关于具有原位力学测试和长度计量功能AFM测头的探讨

关于具有原位力学测试和长度计量功能AFM测头的探讨

覃开焱,邓文 

梧州市计量测试所  543200

摘要：AFM又称为原子力显微镜，而AFM测头是一种适用于原位纳米力学测试的工具，其组成部分别为：光学检测系统、Z向压电陶瓷微位移机构。结合实际情况选择纳米压或划痕仪对待测样品进行加载或卸载，之后操作扫描探针显微镜对测试点进行扫描成像，正因为如此才会缺乏原位测试功能。根据相关调查得知，商用AFM不仅缺乏位移计量功能，还无法保证测试准确性。因此本文对具有原位力学测试和长度计量功能AFM测头进行全面研究和分析。

关键词：原位力学测试；长度计量；AFM测头；

原位纳米力学测试的最大优势在于：借助高空间分辨力对样品的机械特性进行精准测试，还能确保获取数据的准确性和完整性，其在生物材料等领域中发挥着巨大的作用。力学性能是材料质量的评价指标，依据所获取的各项参数进行测试和设计。而测试和获取力学特性参数的方法众多，如压缩法等等。随着科技的迅速发展，推动了材料的合成以及制造工艺的进一步创新，材料产品的精度越来越高，其尺寸逐渐缩小到微纳米量级，传统的力学测试技术和方法逐渐趋于落后。在这样的背景下，微纳米力学测试技术顺势而生，并在纳米科学等领域中得到了广泛的应用。

1、原位纳米力学测试简单分析

原位纳米力学测试在多领域中得到了普及，其作用也被相关企业和研究人员所熟知，当前采用的技术主要包括了：压痕和划痕技术，所使用的设备分别为原子力显微镜（AFM）、纳米压痕仪。纳米压痕仪的使用频率相当高，其工作原理是在静电力或电磁炉的驱动作用下，使压头产生对外载荷，并借助电容传感器对压头进给量进行精准检测。

通过相关检测检验数据显示，与传统力学测试方法相比， 纳米压痕仪测试技术的优势在于：试样制备便捷，虽然对样品表面粗糙度想具有一定的要求，但是对样品的想形状和尺寸并没有特殊要求，这是一种比较先进的无损测试方法；测量分辨力较高，一些大品牌的纳米压痕仪位移分辨率可达到0.05nm，力学分辨力高达100nN；应用范围相当广泛，可应用于陶瓷、金属等材料和结构的力学测试中，还能获取各项参数，如黏弹参数、塑形参数等。

电子力显微镜（AFM)的工作原理为：在压电陶瓷管驱动作用下，使具有锥形针尖的悬臂梁探针对被测样品产生载荷，针尖偏移量×悬臂梁弹性常数=载荷值。在悬臂梁弹性常数较小的情况下，AFM的载荷分辨力为几十pN，还能对测试点进行高分辨扫描成像，基于这些优势，AFM在软材料和结构的力学测试中得到了良好的应用和推广[1]。

2、AFM测头的设计要求

AFM测头的组成部分主要包括了：光学检测系统、Z向压电位移机构，而且Z向压电位移机构底部还设置了探针，而探针悬臂梁设置在光学系统焦平面上，正如图1所示。

通过认真观察和分析AFM测头的实物照片，在对样品进行力学测试的过程中，首先在Z向压电位移机构驱动作用下，操控探针保持竖直方和适当的力度向着样品表面进行压入，这时候合理运用相关计算公式对样品的力学特性进行测试和计算，以此获取相关力学特性参数。探针压入样品表面后，将其测头的Z向进给量假设为△Z，而悬臂梁的弯曲量则假定为Q，其弹性常数为K，依据相关公式可得到：F=K•Q（1），D=△Z-Q（2）。根据所得到的载荷力(F)和样品形变量（D）便能得到相关力学特性参数。通过以上所述，光学检测系统具有测量悬臂梁弯曲量的作用，而电容位移传感器能够对测头进给量进行精准测量。

3、光学系统的设计

运用光杠杆与显微镜同轴的设计方法和手段对AFM测头的检测光路进行设计，而光学系统的组成部分分别为:CCD、激光器、极化分光镜、位移台，等等。不同的部位具有不同的作用，如反射到四象限探测器上的激光束会对样品施加载荷，借助后处理电路分析和处理探测器输出电信号，结合分析数据和处理结果可以得到悬臂梁的形变量。根据多学科理论知识和实际情况对光学系统进行精心设计，按照相关顺序和流程将不同的部件安装在相应的位置上，充分发挥光学系统的最大效能。

4、Z向压电位移机构的设计

AFM这类设备的测头对Z向压电位移机构探针的精密度具有较高的要求，而且AFM测头Z向压电位移机构应具备响应速度快、分辨率高和热稳定性良好等优点，为了实现这一目标，应当对Z向压电位移机构设计予以充分的重视。在选择位移产生元件时，应结合实际和精度需求选择最佳的材料，如压电陶瓷堆，但是考虑到压电陶瓷材料的非线性影响，以及保证位移的精准性和合理性，借助柔性铰链机构实现位移的传递和闭环反馈控制。利用ANSYS软件对设计对象的核心部件进行有限元仿真模拟，借助计算机技术在ANSYS软件中建立三维模型，其设计参数为：弹性模量（145GPa），泊松比为0.3，而密度需要控制在8.055×103kg/m3，将所得到的弹性量等参数代入Solid95有限元单元模型，在此基础上对设计参数进行优化，以及提升柔性铰链机构的机械性能

[2]。

至于电容位移传感器具有结构简单等特点，在微纳米位移的监测中发挥着巨大的作用，为了提升AFM测头的功能质量，利用电容位移传感器对Z向压电位移机构的伸缩量进行严格检测。Z向压电位移机构探针主要安装于环形结构中轴线上，而电容位移传感器无论位于轴线上的任何位置均会违背测量的阿贝原则。对于这种情况，可以根据环形结构的特点将电容位移传感器的极板改装成圆环形，并采用铰链机构同轴安装的方式，将外圈固定环与定极板进行有效衔接，以及将动极板设置于内部环形平板中心，由于圆形环的环带宽度远远低于圆环内和外径的宽度，所以应结合实际对电容的边缘效应进行适当补偿。

5、测头的标定

要想对测头的加载功能进行充分了解，必须对其闭环定位能力进行精准检测检验[3]。具体如下，首先使用激光干涉仪对处于测头内部的电容位移传感器进行科学标定，选择德国SOS公司推出的干涉仪进行测头标定，该仪器的分辨力高达0.1nm。将干涉仪的传感头固定好，接着将反射镜固定在电容位移传感器的上下极板上，按照相关流程和实验步骤将各种仪器和部件固定在相应的位置上，紧跟着依据有关要求对三维位移台和角位移台进行适当调节，使干涉仪发射出去的激光束经过反射镜，在反射作用下还能回到干涉仪内。利用数据采集卡对压电陶瓷的驱动信号进行收集和分析，接着采集卡DA输出的低压电平会经过高压放大电路，在这一过程中，输出的低压电会被放大并施加在压电陶瓷上。同时记录仪器会对干涉仪读数和电容位移传感器输出的电压进行同步记录，根据所获取的各项数据和信息可以对测头的实际位移量进行计算。将电容传感器的输出假设为保持量，结合得到的测头实际位移量对测头的闭环位移分辨力加以确定。

结语

综上所述，通过对具有原位力学测试和长度计量功能AFM测头进行深入分析并对其进行检测检验，根据检验检验数据显示，AFM测头的线性和闭环位移分辨力较为良好，将其应用于微结构的原位力学特性测试中，有效提升生物样品的测试效率和水平，还能减小误差。通过对其加大研究应用力度，势必能够在多领域中发挥着重要的作用。

参考文献

[1]刘璐，李艳宁，吴森，等.基于显微光杠杆技术的微结构偏移角测量系统[J].光学技术，2014,40（3）:219-224.

[2]安涛，文懋，田宏伟，等.TiN薄膜在纳米压痕和纳米划痕下的断裂行为[J].物理学报，2013,62（13）：1-8.

[3]吴森，陈庆超，张超等.基于弯曲法的AFM微悬臂梁弹性常数标定技术[J].仪器仪表学报，2012，33（11）:2446-2453.