扫描探针显微镜压电扫描管的X－Y二维平面扫描驱动系统

摘要

本发明涉及扫描探针显微镜压电扫描管的X－Y二维平面扫描驱动系统，该系统包括驱动扫描探针显微镜快轴方向的驱动信号(可选择的锯齿波驱动信号和正弦波驱动信号)、驱动慢轴的阶梯波信号，其中快轴和慢轴的驱动信号可以实现输出通道交换，即在实际驱动扫描管时交换快轴和慢轴。该系统还可以实现在最大扫描范围内的X－Y二维平面内任意定位扫面中心，并对选定区域进行扫描。本发明提供的扫描探针显微镜压电扫描管驱动系统用于研究扫描探针显微镜快速扫描的方法，也可作为扫描探针显微镜快速扫描系统的平面扫描驱动模块。该系统具有扫描速度快、适用性强等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜(SPM)技术领域，具体涉及一种压电扫描管的X-Y二维平面扫描驱动系统。本发明主要应用于研究SPM系列的快速扫描的方法，也可作为研制SPM快速扫描系统的平面扫描驱动模块。

背景技术

扫描探针显微镜问世以来，就提供了一种能在纳米尺度、分子水平上观察物质形貌的工具，而且能够测定极微弱的力，为研究分子之间的弱作用力提供了有力的帮助。目前，扫描探针显微镜已经被广泛的应用于化学、物理、生命科学等领域，并为这些领域的技术发展和科技革新提供了强大的支持。由于相关领域技术的发展，对扫描探针显微镜成像速度等性能也提出了更高的要求，因此研究扫描探针显微镜的高速扫描和成像速度成为行业能的一个专向课题。

目前，提高扫描探针显微镜成像速度的研究大体上都是从显微镜本身的结构和控制原理上入手。通过设计不同于传统扫描探针显微镜的部件来实现局部的性能调整或者采用特殊的控制理论来实现反馈部分的优化等。

发明内容

本发明提供一种不改变现有的扫描探针显微镜本身的结构和控制原理，即能优化扫描驱动系统的压电扫描管的X-Y二维平面扫描驱动系统，实现快轴和慢轴的灵活切换，使测试者在不须改变样品的夹持状态就能实现对样品的多方向扫描。

本发明是通过下述方案实现的：

一种扫描探针显微镜压电扫描管的X-Y二维平面扫描驱动系统，包括四分电极式压电扫描管、起始点定位模块、高压放大模块、高压直流电源，其特征在于，还包括控制器、驱动信号发生模块、快轴、慢轴切换模块，驱动信号发生模块用以根据控制器输出的快轴数字信号和慢轴数字信号生成快轴信号和慢轴信号，快轴、慢轴切换模块的输入端接入所述的快轴信号和慢轴信号，在控制器的控制下可选择地切换输出X轴驱动信号和Y轴驱动信号，由快轴、慢轴切换模块选通的X轴驱动信号和Y轴驱动信号分别经过所述的高压放大模块的放大后加载在压电扫描管相应的X轴或Y轴上。

最为进一步的实施方案，上述平面扫描驱动系统技术方案中，驱动信号发生模块包括正弦信号发生电路和第一数字/模拟转换通道和第二数字/模拟转换通道，正弦信号发生电路包括正弦信号发生器以及与其相连的赋值调节模块，控制器控制正弦信号发生器产生正弦信号，该正弦信号经过幅值调节模块的调节后输出，第一数字/模拟转换器将控制器发送的锯齿波数字信号转换成锯齿波信号，由控制器选择经过幅值调节的正弦信号和锯齿波信号中的一种作为快轴信号，第二数字/模拟转换通道将控制器发送的慢轴数字信号转换成慢轴信号。

正弦信号发生器可以为ML2035，幅值调节模块可以是包括放大器和能够在控制器控制下调节放大倍数的数字电位器MAX5484的电路。快轴、慢轴切换模块可以由多路选择开关MAX4053构成。

与现有技术相比，本发明具有如下的显著优点：

(1)采用由多路选择器件构成的快轴、慢轴切换模块，实现快轴和慢轴灵活切换，不局限于传统驱动的快、慢轴固定的事实，从而使测试者在不须改变样品的夹持状态就能实现对样品的多方向扫描。

(2)能够提供两种可供选择的驱动压电扫描管快轴的驱动信号，与传统的锯齿波或者三角波快轴驱动信号相比，采用正弦波信号可使扫描探针的移动更为平滑。

(3)能够较大范围的调节扫描频率、定位扫描起始点和扫描范围。对扫描起始点控制、扫描范围大小的选择以及扫描驱动信号的频率控制也都是由主控CPU系统与相关部件联合实现。可以在±175V范围内选择X-和Y-向的起始点定位，并根据所选的起始点在±175V内选择合适的扫描区域大小。

(4)提出了一种在正弦信号作为快轴扫描驱动时的驱动信号与x-y二维平面内栅格对应关系的算法。

附图说明

图1是压电扫描管结构示意图；

图2本发明扫描探针显微镜压电扫描管X-Y二维平面扫描驱动系统结构框图；

图3是本发明的正弦信号发生电路原理图；

图4是本发明的幅值调节模块电路原理图；

图5是本发明的扫描探针显微镜压电扫描管X-Y二维平面扫描驱动系统的快轴、慢轴切换模块电路原理图；

图6是本发明驱动信号与扫描位置的的关系说明图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

扫描探针显微镜的主体包括针尖(或样品)的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构、系统与外界振动等的隔离装置。比较常用的扫描机构(x，y，z三维细调)是压电陶瓷扫描管或压电陶瓷杆组成的三维互相垂直的位移器。参见图1，压电陶瓷扫描管的结构和运行原理如下：取一沿径向极化的压电陶瓷管，将其外电极沿轴向等分为四份，在其相对的两对电极上分别施加数值相等、极性相反的电压。若内电极接地，则当右边四分之一管壁由于电场作用沿轴向伸长时，则左边四分之一由于电场方向相反而沿轴向方向收缩。由于压电陶瓷管本身是一整体，所以就像双金属片受热发生弯曲一样，压电陶瓷管的中心轴线产生向左的偏移；外加电压极性相反时，则向右偏移。当施加电压为锯齿波时则中心点沿x方向扫描，在另外一对电极上施加电压可令它产生沿y方向的扫描运动。在陶瓷管内壁施加可变电压，则该压电陶瓷管可产生沿轴线方向位移Δz，一般情况下扫描管的x，y，z三个方向的位移范围可达微米量级，控制精度在xy平面上可达0.1nm，在z向可达0.001nm。

本发明的压电扫描管X-Y向二维平面扫描驱动系统，针对上述的压电扫描管的X-Y向二维平面扫描机构而设计。可作为扫描探针显微镜快速扫描系统的平面扫描驱动模块。

扫描探针显微镜压电扫描管X-Y二维平面扫描驱动系统结构框图如图2所示，各个功能模块在同一个控制器的统一控制下实现整个系统的完整功能。为了能够实现高速扫描，本发明采用的控制器是DSP。先根据测试需求确定要扫描的区域，然后选择合适的快轴扫描驱动信号和所需的扫描范围。测试完成后，如需要进一步对选定区域进行测试可以选择更改快慢轴扫描通道。

驱动信号发生模块主要包括控制器DSP、正弦信号发生器和数字/模拟转换器，驱动信号发生模块可以产生三种信号，作为快轴信号的正弦信号和锯齿波信号，作为慢轴信号的阶梯波信号。正弦信号发生电路如图3所示，是由DSP控制的Micro Linear公司生产的ML2035实现，具体方式是：通过SPI协议实现DSP与正弦信号发生器ML2035的主从控制，由DSP选通ML2035、给信号发生芯片提供参考时钟输入、控制发生信号的频率。锯齿波信号和阶梯波信号是由DSP实时的给数字模拟转换器(DAC芯片)发送一定的数值实现的。两个信号分别占用一个数字/模拟转换通道。由主控DSP选通产生正弦波信号还是产生锯齿波信号作为扫描探针显微镜压电扫描管的快轴驱动信号；慢轴驱动信号类似于传统的阶梯波驱动信号，扫描范围在±175V内。

幅值调节模块如图4所示，这里只涉及正弦信号的幅值调节，因为锯齿波信号可以通过DSP发送的数字信号控制不涉及专门电路。ML2035产生的正弦信号幅值为恒定的±2.5V，所以需要对其幅值进行调控实现正弦信号为快轴扫描信号时的扫描范围的调节。本系统采用美信公司生产的数字电位器MAX5484实现这一功能。具体实现方法为：将数字电位器MAX5484设定为信号放大电路的一个可变的电阻。该电位器为1024抽头的数字可控电位器，可以实现对正弦信号幅值在0到±2.5V的幅值调节。此处DSP对MAX5484的也是通过SPI协议实现。

快轴和慢轴切换模块如图5示，同样也受控于控制器，需要信号切换时由控制器控制通道选择不同的信号送往压电扫描管的X-和Y-，这种切换功能能让测试者在不须改变样品的夹持状态就能实现对样品的多方向扫描。本发明中快轴、慢轴驱动信号切换选择是通过DSP对美信公司生产的一个多路选择开关MAX4053的选通控制实现的。MAX4053有三路选择开关A、B、C，每路开关都可以实现NO或者NC端与相应的COM端闭合。此处只选用MAX4053的A和B两路开关，如图5示。将快轴驱动信号分别加至NOA和NCB，将慢轴驱动信号加至NCA和NOB，然后通过DSP对MAX4053的控制实现两个输出端COMA和COMB与相应的NO端或者NC端闭合，也就实现了两个输出端输出的是快轴信号或者慢轴信号的信号切换。

在实际样品测量中，需要对特定区域进行重点扫描时就可以使用起始点定位模块将扫描管定位在要测定的区域，这样可以节省扫描时间，根据测试者选定的扫描起始点控制器发出一定的X-和Y-向定位值并将这两个定位信号保持到扫描结束为止。扫描范围通过控制快轴扫描信号幅值大小实现。具体方式是：根据需要的定位，DSP发送一定的数字信号给数字模拟转换器(DAC芯片)，发送的具体值分别经数字模拟转换器转换后的两路输出端输出并保持，这样就实现了该系统对扫描管在X-Y平面内的起始点定位。用同样的方法实现DSP对慢轴方向的扫描范围控制。

另外，本发明还涉及一套适合本系统的高压放大模块和电源系统，这两部分保证了系统功能的实现。其中，高压放大模块采用APEX公司生产的高压放大芯片PA78实现，电源系统是为高压放大模块设计的直流电源，采用LM723和硅桥等实现由市电到直流电的变换，并为高压放大模块提供电源。

图6为实际扫描范围、快轴驱动和慢轴驱动(这里设定X-向为快轴)电压与时间的关系说明图。图6(a)所示，虚线所示为系统的在xy平面内的扫描范围，实线为实际扫描范围为：2A×2B，图6(b)、图6(c)分别为扫描该范围的X-和Y-向的驱动电压与时间的关系图。该扫描范围的中心点对应的三维电压坐标为(Xd，Yd，Zd)，Xd，Yd是扫描时压电管在xy面内的起始点定位电压，Zd为起始点位置对应的Z-向电压。

设快轴方向的扫描周期为T，Z向在该周期内的扫描次数为n，i为在快轴一个扫描周期内的Z向扫描的第i个点。则由正弦函数一般式f＝Asin(ωt+)可得图6(b)快轴第j个扫描周期中任意一点Xi在快轴方向的坐标为如下式所示：

(公式1)

又 $>>\omega >=>>>2>\pi >>T>>,>$>