CN116297191A - 微米尺度下界面力的动静态光学测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微米尺度下界面力的动静态光学测量系统及其测量方法，该系统包括微米探头模块、准直光路模块、信号调理电路、上位机采集处理模块以及高精度位移驱动模块，该系统的探针针尖在微米量级，采用一种接触式谐振探头的测量结构，利用光杠杆原理的光学测量方法，能够准确测量探针尖端与被测表面间的界面力压电信号，获得微米尺度下的界面力电压‑分离位移曲线，以此实现对微米尺度下界面微观相互作用力的测量、分析与研究。整体系统具有灵敏度高、工作稳定性好且成本较低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微纳测量和界面微观相互作用力，具体来说是一种微米尺度下基于接触式谐振微米探头研究界面力的动静态光学测量系统及其测量方法。
背景技术
随着科学技术的发展，微纳米精密检测技术已经成为当前科学研究的一个热门领域，极大程度地促进了微纳尺度上新型结构的加工和新材料的发展。为了实现对微纳尺寸结构的精确测量，借助各种微探针和传感原理的测量系统被研制出来，可实现纳米级的精度测量。而研究表明，当微纳测头的尺度达到微米级或纳米级时，测头与被测表面间的界面微观相互作用力便会对测头产生显著影响。此时，探针尖端与被测表面间主要受界面效应影响，而非重力或者引力，这也导致微结构体之间的界面效应在科学研究中变得越来越重要。
在微观相互作用力领域，界面力的相关理论经过不断发展和完善，如今被多数学者接受的解释是界面力即源于两个临界接触的表面产生的相互吸引或相互排斥的作用力。因此，当微探针针尖与微器件表面即将发生接触时，测头尖端与被测表面间的界面力影响将不可忽略，这些力包含了由表面张力引起的毛细作用力、范德华力、卡西米尔力等等。随着微探针针尖与被测表面间的接近距离变化，各类力的大小、分量和各个分量的贡献程度都有所不同，影响也比重力大得多，这对探头的测量精度和可靠性影响巨大，常常会导致微探针系统的误触发﹑不稳定触发﹑扫描精度下降、重复性下降等问题。
目前，界面微观相互作用力的研究大多依赖原子力显微镜(AFM)展开，其探针尖端曲率半径基本在纳米量级，界面微观相互作用力的大小也在nN至pN量级。然而，微米尺度下探针测头的界面力量级和发生范围都与纳米尺度下存在着较大差异，国内外关于微米量级的探针尖端与样品表面临界接触时的界面力特性研究报告也较少。此外，对比原子力显微镜(AFM)不同的工作模式(接触模式、非接触模式和轻敲模式)，一个优良的测量系统必须同时具备能够进行动态测量和静态测量的能力。因此，开发一套微米尺度下界面力的动静态光学测量系统就存在一定的合理性和必要性。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出了一种微米尺度下界面力的动静态光学测量系统及其测量方法，以期能实现对微米量级探针与被测表面临界接触时的界面微观相互作用力测量，绘制界面力电压-分离位移曲线，并进一步完成对微米尺度下界面微观相互作用力的特性研究。
本发明为解决技术问题采用如下的技术方案：
本发明一种微米尺度下界面力的动静态光学测量系统的特点在于，包括：微米探头模块、准直光路模块、信号调理电路、上位机采集处理模块以及高精度位移驱动模块；
所述微米探头模块，包括：探针测头、柔性簧片、反射镜、3D打印测头支架、PI压电陶瓷环、信号发生器；
所述探针测头通过金属胶与所述柔性簧片的中心处垂直相连；在所述柔性簧片的中心处上方设置有反射镜；所述柔性簧片上蚀刻有四个小孔，并通过螺钉螺母固定在所述3D打印测头支架下端的外接圈上，所述3D打印测头支架下端为均等的四面镂空结构，以便准直光路激光光线斜方向射入射出；所述PI压电陶瓷环嵌入固定在所述3D打印测头支架的上端，并由所述信号发生器提供正弦激励信号；
所述准直光路模块，包括：单波长泵浦激光器、三个K9双凸透镜、四象限光电探测器；
所述单波长泵浦激光器与第一K9双凸透镜同轴固定在3D打印测头支架的一侧；第二K9双凸透镜、第三K9双凸透镜与所述四象限光电探测器同轴固定在所述3D打印测头支架的另一侧；
所述信号调理电路的输入端与所述四象限光电探测器的输出端连接；
所述上位机采集处理模块，包括：数据采集卡、计算机；
所述信号调理电路通过所述数据采集卡连接至所述计算机；
所述高精度位移驱动模块，包括：压电陶瓷驱动器、PZT压电陶瓷台、三维精密微动台；
所述三维精密微动台上固定连接有所述PZT压电陶瓷台；
所述PZT压电陶瓷台上设置有被测表面，且所述被测表面正对于所述被测表面的下方；
所述PZT压电陶瓷台与所述压电陶瓷驱动器连接；所述压电陶瓷驱动器的输入端与所述计算机连接；
由所述信号发生器为所述PI压电陶瓷环提供正弦激励信号使其振动，从而使得所述柔性簧片带动所述探针测头做谐振运动，并在接近所述被测表面过程中，产生界面微观相互作用力；
所述单波长泵浦激光器发射的激光光线经所述第一K9双凸透镜的聚焦，在所述柔性簧片中心处上方的反射镜上发生反射后，通过第二K9双凸透镜使得反射的发散激光光线平行，再经所述第三K9双凸透镜的透射后，使得平行激光光线聚焦在所述四象限光电探测器上形成激光光点，并输出相应的光功率电压信号，所述光功率电压信号随激光光点在所述四象限光电探测器上的位置变化而变化，并与所述柔性簧片的谐振运动相关；
所述信号调理电路对所述光功率电压信号进行预处理后通过所述数据采集卡发送给所述计算机，以此获得光功率电压信号与界面微观相互作用力的关系，可实现对界面微观相互作用力的动态测量。
本发明一种微米尺度下的界面力动静态测量方法的特点在于，是应用于如权利要求1所述的测量系统中，并按如下步骤进行：
步骤1、调整所述探针测头使其对准所述PZT压电陶瓷台上的被测表面；打开所述单波长泵浦激光器，调节使其输出所需的光功率；调整所述准直光路模块，使得激光光线经所述柔性簧片中心处上方的反射镜反射后聚焦到所述四象限光电探测器的正中心；
步骤2、微米探头模块固定不动，按照微米量级的进给量来调整所述三维精密微动台使被测表面逐步接近所述探针测头端部的探针微球，当二者之间的距离进入微观界面力的作用范围时，停止调整所述三维精密微动台；
步骤3、打开所述信号发生器输出所需的正弦激励信号，使所述柔性簧片带动所述探针测头做规则的谐振运动，则测量系统进行动态测量；若关闭所述信号发生器，不提供正弦激励信号，则测量系统进行静态测量；
步骤4、利用所述计算机控制所述压电陶瓷驱动器持续输出电压信号，驱动所述PZT压电陶瓷台以纳米级进给量按照要求的步进距离、步进时间间隔位移，使被测表面逐步接近所述探针测头端部的探针微球，以完成接近到接触的过程；此时所述四象限光电探测器输出的光功率电压信号也持续发生变化，所述数据采集卡再将经过所述信号调理电路处理后的数据信号同步采集并传输到所述计算机中；
步骤5、所述计算机对采集到的数据信号进行快速傅里叶变换FFT、均值滤波的预处理后，得到谐振信号的幅值、频率和相位信息，从而确定所述探针测头端部的探针微球与被测表面之间界面微观相互作用力的作用区域，以建立界面力-分离位移曲线。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明中采用一种接触式谐振探头的测量结构，可提供激励信号，对微米探头和被测表面临界接触时的界面微观相互作用力进行动态测量，极大削弱了各种静态、准静态干扰，如零漂、温漂等影响；同时该系统结构还可关闭激励信号作静态测量，通过动、静态测量数据对比分析，进一步完善了对界面微观相互作用力的特性研究；
2、本发明中探针测头尖端微球特征尺寸在微米量级，不同于原子力显微镜(AFM)等多数设备探针尖端在纳米量级，在该尺度下界面微观相互作用力的量级和发生范围都与纳米尺度下存在着较大差异，因此本发明对于在微米尺度下研究探针测头与被测表面的界面力特性具有重要意义；
3、本发明主体采用一种基于光杠杆原理的光学测量系统及其测量方法，在测量微弱的界面微观相互作用力方面具有灵敏度高、响应速度快的优点，同时由于采用光学测量方法，整体系统对电噪声的敏感性也大大减小，抗电磁干扰能力强；
4、本发明的接触式谐振探头结构中，柔性簧片采用铍青铜材料，利用光学成像和化学蚀刻加工方法制成，具有形状误差小、成型性好、弹性强度高、稳定性好、不易变形的优点，能够显著提高微米尺度下界面力光学测量系统的测量精度与准确性。
附图说明
图1为本发明测量系统结构示意图；
图2为本发明测量系统输出噪声测试结果图；
图3为本发明界面作用力动态测试输出电压结果图；
图4为本发明界面作用力静态测试输出电压结果图；
图中标号：1探针测头，2柔性簧片，33D打印测头支架，4PI压电陶瓷环；5信号发生器，6单波长泵浦激光器，7第一K9双凸透镜，8第二K9双凸透镜，9第三K9双凸透镜，10四象限光电探测器，11信号调理电路，12数据采集卡，13计算机，14压电陶瓷驱动器，15PZT压电陶瓷台，16三维精密微动台。
具体实施方式
本实施例中，为了实现对微米量级探针与被测表面临界接触时的界面微观相互作用力测量，提出了一种微米尺度下界面力的动静态光学测量系统，采用基于光杠杆原理的光学测量方法，大大提高了整体系统的测量精度，整体系统对电噪声的敏感性也较小，具有灵敏度高、响应速度快等突出特点，为新型微纳探针测量系统的设计以及解决微探针系统的误触发、不稳定触发、扫描精度差等问题提供了有利指导和技术保障。如图1所示，该测量系统包括微米探头模块、准直光路模块、信号调理电路11、上位机采集处理模块以及高精度位移驱动模块。
该微米探头模块，包括探针测头1、柔性簧片2、反射镜、3D打印测头支架3、PI压电陶瓷环4、信号发生器5；
探针测头1通过金属胶与柔性簧片2中心处垂直相连；柔性簧片2的中心处上方设置有反射镜用以光路反射；柔性簧片2通过光学成像和化学蚀刻方法加工而成，其外环上蚀刻有四个小孔，通过螺钉螺母固定在3D打印测头支架3下端外接圈上，3D打印测头支架3下端为均等的四面镂空结构，以便准直光路激光光线斜方向射入射出；PI压电陶瓷环4嵌入固定在3D打印测头支架3的上端，并由信号发生器5提供正弦激励信号，从而使探针测头1跟随柔性簧片2进行规则的谐振运动，实现对界面微观相互作用力的动态测量。本实施例中，探针测头1顶端微球直径为100um；柔性簧片2厚度为0.1mm，其表面形状采用中心对称的四弦线结构设计；信号发生器输出正弦激励信号幅值选在0.5～1V范围内，过高会使高信噪比电路模块输出电压超出阈值范围，过低则受噪声影响大，不易观察最后输出的电压信号变化；频率设置在实验调试时确定，不同结构簧片的谐振频率有所不同，实验时要确保簧片在谐振频率处振动，此时电压变化现象更明显。
该准直光路模块，包括：单波长泵浦激光器6、三个K9双凸透镜、四象限光电探测器10；
单波长泵浦激光器与第一K9双凸透镜7同轴固定在3D打印测头支架3的一侧；第二K9双凸透镜8、第三K9双凸透镜9与四象限光电探测器10同轴固定在3D打印测头支架3的另一侧。本实施例中，单波长泵浦激光器波长选择为633nm，在可见光波长范围内，方便实验时对准直光路的对准调试，单波长泵浦激光器输出激光光功率在1～20mW范围内，可根据实验要求选择设置；第一K9双凸透镜7和第二K9双凸透镜8焦距为75mm，第三K9双凸透镜9焦距为50.4mm，前两个透镜焦距较大，目的是预留合适空间防止其与3D打印测头支架3发生碰撞；四象限光电探测器10感光面积为1.22mm2，光敏间隙为24um，主要由分布在四个象限的四个面积相同、光电特性相同的光电二极管组成，随着打在上面的光点位置变化，其各象限接收到光强、信号输出也将发生变化。
该信号调理电路11输入端与四象限光电探测器10输出端连接，在对四个光电二极管的输出电流信号作电流-电压转换后进行处理：
式(1)中，Vx为四象限光电探测器10在X方向的输出电压信号，式(2)中Vy为四象限光电探测器10在Y方向的输出电压信号，V1、V2、V3、V4为四个光电二极管的电压信号。
之后，信号调理电路11再对X、Y方向电压信号进行放大、滤波处理，降低外界环境噪声影响，进而提高整体系统的测量灵敏度并改善信噪比。
该上位机采集处理模块，包括：数据采集卡12、计算机13；数据采集卡12为USB6120(16bit，250KS/s)，信号调理电路11通过数据采集卡12连接至计算机13。
该高精度位移驱动模块，包括：压电陶瓷驱动器14、PZT压电陶瓷台15、三维精密微动台16；
三维精密微动台16上固定连接有PZT压电陶瓷台15；PZT压电陶瓷台15上设置有被测表面，且被测表面正对于被测表面的下方；PZT压电陶瓷台15与压电陶瓷驱动器14连接；压电陶瓷驱动器14的输入端与计算机13连接；本实施例中，PZT压电陶瓷台可进行垂直方向纳米量级的位移，闭环行程为50um，分辨率为0.03nm。
由信号发生器5为PI压电陶瓷环4提供正弦激励信号使其振动，从而使得柔性簧片2带动探针测头1做谐振运动，并在接近被测表面过程中，产生界面微观相互作用力；
单波长泵浦激光器6发射的激光光线经第一K9双凸透镜7聚焦，在柔性簧片2中心处上方的反射镜上发生反射后，通过第二K9双凸透镜8使反射出来的发散激光光线平行，再经第三K9双凸透镜9让平行激光光线聚焦打在四象限光电探测器10上形成激光光点，并输出相应的光功率电压信号，该光功率电压信号随激光光点在四象限光电探测器10上的位置变化而变化，并与柔性簧片2的谐振运动相关；
信号调理电路11对光功率电压信号进行预处理后通过数据采集卡12发送给计算机13，以此获得光功率电压信号与界面微观相互作用力的关系，可实现对界面微观相互作用力的动态测量。
本实施例中，一种微米尺度下界面力的动静态测量方法按如下步骤进行：
步骤1、调整探针测头1使其对准PZT压电陶瓷台15上的被测表面；打开单波长泵浦激光器6，调节使其输出所需的光功率；调整准直光路模块，使得激光光线经柔性簧片2中心处上方的反射镜反射后聚焦到四象限光电探测器10的正中心；
步骤2、微米探头模块固定不动，按照微米量级的进给量来调整三维精密微动台16使被测表面逐步接近探针测头1端部的探针微球，当二者之间的距离进入微观界面力的作用范围时，停止调整三维精密微动台16；
步骤3、打开信号发生器5输出所需正弦激励信号，使柔性簧片2带动探针测头1做规则的谐振运动，此时测量系统做动态测量；若关闭信号发生器5，不提供正弦激励信号，则测量系统做静态测量；
步骤4、利用计算机13控制压电陶瓷驱动器14持续输出电压信号，驱动PZT压电陶瓷台15以纳米级进给量按照要求的步进距离、步进时间间隔位移，使被测表面逐步接近探针测头1端部的探针微球，完成接近到接触的过程；此时四象限光电探测器10输出的光功率电压信号也持续发生变化，数据采集卡10再将经过信号调理电路11处理后的数据信号同步采集并传输到计算机13中；
步骤4、计算机13对采集到的数据信号进行快速傅里叶变换FFT、均值滤波的预处理后，得到谐振信号的幅值、频率和相位信息，从而确定探针测头1端部的探针微球与被测表面之间界面微观相互作用力的作用区域，以建立界面力电压-分离位移曲线。
本实施例中，为了检测微米尺度下基于接触式谐振探头的界面力光学测量系统，对其噪声水平进行了测试分析。打开单波长泵浦激光器电源，将输出功率设置为5mW，调整准直光路模块，使得激光光线经柔性簧片中心处上方的反射镜反射后聚焦到四象限光电探测器正中心，由数据采集卡采集高信噪比电路模块输出信号并输送到计算机，利用Labview程序对信号进行收集处理，图2为测量系统输出的噪声测试结果图。这些数据为输出电压的交流分量，直流分量只与四象限光电探测器上光点位置相关。这里数据采集卡在10kHz下采样，用以提高分辨率。在本实验中，关闭房间照明及其他数控控制器，以减少外界环境光和仪器振动干扰。如图2所示，记录800个噪声测量序列，最大输出噪声电压不超过30mV，噪声电压均值为6.98mV，标准差为4.60mV,可见整体系统分辨率较高，测量结果可靠度高。
本实施例中，利用该测量系统对界面微观相互作用力进行动态测量，分析探针微球与被测表面在接近、接触到压缩过程中界面力的变化情况。在实验中，调整三维精密微动台使被测表面逐步靠近探针测头端部微球，当二者距离接近界面力作用范围时停止。打开信号发生器输出幅值为500mV的正弦激励信号，设置频率为74.0Hz，由柔性簧片自身谐振频率确定。通过计算机控制驱动PZT压电陶瓷台，使被测表面逐步接近探针微球，完成接近、接触到压缩的过程，之后在相同位移范围内做退程运动，比较进程与退程过程中柔性簧片谐振运动输出电压幅值随位移的变化趋势。本实验中，PZT压电陶瓷台工作在闭环模式下，全量程工作范围为50um，设置步进距离为50nm，步进时间间隔为0.5s，利用Labview程序采集相应的位移-电压信号，这里将未受界面微观相互作用力时谐振幅值电压拟作临界接触点，即相对距离零点，图3为界面作用力动态测试输出电压结果图。如图3所示，在进程过程中，当被测表面逐步接近还未接触探针微球时，不受微观界面相互作用力影响，柔性簧片做正常谐振运动，幅值电压基本保持不变，在0.54V左右跳动；当被测表面与探针微球相对距离接近3.9um时，受微观界面相互作用力影响，被测表面与探针微球相互吸引，柔性簧片谐振运动电压幅值突然变大，由0.54V跳至0.80V附近，突变量约为0.26V，此时被测表面与探针微球在柔性簧片谐振运动最大处相互接触，探针做点触运动；PZT压电陶瓷台带动被测表面继续逼近探针微球，受空间尺寸限制，柔性簧片谐振幅值减小，在相对距离零点处，柔性簧片还可正常谐振运动；当经过相对距离零点后，柔性簧片正常谐振运动受限，谐振幅值电压继续减小，低于0.54V，此时探针测头处于压缩状态。退程过程中，探针测头从压缩状态到受微观界面相互作用力影响阶段，谐振幅值电压都持续增大，在相对距离约12.5um处达到谐振最大幅值1.38V，此时被测表面与探针微球受界面力影响到达极限，不再进行点触运动，柔性簧片脱离吸引，开始做正常谐振运动，谐振幅值电压逐渐恢复到0.54V左右，突变量约为0.84V。此时相较于进程，柔性簧片谐振运动受界面力影响的相对距离范围更大，临界电压突变量也更大。界面微观相互作用力整体变化趋势与原子力显微镜(AFM)测量结果相同。
本实施例中，利用该测量系统对界面微观相互作用力进行静态测量，可与动态测量结果进行对比，进一步完善对界面微观相互作用力的特性研究。关闭信号发生器，去除正弦激励信号，按照动态测试步骤重复测量过程，图4为界面作用力静态测试输出电压结果图。该实验中，柔性簧片不做谐振运动，输出电压值为四象限光电探测器直流信号，只反映激光光点在四象限光电探测器上的位置变化情况。如图4所示，未受微观界面相互作用力影响时，电压值基本保持不变，在0.32V左右，进程与退程整体变化趋势与动态测量结果基本一致。但相较于动态测量，静态测量输出电压值变化较小，退程临界电压突变量在30mV左右，界面力电压幅值随相对距离变化不大。
综上所述，通过该微米尺度下界面力的动静态光学测量系统及其测量方法，能够准确获得探针尖端与被测表面间的界面力电压信号，建立微米尺度下的界面力电压-分离位移曲线，同时能够开展动、静态测量实验进行对比分析，实现了对界面微观相互作用力的测量、分析与特性研究，具有一定的指导意义。
Claims (2)
1.一种微米尺度下界面力的动静态光学测量系统，其特征在于，包括：微米探头模块、准直光路模块、信号调理电路(11)、上位机采集处理模块以及高精度位移驱动模块；
所述微米探头模块，包括：探针测头(1)、柔性簧片(2)、反射镜、3D打印测头支架(3)、PI压电陶瓷环(4)、信号发生器(5)；
所述探针测头(1)通过金属胶与所述柔性簧片(2)的中心处垂直相连；在所述柔性簧片(2)的中心处上方设置有反射镜；所述柔性簧片(2)上蚀刻有四个小孔，并通过螺钉螺母固定在所述3D打印测头支架(3)下端的外接圈上，所述3D打印测头支架(3)下端为均等的四面镂空结构，以便准直光路激光光线斜方向射入射出；所述PI压电陶瓷环(4)嵌入固定在所述3D打印测头支架(3)的上端，并由所述信号发生器(5)提供正弦激励信号；
所述准直光路模块，包括：单波长泵浦激光器(6)、三个K9双凸透镜、四象限光电探测器(10)；
所述单波长泵浦激光器(6)与第一K9双凸透镜(7)同轴固定在3D打印测头支架(3)的一侧；第二K9双凸透镜(8)、第三K9双凸透镜(9)与所述四象限光电探测器(10)同轴固定在所述3D打印测头支架(3)的另一侧；
所述信号调理电路(11)的输入端与所述四象限光电探测器(10)的输出端连接；
所述上位机采集处理模块，包括：数据采集卡(12)、计算机(13)；
所述信号调理电路(11)通过所述数据采集卡(12)连接至所述计算机(13)；
所述高精度位移驱动模块，包括：压电陶瓷驱动器(14)、PZT压电陶瓷台(15)、三维精密微动台(16)；
所述三维精密微动台(16)上固定连接有所述PZT压电陶瓷台(15)；
所述PZT压电陶瓷台(15)上设置有被测表面，且所述被测表面正对于所述被测表面的下方；
所述PZT压电陶瓷台(15)与所述压电陶瓷驱动器(14)连接；所述压电陶瓷驱动器(14)的输入端与所述计算机(13)连接；
由所述信号发生器(5)为所述PI压电陶瓷环(4)提供正弦激励信号使其振动，从而使得所述柔性簧片(2)带动所述探针测头(1)做谐振运动，并在接近所述被测表面过程中，产生界面微观相互作用力；
所述单波长泵浦激光器(6)发射的激光光线经所述第一K9双凸透镜(7)的聚焦，在所述柔性簧片(2)中心处上方的反射镜上发生反射后，通过第二K9双凸透镜(8)使得反射的发散激光光线平行，再经所述第三K9双凸透镜(9)的透射后，使得平行激光光线聚焦在所述四象限光电探测器(10)上形成激光光点，并输出相应的光功率电压信号，所述光功率电压信号随激光光点在所述四象限光电探测器(10)上的位置变化而变化，并与所述柔性簧片(2)的谐振运动相关；
所述信号调理电路(11)对所述光功率电压信号进行预处理后通过所述数据采集卡(12)发送给所述计算机(13)，以此获得光功率电压信号与界面微观相互作用力的关系，可实现对界面微观相互作用力的动态测量。
2.一种微米尺度下的界面力动静态测量方法，其特征在于，是应用于如权利要求1所述的测量系统中，并按如下步骤进行：
步骤1、调整所述探针测头(1)使其对准所述PZT压电陶瓷台(15)上的被测表面；打开所述单波长泵浦激光器(6)，调节使其输出所需的光功率；调整所述准直光路模块，使得激光光线经所述柔性簧片(2)中心处上方的反射镜反射后聚焦到所述四象限光电探测器(10)的正中心；
步骤2、微米探头模块固定不动，按照微米量级的进给量来调整所述三维精密微动台(16)使被测表面逐步接近所述探针测头(1)端部的探针微球，当二者之间的距离进入微观界面力的作用范围时，停止调整所述三维精密微动台(16)；
步骤3、打开所述信号发生器(5)输出所需的正弦激励信号，使所述柔性簧片(2)带动所述探针测头(1)做规则的谐振运动，则测量系统进行动态测量；若关闭所述信号发生器(5)，不提供正弦激励信号，则测量系统进行静态测量；
步骤4、利用所述计算机(13)控制所述压电陶瓷驱动器(14)持续输出电压信号，驱动所述PZT压电陶瓷台(15)以纳米级进给量按照要求的步进距离、步进时间间隔位移，使被测表面逐步接近所述探针测头(1)端部的探针微球，以完成接近到接触的过程；此时所述四象限光电探测器(10)输出的光功率电压信号也持续发生变化，所述数据采集卡(10)再将经过所述信号调理电路(11)处理后的数据信号同步采集并传输到所述计算机(13)中；
步骤5、所述计算机(13)对采集到的数据信号进行快速傅里叶变换FFT、均值滤波的预处理后，得到谐振信号的幅值、频率和相位信息，从而确定所述探针测头(1)端部的探针微球与被测表面之间界面微观相互作用力的作用区域，以建立界面力-分离位移曲线。
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