[發明專利]基于探針力曲線的材料物理特性測量系統及方法

無效

• 申請號: 201110449101.3
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN103185812A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發明（設計）人: 劉志華;董再勵
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01N3/00;G01N19/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周秀梅;許宗富

1.一種基于探針力曲線的材料物理特性測量系統，其特征在于，包括

A/D轉換單元，用于采集由探針傾角變化所引起的偏差信號；

核心控制器，接收A/D轉換單元提供的偏差信號，進行信息處理，通過D/A轉換單元向樣品臺發送運動控制指令；

D/A轉換單元，用于控制樣品臺的三維運動；

DSP，用于獲取探針力曲線數據和樣品表面的物理特性信息。

2.根據權利要求1所述的基于探針力曲線的材料物理特性測量系統，其特征在于，所述核心控制器包括

數字濾波單元，用于濾除偏差信號中的噪聲；

數字運算單元，用于數字濾波單元輸出信號的二進制運算；

Tapping，用于數字運算單元輸出信號的解析，將該信號恢復為探針姿態所對應的力學信號；

PID算法單元，用于對上述力學信號進行比例-積分-微分運算及系統的閉環反饋控制；

異步FIFO，通信過程中的數據臨時存儲隊列，用于實現通信過程的快寫快讀；

SCANSCALE寄存器，用于與異步FIFO配合，進行較大數據量的臨時存儲。

3.一種基于探針力曲線的材料物理特性測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

通過原子力顯微鏡探針獲取樣品表面的力學信息，探針姿態變化造成光學位置敏感元件模擬電信號輸出；

通過A/D轉換器將上述模擬電信號轉換為數字信號；

對上述數字信號進行濾波、二進制運算，再解析成探針姿態所對應的力學信號，進行比例-積分-微分運算及系統的閉環反饋控制；

計算樣品表面的物理信息，包括楊氏模量、粘附力和能量耗散信息。

4.根據權利要求3所述的基于探針力曲線的材料物理特性測量方法，其特征在于，所述楊氏模量通過

F-Fadh=43E*R(d-d0)3]]>

E*=[1-vs2Es+1-vtip2Etip]-1]]>

計算得出，其中，F-F_adh是減去粘附力后懸臂梁所受的力，R是針尖尖端的半徑，d-d₀是樣本的形變量，折合模態E^*是擬合的結果，E_tip為針尖模量，v_s和v_tip為Poisson比。

5.根據權利要求3所述的基于探針力曲線的材料物理特性測量方法，其特征在于，所述粘附力為探針力曲線上最低點所對應的值。

6.根據權利要求3所述的基于探針力曲線的材料物理特性測量方法，其特征在于，所述能量耗散通過

W=∫F→·dZ→=∫0TF→·v→dt]]>

計算得出，其中W表示一個作用周期內的能量耗散，F是作用力向量，dZ是位移矢量。