基于單片機(jī)的AFM納米機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)

1、第16卷 第7期2008年7月 光學(xué) 精密工程optics and precisionengineeringvol. 16no. 7j ul. 2008收稿日期:2007211221 ;修訂日期:2008201222.基金項(xiàng)目:黑龍江省博士后基金資助項(xiàng)目;第42批中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目;黑龍江省青年專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(no. qc05c11 )文章編號(hào) 10042924x (2008)0721223207基于單片機(jī)的afm納米機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)閆永達(dá)1 ,2,費(fèi)維棟1,胡振江2,程相杰2,孫 濤2,董 申2(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

2、,黑龍江哈爾濱150001 )摘要:為解決采用原子力顯微鏡( a fm )系統(tǒng)進(jìn)行納米機(jī)械性能測(cè)試中存在的不能夠直接獲得載荷2壓深曲線以及不能夠隨意改變加載 、 保載 、 卸載時(shí)間等問(wèn)題,對(duì)a fm系統(tǒng)進(jìn)行了改造,開(kāi)發(fā)了一套基于單片機(jī)的信號(hào)輸入輸出模塊。將該模塊與afm控制系統(tǒng)相聯(lián),形成新的納米機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)信號(hào)輸出精度為0. 15 mv ,信號(hào)采集精度為0. 3 mv ,工作臺(tái)的移動(dòng)靈敏度為1. 53 nm ,可以動(dòng)態(tài)改變垂直載荷,并實(shí)時(shí)獲得載荷 2壓深曲線 。通過(guò)單片機(jī)設(shè)置模擬信號(hào)的輸出速率可以實(shí)現(xiàn)加載、 保載和卸載速率的改變;結(jié)合二維微動(dòng)精密工作臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)高精度的點(diǎn)

3、陣壓痕測(cè)試 。通過(guò)在聚碳酸酯、 聚二甲基硅氧烷等材料表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明:該系統(tǒng)可以高速高精度地測(cè)量樣品的納米機(jī)械性能參數(shù),包括對(duì)樣品進(jìn)行納米壓痕測(cè)試和對(duì)樣品的純彈性變形過(guò)程進(jìn)行檢測(cè),如聚二甲基硅氧烷或者各種微梁等微小構(gòu)件 。關(guān) 鍵 詞:原子力顯微鏡( a fm ) ;單片機(jī);納米機(jī)械性能;載荷2壓深曲線中圖分類號(hào): t h742. 9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ascm2based nanomechanical propertymeasurement system of afmyanyong2da1 ,2,fei wei2dong1,hu zhen2jiang2,ch en g xiang2jie2, su

4、n tao2,don g shen2(1. school ofmaterialscience and engineering , harbin instituteoftechnology , harbin150001, china;2. center ofprecisionengi neeri ng , h arbi n i nstit ute oftechnolog y , h arbi n150001, chi na)abstract : in order to obtain the force depth curve directlyand change the loading time

5、 ,keeping loadtime and unloading time arbit rarily in the nanomechanical property measurement by atomicforce mi 2croscope(a fm) , an a fm system was modified.a single chip micyoco( scm)2based input/ outp utmodule was developed in the present study. connected this module to the cont rol system of a f

6、m , anovel a fm2based nanomechanical propertymeasurement system was formedwit h the signal outp utprecision of 0. 15 mv ,signal inp ut precision of 0. 3 mv ,and the moving accuracy of the stage of 1. 53nm. the normal load of measurement system could be changed continuouslyto get the in2sit u force2d

7、epth curve according to the correspondingarit hmetic.the out rate of the d/ a outp ut port could bevaried by the scm cont roller , so that the rate of loading , unloading and keeping periodcould bechanged also.integrated wit h a two2dimensional precision stage , the array indentationtest s were car2

8、ried out wit h a larger scale. the nanoindentatio n test result s on polycarbonate and polydimet hylsilox 2ane show that the nanomechanical property parameters of samples can be obtained wit h high accuracy? 1994-2008 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/and

9、 high speed basedon this system.samples like pdms , micro beam and so on can also beinvestiga 2ted under the pure elastic deformation.key words : atomicforce microscope(a fm ) ; single chip micyoco ( scm) ; nanomechanical proper 2ty ; force2depth curve1引 言原子力顯微鏡( a fm ) 是通過(guò)檢測(cè)一個(gè)非常軟的懸臂梁的變形來(lái)敏感探針與表面之間的相

10、互作用的 。當(dāng)前 ,afm 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于樣品表面的納米機(jī)械性能檢測(cè),如彈性模量、 硬度等 。vanlandingham等人采用a fm 對(duì) pdms 、 pm2ma、ps、pc、u hmwpe等聚合物薄膜的硬度及彈性模量進(jìn)行了測(cè)量研究,討論了探針橫向移動(dòng)、掃描遲滯等對(duì)測(cè)量的影響,認(rèn)為此種測(cè)量方法對(duì)聚合物體系的納米尺度機(jī)械性能測(cè)量十分有效 1 。bhushan 等人采用a fm 進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn) ,對(duì)硅和二氧化硅納米細(xì)線進(jìn)行彎曲測(cè)試,得出納米線的彈性模量、 斷裂強(qiáng)度 、 彎曲強(qiáng)度等機(jī)械性能參數(shù) 2。isao kojima 也通過(guò)a fm 探針在碳氮薄膜上施加不同的力得到了不同的壓痕深度,同時(shí)

11、和其它材料進(jìn)行比較,通過(guò)對(duì)力曲線進(jìn)行分析 ,得出碳氮薄膜的硬度與載荷和壓痕深度的關(guān)系 3 。趙清亮等人采用a fm 研究了微加工硅表面的納米硬度和彈性模量的變化 4 。朱守星等人用原子力顯微鏡( a fm) 納米壓痕方法表征類金剛石 (dl c) 膜 、 金塊 au 、 單晶硅si 的納米硬度,用能量密度理論解釋基于a fm 壓痕技術(shù)測(cè)定納米硬度的機(jī)理,給出了a fm 納米壓痕的能量平衡方程 5。采用 a fm 進(jìn)行納米機(jī)械性能測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于它可以實(shí)現(xiàn)施加小至數(shù)個(gè)nn 的垂直載荷 627,比 現(xiàn) 有 的 納 米 壓 痕 儀 如 m ts 公 司 的nanoindenterxp , hysit

12、ron 公 司 的tribo in2denter 可以施加的垂直載荷要小得多,采用軟的懸臂梁甚至可以達(dá)到幾個(gè)nn 。目前 ,采用 a fm測(cè)量機(jī)械特性參數(shù)是利用得到的力曲線,通過(guò)離線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理成深度2載荷關(guān)系曲線來(lái)進(jìn)一步分析得到的 。然而這種方法的效率不高,所得到的力曲線需要后續(xù)轉(zhuǎn)換,并且在進(jìn)行壓痕過(guò)程中,最大載荷處不能夠按要求進(jìn)行持續(xù)保載,加載 、 卸載速率不能任意改變。此外利用afm 本身掃描陶管進(jìn)行測(cè)試,尤其是進(jìn)行點(diǎn)陣壓痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí),受 a fm 掃描陶管非線性的影響,其測(cè)試范圍較小 。因此,本文針對(duì)a fm系統(tǒng)進(jìn)行納米機(jī)械性能測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,研制了一套基于單片機(jī)的信號(hào)輸入輸出模

13、塊。該模塊與a fm 及精密工作臺(tái)結(jié)合,形成了一個(gè)新的納米機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng) 。并通過(guò)在聚碳酸酯、 聚二甲基硅氧烷等材料表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。2系統(tǒng)組成如圖1 所示 ,基于單片機(jī)的a fm 納米機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)包括:(1) 包括主控計(jì)算機(jī)在內(nèi)的單片機(jī)控制的信號(hào)輸入/ 輸出模塊; (2) a fm 系統(tǒng)(dimension 3100 , veeco , usa) 及其接口模塊;(3) 精 密 工 作 臺(tái) 及 其 控 制 系 統(tǒng) (p51723cd , picompany , germany) 。對(duì)于單片機(jī)控制模塊共3路 d/ a 輸出通道,其中兩路輸出信號(hào)與工作臺(tái)控制器的x軸端口,

14、y軸端口相連,用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在平面內(nèi)作精密二維運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣測(cè)試實(shí)驗(yàn);另外一路與a fm 信號(hào)接口模塊中bias 端口相連,該端口的信號(hào)對(duì)應(yīng)a fm 系統(tǒng)中的setpoint 參數(shù) ,用來(lái)改變懸臂梁的彎曲量。通過(guò)該參數(shù)可以改變探針作用到表面上的垂直載荷。單片機(jī)控制模塊中共有1 路 a/ d 輸入通道,該通道與a fm信號(hào)接口模塊中的pzt 接口 ,該接口的信號(hào)為a fm 掃描陶管z向位移值 。單片機(jī)控制模塊與主控計(jì)算機(jī)的通信采用串口rs232 的方式 。圖1基于單片機(jī)的afm納米機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖fig. 1scheme ofscm2based nanomechanicalproperty

15、measurementsystem of afm4221光學(xué) 精密工程 第16卷? 1994-2008 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/單片機(jī)模塊的組成原理如圖2 (a) 所示 。該系 統(tǒng) 主 要 由 主 控 模 塊 、 d/ a 模 塊 ( 型 號(hào) 為dac715 ) 、 a/ d 模塊 (型號(hào)為 ad976 ) 、 顯示模塊 、電源模塊以及光電隔離接口幾大部分組成。其中主控模塊 、 d/ a 模塊 、 a/ d 模塊 、 顯示模塊均采用臺(tái)灣 winbo nd 公司的

16、77l e58 系列單片機(jī)。該單片機(jī)的外形及電路原理見(jiàn)圖2(b) 。各個(gè)模塊采用單獨(dú)的單片機(jī)進(jìn)行控制,并通過(guò)模塊之間經(jīng)光電隔離后的串行接口聯(lián)接,以保證各模塊之間的電氣隔離,這樣設(shè)計(jì)的目的是盡可能減少模塊之間的相互干擾。在精度方面,在 10 v 量程內(nèi) ,單片機(jī)輔助控制器的16 位 a/ d 模塊 ,其檢測(cè)精度為 0. 3 mv 。實(shí)驗(yàn)中采集的pzt 變化信號(hào)通常為數(shù)百毫伏至幾伏,因此a/ d采集模塊滿足納米機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)的需要。對(duì)于控制偏壓的bias口的模擬量輸入端口d/ a 的輸出精度為:10 v/65 535 = 0. 15 mv 。通常對(duì)于實(shí)驗(yàn)中采用的輸出電壓為 0. 5 v 且 2 v

17、,因此該輸出模塊精度足夠 。另外由單片機(jī)輔助控制器d/ a 輸出模塊控制的工作臺(tái)的實(shí)際移動(dòng)范圍為100m ,因此本系統(tǒng)控制工作臺(tái)移動(dòng)的靈敏度為100m/ 65 536 =1. 53 nm 。該精度完全滿足點(diǎn)陣壓痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)的需要 。(a)( b)圖2 單片機(jī)控制模塊的組成及芯片電路原理圖fig. 2schemes of scm2based controllerand chip circuit軟件編程采用了南京偉福實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的支持 77l e58 的 e6000 系統(tǒng) 。仿真開(kāi)發(fā)器,軟件環(huán)境為wave 6000 for windows 。上位機(jī)管理軟件是基于windows 平臺(tái)開(kāi)發(fā)的,采用

18、visual c+ + 6. 0 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編制的。3載荷2壓深曲線獲得原理本系統(tǒng)實(shí)際上是將a fm 力曲線實(shí)驗(yàn)過(guò)程5221第7期閆永達(dá) ,等 :基于單片機(jī)的a fm 納米機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)? 1994-2008 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/由單片機(jī)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。載荷2壓深曲線是由a fm力曲線轉(zhuǎn)換而來(lái)的。該曲線在分析樣品納米機(jī)械性能時(shí)十分重要。本文提出的系統(tǒng)是將輸入信號(hào)ubias(bias 端口輸入 ) 和采集到的pzt 電壓變化信號(hào) upzt(由 pzt 端口采

19、集 ) 轉(zhuǎn)換成為載荷2壓深曲線的關(guān)系。其原理見(jiàn)圖3 ,為了直觀,該圖省略了a fm系統(tǒng)的控制裝置。圖3載荷 2壓深曲線獲得原理圖fig. 3scheme of achieving force2depth curve采用該系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)的載荷2壓深曲線的過(guò)程如下 :整個(gè)過(guò)程在某一個(gè)瞬時(shí)時(shí)間段,可以分離為兩個(gè)子過(guò)程: (1) 首先由單片機(jī)控制模塊的d/a 模塊發(fā)出一個(gè)模擬量電壓信號(hào)ubias,該信號(hào)控制 afm 信號(hào)接口模塊中的bias 端口 。bias端口的電壓對(duì)應(yīng)著a fm 控制系統(tǒng)中的setpoint參數(shù) ,該參數(shù)對(duì)應(yīng)著圖3 中位置檢測(cè)器( psd) 的輸出值 ,由微懸臂的彎曲變形量決定。 u

20、bias越大 ,微懸臂的彎曲量越大,對(duì)應(yīng)著探針作用到表面上的垂直載荷也越大。隨著ubias的持續(xù)增大,探針在樣品表面進(jìn)行加載過(guò)程;隨著 ubias的逐漸減小 ,探針在樣品表面進(jìn)行卸載過(guò)程;當(dāng) ubias不隨時(shí)間變化而變化,探針與樣品無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),則處于保載狀態(tài)。(2) 與此同時(shí),單片機(jī)控制模塊通過(guò) a/ d 模塊采集到壓電陶瓷( pzt ) 的電壓變化信號(hào) upzt,這個(gè)值表示微懸臂端部與pzt連接處 (如圖 3) 在加載或者卸載過(guò)程中的位置變動(dòng)量 。它是探針壓入深度的一個(gè)度量,本文給出了具體的換算關(guān)系。上述的這兩個(gè)過(guò)程隨著時(shí)間的連續(xù) ,形成整個(gè)加載、 保載和卸載過(guò)程,完成一個(gè)完整的壓痕過(guò)程。

21、將 ubias和 upzt這兩個(gè)值換算成垂直載荷和壓入深度,獲得實(shí)時(shí)的載荷2壓深曲線的過(guò)程如下:由胡克定律可知探針作用于樣品表面出的垂直載荷的變化量為:fz=knx ,(1)x=ubiass ,(2)fz=kn ubiass ,(3)式中, s表示a fm 系統(tǒng)的靈敏度 ( nm/ v ) ,由a fm 系統(tǒng)在藍(lán)寶石表面校準(zhǔn)而得,它表示psd輸出值變化1 v 時(shí) ,微懸臂的彎曲量(nm) ,它是一個(gè)常值,每次調(diào)整探針后需要重新校準(zhǔn)得到;ubias表示 psd 的電壓變化量; x表示微懸臂的彎曲變化量; kn表示懸臂梁的彈性常數(shù)。因此,式(3)表示垂直載荷與ubias的關(guān)系 。壓深 h可由式(4

22、)得出9:h=hpzt-x ,(4)式中,hpzt表示pzt 的z向位移變化量,即微懸臂端部在垂直方向上的位置變動(dòng)量。當(dāng)探針與表面之間無(wú)變形時(shí):hpzt=x;當(dāng)探針使表面發(fā)生變形時(shí),hpzt-x即表示探針壓入表面的深度或者樣品的變形量。式中 hpzt由式(5)可得:hpzt=upztk ,(5)式中,upzt為 a/ d 卡采集的pzt 端口的電壓變化量, k為電壓轉(zhuǎn)換為nm 的轉(zhuǎn)換系數(shù),由 a fm系統(tǒng)中的掃描陶管的參數(shù)可得。將式(2)和式(5)代入式(4)可得:h=upztk- ubiass .(6)式(6)表示壓深與ubias和 upzt兩值的關(guān)系 。由式(3)和(6)可以獲得載荷2壓深

23、曲線 。4實(shí)驗(yàn)與討論圖4 所示為兩種施加載荷的方式。圖 4 (a)所示為加載和卸載時(shí)間分別為時(shí)間t,在最高載荷處無(wú)保載停留時(shí)間,圖 4(b) 所示為在載荷最大處有ts的保載停留。其中加載 、 保載和卸載的時(shí)間由軟件人為可設(shè)。該項(xiàng)功能在商用納米壓印系統(tǒng)中都具備的基本功能,而若只通過(guò)a fm 力曲(a)(b)圖4兩種載荷施加方式fig. 4two ways of loadingand unloadingprocess6221光學(xué) 精密工程 第16卷? 1994-2008 china academic journal electronic publishing house. all rights r

24、eserved. http:/線進(jìn)行測(cè)試時(shí),保載時(shí)間則不可設(shè)定,并且加載和卸載的速率不能夠自由設(shè)定。因此 ,本裝置從功能上改進(jìn)了利用a fm 系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試過(guò)程 。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,本文采用不銹鋼懸臂及金剛石針尖作為力施加元件,首先在樣品聚碳酸酯 (ps) 表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。聚碳酸酯為光盤(pán)的制造材料,在電子存儲(chǔ)高速發(fā)展的今天,其性能的重要性不言而喻。利用圖 4(a) 所示的加載方式,由公式 (3) 和 (6) 獲得的載荷 2壓深曲線如圖5 所示 。其中參數(shù)kn為 303 n/ m ,靈敏度s為 390nm/ v ,電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)k為 308 nm/ v 。圖 5 (a) ,(b) 分別表示

25、在該加載條件下,單次實(shí)驗(yàn)壓痕和三次實(shí)驗(yàn)的載荷2壓深曲線。該載荷 2壓深曲線通過(guò) oliver 2pharr 方法 ,壓頭材料特性和工件的泊松比等參數(shù)可以獲得樣品在該測(cè)試點(diǎn)處的硬度和彈性 模 量 等 參 數(shù) 8 。獲 得 的 3 個(gè) 硬 度 值 為41 m pa(垂直載荷為85n) ,29 m pa(垂直載荷為 140n) 和 26 m pa(垂直載荷為200n) ?？蓤D5壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖fig. 5results of nanoindentationson ps見(jiàn) ,隨著載荷的增加,樣品表面的硬度值逐漸減少 ,表現(xiàn)出了一定的尺寸效應(yīng)。這種尺寸效應(yīng)的原因在于隨著尺寸的減小,樣品中的缺陷也相應(yīng)減小

26、,因此導(dǎo)致其位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到抑制,所以硬度值增加 ,目前大多數(shù)學(xué)者贊同這種說(shuō)法。從圖 5(a)中得到的單條載荷2壓深曲線可以看出該系統(tǒng)執(zhí)行納米壓痕過(guò)程(共采集200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) ) 可以完全跟蹤探針和表面之間的相互作用。通過(guò)圖5( b)所示的三次實(shí)驗(yàn)的加載過(guò)程的重復(fù)性可以看出該系統(tǒng)的重復(fù)性很好,完全滿足納米尺度測(cè)試及測(cè)量系統(tǒng)的要求。聚二甲基硅氧烷(pdms) 是目前工業(yè)應(yīng)用中透氣性最高的膜材料之一,因在微納制造、 微流體器件 、 柔性電子器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而得到人們的普遍關(guān)注。本文還以這種材料作為樣品進(jìn)行了測(cè)試 。圖 6(a)和 (b) 分別表示采用金剛石針尖和普通的si3n4微懸臂進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)

27、果。采用金剛石針尖的參數(shù)值與在聚碳酸酯表面測(cè)試時(shí)相同 。而采用 si3n4微懸臂進(jìn)行測(cè)試的參數(shù)值如下 :kn為 0. 58 n/ m ,靈敏度s為 85 nm/ v ,電壓圖6pdms表面測(cè)試fig. 6measurementon pdms surface7221第7期閆永達(dá) ,等 :基于單片機(jī)的a fm 納米機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)? 1994-2008 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/轉(zhuǎn)換系數(shù)k為 308 nm/ v 。圖 6(a) 采用的加載方式為圖 4( b) 中具有保

28、載一段的方式,而圖 6( b) 采用的是圖4(a) 中的加載方式。由圖 6(a) 中的曲線可以看出金剛石針尖可以在pdms 表面上產(chǎn)生塑性變形,此時(shí)最大載荷為85n 左右 ,經(jīng)過(guò)保載階段,其變形深度增加。保載階段可以提供材料的蠕變等特性。圖6(b) 所示,采用測(cè)量用si3n4微懸臂進(jìn)行測(cè)試,加載和卸載曲線幾乎完全重合 ,表明探針使pdms 表面產(chǎn)生了純彈性變形 ,此時(shí)最大載荷僅為130 nn 左右 。對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到樣品的彈性模量為0. 5 m pa左右 ,該值與前人的研究結(jié)果相近,表明系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到進(jìn)行納米機(jī)械性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的要求。圖7 點(diǎn)陣壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果fig. 7results

29、 of array indentations實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣壓痕的意義在于可以對(duì)同一塊材料的不同部分進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,可以得到材料的表面硬度分布 。而 a fm 系統(tǒng)本身的點(diǎn)陣壓痕功能受其掃描陶管的非線性影響測(cè)試范圍不能過(guò)大。本系統(tǒng)的壓痕范圍由于采用工作臺(tái)移動(dòng)的模式,所以只受工作臺(tái)的范圍影響。此外 ,本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的得到載荷 2壓深曲線,為計(jì)算納米機(jī)械性能參數(shù)提供了方便。為了示例,本文進(jìn)行了10m 10m 范圍內(nèi)的點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。在點(diǎn)陣壓痕的實(shí)驗(yàn)中,材料采用的是鍍?cè)趩尉Ч璞砻娴匿X膜。壓痕參數(shù)為兩個(gè)方向上的點(diǎn)間距都為2m ,點(diǎn)數(shù)都為5 ,采取圖4 所示的加載方式,最大載荷為200n 。壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)

30、果如圖7 所示 ,(a) 和 (b) 分別表示二維和三維afm形貌圖 。圖上箭頭所指處的壓痕在相同的載荷下,其大小明顯要小于其它點(diǎn),這有可能是該處的材料不均勻使局部硬度偏大所致。5結(jié) 論本文開(kāi)發(fā)了一套基于單片機(jī)控制的信號(hào)輸入/ 輸出 模 塊 系 統(tǒng) 。信 號(hào) 輸 出 的 精 度 為 0. 15mv ,信號(hào)采集的精度為0. 3 mv ,工作臺(tái)的移動(dòng)靈敏度為1. 53 nm。該模塊與a fm 系統(tǒng)的控制器相聯(lián) ,通過(guò)動(dòng)態(tài)控制探針施加到樣品表面的垂直載荷 ,經(jīng)過(guò)測(cè)試及計(jì)算獲得樣品表面的變形量,從而得到實(shí)時(shí)的載荷2壓深曲線,同時(shí)可以人為設(shè)定加載 、 保載和卸載的速率。在聚碳酸酯表面、 聚二甲基硅氧烷表

31、面進(jìn)行的納米機(jī)械性能的測(cè)試結(jié)果表明 ,在聚碳酸酯表面,隨著垂直載荷的增加,硬度變小,表現(xiàn)了一定的尺寸效應(yīng),所測(cè)樣品的硬度和彈性模量等值與前人結(jié)果相符,表明本測(cè)量系統(tǒng)滿足樣品納米機(jī)械性能測(cè)試的要求。此外 ,該系統(tǒng)不僅可以用于壓痕測(cè)試,還可以用于樣品產(chǎn)生純彈性變形的測(cè)試以及其它的微結(jié)構(gòu)件如懸臂梁 、 納米線等的機(jī)械性能的測(cè)試,具有較廣的應(yīng)用范圍 。參考文獻(xiàn) : 1vanlandinghanm r , mcknigh t s h , pal m ese g r , et al . . nanoscale indentationof polymersystemsusing the atomic for

32、cemicroscopej .j ournal ofa dhesion ,1997,64:31259.8221光學(xué) 精密工程 第16卷? 1994-2008 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/ 2sundararajans , b hushanb , namazut , et al . .mechanicalpropertymeasurementsofnanoscalestructuresusing an atomic forcemicroscopej .ult rami

33、croscop y , 2002 , 91 (124) : 1112118. 3koj imi , xu w t , fuj imo to t.nanohardnessmeasurementof carbon nitridethin filmsj .surf . i nterf acea na. ,2001,32:74278. 4 趙清亮,梁迎春,程凱,等.微加工硅表面基于afm的納米壓痕測(cè)量與分析j .微納電子技術(shù), 2003 ,7 (8) : 2412244.zhaoq l , l ian g y ch , ch en g k , et al . . investigationof a f

34、m2based nano2indentationon micro2machinedsiliconsurface j .m icronanoelect ronic technology ,2003,7(8):2412244.(in chinese) 5 朱守星,丁建寧,范真,等.用a fm壓痕技術(shù)定量介觀硬度的方法研究j .儀器儀表學(xué)報(bào), 2005 , 26 (3) : 2722278.zhush x , din g j n , fanzh , et al . .study on method of quantitativemeasuringnano2hardnessbased ona fm indentationtechniquej .chinese journalofscienti f ic i nstrument ,2005,26 (3):2722278.(in chinese) 6 蘇亞輝,陳宇航,董磊,等.原子力顯微鏡測(cè)量雙光子成型點(diǎn)的彈性模量j .光學(xué) 精密工程, 2006 , 14 ( 4) : 6672672.su y h , ch en y h , don g l , et al . . measuringand analyzingelastic modulus of single voxels by femo