[发明专利]一种组合式三维高速扫描装置

说明书

技术领域

本发明涉及扫描显微成像技术领域，特别涉及一种组合式三维高速扫描装置，属于扫描探针显微技术领域。

背景技术

随着科技的发展，微电子工程、精密工程、生物工程以及纳米科技等领域追切需要能够在微纳米尺度实现快速检测或高速成像的技术。尤其在目前蓬勃发展的纳米科技领域，高速扫描技术或装置与扫描探针显微技术密不可分，是实现微纳米尺度高速成像、检测和加工的核心技术之一。

扫描探针显微镜(SPM)是目前开展纳米检测与表征的重要工具，主要包括扫描隧道显微镜、扫描力显微镜以及近场光学显微镜等。由于SPM都是采用样品或探针在x-y方向上逐点扫描、同时控制探针与样品表面之间的Z向距离的方式进行显微成像，因此三维扫描装置是SPM中不可或缺的核心部件。由于压电陶瓷材料具有性能稳定、使用简便以及很高的位移分辨率和动态响应速度等优点，已成为目前制作SPM三维扫描装置的主要材料。用压电陶瓷材料制成的三维扫描装置主要有三角架型、单管型和十字架配合单管型等几种。如图1a所示的是三角架型三维扫描装置原理示意图，三角架型装置由三根独立的长方体压电陶瓷材料以相互正交的方式交汇结合在一起，探针安装在三角架的交汇顶端，三个压电元件在电压驱动下独立地伸展与收缩，使探针在x、y、z三个方向运动，从而实现探针的三维扫描，图1b给出了单管型三维扫描器原理示意图，其三维扫描是由压电陶瓷管实现的，压电陶瓷管外部的电极分成面积相等的四份，管内壁为单一整体电极。在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可实现X-Y方向的扫描。Z方向上的运动可通过在管子内壁电极施加电压使管子整体伸展或收缩实现。管子外壁的另外两个电极也可同时施加相反符号的电压使管子一侧伸展，相对的另一侧收缩，以增加扫描范围，图1c所示的是“十”字架配合单管型三维扫描装置原理示意图，其中采用“十”字形压电陶瓷材料实现X-Y扫描，Z方向上的运动由处于“十”字形中心的一个压电陶瓷管实现。

虽然SPM在物理、化学、生物和材料等领域获得了广泛应用，但是由于SPM的扫描成像速度很慢，限制了SPM在动态过程、工业现场测量和高密度存储等领域的进一步广泛应用。因此提高SPM的扫描成像速度是拓展SPM应用领域的一个重要问题，而三维高速扫描装置成为实现高速SPM检测成像的技术关键。

在现有技术中，一种高速SPM扫描成像的方法是使用基频频率很高的压电陶瓷堆来实现，但这种装置的驱动电路复杂，需要大功率的高压功放和高压电源，另外还存在成本高、扫描范围小等问题。

在现有技术中，还有一种是采用石英音叉实现高速扫描，即在石英音叉受到交流信号激励并发生共振的情况下实现高速扫描。但由于音叉尺寸很小(小于1×1毫米)，导致安放样品困难，并且扫描范围小、负载能力低。此外由于音叉的品质因数很高，在其共振扫描时极易受外界干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合式三维高速扫描装置，并具有扫描范围大、结构简单、使用简便、成本低廉、抗干扰能力强等特点。可以用于SPM高速检测成像。

本发明所述的组合式三维高速扫描装置的结构组成主要包括：三维扫描器和高速一维扫描器，其中的高速一维扫描器由双层压电陶瓷片固定片、双层压电陶瓷片组成。其中三维扫描器为一个单管式压电陶瓷管或者平板式三维扫描器，所述的三维扫描器沿Z轴正方向设置，单管式压电陶瓷管上端与绝缘固定环粘接，绝缘固定环与固定底座用螺钉连接，双层压电陶瓷片固定片粘接到固定底座上表面，双层压电陶瓷片的一端通过两侧的双层压电陶瓷片固定片夹紧，另一端为自由端，自由端末端上表面粘接样品台或者探针。

所述的组合式三维高速扫描装置的工作原理为：双层压电陶瓷片的一层作为激振片，另一层作为检测片，激振片与扫描信号发生器连接，用于驱动双层压电陶瓷片自身并同时带动样品台或者探针在其共振频率附近做横向振动，实现x方向高速扫描；检测片用于检测双层压电陶瓷片本身的振动。检测片上产生的压电信号，与电压检测装置连接，检测其电压幅值和相位从而进行图像校正。三维扫描器用于实现y方向扫描以及z方向控制。

本发明的优点在于：

(1)扫描范围大，能够达到40微米以上；

(2)结构简单，只需要在现有的三维扫描器基础上增加双层压电片即可；

(3)使用简便、成本低廉；

(4)抗干扰能力强，能够很好地实现SPM高速成像；

表1为本发明与现有技术的比较。