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。     

浅析堆料机悬臂架的振动

在设备调试过程中经常会发现悬臂架以及支撑平台处于比较明显的振动状态。就这问题,本文介绍了堆料机在调试过程中对出现的振动现象的处理及相关理论依据。     

激光测振仪用于微梁和AFM探针振动测量

激光光纤测振仪将直径小于200μm的激光光斑会聚于Si微悬臂梁和AFM探针上，分别由静电场和PZT进行激振，实现了激光微结构振动特性非接触测量，并给出了测量结果。     

基于力电耦合模拟的压电悬臂板波激振动获能研究

采用数值模拟的方法,研究了压电悬臂板在线性深水波激发下的振动获能机理。首先运用数值波浪水槽计算出了三维压电悬臂板所受的波浪时程荷载,然后采用力电耦合模拟的方法,研究了板的振动规律和不同粘贴位置压电材料的输出电压,该力电耦合模拟方法考虑了压电材料的贴合和压电材料的压电效应对压电悬臂板振动的影响。通过对不同物理参数下压电悬臂板振动获能机制的计算分析,得出了对板振动和获能的关键影响因素以及提高获能效率的通用方法,揭示了波浪运动与振动获能的关系。     

微尺度悬臂管的空间弯曲振动-非线性运动方程及尺度效应EI北大核心CSCD

具有圆环形横截面的微尺度悬臂输液管可以同等地向空间各方向产生弯曲振动。按照欧拉-伯努利梁理论,在分析管道上点的位移及相关几何关系的基础上,考虑Lagrange应变张量所给出的几何非线性,基于修正的偶应力理论计算了管的应变能,运用Hamilton原理建立了微尺度悬臂输液管的空间弯曲振动的非线性动力学方程。研究了无量纲材料长度尺寸参数对系统动力学性质的影响,结果表明,尺度效应增大管道的临界流速,并使得稳定的平面周期运动(空间周期运动)在整个质量比区间上占的比例越大(小)。     

车辆行使对高层建筑微振动影响的试验研究

由于交通车辆引起的建筑物振动对强度和安全的影响通常可以忽略不计，这类振动没有受到足够的重视。然而，对交通干线附近建筑内的精密仪器，车辆引起的楼板微振动却是一个不可忽略的因素。本文实际测量了分析了某三面紧邻交通干线的高层建筑振动状态，研究了轻轨列车行使对高层建筑振动的影响，发现轻轨列车和重型汽车通过时，大楼的振动明显增大，可能导致部分仪器的测量误差增大。     

卫星微振动检测技术

微振动是限制高精密测试技术发展的关键因素之一,本文以微振动在航空航天技术方向的测量研究为基础,对微振动背景、测量技术进行了详细的阐释,在传统光学测量分析的基础上,分析了利用高精度微机械加速度计测量的可行性,最后就微振动测量技术的发展方向做出了总结。     

修正的ARMA模型在微悬臂系统辨识中的应用

在力学显微镜和光力学的研究中,微悬臂是一种被广泛使用的微机械器件。为了了解微悬臂的模态信息,采用ARMA模型对微悬臂进行系统辨识和模态参数识别。针对观测噪声会使时间序列模型辨识精度变低的问题,研究如何将带有观测噪声的ARMA模型转化为无观测噪声的ARMA模型。得到微悬臂的ARMA模型后将其转化为连续系统的传递函数,再从传递函数中求出微悬臂的各模态参数。为了减小微悬臂对外力的延迟响应时间,根据系统辨识得到的模型,构造一个复原滤波器,微悬臂的位移信号通过这个复原滤波器后得到作用力信号。仿真及实验结果证明了所用的系统辨识、模态参数识别及信号复原方法的有效性。     

微振动环境下反射镜的微转角测量

为了测量微振动环境条件下反射镜的微小转角,根据结构随机振动加速度的频域数据与转角均方根响应的数学关系,提出了一种经济且简单易行的间接测量结构微转角的方法.并且以一个大型反射镜架为例,通过实验分析得到了其在大厅空调运行与关闭微振动环境下镜片的相对转角响应.实验表明,此方法操作简单、测量精度高,具有广阔的应用前景.     

光栅微振动测试传感技术的研究

提出了一种微弱地震波信号新的检波理论和方法．设计了一种测微振动传感器，采用光栅谐振子为敏感元件，将地震的机械信号转换成光调制信号——莫尔条纹，再用光电器件将其转换成数字化电信号．采用80倍细分技术，使传感器分辨力达到125nm；用MATLAB软件对PIC单片机记录的信号进行振动过程重构．结构中设计了横向限振片和光栅调节器，对光栅间隙、光栅间纵横向夹角进行调节，有效地限制了光栅间隙及角度的变化产生的误差．同时也校正了光栅的累积误差．有效地抑制了横向振动，提高了系统精度，同时可降低对该系统的横向限振要求，有利于结构设计．由于该传感器直接将地震的机械信号以脉冲数字信号输出，避免了器件精度不同对传感器输出数据质量的影响，简化了组装工艺．重点介绍了光栅数字地震检波器的结构设计、理论分析、辨向细分技术等．最后给出了测试数据和结论．     

基于Qplus技术的AFM测头研究

初步设计并组装了基于qPlus 技术的原子力显微镜（AFM）测头。使用石英音叉型力传感器替代了硅悬臂传感器,并设计了前置放大电路,研究了测头的频率特性,利用搭建的实验装置对测头的性能进行了测试。测试结果表明:该测头在频率调制（FM）模式下具有较高灵敏度。同时测头频率特性的研究显示探针及其粘接部位的质量是影响测头谐振频率的最主要因素。为qPlus-AFM测头的设计、组装及后续研究提供了经验和基础。     

基于音叉式AFM测量的软件控制研究

基于音叉式原子力显微镜(AFM)的基本原理,设计了一个幅度调制模式下的测量控制系统,该控制系统的主要实现功能为针尖接近、针尖工作点位置保持和样品的表面形貌测量。实验得到针尖在不同激励电压下的接近曲线,针尖分别在100mV、200mV、500mV、1V激励下,工作区间大小为4.7nm、8.5nm、12.1nm、15.7nm,灵敏度分别为0.0423V/nm、0.0564V/nm、0.0861V/nm、0.0831V/nm。实验得到针尖工作点位置保持过程中的纳米位移台位置变化曲线,针尖工作点的正向偏移值为2.3nm,负向偏移值为1.3nm。表面形貌测量采用X轴双向扫描模式,即在纳米位移台于X轴方向上的往返过程中分别测量1次表面形貌数据,对正向扫描和反向扫描的数据进行计算处理;正向扫描的间距误差为5.2nm,高度误差为0.3nm,反向扫描的间距误差为6.4nm,高度误差为0.5nm。     

原子力显微镜在材料研究中的应用

简述原子力显微镜的工作原理及特点,以实例介绍其在材料研究中的应用,指出原子力显微镜在材料的研究过程中有广阔的应用前景。     

对计量型原子力显微镜纳米测量系统的比对验证

原子力显微镜是广泛应用的纳米测量仪器。中国计量科学研究院成功研制了计量型原子力显微镜纳米测量系统，本文介绍了该系统的技术特点和指标，并通过与发达国家的比对测试验证了该系统在测量原理、测量精度及可溯源性方面已达到了国际先进水平。     

对计量型原子力显微镜纳米测量系统的比对验证

原子力显微镜是广泛应用的纳米测量仪器。中国计量科学研究院成功研制了计量型原子力显微镜纳米测量系统,本文介绍了该系统的技术特点和指标,并通过与发达国家的比对测试验证了该系统在测量原理、测量精度及可溯源性方面已达到了国际先进水平。     

Atomic Force Microscope Cantilever Flexural Stiffness Calibration: Toward a Standard Traceable Method

The evolution of the atomic force microscope into a useful tool for measuring mechanical properties of surfaces at the nanoscale has spurred the need for more precise and accurate methods for calibrating the spring constants of test cantilevers. Groups within international standards organizations such as the International Organization for Standardization and the Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS) are conducting studies to determine which methods are best suited for these calibrations and to try to improve the reproducibility and accuracy of these measurements among different laboratories. This paper expands on a recent mini round robin within VAMAS Technical Working Area 29 to measure the spring constant of a single batch of triangular silicon nitride cantilevers sent to three international collaborators. Calibration techniques included reference cantilever, added mass, and two forms of thermal methods. Results are compared to measurements traceable to the International System of Units provided by an electrostatic force balance. A series of guidelines are also discussed for procedures that can improve the running of round robins in atomic force microscopy.     

优化型多扫描方式原子力显微镜的研制

本文提出和发展了一种多扫描方式的新型原子力显微镜(AFM)技术及系统。该系统拥有三个不同的扫描器,以相互组合的方式实现三种不同的扫描方式,由管状压电陶瓷驱动的柔性结构扫描器,采用样品扫描方式,对于小尺寸样品能够提供高分辨率的快速扫描;由叠层式压电陶瓷驱动的扫描器,采用探针扫描方式,提供各类样品的大范围扫描;由步进电机驱动的扫描器,采用样品扫描方式,能够实现大尺寸样品的大范围扫描。三种方式的单幅图像扫描范围可分别达到4μm×4μm、20μm×20μm、40μm×40μm。实验结果表明,借助于上述多扫描方式及独特的结构设计,该 AFM 不仅具有分辨率高、扫描速度快、重复性好等优化性能,而且能同时实现各类尺寸样品的各种扫描范围的微纳米成像,具有更好的实用性,可望在微纳米技术领域获得广泛应用。     

计量型原子力显微镜

本文报导国际上研制的第一台在纳米测量中，在中等测量范围内，具有微型光纤传导激光干涉三维测量系统、可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜。它的诞生，可使目前用于纳米技术研究的扫描隧道显微镜定量化，并将其所测量的纳米量值直接与米定义相衔接。使人们更加准确地了解纳米范围内的各种物理现象，并对它们进行更精确的分析。文章对计量型原子力显微镜进行了理论分析，提出了对各种测量误差的抑制及其补偿方法，并进行了大量的实验，得到良好的结果。目前，该计量型原子力显微镜在其测量范围内，任意两点间距离的测量不确定度为Ｕ９５＝５ｎｍ＋２×１０－４ｌ；在ｚ－轴上的测量不确定度为Ｕ９５＝（１．１～１．２ｎｍ）＋２×１０－４ｈ。     

一种可溯源原子力探针显微镜

研制了一种基于白光干涉的可溯源原子力探针扫描显微镜,提出了一种稳健的白光干涉零级条纹定位算法,建立了一套高分辨激光干涉位移测量系统。在此基础上提出了一种探针标定方法,实现微纳表面可溯源测量。通过对台阶高度为(21.4±1.5)nm的标准光栅进行10次重复测量,其结果的平均值为21.56 nm,标准差为0.51 nm;同时对高度为150 nm的三维特征样件进行了三维测量,验证了所研制仪器测量的准确性和稳定性。