針掃描方式，圖4為樣 品掃描方式。實際上，探針和樣品的掃描運動是兩者的相對運動，這兩種方式是等效的，但 目前的掃描探針顯微鏡，一般集成了多種檢測技術(shù)，且探針多采用激光檢測方式，在檢測的 過程中需要保持探針和激光檢測系統(tǒng)的相對位置不變，采用探針掃描的方式實現(xiàn)起來難度 較大，故掃描探針顯微鏡大多采用樣品掃描方式。
[0092] 下面以樣品掃描的方式對發(fā)明的實現(xiàn)過程進行說明。
[0093] 壓電掃描器的原理是利用壓電材料的壓電逆效應，通過電壓來對運動進行精確的 控制。壓電陶瓷掃描器主要有壓電陶瓷管型和平臺型等，其中，由于壓電陶瓷管型掃描器具 有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、響應速度快、驅(qū)動控制方便等優(yōu)點，是目前分辨率最高、成 本低廉的壓電掃描器類型，故其在掃描探針顯微鏡中應用最為廣泛。
[0094] 壓電陶瓷管型掃描器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中，4為壓電陶瓷管;5為絕緣底座，起固 定作用，一般由陶瓷加工而成，具有很好的絕緣性和機械穩(wěn)定性;6為絕緣樣品臺，下端與壓 電陶瓷管連接，被測樣品7置于其上，8為電極引線，9為掃描器的外殼。
[0095] 壓電陶瓷管為壓電陶瓷管型掃描器的核心，其結(jié)構(gòu)如圖6和7所示。圖6和7中，壓電 陶瓷管沿徑向極化，外壁電極按四象限進行分割，并與內(nèi)壁電極Z構(gòu)成5個獨立的電極，分別 以+父、 _父、+￥、_丫和2表不。
[0096] 如圖8所示，當Z電極的電壓增大時，陶瓷管被分割的4部分由內(nèi)向外的電場強度逐 漸增加，這4部分同時沿軸向伸長，產(chǎn)生了沿Z方向的運動。當+X電極的電壓增大、-X電極的 電壓減小時，陶瓷管被分割的右側(cè)部分由內(nèi)向外的電場強度減小，沿軸向縮短;而左側(cè)部分 由內(nèi)向外的電場強度增加，沿軸向伸長。陶瓷管的這種一側(cè)縮短而另一側(cè)伸長的形變導致 其上端向右彎曲，產(chǎn)生X方向的運動。同理，+Y和-Y電極的電壓變化也會產(chǎn)生Y方向的運動。 因此，外壁電極按四象限分割的單根陶瓷管，通過對5個電極的電壓進行控制，就可以實現(xiàn) X-Y-Z三維方向的運動。
[0097] 壓電陶瓷管型掃描器的X-Y方向掃描運動是通過壓電陶瓷管的彎曲形變來實現(xiàn) 的，故如果樣品厚度不同，系統(tǒng)即使驅(qū)動掃描器做相同的運動，探針所檢測的樣品上表面的 運動距離也不相同，如圖9所示。圖9中，10為厚度為T1的第一樣品，11為厚度為T2的第二樣 品，4為壓電掃描管，5為絕緣底座，6為掃描器樣品臺。由圖9可以看出，系統(tǒng)驅(qū)動掃描管進行 掃描時，第一樣品的移動距離為S1，第二樣品的移動距離為S2，若T2>T1，則S2>S1，即樣品 越厚，實際的掃描范圍（即移動距離)就越大。
[0098] 壓電陶瓷管的形變是管的一側(cè)縮短而另一側(cè)伸長產(chǎn)生的，但用于掃描探針顯微鏡 壓電掃描器的壓電陶瓷管的實際長度比較大，常用為30mm，最小的也為10mm左右，其上下端 面的邊界效益可以忽略，故壓電陶瓷管形變后形狀可以通過圓弧線來擬合，如圖10所示。圖 10中，A為壓電陶瓷管固定端面的中心點，B為未施加掃描驅(qū)動電壓時壓電陶瓷管運動端面 的中心點，B'為施加掃描驅(qū)動電壓產(chǎn)生形變后壓電陶瓷管運動端面的中心點，0為形變時壓 電陶瓷管圓弧的圓心;L為壓電陶瓷管的長度，Η為樣品臺的高度，T0為用于校準壓電陶瓷管 掃描范圍的標準樣品的厚度，T為被測樣品的實際厚度，St為壓電陶瓷管運動端面的移動距 離，S0為標準樣品的移動距離，S為被測樣品的實際移動距離。
[0099] 假設ZBAB'為Θ，則有：
[0100] St = L · tanB (1)
[0101] 由于AC和B'C'分別為壓電陶瓷管形變后形成的圓弧在A和B'兩點的切線，通過簡 單的幾何證明可以證得ZDB'C'=2ΖΒΑΒ'=2Θ。因此，根據(jù)幾何關系有：
[0102] S0 = St+(H+T0) · tan29 (2)
[0103] S = St+(H+T) · tan29 (3)
[0104]而用于掃描探針顯微鏡中的壓電掃描管，其管長L 一般為30mm，在電壓的驅(qū)動下， 其彎曲產(chǎn)生的移動距離St在ΙΟμπι量級，Θ非常小，只有10-4量級，故有：tan0 = 0，tan20 = 29。 因此，式(2)和(3)可以改寫為：
[0105] S0 = St+2(H+T0)9 (4)
[0106] S = St+2(H+T)9 (5)
[0107] 由式（1)、（4)和(5)聯(lián)立可以得到：
[0108]
(6)
[0109] 對于儀器的生產(chǎn)廠家，以長度為L的壓電陶瓷管、高度為Η的樣品臺裝配掃描器，出 廠時只需要采用厚度為Τ0的標準樣品對掃描器的掃描范圍進行一次標定，即可得到S0。在 實際測量中，只要知道被測樣品的厚度T，就從式(6)得到該掃描器當前的實際掃描范圍，有 效校正因樣品厚度變化引起的測量誤差，實現(xiàn)檢測結(jié)果的高準確度(此方法被稱為計算校 正法）。
[0110] 對于儀器的用戶，由于掃描器均采用了保護外殼進行精密封裝，無法準確獲得壓 電陶瓷管的長度L和樣品臺的高度H。為了對未知壓電陶瓷管和樣品臺尺度的已封裝壓電陶 瓷管掃描器的實際掃描范圍進行校正，本發(fā)明提出了一種壓電陶瓷管掃描器的盲校正方 法。壓電陶瓷管掃描器的盲校正法的基本原理如下：
[0111] 由式(6)可以得到：
[0112]
(7)
[0113] 定義壓電陶瓷管掃描器的幾何參數(shù)k:
[0114] k = L+2H (8)
[0115] 則式(7)可以改寫為：
[0116]
(9；
[0117] 對于儀器的用戶，先采用厚度為T0的標準樣品對掃描器的掃描范圍進行標定得到 S0,再采用厚度為T1的標準樣品（實際中可以在厚度為T0的標準樣品下方墊放厚度為t的墊 片，則T1 = T0+t)對掃描器的掃描范圍進行標定得到S1，將T0、S0、T1、S1代入式(8)，可得到 掃描器的幾何參數(shù)表達式為：
[0118]
(10)
[0119]由式(6)和式(8)聯(lián)立可以得到：
[0120]
(ll)
[0121] 也就是說，盡管沒有壓電陶瓷管和樣品臺尺度參數(shù)，儀器的用戶仍然可以通過采 用另一個厚度不同的標準樣品再對掃描器掃描范圍進行多一次的標定，得到掃描器的幾何 參數(shù)k，而確定了k的值后，在實際的測量中，只要知道被測樣品的實際厚度T，就能從式（11) 得到該掃描器當前的實際掃描范圍，有效校正因樣品厚度變化而引起的測量誤差，實現(xiàn)檢 測結(jié)果的高準確度。
[0122] 由于掃描器的實際掃描范圍與樣品的厚度具有相關性，本發(fā)明還提出了另一種校 準方法一擬合校正法，該方法采用一系列不同厚度的標準樣品進行實際的掃描成像，獲得 該掃描器對應于每個樣品厚度的實際掃描范圍，從而擬合出該掃描器的實際掃描范圍與樣 品厚度的關系曲線或函數(shù)，然后以擬合出的關系曲線或函數(shù)為依據(jù)，對樣品厚度導致的實 際掃描范圍的變化進行校準。擬合校正法是一種基于實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗式校準方法，只要所 選擇的一系列不同厚度的標準樣品數(shù)量足夠多且厚度范圍覆蓋儀器實際使用過程中被測 樣品的所有可能厚度即可，可以不考慮厚度對掃描范圍產(chǎn)生影響的成原，故其還適用于非 壓電陶瓷管的其他類型掃描器。
[0123] 而對于樣品厚度所引起的掃描范圍的變化，用戶可以采用上述的計算校正法、盲 校正法和擬合校正法這三種方法進行校正，獲得實際掃描范圍與樣品厚度的關系。獲得實 際掃描范圍與樣品厚度的關系后，可根據(jù)樣品的實際厚度采用實時在線校正法或離線后處 理校正法對壓電陶瓷管掃描器的掃描范圍進行校正。
[0124] 其中，掃描范圍的離線后處理校正法，是指在利用掃描探針顯微鏡獲得檢測結(jié)果 后，考慮到樣品厚度引起的測量誤差對被測樣品的實際厚度進行測量，并引入了樣品厚度 這個參數(shù)，對已得到的檢測結(jié)果進行校準，獲得校準后的結(jié)果，該結(jié)果消除了樣品厚度對掃 描范圍的影響，有效提高了檢測結(jié)果的準確度。離線后處理校正法則與掃描探針顯微鏡控 制系統(tǒng)無關，只需了解檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)格式，即可進行校準，生成校準后的新數(shù)據(jù)。
[0125] 而掃描范圍的實時在線校正法，是指將計算校正法、盲校正法和擬合校正法集成 到掃描探針顯微鏡的檢測成像控制系統(tǒng)中，在對樣品進行檢測時，將樣品的實際厚度輸入 系統(tǒng)或自動獲取樣品的實際厚度，檢測成像控制系統(tǒng)再以實際厚度對掃描范圍進行自動校 準，消除樣品厚度對掃描范圍的影響，直接得到已經(jīng)校準的結(jié)果，有效提高了檢測結(jié)果的準 確度。
[0126] 與離線后處理校正法相比，實時在線校正法更加方便，但實時在線校正法需要對 掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的在線掃描控制軟件進行修改，儀器廠商一般不向用戶提供源程 序或開發(fā)接口，故實時在線校正法一般只適用于儀器廠商將其嵌入到控制系統(tǒng)中，使儀器 的性能得以提升。
[0127] 本實施例雖然基于探針固定、樣品掃描式的掃描探針顯微鏡，但對于探針掃描、樣 品固定是掃描探針顯微鏡，本實施例的校準方法也同樣適用，而且本實施例的校準方法也 適用于其他采用壓電陶瓷(特別是壓電陶瓷管)驅(qū)動的儀器實際運動行程的校準。
[0128] 實施例二
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