摘要
扫描力显微镜(SFM)是扫描探针显微镜(SPM)家族中一组重要的成员,是测试物质表面形貌和特性的重要工具.传统的利用光学偏转法对悬臂梁的变形进行检测的SFM仪器由于需要精确的光学对准机构从而使仪器结构复杂、体积较大、操作过程繁琐;另外由于悬臂梁不能进行自激励和自调整,因而无法在一些场合下应用.基于压电悬臂梁的SFM能够弥补传统光学方法检测的SFM的上述不足,在微观形貌检测尤其是并行加工和信息存储方面有着广阔的应用前景.该文针对基于压电悬臂梁的SFM反馈控制和信号检测系统进行了设计、仿真和试验.基于压电薄膜的压电效应和逆压电效应原理提出了压电悬臂梁的在外激励条件下的等效电路,并设计了差动电荷和差动电流放大电路,对设计进行了模拟.针对待测信号,设计了带通滤波电路,用以虑除信号中的干扰噪声,提高信噪比.对基于压电悬臂梁的SFM反馈控制系统性能提出了要求,根据性能要求设计了反馈控制系统的整体结构和基于DSP的实现方案.DSP板卡作为硬件控制和计算单元,基于DSP卡构造多级子卡结构,包括ADC通道子卡、DAC与通信子卡.完成了多级子卡以及其他硬件部分的设计和仿真和测试.根据系统性能要求和所设计的硬件结构,设计了反馈控制系统的软件结构.完成了反馈控制系统软件部分中的各层程序的算法设计和代码设计.针对所要测量的压电悬臂梁的压电信号中存在大量干扰噪声的情况,采用数字锁相计算的方法对所采集的信号进行计算和信息提取.针对压电陶瓷薄膜介电性能检测中的问题,设计了基于数字锁相计算的介电性能测试方法.对该方法的原理和精度进行了分析.根据所提出的测试算法,采用SFM反馈控制系统同时作为压电陶瓷薄膜的介电性能测试系统.对所完成的反馈控制系统的软硬件进行了模拟和试验.对前置放大电路的试验表明所设计的电路满足设计功能,信号检测系统能检测出压电悬臂梁的压电振动信号.对SFM反馈控制系统硬件和软件部分的模拟和测试表明系统的功能和性能满足设计要求.
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