【摘要】：本論文研究的是掃描探針顯微鏡中的高速致動器。掃描探針顯微鏡是一類重要科學(xué)儀器,在物理、生物、化學(xué)、材料等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而,掃描探針顯微鏡的工作原理是通過機械式掃描整個樣品來獲得圖像的,所以其成像速度受制于很多因素,包括懸臂梁的諧振頻率,光路檢測速率,數(shù)據(jù)采集與處理速度,掃描器件的帶寬等。目前主要的瓶頸在于掃描器件。 掃描器包含最基本的致動器單元,以及致動器支撐安裝結(jié)構(gòu)等。在高速掃描的過程中,一個令人頭疼的問題是高速致動器會產(chǎn)生很大的高頻慣性力,傳導(dǎo)給支撐結(jié)構(gòu),引起結(jié)構(gòu)的共振及其它不必要的振動,這些振動反過來會影響致動器本身的帶寬。如果未加處理,則最終的工作頻率將被致動器的安裝結(jié)構(gòu)的低頻模態(tài)所限制。 目前最廣泛的方法是使用對稱結(jié)構(gòu)(如雙致動器對稱結(jié)構(gòu))來抵消致動器所產(chǎn)生的慣性力,減小結(jié)構(gòu)的振動。然而結(jié)構(gòu)中殘留的不平衡質(zhì)量仍然需要進一步處理,傳統(tǒng)的方法是通過調(diào)節(jié)質(zhì)量來解決這個問題。實際應(yīng)用中,此方法非常不方便。 本文首先提出了一種補償慣性力的控制方法,在雙致動器對稱結(jié)構(gòu)中,通過調(diào)節(jié)對稱結(jié)構(gòu)中的兩個致動器之間的電壓關(guān)系,來補償不平衡的質(zhì)量所引起的額外的慣性力。實驗結(jié)果顯示,當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在不平衡質(zhì)量時,支撐體的振動仍然可以得到很好的抑制,振動抑制的效果可以與傳統(tǒng)的質(zhì)量調(diào)節(jié)方法相媲美。 提出了全新的非對稱的致動器結(jié)構(gòu),對支撐體幾乎沒有力的作用,可用于高速掃描探針顯微鏡。此非對稱致動器結(jié)構(gòu)中含有兩個致動器,一個用于高速致動,另一個用于振動補償。相比于傳統(tǒng)的對稱結(jié)構(gòu),在此結(jié)構(gòu)中,致動器安裝在支撐面的同一邊。實驗中,將非對稱致動器安裝于懸臂梁的端部來檢驗此結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果顯示,在測試的90Hz-10kHz頻率范圍內(nèi),非對稱致動器結(jié)構(gòu)成功抑制了懸臂梁幾乎所有的振動模態(tài)。 設(shè)計了二級驅(qū)動型壓電堆致動器。它分為三部分：高速致動部分、振動隔離器以及低速大行程致動部分。提出的二級驅(qū)動型壓電堆致動器是由普通的壓電堆改造而成,外觀如同單個壓電堆一樣。原來的壓電堆一階共振頻率在40kHz,頻響的1分貝截止頻率只有12kHz,行程為16微米。而改造而成的二級驅(qū)動型壓電堆頻響的1分貝截止頻率達到了85kHz,行程為1.2-12.8微米。設(shè)計中最重要的一點是采用了振動隔離器來避免高速級與低速級之間的振動耦合。 討論了致動器的材料問題。首先分析了壓電陶瓷材料的非線性對慣性力平衡的影響,提出可用電荷驅(qū)動的方法替代電壓驅(qū)動來使壓電材料更加線性化。初步討論了利用1-3壓電復(fù)合材料制作掃描探針顯微鏡高頻致動器的可能性。當(dāng)?shù)撞渴`的情況下,常規(guī)的壓電材料橫向無法自由收縮,會產(chǎn)生橫向的應(yīng)力,進而導(dǎo)致行程減小,并引起粘結(jié)面的各種振動模態(tài),這個問題在厚度薄而橫向尺寸大的高速致動器上更顯突出。而1-3復(fù)合材料沒有這個問題,因為1-3復(fù)合材料在伸長時,橫向收縮極小。因此1-3復(fù)合材料有望作為高頻致動器良好的材料。
【圖文】：

圖1.3利用SPM對材料進行加工（左）[6]和原子級操縱（右）[5].2.2掃描探針顯微鏡的工作原理_卜[if以下作在等力模式（constant force mode)的AFM為例，簡序-介紹其工作原理，rt?它類型的SPM丨：作原理大同小異。如同人叫手指撫摸物體表面可以得到物體的形貌特征，AFM的基本原理也其類似，只不過用極小的探針代替了手，用精密的致動器代替了手臂來產(chǎn)生橫振動。SPM的主要部件如圖1.4所示。XY致動器帶著樣品橫向移動，一般情況下，為三角波，Y為線性的電壓，如圖1.5，這樣可以保證掃略過整個樣品表面。品的表面是起伏不定的，由Z致動器調(diào)節(jié)探針與樣品之間的距離，使之保持恒定，這樣，Z致動器的調(diào)節(jié)量就反映了樣品表面某個點的高度信息。將X、Y、三個致動器的信息結(jié)合起來，就可以得到整個樣品表面的形貌。為了使探針與品之間的距離保持恒定，這里采用了反饋控制。將探針靠近樣品到一定距離，針與樣品之間就產(chǎn)生一定的排斥力，，這個力使探針?biāo)诘膽冶哿寒a(chǎn)生一定的彎

束激光打到懸臂梁并反射到PSD上，可以跟據(jù)PSD的電壓知度。將PSD的電壓反饋到Z致動器，就組成丫閉環(huán)控制，最的距離保持恒定。為了得到更精細的圖像，可以根據(jù)實際條件，數(shù)及采樣的頻率，比如，X掃100行，每行采100個點，那么*100像素的圖像。同樣掃描范圍的情況下，像素越多，圖像就
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH742

【共引文獻】

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本文編號：2574566