基于新型音叉探针动态原子力显微测量系统开发

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇

2、编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要随着微纳制造技术飞速发展，对与之相关的微纳检测技术提出了更高要求，体现在测量范围、测量精度和测量速度等方面。原子力显微术（AFM）是微纳检测技术中的一项重要方法，可以实现微结构器件的表面形貌检测，分辨力能达到纳米级。测头与大范围高精度定位平台相结合实现毫米级测量范围和纳米级分辨力的动态AFM是近年来AFM发展的一大热点。本文在充分调研动态AFM研究现状和发

3、展趋势的基础上，将自感应音叉测头与大范围纳米定位平台（NMM）相结合，构建了一套可以在多种工作模式下使用的动态AFM测量系统。论文主要完成的工作包含以下几个方面：1.从音叉探针的结构特点入手解释其工作原理。建立音叉探针的力学模型，得到了探针的两个谐振频率并讨论了音叉探针工作频率的选择问题。构建音叉探针的电学模型，分析了内部寄生电容对音叉探针的影响。介绍了动态AFM三种工作模式的原理并讨论了不同工作模式的特点。2.开发了小型自感应音叉测头。设计了信号处理电路，实现了音叉探针信号的放大滤波和寄生电容的补偿。将小型自感应音叉测头与N

4、MM结合，搭建了一套大范围的AFM测量系统，并且保证了测量结果的溯源性。设计了以DSP为核心的数字PI反馈控制系统，制作了一台反馈信号控制器。测量系统可以实现多种测量模式，各种测量模式之间可以通过控制器上的模式切换开关实现快速切换而不需要改变线路的连接情况。3.通过提取音叉探针内部纳安级微弱电流的实验得到了激励电压与音叉探针电流的关系。利用显微激光多普勒测振法测量音叉探针的机械振幅，实现了音叉探针机电耦合系数的标定。讨论了温度和外界振动对音叉探针的品质因数、谐振频率等参数的影响。测试了反馈控制模块的性能。使用AFM测量系统在频

5、率调制和相位调制两种工作模式下完成了对标准栅格结构测量，验证了测量系统的可行性。关键词：原子力显微镜音叉探针动态模式频率调制相位调制ABSTRACTWiththedevelopmentofmicro-nanometermanufacturingtechnology,therelatedmicro-nanometerdetectiontechnologyhasbeenputhigherdemand,thedemandreflectsintheaspectsofmeasuringrange,measuringaccuracyand

6、themeasuringvelocity.Atomicforcemicroscope(AFM)isanimportantmethodformicro-nanometerdetection,itcanmeasurethetopographyofmicrocomponentandtheresolutioncanreachnanometerlevel.ThedynamicAFM,whichcombinesAFMheadwithlargerangeandhighprecisionpositioningstageandachievesm

7、illimeterlevelmeasurementrangeandnanometerlevelresolution,isthedevelopmentfocusinrecentyears.Inthisdissertation,basedoninvestigatingtheAFMresearchstatusanddevelopmenttrend,adynamicAFMmeasurementsystemwhichcombinestheself-sensingtuningforkheadwithlargerangenanometerp

8、ositioningstage(NMM)hasbeensetup.Themainworkoftheresearchincludesthefollowingaspects:1.Thetuningforkprobeworkingprincipleisexplainedbyintr