CN110082568A - 一种扫描电化学显微镜及其校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫描电化学显微镜，包括：三维滚珠丝杠扫描器、三维压电扫描器、导电探针、导电基底、工作平台和微控单元，所述三维滚珠丝杠扫描器包括X调节轴、Y调节轴和Z调节轴；X调节轴、Y调节轴和Z调节轴两两相互垂直设置，所述X调节轴设置在工作平台上，所述三维压电扫描器设置在Z调节轴的上，本方案的扫描电化学显微镜内部集成稳定性较高的滚珠丝杠扫描器、压电扫描器、导电探针、导电基底和微控单元，通过滚珠丝杠扫描器对压电扫描器的扫描范围和线性度进行校正，避免了使用精密距离测试仪器或标准样品，具有操作简便和成本较低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及扫描导电探针显微镜技术领域，具体涉及一种扫描电化学显微镜及其校正方法。
背景技术
扫描导电探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)是一系列显微镜的统称，包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、静电力显微镜(EFM)、磁力显微镜(MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等，其基本原理是利用导电探针对被测样品进行扫描，在扫描过程中同时检测导电探针与样品之间的相互作用(隧道电流、相互作用力、静电力、磁力、电化学电流等)，从而得到被测样品表面的相关信息(形貌、结构、导电性等)。与光学成像技术相比，扫描导电探针显微镜具有极高的分辨率，还可以得到光学信号之外的信息，因此在物理、化学、生物、医学、材料、微电子等学科都有着广泛的应用。
扫描导电探针显微镜的基本结构包括实现导电探针和样品之间的三维相对运动的扫描器、实现相互作用检测的检测器以及配套的计算机软硬件、导电探针等。显微镜的分辨率由导电探针和样品之间的最小相对位移，也就是扫描器的精度决定。现有的扫描导电探针显微镜采用的扫描器包括机械扫描器和扫描电化学显微镜，前者由步进电机驱动直线型的滚珠丝杠来实现线性运动，扫描范围可以由几毫米到几百毫米，扫描分辨率最高可以达到10纳米左右；后者以压电陶瓷作为驱动部件，扫描范围通常在几十到几百微米，扫描分辨率可以达到亚纳米级别。
扫描导电探针显微镜的工作流程中，首先要控制导电探针接近被测样品，然后在X-Y平面上进行扫描成像，系统控制导电探针对被测样品的特定区域扫描n行，每行采集m点，即可得到n*m个像素点的图像。通常情况下，会先进行大范围、低分辨率的粗略扫描，找到感兴趣的位置后，再逐步缩小范围，进行更高分辨率的扫描。为了兼顾较大的导电探针移动范围和较高的扫描分辨率，现代的扫描导电探针显微镜中通常会同时包含机械扫描器和扫描电化学显微镜，如图1所示。图1中，1、2、3分别为X、Y、Z方向的机械扫描器，4为扫描电化学显微镜，5为导电探针，6为被测样品。
应用于扫描导电探针显微镜的扫描电化学显微镜的内部结构主要有基于压电堆和柔性铰链结构的平台型扫描器和压电陶瓷管型扫描器，无论是哪一种结构，都是通过压电陶瓷的逆压电效应，通过改变电极电压来控制压电陶瓷的伸缩，进而实现空间运动的。理想状态下，压电陶瓷的位移与驱动电压线性相关，但是在实际中，由于压电陶瓷材料本身存在蠕变、磁滞等特性，其形变量与驱动电压之间存在着明显的非线性关系，因此需要对扫描电化学显微镜的扫描范围和线性关系进行校正。
目前，普遍采用的扫描电化学显微镜驱动方式有开环驱动和闭环驱动两种。开环驱动法的校正，需要事前对扫描电化学显微镜的位移和驱动电压之间的关系进行检测，获取位移与驱动电压之间的关系表格或关系曲线，在实际应用的时候，以事前获取的关系为依据，对扫描器施加适当的电压，控制其位置；闭环驱动法，是指在扫描器内部置入位移传感器，如电容式位移传感器、应变片式位移传感器等，对扫描器的位移进行实时的检测，并对扫描器的驱动电压进行实时反馈控制，从而实现精确位移控制。无论是开环驱动方式，还是闭环驱动方式，扫描电化学显微镜都需要进行校正。出厂前的校正结果，在实际应用过程中会随着时间、负载、温度、传感器老化等外界条件的变化产生偏移，因此，对扫描电化学显微镜的校正，是扫描导电探针显微镜实现高精度成像的前提。
目前，普遍采用的扫描电化学显微镜校正方法，多是通过对标准样品进行扫描，将得到的结果与样品的实际尺寸参数进行对比，通过拟合的方式进行校正。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在申请号为201510760570.5，名称为“内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置及检测方法”的发明专利中介绍了采用激光干涉仪校正压电陶瓷扫描器的方法；上海大学在申请号为200410016561.7，名称为“扫描导电探针显微镜中压电执行器模型参数标定和非线性校正方法”的发明专利中介绍了采用标准光栅作为标准样品，对扫描电化学显微镜参数进行校正的方法。然而，精密位移检测仪器和精密标准样品的使用都需要较高的成本，并且需要额外的装置，目前业内尚缺乏简便有效的对集成于扫描导电探针显微镜系统内部的扫描电化学显微镜的扫描范围和线性关系进行校正的方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种扫描电化学显微镜及其校正方法。
一种扫描电化学显微镜，包括：三维滚珠丝杠扫描器、三维压电扫描器、导电探针、导电基底、工作平台和微控单元，所述三维滚珠丝杠扫描器包括X调节轴、Y调节轴和Z调节轴；X调节轴、Y调节轴和Z调节轴两两相互垂直设置，所述X调节轴设置在工作平台上，所述三维压电扫描器设置在Z调节轴的上，所述导电探针设置所述三维压电扫描器的末端，所述导电基底设置在所述工作平台上，且所述导电基底的位置和所述导电探针的位置相对应，所述微控单元包括：终端、微控制器、数字-模拟转换器、模拟-数字转换器和恒电位仪电路，终端和微控制器双向连接，微控制器还和数字-模拟转换器、恒电位仪电路、导电探针依次连接，微控制器还和模拟-数字转换器、恒电位仪电路、导电基底依次连接。
优选地，所述恒电位仪电路包括电压生成电路和电流检测电路，电压生成电路的一端和数字-模拟转换器连接，电压生成电路的另一端和导电探针连接，电流检测电路的一端和模拟-数字转换器连接，电流检测电路的另一端和导电基底连接。
优选地，所述电压生成电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；第一电阻的一端和数字-模拟转换器连接，第一电阻的另一端和第二电阻的一端、第一运算放大器的反向输入端均连接，第一运算放大器的同向输入端连接至地，第一运算放大器的输出端和第二电阻的另一端、第三电阻的一端均连接，第三电阻的另一端和第二运算放大器的反向输入端连接，第二运算放大器的同向输入端和第四电阻的一端连接，第四电阻的另一端和第三运算放大器的输出端、第三运算放大器的反向输入端均连接，第三运算放大器的同向输入端和第二运算放大器的输出端、导电探针均连接。
优选地，电流检测电路包括第五电阻和第四运算放大器；第五电阻的一端、第四运算放大器的反向输入端均和导电基底连接，第五电阻的另一端和第四运算放大器的输出端连接，第四运算放大器的同向输入端连接至地，第四运算放大器的输出端还和模拟-数字转换器连接。
一种扫描电化学显微镜的扫描范围校正方法，包括：校正扫描电化学显微镜在X方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在X方向上的扫描范围的步骤包括：
S101，利用电压生成电路在导电探针和导电基底之间施加恒定的电压；
S102，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；
S103，控制压电扫描器为X方向最小行程；
S104，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S105，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S106，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针回到初始位置；
S107，控制压电扫描器到X方向最大行程；
S108，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S109，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S10，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器的行程之差，得到压电扫描器X方向的最大扫描范围。
一种扫描电化学显微镜的扫描范围校正方法，包括：校正扫描电化学显微镜在Y方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在Y方向上的扫描范围的步骤包括：
S201，利用电压生成电路在导电探针和导电基底之间施加恒定的电压；
S202，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；其中，初始位置为导电基底X-Y方向的边缘；
S203，控制压电扫描器为Y方向最小行程；
S204，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S205，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S206，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针回到初始位置；
S207，控制压电扫描器到Y方向最大行程；
S208，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S109，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S210，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器的行程之差，得到压电扫描器Y方向的最大扫描范围。
一种扫描电化学显微镜的扫描范围校正方法，包括：校正扫描电化学显微镜在Z方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在Z方向上的扫描范围的步骤包括：
S301，利用电压生成电路在导电探针和导电基底之间施加恒定的电压；
S302，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；其中，初始位置为导电基底的上表面；
S303，控制压电扫描器为Z方向最小行程；
S304，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S305，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S306，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针回到初始位置；
S307，控制压电扫描器到Z方向最大行程；
S308，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S309，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S310，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器的行程之差，得到压电扫描器Z方向的最大扫描范围。
一种扫描电化学显微镜的线性关系校正方法，包括：
S401，安装导电探针，将导电基底固定在工作平台的X方向，连接电压生成电路和电流检测电路；
S402，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；其中，初始位置为导电基底X-Y方向的边缘或者导电基底的上表面；
S403，设定压电扫描器的驱动电压，使压电扫描器的位移传感器输出为最小值；
S404，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；其中导电探针在导电基底的X-Y方向运动或者Z方向运动；
S405，在电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程，记为y0；
S406，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针回到初始位置；
S407，依次设置一系列压电扫描器的驱动电压，重复执行步骤S404至S406，依次采集压电扫描器位移传感器的输出与滚珠丝杠扫描器的行程；若压电扫描器是开环驱动的压电扫描器，执行步骤S408；若压电扫描器是闭环驱动的压电扫描器，执行步骤S409；
S408，将压电扫描器驱动电压作为输入，滚珠丝杠扫描器的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器驱动电压和位移之间的关系；
S409，将压电扫描器位移传感器的输出作为输入，滚珠丝杠扫描器的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器传感器输出和位移之间的关系。
优选地，步骤S407包括：依次设定压电扫描器驱动电压，使其位移传感器输出分别为最大输出的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，执行步骤S404至S406，将滚珠丝杠扫描器的行程分别记为y1、y2、……、yn，压电扫描器位移传感器输出分别记为x1、x2、……xn。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
本方案的扫描电化学显微镜内部集成稳定性较高的滚珠丝杠扫描器、压电扫描器、导电探针、导电基底和微控单元，通过滚珠丝杠扫描器对压电扫描器的扫描范围和线性度进行校正，避免了使用精密距离测试仪器或标准样品，具有操作简便和成本较低的优势。
附图说明
图1是本发明的扫描电化学显微镜的结构示意图。
图2是本发明的微控单元的原理框图。
图3是本发明的电压生成电路和电流检测电路的电路图。
图4是本发明的扫描电化学显微镜在X方向的扫描范围校正方法的流程示意图。
图5是本发明的扫描电化学显微镜的线性关系校正方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1-3、一种扫描电化学显微镜，包括：三维滚珠丝杠扫描器1、三维压电扫描器2、导电探针3、导电基底4、工作平台5和微控单元，所述三维滚珠丝杠扫描器1包括X调节轴、Y调节轴和Z调节轴；X调节轴、Y调节轴和Z调节轴两两相互垂直设置，所述X调节轴设置在工作平台5上，所述三维压电扫描器2设置在Z调节轴的上，所述导电探针3设置所述三维压电扫描器2的末端，所述导电基底4设置在所述工作平台5上，且所述导电基底4的位置和所述导电探针3的位置相对应，所述微控单元包括：终端、微控制器、数字-模拟转换器、模拟-数字转换器和恒电位仪电路，终端和微控制器双向连接，微控制器还和数字-模拟转换器、恒电位仪电路、导电探针3依次连接，微控制器还和模拟-数字转换器、恒电位仪电路、导电基底4依次连接。
在本实施例，所述恒电位仪电路包括电压生成电路和电流检测电路，电压生成电路的一端和数字-模拟转换器连接，电压生成电路的另一端和导电探针3连接，电流检测电路的一端和模拟-数字转换器连接，电流检测电路的另一端和导电基底4连接。
在本实施例，所述电压生成电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一运算放大器IC1、第二运算放大器IC2、第三运算放大器IC3；第一电阻R1的一端和数字-模拟转换器连接，第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的一端、第一运算放大器IC1的反向输入端均连接，第一运算放大器IC1的同向输入端连接至地，第一运算放大器IC1的输出端和第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的一端均连接，第三电阻R3的另一端和第二运算放大器IC2的反向输入端连接，第二运算放大器IC2的同向输入端和第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端和第三运算放大器IC3的输出端、第三运算放大器IC3的反向输入端均连接，第三运算放大器IC3的同向输入端和第二运算放大器IC2的输出端、导电探针3均连接。
在本实施例，电流检测电路包括第五电阻R5和第四运算放大器IC4；第五电阻R5的一端、第四运算放大器IC4的反向输入端均和导电基底4连接，第五电阻R5的另一端和第四运算放大器IC4的输出端连接，第四运算放大器IC4的同向输入端连接至地，第四运算放大器IC4的输出端还和模拟-数字转换器连接。具体地，运算放大器IC1为OPA627，运算放大器IC2为OPA547，运算放大器IC3为AD8065，运算放大器IC4为OPA129，电阻值R1为10K欧姆，R2为2K欧姆，电阻值R3为100K欧姆。所述终端为电脑。
上述扫描电化学显微镜的扫描范围和线性关系的校正方法，其中校正均包括在X方向、Y方向、Z方向三个方向的校正，主要包括以下步骤：
步骤一：使用导电探针3和导电基底4，在导电探针3和导电基底4之间施加一个恒定的电压；
步骤二：对压电扫描器2的扫描范围进行校正，其具体实现步骤为：
1.控制滚珠丝杠扫描器1接近导电基底4边缘(X-Y方向)或导电基底4的上表面(Z方向)，保持导电探针3与导电基底4之间的距离大于压电扫描器2的最大扫描范围；
2.分别在压电扫描器2最小行程和最大行程两种情况下，控制滚珠丝杠扫描器1由同一起始位置驱动导电探针3向导电基底4边缘(X-Y方向)或导电基底4的上表面(Z方向)运动，同时检测导电探针3和导电基底4之间的电流，在电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程；
3.基于所记录的两次扫描滚珠丝杠扫描器1的行程之差，获得压电扫描器2的最大扫描范围。
步骤三：对压电扫描器2的非线性进行校正，其具体实现步骤为：
1.控制滚珠丝杠扫描器1接近导电基底4边缘(X-Y方向)或导电基底4的上表面(Z方向)，保持导电探针3与导电基底4之间的距离大于压电扫描器2的最大扫描范围，设定此位置为起始位置；
2.调整压电扫描器2驱动电压或位移传感器输出，由同一起始位置控制滚珠丝杠扫描器1驱动导电探针3向导电基底4边缘(X-Y方向)或导电基底4的上表面(Z方向)运动，同时检测导电探针3和导电基底4之间的电流，在电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程和压电扫描器2的驱动电压或位移传感器输出；依次采集一系列压电扫描器2驱动电压或位移传感器输出与滚珠丝杠扫描器1的行程；
3.以滚珠丝杠扫描器1的行程作为实际运行距离，对压电扫描器2的线性关系进行校正；具体为：
对于开环驱动的压电扫描器2，将步骤2中获得的压电扫描器2驱动电压作为输入，滚珠丝杠扫描器1的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器2驱动电压和位移之间的关系；对于闭环驱动的压电扫描器2，将步骤2中获得的压电扫描器2位移传感器的输出作为输入，滚珠丝杠扫描器1的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器2传感器输出和位移之间的关系。
下面具体的描述扫描电化学显微镜的扫描范围和线性关系的校正方法。其中，参见图4，校正扫描电化学显微镜在X方向上的扫描范围的步骤包括：
S101，利用电压生成电路在导电探针3和导电基底4之间施加恒定的电压；
S102，控制滚珠丝杠扫描器1，驱动导电探针3到初始位置，其中导电探针3到导电基底4的距离大于压电扫描器2最大行程；
S103，控制压电扫描器2为X方向最小行程；
S104，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3向导电基底4运动，同时电流检测电路检测导电探针3和导电基底4之间的电流；
S105，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程；
S106，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3回到初始位置；
S107，控制压电扫描器2到X方向最大行程；
S108，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3向导电基底4运动，同时电流检测电路检测导电探针3和导电基底4之间的电流；
S109，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程；
S10，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器1的行程之差，得到压电扫描器2X方向的最大扫描范围。
校正扫描电化学显微镜在Y方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在Y方向上的扫描范围的步骤包括：
S201，利用电压生成电路在导电探针3和导电基底4之间施加恒定的电压；
S202，控制滚珠丝杠扫描器1，驱动导电探针3到初始位置，其中导电探针3到导电基底4的距离大于压电扫描器2最大行程；其中，初始位置为导电基底4X-Y方向的边缘；
S203，控制压电扫描器2为Y方向最小行程；
S204，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3向导电基底4运动，同时电流检测电路检测导电探针3和导电基底4之间的电流；
S205，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程；
S206，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3回到初始位置；
S207，控制压电扫描器2到Y方向最大行程；
S208，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3向导电基底4运动，同时电流检测电路检测导电探针3和导电基底4之间的电流；
S109，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程；
S210，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器1的行程之差，得到压电扫描器2Y方向的最大扫描范围。
校正扫描电化学显微镜在Z方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在Z方向上的扫描范围的步骤包括：
S301，利用电压生成电路在导电探针3和导电基底4之间施加恒定的电压；
S302，控制滚珠丝杠扫描器1，驱动导电探针3到初始位置，其中导电探针3到导电基底4的距离大于压电扫描器2最大行程；其中，初始位置为导电基底4的上表面；
S303，控制压电扫描器2为Z方向最小行程；
S304，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3向导电基底4运动，同时电流检测电路检测导电探针3和导电基底4之间的电流；
S305，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程；
S306，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3回到初始位置；
S307，控制压电扫描器2到Z方向最大行程；
S308，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针3向导电基底4运动，同时电流检测电路检测导电探针3和导电基底4之间的电流；
S309，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程；
S310，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器1的行程之差，得到压电扫描器2Z方向的最大扫描范围。
参见图5，上述扫描电化学显微镜的线性关系校正方法，包括：
S401，安装导电探针3，将导电基底4固定在工作平台5的X方向，连接电压生成电路和电流检测电路；
S402，控制滚珠丝杠扫描器1，驱动导电探针3到初始位置，其中导电探针3到导电基底4的距离大于压电扫描器2最大行程；其中，初始位置为导电基底4X-Y方向的边缘或者导电基底4的上表面；
S403，设定压电扫描器2的驱动电压，使压电扫描器2的位移传感器输出为最小值；
S404，控制滚珠丝杠扫描器1，驱动导电探针3向导电基底4运动，同时电流检测电路检测导电探针3和导电基底4之间的电流；其中导电探针3在导电基底4的X-Y方向运动或者Z方向运动；
S405，在电流发生跳变时停止导电探针3运动，记录滚珠丝杠扫描器1的行程，记为y0；
S406，控制滚珠丝杠扫描器1，驱动导电探针3回到初始位置；
S407，依次设置一系列压电扫描器2的驱动电压，重复执行步骤S404至S406，依次采集压电扫描器2位移传感器的输出与滚珠丝杠扫描器1的行程；若压电扫描器2是开环驱动的压电扫描器2，执行步骤S408；若压电扫描器2是闭环驱动的压电扫描器2，执行步骤S409；在本实施例，步骤S407包括：依次设定压电扫描器2驱动电压，使其位移传感器输出分别为最大输出的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，执行步骤S404至S406，将滚珠丝杠扫描器1的行程分别记为y1、y2、……、yn，压电扫描器2位移传感器输出分别记为x1、x2、……xn。
S408，将压电扫描器2驱动电压作为输入，滚珠丝杠扫描器1的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器2驱动电压和位移之间的关系；
S409，将压电扫描器2位移传感器的输出作为输入，滚珠丝杠扫描器1的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器2传感器输出和位移之间的关系。具体地，以所述获得的x1至xn为输入，(y0-y1)至(y0-yn)为输出，用多项式表示输入与输出之间的关系，本实施例使用四阶多项式，多项式的系数分别为A0、A1、A2、A3、A4，表达式为：y＝A4*x4+A3*x3+A2*x2+A1*x+A0；采用最小二乘法，确定系数A4、A3、A2、A1、A0，获得压电扫描器2传感器输出和位移之间的关系。
综上，本发明的扫描电化学显微镜基于珠丝杠扫描器和电流反馈的压电扫描器，能够很简便、有效的对扫描电化学显微镜的扫描范围和线性关系进行校正。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种扫描电化学显微镜，其特征在于，包括：三维滚珠丝杠扫描器、三维压电扫描器、导电探针、导电基底、工作平台和微控单元，所述三维滚珠丝杠扫描器包括X调节轴、Y调节轴和Z调节轴；X调节轴、Y调节轴和Z调节轴两两相互垂直设置，所述X调节轴设置在工作平台上，所述三维压电扫描器设置在Z调节轴的上，所述导电探针设置所述三维压电扫描器的末端，所述导电基底设置在所述工作平台上，且所述导电基底的位置和所述导电探针的位置相对应，所述微控单元包括：终端、微控制器、数字-模拟转换器、模拟-数字转换器和恒电位仪电路，终端和微控制器双向连接，微控制器还和数字-模拟转换器、恒电位仪电路、导电探针依次连接，微控制器还和模拟-数字转换器、恒电位仪电路、导电基底依次连接。
2.根据权利要求1所述的扫描电化学显微镜，其特征在于，所述恒电位仪电路包括电压生成电路和电流检测电路，电压生成电路的一端和数字-模拟转换器连接，电压生成电路的另一端和导电探针连接，电流检测电路的一端和模拟-数字转换器连接，电流检测电路的另一端和导电基底连接。
3.根据权利要求2所述的扫描电化学显微镜，其特征在于，所述电压生成电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；
第一电阻的一端和数字-模拟转换器连接，第一电阻的另一端和第二电阻的一端、第一运算放大器的反向输入端均连接，第一运算放大器的同向输入端连接至地，第一运算放大器的输出端和第二电阻的另一端、第三电阻的一端均连接，第三电阻的另一端和第二运算放大器的反向输入端连接，第二运算放大器的同向输入端和第四电阻的一端连接，第四电阻的另一端和第三运算放大器的输出端、第三运算放大器的反向输入端均连接，第三运算放大器的同向输入端和第二运算放大器的输出端、导电探针均连接。
4.根据权利要求2所述的扫描电化学显微镜，其特征在于，电流检测电路包括第五电阻和第四运算放大器；
第五电阻的一端、第四运算放大器的反向输入端均和导电基底连接，第五电阻的另一端和第四运算放大器的输出端连接，第四运算放大器的同向输入端连接至地，第四运算放大器的输出端还和模拟-数字转换器连接。
5.一种根据权利要求2-4任意一项的扫描电化学显微镜的扫描范围校正方法，其特征在于，包括：校正扫描电化学显微镜在X方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在X方向上的扫描范围的步骤包括：
S101，利用电压生成电路在导电探针和导电基底之间施加恒定的电压；
S102，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；
S103，控制压电扫描器为X方向最小行程；
S104，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S105，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S106，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针回到初始位置；
S107，控制压电扫描器到X方向最大行程；
S108，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S109，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S10，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器的行程之差，得到压电扫描器X方向的最大扫描范围。
6.一种根据权利要求2-4任意一项的扫描电化学显微镜的扫描范围校正方法，其特征在于，包括：校正扫描电化学显微镜在Y方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在Y方向上的扫描范围的步骤包括：
S201，利用电压生成电路在导电探针和导电基底之间施加恒定的电压；
S202，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；其中，初始位置为导电基底X-Y方向的边缘；
S203，控制压电扫描器为Y方向最小行程；
S204，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S205，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S206，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针回到初始位置；
S207，控制压电扫描器到Y方向最大行程；
S208，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S109，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S210，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器的行程之差，得到压电扫描器Y方向的最大扫描范围。
7.一种根据权利要求2-4任意一项的扫描电化学显微镜的扫描范围校正方法，其特征在于，包括：校正扫描电化学显微镜在Z方向的扫描范围，其中校正扫描电化学显微镜在Z方向上的扫描范围的步骤包括：
S301，利用电压生成电路在导电探针和导电基底之间施加恒定的电压；
S302，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；其中，初始位置为导电基底的上表面；
S303，控制压电扫描器为Z方向最小行程；
S304，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S305，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S306，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针回到初始位置；
S307，控制压电扫描器到Z方向最大行程；
S308，控制滚珠丝杠扫描结构，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；
S309，在电流检测电路检测到电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程；
S310，计算两次电流跳变时，滚珠丝杠扫描器的行程之差，得到压电扫描器Z方向的最大扫描范围。
8.一种根据权利要求2-4任意一项的扫描电化学显微镜的线性关系校正方法，其特征在于，包括：
S401，安装导电探针，将导电基底固定在工作平台的X方向，连接电压生成电路和电流检测电路；
S402，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针到初始位置，其中导电探针到导电基底的距离大于压电扫描器最大行程；其中，初始位置为导电基底X-Y方向的边缘或者导电基底的上表面；
S403，设定压电扫描器的驱动电压，使压电扫描器的位移传感器输出为最小值；
S404，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针向导电基底运动，同时电流检测电路检测导电探针和导电基底之间的电流；其中导电探针在导电基底的X-Y方向运动或者Z方向运动；
S405，在电流发生跳变时停止导电探针运动，记录滚珠丝杠扫描器的行程，记为y0；
S406，控制滚珠丝杠扫描器，驱动导电探针回到初始位置；
S407，依次设置一系列压电扫描器的驱动电压，重复执行步骤S404至S406，依次采集压电扫描器位移传感器的输出与滚珠丝杠扫描器的行程；若压电扫描器是开环驱动的压电扫描器，执行步骤S408；若压电扫描器是闭环驱动的压电扫描器，执行步骤S409；
S408，将压电扫描器驱动电压作为输入，滚珠丝杠扫描器的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器驱动电压和位移之间的关系；
S409，将压电扫描器位移传感器的输出作为输入，滚珠丝杠扫描器的行程作为输出，采用最小二乘法，获得压电扫描器传感器输出和位移之间的关系。
9.根据权利要求8的扫描电化学显微镜的线性关系校正方法，其特征在于，步骤S407包括：
依次设定压电扫描器驱动电压，使其位移传感器输出分别为最大输出的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，执行步骤S404至S406，将滚珠丝杠扫描器的行程分别记为y1、y2、……、yn，压电扫描器位移传感器输出分别记为x1、x2、……xn。
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