轻敲模式下 AFM 动力学模型及能量耗散机理研究

轻敲模式下探针从远离到间歇性接触样品表面,是一个连续的能量耗散过程.针对该连续过程的能量耗散机理研究仅零星存在于各个文献之中,对于连续过程中各个阶段的能量耗散机理也没有一个系统的解释和实验验证.本文提出了新的位移激励下原子力显微镜探针-样品系统简化模型并得到了一维振子系统等效阻尼的计算方法,并通过该方法计算了探针在远离样品表面时的空气黏性阻尼和靠近样品时的空气压膜阻尼,分析了探针从远离样品到间歇性接触样品表面这一过程中的环境耗散机理变化,得到了原子力显微镜系统理论品质因数与探针工作位置的关系曲线;在此基础上设计了轻敲模式下的微悬臂梁扫频实验,得到了系统实验品质因数与探针工作位置的关系曲线,进而验证了理论模型的准确性. 本文通过对轻敲模式下AFM环境耗散机理进行理论分析和实验验证,希望可以对轻敲模式下AFM动力学特性及其阻尼作用机理有更近一步的认识,同时对微纳米机电系统 (MEMS/NEMS) 能量耗散机理的研究提供理论参考和实验方法.      

STUDY ON A DYNAMICS MODEL OF TAPPING MODE AFM AND ENERGY DISSIPATION MECHANISM$^{\bf 1)}$

轻敲模式下探针从远离到间歇性接触样品表面,是一个连续的能量耗散过程.针对该连续过程的能量耗散机理研究仅零星存在于各个文献之中,对于连续过程中各个阶段的能量耗散机理也没有一个系统的解释和实验验证.本文提出了新的位移激励下原子力显微镜探针-样品系统简化模型并得到了一维振子系统等效阻尼的计算方法,并通过该方法计算了探针在远离样品表面时的空气黏性阻尼和靠近样品时的空气压膜阻尼,分析了探针从远离样品到间歇性接触样品表面这一过程中的环境耗散机理变化,得到了原子力显微镜系统理论品质因数与探针工作位置的关系曲线;在此基础上设计了轻敲模式下的微悬臂梁扫频实验,得到了系统实验品质因数与探针工作位置的关系曲线,进而验证了理论模型的准确性. 本文通过对轻敲模式下AFM环境耗散机理进行理论分析和实验验证,希望可以对轻敲模式下AFM动力学特性及其阻尼作用机理有更近一步的认识,同时对微纳米机电系统 (MEMS/NEMS) 能量耗散机理的研究提供理论参考和实验方法.     

ENERGY DISSIPATION IN TAPPING MODE ATOMIC FORCE MICROSCOPY

原子力显微镜有多种成像模式,其中轻敲模式是最为常用的扫描方式.轻敲模式能获取样品表面形貌的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,如能反映样品的表面能、弹性、亲疏水性等.依据振动力学理论,相位与振动系统的能量耗散有关.探针样品间的能量耗散对于理解轻敲模式下原子力显微镜的成像机理至关重要,样品特性和测量环境会影响能量耗散.本文在不考虑毛细力影响下,基于JKR接触模型,给出了探针样品相互作用下的加卸载曲线,结合原子力显微镜力曲线实验,给出了探针-样品分离失稳点的位置,从而计算一个完整接触分离过程的能量耗散,进而讨论考虑表面粗糙度对能量耗散的影响.在轻敲模式下考虑毛细力影响,通过特征时间对比,证明挤出效应是液桥生成的主导因素,在等容条件下,用数值方法计算了不同相对湿度对能量耗散的影响.通过一维振子模型,简要说明原子力显微镜相位像与样品表面能、杨氏模量、表面粗糙度、相对湿度之间的关系.分析表明,表面粗糙度和环境湿度均会引起相位的变化,进而认为它们是引起赝像的因素.     

轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散

原子力显微镜有多种成像模式,其中轻敲模式是最为常用的扫描方式.轻敲模式能获取样品表面形貌的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,如能反映样品的表面能、弹性、亲疏水性等.依据振动力学理论,相位与振动系统的能量耗散有关.探针样品间的能量耗散对于理解轻敲模式下原子力显微镜的成像机理至关重要,样品特性和测量环境会影响能量耗散.本文在不考虑毛细力影响下,基于JKR接触模型,给出了探针样品相互作用下的加卸载曲线,结合原子力显微镜力曲线实验,给出了探针-样品分离失稳点的位置,从而计算一个完整接触分离过程的能量耗散,进而讨论考虑表面粗糙度对能量耗散的影响.在轻敲模式下考虑毛细力影响,通过特征时间对比,证明挤出效应是液桥生成的主导因素,在等容条件下,用数值方法计算了不同相对湿度对能量耗散的影响.通过一维振子模型,简要说明原子力显微镜相位像与样品表面能、杨氏模量、表面粗糙度、相对湿度之间的关系.分析表明,表面粗糙度和环境湿度均会引起相位的变化,进而认为它们是引起赝像的因素.     

光热激励下微悬臂梁在流体中的振动研究

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.      

STUDY ON THE VIBRATION OF MICROCANTILEVERS IMMERSED IN FLUIDS UNDER PHOTOTHERMAL EXCITATION

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.     

原子力显微镜探针振动的简化模型分析

为对原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)的微悬臂梁进行定性动力学特性分析,建立AFM微悬臂梁的简化模型,探讨AFM探针的受迫振动.通过理论计算得出AFM探针简化模型的运动方程,并得到振动波形,证明了AFM实际应用中的对称问题和"频漂"问题,并发现AFM简化模型的间歇式碰撞现象.用负弹簧模拟探针针尖与样品之间的长程引力,并通过理论计算探讨长程引力对AFM测量的影响.     

基于离散单元法的颗粒阻尼耗能减振特性研究

采用离散单元法并从能量耗散的角度研究颗粒阻尼对系统减振特性的影响。建立了颗粒介质细观下的法向、切向和滚动方向的粘弹性接触模型和能量耗散模型,通过冲击激励和简谐激励下系统振动响应的多参数能量耗散分析来研究颗粒阻尼的耗能机理和减振特性。数值试验表明,颗粒介质可以在一个较宽的振动幅值范围内有效的发挥其阻尼效应,其耗能具有阶梯状周期性的特点。填充率是影响颗粒阻尼耗能减振效果的主要工程可控参数并对系统共振频率产生重大影响,当填充率接近极值时,系统出现无阻尼共振及共振频率超出无颗粒系统固有频率的现象。系统在最优填充率下共振时,颗粒与箱体保持恒定相位差的超振幅稳态运动。较小粒径的颗粒可以提高能量耗散率并使振动系统更快趋向静平衡状态,而恢复系数和摩擦系数则对法向和切向耗能的比值有较大影响。     

粗糙表面的黏着试验研究

在微机械电子系统中,表面粗糙峰的几何特征、尺寸以及形状等对表面黏着以及摩擦特性有重要作用.为了研究粗糙度对黏着力的影响,首先用KOH溶液腐蚀硅片,得到8个粗糙度不同的样品.使用原子力显微镜(AFM)来测量样品的黏着力.分别使用两种探针来模拟不同的接触几何,第一种探针针尖为一个2μm左右的平台,另一种探针为尖探针.试验分别在干燥的手套箱内以及在空气中进行.在样品表面随机选取15个测量点,每个点测量50次,然后根据计算值,确定平面的平均黏着力以及标准差.并与Robinovich模型的计算结果作比较.结果显示:当粗糙度较小的时候,随着粗糙度增大,黏着力下降很快,这与Robinovich模型变化趋势较吻合;当粗糙度较大时,随着粗糙度增大黏着力略有增加,但不是很明显,与Robinovich模型相差较大.     

THE DISSIPATION ENERGY IN TAPPING MODE OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE DUE TO LIQUID BRIDGE

轻敲模式下的相位像反映的是探针样品间接触分离过程的能量耗散, 大气环境下的能量耗散主要由液桥引起. 因此为理解成像机理, 本文分析轻敲模式下液桥的形成和破碎的动力学过程, 得到此种模式下的耗散能.     

多体系统碰撞动力学中接触力模型的研究进展

接触碰撞行为作为大自然与多体系统中的常见现象,其接触力模型对于多体系统的碰撞行为机理研究与性能预测至关重要.静态弹塑性接触模型与考虑能量耗散的连续接触力模型是研究接触碰撞行为的两类不同方法,在多体系统碰撞动力学中存在诸多共性与差异.本文分别从上述两类接触模型的发展历程入手,详细介绍了两类模型的区别与联系.首先,根据阻尼项分母中是否含有初始碰撞速度将连续接触力模型分为黏性接触力模型与迟滞接触力模型,讨论了能量指数与Hertz接触刚度之间的关系,阐述了现有连续接触力模型在计算弹塑性材料接触碰撞行为时存在的问题.其次,着重介绍了分段连续的准静态弹塑性接触力模型(可连续从完全弹性转换到完全塑性接触阶段),分析了利用此类弹塑性接触力模型计算碰撞行为的技术特点.同时,以恢复系数为桥梁和借助线性化的弹塑性接触刚度,避免了Hertz刚度对弹塑性接触刚度的计算误差,根据碰撞前后多体系统的能量与动能守恒推导了弹塑性接触模型等效的迟滞阻尼因子.探索了连续接触力模型与准静态弹塑性接触力模型之间的内在联系,数值计算结果定量说明了人为阻尼项代表的能量耗散与弹塑性接触力模型中加卸载路径代表的能量耗散具有等效性.另外...     

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运用分段线性系统分析理论,研究了间隙约束的悬臂梁振动系统在简谐激励 下系统稳态响应的动力学行为. 首先建立了间隙约束悬臂梁系统的动态响应分析模型,以传 递函数为基础,推导出系统的动力学分析方程及其求解方法. 然后对系统进行了数值求解分 析,得到了该系统稳态响应随激励幅值、激励频率、间隙接触刚度和阻尼变化的一般规律.     

原子力显微镜形貌测量偏差的机理分析及修正方法

采用原子力显微镜测量样品表面形貌时, 针尖与样品间的相互作用力会使样品表面不同力学性质的区域变形量不同, 从而使得形貌测量结果产生偏差. 首先研究了引起形貌测量偏差的机理, 进一步通过数值计算发现通过引入高频信号与低频信号叠加作为新的形貌测量信号可以近似避免这一类形貌测量偏差. 但是对于普通的矩形截面悬臂梁提取高阶信号是比较困难的, 通过外加弹簧的结构设计来调节悬臂梁各阶本征频率相对值, 使得在实验测量过程中可以较方便地提取悬臂梁振动的高频信号.      

具有组合非线性阻尼的非线性能量阱振动抑制响应分析

非线性能量阱是一种振动能量吸收装置,其在结构振动抑制中具有十分重要的作用.文章对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行振动抑制相关的分析.首先对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行理论模型的描述,对系统模型的运动方程利用复变量平均法进行推导,得到系统的慢变方程.其次对系统的慢变方程运用多尺度法进行强调制响应的分析,通过对系统进行慢不变流形和相轨迹的研究,描述系统强调制响应发生的条件基础.此外,还利用一维映射对系统进行分析,揭示外激励幅值对强调制响应存在时频率失谐系数取值区间的影响规律.最后利用能量谱、时间响应和庞加莱映射对耦合组合非线性阻尼非线性能量阱系统进行了振动抑制的相关研究,揭示组合非线性阻尼的非线性能量阱不同阻尼比、阻尼和刚度对其振动抑制效果的影响规律,得出组合非线性阻尼非线性能量阱和主结构响应存在一致性的现象,并验证所提出的组合非线性阻尼非线性能量阱模型具有较好的振动抑制能力.     

考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.     

基于能量传递规律的海洋立管涡激振动抑制研究

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要因素, 抑制振动能够保障结构安全, 延长使用寿命. 多数涡激振动抑制方法基于干扰流场的方式, 但在复杂环境条件下, 仅通过干扰流场对振动的抑制效果有限. 因此, 从结构层面考虑开展了海洋立管涡激振动抑制研究. 基于能量传递的理论, 阐述了立管涡激振动过程中的能量传递规律. 振动能量以行波形式由能量输入区传播至能量耗散区, 主要在能量耗散区被消耗. 通过局部增大能量耗散区的阻尼, 增加振动能量在传播过程中的消耗, 实现涡激振动抑制. 为了求解立管涡激振动响应, 构建了尾流振子预报模型, 并根据实验结果验证了理论模型的可靠性. 基于理论计算得到的能量系数, 判定立管涡激振动的能量输入区和能量耗散区. 通过对比立管增大阻尼前后的响应, 分析了涡激振动抑制效果. 研究结果表明: 在能量输入区增大阻尼对涡激振动的抑制效果并不显著; 在能量耗散区增大阻尼使能量衰减系数达到临界值之后, 能够显著降低立管上部和底部的涡激振动位移; 当能量衰减系数超过临界值后, 继续增大耗散区阻尼对涡激振动抑制效果的提升不明显.      

用地面模拟试验识别卫星太阳电池翼伸展运动的各种阻尼参数

本文利用Lagnrange方程建立了卫星太阳电池翼伸展运动的数学模型.这是一个包含摩擦阻尼、结构阻尼和空气阻尼参数的非线性微分方程组.在用气垫消除了重力影响但存在空气阻尼的地面环境中,对实尺太阳电池翼模型进行了伸展运动的模拟试验并用频闪摄影技术记录了运动的时间历程.再利用最小p乘优化方法识别出该系统的各个阻尼参数.通过对系统运动方程进行数值积分求得的太阳电池翼的伸展运动历程与实测值相当吻合.取空气阻尼等于零,得出了太阳电池翼在无空气阻尼的太空中的伸展运动规律.     

等离子体沉积碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦性能研究

利用原子力显微镜研究了感应等离子体刻蚀加工过程中单晶硅表面形成的不同厚度的碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦特性，并针对几种不同的摩擦模式探讨了原子力显微镜探针在不同厚度的碳氟聚合物薄膜表面的摩擦行为．结果表明，同硅基体相比，聚合物薄膜的摩擦力信号明显较弱，薄膜的纳米摩擦特性同其厚度密切相关；碳氟聚合物薄膜在同Si3N4针尖接触过程中可向针尖表面转移，从而对针尖起修饰作用，以减轻微观摩擦磨损．     

参数激励下静电驱动微机电系统动力特性研究

充分考虑压膜阻尼效应的影响,提出参数激励下时变电容式静电驱动微机电系统的动力学模型,采用谐波平衡法分析在参数激励和强迫激励耦合作用下系统的幅频响应特性,探讨不同控制电压和频率比对系统幅频响应的影响,分别以交流电压幅值、频率比和压膜阻尼比为控制参数研究系统的非线性动力特性,结果表明,微尺度下静电驱动微机电系统在参数激励作用下存在较为丰富的分岔与混沌行为,压膜阻尼效应对系统动力特性的影响不可忽视.      

基于六参数非均匀密度函数的伊万模型研究

伊万模型(Iwan model) 常用于描述连接的能量耗散和阻尼特性,来研究连接结构的非线性静动力学行为.本文提出了一个含截断幂律分布和双脉冲的非均匀密度函数的六参数伊万模型, 推导出六参数伊万模型的骨线方程,微、宏观滑移情况下的卸载方程和能量耗散的解析表达式,并讨论了模型参数对能量耗散的影响. 与已有的伊万模型相比,六参数伊万模型能够更好地描述连接结构的实验现象.