动模式并分别用于样品形貌和表面电势成像。据此,本文设计了一种基于传统比例-积分控制器基本原理的模拟式反馈控制器,用以实现探针的调控。测试表明,该反馈控制器带宽可达约5 k Hz,并利用该反馈控制器研制出了多频率KPFM,其电势测量灵敏度优于5 m V。利用该多频率KPFM,对注入电荷后的介电薄膜样品进行测试,一次成像即可得到样品的形貌图及局域电势的二维分布图。该多频率KPFM技术可广泛应用于电子材料与器件的电特性表征。