一种压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体的制作方法

本发明属于扫描探针显微镜镜体技术领域，具体涉及一种压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体。

背景技术：

目前，压电管在高精度控制领域的应用日益广泛，可以同时实现三维的高精度控制，因此在扫描探针显微镜镜体中有广泛的应用，但是压电管的操作程序复杂且成本较高；由于压电管的半封闭式结构，其内部电极不便于连接；用于高真空环境下时，不利于抽真空。因此，增加了扫描探针显微镜的制作成本和操作难度，不利于扫描探针显微镜的普及及应用，制约了纳米科技的发展。在项目批准号为：11304082的国家自然科学基金“超快速扫描隧道显微镜的改进与应用”的支持下，本专利提出了一种压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种成本很低、性能优良、结构简单且多样、制作工艺简便、安全性高且可在低压情况下使用的压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体，其特征在于包括底座、压电单晶片式惯性压电马达和压电扫描器，其中压电单晶片式惯性压电马达和压电扫描器固定于底座上并且该压电扫描器的振动平面与压电单晶片式惯性压电马达的行走方向垂直，压电单晶片式惯性压电马达由基座、压电片、非压电材料支撑体和导轨构成，其中压电片和非压电材料支撑体设置于基座和导轨之间，压电片的一端通过胶体垂直固定于基座上，压电片的另一端通过胶体固定有导轨，该压电片为厚度方向或径向极化的压电片，导轨的凹槽方向与压电片的极化方向一致，滑动质量块滑配于导轨上，探针和样品分别固定于压电扫描器和滑动质量块上或者探针和样品分别固定于滑动质量块和压电扫描器上，该探针的针尖指向样品。

进一步优选，所述非压电材料支撑体通过胶体固定于基座与导轨之间或者非压电材料支撑体与基座和导轨一体成型或者非压电材料支撑体一端与导轨通过胶体连接，另一端与基座一体成型或者非压电材料支撑体一端与基座通过胶体连接，另一端与导轨一体成型。

进一步优选，所述压电片与基座和导轨的接触部位分别设有未涂电极部位。

本发明所述的压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体，其特征在于包括底座、压电单晶片式惯性压电马达和压电扫描器，其中压电单晶片式惯性压电马达和压电扫描器固定于底座上并且该压电扫描器的振动平面与压电单晶片式惯性压电马达的行走方向垂直，压电单晶片式惯性压电马达由基座、压电单晶片和导轨构成，压电单晶片由两个平行设置的底片及设置于两底片之间的压电片和非压电材料支撑体构成，压电片通过胶体垂直固定于两底片之间，该压电片为厚度方向或径向极化的压电片，压电单晶片一端的底片固定于基座上，压电单晶片另一端的底片上固定有导轨，该导轨的凹槽方向与压电片的极化方向一致，滑动质量块滑配于导轨上，探针和样品分别固定于压电扫描器和滑动质量块上或者探针和样品分别固定于滑动质量块和压电扫描器上，该探针的针尖指向样品。

进一步优选，所述底片的材质为蓝宝石、钨、钛、不锈钢、玻璃或铝镁合金，非压电材料支撑体通过胶体固定于两底片之间或者非压电材料支撑体与两底片一体成型或者非压电材料支撑体的一端与底片通过胶体连接，另一端与另一底片一体成型。

进一步优选，所述压电片与两底片的接触部位分别设有未涂电极部位。

进一步优选，所述基座和导轨的材质均为蓝宝石、钨、钛、陶瓷或不锈钢，所述非压电材料支撑体的材质为金属、陶瓷、玻璃或蓝宝石，胶体为环氧树脂胶、丙烯酸酯胶、α-氰基丙烯酸乙酯胶或氯丁橡胶，所述压电马达的驱动信号为不对称的周期性锯齿波信号。

进一步优选，所述压电扫描器为压电单晶片扫描器，包括两个平行设置的底片及设置于两底片之间的压电片和非压电材料支撑体，其中压电片通过胶体垂直固定于两底片之间，该压电片为厚度方向或径向极化的压电片。

进一步优选，所述压电扫描器为压电双晶片扫描器，包括两个平行设置的底片及设置于两底片之间的两个压电片，其中两个压电片通过胶体垂直固定于两底片之间，两个压电片相互平行设置并且该两个压电片均为厚度方向或径向极化的压电片。

进一步优选，所述压电扫描器为石英音叉扫描器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：（1）用一个或两个压电片替换了现有扫描探针显微镜镜体必须要用到的多个压电片或价格昂贵的压电管，将现在至少数千元的扫描探针显微镜镜体的成本，降到了不足百元，甚至不足50元，极大的降低了扫描探针显微镜镜体的制作成本；（2）在低电压的情况下使用，可在小于10V的低电压的情况下实现以往必须使用高电压才能实现的功能，一定程度上降低了能耗，提高了操作的安全性；（3）结构简单，便于内部电极的连接，而且用于高真空环境下时，便于抽真空；（4）结构多样，可采用不同结构的压电单晶片和压电双晶片与压电单晶片混用的方法制作出不同结构的扫描探针显微镜镜体，以满足特定的需要。总之，本发明的扫描探针显微镜镜体成本很低，性能优良，结构简单且多样，制作工艺简便，安全性高，具有极大的市场推广价值，有利于扫描探针显微镜镜体的普及，推动纳米科技的发展。

附图说明

图1是本发明实施例1中压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体的主视图；

图2是本发明实施例1中压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体的俯视图；

图3是本发明实施例3中压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体的主视图；

图4是本发明实施例3中压电单晶片式马达制作的扫描探针显微镜镜体的俯视图。

图中：1、底座，2、压电单晶片式惯性压电马达，3、探针，4、样品，5、蓝宝石片，6、滑动质量块，7、压电单晶片扫描器，8、石英音叉扫描器。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的具体内容。

实施例1压电单晶片式马达与压电单晶片扫描器型扫描探针显微镜镜体

压电单晶片式惯性压电马达2与压电单晶片扫描器7固定于底座1上制作的扫描探针显微镜镜体，滑动质量块6位于压电单晶片式惯性压电马达2的导轨上，样品4通过蓝宝石片5粘接在滑动质量块6上，探针3通过蓝宝石片5粘接在压电单晶片扫描器7上。进而，当给压电马达施加锯齿波状的惯性力驱动信号时，就可以具有马达的功能，以mm级的较大幅度调节探针与样品的间距。

走到探针与样品的作用区后，（1）在压电马达的压电片上施加常量式的控制电压，使压电单晶片发生靠近或远离压电扫描器的弯曲形变，即实现pm级精度的探针与样品间距微调的目的；（2）微调好以后，在压电马达的压电片上施加周期性的、无惯性力的低压的控制信号，就可以实现在竖直方向上对样品的周期性驱动、进而周期性地扫描样品的表面；（3）在与压电马达的压电片垂直安装的压电单晶片扫描器上，施加周期性的、无惯性力的低压的控制信号，那么该压电片将进行横向的偏摆，实现横向扫描的功能。

由于扫描的范围仅在nm级别，所以扫描引起的探针与样品间的不足pm级的间距调整，不影响扫描探针显微镜的成像测试。这一点可以从文献REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 79, 113707 (2008)中推理出来。

该结构的好处是，如果在压电单晶片扫描器上设置与压电单晶片式马达一样原理的导轨，并施加一样原理的压电马达驱动信号，那么该压电单晶片扫描器除了在横向的扫描外，还可以实现在横向上对样品搜索的功能，这种功能是很多现有的商业的扫描探针显微镜所不具有的。

实施例2压电单晶片式马达与压电双晶片扫描器型扫描探针显微镜镜体

压电单晶片式惯性压电马达2与压电双晶片扫描器固定于底座1上制作的扫描探针显微镜镜体，实施例1中，将压电单晶片扫描器7换为压电双晶片扫描器，可以实现更大幅度的横向扫描以及更大幅度的横向搜索能力。

实施例3压电单晶片式马达与石英音叉扫描器型扫描探针显微镜镜体

压电单晶片式惯性压电马达2与石英音叉式扫描器8固定于底座1上制作的扫描探针显微镜镜体，实施例1和2中，将压电单晶片扫描器7或压电双晶片扫描器换为石英音叉式扫描器8。由于石英音叉是单晶SiO2材质制作而成的，比多晶的压电陶瓷材质的扫描器具有更高的温度稳定性、更小的迟滞、更小的蠕变、更高的控制精度、更低的能耗、更高的共振频率和更低的成本，因此可以获得比压电单晶片和压电双晶片扫描器更高的成像精度、更低的能耗、更快速的扫描和更低的成本等。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。