本实用新型涉及显微镜领域，特别是涉及一种压电陶瓷激励装置、原子力显微镜及表面力场探测装置。
背景技术：
自1986年原子力显微镜发明以来，它已经成为物理、材料、生物等许多纳米科技领域的重要工具。原子力显微镜技术不断更新，在提高空间分辨率、区别材料性质和多环境测量等方面引起了国内外的广泛兴趣。近年来发展的高次谐波技术和多频原子力技术，依靠分析探针的振动响应和振动形式来实现样品的精细表征。这些技术不仅关注了基础本征频率的信号，同时关注了高阶本征频率的信号，重构了探针和样品的相互作用力信息。
然而，在传统的原子力显微镜技术中，原子力显微镜采用接触模式进行相互作用力测量，根据四象限信号可以测得探针和样品接触情况下所受的横向摩擦力和纵向压力。但是，上述接触式的测量方法导致原子力显微镜的空间分辨率不高，并且无法测量非接触状态的空间力场。
技术实现要素：
基于此，有必要针对上述原子力显微镜空间分辨率不高的问题，提供一种空间分辨率高的压电陶瓷激励装置、原子力显微镜以及表面力场探测装置。
一种压电陶瓷激励装置，所述压电陶瓷激励装置包括：第一压电陶瓷、第二压电陶瓷组件及第一垫片；
所述第一压电陶瓷、所述第一垫片以及所述第二压电陶瓷组件层叠设置，所述第一垫片设置于所述第一压电陶瓷与第二压电陶瓷组件之间；
所述第一压电陶瓷用于接收第一电信号，并在所述第一电信号激励下进行纵向挠曲振动；
所述第二压电陶瓷组件用于接收第二电信号组，并在所述第二电信号组激励下进行横向扭转振动。
在其中一个实施例中，所述第二压电陶瓷组件包括第三压电陶瓷和第四压电陶瓷，所述第三压电陶瓷与第四压电陶瓷间隔放置，所述第二电信号组包括相位相反的第三电信号和第四电信号，所述第三压电陶瓷用于接收第三电信号，所述第四压电陶瓷用于接收第四电信号，且所述第三压电陶瓷与第四压电陶瓷通过所述第一垫片与所述第一压电陶瓷间隔设置。
在其中一个实施例中，所述第三压电陶瓷与第四压电陶瓷设置于所述第一垫片远离所述第一压电陶瓷的表面，且间隔设置于所述第一垫片相对的两个边缘。
一种原子力显微镜，包括：上述实施例任意一项所述的压电陶瓷激励装置；
探针部件，与所述压电陶瓷激励装置连接，且所述探针部件能够接收压电陶瓷激励装置的振动方式，并在所述振动方式的激励下进行振动。
在其中一个实施例中，所述探针部件包括探针与探针座，所述探针包括悬臂梁、分别与悬臂梁连接的针尖和探针基板，所述探针能够相对于探针座自由伸出；
所述探针座能够接收压电陶瓷激励装置的振动方式，并通过所述探针基板和悬臂梁传递所述振动方式以激励针尖进行振动。
在其中一个实施例中，所述第一压电陶瓷与所述探针座贴合设置，所述第一垫片及第二压电陶瓷组件依次层叠设置于所述第一压电陶瓷的表面。
在其中一个实施例中，所述第二压电陶瓷组件与所述探针座贴合设置，所述第一垫片及第一压电陶瓷依次层叠设置于所述第二压电陶瓷组件的表面。
在其中一个实施例中，所述压电陶瓷激励装置和探针部件之间设置有第二垫片。
一种表面力场探测装置，包括：力检测部件、位置检测部件、反馈部件；
所述力检测部件包括信号发生器以及上述任意一项所述的原子力显微镜，所述信号发生器与原子力显微镜连接，用于为原子力显微镜提供电信号，以驱动所述探针振动；
所述位置检测部件用于监测所述探针在待测样品表面的振动，以获得横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号；
所述反馈部件用于根据所述横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号，反馈控制所述探针在待测样品表面的振动，得到表面力场分布。
在其中一个实施例中，所述位置检测部件包括激光发射器、光电检测器及锁相放大器；
所述激光发射器发射激光经过原子力显微镜的悬臂梁反射入光电检测器，所述光电检测器用于接收悬臂梁反射的激光，并利用所述激光将振动信号转变为电信号，所述锁相放大器用于接收所述电信号进行调制解调，获得所述横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号。
上述压电陶瓷激励装置、原子力显微镜以及表面力场探测装置，采用压电陶瓷堆叠方式，利用不同的电信号对压电陶瓷激励装置中不同的压电陶瓷进行激励，使得压电陶瓷激励装置同时进行横向和纵向的合振动。该压电陶瓷激励装置可以使原子力显微镜的针尖进行横向和纵向的合振动，针尖振动时的动态刚度相对于静态刚度较大，针尖不易吸附到表面，使得针尖与待测样品能够进行横向和纵向的非接触相互作用力的实时测量。另外，采用同时测量横向和纵向非接触相互作用力的方式可以增加原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。
附图说明
图1为一实施例的压电陶瓷激励装置的结构示意图；
图2为一实施例的原子力显微镜中探测单元的结构示意图；
图3为另一实施例的原子力显微镜中探测单元的结构示意图；
图4为一实施例的表面力场探测装置的结构示意图；
图5为一实施例的表面力场探测方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对压电陶瓷激励装置、原子力显微镜以及表面力场探测装置进行更全面的描述。附图中给出了压电陶瓷激励装置、原子力显微镜以及表面力场探测装置的首选实施例。但是，压电陶瓷激励装置、原子力显微镜以及表面力场探测装置可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对压电陶瓷激励装置、原子力显微镜以及表面力场探测装置的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在压电陶瓷激励装置、原子力显微镜以及表面力场探测装置的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请一并参阅图1与图2，在其中一个实施例中，提供了一种压电陶瓷激励装置100，该压电陶瓷激励装置100包括第一压电陶瓷102、第二压电陶瓷组件103 及第一垫片101。第一压电陶瓷102、第一垫片101以及第二压电陶瓷组件103 层叠设置，第一垫片101设置于第一压电陶瓷102与第二压电陶瓷组件103之间。其中，第一压电陶瓷102用于接收第一电信号，并在第一电信号激励下进行纵向挠曲振动；第二压电陶瓷组件103用于接收第二电信号组，并在第二电信号组激励下进行横向扭转振动。
具体地，在上述压电陶瓷激励装置100中，在第一压电陶瓷102与第二压电陶瓷组件103之间放置一层第一垫片101，第一垫片101的材质为绝缘材料，比如，可以是橡胶、塑料、陶瓷、玻璃以及云母等等，使得第一压电陶瓷102 与第二压电陶瓷组件103之间电绝缘，避免两者电连接或短路。另外，第一垫片101还用于粘贴以固定第一压电陶瓷102与第二压电陶瓷组件103。第一压电陶瓷102与第一垫片101贴合放置，进一步，第一垫片101可贴附于第一压电陶瓷102靠近第二压电陶瓷组件103的整个表面，第二压电陶瓷组件103设置于第一垫片101远离第一压电陶瓷102的表面。
第一压电陶瓷102用于接收第一电信号，第一电信号优选是正弦电信号，使得第一压电陶瓷102能够进行纵向挠曲振动。第二压电陶瓷组件103用于接收第二电信号组，第二电信号组包括频率、脉宽、幅值相同，但相位相反的两种电信号。优选地，第二电信号组可以为符合前述条件的一组相位相反的正弦电信号。正弦电信号是所有电信号中最普遍常见的波形，也是最容易生成的电信号，它可以说是所有形式电信号的基础，使用正弦电信号得出的结果具有很强的通用性及普适性。
可选地，可在压电陶瓷激励装置两端设置保护部件，既可以避免压电陶瓷激励装置受损，还可以进行电绝缘。
上述压电陶瓷激励装置，通过采用一种压电陶瓷堆叠方式，利用不同的电信号对压电陶瓷激励装置中不同的压电陶瓷进行激励，使得压电陶瓷激励装置同时进行横向和纵向的合振动。该压电陶瓷激励装置装入原子力显微镜中，可以使原子力显微镜的针尖进行横向和纵向的合振动，针尖振动时的动态刚度相对于静态刚度较大，针尖不易吸附到表面，使得针尖与待测样品能够进行横向和纵向的非接触相互作用力的实时测量。采用同时测量横向和纵向非接触相互作用力的方式可以增加原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。
进一步地，在一个实施例中，第二压电陶瓷组件103可包括第三压电陶瓷 1032和第四压电陶瓷1034，第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034相对且间隔放置。第二电信号组包括相位相反的第三电信号和第四电信号，第三压电陶瓷1032用于接收第三电信号，第四压电陶瓷1034用于接收第四电信号。且第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034通过第一垫片101与第一压电陶瓷102 间隔设置。
具体地，第一压电陶瓷102可以是一块完整的块状压电陶瓷，第二压电陶瓷组件103可包括分开的、相对且间隔放置的两部分，一部分是第三压电陶瓷 1032，另一部分是第四压电陶瓷1034。
可选地，第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034是两小块完全一致的块状压电陶瓷。当然，可以理解，第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034也可以是稍微有差别的两小块压电陶瓷，只要能实现横向扭转振动即可。作为一种实施方式，第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034分别接收的正弦电信号相位相反，从而使得第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034的伸缩方向相反。可以理解的是，当第三压电陶瓷1032进行伸张时，第四压电陶瓷1034反而进行收缩，反之亦然，从而两者形成一种横向扭转振动，即第二压电陶瓷组件103 可以进行横向扭转振动。
进一步地，第一垫片101与第一压电陶瓷102贴合，且第一垫片101与第一压电陶瓷102边缘重合。即第一垫片101与第一压电陶瓷102相接触的表面的面积、形状完全一致。由此可以最有效的使第三压电陶瓷1032和第四压电陶瓷1034与第一压电陶瓷102之间电绝缘。第三压电陶瓷1032和第四压电陶瓷 1034与第一垫片101堆叠贴合，并通过第一垫片101与第一压电陶瓷102间隔设置。
在另一个实施例中，第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034设置于第一垫片101远离第一压电陶瓷102的表面，且间隔设置于第一垫片101相对的两个边缘。
具体地，第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034放置于第一垫片101远离第一压电陶瓷102的表面上相对的两个边缘。第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034中间留有一定的空隙，即间隔设置，从而使两者接收的不同电信号之间不会相互影响。放置于第一垫片101的边缘位置使第三压电陶瓷1032与第四压电陶瓷1034产生的振动方式在传递过程中更均衡、更有效率，并且加工方便。
在其中一个实施例中，还提供一种原子力显微镜。该原子力显微镜包括上述任一实施例中的压电陶瓷激励装置100以及探针部件200，探针部件200与压电陶瓷激励装置100连接，且探针部件200能够接收压电陶瓷激励装置100的振动方式，并在该振动方式的激励下进行振动。
具体地，压电陶瓷激励装置100产生振动，传递给与之连接的探针部件200，使探针部件200能够振动并对待测样品进行扫描探测。由于该原子力显微镜包括上述压电陶瓷激励装置100，故其具有上述压电陶瓷激励装置100所具有的优点。
上述原子力显微镜中的压电陶瓷激励装置采用压电陶瓷堆叠的方式，利用不同的电信号对压电陶瓷激励装置中不同的压电陶瓷进行激励，使得压电陶瓷激励装置同时进行横向和纵向的合振动。该压电陶瓷激励装置可以使原子力显微镜的针尖进行横向和纵向的合振动，针尖振动时的动态刚度相对于静态刚度较大，针尖不易吸附到表面，使得针尖与待测样品能够进行横向和纵向的非接触相互作用力的实时测量。另外，采用同时测量横向和纵向非接触相互作用力的方式可以增加原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。
进一步地，在一个实施例中，探针部件200包括探针210与探针座220，探针210包括悬臂梁212、分别与悬臂梁212连接的针尖214和探针基板216，探针210能够相对于探针座220自由伸出。探针座220能够接收压电陶瓷激励装置100的振动方式，并通过探针基板216和悬臂梁212传递振动方式以激励针尖214进行振动。
具体地，在本实施例中，压电陶瓷激励装置100与探针部件200中的探针座220的一侧进行贴合设置，探针座220另一侧与探针210连接。在探针210 中，探针基板216连接悬臂梁212，在悬臂梁212顶端，包括针尖214，用来探测待测样品与针尖之间的相互作用力。由此可知，压电陶瓷激励装置100产生振动首先传递到探针座220上，并通过探针座220先传递到探针基板216上，接着传递到悬臂梁212，进而传递到针尖214上以使针尖214进行振动。悬臂梁212可相对于探针座220自由伸出以便于针尖214在待测样品上方进行全方位的移动扫描。
优选地，第一电信号的频率为悬臂梁212的纵向共振频率，第二电信号组的频率为悬臂梁212的横向共振频率。采用悬臂梁的共振频率进行振动，会使振动效率更优。
作为一种可实施的方式，如图2所示，压电陶瓷激励装置100包括第一压电陶瓷102与第二压电陶瓷组件103，这两部分都可以传递振动至探针部件200。因此，可以选择将第一压电陶瓷102与探针座220贴合设置，第一垫片101及第二压电陶瓷组件103依次层叠设置于第一压电陶瓷102的表面。即第一压电陶瓷102设置于第二压电陶瓷组件103与探针座220之间，从而实现将振动传递到针尖214上。
另外，作为另一种可实施的方式，请一并参阅图3，可选择将压电陶瓷激励装置100中第二压电陶瓷组件103与探针部件200中探针座220贴合设置，第一垫片101及第一压电陶瓷102依次层叠设置于第二压电陶瓷组件103的表面。这样，第二压电陶瓷组件103位于第一压电陶瓷102与探针座220之间，该贴合方式也可以传递振动，最终使针尖214进行双向振动。
在其中一个实施例中，在压电陶瓷激励装置100和探针部件200之间设置有第二垫片111。第二垫片111主要起电绝缘作用，当压电陶瓷激励装置100接收电信号时，为了避免电信号流入探针部件200内，通过设置第二垫片111对电信号进行绝缘。另外，第二垫片也起粘贴作用，用于固定压电陶瓷激励装置 100和探针部件200。
请参阅图4，在一个实施例中，还提供了一种表面力场探测装置，该探测装置包括：力检测部件310、位置检测部件320以及反馈控制部件330。
其中，力检测部件310包括信号发生器312和上述任意一项实施例中的原子力显微镜，信号发生器312与原子力显微镜连接，用于为原子力显微镜提供电信号，以驱动探针部件200振动；位置检测部件320用于监测探针部件200 在待测样品表面的振动，以获得横向频率偏移信号和纵向频率偏移信号；反馈控制部件330用于根据横向频率偏移信号或纵向频率偏移信号，反馈控制探针部件200在待测样品表面的振动，得到表面力场的分布。
具体地，力检测部件310中的信号发生器312提供不同电信号给原子力显微镜的压电陶瓷激励装置100，使压电陶瓷激励装置100可以进行横向和纵向的合振动，并传递振动到探针部件200。位置检测部件320用于当探针部件200与待测样品之间有了交互作用之后，会使得探针部件200的悬臂梁212在振动过程中发生扰动，通过激光照射在悬臂梁212的末端时，其反射光的振动也会因为悬臂梁212的力扰动使得振动状态有所改变，这就造成频率偏移量的产生。锁相放大器326分别解调横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号以便后续处理。反馈控制部件330用于在反馈系统中将纵向振动信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，将纵向频率偏移信号控制在设定值，驱使探针部件200做适当的移动，以使样品与探针部件200保持一定的作用力。
上述表面力场探测装置，利用不同的电信号对压电陶瓷激励装置中不同的压电陶瓷进行激励，使得压电陶瓷激励装置同时进行横向和纵向的合振动。该压电陶瓷激励装置装入原子力显微镜中，可以使原子力显微镜的针尖进行横向和纵向的合振动，针尖振动时的动态刚度相对于静态刚度较大，针尖不易吸附到表面，使得针尖与待测样品能够进行横向和纵向的非接触相互作用力的实时测量。另外，测试装置采用同时测量横向和纵向非接触相互作用力的方式，可以增加原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。
在一个实施例中，上述位置检测部件320包括激光发射器322、光电检测器 324、锁相放大器326。激光发射器322发射激光经过原子力显微镜的悬臂梁212 反射入光电检测器324，光电检测器324用于接收悬臂梁212反射的激光，并利用所述激光将振动信号转变为电信号，锁相放大器326用于接收电信号进行调制解调，获得所述横向频移信号及纵向频移信号。
具体地，在初始状态下，悬臂梁212的振动是按照电信号的频率进行振动，但是当针尖214开始与待测样品产生作用力时，振动频率便开始改变。此时，悬臂梁212的振动由照射在悬臂梁212前端的激光发射器322发射的红色激光光斑，通过反射到光电检测器324上进行检测。光电检测器324将横向振动信号和纵向振动信号转变为电信号输出，利用锁相放大器326对横向振动信号与纵向振动信号分别进行两个方向的调制解调，得到各自振动方向上在受到针尖- 样品表面作用力的振动频率偏移信号Δf1、Δf2。忽略两个振动方向响应信号之间的耦合作用，可以根据频率偏移信号分别计算在不同方向上的针尖受力，从而得到定点的横向和纵向表面力场分布。
在其中一个实施例中，请参阅图5，还提供了一种利用上述实施例中的表面力场探测装置以探测待测样品表面力场分布的探测方法，该探测方法包括：
步骤S502，获取第一电信号与第二电信号组。
具体地，第一电信号与第二电信号组可以由不同类别的信号发生器产生，也可以由同一个信号发生器产生。
步骤S504，根据第一电信号激励第一压电陶瓷进行纵向挠曲振动，根据第二电信号组激励第二压电陶瓷组件进行横向扭转振动，使探针部件跟随第一压电陶瓷的纵向挠曲振动与第二压电陶瓷组件的横向扭转振动，产生横向与纵向的合振动。
具体地，第一压电陶瓷接收第一电信号，根据第一电信号的频率进行纵向挠曲振动。第二压电陶瓷组件接收第二电信号组，根据第二电信号组的频率进行横向扭转振动。第二压电陶瓷组件可包括第三压电陶瓷和第四压电陶瓷，因此第二电信号组也包括一组频率、脉宽、幅值相同，但相位相反的两类电信号，即第三电信号与第四电信号。第三压电陶瓷接收第三电信号，则第四压电陶瓷接收相位相反的第四电信号，于是当第三压电陶瓷按照第三电信号的频率进行伸张时，第四压电陶瓷反而进行收缩，从而两者形成一种横向扭转振动。
进一步地，第一压电陶瓷产生纵向挠曲振动，第二压电陶瓷组件产生横向扭转振动，两者结合产生横向与纵向的合振动。传递合振动的方式到用于探测的探针部件上，从而使得探针部件跟随合振动的方式进行振动。
步骤S506，利用探针部件的合振动非接触的探测待测样品表面的力场分布。
具体地，探针部件还未与待测样品靠近时，探针部件是跟随电信号的频率进行振动。一旦探针部件开始与待测样品产生作用力时，探针部件的频率开始变化。根据前后频率偏移的变化值可以计算出待测样品表面定点的横向与纵向表面的力场分布。
上述表面力场探测方法，利用不同的电信号对压电陶瓷激励装置中不同的压电陶瓷进行激励，使得压电陶瓷激励装置同时进行横向和纵向的合振动。该压电陶瓷激励装置装入原子力显微镜中，可以使原子力显微镜的针尖进行横向和纵向的合振动，针尖振动时的动态刚度相对于静态刚度较大，针尖不易吸附到表面，使得针尖与待测样品能够进行横向和纵向的非接触相互作用力的实时测量。另外，测试装置采用同时测量横向和纵向非接触相互作用力的方式，可以增加原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。
在其中一个实施例中，步骤S506包括：检测探针部件的悬臂梁的振动方式，获得横向振动信号与纵向振动信号；对横向振动信号与纵向振动信号进行调制与解调，获得针尖与待测样品表面的横向作用力的振动频率偏移信号与纵向作用力的振动频率偏移信号；根据横向作用力的振动频率偏移信号与纵向作用力的振动频率偏移信号，计算针尖与待测样品表面的横向作用力与纵向作用力，进而获得待测样品的表面力场分布。
具体地，在初始状态下，悬臂梁的振动是按照电信号的频率进行振动，但是当针尖开始与待测样品产生作用力时，振动频率便开始改变。此时，悬臂梁的振动由照射在悬臂梁前端的激光发射器发射的红色激光光斑，通过反射到光电检测器上进行检测。光电检测器将横向振动信号和纵向振动信号转变为电信号输出，利用锁相放大器对横向振动信号与纵向振动信号分别进行两个方向的调制解调，得到各自振动方向上在受到针尖-样品表面作用力的振动频率偏移信号。忽略两个振动方向响应信号之间的耦合作用，可以根据振动频率偏移信号分别计算在不同方向上的针尖受力，从而得到待测样品定点的横向和纵向表面力场分布。
在另一个实施例中，涉及如何获得单方向的力场分布的具体过程。其中，步骤S506之后包括：利用纵向振动信号作为控制反馈信号，将纵向作用力的振动频率偏移信号与第一预设值进行比较，使纵向作用力的振动频率偏移信号等于第一预设值，以使纵向作用力场保持恒定状态；检测在纵向作用力场保持恒定状态的情况下，得到横向作用力的变化，进而得到待测样品的横向力场分布。
利用横向振动信号作为控制反馈信号，将横向作用力的振动频率偏移信号与第二预设值进行比较，使横向作用力的振动频率偏移信号等于第二预设值，以使横向作用力场保持恒定状态；检测在横向作用力场保持恒定状态的情况下，得到纵向作用力的变化，进而得到待测样品的纵向力场分布。
在原子力显微镜的系统中，将悬臂梁的振动形式经由光电检测器取入之后，在反馈系统中会将纵向振动信号或横向振动信号当作控制反馈信号，作为内部的调整信号，通过将纵向作用力的振动频率偏移信号与第一预设值进行比较，使纵向作用力的振动频率偏移信号等于第一预设值；或将横向作用力的振动频率偏移信号与第二预设值进行比较，使横向作用力的振动频率偏移信号等于第二预设值，以驱使悬臂梁做适当的移动，使待测样品与针尖保持一定的作用力。其中，保持纵向作用力场的恒定状态，针尖探测得到的数据就是针尖与待测样品的横向作用力，根据横向作用力的不同得到待测样品横向力场分布。同理，也可以保持横向作用力场的恒定状态，从而得出待测样品的纵向力场分布。第一预设值与第二预设值可根据探针探测的精度进行设置。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。