专利名称：全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及扫描探针显微镜探头及其制造方法，具体说是一种以并排站立并固定于 基座的左右或左中右压电管作为探针支撑、样品支撑和探针相对于样品的XYZ三维定位装置， 并通过匹配各压电管的长度及其与基座的对称性来全面抵消热胀冷縮对探针-样品间距的影 响，最大程度地抑制温度漂移的扫描探针显微镜探头，属扫描探针显微镜技术领域。
背景技术：
扫描探针显微镜(SPM)的最重要技术指标之一是其温度漂移(简称温漂)或称热稳定性。 以扫描隧道显微镜(STM)为例最关键的成像信号是隧道电流，它是按指数关系依赖于探 针-样品间距的， 一般探针-样品间距每改变0. 1纳米，则隧道电流要相应地改变10倍。如 果探针与样品构成的隧道结是由XYZ压电扫描管、不锈钢支架、基座一起构成的机械环路而 支撑起来的，且假设XYZ压电扫描管的长度为3厘米，其热膨胀系数为5xl(T/。C，不,(真 空用1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢)支架长度为4厘米，其热膨胀系数为16x1(TV。C，忽略基座 的影响，那么，环境温度变化一度就导致探针-样品间距变化490纳米，也即温度漂移系数 为490纳米/。C。如果一天(1440分钟)之内有一度的温度变化，则相当于每分钟探针-样品 间距变化0.34纳米。也就是说，每分钟隧道电流要变化超过1000倍！这是非常不稳定的， 根本无法成像。类似情况也可发生在原子力显微镜身上，甚至更显著，因为在排斥力模式(较 常见的工作模式)下工作时，原子力显微镜测量的原子力是非常短程的力。
现有的几种减少温度漂移的技术包括(1)减少支撑探针与样品的机械环路(包括XYZ 压电扫描管、外支架、基座)的长度，例如减少XYZ压电扫描管和外支架的长度，这种方 法只能很有限地减小温度漂移，不能消除，因为环路长度再小也不能为零，而且减小XYZ压 电扫描管长度将直接牺牲扫描范围和Z调节灵敏度；
(2)将一个压电管共轴地放入另一个压电管内部并共同固定于基座，探针与样品设置在
这两个压电管的自由端之间，这其实也不能很好地消除温度漂移，原因是内外压电管共轴
嵌套结构虽然在横方向是同心圆结构，如果探针和样品设置在圆心(即对称轴上)则探针-样品间距的横向分量不会因热胀冷缩而变化，但探针-样品间距的纵向分量受热胀冷缩的影 响会非常大，因为外界温度变化对应的热辐射被外压电管阻挡而不能直接、快速地到达内压 电管，这使得内外压电管所受的热辐射程度不同，所以它们纵向热胀冷縮的程度也不同，而
且还有延迟；另外，由于外压电管的表面积必然大于内压电管，这种不对等又进一步加大了 内外压电管的吸热散热的差别，增加了内外压电管的纵向热胀冷縮差距；
所以，压电管共轴嵌套结构不能很好地抵消内外压电管的纵向热胀冷縮而获得恒定的探 针-样品间距；需要强调的是纵向热胀冷縮稳定性远比横向热胀冷縮稳定性重要得多，因 为前者对成像信号的影响是指数性的、短程的；
(3) 使用热膨胀系数小的材料制作支架，与XYZ压电扫描管一个支撑探针一个支撑样品， 这也不能很好地消除纵向热漂移，因为即使该材料的热膨胀系数为0，但由于XYZ压电扫描 管的热膨胀系数不为O (—般在10—V。C量级)，所以探针与样品不能在纵向同步等量地热胀 冷縮，故不能消除纵向热漂移；
(4) 使用与XYZ压电扫描管的纵向热胀冷縮相同的材料制作支架，但这也是难以实现的， 因为这不仅要求该支架与XYZ压电扫描管的纵向热膨胀系数相同，而且也要求它们的导热系 数和热容量必须相同，否则它们虽处于相同的热环境，但它们吸放热的速度不同将导致它们 的温度不相同，依然不能获得相同的纵向热胀冷縮；
(5) 加快扫描速度以减少成像时间，这显然是治标不治本,而且加快扫描速度也会大大 牺牲分辨率，因为输出成像信号的放大电路的带宽是非常有限的，不能很好地响应快速变化 的探针信号；(6)减少外界温度的变化，这是非常困难的，需要复杂昂贵的精确控温系统， 而且很多情况下就是专门要在变温过程中成像来研究温度对某个样品或效应的影响。
目前还没有一项技术能较理想地消除扫描探针显微镜探针-样品间距的纵向温度漂移。更 没有一种在变温过程中依然能获得稳定图像的扫描探针显微镜。 发明内容
为了克服现有技术中扫描探针显微镜探针-样品间距纵向分量热稳定性低的缺点，提供一 种抗温度漂移扫描探针显微镜探头。
本实用新型抑制温度漂移这一技术问题所采用的技术方案是
本实用新型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，包括探针座、样品座，还包括分别称 为左压电管和右压电管的两个压电管，所述左右压电管并排站立并固定于基座，探针座设置 于其中一个压电管的自由端，样品座设置于另一个压电管的自由端并对着探针座，所述左右 压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位。
本实用新型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，包括探针座、样品座，还包括分别称 为左压电管、中压电管和右压电管的三个压电管，所述左中右压电管并排站立并固定于基座， 所述左压电管和右压电管分处中压电管的两侧，所述左中右压电管中至少包含一体或分体设 置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位，探针座设置在中压电管的自由端，样品座横跨 中压电管而设置于左右压电管的自由端并对着探针座，所述探针座与样品座的位置可对调。
本实用新型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的结构特点也在于
所述中压电管是XYZ定位压电管而左右压电管是两个相同的压电管。 所述左右压电管或是相同的Z定位压电管或是与中压电管相同的XYZ定位压电管。 所述中压电管是XY定位压电管而左右压电管是两个相同的Z定位压电管。 所述左中右压电管中选一个具有Z定位的压电管在其自由端与该自由端上设置的样品座 或探针座之间增设质量块，该质量块通过弹性体以弹力设置于所述自由端上。 所述左中右压电管是等间距的。
所述左中右压电管是等间距左右对称排列且其对称轴与左右对称基座的对称轴共轴。 本实用新型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，包括探针座、样品座，还包括3-20个 压电管在旋转对称的基座上站立固定并排列成与基座共旋转轴的旋转对称图形，另有一个压 电管在基座上站立并固定于所述旋转轴位置，探针座设置在该压电管的自由端，样品座横跨 该压电管而设置于其它压电管的自由端并对着探针座，所述探针座与样品座的位置可对调， 所述各压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位。 本实用新型制造上述全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的方法为
(1) 测量出或査出所述左中右压电管的热膨胀系数c力:、。,,和(:4;
(2) 选定一个长度L作为所述左中右压电管中某一压电管的长度；
(3) 按照C左L左=C巾l^ = CSL4计算出另两个压电管的长度；
(4) 按上两步给定的长度配备左中右压电管并将它们并排固定于基座；
(5) 探针座设置在中压电管的自由端，样品座横跨中压电管而设置于左右压电管的自由 端并对着探针座，所述探针座与样品座的位置可对调。
本实用新型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的工作原理为
本实用新型的关键是探针支撑、样品支撑和探针相对于样品的XYZ三维定位三者都用压 电管制作，且各压电管为并排设置而非内外嵌套，这使得三者因材料和结构相近而在热膨胀 系数、导热系数和热容上的匹配变得非常容易，又因釆用了完全敞开的支撑结构而处于热交 换完全对等的条件，即在相同的热环境中三者的吸热散热一样快，温度升降一致，最终因
探针与样品纵向的热胀冷縮相同而使得探针-样品间距的纵向分量保持高度的热稳定。
具体说，分别称为左压电管和右压电管的两个压电管并排站立并固定于基座，探针座设 置于其中一个压电管的自由端，样品座设置于另一个压电管的自由端并对着探针座，所述左
右压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位以实现探针座 (即探针)相对于样品座(即样品)的三维XYZ定位。由于各压电管之间材料和结构相近且 没有内外之分(即热环境相同)，从而只要它们的长度匹配就可以使探针座与样品座在纵向随 热胀冷縮同步移动相同距离，即探针-样品间距的纵向分量不随温度的变化而变化。下面具体说明如何根据热胀冷縮原理来进行上述长度匹配以获得纵向稳定性。
为了叙述方便，以下一律将某一给定自由度定位的压电管统称为定位压电管，将不具体 给出定位方向的压电管统称为压电管，将没有定位电极或不能定位的压电管称为光压电管，
例如XYZ压电扫描管称为XYZ定位压电管，XY压电扫描管称为XY定位压电管，Z方向定位压 电管称为Z定位压电管。
能产生纵向稳定性的左右压电管的长度匹配方法包括(1)可将左右压电管选为相同的 XYZ定位压电管，则它们之间的纵向热胀冷縮是同步且等量的，这是最容易实现的一种匹配。 (2)如果左右压电管不同，例如左压电管是XYZ定位压电管，右压电管是XY定位压电管、 Z定位压电管或光压电管；或者左压电管是XY定位压电管，右压电管是Z定位压电管；则可 以通过实际测量或直接从产品数据中査得左右压电管的热膨胀系数C左、C右，再按下列公式 获得使左右压电管的纵向热胀冷縮量AL相同所需的左右压电管的长度L左、L右
AL左- AL右- C左L左AT - C右L右AT，其中AT为各压电管温度的变化(设为相同， 因为它们处于热交换完全对等的条件)，为公因子，可约去，从而得到C左L左zC右L右， 由此可先选定一个压电管的长度，再定出另一个压电管的长度。这种结构能消除纵向热漂移， 不能消除横向热漂移，但横向热漂移可以通过使用低热膨胀系数的材料制作基座、探针座和 样品座来减低，虽不能完全消除，但毕竟横向热漂移远不如纵向热漂移的破坏性大。
为了进一步消除横向热漂移，可以把分别称为左压电管、中压电管和右压电管的三个压 电管排列成与基座具有共同热胀冷縮对称轴的结构，所述左右压电管分处于中压电管的两侧。 具体说，将左中右压电管并排站立并固定于基座上，探针座设置于中压电管的自由端，对应 的样品座横跨中压电管而设置于左右压电管的自由端并对着探针座，探针座与样品座的位置 可以对调。这样，如果左中右压电管为等间距左右对称排列并且基座也与之同轴地左右对称， 或者中压电管的对称轴与基座的热胀冷縮对称轴重合且左右压电管随基座向基座的热胀冷縮 对称轴产生的横向(左右向)热胀冷縮等量且反向，则探针座与样品座都处于横向热胀冷缩 的对称轴上，这时，探针-样品间距的横向分量不随热胀冷縮变化。
对于纵向，如果左中右压电管的长度匹配得当可以使探针座与样品座在纵向随热胀冷縮 同步移动相同距离，即探针-样品间距的纵向分量不随温度的变化而变化，这也是得益于各压 电管之间没有内外之分，吸热放热一样快，温度升降一致。能产生纵向稳定性的各压龟管的 长度匹配方法包括(1)可将左中右压电管选为相同的XYZ定位压电管，则它们之间的纵向 热胀冷縮是相同的；(2)如果左中右压电管有所不同，例如 一个是XYZ定位压电管，其它 的是XYZ定位压电管、XY定位压电管、Z定位压电管或光压电管；或者一个是XY定位压电管， 一个是Z定位压电管，剩下的是XYZ定位压电管、XY定位压电管、Z定位压电管或光压电管；
抑或是其它定位组合的左中右压电管；都可以通过实际测量或直接从产品数据中査找获得左
中右压电管的热膨胀系数c左、c中、c右，再按下列公式获得使左中右压电管的纵向热胀冷
縮量AL相同所需的各压电管的长度L左、L中、L右C左L左-C中L中C右L右，由此可 先选定一个压电管的长度，再定出另两个压电管的长度。
为使探针与样品之间具有XYZ三维定位功能(XY扫描定位功能和Z控制功能)，上述左 中右压电管中应至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位，例如 (1)左中右压电管中有一个是集X定位、Y定位和Z定位于一体的XYZ定位压电管(即X、 Y和Z定位为一体设置)，(2)左中右压电管中有两个压电管分别为Z定位压电管和集X定位 与Y定位于一体的XY定位压电管(即X与Y定位为一体设置而Z定位为分体设置)，(3) 左中右压电管一个是X定位、 一个是Y定位、 一个是Z定位压电管，(4)左中右压电管一个 是XZ定位， 一个是YZ定位， 一个是光压电管，等等。也即左中右压电管中只要至少包含了 一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位，不管它们是分处不同的压电管还是集中在一两个压 电管上，皆可因其能够独立地进行X、 Y和Z定位而实现探针相对于样品的XYZ三维定位。
为使探针与样品之间具有粗逼近功能，可在上述左右或左中右压电管中选择一个可进行 Z定位的压电管(例如Z定位压电管或XYZ定位压电管)，在其自由端和该自由端上设置的探 针座或样品座之间增设质量块，该质量块通过弹性体以弹力设置于所述自由端，构成压电惯 性步进器。粗逼近时，质量块受压电管在Z方向周期性的慢伸长快收縮作用，质量块在慢伸 长时受到小于最大静摩擦力的惯性力，导致质量块随压电管一同沿其伸长方向移动，带动质 量块上的探针座(或样品座)向样品座(或探针座)逼近，质量块在快收縮时受到大于最大 静摩擦力的惯性力，导致质量块在压电管上沿其伸长方向滑移而不随压电管一起回縮，如此 周期往复可带动质量块上的探针座(或样品座)向样品座(或探针座)逼近。反之，快伸长 慢收縮的周期作用可将它们俩分离。此外，还可通过在基座上在中压电管与左右压电管之间 安装螺丝、压电马达或步进马达来调节中压电管与左右压电管在基座上的相对高低位置从而 实现探针座-样品座的粗逼近。
上述左右压电管如果用于支撑样品而非探针，则只能支撑较小的样品，如果要支撑较大 样品，例如半导体工业中的晶圆片，可使用更多的压电管来支撑样品或样品座。此时，纵
向的热稳定性可由类似上面的方法对各压电管通过长度匹配来获得；而横向的热稳定性可由 类似的对称性匹配法来获得，具体说将3-20个压电管在旋转对称的基座上站立固定并排列 成与基座共旋转轴的旋转对称图形，另有一个压电管在基座上站立并固定于所述旋转轴位置， 这样，所有扫描管作为整体的热胀冷縮中心轴与基座的热胀冷縮中心轴重合且探针座(探针) 与样品座(样品)都设置在该中心轴上，从而因各压电管到该中心轴的距离相等而使得各横
向热胀冷縮相抵消，抑制了横向的温度漂移。当热胀冷縮中心轴上的压电管可以独立支撑样
品时，所述探针座与样品座的位置可以对调。为获得探针与样品间的XYZ定位，上所述各压 电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位。
所以，本实用新型可在横向与纵向同时抑制温度漂移，也可进行探针-样品之间的XYZ定
位，还可实现探针-样品粗逼近，是一种行之有效的高稳定扫描探针显微镜探头。 与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在
(1) 探针与样品支撑体的敞开式支撑结构使各支撑体处于热交换完全对等条件，又由于各 支撑体都是压电管，不存在导热和热容上的匹配困难，仅需通过各压电管长度的匹配 就可消除纵向热漂移；且可以很容易地把各支撑压电管排列成与基座具有共同热胀冷 縮对称轴形式，以此消除横向热膨胀；最终同时消除探针-样品间距在横向与纵向的温 度漂移，是一种更完全的抗温度漂移技术，使得探针-样品间距保持高度的稳定性。
(2) 本实用新型对外界震动与声波干扰也有一定的减缓作用，因为外震动与声波一般同步 干扰探针与样品，属于共模信号，但对探针-样品间距这一差分量的影响就相对小了。
(3) 可工作于极端物理条件(超高真空、超强磁场、超低温、超低噪音)，因为其体积可以 小到仅包含2-3个压电管，且所用的材料都能做到与极端物理条件兼容。
图1是本实用新型双压电管型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的基本结构示意图。
图2是本实用新型三压电管全同型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的基本结构示意图。
图中标号1左压电管、2右压电管、3基座、4探针座、5样品座、6中压电管、7对 称轴。
以下通过具体实施方式
，结构附图对本实用新型作进一步描述具体实施方式
实施例l:双压电管型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头
图1是双压电管型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的基本结构示意图。分别称为左 压电管1和右压电管2的两个压电管并排站立并固定于基座3上，探针座4设置于其中一个 压电管的自由端，样品座5设置于另一个压电管的自由端并对着探针座4，所述左压电管1 和右压电管2中至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位。
这种完全敞开式的支撑探针座4与样品座5的结构使得左压电管1和右压电管2处于热 交换完全对等的条件，各压电管之间没有内外之分，吸热放热一样快，从而只要它们的长度 按照C左L左-C右L右匹配或左压电管1和右压电管2选为相同的压电管就可以使探针座4
与样品座5在纵向随热胀冷縮同步移动相同距离，即探针座4与样品座5之间间距的纵向分 量不随温度的变化而变化。这种结构能消除纵询热漂移，不能消除横向热漂移，但横向热漂 移可以通过使用低热膨胀系数的材料制作基座3、探针座4与样品座5来减低，虽不能完全 消除，但毕竟横向热漂移远不如纵向热漂移的破坏性大。
上述左压电管1和右压电管2中需至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位 和一个Z定位以使得探针座4能够相对于样品座5进行XYZ三维定位。左压电管1和右压电 管2中如果一个选为XYZ定位压电管，则另一个可以为任何形式的压电管(X、 Y、 Z、 XY、 XZ、 YZ或XYZ定位压电管，或光压电管)，如果一个选为XY定位压电管，则另一个必须是Z定位 压电管。
实施例2:三压电管全同型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头
图2是三压电管全同型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的基本结构示意图。分别称 为左压电管l、中压电管6和右压电管2的三个压电管为全同的XYZ定位压电管，它们等间 隔并排站立并固定于左右对称的基座3上，基座3的对称轴7与中压电管6的对称轴7重合， 样品座5横跨中压电管6而设置于左压电管1和右压电管2的自由端，探针座4设置于中压 电管6的自由端并对着样品座5。
此外，左中右压电管1、 6、 2为全同且等间隔并排站立并固定于同轴左右对称的基座3 上，横向热胀冷縮将对称地围绕对称轴7进行，而探针座4与样品座5也位于该对称轴7上， 当温度变化时，各压电管因为是敞开排列所以同时等量地感受到该温度变化，故而在对称轴 7上不会产生横向热胀冷縮，所以探针座4与样品座5之间间距的横向分量不随温度而变化。 又由于在纵向上全同的左中右压电管1、 6、 2产生的热胀冷縮是同步且等量的，所以探针座 4与样品座5因纵向热胀冷縮而产生的纵向漂移也是同步且等量的，这保证了探针座4与样 品座5之间间距的纵向分量也不随温度而变化。所以，本实施例的探针座-样品座间距在横向 与纵向都是高度稳定的。
实施例3:三压电管左右全同型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头 上述实施例2中的中压电管6也可以与左右压电管1、 2不同，只要它们至少包含一体或 分体设置的一个X定位， 一个Y定位和一个Z定位，同样能够实现探针-样品间的XYZ定位、
以及探针座-样品座间距的横向与纵向的稳定性。
例如，左右压电管是全同的Z定位压电管而中压电管为XYZ定位压电管。横向的左右对
称性能保证探针座-样品座间距的横向分量不受热胀冷縮的影响。在纵方向，左右压电管因为 是全同的，它们的热胀冷縮将整体地在纵向移动样品座，而中压电管的热胀冷縮也在纵向以 相同方向移动探针座，但移动的量与样品座移动的量一般不等，导致探针座-样品座间距的纵
向分量会随温度的变化而变化。但这种变化一般较小，是可以通过以下长度匹配法消除这种 变化实际测量或査询产品数据以获得左中右压电管的热膨胀系数C左、C中、C右，并根据
C左L左C中L中C右L右来计算出使得各压电管纵向热胀冷縮量相等所需的各压电管长 度U我们按计算出来的、使得各压电管纵向热胀冷縮量相同所需的各压电管的长度L来匹 配左中右压电管，可确保探针座-样品座间距在纵向不受热胀冷缩影响。此例中因左右压电管
1、 3为全同，所以它们的长度选为相同，设为L0,它们的热膨胀系数也相同，设为Co,由
此推出中压电管的长度应选为L中-CoLo/C中。
同理，左右压电管也可以是全同的XY定位压电管、全同的光压电管、全同的Y定位压电 管、全同的YZ定位压电管等等，而中压电管是XYZ定位压电管；再如左右压电管是相同的 XYZ定位压电管而中压电管为任意形式的压电管(Z定位压电管、XY定位压电管、XZ定位压 电管、X定位压电管、光压电管等等)；或者左右压电管是相同的Z定位压电管而中压电管 为XY定位压电管；亦或是左右压电管是相同的XY定位压电管而中压电管为Z定位压电管。
横向的对称性保证了横向的稳定性。纵向可类似地通过各压电管长度的匹配而获得稳定性。
实施例4:三压电管全不同型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头
上述实施例2-3中的左中右压电管也可以没有相同的，只要它们至少包含一体或分体设 置的一个X定位， 一个Y定位和一个Z定位，同样能实现探针-样品间的XYZ定位，以及探针 座-样品座间距的横向与纵向的稳定性。横向与纵向的热稳定性是通过如下方式实现的
(1) 横方向虽然左中右压电管各不相同，但横向热胀冷縮发生时，左右压电管随基座一起向 基座的热胀冷縮对称轴进行热胀冷縮，这种热胀冷縮的方向相反，而大小是由左右压电管到
基座热胀冷縮对称轴的距离决定的；如果左右压电管与中压电管距离相等且基座也是横向对
称的，基座对称轴又与中压电管对称轴重合，则左右压电管随基座向中压电管的热胀冷縮大 小相等方向相反，这样处于基座对称轴上的探针座与样品座就不受横向热胀冷縮的影响。
(2) 纵方向由于左中右压电管各不相同，它们的纵向热胀冷縮一般同向但不同量，但按照如 下方法进行长度匹配后可获得同向同量的纵向热胀冷缩实际测量出或从产品数据中查找出
左中右压电管的热膨胀系数c左、c中、c右并按下列方法计算出使左中右压电管纵向热胀冷 縮AL相同所需的各压电管长度L左、L中、L右C左L左-C中L中C右L右，由此选择了一 个压电管的长度就可定出另两个压电管的长度。长度匹配后的左中右压电管将因为它们的纵 向热胀冷縮同向同量而使得探针座-样品座间距的纵向分量也不随热胀冷缩而变，成为高稳定 的扫描探针显微镜探头。
实施例5:三压电管不对称型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头
以上实施例2-4中所述的左中右压电管之间的间距可以不等，基座也可以不对称，如果
这种不对称是横向的，不会对纵向热胀冷縮有影响，而且只要中压电管的对称轴与基座的热 胀冷缩中心轴重合且左右压电管随基座向基座的热胀冷縮中心轴产生的横向热胀冷缩等量且 反向就可使探针-样品间距的横向分量不受热胀冷縮的影响。
实施例6:其它类型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头
以上实施例1-5中所述的探针座与样品座的位置可以对调而不产生实质性差别。 以上实施例1-5中的左右压电管或左中右压电管中可选一个具有Z定位的压电管在其自
由端与该自由端上设置的探针座或样品座之间增设质量块，该质量块通过弹性体以弹力设置
于所述自由端上，构成压电惯性步进器以实现探针座与样品座之间的粗逼近。其工作原理为
粗逼近时，质量块受中所述具有z定位的压电管在z方向慢伸长快收縮的周期性作用，在慢
伸长时，质量块所受惯性力小于最大静摩擦力，质量块随中压电管沿其伸长方向移动而无滑
动；在快收縮时，质量块所受惯性力大于最大静摩擦力，导致质量块在中压电管上沿其伸长 方向滑移，带动探针座向样品座逼近。反之，快伸长慢收縮的周期作用将带动探针座从样品 座撤离。这就实现了粗逼近功能。
探针座-样品座的粗逼近也可使用压电惯性步进器以外的其它方法实现，即所述的质量块 与弹性体可以拿掉不用，而可通过在基座上在中压电管与左右压电管之间安装螺丝、压电马
达或步进马达来调节中压电管与左右压电管在基座上的相对高低位置从而实现探针座-样品 座的粗逼近。
实施例7:多压电管型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头
以上实施例1-6中的左右压电管如果用于支撑样品而非探针，则只能支撑较小的样品， 如果要支撑较大样品，例如半导体工业中的晶圆片，可使用更多的压电管来支撑样品或样 品座。此时，纵向的热稳定性可对各压电管通过类似的长度匹配来获得；而横向的热稳定性 可由类似的对称性匹配法来获得，具体说将3-20个压电管在旋转对称的基座上站立固定并 排列成与基座共旋转轴的旋转对称图形，另有一个压电管在基座上站立并固定于所述旋转轴 位置，这样，所有扫描管作为整体的热胀冷縮中心轴与基座的热胀冷縮中心轴重合且探针(探 针座)与样品(样品座)都设置在该中心轴上，从而因各压电管到该中心轴的距离相等而使 得各横向热胀冷縮相抵消，抑制了横向的温度漂移。当热胀冷縮中心轴上的压电管可以独立 支撑样品时，所述探针座与样品座的位置可以对调。为获得扫描、反馈控制和成像功能，上 所述各压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位。实施例8:三压电管型全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头的制造方法
(1) 所需的左中右压电管为Z定位压电管、XYZ定位压电管和XY定位压电管，査出它们的 热膨胀系数分别为C左=4. 7xlO—7。C , C中=5x10—7°C， C右=5. 2x10—7°C，
(2) 选定1中=30mm作为中压电管的长度，
(3) 按照C左L左C中L中-C右L右计算出另两个压电管的长度为丄左=32咖，L右=29mm,
(4) 将32mm长的Z定位压电管、30腿长的XYZ定位压电管和29mm长的XY定位压电管按左
中右位置等间距并排固定于左右对称的基座，基座对称轴与中压电管对称轴重合。
(5) 探针座设置在中压电管的自由端，样品座横跨中压电管而设置于左右压电管的自由端并 对着探针座，所述探针座与样品座的位置可对调。
权利要求1、一种全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，包括探针座、样品座，其特征在于还包括分别称为左压电管和右压电管的两个压电管，所述左右压电管并排站立并固定于基座，探针座设置于其中一个压电管的自由端，样品座设置于另一个压电管的自由端并对着探针座，所述左右压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、一个Y定位和一个Z定位。
2、 一种全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，包括探针座、样品座，其特征在于还包括分别 称为左压电管、中压电管和右压电管的三个压电管，所述左中右压电管并排站立并固定于基 座，所述左压电管和右压电管分处中压电管的两侧，所述左中右压电管中至少包含一体或分 体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位，探针座设置在中压电管的自由端，样品座横跨中压电管而设置于左右压电管的自由端并对着探针座，所述探针座与样品座的位置可对 调。
3、 根据权利要求2所述的全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，其特征在于所述中压电管是XYZ定位压电管而左右压电管是两个相同的压电管。
4、 根据权利要求3所述的全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，其特征在于所述左右压电管或是相同的Z定位压电管或是与中压电管相同的XYZ定位压电管。
5、 根据权利要求2所述的全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，其特征在于所述中压电管是XY定位压电管而左右压电管是两个相同的Z定位压电管。
6、 根据权利要求2、 3、 4或5所述的全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，其特征在于在所 述左中右压电管中选一个具有Z定位的压电管在其自由端与该自由端上设置的样品座或探针座之间增设质量块，该质量块通过弹性体以弹力设置于所述自由端上。
7、 根据权利要求2、 3、 4或5所述的全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，其特征在于所述左中右压电管是等间距的。
8、 根据权利要求7所述的全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，其特征在于所述左中右压电管是等间距左右对称排列且其对称轴与左右对称基座的对称轴共轴。
9、 一种全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头，包括探针座、样品座，其特征在于3-20个压 电管在旋转对称的基座上站立固定并排列成与基座共旋转轴的旋转对称图形，另有一个压电管在基座上站立并固定于所述旋转轴位置，探针座设置在该压电管的自由端，样品座横跨该压电管而设置于其它压电管的自由端并对着探针座，所述探针座与样品座的位置可对调，所述各压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、 一个Y定位和一个Z定位。
专利摘要全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头涉及扫描探针显微镜，包括探针座、样品座，还包括分别称为左压电管和右压电管的两个压电管，所述左右压电管并排站立并固定于基座，探针座设置于其中一个压电管的自由端，样品座设置于另一个压电管的自由端并对着探针座，所述左右压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、一个Y定位和一个Z定位。本发明可有效地抑制温度漂移，还具有对外震动和声波的减缓、极端物理条件兼容等优点。
文档编号G01N13/10GK201210412SQ20072013084
公开日2009年3月18日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者陆轻铀 申请人:中国科学技术大学