[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

说明书

技术领域

本发明涉及纳米科技领域，具体地说是一种介观体系的材料物理特性测量系统及方法。

背景技术

由于纳米尺度对应的介观(Mesoscopic)体系既具有微观量子力学的特征，又具有宏观物体特征，因而表现出形形色色的新颖特质，这为微电子、材料、极限制造、新能源、高灵敏传感器、量子器件等科学技术研究与发展带来了新的生机和活力。纳米科学技术已开始从材料、尺度现象、原理性功能模型等纳米尺度机理性研究转向纳米结构、器件、组合结构、NEMS等的设计、加工、组装、制造、功能化研究，并开始形成规模化产业。纳米科技作为新的科技发展的动力已成为世界共识。科学家预言，21世纪将是纳米技术世纪。纳米力学研究与相关操控技术将是推动介观科学研究、发展新型微观制造产业的重要使能技术。以纳米力学为特征的微观制造技术，将为材料、生物、医学、精密机械、MEMS、NEMS、新型能源、高灵敏传感器、光电信息等一系列领域带来具有重要战略意义的技术革新。

原子力显微镜(Atomic force microscopy)是目前开展纳米观测与操作的重要设备之一。它通过针尖与样品表面的接触，造成探针表面倾角的变化，形成偏差信号，从而得到反映被测对象介观尺度力学特性的力曲线。但是目前的原子力显微镜技术，大多只用力曲线获得被测对象表面的形貌信息。而力曲线中包含的大量反映样品表面物理特性(硬度、粘滞力、耗散能等)的信息都没有被采用。大大限制原子力显微镜的应用范围与相关研究领域的发展。因此实现一种基于探针力曲线的材料物理特性测量系统及方法，具有十分重要的科学价值与良好的应用前景。

发明内容

针对现技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种基于原子力显微镜探针力曲线的材料物理特性测量系统及方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于探针力曲线的材料物理特性测量系统，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。

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。

一种基于探针力曲线的材料物理特性测量方法，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。

所述杨氏模量通过

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