冲击式微位移机构的性能测试与分析

　　微位移机构是扫描探针显微镜(SPM)的关键部件之一,它带动样品向针尖移动,使样品与针尖之间的间隔进入纳米量级以产生隧道电流,同时又必须保证针尖不与样品发生碰撞。微位移机构的性能直接影响到SPM是否能正常工作以及SPM仪器的整体性能。近十多年来已经发展了惯性式、尺蠖式、静电压电行走式、磁力式、压电冲击式等各种微位移机构,其中压电冲击式微位移机构具有结构简单、控制方便、可靠性好等优点而被广泛采用。

　　冲击式微位移机构的驱动机制

　　下图所示为微位移机构的驱动波型,图(1)为锯齿型波,图(2)为抛物型波,图(3)为微位移机构的基本结构示意图。

　　在Tl低电平阶段,由于电压保持在某一状态不变,则压电陶瓷也维持在某一长度保持不变。在Tr阶段,电压以一定规律缓慢升高,压电陶瓷随之缓慢伸长,假设电压升高速度足够小,使压电陶瓷伸长过程中对M造成的冲击力足够小,小于导轨面对M的静摩擦力的大小,那么在缓慢伸长过程中M是不动的。当电压慢慢升高到Th阶段,驱动电压的大小维持不变,此时,压电陶瓷的长度也将维持不变。当压电陶瓷由缓慢伸长到突然停止时,由于惯性的作用将带动M向前行走,在摩擦力的作用下直到停止。但由于压电陶瓷是缓慢伸长,且m的质量相对M来说较小,所以这一部分的移动距离也很小,在计算中可以忽略。当进入Tf阶段时,电压快速下降,致使压电陶瓷急速收缩,同时对M和m产生很大的冲击力,这个冲击力远大于导轨对M的滑动摩擦力。所以,整个系统满足质心守恒定律。主质量块M移动的距离:

　　ΔL(t)为压电陶瓷的相对伸缩量:ΔL(t)=n·d33·ΔU(t)(n为叠片式压电陶瓷的片数;d33为压电陶瓷的有效压电常数;ΔU为高低电平之差)。同理,驱动波型的电压快速升高,缓慢下降时,主质量块M移动的方向与驱动波型电压缓慢下降,快速升高时相反。

　　冲击式微位移机构检测系统原理图:

　　在冲击式微位移机构中,压电陶瓷是实现微位移的关键部件,通过与微机相连的电容测位移系统,我们对压电陶瓷的有效压电常数进行了标定。数据处理后得下图(5),得到有效压电常数d33=4.07×10-12m/V。

　　对电容测微仪进行标定

　　由于电容测微仪随周围的环境(如温度、震动等)的不同而使测量值与真实值之间存在一定的误差,最大的误差可达百分之十左右。为了在微位移的测量中有可靠的精度,我们在实验室条件下利用微动工作台对它进行了标定,通过调节微动螺母使微动工作台产生微量位移,然后将电容测微仪中的读数和微位移相比较,达到标定的效果。实验结果如图(6)所示,其中L′为准确值,L为电容测微仪的测量值,L′=1.162L-0.433。图(7)为电容测微仪标定原理图。