CN1405547A - 切变力检测器 - Google Patents
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Abstract
一种切变力检测器，包括双层压电陶瓷片，光纤探针和有关检测电路，切变力检测器为长2～10毫米，宽0.5～5毫米，厚0.1～1毫米的悬臂式双层压电陶瓷片，双层压电陶瓷片中的一层用作为激振片，另一层作为检测片，激振片用于激励双压电陶瓷片本身在其共振频率上带动光纤探针振动，光纤探针受到探针和样品之间切变力的作用使双层压电陶瓷片的共振振幅和相位发生变化，进而使检测片上产生的压电电压的振幅和相位发生变化，将这一变化作为反馈信号送入扫描探针显微镜的反馈电路就可实现探针与样品间距的控制，本发明间距控制分辨率可达0.5纳米。
Description
技术领域
本发明涉及扫描探针显微术，特别涉及到扫描近场光学显微术等领域。
背景技术
扫描近场光学显微术是将扫描探针显微术与光学技术相结合而发展起来的一种全新的显微成象技术。该技术利用光学探针替代光学透镜，并采用探针在样品表面近场逐点扫描的成象方式，能在纳米尺度上同时提供样品表面微区形貌和光学(包括：吸收、散射、偏振以及荧光等)信息，突破了光波衍射效应极限，使光学图象分辨率达到纳米量级。
扫描近场光学显微术的光学分辨率主要取决于光学探针尖部的尺寸和探针与样品表面之间的距离。对于可见光和近红外光波而言，典型的探针尖部尺寸一般为50～200纳米，探针与样品表面间距通常控制在小于20纳米，即近场范围之内。因此，发展探针与样品的近场控制技术是扫描近场光学显微术中一个非常重要的问题。
检测探针和样品之间的切变力是实现扫描近场光学显微术中探针与样品近场控制的常用方法。切变力是指当探针沿样品表面方向振动时所感受到的探针与样品之间的横向作用力，它能使探针在固有频率振动时的共振振幅和相位发生明显变化。用适当的方法检测探针共振振幅或相位的变化就可实现切变力的检测，将振幅或相位变化转换为电压信号送入扫描探针显微镜的反馈回路就可实现探针与样品近场控制以及近场光学显微成像。
在目前现有技术中，一种最为常用的方法是采用U形石英振荡器即石英音叉来实现切变力的检测。在这种检测系统中，用光纤制成的探针粘贴在石英音叉的一个臂上，并随同音叉沿样品表面方向作横向振动。当这种石英音叉和光纤探针组成的系统在音叉的固有频率上振动时，音叉振幅将达到最大值，由此产生的压电电压(或电流)的振幅也将达到最大值。如果粘贴在音叉上的光纤探针受到探针和样品之间切变力的作用，其振幅和相位将产生变化，压电电压(电流)的振幅和相位也将随之变化。利用适当的电路就可实现压电电压振幅和相位变化的检测，进而实现切变力的检测。如将该变化转换为电压作为反馈信号送入反馈电路就可实现探针与样品近场控制。由于石英音叉的尺寸很小，材料很脆，将光纤探针粘接在音叉臂上非常困难。另外，由于石英音叉的品质因数较高使得检测电路频宽受到很大限制进而影响扫描成象速度的提高。
在现有技术中，还有一种采用压电陶瓷管实现切变力检测的方法。在这种方法中，光纤探针被粘接固定在压电陶瓷管内，并在压电陶瓷管的振动激励下振动。当切变力作用于光纤探针时，会引起压电陶瓷管内部阻抗的变化，用桥式电路检测阻抗变化就可实现探针与样品近场控制。由于阻抗的变化很小，一般只有10-4，对电桥的热稳定性要求很高，因此增加了制作和应用这种检测系统的难度。
采用一对压电陶瓷块进行切变力检测是继石英音叉式和压电陶瓷管式检测技术之后发展起来的又一现有技术。在该技术中，一对压电陶瓷块被分别粘接固定在一个固定探针的金属块两侧，其中一个压电陶瓷块用于激励光纤探针在其固有频率上振动，另一个压电陶瓷块用于检测光纤探针的振动状态，进而实现探针与样品近场控制。这种技术在实际应用时需要在大的振动谱背景下找出由探针产生的很微弱的共振峰，因此给实际应用带来较大困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于制造、使用简便、性能优良的切变力检测器。
本发明是按照下述原理来实现上述目的：
采用矩形双层压电陶瓷片为切变力检测器，将一端上层的压电陶瓷层去掉一段，露出中间的电极用于接地，用胶粘或机械加紧的方法将该端固定于一固定台上，双层压电陶瓷片的其余部分呈悬臂状伸出于固定台的另一端边缘，形成自由端；
该自由端的表面顺向粘接一光纤探针，该探针可由单模或多模光纤用化学腐蚀或加热拉伸的方法制成，其探头略微伸出于双层压电陶瓷片自由端的端缘，光纤探针的另外一端与光电探测器耦合；
双导压电陶瓷片其中一层作为激振片，另外一层作为检测片，构成一个激振和检测一体化的压电悬臂式切变力检测器。激振片与电压信号发生器相接，用于驱动双层压电陶瓷片自身并同时带动光纤探针在其共振频率上作横向振动，检测片用于检测压电片本身的振动。检测片上产生的压电电压，经前置放大器送入锁相放大器进行处理，其输出信号馈入扫描探针显微镜的反馈电路，驱动XYZ三维扫描器实现探针与样品近场控制。当样品扫描时，由光纤探针测到的切变力和光学信号被分别送入数据采集成象系统可同时获得样品表面形貌和光学性质图象。
本发明的切变力检测器及探针与样品近场控制技术具有结构简单、易于制造、使用简便、性能优良和成本低廉等特点，表1为本发明与现有技术的比较。
表1
附图说明
| 制造工艺 | 使用情况 | 主要性能 | |
| 石英音叉式 | 粘贴探针困难 | 确定共振频率很容易 | 灵敏度高，但扫描速度慢 |
| 压电陶瓷管式 | 对检测电路要求较高 | 确定共振频率较困难 | 灵敏度较高 |
| 压电陶瓷块式 | 制作过程较复杂 | 同上 | 同上 |
| 本项发明 | 制作较容易 | 很容易确定共振频率 | 灵敏度较高，扫描速度较高 |
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明结构及工作流程示意图。
具体实施方式
实施例：
将厚度为0.6毫米的双层压电陶瓷片2切割成长、宽分别为16毫米和1.5毫米的矩形结构，去掉其一端一层为2毫米长的压电陶瓷材料直到露出中间电极，该电极接地，此端处10毫米的部分用胶粘接并固定在扫描探针显微镜的本体3上，并伸露出2毫米，其余长度为6毫米的部分形成悬臂状。将制备好的光纤探针1顺向地粘接在双压电片2的上表面，探针1伸出长度小于1毫米，探针的另一头与光电倍增管相连。因光纤探针的制备以及光电耦合为一公知技术，本实施例中对此不作详细描述。双层压电陶瓷片2的下层压电片为激振片，与信号发生器4相连，本实施例采用的信号发生器是1-100毫伏的正弦信号发生器，由信号发生器4驱动双压电片2在其共振频率上振动；双层压电陶瓷片2的上层压电片为检测片，与前置放大器5相连，本实施例采用前置放大器是增益1-1000，带宽10千赫的电压放大器。检测片上产生的压电电压，经前置放大器5送入锁相放大器6进行处理，其输出信号馈入扫描探针显微镜的反馈电路7，驱动XYZ三维扫描器9实现探针与被测样品10近场控制。当样品10扫描时，由光纤探针1测到的切变力和光学信号被分别送入数据采集成象系统8可同时获得样品表面形貌和光学性质图象。
当激振片激励双压电片共振时，双压电片的振幅将达到最大值，由于压电效应，检测片上将同时产生最大振幅的压电电压。如果光纤探针接近样品受到切变力的作用，双压电片的振幅将减小，产生的压电电压振幅也将随之减小。通过检测压电电压振幅的变化，就可实现切变力的检测及探针与样品近场控制。此外，检测压电电压相位的变化或振幅和相位一同的变化也可实现探针与样品近场控制。当激励电压为几个毫伏时，前置放大器的输出信号一般为100毫伏，应用这项技术探针与样品近场控制分辨率可达0.5纳米。需要说明的是，上述实施例只是用来说明本发明的技术特征，不是用来限定本发明的专利申请范围，比如本实施例中双层压电陶瓷片的几何尺寸也可以制成其它尺寸，但其原理及结构仍属于本发明的专利申请范畴。
Claims (6)
1、一种切变力检测器，包括双层压电陶瓷片、光纤探针和检测电路，其特征在于：
将双层压电陶瓷片一端上层的压电陶瓷层去掉一段，露出的中间电极接地，并将该端固定于一固定台上，双层压电陶瓷片的其余部分呈悬臂端伸出于固定台的另一端边缘；
双层压电陶瓷片悬臂端上粘接一光纤探针，该探针的探头略微伸出于该悬臂端的端缘，光纤探针的另外一端与光电探测器耦合；
双层压电陶瓷片中的一层与电压信号发生器相接，另一层与前置放大器相连，并将信号送入锁相放大器进行处理，其输出信号馈入扫描探针显微镜的反馈电路，驱动三维扫描器，由光纤探针测到的切变力和光学信号被分别送入数据采集成象系统。
2、根据权利要求1所述的切变力检测器，其特征在于，双层压电陶瓷片与固定台之间为粘接或机械夹紧。
3、根据权利要求1所述的切变力检测器，其特征在于，光纤探针与双层压电陶瓷片之间为粘接。
4、根据权利要求1所述的切变力检测器，其特征在于，光纤探针在双层压电陶瓷片悬臂端的上表面顺向粘接。
5、根据权利要求1所述的切变力检测器，其特征在于，信号放大器为1-100毫伏的正弦信号发生器。
6、根据权利要求1所述的切变力检测器，其特征在于，前置放大器是增益1-1000，带宽10千赫的电压放大器。
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