[发明专利]不同定位方向的压电片轮流叠放的压电堆栈定位器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电定位器，特别涉及一种不同定位方向的压电片轮流叠放的压电堆栈定位器，属于压电定位器技术领域。

背景技术

扫描探针显微镜(scanning probe microscope，简称SPM)以其原子、甚至亚原子的真实空间分辨能力而成为纳米技术、原子操纵、量子调控、分子生命科学、材料和表面催化化学等众多重要科技战略领域的关键工具。其核心部件是一个能够带动探针相对于样品表面做扫描运动的XY两方向(两维)或XYZ三方向(三维)定位的压电定位器(piezoelectric positioner)。多年来一直流行的这种压电定位器为外电极四象限均匀分割的压电扫描管(piezoelectric tube scanner)。该压电扫描管的缺点是：(1)驱动力小，因为压电扫描管的壁很薄(加厚则定位范围就小了)，绝大部分尺寸是空的，能产生推力的总压电材料量很少；(2)扫描速度慢，因为尺寸较大(绝大部分尺寸是空的)，特征频率低；(3)不同方向的定位相互有干扰，因为不同方向的位移都是对同一整体的压电体产生形变来获得的，一个方向的形变会牵动另一个方向的形变。

这些问题在我们不断追逐更高扫描探针显微镜成像质量时变得日益重要。为了解决这些重要的问题，现今又出现了压电堆栈(piezo stack)定位器。对于一维定位的压电堆栈定位器，其结构为：把沿X方向定位的X定位压电片叠放固定成堆栈结构，各X定位压电片之间的连接为机械串联且电学并联。其优点为：(1)虽然每个压电片的尺寸较小，其压电形变因而也较小，但多个压电片机械串联后的总形变是各压电片形变相加，是不小的；(2)整个压电堆栈可做成没有空心，因而在同等外部尺寸条件下能给出更大的推力；(3)虽然整个压电堆栈的尺寸可以较大(以获得大推力)，但每个压电片由于尺寸小，特征频率很高，可以快速形变，且由于各压电片之间是电学并联的，同一个驱动信号被同时加到了所有压电片上，所以每个压电片的同时快速形变导致整个压电堆栈的形变速度是很快的，从而实现快速扫描。

通常，上述一维定位的压电堆栈定位器是不能制成扫描探针显微镜的，因为表面成像至少需要两维扫描(定位)。现有技术的二维定位压电堆栈定位器(又称为XY定位压电堆栈定位器)只是简单地由两个一维定位压电堆栈定位器按定位方向相互垂直来叠放构成(见附图1)。类似地，现有技术的三维定位压电堆栈定位器(又称为XYZ定位压电堆栈定位器)也简单地由三个一维定位压电堆栈定位器按定位方向相互垂直来叠放构成。这就出现了一个严重问题：处在上层的一维定位压电堆栈定位器就成了处在下层(更接近基座)的一维定位压电堆栈定位器的负载(见附图1)，导致各个一维定位压电堆栈定位器的负载很不一样，这进一步导致：(1)扫描不对称，致使图像有畸变，(2)推力不对称，其中有一个定位方向(在底层，最靠近基座)的负载特别大(其它定位方向的压电堆栈定位器也为其负载)，定位能力特别差，致使总体定位精度下降，(4)不同方向的特征频率不相等，(5)热漂移不能按照对称性相抵消，致使温漂大，不能稳定追踪同一个原子。

在本发明中，我们提出把不同方向定位的压电片轮流叠放以形成均匀混合穿插的堆栈结构，且属于同一定位方向的压电片之间仍然保持机械串联和电学并联的连接，实现不同方向上定位的高度对称性。

发明内容

本发明的目的：为了解决现有多维压电堆栈定位器中不同定位方向上定位的不对称性，提出一种不同定位方向的压电片轮流叠放的压电堆栈定位器。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明不同定位方向的压电片轮流叠放的压电堆栈定位器，包括X定位压电片，Y定位压电片，其特征是所述X定位压电片和Y定位压电片交替叠放固定成堆栈结构，其中X定位压电片之间的连接为机械串联且电学并联，Y定位压电片之间的连接也为机械串联且电学并联。

所述的不同定位方向的压电片轮流叠放的压电堆栈定位器，其特征是所述的X定位压电片和Y定位压电片是切向压电片。

本发明不同定位方向的压电片轮流叠放的压电堆栈定位器，包括X定位压电片，Y定位压电片，Z定位压电片，其特征是所述X定位压电片、Y定位压电片和Z定位压电片三者轮流叠放固定成堆栈结构，其中X定位压电片之间的连接为机械串联且电学并联，Y定位压电片之间的连接也为机械串联且电学并联，Z定位压电片之间的连接也为机械串联且电学并联。

所述的不同定位方向的压电片轮流叠放的压电堆栈定位器，其特征是所述的X定位压电片和Y定位压电片是切向压电片。