基于PVDF测头的三维纳米测量与定位实验研究

论文摘要

纳米技术的不断发展，对精密测量与定位技术提出了更高的要求，因此纳米测量和定位技术成为当前精密工程领域的研究热点之一。文中提出了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜构成的轻敲型振动梁式测头，同时对三维表面形貌测量及微/纳米级三维触发定位进行了相关实验研究。文中阐述了一种采用PVDF薄膜作为振动梁的新型测头的构成原理,根据测头输出信号的特点，设计了信号放大及调理电路，对原系统电路部分进行了改进。通过DDS函数信号发生器提供正弦交流信号驱动测头振动，采集卡采集测头输出信号，得到测头的频谱图。在测头上粘接利用直流电化学研磨法得到的钨探针，结合三维纳米定位平台，通过实验获取系统噪声水平、扫描试样时所需的电压设定值、PI参数、系统空间分辨率等参数。最终实现对玻璃长光栅表面三维形貌的测量。将系统从表面三维形貌测量向三维微/纳米级触发定位方向拓展。通过相关实验，分析并优化了影响测头性能的各项参数，提高了测头的灵敏度。通过减小测头的机械振幅降低测量力，更好地发挥了本测头轻敲模式的优点。设计了用于粘接探针的机械夹持机构，并且对整个系统采取必要的隔震防噪措施，提高了系统的稳定性。通过实验对原试样重新扫描，与之前测量结果比对后发现，系统性能得到较大提升。对大台阶硅试样表面三维形貌的扫描测量，进一步验证了系统的可靠性。将光纤熔接机烧制的一体式微测杆粘接至测头上，利用钢制标准量块对测头X、Y、Z方向分别进行触发定位实验，得到了测头不同维度的空间分辨率。对测头三维触发定位稳定性和重复性进行了相关实验，以此进一步对系统的性能指标做出了分析。文中叙述的各项研究结果表明，基于PVDF振动梁式测头构建的系统可以实现高空间分辨率、低测量力、适合各种材料的表面形貌测量。同时，该系统测头在X、Y、Z各维度均满足了微/纳米级触发定位的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 扫描隧道显微镜的诞生和发展
• 1.1.1 扫描隧道显微镜的测量原理及局限性
• 1.1.2 各种主流扫描探针显微镜的发展及局限性
• 1.2 微/纳米精密测头的研究现状
• 1.3 课题研究内容及来源
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 课题来源
• 第二章 基于 PVDF 的 SPM 系统的改进设计
• 2.1 基于 PVDF 的 SPM 系统总体结构的构建及工作原理
• 2.2 SPM 测头构成原理
• 2.2.1 采用 PVDF 薄膜作为振动梁的优点
• 2.2.2 基于 PVDF 薄膜的三维测头的构成原理
• 2.2.3 钨探针的制备原理与实验
• 2.3 SPM 系统电路构建与测头特性测试
• 2.3.1 PVDF 薄膜作为压电谐振传感器的原理
• 2.3.2 系统电路结构搭建
• 2.3.3 测头前放电路的设计
• 2.3.4 调理电路部分的设计
• 2.3.5 测头扫频程序的设计与频谱分析
• 2.3.6 信号采集单元
• 2.4 PI 工作台的搭建与控制软件的设计
• 2.4.1 PI 三维纳米台的构成
• 2.4.2 PI 工作台宏/微动的控制
• 2.4.3 系统控制软件的总体结构框架
• 2.5 SPM 整系统性能测试
• 2.5.1 系统测试综述
• 2.5.2 系统力曲线的测试
• 2.5.3 系统 P、I 动态参数的选定
• 2.5.4 试样三维表面形貌扫描测试
• 第三章 基于 SPM 系统向三维纳米定位系统的拓展
• 3.1 对于系统性能的改进与提升
• 3.1.1 基于实验对系统性能改进提出的要求
• 3.1.2 PVDF 薄膜尺寸参数对测头特性的影响
• 3.1.3 系统电路部分的改进
• 3.1.4 对探针机械振幅及测头测量力的分析
• 3.1.5 对于测头探针粘接方式的改进
• 3.1.6 对于整系统隔震防噪的考量
• 3.2 系统进行表面三维轮廓扫描时性能的测试和改进
• 3.2.1 对三角形光栅试样进行截面轮廓测量
• 3.2.2 整系统性能的测试与改进
• 3.2.3 试样单行扫描稳定性与重复性测试
• 3.3 系统改进后用钨探针进行大台阶试样测试
• 3.3.1 大台阶试样加工简介
• 3.3.2 试样保护盒的设计加工
• 3.3.3 对于大台阶光栅试样的测试及数据分析
• 第四章 PVDF 测头的三维纳米定位系统实验研究
• 4.1 基于 PVDF 振动梁的三维纳米触发定位系统的原理
• 4.2 一体式光纤微测杆测球的制备
• 4.2.1 制备测杆的材料及原理
• 4.2.2 实验设备及加工流程
• 4.3 使用一体式光纤微测杆进行触发定位测试
• 4.3.1 对使用一体式微测杆的测头进行频谱特性测试与性能分析
• 4.3.2 三维方向力曲线触发定位实验分析
• 4.3.3 系统三维方向上测量稳定性与重复性分析
• 第五章 总结与展望
• 5.1 研究总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文