IPC-208B型原子力显微镜大范围扫描三维驱动系统研究

　　0　引言

　　原子力显微镜(atomic　force　microscopy，AFM)不仅是进行物质表面微观形貌观察和分析的强有力工具，也是实现纳米尺度加工、微纳器件制造、物质表面微观结构修复的重要手段之一，其检测、加工的理论和方法的研究成果对于物质微表面信息表征、处理及加工制造等有重大潜在应用价值。

　　IPC-208B型原子力显微镜是在IPC-205B型 扫 描 隧 道 显 微 镜 (scanning　tunnel　mi-croscopy，STM)的基础上而设计的[1-2]，其工作方式为隧道检测方式，工作原理是将AFM微悬臂的起伏变化转换为隧道电流进行实时检测，克服了扫描隧道显微镜不能检测非导电材料的弊端。该原子力显微镜的镜体部分是原子力显微镜系统的机械执行部分，是保证　　AFM精度的关键所在[3-4]。当前随着原子力显微镜在材料物理、生物化学、材料科学等主要领域的广泛应 用[5-8]，AFM的开发与应用显得十分必要，其中研究的焦点之一是在原子力显微镜的镜体结构设计上。

　　本文介绍装配在IPC-208B型原子力显微镜系统上的大范围三维驱动结构，该研究，可为研制开发精度高、扫描范围大、机械驱动自由度高等优点的AFM镜体提供实验参考。

　　1　IPC-208B型AFM镜体设计

　　IPC-208B型AFM镜体主要由压电陶瓷扫描器、步进机、微悬臂、变速系统和样品台等组成，镜体的主视图如图1所示。镜体部件主要由压电陶瓷扫描器、微悬臂探针及其调节机构、步进电机驱动系统、隔震和屏蔽系统组成。该镜体驱动系统是基于上下压电陶瓷扫描器、三相感应步进电机进行组合设计的，可以实现13个自由度的调节。其中，上压电陶瓷扫描器在三相感应步进电

　　机 的 配 合 下 完 成 上 扫 描，扫 描 范 围 为0～2000nm，下压电陶瓷扫描器与一组(3个)三相感应步进电机结合实现下扫描(样本扫描)，扫描范围为0～25mm。压电陶瓷和微悬臂是实现扫描的核心器件，精选优异压电参数的压电陶瓷是保证实现大范围线性扫描的关键，而制作低的力弹性常数、高的力学共振频率的微悬臂也是直接决定能否感知样品表面原子形貌的必要因素。根据压电陶瓷参数，可以使该系统的三维扫描最小行进位移达10nm，实现纳米精度的三维扫描检测。下面分别从步进驱动、压电陶瓷扫描器和微悬臂三个方面进行分析[9-10]。

　　1.1   步进驱动系统

　　IPC-208B型AFM镜体样本台是一个三维纳米级移动平台，具有X、Y、Z2(垂直方向)三个方向的运动，样本台的Z2方向的垂直移动用于控制样本台样品与微悬臂探针的距离，而探针座的Z1方向的移动机构用于控制探针接近和远离微悬臂，Z方向上的这两个调节的目标都是针对微悬臂探针。平台和探针座是AFM检测的核心部件，其移动要求精确高、可靠、噪声低、震动小、抗干扰能力强和自动控制性能好，因此，步进驱动系统对步进电机的要求很高。本设计采用步进机和螺纹传动组合的步进驱动系统，综合考虑平台和探针座的移动，步进驱动系统一共分为X、Y、Z1、Z2四个方向，四维位移量分别由四个机电进给机构控制。