[发明专利]在原子力显微镜上标定微悬臂梁弹性常数的溯源方法

摘要

本发明提供一种原子力显微镜微悬臂梁弹性常数热噪声标定法的溯源方法，所述溯源方法是在原子力显微镜上通过微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置进行标定的，该方法步骤包括有微悬臂梁弹性常数范围的区间划分、微悬臂梁实物基准、溯源实验方法、溯源修正因子的计算公式以及原子力显微镜上标定任意一个微悬臂梁弹性常数的热噪声法的计算公式。本发明的效果是实现了在原子力显微镜上标定微悬臂梁弹性常数的热噪声法的量值与国际单位SI的溯源，保证原子力显微镜上微悬臂梁弹性常数的标定和力值测量的准确度，从而使得不同实验室利用原子力显微镜进行微悬臂梁弹性常数标定、微力测量或者微力加载实验时数据的统一性、可靠性和可比性。

主权项

一种原子力显微镜微悬臂梁弹性常数热噪声标定法的溯源方法，所述溯源方法是在原子力显微镜上通过微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置进行标定的，该方法包括有微悬臂梁弹性常数范围的区间划分、微悬臂梁实物基准、溯源实验方法、溯源修正因子的计算公式以及原子力显微镜上标定任意一个微悬臂梁的弹性常数的热噪声法的计算公式：1)所述的微悬臂梁弹性常数范围的区间划分，把原子力显微镜上常用微悬臂梁弹性常数量值范围划分为五个区间，即，用S1表示的区间一为：0.001～0.0099N/m；用S2表示的区间二为：0.01～0.099N/m；用S3表示的区间三为：0.1～0.99N/m；用S4表示的区间四为：1.0/m～9.9N/m；用S5表示的区间五为：10.0～99.9N/m；2)所述的微悬臂梁实物基准，微悬臂梁实物基准包括一组共五个微悬臂梁实物基准，分别用于所述五个区间内原子力显微镜上用热噪声法标定弹性常数时的量值传递，将所述五个微悬臂梁实物基准用符号记为Ci，i＝a，b，c，d，e；所述微悬臂梁实物基准均包括用微纳加工得到的梁和基体两部分，对应于上述五个弹性常数区间；所述的五个微悬臂梁实物基准的弹性常数的设计值用符号记为Ki，i＝a，b，c，d，e，微悬臂梁实物基准Ca的弹性常数设计值Ka为0.005±10％N/m，微悬臂梁实物基准Cb的弹性常数设计值Kb为0.05±10％N/m，微悬臂梁实物基准Cc的弹性常数设计值Kc为0.5±10％N/m，微悬臂梁实物基准Kd的弹性常数设计值kd为5.0±10％N/m；微悬臂梁实物基准Ce的弹性常数设计值Ke为50.0±10％N/m；而在量值传递过程中，每个微悬臂梁实物基准用于将实物基准本身的量值传递到原子力显微镜上，过程是，在所述的微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置上，标定所得到的微悬臂梁实物基准的结果作为准确值，再用该微悬臂梁实物基准去校对原子力显微镜，并得到溯源修正因子和原子力显微镜上标定任意一个微悬臂梁弹性常数的热噪声法的计算公式；3)所述的微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置上的多次测量结果的算术平均值作为实际的微悬臂梁弹性常数溯源值，在每个微悬臂梁实物基准上用微纳加工技术制作出两种标识，用于实物基准在安装和溯源标定实验时的定位参考，以减小在量值传递过程中由于安装定位和激光光斑定位不准带来的不确定度：一种为加工在微悬臂梁基体的上表面上的边线带刻度的矩形标识，用于安装实物基准时与原子力显微镜的定位参考，在安装时参考矩形的任意两条边线，使得原子力显微镜上的装夹装置的参考边线与所述基体上的矩形标识的参考边线分别对齐；另一种为加工在梁的自由端上表面上的带十字的圆形标识和刻度尺，带十字的圆形标识用于实物基准在量值传递实验过程中激光光斑的定位参考，调试过程中，使得测量光束的光斑中心位于带十字的圆形标识的交叉点；而刻度尺则标识出带十字的圆形标识与梁的起点，即梁与基体相连接位置的绝对长度，这个长度就是该实物基准的有效长度；将原子力显微镜上的微悬臂梁弹性常数的热噪声标定法溯源到国际单位制，需要计算出第i个微悬臂梁实物基准所对应弹性常数区间的溯源修正因子，该因子用βi表示，i对应于微悬臂梁的序号，即i＝a，b，c，d，e；并进一步通过βi建立基于原子力显微镜标定任意微悬臂梁的弹性常数的公式；所述的热噪声所述的溯源实验方法包括两个步骤：第一步：将每个弹性常数区间所对应的微悬臂梁实物基准，在弹性常数溯源装置上用静态加载模式标定所述五个微悬臂梁实物基准Ci的弹性常数，根据加载过程中微悬臂梁实物基准的力－位移曲线，采用最小二乘法将其拟合为一条直线，则此直线的斜率就是通过本步骤测量得到的微悬臂梁的弹性常数值，通过多次测量取平均值的方法获得弹性常数的溯源值，记为则就是溯源到国际单位的微悬臂梁的弹性常数值；第二步，对每一个微悬臂梁实物基准在原子力显微镜上用热噪声法测量弹性常数，采取多次测量取平均值的方法获得原子力显微镜上的测量值，记为根据所述的溯源实验方法的两个步骤分别得到的所述的和用来计算所述的溯源修正因子；所述的第i个微悬臂梁实物基准所对应弹性常数区间的溯源修正因子βi的计算公式为：所述的微悬臂梁弹性常数的计算公式，基于热噪声法在原子力显微镜上标定任意一个微悬臂梁弹性常数的计算公式为：k=βiχkBTγA0frQ]]>式中，k是任意一个被测微悬臂梁的弹性常数，βi是第i个微悬臂梁所对应的弹性常数区间的溯源修正因子，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，χ是弯曲模态修正因子，γ是光杠杆修正因子，A0、fr、Q分别是微梁热噪声谱一阶振动谐振峰的归一化幅值、谐振频率、品质因数。