改进型微悬臂梁弹性常数标定系统

微悬臂梁作为原子力显微镜中感受微观力的关键元件,其法向和横向弹性常数的可溯源测量是微观力准确定量的前提.受微电子加工工艺的限制,微悬臂梁形状参数与其法向弹性常数无法准确标定,其横向弹性常数更是缺少广泛认可的标定方法.在天平法的基础上对标定系统进行了改进设计,超精密电磁天平与光杠杆结构的结合,能够准确测量微悬臂梁弯曲量及所受作用力,提高了法向弹性常数的准确度.设计了微孔样片和倾斜加载方式,实现了横向弹性常数的间接测量.基于本系统分别对3种商用微悬臂梁的法向或横向弹性常数进行了标定,并采用基于扫描电镜的尺寸参数法比对测量,实验结果重复性好、相对偏差小.研究结果表明该校准系统和方法可作为微悬臂梁弹性常数标定的参考方法.     

微悬臂梁横向弹性系数标定技术

微悬臂梁是新型力学传感器的关键部件,其性能决定力学测试结果的准确度。为了定量研究微悬臂梁与样品表面间的相互作用力,须对微悬臂梁的力学性能进行表征。提出了一种新的微悬臂梁横向弹性系数标定方案:采用精密天平和光杠杆分别测得微悬臂梁的横向扭转力和扭转量,进而可得到微悬臂梁的横向弹性系数。对3种型号的微悬臂梁进行了横向弹性系数的实际标定,结果表明:均方差均小于5%,重复性良好,且与有限元仿真值一致。     

基于AFM探针的电晕放电研究

针对扫描探针显微镜与质谱联用系统中的采样方式,提出了利用原子力显微镜(AFM)探针进行电晕放电解吸附的采样方案.运用ANSYS软件对AFM导电探针进行了有限元仿真,电场分析表明间距100 μm加1 kV高压时的AFM探针周围场强在0.32 ～62.4 V/μm间,验证了利用其产生电晕放电的可行性;通过实验观察了电晕放电...     

基于时空分离AFM微悬臂的模糊PID控制研究

针对原子力显微镜(AFM)微悬臂的柔性特征,提出了一种基于时空变量分离的模糊PID控制方法.由于AFM的微悬臂探针的运动精度非常高,对扰动很敏感,因而需建立微悬臂的分布参数系统模型.在保持柔性微悬臂的空间振动特性的基础上,将基于时空变量分离控制方法,结合鲁棒性强的模糊PID控制方法运用到AFM微悬臂探针的控制上,这样使控制器的设计不用考虑空间耦合的影响.通过实验仿真结果,这种方法有效地提高了AFM的微悬臂探针的控制性能和稳定性.     

基于微悬臂梁的生化传感器

由微机械加工技术和集成电路工艺制作的微悬臂梁,通过在其表面修饰以生化敏感层,能将电、热、应力和化学等信号变化转换成一个机械响应,配合以信号采集电路和测量系统,能够达到很高的灵敏度和精度。回顾微悬臂梁作为传感器的发展历程,介绍悬臂梁的工作原理,微梁的激励、检测方法以及基于微悬臂梁阵列传感器的优点,总结了世界上硅基微悬臂梁生化传感器的最新动态,并且展望微悬臂梁传感器这一新领域的应用前景。     

硅纳米悬臂梁传感结构压阻特性的试验研究

为了研究拉伸和大形变弯曲共存状态下硅纳米悬臂梁传感结构的压阻特性,采用CMOS工艺制作了硅纳米悬臂梁传感测试结构,结合原子力显微镜和半导体参数测试仪对其电学参数进行了测量,其位移灵敏度高达1.58216×10-4/nm。在电阻相对变化率实验测量和ANSYS有限元平均应力仿真的基础之上,进而提出了一个非线性压阻模型来提取大弯曲硅纳米悬臂梁的一阶和二阶压阻系数。研究结果表明:其一阶压阻系数约为体硅的5倍,该巨压阻效应为利用硅纳米压阻传感结构来实现超高灵敏度的纳米压力传感器提供了可能的途径。研究结果同时也揭示了要获得高的灵敏度和好的可靠性,硅纳米悬臂梁的长度设计需要折衷考虑。     

原子力显微镜微悬臂梁的混沌运动控制

通过数值模拟方法分析了原子力显微镜（atomic force microscopy,AFM）微悬臂梁的混沌运动与分岔特性,研究了“时间延迟反馈控制”、“周期信号控制”分岔特性和混沌运动控制参数的取值范围,以及同一周期轨道不同控制参数的值域．研究结果对复杂系统非线性动力学行为分析和混沌运动控制提供了有意义的理论参考,同时对控制原子力显微镜主要构件的运动和改善其测量精度,具有工程实用价值．     

基于氧化石墨烯的微悬臂梁湿度传感器

利用铜环辅助涂覆法在微悬臂梁表面涂覆了氧化石墨烯(GO)作为湿度敏感层,研究了传感器在不同相对湿度(RH)下位移偏转变化.GO薄膜吸水膨胀和失水收缩引起微悬臂梁挠度变化,利用光杠杆检测原理将微悬臂梁自由端位移偏转量放大,得到传感器位移偏转与湿度关系.结果表明:传感器在18％～77％RH的范围内,湿度变化量与位移偏转量的...     

一种分析微悬臂梁大挠度变形的新算法

考虑静电力边缘效应的影响,建立了微悬臂梁大挠度变形的静态变形分析模型,通过梁弯曲理论将控制方程化为一阶非线性微分方程组,结合非线性方程组求根、迭代修正齐次扩容精细积分法和增量迭代法,提出了一种分析微悬臂梁大挠度变形的半解析、半数值算法。数值算例表明:该方法具有较高的精度和稳定性,是分析微悬臂梁变形的一种有效方法;通过对微梁静态特性的分析表明:考虑边缘效应后微梁的吸合电压减小,考虑大挠度变形的影响后微梁的吸合电压增加。     

微机械悬臂梁中的机械噪声机制分析

本文采用能量统计分布方法研究微机械悬臂梁的噪声模型,对热机械噪声理论模型进行了拓展和修正,使之适用于低温和高频条件.研究了温度、压力和频率对热机械噪声、温漂噪声和吸附-脱附噪声的影响.根据研究结果对静态检测悬臂梁和动态频率响应悬臂梁传感器进行了具体分析.对于静态下工作的微机械悬臂梁,振幅的随机变化取决于热机械噪声.对于工作在谐振状态的微米尺度悬臂梁,在室温常压下热机械噪声是主要的噪声机制;当尺寸进一步缩小至纳米尺度时,表面效应变得显著,吸附-脱附噪声成为主要的噪声机制.基于对不同情况下噪声特性的分析,对微机械悬臂梁传感器的优化设计规则进行了探讨.     

A Survey of Methods Used to Control Piezoelectric Tube Scanners in High‐Speed AFM Imaging

In most nanotechnology applications, speed and precision are important requirements for obtaining good topographical maps of material surfaces using atomic force microscopes (AFMs), many of which use piezoelectric tube scanners (PTSs) for scanning and positioning at nanometric resolutions. For control engineers, the PTS is particularly interesting since its ability to enable the AFM to undertake 3D imaging is entirely dependent upon the use of a feedback loop. However, it suffers from various intrinsic problems that degrade its positioning performance, such as: (i) lightly damped low‐frequency resonant modes due to its mechanical structure; (ii) nonlinear behavior due to hysteresis and creep; (iii) the cross‐coupling effect between its axes (in 3D positioning systems such as AFMs); and (iv) effect of thermal drift. This article presents a survey of the literature on the PTS, an overview of a few existing innovative solutions for its nanopositioning and future research directions. This article will help the reader to walk around the present development of the PTS aimed at meeting the requirements for high‐speed AFM imaging.     

An automatic compensation method on compression effect and surface elasticity measurement based on the deflection signal of AFM

Atomic force microscope(AFM),as an important instrument in micro/nano operation,has been widely used to measure sample’s height information.However,the so called compression effect,due to force aroused from the contact of AFM tip with a sample surface,would result in imprecision of the surface’s height measurement,i.e.,the measured height is lower than expected.Up to now,there is not any effective and rapid method to attenuate this kind of measurement error.Thus,in this paper,an algorithm to obtain high acc...     

压力表计量检定及校准方法探讨

压力表是社会工业化生产中使用较为广泛的计量工具,其显示数据的精确度和正确性直接关系着工业生产中仪器设备的运行安全性和企业生产的安全。简要介绍了压力表的结构,阐述了压力表检定与校准之间的区别,分析了压力表检定频率和检定的操作方法,并指出了在压力表检定过程中常出现的问题,以期为相关工作提供借鉴。     

大幅面拼接航摄仪的两种平台检校方法分析

提出了大幅面拼接航摄仪的两种平台检校方法,并对检校公式进行严密推导。将现有影像按照拼接模型进行拆分,获得大倾角的子影像,由此子影像数据对两种平台检校方法进行验证,根据平台检校结果对检校方法存在的问题和适用性进行了分析。     

几种海水微波复介电常数模型的比较和分析

海水的复介电常数是计算海面发射率的重要输入参数之一。迄今为止,已经发布了许多经典的海水复介电常数计算模型,并被广泛应用在星载微波海洋遥感领域。首先回顾了经典的海水微波复介电常数模型,指出了它们的主要性能特点和彼此之间的差异;接着,使用卫星观测数据以及相匹配的大气海洋环境产品,通过比对模型计算亮温和卫星实测亮温,分析了当前5个海水微波复介电常数模型的计算准确度。结果表明：Fastem5中的海水微波复介电常数模型计算准确度相对较高,运行速度较快。     

Fabrication and characterization of cantilevers with integrated sharp tips and piezoelectric elements for actuation and detection for parallel AFM applications

We have developed a new process to fabricate arrays of cantilevers with integrated tips for atomic force microscope (AFM) imaging and a piezoelectric layer for vertical actuation and detection. A good homogeneity of the tip shape is obtained thanks to a self-sharpening effect. The cantilevers have been characterized mechanically and electrically.     

航空机电计算机综合ATS系统校准方法研究

模块化测试系统在维护测试方面的应用越来越广泛,成为目前军用和航空自动测试系统(ATS)的主要组成部分,但模块化体系结构灵活性和可配置性的特点也为ATS系统的校准提出了新的挑战。介绍了机电计算机综合ATS的系统组成,分析了ATS校准策略,详细描述了校准件的设计实现和ATS系统校准过程。提出以ATS系统自身的硬件和软件资源为基础,利用校准件进行系统级校准,可以极大地改善ATS的可用性、校准效率和测量可信度。     

汽车钢板弹簧在不同摩擦系数下疲劳寿命研究

在钢板弹簧的结构设计中,疲劳寿命是评价其可靠性的重要指标.为了更准确地预估钢板弹簧的疲劳寿命,利用AN-SYS的非线性求解模块,建立了某载货汽车钢板弹簧的有限元模型,考虑到簧片间接触摩擦因素,首先分析了不同摩擦系数下板簧的等效应力;考虑到应力与疲劳寿命之间的关系,用Fatigue软件进一步分析摩擦系数对疲劳寿命的影响,并通过试验验证了分析结果的可信性.结果表明,随着摩擦系数的增大,钢板弹簧的等效应力降低,疲劳寿命增大.     

高温应变片参数标定系统的设计与实验研究

高温应变片参数标定系统是进行高温应变片参数稳定及提高精度研究的重要装备.设计的高温应变片参数标定系统具备恒力加载、恒位移加载两种加载形式,可提供稳定均匀的热场环境,获取室温至1 273 K高温应变片测量参数.高温应变片标定系统可模拟构件实际测量的热机耦合环境,获得高温应变片参数随时间、温度等变化的特性参数,为高温应变片测量精度的提高提供了必要的修正模型.本文通过仿真和实验手段对所设计的高温应变片标定系统进行了热机耦合仿真研究,并得到实验验证,表明其具有良好的温度、应变以及力载适应性,可以为高温应变接触式测量提供必要的实验基础.