基于微纳米尺度的样品扫描成像系统设计

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1、天津大学硕士学位论文基于微纳米尺度的样品扫描成像系统设计DesignofAMicro/NanoScaleBasedSampleScanningImagingSystem学科专业：机械工程研究生：何贤斌指导教师：田延岭教授企业教师：刘志新高工天津大学机械工程学院2017年12月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

2、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：年月日摘要在微观尺度领域，原

3、子力显微镜(AFM)是重要的研究测量工具，能提供纳米级的测量精度，其高精度测量及纳米操作的能力拓展了在机械、生物、生命科学领域的用途。为提高AFM的测量精度和成像速度，本文设计并研发了一个样品扫描成像系统，系统具有扫描成像功能，能进行快速高精度的扫描测量。首先介绍了样品扫描成像系统的工作原理、组成部分及工作模式。本系统采用光杠杆位置检测法，由AFM探针、光电位移传感器(PSD)、激光器组成位置检测系统，并采取探针固定，样品扫描的方式进行恒力接触式扫描。然后对系统主要零部件进行设计加工及选型。系统

4、由位置检测机构、平台托架、基座、快速定位系统及扫描器组成，零部件可根据系统要求自定义设计，无光学配件，装配简单。扫描器采用柔性铰链机构，由压电驱动器驱动，能实现高速精准低耦合误差的位移输出。接着根据搭建好的硬件平台进行系统参数标定，包括扫描器位移传感器标定、PSD信号标定和闭环控制标定等。然后根据其功能进行程序设计，包括快速定位系统程序、模拟采集程序、进退针程序和扫描成像程序。最后进行了实验研究，包括多种样品在不同分辨率和扫描频率下的扫描测试、横向力和探针起伏成像、根据扫描器迟滞现象进行了前馈补

5、偿以及样品力谱检测。本样品扫描成像系统具有良好的扫描测试表现，测量精度高，扫描速度快。本系统无光学配件，光路简单，无需复杂的光学对焦，操作简单。扫描器固有频率、刚度高，采用运动闭环控制，系统鲁棒性好。本文从结构设计、参数标定、软件编程和实验验证等方面阐述系统是如何实现的，对纳米技术的研究具有重要的指导意义。关键词：AFM，柔性铰链机构，压电驱动器，前馈补偿，力谱IABSTRACTAtomicforcemicroscope(AFM)isausefultoolinthenanoscalemeasur

6、ement,theabilityofhighprecisionmeasurementandnanomanipulationexpanditsuseinmechanical,biologicalandlifescience.Thisdissertationfocusondesigningasamplescanningimagingsystemthatcanprovidefastscanningwithhighprecision.First,theworkingprinciple,component

7、andworkingmodeofthesamplescanningimagingsystemareintroduced.Thesystemcapturesthemorphologyofthesamplebyadoptingopticallever,whichiscomposedofAFMprobe,positionsensitivedetector(PSD)andlaserdiode.Specifically,thesystemperformsconstantforcecontactscanni

8、ngwithprobefixedandsamplescanning.Thenthemainpartsofthesystemaredevised,manufacturedandpurchased.Thesystemconsistsofpositiondetectingmechanism,systemholder,base,fastpositioningsystemandscanner.Allpartsarecustomizedaccordingtorequirementanditiseasytoa