CN112505143B - 一种测量宏观界面间相互作用的装置及其方法 - Google Patents

一种测量宏观界面间相互作用的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量宏观界面间相互作用的装置及其方法。该装置包括力学传感模块、空间位移模块、前置放大模块、信号产生与解调模块以及控制模块，力学传感模块固定在空间位移模块上，作为探针；力学传感模块的输入端与信号产生与解调模块连接，其输出端与前置放大模块连接；前置放大模块与信号产生与解调模块连接；空间位移模块分别与控制模块、信号产生与解调模块连接；力学传感模块包括石英压电振子，石英压电振子的一端固定有亚毫米或者毫米级的微结构。本发明的力学测量精度可达到皮牛量级，可应用于微纳尺度至毫米尺度结构界面间相互作用的精确检测。

Description

一种测量宏观界面间相互作用的装置及其方法
技术领域
本发明涉及界面间相互作用测定的技术领域，具体涉及一种宏观界面间相互作用的精确测量装置及其方法。
背景技术
近年来，由于技术的发展，结构界面间相互作用受到了广泛关注。微纳尺度甚至亚毫米尺度结构间相互作用在微机电器件中是普遍存在的，因此对微纳尺度甚至毫米尺度结构间的相互作用的精确测量对于微机电器件的设计及制造有着重要的意义。
目前而言，原子力显微镜由于其灵敏度高、制样简单，操作易行等特点，成为了测量微纳尺度结构界面间相互作用的主要方法。通常情况下，这种方法是将悬臂梁探针靠近样品表面，测量并记录探针受到的力，从而得到力与距离曲线，进而实现界面间相互作用的测量。这种方法往往需要将结构附着在悬臂梁上，但是由于悬臂梁非常柔软并且其尺寸限制在几十微米，因此无法负载尺寸更大的结构。同时在悬臂梁探针接近样品时，会直接吸附到样品上，无法实现对相互作用力的精确测量。因此，目前精确测量亚毫米尺度乃至毫米尺度结构宏观界面间在微纳间距下的相互作用是十分困难的。
发明内容
鉴于以上现有技术情况，本发明提出一种能够简单、直接测量宏观界面间相互作用力的装置及其方法。
为实现上述目的，本发明的装置采用的技术方案为：
一种测量宏观界面间相互作用的装置，包括力学传感模块、空间位移模块、前置放大模块、信号产生与解调模块以及控制模块，力学传感模块固定在空间位移模块上，作为探针；所述力学传感模块的输入端与信号产生与解调模块连接，其输出端与前置放大模块连接；所述前置放大模块与信号产生与解调模块连接；所述空间位移模块分别与控制模块、信号产生与解调模块连接；所述力学传感模块包括石英压电振子，石英压电振子的一端固定有亚毫米或者毫米级的微结构。
进一步地，所述空间位移模块包括电机和压电位移台，其中，电机与所述控制模块连接，压电位移台与所述信号产生与解调模块连接。
进一步地，所述装置还包括成像模块，成像模块包括光源、半透半反镜、物镜、透镜和CCD，光源发出的光经半透半反镜与物镜后聚焦于样品上，由样品反射的光被所述物镜收集，再经所述半透半反镜及聚焦透镜，成像于CCD。
本发明利用上述一种测量宏观界面间相互作用的装置进行测量的方法，具体步骤包括：所述信号产生与解调模块产生电压信号激励石英压电振子共振，石英压电振子将机械振动状态转换成电流信号输出至前置放大模块，前置放大模块将电流信号转换放大为电压信号，并输出给信号产生与解调模块，信号产生与解调模块从电压信号中解调出石英压电振子振动的振幅、相位以及频率信息；所述控制模块控制空间位移模块将石英压电振子上的亚毫米或者毫米级的微结构逐步靠近样品，信号产生与解调模块检测并记录石英压电振子的振动状态的变化，从而实现对结构界面间相互作用力的精确测量。
进一步地，所述信号产生与解调模块产生的电压信号的频率与石英压电振子的共振频率相同。
进一步地，所述信号产生与解调模块解调出力学传感模块共振频率的偏移值Δf，利用公式
Figure BDA0002766998670000021
计算得到相互作用力的梯度值，再通过积分运算得到力与距离曲线，其中，f0为石英压电振子的共振频率，k为石英压电振子的等效弹性常数。
进一步地，当微结构逐步靠近样品时，增大激励石英压电振子共振的电压信号振幅，来补偿石英压电振子共振受到的损耗。
进一步地，当微结构逐步靠近样品时，利用成像模块来定标微结构与样品的间距；所述成像模块包括光源、半透半反镜、物镜、透镜和CCD，光源发出的光经半透半反镜与物镜后聚焦于样品上，由样品反射的光被所述物镜收集，再经所述半透半反镜及聚焦透镜，成像于CCD。
相比现有的界面间相互作用测量方法，本发明具有以下优点：
(1)本发明的力学传感模块采用石英压电振子传感器，能够直接简单的测量亚毫米尺度乃至毫米尺度结构界面间的相互作用。
(2)本发明不需要严苛的测量环境，可应用于真空，大气以及溶液环境下宏观界面间相互作用的测量。
(3)本发明测量的灵敏度高，可以实现皮牛量级作用力的精确测量。
附图说明
图1是本发明实施例测量系统的结构示意图。
图2是本发明实施例中粗进针时步进电机控制界面。
图3是本发明实施例中小球与样品表面由于干涉效应形成的牛顿环。
图4是本发明实施例中毫米级(0.5毫米)直径的玻璃小球与玻璃样品之间相互作用测量结果图。
图中，1-力学传感模块，2-玻璃小球，3-样品，4-样品台，5-空间位移模块，6-前置放大模块，7-信号产生与解调模块，8-计算机控制模块，9-成像模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1，本实施例提出了一种所述宏观界面间相互作用的精确测量系统包括：力学传感模块1、直径为直径为毫米级(0.5毫米)的小球2、样品3、样品台4、空间位移模块5、前置放大模块6、信号产生与解调模块7、计算机控制模块8以及成像模块9。其中小球2为玻璃小球，样品3为经过丙酮乙醇等有机溶剂清洗的玻璃片(也可以为其他宏观的样品)。
力学传感模块1包括石英压电振子，利用胶将直径为毫米级(0.5毫米)的玻璃小球2粘附到石英压电振子的一端。力学传感模块1通过机械方式固定在空间位移模块5上，作为探针。石英压电振子的输入端与信号产生与解调模块7的输出端相连，信号产生与解调模块7包括数字信号处理器，利用数字信号处理器产生频率与石英压电振子共振频率f0相等的电压信号来激励石英压电振子共振。石英压电振子的输出端与前置放大模块6的输入端相连，前置放大模块6的输出端与信号产生与解调模块7的输入端相连。石英压电振子可以将其机械振动状态转换成电流信号输出至前置放大模块6，利用前置放大模块6将电流信号转换放大为电压信号，信号产生与解调模块7从前置放大模块6输出的电压信号中解调出石英压电振子的机械振动的振幅、相位以及频率等信息。
利用计算机控制模块8中的Labview软件发出指令，控制空间位移模块5中步进电机以每步20-30纳米的精度，将粘附在石英压电振子的小球2逐步靠近样品3，进行粗进针，步进电机的控制界面如图2所示。当小球2与样品3相互靠近发生相互作用时，石英压电振子的机械振动状态就会发生改变。信号产生与解调模块7解调出石英压电振子的振幅开始下降时，步进电机停止工作。
将空间位移模块5中的压电位移台与信号产生与解调模块7相连，利用信号产生与解调模块7产生的电压信号控制压电位移台，以每步2纳米的精度将小球2逐步靠近样品3，直至探针表面与样品3表面相互接触为止。同时信号产生与解调模块7检测并记录逐步靠近过程中石英压电振子共振频率的偏移值Δf，并在探针逐步靠近样品3表面过程中，通过增大激励石英压电振子共振的电压信号振幅的方式，来补偿石英压电振子受到的损耗。
利用公式
Figure BDA0002766998670000041
(k为石英压电振子的等效弹性常数)，得探针界面与样品界面在不同间距下相互作用力的梯度值，进而通过积分运算得到力与距离曲线，实现宏观界面间相互作用的精确测量。
另外，本实施例中的成像模块9，利用窄线宽红光发光二极管发出的光，经一个半透半反镜以及物镜聚焦于位于样品台4上的样品3，经样品3反射，被物镜收集，再经上述半透半反镜及聚焦透镜，成像于CCD，用于观察样品3的状态。当小球2和样品3相互靠近时，小球2和样品3的反射光会发生干涉，产生牛顿环，如图3所示。通过观察牛顿环变化，可以定标小球2与样品3的间距。
将上述装置放置于氮气环境下中，测量直径为毫米级(0.5毫米)的玻璃小球2以及玻璃样品3两个结构界面间的相互作用，测量结果如图4所示。由图中可以看出，本发明实现了毫米级结构表面在微米以及纳米间距下的相互作用的精确测量。

Claims (4)

1.一种测量宏观界面间相互作用的方法，其装置包括力学传感模块、空间位移模块、前置放大模块、信号产生与解调模块以及控制模块，力学传感模块固定在空间位移模块上，作为探针；所述力学传感模块包括石英压电振子，石英压电振子的一端固定有亚毫米或者毫米级的微结构；其特征在于，该方法的具体步骤为：所述信号产生与解调模块产生电压信号激励石英压电振子共振，石英压电振子将机械振动状态转换成电流信号输出至前置放大模块，前置放大模块将电流信号转换放大为电压信号，并输出给信号产生与解调模块，信号产生与解调模块从电压信号中解调出石英压电振子振动的振幅、相位以及频率信息；所述控制模块控制空间位移模块将石英压电振子上的亚毫米或者毫米级的微结构以每步20-30纳米的精度逐步靠近样品，信号产生与解调模块检测并记录石英压电振子的振动状态的变化，当信号产生与解调模块解调出石英压电振子的振幅开始下降时，空间位移模块以每步2纳米的精度将微结构逐步靠近样品，直至探针表面与样品表面相互接触为止；所述信号产生与解调模块解调出力学传感模块共振频率的偏移值Δf，利用公式
Figure FDA0003543040980000011
计算得到相互作用力的梯度值，再通过积分运算得到力与距离曲线，从而实现对结构界面间相互作用力的精确测量，其中，f0为石英压电振子的共振频率，k为石英压电振子的等效弹性常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号产生与解调模块产生的电压信号的频率与石英压电振子的共振频率相同。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当微结构逐步靠近样品时，增大激励石英压电振子共振的电压信号振幅，来补偿石英压电振子共振受到的损耗。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，当微结构逐步靠近样品时，利用成像模块来定标微结构与样品的间距；所述成像模块包括光源、半透半反镜、物镜、透镜和CCD，光源发出的光经半透半反镜与物镜后聚焦于样品上，由样品反射的光被所述物镜收集，再经所述半透半反镜及聚焦透镜，成像于CCD。
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1136041A1 (ru) * 1983-05-27 1985-01-23 Даугавпилсское высшее военное авиационное инженерное училище им.Яна Фабрициуса Устройство дл измерени параметров удара
CN1113006A (zh) * 1995-05-19 1995-12-06 清华大学 压电谐振式力传感器
CN1175685A (zh) * 1997-09-19 1998-03-11 清华大学 一种高稳定度石英谐振式力传感器
CN101424611A (zh) * 2008-12-12 2009-05-06 中国科学技术大学 探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体
CN101666780A (zh) * 2009-10-13 2010-03-10 北京工业大学 基于微观形貌的非完好界面接触状态非线性超声评价方法
CN102062787A (zh) * 2010-11-30 2011-05-18 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种微电子机械传感器的选择性模态自激励方法及装置
CN202274866U (zh) * 2011-10-14 2012-06-13 合肥工业大学 基于石英音叉的三维谐振触发测头
CN102506701A (zh) * 2011-10-14 2012-06-20 合肥工业大学 基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法
CN103645348A (zh) * 2013-12-03 2014-03-19 中国科学院电工研究所 一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法
CN104561906A (zh) * 2014-12-24 2015-04-29 武汉理工大学 一种梯度碳化硼薄膜及其制备方法
CN107966491A (zh) * 2017-11-17 2018-04-27 南京大学 一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底
CN110657909A (zh) * 2019-09-29 2020-01-07 西安科技大学 一种快速测量牛顿环中心应力的方法
CN111879451A (zh) * 2020-07-30 2020-11-03 合肥工业大学 微观作用力测量系统及其接触零点和表面性质的判别方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1101474C (zh) * 1999-11-10 2003-02-12 重庆西南医院 微型石英谐振阵列基因传感器芯片
US8969831B2 (en) * 2013-02-15 2015-03-03 Massachusetts Institute Of Technology Excitation enhancement and extraction enhancement with photonic crystals
CN111879450B (zh) * 2020-07-30 2021-11-09 合肥工业大学 微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统及其测量方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1136041A1 (ru) * 1983-05-27 1985-01-23 Даугавпилсское высшее военное авиационное инженерное училище им.Яна Фабрициуса Устройство дл измерени параметров удара
CN1113006A (zh) * 1995-05-19 1995-12-06 清华大学 压电谐振式力传感器
CN1175685A (zh) * 1997-09-19 1998-03-11 清华大学 一种高稳定度石英谐振式力传感器
CN101424611A (zh) * 2008-12-12 2009-05-06 中国科学技术大学 探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体
CN101666780A (zh) * 2009-10-13 2010-03-10 北京工业大学 基于微观形貌的非完好界面接触状态非线性超声评价方法
CN102062787A (zh) * 2010-11-30 2011-05-18 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种微电子机械传感器的选择性模态自激励方法及装置
CN202274866U (zh) * 2011-10-14 2012-06-13 合肥工业大学 基于石英音叉的三维谐振触发测头
CN102506701A (zh) * 2011-10-14 2012-06-20 合肥工业大学 基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法
CN103645348A (zh) * 2013-12-03 2014-03-19 中国科学院电工研究所 一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法
CN104561906A (zh) * 2014-12-24 2015-04-29 武汉理工大学 一种梯度碳化硼薄膜及其制备方法
CN107966491A (zh) * 2017-11-17 2018-04-27 南京大学 一种基于多孔薄膜的表面辅助激光解吸离子化质谱衬底
CN110657909A (zh) * 2019-09-29 2020-01-07 西安科技大学 一种快速测量牛顿环中心应力的方法
CN111879451A (zh) * 2020-07-30 2020-11-03 合肥工业大学 微观作用力测量系统及其接触零点和表面性质的判别方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Quantitative evaluation of contact stiffness between pressed solid surfaces using dual-frequency ultrasoud;Xiasheng Guo 等;《Journal of Applied Physics》;20100930;第108卷(第3期) *
石英晶体为天平检测界面高分子行为;刘光明 等;《2008年两岸三地高分子液晶态与超分子有序结构学术研讨会暨第十次全国高分子液晶态与超分子有序结构学术论文报告会论文集》;20080731 *

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