[發(fā)明專利]無摩擦慣性步進(jìn)掃描器、控制法、同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710191138.4
• 申請(qǐng)日: 2007-12-10
• 公開（公告）號(hào): CN101226125A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陸輕鈾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N13/10
• 分類號(hào): G01N13/10;G12B21/22
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電掃描步進(jìn)器和掃描探針顯微鏡，特別設(shè)及一種無摩擦慣性步進(jìn)掃描器及其控制方法以及由此制成的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的XYZ壓電掃描管因具尺寸小且操作簡(jiǎn)單、可靠，已在掃描探針顯微鏡領(lǐng)域獲得了巨大的應(yīng)用，完全淘汰了早期的三腳架掃描結(jié)構(gòu)。但，它只能對(duì)最大約10-100微米量級(jí)這樣一個(gè)微小范圍內(nèi)的樣品表面進(jìn)行掃描、測(cè)量譜數(shù)據(jù)和成像，這是因?yàn)橹圃靀YZ壓電掃描管的壓電材料的壓電系數(shù)很小的緣故。目前已可以利用壓電慣性步進(jìn)器原理來一步步地在掃描管上移動(dòng)樣品，獲得一個(gè)累計(jì)的、較大范圍的移動(dòng)。其具體做法是：先讓掃描管在XY平面內(nèi)緩慢地朝某一確定的方向θ移動(dòng)樣品一步，再讓掃描管快速回撤，以后就照此重復(fù)。如果回撤時(shí)樣品的慣性力大于掃描管對(duì)樣品的最大靜摩擦力，樣品就不會(huì)在回撤時(shí)被靜摩擦力拉回原地，而是相對(duì)于原地往θ方向滑動(dòng)了一步s。盡管每一步的移動(dòng)s依然是微小距離(10-100微米量級(jí))，但多次重復(fù)之后便可產(chǎn)生了一個(gè)累計(jì)的大范圍移動(dòng)(毫米量級(jí)或更高)。這種靠摩擦力和慣性力的混合作用產(chǎn)生的移動(dòng)有幾個(gè)缺點(diǎn)：第一、摩擦力盡管小于慣性力，但依然起一個(gè)阻礙移動(dòng)的作用，使得行走緩慢、無力。第二、由于摩擦力會(huì)隨滑動(dòng)發(fā)生地的表面清潔度、溫度、濕度、平滑度等因素的變化而變化，所以摩擦力的干擾會(huì)使得樣品移動(dòng)方向θ不恒定，即：產(chǎn)生偏向。第三、摩擦力的干擾也會(huì)導(dǎo)致每一步步長(zhǎng)的不確定，即：行走距離不可精確控制。后兩個(gè)問題直接造成大范圍定位精度降低。Alex?deLozanne等大還因此在2006年3月第5卷第2期IEEE?TRANSACTIONS?0N?NANOTECHNOLOGY期刊的第77頁撰文引入了移動(dòng)導(dǎo)軌來解決偏向的問題，但這只能保證在導(dǎo)軌方向的移動(dòng)不偏向，而且行走距離依然不可精確控制，行走的重復(fù)性也差。

如果使用這樣帶有摩擦力的、定位不精確的步進(jìn)掃描管，也很難做成能對(duì)同一樣品點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量或成像的雙探針掃描探針顯微鏡，原因是：雙探針掃描探針顯微鏡的雙針一般相隔距離較大(毫米量級(jí)，若要把兩根針安置到相距微米量級(jí)而不相碰和損毀是很難的)，當(dāng)?shù)谝桓结樳x擇了某一樣品表面點(diǎn)A進(jìn)行測(cè)量或成像之后，定位精度差的步進(jìn)掃描器是很難通過移動(dòng)樣品一個(gè)較大距離后還能將A點(diǎn)移至第二根探針的掃描范圍(約10-100微米)之內(nèi)。如果像Alex?deLozanne在上述論文中所做的那樣靠引入導(dǎo)軌并且移動(dòng)雙探針而非移動(dòng)待測(cè)樣品來尋找同一測(cè)量點(diǎn)的話，不僅算法復(fù)雜(需要在XY平面內(nèi)獨(dú)立控制兩根探針，共4個(gè)自由度)，且需要兩臺(tái)控制器來獨(dú)立控制雙針的定位(非常昂貴)，特別是雙針很難選用不同類型的探針。例如，掃描隧道顯微鏡探針和原子力顯微鏡探針結(jié)構(gòu)、尺寸很不相同，不能很靠近地放置，必須定位精度很高才能尋找到很遠(yuǎn)處的測(cè)量點(diǎn)。正因如此，至今尚未見能用不同類型的兩個(gè)掃描探針顯微鏡探針對(duì)同一樣品點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量或成像。現(xiàn)有的能測(cè)量同一樣品點(diǎn)的雙探針顯微鏡皆為雙掃描隧道顯微鏡，它們的雙探針類型相同且細(xì)小、尖銳，可較容易靠近放置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為解決上述摩擦力對(duì)定位精度的干擾，提供一種定位精度高的無摩擦慣性步進(jìn)掃描器及其控制方法，為解決上述雙針同點(diǎn)測(cè)量定位精度低、控制復(fù)雜、代價(jià)高問題，提供一種高精度簡(jiǎn)單易控的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡。

本發(fā)明解決摩擦力干擾定位粘度技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明無摩擦慣生步進(jìn)掃描器，包括：XYZ壓電掃描管、基座，還包括拉力器、壓片，XYZ壓電掃描管的一端固定于基座，另一端為掃描端，壓片置于該掃描端上，拉力器將壓片拉向基座，所述掃描端托住該壓片并與該壓片產(chǎn)生壓力，壓片與XYZ壓電掃描管之間電絕緣。

所述拉力器置于XYZ壓電掃描管的內(nèi)部。

所述拉力器為彈簧、磁體、松緊繩、吊錘或壓片本身。

本發(fā)明無摩擦慣性步進(jìn)掃描器的控制方法，其特征是以如下時(shí)序控制XYZ壓電掃描管，完成驅(qū)動(dòng)壓片在XY平面內(nèi)的一次步進(jìn)：在XYZ壓電掃描管上施加Z伸長(zhǎng)信號(hào)和XY移動(dòng)信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的順序可以對(duì)調(diào)也可以同時(shí)進(jìn)行，該XY移動(dòng)信號(hào)作用完成時(shí)間的平方大于兩倍XY移動(dòng)步長(zhǎng)與壓片質(zhì)量的積除以壓片與XYZ掃描管間最大靜摩擦系數(shù)再除以壓片與XYZ掃描管間的正壓力，之后，在XYZ壓電掃描管上施加Z回縮信號(hào)和XY回移信號(hào)，其中Z回縮信號(hào)完成時(shí)間的平方小于兩倍Z回縮與壓片質(zhì)量的積除以壓片與XYZ壓電掃描管之間的正壓力，而XY回移信號(hào)過程發(fā)生在Z回縮信號(hào)過程之內(nèi)。

本發(fā)明解決雙針同點(diǎn)測(cè)量技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：