利用原子力显微镜对聚焦离子束刻蚀技术制备的不同纵横比的氮化硅纳米梁结构进行了弯曲测试，并讨论了一种标定原子力显微镜微悬臂梁弹簧常数的方法．实验中严格界定了欧拉细长梁的条件，在分析了纳米梁组纵横比对测试结果影响的基础上，讨论了如何修正弯曲测试结果．弯曲测试得到了纳米梁的平面模数，并进一步推算氮化硅材料的杨氏模量．测试结果验证了基于原子力显微镜系统的弯曲方法测试纳米薄膜材料杨氏模量的可行性．

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法，比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能，以标准生理溶液中的海拉细胞为样品，对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究．研究表明，采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰，可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰，因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度，而且减小了针尖对样品的损坏，还提高了仪器的带宽和成像速度．对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像，使用该方法可将采集速度由原来的2～3min／帧提高到15-20s／帧，并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值．

微结构动态特性的测试方法对研发可靠的、能市场化的微机电系统(MEMS)是必需的.开发出了一种测试系统,能使微结构的三维运动可视化.系统包括:利用光学显微镜来实现微结构的放大,并将图像投影到CCD摄像机上;利用光切方法来获取一系列图像,以此来表征微结构的三维运动;利用频闪照明来冻结微结构的高速运动.通过研究微加工水平谐振器在激励条件下的三维运动,论证了系统的功能.

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能，并且一直向微型化电源的目标迈进．为此，以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元，通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导，得出微能量功率的计算公式．通过分析看出，在实际设计压电振动能量采集装置时，可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．

将自主开发的基于MEMS工艺的微触觉测头与纳米坐标测量平台相结合,构建高性能的扫描测量平台,提高了微结构和器件扫描测量的精度和分辨力。基于微触觉测头的测量原理,研究了微触觉测头应用于纳米坐标测量平台的反馈控制方法以及控制转换参数的标定方法,讨论了扫描平台不同扫描方式对测量的影响。实验进行了相对平整表面和非平整表面形貌的扫描测量,结果表明,相对平整和非平整表面进程回程重复扫描差值的标准偏差分别为15.519 nm和23.088 nm,系统具有较高的测量重复性。

针对微小结构几何量测量的需求,通过集成MEMS微触觉测头和纳米测量机构建了高精度的测量系统。在验证测头性能的基础上,完成了一系列判断测头测量分辨力和精度的实验,在轴向、同向横向、异向横向三个方向测量的标准偏差分别为41.7552nm,6.05μm,6.16μm,同时,在扫描实验中进程回程扫描差值的标准偏差为23.088nm。

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...