计量型AFM力曲线功能的开发及其在纳米振动测量中的应用

提出了一种在计量型原子力显微镜(AFM)上开发力曲线功能模块的方法.通过在计量型原子力显微镜上增加可调三角波发生器、信号切换和缓冲电压保护电路,对计量型原子力显微镜的内部驱动信号和外加驱动信号进行了平滑切换,避免了原子力显微镜压电陶瓷驱动器的剧烈变化,实现了计量型原子力显微镜的力曲线功能.采用开发的力曲线模块绘制了计量型原子力显微镜的力曲线图形,基于力曲线功能测量了纳米梁谐振器的离面振动特性,并与显微激光多普勒测振仪的测振结果进行了比对,实验结果表明本文提出的方法和建立的系统是正确的.

基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法

针对纳米振动测量方法中存在的间接性、低分辨率、低带宽等局限性,建立了原子力显微镜(AFM)的轻敲模式下探针与振动样品间相互作用的振动系统模型,采用Runge-Kutta数值积分方法分析了AFM测振技术的可行性和工作带宽。使用静电激励的双端固支纳米梁作为测试结构,采用AFM轻敲模式测试了样品的幅频响应特性。同时采用显微激光多普勒测振系统进行了比对测试,测量结果与AFM轻敲力曲线模式的测量结果相符,也表现出AFM轻敲模式的测量误差具有与测试样品相关的频率特性。

利用显微激光多普勒测量纳米梁的残余应力

采用基于显微激光多普勒(MicroLD)技术的共振频率法,测量了纳米梁谐振器的残余应力。首先,根据梁的横向弯曲振动理论建立了轴向力作用下固支梁的振动偏微分方程,并根据轴向力的拉压性质解得方程的唯一解形式。随后,由被测梁的应力状况确定可采用最优化方法或数值迭代方法计算残余应力值,并提出结合有限元模态分析方法验证计算结果的正确性。最后,采用MicroLD测振系统对SiC-W固支梁谐振器的幅频响应特性进行了测试。计算结果表明,被测的一组梁的平均残余应力分散性较大,说明加工工艺不能消除结构内的残余应力,且不能控制残余应力的均匀性。

基于显微激光多普勒的纳结构振动特性测试

为了分析NEMS典型器件静电激励纳米梁谐振器的振动特性,建立了测试中的关键模型:静电激励纳米梁谐振器的等效电学模型、纳米梁谐振器的等效机械模型,以及静电激励纳米梁谐振器在受激状态下受到的静电力与静电激励的相互关系模型。利用基于显微激光多普勒的纳结构离面振动测试系统,对静电激励纳米梁谐振器的离面振动特性进行了测试,测试结果验证了建模的正确性,同时对NENS加工工艺进行了评价和表征。