[發明專利]一種組合式三維高速掃描裝置

無效

• 申請號: 200910085101.2
• 申請日: 2009-05-31
• 公開（公告）號: CN101576466A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 周瑜升;商廣義;蔡微;姚駿恩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N13/10
• 分類號: G01N13/10;G12B21/22
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明涉及掃描顯微成像技術領域，特別涉及一種組合式三維高速掃描裝置，屬于掃描探針顯微技術領域。

背景技術

隨著科技的發展，微電子工程、精密工程、生物工程以及納米科技等領域追切需要能夠在微納米尺度實現快速檢測或高速成像的技術。尤其在目前蓬勃發展的納米科技領域，高速掃描技術或裝置與掃描探針顯微技術密不可分，是實現微納米尺度高速成像、檢測和加工的核心技術之一。

掃描探針顯微鏡(SPM)是目前開展納米檢測與表征的重要工具，主要包括掃描隧道顯微鏡、掃描力顯微鏡以及近場光學顯微鏡等。由于SPM都是采用樣品或探針在x-y方向上逐點掃描、同時控制探針與樣品表面之間的Z向距離的方式進行顯微成像，因此三維掃描裝置是SPM中不可或缺的核心部件。由于壓電陶瓷材料具有性能穩定、使用簡便以及很高的位移分辨率和動態響應速度等優點，已成為目前制作SPM三維掃描裝置的主要材料。用壓電陶瓷材料制成的三維掃描裝置主要有三角架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。如圖1a所示的是三角架型三維掃描裝置原理示意圖，三角架型裝置由三根獨立的長方體壓電陶瓷材料以相互正交的方式交匯結合在一起，探針安裝在三角架的交匯頂端，三個壓電元件在電壓驅動下獨立地伸展與收縮，使探針在x、y、z三個方向運動，從而實現探針的三維掃描，圖1b給出了單管型三維掃描器原理示意圖，其三維掃描是由壓電陶瓷管實現的，壓電陶瓷管外部的電極分成面積相等的四份，管內壁為單一整體電極。在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮，導致陶瓷管向垂直于管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極上按一定順序施加電壓就可實現X-Y方向的掃描。Z方向上的運動可通過在管子內壁電極施加電壓使管子整體伸展或收縮實現。管子外壁的另外兩個電極也可同時施加相反符號的電壓使管子一側伸展，相對的另一側收縮，以增加掃描范圍，圖1c所示的是“十”字架配合單管型三維掃描裝置原理示意圖，其中采用“十”字形壓電陶瓷材料實現X-Y掃描，Z方向上的運動由處于“十”字形中心的一個壓電陶瓷管實現。

雖然SPM在物理、化學、生物和材料等領域獲得了廣泛應用，但是由于SPM的掃描成像速度很慢，限制了SPM在動態過程、工業現場測量和高密度存儲等領域的進一步廣泛應用。因此提高SPM的掃描成像速度是拓展SPM應用領域的一個重要問題，而三維高速掃描裝置成為實現高速SPM檢測成像的技術關鍵。

在現有技術中，一種高速SPM掃描成像的方法是使用基頻頻率很高的壓電陶瓷堆來實現，但這種裝置的驅動電路復雜，需要大功率的高壓功放和高壓電源，另外還存在成本高、掃描范圍小等問題。

在現有技術中，還有一種是采用石英音叉實現高速掃描，即在石英音叉受到交流信號激勵并發生共振的情況下實現高速掃描。但由于音叉尺寸很小(小于1×1毫米)，導致安放樣品困難，并且掃描范圍小、負載能力低。此外由于音叉的品質因數很高，在其共振掃描時極易受外界干擾。

發明內容

本發明的目的是提供一種組合式三維高速掃描裝置，并具有掃描范圍大、結構簡單、使用簡便、成本低廉、抗干擾能力強等特點。可以用于SPM高速檢測成像。

本發明所述的組合式三維高速掃描裝置的結構組成主要包括：三維掃描器和高速一維掃描器，其中的高速一維掃描器由雙層壓電陶瓷片固定片、雙層壓電陶瓷片組成。其中三維掃描器為一個單管式壓電陶瓷管或者平板式三維掃描器，所述的三維掃描器沿Z軸正方向設置，單管式壓電陶瓷管上端與絕緣固定環粘接，絕緣固定環與固定底座用螺釘連接，雙層壓電陶瓷片固定片粘接到固定底座上表面，雙層壓電陶瓷片的一端通過兩側的雙層壓電陶瓷片固定片夾緊，另一端為自由端，自由端末端上表面粘接樣品臺或者探針。

所述的組合式三維高速掃描裝置的工作原理為：雙層壓電陶瓷片的一層作為激振片，另一層作為檢測片，激振片與掃描信號發生器連接，用于驅動雙層壓電陶瓷片自身并同時帶動樣品臺或者探針在其共振頻率附近做橫向振動，實現x方向高速掃描；檢測片用于檢測雙層壓電陶瓷片本身的振動。檢測片上產生的壓電信號，與電壓檢測裝置連接，檢測其電壓幅值和相位從而進行圖像校正。三維掃描器用于實現y方向掃描以及z方向控制。

本發明的優點在于：

(1)掃描范圍大，能夠達到40微米以上；

(2)結構簡單，只需要在現有的三維掃描器基礎上增加雙層壓電片即可；

(3)使用簡便、成本低廉；

(4)抗干擾能力強，能夠很好地實現SPM高速成像；

表1為本發明與現有技術的比較。