[发明专利]双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器及扫描探针显微镜

说明书

本发明涉及一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器及扫描探针显微镜，包括两个压电管，两个压电管共轴地相互嵌套在一起，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，形成双管嵌套机械并联结构，这相当于增加了扫描器的有效机械壁厚，使其更加坚固、刚性强，进而增强了扫描器的抗震性和稳定性，非常适合于极端与恶劣环境下的扫描成像；同时，内外压电管又能在Z方向同步伸长或缩短，使得本发明的压电扫描器在Z方向上的压电伸缩长度并不会因此而减少，因而依然能够满足扫描探针显微镜要求其压电扫描器在Z方向伸缩长度足够大的必要条件。

技术领域

本发明涉及一种高稳定、高刚性的压电扫描器，特别涉及一种利用两个压电管共轴地相互嵌套形成机械并联结构的高稳定扫描器以及用其制成的扫描探针显微镜，属于扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

G.Binnig等人在1982年发明了人类历史上第一台扫描探针显微镜(scanningprobe microscope)，因其具有独特优异的原子分辨能力和广泛的测量用途，一直活跃地应用于科学研究的最前沿。扫描探针显微镜的核心部件之一是能够对样品表面进行XYZ三维方向进行扫描的扫描器，其稳定性直接决定了扫描成像的质量。最早的扫描器是一种三脚架结构的扫描器，即三个分别负责X、Y、Z方向扫描的压电体相互垂直正交地固定在一起，形成一个带有公共顶点的三脚架结构，把探针固定在顶点位置，通过三个压电体的压电效应来实现三维方向的扫描。但这种扫描器结构松散、机械稳定性较差，对外界震动比较敏感，而且体积庞大，不易集成化。后来G.Binnig发明了一种单管扫描器，即利用单独一根四象限压电管作为扫描器，该压电管的外电极轴向四等分，负责XY方向扫描；其内电极保持完整，负责Z方向扫描。因其结构简单紧凑、扫描精度和定位精度较高，该类单管扫描器一直被人们沿用至今。单管扫描器为了在Z方向能有足够大的压电伸缩长度，其壁厚通常只有0.5毫米。较小的壁厚使得单管扫描器存在一个固有的问题，那就是刚性较差、机械稳定性较低。虽然可以通过简单地增加扫描器的壁厚来提高其刚性，但这样无疑会导致其在Z方向压电伸缩长度减小，而对于扫描探针显微镜扫描器来说Z方向足够大的压电伸缩长度是至关重要的，因为微观尺度(纳米范围)的细逼近过程往往靠扫描器自身在Z方向伸长来完成。

为了提高扫描器的刚性和稳定性，同时不减少其Z方向压电伸缩长度，本发明提出一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，即两个压电管共轴地相互嵌套在一起，内压电管的两端与外压电管的两端分别相互固定形成双压电管机械并联结构。这种设计既能够使得扫描器的有效机械壁厚增加，又不减少Z方向的压电伸缩长度，因此大大增强了扫描器的刚性和稳定性，从而使其能够很好地抵抗外界震动，提高扫描成像的质量。

发明内容

本发明是为了解决现有单管压电扫描器壁厚小、刚性差，而简单地增加壁厚又会导致Z方向压电伸缩长度减小的矛盾，提供一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器及用其制成的扫描探针显微镜。

本发明实现上述目的的技术方案是：

一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，包括两个压电管，其特征是所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述外压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。

所述内压电管为内表面和外表面均为单一电极的Z方向定位压电管。

所述内压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，并且其四个象限分别与外压电管的四个象限相对。

在所述双压电管机械并联结构的两端分别增设一个固定于内外压电管之间的绝缘环。

一种双压电管嵌套机械并联高稳定扫描器，包括两个压电管，其特征是所述两个压电管共轴地相互嵌套，套在外面的压电管为外压电管，套在里面的压电管为内压电管，所述内压电管为四象限的XYZ三维定位压电管，内压电管的两端分别与外压电管的两端相互固定，且各压电管上的电容保持不变，形成双管嵌套机械并联结构。