超磁致伸缩微驱动器在纳米测量中应用的研究

    1引言

    80年代，由于扫描隧道显微镜的发明和应用，使人们提高了观测原子量级微观世界的能力，它和随之出现的各种扫描探针显微术(SPM)一起在生物、化学、物 理学、微电子学、材料学、摩擦学等领域的应用日益广泛，一门新兴的科学即纳米科学与技术正在形成，并正受到各国政府与学术界的高度重视。但是，目前以 SPM为基础的观测技术只能给出纳米级的分辩率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸，这是因为到目前为止还缺少简便的纳米精度(0·1~0.01nm)的 尺寸测量和定标手段。特别是对纳米制造即所谓原子操作来说，如果不能给出准确的位置，不可能有任何的实际意义，所以这些都迫切需要一种具有纳米甚至亚纳米 精度的装置对其进行标定。纳米测量技术已成为纳米技术发展的关键，所谓纳米测量技术就是纳米或更小分辨率的物体或表面形态的尺寸测量的科学[13。目前， 实现纳米测量的方法主要有:光学外差干涉仪、Fabry一Perot标准具及X射线衍射仪。光学外差干涉仪的分辨率及精度都比较低;Fabry一 Perot标准具精度高，但其结构复杂、制造要求严格、调整难度大等使该仪器的应用受到限制;而X射线干涉仪则克服上述问题，具有精度高、测量范围大、结 构简单等特点，在线测量中有着广泛的研究价值和应用前景田。

    在X射线衍射仪中，其关键技术之一是微动平台中微位移驱动器的设计。驱动器性能的好坏，将直接影响X射线衍射仪的精度及性能。微位移驱动技术是现代超精密 纳米测量仪器及纳米测控系统的核心技术之一，随着对驱动器特性(迟滞、漂移及输出力等)要求越来越高，学术界在不断探索新的驱动技术。基于超磁致伸缩材料 的微位移驱动技术便是近年来国际竟相研究的热点之一，其具有线性好、漂移小及输出力大等特点，将其应用于X射线衍射仪中，将可极大的提高仪器的性能。

    2 X射线衍射仪基本工作原理及对驱动器的要求

    2.1基本工作原理

    如图1所示，当单色X射线以布喇格角入射到完整的单晶硅晶体上时，根据X射线动力学理论，会有3束出射光:随着在晶体中传输距离按指数规律衰减的直接入射 光，满足Bragg条件的衍射光和由于异常Borrmann效应而出现的向前衍射光。衍射光和向前衍射光后两束光相对晶面呈对称分布，X射线干涉仪就是利 用了晶体的这一分束特性。将一块单晶加工成3片平行的晶片，第3片可以在其平面内相对其他2片运动。一束X射线以准确的布喇格角入射到晶片上，经第1片和 第2片衍射后，它们的光束会合在第1片上。经第3片衍射后，其光强与相位有关。当第3片横移时，衍射光强按正弦规律随衍射面发生周期变化。这个周期只与衍 射面的间隔有关，而与X射线的波长无关[3](见图2)。