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一种新的大行程垂直纳米运动工作台设计与控制研究

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计量学报 2024年第3期45卷 318-324页

作者：张帆黄强先程荣俊张连生李红莉李瑞君合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室安徽合肥230009

在大行程高精度垂直运动中,工作台的设计及稳定控制是关键因素。因此设计一种新型的具有平衡机构的工作台,以实现垂直方向上大行程纳米稳定运动。所研究工作台采用N331压电直线电机独立驱动,通过空气静态导轨悬浮,设计Z轴平衡系统降低... 详细信息

在大行程高精度垂直运动中,工作台的设计及稳定控制是关键因素。因此设计一种新型的具有平衡机构的工作台,以实现垂直方向上大行程纳米稳定运动。所研究工作台采用N331压电直线电机独立驱动,通过空气静态导轨悬浮,设计Z轴平衡系统降低垂直向电机驱动负载。利用步进控制方式完成大行程驱动,模拟方式实现微位移精密驱动控制。所提出的驱动与控制策略,可实现100 mm垂直方向上高精度快速精密驱动。另Z向也可实现纳米步进模式与模拟模式的复合控制。在全行程100 mm的范围内定位波动可限制在±9 nm内。通过验证实验,本运动工作台可适用于微纳米三坐标测量机、微光刻和微加工应用的驱动与控制任务。

关键词：几何量计量纳米运动工作台垂直运动大行程纳米步进模拟模式

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压电微音叉扫描探针显微镜测头研究

仪器仪表学报 2007年第1期28卷 74-79页

作者：黄强先合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009

压电微音叉具有良好的谐振特性,并易于实现其振动的检测。利用这些特性,与钨探针结合,构成了一种新型的表面轮廓扫描测头。该新型测头与X-Y压电工作台结合,采用与TM-AFM相同的工作原理,构成了扫描探针显微镜。介绍了压电微音叉扫描测头... 详细信息

压电微音叉具有良好的谐振特性,并易于实现其振动的检测。利用这些特性,与钨探针结合,构成了一种新型的表面轮廓扫描测头。该新型测头与X-Y压电工作台结合,采用与TM-AFM相同的工作原理,构成了扫描探针显微镜。介绍了压电微音叉扫描测头的构成、工作原理及主要特性,给出了所构成的扫描探针显微镜测量系统。通过实验及其结果,证明了新型测头具有高垂直分辨率、低破坏力等优点。除此之外,由于采用了有效长度大的钨探针,使大台阶微观表面的测量成为可能。

关键词：压电微音叉扫描探针扫描探针显微镜

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多模态原子力显微镜的空气压膜阻尼效应

光学精密工程 2022年第19期30卷 2362-2369页

作者：赵阳黄强先安徽建筑大学电子与信息工程学院安徽合肥230601 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009

原子力显微镜处于轻敲模式工作于大气环境时,由于悬臂和被测试样间的距离很小,悬臂的振动会产生相应的压膜阻尼,影响悬臂的动态特性。基于欧拉-伯努利梁方程对悬臂梁进行建模,结合雷诺方程建立悬臂阻尼作用的分析模型,研究悬臂压膜阻尼... 详细信息

原子力显微镜处于轻敲模式工作于大气环境时,由于悬臂和被测试样间的距离很小,悬臂的振动会产生相应的压膜阻尼,影响悬臂的动态特性。基于欧拉-伯努利梁方程对悬臂梁进行建模,结合雷诺方程建立悬臂阻尼作用的分析模型,研究悬臂压膜阻尼效应的主要影响因素,分析不同谐振模态下压膜阻尼效应对悬臂阻尼系数、动态原子力显微镜的测量特性的影响,并基于多模态原子力显微镜进行了实验和测试。理论及实验结果表明,空气压膜阻尼对于基础谐振模态原子力显微镜的测量特性有一定的影响,在悬臂试样20~2μm逼近过程中,悬臂品质因数明显降低,两种悬臂振幅分别减少了7.8%和20.6%,悬臂宽度增大则受到的压膜阻尼影响也增加;相同实验条件下,二阶谐振模态下的悬臂品质因数和振幅均没有明显变化。在基础谐振模态下压膜阻尼效应会引起微悬臂品质因数的降低,从而导致原子力显微镜测量分辨率的减小和测量速度的降低;多模态原子力显微镜的高阶谐振模态可显著降低空气压膜阻尼效应对悬臂品质因数及测量特性的影响。

关键词：原子力显微镜压膜阻尼品质因数高阶谐振

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基于电化学研磨的SPM钨探针制备方法研究

仪器仪表学报 2005年第3期26卷 258-263,266页

作者：黄强先高桥健初泽毅合肥工业大学仪器仪表学院合肥230009 东京工业大学精密工学研究所

钨探针是扫描隧道显微镜(STM)常用探针之一。为了将钨探针应用于扫描探针显微镜(SPM),根据钨探针的受力,通过理论分析确定了钨探针的理想轮廓:钨探针的直径变化应具有指数曲线。为了获得指数曲线轮廓、尖锐测头等良好特性的钨探针,分... 详细信息

钨探针是扫描隧道显微镜(STM)常用探针之一。为了将钨探针应用于扫描探针显微镜(SPM),根据钨探针的受力,通过理论分析确定了钨探针的理想轮廓:钨探针的直径变化应具有指数曲线。为了获得指数曲线轮廓、尖锐测头等良好特性的钨探针,分别提出并研究了改进的钨探针液面直流电化学研磨法和薄膜直流电化学研磨法。通过这两种电化学研磨法获得的探针以及通过传统的交流电化学研磨法获得的钨探针,分别在探针的形状、探针尖端曲率半径、表面质量、研磨速度、可复现性等多个方面进行了观察和比较。通过实验发现,除了研磨速度外,改进的液面直流电化学研磨法和薄膜直流电化学研磨法在其他各方面都优于交流电化学研磨法。

关键词：探针制备指数曲线研磨法观察直流电方法研究实验电化学薄膜液面

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表层残余应力对轴径热变形误差计算的影响

仪器仪表学报 2006年第Z2期27卷 1272-1273,1276页

作者：黄强先费业泰胡鹏浩合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009

在机械零件几何量精密测量中,传统上由温度引起的热变形误差大多数情况下需要修正(是基于材料线膨胀公式计算的)。然而,对于由机械加工获得的金属机械零件,必须考虑零件内存在的残余应力对热变形误差的影响。基于轴类零件,对表层残余应... 详细信息

在机械零件几何量精密测量中,传统上由温度引起的热变形误差大多数情况下需要修正(是基于材料线膨胀公式计算的)。然而,对于由机械加工获得的金属机械零件,必须考虑零件内存在的残余应力对热变形误差的影响。基于轴类零件,对表层残余应力引起的径向热变形误差计算进行了理论分析,其结果对径向热变形的精确计算具有重要意义。

关键词：表层残余应力热变形误差修正

用计量型AFM对一维纳米基准栅的标定及不确定度估计

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中国机械工程 2012年第5期23卷 531-536页

作者：黄强先袁丹尤焕杰合肥工业大学合肥230009

利用轻敲模式的计量型AFM对公称栅距为240nm一维基准样板进行了标定,在充分分析AFM的结构和特性、测量过程、数据处理的基础上,得到了基准栅的平均栅距估计值和扩展不确定度。通过全面的不确定度分析,估计值的扩展不确定度达到了亚纳米... 详细信息

利用轻敲模式的计量型AFM对公称栅距为240nm一维基准样板进行了标定,在充分分析AFM的结构和特性、测量过程、数据处理的基础上,得到了基准栅的平均栅距估计值和扩展不确定度。通过全面的不确定度分析,估计值的扩展不确定度达到了亚纳米量级。该不确定度分析表明,对于纳米量级测量,不确定度估计不仅需要全面掌握测量仪器、测量过程中各种测量不确定因素的影响,还需要考虑和估计常规测量过程中可以忽略的二次误差的影响。

关键词：一维基准栅计量型原子力显微镜纳米计量不确定估计

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表面轮廓测定用扫描探针测头研究

机械工程学报 2005年第8期41卷 213-217页

作者：黄强先高桥健初泽毅合肥工业大学仪器仪表学院合肥230009 东京工业大学精密工学研究所

利用压电聚偏氟乙烯(PVDF,Polyvinilidene fluoride)薄膜和压电微音叉(Micro-fork),分别与钨探针结合,构成了三种新型的表面轮廓扫描测头。该新型测头与x-y压电工作台结合,采用与TM-AFM(Tapping mode atomic force microscope)相同的工... 详细信息

利用压电聚偏氟乙烯(PVDF,Polyvinilidene fluoride)薄膜和压电微音叉(Micro-fork),分别与钨探针结合,构成了三种新型的表面轮廓扫描测头。该新型测头与x-y压电工作台结合,采用与TM-AFM(Tapping mode atomic force microscope)相同的工作原理,构成了扫描探针显微镜。分别介绍了这些测头的构成及特点,给出了所构成测量系统所获得的试验结果,证明了这几种新型扫描测头的有效性。

关键词：聚偏氟乙烯微音叉扫描探针测头扫描探针显微镜

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具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台

光学精密工程 2013年第7期21卷 1811-1817页

作者：张昔峰黄强先袁钰黄帅合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009

基于宏微组合驱动方式,提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差。首先,从原理上对设计方案进行了论证。该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统... 详细信息

基于宏微组合驱动方式,提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差。首先,从原理上对设计方案进行了论证。该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统构成闭环控制,并基于压电陶瓷致动器及柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行直线定位误差及角度误差的综合补偿。然后,基于设计方案设计了宏动工作台及微动工作台的结构。最后,对安装调试后的宏微工作台系统进行了直线组合定位测试及角度误差修正测试。实验结果表明,该工作台系统的宏动行程达到了200mm×200mm;在闭环控制下,通过六自由度微动工作台的补偿作用可使各角度偏差由上百秒降至10″以内,由此工作台系统在全行程内的直线定位误差可由3μm降至25nm以内。实验结果验证了提出的组合定位系统的有效性。

关键词：六自由度工作台宏微二级驱动纳米定位角度误差补偿

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基于高阶谐振悬臂的动态原子力显微镜的研制

低温与超导 2014年第5期42卷 88-92页

作者：赵阳黄强先合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009 安徽建筑大学电子与信息工程学院合肥230601

动态原子力显微镜微悬臂为无限自由度系统,具有多个谐振模态的振动特性。微悬臂的工作振动频率是影响动态原子力显微镜系统的测量特性的关键参数之一,为了提高微悬臂的谐振频率,结合悬臂的高阶谐振特性,研制了基于高阶谐振悬臂的轻敲式... 详细信息

动态原子力显微镜微悬臂为无限自由度系统,具有多个谐振模态的振动特性。微悬臂的工作振动频率是影响动态原子力显微镜系统的测量特性的关键参数之一,为了提高微悬臂的谐振频率,结合悬臂的高阶谐振特性,研制了基于高阶谐振悬臂的轻敲式动态原子力显微镜,可实现对微观表面的测量,并且明显改善了动态原子力显微镜系统的测量灵敏度、测量速度等测量特性。

关键词：高阶谐振轻敲模式幅值反馈控制动态原子力显微镜