基于AFM探针的电晕放电初步研究

论文摘要

信息获取技术尤其是获取微纳结构互相套准的物理特性和化学信息对于探索微观世界的奥秘具有十分重要的意义,本文在比较了国内外有关原位准同步检测材料微纳结构物化特性的方法后,介绍了一种基于原子力显微镜和高场不对称波形离子迁移谱联用（即AFM-FAIMS技术）的方案:当AFM扫描到样品表面异常的物理图像后,需要进一步获取该“兴趣点”上的化学信息时,可利用AFM探针产生电晕放电,使该“兴趣点”上的痕量化学物质脱附并离化为带电的解吸附样品离子,这些样品离子再由微型机电接口装置带入FAIMS中进行分离和检测,从而可以获取与样品“兴趣点”上物理特性相对应的化学信息。本文针对联用系统中的关键部件—AFM探针,开展了一些有关电晕放电的初步研究,主要工作有:介绍了电晕放电的一般特性,对电晕放电的产生条件、起晕电压和超始场强作了一些讨论,并且进行了3mm间距的针板式电晕放电试验,发现它与理论模型吻合得较好。简单介绍了AFM探针以及有限元方法和ANSYS软件,利用ANSYS有限元软件对AFM探针进行了静力学分析、模态仿真和电场分析,其中电场分析表明当放电间距为100um加1kv的高电压时AFM探针针尖周围的场强分布在0.32v/um至62.4v/um之间,从理论仿真的角度验证了利用其产生电晕放电的可行性。利用AFM导电探针进行了电晕放电试验,观察了实验现象,测得了AFM探针加高压时的伏安特性曲线,总结了试验规律,为下一步利用AFM探针产生电晕放电实现非触式采样奠定了良好的基础,然后还利用MEMS工艺制作可用于放电的硅尖阵列,最后介绍了一种新型的AFM探针结构并利用ANSYS对其电学特性进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 扫描探针显微镜简介
• 1.3 原位准同步检测材料微纳结构物化特性的方法简介
• 1.3.1 基于AFM 的原位准同步获取材料物理和化学信息的方法
• 1.3.2 基于SPM-MS 技术的原位准同步检测微纳结构物化特性的方法
• 1.4 一种基于AFM-FAIMS 联用技术原位准同步检测材料微纳结构物理特性和化学成份的方法
• 1.4.1 对基于SPM-MS 联用技术原位准同步检测材料物化特性方法的分析
• 1.4.2 一种基于AFM-FAIMS 联用技术原位准同步检测材料物化特性的方法
• 1.5 本论文的主要内容
• 第2章 电晕放电特性研究
• 2.1 电晕放电现象
• 2.2 电晕放电的机理
• 2.3 电晕放电的阈值判据
• 2.3.1 电晕放电的起始条件
• 2.3.2 电晕放电的起始场强和起晕电压
• 2.4 连续电晕放电的伏安特性
• 2.5 毫米间距的电晕放电实验
• 2.6 小结
• 第3章 AFM 探针力学和电学特性的分析与仿真
• 3.1 AFM 探针简介
• 3.1.1 低的力弹性系数（k）
• 3.1.2 高的共振频率（f）
• 3.2 有限元简介
• 3.2.1 有限元方法简介
• 3.2.2 ANSYS 简介
• 3.3 AFM 探针力学和电学特性的ANSYS 分析
• 3.3.1 AFM 探针的ANSYS 静力学分析和模态仿真
• 3.3.2 AFM 导电探针的ANSYS 电场分析
• 3.4 小结
• 第四章 微型放电结构的相关试验
• 4.1 AFM 导电探针的电晕放电试验
• 4.2 硅尖阵列试验
• 4.2.1 硅尖阵列加工所使用的光刻板
• 4.2.2 硅尖阵列加工的工艺原理与简易步骤
• 4.2.3 所加工的硅尖阵列的SEM 照片
• 4.3 一种新型AFM 探针结构的电场仿真
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果