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一种组合式三维高速扫描装置
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高速扫描装置，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追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都是采用样品或探针在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1a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1b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，相对的另一侧收缩，以增加扫描范围，图1c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，但是由于SPM的扫描成像速度很慢，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，但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。但由于音叉尺寸很小(小于1×1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器连接，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做横向振动，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。三维扫描器用于实现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。

  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
附图说明
图1a现有三角架型三维扫描装置原理示意图；
图1b现有单管型三维扫描器原理示意图；
图1c现有十字架配合单管型扫描装置原理示意图；
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；
图2b另一组合式三维高速扫描装置组成结构的俯视图；
图2c一维高速扫描器的结构图；
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：
1.三维扫描器    2.高速一维扫描器    3.样品台
4.固定底座      5.探针固定架        6.探针
7.绝缘固定环
201.固定片A     202.固定片B         203.双层压电陶瓷片
具体实施方式
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，所述的高速一维扫描器2固定在探针固定架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203一端通过固定片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203一层为激振片，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)外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1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粘接到探针固定架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；+Y方向连接端连接到+Y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203一层为激振片，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1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1mm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40mm×30mm×2mm。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3mm×3mm×1mm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的外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。
当压电陶瓷管外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。
上述装置连接好后，按一定时序施加电压，可以实现行扫描频率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。