基于单片机的AFM纳米机械性能测试系统

　　1　引　言

　　原子力显微镜(AFM)是通过检测一个非常软的悬臂梁的变形来敏感探针与表面之间的相互作用的。当前,AFM已经广泛地应用于样品表面的纳米机械性能检测,如弹性模量、硬度等。Vanlandingham等人采用AFM对PDMS、PM-MA、PS、PC、UHMWPE等聚合物薄膜的硬度及弹性模量进行了测量研究,讨论了探针横向移动、扫描迟滞等对测量的影响,认为此种测量方法对聚合物体系的纳米尺度机械性能测量十分有效[1]。Bhushan等人采用AFM进行纳米压痕实验,对硅和二氧化硅纳米细线进行弯曲测试,得出纳米线的弹性模量、断裂强度、弯曲强度等机械性能参数[2]。Isao Kojima也通过AFM探针在碳氮薄膜上施加不同的力得到了不同的压痕深度,同时和其它材料进行比较,通过对力曲线进行分析,得出碳氮薄膜的硬度与载荷和压痕深度的关系[3]。赵清亮等人采用AFM研究了微加工硅表面的纳米硬度和弹性模量的变化[4]。朱守星等人用原子力显微镜(AFM)纳米压痕方法表征类金刚石(DLC)膜、金块Au、单晶硅Si的纳米硬度,用能量密度理论解释基于AFM压痕技术测定纳米硬度的机理,给出了AFM纳米压痕的能量平衡方程[5]。采用AFM进行纳米机械性能测试的优点在于它可以实现施加小至数个nN的垂直载荷[6-7],比现有的纳米压痕仪如MTS公司的Nano Indenter XP, Hysitron公司的TriboIn-denter可以施加的垂直载荷要小得多,采用软的悬臂梁甚至可以达到几个nN。目前,采用AFM测量机械特性参数是利用得到的力曲线,通过离线数据转换处理成深度-载荷关系曲线来进一步分析得到的。然而这种方法的效率不高,所得到的力曲线需要后续转换,并且在进行压痕过程中,最大载荷处不能够按要求进行持续保载,加载、卸载速率不能任意改变。此外利用AFM本身扫描陶管进行测试,尤其是进行点阵压痕测试实验时,受AFM扫描陶管非线性的影响,其测试范围较小。因此,本文针对AFM系统进行纳米机械性能测试过程中出现的问题,研制了一套基于单片机的信号输入输出模块。该模块与AFM及精密工作台结合,形成了一个新的纳米机械性能测试系统。并通过在聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷等材料表面进行实验,验证了系统的各项功能。

　　2　系统组成

　　如图1所示,基于单片机的AFM纳米机械性能检测系统包括:(1)包括主控计算机在内的单片机控制的信号输入/输出模块;(2)AFM系统(Dimension 3100, Veeco, USA)及其接口模块;(3)精密工作台及其控制系统(P517-3CD, PICompany, Germany)。对于单片机控制模块共3路D/A输出通道,其中两路输出信号与工作台控制器的x轴端口,y轴端口相连,用来驱动工作台在平面内作精密二维运动,实现点阵测试实验;另外一路与AFM信号接口模块中BIAS端口相连,该端口的信号对应AFM系统中的Setpoint参数,用来改变悬臂梁的弯曲量。通过该参数可以改变探针作用到表面上的垂直载荷。单片机控制模块中共有1路A/D输入通道,该通道与AFM信号接口模块中的PZT接口,该接口的信号为AFM扫描陶管z向位移值。单片机控制模块与主控计算机的通信采用串口RS232的方式。