无摩擦惯性步进扫描器特征是拉力器将压片拉向基座，ＸＹＺ压电扫描管的一端固定于基座，另一端托住压片并与之产生压力。工作时，施加Ｚ伸长信号和缓慢的ＸＹ信号，之后将这两个信号快速回撤使得ＸＹ回移过程发生在Ｚ回缩过程之内并使得压片的Ｚ方向惯性力将其ＸＹ方向的摩擦力减为零。照此重复产生ＸＹ方向步进且无摩擦力干扰，大范围步进定位精度很高，又保留了小范围扫描、定位功能。引入两个独立的Ｚ定位器来调节双探针与样品的间距后，使用无摩擦惯性步进扫描器可将样品上第一个探针的测量点精确送达第二个探针扫描范围之内，实现同点扫描双探针显微镜。其给出的数据更全面、可靠，意义更广、更深。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电扫描步进器和扫描探针显微镜，特别设及一种无摩擦惯性步进扫 描器及其控制方法以及由此制成的同点扫描双探针显微镜。
技术介绍
现有的XYZ压电扫描管因其尺寸小且操作简单、可靠，已在扫描探针显微镜领域 获得了巨大的应用，完全淘汰了早期的三脚架扫描结构。但，它只能对最大约10-100微米 量级这样一个微小范围内的样品表面进行扫描、测量谱数据和成像，这是因为制造XYZ压 电扫描管的压电材料的压电系数很小的缘故。目前已可以利用压电惯性步进器原理来一步 步地在扫描管上移动样品，获得一个累计的、较大范围的移动。其具体做法是先让扫描管 在XY平面内缓慢地朝某一确定的方向e移动样品一步，再让扫描管快速回撤，以后就照此 重复。如果回撤时样品的惯性力大于扫描管对样品的最大静摩擦力，样品就不会在回撤时 被静摩擦力拉回原地，而是相对于原地往9方向滑动了一步S。尽管每一步的移动S依然 是微小距离(10-100微米量级)，但多次重复之后便可产生了一个累计的大范围移动(毫 米量级或更高)。这种靠摩擦力和惯性力的混合作用产生的移动有几个缺点第一、摩擦力 尽管小于惯性力，但依然起一个阻碍移动的作用，使得行走缓慢、无力。第二、由于摩擦力会 随滑动发生地的表面清洁度、温度、湿度、平滑度等因素的变化而变化，所以摩擦力的干扰 会使得样品移动方向e不恒定，即产生偏向。第三、摩擦力的干扰也会导致每一步步长 的不确定，即行走距离不可精确控制。后两个问题直接造成大范围定位精度降低。Alex deLozanne等人还因此在 2006年3 月第 5卷第 2期 IEEE TRANSACTIONS ON NAN0TECHN0L0GY 期刊的第77页撰文引入了移动导轨来解决偏向的问题，但这只能保证在导轨方向的移动 不偏向，而且行走距离依然不可精确控制，行走的重复性也差。如果使用这样带有摩擦力的、定位不精确的步进扫描管，也很难做成能对同一样 品点进行测量或成像的双探针扫描探针显微镜，原因是双探针扫描探针显微镜的双针一 般相隔距离较大(毫米量级，若要把两根针安置到相距微米量级而不相碰和损毁是很难 的)，当第一根探针选择了某一样品表面点A进行测量或成像之后，定位精度差的步进扫描 器是很难通过移动样品一个较大距离后还能将A点移至第二根探针的扫描范围(约10-100 微米)之内。如果像Alex deLozanne在上述论文中所做的那样靠引入导轨并且移动双探 针而非移动待测样品来寻找同一测量点的话，不仅算法复杂(需要在XY平面内独立控制两 根探针，共4个自由度)，且需要两台控制器来独立控制双针的定位(非常昂贵)，特别是双 针很难选用不同类型的探针。例如，扫描隧道显微镜探针和原子力显微镜探针结构、尺寸很 不相同，不能很靠近地放置，必须定位精度很高才能寻找到很远处的测量点。正因如此，至 今尚未见能用不同类型的两个扫描探针显微镜探针对同一样品点进行测量或成像。现有 的能测量同一样品点的双探针显微镜皆为双扫描隧道显微镜，它们的双探针类型相同且细 小、尖锐，可较容易靠近放置。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述摩擦力对定位精度的干扰，提供一种定位精度高的无 摩擦惯性步进扫描器及其控制方法，为解决上述双针同点测量定位精度低、控制复杂、代价 高问题，提供一种高精度简单易控的同点扫描双探针显微镜。本专利技术解决摩擦力干扰定位精度技术问题所采用的技术方案是本专利技术无摩擦惯性步进扫描器，包括XYZ压电扫描管、基座，还包括拉力器、压 片，XYZ压电扫描管的一端固定于基座，另一端为扫描端，压片置于该扫描端上，拉力器将压 片拉向基座，所述扫描端托住该压片并与该压片产生压力，压片与XYZ压电扫描管之间电 绝缘。所述拉力器置于XYZ压电扫描管的内部。所述拉力器为弹簧、磁体、松紧绳、吊锤或压片本身。本专利技术无摩擦惯性步进扫描器的控制方法，其特征是以如下时序控制XYZ压电扫 描管，完成驱动压片在XY平面内的一次步进在XYZ压电扫描管上施加Z伸长信号和XY移 动信号，这两个信号的顺序可以对调也可以同时进行，该XY移动信号作用完成时间的平方 大于两倍XY移动步长与压片质量的积除以压片与XYZ扫描管间最大静摩擦系数再除以压 片与XYZ扫描管间的正压力，之后，在XYZ压电扫描管上施加Z回缩信号和XY回移信号，其 中Z回缩信号完成时间的平方小于两倍Z回缩与压片质量的积除以压片与XYZ压电扫描管 之间的正压力，而XY回移信号过程发生在Z回缩信号过程之内。本专利技术解决双针同点测量技术问题所采用的技术方案是本专利技术由无摩擦惯性步进扫描器制成的同点扫描双探针显微镜，包括基体、定位 座、第一探针、第二探针、第一 Z定位器、第二 Z定位器、无摩擦惯性步进扫描器、样品；样品 固定于无摩擦惯性步进扫描器的压片上，第一 Z定位器的底座固定于定位座上，第一探针 固定于第一 Z定位器的移动端并指向样品构成第一 Z调节器，第二 Z调节器以下列三种方 式之一构成(a)第二Z定位器的底座固定于定位座上，第二探针固定于第二Z定位器的移动端 并指向样品，定位座与无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于基体上；(b)第二探针固定于定位座上并指向样品，定位座固定于第二 Z定位器的移动端， 第二 Z定位器的底座与无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于基体上；(c)第二探针固定于定位座上并指向样品，无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于 第二 Z定位器的移动端，第二 Z定位器的底座与定位座固定于基体上。所述第一 Z定位器或第二 Z定位器为压电马达、惯性马达、螺丝调节或步进电机。所述惯性马达包括压电伸缩器、基座、弹簧片、质量块，压电伸缩器的伸缩端通过 弹簧片以垂直于Z方向的弹力将质量块夹住。本专利技术无摩擦惯性步进扫描器的工作原理为拉力器将压片拉向基座，但被XYZ 压电扫描管的扫描端托住而不被拉到基座。这样，压片与XYZ压电扫描管的扫描端之间就 产生压力N。我们在XYZ压电扫描管的X电极、Y电极或Z电极上施加变化缓慢的信号V(t)。 这里缓慢的定义如下V(t)变化对压片产生的运动加速度a，相当于使压片受到惯性力F， F等于压片与其上样品的总质量m乘以a ；若F小于由N产生的最大静摩擦力f (等于P N， U为最大静摩擦系数)，那么F将不足以克服f而产生滑动，这样的V(t)变化称为缓慢变化。这时，F = ma < f = μ N0因为压片一步移动的距离为s = 0. 5at2，其中t为压片移动 s所需时间，所以m(2s/t2) < μΝ，也即t > sqrt (2ms/ μ N)可称为缓慢，其中sqrt ()为开 根号。定义t0 = sqrt (2ms/ μ N)为临界时间。在这样的缓慢V(t)作用下，压片将随XYZ压电扫描管的扫描端一起做扫描定位运 动而没有步进。这就是其扫描定位功能，扫描范围最大约为10-100微米量级。如要产生步进运动，可在XYZ压电扫描管上施加Z伸长信号和缓慢的XY信号，使 得压片在Z方向伸长Sz和在XY平面内移动Sxy，再将这两个信号快速往回撤，这里快速的定 义如下Z的回缩等价于一个Z方向的惯性力Fz = maz，其中az为Z方向的回缩加速度az =2sz/tz2，其中、为Z回缩所用时间；如Fz大到能完全抵消原先产生摩擦力的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无摩擦惯性步进扫描器，包括：ＸＹＺ压电扫描管、基座，其特征在于还包括拉力器、压片，ＸＹＺ压电扫描管的一端固定于基座，另一端为扫描端，压片置于该扫描端上，拉力器将压片拉向基座，所述扫描端托住该压片并与该压片产生压力，压片与ＸＹＺ压电扫描管之间电绝缘。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陆轻铀，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
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