[发明专利]用于大幅度微纳结构的扫描探针测量系统及其方法

权利要求书

1.一种用于大幅度微纳结构的扫描探针测量系统，其特征在于包括探针测头装置、压电控制单元和电机控制单元，探针测头装置包括手调微动台（1）、行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）、压电陶瓷夹持机构（3）、行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）、扫描探针测头（5）；手调微动台（1）上设有行程为25mm的电机驱动精密位移台（2），行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）上设有压电陶瓷夹持机构（3），行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）上端固定在压电陶瓷夹持机构（3）上，行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）下端设有扫描探针测头（5）；压电控制单元包括顺次连接的PID控制电路单元（7）、压电陶瓷驱动器（8）、电容式位移传感器(9)，其中PID控制电路单元(7)上设有第一输入口(15)和第二输入口(12)，第一输入口(15)与扫描探针测头(5)相连，第二输入口(12)与参考隧道电流值相连，压电陶瓷驱动器（8）设有第一输出口（13），第一输出口（13）与行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）相连，电机控制单元包括顺次连接的电机驱动器（10）、线性编码器(11)，电机驱动器(10)上设有第二输出口(14)，线性编码器(11)上设有第三输入口(16)，第二输出口(14)和第三输入口(16)分别与行程为25mm的电机驱动精密位移台(2)相连。

2.一种使用如权利要求1所述系统的用于大幅度微纳结构的扫描探针测量方法，其特征在于它的步骤如下：

1）启动时，给PID控制电路单元(7)设定PID参考隧道电流信号值，行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）由电机控制单元控制、通过压电控制单元调节扫描探针测头（5）对准到待测工件（6）的表面，直至扫描探针测头（5）与待测工件（6）之间产生隧道电流信号，PID控制电路单元(7)控制压电陶瓷驱动器(8)驱动行程为60 μm的压电陶瓷（4），使扫描探针测头与待测工件（6）表面之间维持恒定间隙；

2）扫描时，当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差在0.05以内时，行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）保持静止，只由压电控制单元控制扫描探针测头（5）扫描跟踪待测工件（6）的表面形貌，电容式位移传感器(9)实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）的位移值；

当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差大于0.05时，电机驱动精密位移台（2）向下降方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器(11)实时记录电机驱动精密位移台（2）的位移值，电容式位移传感器（9）实时记录行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）的位移值；

当设置的参考隧道电流信号值与所检测的隧道电流信号之差小于-0.05时，行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）向提升方向运动，直至所检测的隧道电流信号等于设置的参考隧道电流信号值，线性编码器(11)实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）的位移值，电容式位移传感器（9）实时记录行程为60 μm的压电陶瓷（4）的位移值；

3）将实时记录行程为25mm的电机驱动精密位移台（2）的位移值与行程为60 μm的长行程压电陶瓷（4）的位移数据相减，作为待测工件（6）表面的Z向形貌起伏数据，实现大幅度微纳结构的测量。