新型冲击驱动器及其在扫描隧道显微镜中的应用

　　0　引言

　　以扫描隧道显微镜(scanning tunneling micro2scope,STM)[1]和原子力显微镜(atomic force micro2scope,AFM)[2]为代表的纳米检测与计量技术,是纳米技术发展的重要基础。在这些扫描探针显微镜技术中,需要实现探针和样品间的纳米级定位;在作原子操纵时,还要求探针—样品位移和定位精度达到原子级。显然,用手动或一般机械的方法来调整探针—样品间的距离,不可能达到理想的移动精度;而如果采用步进电机,其传动机构及控制系统又势必会使STM和AFM系统变得更加复杂,况且,步进电机也无法达到数纳米至数十纳米的移动精度。为此,常采用压电陶瓷来实现驱动和定位控制。

　　1　传统的压电陶瓷冲击驱动机构的缺陷

　　传统的压电陶瓷冲击驱动机构(impact drivemechanism,IDM)[3]如图1所示。它由主体、压电陶瓷和配重三部分组成。压电陶瓷先快速伸长,推动配重向右运动,而主体向左移动一微小步长,之后压电陶瓷以某一加速度逐渐收缩,配重将获得一定的动量,冲击主体使它克服摩擦力而向左移动一小步,驱动压电陶瓷如此周期性地伸缩,即可使IDM机构连续地向左做步进运动。同样,用极性相反的电压驱动压电陶瓷,也可使IDM向右移动。

　　由于压电陶瓷具有很高的移动精度,因此IDM机构可获得几纳米的步长,且步长能随驱动电压连续可调,能满足扫描探针显微镜中的定位精度要求。不过,上述机构也存在如下缺陷:它是一种非平衡的悬臂式结构,很容易受到压电陶瓷的引线牵扯或其他外力影响而失去平衡;在该机构中,配重体的质量完全由压电陶瓷承担,因此配体不能太重,否则容易使压电陶瓷由于负载过重而损坏,这样就会使IDM的驱动效率降低,并且可能发生在某些电压周期内主体不移动的情况;该机构是利用配重的冲击力来克服主体与地面的摩擦力而使系统向左移动,由于主体与地面的接触面很大,这样系统对它们接触面的粗糙度要求比较高,否则该驱动机构的移动步长就会表现出不稳定性和不确定性;另外,对于STM和AFM这样的系统来说,该机构显得相对复杂。

　　2　新型压电陶瓷冲击驱动器原理与装置

　　我们提出的新型压电陶瓷冲击驱动器(impactdrive actuator,IDA)可以克服传统冲击式微位移驱动机构中存在的问题。该冲击驱动器的结构和原理如图2所示。它由导轨、压电陶瓷和底座三部分组成。压电陶瓷是一根沿径向方向极化的圆柱形管,其外壁电极沿轴向被分为左右两等分,分别用来接驱动电压的正负极,通过改变驱动电压的大小,便可实现陶瓷管的左右摆动,从而带动导轨的左右运动。载物台放置在导轨上。