CN114155219B - 基于afm敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法 - Google Patents
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Abstract
基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，属于压电驱动技术领域。它能够实现以半接触的方式对其二维高频复杂运动的准确检测。该方法，包括以下步骤：S1.制备PMMA薄膜；S2.搭建加工装置，将PMMA薄膜安装在加工装置上；S3.AFM对PMMA薄膜进行敲击加工，确定AFM探针敲击加工的驱动振幅；S4.AFM原位敲击加工二维高频运动的PMMA薄膜；S5.AFM探针对敲击加工的轨迹进行扫描测量，表征两轴压电剪切叠堆运动的轨迹；S6.实现不同电压及频率下两轴压电剪切叠堆的横向位移、纵向位移及其运动位移表征。本发明将微纳加工技术中的AFM敲击刻划加工与压电陶瓷结合，实现了对两轴压电剪切叠堆在二维平面的高频运动轨迹的准确表征。
Description
技术领域
本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种测量压电剪切叠堆高频运动位移的方法。
背景技术
压电陶瓷材料其逆压电效应能够实现电能向机械能的转变，作为驱动元件被广泛应用于精密定位系统中。因此，对于压电陶瓷在驱动电压的作用下输出位移的准确检测十分重要。目前位移精密测量方式主要有电学测量，光学测量和显微测量。电学测量中利用电容测微仪可以对压电陶瓷位移进行高精度测量，定位精度在5nm之内，但其检测电路的精度会随着输出频率的提高而降低，因此无法对压电陶瓷高频位移进行准确测量。光学测量中较常用的是利用激光干涉仪进行位移测量，目前应用较多，其中双频激光干涉仪分辨率为1nm，最高测量频率可达40kHz。上述方法对压电陶瓷位移测量都是在一维基础上进行的，无法对二维运动位移同时准确测量。由于测量难度较大及设备成本较高等原因，目前对于压电陶瓷二维高频运动位移测量的方法较少。
发明内容
本发明的目的是为了解决两轴压电剪切叠堆在高频电压驱动下的二维高频运动的位移测量问题，提出一种使用AFM探针在敲击模式下的加工痕迹测量压电剪切叠堆运动位移的方法，实现以半接触的方式对其二维高频复杂运动的准确检测。
本发明所采取的技术方案是：基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，包括以下步骤：
S1.制备PMMA薄膜；
S2.搭建加工装置，将PMMA薄膜安装在加工装置上；
S3.AFM对PMMA薄膜进行敲击加工，确定AFM探针敲击加工的驱动振幅；
S4.AFM原位敲击加工二维高频运动的PMMA薄膜；
S5.AFM探针对敲击加工的轨迹进行扫描测量，表征两轴压电剪切叠堆运动的轨迹；
S6.实现不同电压及频率下两轴压电剪切叠堆的横向位移、纵向位移及其运动位移表征。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
将微纳加工技术中的AFM敲击刻划加工与压电陶瓷结合，发明了一种利用AFM探针敲击模式下的刻划加工轨迹测量两轴压电剪切叠堆二维高频动态位移的方法，实现了对两轴压电剪切叠堆在二维平面的高频运动轨迹的准确表征，对压电陶瓷位移检测的发展具有一定意义。
附图说明
图1是利用AFM敲击加工轨迹测量压电剪切叠堆二维运动位移示意图；
图2是扫描检测得到的所加工结构的三维形貌图；
图3是槽底坐标在x-y平面投影的投影轨迹以及相应的拟合圆周；
图4是不同电压及频率下扫描检测得到的所加工结构的三维形貌图；
图5是不同电压及频率下槽底坐标在x-y平面投影的投影轨迹及相应椭圆拟合圆周；
其中：1、AFM探针；2、PMMA薄膜；3、单晶硅片；4、两轴压电剪切叠堆；5、功率放大器；6、信号发生器；11、轨迹投影点一；12、拟合圆周；13、椭圆拟合圆周；14、投影轨迹点二。
具体实施方式
参照图1至图5说明本实施方式，
本方法是一种利用原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)敲击模式下的加工轨迹测量两轴压电剪切叠堆(压电陶瓷)的二维高频运动位移的方法。
具有PMMA薄膜2的单晶硅片3的
敲击模式下，AFM探针1的振动频率可达到300kHz以上，远高于两轴压电剪切叠堆4运动的工作频率(1kHz-20kHz)，故运动轨迹上的每个点都会被AFM探针1敲击多次而留下凹坑。同时，AFM探针1的振动方向并不在两轴压电剪切叠堆4运动的平面内，而是彼此相垂直，降低了彼此的运动干扰。因此，采用探针敲击所产生的加工痕迹来反映压电位移的测量方法不但具有较高的频率带宽，而且可同时获得压电叠堆在两个方向上的运动位移。
S1：制备PMMA薄膜2
所选用的薄膜材料为热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其表面较软，易于进行机械刻划加工且制备工艺简便。
该薄膜的制备过程如下：
S11.将PMMA颗粒(分子量为120000)溶解于有机溶剂氯苯中，充分混合溶解制得PMMA/氯苯溶液，静置一段时间可用于旋涂制备薄膜。
S12.在旋涂前，将切割好的单晶硅片3(约0.5cm*0.5cm)分别置于丙酮和乙醇中进行超声清洗10分钟，去除表面杂质，然后用移液器将PMMA/氯苯溶液滴在单晶硅片3上，旋涂后可以制得厚度为几十纳米的PMMA均质薄膜，最后将具有PMMA薄膜2的单晶硅片3的样品置于烘箱中加热至125℃并烘烤30分钟，去除PMMA薄膜2中残留的溶剂和释放表面残余应力，制备出测试所用的PMMA薄膜2样品。
S2：搭建加工装置，将PMMA薄膜2安装在加工装置上；
S21.按如图1所示搭建两轴压电剪切叠堆4驱动的加工装置；该加工装置由两个单层压电剪切片垂直堆叠封装而成，两轴压电剪切叠堆4作为加工的驱动装置。
S22.将之前制备好的具有PMMA薄膜2的单晶硅片3通过环氧树脂粘接固定在两轴压电剪切叠堆4上端表面；
S23.将两轴压电剪切叠4堆下端固定于AFM移动工作台，
S24.将信号发生器6、功率放大器5、两轴压电剪切叠4堆利用导线依次连接。
S3：AFM对PMMA薄膜2进行敲击加工，确定AFM探针1敲击加工的驱动振幅；
S31.采用原子力显微镜(AFM)TESPA单晶硅探针，操纵AFM使AFM探针1逼近PMMA薄膜2表面，
S32.当AFM探针1与PMMA薄膜2表面接触后，保持反馈系统的振幅设定值不变，增大AFM探针1驱动电压从而使AFM探针1振幅增大，同时使AFM探针1在PMMA薄膜2表面进行直线刻划运动。
S33.通过对刻划区域进行扫描成像，确定在PMMA薄膜2表面加工出沟槽时的敲击振幅；
具体为：刻划完成后减小AFM探针1振幅，使AFM进入敲击扫描模式，控制AFM系统中的扫描陶瓷管进行扫描运动，得到刻划区域的扫描成像图，通过分析刻划的沟槽形貌，确定探针在PMMA薄膜2表面加工出沟槽的最佳振幅。
S34.减小AFM探针1的敲击振幅，使AFM探针1原位非加工振动，通过改变扫描陶瓷管偏置，使AFM探针1移动到样品表面尚未加工区域；
S35.修改AFM系统中AFM探针1驱动电压参数使探针振动幅度为获得的敲击加工振幅。
S4：AFM原位敲击加工二维高频运动的PMMA薄膜2；
S41.使两轴压电剪切叠堆4带动其上端表面的PMMA薄膜2进行二维高频运动；进而，AFM探针1可在PMMA薄膜2表面敲击加工出形状与单晶硅片3运动轨迹一致的沟槽，
具体为：控制AFM使AFM探针1获得敲击加工时的振幅，随后，操作信号发生器6，使其产生两路幅值为0.6V，频率为300Hz的驱动电压信号，通过功率放大器5放大，作用于两轴压电剪切叠堆4，使两轴压电剪切叠堆4带动其上端表面的PMMA薄膜2进行二维高频运动；
S42.待PMMA薄膜2表面得到完整敲击加工轨迹后减小AFM探针1驱动电压，AFM探针1振幅随之减小。
S5：AFM探针1对敲击加工的轨迹进行扫描测量，表征两轴压电剪切叠堆4运动的轨迹；
S51.对加工出的沟槽进行AFM扫描成像，得到其三维高度形貌，并输出得到具有高度分布信息的矩阵；
具体为：控制AFM系统使AFM探针1进入敲击扫描模式，对加工出的纳米沟槽进行成像扫描，在AFM中得到其三维形貌图像，利用AFM图像处理软件对此图像进行分析，导出此三维图的高度矩阵，利用数值分析软件读取此高度矩阵并得到其三维形貌，如图2所示。
S52.通过数据处理，得到沟槽槽底(高度值最小点)在x-y平面的投影轨迹，此投影即可用来表征两轴压电剪切叠堆运动的轨迹。
具体为：利用数值分析软件提取其中高度值最低点，并绘制其空间轨迹，完成后将其进行x-y平面投影；此投影二维图即可用来表征两轴压电剪切叠堆4的二维运动位移，对投影图中水平坐标进行计算可得到两轴压电剪切叠堆4的横向位移及纵向位移。为避免影响拟合圆精度，去除投影图中由于材料加工变形或测量误差所导致的不合理轨迹变化的点，利用最小二乘法对处理后的x-y平面投影轨迹进行圆周拟合，得到的拟合圆圆心坐标为(246.2475，252.8522)(单位为nm)，半径为90.0988nm，如图3所示，转化为两轴压电剪切叠堆4的运动位移即两轴压电剪切叠堆4横向位移(x轴方向位移)为180.1976nm，纵向位移(y轴方向位移)为180.1976nm。
S6：改变电压幅值及频率并进行相应后续处理从而实现不同电压及频率下两轴压电剪切叠堆4的横向位移、纵向位移及其运动位移表征。
在S4中，通过设置不同电压幅值和频率的压电驱动信号，能够获得不同的运动轨迹。在上述方法的基础上，通过对运动轨迹的尺寸进行测量，可实现对两轴压电剪切叠堆在不同电压激励下逆压电效应响应位移的表征。
具体为：控制AFM改变扫描陶瓷管偏置，将AFM探针1移动到PMMA薄膜2表面未加工处，改变AFM探针1驱动电压参数使其按敲击加工振幅振动。操纵信号发生器6使其产生两路电压分别为0.4V、0.8V，频率均为500Hz的电压信号，两轴压电剪切叠堆4带动PMMA薄膜2发生相应的平面运动。待PMMA薄膜2表面得到完整纳米沟槽后，按S4中所述方法对所得到的纳米沟槽进行处理，得到的纳米沟槽三维形貌如图4所示，得到两轴压电剪切叠堆4运动轨迹在x-y平面的投影及其相应的椭圆拟合圆周，如图5所示，椭圆拟合圆周的中心坐标为(228.0629,118.7588)(单位为nm)，长轴半径为122.1825nm，短轴半径为57.8372nm，转化为两轴压电剪切叠堆的运动位移即两轴压电剪切叠堆横向位移(x轴方向位移)为244.3650nm，纵向位移(y轴方向位移)为115.6744nm。
按上述方法改变电压幅值及频率并进行相应后续处理从而实现不同电压及频率下两轴压电剪切叠堆4的横向位移、纵向位移及其运动位移表征。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.制备PMMA薄膜（2）；
S2.搭建加工装置，将PMMA薄膜（2）安装在加工装置上；
所述S2由以下步骤实现：
S21.搭建两轴压电剪切叠堆（4）驱动的加工装置；
S22. 将具有PMMA薄膜（2）的单晶硅片（3）通过环氧树脂粘接固定在两轴压电剪切叠堆（4）的上端表面；
S23. 将两轴压电剪切叠堆（4）的下端固定在AFM移动工作台上；
S24. 将信号发生器（6）、功率放大器（5）、两轴压电剪切叠堆（4）利用导线依次连接；S3.AFM对PMMA薄膜（2）进行敲击加工，确定AFM探针（1）敲击加工的驱动振幅；
S4. AFM原位敲击加工二维高频运动的PMMA薄膜（2）；
S5. AFM探针（1）对敲击加工的轨迹进行扫描测量，表征两轴压电剪切叠堆（4）运动的轨迹；
所述S5由以下步骤实现：
S51. 对加工出的沟槽进行AFM扫描成像，得到其三维高度形貌，并输出得到具有高度分布信息的矩阵；
S52. 通过数据处理，得到沟槽槽底在x-y平面的投影轨迹，此投影即可用来表征两轴压电剪切叠堆（4）运动的轨迹；
S6.实现不同电压及频率下两轴压电剪切叠堆（4）的横向位移、纵向位移及其运动位移表征。
2.根据权利要求1所述的基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，其特征在于：所述S1由以下步骤实现：
S11. 将PMMA颗粒溶解于有机溶剂氯苯中，从而得到PMMA溶液；
S12.将PMMA/氯苯溶液滴在单晶硅片（3），通过旋转单晶硅片（3），在单晶硅片（3）表面旋涂出PMMA薄膜；
S13. 将单晶硅片（3）置于烘箱中加热至125℃并烘烤30分钟，完成具有PMMA薄膜（2）的单晶硅片（3）的样品的制备。
3.根据权利要求2所述的基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，其特征在于：所述S12的旋涂前，将切割好的单晶硅片（3）分别置于丙酮和乙醇中进行超声清洗，去除表面杂质。
4.根据权利要求1所述的基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，其特征在于：所述S3由以下步骤实现：
S31. 在AFM系统中，操纵AFM使AFM探针（1）逼近PMMA薄膜（2）表面；
S32. 当AFM探针（1）与PMMA薄膜（2）表面接触后，增大AFM探针（1）的敲击振幅，同时使AFM探针（1）在PMMA薄膜（2）表面进行直线刻划；
S33. 通过对刻划区域进行扫描成像，确定在PMMA薄膜（2）表面加工出沟槽时的敲击振幅；
S34.通过改变AFM系统中扫描陶瓷管偏置，使探针移动到样品表面尚未加工区域；
S35. 修改AFM系统中探针驱动电压参数使AFM探针（1）振动幅度为获得的敲击加工振幅。
5.根据权利要求1所述的基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，其特征在于：所述S4由以下步骤实现：
S41.使两轴压电剪切叠堆（4）带动其上端表面的PMMA薄膜（2）进行二维高频运动；进而，AFM探针（1）可在PMMA薄膜（2）表面敲击加工出形状与单晶硅片（3）运动轨迹一致的沟槽；
S42. 待PMMA薄膜（2）表面得到完整敲击加工轨迹后，减小AFM探针（1）驱动电压，AFM探针（1）振幅随之减小。
6.根据权利要求1所述的基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，其特征在于：所述S6具体为：通过设置不同电压幅值和频率的压电驱动信号，能够获得不同的运动轨迹，通过对运动轨迹的尺寸进行测量，可实现对两轴压电剪切叠堆在不同电压激励下逆压电效应响应位移的表征。
7.根据权利要求1所述的基于AFM敲击加工轨迹测压电剪切叠堆高频运动位移的方法，其特征在于：所述S6由以下步骤实现：
S61.控制AFM改变扫描陶瓷管偏置，将AFM探针（1）移动到PMMA薄膜（2）表面未加工处，改变AFM探针（1）驱动电压参数使其按敲击加工振幅振动；
S62.两轴压电剪切叠堆（4）带动PMMA薄膜（2）发生相应的平面运动；
S63.待PMMA薄膜（2）表面得到完整纳米沟槽后，按S4中所述方法对所得到的纳米沟槽进行处理，得到的纳米沟槽三维形貌，得到两轴压电剪切叠堆（4）运动轨迹在x-y平面的投影及其相应的椭圆拟合圆周；
S64.转化为两轴压电剪切叠堆（4）的运动位移，即两轴压电剪切叠堆横向位移和纵向位移。
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- 2021-11-30 CN CN202111446867.6A patent/CN114155219B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114155219A (zh) | 2022-03-08 |
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