一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法及系统，方法包括：从计算校正法、盲校正法和拟合校正法中选定一种基于样品厚度的扫描范围校正方法，并根据选定的校正方法得到压电陶瓷管扫描器的实际扫描范围与样品厚度的关系；获取被测样品的实际厚度，并根据被测样品的实际厚度以及实际扫描范围与样品厚度的关系对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正。本发明专利技术增设了计算校正法、盲校正法和拟合校正法，能得出实际扫描范围与样品厚度的关系并根据样品的实际厚度对扫描范围进行校正，有效校正了因样品厚度变化引起的压电陶瓷管扫描器扫描范围的变化，更加准确和可靠。本发明专利技术可广泛应用于显微镜技术领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及显微镜
，尤其是一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法及系统。
技术介绍
自1982年扫描隧道显微镜(STM)出现以后，又陆续发展出了一系列工作原理相似的新型显微技术，主要包括原子力显微镜(AFM)、横向力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、近场光学显微镜(SNOM)、压电力显微镜(PFM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)等，由于它们都是利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用(如样品-探针间的相互作用力等)，得到样品相关性质(如形貌、摩擦力、磁畴结构等)的，因而被统称为扫描探针显微镜(SPM)。为了达到纳米级的分辨率，扫描探针显微镜基本都是根据压电陶瓷扫描器的三维运动进行扫描成像的。由于压电陶瓷本身固有的迟滞特性，其形变量与驱动电压间具有明显的非线性关系。以简单的线性电压驱动扫描器为例，扫描器的样品运动是非线性的，故其扫描得到图像会存在畸变，需要进行校正。目前，针对压电陶瓷型扫描探针显微镜系统的研究工作主要集中在压电陶瓷形变量与驱动电压的关系及非线性校正方法上，而常用的非线性校正方法有开环校准法和闭环校准法。开环校准法，是指事前采用纳米级位移检测技术对扫描器进行检测，获得扫描器的驱动电压与样品台位移的关系，在扫描器日后的使用中，以事前获得的关系为基础对扫描器施加恰当的驱动电压，准确控制样品台的位移并实现线性运动。闭环校准法，就是在扫描器中装>上位移传感器，实时检测扫描器样品台(样品台上放置有标准样品)的运动。闭环校准法与开环校准法类似，只是把位移传感器安装在扫描器中，对扫描器样品台的位移进行实时检测，并对扫描器驱动电压进行实时反馈控制，从而实现对扫描器样品台运动的实时闭环控制。由于闭环校准法必须将位移传感器与压电扫描器集成一体，故目前多采用电容传感器或应变片等体积较小的传感器。目前，扫描器校准中常用的纳米级位移检测方法包括电容式位移传感器法、线性可变差动变压器(LinearVariableDifferentialTransformer，LVDT)法、应变片法和激光干涉法，中国科学院电工研究所在申请号为200310113670.6，名为“压电陶瓷管扫描器非线性校正方法”的专利技术专利中就介绍了采用激光干涉(迈克尔逊干涉仪)校正压电陶瓷非线性效应的方法。压电陶瓷扫描器主要包括压电陶瓷管型和平台型等，其中，压电陶瓷管型扫描器具有体积小、结构简单、稳定性好、响应速度快和驱动控制方便等优点，是目前分辨率最高、成本低廉的压电扫描器类型，故其在扫描探针显微镜中应用最为广泛。压电陶瓷管扫描器对一个外壁电极进行四象限分割，并以分割得到的四个电极与内壁电极构成5个独立的电极，以实现X-Y-Z三维的运动。扫描探针显微镜通过电压信号控制压电陶瓷管扫描器在X-Y平面内运动，带动探针或样品进行扫描，获取探针和样品间的相互作用信息，并根据相互作用信息的变化，控制压电陶瓷管扫描器在Z方向运动(上下伸缩移动)，以抵消样品的表面起伏，使探针和样品间的相互作用保持恒定，从而得到被测样品的表面形貌等表面信息。压电陶瓷管扫描器在X-Y平面内的扫描是通过电压信号使压电陶瓷管一边伸长、一边缩短所产生的弯曲来实现的，其扫描范围会因样品的厚度(采用样品扫描的方式时)或探针的长度(采用探针扫描的方式时)的增大而变大。目前的扫描探针显微镜，一般集成了多种检测技术，且探针多采用激光检测方式，检测过程中需要保持探针和激光检测系统的相对位置不变，采用探针扫描的方式实现起来难度较大，故压电陶瓷管扫描器大多采用样品扫描方式。探针作为扫描探针显微镜中的消耗品，目前探针基本已实现通用化大规模生产，其几何形状一致性很好，探针的长度基本不变，而另一方面，在实际检测中样品的品种很多，厚度的差异性很大，导致实际扫描范围的误差较大，如不能及时根据相应的厚度进行校正会直接影响检测结果的准确性。然而，目前的压电陶瓷管型扫描显微镜，无论是采用现有的开环校准法还是闭环校准法，所检测的都是压电陶瓷管扫描器样品台的运动而不是样品的运动，将所有样品的厚度都默认为标准样品的厚度，不能校准因样品厚度差异所引起的扫描范围误差，不够准确和可靠。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于：提供一种准确和可靠的，压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法。本专利技术的另一目的在于：提供一种准确和可靠的，压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正系统。本专利技术所采取的技术方案是：一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、从计算校正法、盲校正法和拟合校正法中选定一种基于样品厚度的扫描范围校正方法，并根据选定的校正方法得到压电陶瓷管扫描器的实际扫描范围与样品厚度的关系，其中，计算校正法根据给定的压电陶瓷管长度、给定的样品台高度以及1个给定厚度的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系，盲校正法根据两个给定厚度不同的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系，拟合校正法根据一系列不同给定厚度的标准样品实际扫描成像的结果拟合出实际扫描范围与样品厚度的关系；S2、获取被测样品的实际厚度，并根据被测样品的实际厚度以及实际扫描范围与样品厚度的关系对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正。进一步，所述计算校正法根据给定的压电陶瓷管长度、给定的样品台高度以及1个给定厚度的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系这一步骤，其具体为：根据给定的压电陶瓷管长度L、给定的样品台高度H以及1个给定厚度为T0的标准样品得到实际扫描范围S与样品厚度T的关系表达式，所述实际扫描范围S与样品厚度T的关系表达式为： S = ( 1 + 2 ( T - T 0 ) L + 2 H + 2 T 0 ) S 0 , ]]>其中，S0为标准样品标定的扫描范围。进一步，所述盲校正法根据两个给定厚度不同的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系这一步骤，其具体为：根据两个给定厚度分别为T0和T1的标准本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、从计算校正法、盲校正法和拟合校正法中选定一种基于样品厚度的扫描范围校正方法，并根据选定的校正方法得到压电陶瓷管扫描器的实际扫描范围与样品厚度的关系，其中，计算校正法根据给定的压电陶瓷管长度、给定的样品台高度以及1个给定厚度的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系，盲校正法根据两个给定厚度不同的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系，拟合校正法根据一系列不同给定厚度的标准样品实际扫描成像的结果拟合出实际扫描范围与样品厚度的关系；S2、获取被测样品的实际厚度，并根据被测样品的实际厚度以及实际扫描范围与样品厚度的关系对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正。

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、从计算校正法、盲校正法和拟合校正法中选定一种基于样品厚度的扫描范围校正方
法，并根据选定的校正方法得到压电陶瓷管扫描器的实际扫描范围与样品厚度的关系，其中，
计算校正法根据给定的压电陶瓷管长度、给定的样品台高度以及1个给定厚度的标准样品得
到实际扫描范围与样品厚度的关系，盲校正法根据两个给定厚度不同的标准样品得到实际扫
描范围与样品厚度的关系，拟合校正法根据一系列不同给定厚度的标准样品实际扫描成像的
结果拟合出实际扫描范围与样品厚度的关系；
S2、获取被测样品的实际厚度，并根据被测样品的实际厚度以及实际扫描范围与样品厚
度的关系对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法，其特征在于：所述
计算校正法根据给定的压电陶瓷管长度、给定的样品台高度以及1个给定厚度的标准样品得
到实际扫描范围与样品厚度的关系这一步骤，其具体为：
根据给定的压电陶瓷管长度L、给定的样品台高度H以及1个给定厚度为T0的标准样品
得到实际扫描范围S与样品厚度T的关系表达式，所述实际扫描范围S与样品厚度T的关系
表达式为：
S = ( 1 + 2 ( T - T 0 ) L + 2 H + 2 T 0 ) S 0 , ]]>其中，S0为标准样品标定的扫描范围。
3.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法，其特征在于：所述
盲校正法根据两个给定厚度不同的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系这一步骤，
其具体为：
根据两个给定厚度分别为T0和T1的标准样品对实际扫描范围进行两次标定，然后根据
两次标定的结果得出实际扫描范围S与样品厚度T的关系表达式，所述实际扫描范围S与样
品厚度T的关系表达式为：
S = ( 1 + 2 ( T - T 0 ) k + 2 T 0 ) S 0 k = 2 S 0 ( T 1 - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴浚瀚，
申请(专利权)人：广州市本原纳米仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44