[发明专利]基于探针力曲线的材料物理特性测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于探针力曲线的材料物理特性测量系统，其特征在于，包括

A/D转换单元，用于采集由探针倾角变化所引起的偏差信号；

核心控制器，接收A/D转换单元提供的偏差信号，进行信息处理，通过D/A转换单元向样品台发送运动控制指令；

D/A转换单元，用于控制样品台的三维运动；

DSP，用于获取探针力曲线数据和样品表面的物理特性信息。

2.根据权利要求1所述的基于探针力曲线的材料物理特性测量系统，其特征在于，所述核心控制器包括

数字滤波单元，用于滤除偏差信号中的噪声；

数字运算单元，用于数字滤波单元输出信号的二进制运算；

Tapping，用于数字运算单元输出信号的解析，将该信号恢复为探针姿态所对应的力学信号；

PID算法单元，用于对上述力学信号进行比例-积分-微分运算及系统的闭环反馈控制；

异步FIFO，通信过程中的数据临时存储队列，用于实现通信过程的快写快读；

SCANSCALE寄存器，用于与异步FIFO配合，进行较大数据量的临时存储。

3.一种基于探针力曲线的材料物理特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过原子力显微镜探针获取样品表面的力学信息，探针姿态变化造成光学位置敏感元件模拟电信号输出；

通过A/D转换器将上述模拟电信号转换为数字信号；

对上述数字信号进行滤波、二进制运算，再解析成探针姿态所对应的力学信号，进行比例-积分-微分运算及系统的闭环反馈控制；

计算样品表面的物理信息，包括杨氏模量、粘附力和能量耗散信息。

4.根据权利要求3所述的基于探针力曲线的材料物理特性测量方法，其特征在于，所述杨氏模量通过

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

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

计算得出，其中，F-F_adh是减去粘附力后悬臂梁所受的力，R是针尖尖端的半径，d-d₀是样本的形变量，折合模态E^*是拟合的结果，E_tip为针尖模量，v_s和v_tip为Poisson比。

5.根据权利要求3所述的基于探针力曲线的材料物理特性测量方法，其特征在于，所述粘附力为探针力曲线上最低点所对应的值。

6.根据权利要求3所述的基于探针力曲线的材料物理特性测量方法，其特征在于，所述能量耗散通过

W=∫F→·dZ→=∫0TF→·v→dt]]>

计算得出，其中W表示一个作用周期内的能量耗散，F是作用力向量，dZ是位移矢量。