CN108089030A - 双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器及扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器及扫描探针显微镜，包括两个压电管，两个压电管共轴地相互嵌套在一起，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，形成双管嵌套机械并联结构，这相当于增加了扫描器的有效机械壁厚，使其更加坚固、刚性强，进而增强了扫描器的抗震性和稳定性，非常适合于极端与恶劣环境下的扫描成像；同时，内外压电管又能在Z方向同步伸长或缩短，使得本发明的压电扫描器在Z方向上的压电伸缩长度并不会因此而减少，因而依然能够满足扫描探针显微镜要求其压电扫描器在Z方向伸缩长度足够大的必要条件。

Description

双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器及扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及一种高稳定、高刚性的压电扫描器，特别涉及一种利用两个压电管共轴地相互嵌套形成机械并联结构的高稳定扫描器以及用其制成的扫描探针显微镜，属于扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

G.Binnig等人在1982年发明了人类历史上第一台扫描探针显微镜(scanningprobe microscope)，因其具有独特优异的原子分辨能力和广泛的测量用途，一直活跃地应用于科学研究的最前沿。扫描探针显微镜的核心部件之一是能够对样品表面进行XYZ三维方向进行扫描的扫描器，其稳定性直接决定了扫描成像的质量。最早的扫描器是一种三脚架结构的扫描器，即三个分别负责X、Y、Z方向扫描的压电体相互垂直正交地固定在一起，形成一个带有公共顶点的三脚架结构，把探针固定在顶点位置，通过三个压电体的压电效应来实现三维方向的扫描。但这种扫描器结构松散、机械稳定性较差，对外界震动比较敏感，而且体积庞大，不易集成化。后来G.Binnig发明了一种单管扫描器，即利用单独一根四象限压电管作为扫描器，该压电管的外电极轴向四等分，负责XY方向扫描；其内电极保持完整，负责Z方向扫描。因其结构简单紧凑、扫描精度和定位精度较高，该类单管扫描器一直被人们沿用至今。单管扫描器为了在Z方向能有足够大的压电伸缩长度，其壁厚通常只有0.5毫米。较小的壁厚使得单管扫描器存在一个固有的问题，那就是刚性较差、机械稳定性较低。虽然可以通过简单地增加扫描器的壁厚来提高其刚性，但这样无疑会导致其在Z方向压电伸缩长度减小，而对于扫描探针显微镜扫描器来说Z方向足够大的压电伸缩长度是至关重要的，因为微观尺度(纳米范围)的细逼近过程往往靠扫描器自身在Z方向伸长来完成。

为了提高扫描器的刚性和稳定性，同时不减少其Z方向压电伸缩长度，本发明提出一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，即两个压电管共轴地相互嵌套在一起，内压电管的两端与外压电管的两端分别相互固定形成双压电管机械并联结构。这种设计既能够使得扫描器的有效机械壁厚增加，又不减少Z方向的压电伸缩长度，因此大大增强了扫描器的刚性和稳定性，从而使其能够很好地抵抗外界震动，提高扫描成像的质量。

发明内容

本发明是为了解决现有单管压电扫描器壁厚小、刚性差，而简单地增加壁厚又会导致Z方向压电伸缩长度减小的矛盾，提供一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器及用其制成的扫描探针显微镜。

本发明实现上述目的的技术方案是：

一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，包括两个压电管，其特征是所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述外压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。

所述内压电管为内表面和外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。

所述内压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，并且其四个象限分别与外压电管的四个象限相对。

在所述双压电管机械并联结构的两端分别增设一个固定于内外压电管之间的绝缘环。

一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，包括两个压电管，其特征是所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述内压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。

所述外压电管为内表面和外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。

在所述双压电管嵌套机械并联结构的两端分别增设一个固定于内外压电管之间的绝缘环。

一种所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器制成的扫描探针显微镜，其特征是增设压电马达、导轨、样品架和滑座，所述压电马达和样品架共轴地固定于导轨的两端，所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器一端固定于滑座上并将该滑座设置于导轨上，构成压电马达驱动滑座沿导轨导向的方向向样品架滑移逼近的结构。

本发明的双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器的工作原理为：

所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述外压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。由于内压电管对外压电管起到支撑和加固作用，使得扫描器的有效机械壁厚增加(相当于内外两个压电管壁厚之和)，进而提高了扫描器的刚性和稳定性；且内压电管又可以在Z方向上与外压电管同步伸长或收缩，使得扫描器在Z方向的压电伸缩长度不会减小，从而实现了本发明的目的。

上述内压电管可以为内表面和外表面均为单一电极的Z方向定位压电管，此时，XY成像扫描信号只施加在外压电管上，内压电管不产生与之配合的XY形变，则总的XY扫描范围将会因为两个压电管之间的机械约束而显著缩小，从而可以通过这种机械结构实现高定位精度的小范围扫描功能。

上述内压电管也可以为四象限的XYZ三维定位压电管，并且其四个象限分别与外压电管的四个象限相对，此时，XYZ成像扫描信号可以同时施加内外两个压电管上，内外压电管产生互相配合且方向一致的XYZ形变，使得扫描器增加了总的壁厚且Z方向压电伸缩长度不会减小。

所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述内压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构，所述外压电管为内表面和外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。此时，XY成像扫描信号只施加在内压电管上，外压电管不产生与之配合的XY形变，则总的XY扫描范围将会因为两个压电管之间的机械约束而显著缩小，从而可以通过这种机械结构实现高定位精度的小范围扫描功能。

在上述双压电管嵌套机械并联结构的两端分别增设一个固定于内外压电管之间的绝缘环，这样能有效防止电极间出现短路。

上述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器可以增设压电马达、导轨、样品架和滑座，组成高稳定扫描探针显微镜，此处的压电马达和样品架共轴地固定于导轨的两端，扫描器一端可以固定于滑座上并将该滑座设置于导轨上，构成压电马达驱动滑座沿导轨导向的方向向样品架滑移逼近的结构。这样，如果扫描器的另一端固定有探针，就能实现针与样品间的粗逼近，从而实现显微成像的功能。

根据上述原理可以看出，本发明具有如下优秀性能：

(1)在本发明的压电扫描器中，内外压电管嵌套并在两端相互固定，相当于增加了扫描器的有效机械壁厚，使其更加坚固、刚性强，进而增强了扫描器的抗震性和稳定性，非常适合于极端与恶劣环境下的扫描成像；同时，内外压电管能在Z方向同步伸长或缩短，使得本发明的压电扫描器在Z方向上的压电伸缩长度并不会因此而减少，因而依然能够满足扫描探针显微镜要求其压电扫描器在Z方向伸缩长度足够大的必要条件。

(2)本发明所述的两个压电管内外嵌套，形成机械并联结构，充分利用了压电管中空的特点，而不会增加扫描器的总体尺寸。

(3)对于本发明所述的嵌套结构，如果XY成像扫描信号只施加在一个压电管上，另一个压电管不产生与之配合的XY形变，则总的XY扫描范围将会因为两个压电管之间的机械约束而显著缩小，从而可以通过这种机械结构实现高定位精度的小范围扫描功能而不需要使用传统的电子学缩小电路，避免引入额外的电子学噪音。

(4)相应地，用本发明双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器制成的扫描探针显微镜，具有刚性强、稳定性高、定位精度高、抗震动干扰能力强的特点，最终也提高了成像质量。

附图说明

图1是本发明外压电管为四象限型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器的结构示意图。

图2是本发明内外压电管均为四象限型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器的结构示意图。

图3是本发明内压电管为四象限型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器的结构示意图。

图4是本发明增设绝缘环型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器的结构示意图。

图5是本发明双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器制成的扫描探针显微镜的结构示意图。

图中标号：1外压电管、2内压电管、3a固定端之一、3b固定端之二、3c绝缘环之一、3d绝缘环之二、4电极间隙、5外压电管单一外电极、5a与5b与5c与5d外压电管四象限外电极、6外压电管单一内电极、6a与6b与6c与6d外压电管四象限内电极、7内压电管单一外电极、7a与7b与7c与7d内压电管四象限外电极、8内压电管单一内电极、8a与8b与8c与8d内压电管四象限内电极、9压电马达、10导轨、11样品架、12滑座。

具体实施方式

以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步描述。

实施例1：外压电管为四象限型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器

参见附图1，本发明外压电管为四象限型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，包括两个压电管1、2，其特征是所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管1，套在里面的压电管为内压电管2，所述外压电管1为四象限的XYZ三维定位压电管，所述内压电管2为内外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。

工作时，扫描器的固定端之一3a作为扫描端，固定端之二3b作为基座端，外压电管1的四象限外电极5a、5b、5c、5d负责XY方向扫描，外压电管1的内电极6和内压电管2的外电极7、内电极8负责Z方向扫描，且内外压电管在Z方向上同步伸长或收缩。这样既增加了扫描器的有效机械壁厚(相当于内外两个压电管壁厚之和)，进而提高了扫描器的刚性和稳定性，又不会减少扫描器在Z方向上的压电伸缩长度。由于XY成像扫描信号只施加在外压电管1上，内压电管2不产生与之配合的XY形变，则总的XY扫描范围将会因为两个压电管之间的机械约束而显著缩小，从而可以通过这种机械结构实现高定位精度小范围扫描功能。

图中所示的是外压电管四象限电极分布在其外表面，也可以是外压电管四象限电极分布在其内表面。

实施例2：内外压电管均为四象限型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器

参见附图2，上述实例中内压电管2可以是四象限的XYZ三维压电管，并且其四个象限分别与外压电管1的四个象限相对，外压电管1的四象限内电极6a、6b、6c、6d与内压电管2的四象限外电极7a、7b、7c、7d负责X、Y方向的扫描，外压电管1的外电极5和内压电管2的内电极8负责Z方向扫描，且内外压电管在Z方向上同步伸长或收缩。这样既增加了扫描器的有效机械壁厚(相当于内外两个压电管壁厚之和)，进而提高了扫描器的刚性和稳定性，又不会减少扫描器在Z方向上的压电伸缩长度。

图中所示的是外压电管四象限电极分布在其内表面而内压电管四象限电极分布在其外表面，也可以是外压电管四象限电极分布在其外表面而内压电管四象限电极分布在其内表面，也可以是外压电管四象限电极分布在其外表面而内压电管四象限电极分布在其外表面，也可以是外压电管四象限电极分布在其内表面而内压电管四象限电极分布在其内表面。

实施例3：内压电管为四象限型双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器

参见附图3，在实施例2中外压电管1可以为内外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。内压电管2的四象限内电极8a、8b、8c、8d负责X、Y方向扫描，内压电管2的外电极7和外压电管1的外电极5、内电极6负责Z方向扫描，且内外压电管在Z方向上同步伸长或收缩。这样既增加了扫描器的有效机械壁厚(相当于内外两个压电管壁厚之和)，进而提高了扫描器的刚性和稳定性，又不会减少扫描器在Z方向上的压电伸缩长度。由于XY成像扫描信号只施加在内压电管上，外压电管不产生与之配合的XY形变，则总的XY扫描范围将会因为两个压电管之间的机械约束而显著缩小，从而可以通过这种机械结构实现高定位精度的小范围扫描功能。

图中所示的是内压电管四象限电极分布在其内表面，也可以是内压电管的四象限电极分布在其外表面。

实施例4：增设绝缘环型双压电管嵌套机械并联的扫描器

参见附图4，在上述实例中，在所述双压电管机械并联结构的两端分别增设一个固定于内外压电管之间的绝缘环3c、3d，这样有效防止内外压电管电极间出现短路。

实施例5：双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器制成的扫描探针显微镜

参见附图5，用本发明双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器制成的扫描探针显微镜，该扫描探针显微镜包括双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，增设压电马达9、导轨10、样品架11和滑座12，所述压电马达9和样品架11共轴地固定于导轨10的两端，所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器一端固定于滑座12上并将该滑座设置于导轨10上，构成压电马达9驱动滑座12沿导轨10导向的方向向样品架11滑移逼近的结构。这样，如果扫描器的另一端固定有探针，就能实现针与样品间的粗逼近，从而实现显微成像的功能。

图中所示的是利用弹簧将滑座设置于导轨上，滑座的设置方式也可以是利用重力、磁力。

Claims (9)

1.一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，包括两个压电管，其特征是所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述外压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。

2.根据权利要求1所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，其特征是所述内压电管为内表面和外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。

3.根据权利要求1所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，其特征是所述内压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，并且其四个象限分别与外压电管的四个象限相对。

4.根据权利要求1、2、3所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，其特征是在所述双压电管机械并联结构的两端分别增设一个固定于内外压电管之间的绝缘环。

5.一种用权利要求1所述的双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器制成的扫描探针显微镜，其特征是增设压电马达、导轨、样品架和滑座，所述压电马达和样品架共轴地固定于导轨的两端，所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器一端固定于滑座上并将该滑座设置于导轨上，构成压电马达驱动滑座沿导轨导向的方向向样品架滑移逼近的结构。

6.一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，包括两个压电管，其特征是所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述内压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。

7.根据权利要求6所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，其特征是所述外压电管为内表面和外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。

8.根据权利要求6、7所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，其特征是在所述双压电管嵌套机械并联结构的两端分别增设一个固定于内外压电管之间的绝缘环。

9.一种用权利要求6所述的双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器制成的扫描探针显微镜，其特征是增设压电马达、导轨、样品架和滑座，所述压电马达和样品架共轴地固定于导轨的两端，所述双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器一端固定于滑座上并将该滑座设置于导轨上，构成压电马达驱动滑座沿导轨导向的方向向样品架滑移逼近的结构。