專利名稱:自適應(yīng)多形變量程模式壓電陶瓷掃描器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種掃描探針顯微鏡的自適應(yīng)多形變量程模式壓電陶瓷掃描器，能使同一個壓電陶瓷掃描器可以具有多個不同的最大形變量程掃描模式，并能夠進(jìn)行非線性校正自適應(yīng)，屬于顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
在納米技術(shù)領(lǐng)域：
，掃描探針顯微鏡(簡稱SPM)是必不可少的研究開發(fā)工具。1982年，IBM公司研制成功了世界上第一臺新型的表面分析儀器----掃描隧道顯微鏡。它的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。而在其上發(fā)展起來的SPM儀器是目前可以達(dá)到原子級分辨率且不需嚴(yán)格制樣的最有效的研究材料表面物理、化學(xué)特性的儀器。借助于原子力顯微鏡(簡稱AFM)等掃描探針顯微鏡技術(shù)，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解延伸到納米層次，促進(jìn)了納米科技的形成。
壓電陶瓷管掃描器是掃描探針顯微鏡的核心組成部分之一。目前市場上用于SPM的壓電陶瓷管掃描器的最大形變量程(即掃描范圍)是固定的，并與SPM控制器一一配對，如調(diào)換掃描器，必須對其重新進(jìn)行非線性校正，使用非常麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠自適應(yīng)非線性校正，并且具有多個可調(diào)的不同最大形變量程掃描模式的壓電陶瓷掃描器；該掃描器方案是，在若干個(也可以是同一個)壓電陶瓷掃描器對應(yīng)的正反兩面壁上，涂上若干區(qū)域的導(dǎo)電層，各區(qū)域的導(dǎo)電層相互間是絕緣的，將若干導(dǎo)電層分為若干組，分別用于形成X、Y、Z方向的形變，每一個導(dǎo)電層用導(dǎo)線引出，施加驅(qū)動電壓，產(chǎn)生掃描量程需要的形變量。并用掃描量程狀態(tài)信號線產(chǎn)生二進(jìn)制代碼，表示每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層不同的形變量程。將每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層對應(yīng)于不同掃描量程的等效驅(qū)動電壓和形變量的非線性函數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)存儲于EPROM中。
施加于壓電陶瓷每一個導(dǎo)電層上的驅(qū)動電壓，是由一個掃描信號電壓通過二個放大器輸出的二個互為反向的直流正、負(fù)驅(qū)動電壓，二個放大器的放大倍數(shù)可以相同，也可以不同，每一個導(dǎo)電層通過跳線方式或電氣開關(guān)可以任意連接正、負(fù)、零驅(qū)動電壓，使每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層可以產(chǎn)生不同的最大形變量程。選擇接線模式，是將掃描量程狀態(tài)信號線通過跳線方式或電氣開關(guān)，連接或不連接+5V電源，置為邏輯“1”或“0”，構(gòu)成一組二進(jìn)制代碼，用來表示每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層某一形變量程模式。
壓電陶瓷可以是管狀的、棒狀的或片狀的?？梢栽谌舾蓚€壓電陶瓷上制成用于形成X、Y、Z方向形變的若干組導(dǎo)電層，也可以在一個壓電陶瓷上制成形成X、Y、Z方向形變的若干組導(dǎo)電層。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是由于壓電陶瓷掃描器的導(dǎo)電層不是固定地連接驅(qū)動電壓線，而是每個導(dǎo)電層可以通過跳線方式或電氣開關(guān)靈活地連接正、負(fù)、零驅(qū)動電壓，使得同一個掃描器可以具有多個不同的最大形變量程掃描模式。而且，由于二個放大器的放大倍數(shù)可以相同，也可以不同，使得通過放大器輸出的二個驅(qū)動電壓可以是對稱的，也可以是不對稱的，因此，不但可以給每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層產(chǎn)生一個很高的等效最大驅(qū)動電壓，也可以產(chǎn)生很小的等效最大驅(qū)動電壓，以產(chǎn)生從小到大多個范圍的形變量程。另外，由于EPROM中存儲著每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層對應(yīng)于不同掃描量程的等效驅(qū)動電壓的形變量的非線性函數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)，所以無論將該掃描器配置到任何一臺SPM上，只需調(diào)用EPROM中存儲的相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行非線性校正即可，具有自適應(yīng)功能，使用非常方便。



附圖1是本實(shí)用新型的一個壓電陶瓷管掃描器的立體示意圖。
附圖2是另一個壓電陶瓷管掃描器的立體示意圖。
附圖3是運(yùn)算放大器輸出的驅(qū)動X方向電壓波形圖。
附圖4是運(yùn)算放大器輸出的驅(qū)動Y方向電壓波形圖。
附圖5是運(yùn)算放大器輸出的驅(qū)動Z方向電壓波形圖。
具體實(shí)施方式
請參閱附圖1所示，在一個壓電陶瓷管對應(yīng)的正反兩面壁上，涂上八個區(qū)域的導(dǎo)電層1、2、3、4、5、6、7、8，各區(qū)域的導(dǎo)電層相互間是絕緣的，將八個導(dǎo)電層分為二組，一組為1、2、3、4用于形成X方向的形變，另一組為5、6、7、8用于形成Y方向的形變，在另一個壓電陶瓷管的正面(請參閱附圖2)，涂上二個相互絕緣的導(dǎo)電層9、10，在其反面全部涂上一個導(dǎo)電層11，用于形成第三組的Z方向形變，所有導(dǎo)電層用導(dǎo)線引出，施加驅(qū)動電壓，產(chǎn)生掃描量程需要的形變量。并用掃描量程狀態(tài)信號線產(chǎn)生地進(jìn)制代碼，表示每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層不同的形變量程，將每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層對應(yīng)于不同掃描量程的等效驅(qū)動電壓和形變量的非線性函數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)存儲于EPROM中。
請參閱附圖3所示，二個運(yùn)算放大器22、23，其輸出端24、25，輸出反向的直流電壓，一個是正向，電壓從負(fù)150伏到正150伏，另一個是反向，從負(fù)130伏到正130伏，兩者是非對稱的，是驅(qū)動壓電陶瓷掃描器X方向掃描的驅(qū)動電壓波形圖?！?V電壓輸入端21，通過正、反向放大器22和23，輸出二個方向相反的非對稱的驅(qū)動電壓到輸出端24，附圖4與附圖3一樣，放大器32、33產(chǎn)生二個反向直流電壓輸出端34、35，控制Y方向的驅(qū)動電壓，控制X、Y方向的驅(qū)動電壓，是不對稱的，V24(V34)＝-150V～+150V，V25(V35)＝+130V～-130V?？刂芞方向掃描的驅(qū)動電壓值是對稱的，參閱附圖5所示電壓波形，其輸出端V44＝-150V～+150V，V45＝+150V～-150V。從每個導(dǎo)電層分別引出導(dǎo)線，通過跳線方式或電氣開關(guān)，可以靈活選擇向每個導(dǎo)電層施加正、負(fù)、零驅(qū)動電壓。在本實(shí)施例中，通過跳線方式或電氣開關(guān)(所謂跳線，是用一個活動的接點(diǎn)，通過插頭，插到各個接點(diǎn)，構(gòu)成新的接線組合)，采用以下幾種接線模式控制X方向掃描的第一組導(dǎo)電層采用3種接線模式模式X0導(dǎo)電層1接驅(qū)動信號電壓輸出端24端，導(dǎo)電層2接25端，3接24端，4接25端；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VX0max＝(V1-V2)+(V3-V4)＝(150V-(-130V))+(150V-(-130V))＝560V模式X1導(dǎo)電層1接地，導(dǎo)電層2接25端，導(dǎo)電層3接25端，4接25端；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VX1max＝(V1-V2)+(V3-V4)＝(0V-(-130V))+((-130V)-(30V))＝130V模式X2導(dǎo)電層1接驅(qū)動信號電壓輸出端24端，2接地，3接25端，4接地；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VX2max＝(V1-V2)+(V3-V4)＝(150V-0V)+((-130V)-0V)＝20V控制Y方向掃描的第二組導(dǎo)電層采用同樣的3種接線模式模式Y(jié)0導(dǎo)電層5接驅(qū)動信號電壓輸出端34端，6接35端，7接34端，8接35端；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VY0max＝(V5-V6)+(V7-V8)＝(150V-(-130V))+(150V-(-130V))＝560V模式Y(jié)1導(dǎo)電層5接地，6接35端，7接35端，8接35端；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VY1max＝(V5-V6)+(V7-V8)＝(0V-(-130V))+((-130V)-(-130V))＝130V模式Y(jié)2導(dǎo)電層5接驅(qū)動信號電壓輸出端34端，6接地，7接35端，8接地；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VY2max＝(V5-V6)+(V7-V8)＝(150V-0V)+((-130V)-0V)＝20V控制Z方向掃描的第三組導(dǎo)電層采用2種接線模式模式Z0導(dǎo)電層9接驅(qū)動信號電壓輸出端44端，10接45端，11接44端；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VZ0max＝(V9-V11)+(V10-V11)＝(150V-(-150V))+(150V-(-150V))＝600V模式Z1導(dǎo)電層9接驅(qū)動信號電壓輸出端44端，10接地，11接地；該模式產(chǎn)生的等效最大驅(qū)動信號電壓為VZ1max＝(V9-V11)+(V10-V11)＝(150V-0V)+(0V-0V)＝150V
將X0、Y0、Z0的組合接線模式的掃描量程狀態(tài)定義為000；將X1、Y1、Z0的組合接線模式的掃描量程狀態(tài)定義為001；將X2、Y2、Z0的組合接線模式的掃描量程狀態(tài)定義為010；將X0、Y0、Z1的組合接線模式的掃描量程狀態(tài)定義為100；將X1、Y1、Z1的組合接線模式的掃描量程狀態(tài)定義為101；將X2、Y2、Z1的組合接線模式的掃描量程狀態(tài)定義為110。
將3組接線組定義為掃描量程狀態(tài)信號線，通過跳線方式或電氣開關(guān)，連接或不連接+5V電源，置為邏輯“1”或“0”，構(gòu)成一組二進(jìn)制代碼，用來定義每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層某一形變量程模式。如將3組掃描量程狀態(tài)信號線中的第2組與+5V電源連接，第一和第三組接地，構(gòu)成二進(jìn)制代碼010，對應(yīng)于當(dāng)前采用的是X2、Y2、Z0的組合接線模式，VX2max＝20V，VY2max＝20V，VZ0max＝600V。
如壓電陶瓷管A的線性壓電系數(shù)是200nm/V，壓電陶瓷管B的線性壓電系數(shù)是5nm/V，則每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層的各種形變量程模式對應(yīng)的最大量程如下表所示


EPROM中存儲著分別產(chǎn)生X、Y、Z方向形變量程的三組壓電陶瓷導(dǎo)電層對應(yīng)于不同最大掃描量程模式的驅(qū)動電壓和形變量的非線性函數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)。根據(jù)當(dāng)前的掃描量程狀態(tài)信號，調(diào)用EPROM中相應(yīng)的非線性校正函數(shù)，對壓電陶瓷掃描器進(jìn)行非線性校正。例如當(dāng)掃描量程狀態(tài)信號二進(jìn)制代碼為010時，X方向最大掃描量程25μm，Y方向最大掃描量程25μm，Z方向最大掃描量程3μm。調(diào)用EPROM中分別對應(yīng)于X、Y、Z方向掃描器010掃描量程模式的非線性函數(shù)，對X、Y、Z方向的掃描進(jìn)行非線性校正。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)多形變量程模式壓電陶瓷掃描器，其特征在于在一個壓電陶瓷對應(yīng)的正反兩面壁上，涂上若干區(qū)域的導(dǎo)電層，各區(qū)域的導(dǎo)電層相互間是絕緣的，將若干導(dǎo)電層分為若干組，一組產(chǎn)生X方向的形變，另一組產(chǎn)生Y方向的形變，在另一個壓電陶瓷的正面，涂上二個相互絕緣的導(dǎo)電層，在其反面全部涂上一個導(dǎo)電層，產(chǎn)生第三組的Z方向形變，所有導(dǎo)電層用導(dǎo)線引出，施加驅(qū)動電壓，產(chǎn)生掃描量程需要的形變量，并用掃描量程狀態(tài)信號線產(chǎn)生二進(jìn)制代碼，表示每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層不同的形變量程模式，將每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層對應(yīng)于不同掃描量程等效驅(qū)動電壓的形變量的非線性函數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)存儲于EPROM中。
2.按權(quán)利要求
1所述的自適應(yīng)多形變量程模式壓電陶瓷掃描器，其特征在于施加于壓電陶瓷每一個導(dǎo)電層上的驅(qū)動電壓，是由一個掃描信號電壓通過二個放大器輸出的二個互為反向的直流正、負(fù)驅(qū)動電壓，二個放大器的放大倍數(shù)可以相同，也可以不同，每一個導(dǎo)電層通過跳線方式或電氣開關(guān)，可以任意連接正、負(fù)、零驅(qū)動電壓，使每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層可以產(chǎn)生不同的最大形變量程。
3.按權(quán)利要求
1所述的自適應(yīng)多形變量程模式壓電陶瓷掃描器，其特征在于將掃描量程狀態(tài)信號線通過跳線方式或電氣開關(guān)，連接或不連接+5V電源，置為邏輯“1”或“0”，構(gòu)成一組二進(jìn)制代碼，用來表示每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層某一形變量程模式。
4.按權(quán)利要求
1所述的自適應(yīng)多形變量程模式壓電陶瓷掃描器，其特征在于壓電陶瓷可以是管狀的、棒狀的或片狀的。
5.按權(quán)利要求
1所述的自適應(yīng)多形變量程模式壓電陶瓷掃描器，其特征在于可以在若干個壓電陶瓷上制成產(chǎn)生X、Y、Z方向形變的若干組導(dǎo)電層，也可以在同一個壓電陶瓷上制成產(chǎn)生X、Y、Z方向形變的若干組導(dǎo)電層。
專利摘要
本實(shí)用新型包括若干個分別控制X、Y、Z方向掃描的壓電陶瓷掃描器，給壓電陶瓷掃描器的每個導(dǎo)電層施加不同的驅(qū)動電壓，使壓電陶瓷掃描器具有多個模式的最大形變量程；將每一組壓電陶瓷導(dǎo)電層對應(yīng)于不同掃描量程等效驅(qū)動電壓的形變量的非線性函數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)存儲于EPROM中，系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的掃描量程狀態(tài)的非線性函數(shù)，對X、Y、Z方向的掃描進(jìn)行非線性校正，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是同一個壓電陶瓷掃描器可以具有多個不同的最大形變量程掃描模式，并且無論將該掃描器配置到任何一臺掃描探針顯微鏡上，都無需重新進(jìn)行非線性校正，具有自適應(yīng)功能，使用非常方便。
文檔編號G01Q10/00GKCN2674434SQ200420019932
公開日2005年1月26日 申請日期2004年2月5日
發(fā)明者趙于勒 申請人:趙于勒導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan