CN103336146A - 一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电陶瓷管的样品移动平台及其控制方法，所述样品移动平台连接于所述压电陶瓷管(5)的上方，其中所述样品移动平台包括，磁钢(9)，磁性材料，与所述压电陶瓷管(5)连接；基座(8)，铁质材料，位于所述磁钢(9)上方，所述基座(8)受所述磁钢(9)磁力作用紧贴于所述磁钢(9)上表面；样品基片(7)，轻量型铁质薄片，位于所述基座(8)上方，受所述磁钢(9)磁性吸引力作用紧贴于所述基座(8)表面；其中，所述样品(6)粘接于所述样品基片(7)的上表面；所述基座(8)与所述样品基片(7)相接触面均为光滑面；所述基座(8)与所述磁钢(9)接触面为粗糙面。所述样品移动平台控制简单、易操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种扫描探针显微镜样品移动平台，特别涉及一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台及其控制方法。
背景技术
扫描探针显微镜(SPM)是当代纳米测量及纳米操作加工的有效工具，推动着整个纳米行业的快速发展。样品移动平台是SPM的重要组成部分，其主要包括扫描器和样品台两部分。由于受到扫描器中压电陶瓷管伸长的限制所述扫描器的扫描范围只能达到微米级，若要测量其他不在此范围的目标，就需要用CCD摄像头在微米量级的视场内搜索并用高精度样品移动平台把被测量区域移动、定位到SPM的针尖下方，以便于探针扫描。
当前应用于SPM的样品移动平台主要有两种：一种是手动样品移动平台，其主要通过X-Y两个方向手动旋转精密螺杆来移动样品，根据不同微调旋钮的刻度，其最高精度可达2μm，但若要达到0.1μm精度，则必须使用价格昂贵的差动螺纹丝杆，且若移动1mm，必须转动旋钮80多圈，操纵繁琐；另一种是高精度电控样品移动平台，其基于马达驱动的电控样品移动平台，借助计算机自动控制，配合光学显微镜***进行样品移动、定位，定位精度可达纳米级，但设计复杂，极大的增加了仪器的成本。
基于以上所述，一种低价位、高精度、操纵方便的样品移动平台的开发很有必要性。
发明内容
针对上述技术中存在的不足，本发明提供一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，所述样品移动平台连接于所述压电陶瓷管5的上方，所述样品移动平台包括，磁钢9，磁性材料，与所述压电陶瓷管5连接；基座8，铁质材料，位于所述磁钢9上方，所述基座8受所述磁钢9磁力作用紧贴于所述磁钢9上表面；样品基片7，轻量型铁质薄片，位于所述基座8上方，受所述磁钢9磁性吸引力作用紧贴于所述基座8表面；其中，所述样品6粘接于所述样品基片7的上表面；所述基座8与所述样品基片7相接触面均为光滑面；所述基座8与所述磁钢9接触面为粗糙面。
优选地是，所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其中所述压电陶瓷管5连接在传输***上，所述传输***包括D/A转换器3及高压放大器4，所述压电陶瓷管5接受来自所述高压放大器4的经所述D/A转换器3转换后的放大电压，并在该电压驱动下运动。
优选地是，所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其中所述D/A转换器3接受来自DSP控制器2的数字指令并将其转换成所述高压放大器4的输入电压。
优选地是，所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其中所述DSP控制器2连接在上位机1上，所述DSP控制器2接受自所述上位机操作软件发出的指令且对所述指令进行数字化处理。
优选地是，所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其中所述陶瓷管外壁沿纵轴线方向被均分为四部分，所述四部分分别为X+导电层、X-导电层、Y+导电层及Y-导电层，其中所述X+导电层与所述X-导电层沿纵轴线对称分布，所述Y+导电层与所述Y-导电层沿所述纵轴线对称分布。
本案还公开了一种基于压电陶瓷管的样品移动平台控制方法，其中包括以下步骤，1)分别向所述陶瓷管外壁对称导电层加正负电压，通过控制电压大小使所述陶瓷管上端弯曲，并带动整个样品移动平台按设定方向运行；2)突降电压，所述压电陶瓷管5带动所述磁钢9快速回复至初始位置，所述基座8受摩擦力作用跟随所述磁钢9运动，而所述样品基片7受惯性作用依旧保持步骤1)运动方向；3)反复执行步骤1)和步骤2)直至所述样品6到达扫描区域内，所述样品移动平台完成一次移动。
优选地是，所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台控制方法，其中通过DSP控制器2控制高精度D/A转换器3输出时延迟时间的长短来控制电压波形。
本发明所提供的一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台及其控制方法，其有益效果为：结构简单，控制方便，且步长可达纳米级。
附图说明
图1是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台的结构示意图；
图2是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台中压电陶瓷扫描器5在X方向移动的示意图；
图3是本发明实施例所述基片上待测样品6在观察视野内的定位示意图；
图4a是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台控制方法的驱动电压校正前波形；
图4b是本发明实施例所述的一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台控制方法的驱动电压校正后波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，为本发明提供的一种基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台，包括控制***，所述控制***包括上位机1及DSP控制器2，所述DSP控制器2连接在所述上位机1上，通过所述上位机操作软件发送指令给DSP控制器2，DSP控制器2对所述指令进行数字处理；传输***，所述传输***包括D/A转换器3及高压放大器4，所述D/A转换器3接受来自所述DSP控制器2的数字指令并将其转换成模拟信号作为高压放大器4的输入电压；压电陶瓷扫描器5，所述压电陶瓷扫描器5接受来自所述高压放大器4的电压，并在该电压作用下运动；样品台，包括磁钢9、基座8及样品基片7，且三者自下而上依次相连，所述磁钢9位于所述压电陶瓷扫描器5的顶端，所述基座8位于所述磁钢9上方，所述样品基片7位于所述基座8上方，所述基座8与所述样品基片7通过所述磁钢9磁性相连，所述基座8与所述压电陶瓷扫描器5通过所述磁钢9磁性连接。
由于压电陶瓷扫描器5伸长范围的限制，SPM的扫描范围一般可达到微米级，对于样品6，在其一时刻探针所能扫描的范围为图3中的中心区，若要观察左侧区中的图像，就需要在X方向移动样品6使左侧区移到中心区。根据压电陶瓷冲击驱动结构的原理可知，样品基片7在摩擦力和惯性作用下可以获得一定的位移，如图2压电陶瓷扫描器5带动样品6在X方向移动示意图。
现以图4a所示的电压波形作为压电陶瓷扫描器5X方向的驱动电压来分析所述的基于压电陶瓷扫描器的样品移动平台工作原理，其他方向工作原理类似。首先给所述压电陶瓷扫描器5控制X方向运动的一对电极加上一缓慢上升电压，利用基座8和样品基片7间的静摩擦力带动样品基片7和样品6向中心位置方向移动，直到驱动电压达到最大值；然后令驱动电压迅速下降，由于惯性，样品基片7和样品6不会立即跟随基座8做反方向运动，而是在一段时间内会保持原来的运动方向，因此样品基片7与基座8就产生了一定的相对位移。如此反复执行便可使样品6上的左侧区移动到中心区位置，即到达探针的扫描区域，实现探针-样品6间的移动、定位。
根据惯性原理，当电压下降，即压电陶瓷扫描器5A的顶端带动基座8向X负方向移动时，样品基片7和样品6在X正方向作减速运动，直至ν1＝0m/s再向X负方向移动；假设样品基片7和样品6的速度从v1减至零的过程所需要的时间是(t1-τ)，而扫描器A恢复为原态所需要的时间是(t2-τ)，倘若t2≤t1，则样品基片7和样品6一直向X正方向运动。因此，应使t1尽可能大，尽量接近t2。若使t1尽可能大，一是要使v1尽可能大，即所加驱动电压最大值尽可能大；二是要使摩擦系数μ尽可能小即样品基片7和基座8间接触面尽可能光滑，以减小样品基片7做减速运动时的摩擦阻力。
考虑到压电陶瓷的非线性、蠕变和滞后等特性，在实验的过程中对波形进行不断改进，最后校正得到驱动扫描器的电压波形如图4b所示。图中曲线的效果是通过DSP控制器2控制高精度D/A转换器3输出点的延迟时间长短来实现的。
具体实施过程如下：
首先，扫描探针显微镜工作时探针扫描样品6假定在中心区域，然后启动所述上位机操作软件中样品台移动操作界面，在该界面中可以通过改变驱动电压的幅度和周期数来选择符合实际要求的移动距离(移动距离＝驱动电压幅度*周期数*扫描器灵敏度)，其中扫描器灵敏度是定值。另外软件界面中还有X+、X-、Y+、Y-以及XY轴线等8个移动方向可供选择。指令发出后传送给所述DSP控制器2，所述DSP控制器2对指令进行数字处理后发给所述D/A转换器3，所述D/A转换器3将数字信号转换成模拟信号作为所述高压放大器4的输入电压，电压在经过放大后驱动所述压电陶瓷扫描器5动作。
通过发送指令，给所述压电陶瓷扫描器5施加一个加速度不断增加的加速上升驱动电压，这里的加速度由小到大不断增加是为了保证扫描器能有效地带动所述样品6、样品基片7和基座8随之运动，而加速上升是为了驱动电压增加到最大时，压电陶瓷扫描器5的顶端和基座8运动速度尽可能大，此过程中样品6和样品基片7会随基座8向设定方向(假定X正方向)移动一定步长；接着驱动电压迅速降低，使(t2-τ)的时间尽可能短，压电陶瓷扫描器5快速恢复原态，而样品6和样品基片7由于惯性会继续向设定方向(假定X正方向)移动；这样通过设定上位机操作软件中样品台移动操作界面的驱动电压幅度、周期数和移动方向就可以将所述样品6的左侧区移动到中心区了。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，所述样品移动平台连接于所述压电陶瓷管(5)的上方，其特征在于，所述样品移动平台包括，
磁钢(9)，磁性材料，与所述压电陶瓷管(5)连接；
基座(8)，铁质材料，位于所述磁钢(9)上方，所述基座(8)受所述磁钢(9)磁力作用紧贴于所述磁钢(9)上表面；
样品基片(7)，轻量型铁质薄片，位于所述基座(8)上方，受所述磁钢(9)磁性吸引力作用紧贴于所述基座(8)表面；
其中，所述样品(6)粘接于所述样品基片(7)的上表面；所述基座(8)与所述样品基片(7)相接触面均为光滑面；所述基座(8)与所述磁钢(9)接触面为粗糙面。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其特征在于，所述压电陶瓷管(5)连接在传输***上，所述传输***包括D/A转换器(3)及高压放大器(4)，所述压电陶瓷管(5)接受来自所述高压放大器(4)的经所述D/A转换器(3)转换后的放大电压，并在该电压驱动下运动。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其特征在于，所述D/A转换器(3)接受来自DSP控制器(2)的数字指令并将其转换成所述高压放大器(4)的输入电压。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其特征在于，所述DSP控制器(2)连接在上位机(1)上，所述DSP控制器(2)接受自所述上位机操作软件发出的指令且对所述指令进行数字化处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台，其特征在于，所述陶瓷管外壁沿纵轴线方向被均分为四部分，所述四部分分别为X+导电层、X-导电层、Y+导电层及Y-导电层，其中所述X+导电层与所述X-导电层沿纵轴线对称分布，所述Y+导电层与所述Y-导电层沿所述纵轴线对称分布。
6.一种基于压电陶瓷管的样品移动平台控制方法，其特征在于，包括以下步骤，1)分别向所述陶瓷管外壁对称导电层加正负电压，通过控制电压大小使所述陶瓷管上端弯曲，并带动整个样品移动平台按设定方向运行；2)突降电压，所述压电陶瓷管(5)带动所述磁钢(9)快速回复至初始位置，所述基座(8)受摩擦力作用跟随所述磁钢(9)运动，而所述样品基片(7)受惯性作用依旧保持步骤1)运动方向；3)反复执行步骤1)和步骤2)直至所述样品(6)到达扫描区域内，所述样品移动平台完成一次移动。
7.根据权利要求6所述的一种基于压电陶瓷管的样品移动平台控制方法，其特征在于，通过DSP控制器(2)控制高精度D/A转换器(3)输出时延迟时间的长短来控制电压波形。
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