表面力测量仪的小型化设计

论文总字数：27749字

摘 要

表面力仪是用来测量两表面间作用力的一套装置，由J Israelachvili等人发明。凭借所具有的超高分辨率及实用性，表面力仪被广泛应用于纳尺度研究领域之中。为了进一步拓展该设备的应用场合，本文以现有的SFA 2000系统为基础，对其结构部分进行重新设计，使其与其它光学系统进行集成成为可能。本设计要实现在较小的空间中实现样品位移的三级调节，粗级调节用于快速进给装夹样品，中级调节用于调整光路，精确级调节用于测量。三级调节各自的量程和精度区别较大，通过位移机构的设计保证测量时的位移精度达到纳米级别，设备的精度与SFA 2000系统一致。通过简化模型进行理论计算，粗级位移调节可以实现精度为0.2微米的调节，精确调节可以实现精度为2埃米的调节。最后通过仿真模拟粗调与精调的过程，得到粗调与精调的下载物台的位移量精度基本符合理论计算结果，验证了装置设计的合理性，并在此基础上设计整体结构。

关键词：表面力仪、小型化、多级调节、弹簧

Miniaturized design of surface forces apparatus

By：Zijie Chen

Supervised by Yajing Kan

Abstract

The surface forces apparatus (SFA) is used to measure the interactions between two surfaces. The first generation of the SFA system was invented by Professor Israelachvili in 1972. To improve the integration of the Surface force apparatus with other optical system, this work redesigns the whole mechanical structure of the SFA basis on the existing SFA 2000 system. Specifically, a new displacement system composed of three levels for movement control is realized in a small space, including the coarse control for fast feeding of samples, the middle control for adjustment of optical path, and the fine adjustment for measurement of interactions. Although the control range of each level varies several orders for different uses, it is essential to make the displacement accuracy of the fine control reach the level down to nanometers through the design of the displacement mechanism, which is consistent with SFA 2000. Through simplified model and theoretical calculation, it is showed that the coarse adjustment accuracy is 0.2um, and the fine adjustment accuracy reaches 2 angstroms. The movements of the three-level control mechanism are simulated by ANSYS. The displacement accuracy of both adjustment of lower surface is calculated respectively to verify the theoretical calculation. Finally, the whole system is assembled basis on the displacement structure.

Keywords: Surface forces apparatus, miniaturization, multistage adjustment, spring

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 表面力仪测量表面力的原理 4

2.1引言 4

2.2法向力的测量 4

2.3基于多光束干涉的表面间距的测量 6

2.4表面间距的控制 10

2.5测力弹簧弹性系数的测量 11

2.6本章小结 12

第三章 位移机构的理论计算与仿真模拟 13

3.1引言 13

3.2位移调节机构介绍 14

3.2.1 粗调机构的设计 14

3.2.2 精确调机构的设计 15

3.3理论计算 16

3.3.1粗调简化模型 16

3.3.2精调简化模型 17

3.3.3精调时精度的校核 18

3.4仿真数据的设定与方法 21

3.5仿真结果及其分析 22

3.4.1下载物台的位移精度分析 22

3.4.2机构的应力应变分析 27

3.6本章小结 28

第四章 小型化表面力仪机械结构的介绍 30

4.1引言 30

4.2表面力仪整体机构的设计 30

4.2.1载物台的粗调 30

4.2.2载物台的精调 31

4.3位移调节机构与机架的连接机构 31

4.4光路及其固定机构 31

4.5注射液孔及左侧通槽的设计 33

4.6测微头固定装置 34

4.7镜筒的固定装置 35

4.8上基座的固定机构设计 36

4.9样品的装夹装置的设置 36

4.10本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1本文主要的研究结论 38

5.2本文的创新点 38

5.3工作总结与未来工作展望 38

参考文献 40

致 谢 43

第一章 绪论

• 1. 研究背景及意义

第一代表面力仪是由Tabor和Winterton^[1]于1969年提出的，他们一开始是为了设计一种纳米尺度下测量表面力的实验装置。而早在Tabor之前，Tolansky^[2]在研究表面形态的工作中使用了多光束干涉的方法去计算两表面间的距离，该方法对距离测量的精度非常高，达到了埃米级（0.1纳米）。随后，Israelachvili（Tabor是其老师）给出了两层和三成干涉模型的中的多光束方程的完整解^[3]，并且以此原理为基础引入到了表面力仪中，最后他设计出了世界上第一台实验用的表面力仪，并且以此为平台，测量了水溶液中的范德华力^[4]。从上个世纪七十年代到现在的四十年时间里，表面力仪的发展从雏形慢慢的走向成熟。从初始的MKI型，经过MKII和MKIII型发展到最新的SFA 2000型，并衍生出eSFA等具有特定功能的型号^[5]。

目前应用比较广泛的SFA2000，虽然其操作简单、但是对力的测量精度非常高，且力的可测量领域也很广。由Israelachvili^[5]等人将该测量领域扩展到静态和动态力等的新领域以及方向不同的力，包括法向力和切向力。SFA2000调节样品位移是通过一个中央悬臂弹簧的弯曲以及屈曲的形变，使得可以产生粗调和精调的总共七个数量级如表1（从毫米到埃）的运动，这是表面力仪系统调节时的优势所在。表面力仪从根本上说仍是以胡克定律为基础的，即使用基于MBI原理的FECO条纹准确的测量出两表面之间的距离后，再结合测力弹簧的弹性系数便可以得到两表面间的作用力，如Lee, D. W^[6]等人测量了蒸汽的附着力以及毛细管力等等。不仅仅是针对无机溶液环境，表面力仪还可以应用于许多生物、化工领域，譬如：通过表面力仪对DNA机理以及测量某些溶剂中的分子间相互作用机理的研究、以及表面力仪在宏观交叉圆柱体之间测量人眼前角膜的粘性^[7]和直接利用表面力仪测量模型有机污垢间的相互作用和时间依赖性^[8]的研究，还有通过改进表面力仪结构去研究各种电化学条件下的电化学过程^[9]等等。

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