基于PVDF扫描测头的电路系统构建及性能测试.pdf

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1、2012正仪表技术与传感器2012第l0期InstrumentTechniqueandSensorNo．10基于PVDF扫描测头的电路系统构建及性能测试魏晋鹏，李志渤，黄强先(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)摘要：一种采用PVDF薄膜和压电传感器结合钨探针构成的新型扫描测头可以对柔软易损坏及具有大台阶特征的表面实现高精度非破坏性测量。基于该新型测头构建了硬件电路系统，并通过相关试验测试了系统特性。试验结果证明：该扫描测头在垂直方向上可实现亚纳米级的分辨率。关键词：PVDF薄膜；电路构建；性能测试；扫描探针显微镜中图

2、分类号：TH71；TH89文献标识码：A文章编号：1002—1841(2012)10—0105—03BuildandPerformanceTestingofCircuitSystemBasedonScanningProbebyPVDFMembraneWEIJin-peng，LIZhi—bo，HUANGQiang—xian(SchoolofInstrumentScienceandOpto·electronicEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China)Abstract：A

3、newprobeofscanning-stylusfabricatedbyPVDFmembraneandpiezoelectricsensorswasbuilt，whichCanmeas—urethetopographyofthesoft，easily—destroyedsamplesaswellasthatwithhighstepmicro—features．Electriccircuitsystemofthenewprobewasbuilt，andthecharacteristicsoftheprobesystemweretestedt

4、hroughaseriesofexperiments．Theexperimentresultsshowasub——nanospacialresolutioninverticaldirectioncanbeachievedwiththisprobe．Keywords：PVDFmembrane；circuitconfiguration；performancetesting；scanningprobemicroscopy0引言自20世纪80年代初世界上第一台具有原子级分辨率的表面轮廓分析仪——扫描隧道显微镜(SFM)问世至今，有许多结构与功能相似

5、的测量仪器相继出现，这在一定程度上满足了相关领域研究的需求，但是在某些方面还是有很大的局限性。扫描隧道显微镜(STM)最主要的局限性在于其所能测量的试样必须是导体或半导体”J。常规原子力显微镜(AFM)所采用的探针有效长度短，一般仅有数微米，不适合具有数十、甚至数百微米高度的微观台阶，且测头中所采用的光学检测系统也可能给表面测量带来干涉误差。鉴于以上系统的不足，及对现代微细结构测量中所提出的高精度、大台阶、柔软材质表面无图1基于PVDF薄膜的测头原理图损伤等较高要求，开发研制新型的SPM系统非常必要。现其下表面中央处粘接钨探针，这就类似于A

6、FM中带探针的微提出了对这种新型扫描测头电路系统的构建及对整个系统性悬臂。薄膜两端分别与两个完全相同的PZT固定在一起。当能的研究与改进。并通过一系列试验，对系统的噪声水平和测两PZT受到一个正弦信号激励而周期性地横向伸缩时，固定在头灵敏度进行测试。其上的PVDF将在横向力的作用下上下振动。粘接在PVDF下1测头构成原理及特性表面的钨探针随着薄膜的振动而振动。如此，在测量时探针与基于PVDF压电薄膜振动梁的测头示意图如图1所示。试样不会持续接触，它们之间总是处于一种触碰即分离的状PVDF薄膜经极化后具有优良的压电特性，沿垂直于极化面方态，这

7、种测量模式被称之为微测力轻敲型扫描。另一方面，向的压电常数g3。可达0．26V·m／N．钨探针由直径为60mPVDF振动梁又类似于SFM的力敏传感器以检测微小位移。在探针未接近试样前，PVDF薄膜作近共振自由振动，其表面输的钨金属丝经电化学研磨制备而成，其有效长度可达数百微米]。测头主体部分是由PVDF压电薄膜构成的振动梁、辅以出地电荷量为，当某一瞬间探针触碰到试样时，由于能量的泄用电化学研磨法得到的钨探针构成。在该测头结构设计中，一漏，PVDF振动梁振幅减小，其表面上的电荷量也迅速衰减为A，通过对电荷量大小的检测，可以很好地反映出探针一试

8、样方面PVDF薄膜被设计为具有一定弯曲弧度的简支梁结构，在之间微位移的大小。进而通过控制系统，使三维扫描过程中探基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975075)；教育部博士