[发明专利]无摩擦惯性步进扫描器、控制法、同点扫描双探针显微镜

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

现有的XYZ压电扫描管因具尺寸小且操作简单、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θ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θ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θ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等大还因此在2006年3月第5卷第2期IEEE TRANSACTIONS 0N NANOTECHNOLOGY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。

发明内容

本发明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。

本发明解决摩擦力干扰定位粘度技术问题所采用的技术方案是：

本发明无摩擦惯生步进扫描器，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。

本发明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。

本发明解决双针同点测量技术问题所采用的技术方案是：