基于石英晶振的简易扫描探针系统力学测量模块的研究(4)
后来，便有试验者产生了将石英晶振作为微力传感器的想法。石英音叉是将两个尖头叉子的一端连接在一起，晶振作为谐振器的谐振频率是由材料的性质及其几何形状决定，虽然每个单独的叉子有着确定的共振频率，可以作为谐振器,但两个尖头叉子组合的对称性使之具有更高的品质因数Q[23]。1989年，由P. Gunther为首的几位科学家将音叉式石英晶振的其中一个叉子的尖端作为探针针尖，在晶振不断接近试样表面时，发现随着探针针尖与试样表面之间距离变化，石英晶振振动的振幅和相位都会随之发生改变，因此利用石英晶振，将其作为传感器来测量探针的针尖与试样之间的长度，得到试样材料表面的微观样貌[24]。后来，又有科学家对此进行了进一步的研究，使用石英晶振作为传感器的分辨率得到了逐渐的提高。
综上所述，由于石英晶振十分易于获得，可以直接作为微悬臂，无需再进行刻蚀微加工，且成本较低，同时石英晶振的性能优越，能够显著提高Q值，所以使用石英晶振作为微力传感器是很好的方法，也是很佳的研究方向，在进一步研究之后，很有可能得到分辨率更佳、成本更低廉的显微镜。
1.3 本文研究的主要内容及意义
由于在纳米尺度内实现对纳米材料、结构的形貌、力学、热学等多物理参数的精确测量在焊接材料科学技术中有着重要的意义。为了克服使用微悬臂的扫描探针显微镜的一些弊端，本课题首先理论上分析石英晶振的动态过程，研究石英晶振力学传感器的性能。其次采用高品质因数的石英晶振作为纳米尺度超高灵敏度的力学测量传感器，利用锁相放大器、PID反馈技术，实现探针与试样间距离的稳定控制，并利用电动纳米位移台实现纳米尺度内进行石英光纤探针对试样的扫描，为焊接件纳米结构的形貌以及其他物性测量提供基础。为进一步发展高精度、高可靠性的微纳精密测量与操控，最终设计并制作基于石英晶振的测量焊接件纳米结构的超灵敏力学传感器（力学探测极限10pN）提供理论和试验指导。主要内容为：
（1）理论分析石英晶振力学传感器的性能；
（2）设计石英晶振传感器的前置放大器并完成制作，对微小信号进行放大，放大倍数达到100M；
（3）利用锁相放大器实现石英晶振传感器振幅与相位信息的自动提取；
（4）学习PID反馈技术，以实现探针与试样之间高度方向上距离的控制；
（5）利用LabVIEW编程，控制纳米位移台的运动，从而实现探针在试样表面的扫描。
2 石英晶振微力传感器的设计与制作
扫描探针显微镜系统主要由扫描、控制、数据处理三个部分组成（如图2.1所示），扫描部分主要是纳米位移台，控制部分主要为前置电路、PID反馈系统、软件控制系统，数据处理主要是数据采集系统和图像处理系统。
图2.1 扫描探针显微镜系统框图
2.1 石英晶振的原理分析
2.1.1 石英晶振的物理特性
试验中使用的石英晶振是由石英晶体、电极、基座、壳体等部分组成的振荡系统，利用的是石英压电材料所具有的压电效应的原理。石英晶振的外观如同一个高度为约8毫米、直径约3毫米的金属缸。石英晶振的封装外壳可以通过用镊子夹紧外壳的底部来打开，去除封装后的扫描电子显微镜图像如图2.2所示[25]。晶体是指原子、分子、或离子按一定规则在空间中重复排列的固体，晶体都具有自然振动频率，频率的大小取决于晶体的尺寸、形状、弹性和以晶体为介质的音速。在温度发生变化时，石英晶体的弹性系数与尺寸变化很微小，因而其振荡的共振频率很稳定。同时，由于石英晶体的刚度高，因而其弹性振动时的损耗很小，所以在真空条件、32.768kHz的基础频率下品质因数Q值很高，可以达到数万。
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