[發明專利]原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法

有效

• 申請號: 202110648272.2
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113391096B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 謝暉;孟祥和;吳曉茉;李詩詩;張號
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01Q40/00
• 分類號: G01Q40/00
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 張利明

1.一種原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，其特征在于包括，

在空氣中，通過壓電陶瓷恒電壓振幅驅動探針進行掃頻振動，獲得探針在空氣中的幅頻特性曲線，由所述空氣中的幅頻特性曲線得到探針的共振頻率和品質因子；

選定參考頻率；結合探針在自由狀態下的動力學方程和簡諧振動的位移方程，得到磁驅動線圈在掃頻頻率范圍內任一頻率與選定頻率磁場等效驅動力的比值，從而獲得磁驅動線圈對應于所述任一頻率與選定頻率的磁場強度比值與驅動頻率的關系曲線；

根據所述磁場強度比值與驅動頻率的關系曲線，修正目標探針在液體中進行恒電壓振幅磁驅動掃頻振動獲得的幅頻特性曲線，使在掃頻范圍內的不同頻率點探針獲得相同的等效驅動力，從而得到修正后液體中幅頻特性曲線，實現目標探針的動態性能標定；

所述參考頻率小于所述目標探針的共振頻率；

所述探針在自由狀態下的動力學方程為：

式中F為探針受到磁驅動線圈磁場作用的等效驅動力，m為探針懸臂等效到針尖處的質量，z為探針針尖的位移，ω₀為探針的一階共振頻率，Q₀為探針一階模態的品質因子，k為探針的等效剛度；

其中

所述簡諧振動的位移方程為：

z＝Acos(ωt-φ)，

式中A為探針振動的振幅，ω為探針的驅動頻率，t為時間，φ為探針振動的相位；

所述選定頻率小于目標探針掃頻范圍的下限頻率；

磁驅動線圈在掃頻頻率范圍內任一頻率與選定頻率的比值r_F的獲得方法包括：

式中F_i為在所述任一頻率ω_i下獲得的磁驅動線圈的等效驅動力，F_s為在所述選定頻率ω_s下獲得的磁驅動線圈的等效驅動力，A_i為在所述任一頻率ω_i下探針振動的振幅，A_s為在所述選定頻率ω_s下探針振動的振幅，為任一頻率ω_i與一階共振頻率ω₀的頻率比，為選定頻率ω_s與一階共振頻率ω₀的頻率比。

2.根據權利要求1所述的原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，其特征在于，

所述的表達式為：

所述的表達式為：

3.根據權利要求2所述的原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，其特征在于，

所述磁場強度比值r_B的獲得方法包括：

式中B_i為對應于任一頻率ω_i時磁驅動線圈的磁場強度，B_s為對應于選定頻率ω_s時磁驅動線圈的磁場強度，l為磁顆粒距探針懸臂根部的等效長度，M為探針上磁性物質的等效磁矩，θ為等效磁矩M和磁場方向的夾角，其中B_i和B_s方向一致。

4.根據權利要求3所述的原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，其特征在于，

所述參考頻率包括100Hz。

5.根據權利要求4所述的原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，其特征在于，所述掃頻范圍內包含目標探針的共振頻率。