在原子力显微镜上标定微悬臂梁弹性常数的溯源方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(10)申请公布号CN104793019A
(43)申请公布日2015.07.22

(21)申请号CN201410022927.5

(22)申请日2014.01.18

(71)申请人天津大学
地址300072天津市南开区卫津路92号

(72)发明人李艳宁魏亚旭吴森刘璐汪维忠胡晓东傅星多伦雷丹特胡小唐

(74)专利代理机构天津才智专利商标代理有限公司

代理人吕志英

(51)Int.CI

权利要求说明书说明书幅图

(54)发明名称
在原子力显微镜上标定微悬臂梁弹
性常数的溯源方法

(57)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。

法律状态

法律状态公告日法律状态信息法律状态

权利要求说明书

1.一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，区间一：0.001～0.0099

N/m；区间二：0.01～0.099N/m；区间三：0.1～0.99N/m；区间四：
1.0/m～9.9N/m；区间五：10.0～99.9N/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用符号记为

C_i，i=a，b，c，d，e的弹性常数区间；所述微悬臂梁
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弹性常数的设计值分别为

C_a：0.005±10%N/m、C_b：0.05±10%N/m、C_c：
0.5±10%N/m、C_d：5.0±10%N/m、C_e：
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，需要计算出所述的微悬臂梁实物基准的溯源修正因子，用
β_i表示，i对应于微悬臂梁的序号，即i=a，b，c，d，
e；并进一步通过溯源修正因子β_i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