基于CAM的STM和AFM的一种新型偏心升降装置研究

　　0　前言

　　扫描探针显微术(SPM)的基本原理最初在20世纪50年代由J·A·O’Keefe提出。1982年, Binnig和Rohrer等人研制成功第一台SPM-扫描隧道显微镜(STM)[1],并因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。此后, Binnig又与Quate等人合作,于1986年推出第一台原子力显微镜[2]。SPM家族的典型代表AFM和STM将人们认识事物的水平推进到纳米时代,使人们多年来操纵原子的愿望成为现实。AFM和STM促进了纳米科技的发展,对社会的发展起到巨大的促进作用。

　　1　研究背景

　　AFM和STM为我国的纳米科技研究作出了重要贡献。AFM和STM作为新型的光机电一体化设备,正在不断改进发展。本实验室的STM和AFM一体化显微镜所测样品高度很小,在测试塑料加入纳米粉体的改性表观断口力学实验中,经常由于高度的限制造成实验的失败。在退针的过程中,一到底部就发生传动失效的问题,而且时间长了将损坏步进电机,使仪器瘫痪。根据仿真研究的结果和咨询相关的专家及产品生产者,原因在于当扫描管最大测试范围为5μm×5μm时,测试样品的最大高度为4mm左右。因此对显微镜进行改造研究,使其能够完成不同高度样品测试的任务。这对于科技人员来说具有重要的应用价值,对仪器开发商而言,则具有广阔的市场前景。

　　2　STM和AFM的基本原理

　　原子力显微镜AFM (Atomic forcemicroscope)是一种利用探针和样品表面之间的原子间作用力,表征样品表面特征的仪器[3]。AFM主要有三种扫描方式:接触,非接触和轻敲模式。

　　STM的工作原理来源于量子力学中的隧道贯穿效应。其核心是一个能在样品表面上扫描,并与样品间有一定偏置电压,其直径为原子尺度的针尖。由于电子隧穿的机率与势垒的宽度呈现负指数关系,当针尖和样品之间施加一个电压,电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖,形成隧道电流。

　　STM的样品表面形貌信号是以隧道电流表征的。而AFM的样品表面形貌信号是以微悬臂的弯曲变形表征的。欲测量工件表面三维形态,针尖对工件必须进行三维扫描,扫描机构最简单和典型的结构是单管压电陶瓷,见图1,它将压电陶瓷管外壁划分为4个部分。当电压施加到某一表面时,管子就弯曲,此时作X向(或Y向)扫描。电压施加到内表面时,产生均匀伸缩,即做Z向运动。

　　3　基于CAM的实体建模技术

　　随着计算机软硬件的快速发展,计算机辅助制造(CAM)成为各种机器设计、改造以及故障诊断的重要手段。本文采用CAM技术,对物体进行1∶1的实体建模,然后对模型的实际运动状况进行仿真,达到设计的优化。

　　4　CAM技术的显微镜改造研究