專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器、同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及壓電掃描步進(jìn)器和掃描探針顯微鏡，特別設(shè)及一種無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描 器及其控制方法以及由此制成的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的XYZ壓電掃描管因其尺寸小且操作簡(jiǎn)單、可靠，已在掃描探針顯微鏡領(lǐng)域獲得了 巨大的應(yīng)用，完全淘汰了早期的三腳架掃描結(jié)構(gòu)。但，它只能對(duì)最大約10-100微米量級(jí)這 樣一個(gè)微小范圍內(nèi)的樣品表面進(jìn)行掃描、測(cè)量譜數(shù)據(jù)和成像，這是因?yàn)橹圃靀YZ壓電掃描管 的壓電材料的壓電系數(shù)很小的緣故。目前已可以利用壓電慣性步進(jìn)器原理來(lái)一步步地在掃描 管上移動(dòng)樣品，獲得一個(gè)累計(jì)的、較大范圍的移動(dòng)。其具體做法是先讓掃描管在XY平面 內(nèi)緩慢地朝某一確定的方向<9移動(dòng)樣品一步，再讓掃描管快速回撤，以后就照此重復(fù)。如果 回撤時(shí)樣品的慣性力大于掃描管對(duì)樣品的最大靜摩擦力，樣品就不會(huì)在回撤時(shí)被靜摩擦力拉 回原地，而是相對(duì)于原地往e方向滑動(dòng)了一步s。盡管每一步的移動(dòng)s依然是微小距離(10-100 微米量級(jí))，但多次重復(fù)之后便可產(chǎn)生了一個(gè)累計(jì)的大范圍移動(dòng)(毫米量級(jí)或更高)。這種靠 摩擦力和慣性力的混合作用產(chǎn)生的移動(dòng)有幾個(gè)缺點(diǎn)第一、摩擦力盡管小于慣性力，但依然 起一個(gè)阻礙移動(dòng)的作用，使得行走緩慢、無(wú)力。第二、由于摩擦力會(huì)隨滑動(dòng)發(fā)生地的表面清 潔度、溫度、濕度、平滑度等因素的變化而變化，所以摩擦力的干擾會(huì)使得樣品移動(dòng)方向P
不恒定，即產(chǎn)生偏向。第三、摩擦力的干擾也會(huì)導(dǎo)致每一步步長(zhǎng)的不確定，即行走距離
不可精確控制。后兩個(gè)問(wèn)題直接造成大范圍定位精度降低。Alex deLozarme等人還因此在 2006年3月第5巻第2期IEEE TRANSACTIONS ON NAN0TECHN0L0GY期刊的第77頁(yè)撰文引入 了移動(dòng)導(dǎo)軌來(lái)解決偏向的問(wèn)題，但這只能保證在導(dǎo)軌方向的移動(dòng)不偏向，而且行走距離依然 不可精確控制，行走的重復(fù)性也差。
如果使用這樣帶有摩擦力的、定位不精確的步進(jìn)掃描管，也很難做成能對(duì)同一樣品點(diǎn)進(jìn) 行測(cè)量或成像的雙探針掃描探針顯微鏡，原因是雙探針掃描探針顯微鏡的雙針一般相隔距 離較大(毫米量級(jí)，若要把兩根針安置到相距微米量級(jí)而不相碰和損毀是很難的)，當(dāng)?shù)谝?根探針選擇了某一樣品表面點(diǎn)A進(jìn)行測(cè)量或成像之后，定位精度差的步進(jìn)掃描器是很難通過(guò) 移動(dòng)樣品一個(gè)較大距離后還能將A點(diǎn)移至第二根探針的掃描范圍(約10-100微米)之內(nèi)。 如果像Alex deLozanne在上述論文中所做的那樣靠引入導(dǎo)軌并且移動(dòng)雙探針而非移動(dòng)待測(cè) 樣品來(lái)尋找同一測(cè)量點(diǎn)的話，不僅算法復(fù)雜(需要在XY平面內(nèi)獨(dú)立控制兩根探針，共4個(gè)
自由度)，且需要兩臺(tái)控制器來(lái)獨(dú)立控制雙針的定位(非常昂貴)，特別是雙針很難選用不同
類(lèi)型的探針。例如，掃描隧道顯微鏡探針和原子力顯微鏡探針結(jié)構(gòu)、尺寸很不相同，不能很 靠近地放置，必須定位精度很高才能尋找到很遠(yuǎn)處的測(cè)量點(diǎn)。正因如此，至今尚未見(jiàn)能用不 同類(lèi)型的兩個(gè)掃描探針顯微鏡探針對(duì)同一樣品點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量或成像?，F(xiàn)有的能測(cè)量同一樣品點(diǎn) 的雙探針顯微鏡皆為雙掃描隧道顯微鏡，它們的雙探針類(lèi)型相同且細(xì)小、尖銳，可較容易靠 近放置。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為解決上述摩擦力對(duì)定位精度的干擾，提供一種定位精度高的無(wú)摩 擦慣性步進(jìn)掃描器及其控制方法，為解決上述雙針同點(diǎn)測(cè)量定位精度低、控制復(fù)雜、代價(jià)高 問(wèn)題，提供一種高精度簡(jiǎn)單易控的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡。
本實(shí)用新型解決摩擦力干擾定位精度技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
本實(shí)用新型無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器，包括XYZ壓電掃描管、基座，還包括拉力器、壓 片，XYZ壓電掃描管的一端固定于基座，另一端為掃描端，壓片置于該掃描端上，拉力器將
壓片拉向基座，所述掃描端托住該壓片并與該壓片產(chǎn)生壓力，壓片與XYZ壓電掃描管之間電 絕緣。
所述拉力器置于XYZ壓電掃描管的內(nèi)部。 所述拉力器為彈簧、磁體、松緊繩、吊錘或壓片本身。
本實(shí)用新型解決雙針同點(diǎn)測(cè)量技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
本實(shí)用新型由無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器制成的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡，包括基體、定位座、
第一探針、第二探針、第一Z定位器、第二Z定位器、無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器、樣品；樣品
固定于無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的壓片上，第一z定位器的底座固定于定位座上，第一探針固 定于第一 z定位器的移動(dòng)端并指向樣品構(gòu)成第一 z調(diào)節(jié)器，第二 z調(diào)節(jié)器以下列三種方式之
一構(gòu)成
(a) 第二 Z定位器的底座固定于定位座上，第二探針固定于第二 Z定位器的移動(dòng)端并指 向樣品，定位座與無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定于基體上；
(b) 第二探針固定于定位座上并指向樣品，定位座固定于第二Z定位器的移動(dòng)端，第二 Z定位器的底座與無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定于基體上；
(c) 第二探針固定于定位座上并指向樣品，無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定于第二Z 定位器的移動(dòng)端，第二Z定位器的底座與定位座固定于基體上。
所述第一Z定位器或第二Z定位器為壓電馬達(dá)、慣性馬達(dá)、螺絲調(diào)節(jié)或步進(jìn)電機(jī)。 所述慣性馬達(dá)包括壓電伸縮器、基座、彈簧片、質(zhì)量塊，壓電伸縮器的伸縮端通過(guò)彈簧 片以垂直于Z方向的彈力將質(zhì)量塊夾住。本實(shí)用新型無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的工作原理為拉力器將壓片拉向基座，但被XYZ壓 電掃描管的掃描端托住而不被拉到基座。這樣，壓片與XYZ壓電掃描管的掃描端之間就產(chǎn)生 壓力N。我們?cè)赬YZ壓電掃描管的X電極、Y電極或Z電極上施加變化緩慢的信號(hào)V(t)。這 里緩慢的定義如下V(t)變化對(duì)壓片產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)加速度a，相當(dāng)于使壓片受到慣性力F， F等 于壓片與其上樣品的總質(zhì)量m乘以a;若F小于由N產(chǎn)生的最大靜摩擦力f (等于pN, n為最大 靜摩擦系數(shù))，那么F將不足以克服f而產(chǎn)生滑動(dòng)，這樣的V(t)變化稱(chēng)為緩慢變化。這時(shí)，F(xiàn)
=ma < f = pN。因?yàn)閴浩徊揭苿?dòng)的距離為s=0.5at2，其中t為壓片移動(dòng)s所需時(shí)間，所
以m(2s/t2)<nN，也即t>sqrt (2msAiN)可稱(chēng)為緩慢，其中sqrt ()為開(kāi)根號(hào)。定義 t。-sqrt(2ms/pN)為臨界時(shí)間。
在這樣的緩慢V(t)作用下，壓片將隨XYZ壓電掃描管的掃描端一起做掃描定位運(yùn)動(dòng)而沒(méi) 有步進(jìn)。這就是其掃描定位功能，掃描范圍最大約為10-100微米量級(jí)。
如要產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，可在XYZ壓電掃描管上施加Z伸長(zhǎng)信號(hào)和緩慢的XY信號(hào)，使得壓片 在Z方向伸長(zhǎng)Sz和在XY平面內(nèi)移動(dòng)SxY，再將這兩個(gè)信號(hào)快速往回撤，這里快速的定義如下 Z的回縮等價(jià)于一個(gè)Z方向的慣性力F產(chǎn)maz,其中&為Z方向的回縮加速度az=2sz/t/，其 中tz為Z回縮所用時(shí)間；如Fz大到能完全抵消原先產(chǎn)生摩擦力的壓力N:FZ> N，即maz= m2sz/tz2 >N，也即tz〈 sqrt(2msz/N)，這樣的回撤稱(chēng)為快速。這時(shí)，因?yàn)槟墚a(chǎn)生摩擦力的正壓力為 0，即摩擦力為0，所以在施加X(jué)Y回移信號(hào)且該回移過(guò)程發(fā)生在Z回縮過(guò)程之內(nèi)時(shí)，壓片將 由于慣性而留在當(dāng)?shù)兀浑SXYZ壓電掃描管的掃描端一起回移。這個(gè)過(guò)程不受摩擦力的干擾， 所以壓片將非常精確地留在當(dāng)?shù)?，而所述的?dāng)?shù)叵鄬?duì)于原始出發(fā)點(diǎn)已精確地位移了一個(gè)步長(zhǎng) sXY。如此重復(fù)L次可累計(jì)產(chǎn)生一個(gè)大范圍移動(dòng)SxYL，實(shí)現(xiàn)其大范圍定位功能。由于完全消除 了摩擦力，這樣的宏觀定位非常精確地等于一個(gè)已知值sXYL，所以宏觀定位是精確的，且 沒(méi)有偏向問(wèn)題。
本實(shí)用新型用所述無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器制成的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡的工作原理為 樣品固定于無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的壓片上，第一 Z定位器的底座固定于定位座上，第一探 針固定于第一 Z定位器的移動(dòng)端并指向樣品構(gòu)成第一 Z調(diào)節(jié)器；第二 Z定位器的底座畫(huà)定于 所述定位座上，第二探針固定于第二Z定位器的移動(dòng)端并指向樣品，定位座與無(wú)摩擦慣性步 進(jìn)掃描器的基座固定于基體上，構(gòu)成第二Z調(diào)節(jié)器。這樣，雙針與樣品的間距可以獨(dú)立控制。 第一和第二 Z定位器實(shí)際上起到獨(dú)立地將第一和第二定探針向樣品粗逼近(coarse approach) 的作用。
我們首先調(diào)節(jié)第二Z調(diào)節(jié)器使得第二探針遠(yuǎn)離樣品表面。接著，調(diào)節(jié)第一Z調(diào)節(jié)器使得
第一探針靠近樣品表面并利用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的微觀定位、掃描功能進(jìn)行第一探針對(duì) 樣品的測(cè)量或成像。可以從所測(cè)圖像中選一獨(dú)特圖案或特征作為記號(hào)，也可用第一探針在測(cè) 量點(diǎn)附近通過(guò)原子搬運(yùn)或氣體沉積留下記號(hào)。之后，用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器將原測(cè)量點(diǎn)送 至第二探針。雙針的間距可以估算或測(cè)量出來(lái)，使得無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器可以將原測(cè)量點(diǎn)
送至第二探針附近，再調(diào)節(jié)第二 z調(diào)節(jié)器使得第二探針靠近樣品表面并進(jìn)行第二探針對(duì)樣品
的測(cè)量或成像?？梢栽谒蓤D像中尋找第一探針測(cè)量時(shí)得到的記號(hào)以精確獲得第一探針的測(cè)
量點(diǎn)。這種方法的可行性在于第一探針的成像面積可以先選大一點(diǎn)(微米量級(jí))，做好記號(hào) 后再進(jìn)行小面積成像(原子分辨率)，再做記號(hào)；用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器將原測(cè)量點(diǎn)送往第 二探針時(shí)，也沒(méi)有必要十分精確地送達(dá)第二探針針尖下，只要送到第二探針的最大掃描范圍 之內(nèi)便可以在其所成圖像中尋找第一探針?biāo)么髨D中的記號(hào)，再利用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器 的微觀定位、掃描功能將第二探針移至記號(hào)處進(jìn)行放大掃描(原子分辨率)以獲得原測(cè)量點(diǎn) 的原子級(jí)別定位或成像。
上述雙針應(yīng)盡量靠近安置，這樣能使無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器更快更準(zhǔn)確地將第一探針的 測(cè)量點(diǎn)送達(dá)第二探針處，不需要運(yùn)送太大距離。
以上所述的第二 Z調(diào)節(jié)器的目的是能獨(dú)立調(diào)節(jié)第二探針與樣品的間距，所以第二調(diào)節(jié)器 也可以按如下方式之一構(gòu)成第二探針固定于定位座上并指向樣品，定位座固定于第二Z定 位器的移動(dòng)端，第二 Z定位器的底座與無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定于基體上；或者 第二探針固定于定位座上并指向樣品，無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定于第二 Z定位器的 移動(dòng)端，第二Z定位器的底座與所述定位座固定于基體上。
與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在.-
無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器
(1) 既能宏觀高精度大范圍定位又不失微觀高定位分辨率宏觀大范圍定位用無(wú)摩擦 慣性步進(jìn)法，沒(méi)有摩擦力影響，定位精度高；微觀定位與掃描可使用慢速低慣性
(無(wú)步進(jìn))移動(dòng)模式，不失其原有的微觀定位分辨率。
(2) 體積小，僅比一個(gè)XYZ掃描管略大一點(diǎn)。
(3) 可工作于極端物理?xiàng)l件(超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超低溫、超低噪音)下，因?yàn)槠?體積小且所用的材料也能做到與極端物理?xiàng)l件相兼容。
(4) 成本低，和一個(gè)XYZ壓電掃描管的價(jià)格差不多。 同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡的有益效果體現(xiàn)在
(1)能以不同類(lèi)型的探針對(duì)同一樣品點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，因?yàn)榧词故褂貌煌?lèi)型的探針， 探針間距不得不加大，但由于無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器宏觀定位精度高，依然能夠
將第一探針測(cè)量點(diǎn)較準(zhǔn)確地送至第二探針處。
(2) 測(cè)得的數(shù)據(jù)可來(lái)自不同類(lèi)型顯微鏡。
(3) 測(cè)得的數(shù)據(jù)具有髙度可比性，因?yàn)閬?lái)自同一測(cè)量點(diǎn)。
(4) 測(cè)得的數(shù)據(jù)能幫助人們得到更多、更重要、也更可靠的結(jié)論，例如，第一探針可 選為掃描隧道顯微鏡探針，第二探針可選為原子力或磁力顯微鏡探針，那么從第 一探針獲得的數(shù)據(jù)可用第二探針的數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)或提供更多線索。
(5) 體積小，如果雙探針的Z定位器選為慣性馬達(dá)，則關(guān)鍵部件只是3個(gè)壓電陶瓷管, 體積僅有香煙盒大小，或更小。
(6) 整套裝置結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔、緊湊、牢固，噪音小、抗干擾和震動(dòng)能力強(qiáng)，整套系統(tǒng) 沒(méi)有什么松動(dòng)、懸掛、復(fù)雜繞線、易于振動(dòng)等有損穩(wěn)定的地方。
(7) 操作簡(jiǎn)單，僅需很少幾個(gè)壓電信號(hào)，可完全進(jìn)行程序控制，避免手動(dòng)調(diào)節(jié)。
(8) 而且可工作于極端物理?xiàng)l件(體積小，不發(fā)熱，出氣低，無(wú)磁，極端條件兼容)。


圖1是本實(shí)用新型內(nèi)置拉力器無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器基本結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實(shí)用新型外置拉力器無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器基本結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本實(shí)用新型并行同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本實(shí)用新型串行同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本實(shí)用新型聯(lián)動(dòng)型同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1 XYZ壓電掃描管、2基座、3拉力器、4壓片、5樣品、6第一探針、7第二 探針、8第一Z定位器、9第二Z定位器、IO定位座、ll基體、12無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器、 Ex XYZ壓電掃描管的X電極、EY XYZ壓電掃描管的Y電極、Ez XYZ壓電掃描管的Z電極、S)W XYZ 壓電掃描管掃描端的XY平面內(nèi)的偏移、SzXYZ壓電掃描管掃描端的Z方向偏移、N壓片受到 的壓力、F壓片(包括其上的樣品)受到的慣性力、f壓片受到的摩擦力。
以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)構(gòu)附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:內(nèi)置拉力器無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器
參見(jiàn)圖1， XYZ壓電掃描管1的一端固定于基座2，拉力器3將壓片4拉向基座2， XYZ 壓電掃描管1的掃描端托住壓片4使其不被拉到基座2。這樣，壓片4與XYZ壓電掃描管的 掃描端之間就產(chǎn)生壓力N的作用。拉力器3可以是彈簧、磁體、吊錘、松緊繩或壓片本身。 拉力器3置于XYZ壓電掃描管1的內(nèi)部。
本實(shí)施例的無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器可以工作于微觀掃描、定位模式，也可以工作于宏觀 大范圍步進(jìn)模式。
對(duì)于微觀掃描、定位模式，在XYZ壓電掃描管1的X電極Ex、 Y電極Ev或Z電極Ez上施 加變化緩慢的定位或掃描信號(hào)V(t)使得壓片4受到的慣性力F不足以克服壓力N產(chǎn)生的最大 靜摩擦力f，即壓片4隨XYZ壓電掃描管1的掃描端一起移動(dòng)而沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)，也即沒(méi)有步 進(jìn)。沒(méi)有步進(jìn)就不能在大范圍移動(dòng)，這就是其微觀掃描、定位功能，工作范圍最大為10-100 微米量級(jí)。
對(duì)于宏觀大范圍步進(jìn)模式，可在XYZ壓電掃描管1上施加Z伸長(zhǎng)信號(hào)和緩慢的XY信號(hào)， 使得壓片4在Z方向伸長(zhǎng)&和在XY平面內(nèi)移動(dòng)sXY，這里緩慢是指壓片4與XYZ壓電掃描管1 的掃描端之間不產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。再將這兩個(gè)信號(hào)快速往回撤，這里快速是指Z伸長(zhǎng)量&的 回縮所等價(jià)的Z方向慣性力Fz大到完全抵消能產(chǎn)生摩擦力的壓力N。這時(shí)，總的能產(chǎn)生摩擦 力的正壓力為0，即摩擦力為0，所以當(dāng)施加X(jué)Y回移信號(hào)且回移過(guò)程發(fā)生在Z回縮過(guò)程之內(nèi) 時(shí)，壓片將由于慣性而留在當(dāng)?shù)?，不隨XYZ壓電掃描管1的掃描端一起回移。這個(gè)過(guò)程不受 摩擦力的干擾，所以壓片4將非常精確地留在當(dāng)?shù)?，而所述的?dāng)?shù)叵鄬?duì)于原始出發(fā)點(diǎn)已精確
地位移了一個(gè)步長(zhǎng)SxY。如此重復(fù)L次可累計(jì)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)距離步進(jìn)Sx丄，實(shí)現(xiàn)其宏觀大范圍定
位、步進(jìn)功能。因完全消除了摩擦力，這樣的定位非常精確地等于一個(gè)已知值SxyL，所以
大范圍定位是精確的，也沒(méi)有偏向問(wèn)題。
實(shí)施例2:外置拉力器無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器
圖1畫(huà)出了拉力器3置于XYZ壓電掃描管1的內(nèi)部的情況。拉力器3的位置也可以處于 XYZ壓電掃描管1之外，如圖2所示。
實(shí)施例3:非彈簧拉力器無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器
拉力器的設(shè)置是為了能將壓片拉向基座并與XYZ壓電掃描管的掃描端以壓力相互作用， 所以，拉力器除了其位置可在XYZ壓電掃描管的內(nèi)部或外部，其種類(lèi)也可以是非彈簧類(lèi)的， 例如松緊繩、吸引壓片的磁體、壓片下吊著的吊錘或壓片本身(產(chǎn)生所述壓力的拉力來(lái)自 壓片本身的重力)等能產(chǎn)生所述壓力的裝置。
實(shí)施例4:并行同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡
圖3為本實(shí)用新型并行同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。樣品5固定于無(wú)摩擦慣性步 進(jìn)掃描器12的壓片4上，第一Z定位器8的底座固定于定位座IO上，第一探針6固定于第 一 Z定位器8的移動(dòng)端并指向樣品5構(gòu)成第一 Z調(diào)節(jié)器；第二 Z定位H 9的底座固定于定位 座10上，第二探針7固定于第二 Z定位器9的移動(dòng)端并指向樣品5，定位座10與無(wú)摩擦慣 性步進(jìn)掃描器12的基座2固定于基體11上，構(gòu)成第二Z調(diào)節(jié)器。這樣，雙針6、 7與樣品5 之間的間距可以獨(dú)立控制。第一定位器8和第二定位器9實(shí)際上起到獨(dú)立地將第一探針6和
第二定探針7向樣品5粗逼近的作用。
工作原理為首先調(diào)節(jié)第二Z定位器9使得第二探針7遠(yuǎn)離樣品5的表面。接著，調(diào)節(jié) 第一 Z定位器8使得第一探針6靠近樣品5表面并利用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12的微觀定位 或掃描功能進(jìn)行第一探針6對(duì)樣品5的測(cè)量或成像?？梢詮乃鶞y(cè)圖像中選一獨(dú)特圖案或特征 作為記號(hào)，也可用第一探針6在測(cè)量點(diǎn)附近通過(guò)原子搬運(yùn)或氣體沉積的方法做一記號(hào)。之后， 用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12將原測(cè)量點(diǎn)送至第二探針7。雙針的間距可以估算或測(cè)量出來(lái)， 使得無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12可以將原測(cè)量點(diǎn)送至第二探針7附近，再調(diào)節(jié)第二 Z定位器9 使得第二探針7靠近樣品5表面并進(jìn)行第二探針7對(duì)樣品5的測(cè)量或成像?？梢栽谒蓤D像 中尋找第一探針6測(cè)量時(shí)得到的記號(hào)以精確獲得第一探針6的測(cè)量點(diǎn)。這種方法的可行性在 于-第一探針6的成像面積可以先選大一點(diǎn)(微米量級(jí))，做好記號(hào)后再進(jìn)行小面積成像(原 子分辨率)，再做記號(hào)；用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12將原測(cè)量點(diǎn)送往第二探針7時(shí)，也沒(méi)有 必要十分精確地送達(dá)第二探針7的針尖下，只要送到第二探針7的最大掃描范圍之內(nèi)便可以 在其所成圖像中尋找先前第一探針6所得大圖中的記號(hào)，再利用無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12的 微觀定位、掃描功能將第二探針7移至記號(hào)處進(jìn)行放大掃描(原子分辨率)以獲得原測(cè)量點(diǎn) 的原子級(jí)別定位或成像。
上述雙針6、 7應(yīng)盡量靠近放置，這樣能使無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12更準(zhǔn)確、更快地將 第一探針6的測(cè)量點(diǎn)送達(dá)第二探針7處，不需要運(yùn)送太大距離。 實(shí)施例5:串行同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡
上述實(shí)施例4中的第二 Z調(diào)節(jié)器所起的目的是獨(dú)立調(diào)節(jié)第二探針7與樣品5的間距，所 以第二調(diào)節(jié)器也可以按圖4所示方式構(gòu)成第二探針7固定于定位座i0上并指向樣品5，定 位座10固定于第二 Z定位器9的移動(dòng)端，第二 Z定位器9的底座與無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器 12的基座2固定于基體11上。這樣，當(dāng)?shù)诙定位器9進(jìn)行Z伸縮調(diào)節(jié)時(shí)，可以調(diào)節(jié)樣品5 與第二探針7之間的間距。雖然由于第一 Z定位器8與第二 Z定位器9之間的串行連接使得 樣品5與第一探針6之間的間距也隨之發(fā)生改變，但這個(gè)間距可以通過(guò)調(diào)節(jié)第一 Z定位器8 使得第一探針6與樣品5之間不發(fā)生接觸就不會(huì)損毀第一探針6。所以，這種結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn) 雙探針與樣品之間的間距獨(dú)立可調(diào)。
實(shí)施例6:聯(lián)動(dòng)型同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡
見(jiàn)圖5，第二探針7固定于定位座10上并指向樣品5，無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12的基座 2固定于第二 Z定位器9的移動(dòng)端，第二 Z定位器9的底座與定位座10都固定于基體11上。 這樣，當(dāng)?shù)诙定位器9進(jìn)行Z伸縮調(diào)節(jié)時(shí)，整個(gè)無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器12以及其上圃定的 樣品5將與之聯(lián)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)第二探針7與樣品5之間的間距。雖然樣品5與第一探針6之
間的間距也隨之改變，但這個(gè)間距可以通過(guò)調(diào)節(jié)第一 Z定位器8使得第一探針6與樣品5之 間不發(fā)生接觸就不會(huì)損毀第一探針6。這種結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)雙探針與樣品之間的間距獨(dú)立可調(diào)。 實(shí)施例7:同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡的Z定位器
上述實(shí)施例4-6中所述同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡的第一、第二 Z定位器的作用是獨(dú)立調(diào)節(jié) 第一、第二探針與樣品之間的間距，相當(dāng)于粗逼近調(diào)節(jié)器。故，掃描探針顯微鏡中所用的各 種粗逼近調(diào)節(jié)器皆可用作本實(shí)用新型同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡的Z定位器，包括壓電馬達(dá)、慣 性馬達(dá)、螺絲調(diào)節(jié)或步進(jìn)電機(jī)。從控制簡(jiǎn)單、體積小、成本低、穩(wěn)定性高、極端物理?xiàng)l件兼 容等方面考慮， 一個(gè)較好的選擇是慣性馬達(dá)，該慣性馬達(dá)的一個(gè)較好實(shí)施例為包括壓電伸
縮器、基座、彈簧片、質(zhì)量塊，壓電伸縮器的一端固定于基座，另一端為伸縮端，該伸縮端 通過(guò)彈簧片以垂直于Z方向的彈力將質(zhì)量塊夾住。
權(quán)利要求1、一種無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器，包括XYZ壓電掃描管、基座，其特征在于還包括拉力器、壓片，XYZ壓電掃描管的一端固定于基座，另一端為掃描端，壓片置于該掃描端上，拉力器將壓片拉向基座，所述掃描端托住該壓片并與該壓片產(chǎn)生壓力，壓片與XYZ壓電掃描管之間電絕緣。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器，其特征是所述拉力器置于XYZ壓電掃 描管的內(nèi)部。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器，其特征是所述拉力器為彈簧、磁 體、松緊繩、吊錘或壓片本身。
4、 一種由權(quán)利要求1所述無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器制成的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡，其特征 在于包括基體、定位座、第一探針、第二探針、第一 Z定位器、第二 Z定位器、權(quán)利要 求1所述無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器、樣品；樣品固定于無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的壓片上， 第一 Z定位器的底座固定于定位座上，第一探針固定于第一 Z定位器的移動(dòng)端并指向樣 品構(gòu)成第一Z調(diào)節(jié)器，第二Z調(diào)節(jié)器以下列三種方式之一構(gòu)成(a) 第二 Z定位器的底座固定于定位座上，第二探針固定于第二 Z定位器的移動(dòng)端 并指向樣品，定位座與所述無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定于基體上；(b) 第二探針固定于定位座上并指向樣品，定位座固定于第二Z定位器的移動(dòng)端， 第二 Z定位器的底座與所述無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定于基體上；(c) 第二探針固定于定位座上并指向樣品，所述無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器的基座固定 于第二 Z定位器的移動(dòng)端，第二 Z定位器的底座與定位座固定于基體上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡，其特征在于第一 Z定位器或第二 Z定 位器為壓電馬達(dá)、慣性馬達(dá)、螺絲調(diào)節(jié)或步進(jìn)電機(jī)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡，其特征在于慣性馬達(dá)包括壓電伸縮器、 基座、彈簧片、質(zhì)量塊，壓電伸縮器的伸縮端通過(guò)彈簧片以垂直于z方向的彈力將質(zhì)量塊夾住。
專(zhuān)利摘要無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器、同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡涉及壓電掃描步進(jìn)器和掃描探針顯微鏡，無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器包括XYZ壓電掃描管、基座，還包括拉力器、壓片，XYZ壓電掃描管的一端固定于基座，另一端為掃描端，壓片置于該掃描端上，拉力器將壓片拉向基座，掃描端托住該壓片并與該壓片產(chǎn)生壓力，壓片與XYZ壓電掃描管之間電絕緣。用該無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器可制成掃描定位精度極高的同點(diǎn)掃描雙探針顯微鏡，包括基體、定位座、第一探針、第二探針、第一Z定位器、第二Z定位器、無(wú)摩擦慣性步進(jìn)掃描器、樣品。
文檔編號(hào)G12B21/22GK201210411SQ20072013084
公開(kāi)日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者陸輕鈾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)