摘要：为了满足本科实验教学的需要,采用基于石英音叉的自感应探针替代传统的基于激光检测的微悬臂探针,实现音叉型自感应探针的自激发、自检测和频率调制的成像控制方式,从而研制出原理清晰、简单易用的原子力显微镜教学仪器,显著降低实验仪器的使用难度.该原子力显微镜教学仪器不仅能够使用2种自感应探针,还可兼容使用传统的基于激光检测的微悬臂探针,具备传统原子力显微镜的所有功能.基于该原子力显微镜设计了面向本科实验教学的基础实验项目以及扩展实验内容,从而解决了基于原子力显微镜的本科教学实验中目前所存在的仪器操作复杂和教学内容单薄的问题,提升了原子力显微镜实验项目的教学效果.

摘要：设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜(AFM)测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机(NMM)为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至"米"定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.