一种新型STM纳米计量仪

阿贝(Ahbe)误差作为纳米计量中的主要误差之一限制着测量精度的提高，故提出了一种新型STM纳米计量仪器，采用3个微型激光干涉仪与STM联用．微型激光干涉仪用来测量探针相对于样品在3个方向上空问位移。与其它STM纳米计量仪器相比，该仪器扫描部分放弃了传统管式扫描器和三角架扫描器，将扫描分为Z向和X-Y平面扫描两部分，Z向扫描由独立的PZT驱动，X-Y扫描由两个PZT驱动的柔性平行四杆导轨完成．这种设计理论上能使Z方向上Ahbe误差完全消除，X-Y方向上Abbe臂缩小到扫描范围的一半，最大50μm，使Abbe误差减小至可忽略的程度．微型激光干涉仪的使用还消除了扫描器PZT的非线性、滞后、爬行和老化等误差。     

品质因数调控技术提高AFM横向分辨力的研究

液体中轻敲模式下微悬臂梁的低品质因数会限制原子力显微镜的力灵敏度和成像分辨率，品质因数调控技术可以提高品质因数．在分析品质因数调控技术机理的基础上，分别在一般轻敲模式下和有品质因数调控电路支持的轻敲模式下，利用琼脂糖凝胶作为样品，测得力曲线．分析比较这2种情况下的曲线，表明在无品质因数调控时，微悬臂梁的驱动信号的振幅是恒定的，而在有品质因数调控时，微悬臂梁驱动电压随着针尖样品间距的减小而衰减，从而导致针尖一样品间的相互作用力减小，横向分辨力提高．为了验证该分析结果，检测了液体中的蛋白质分子．在有品质因数调控时，很容易获得清晰的蛋白质分子图像，由此证明了上述结论．     

压电探针应用于原子力显微镜液体成像的研究

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法,比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能,以标准生理溶液中的海拉细胞为样品,对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究.研究表明,采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰,可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰,因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度,而且减小了针尖对样品的损坏,还提高了仪器的带宽和成像速度.对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像,使用该方法可将采集速度由原来的2~3 min/帧提高到15~20 s/帧,并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值.     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．     

温度变化对微梁谐振频率的影响

双层材料微梁是一种常见的高灵敏度微梁传感结构,温度变化会使微梁发生弯曲形变并改变微梁的谐振频率．研究了微梁谐振频率与其构成材料的杨氏模量E和热膨胀系数a的关系、以氮化硅上沉积了不同厚度金膜的双层微梁结构为对象,通过在原子力显微镜AFM上的实验获得了295～325K范围内微梁的弯曲形变和谐振频率分别与温度变化的关系曲线．对实验结果的分析表明,构成微梁两种材料热膨胀系数的差异会引起微梁的非线性形变和谐振频率的非线性偏移,且主要在温度变化范围小于5K时起作用;在295～325K时两种材料杨氏模量随温度的变化会引起微梁谐振频率的线性偏移．同时,提出了相应的微梁应用建议,以保证在环境温度有变化的应用场合下双层材料微梁仍具有较高的测量精度.