恒撞击力轻敲模式AFM的设计及研究

在轻敲模式AFM中,利用DMT模型与光探针点衍射理论结合来检测微探针的振动,并对振动信号进行频率域分析,通过检测和控制信号中高次谐波分量使针尖-样品间撞击力保持恒定。测试实验表明,该系统具有结构简单、可测不同材料的样品和对软质材料样品损伤小的优点,其测量重复性可达1%,分辩力可达1~5nm。     

基于扭转谐振模式3D-AFM的微结构侧壁形貌检测

针对半导体器件微结构侧壁关键尺寸检测需求,设计了一套三维原子力显微镜(3D-AFM)系统.该系统采用针尖末梢为喇叭口形的悬臂梁探针,以扭转谐振模式实现横向轻敲扫描.介绍了该3D-AFM系统的结构组成和工作原理,对系统的横向检测灵敏度进行了标定,获得了喇叭口针尖与样品侧壁横向接近过程中探针扭转振幅的变化曲线.利用该系统对栅格标样侧壁局部形貌进行了线扫描和面扫描,所得轮廓具有较好的重复性,且测量所得形貌特征与常规轻敲模式扫描结果一致,表明本文所述3D-AFM系统及工作模式能够用于微结构侧壁形貌的检测.     

水化膜对原子力显微镜扫描图像的影响

原子力显微镜(AFM)有接触和轻敲两种工作方式,可以在气相和液相下工作.在液相工作状态下,浸没于水中的探针和样品表面会形成一层水化膜.在探针和样品表面形成的水化膜是否会对扫描图像产生影响以及产生何种影响是一个值得研究的问题.本文用原子力显微镜对1μm标准校正光栅在空气和水两种媒质中进行了图像扫描,扫描分别采用接触和轻敲两种工作方式.扫描图像显示,在液相工作环境中,水化膜在探针和样品表面的形成将严重影响轻敲工作方式所形成的图像,而接触方式的扫描图像基本不受影响.     

原子力显微镜动力学简化模型的振动参数探讨

欧拉-伯努利梁模型和一维弹簧振子模型是原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)的动力学理论基础。该文章提出了计算等效阻尼的新方法，并分别用挠曲线函数和一阶振型函数两种简化方式计算了由欧拉-伯努利梁模型简化为一维弹簧振子模型的等效质量、等效刚度和等效阻尼，并对两种简化方式进行了比较。在各项参数等效的基础上，进一步对固定端位移激励下悬臂梁的响应振幅进行了探讨。最后设计了无针尖探针远离样品处的扫频实验，实验表明用一阶振型函数简化所得的理论结果和实验吻合较好。该结果为原子力显微镜的动力学特性研究提供了理论参考。     

SPM抑振系数的理论与实验研究

为分析外界振动对扫描探针显微镜（SPM）针尖一样品副的影响，提出“抑振系数”的概念．围绕SPM针尖一样品副的动态力学模型，对抑振系数的物理含义、影响因素等进行了理论分析．搭建了SPM激振、测振的实验系统，对不同的SPM扫描器、探针、样品、针尖预应力以及针尖一样品副开／闭环对SPM抑振系数的影响进行了实验研究．在理论分析上和实验研究中，都证实SPM抑振系数与悬臂梁的有效质量、弹性系数、空气阻尼系数、针尖与样品的接触弹性系数和接触阻尼系数等相关，反映在实际SPM部件参数上，则较短的扫描器、较长的悬臂探针、较软的样品表面、较大的探针预应力、闭环控制的针尖一样品副等都是提高SPM抑振性的途经．     

基于新型探针的双频原子力显微系统开发

传统原子力显微镜(AFM)在接触模式下工作时具有接触力较大、易损伤样品的缺点.本文通过对新型自感应音叉探针施加双频激励,使得AFM工作在轻敲模式下,减小了接触力和扫描过程中的侧向力影响,实现了样品表面力学特性和亚表面结构的表征.然后利用基于DSP的PI反馈控制模块,完成了线扫描实验,证明该双频原子力显微测量系统具有较好的测量能力.     

原子力声显微镜成像及分析

超声检测技术与原子力显微技术相结合,构成原子力声显微镜(AFAM),能够实现样品内部纳米结构的测量,并分析如局域弹性模量、刚度等力学性能.本文在传统的原子力显微镜(AFM)的基础上初步构建了AFAM,利用AFM轻敲模式下的微悬臂梁振动激励信号来驱动样品背面的压电超声换能器,并利用轻敲模式控制系统中的锁相环检测经过样品后由探针收集的振动信号,形成振幅及相位图像.这种AFAM方法不需外接信号发生器、锁相放大器及相关控制电路,从而避免AFM内、外部的仪器及控制电路的不同步而引起的AFAM振幅/相位与形貌图像间的偏移.此外,还分析了形貌结构对AFAM振幅图像的影响,为进一步研究AFAM亚表面成像奠定了基础.     

随机噪声激励下轻敲式原子力显微镜动力学特性研究

针对有界随机噪声激励下轻敲式原子力显微镜 (AFM：Atomic force microscope)系统的非线性动力学问题,建立Lennard-Jones力场作用下针尖-样品的集总参数模型,应用现代微分方程和分岔理论,分析了随机扰动强度和弯月面接触角对AFM针尖-样品耦合系统动力学特性的影响。结果表明,轻敲式AFM耦合动力学系统中存在丰富的周期运动和混沌运动,表现出复杂的非线性行为,混沌特性随着随机扰动强度增大而增强,弯月面接触角越大混沌特性越明显,因此在轻敲式AFM优化设计中,随机噪声对AFM系统的影响不可忽视。     

利用典型Si(100)微结构对原子力显微镜探针参数进行表征

利用各向异性化学湿法刻蚀工艺在Si(100)上加工了具有本征侧墙角(54.73°)的典型微机电系统(MEMS)梯形结构.用该微结构作为线宽测试结构,对其进行了原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)线宽和轮廓的比对测量.并对AFM探针和样品耦合效应进行了研究,提出了AFM探针参数动态表征的模型,基于几何模型对线宽和轮廓测量中探针针尖形状和针尖位置参数进行了表征,提出了用曲率半径、安装倾角、扫描倾角和针尖半顶角来对原子力显微镜探针针尖进行表征.该方法是对现有AFM探针表征模型的改进和完善.     

AFM轻敲模式中微悬臂振动的研究

针对原子力显微镜AFM（Atomic torce microscope）在轻敲工作模式下微悬臂在谐振频率附近振动的问题，依据振动学理论和仿真分析的方法，建立了微悬臂的振动模型，仿真出了微悬臂前几阶的振动模态。得到了在保证振幅不变的情况下微悬臂各参数与其自由端偏转角的关系，指出了轻敲模式下减小AFM测量误差的方法。     

配合关系对弹性环式挤压油膜阻尼器减振特性的影响

为了研究配合关系对弹性环式挤压油膜阻尼器减振特性的影响,搭建了带弹性环式挤压油膜阻尼器的转子实验系统,设计了两套弹性环组件。通过改变弹性环凸台的配合关系及转子的不平衡质量,实验研究了弹性环式挤压油膜阻尼器的减振特性。实验结果表明:弹性环的内凸台为过盈配合时可能导致阻尼器减振失效,为间隙配合时减振效果更好;外凸台配合关系的变化不会导致阻尼器减振失效;凸台为间隙配合时,弹性环的减振效果及转子的响应与不平衡质量的关系线性度更高。提出了设计与应用弹性环式挤压油膜阻尼器时,应保证内凸台为间隙配合的设计建议。     

超长柔性臂架回转振动主动控制研究

针对超长柔性臂架回转振动过大问题,结合臂架结构特点基于有限单元法建立臂架回转动力学模型,分析臂架回转系统振动特性。采用模态滤波技术及最优极点配置算法进行主动控制策略设计与理论分析,并搭建主动控制试验系统,进行超长臂架回转振动主动控制试验。试验结果表明,该振动主动控制方法能有效提升受控系统阻尼比(增幅920%),显著抑制臂架回转振动衰减时间(减幅73%),振动控制效果明显,不仅对研制更长臂架泵车具有重要的理论及应用价值,且对所有具有超长柔性机械臂高端装备回转振动控制具有重要参考价值。     

Intrinsically high-Q dynamic AFM imaging in liquid with a significantly extended needle tip

Atomic force microscope (AFM) probe with a long and rigid needle tip was fabricated and studied for high Q factor dynamic (tapping mode) AFM imaging of samples submersed in liquid. The extended needle tip over a regular commercially available tapping-mode AFM cantilever was sufficiently long to keep the AFM cantilever from submersed in liquid, which significantly minimized the hydrodynamic damping involved in dynamic AFM imaging of samples in liquid. Dynamic AFM imaging of samples in liquid at an intrinsic Q factor of over 100 and an operational frequency of over 200?kHz was demonstrated. The method has the potential to be extended to acquire viscoelastic material properties and provide truly gentle imaging of soft biological samples in physiological environments.     

挤压油膜阻尼器同心度及碰摩对转子振动特性的影响

为了探明挤压油膜阻尼器存在不同心度以及碰摩故障时转子系统的振动特性,建立了带挤压油膜阻尼器的转子系统动力学模型,考虑了阻尼器不同心度以及油膜环碰摩故障等因素,并搭建实验器系统进行了实验验证。理论分析与实验结果表明,转子涡动半径越大,阻尼器的安装不同心度对转子振动影响越强;挤压油膜阻尼器不同心度越大,转子振动幅值越小,但非线性振动风险迅速增加;阻尼器偏心比过大时油膜内、外环可能发生碰摩,激起转子反进动固有频率,且振动幅值表现出剧烈波动现象。     

输流管道的流体诱发振动稳定性分析

考虑内、外部流体的联合作用,研究输流管道的流体诱发振动稳定性。将外部流体的作用简化为涡激升力,利用Kane方法建立输流管道的二维非线性涡激振动方程。将动力学方程在平衡位置附近线性化,进行输流管道的稳定性分析。探讨不同内外流流速、外部流体的粘滞力系数、管道跨度以及内外流联合作用对管道稳定性的影响。研究结果表明,非线性涡激振动模型更真实地反映输流管道的流体诱发振动稳定性,在内流和管道跨度的影响下,发生耦合模态颤振现象;外部流体粘滞力系数的变化对管道的动力特性有明显的影响;在内外部流体的联合作用下管道的振动特性与各因素单独作用时明显不同。     

基于实测扫频响应反推管路卡箍支承刚度及阻尼

为了建立管路系统动力学模型并分析其振动特性,需获取动载荷下卡箍支承刚度及阻尼等力学特性参数。该研究提出一种基于实测扫频响应的响应面法来反推上述参数的方法;提出了基于响应面反推管路卡箍支承刚度和阻尼的辨识算法;利用自编有限元创建了管体-卡箍系统的动力学模型,推导了管路系统振动响应;在利用响应面法的匹配计算中,进行了卡箍刚度及阻尼关于频率和对应响应的多项式拟合,并采用基本遗传算法进行了优化。在实例研究中,用提出的方法辨识出了所研究管路卡箍的具有频率依赖性的支承刚度和阻尼;将辨识值回代到分析模型中,通过比较预测的与实测的频域响应,共振频率及响应偏差均小于3%,证明了辨识结果的合理性。     

高空作业平台臂架变幅振动特性研究

在现有高空作业平台直臂的变幅振动特性研究中,将臂架简化为一变截面悬臂梁,亦即视变幅油缸、臂架和转台相连的三角部位为刚性区域;这样,势必带来其分析结果的误差。为此,考虑臂架的实际连接和支承情况,将伸缩臂架等效为根部铰支、中间弹性支承且带有集中参数的变截面梁;基于哈密顿原理建立了变幅过程中臂架振动的微分方程,求解得到臂架振动的固有频率和振型,在此基础上结合特解和振型之间的正交性得到希尔伯特空间内臂架振动的状态空间方程,在Matlab/Simulink环境下进行动态仿真,可以得到随着仰角变化,臂架头部的振动响应。结果表明,所得臂架头部的振幅超过常规研究中29%以上,该研究可为高空作业平台振动控制提供更为精确的理论参考。