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可用于原子力显微镜的石英音叉结构优化及工艺研究

张明烨  
【摘要】:近些年来,随着原子力显微镜(AFM)技术的发展,其对显微镜测头部分的力传感器要求越来越高,而传统AFM中的硅悬臂力传感器由于品质因数低、稳定性差、检测装置复杂、探测范围有限等缺点,已经不能满足AFM对于高精度、高稳定性的进一步追求。与此同时,基于石英音叉的AFM相关研究已取得一些进展,且将石英音叉用作AFM测头的力传感器时,可以实现品质因数高、稳定性好、自激励自检测、探测范围广等功能,因此,将石英音叉作为AFM测头的力传感器是一种较为理想的选择。然而,到目前为止大部分基于石英音叉的AFM研究所用的音叉都是来自于市场上已经存在的音叉晶振,这就限制了音叉的频率和尺寸选择,而且小尺寸石英音叉的批量加工工艺尚未成熟,使得定制生产满足AFM要求的各类石英音叉变得困难。因此,本论文针对上述问题,先通过有限元仿真得到优化后的石英音叉结构,再对优化后的石英音叉进行制造,具体研究如下:1.通过对市售的石英音叉进行ANSYS有限元模态仿真分析,得到仿真结果符合实际需求,进而得出音叉有限元仿真一系列规律。基于这些规律,对石英音叉的尺寸进行调整,得到满足AFM要求的石英音叉尺寸和对应的工作频率;然后将音叉的部分结构进行优化改变,确定改变结构之后的音叉尺寸,并且对各种样式的音叉表面设置电极,最后用Auto CAD绘制出带有各种样式和各种尺寸音叉的基板版图,用来作为后续光刻掩模版版图。2.选择Z切向的石英基片作为加工材料,通过对石英音叉加工工艺进行实验摸索,确定一整套基本工艺流程,按照工艺流程进行石英音叉谐振器的制造;在进行加工工艺过程中,主要对掩模层的镀制、光刻工艺、石英湿法刻蚀工艺以及表面电极的制作进行研究,尤其是石英的湿法刻蚀工艺的研究,设计并进行了多组探究性实验,以此来对各项实验参数进行优化,最终得到侧壁相对平整、表面电极相对完好的石英音叉。


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