[发明专利]一种基于扫描速度的压电扫描器扫描范围校正方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及显微镜领域，尤其是一种基于扫描速度的压电扫描器扫描范围校正方法及系统。

背景技术

自1982年扫描隧道显微镜(STM)出现以后，又陆续发展出了一系列工作原理相似的新型显微技术，主要包括原子力显微镜(AFM)、横向力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、近场光学显微镜(SNOM)、压电力显微镜(PFM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)等，由于它们都是利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用(如样品-探针间的相互作用力等)，得到样品相关性质(如形貌、摩擦力、磁畴结构等)，因而统称为扫描探针显微镜(SPM)。

扫描探针显微镜通过控制探针对样品表面扫描，同步检测和记录探针和样品的相互作用信号，从而得到样品的表面信息，如图1所示。图1中，1为被测样品，2为探针。

原理上说，如图2所示，系统通过控制探针对被测样品表面的特定区域扫描n行，每行采集n点探针和样品的相互作用信号，就可得到该区域n×n个像素点的样品表面信息。

在扫描探针显微学领域，扫描速度一般以扫描行频(单位为Hz)来表示，如扫描速度为2Hz，其物理意义就是每秒钟扫描2行，这样，对于1幅512×512像素的样品表面形貌像来说，其需要256秒才能扫描采集完成。

扫描探针显微镜的扫描速度都是由用户在样品检测时进行设置的，而且可以随时更改。理论上讲，扫描速度越慢，得到的图像质量越好，但过慢的扫描速度会导致检测时间加长，这一方面会降低检测效率，另一方面，也会因系统热漂移导致图像严重失真。因此，检测时，操作者对扫描速度的设定，必须根据样品特性(如样品的时间稳定性和环境敏感性等)、仪器状态特性(如所采用的工作模式和探针力学性能等)、工作效率要求等多种因素进行综合考虑。

为了达到纳米级的分辨率，扫描探针显微镜基本都是采用压电材料，驱动探针和样品作三维的相对运动进行扫描成像的，在扫描探针显微镜中，该驱动装置称为扫描器。压电陶瓷扫描器(简称压电扫描器)的工作原理是利用压电材料的逆压电效应，即压电材料在电场的作用下会产生变形来实现电信号对位移的精确控制。目前，扫描探针显微镜采用的压电扫描器主要有两种：基于压电堆驱动和柔性铰链结构的平台扫描器和单压电陶瓷管型扫描器。在这两种结构中，扫描探针显微镜都通过电压信号控制压电扫描器在X-Y平面内运动，带动探针或样品进行扫描，获取探针和样品间的相互作用信息，并根据相互作用信息的变化，控制压电陶瓷(压电堆或压电陶瓷管)在Z方向运动(上下伸缩)，以抵消样品的表面起伏，使探针和样品间的相互作用保持恒定。

理想状态下，压电陶瓷的位移只和电场强度相关，而电场强度可以通过改变压电陶瓷电极间的电压进行控制。但是，压电陶瓷材料本身存在蠕变(即应变对时间的稳定性)，而且，作为扫描探针显微镜的扫描器，压电陶瓷(无论是压电堆还是压电陶瓷管)必须进行复杂的结构封装才能驱动探针或样品进行运动，而封装外壳以及压电材料本身均有一定的质量，因此，压电扫描器的实际位移除了与驱动电压的变化幅度相关，也与电压的变化速率相关，同样的电压变化幅度，电压的变化速率越快，压电扫描器的实际位移越小。

以目前常用的样品扫描工作方式为例，压电扫描器的扫描范围在出厂前都须采用已知结构的标准样品进行严格标定。所谓标准样品，就是结构及尺度已知的样品，一般为具有严格周期结构且周期尺度已知的样品。但在实际使用中，由于扫描器的实际扫描范围与扫描速度(由驱动扫描器的电压变化速率决定)相关，因此，理论上讲，在对样品进行实际检测时，除非将扫描速度设定为与扫描器标定时的扫描速度相等，否则，得到的检测结果就存在一定的误差。

图3给出了采用现有的扫描探针显微镜(如本原纳米仪器有限公司的CSPM5500型扫描探针显微镜)以0.5Hz～40.0Hz的不同扫描速度对周期为2um的二维标准样品进行检测所得的结果图像。图3中，扫描探针显微镜采用了扫描范围为16um的压电陶瓷管扫描器。

由图3可见，随着扫描速度加快，压电扫描器扫描所得的图像中所含的样品的周期结构数量逐渐变少(0.5Hz和40.0Hz这两幅图的结果尤为明显)，也就是说，随着扫描速度的加快，压电扫描器的实际扫描范围变小了。故如果扫描速度改变的范围较大，则压电扫描器的扫描范围的变化非常明显。