（电路与系统专业论文）微力传感器系统设计及在AFM中的应用研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 基于测量范德华力制成的原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，a f m ) ，现在已 经广泛应用于化学、物理、表面科学等微观领域。压电式传感器和执行器具有结构简 单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电路简单等特点，在精密位移，精密定位、 声学及力学量的检测等方面已经得到了广泛的应用。压电微悬臂在a f m 中的应用是近 十年的研究工作，一般用于位移传感、力传感和高速反馈定位。 本文研究了基于p z t 双片压电悬臂的微力传感器特性，并对该传感器应用于a f m 进行了初步探索。为了提取和检测双片梁微弱的压电信号，搭建了基于电荷放大模块与 锁相放大模块的微弱信号检测模块，具有体积小、重量轻和使用方便等优点。结合双片 压电微悬臂梁在a f m 中的实际应用模式，对其进行了机械特性和电学特性的测试测量， 包括微悬臂法向弹性系数测量、准静态传感特性分析、静态执行特性测试、执行传感集 成的谐频响应特性测试和一阶固有频率检测，并利用压电双晶片对双片梁对样品表面形 貌扫描的微力测试进行了模拟，验证了双片结构的压电梁在微力感知与微位移检测方面 的适用性。压电陶瓷管扫描器是a f m 中的核心器件之一，在a f m 工作时完成对样品x 、 y 方向的扫描，为了精确控制其扫描偏移量，搭建了基于l a b v i e w 虚拟仪器技术的测 试平台，对其x y 方向的微位移进行了检测，根据等间隔扫描的工作特点，提出简易非 线性校正方法，大大降低了位移滞回偏差。 研究表明双片结构的p z t 压电微悬臂梁由于集成了执行与传感能力，在微力感知与 微位移检测方面是适用的。在现有工艺和测量方法的基础上，若继续改善梁尺寸结构提 高其电荷位移分辨率，则最终可以代替传统微悬臂应用到a f m 系统。 关键词：原子力显微镜；微力传感器；微悬臂梁；压电陶瓷管扫描器 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no f m i c r o f o r c es e n s o rs y s t e ma n ds t u d yo ni t sa p p l i c a t i o no nt h e a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y a b s t r a c t a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，m a d et h r o u g ht e s t i n gt h em i c r o f o r c e ，i sw i d e l yu s e di n c h e m i s t r y 、p h y s i c s 、s u r f a c es c i e n c e s 、m a t e r i a ls c i e n c e sa n dl i f es c i e n c e s ，e t c p i e z o e l e c t r i c s e n s o r sa n da c t u a t o r sw i t hm a n ya d v a n t a g e si n c l u d i n gs i m p l es t r u c t u r e ，f a s tr e s p o n s e ，h i g h f r e q u e n c ya n ds i m p l ed r i v i n g ，h a v eb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e d t h er e s e a r c ho nt h ea f m a p p l i c a t i o no fm i c r op i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e ri sc a r d e di nt h e s et e ny e a r s ，g e n e r a l l yu t i l i z e di n d i s p l a c e m e n ts e n s i n g 、f o r c es e n s i n ga n df a s tf e e d b a c ko r i e n t a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e2 - s e g m e n t e dp i e z o e l e c t r i cm i c r o - c a n t i l e v e ri ss t u d i e d ，a l o n gw i t h i t sa p p l i c a t i o ni na f m t h em a i nw o r ki n c l u d e sm a k i n gt h es e p a r a t e dm i c r o - c a n t i l e v e r ， f o r m i n gt h et e s t i n gm o d u l ef o rm i c r o - p i e z o e l e c t r i cs i g n a l ，t e s t i n gt h em e c h a n i ca n de l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a n t i l e v e r , b u i l d i n gas i m p l ew a yo fm e a s u r e m e n ta n dc o r r e c t i o nf o r m i c r o - d i s p l a c e m e n to fc e r a m i ct u b e ，a n da n a l y z i n gi t sa p p l yf e a s i b i l i t yo nt h ea f m f o rt h e d i s t i l l i n ga n dm e a s u r i n go fs e n s i n gc h a r g e ，as p e c i a lc h a r g ea m p l i f y i n gb u l ka n das p e c i a l l o c k i na m p l i f y i n gb u l kf o r t h e2 - s e g m e n t e dp z tp i e z o e l e c t r i cm i c r o - c a n t i l e v e ra r ed e s i g n e d a n df a c t u r e ，w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e si ns m a l lv o l u m e 、l o ww e i g h ta n dc o n v e n i e n tt r a i t ，e t c t h em e c h a n i c a la n de l e c t r i cc h a r a c t e r so ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o - c a n t i l e v e ra r es t u d i e da i m e d a ti t sa p p l i c a t i o no na f m ，i n c l u d i n gf o r c ec o n s t a n tt e s t i n g 、t h es e n s i n gt e s tu n d e ra c a c t u a t i n gv o l t a g e s 、t h er e l a t i o n s h i pr e s e a r c h i n gb e t w e e nd ca c t u a t i n ga n dt h e f o r c eo r d i s p l a c e m e n to ft h em i c r o c a n t i l e v e r 、r e s o n a n c ef r e q u e n tt e s t i n ga n dt h es u r f a c es i m u l a t i n g u n d e rt h ep i e z o e l e c t r i cb i m o r p h s as i m p l ew a yt om e a s u r ea n dc o r r e c tm i c r o d i s p l a c e m e n to f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ct u b ew i t hi n t e n d e du s ei na f m i si n t r o d u c e d n o n l i n e a rc o r r e c t i o ni s r e a l i z e db ya p p l y i n gn o n e q u i d i s t a n tc o n t r o lv o l t a g es e r i e sw h i l es c a n n i n gt oe q u i d i s t a n tp i x e l t h em a x i m u mh y s t e r e s i se r r o ri sl a r g e l yr e d u c e d ，a n dt h ep r o p o s e ds y s t e mc a ne a s i l ya d j u s t t h es c a n n i n gf r e q u e n c ya n dp i x e lr e s o l u t i o nf o rt h et u b e t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h e2 s e g m e n tp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e ri sf e a s i b l ei nm i c r o f o r c e s e n s i n ga n dm i r o d i s p l a c e m e n td e t e c t i n g o nt h eb a s eo ff a c t u r i n ga n dt e s t i n g ，p e r f e c t i n gt h e p a r a m e t e r so ft h ec a n t i l e v e r i tc a l lb eu s e di na f mt a k i n gp l a c eo f t r a d i t i o n a lc a n t i l e v e r k e yw o r d s ：a f m ；m i c r o f o r c es e n s o r ；m i c r o c a n t i l e v e r ；p i e z o e l e c t r o n i ct u b es c a n n e r 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：童丝生篷竺虿! 趁茎耸堡垒丝豳：立垄盘望至至堑 作者签名：绮) 查益 日期：2 竺呈年l 月竺日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：互丝兰查丝毛堡盂：么主玺荨昼杰丛砸生垄丝盈星孟鱼 作者签名： 缅! 丞垫 日期： 2 盟i 年l 月红日 导师签名：一- 三继二日期：- 二蝉年l 月j l 日 大连理t 大学硕十学何论文 1绪论 1 1课题的来源及意义 微尺度下物质的相互作用规律不同于宏观世界，揭示微观世界的物理规律一直是 一个历久不衰的热门研究课题。基于测量范德华力制成的原子力显微镜( a f m ) 已 经广泛应用于化学、物理、表面科学、材料科学、生命科学、微电子技术和微机械等 领域。例如，用于研究金属和半导体材料的表面形貌和表面重构、阐述生物大分子的 结构、观察分子膜衰变、聚合和相变的动态过程，甚至用于纳米摩擦学研究和机电纳 米表面加工等等。 对范德华力敏感的力传感器是原子力显微镜的关键部件，其结构和性能对原子力 显微镜的工作模式和信号检测方式有很大影响。微悬臂探针的设计将对其以后的应用方 式起决定性作用，好的设计可以降低原子力显微镜系统中不必要的干扰因素，提高其工 作效率、稳定性和检测性能。a f m 中传统的力传感器是s i 、s i 0 2 或者s i 3 n 4 微悬臂， 微悬臂对微力作用非常敏感，当针尖原子与样品表面原子之间的相互作用力维持恒定 时，样品表面形貌的起伏则表现为微悬臂端部的z 向位移，该位移普遍用激光检测法 检测。 微型压电传感器件以其结构简单、易于微型化、频率响应高等特点，非常适用于微 尺寸下的机械量测量【卜2 l 。m e m s 技术的发展为基于压电p z t ( p b z r t i 0 3 ，锆钛酸铅) 薄 膜和硅微加工技术的微传感器和微执行器研究带来了巨大的机遇，在军事国防、航空航 天、民用工业、科研等方面越来越需要微型、高度集成、多功能、高可靠性的功能器件 来满足不同需要【) 巧j 。 课题组在前期的研究工作中，提出了双片结构的p z t 压电微悬臂，验证了其同时具 有传感功能和执行功能。本课题提出用双片p z t 压电微悬臂代替传统微悬臂，由于该 结构压电梁既可自激振又可自传感尖端位移量，与传统a f m 中对微悬臂位移的激光检 测系统相比，具有装置结构小、集成度高、易于操作等优点，使得原子力显微镜的结构 简单、响应速度快、扫描速度加快。 本文得到国家自然科学基金重点项目“适用于s o c 的声、热、力微传感器系统基 础研究”( 9 0 2 0 7 0 0 3 ) 的资助，开展了基于双片p z t 压电微悬臂梁的微力传感器在原子力 显微镜( a f m ) t 应用的相关研究。a f m 作为微纳米技术和生物技术等前沿学科的重要研 究工具，应用学科同益增加，其前端力传感器结构的研究与应用在国内外也得到了越来 越多的关注，使得本课题的提出具有更加广泛的意义。 微力传感器系统设计及在a f m 中的应川研究 1 2 原子力显微镜( a f m ) 概述 1 9 8 7 年，世界上成功地推出了第一台商业化的扫描隧道显微镜( s t m ) 后，大约过了 2 年，世界上又成功地推出了第一台商业化的原子力显微镜( a f m ) 。它们也可统称为扫 描探针显微镜( s p m ) ，它们的共同特点是能对以前无法观察到的材料表面( 包括非生物 材料和生物材料) 纳米尺度的结构和性能进行成像和探索研究。原子力显微镜( a f m ) 与 扫描隧道显微镜( s t m ) 最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范 德华力作用来呈现样品的表面特性。原子力显微镜是将一个对微弱力及敏感的微悬臂一 端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样 品表面原子间存在及微弱的排斥力( 1 0 一1 0 西n ) ，通过扫描时保持这种力的恒定，控制 带有针尖的微悬臂，使其对应于针尖与样品表面原子问作用力的等位面而在垂直于样品 的表面方向起伏运动。利用光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌的信息。 各大公司所销售的原子力显微镜，一般都配置有扫描隧道显微镜的功能。我们对国 内已有用户的6 家国内外公司的仪器进行了调研，例如德 t r i p l e o 公司的b e r m a d2 0 0 0 s p m ；美 d i g i m li n s t r u m e n t s 公司的n a n o s c o p ei vs p m ；美国m o l e c u l a ri m a g i n g 公司( m i ) 的p i c o s p m ；日本精工公司的s p a 4 0 0s p m ；日本岛津公司的9 5 0 0 j 2s p m ；中国科学院 电工研究所，于1 9 9 9 年推出的国内第一台全数字化微机控制的h l q 型扫描探针显微镜， 以及2 0 0 1 年推出的国内第一台振敲模式( o s c i l l m i n gm o d e ) 的n s p m 6 8 0 0 型扫描探针显微 镜。各家公司产品的性能各具特点，但一个共同的特点是基本采用光检测法对样品表面 进行探测成像。 原子力显微镜具有很高的空间分辨率( 横向分辨率一般为0 2 n m ，纵向分辨率一般为 o 0 5 n m ) ，不仅能直接观察到物质表面的原子结构，而且还能对原子和分子进行操纵。 人们利用它们已经对金属和s i 等半导体材料表面进行了广泛研究结果表明，不仅可以观 察到这些材料表面的原子或电子结构，还可以观察到表面原子台阶等结构缺陷，以及吸 附质在表面的生长、扩散等表面动态过程。a f m 不仅能够对样品表面进行成像，而且还 能在纳米尺度上对材料表面进行刻蚀与修饰。纳米加工是纳米科技的重要组成部分，既 然它能够直接操纵原子和分子，就能够对原子和分子进行排列组合，以形成新的物质， 或者制造纳米级器件，如具有一定功能的机器等。2 1 世纪是生命科学的世纪，现今生命 科学已经从描述性、实验性科学向定量科学性过渡，研究的焦点是生物大分子，尤其是 蛋白质和核酸发展起来的结构与功能的关系研究。纳米生物学是在纳米尺度上研究生物 的反应机理，包括修复、复制和调控等方面的生物过程，以及对分子的操纵和改性为目 人连理t 大学硕士学位论文 的的分子生物工程。a f m 可在大气或液体的自然状态直接成像，分辨率可达纳米量级， 可应用于生物样品等。因此，目前a f m 己成为研究生物大分子及其功能的理想工具之一。 事实证明原子力显微镜已成功的应用于物理、化学、金属、半导体、微电子、纳米 材料、生物、生命科学等众多科学领域中。当然a f m 也还有许多问题尚未解决。如样品 分辨率的提高、某些特殊标本的固定、功能化探针的制备等。尽管如此，还是可以相信， 随着a f m 技术的逐渐成熟，它将对微观世界的探索和发现、对微观科学的发展做出重大 的贡献。 1 3 压电微悬臂在微力测量方面的国内外研究现状 利用压电微悬臂进行范德华力测量是近十年的研究工作。把压电微悬臂用于a f m 的研究在日、美等国也相继展开。日本l e e 和i t o h 研究小纠6 j 较早研究压电微悬臂，从 p z t 薄膜层的电荷响应获得微悬臂的振幅变化，但研究初期没有利用微悬臂的自激振功 能，仍然采用外部激振器；美国a d a m s 研究小组1 7 8 j 采用带硅针尖的z n o 微悬臂进行微 力自感知，对比了光学检测和自感知检测的振幅分辨率，分别为0 0 6 n m 和0 0 3 n m ，表 明自感知形变分辨率几乎是光学法的2 倍；瑞士a k i y a m a 研究小组1 9 】用共振频率为 3 2 7 6 8 k l t z 的石英音叉代替激振器，采用微加工工艺制作u 型硅和氮化硅悬臂，安装到 石英音叉上作为微力敏感元件，通过测量音叉的电阻抗变化来测量范德华力，具有很强 的创新性。 我国在微观力机理和测量方面也进行了很多理论和应用研究。中国科学院化学所白 春礼院士1 9 9 2 年研制出国内首台全自动l a s e r - a f m ，对微悬臂制备及形变检测方法、 与范德华力有关的力进行了全面阐述【lo 】；重庆大学唐倩等【l l 】分析研究了微悬臂长度以及 与被测样品表面间距对平衡位置的影响，获得了平衡位置与悬臂梁的长度以及与被测表 面之间的规律；中国科技大学林文惠等【j2 j 研究了理想光滑接触面前提下，范德华力作用 下微悬臂的抗粘附临界长度；西安交通大学包定华等【l3 j 很早久注意到压电微悬臂在原子 力显微镜中的应用前景；哈尔滨工业大学肖增文等【1 4 】以碳纳米管针尖为例建立了压电微 悬臂振动的数学模型，指出压电微悬臂振动影响测量精度的有关参数。 目前压电微悬臂在原子力显微镜中的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) p z t 压电微悬臂用作a f m 的位移传感器； 图1 1 为这种用途的微悬臂用于a f m 的方案【15 ，1 6 】。悬臂的共振频率为3 5 k h z ，悬臂在 此频率处振荡产生一交流信号，通过i v 转换、整流、滤波等信号处理后，p z t 膜的输出正 比于悬臂的振荡幅度，获取图像时通过反馈控制保持输出信号的振幅为一常数。在这 里，p z t 微悬臂用于探测微悬臂的位移( 弯曲) 量。图中样品由压电管扫描器进行x y 扫描 微力传感器系统设计及在a f m 中的虑用研究 上电极 ( p tj 映) 压电膜 ( p z t 膜) ； 底电极1 ( n ，t a 膜) f 矿悬臂 p z t 板 针尖 一样品 x y ：1 - 3 描及 伺服信号 钡_ t 目放大器 二二工二二 反馈系统 i 篚 i 奏释 磊菇钟m 图像 图1 1p z t 压电微悬臂用作a f m 的位移传感器 f i g 1 1 p z tp i e z o e l e c t r i cm i c r o - c a n t i l e v e ru s e da sd i s p l a c e m e n t a ls e n s o ro fa f m 和z 方向定位。悬臂和样品表面原子的排斥力作用由悬臂的振荡幅度确定。用这个a f m 成功地观察蒸镀的a u 膜表面，扫描面积1 p m x l m ，高度差2 0 n m 。反馈控制系统性能稳定。 ( 2 ) p z t 压电微悬臂用于a f m 的高速反馈定位； 一般a f m 的反馈定位由压电管扫描器进行，但这种管扫描器的z 方向共振频率通常 小于5 k h z ，a f m 中高速反馈定位需要高的自然共振频率。这里，p z t 压电微悬臂用作a f m 的高速反馈定位，图1 2 为这种a f m 的方案i l7 | 。 b v 转换器 、 锁相放大器 反馈系统 l a f m 图像 图1 2p z t 压电微恳臂用作a f m 的高速反馈定位 f i g 1 2 p z tp i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e ru s e da sf a s tf e e d b a c k 其中悬臂的共振频率为1 6 0 k h z ，在此频率附近z 方向一次致动可达几百n n l ，即使偏 离共振频率时应用效果也较好。这里，p z t 微悬臂用作z 方向的定位，压电管扫描器用作 x y 扫描，悬臂弯曲程度由常规光学方法探测。用这套系统澳j j p z t 薄膜的表面，扫描时间 为5 2 s 。扫描面积1 l a m x ll l m ，深度1 0 0 n m 。然而，用悬臂反馈比用压电管扫描器反馈获得 图像的稳定性要差，尤其是在z 方向变化较大或扫描大面积、需要大的反馈致动时更是如 此。研究表明，p z t 微悬臂能用于a f m 的高速反馈定位，为了获得理想的效果，使用时可 大连理_ 1 ：大学硕士学位论文 把反馈范围分成两个区域，低频区用压电管扫描器，高频区用p z t 微悬臂，这样可有效地 减小悬臂致动的影响，且使反馈稳定。 ( 3 ) p z t 压电微悬臂同时用作a f m 的位移传感器和z 方向的反馈定位； 图1 3 9 0 这种a f m 的方梨1 8 】。加交流电压( 用于激励) 和直流电压( 用于致动) 信号于 悬臂上，振动幅度通过悬臂电流和参考电流的差得到，悬臂的自然共振频率为6 3 8 k h z 。 压电管扫描器用作x y 扫描，p z t 悬臂既用作悬臂弯曲的位移传感器，又作为z 方向的致 动反馈控制，其最大致动范围为士1 5 岬，这种z 扫描能力可与常规压电管扫描器的相比。 图1 3 压电微悬臂同时用作a f m 的位移传感器和反馈定位 f i g 1 3 p z tp i e z o e l e c t r i cm i c r o - c a n t i l e v e ru s e da sd i s p l a c e m e n t a ls e n s o ra n df e e d b a c k ( 4 ) p z t 压电微悬臂用作a f m 的力传感器； 图1 4 为p z t 压电微悬臂作为力传感器使用i 拘a f m 吲。 织率 合成器 热圄 t f = = 一一一一一一j 锁相放大嚣 电荷 放大器 溺感 三轴压电 管扫描器 图1 4p z t 压电微悬臂用作a f m 的力传感器 f i g 1 4 p z t p i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t il e v e ru s e da sf o r c es e n s o ro fa f m 微力传感器系统设计及在a f m 中的应川研究 p z t 微悬臂在共振频率处振动，样品由压电管扫描器驱动( 包括x y 扫描和z 方向上 下移动) 。由悬臂与样品表面间的相互作用力引起的压电信号可作为反馈信号送到控制 系统，加一偏压至控制器调整样品表面和悬臂振动轨迹的中心线之间的距离，实验时保 持这一间距不变，这样，样品的位移可由压电输出信号得到。 ( 5 ) z n o 压电微悬臂用作a f m 的自激励及力传感器； 图1 5 为这种a f m 的原理图【2 0 】。其中微悬臂有两层z n o 薄膜，上面一层用作激励悬 臂振动并探测悬臂位移，下层用于控制针尖一样品间距。加直流电压于下压电层上，可 静态驱动压电微悬臂，其最大灵敏度为4 n m v - - - 6 n m v 。 双 样品 压电管 ，3 描器 第二层 领相放大器 电流放大器 控制器 图1 5z n o 压电微悬臂用作a f m 的自激励及力传感器 f i g 1 5 z n op i e z o e l e c t r i cm i c r o - c a n t i l e v e ru s e da ss e l fa c t u a t o ra n df o r c es e n s o r ( 6 ) 集成z n o 压电致动器和压阻传感器的微悬臂用于a f m ； 这种a f m 的方案如图1 6 【2 1 1 。 器 图1 6 集成z n o 压电致动器和压阻传感器的微悬臂用丁a f m f i g 1 6 z n om i c r o c a n t i l e v e ri n t e g r a t e dw i t hp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ra n dp i e z o r e s i s t a n c es e n s o r 6 大连理工大学硕士学位论立 图16 中z n o 压电薄膜用作提供微悬臂的垂直运动，压阻传感器用于探测悬臂的弯曲 程度。其中压阻器与电阻器r m 联形成一分压器每个电阻器的另一端接交流电压，分别 是v s i n ( o t + 啪) 和一v s i n ( o t + 甲2 ) ，分压器通过调整电阻r 及相位差( 平1 和中2 ) 达到平衡。悬臂弯 曲产生的信号由锁相放大器检测，并反馈输出至z n o 薄膜的上电极。这种a f m 有利于高速 地获得图像。制作多个这样的微悬臂并平行放置，可构成平行a f m ，能同时获得多个独立 的a f m 图像。单个微悬臂的作用与上述类似。压阻传感器探测弯曲量并提供z n o 致动器 的反馈信号。 压电微悬臂在a f m 中的应用潜力极大。与传统的a f m 相比，采用旌电微悬臂后的 a f m 具有如下优点： ( 1 ) 由于町利用压电微悬臂的压电效应进行位移检测，这种方法简单、可靠，且消除 t # b 部位移传感器，简化t a f m 的设计，有利于揉测大样品和在不利环境( 如超高真空或 液体等) 中工作； ( 2 ) 由于不需要或减少了精密光学元件，使得操作更容易： ( 3 ) 由于可利用压电微悬臂的压电效应进行压f u 致动，因此，压电微悬臂可用作z 轴 扫描，使得高速反馈定位成为町能，但还需提高反馈稳定性： ( 4 ) 传统f c j s i o z 、s i 3 n 。等微悬臂仅用作力敏感结构，而压电微悬臂可同时具有多种用 途，如既作位移传感器，又可用于z 方向反馈定位： ( 5 ) 使用压电微悬臂后获得图像的速度人大提高，如一般a f m 的扫描速度小于2 0 0 u n g s ，使用集成z n o 致动器和压阻传感器的微悬臂后速度可达3 m m s 。 14 压电悬臂微力传感器前期研究基础 本文所要搭建的微力传感嚣系统由两部分组成：传感器单元、微弱信号榆测单元。 传感器单元为一根对微弱力敏感的p z i 取片压电微悬臂梁。为了同时传感和执行，在前 期工作中大连理工大学微系统中心对j 玉电微悬臂进行了不同比例的电极分割，称为硬片 微悬臂梁，其结构如下图17 所示： 篙i 蓉皓阐i 】_ 。 t 一* i 量慧一一一= 、| ， 微力传感器系统设计及在a f m 中的应用研究 该结构悬臂梁为大连理工大学s o c 课题组采用溶胶凝胶法在p t ( 111 ) t i s i 0 2 s i ( 1 0 0 ) 基底上设计制备具有钙钛矿结构的p z t 压电薄膜悬臂梁。该微悬臂梁尺寸为长 1 0 4 0 p m ，宽3 0 0 9 m 和厚2 0 6 4 9 m ( 其中s i 基底1 8 9 m ，p t t i a i 电极11 a m ，p z t 薄膜 1 6 4 t m ) 。经测试系统分析测量得到该悬臂梁的法向弹性系数为9 5 3 9 n m ：采用冲击法 和光学法测得微悬臂梁的一阶固有频率为1 7 7 5 k h z ，二阶固有频率在11 0 k h z 左右。在 这些工艺和测量方法基础上，减小压电微悬臂的长度和宽度、降低硅基的厚度，可以制 备出弹性常数更小，固有频率为几十k h z 的压电微悬臂。 该梁有两个被分割的独立上电极( 左电极、右电极) ，底电极共享。左右片可看作是 两个独立的压电单元，可以分别做执行和传感器。当给左片施加电压时，由逆压电效应 微悬臂梁将发生弯曲，左片做执行器使用；此时右片因正压电效应( 微悬臂梁弯曲形变) 产生的电荷，做传感器使用。当一个压电元件作为传感元件，另一个压电元件作为执行 元件时，可实现微传感器与微执行器的集成，同时完成微操作与微力反馈。利用z n o 可得到0 0 3 n m 的振幅分辨率【2 2 1 ，由于p z t 的压电系数至少是z n o 的三倍，因此选用 p z t 材料，其传感测量灵敏度会更高。 并且实验研究发现，可以根据工作具体要求的不同，选择不同左右比例分割的微悬 臂梁来达到实验要求。比方说，一些场合需要较小的驱动力，但是需要很高的力学检测 灵敏度，就可以选择靠近尖部的面积较小的做执行电极，而选择靠近根部的面积较大的 电极做传感部分，这样，只需简单选择上电极的分割比例，就能满足需要的测试或者测 量的要求。 为了实现对p z t 双片压电微悬臂梁机械与力学参量的实验测量，本课题组在前期工 作中设计并搭建了基于精密直流电源、电子天平和压电双晶片微探针为基础的微小力 产生和标定系统，通过精确的控制加到双晶片或者微悬臂梁执行电极上面的直流电压， 能够实现州级微小力的产生、标定工作；设计并搭建了以电荷放大器和锁相放大技术 相结合的微弱信号提取、采集系统，并采取隔振台、防风罩等措施克服外界环境干扰， 成功实现了州级微力传感信号的测量。以上测试测量系统为本课题的展开打下了坚实 的基础。 1 5 本文的目标及主要工作 本课题研究使一个压电微悬臂以自激振和自传感方式测量微小力和微观形貌的方 法。这种方法基于双向机电可逆变换效应，在一个微换能器上实现传感器和执行器的功 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 能集成。所提出的方法可使微力测量与微观形貌检测装置结构简化、集成度提高、成本 降低、易于操作，具有很强的应用价值。 基于双片p z t 压电微悬臂梁的结构特点与其在原子力显微镜中的应用模式，本文设 计搭建了包含传感器单元、微弱信号检测单元两个部分的微力传感器系统；对微悬臂梁 即传感器单元的机械特性和电学性能进行了测试，并对原子力显微镜中的核心器件压电 陶瓷管扫描器的基本特性和扫描方式进行了深入研究，主要完成以下工作： ( 1 ) 独立自由压电梁的制备与其机械、电学特性的标定。对于本课题组陈会林硕士 制作的压电微悬臂梁的特殊结构，划分出独立的、适宜于微力测量和位移检测的单根梁， 粘合在p c b 电路板上，并利用已有标定平台表征了对i t n 级微力敏感的双片p z t 压电 微悬臂的机械特性和电学特性；分别进行了基于双压电p z t 薄膜微悬臂梁的微力传感 和执行性能的实验研究，将实验测试结果与理论分析进行比较，验证了实验结果的正确 性：并利用双晶片对其样品形貌检测进行了模拟实验，验证了其在a f m 系统中代替传 统探针悬臂进行微力测量与形貌检测方面的适用性。 ( 2 ) 压电梁a f m 应用模型及微弱信号检测模块的搭建。搭建了双片p z t 压电微悬 臂梁代替传统探针在a f m 系统中的的应用模型，并在此基础上针对压电梁p c 级的微 弱传感电荷信号，搭建了由专门的小型电荷放大模块和锁相放大模块组成的微弱信号 检测单元。成本低廉且有效的抑制了传感电压信号中的噪声和干扰，得到纯净的传感电 荷电压信号。 ( 3 ) 压电陶瓷管微位移测量系统的搭建。基于l a b v i e w 虚拟仪器技术，搭建了针 对原子力显微镜中压电陶瓷管扫描器的微位移测量平台。采用涡流位移传感器测量微位 移，搭建减法放大器通过放大提高检测灵敏度；通过l a b v i e w 虚拟仪器编程和n i 公司 生产的p c i - 6 2 2 1 数据采集卡产生和输出压电扫描器x y 方向的控制电压并且采集涡流 位移计产生的微位移信号，极大提高了最高位移分辨率。 ( 4 ) 压电陶瓷管非线性校正。根据原子力显微镜中压电陶瓷管的工作特点，利用测 量得到的扫描器确定扫描范围下的位移一电压关系，通过对等间隔像素点施加所对应的 非等间隔控制电压序列的方法对压电陶瓷管扫描器进行了非线性校正，控制电压序列可 依据像素点精度要求通过插值算法获得。系统采用p c i 6 2 2 1 数据采集卡结合l a b v i e w 虚拟仪器技术，扫描频率和扫描像素分辨率调节方便，校正前后的压电陶瓷管最大位移 滞回偏差分别为1 0 1 和0 4 。 一9 一 微力传感器系统设计及在a f m 中的应用研究 2 压电学及原子力显微镜成像技术 2 1压电效应与压电方程 2 1 1 压电效应 1 8 8 0 年j 居里和p 居里在q 石英晶体上首先发现了压电效应。压电效应反应了晶 体的弹性性能与介电性能之间的耦合。对某些电介质施加机械力时，就会引起它内部的 正负电荷中心发生相对位移而产生电极化，从而导致介质的两个表面出现符号相反的束 缚电荷，并且电荷密度与外力成正比，这种由“压力”产生“电 的现象称为压电效应， 如图2 1 所示。 反之，把介电体置于电场中，由于电场的作用，同样也会引起介质内部的正负电荷 中心发生相对位移，进而导致介质发生形变，这种由“电”产生“机械形变”的现象称为逆 压电效应，如图2 2 所示。利用逆压电效应可以制成压电式位移、力输出器，属于物性 型执行器。 正、逆压电效应统称为压电效应【2 3 , 2 4 】。 图2 1 正压电效应示意图 ( 实线为形变前，虚线为形变后) f i g 2 1 i l l u s t r a t i o no fd i r e c tp i e z o e l e c t r i ce f f e c t ( - b e f o r ed e f o r m a t i o n ，一a f t e rd e f o r m a t i o n ) 图2 2 逆压电效应示意图 ( 实线为形变前，虚线为形变后) f i g 2 2 i l l u s t r a t i o no fi n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ( - b e f o r ed e f o r m a t i o n , 一a f t e rd e f o r m a t i o n ) 2 1 2 压电方程 压电传感器和执行器工作的物理基础即为压电晶体的压电效应。压电晶轴的习惯取 向是：极化方向定义为z 轴或3 方向的正方向，垂直于z 轴的两个方向分别定义为x 轴或l 方向、y 轴或2 方向，见图2 3 。 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 压电晶轴的习惯取向不恿图 f i g 2 3 i l l u s t r a t i o no fu s u a lp i e z o e l e c t r i cr e f e r e n c ef r a m e 压电方程是全面描述机电耦合与变换中晶体电学量( e ，d ) 和力学量( t ，s ) 之 间的线性关系的数学表达式，由于边界条件和自变量的差异，压电学方程具有不同形式 【4 3 1 。在边界条件机械自由、电学短路下其压电方程称之为第一类压电方程，表达了在该 条件下正、逆压电效应各物理量的定量关系。 d ：d t + t e s = s e t + d e d 为极化强度，d 反映晶体压电性质的为压电应变常数矩阵，1 为应力恒定时的自 由介电常数矩阵，t 为应力，s e 是电场恒定时的短路弹性柔顺系数矩阵，d ，是d 的转置 矩阵。 2 1 3 压电系数 压电系数反映了晶体的弹性性能和介电能之间的耦合。测量薄膜压电特性的基本 原理是利用材料的压电效应，包括正压电效应和逆压电效应。即对薄膜施加应力，测 量产生的电荷( 电压) ；或对薄膜d i j , b 电场，测量产生的应变，由此得薄膜的压电系 数。横向压电系数的定义为： 九= t ( 逆压电效应表示) 飘= e ( 正压电效应表示) 纵向压电系数定义为： 蜘tc 逆压电效应表示协，_ ( 瓤c 正压电效应表示， 式中s 为应变：e 为电场；d 为电位移；丁为应力。薄膜极化方向与薄膜表面垂直。 由于薄膜生长在衬底上，其性能也受衬底的影响。因此需要注意，s l 肠或功乃 并不是自由样品的压电系数并不是自由样品的压电系数d ，。a 3 3 ，而是一个有效值。对 微力传感器系统设计及任a f m 中的应用研究 人多数材料而吉，利用正压电效应测得的d ，硒，有效值比利用逆压电效应测得的d ，, ：3 3 有效值更接近d ，南真实值。 22 原子力显微镜成像技术 221原子力显微镜的系统结构 a f m 是由i b m 公司的b i n n j g 与史丹佛大学的q u a l e 于1 9 8 5 年所发明的，其目的 是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜( s p m ) 进行观测。a f m 与s t m 最大的差别 在干并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特 性。假设两个原子中，一个是在悬臂的探钊尖端，另一个是在样本的表面，它们之问的 作用力会随距离的改变而变化，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大干原 子核与电子云之间的吸引力作刑，所以整个合力表现为斥力的作用：反之若两原予分开 1 f 】一定距离时，其电予云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之问的吸引力作用，故整 个合力表现为引力的作用。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力 和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力式显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来 把原了样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。控制微悬臂探针在样品表面进行扫描， 检测扫描过程中探针一样品间原子的相互作用力，获取样品表面形貌和其他性质。a f m 埘样品没有导电性的要求，其应用范围十分j 1 泛。 凰 圈24 原于力显微镜系统( a ) 结构图 f i g2 4 s t u r e t u r eo f a t o m i cf o r c em i c r o s c o p ys y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 原子力显微镜系统中，如图2 4 所示可分成三个部分：力敏感部分、位置检测部分、 反馈系统。对微力非常敏感的微悬臂探针是a f m 的关键部件，为了准确反映样品的表面 形貌和尽可能提高仪器的刚性，该悬臂应满足：低的力弹性常数，使其在受到很小的力 时就能产生可检测到的位移：高的力学共振频率，使其可得到较快的数据采集速度，减 少热漂移的影响；高的横向刚性，以减少横向力的影响；短的悬臂长度，以提高检测器 的灵敏性；传感器带有反射镜或电极，以便通过光学或隧道电流方法检测其动态位移； 带有一个尽可能尖锐的尖针，保证力传感器与样品表面之间只有一个接触点【2 酬。系统所 要检测的力是原子与原子之间的范德华力，所以使用微悬臂来检测原子之间力的变化 量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些 规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。当针尖 与样品有了交互作用之后，使得微悬臂摆动，当激光照射在微悬臂梁的末端时，其反射 光的位置也会有