基于压电陶瓷管扫描器的大范围纳米定位系统

　　扫描探针显微镜(SPM)是当代纳米测量和纳米操纵加工的有效工具,推动着纳米行业的快速发展。其中扫描器是SPM的关键部件,可带动样品实现纳米级扫描成像,分为压电陶瓷管式扫描器和高精度定位平台式扫描器。管式扫描器因其价格低廉、制作简单受到许多厂家的使用,但是其移动范围受压电陶瓷管伸长的限制只能达到微米级,若要测量其他不在此范围内的目标,就需要用CCD摄像头在微米量级的视场内搜索并用高精度样品移动平台把被测区域移动、定位到针尖下方,以便于探针扫描、操纵。

　　1　基于管式扫描器的样品移动平台种类及缺陷

　　当前基于压电陶瓷管式扫描器的样品移动平台主要包括以下两种:一是手动样品移动平台,其通过手动旋转精密螺杆来移动样品,精度可达到2μm,但若要达到0.1μm精度,则必须使用价格昂贵的差动螺纹丝杆,且若需移动1mm,必须转动旋钮80多圈,操纵繁琐。二是高精度电控样品移动平台,借助计算机自动控制,配合光学显微系统进行样品移动、定位,定位精度可达纳米级,但设计较复杂,且增加了仪器的成本。

　　2　样品移动平台装置与样品定位原理

　　基于对以上两种平台的思考,设计了基于压电陶瓷管扫描器的样品移动平台来实现样品在X-Y二维大范围纳米级移动、定位,装置设计简单,并基于扫描探针显微镜控制箱中现有的DSP控制器和高精度D/A转换器来控制,可通过上位机软件操作实现。

　　2.1　样品移动平台装置

　　利用压电陶瓷的逆压电特性,对其施加电压,会使其产生形变。样品移动平台装置如图1(a),压电陶瓷扫描器A中的压电陶瓷管外壁沿轴线方向被均分为四部分,分别对对称的一组加正负电压,通过改变所加电压大小,可以得到扫描器带动样品在X-Y平面不同方向的位移,这样就形成了扫描管的X-Y二维运动。样品板C和底座板D均由铁质材料制成,样品B通过胶固定在C上,其中C和D的接触面均为精加工的光滑面,以减小相对摩擦力,D的另一面为粗造面,在柱状磁粒E的磁吸引力作用下固定在A的顶端。

　　2.2　样品在X-Y二维大范围纳米级移动、定位原理

　　由于压电陶瓷管伸长范围的限制, SPM的扫描范围一般可以达到微米级。对于样品B,在某一时刻探针所能扫描的范围为图1(c)中的F区,若要观察G区中的图像,就需要在X方向移动样品使G区移到F区,即使探针进入G区,因SPM一般是探针固定,通过扫描管带动样品移动来成像的。

　　根据压电陶瓷冲击驱动结构的原理可知,样品板C在摩擦力和惯性作用下可以获得一定的位移,如图1(b)压电陶瓷管扫描器带动样品在X方向移动示意图。现以图2(a)所示的电压波形作为压电陶瓷扫描器X方向的驱动电压来分析其工作原理,其他方向工作原理类似。首先给扫描器控制X方向运动的一对电极加上一缓慢上升电压,利用底座板D和样品板C间的静摩擦力带动C和B向探针方向移动,直到驱动电压达到最大值;然后令驱动电压迅速下降,由于惯性,C和B不会立即跟随D做反方向运动,而是在一段时间内会保持原来的运动方向,因此样品板C与底座板D就产生了一定的相对位移。如此反复执行便可使B从G区移动到F区位置,即到达探针的扫描区域,实现探针-样品间的定位。