[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

一種原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，屬于材料物理特性標定技術領域。本發明針對由幅頻曲線計算出的探針動態性能參數存在誤差的問題。包括：由探針在空氣中的幅頻特性曲線得到探針的共振頻率和品質因子；再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，從而得到磁場強度比值與驅動頻率的關系曲線來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，利用修正后液體中幅頻特性曲線進行目標探針動態性能的精確標定。本發明用于探針動態性能的標定。

技術領域

本發明涉及原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，屬于材料物理特性標定技術領域。

背景技術

探針的動態性能是通過測量其在相同驅動力不同頻率下運動的幅頻曲線獲得的，表征探針動態性能的參數主要有共振頻率和品質因子。對于磁驅探針，由于其磁驅線圈有電感，內部還含有鐵芯，使得在不同驅動頻率下即使施加相同幅值的驅動電壓，也無法保證磁驅線圈產生的磁場強度一致，即無法對探針輸出相同的等效驅動力。這種情況下，利用傳統方法進行線圈掃頻得到的幅頻曲線計算出的探針動態性能參數，就會產生相應的誤差。

目前，在空氣中可以用壓電陶瓷恒振幅驅動探針獲得其動態性能；但在液體中，對于剛度較低的探針，由于流固耦合噪聲的影響，很難獲得低噪可用的掃頻曲線，這給探針動態性能的標定帶來了一定的困難；而探針動態性能的獲得又是實現定量微納力學測量的前提，因此現有標定方式限制了較軟探針在液相下定量微納力學測量的能力。

為了能夠在液體下獲得探針的動態性能，需要標定相同驅動電壓幅值不同驅動頻率下線圈產生磁場的對應關系，從而獲得驅動力和驅動頻率的關系，以便修正所獲得的幅頻曲線?，F有磁場測量設備主要為高斯計，普通高斯計的測量頻率上限為200Hz，高頻高斯計的測量頻率上限為30kHz，這難以滿足探針的測量頻域，另外，高斯計的測量頭相對較大，難以測得局部小區域磁場的精細變化。

發明內容

針對現有磁驅探針的標定方法中，由于磁驅線圈在相同電壓幅值不同驅動頻率下對探針輸出的等效驅動力并不相同，造成根據由此得到的幅頻曲線計算出的探針動態性能參數存在誤差的問題，本發明提供一種原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法。

本發明的一種原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，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。

根據本發明的原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，所述參考頻率小于所述目標探針的共振頻率。

根據本發明的原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，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

根據本發明的原子力顯微鏡中磁驅探針動態性能的標定方法，所述簡諧振動的位移方程為：