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压电扫描管扫描器在AFM原子力显微镜中的应用

背景

随着纳米科技的不断发展,原子力显微镜由于其自身的诸多优点被广泛应用于微观领域的观测与操作,AFM等微纳米级测量仪器已成为微纳米研究工作者重要的科研工具。原子力显微镜的扫描精度在很大程度上取决于内部压电陶瓷管扫描器的性能以及压电控制器的控制精度。

 

1.jpg

AFM原子力显微镜

 

AFM原子力显微镜原理

AFM原子力显微镜是由力学检测系统、位置检测部分、反馈系统三个部分组成,使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的交互作用,这种作用力会使得悬臂梁摆动,再利用激光将光照射在微悬臂梁的末端,当摆动形成时,会使反射光的位置改变而产生偏移量,此时激光检测器会记录此偏移量,也会把此时的信号给反馈系统,以利于系统做适当的调整,zui后再将样品的表面特性以影像的方式呈现出来。

 

2.jpg

AFM原理图

 

压电陶瓷管扫描器的作用

压电陶瓷管扫描器载着样品在X-Y平面内做微小运动,样品到针尖的距离会随着样品表面形貌的变化而变化,该距离的变化将改变样品和针尖之间的原子力,原子力的变化会使得悬臂梁产生法相形变。

通过激光反射路径的变化检测出微悬臂梁的反向形变程度,相应调整Z向压电陶瓷保证样品和针尖的原子力保持恒定。

 

3.jpg

由此我们可以看出,实现X-Y-Z空间三个方向定位的压电陶瓷管扫描器在工作过程中非常重要,他们的参数指标直接影响到整个原子力显微镜的扫描成像精度。

 

 

压电陶瓷管扫描器结构

压电陶瓷管扫描器为径向极化电极分割的压电陶瓷管,通常采用四分区进行分割,可以实现XYZ三维运动。也可以根据客户的要求定制进行多区域分割。

 

4.jpg

 

四分区压电陶瓷管工作原理:

压电陶瓷管扫描器为径向极化压电陶瓷,内部为一个电极,外部四个,当对外部的某一个区域加载正电压,该区域轴向收缩,相对另一侧加载负电压,该区域伸长,压电陶瓷管会产生一个平移运动。当外部四个分区全部加载正电压,压电陶瓷管轴向收缩,当内部加载满幅值负电压,压电陶瓷管收缩到zui大位移。

 

5.jpg

 

压电陶瓷尺寸、电极材料可选

芯明天可以提供多种尺寸结构以及镍或金等不同电极材料的压电陶瓷管扫描器。

 

外径

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

 

扫描范围如何计算

 

压电陶瓷管扫描器XYZ轴单侧扫描范围可以通过以下公式计算得出:

6.jpg

 

产品实例

我们为用户提供的不同尺寸的压电陶瓷管扫描器,满足不同应用需求。

 

7.jpg

 

驱动控制方式

XY轴扫描运动:需要四通道分别对四个区域进行双极性驱动。

Z轴扫描运动:需要对外部四个区域加载正电压,内部接地或者内部加负电压(内壁不可以加正电压)。

我们推荐采用我公司模块化E01系列双极性压电控制器产品,具有模块化组合,多通道输出,分辨率高、纹波小等优点,可以满足AFM原子力显微镜对压电陶瓷管扫描器高速、高分辨率的应用需求。

 

8.jpg?

 

压电材料

用户可以根据需求选择不同的压电陶瓷材料,目前zui常用的压电陶瓷管选用的是PZT-5H材料,具体参数见下表:

 

性能

符号

参数

单位

压电常数

d33

585

10-12m/V

d31

-265

10-12m/V

g33

19.7

10-3Vm/N

g31

-8.5

10-3Vm/N

机电耦合系数

Kp

0.65

NA

K33

0.75

NA

K31

0.39

NA

弹性常数

SE33

20.0

10-12m2/N

SE11

15.6

10-12m2/N

8.png

3400

@1kHz

居里温度

Tc

195

°C

密度

ρ

7.5

g/cm3

 

 

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