面向纳米测量的原子力探针系统的研究

论文摘要

超高精密机械零件的表面微观形貌不仅直接影响着零件的使用性能,而且还影响着产品的质量、可靠性及寿命。精确可靠地测量超精密表面的微观形貌已成为超精密加工领域中一个亟待解决的关键问题。原子力显微镜表面分析仪器的发明和应用极大地促进了超精密加工及其检测技术的发展,为人们研究超精密零件表面的微观特性提供了有利的手段。本论文在借鉴原子力显微镜原理的基础上,结合具有立方厘米级工作空间、纳米级运动分辨率的6-DOF并联工作台的实际测量需要,综合考虑了系统的开放性、扫描范围和调节装置的可靠性,研制了面向纳米测量定位的高精度表面纳米级形貌测量样机。首先,分析了原子力探针系统的中原子力–距离的关系,并确定探针系统的探针的工作模式和样品的扫描模式,从而选择压电陶瓷作为扫描微位移驱动器;采用光学偏转法检测微悬臂偏转量,并选用了PSD作为传感元件,并在此基础上进行了系统光路设计及其数学模型的建立。其次,设计了测量系统的光路调节装置,并进行了主要结构尺寸和装配误差的分析,进而确定了系统的机械结构。使用Pro/E进行三维建模,并绘制工程图。针对系统对元件的性能要求,分析了元件的性能,并针对力传感器–微悬臂在工作状态下的性能进行了模态分析。最后,针对压电陶瓷扫描器开环控制误差较大的问题,使用了PID控制算法,获得了良好的控制效果。同系统恒力模式下的闭环控制一起,构建了探针系统双闭环控制;使用VC++6.0开发平台,完成了系统的相关控制功能的实现;针对标准样品进行了三维表面形貌的测量实验,达到了系统预期设计目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 纳米测量技术的发展与现状
• 1.2.1 接触式测量仪器
• 1.2.2 非接触式测量仪器
• 1.2.3 扫描探针显微镜
• 1.3 超高精度测量的设计准则
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 原子力探针测量系统原理设计
• 2.1 引言
• 2.2 原子力–距离曲线的分析及原子力工作值的调节
• 2.2.1 原子力–距离曲线的理论分析
• 2.2.2 原子力工作值的调节方法
• 2.3 扫描微位移驱动器
• 2.4 探针系统工作模式和扫描模式的确定
• 2.4.1 探针系统的工作模式
• 2.4.2 探针系统的扫描模式
• 2.5 微悬臂检测系统的构成
• 2.5.1 微悬臂偏转量的检测方法的确定
• 2.5.2 光束偏转量的检测方法
• 2.6 系统光路设计及数学模型的建立
• 2.7 系统总体设计方案的确定
• 2.8 本章小结
• 第3章 原子力探针测量系统结构设计
• 3.1 引言
• 3.2 系统调节机构的分析与设计
• 3.2.1 反射镜的调节
• 3.2.2 Z向压电陶瓷的调节与固定
• 3.2.3 PSD的调节与固定
• 3.2.4 探针–样品逼近时的粗调和微调机构
• 3.3 机构参数对系统位移放大倍数的影响
• 3.3.1 系统尺寸参数以及微悬臂长度的影响
• 3.3.2 光源到微悬臂垂直方向的距离（H）的影响
• 3.3.3 微悬臂的安装误差和入射点的位置的影响
• 3.4 系统元器件的性能分析与选择
• 3.4.1 压电陶瓷及其控制器
• 3.4.2 光电位置传感器PSD及外围电路
• 3.4.3 力传感器微悬臂
• 3.4.4 数据采集卡
• 3.5 系统机构的确定
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制系统设计及实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统设计
• 4.2.1 系统功能模块的确定
• 4.2.2 系统的控制原理
• 4.2.3 控制系统软件部分的实现
• 4.3 压电陶瓷闭环控制
• 4.3.1 PID控制算法
• 4.3.2 压电陶瓷控制的实验
• 4.3.3 压电陶瓷控制的实现
• 4.4 表面形貌测量实验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 模态分析结果
• 附录2 压电陶瓷控制实验数据列表
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理
• 致谢