基于MEMS的陣列式掃描探針顯微鏡測頭理論與技術(shù)研究.pdf

1、掃描探針顯微鏡(SPM)憑借其原子級的分辨力迅速在表面科學、材料科學、生命科學等研究領(lǐng)域中得到廣泛的應用,但是隨著科學研究和工業(yè)應用對成像范圍、掃描速度等需求的提高,迫切希望SPM性能也隨之提高。本文研究了一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的陣列式SPM測頭,借助靜電梳齒結(jié)構(gòu)的大行程、高線性度、易集成性和陣列式探針的特點,結(jié)合大范圍納米定位平臺,搭建了大范圍陣列式探針SPM。在提高SPM的掃描效率、擴大測量范圍等方面進行了較深入的研究工

2、作。主要工作包括:
　　1.研究了測頭的力學等效模型,推導了測頭三個維度上的彈性系數(shù)計算公式,并結(jié)合有限元方法進行仿真,優(yōu)化測頭結(jié)構(gòu)的設計參數(shù)。設計了MEMS陣列式探針SPM測頭。并合理配置測頭整體結(jié)構(gòu)三個維度上的彈性系數(shù),使測頭更穩(wěn)定的工作。
　　2.構(gòu)建了測頭的電學模型,并研究了其電學特性,分析了測頭針尖所連接的主梁在受力發(fā)生平移和偏轉(zhuǎn)時,給測頭電容模型帶來的非線性影響。分析測頭在加載靜電場時的側(cè)向吸合力和懸浮力等。確定

3、了測頭的掃描模式、極限掃描行程和極限施加電壓。
　　3.提出了陣列式靜電梳齒結(jié)構(gòu)測頭的三種工作模式:恒高模式、恒力模式和動態(tài)模式。分析三種工作模式的特點。并對恒高模式和恒力模式進行了實驗研究
　　4.提出了一種利用納米測量機和超精密電磁天平快速可溯源的探針彈性系數(shù)標定方法。保證了測頭恒力工作模式的穩(wěn)定性和測量準確性。
　　5.將測頭與大范圍精密定位測量平臺—納米測量機結(jié)合,設計了陣列式探針SPM。實驗標定了測頭的靈敏度