原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法技术

一种原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，属于材料物理特性标定技术领域。本发明专利技术针对由幅频曲线计算出的探针动态性能参数存在误差的问题。包括：由探针在空气中的幅频特性曲线得到探针的共振频率和品质因子；再结合探针在自由状态下的动力学方程和简谐振动的位移方程，得到磁驱动线圈在扫频频率范围内任一频率与选定频率磁场等效驱动力的比值，从而得到磁场强度比值与驱动频率的关系曲线来修正目标探针在液体中进行恒电压振幅磁驱动扫频振动获得的幅频特性曲线，利用修正后液体中幅频特性曲线进行目标探针动态性能的精确标定。本发明专利技术用于探针动态性能的标定。本发明专利技术用于探针动态性能的标定。本发明专利技术用于探针动态性能的标定。

【技术实现步骤摘要】
原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法


[0001]本专利技术涉及原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，属于材料物理特性标定


技术介绍

[0002]探针的动态性能是通过测量其在相同驱动力不同频率下运动的幅频曲线获得的，表征探针动态性能的参数主要有共振频率和品质因子。对于磁驱探针，由于其磁驱线圈有电感，内部还含有铁芯，使得在不同驱动频率下即使施加相同幅值的驱动电压，也无法保证磁驱线圈产生的磁场强度一致，即无法对探针输出相同的等效驱动力。这种情况下，利用传统方法进行线圈扫频得到的幅频曲线计算出的探针动态性能参数，就会产生相应的误差。
[0003]目前，在空气中可以用压电陶瓷恒振幅驱动探针获得其动态性能；但在液体中，对于刚度较低的探针，由于流固耦合噪声的影响，很难获得低噪可用的扫频曲线，这给探针动态性能的标定带来了一定的困难；而探针动态性能的获得又是实现定量微纳力学测量的前提，因此现有标定方式限制了较软探针在液相下定量微纳力学测量的能力。
[0004]为了能够在液体下获得探针的动态性能，需要标定相同驱动电压幅值不同驱动频率下线圈产生磁场的对应关系，从而获得驱动力和驱动频率的关系，以便修正所获得的幅频曲线。现有磁场测量设备主要为高斯计，普通高斯计的测量频率上限为200Hz，高频高斯计的测量频率上限为30kHz，这难以满足探针的测量频域，另外，高斯计的测量头相对较大，难以测得局部小区域磁场的精细变化。

技术实现思路

[0005]针对现有磁驱探针的标定方法中，由于磁驱线圈在相同电压幅值不同驱动频率下对探针输出的等效驱动力并不相同，造成根据由此得到的幅频曲线计算出的探针动态性能参数存在误差的问题，本专利技术提供一种原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法。
[0006]本专利技术的一种原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，包括，
[0007]在空气中，通过压电陶瓷恒电压振幅驱动探针进行扫频振动，获得探针在空气中的幅频特性曲线，由所述空气中的幅频特性曲线得到探针的共振频率和品质因子；
[0008]选定参考频率；结合探针在自由状态下的动力学方程和简谐振动的位移方程，得到磁驱动线圈在扫频频率范围内任一频率与选定频率磁场等效驱动力的比值，从而获得磁驱动线圈对应于所述任一频率与选定频率的磁场强度比值与驱动频率的关系曲线；
[0009]根据所述磁场强度比值与驱动频率的关系曲线，修正目标探针在液体中进行恒电压振幅磁驱动扫频振动获得的幅频特性曲线，使在扫频范围内的不同频率点探针获得相同的等效驱动力，从而得到修正后液体中幅频特性曲线，实现目标探针的动态性能标定。
[0010]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述参考频率小于所述目标探针的共振频率。
[0011]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述探针在自由状
态下的动力学方程为：
[0012][0013]式中F为探针受到磁驱动线圈磁场作用的等效驱动力，m为探针悬臂等效到针尖处的质量，z为探针针尖的位移，ω0为探针的一阶共振频率，Q0为探针一阶模态的品质因子，k为探针的等效刚度；
[0014]其中
[0015]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述简谐振动的位移方程为：
[0016]z＝Acos(ωt
‑
φ)，
[0017]式中A为探针振动的振幅，ω为探针的驱动频率，t为时间，φ为探针振动的相位。
[0018]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述选定频率小于目标探针扫频范围的下限频率。
[0019]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，磁驱动线圈在扫频频率范围内任一频率与选定频率的比值r
F
的获得方法包括：
[0020][0021]式中F
i
为在所述任一频率ω
i
下获得的磁驱动线圈的等效驱动力，F
s
为在所述选定频率ω
s
下获得的磁驱动线圈的等效驱动力，A
i
为在所述任一频率ω
i
下探针振动的振幅，A
s
为在所述选定频率ω
s
下探针振动的振幅，为任一频率ω
i
与一阶共振频率ω0的频率比，为选定频率ω
s
与一阶共振频率ω0的频率比。
[0022]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述的表达式为：
[0023]r
ωi
＝ω
i
/ω0；
[0024]所述的表达式为：
[0025][0026]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述磁场强度比值r
B
的获得方法包括：
[0027][0028]式中B
i
为对应于任一频率ω
i
时磁驱动线圈的磁场强度，B
s
为对应于选定频率ω
s
时磁驱动线圈的磁场强度，l为磁颗粒距探针悬臂根部的等效长度，M为探针上磁性物质的等效磁矩，θ为等效磁矩M和磁场方向的夹角，其中B
i
和B
s
方向一致。
[0029]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述参考频率包括100Hz。
[0030]根据本专利技术的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，所述扫频范围内包含目标探针的共振频率。
[0031]本专利技术的有益效果：本专利技术用于微米尺度下探针的标定。本专利技术先在空气中以压电驱动的方式获得探针的幅频特性曲线；再以磁驱动方式获得探针在液体中幅频特性曲线；结合相应的动力学方程可得到磁驱动线圈在不同驱动频率下磁场强度的关系，再根据磁场强度的关系修正目标探针在液体中获得的幅频特性曲线，最后根据修正后的幅频特性曲线标定目标探针的动态性能。
[0032]本专利技术方法克服了在液体中标定探针动态性能的难点，从而为较软探针在液相下定量微纳力学测量奠定了基础。
附图说明
[0033]图1是本专利技术所述原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法的流程图；
[0034]图2是对探针进行扫频振动采用的系统结构示意图；
[0035]图3是对探针分别进行压电驱动和磁驱动得到的幅频特性曲线对比图；
[0036]图4是线圈驱动频率和磁场强度比值r
B
的关系曲线；
[0037]图5是修正前目标探针液体中幅频特性曲线图；
[0038]图6是修正后目标探针液体中幅频特性曲线图。
具体实施方式
[0039]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，其特征在于包括，在空气中，通过压电陶瓷恒电压振幅驱动探针进行扫频振动，获得探针在空气中的幅频特性曲线，由所述空气中的幅频特性曲线得到探针的共振频率和品质因子；选定参考频率；结合探针在自由状态下的动力学方程和简谐振动的位移方程，得到磁驱动线圈在扫频频率范围内任一频率与选定频率磁场等效驱动力的比值，从而获得磁驱动线圈对应于所述任一频率与选定频率的磁场强度比值与驱动频率的关系曲线；根据所述磁场强度比值与驱动频率的关系曲线，修正目标探针在液体中进行恒电压振幅磁驱动扫频振动获得的幅频特性曲线，使在扫频范围内的不同频率点探针获得相同的等效驱动力，从而得到修正后液体中幅频特性曲线，实现目标探针的动态性能标定。2.根据权利要求1所述的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，其特征在于，所述参考频率小于所述目标探针的共振频率。3.根据权利要求2所述的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，其特征在于，所述探针在自由状态下的动力学方程为：式中F为探针受到磁驱动线圈磁场作用的等效驱动力，m为探针悬臂等效到针尖处的质量，z为探针针尖的位移，ω0为探针的一阶共振频率，Q0为探针一阶模态的品质因子，k为探针的等效刚度；其中4.根据权利要求3所述的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，其特征在于，所述简谐振动的位移方程为：z＝Acos(ωt
‑
φ)，式中A为探针振动的振幅，ω为探针的驱动频率，t为时间，φ为探针振动的相位。5.根据权利要求4所述的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，其特征在于，所述选定频率小于目标探针扫频范围的下限频率。6.根据权利要求5所述的原子力显微镜中磁驱探针动态性能的标定方法，其特征在于，磁驱动线圈在扫频频率范围内任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晖，孟祥和，吴晓茉，李诗诗，张号，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：