壓電掃描管掃描器在AFM原子力顯微鏡中的應(yīng)用
背景
隨著納米科技的不斷發(fā)展，原子力顯微鏡由于其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于微觀領(lǐng)域的觀測(cè)與操作，AFM等微納米級(jí)測(cè)量?jī)x器已成為微納米研究工作者重要的科研工具。原子力顯微鏡的掃描精度在很大程度上取決于內(nèi)部壓電陶瓷管掃描器的性能以及壓電控制器的控制精度。
AFM原子力顯微鏡
AFM原子力顯微鏡原理
AFM原子力顯微鏡是由力學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)三個(gè)部分組成，使用微小懸臂來感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，這種作用力會(huì)使得懸臂梁擺動(dòng)，再利用激光將光照射在微懸臂梁的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而產(chǎn)生偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，zui后再將樣品的表面特性以影像的方式呈現(xiàn)出來。
AFM原理圖
壓電陶瓷管掃描器的作用
壓電陶瓷管掃描器載著樣品在X-Y平面內(nèi)做微小運(yùn)動(dòng)，樣品到針尖的距離會(huì)隨著樣品表面形貌的變化而變化，該距離的變化將改變樣品和針尖之間的原子力，原子力的變化會(huì)使得懸臂梁產(chǎn)生法相形變。
通過激光反射路徑的變化檢測(cè)出微懸臂梁的反向形變程度，相應(yīng)調(diào)整Z向壓電陶瓷保證樣品和針尖的原子力保持恒定。
由此我們可以看出，實(shí)現(xiàn)X-Y-Z空間三個(gè)方向定位的壓電陶瓷管掃描器在工作過程中非常重要，他們的參數(shù)指標(biāo)直接影響到整個(gè)原子力顯微鏡的掃描成像精度。
壓電陶瓷管掃描器結(jié)構(gòu)
壓電陶瓷管掃描器為徑向極化電極分割的壓電陶瓷管，通常采用四分區(qū)進(jìn)行分割，可以實(shí)現(xiàn)XYZ三維運(yùn)動(dòng)。也可以根據(jù)客戶的要求定制進(jìn)行多區(qū)域分割。
四分區(qū)壓電陶瓷管工作原理：
壓電陶瓷管掃描器為徑向極化壓電陶瓷，內(nèi)部為一個(gè)電極，外部四個(gè)，當(dāng)對(duì)外部的某一個(gè)區(qū)域加載正電壓，該區(qū)域軸向收縮，相對(duì)另一側(cè)加載負(fù)電壓，該區(qū)域伸長(zhǎng)，壓電陶瓷管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外部四個(gè)分區(qū)全部加載正電壓，壓電陶瓷管軸向收縮，當(dāng)內(nèi)部加載滿幅值負(fù)電壓，壓電陶瓷管收縮到zui大位移。
壓電陶瓷尺寸、電極材料可選
芯明天可以提供多種尺寸結(jié)構(gòu)以及鎳或金等不同電極材料的壓電陶瓷管掃描器。
外徑 | 壁厚 | 高度 |
1.524mm 2.54mm 3.175mm 6.35mm 9.525mm | 0.254mm 0.3048mm 0.381mm 0.508mm 0.762mm | 3.175mm至 76.2mm |
掃描范圍如何計(jì)算
壓電陶瓷管掃描器XYZ軸單側(cè)掃描范圍可以通過以下公式計(jì)算得出：
產(chǎn)品實(shí)例
我們?yōu)橛脩籼峁┑牟煌叽绲膲弘娞沾晒軖呙杵鳎瑵M足不同應(yīng)用需求。
驅(qū)動(dòng)控制方式
XY軸掃描運(yùn)動(dòng)：需要四通道分別對(duì)四個(gè)區(qū)域進(jìn)行雙極性驅(qū)動(dòng)。
Z軸掃描運(yùn)動(dòng)：需要對(duì)外部四個(gè)區(qū)域加載正電壓，內(nèi)部接地或者內(nèi)部加負(fù)電壓（內(nèi)壁不可以加正電壓）。
我們推薦采用我公司模塊化E01系列雙極性壓電控制器產(chǎn)品，具有模塊化組合，多通道輸出，分辨率高、紋波小等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足AFM原子力顯微鏡對(duì)壓電陶瓷管掃描器高速、高分辨率的應(yīng)用需求。
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壓電材料
用戶可以根據(jù)需求選擇不同的壓電陶瓷材料，目前zui常用的壓電陶瓷管選用的是PZT-5H材料，具體參數(shù)見下表：
性能 | 符號(hào) | 參數(shù) | 單位 |
壓電常數(shù) | d33 | 585 | 10-12m/V |
d31 | -265 | 10-12m/V | |
g33 | 19.7 | 10-3Vm/N | |
g31 | -8.5 | 10-3Vm/N | |
機(jī)電耦合系數(shù) | Kp | 0.65 | NA |
K33 | 0.75 | NA | |
K31 | 0.39 | NA | |
彈性常數(shù) | SE33 | 20.0 | 10-12m2/N |
SE11 | 15.6 | 10-12m2/N | |
3400 | @1kHz | ||
居里溫度 | Tc | 195 | °C |
密度 | ρ | 7.5 | g/cm3 |
17051647888
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