专利名称：无摩擦惯性步进扫描器、同点扫描双探针显微镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及压电扫描步进器和扫描探针显微镜，特别设及一种无摩擦惯性步进扫描 器及其控制方法以及由此制成的同点扫描双探针显微镜。
背景技术：
现有的XYZ压电扫描管因其尺寸小且操作简单、可靠，已在扫描探针显微镜领域获得了 巨大的应用，完全淘汰了早期的三脚架扫描结构。但，它只能对最大约10-100微米量级这 样一个微小范围内的样品表面进行扫描、测量谱数据和成像，这是因为制造XYZ压电扫描管 的压电材料的压电系数很小的缘故。目前已可以利用压电惯性步进器原理来一步步地在扫描 管上移动样品，获得一个累计的、较大范围的移动。其具体做法是先让扫描管在XY平面 内缓慢地朝某一确定的方向<9移动样品一步，再让扫描管快速回撤，以后就照此重复。如果 回撤时样品的惯性力大于扫描管对样品的最大静摩擦力，样品就不会在回撤时被静摩擦力拉 回原地，而是相对于原地往e方向滑动了一步s。尽管每一步的移动s依然是微小距离(10-100 微米量级)，但多次重复之后便可产生了一个累计的大范围移动(毫米量级或更高)。这种靠 摩擦力和惯性力的混合作用产生的移动有几个缺点第一、摩擦力尽管小于惯性力，但依然 起一个阻碍移动的作用，使得行走缓慢、无力。第二、由于摩擦力会随滑动发生地的表面清 洁度、温度、湿度、平滑度等因素的变化而变化，所以摩擦力的干扰会使得样品移动方向P
不恒定，即产生偏向。第三、摩擦力的干扰也会导致每一步步长的不确定，即行走距离
不可精确控制。后两个问题直接造成大范围定位精度降低。Alex deLozarme等人还因此在 2006年3月第5巻第2期IEEE TRANSACTIONS ON NAN0TECHN0L0GY期刊的第77页撰文引入 了移动导轨来解决偏向的问题，但这只能保证在导轨方向的移动不偏向，而且行走距离依然 不可精确控制，行走的重复性也差。
如果使用这样带有摩擦力的、定位不精确的步进扫描管，也很难做成能对同一样品点进 行测量或成像的双探针扫描探针显微镜，原因是双探针扫描探针显微镜的双针一般相隔距 离较大(毫米量级，若要把两根针安置到相距微米量级而不相碰和损毁是很难的)，当第一 根探针选择了某一样品表面点A进行测量或成像之后，定位精度差的步进扫描器是很难通过 移动样品一个较大距离后还能将A点移至第二根探针的扫描范围(约10-100微米)之内。 如果像Alex deLozanne在上述论文中所做的那样靠引入导轨并且移动双探针而非移动待测 样品来寻找同一测量点的话，不仅算法复杂(需要在XY平面内独立控制两根探针，共4个
自由度)，且需要两台控制器来独立控制双针的定位(非常昂贵)，特别是双针很难选用不同
类型的探针。例如，扫描隧道显微镜探针和原子力显微镜探针结构、尺寸很不相同，不能很 靠近地放置，必须定位精度很高才能寻找到很远处的测量点。正因如此，至今尚未见能用不 同类型的两个扫描探针显微镜探针对同一样品点进行测量或成像。现有的能测量同一样品点 的双探针显微镜皆为双扫描隧道显微镜，它们的双探针类型相同且细小、尖锐，可较容易靠 近放置。 发明内容
本实用新型的目的是为解决上述摩擦力对定位精度的干扰，提供一种定位精度高的无摩 擦惯性步进扫描器及其控制方法，为解决上述双针同点测量定位精度低、控制复杂、代价高 问题，提供一种高精度简单易控的同点扫描双探针显微镜。
本实用新型解决摩擦力干扰定位精度技术问题所采用的技术方案是
本实用新型无摩擦惯性步进扫描器，包括XYZ压电扫描管、基座，还包括拉力器、压 片，XYZ压电扫描管的一端固定于基座，另一端为扫描端，压片置于该扫描端上，拉力器将
压片拉向基座，所述扫描端托住该压片并与该压片产生压力，压片与XYZ压电扫描管之间电 绝缘。
所述拉力器置于XYZ压电扫描管的内部。 所述拉力器为弹簧、磁体、松紧绳、吊锤或压片本身。
本实用新型解决双针同点测量技术问题所采用的技术方案是
本实用新型由无摩擦惯性步进扫描器制成的同点扫描双探针显微镜，包括基体、定位座、
第一探针、第二探针、第一Z定位器、第二Z定位器、无摩擦惯性步进扫描器、样品；样品
固定于无摩擦惯性步进扫描器的压片上，第一z定位器的底座固定于定位座上，第一探针固 定于第一 z定位器的移动端并指向样品构成第一 z调节器，第二 z调节器以下列三种方式之
一构成
(a) 第二 Z定位器的底座固定于定位座上，第二探针固定于第二 Z定位器的移动端并指 向样品，定位座与无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于基体上；
(b) 第二探针固定于定位座上并指向样品，定位座固定于第二Z定位器的移动端，第二 Z定位器的底座与无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于基体上；
(c) 第二探针固定于定位座上并指向样品，无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于第二Z 定位器的移动端，第二Z定位器的底座与定位座固定于基体上。
所述第一Z定位器或第二Z定位器为压电马达、惯性马达、螺丝调节或步进电机。 所述惯性马达包括压电伸缩器、基座、弹簧片、质量块，压电伸縮器的伸縮端通过弹簧 片以垂直于Z方向的弹力将质量块夹住。本实用新型无摩擦惯性步进扫描器的工作原理为拉力器将压片拉向基座，但被XYZ压 电扫描管的扫描端托住而不被拉到基座。这样，压片与XYZ压电扫描管的扫描端之间就产生 压力N。我们在XYZ压电扫描管的X电极、Y电极或Z电极上施加变化缓慢的信号V(t)。这 里缓慢的定义如下V(t)变化对压片产生的运动加速度a，相当于使压片受到惯性力F， F等 于压片与其上样品的总质量m乘以a;若F小于由N产生的最大静摩擦力f (等于pN, n为最大 静摩擦系数)，那么F将不足以克服f而产生滑动，这样的V(t)变化称为缓慢变化。这时，F
=ma < f = pN。因为压片一步移动的距离为s=0.5at2，其中t为压片移动s所需时间，所
以m(2s/t2)<nN，也即t>sqrt (2msAiN)可称为缓慢，其中sqrt ()为开根号。定义 t。-sqrt(2ms/pN)为临界时间。
在这样的缓慢V(t)作用下，压片将随XYZ压电扫描管的扫描端一起做扫描定位运动而没 有步进。这就是其扫描定位功能，扫描范围最大约为10-100微米量级。
如要产生步进运动，可在XYZ压电扫描管上施加Z伸长信号和缓慢的XY信号，使得压片 在Z方向伸长Sz和在XY平面内移动SxY，再将这两个信号快速往回撤，这里快速的定义如下 Z的回縮等价于一个Z方向的惯性力F产maz,其中&为Z方向的回縮加速度az=2sz/t/，其 中tz为Z回縮所用时间；如Fz大到能完全抵消原先产生摩擦力的压力N:FZ> N，即maz= m2sz/tz2 >N，也即tz〈 sqrt(2msz/N)，这样的回撤称为快速。这时，因为能产生摩擦力的正压力为 0，即摩擦力为0，所以在施加XY回移信号且该回移过程发生在Z回縮过程之内时，压片将 由于惯性而留在当地，不随XYZ压电扫描管的扫描端一起回移。这个过程不受摩擦力的干扰， 所以压片将非常精确地留在当地，而所述的当地相对于原始出发点已精确地位移了一个步长 sXY。如此重复L次可累计产生一个大范围移动SxYL，实现其大范围定位功能。由于完全消除 了摩擦力，这样的宏观定位非常精确地等于一个已知值sXYL，所以宏观定位是精确的，且 没有偏向问题。
本实用新型用所述无摩擦惯性步进扫描器制成的同点扫描双探针显微镜的工作原理为 样品固定于无摩擦惯性步进扫描器的压片上，第一 Z定位器的底座固定于定位座上，第一探 针固定于第一 Z定位器的移动端并指向样品构成第一 Z调节器；第二 Z定位器的底座画定于 所述定位座上，第二探针固定于第二Z定位器的移动端并指向样品，定位座与无摩擦惯性步 进扫描器的基座固定于基体上，构成第二Z调节器。这样，双针与样品的间距可以独立控制。 第一和第二 Z定位器实际上起到独立地将第一和第二定探针向样品粗逼近(coarse approach) 的作用。
我们首先调节第二Z调节器使得第二探针远离样品表面。接着，调节第一Z调节器使得
第一探针靠近样品表面并利用无摩擦惯性步进扫描器的微观定位、扫描功能进行第一探针对 样品的测量或成像。可以从所测图像中选一独特图案或特征作为记号，也可用第一探针在测 量点附近通过原子搬运或气体沉积留下记号。之后，用无摩擦惯性步进扫描器将原测量点送 至第二探针。双针的间距可以估算或测量出来，使得无摩擦惯性步进扫描器可以将原测量点
送至第二探针附近，再调节第二 z调节器使得第二探针靠近样品表面并进行第二探针对样品
的测量或成像。可以在所成图像中寻找第一探针测量时得到的记号以精确获得第一探针的测
量点。这种方法的可行性在于第一探针的成像面积可以先选大一点(微米量级)，做好记号 后再进行小面积成像(原子分辨率)，再做记号；用无摩擦惯性步进扫描器将原测量点送往第 二探针时，也没有必要十分精确地送达第二探针针尖下，只要送到第二探针的最大扫描范围 之内便可以在其所成图像中寻找第一探针所得大图中的记号，再利用无摩擦惯性步进扫描器 的微观定位、扫描功能将第二探针移至记号处进行放大扫描(原子分辨率)以获得原测量点 的原子级别定位或成像。
上述双针应尽量靠近安置，这样能使无摩擦惯性步进扫描器更快更准确地将第一探针的 测量点送达第二探针处，不需要运送太大距离。
以上所述的第二 Z调节器的目的是能独立调节第二探针与样品的间距，所以第二调节器 也可以按如下方式之一构成第二探针固定于定位座上并指向样品，定位座固定于第二Z定 位器的移动端，第二 Z定位器的底座与无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于基体上；或者 第二探针固定于定位座上并指向样品，无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于第二 Z定位器的 移动端，第二Z定位器的底座与所述定位座固定于基体上。
与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在.-
无摩擦惯性步进扫描器
(1) 既能宏观高精度大范围定位又不失微观高定位分辨率宏观大范围定位用无摩擦 惯性步进法，没有摩擦力影响，定位精度高；微观定位与扫描可使用慢速低惯性
(无步进)移动模式，不失其原有的微观定位分辨率。
(2) 体积小，仅比一个XYZ扫描管略大一点。
(3) 可工作于极端物理条件(超高真空、超强磁场、超低温、超低噪音)下，因为其 体积小且所用的材料也能做到与极端物理条件相兼容。
(4) 成本低，和一个XYZ压电扫描管的价格差不多。 同点扫描双探针显微镜的有益效果体现在
(1)能以不同类型的探针对同一样品点进行重复测量，因为即使使用不同类型的探针， 探针间距不得不加大，但由于无摩擦惯性步进扫描器宏观定位精度高，依然能够
将第一探针测量点较准确地送至第二探针处。
(2) 测得的数据可来自不同类型显微镜。
(3) 测得的数据具有髙度可比性，因为来自同一测量点。
(4) 测得的数据能帮助人们得到更多、更重要、也更可靠的结论，例如，第一探针可 选为扫描隧道显微镜探针，第二探针可选为原子力或磁力显微镜探针，那么从第 一探针获得的数据可用第二探针的数据来证实或提供更多线索。
(5) 体积小，如果双探针的Z定位器选为惯性马达，则关键部件只是3个压电陶瓷管, 体积仅有香烟盒大小，或更小。
(6) 整套装置结构十分简洁、紧凑、牢固，噪音小、抗干扰和震动能力强，整套系统 没有什么松动、悬挂、复杂绕线、易于振动等有损稳定的地方。
(7) 操作简单，仅需很少几个压电信号，可完全进行程序控制，避免手动调节。
(8) 而且可工作于极端物理条件(体积小，不发热，出气低，无磁，极端条件兼容)。
图1是本实用新型内置拉力器无摩擦惯性步进扫描器基本结构示意图。 图2是本实用新型外置拉力器无摩擦惯性步进扫描器基本结构示意图。 图3是本实用新型并行同点扫描双探针显微镜结构示意图。 图4是本实用新型串行同点扫描双探针显微镜结构示意图。 图5是本实用新型联动型同点扫描双探针显微镜结构示意图。
图中标号1 XYZ压电扫描管、2基座、3拉力器、4压片、5样品、6第一探针、7第二 探针、8第一Z定位器、9第二Z定位器、IO定位座、ll基体、12无摩擦惯性步进扫描器、 Ex XYZ压电扫描管的X电极、EY XYZ压电扫描管的Y电极、Ez XYZ压电扫描管的Z电极、S)W XYZ 压电扫描管扫描端的XY平面内的偏移、SzXYZ压电扫描管扫描端的Z方向偏移、N压片受到 的压力、F压片(包括其上的样品)受到的惯性力、f压片受到的摩擦力。
以下通过具体实施方式
，结构附图对本实用新型作进一步描述
具体实施方式
实施例l:内置拉力器无摩擦惯性步进扫描器
参见图1， XYZ压电扫描管1的一端固定于基座2，拉力器3将压片4拉向基座2， XYZ 压电扫描管1的扫描端托住压片4使其不被拉到基座2。这样，压片4与XYZ压电扫描管的 扫描端之间就产生压力N的作用。拉力器3可以是弹簧、磁体、吊锤、松紧绳或压片本身。 拉力器3置于XYZ压电扫描管1的内部。
本实施例的无摩擦惯性步进扫描器可以工作于微观扫描、定位模式，也可以工作于宏观 大范围步进模式。
对于微观扫描、定位模式，在XYZ压电扫描管1的X电极Ex、 Y电极Ev或Z电极Ez上施 加变化缓慢的定位或扫描信号V(t)使得压片4受到的惯性力F不足以克服压力N产生的最大 静摩擦力f，即压片4随XYZ压电扫描管1的扫描端一起移动而没有相对移动，也即没有步 进。没有步进就不能在大范围移动，这就是其微观扫描、定位功能，工作范围最大为10-100 微米量级。
对于宏观大范围步进模式，可在XYZ压电扫描管1上施加Z伸长信号和缓慢的XY信号， 使得压片4在Z方向伸长&和在XY平面内移动sXY，这里缓慢是指压片4与XYZ压电扫描管1 的扫描端之间不产生相对移动。再将这两个信号快速往回撤，这里快速是指Z伸长量&的 回縮所等价的Z方向惯性力Fz大到完全抵消能产生摩擦力的压力N。这时，总的能产生摩擦 力的正压力为0，即摩擦力为0，所以当施加XY回移信号且回移过程发生在Z回縮过程之内 时，压片将由于惯性而留在当地，不随XYZ压电扫描管1的扫描端一起回移。这个过程不受 摩擦力的干扰，所以压片4将非常精确地留在当地，而所述的当地相对于原始出发点已精确
地位移了一个步长SxY。如此重复L次可累计产生一个长距离步进Sx丄，实现其宏观大范围定
位、步进功能。因完全消除了摩擦力，这样的定位非常精确地等于一个已知值SxyL，所以
大范围定位是精确的，也没有偏向问题。
实施例2:外置拉力器无摩擦惯性步进扫描器
图1画出了拉力器3置于XYZ压电扫描管1的内部的情况。拉力器3的位置也可以处于 XYZ压电扫描管1之外，如图2所示。
实施例3:非弹簧拉力器无摩擦惯性步进扫描器
拉力器的设置是为了能将压片拉向基座并与XYZ压电扫描管的扫描端以压力相互作用， 所以，拉力器除了其位置可在XYZ压电扫描管的内部或外部，其种类也可以是非弹簧类的， 例如松紧绳、吸引压片的磁体、压片下吊着的吊锤或压片本身(产生所述压力的拉力来自 压片本身的重力)等能产生所述压力的装置。
实施例4:并行同点扫描双探针显微镜
图3为本实用新型并行同点扫描双探针显微镜结构示意图。样品5固定于无摩擦惯性步 进扫描器12的压片4上，第一Z定位器8的底座固定于定位座IO上，第一探针6固定于第 一 Z定位器8的移动端并指向样品5构成第一 Z调节器；第二 Z定位H 9的底座固定于定位 座10上，第二探针7固定于第二 Z定位器9的移动端并指向样品5，定位座10与无摩擦惯 性步进扫描器12的基座2固定于基体11上，构成第二Z调节器。这样，双针6、 7与样品5 之间的间距可以独立控制。第一定位器8和第二定位器9实际上起到独立地将第一探针6和
第二定探针7向样品5粗逼近的作用。
工作原理为首先调节第二Z定位器9使得第二探针7远离样品5的表面。接着，调节 第一 Z定位器8使得第一探针6靠近样品5表面并利用无摩擦惯性步进扫描器12的微观定位 或扫描功能进行第一探针6对样品5的测量或成像。可以从所测图像中选一独特图案或特征 作为记号，也可用第一探针6在测量点附近通过原子搬运或气体沉积的方法做一记号。之后， 用无摩擦惯性步进扫描器12将原测量点送至第二探针7。双针的间距可以估算或测量出来， 使得无摩擦惯性步进扫描器12可以将原测量点送至第二探针7附近，再调节第二 Z定位器9 使得第二探针7靠近样品5表面并进行第二探针7对样品5的测量或成像。可以在所成图像 中寻找第一探针6测量时得到的记号以精确获得第一探针6的测量点。这种方法的可行性在 于-第一探针6的成像面积可以先选大一点(微米量级)，做好记号后再进行小面积成像(原 子分辨率)，再做记号；用无摩擦惯性步进扫描器12将原测量点送往第二探针7时，也没有 必要十分精确地送达第二探针7的针尖下，只要送到第二探针7的最大扫描范围之内便可以 在其所成图像中寻找先前第一探针6所得大图中的记号，再利用无摩擦惯性步进扫描器12的 微观定位、扫描功能将第二探针7移至记号处进行放大扫描(原子分辨率)以获得原測量点 的原子级别定位或成像。
上述双针6、 7应尽量靠近放置，这样能使无摩擦惯性步进扫描器12更准确、更快地将 第一探针6的测量点送达第二探针7处，不需要运送太大距离。 实施例5:串行同点扫描双探针显微镜
上述实施例4中的第二 Z调节器所起的目的是独立调节第二探针7与样品5的间距，所 以第二调节器也可以按图4所示方式构成第二探针7固定于定位座i0上并指向样品5，定 位座10固定于第二 Z定位器9的移动端，第二 Z定位器9的底座与无摩擦惯性步进扫描器 12的基座2固定于基体11上。这样，当第二Z定位器9进行Z伸縮调节时，可以调节样品5 与第二探针7之间的间距。虽然由于第一 Z定位器8与第二 Z定位器9之间的串行连接使得 样品5与第一探针6之间的间距也随之发生改变，但这个间距可以通过调节第一 Z定位器8 使得第一探针6与样品5之间不发生接触就不会损毁第一探针6。所以，这种结构也能实现 双探针与样品之间的间距独立可调。
实施例6:联动型同点扫描双探针显微镜
见图5，第二探针7固定于定位座10上并指向样品5，无摩擦惯性步进扫描器12的基座 2固定于第二 Z定位器9的移动端，第二 Z定位器9的底座与定位座10都固定于基体11上。 这样，当第二Z定位器9进行Z伸縮调节时，整个无摩擦惯性步进扫描器12以及其上圃定的 样品5将与之联动，从而调节第二探针7与样品5之间的间距。虽然样品5与第一探针6之
间的间距也随之改变，但这个间距可以通过调节第一 Z定位器8使得第一探针6与样品5之 间不发生接触就不会损毁第一探针6。这种结构也能实现双探针与样品之间的间距独立可调。 实施例7:同点扫描双探针显微镜的Z定位器
上述实施例4-6中所述同点扫描双探针显微镜的第一、第二 Z定位器的作用是独立调节 第一、第二探针与样品之间的间距，相当于粗逼近调节器。故，扫描探针显微镜中所用的各 种粗逼近调节器皆可用作本实用新型同点扫描双探针显微镜的Z定位器，包括压电马达、惯 性马达、螺丝调节或步进电机。从控制简单、体积小、成本低、稳定性高、极端物理条件兼 容等方面考虑， 一个较好的选择是惯性马达，该惯性马达的一个较好实施例为包括压电伸
縮器、基座、弹簧片、质量块，压电伸縮器的一端固定于基座，另一端为伸縮端，该伸縮端 通过弹簧片以垂直于Z方向的弹力将质量块夹住。
权利要求1、一种无摩擦惯性步进扫描器，包括XYZ压电扫描管、基座，其特征在于还包括拉力器、压片，XYZ压电扫描管的一端固定于基座，另一端为扫描端，压片置于该扫描端上，拉力器将压片拉向基座，所述扫描端托住该压片并与该压片产生压力，压片与XYZ压电扫描管之间电绝缘。
2、 根据权利要求1所述的无摩擦惯性步进扫描器，其特征是所述拉力器置于XYZ压电扫 描管的内部。
3、 根据权利要求1或2所述的无摩擦惯性步进扫描器，其特征是所述拉力器为弹簧、磁 体、松紧绳、吊锤或压片本身。
4、 一种由权利要求1所述无摩擦惯性步进扫描器制成的同点扫描双探针显微镜，其特征 在于包括基体、定位座、第一探针、第二探针、第一 Z定位器、第二 Z定位器、权利要 求1所述无摩擦惯性步进扫描器、样品；样品固定于无摩擦惯性步进扫描器的压片上， 第一 Z定位器的底座固定于定位座上，第一探针固定于第一 Z定位器的移动端并指向样 品构成第一Z调节器，第二Z调节器以下列三种方式之一构成(a) 第二 Z定位器的底座固定于定位座上，第二探针固定于第二 Z定位器的移动端 并指向样品，定位座与所述无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于基体上；(b) 第二探针固定于定位座上并指向样品，定位座固定于第二Z定位器的移动端， 第二 Z定位器的底座与所述无摩擦惯性步进扫描器的基座固定于基体上；(c) 第二探针固定于定位座上并指向样品，所述无摩擦惯性步进扫描器的基座固定 于第二 Z定位器的移动端，第二 Z定位器的底座与定位座固定于基体上。
5、 根据权利要求4所述的同点扫描双探针显微镜，其特征在于第一 Z定位器或第二 Z定 位器为压电马达、惯性马达、螺丝调节或步进电机。
6、 根据权利要求5所述的同点扫描双探针显微镜，其特征在于惯性马达包括压电伸縮器、 基座、弹簧片、质量块，压电伸縮器的伸縮端通过弹簧片以垂直于z方向的弹力将质量块夹住。
专利摘要无摩擦惯性步进扫描器、同点扫描双探针显微镜涉及压电扫描步进器和扫描探针显微镜，无摩擦惯性步进扫描器包括XYZ压电扫描管、基座，还包括拉力器、压片，XYZ压电扫描管的一端固定于基座，另一端为扫描端，压片置于该扫描端上，拉力器将压片拉向基座，扫描端托住该压片并与该压片产生压力，压片与XYZ压电扫描管之间电绝缘。用该无摩擦惯性步进扫描器可制成扫描定位精度极高的同点扫描双探针显微镜，包括基体、定位座、第一探针、第二探针、第一Z定位器、第二Z定位器、无摩擦惯性步进扫描器、样品。
文档编号G12B21/22GK201210411SQ20072013084
公开日2009年3月18日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者陆轻铀 申请人:中国科学技术大学