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壓電掃描管掃描器在AFM原子力顯微鏡中的應用

更新時間: 2018-05-17

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)點被廣泛應用于微觀領(lǐng)域的觀測與操作,AFM等微納米級測量儀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檢測系統(tǒng)、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)三個部分組成,使用微小懸臂來感測針尖與樣品之間的交互作用,這種作用力會使得懸臂梁擺動,再利用激光將光照射在微懸臂梁的末端,當擺動形成時,會使反射光的位置改變而產(chǎn)生偏移量,此時激光檢測器會記錄此偏移量,也會把此時的信號給反饋系統(tǒng),以利于系統(tǒng)做適當?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)做微小運動,樣品到針尖的距離會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出微懸臂梁的反向形變程度,相應調(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,實現(xiàn)X-Y-Z空間三個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)指標直接影響到整個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)進行分割,可以實現(xiàn)XYZ三維運動。也可以根據(jù)客戶的要求定制進行多區(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)部為一個電極,外部四個,當對外部的某一個區(qū)域加載正電壓,該區(qū)域軸向收縮,相對另一側(cè)加載負電壓,該區(qū)域伸長,壓電陶瓷管會產(chǎn)生一個平移運動。當外部四個分區(qū)全部加載正電壓,壓電陶瓷管軸向收縮,當內(nèi)部加載滿幅值負電壓,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算得出:

 

產(chǎn)品實例

我們?yōu)橛脩籼峁┑牟煌叽绲膲弘娞沾晒軖呙杵鳎瑵M足不同應用需求。

 

 

驅(qū)動控制方式

XY軸掃描運動:需要四通道分別對四個區(qū)域進行雙極性驅(qū)動。

Z軸掃描運動:需要對外部四個區(qū)域加載正電壓,內(nèi)部接地或者內(nèi)部加負電壓(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,可以滿足AFM原子力顯微鏡對壓電陶瓷管掃描器高速、高分辨率的應用需求。

 

?

 

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

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

 

 

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