[发明专利]扫描探针显微镜压电扫描管的X－Y二维平面扫描驱动系统

说明书

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜(SPM)技术领域，具体涉及一种压电扫描管的X-Y二维 平面扫描驱动系统。本发明主要应用于研究SPM系列的快速扫描的方法，也可作为研制 SPM快速扫描系统的平面扫描驱动模块。

背景技术

扫描探针显微镜问世以来，就提供了一种能在纳米尺度、分子水平上观察物质形貌 的工具，而且能够测定极微弱的力，为研究分子之间的弱作用力提供了有力的帮助。目 前，扫描探针显微镜已经被广泛的应用于化学、物理、生命科学等领域，并为这些领域 的技术发展和科技革新提供了强大的支持。由于相关领域技术的发展，对扫描探针显微 镜成像速度等性能也提出了更高的要求，因此研究扫描探针显微镜的高速扫描和成像速 度成为行业能的一个专向课题。

目前，提高扫描探针显微镜成像速度的研究大体上都是从显微镜本身的结构和控制 原理上入手。通过设计不同于传统扫描探针显微镜的部件来实现局部的性能调整或者采 用特殊的控制理论来实现反馈部分的优化等。

发明内容

本发明提供一种不改变现有的扫描探针显微镜本身的结构和控制原理，即能优化扫 描驱动系统的压电扫描管的X-Y二维平面扫描驱动系统，实现快轴和慢轴的灵活切换， 使测试者在不须改变样品的夹持状态就能实现对样品的多方向扫描。

本发明是通过下述方案实现的：

一种扫描探针显微镜压电扫描管的X-Y二维平面扫描驱动系统，包括四分电极式压 电扫描管、起始点定位模块、高压放大模块、高压直流电源，其特征在于，还包括控制 器、驱动信号发生模块、快轴、慢轴切换模块，驱动信号发生模块用以根据控制器输出 的快轴数字信号和慢轴数字信号生成快轴信号和慢轴信号，快轴、慢轴切换模块的输入 端接入所述的快轴信号和慢轴信号，在控制器的控制下可选择地切换输出X轴驱动信号 和Y轴驱动信号，由快轴、慢轴切换模块选通的X轴驱动信号和Y轴驱动信号分别经过 所述的高压放大模块的放大后加载在压电扫描管相应的X轴或Y轴上。

最为进一步的实施方案，上述平面扫描驱动系统技术方案中，驱动信号发生模块包 括正弦信号发生电路和第一数字/模拟转换通道和第二数字/模拟转换通道，正弦信号发 生电路包括正弦信号发生器以及与其相连的赋值调节模块，控制器控制正弦信号发生器 产生正弦信号，该正弦信号经过幅值调节模块的调节后输出，第一数字/模拟转换器将控 制器发送的锯齿波数字信号转换成锯齿波信号，由控制器选择经过幅值调节的正弦信号 和锯齿波信号中的一种作为快轴信号，第二数字/模拟转换通道将控制器发送的慢轴数字 信号转换成慢轴信号。

正弦信号发生器可以为ML2035，幅值调节模块可以是包括放大器和能够在控制器控 制下调节放大倍数的数字电位器MAX5484的电路。快轴、慢轴切换模块可以由多路选择 开关MAX4053构成。

与现有技术相比，本发明具有如下的显著优点：

(1)采用由多路选择器件构成的快轴、慢轴切换模块，实现快轴和慢轴灵活切换， 不局限于传统驱动的快、慢轴固定的事实，从而使测试者在不须改变样品的夹持状态就 能实现对样品的多方向扫描。

(2)能够提供两种可供选择的驱动压电扫描管快轴的驱动信号，与传统的锯齿波或 者三角波快轴驱动信号相比，采用正弦波信号可使扫描探针的移动更为平滑。

(3)能够较大范围的调节扫描频率、定位扫描起始点和扫描范围。对扫描起始点控 制、扫描范围大小的选择以及扫描驱动信号的频率控制也都是由主控CPU系统与相关部 件联合实现。可以在±175V范围内选择X-和Y-向的起始点定位，并根据所选的起始点在 ±175V内选择合适的扫描区域大小。

(4)提出了一种在正弦信号作为快轴扫描驱动时的驱动信号与x-y二维平面内栅 格对应关系的算法。

附图说明

图1是压电扫描管结构示意图；

图2本发明扫描探针显微镜压电扫描管X-Y二维平面扫描驱动系统结构框图；

图3是本发明的正弦信号发生电路原理图；

图4是本发明的幅值调节模块电路原理图；

图5是本发明的扫描探针显微镜压电扫描管X-Y二维平面扫描驱动系统的快轴、慢 轴切换模块电路原理图；

图6是本发明驱动信号与扫描位置的的关系说明图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。