专利名称:一种品质因数可控的切变力检测控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描探针显微技术，特别涉及到扫描近场光学显微术等领域。具体地说，涉及一种品质因数(Q-值)可控的切变力检测控制装置。
背景技术：
扫描近场光学显微术是将扫描探针显微术与光学技术相结合而发展起来的一种全新的显微成像技术。该技术利用光学探针替代光学透镜，并采用探针在样品表面近场逐点扫描的成像方式，能够在纳米尺度上同时提供样品表面形貌和光学(包括吸收、散射、偏振以及荧光等)信息，突破了光波衍射效应限制，使光学图像分辨率达到纳米量级。
在扫描近场光学显微术中，探针与样品表面之间的距离是决定光学分辨率的主要因素之一。对于可见光和近红外光波而言，通常应控制在小于20纳米，即近场范围之内。因此，发展探针与样品的近场控制技术非常重要。
检测探针和样品之间的切变力是实现扫描近场光学显微术中探针与样品近场控制的方法之一。切变力是指当探针沿样品表面方向振动时所感受到的探针与样品之间的横向作用力，它能使探针在固有频率振动时的共振振幅和相位发生明显变化。用适当的方法检测探针共振振幅或相位的变化就可实现切变力的检测。将振幅或相位变化转换为电压信号送入扫描探针显微镜的反馈控制电路就可实现探针与样品近场控制以及近场光学显微成像。
在目前现有技术中，一种较为常用的方法是采用U形石英振荡器即石英音叉来实现切变力的检测。在这种检测系统中，用光纤制成的探针粘贴在石英音叉的一个臂上，并随同音叉沿样品表面方向作横向振动。当这种石英音叉和光纤探针组成的系统在音叉的固有频率上振动时，音叉振幅将达到最大值，由此产生的压电电压(或电流)的振幅也将达到最大值。如果粘贴在音叉上的光纤探针受到探针和样品之间切变力的作用，其振幅和相位将发生变化，压电电压(电流)的振幅和相位也将随之变化。利用适当的电路就可实现压电电压振幅和相位变化的检测，进而实现切变力的检测。如果将该变化转换为电压作为反馈信号送入扫描探针显微镜的反馈控制电路就可实现探针与样品近场控制。由于石英音叉的尺寸很小，材料很脆，将光纤探针粘接在音叉臂上非常困难。
在现有技术中，还有一种采用压电陶瓷管实现切变力检测的方法。在这种方法中，光纤探针粘接固定在压电陶瓷管内，并在压电陶瓷管的振动激励下振动。当切变力作用于光纤探针时，将引起压电陶瓷管内部阻抗的变化。用桥式电路检测阻抗变化就可实现探针与样品近场控制。由于阻抗的变化很小，一般只有10-4，电桥的热稳定性要求很高，因此增加了制作和应用这种检测系统的难度。
采用一对压电陶瓷块进行切变力检测是继石英音叉式和压电陶瓷管式检测技术之后发展起来的又一现有技术。在该技术中，一对压电陶瓷块被分别粘接在一个固定探针的金属块两侧，其中一个压电陶瓷块用于激励光纤探针在其固有频率上振动，另一个压电陶瓷块用于检测光纤探针的振动状态。这种技术在实际应用时需要在大的振动谱背景下找出由探针产生的很微弱的共振峰，因此给实际应用带来较大困难。
采用具有对称结构(即由一对压电陶瓷片粘在一层金属薄片上组成三明治结构)的压电双晶片实现切变力检测是近几年发展起来的又一现有技术。在该技术中，具有对称结构的压电双晶片被切成具有一定长和宽的长方形，一端固定，一端自由，形成悬臂梁。将光纤探针沿压电双晶片长度方向粘贴在其自由端部，探针伸出长度一般小于1毫米，压电双晶片其中一层作为激振片用以激励压电片自身并同时带动光纤探针作横向振动，另外一层作为检测片用于检测压电片本身的振动，从而实现探针与样品近场控制。由于这种压电双晶片的品质因数(Q-值)不高，所以不能达到很高的检测灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种品质因数(Q-值)可控的切变力检测装置。本发明具有结构简单，控制可靠，灵敏度高，易于制作，使用简便以及成本低廉等特点。
为实现上述目的，本发明提供的切变力检测控制装置，包括一非对称压电双晶片的一端固定在压电陶瓷块上，另一端形成悬臂梁，将该非对称压电双晶片固定在陶瓷块上的一端金属片接地；一光纤粘接于该压电双晶片的悬臂梁的陶瓷片面上，光纤一端头伸出非对称压电双晶片作为探针，光纤另一端与光电探测器如光电倍增管耦合；信号发生器经加法器与压电陶瓷块相接，驱动非对称压电双晶片在其共振频率上振动；非对称压电双晶片上产生的压电电压信号分成二路，其中一路信号经前置放大器送入Q-值控制电路，另外一路信号通过锁相放大器送入扫描探针显微镜的反馈控制电路，该反馈控制电路输出二路信号，其中一路驱动三维扫描器，实现探针与样品近场控制，另一路输入至数据采集成像系统进行数据处理。
所述悬臂梁长2～12毫米，宽0.5～5毫米，厚0.1～1毫米。
所述探针为金属、非金属或半导体探针。
所述探针与非对称压电双晶片是用胶粘剂粘接。
所述非对称压电双晶片一端用胶粘剂粘接或机械夹紧的方式固定在压电陶瓷块上。
所述信号发生器是1～1000毫伏的正弦信号发生器，前置放大器是增益1～1000，带宽100千赫的电压放大器。
所述Q-值控制是通过将压电双晶片产生的压电电压信号经过Q-值控制电路与原有驱动信号相加同时驱动压电陶瓷块实现的。
所述Q-值控制电路包括增益和相位调节电路。
所述Q-值控制电路增益调节范围为0～100倍，相位调节为0～360°。
由上述装置，当压电陶瓷块驱动该压电双晶片共振时，双晶片的振幅将达到最大值。由于压电效应，双晶片上产生的压电电压也达到最大值。当光纤探针接近样品受到切变力的作用时，双晶片的振幅将减小，产生的压电电压也随之降低。通过检测压电电压的变化，就可实现切变力的检测和探针与样品近场控制。在同样条件下，由于非对称压电双晶片的厚度比对称压电双晶片的厚度较薄，弹性常数较小，因而灵敏度有所提高。
品质因数(Q-值)是决定检测灵敏度的重要因素。Q-值越大，灵敏度越高。Q-值与压电双晶片的材质、几何尺寸以及工作环境(气体、真空或溶液)有关。本发明在上述由压电陶瓷块和压电双晶片组成的系统中增加一个Q-值控制(包括增益和相位调节)电路，实现了Q-值的增大，显著提高检测灵敏度。
图1为这种Q-值可控的切变力检测装置示意图。
具体实施方式
请参阅图1。厚度为0.4毫米的非对称压电双晶片2经切磨后制成长14毫米，宽1.5毫米的矩形片。将压电双晶片2的一端(金属片一面)用胶粘在扫描探针显微镜本体4上的压电陶瓷块3上，并留出2毫米长的一段金属片2a用于接地，另一端形成悬臂梁2b。探针1为光纤探针，该光纤可由单模或多模光纤用化学腐蚀或加热拉伸的方法制成，并粘接于该非对称压电双晶片2的悬臂梁2b，即压电双晶片2的压电片上(陶瓷片表面上)，光纤的一端头伸出非对称压电双晶片约1毫米作为探针1，光纤的另一端与光电探测器如光电倍增管耦合(图中未示)。信号发生器5经加法器8与压电陶瓷块3相接，用于驱动压电双晶片2在其共振频率上振动。双晶片2上产生的压电电压信号经增益为100倍的前置放大器6分成二路信号，其中一路送入Q-值控制电路7(包括相位、增益调节，其中相位调节电路可以采用RC移相电路实现，增益调节可以采用通用电压放大器)，在0～100倍范围内调节Q-值，并通过加法器3与信号发生器5的驱动信号相加输入至压电陶瓷块3上；另一路信号通过锁相放大器9，送入扫描探针显微镜的反馈控制电路10，该反馈控制电路10输出二路信号，其中一路驱动三维扫描器12，实现探针与样品近场控制，另一路输入至数据采集成像系统13，进行数据处理。
当驱动电压为几个毫伏时，前置放大器的输出信号一般为100毫伏。调节Q-值控制电路的增益和相位，Q-值将在100-1000内变化。选定Q-值(如设定Q-值为500)和扫描探针显微镜反馈控制电路的参考值后，就可实现高灵敏度的探针与样品近场控制。
需要说明的是，上述实施例只是用来说明本发明的技术特征，并没有限制本发明的专利申请范围，任何对本发明所作的修改和变化都在本发明的申请范围之内。
表1为本发明与现有技术的比较。
表1
权利要求
1.一种品质因数可控的切变力检测控制装置，包括一非对称压电双晶片的一端固定在压电陶瓷块上，另一端形成悬臂梁，将该非对称压电双晶片固定在陶瓷块上的一端金属片接地；一光纤粘接于非对称压电双晶片的悬臂梁的陶瓷片面上，光纤一端伸出非对称压电双晶片作为探针，光纤另一端与光电探测器如光电倍增管耦合；信号发生器经加法器与压电陶瓷块相接，驱动非对称压电双晶片在其共振频率上振动；由上述装置的非对称压电双晶片上产生的压电电压信号经前置放大器分成二路，其中一路信号送入Q-值控制电路再输入至加法器；另一路信号通过锁相放大器送入扫描探针显微镜的反馈控制电路，该反馈控制电路输出二路信号，其中一路驱动三维扫描器，实现探针与样品近场控制，另一路输入至数据采集成像系统进行数据处理。
2.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述悬臂梁长2～12毫米，宽0.5～5毫米，厚0.1～1毫米。
3.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述探针为金属、非金属或半导体探针。
4.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述探针与非对称压电双晶片是用胶粘剂粘接。
5.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述非对称压电双晶片一端用胶粘剂粘接或机械夹紧的方式固定在压电陶瓷块上。
6.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述信号发生器是1～1000毫伏的正弦信号发生器，前置放大器是增益1～1000，带宽100千赫的电压放大器。
7.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述Q-值控制是通过将非对称压电双晶片产生的压电电压信号经过Q-值控制电路与原有驱动信号相加同时驱动压电陶瓷块实现的。
8.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述Q-值控制电路包括增益和相位调节电路。
9.根据权利要求
1所述的切变力检测控制装置，其特征在于，所述Q-值控制电路增益调节范围为0～100倍，相位调节为0～360°。
专利摘要
一种品质因数可控的切变力检测控制装置，非对称压电双晶片一端固定在压电陶瓷块上形成悬臂梁结构，探针沿该压电双晶片的长度方向粘接在其表面上。压电陶瓷块用于驱动压电双晶片在其共振频率上并带动探针振动，压电双晶片由于压电效应同时产生压电电压。将该压电信号经放大送入Q－值控制(包括增益和相位调节)电路，并与原有驱动信号相加同时驱动压电陶瓷块，实现Q－值在100～1000范围内的控制。当光纤探针受到探针和样品之间切变力的作用时，压电双晶片的共振振幅和相位发生变化，进而使压电电压发生变化，将这一变化作为反馈信号送入扫描探针显微镜的反馈控制电路就可实现探针与样品间距的控制。
文档编号G01Q20/04GKCN1834616SQ200510055889
公开日2006年9月20日 申请日期2005年3月17日
发明者商广义, 杨德亮, 季恒星, 万立骏, 白春礼 申请人:中国科学院化学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan