[发明专利]超低摩擦系数测量用异形截面悬臂梁探针设计及加工方法

摘要

本发明提供了一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的异形横截面微悬臂梁探针设计及加工方法，其设计方法是首先建立具有普适性的摩擦系数测量理论模型；再结合异形横截面微悬臂梁探针的结构特性，建立适用于异形横截面微悬臂梁探针的摩擦系数测量理论模型；在此基础上，结合摩擦系数分辨率、可加载的最大正压力或可测量的最小摩擦力以及原子力显微镜特性等约束条件，设计满足测量要求的异形横截面微悬臂梁探针。采用本发明提出的方法设计、加工出的探针，能够显著提高摩擦系数测量分辨率，实现10‑6及以上量级分辨率的超低摩擦系数测量，保证超滑过程定量分析的真实性和可靠性，为深入系统研究超滑理论和技术提供了一种重要的测量手段。

主权项

1.一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的异形横截面微悬臂梁探针设计方法，其特征在于所述探针的异形横截面微悬臂梁轴线为直线，且沿着轴线方向为等横截面，所述横截面为由若干个等壁厚矩形组合而成的异形横截面；所述探针设计方法包括以下步骤：步骤(1)建立微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型根据原子力显微镜的测量原理，通过微悬臂梁探针的扭转和弯曲来分别测量摩擦力和正压力，即FL＝KT×InvOLSL×UL              (1)FN＝KN×InvOLSN×UN              (2)式中，FL、FN分别为摩擦力、正压力；KT、KN分别为微悬臂梁探针的扭转弹性系数、法向弹性系数；InvOLSL、InvOLSN分别为横向光杠杆灵敏度的倒数、法向光杠杆灵敏度的倒数；UL、UN分别为光电探测器的横向输出电压、法向输出电压；进而建立微悬臂梁探针测量摩擦系数的普适理论模型，如下式所示：式中，μ为摩擦系数；步骤(2)建立异形横截面微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型根据光路系统的测量原理，横向光杠杆灵敏度的倒数InvOLSL、法向光杠杆灵敏度的倒数InvOLSN表示为：式中，H为光电探测器的光敏面长度，d为光路长度，l为微悬臂梁的长度，Usum为激光在光电探测器四个象限产生的总电压，αsum、αL、αN分别为光电探测器的总输出电流、横向输出电流、法向输出电流经过电流/电压转换器后的放大倍数，单位为V/A；基于薄板弹性力学和材料力学理论，异形横截面微悬臂梁探针的扭转弹性系数KT表示为：式中，为摩擦力F_L作用下异形横截面微悬臂梁探针的扭转角，G为微悬臂梁材料的剪切模量，I_t为异形横截面的扭转惯性矩，h_tip为针尖高度，e₁为异形横截面的形心到底边的距离；异形横截面微悬臂梁探针的法向弹性系数KN表示为：式中，υtip为正压力FN作用下异形横截面微悬臂梁探针的挠度，E为微悬臂梁材料的弹性模量，IxC为异形横截面对中性轴xC的惯性矩；将式(4)～(7)代入步骤(1)建立的普适理论模型(3)，计算得到异形横截面微悬臂梁探针测量摩擦系数的理论模型，如下式所示：式中，IL为光电探测器的横向输出电流，IL＝UL/αL，IN为光电探测器的法向输出电流，IN＝UN/αN；步骤(3)设计满足超低摩擦系数测量要求的异形横截面微悬臂梁探针依据步骤(2)，令μ为摩擦系数分辨率μmin，FN为可加载的最大正压力FNmax或FL为可测量的最小摩擦力FLmin，结合摩擦系数分辨率μmin、可加载的最大正压力FNmax或可测量的最小摩擦力FLmin、原子力显微镜特性约束条件，联立式(1)～(8)计算、设计出满足测量要求的异形横截面微悬臂梁探针尺寸，包括长度l、组成异形横截面的第i个分矩形的宽度wi、壁厚t。