（测试计量技术及仪器专业论文）隧道状态下纳米级振动检测技术的研究.pdf

摘要 缀动是提高续米测量糖嶷约主娶薅鼹之一。抗掇、暖振、摄囊於褛技术藏为 纳米测量领域中的一大分支，特别是纳米级搬动测试技术的发展，对于纳米学科 螅残究具毒非常重要豹意义。 本课题从对s t m 的振动敏感陛的分析出发，对藻于隧道效应的纳米级振动 的邋论、技术及测试方法进行了初步豹研究秘擦索，分耪了掇动对s t m 戆影响。 本文使用纳米级的微动平台作为调熬机构，配合自行研制的隧道电流传感器，通 过外加振动源，在隧道状态下对纳米级振动进行了硷测实验。实验表蹋基于隧道 效应的振动梭测系统具有很高的灵敏度，良好的频率特性和与s t m 一致的振动 响应特性，可以为s t m 提供振动亭 髅，提嵩此类仪器的测爨糖度。 本文的主要研究内容是： 1 通过分柝s t m 对振动的敏感性，提出基于隧道效应的纳米级振动测试方法 的设计。 2 详细研究了隧道电流的变化规律，设计了适用于隧道电流的前登放大电路及 电学系统。 3 构建振动检测装疑，能够对纳米缀的振渤进行检测。 4 涟行了麓遘电流传感器的静态、动态特靛的检测试验，并对传感器静态特性 进行了标定。 5 精设计黪缡米级振动检测装置进行了振动裣溺实验，试验表萌其有很高酌灵 敏度、良好的频率特性和与s t m 一致的振动响应特性。 关键谗：缡米襞振凌努箍蕤遂显强镜( s t m )隧遭效盛灌遒亳流微动 平台 a b s t r a c t t h ev i b r a t i o nh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo fm a i no b s t a c l e sf o ri m p r o v i n gn a n o m e a s u r i n gp r e c i s i o n t h et e c h n o l o g yo fa n t i - v i b r a t i o n ，v i b r a t i o ni s o l a t i o n ，v i b r a t i o n c o m p e n s a t i o n t u r n si n t oab i gb r a n c hi nn a n om e a s u r i n gf i e l d ，e s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n t o f n a n ol e v e lv i b r a t i o n m e a s u r i n gt e c h n o l o g y i sv e r yi m p o r t a n tt on a n o s c i e n c e s t a r t i n gf r o m t h es e n s i t i v i t yt ov i b r a t i o no f s t m ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sap r i m a r y e x p l o r a t i o n a n dr e s e a r c ho n t h e o r y 、t e c h n i q u e sa n dm e a s u r i n g m e t h o d so f n a n ol e v e l v i b r a t i o nb a s e do nt u n n e l i n ge f f e c t ，a n da n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ev i b r a t i o nt o s t m u s i n gt h en a n ol e v e lm i c r om o t i o nf l a t f o r ma st h ea d j u s t i n gd e v i c et o g e t h e r w i t ht u r m e l i n gc u r r e n t s e n s o r , w eh a v ec a r r i e do u te x p e r i m e n t so fn a n ol e v e l v i b r a t i o ni n t u n n e l i n g s t a t e b ya p p l y i n g t h ee x t e r n a lv i b r a t i o n b e c a u s et h e m e a s u r i n gv i b r a t i o nd e v i c eb a s e do nt u n n e l i n ge f f e c th a s 瓤醢s e n s i t i v i t ? qg o o d f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es a m ev i b r a t i o nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c c o n s i s t e n t w i t hs t m ，i tc a ns u p p t yt h ev i b r a t i o nc o m p e n s a t i o nf o rs t ma n di m p r o v es t m m e a s u r i n gp r e c l s l o n 叠l em a i nc o n t e n t si n 氇ed i s s e r t a t i o na l ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y z i n gt h es e n s i t i v i t yt o v i b r a t i o no fs t m ，p u t t i n gf o r w a r dt h ed e s i g no f n a l l ol e v e lv i b r a t i o n m e a s u r i n g m e t h o db a s e do n t u n n e l i n g e f f e c t 2 s t u d y i n gt h ev a r i e t yo ft u n n e l i n gc u r r e n ta n dd e s i g n i n gas u i t e dp r e a m p l i f i e r s y s t e mf o r t h et u r n , c l i n gc u r r e n t 3 b u i l d i n gu p v i b r a t i o n t e s t i n gd e v i c ea n dm a k i n g i tt e s t st h el l a n ol e v e lv i b r a t i o n 4 。r e s t i n ge x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tt o o b s e r v et h e s m i l e ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n n e l i n gc u r r e n ts e n s o ra n dt h es m i l ec h a r a c t e r i s t i c si s c a l i b r a t e d ， 5 as e r i e so f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h e v i b r a t i o n - t e s t i n gd e v i c e ，a n d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d e li s c h a r a c t e r i z e d 诹攮麓盘s e n s i t i v i t y , g o o d f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dh a sa c h i e v e df a v o r a b l ec o n s i s t e n c yw i t h s t mi nf r e q u e n c y r e s p o n s e k e y w o r d s ：n a n ol e v e lv i b r a t i o n ，s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ( s t m ) ，t u n n e l i n g e f f e c t ，t u n n e l i n gc u r r e n t ，m i c r om o t i o nf l a t m 1 h i 独创性声明 本人声鹱瑟呈交兹掌篷论文是本大亵导薅豢粤下送行戆褒突工馋帮敬缮戆 研究成果，除了文中特别加以标没和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过瓣骚究成果，也不包含必获褥蠡凄盘鲎或其魏教育擞携浆学位或证 书而使用过的材料。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 终了明确瓣说硬并表示了滏意。 学位论文作者签名：毒梦超签字日期：叠坩乒年 f 月日 学位论文版权使用授权书 搴攀位论文作者完全了解速壅盘鏊套关徐鏊、使弱学位论文豹麓定。 特授权基壅盘鲎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，著栗弼影露、蟪窜残据接等复键手段保存、菠缝羧镞誊憨秘鬻阕。嚣慧学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在薅密嚣逶弱搴援救说明) 学位论文俸者签名：寿锣卜声蓥 签字日期：五妒峰，月步曩 导烬签名： 圆 签字日期：表。裤月，咱 第一鬻绫论 第一耄绪论 1 9 8 2 年，髫嚣商鼗撬器公司臻熬黎整实验蜜熬薄爱辩学察b i n n i n g 秘 r o h r e r 发弱了一种新型的粥于表面分析的仪器一扫擒隧道显徽镜( s t m ) u i 。这种 仪器的发明使得人们对物质结构的了解延伸到纳米魇次，促进了纳米技术的形 成。在测量爨级向纳米级男靠近的同时，纳洙测量仪器受外界环境的影响越来越 鞠显，将舅l 怒滚动翡影嚷。 s t m 是搬据量子力学中的隧道效应j 原理，通过探测固体表筒原子中电子 的隧道电流来分辨固体表筒形貌的新型烂微装置，是跨前可以达到原子级分辨率 量不嚣严轻铡襻懿最有效麓磅究材辩表涎携理、恁学特瞧熬彼嚣。 1 1 隧道状态下振动研究的现状 s t m 工作在纳米尺崴，因此它对予外界振动极为敏感，纳米级的振动将影 响扫描探针鼠微镜的使用效果，甚至不能稳定的运行。因此对于微弱振动信号的 分辑、测量及其对s t m 懿影璃兹研究黩经提羁弱益紧遥熬嚣程上寒。振囊研究 对s t m 来说，髓酉缓分耩徽弱振动对s t m 的作用税理，为以后的s t m 设计掇 供振动隔离的参考，又可以使振动研究的结果作为s t m 的振动补偿，提高s t m 的测量精度。 1 1 1 振动特憔及隧道状态下的振动分析 建筑物一般在1 0 到1 0 0 h z 频率之间摆动，当在实验室附近的机器工作时， 霹锈激发这些援凄。i 囊菇鬻逡、交嚣器秘骂这瑟弓l 越戆菝饕在6 瑟6 5 h z 之懑， 房屋骨架、墙蹙和地板般在1 5 到2 5 h z 易产生与翦切和弯曲有关的振动。实 验室工作人员所产生的振动( 如在地板上的行走) 频率在1 到3 hz 范围。因此， s t m 减震系统的设计应主婺考虑1 到1 0 0 h z 之阕的掇动。 k u k 稻s i l v e m a a n 翻接琢出了使用弹簸粘滞阻尼系统和在结梅戳恁讳远大予 ( 是刚性仪器结构的挺振频率，是减震系统的共振频率) 条件下的振幅 传递函数，即 第一章绪论 r = ( 高端卜而翻， 式中乘号前一项为弹簧粘滞阻尼系统的振幅传递项，乘号后一项为由仪器的 固有结构阻尼所产生的滞后损失而引起的阻尼传递项。式中沩外部激振频率， q7 是针尖一样品结的品质因子，f ( = 耳) 是阻尼比，y 是系统的阻尼系数，拈 ( = 4 m r ro n ) 是临界阻尼系数。 共计算了四种s t m 的振幅传递，结果示于图1 一l 。图中，实线是一种= 2 h z ， 。= 2 k h z ，f = 0 4 和q = 1 0 的s t m 系统。 图1 - 1 具有不同减震系统和结构阻尼的四种s t m 体系的总振幅传递曲线 在地板振幅为数百纳米的场合，这种体系的针尖与样品间隙稳定性将差于 o 1 n m 。图中由圆点构成的线代表一种针尖和样品间距的稳定性十分好的s t m ， 所用参数o n4 = 1 2 k h z ，q 。= 5 0 ，振幅的传递依然很大( 在2 0 0 h z 处稳定性差于 o 1 n m ) 。在使用外加的减震台日抓o n = 1 h z ，f = 0 4 ) ，虚线所示的振幅传递在2 0 0 h z 处小于1 0 4 ，间隙将稳定在o 0 0 l n m 以下，对于使用内部弹簧系统( = l h z ，f = 0 4 ) 和外部减震台( = 1 1 h z ，f = 0 5 ) 的两级减震系统，当s t m 探头的结 构阻尼是o n = 2 k h z ，q = 1 0 时，点划线所示的振幅传递表明，在大部分频率范 围内，估计的振动幅度将小于0 0 0 0 1 r i m 。 1 1 2 s t m 的隔振系统 由于s t m 是在隧道状态下工作的，工作时样品与针尖的间距一般在几个纳 米左右，因此任何微小的振动，比如说话的声音和人的走动所引起的振动都会对 仪器的稳定性产生影响。为了达到比较好的测量结果，要求仪器具有良好的减震 第一章绪论 效果，一般由振动引起的隧道间距变化必须小于o 0 0 1 n m 才行。有两种类型的扰 动必须隔绝：振动和冲击，振动一般是重复性的和连续性的，而冲击则定义为当 动能在一个短时间内传递到系统时的瞬态变化。二者当中，振动隔绝是最主要的。 隔绝振动的方法主要是靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。目 前实验室常用的减震系统采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂和磁性涡流阻尼等三种 综合减震措施来达到减震的目的，如图1 2 所刁i 。 s t m 测头部分放置在一个由多层金属 板叠置而成的平台上，每层金属板之间放置 三个合成橡胶制成的小圆柱。平台由两级减 震系统( 两级框架) 悬挂在金属屏蔽箱内或 真空室内( 参见图l - 2 ) 。在由弹簧悬挂的 两级框架底部分别相对装有永久磁铁和铜 板。振动微扰会引起铜板在磁铁所形成的磁 场中上下运动，这种运动会在铜板内产生涡 流，而涡流与磁场的相互作用反过来又会对 这种相互运动产生阻尼，从而减小悬挂系统 的振动。 金属板之间的橡胶柱主要用于降低大 幅度冲击振动所产生的影响，其固有的阻尼 第一级托架 图1 - 2s t m 的减震系统示意图 一般是临界阻尼的十分之几甚至百分之几，其缺点是压缩刚性( 等价于弹簧常数) 大，共振频率高( 大于1 0 1 0 0 h z ) ，并具有明显的蠕变性。 金属弹簧的弹性常数小，它的共振频率较小( o 5 h z ) ，但其阻尼小，常要 附加其它的减震措施，而磁性涡流阻尼系数方便可调，并可与超高真空系统兼容。 涡流阻尼系数y ( 单位s ) 可表达为： ，= 9 6 9 x 1 0 9 8 2 l s p( 1 - 2 ) 式中g 是磁场( 1 0 4 t ) ，z 是铜板在磁场方向的厚度( c m ) ，s 是截面积( c i r l 2 ) ， p 是以d j c m 表示的电阻率。一般说来，只有当体系的质量和自然频率相对低时， 涡流阻尼才起作用，气动弹簧减震的减震效果也较好，国内产品的共振频率可低 至2 h z ，国外产品可至0 5 h z 。 s t m 仪器结构的刚性愈大，对外部减震系统的要求就愈低。因为由刚体的 固有结构阻尼产生的滞后损失可以有效地散逸外界的振动。压电陶瓷扫描器件的 共振频率、螺丝的紧固程度、粘结剂的刚性、接触点的状态、弹簧连结处的松紧 等诸多因素都会对s t m 探头的刚性产生重大的影响。 第一章绪论 目前解决振动隔离方法主要有：隔离墩；沙箱减震；气垫减震；弹簧悬挂； 磁性涡流阻尼；多层金属板与橡胶柱组成减震垫等。我们现有的s t m 仪器采用 气垫平台作为一级减震系统，主要是吸收一些大的低频振动。二级防震措施是将 仪器通过减震垫与第一级减震系统隔离开，使振动干扰十分微弱，保证了正常测 量。 上述分析可见振动对s t m 测量的影响很重要，如何有效地解决振动对s t m 测量的影响，提高s t m 的测量精度，是s t m 测试保持稳定性和精确性的关键。 隔振、测振、振动补偿技术已经成为s t m 研究的一个重要的组成部分。振动的 研究主要是通过分析振动产生的振动谱图，观察振动条件下的频率，幅度，相位 的变化，进而能够分析和判断出影响的振动状态，并在此基础上根据振动谱对振 动进行隔绝和补偿。 1 2 纳米级振动研究的技术和现状 近年来，随着测试技术的发展，振动的研究也有了很大的进步，其在诸如物 理、化学、生物、机械等领域有了非常广泛的应用。传统的振动测量分为时域和 频域测量，随着电子技术和计算机技术的发展，微振动的测量也有了很大的提高。 例如，各种测试仪器的可测频率和动态范围大大提高；工作稳定性也有明显的改 善；记录设备和分析仪器正向数字化方向发展；高性能微处理机的广泛应用，实 现了时域和频域的实时在线分析。振动的实验方法也有很大变革，发展了很多快 速实验的方法j 微振动测量在生产和科学研究中的重要作用已被人们广泛接受，它不但可广 泛应用于材料的探伤、机械系统的故障诊断，结构件的动态特性分析以及振动的 有限元计算结果验证，而且在环境振动和噪声的分析和隔离中发挥着重要的作 用。 现实中，微弱振动的检测是通过分析振动谱 3 4 1 来间接得到的。振动谱的检 测主要包括振动的幅度一频率谱，振动速度的幅度一频率谱和振动加速度的幅度 一频率谱。研究的内容是频谱幅值，也就是观察各个频率段内幅值和相位的变化， 分析振动的作用机理，解释振动的频率响应和被测物体之间的关系。由于这种频 谱图的图形直观，而且比较容易得到，对于频谱图中变化比较明显的位置，往往 就是被测物体对振动最为敏感的区域。频谱图便于实时连续观测，并能够准确判 断问题的所在，特别是在现在实际的工程项目应用更加广泛。 评价测振仪器的主要性能指标陋，7 1 有： ( 1 ) 灵敏度整个测试系统的灵敏度为最后一级仪表输出量与振动输入量的 4 第一章绪论 比值。它是振动传感器的灵敏度与后接各级仪表灵敏度的乘积，该值愈大，系统 测量振动愈灵敏。 ( 2 ) 分辨率能够引起输出量发生变化的，最小输入量的大小称为系统的分 辨率。分辨率往往受仪器或系统噪声电平的限制。一般规定最低可测信号电平与 噪声电平之比要大于5 d b ，只有这样才能保证测量信号不至于被系统噪声所淹 没。 ( 3 ) 动态测量范围测振系统的动态范围是指维持输出信号与输入信号成线 性关系时，输入量幅值的容许变化范围。这个范围的低端由仪器的分辨率或仪器 的非线性特性决定；高端取决于仪器的电性能或仪器的构造。在选用测振仪器时， 必须考虑其本身动态测量范围，以满足不同的测量要求。 ( 4 ) 频率特性范围一般是指测振系统灵敏度变化在规定的百分数内时仪器 的使用频率范围。它可能取决于传感器本身的电气性能或机械性能，也可能取决 于附加线路或配置仪表的性能。当被测量的振动信号频率超出仪器使用频率范围 时，测量结果将产生严重的误差，我们称之为频率失真。因此测量仪器的使用频 率范围是一个很重要的技术指标。 ( 5 ) 相频特性是指在使用频率范围内，输出量相对输入量的相位差随频率 变化的特性。在振动测量中，有时要求在测量信号频率范围内，输出信号与输入 信号无相位差或相位差随频率成线性变化，否则被测振动波形将因相位差的存在 而发生畸变。 由于各种测振技术的发展，纳米级振动测量的方法也各种各样，下面介绍主 要的几种振动测量技术： ( 1 ) 多普勒激光测振【8 l 激光多普勒技术在测量物体的运动速度、距离和振动方面都有广泛的应用。 日本静冈大学使用自混合型半导体激光器9 1 ，大大简化了传统的迈克尔逊干涉系 统的结构，采用多普勒测振技术，对超声微小振动进行了测量。原理如下图所示， 激光共振器 图1 - 3 自混合型振动测量原理 自混合型半导体激光器由激光共振器和光电二极管组成由半导体激光器发出的 单色光经物镜会聚后照射到被测振动物体表面，经被测物体表面散射后，其中一 第一章绪论 研究。特别是低频微弱振动的研究，对s t m 还是有非常重要的作用。 虽然s t m 仪器已经有了许多的隔振措施，但大多数是在宏观领域对振动进 行隔绝，隔绝的方法主要是靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。这 些基本上属于被动的振动隔绝，消除的方法，这使得s t m 仪器仍然会受到微弱 振动的影响，特别是亚纳米级的振动，能够造成图像失真和测量数据的不准确。 本课题主要是研究s t m 仪器在测量过程中，微弱的振动信号，特别是纳米 图i - 4 振动隔绝示意图 放 大 = 隔 绝 级的振动对s t m 的影响，分析微弱振动和s t m 的相关性，为s t m 的设计和振 动的补偿提供一个有效的参考。纳米级振动的补偿是一种变被动为主动的防止振 动干扰的方法，它主要是通过测试和s t m 同一工作环境下微弱振动信号的变化， 并把它转化为和s t m 振动一致的振动信号，输入到s t m 的控制系统，进行有 效地消除微弱振动的影响。由于s t m 在z 向的分辨率能够达到o 0 1 n m ，因此， 基于s t m 的纳米级振动测量具有更高的分辨率，而且，这种纳米级振动的测量 和s t m 有相同的测量原理，能够对s t m 进行振动方面的补偿。 基于s t m 原理的纳米级振动测量主要是在隧道状态下，观察微弱振动对隧 道间隙的影响，进而影响隧道电流，通过隧道电流的变化就能判断出隧道间隙的 变化。由于隧道电流和隧道间隙的负指数关系，这种微振动测量具有很高的灵敏 度，能够达到亚纳米级振动的测量。 1 o 如 0 1 1 1 传输能力一加速度传递一 第一章绪论 部分散射光返回到激光共振器由于返回光受物体运动速度的影响与出射光存 在一定的相位差，因此两者在激光共振器内混合后会产生差拍干涉，这种现象称 为激光多普勒效应差拍干涉光由激光共振器后面的光电二极管接收并转换成多 普勒电信号 采用这种方法实测到小到9 0 r i m 的超声微小振动，但该方法适合超声波微小 振动的测量，最大多普勒频率等于振动频率时是该方法的测量极限。测量属于单 点测量，测量速度受到一定限制。 ( 2 ) 电子散斑测振【1 电子散斑干涉法( e s p i ) 又称为电视全息【l ”，它是利用视频技术记录下载 有被测物光场信息的散斑干涉图m j ，通过对变形或位移前后的两个散斑干涉图 进行电子减或加以及滤波处理分离出两者之间的变形信息，并以条纹形式显示出 来。电子散斑具有非接触、灵敏度高、全场同时测量、测量迅速的特点。但这种 方法需要对干涉条纹进行特殊的处理才能得到振动的特性，测振分辨力能够达到 纳米级。 ( 3 ) 激光强度比较式f p 空腔锁定技术测振【也】 激光强度比较式空腔锁定技术，是借助于f - p 标准具的光谱高分辨率特性， 能够实现微小振动的检测。该法与双频锁定法比较，由于不受空腔峰值锁定时调 制频率的限制，具有更低的被测频率下限。当标准具的光程发生微小变化时，或 者标准具两反射镜沿轴向作微小振动时，标准具的反射光强度将发生相应的变 化这种变化类似于三极管的放大特性对于高精细度的f p 标准具，由于在共 振峰附近，即使很小的光程变化也对应着很大的光强改变因而，可以用该原理 通过对反射光强变化的量度而高精度地测量f p 标准具极微小的光程变化由于 测量系统的l f 噪声，用强度比较式空腔锁定方式的稳定性不如用双频锁定法时 的稳定性好，但是由于该方式不像双频锁定时被测振动频率受调制频率的限制， 因而具有更低的被测频率下限，同时测量装置也比双频锁定时简单。 其它的测量振动的方法有激光光纤测振，球面共焦测振，光折变晶体测振等。 针对s t m 而言，在s t m 的工作环境中，外界的振动源主要有以下三个方 面：大地的振动、声音噪声和直接力的振动。大地或地震的振动存在于各种环境 之中；风力，街道交通，人走动，机器运行等都可以产生这种噪声。声学噪声包 括很多方面，主要是通过气流传播，通常这类噪声是高于5 0 h z 的振动主要来源； 直接力振动来自有效载荷的施加力，以机械耦合的形式体现。美国t m c 公司生 产的6 3 5 0 0 系列的振动隔绝平台，能够在很大程度上消除这些振动的影响。下 图为隔振平台的振动隔绝示意图。根据研究，对s t m 影响的振动基本上在2 0 0 h z 以下的范围内，隔振平台的使用，只是减小了振动对s t m 的影响，所以振动的 第一章绪论 1 3 本课题的主要任务 目前对于s t m 仪器来说，振动的隔绝以及仪器本身结构和振动的相关陛研 究较多，并有很多的报道，而在s t m 工作状态下振动的分析却并不多见。振动 对s t m 等仪器的测量结果影响很大，反过来思考，说明s t m 对振动非常敏感。 s t m 对于振动的敏感性说明，振动不仅从隔振，振动和仪器结构的关系人手， 还应该从隧道状态下振动的研究，测量，振动的补偿考虑。本课题的提出就是基 于这一思想，利用s t m 的测量原理，在隧道状态下，观测纳米级振动对于隧道 电流的影响，得到振动条件下，隧道电流的变化情况，分析低频振动对隧道状态 的作用。其一，这些振动研究可以作为s t m 仪器振动隔绝的参考，为s t m 仪 器的结构设计提供指导；其二，由于同是基于隧道效应的原理，隧道状态下振动 研究的结果，可以为s t m 提供同一测量环境下的振动补偿，提高s t m 仪器的 稳定性和测量精度。 按现有理论和实验条件，本课题的主要任务归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 通过分析s t m 仪器对振动的敏感性，提出基于隧道效应的纳米级振动 i 见0 试方法的设计。 ( 2 ) 详细研究了隧道电流的变化规律，设计了适用于纳安级电流的前置电 流及电学系统。 ( 3 ) 构建振动检测系统，能够对纳米级振动进行检测。 ( 4 ) 进行了隧道电流传感器静态、动态特性的检测实验，并对传感器静态 特性进行了标定。 ( 5 ) 用设计的纳米级振动检测装置进行了振动检测实验，并进行了误差分 析。 通过以上的理论分析和实验工作，最终实现基于s t m 原理的纳米级振动的 检测、分析，为以后改善s t m 的性能提供一个有利的参考。 本课题的意义：由于s t m 属于非常精密的测量仪器，因此受到环境的影响 也会很咀显。本课题从微弱振动对s t m 的影响出发，分析微弱振动在s t m 工 作状态下的作用机理。纳米级振动检测一个方面可以作为s t m 仪器的振动补偿， 提高此类仪器的测量精度；另外也可以利用这一原理制作独立的振动传感器，应 用范围必将非常广泛，如超精密加工测量领域，振动计量标准领域等等；由于许 多物理量可以转换为位移的变化，所以它可以在很多测量场合应用( 如位移、加 速度、压力、流量等) 。 8 第= 章隧道状态下纳米级振动的检测原理 第二章隧道状态下纳米级振动的检测牒理 s t m 是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体裘面原子中电子的 隧道电流浓分辨固体裘耐形貌的新型摄微装置。隧邋电流与隧道间隙之间成指数 关系，徽溺的摄囊海彩蛹隧逮阗凉，改变了隧道电滚，裁囊这秘凝褒可敬分褥敲 弱振葫麴状态。 电予隧穿现象是嫩子物理的堂臻研究理论之一，也是s t m 的发明者们“突 发奇想”的根源。 2 i隧j i 耋效应与隧道电流分析 “遂穿羧应”，又稼海“灌遵效应”。 经典物理学认为，韵能是非负汾滠，一个处予位势能较低的粒子是根本不可 能跃过能攘障碍到达另一边的，因此一个粒子的势熊妖，) 若要大予它的总能爨e 是宠全不霹麓裾。对表瓣蔼言，邀灏耨蜃表嚣是分鞠趣，发生禚表垂翁反射会誉 住电子，闲耽表面不存农电子云。丽猩量子理论申，电子具有波动性，其饺鬣是 弥散的，猩势垒势能珍e 的区域，薛意谔方程( s c h r o d i n g e re q u a t i o n ) 【1 3 ： 秽，鳓妒+ 嘲 j 戮= 。 2 - 1 ) 的解不一定是零( 如果矿不是无限大的话) 。因此一个入射粒子穿透一个势黼大 于e 的有限区域的几率是非零的，所以物质表簖。b 的一些电子会散逸出来，在 襻晶四躅形成电子云。穗导俸表露之羚麓空运簿蔡一整萋发瑰逡- t - 懿咒率，会涟 着这个与表嚣距离静增大丽呈魂菇数影式翦衰减。隧道效瘦静物理意义刚露由 图2 - 1 来简单地说明。图2 - 1 ( a ) 表泳一个高度为的矩形势您，z 轴表示势垒 的宽度，图中势垒宽廉为d ，e 为粒子鑫l 量( e ，翅蚕2 - 6 羧示戆稳 压一隧道电阻模型永意凰。 喾2 - 5 从钟尖劐起伏表面的电流密庹分布图图2 - 6 偏压一隧道电阻模型 下丽为隧道电阻的f o w l e r - n o r d h e i m 关系式( ”1 ： 宴谬) 一民e x p 2 k 4 0 s 】 ( 2 4 ) 式中：s 为隧道势垒宽度；r o 为隧道间隙实现点接触时的电阻，大约为1 0 k f 2 ， 通常随着针尖样品的不同而不同；币为功函数 1 6 】( 可计算出平均势垒商度) ；k 为鬻数( e v 8 r i m - x 盎忿霹觅，涎道奄基是美予逐遘势垒黧度s 懿丞数，并盈 与之成指数关系，隧道势垒宽度越大，隧道电l 飘将越大。在形成隧道电流的范围 内，根拱计算与实验测量，隧道电阻一般在几酉k q 以上【 】，随隧道间隙成指数 变化。 缮台疆遭宅滤公式( 2 - 3 ) ，谮出隧道电流的勇一释表达方式： 第二章隧道状态下纳米级振动的检测原理 卜鲁e x p ( _ 2 置廊) 5 ) 实际上的隧道电流和隧道电阻并非与公式十分吻合，其原因是十分复杂的， 由于探针一样品间隙存在污染和相互作用力( 到目前研究为止其机理还是不十分 清楚) ，功函数中是有所减小的；由于针尖并不是理想的单原子针尖，所以也造 成了实际和理论的差别等等。 隧道电流随隧道间隙成负指数变化，隧道电阻则与隧道问隙成指数变化，这 样在产生隧道电流的状态下，隧道电流对位移变化灵敏度很高，所以检测系统对 隧道电流变化的灵敏度要求也很高，在第四章中将通过隧道电阻模型对隧道间隙 灵敏度进行比较详细的分析。 2 2 振动的基本理论及频谱分析 振动是力学系统的一种富有特色的运动形式，若把其运动特点及规律推广到 非力学范畴，则振动又是物理学中重要的研究领域之一。事实上，一切物体都有 振动的能力，而且许多物体正是以振动的形式存在于自然界中。例如组成实物的 分子、原子都在振动着。此外，声音、光都是一种振动，机器运转时底座的振动， 汽车通过桥梁时引起的振动，即使是地球也经常受着由于地壳运动所引起的震 动。 物质或质点在一定位置附近所作的来回往复的运动叫做机械振动1 8 】。机械 振动是十分普遍的运动形式。例如，一切发生体的运动，机器开动时各部分的微 小颤动，选矿筛的运动等，都是机械运动。 振动并不限于机械振动，广义的说，描述物体状态的某个物理量随时间的周 期性变化，都称为振动。例如，电荷、电流、电磁场都可能在某个值附近作振动。 因此，振动广泛存在于各种自然现象之中。尽管各种振动的物理本质往往并不相 同，但是数学表述上却是相同的。所以，研究一种振动的规律有助于了解其他振 动的规律。 振动的方式可以是简单的，也可以是复杂的，在振动学中，通常以式( 2 6 ) 作为简谐振动的定义式，即凡是描述运动的物理量遵从微分方程的运动称为简谐 振动。 窘删( 2 - 6 ) 但是简谐振动只是振动中一个最简单最基本的特殊情况，实际中的振动往往 第二章隧道状态下纳米级振动的检测原理 是很复杂的。然而从振动的合成可以看到，任意两个或两个以上的简谐振动叠加 的结果，一般不再是简谐振动，但仍然是周期性的运动。反之，一个较复杂的周 期性运动也可以分解为若干个不同频率的简谐振动。根据傅立叶定理，一个周期 t = 兰兰的周期函数f ( t ) 能够表示为下列形式： “t ) = a 0 + a l c o s 0 9 t + a 2 c o s 2 国t + + a n c o s n 6 0 t( 2 - 7 ) + b l s i n c ot + b 2 s i n 2 c o 什+ b n s i n n o t 可见，一个周期性振动能分勰为一系列频率为整数比的简谐振动，这些简谐振动 就称为原来周期性振动的谐振谱。这种把一个复杂的周期性振动分解为若干个简 谐振动之和的方法，称为谐振分析【l9 j 。 不仅周期性振动可以分解为一系列简谐振动，而且任意一种非周期性振动也 可以分解为许多简谐振动，非周期振动的谐振分析也要采用傅立叶变换来处理。 通常用频谱表示一个实际振动所包含的各种谐振动成分的振幅与它们的频率间 的关系。若用纵坐标表示它们的振幅，横坐标表示各谐振动的频率，这种图形称 为频谱【18 1 。周期性振动的频谱是分离的线状谱，而非周期性振动的频谱密集成 连续谱，如图2 7 所示。 。jf 、i 1 nn 一 一丁一 i 【a ) 锯齿波( b ) 锯齿波的频谱 ( c ) 阻尼振动( d ) 阻尼振动的频谱 图2 7 频谱分析图 簿二章隧道状悉下纳米级振动的检测原理 谐振劫分板无论瓣实际应用或耀论研究，都楚十分重要的研究方法，因为实 踩存在的振动大多不怒严强戆谐藏溯，蔼是比较复杂懿振凄。遮释方法对予蕊究 具有周期性的其它物理现象自然也是很有用的。 2 3 隧遵状态下掇动的检溅技术 扫描隧道显微镜扫描图像工作在纳米尺度，任何微小的搬动或拢动都可能对 实验产生影螓，医既，振凌秘检溺释分辑薅s t m 懿溺量缨象熬稳定注窝滤褊洼 具有十分重要的意义。s t m 工作一般分为两种工作模式：恒流模式和恒高模式。 恒流模式是指通过检测隧道电流的变化，反馈控制压电器件沿z 方向的伸缩， 枣 偿在扫缓过程中针尖与样品闼躐灼变亿，扶藤缑持电滚的蠖定。1 匿高模式是撂 翻簿平均隧遭电流皋蕊动压电器 串，在扫描的遭程中针尖豹离发保持不变，通过 隧道电流的变化来反殿被测表面的信息。 在本课题的研究中，采用s t m 的恒流模式，即通过施加电压的变化控制并 缣持譬 尖与襻瑟阂猿瓣稳定。努器徽弱鹁摄囊遴逶整个系统终递，送嚣彩旗针尖 与样品之问的距离，弓i 起隧道闻隙的变化。系统为了维持隧道状态不变化，自动 调整隧道间隙保持稳定。因此在隧道状态下，外界振动引起的隧道间隙的微弱变 纯鼹好反浃在经过放大电路l v 转镁：焉静电压德上。通过测褥瓣迄压筐变化羧霹 以分析外界振动特性对系统的影响。 振动的检测本质上是外界纳米缀振动影响隧道间隙，进而引起隧道电流的变 化，经过一系列的电路或其他方法的处理，得到外界纳米级振动的形式，并遗过 已经蠡意跨瓣试验装纛，分据诗箕瓣蒎动弱疆壤襁频率。这襻麓熬够溪嚣裂外器 振动的性质，这既可以为s t m 设计时需要考虑的振动因素提供参考，什么性质 的振动需要特别注意隔绝；又可以对振动的影响加以补偿3 3 j ，最大限度的降低 羚器摄凌予挽。 在本实验的过程巾，有几个关键的闻题需癸注意： ( 1 ) 纳米级振动倍号源。由于隧道间隙的变化在几个纳米左右，外界的振 动过大就会使得仪器她于j 臼二作状态，因此实验巾纳米级振动傣号源的选取特别 重要。夕 秀鼢摄凄溅邋遥振凄秘簧递产生缡米缀瓣振动，这需瑟在实验的避疆中 需要反复的调试，使得影响隧道间隙的振动在纳洙级的范围，以保证在实验过程 中不会发生撞针或脱离隧道状态。 ( 2 ) 续米级徽凌乎套1 2 0 1 戆应瓣。实验楚爱嶷鸯缝寒级分瓣力豹微蚤乎螽作 为实验平台，所设计的传感器部分不仅在机械结构方面而且在输出值上要满鼹微 动平台的耍求：机械结构是指传憋器定位安装后能够在微动平台移动的范围之 第二章隧道状态下纳米级搬动的检测原理 内，保证隧道电滚的产生；输出麓揍微动平台控裁单元懿拣入爨要在i o v 之闻。 由予隧道闻豫与淹邋电流魏指数关系，需要夜传感器寝蔫耩寸进行重薪标窳，使得 能工作在线性范围内，这为以后分析处理数据将会提供很大的方便。由于在工作 状态下微动平台有非常微弱的自我调整，如何消除测量过稷中平台自身的振动需 要考惑。 ( 3 ) 实验的邋程设计要考虑干扰的问题。产生微弱缀的振动本来就是个困 难的问题，对微弱搬动的检测会更加困难，因为有时干扰产嫩的振动就会大于振 源产生粒振动。实骏中使属气浮隰振平台作炎实验平台，露效缝降低了终爨振囊 的影响。纳米级徽动乎台 3 6 1 使愆干涉仪作为标定尺度，予涉仪对温度的变亿非 常敏感，所以应该尽最缩短测量时间，保证温度保持恒定，减少激光干涉仪测量 时随激度的漂移误麓，增加测量凇确度。另夕 外界的电磁干扰也不容忽视，需要 在溺豢浚各乡 黧瀑菠翠，使撂溅爨设备不受夕 器温度、党照、电磁等懿予挽，提 高仪器的抗干扰性。 第三章实验装置的设计与实现 第三章实验装置的设计与实现 任何实验装置设计的好坏都会直接影响到测量结果，因此，在本课题的研究 过程中，参考s t m 的设计，实现了简单的z 向反馈控制，研究振动对s t mz 向测量的影响。为了能够在z 向达到隧道状态前的精密微调，使用纳米级微动 平台作为调整装置。下面详细介绍其振动检测系统。 3 1实验装置总体设计 3 1 1s t m 的构成及分析 一般说来，s t m 由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机( 测量软 件和数据处理软件) 三大部分组成【2 l 】。扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫 描机构、样品与针尖间距控制调整机构及系统与外界振动的隔离装置。 下面简要介绍各个构成部分及其相互关系。 ( 1 ) 头部系统由支架，针尖驱动机构( 扫描器) 、针尖和样品组成，是s t m 仪器的工作执行部分； ( 2 ) 减震系统：是仪器有效得到原予图像的必要保证； ( 3 ) 电子学系统：是仪器的控制部分，主要实现形貌扫描的各种预设的功 能以及维持扫描状态的反馈控制系统； ( 4 ) 计算机系统：是人机交互操作的主要界面，完成实时的控制、数据的 获取和处理，以及数据的分析处理和输出。 各部分的关系如下图3 1 所示： 图3 - is t m 基本构成 1 6 虽 虱 第三章实验装置的设计与实现 常用的s t m 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图3 - 2 所示，压电陶瓷x 、y 、z 分别控制针尖在x 、y 、z 方向上的运动。 图3 - 2s t m 工作原理 扫描隧道显微镜的原理：一个非常尖的金属探针( 通常由钨或金或钨一金合 金等腐蚀而成) 由压电陶瓷驱动控制系统控制其运动。当针尖与样品表面之间的 距离非常小，达到几个纳米左右，此时若在探针和样品之间加上一个偏置电压， 则在探针和样品之间形成电子隧道，电子可以通过电子隧道从针尖到样品或者从 样品到针尖移动，方向取决于探针和样品之间所加的偏置电压的方向。对于金属 样品，偏置电压的范围一般在o 0 1 v 一0 2 v 之间，对于半导体样品，偏置电压的 范围一般在3 v 左右，此时形成的隧道电流值一般在0 1 n a 一2 h a 之间。探针可 以通过压电陶瓷驱动器驱动，使其在x ，y ，z 三个方向移动。z 向的压电陶瓷 驱动器在当探针沿x ，y 扫描时，由反馈电路控制调节探针与样品表面之间的距 离，使隧道电流的值保持恒定或者控制其高度不变，即实现叵流方式测量或恒高 方式测量。这样当探针横向扫描被测样品表面时，其表面形貌的变化即可通过z 向压电陶瓷驱动器的电压变化或隧道电流的变化反映出来。微弱的隧道电流信号 的变化可以被工作电路放大并准确记录，通过感知这些信息，再经计算机重建后 就可以在计算机屏幕上获得反映物体表面形貌的直观图像。 3 1 2 实验装置设计 实验装置的工作原理：当样品在微位移器控制下接近针尖时( 小于几十 r l i l 3 ) ，由于隧道效应而产生隧道电流，保持针尖与样品之间的距离恒定，隧道电 流则不变。当有外界振动影响针尖和样品间的距离时，隧道电流发生变化，经过 电流放大，数据采集系统和信号处理系统，并按一定算法分析处理后即可得到振 动信号的幅度和频率。 第三章实验装置的设计与实现 图3 - 3 实验装置结构示意图 它可以分为三个部分： ( 1 ) 传感器部分：包括隧道电流检测装置及处理电路、针尖、样品、以及 固定装置。 ( 2 ) 微动平台：实现微位移调节，保证能够进入隧道状态，分析隧道状态 下的振动响应。 ( 3 ) 计算机系统：通过对人机交互的计算机软件的操作，完成实时过程的 处理、数据的获取、以及数据的分析处理输出。 3 2 实验装置结构 对基于隧道效应的纳米级振动的研究，它不进行x 、y 方向的扫描，所以它 会发挥s t m 的z 轴分辨率最高这一最有利的方面。根据以上对s t i v i 原理及振 动敏感性的分析，我们在现有的实验条件下构建了一套隧道电流实现和纳米级振 动检测的系统，下面简单介绍其装置结构。 3 2 1 微动调整装置 随着纳米技术的发展，在过去的几年里，对记录和操纵超微小结构的装置有 了很大的需求。最初扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发展具有非常的重要性， 但是，这些测量系统的缺点是很小的测量范围和折返能力不够。在这种情况下， 1 8 第三章实验装鬣盼设计与实现 厢更高精度的测量系统标定也会很困难。 在纳岽级测量的掰究铰壤，当兹麓发鼹就是能够在大范嚣内实魏缝卷缀嚣三 缎测量。但是褒有的仪器要么z 向溅量撼匦小，要么测量精度距离纳米量级较 汛。由于在微振动测量中没有使用压电陶瓷作为微动趋近装置，因此，微动调整 装置需要在z 向的移动能够保持比较大的位移量，并鼠能够在此位移范围内具 蠢绫素蒙懿分辨力。墓予这耱研究鬟滚，透露静袋动溺整装萋必须麓够在褪强萃羹 精调中仍保持纳米级精度。所以，课题中使用的微动平台调整装嚣z 向的调整 脱离为5