掃描探針顯微鏡壓電掃描管的x－y二維平面掃描驅動系統的製作方法
2023-12-09 07:49:06
專利名稱：掃描探針顯微鏡壓電掃描管的x－y二維平面掃描驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及掃描探針顯微鏡(SPM)技術領域，具體涉及一種壓電掃描管的X-Y二維平面掃描驅動系統。本發明主要應用於研究SPM系列的快速掃描的方法，也可作為研製SPM快速掃描系統的平面掃描驅動模塊。
背景技術：
掃描探針顯微鏡問世以來，就提供了一種能在納米尺度、分子水平上觀察物質形貌的工具，而且能夠測定極微弱的力，為研究分子之間的弱作用力提供了有力的幫助。目前，掃描探針顯微鏡已經被廣泛的應用於化學、物理、生命科學等領域，並為這些領域的技術發展和科技革新提供了強大的支持。由於相關領域技術的發展，對掃描探針顯微鏡成像速度等性能也提出了更高的要求，因此研究掃描探針顯微鏡的高速掃描和成像速度成為行業能的一個專向課題。
目前，提高掃描探針顯微鏡成像速度的研究大體上都是從顯微鏡本身的結構和控制原理上入手。通過設計不同於傳統掃描探針顯微鏡的部件來實現局部的性能調整或者採用特殊的控制理論來實現反饋部分的優化等。
發明內容
本發明提供一種不改變現有的掃描探針顯微鏡本身的結構和控制原理，即能優化掃描驅動系統的壓電掃描管的X-Y二維平面掃描驅動系統，實現快軸和慢軸的靈活切換，使測試者在不須改變樣品的夾持狀態就能實現對樣品的多方向掃描。
本發明是通過下述方案實現的一種掃描探針顯微鏡壓電掃描管的X-Y二維平面掃描驅動系統，包括四分電極式壓電掃描管、起始點定位模塊、高壓放大模塊、高壓直流電源，其特徵在於，還包括控制器、驅動信號發生模塊、快軸、慢軸切換模塊，驅動信號發生模塊用以根據控制器輸出的快軸數位訊號和慢軸數位訊號生成快軸信號和慢軸信號，快軸、慢軸切換模塊的輸入端接入所述的快軸信號和慢軸信號，在控制器的控制下可選擇地切換輸出X軸驅動信號和Y軸驅動信號，由快軸、慢軸切換模塊選通的X軸驅動信號和Y軸驅動信號分別經過所述的高壓放大模塊的放大後加載在壓電掃描管相應的X軸或Y軸上。
最為進一步的實施方案，上述平面掃描驅動系統技術方案中，驅動信號發生模塊包括正弦信號發生電路和第一數字/模擬轉換通道和第二數字/模擬轉換通道，正弦信號發生電路包括正弦信號發生器以及與其相連的賦值調節模塊，控制器控制正弦信號發生器產生正弦信號，該正弦信號經過幅值調節模塊的調節後輸出，第一數字/模擬轉換器將控制器發送的鋸齒波數位訊號轉換成鋸齒波信號，由控制器選擇經過幅值調節的正弦信號和鋸齒波信號中的一種作為快軸信號，第二數字/模擬轉換通道將控制器發送的慢軸數位訊號轉換成慢軸信號。
正弦信號發生器可以為ML2035，幅值調節模塊可以是包括放大器和能夠在控制器控制下調節放大倍數的數字電位器MAX5484的電路。快軸、慢軸切換模塊可以由多路選擇開關MAX4053構成。
與現有技術相比，本發明具有如下的顯著優點(1)採用由多路選擇器件構成的快軸、慢軸切換模塊，實現快軸和慢軸靈活切換，不局限於傳統驅動的快、慢軸固定的事實，從而使測試者在不須改變樣品的夾持狀態就能實現對樣品的多方向掃描。
(2)能夠提供兩種可供選擇的驅動壓電掃描管快軸的驅動信號，與傳統的鋸齒波或者三角波快軸驅動信號相比，採用正弦波信號可使掃描探針的移動更為平滑。
(3)能夠較大範圍的調節掃描頻率、定位掃描起始點和掃描範圍。對掃描起始點控制、掃描範圍大小的選擇以及掃描驅動信號的頻率控制也都是由主控CPU系統與相關部件聯合實現。可以在±175V範圍內選擇X-和Y-向的起始點定位，並根據所選的起始點在±175V內選擇合適的掃描區域大小。
(4)提出了一種在正弦信號作為快軸掃描驅動時的驅動信號與x-y二維平面內柵格對應關係的算法。
圖1是壓電掃描管結構示意圖；圖2本發明掃描探針顯微鏡壓電掃描管X-Y二維平面掃描驅動系統結構框圖；圖3是本發明的正弦信號發生電路原理圖；圖4是本發明的幅值調節模塊電路原理圖；圖5是本發明的掃描探針顯微鏡壓電掃描管X-Y二維平面掃描驅動系統的快軸、慢軸切換模塊電路原理圖；圖6是本發明驅動信號與掃描位置的的關係說明圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳述。
掃描探針顯微鏡的主體包括針尖(或樣品)的平面掃描機構、樣品與針尖間距控制調節機構、系統與外界振動等的隔離裝置。比較常用的掃描機構(x，y，z三維細調)是壓電陶瓷掃描管或壓電陶瓷杆組成的三維互相垂直的位移器。參見圖1，壓電陶瓷掃描管的結構和運行原理如下取一沿徑向極化的壓電陶瓷管，將其外電極沿軸向等分為四份，在其相對的兩對電極上分別施加數值相等、極性相反的電壓。若內電極接地，則當右邊四分之一管壁由於電場作用沿軸向伸長時，則左邊四分之一由於電場方向相反而沿軸向方向收縮。由於壓電陶瓷管本身是一整體，所以就像雙金屬片受熱發生彎曲一樣，壓電陶瓷管的中心軸線產生向左的偏移；外加電壓極性相反時，則向右偏移。當施加電壓為鋸齒波時則中心點沿x方向掃描，在另外一對電極上施加電壓可令它產生沿y方向的掃描運動。在陶瓷管內壁施加可變電壓，則該壓電陶瓷管可產生沿軸線方向位移Δz，一般情況下掃描管的x，y，z三個方向的位移範圍可達微米量級，控制精度在xy平面上可達0.1nm，在z向可達0.001nm。
本發明的壓電掃描管X-Y向二維平面掃描驅動系統，針對上述的壓電掃描管的X-Y向二維平面掃描機構而設計。可作為掃描探針顯微鏡快速掃描系統的平面掃描驅動模塊。
掃描探針顯微鏡壓電掃描管X-Y二維平面掃描驅動系統結構框圖如圖2所示，各個功能模塊在同一個控制器的統一控制下實現整個系統的完整功能。為了能夠實現高速掃描，本發明採用的控制器是DSP。先根據測試需求確定要掃描的區域，然後選擇合適的快軸掃描驅動信號和所需的掃描範圍。測試完成後，如需要進一步對選定區域進行測試可以選擇更改快慢軸掃描通道。
驅動信號發生模塊主要包括控制器DSP、正弦信號發生器和數字/模擬轉換器，驅動信號發生模塊可以產生三種信號，作為快軸信號的正弦信號和鋸齒波信號，作為慢軸信號的階梯波信號。正弦信號發生電路如圖3所示，是由DSP控制的Micro Linear公司生產的ML2035實現，具體方式是通過SPI協議實現DSP與正弦信號發生器ML2035的主從控制，由DSP選通ML2035、給信號發生晶片提供參考時鐘輸入、控制發生信號的頻率。鋸齒波信號和階梯波信號是由DSP實時的給數字模擬轉換器(DAC晶片)發送一定的數值實現的。兩個信號分別佔用一個數字/模擬轉換通道。由主控DSP選通產生正弦波信號還是產生鋸齒波信號作為掃描探針顯微鏡壓電掃描管的快軸驅動信號；慢軸驅動信號類似於傳統的階梯波驅動信號，掃描範圍在±175V內。
幅值調節模塊如圖4所示，這裡只涉及正弦信號的幅值調節，因為鋸齒波信號可以通過DSP發送的數位訊號控制不涉及專門電路。ML2035產生的正弦信號幅值為恆定的±2.5V，所以需要對其幅值進行調控實現正弦信號為快軸掃描信號時的掃描範圍的調節。本系統採用美信公司生產的數字電位器MAX5484實現這一功能。具體實現方法為將數字電位器MAX5484設定為信號放大電路的一個可變的電阻。該電位器為1024抽頭的數字可控電位器，可以實現對正弦信號幅值在0到±2.5V的幅值調節。此處DSP對MAX5484的也是通過SPI協議實現。
快軸和慢軸切換模塊如圖5示，同樣也受控於控制器，需要信號切換時由控制器控制通道選擇不同的信號送往壓電掃描管的X-和Y-，這種切換功能能讓測試者在不須改變樣品的夾持狀態就能實現對樣品的多方向掃描。本發明中快軸、慢軸驅動信號切換選擇是通過DSP對美信公司生產的一個多路選擇開關MAX4053的選通控制實現的。MAX4053有三路選擇開關A、B、C，每路開關都可以實現NO或者NC端與相應的COM端閉合。此處只選用MAX4053的A和B兩路開關，如圖5示。將快軸驅動信號分別加至NOA和NCB，將慢軸驅動信號加至NCA和NOB，然後通過DSP對MAX4053的控制實現兩個輸出端COMA和COMB與相應的NO端或者NC端閉合，也就實現了兩個輸出端輸出的是快軸信號或者慢軸信號的信號切換。
在實際樣品測量中，需要對特定區域進行重點掃描時就可以使用起始點定位模塊將掃描管定位在要測定的區域，這樣可以節省掃描時間，根據測試者選定的掃描起始點控制器發出一定的X-和Y-向定位值並將這兩個定位信號保持到掃描結束為止。掃描範圍通過控制快軸掃描信號幅值大小實現。具體方式是根據需要的定位，DSP發送一定的數位訊號給數字模擬轉換器(DAC晶片)，發送的具體值分別經數字模擬轉換器轉換後的兩路輸出端輸出並保持，這樣就實現了該系統對掃描管在X-Y平面內的起始點定位。用同樣的方法實現DSP對慢軸方向的掃描範圍控制。
另外，本發明還涉及一套適合本系統的高壓放大模塊和電源系統，這兩部分保證了系統功能的實現。其中，高壓放大模塊採用APEX公司生產的高壓放大晶片PA78實現，電源系統是為高壓放大模塊設計的直流電源，採用LM723和矽橋等實現由市電到直流電的變換，並為高壓放大模塊提供電源。
圖6為實際掃描範圍、快軸驅動和慢軸驅動(這裡設定X-向為快軸)電壓與時間的關係說明圖。圖6(a)所示，虛線所示為系統的在xy平面內的掃描範圍，實線為實際掃描範圍為2A×2B，圖6(b)、圖6(c)分別為掃描該範圍的X-和Y-向的驅動電壓與時間的關係圖。該掃描範圍的中心點對應的三維電壓坐標為(Xd，Yd，Zd)，Xd，Yd是掃描時壓電管在xy面內的起始點定位電壓，Zd為起始點位置對應的Z-向電壓。
設快軸方向的掃描周期為T，Z向在該周期內的掃描次數為n，i為在快軸一個掃描周期內的Z向掃描的第i個點。則由正弦函數一般式f＝Asin(ωt+)可得圖6(b)快軸第j個掃描周期中任意一點Xi在快軸方向的坐標為如下式所示 (公式1)又=2T,]]>得 (公式2)其中，ω0為起始點相位。
由圖6(c)可得第j個快軸掃描周期對應的慢軸電壓為Y＝Yd+B-ΔY×j(公式3)則可得在掃描範圍內的任意一點對應的電壓坐標關係為 由此可以得到從掃描起始點到任意掃描點的坐標矩陣如下
(Asin0+Xd，Yd+B，Z0，0) ......
......
(Asin[2π+0]+Xd，Yd+B，Zn，0)......
......
(Asin0+Xd，Yd+B-ΔY，Z0，1) ......
......
(Asin[2π+ω0]+Xd，Yd+B-ΔY，Zn，1)......
......
(Asin0+Xd，Yd+B-ΔY×j，Z0，j) ......
......
(Asin[2π+0]+Xd，Yd+B-ΔY×j，Zn，j)
......
......
其中，i＝0，1，2……，n；j＝0，1，2……本實施例的快軸和慢軸驅動信號接入掃描探針顯微鏡掃描管驅動信號通道後即可對掃描探針顯微鏡實現二維掃描驅動。可以進行相關的研究和實驗，提高了掃描探針顯微鏡系統的靈活性和模塊化。
權利要求
1.一種掃描探針顯微鏡壓電掃描管的X-Y二維平面掃描驅動系統，包括四分電極式壓電掃描管、起始點定位模塊、高壓放大模塊、高壓直流電源，其特徵在於，還包括控制器、驅動信號發生模塊、快軸、慢軸切換模塊，驅動信號發生模塊用以根據控制器輸出的快軸數位訊號和慢軸數位訊號生成快軸信號和慢軸信號，快軸、慢軸切換模塊的輸入端接入所述的快軸信號和慢軸信號，在控制器的控制下可選擇地切換輸出X軸驅動信號和Y軸驅動信號，由快軸、慢軸切換模塊選通的X軸驅動信號和Y軸驅動信號分別經過所述的高壓放大模塊的放大後加載在壓電掃描管相應的X軸或Y軸上。
2.根據權利要求1所述的掃描探針顯微鏡壓電掃描管的X-Y二維平面掃描驅動系統，其特徵在於，所述驅動信號發生模塊包括正弦信號發生電路和第一數字/模擬轉換通道和第二數字/模擬轉換通道，正弦信號發生電路包括正弦信號發生器以及與其相連的賦值調節模塊，控制器控制正弦信號發生器產生正弦信號，該正弦信號經過幅值調節模塊的調節後輸出，第一數字/模擬轉換器將控制器發送的鋸齒波數位訊號轉換成鋸齒波信號，由控制器選擇經過幅值調節的正弦信號和鋸齒波信號中的一種作為快軸信號，第二數字/模擬轉換通道將控制器發送的慢軸數位訊號轉換成慢軸信號。
3.權利要求2所述的掃描探針顯微鏡壓電掃描管的X-Y二維平面掃描驅動系統，其特徵在於，所述正弦信號發生器為ML2035，幅值調節模塊包括放大器和能夠在控制器控制下調節放大倍數的數字電位器MAX5484。
4.根據權利要求1至3任意一項所述的掃描探針顯微鏡壓電掃描管的X-Y二維平面掃描驅動系統，其特徵在於，所述快軸、慢軸切換模塊由多路選擇開關MAX4053構成。
全文摘要
本發明涉及掃描探針顯微鏡壓電掃描管的X－Y二維平面掃描驅動系統，該系統包括驅動掃描探針顯微鏡快軸方向的驅動信號(可選擇的鋸齒波驅動信號和正弦波驅動信號)、驅動慢軸的階梯波信號，其中快軸和慢軸的驅動信號可以實現輸出通道交換，即在實際驅動掃描管時交換快軸和慢軸。該系統還可以實現在最大掃描範圍內的X－Y二維平面內任意定位掃面中心，並對選定區域進行掃描。本發明提供的掃描探針顯微鏡壓電掃描管驅動系統用於研究掃描探針顯微鏡快速掃描的方法，也可作為掃描探針顯微鏡快速掃描系統的平面掃描驅動模塊。該系統具有掃描速度快、適用性強等特點。
文檔編號G12B21/00GK101083152SQ20071005752
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月1日 優先權日2007年6月1日
發明者李豔寧, 史曉傑, 郭彤, 傅星, 胡小唐 申請人:天津大學