本發明公開了一種微懸臂梁探針的設計方法，包括：獲取微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型；獲取不同結構的微懸臂梁探針的振動參數，根據振動參數和普適理論模型建立不同結構特性的微懸臂梁探針測量摩擦系數的理論模型；根據理論模型計算微懸臂梁探針正壓力的最大測量值或摩擦力的最小測量值，并根據可測摩擦系數分辨率，獲得滿足摩擦系數分辨率要求的微懸臂梁探針的不同尺寸的分布；選取尺寸進行仿真分析，得到微懸臂梁探針振動頻率特性，并根據振動頻率特性和普適理論模型得到摩擦系數分辨率量級；若摩擦系數分辨率量級滿足摩擦系數分辨率的預設要求，則提取該微懸臂梁探針的尺寸。上述方法實現了0.0001及以上量級分辨率的超低摩擦系數測量。

技術領域

本發明涉及分析及測量控制技術領域，特別是涉及一種微懸臂梁探針的設計方法。

背景技術

隨著世界經濟的快速增長，各行業摩擦磨損造成的損失也相應增大，能源危機日益嚴峻。近年來，超滑現象的發現為解決能源消耗這一難題提供了新的重要途徑。在超滑狀態下，摩擦系數較常規的油潤滑成數量級的降低，磨損率極低，接近于零。影響超滑狀態的因素眾多，并且相互耦合，嚴重制約了超滑理論和技術的深入研究。納米級單點非接觸(即相互作用區尺寸為納米量級)可以排除宏觀多點接觸等多種外界因素干擾，便于超滑過程的定量分析。

然而，目前納米級單點非接觸狀態下的超低摩擦系數測量是一個公認的技術難題，首先，納米級單點非接觸通常采用原子力顯微鏡實現，而原子力顯微鏡主要應用于表面形貌掃描、力學性能測試等方面，基本未關注超低摩擦系數測量；其次，納米級單點非接觸狀態控制要求原子力顯微鏡探針處于振動模式，大氣環境下很難達到，必須在特殊環境下(真空，液下等)使用，因此，控制難度較大，系統復雜。

因此，如何能實現應用于納米級單點非接觸超低摩擦系數測量，成為目前技術人員亟待解決的技術問題。

發明內容

基于此，有必要針對上述如何能實現應用于納米級單點非接觸超低摩擦系數測量，提供一種微懸臂梁探針的設計方法。

在其中一個實施例中，一種微懸臂梁探針的設計方法，包括：

獲取非接觸狀態下微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型；

獲取所需的不同結構特性的微懸臂梁探針的振動參數，根據所述振動參數和所述微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型建立不同結構特性的微懸臂梁探針測量摩擦系數的理論模型；

根據所述微懸臂梁探針測量摩擦系數的理論模型計算微懸臂梁探針正壓力的最大測量值或摩擦力的最小測量值，并根據原子力顯微鏡的可測摩擦系數分辨率，獲得滿足摩擦系數分辨率要求的微懸臂梁探針的不同尺寸的分布；

選取所述分布中的尺寸進行仿真分析，得到微懸臂梁探針的振動頻率特性，并根據所述振動頻率特性和所述微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型得到微懸臂梁探針的摩擦系數分辨率量級；

判斷所述摩擦系數分辨率量級是否滿足摩擦系數分辨率的預設要求，若滿足預設要求，則提取滿足摩擦系數分辨率量級的微懸臂梁探針的尺寸。

在其中一個實施例中，所述獲取非接觸狀態下微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型包括：

通過微懸臂梁探針非接觸振動狀態下的扭轉振動模態參數和撓曲振動模態參數分別計算摩擦力和正壓力；

根據所述摩擦力和所述正壓力的比值得到非接觸狀態下微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型。

在其中一個實施例中，所述獲取非接觸狀態下微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型還包括：

設置所述微懸臂梁探針非接觸振動狀態下的撓曲振動模態和扭轉振動模態的不同階數；

獲取不同階數的非接觸狀態下微懸臂梁探針測量摩擦系數的普適理論模型。