高次谐振微悬臂的有限元设计与分析

作     者：郑志月 许瑞 程志海 ZHENG ZhiYue XU Rui CHENG ZhiHai

作者机构：国家纳米科学中心中国科学院纳米科学卓越中心和纳米标准与检测重点实验室北京100190 

基　　金：中国科学院“引进杰出技术人才”、“卓越青年科学家”及青年创新促进会和中国科学院科研装备研制项目资助 

出 版 物：《中国科学：技术科学》 (Scientia Sinica(Technologica))

年 卷 期：2016年第46卷第10期

页      码：1086-1096页

摘      要：多频原子力显微术(MF-AFM)是近些年发展的包含一大类先进原子力显微术的新技术,具有很高的空间分辨率,不仅可以实现更多样品物性的表征,还具有时间分辨的非线性力的探测能力.MF-AFM的基本原理是对微悬臂探针的多个振动频率进行激励和探测,而这些振动频率通常与微悬臂的高次谐波振动或本征模式有关,因此,实现这一新技术的关键是设计特殊的微悬臂.传统AFM中应用较为广泛的颇具代表性的传统微悬臂有硅微悬臂与石英音叉微悬臂等.传统矩形硅微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为6.27,而石英音叉微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率之比无统一的值,但均为非整数,直接利用传统微悬臂去探测高次谐振信号是非常困难的.基于微悬臂的共振放大效应,本文通过改变微悬臂的质量分布,讨论了传统硅微悬臂和石英音叉微悬臂本征模式的变化,调谐其高阶本征模式与基础模式间频率的耦合关系.通过理论计算和有限元分析,设计了二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为整数倍关系的特殊硅微悬臂与石英高次谐振型微悬臂,部分特殊微悬臂还涉及了一阶扭转模式与基础模式的耦合.

主 题 词：多频原子力显微术 微悬臂 高阶模式 高次谐振 有限元分析 

学科分类：0810[工学-土木类] 0839[0839] 08[工学] 0802[工学-机械学] 0803[工学-仪器类] 0811[工学-水利类] 0812[工学-测绘类] 

核心收录：

D　O　I：10.1360/N092016-00013

馆 藏 号：203208462...