专利名称：一种组合式三维高速扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及扫描显微成像技术领域，特别涉及一种组合式三维髙速扫描装置，属于扫 描探针显微技术领域。
背景技术：
随着科技的发展，微电子工程、精密工程、生物工程以及纳米科技等领域迫切需要能 够在微纳米尺度实现快速检测或高速成像的技术。尤其在目前蓬勃发展的纳米科技领域， 高速扫描技术或装置与扫描探针显微技术密不可分，是实现微纳米尺度高速成像、检测和 加工的核心技术之一。
扫描探针显微镜(SPM)是目前开展纳米检测与表征的重要工具，主要包括扫描隧道 显微镜、扫描力显微镜以及近场光学显微镜等。由于SPM都是釆用样品或探针在x-y方 向上逐点扫描、同时控制探针与样品表面之间的Z向距离的方式进行显微成像，因此三维 扫描装置是SPM中不可或缺的核心部件。由于压电陶瓷材料具有性能稳定、使用简便以 及很高的位移分辨率和动态响应速度等优点，已成为目前制作SPM三维扫描装置的主要 材料。用压电陶瓷材料制成的三维扫描装置主要有三角架型、单管型和十字架配合单管型 等几种。如图la所示的是三角架型三维扫描装置原理示意图，三角架型装置由三根独立 的长方体压电陶瓷材料以相互正交的方式交汇结合在一起，探针安装在三角架的交汇顶 端，三个压电元件在电压驱动下独立地伸展与收缩，使探针在x、 y、 z三个方向运动，从 而实现探针的三维扫描，图lb给出了单管型三维扫描器原理示意图，其三维扫描是由压 电陶瓷管实现的，压电陶瓷管外部的电极分成面积相等的四份，管内壁为单一整体电极。 在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩，导致陶瓷管向垂直于管轴 的方向弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可实现X-Y方向的扫描。Z 方向上的运动可通过在管子内壁电极施加电压使管子整体伸展或收缩实现。管子外壁的另 外两个电极也可同时施加相反符号的电压使管子一侧伸展，相对的另一侧收縮，以增加扫 描范围，图lc所示的是"十"字架配合单管型三维扫描装置原理示意图，其中采用"十" 字形压电陶瓷材料实现X-Y扫描，Z方向上的运动由处于"十"字形中心的一个压电陶瓷 管实现。
虽然SPM在物理、化学、生物和材料等领域获得了广泛应用，伹是由于SPM的扫描
3成像速度很慢，限制了 SPM在动态过程、工业现场测量和高密度存储等领域的进一步广 泛应用。因此提高SPM的扫描成像速度是拓展SPM应用领域的一个重要问题，而三维高 速扫描装置成为实现高速SPM检测成像的技术关键。
在现有技术中， 一种高速SPM扫描成像的方法是使用基频频率很高的压电陶瓷堆来 实现，伹这种装置的驱动电路复杂，需要大功率的高压功放和高压电源，另外还存在成本 高、扫描范围小等问题。
在现有技术中，还有一种是采用石英音叉实现高速扫描，即在石英音叉受到交流信号 激励并发生共振的情况下实现高速扫描。伹由于音叉尺寸很小(小于1X1毫米)，导致安放 样品困难，并且扫描范围小、负载能力低。此外由于音叉的品质因数很高，在其共振扫描 时极易受外界干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种组合式三维高速扫描装置，并具有扫描范围大、结构简单、 使用简便、成本低廉、抗干扰能力强等特点。可以用于SPM高速检测成像。
本发明所述的组合式三维高速扫描装置的结构组成主要包括三维扫描器和高速一维 扫描器，其中的高速一维扫描器由双层压电陶瓷片固定片、双层压电陶瓷片组成。其中三 维扫描器为一个单管式压电陶瓷管或者平板式三维扫描器，所述的三维扫描器沿Z轴正方 向设置，单管式压电陶瓷管上端与绝缘固定环粘接，绝缘固定环与固定底座用螺钉连接， 双层压电陶瓷片固定片粘接到固定底座上表面，双层压电陶瓷片的一端通过两侧的双层压 电陶瓷片固定片夹紧，另一端为自由端，自由端末端上表面粘接样品台或者探针。
所述的组合式三维高速扫描装置的工作原理为双层压电陶瓷片的一层作为激振片， 另一层作为检测片，激振片与扫描信号发生,连接，用于驱动双层压电陶瓷片自身并同时 带动样品台或者探针在其共振频率附近雠横向振动/实现x方向高速扫描；检测片用于检 测双层压电陶瓷片本身的振动。检测片上产生的压电信号，与电压检测装置连接，检测其 电压幅值和相位从而进行图像校正。三维扫描囍用于实现y方向扫描以及z方向控制。 本发明的优点在于
(1) 扫描范围大，能够达到40微米以上；
(2) 结构简单，只需要在现有的三维扫描器基础上增加双层压电片即可；
(3) 使用简便、成本低廉；
(4) 抗干扰能力强，能够很好地实现SPM高速成像；表1为本发明与现有技术的比较c
成本扫描方式扫描范围使用情况抗干扰能力
压电堆式高线性较大对制样要求低高
石英音叉式低正弦小对制样要求苛刻低
本发明低正弦大对制样要求低较高
图la现有三角架型三维扫描装置原理示意图lb现有单管型三维扫描器原理示意图lc现有十字架配合单管型扫描装置原理示意图2a本发明的组合式三维高速扫描装置组成结构的正视图2b另一祖合式三维高速扫描装置组成结构的俯视图2c —维高速扫描器的结构图2d图2b所示扫描装置的高速一维扫描器固定方式示意图, 图中
2. 高速一维扫描器 3. 5.探针固定架 6.
4. 7.
201.
三维扫描器 固定底座 绝缘固定环 固定片A
样品台 探针
双层压电陶瓷片
202.固定片B 203.
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种组合式三维高速扫描装置，该装置主要包括三维扫描器1和高速一维 扫描器2，所述的三维扫描器1为单管式压电陶瓷管或者是平板式三维扫描器，当样品台 3固定在高速一维扫描器2上时，所述的高速一维扫描器2通过固定底座4安装在三维扫 描器1上，高速一维扫描器2带动样品台3与三维扫描器1 一起实现三维高速扫描，如 图2a所示。当样品台3固定在三维扫描器1上时，所述的髙速一维扫描器2面定在探针 固定架5上，高速一维扫描器2带动探针6与三维扫描器1一起实现三维高速扫描，如 图2b所示。
如图2c所示，所述的高速一维扫描器2包括固定片A201、 B202和双层压电陶瓷片 203，所述的双层压电陶瓷片203—端通过固定片A201、 B202固定连接，另一端为自 由端，自由端粘接样品台3或者探针6;所述固定片A201、 B202通过固定底座4与三
5维扫描器1或者探针固定架5连接。 '
如图2a所示的是三维扫描器1为单管式压电陶瓷管的结构连接示意图，此时的单管 式三维扫描器1为一个压电陶瓷管，沿Z轴正方向设置，单管式三维扫描器1上端与绝缘 固定环7粘接，绝缘固定环7与固定底座4用螺钉连接。双层压电陶瓷片203的一端通 过两侧的双层压电陶瓷片固定片A201、固定片B202上的螺钉机械夹紧，另一端为自由 端，自由端末端上表面粘接样品台3，如图2b，双层压电陶瓷片固定片A201、固定片 B202粘接到固定底座4的上表面，并使双层压电陶瓷片203的纵轴方向与y方向平行。
单管式三维扫描器1的外壁被分为四个相等的电极，如图2a,其中，前面电极连接 到+X扫描电压输出端；后面电极连接到-X扫描电压输出端；左侧电极连接到-Y扫描电压 输出端；右侧电极连接到+Y扫描电压输出端。单管式三维扫描器1的内壁电极连接至Z 扫描电压输出端。双层压电陶瓷片203 —层为激振片，另一层为检测片，中间为铜片204， 其中的铜片204接地，激振片连接到高速扫描电压输出端,检测片连接到电压检测输入端， 双层压电陶瓷片固定片A201、固定片B202上与双层压电陶瓷片203相接触的位置涂敷 有导电膜，实现双层压电陶瓷片203的两个电极(即激振片和检测片)与外部电压的连接， 其中的激振片通过双层压电陶瓷片固定片A201 (或固定片B202)连接到高速扫描电压 输出端，检测片通过双层压电陶瓷片固定片B202 (或固定片A201)连接到电压检测输
入端°
当单管式三维扫描器1 (也称为压电陶瓷管)夕卜壁相对的两个电极同时施加符号相反 的电压时，管子一侧伸长，而另一侧收缩，导致压电陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。因
此，当扫描电压同时施加于压电陶瓷管前后两侧电极时，压电陶瓷管将驱动样品台沿X方 向扫描；当扫描电压同时施加于压电陶瓷管左右两侧电极时，压电陶瓷管将驱动样品台沿 Y方向扫描；同样，当Z扫描电压施加到压电陶瓷管内壁电极时，压电陶瓷管将驱动样品 台沿Z方向扫描；从而实现传统方式的三维扫描，并具有微米量级的扫描范围和纳米级分辨率。
高速扫描时，当双层压电陶瓷片203的一侧电极接正弦扫描电压时，这一侧陶瓷片作 为激振片，致使双层压电陶瓷片203自由端在X方向做正弦振动，驱动样品台3做行扫 描，当扫描电压频率接近双层压电陶瓷片203共振频率时，振幅大幅提高，从而扫描范围 显著增大；同时，另一侧压电陶瓷片作为检测片，其表面电极连接电压检测输入端，检测 其幅值和对于激励信号的相位滞后，压电陶瓷管的左右两侧电极接三角波扫描电压，驱动 高速一维扫描器2沿Y方向扫描；压电陶瓷管的内壁接Z扫描电压，实现Z方向扫描；将双层压电陶瓷片203的x方向扫描与压电陶瓷管的y方向和z方向扫描相组合就可实现 三维高速扫描，并具有数十帧每秒的扫描速度和数十微米的扫描范围。
如图2b所示的是当样品台3固定在三维扫描器1上时的结构安装示意图，此时所述 的三维扫描器1可以是一个平板式三维扫描器，所述的样品台3固定在平板式三维扫描器 l的中间位置，双层压电陶瓷片203的一端通过两侧的双层压电陶瓷片固定片A201、固 定片B202上的螺钉机械夹紧，另一端为自由端，自由端末端下表面粘接微悬臂探针6， 如图2d,双层压电陶瓷片固定片A201、固定片B202粘接到採针固定架5的下表面， 并使双层压电陶瓷片203的纵轴方向与y-z平面平行。其中，探针固定架5的下表面与 x-y平面成15度角。
平板式三维扫描器1的+X方向连接端连接到+X扫描电压输出端；-X方向连接端连 接到-X扫描电压输出端；+￥方向连接端连接到+￥扫描电压输出端；-Y方向连接端连接 到-Y扫描电压输出端；Z方向连接端连接至Z扫描电压输出端。双层压电陶瓷片203 — 层为激振片，另一层为检测片，中间为铜片204，其中的铜片204接地，激振片连接到高 速扫描电压输出端，检测片连接到电压检测输入端，双层压电陶瓷片固定片A201、固定 片B202上与双层压电陶瓷片203相接触的位置涂敷有导电膜，实现双层压电陶瓷片203 的两个电极(即激振片和检测片)与外部电压的连接，其中的激振片通过双层压电陶瓷片 固定片A201 (或固定片B202)连接到高速扫描电压输出端，检测片通过双层压电陶瓷 片固定片B202 (或固定片A201)连接到电压检测输入端。
高速扫描时，当双层压电陶瓷片203的一侧电极接正弦扫描电压时，这一侧陶瓷片作 为激振片，致使双层压电陶瓷片203自由端在X方向做正弦振动，驱动微悬臂探针6做 行扫描，当扫描电压频率接近双层压电陶瓷片203共振频率时，振幅大幅提高，从而扫描 范围显著增大；同时，另一侧压电陶瓷片作为检测片，其表面电极连接电压检测输入端， 检测其幅值和对于激励信号的相位滞后，平板式三维扫描器1的Y方向连接端接三角波扫 描电压，驱动样品台3沿Y方向扫描；平板式三维扫描器l的Z方向接Z扫描电压，实 现Z方向扫描;将双层压电陶瓷片203的x方向扫描与平板式三维扫描器1的y方向和z 方向扫描相组合就可实现三维高速扫描，并具有数十帧每秒的扫描速度和数十微米的扫描 范围。 实施例
一个具有单管式三维扫描器1、绝缘固定环7、双层压电陶瓷片固定片A201、固定 片B202、双层压电陶瓷片203、固定底座4和样品台3的组合式三维高速扫描装置，如图1，单管式三维扫描器1是一个外径15mm、长度50mm、壁厚lmm的压电陶瓷管， 其上端粘接一个直径15mm、厚3mm、中心有3mm螺纹孔的陶瓷绝缘环7,固定底座 4通过M3螺钉固定在陶瓷绝缘环7上面，固定底座4尺寸为40mmx30mmX2mm。 矩形双层压电陶瓷片203的长20mm、宽1.5mm、厚0.8mm，去掉其一端外层为2毫 米长的压电陶瓷材料，露出中间铜电极204,此端处2-12mm的部分用双层压电陶瓷片 固定片A201、固定片B202机械夹紧，双层压电陶瓷片固定片A201、固定片B202长 10mm、高20mm、厚2mm,上面分别有两个2mm的孔，用于螺钉连接；高10mm 处有长10mm、宽2mm的金属导电膜。双层压电陶瓷片203另一端上面粘接样品台3, 为3 mmX3 mmXl mm的铝质样品台。双层压电陶瓷片固定片A201、固定片B202 粘接在固定底座4上表面中间左侧0-10mm处，并保证双层压电陶瓷片203纵轴方向与 Y方向平行。
陶瓷绝缘环7可以是绝缘陶瓷、可加工陶瓷、聚四氟乙烯或有机玻璃；固定底座4可 以是塑料、可加工陶瓷或金属等材质；双层压电陶瓷片固定片A201、固定片B202为塑料。
单管式三维扫描器1的夕卜壁被分为四个相等的电极。其中，前面电极连接到+X扫描 电压输出端；后面电极连接到-X扫描电压输出端；左侧电极连接到-Y扫描电压输出端； 右侧电极连接到+Y扫描电压输出端。单管式三维扫描器1的内壁电极连接至Z扫描电压 输出端。双层压电陶瓷片203的中间铜片204接地，两侧电极通过双层压电陶瓷片固定 片A201、固定片B202上的导电膜分别连接到高速扫描电压输出端，和电压检测输入端。
当压电陶瓷管夕卜壁相对的两个电极同时施加符号相反的电压时，管子一侧伸长，而另 一侧收縮，导致压电陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。因此，当扫描电压同时施加于压电 陶瓷管前后两侧电极时，压电陶瓷管将驱动样品台沿X方向扫描；当扫描电压同时施加于 压电陶瓷管左右两侧电极时，压电陶瓷管将驱动样品台沿Y方向扫描；同样，当Z扫描电 压施加到压电陶瓷管内壁电极时，压电陶瓷管将驱动样品台沿Z方向扫描；从而实现传统 方式的三维扫描，并具有微米量级的扫描范围和纳米级分辨率。 '
高速扫描时，当双层压电陶瓷片203的一恻电极接正弦扫描电压时，这一侧陶瓷片作 为激振片，致使陶瓷片自由端在X方向做正弦振动，驱动样品台做行扫描，当扫描电压频 率接近陶瓷片共振频率时，振幅大幅提高，从而扫描范围显著增大；同时，另一恻压电陶 瓷片作为检测片，其表面电极连接电压检测输入端，检测其幅值和对于激励信号的相位滞 后，压电陶瓷管的左右两侧电极接三角波扫描电压,驱动高速一维扫描器2沿Y方向扫描;压电陶瓷管的内壁接z扫描电压，实现z方向扫描。
上述装置连接好后，按一定时序施加电压，可以实现f亍扫描频率1500赫兹、15帧/ 秒、40-100微米扫描范围的三维高速扫描。由于样品载荷不同，扫描范围会有区别。如 果需要更大的扫描范围或更高的扫描速度，还可以适当改变双层压电陶瓷片203的几何尺 寸，连接关系保持不变。本装置高速度、大范围。
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，不是用来限定本发明的 专利申请范围，比如本实施例中双层压电陶瓷片的几何尺寸也可以制成其它尺寸，但其原 理及结构仍属于本发明的专利申请范畴。
权利要求
1、一种组合式三维高速扫描装置，其特征在于该装置主要包括三维扫描器和高速一维扫描器，当样品台固定在高速一维扫描器上时，所述的高速一维扫描器通过固定底座安装在三维扫描器上，高速一维扫描器带动样品台与三维扫描器一起实现三维高速扫描；当样品台固定在三维扫描器上时，所述的高速一维扫描器固定在探针固定架上，高速一维扫描器带动探针与三维扫描器一起实现三维高速扫描；所述的高速一维扫描器包括固定片A、B和双层压电陶瓷片，所述的双层压电陶瓷片一端通过固定片A、B固定连接，另一端为自由端，自由端粘接样品台或者探针；所述固定片A、B通过固定底座与三维扫描器或者探针固定架连接。
2、 根据权利要求1所述的」种组合式三维高速扫描装置，其特征在于双层压电陶瓷片 的一层作为激振片，另一层作为检测片，激振片连接到高速扫描电压输出端，检测片 连接到电压检测输入端。
3、 根据权利要求1或2所述的一种组合式三维高速扫描装置，其特征在于所述的双层 压电陶瓷片为矩形。
4、 根据权利要求1所述的一种组合式三维高速扫描装置，其特征在于三维扫描器为一 个单管式压电陶瓷管，沿Z轴正方向设置，单管式压电陶瓷管上端与绝缘固定环粘接， 绝缘固定环上连接样品台或者髙速一维扫描器。
5、 根据权利要求4所述的一种组合式三维高速扫描装置，其特征在于单管式压电陶瓷 管的外壁被分为四个相等的电极,分别连接到+X扫描电压输出端、-X扫描电压输出端、 +Y扫描电压输出端和-Y扫描电压输出端,单管式压电陶瓷管的内壁电极连接至Z扫描 电压输出端。
6、 根据权利要求1所述的一种组合式三维髙速扫描装置，其特征在于三维扫描器为一 个平板式三维扫描器，该平板式三维扫描器上连接样品台。
全文摘要
本发明公开了一种组合式三维高速扫描装置，该装置主要包括三维扫描器和高速一维扫描器，当样品台固定在高速一维扫描器上时，所述的高速一维扫描器通过固定底座安装在三维扫描器上，高速一维扫描器带动样品台与三维扫描器一起实现三维高速扫描；当样品台固定在三维扫描器上时，所述的高速一维扫描器固定在探针固定架上，高速一维扫描器带动探针与三维扫描器一起实现三维高速扫描。本发明具有扫描速度非常高(视频扫描速度)、扫描范围大，结构简单，使用简便、成本低廉；抗干扰能力强，能够很好地实现SPM高速成像。
文档编号G01N13/10GK101576466SQ20091008510
公开日2009年11月11日 申请日期2009年5月31日 优先权日2009年5月31日
发明者周瑜升, 商广义, 姚骏恩, 微 蔡 申请人:北京航空航天大学