原子力显微镜已成为人们观测和研究物体微观世界的强有力工具，由悬臂梁与探针集成件组成的力传感器是原子力显微镜的一个关键部件，它的结构和性能直接影响原子力显微镜的性能、测量分辨率和测试图象质量。本文着重介绍了原子力显微镜基本工作原理、对力传感器的要求、力传感器的结构和设计、力传感器的微机械加工以及其主要性能测试等问题。

基于原子力显微镜（AFM）和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统。通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线。利用该系统，对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验，用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪（Tribolndenter）做了验证试验。实验结果表明，该系统适合测量较软材料的纳米硬度。分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响，在薄膜厚度低于5～10倍压人深度时，基体对薄膜材料的力学性能影响很大；并根据获得的载荷-压深曲线分析得出由于尺度效应的影响，随着压痕深度的减小，薄膜的硬度值呈明显的上升趋势，弹性模量没有这个趋势。

计量型原子力显微镜纳米测量系统主要由扫描器、测针位置传感器和一体化微型激光干涉三维测量系统等部分构成．针对计量型原子力显微测量系统，采用三维激光干涉测量系统作为测量基准，以实现原子力测量系统的纳米尺度量值溯源和校准工作．建立了校准模型，分析了扫描器9项主要误差项，并将该模型应用到原子力显微镜扫描器的校准中．校准后的结果表明，除z轴位置误差不超过±2nm外，其他8项的残余误差均不超过±1nm．通过台阶高度国际比对，建立了台阶高度标准计算方法及不确定度分析模型．台阶高度国际比对的测量结果表明，计量型原子力显微镜的测量值与参考值相差均小于1．5nm．

原子力显微镜(AFM)在空气中对DNA进行观察时,针尖很容易对其造成损伤,从而影响图象质量.为探索此问题的解决办法,本研究在空气、水和无水乙醇中对DNA进行成象,同时对针尖的结构进行了扫描电镜观察.取100μg/ml质粒pQE30水溶液20μl滴加在新鲜剥离的云母基底上,吸附1 min,用滤纸吸去基底上的多余残液,氮气吹干后在空气中成像;pQE30分别溶于去离子水和无水乙醇,质量浓度为100μg/ml,各取100μl加入液体池中成象.成象时均采用MultiMode AFM(NanoscopeⅢa)的敲击模式,并记录力曲线结果发现在液体中DNA的图象分辨率优于在空气中,在无水乙醇中优于在水中;针尖与DNA样品间的相互作用力越大,成象的分辨率越低;多次使用后针尖磨损,分辨率降低.这一结果为选择DNA的理想AFM成象环境,研究生理条件下DNA的结构和功能提供了实验基础.

介绍了目前研究纳米接触问题的方法;根据Hamaker理论,利用连续介质方法,建立了原子力显微镜针尖和试样面接触的包括斥力项的力学模型;对模型进行了仿真,仿真结果同实验现象一致.将纳米接触问题的研究领域从非接触区域扩展到间歇接触区域,为原子力显微镜的进一步研究,实现原子操纵提供理论基础.

用光子相关法、原子力显微镜和扫描电镜三种测试方法测定了同一标准样品的粒径,比较了三种测试方法在纳米粒径检测方面的特点.光子相关法给出纳米微粒的平均粒径和多分散系数,而原子力显微镜和扫描电镜在测定粒径的同时直接观察到微粒的外貌.

简述了原子力显微镜探测物体表面形貌的基本原理,具体地介绍了原子力显微镜的四大核心构件的属性与功能激光器、微悬臂、压电扫描器、光电检测器管;详细地阐述了该仪器探测运行的三种模式接触模式、非接触模式、轻敲模式,并重点讲述了轻敲模式的独到之处;强调了原子力显微镜所能进行的参数分析和数据处理功能,同时将原子力显微镜同其它表面探测仪进行了比较,突出了AFM的优越性;并结合仪器的构造和工作原理,对仪器的改进和发展提出了一些建设性意见.

简单介绍了系列扫描探针显微镜(SPM)的性能、原理及其应用,重点综述了SPM尤其是扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)在碳纤维结构研究领域中的应用.

研究了基于原子力显微镜（AFM）的微桥机械特性的测量方法。通过微机电系统（MEMS）技术制备了可用静电力驱动进行机械振动的金属微桥。利用一套改进的商用AFM实验装置对测量方法进行了优化，并对微桥的共振频率进行了测量，所得实验结果与理论估算和仿真计算的结果基本一致。基于AFM的微桥机械特性的测量具有精度高和容易实现的特点，可作为测量平台扩展用于薄膜材料或微量液体的内耗、粘弹等性质的表征。

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度，本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中，Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈；X扫描器与测头分离，驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台，能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振；同时Z扫描器的载荷实现最小化，固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差，设计了一种随动式光杠杆光路；为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置，设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明，该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下，可搭载尺寸达数厘米且质量超过10 g的较大样...