一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器固定于底座上并且該壓電掃描器的振動平面與壓電單晶片式慣性壓電馬達的行走方向垂直，壓電片和非壓電材料支撐體設(shè)置于基座和導(dǎo)軌之間，壓電片的一端通過膠體垂直固定于基座上，壓電片的另一端通過膠體固定有導(dǎo)軌，該壓電片為厚度方向或徑向極化的壓電片，導(dǎo)軌的凹槽方向與壓電片的極化方向一致，滑動質(zhì)量塊滑配于導(dǎo)軌上，探針和樣品分別固定于壓電掃描器和滑動質(zhì)量塊上或者探針和樣品分別固定于滑動質(zhì)量塊和壓電掃描器上，該探針的針尖指向樣品。本實用新型成本很低、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單且多樣、制作工藝簡便、安全性高且可在低壓情況下使用。
【專利說明】
一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于掃描探針顯微鏡鏡體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，壓電管在高精度控制領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，可以同時實現(xiàn)三維的高精度控制，因此在掃描探針顯微鏡鏡體中有廣泛的應(yīng)用，但是壓電管的操作程序復(fù)雜且成本較高；由于壓電管的半封閉式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部電極不便于連接；用于高真空環(huán)境下時，不利于抽真空。因此，增加了掃描探針顯微鏡的制作成本和操作難度，不利于掃描探針顯微鏡的普及及應(yīng)用，制約了納米科技的發(fā)展。在項目批準(zhǔn)號為:11304082的國家自然科學(xué)基金“超快速掃描隧道顯微鏡的改進與應(yīng)用”的支持下，本專利提出了一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型解決的技術(shù)問題是提供了一種成本很低、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單且多樣、制作工藝簡便、安全性高且可在低壓情況下使用的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體。
[0004]本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于包括底座、壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器，其中壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器固定于底座上并且該壓電掃描器的振動平面與壓電單晶片式慣性壓電馬達的行走方向垂直，壓電單晶片式慣性壓電馬達由基座、壓電片、非壓電材料支撐體和導(dǎo)軌構(gòu)成，其中壓電片和非壓電材料支撐體設(shè)置于基座和導(dǎo)軌之間，壓電片的一端通過膠體垂直固定于基座上，壓電片的另一端通過膠體固定有導(dǎo)軌，該壓電片為厚度方向或徑向極化的壓電片，導(dǎo)軌的凹槽方向與壓電片的極化方向一致，滑動質(zhì)量塊滑配于導(dǎo)軌上，探針和樣品分別固定于壓電掃描器和滑動質(zhì)量塊上或者探針和樣品分別固定于滑動質(zhì)量塊和壓電掃描器上，該探針的針尖指向樣品。
[0005]進一步優(yōu)選，所述非壓電材料支撐體通過膠體固定于基座與導(dǎo)軌之間或者非壓電材料支撐體與基座和導(dǎo)軌一體成型或者非壓電材料支撐體一端與導(dǎo)軌通過膠體連接，另一端與基座一體成型或者非壓電材料支撐體一端與基座通過膠體連接，另一端與導(dǎo)軌一體成型。
[0006]進一步優(yōu)選，所述壓電片與基座和導(dǎo)軌的接觸部位分別設(shè)有未涂電極部位。
[0007]本發(fā)明所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于包括底座、壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器，其中壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器固定于底座上并且該壓電掃描器的振動平面與壓電單晶片式慣性壓電馬達的行走方向垂直，壓電單晶片式慣性壓電馬達由基座、壓電單晶片和導(dǎo)軌構(gòu)成，壓電單晶片由兩個平行設(shè)置的底片及設(shè)置于兩底片之間的壓電片和非壓電材料支撐體構(gòu)成，壓電片通過膠體垂直固定于兩底片之間，該壓電片為厚度方向或徑向極化的壓電片，壓電單晶片一端的底片固定于基座上，壓電單晶片另一端的底片上固定有導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌的凹槽方向與壓電片的極化方向一致，滑動質(zhì)量塊滑配于導(dǎo)軌上，探針和樣品分別固定于壓電掃描器和滑動質(zhì)量塊上或者探針和樣品分別固定于滑動質(zhì)量塊和壓電掃描器上，該探針的針尖指向樣品。
[0008]進一步優(yōu)選，所述底片的材質(zhì)為藍寶石、鎢、鈦、不銹鋼、玻璃或鋁鎂合金，非壓電材料支撐體通過膠體固定于兩底片之間或者非壓電材料支撐體與兩底片一體成型或者非壓電材料支撐體的一端與底片通過膠體連接，另一端與另一底片一體成型。
[0009]進一步優(yōu)選，所述壓電片與兩底片的接觸部位分別設(shè)有未涂電極部位。
[0010]進一步優(yōu)選，所述基座和導(dǎo)軌的材質(zhì)均為藍寶石、鎢、鈦、陶瓷或不銹鋼，所述非壓電材料支撐體的材質(zhì)為金屬、陶瓷、玻璃或藍寶石，膠體為環(huán)氧樹脂膠、丙烯酸酯膠、氰基丙烯酸乙酯膠或氯丁橡膠，所述壓電馬達的驅(qū)動信號為不對稱的周期性鋸齒波信號。
[0011]進一步優(yōu)選，所述壓電掃描器為壓電單晶片掃描器，包括兩個平行設(shè)置的底片及設(shè)置于兩底片之間的壓電片和非壓電材料支撐體，其中壓電片通過膠體垂直固定于兩底片之間，該壓電片為厚度方向或徑向極化的壓電片。
[0012]進一步優(yōu)選，所述壓電掃描器為壓電雙晶片掃描器，包括兩個平行設(shè)置的底片及設(shè)置于兩底片之間的兩個壓電片，其中兩個壓電片通過膠體垂直固定于兩底片之間，兩個壓電片相互平行設(shè)置并且該兩個壓電片均為厚度方向或徑向極化的壓電片。
[0013]進一步優(yōu)選，所述壓電掃描器為石英音叉掃描器。
[0014]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:(I)用一個或兩個壓電片替換了現(xiàn)有掃描探針顯微鏡鏡體必須要用到的多個壓電片或價格昂貴的壓電管，將現(xiàn)在至少數(shù)千元的掃描探針顯微鏡鏡體的成本，降到了不足百元，甚至不足50元，極大的降低了掃描探針顯微鏡鏡體的制作成本；(2)在低電壓的情況下使用，可在小于1V的低電壓的情況下實現(xiàn)以往必須使用高電壓才能實現(xiàn)的功能，一定程度上降低了能耗，提高了操作的安全性；(3)結(jié)構(gòu)簡單，便于內(nèi)部電極的連接，而且用于高真空環(huán)境下時，便于抽真空；(4)結(jié)構(gòu)多樣，可采用不同結(jié)構(gòu)的壓電單晶片和壓電雙晶片與壓電單晶片混用的方法制作出不同結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，以滿足特定的需要?？傊?，本實用新型的掃描探針顯微鏡鏡體成本很低，性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單且多樣，制作工藝簡便，安全性高，具有極大的市場推廣價值，有利于掃描探針顯微鏡鏡體的普及，推動納米科技的發(fā)展。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型實施例1中壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體的主視圖；
[0016]圖2是本實用新型實施例1中壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體的俯視圖；
[0017]圖3是本實用新型實施例3中壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體的主視圖；
[0018]圖4是本實用新型實施例3中壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體的俯視圖。
[0019]圖中:1、底座，2、壓電單晶片式慣性壓電馬達，3、探針，4、樣品，5、藍寶石片，6、滑動質(zhì)量塊，7、壓電單晶片掃描器，8、石英音叉掃描器。
【具體實施方式】
[0020]結(jié)合附圖詳細描述本實用新型的具體內(nèi)容。
[0021 ]實施例1壓電單晶片式馬達與壓電單晶片掃描器型掃描探針顯微鏡鏡體
[0022]壓電單晶片式慣性壓電馬達2與壓電單晶片掃描器7固定于底座I上制作的掃描探針顯微鏡鏡體，滑動質(zhì)量塊6位于壓電單晶片式慣性壓電馬達2的導(dǎo)軌上，樣品4通過藍寶石片5粘接在滑動質(zhì)量塊6上，探針3通過藍寶石片5粘接在壓電單晶片掃描器7上。進而，當(dāng)給壓電馬達施加鋸齒波狀的慣性力驅(qū)動信號時，就可以具有馬達的功能，以mm級的較大幅度調(diào)節(jié)探針與樣品的間距。
[0023]走到探針與樣品的作用區(qū)后，(I)在壓電馬達的壓電片上施加常量式的控制電壓，使壓電單晶片發(fā)生靠近或遠離壓電掃描器的彎曲形變，即實現(xiàn)Pm級精度的探針與樣品間距微調(diào)的目的；(2)微調(diào)好以后，在壓電馬達的壓電片上施加周期性的、無慣性力的低壓的控制信號，就可以實現(xiàn)在豎直方向上對樣品的周期性驅(qū)動、進而周期性地掃描樣品的表面；
(3)在與壓電馬達的壓電片垂直安裝的壓電單晶片掃描器上，施加周期性的、無慣性力的低壓的控制信號，那么該壓電片將進行橫向的偏擺，實現(xiàn)橫向掃描的功能。
[0024]由于掃描的范圍僅在nm級別，所以掃描引起的探針與樣品間的不足pm級的間距調(diào)整，不影響掃描探針顯微鏡的成像測試。這一點可以從文獻REVIEW OF SCIENTIFICINSTRUMENTS 79，113707 (2008)中推理出來。
[0025]該結(jié)構(gòu)的好處是，如果在壓電單晶片掃描器上設(shè)置與壓電單晶片式馬達一樣原理的導(dǎo)軌，并施加一樣原理的壓電馬達驅(qū)動信號，那么該壓電單晶片掃描器除了在橫向的掃描外，還可以實現(xiàn)在橫向上對樣品搜索的功能，這種功能是很多現(xiàn)有的商業(yè)的掃描探針顯微鏡所不具有的。
[0026]實施例2壓電單晶片式馬達與壓電雙晶片掃描器型掃描探針顯微鏡鏡體
[0027]壓電單晶片式慣性壓電馬達2與壓電雙晶片掃描器固定于底座I上制作的掃描探針顯微鏡鏡體，實施例1中，將壓電單晶片掃描器7換為壓電雙晶片掃描器，可以實現(xiàn)更大幅度的橫向掃描以及更大幅度的橫向搜索能力。
[0028]實施例3壓電單晶片式馬達與石英音叉掃描器型掃描探針顯微鏡鏡體
[0029]壓電單晶片式慣性壓電馬達2與石英音叉式掃描器8固定于底座I上制作的掃描探針顯微鏡鏡體，實施例1和2中，將壓電單晶片掃描器7或壓電雙晶片掃描器換為石英音叉式掃描器8。由于石英音叉是單晶S12材質(zhì)制作而成的，比多晶的壓電陶瓷材質(zhì)的掃描器具有更高的溫度穩(wěn)定性、更小的遲滯、更小的蠕變、更高的控制精度、更低的能耗、更高的共振頻率和更低的成本，因此可以獲得比壓電單晶片和壓電雙晶片掃描器更高的成像精度、更低的能耗、更快速的掃描和更低的成本等。
[0030]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理，主要特征和優(yōu)點，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于包括底座、壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器，其中壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器固定于底座上并且該壓電掃描器的振動平面與壓電單晶片式慣性壓電馬達的行走方向垂直，壓電單晶片式慣性壓電馬達由基座、壓電片、非壓電材料支撐體和導(dǎo)軌構(gòu)成，其中壓電片和非壓電材料支撐體設(shè)置于基座和導(dǎo)軌之間，壓電片的一端通過膠體垂直固定于基座上，壓電片的另一端通過膠體固定有導(dǎo)軌，該壓電片為厚度方向或徑向極化的壓電片，導(dǎo)軌的凹槽方向與壓電片的極化方向一致，滑動質(zhì)量塊滑配于導(dǎo)軌上，探針和樣品分別固定于壓電掃描器和滑動質(zhì)量塊上或者探針和樣品分別固定于滑動質(zhì)量塊和壓電掃描器上，該探針的針尖指向樣品。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述非壓電材料支撐體通過膠體固定于基座與導(dǎo)軌之間或者非壓電材料支撐體與基座和導(dǎo)軌一體成型或者非壓電材料支撐體一端與導(dǎo)軌通過膠體連接，另一端與基座一體成型或者非壓電材料支撐體一端與基座通過膠體連接，另一端與導(dǎo)軌一體成型。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述壓電片與基座和導(dǎo)軌的接觸部位分別設(shè)有未涂電極部位。4.一種壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于包括底座、壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器，其中壓電單晶片式慣性壓電馬達和壓電掃描器固定于底座上并且該壓電掃描器的振動平面與壓電單晶片式慣性壓電馬達的行走方向垂直，壓電單晶片式慣性壓電馬達由基座、壓電單晶片和導(dǎo)軌構(gòu)成，壓電單晶片由兩個平行設(shè)置的底片及設(shè)置于兩底片之間的壓電片和非壓電材料支撐體構(gòu)成，壓電片通過膠體垂直固定于兩底片之間，該壓電片為厚度方向或徑向極化的壓電片，壓電單晶片一端的底片固定于基座上，壓電單晶片另一端的底片上固定有導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌的凹槽方向與壓電片的極化方向一致，滑動質(zhì)量塊滑配于導(dǎo)軌上，探針和樣品分別固定于壓電掃描器和滑動質(zhì)量塊上或者探針和樣品分別固定于滑動質(zhì)量塊和壓電掃描器上，該探針的針尖指向樣品。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述底片的材質(zhì)為藍寶石、鎢、鈦、不銹鋼、玻璃或鋁鎂合金，非壓電材料支撐體通過膠體固定于兩底片之間或者非壓電材料支撐體與兩底片一體成型或者非壓電材料支撐體的一端與底片通過膠體連接，另一端與另一底片一體成型。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述壓電片與兩底片的接觸部位分別設(shè)有未涂電極部位。7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述基座和導(dǎo)軌的材質(zhì)均為藍寶石、鎢、鈦、陶瓷或不銹鋼，非壓電材料支撐體的材質(zhì)為金屬、陶瓷、玻璃或藍寶石，膠體為環(huán)氧樹脂膠、丙烯酸酯膠、α-氰基丙烯酸乙酯膠或氯丁橡膠，壓電馬達的驅(qū)動信號為不對稱的周期性鋸齒波信號。8.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述壓電掃描器為壓電單晶片掃描器，包括兩個平行設(shè)置的底片及設(shè)置于兩底片之間的壓電片和非壓電材料支撐體，其中壓電片通過膠體垂直固定于兩底片之間，該壓電片為厚度方向或徑向極化的壓電片。9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述壓電掃描器為壓電雙晶片掃描器，包括兩個平行設(shè)置的底片及設(shè)置于兩底片之間的兩個壓電片，其中兩個壓電片通過膠體垂直固定于兩底片之間，兩個壓電片相互平行設(shè)置并且該兩個壓電片均為厚度方向或徑向極化的壓電片。10.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的壓電單晶片式馬達制作的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征在于:所述壓電掃描器為石英音叉掃描器。
【文檔編號】G01Q10/04GK205450028SQ201620210523
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】崔明煥, 李全鋒, 孫涵, 付士林, 趙雯
【申請人】河南師范大學(xué)