专利名称:自适应多形变量程模式压电陶瓷扫描器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种扫描探针显微镜的自适应多形变量程模式压电陶瓷扫描器，能使同一个压电陶瓷扫描器可以具有多个不同的最大形变量程扫描模式，并能够进行非线性校正自适应，属于显微镜技术领域：
。
背景技术：
在纳米技术领域：
，扫描探针显微镜(简称SPM)是必不可少的研究开发工具。1982年，IBM公司研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器----扫描隧道显微镜。它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。而在其上发展起来的SPM仪器是目前可以达到原子级分辨率且不需严格制样的最有效的研究材料表面物理、化学特性的仪器。借助于原子力显微镜(简称AFM)等扫描探针显微镜技术，人们对物质结构的了解延伸到纳米层次，促进了纳米科技的形成。
压电陶瓷管扫描器是扫描探针显微镜的核心组成部分之一。目前市场上用于SPM的压电陶瓷管扫描器的最大形变量程(即扫描范围)是固定的，并与SPM控制器一一配对，如调换扫描器，必须对其重新进行非线性校正，使用非常麻烦。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能够自适应非线性校正，并且具有多个可调的不同最大形变量程扫描模式的压电陶瓷扫描器；该扫描器方案是，在若干个(也可以是同一个)压电陶瓷扫描器对应的正反两面壁上，涂上若干区域的导电层，各区域的导电层相互间是绝缘的，将若干导电层分为若干组，分别用于形成X、Y、Z方向的形变，每一个导电层用导线引出，施加驱动电压，产生扫描量程需要的形变量。并用扫描量程状态信号线产生二进制代码，表示每一组压电陶瓷导电层不同的形变量程。将每一组压电陶瓷导电层对应于不同扫描量程的等效驱动电压和形变量的非线性函数，以及相关参数存储于EPROM中。
施加于压电陶瓷每一个导电层上的驱动电压，是由一个扫描信号电压通过二个放大器输出的二个互为反向的直流正、负驱动电压，二个放大器的放大倍数可以相同，也可以不同，每一个导电层通过跳线方式或电气开关可以任意连接正、负、零驱动电压，使每一组压电陶瓷导电层可以产生不同的最大形变量程。选择接线模式，是将扫描量程状态信号线通过跳线方式或电气开关，连接或不连接+5V电源，置为逻辑“1”或“0”，构成一组二进制代码，用来表示每一组压电陶瓷导电层某一形变量程模式。
压电陶瓷可以是管状的、棒状的或片状的。可以在若干个压电陶瓷上制成用于形成X、Y、Z方向形变的若干组导电层，也可以在一个压电陶瓷上制成形成X、Y、Z方向形变的若干组导电层。
本实用新型的优点是由于压电陶瓷扫描器的导电层不是固定地连接驱动电压线，而是每个导电层可以通过跳线方式或电气开关灵活地连接正、负、零驱动电压，使得同一个扫描器可以具有多个不同的最大形变量程扫描模式。而且，由于二个放大器的放大倍数可以相同，也可以不同，使得通过放大器输出的二个驱动电压可以是对称的，也可以是不对称的，因此，不但可以给每一组压电陶瓷导电层产生一个很高的等效最大驱动电压，也可以产生很小的等效最大驱动电压，以产生从小到大多个范围的形变量程。另外，由于EPROM中存储着每一组压电陶瓷导电层对应于不同扫描量程的等效驱动电压的形变量的非线性函数，以及相关参数，所以无论将该扫描器配置到任何一台SPM上，只需调用EPROM中存储的相应的函数进行非线性校正即可，具有自适应功能，使用非常方便。
附图1是本实用新型的一个压电陶瓷管扫描器的立体示意图。
附图2是另一个压电陶瓷管扫描器的立体示意图。
附图3是运算放大器输出的驱动X方向电压波形图。
附图4是运算放大器输出的驱动Y方向电压波形图。
附图5是运算放大器输出的驱动Z方向电压波形图。
具体实施方式
请参阅附图1所示，在一个压电陶瓷管对应的正反两面壁上，涂上八个区域的导电层1、2、3、4、5、6、7、8，各区域的导电层相互间是绝缘的，将八个导电层分为二组，一组为1、2、3、4用于形成X方向的形变，另一组为5、6、7、8用于形成Y方向的形变，在另一个压电陶瓷管的正面(请参阅附图2)，涂上二个相互绝缘的导电层9、10，在其反面全部涂上一个导电层11，用于形成第三组的Z方向形变，所有导电层用导线引出，施加驱动电压，产生扫描量程需要的形变量。并用扫描量程状态信号线产生地进制代码，表示每一组压电陶瓷导电层不同的形变量程，将每一组压电陶瓷导电层对应于不同扫描量程的等效驱动电压和形变量的非线性函数，以及相关参数存储于EPROM中。
请参阅附图3所示，二个运算放大器22、23，其输出端24、25，输出反向的直流电压，一个是正向，电压从负150伏到正150伏，另一个是反向，从负130伏到正130伏，两者是非对称的，是驱动压电陶瓷扫描器X方向扫描的驱动电压波形图。±5V电压输入端21，通过正、反向放大器22和23，输出二个方向相反的非对称的驱动电压到输出端24，附图4与附图3一样，放大器32、33产生二个反向直流电压输出端34、35，控制Y方向的驱动电压，控制X、Y方向的驱动电压，是不对称的，V24(V34)＝-150V～+150V，V25(V35)＝+130V～-130V。控制Z方向扫描的驱动电压值是对称的，参阅附图5所示电压波形，其输出端V44＝-150V～+150V，V45＝+150V～-150V。从每个导电层分别引出导线，通过跳线方式或电气开关，可以灵活选择向每个导电层施加正、负、零驱动电压。在本实施例中，通过跳线方式或电气开关(所谓跳线，是用一个活动的接点，通过插头，插到各个接点，构成新的接线组合)，采用以下几种接线模式控制X方向扫描的第一组导电层采用3种接线模式模式X0导电层1接驱动信号电压输出端24端，导电层2接25端，3接24端，4接25端；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VX0max＝(V1-V2)+(V3-V4)＝(150V-(-130V))+(150V-(-130V))＝560V模式X1导电层1接地，导电层2接25端，导电层3接25端，4接25端；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VX1max＝(V1-V2)+(V3-V4)＝(0V-(-130V))+((-130V)-(30V))＝130V模式X2导电层1接驱动信号电压输出端24端，2接地，3接25端，4接地；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VX2max＝(V1-V2)+(V3-V4)＝(150V-0V)+((-130V)-0V)＝20V控制Y方向扫描的第二组导电层采用同样的3种接线模式模式Y0导电层5接驱动信号电压输出端34端，6接35端，7接34端，8接35端；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VY0max＝(V5-V6)+(V7-V8)＝(150V-(-130V))+(150V-(-130V))＝560V模式Y1导电层5接地，6接35端，7接35端，8接35端；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VY1max＝(V5-V6)+(V7-V8)＝(0V-(-130V))+((-130V)-(-130V))＝130V模式Y2导电层5接驱动信号电压输出端34端，6接地，7接35端，8接地；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VY2max＝(V5-V6)+(V7-V8)＝(150V-0V)+((-130V)-0V)＝20V控制Z方向扫描的第三组导电层采用2种接线模式模式Z0导电层9接驱动信号电压输出端44端，10接45端，11接44端；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VZ0max＝(V9-V11)+(V10-V11)＝(150V-(-150V))+(150V-(-150V))＝600V模式Z1导电层9接驱动信号电压输出端44端，10接地，11接地；该模式产生的等效最大驱动信号电压为VZ1max＝(V9-V11)+(V10-V11)＝(150V-0V)+(0V-0V)＝150V
将X0、Y0、Z0的组合接线模式的扫描量程状态定义为000；将X1、Y1、Z0的组合接线模式的扫描量程状态定义为001；将X2、Y2、Z0的组合接线模式的扫描量程状态定义为010；将X0、Y0、Z1的组合接线模式的扫描量程状态定义为100；将X1、Y1、Z1的组合接线模式的扫描量程状态定义为101；将X2、Y2、Z1的组合接线模式的扫描量程状态定义为110。
将3组接线组定义为扫描量程状态信号线，通过跳线方式或电气开关，连接或不连接+5V电源，置为逻辑“1”或“0”，构成一组二进制代码，用来定义每一组压电陶瓷导电层某一形变量程模式。如将3组扫描量程状态信号线中的第2组与+5V电源连接，第一和第三组接地，构成二进制代码010，对应于当前采用的是X2、Y2、Z0的组合接线模式，VX2max＝20V，VY2max＝20V，VZ0max＝600V。
如压电陶瓷管A的线性压电系数是200nm/V，压电陶瓷管B的线性压电系数是5nm/V，则每一组压电陶瓷导电层的各种形变量程模式对应的最大量程如下表所示
EPROM中存储着分别产生X、Y、Z方向形变量程的三组压电陶瓷导电层对应于不同最大扫描量程模式的驱动电压和形变量的非线性函数，以及相关参数。根据当前的扫描量程状态信号，调用EPROM中相应的非线性校正函数，对压电陶瓷扫描器进行非线性校正。例如当扫描量程状态信号二进制代码为010时，X方向最大扫描量程25μm，Y方向最大扫描量程25μm，Z方向最大扫描量程3μm。调用EPROM中分别对应于X、Y、Z方向扫描器010扫描量程模式的非线性函数，对X、Y、Z方向的扫描进行非线性校正。
权利要求
1.一种自适应多形变量程模式压电陶瓷扫描器，其特征在于在一个压电陶瓷对应的正反两面壁上，涂上若干区域的导电层，各区域的导电层相互间是绝缘的，将若干导电层分为若干组，一组产生X方向的形变，另一组产生Y方向的形变，在另一个压电陶瓷的正面，涂上二个相互绝缘的导电层，在其反面全部涂上一个导电层，产生第三组的Z方向形变，所有导电层用导线引出，施加驱动电压，产生扫描量程需要的形变量，并用扫描量程状态信号线产生二进制代码，表示每一组压电陶瓷导电层不同的形变量程模式，将每一组压电陶瓷导电层对应于不同扫描量程等效驱动电压的形变量的非线性函数，以及相关参数存储于EPROM中。
2.按权利要求
1所述的自适应多形变量程模式压电陶瓷扫描器，其特征在于施加于压电陶瓷每一个导电层上的驱动电压，是由一个扫描信号电压通过二个放大器输出的二个互为反向的直流正、负驱动电压，二个放大器的放大倍数可以相同，也可以不同，每一个导电层通过跳线方式或电气开关，可以任意连接正、负、零驱动电压，使每一组压电陶瓷导电层可以产生不同的最大形变量程。
3.按权利要求
1所述的自适应多形变量程模式压电陶瓷扫描器，其特征在于将扫描量程状态信号线通过跳线方式或电气开关，连接或不连接+5V电源，置为逻辑“1”或“0”，构成一组二进制代码，用来表示每一组压电陶瓷导电层某一形变量程模式。
4.按权利要求
1所述的自适应多形变量程模式压电陶瓷扫描器，其特征在于压电陶瓷可以是管状的、棒状的或片状的。
5.按权利要求
1所述的自适应多形变量程模式压电陶瓷扫描器，其特征在于可以在若干个压电陶瓷上制成产生X、Y、Z方向形变的若干组导电层，也可以在同一个压电陶瓷上制成产生X、Y、Z方向形变的若干组导电层。
专利摘要
本实用新型包括若干个分别控制X、Y、Z方向扫描的压电陶瓷扫描器，给压电陶瓷扫描器的每个导电层施加不同的驱动电压，使压电陶瓷扫描器具有多个模式的最大形变量程；将每一组压电陶瓷导电层对应于不同扫描量程等效驱动电压的形变量的非线性函数，以及相关参数存储于EPROM中，系统调用相应的扫描量程状态的非线性函数，对X、Y、Z方向的扫描进行非线性校正，本实用新型的优点是同一个压电陶瓷扫描器可以具有多个不同的最大形变量程扫描模式，并且无论将该扫描器配置到任何一台扫描探针显微镜上，都无需重新进行非线性校正，具有自适应功能，使用非常方便。
文档编号G01Q10/00GKCN2674434SQ200420019932
公开日2005年1月26日 申请日期2004年2月5日
发明者赵于勒 申请人:赵于勒导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan