微悬臂梁探针的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种微悬臂梁探针的设计方法，包括：获取微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型；获取不同结构的微悬臂梁探针的振动参数，根据振动参数和普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型；根据理论模型计算微悬臂梁探针正压力的最大测量值或摩擦力的最小测量值，并根据可测摩擦系数分辨率，获得满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布；选取尺寸进行仿真分析，得到微悬臂梁探针振动频率特性，并根据振动频率特性和普适理论模型得到摩擦系数分辨率量级；若摩擦系数分辨率量级满足摩擦系数分辨率的预设要求，则提取该微悬臂梁探针的尺寸。上述方法实现了0.0001及以上量级分辨率的超低摩擦系数测量。

Design Method of Microcantilever Probe

【技术实现步骤摘要】
微悬臂梁探针的设计方法
本专利技术涉及分析及测量控制
，特别是涉及一种微悬臂梁探针的设计方法。
技术介绍
随着世界经济的快速增长，各行业摩擦磨损造成的损失也相应增大，能源危机日益严峻。近年来，超滑现象的发现为解决能源消耗这一难题提供了新的重要途径。在超滑状态下，摩擦系数较常规的油润滑成数量级的降低，磨损率极低，接近于零。影响超滑状态的因素众多，并且相互耦合，严重制约了超滑理论和技术的深入研究。纳米级单点非接触(即相互作用区尺寸为纳米量级)可以排除宏观多点接触等多种外界因素干扰，便于超滑过程的定量分析。然而，目前纳米级单点非接触状态下的超低摩擦系数测量是一个公认的技术难题，首先，纳米级单点非接触通常采用原子力显微镜实现，而原子力显微镜主要应用于表面形貌扫描、力学性能测试等方面，基本未关注超低摩擦系数测量；其次，纳米级单点非接触状态控制要求原子力显微镜探针处于振动模式，大气环境下很难达到，必须在特殊环境下(真空，液下等)使用，因此，控制难度较大，系统复杂。因此，如何能实现应用于纳米级单点非接触超低摩擦系数测量，成为目前技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述如何能实现应用于纳米级单点非接触超低摩擦系数测量，提供一种微悬臂梁探针的设计方法。在其中一个实施例中，一种微悬臂梁探针的设计方法，包括：获取非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型；获取所需的不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，根据所述振动参数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型；根据所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型计算微悬臂梁探针正压力的最大测量值或摩擦力的最小测量值，并根据原子力显微镜的可测摩擦系数分辨率，获得满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布；选取所述分布中的尺寸进行仿真分析，得到微悬臂梁探针的振动频率特性，并根据所述振动频率特性和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型得到微悬臂梁探针的摩擦系数分辨率量级；判断所述摩擦系数分辨率量级是否满足摩擦系数分辨率的预设要求，若满足预设要求，则提取满足摩擦系数分辨率量级的微悬臂梁探针的尺寸。在其中一个实施例中，所述获取非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型包括：通过微悬臂梁探针非接触振动状态下的扭转振动模态参数和挠曲振动模态参数分别计算摩擦力和正压力；根据所述摩擦力和所述正压力的比值得到非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型。在其中一个实施例中，所述获取非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型还包括：设置所述微悬臂梁探针非接触振动状态下的挠曲振动模态和扭转振动模态的不同阶数；获取不同阶数的非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型。在其中一个实施例中，所述获取所需的不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，根据所述振动参数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型包括：获取不同结构特性的微悬臂梁探针的扭转振动模态下的扭转弹性系数和挠曲振动模态下的挠曲弹性系数；根据所述扭转弹性系数、所述挠曲弹性系数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型，建立所述不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型。在其中一个实施例中，根据所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型计算微悬臂梁探针正压力的最大测量值或摩擦力的最小测量值，并根据原子力显微镜的可测摩擦系数分辨率，获得满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布包括：获取所述微悬臂梁探针的不同尺寸对所述正压力的最大测量值、所述摩擦力的最小测量值和所述摩擦系数分辨率的影响；提取微悬臂梁探针的不同尺寸对所述正压力的最大测量值、所述摩擦力的最小测量值和所述摩擦系数分辨率影响的规律；根据所述规律获得满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布。在其中一个实施例中，选取所述分布中的尺寸进行仿真分析，得到微悬臂梁探针的振动频率特性，并根据所述振动频率特性和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型得到微悬臂梁探针的摩擦系数分辨率量级包括：选取分布中的微悬臂梁探针的尺寸进行有限元仿真分析，得到微悬臂梁探针不同阶的扭转振动模态下固有振动频率、不同阶的挠曲振动模态下固有振动频率；根据所述扭转振动模态下固有振动频率、所述挠曲振动模态下固有振动频率和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型，计算微悬臂梁探针非接触振动状态下不同阶的扭转振动模态下摩擦力、不同阶的挠曲振动模态下正压力，得到微悬臂梁探针非接触振动状态下的摩擦系数分辨率量级。在其中一个实施例中，还包括：判断所述微悬臂梁探针的尺寸是否满足原子力显微镜的约束条件；若所述微悬臂梁探针的尺寸满足原子力显微镜的约束条件，则提取所述微悬臂梁探针的尺寸。在其中一个实施例中，若所述微悬臂梁探针为矩形微悬臂梁探针时，所述获取所需的不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，根据所述振动参数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型包括：获取矩形微悬臂梁探针的挠曲振动模态方程和扭转振动模态方程；根据所述挠曲振动模态方程和扭转振动模态方程得到矩形微悬臂梁探针的挠曲振动频率方程和扭转振动频率方程；根据所述挠曲振动频率方程、所述扭转振动频率方程和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型得到矩形微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型。在其中一个实施例中，所述不同尺寸包括矩形微悬臂梁探针的长度、宽度和厚度。在其中一个实施例中，若所述微悬臂梁探针为各向同性微悬臂梁探针时；所述获取所需的不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，根据所述振动参数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型还包括：根据各向同性材料公式和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型，得到各向同性微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型；其中，各向同性材料公式：G＝E/2(1+ν)其中，ν为微悬臂梁材料的泊松比，G为微悬臂梁材料的剪切模量，E为微悬臂梁材料的弹性模量。上述微悬臂梁探针的设计方法，通过建立非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型，再结合不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型，进一步得到满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布，并采用有限元仿真方法计算不同尺寸的微悬臂梁探针的频率特性、通过理论分析计算验证其摩擦系数分辨率。上述方法设计出的微悬臂梁探针，从理论分析和有限元仿真计算两方面验证了任意形状微悬臂梁探针设计方法的可行性和准确性，可以达到0.0001及以上摩擦系数量级，显著提高摩擦系数测量分辨率，实现了0.0001及以上量级分辨率的超低摩擦系数测量，从而保证超滑过程定量分析的真实性和可靠性。附图说明图1为一实施例的微悬臂梁探针的设计方法的流程图；图2为另一实施例的非接触状态下原子力显微镜测量系统的结构示意图；图3为一实施例提供的矩形微悬臂梁探针测量摩擦系数有限元仿真以及理论计算结果；其中，(a)为矩形微悬臂梁探针几何参数图，(b)为β与w/t关系，(c)为λj中不同j值时的振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微悬臂梁探针的设计方法，其特征在于，包括：获取非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型；获取所需的不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，根据所述振动参数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型；根据所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型计算微悬臂梁探针正压力的最大测量值或摩擦力的最小测量值，并根据原子力显微镜的可测摩擦系数分辨率，获得满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布；选取所述分布中的尺寸进行仿真分析，得到微悬臂梁探针的振动频率特性，并根据所述振动频率特性和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型得到微悬臂梁探针的摩擦系数分辨率量级；判断所述摩擦系数分辨率量级是否满足摩擦系数分辨率的预设要求，若满足预设要求，则提取满足摩擦系数分辨率量级的微悬臂梁探针的尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种微悬臂梁探针的设计方法，其特征在于，包括：获取非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型；获取所需的不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，根据所述振动参数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型；根据所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型计算微悬臂梁探针正压力的最大测量值或摩擦力的最小测量值，并根据原子力显微镜的可测摩擦系数分辨率，获得满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布；选取所述分布中的尺寸进行仿真分析，得到微悬臂梁探针的振动频率特性，并根据所述振动频率特性和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型得到微悬臂梁探针的摩擦系数分辨率量级；判断所述摩擦系数分辨率量级是否满足摩擦系数分辨率的预设要求，若满足预设要求，则提取满足摩擦系数分辨率量级的微悬臂梁探针的尺寸。2.根据权利要求1所述的微悬臂梁探针的设计方法，其特征在于，所述获取非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型包括：通过微悬臂梁探针非接触振动状态下的扭转振动模态参数和挠曲振动模态参数分别计算摩擦力和正压力；根据所述摩擦力和所述正压力的比值得到非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型。3.根据权利要求1所述的微悬臂梁探针的设计方法，其特征在于，所述获取非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型还包括：设置所述微悬臂梁探针非接触振动状态下的挠曲振动模态和扭转振动模态的不同阶数；获取不同阶数的非接触状态下微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型。4.根据权利要求1所述的微悬臂梁探针的设计方法，其特征在于，所述获取所需的不同结构特性的微悬臂梁探针的振动参数，根据所述振动参数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型建立不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型包括：获取不同结构特性的微悬臂梁探针的扭转振动模态下的扭转弹性系数和挠曲振动模态下的挠曲弹性系数；根据所述扭转弹性系数、所述挠曲弹性系数和所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型，建立所述不同结构特性的微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型。5.根据权利要求1所述的微悬臂梁探针的设计方法，其特征在于，根据所述微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型计算微悬臂梁探针正压力的最大测量值或摩擦力的最小测量值，并根据原子力显微镜的可测摩擦系数分辨率，获得满足摩擦系数分辨率要求的微悬臂梁探针的不同尺寸的分布包括：获取所述微悬臂梁探针的不同尺寸对所述正压力的最大测量值、所述摩擦力的最小测量值和所述摩擦系数分辨率的影响；提取微悬臂梁探针的不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭新峰，郭丹，江亮，师帅，雒建斌，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11