用于扫描探针显微镜的复合型三维压电扫描器

    1引言

    随着扫描探针显微术(SPM)的迅速发展，三维精密压电陶瓷扫描器的设计与制作得到了广泛的关注和深入研究。各种新型三维精密压电陶瓷(PZT)扫描器的出现，对扫描探针显微镜的发展有重要的推动作用。

    目前，单管四分压电扫描器在扫描探针显微镜中应用最广泛，其压电元件常数及谐振频率较高，且结构简单。但在使用中，单管的缺陷也表现出来。首先，随着研究的深入，需要获得大的扫描范围，在管的材料和内、外径一定的情况下，单管的扫描范围与其轴向尺寸有关。为了取得大的扫描范围，就必须加大压电管的长度，使得扫描器的尺寸过大，不便于安装、调整和使用;其次，扫描器轴向尺寸的加大，势必会降低整个压电管的谐振频率，谐振频率越低，越容易受到低频机械振动的影响。单管还有一个很大的缺陷是容易受到温度的影响而产生热漂移。对于纳米级的测量，任何微小的热漂移都会对扫描精度产生较大的影响，扫描管尺寸越大，受温度的影响程度也越大。为了弥补这些缺陷，设计了一个复合型PZT管^[2]，其基本结构如图1所示。它具有体积小，扫描范围大，谐振频率高，能够补偿热漂移等优点。

    将电源V₁,加电压于内、外管四分电极的一个电极上，V₂加电压于四分电极中与其相对的电极上，V₃。加电压于内、外管内壁上的公共电极上。由于内、外压电管的极化方向相反，当v₃增加时，若外压电管伸长，则内压电管收缩，从而产生轴向运动;而当增加V₁，和v₃时，可使内、外压电管向同一个方向弯曲变形，产生横向位移，由于两个PZT管的嵌套，扫描器的扫描范围加大，同时减小了管的轴向尺寸，降低其谐振频率，且由于内外PZT管的结构轴向对称且轴向尺寸相同，它们受温度影响而产生的热漂移相同，因而补偿了温漂，使探针位置保持恒定。

    由PZT管电极分布的不同和嵌套管数的不同，复合型PZT扫描器的类型有许多种，可以根据需要进行选择。本文设计的扫描器是用于扫描近场光学显微镜，要求能观测到生物大分子，即达到10μmX10μm的扫描范围，且能独立控制x、y、z三个方向的运动。根据要求，进行复合型扫描器的有关设计、制作，并对其扫描性能进行了检测。

    2复合型PZT扫描器的设计

    复合型PZT扫描器的设计包括扫描器材料、类型的选择，扫描器内、外管尺寸及结构的设计。

    根据扫描器高灵敏度、大扫描范围的要求，我们选择了PZT一SH作为扫描器的材料。虽然它的工作范围不宽，不适合在温度变化大的环境中工作，但实验室基本处于恒温状态，扫描器受温度的影响很小，且复合型扫描器有补偿温漂的作用。所以PZT一SH型压电陶瓷材料基本符合要求。