SPM三维纳米级微定位的研究

　　1前言

　　1982年IBM公司的G.Binning等人研制成功扫描隧道显微镜((SPM)以来，为人们观察纳米(nm)级表面的几何形貌提供了强有力的工具.随后又陆续出现了一系列新型的扫描探针显微镜，例如，原子力显微镜(AFM)，磁力显微镜(MFM)，静电力显微镜(EFM) .摩擦力显微镜(P})等，它们统称为扫描探针显微镜((SPM).然而，目前SPM工作范围均很小，一般为几个微米(Ice)。要使SPM在科研和工程中得到广泛应用，扩大其工作范围至几十甚至上百个微米十分必要.

　　为实现SPM宽范围扫描的功能，最初有人试图采用加长扫描管的办法来扩大扫描范围，但长陶管扫描的不稳定性及纵向扫描误差均相应增大;;1992年美国国家标准局研制了一种宽范围二维放大式弹性扫描工作台，最大扫描位移在驱动电压为土1600V时达SOOEan，其结构特点是采用二级杠杆放大的双支点支承式结构，故刚性较弱，影响了扫描频率的提高.1994年美国的A.R.Smith等研制了一种惯性式的二维纳米级微定位装置，其步距在lOnm一100nm可调，但制造成本较高且只能实现二维定位.因此开发宽范围高精度的微定位系统具有重要的研究和实用价值.本文介绍了我们自己开发的一种三维纳米级微定位系统，它采用爬行方式进行微定位，可用于STM和各种扫描探针显微镜样品和探针的微定位，以便进行宽范围的纳米级检测或加工.

　　2三维纳米级徽定位系统

　　其结构如图la)所示，它由一维爬行器、二维爬行器和基座组成一维爬行器由一个压电陶瓷管固定联结两个电磁吸定脚构成(如图k所示).二维爬行器由四个尺寸相同的压电陶瓷管固定联结四个电磁吸定脚构成(如图1b所示).从DZ-144继电器取下铁芯，用树脂固接在自制的钢套中形成电磁吸定脚.电磁吸定脚与压电陶瓷管用502胶水粘接.二维爬行器在基座上沿X, Y方向移动，实现X, Y方向微定位，一维爬行器位于基座的槽内，在槽内沿Z方向移动。基座工作面经过超精密加工.

　　线圈各参数按合适的吸定力选定.DZ-144继电器线圈电阻为185欧姆，采用15V直流电压，吸定力足够大.压电陶瓷管为国产的PZT51，管长为46.85mm，夕卜径为15mm，内径为13.73mm，极化电压为280V.

　　该机构的控制原理如图2所示.微机通过并行口如8255芯片某些位为1或0，来控制各吸定脚的通电与断电，从而控制各吸定脚与基座的夹紧与松开.微机通过多路D/A转换器发出不同的模拟电压，经功率放大来控制各个压电陶瓷管的伸与缩，改变D /A输出的电压就可控制爬行器微动步长.

　　其中一维爬行器爬行一步的过程如图3所示.图中表示吸定脚与基座夹紧.其中1)为初态，陶管、吸定脚均未通电，也无伸缩.2)两吸定脚通电吸定在.工作面，开始准备爬行.3) B2仍吸合，B1松开.4) B2仍吸合，B1仍松开，且陶管加电收缩。匀B1, B2都吸定，且陶管仍处于加电收缩状态.够1吸定，B2松开，陶管仍处于收缩状态.乃B1吸定，B2松开，陶管断电恢复原长.8)两吸定脚都加电吸定.于是一维爬行器完成一步的动作过程.