專利名稱:切變力檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描探針顯微術(shù)，特別涉及到掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微術(shù)等領(lǐng)域。
掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微術(shù)的光學(xué)分辨率主要取決于光學(xué)探針尖部的尺寸和探針與樣品表面之間的距離。對(duì)于可見光和近紅外光波而言，典型的探針尖部尺寸一般為50～200納米，探針與樣品表面間距通?？刂圃谛∮?0納米，即近場(chǎng)范圍之內(nèi)。因此，發(fā)展探針與樣品的近場(chǎng)控制技術(shù)是掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微術(shù)中一個(gè)非常重要的問題。
檢測(cè)探針和樣品之間的切變力是實(shí)現(xiàn)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微術(shù)中探針與樣品近場(chǎng)控制的常用方法。切變力是指當(dāng)探針沿樣品表面方向振動(dòng)時(shí)所感受到的探針與樣品之間的橫向作用力，它能使探針在固有頻率振動(dòng)時(shí)的共振振幅和相位發(fā)生明顯變化。用適當(dāng)?shù)姆椒z測(cè)探針共振振幅或相位的變化就可實(shí)現(xiàn)切變力的檢測(cè)，將振幅或相位變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入掃描探針顯微鏡的反饋回路就可實(shí)現(xiàn)探針與樣品近場(chǎng)控制以及近場(chǎng)光學(xué)顯微成像。
在目前現(xiàn)有技術(shù)中，一種最為常用的方法是采用U形石英振蕩器即石英音叉來實(shí)現(xiàn)切變力的檢測(cè)。在這種檢測(cè)系統(tǒng)中，用光纖制成的探針粘貼在石英音叉的一個(gè)臂上，并隨同音叉沿樣品表面方向作橫向振動(dòng)。當(dāng)這種石英音叉和光纖探針組成的系統(tǒng)在音叉的固有頻率上振動(dòng)時(shí)，音叉振幅將達(dá)到最大值，由此產(chǎn)生的壓電電壓(或電流)的振幅也將達(dá)到最大值。如果粘貼在音叉上的光纖探針受到探針和樣品之間切變力的作用，其振幅和相位將產(chǎn)生變化，壓電電壓(電流)的振幅和相位也將隨之變化。利用適當(dāng)?shù)碾娐肪涂蓪?shí)現(xiàn)壓電電壓振幅和相位變化的檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切變力的檢測(cè)。如將該變化轉(zhuǎn)換為電壓作為反饋信號(hào)送入反饋電路就可實(shí)現(xiàn)探針與樣品近場(chǎng)控制。由于石英音叉的尺寸很小，材料很脆，將光纖探針粘接在音叉臂上非常困難。另外，由于石英音叉的品質(zhì)因數(shù)較高使得檢測(cè)電路頻寬受到很大限制進(jìn)而影響掃描成象速度的提高。
在現(xiàn)有技術(shù)中，還有一種采用壓電陶瓷管實(shí)現(xiàn)切變力檢測(cè)的方法。在這種方法中，光纖探針被粘接固定在壓電陶瓷管內(nèi)，并在壓電陶瓷管的振動(dòng)激勵(lì)下振動(dòng)。當(dāng)切變力作用于光纖探針時(shí)，會(huì)引起壓電陶瓷管內(nèi)部阻抗的變化，用橋式電路檢測(cè)阻抗變化就可實(shí)現(xiàn)探針與樣品近場(chǎng)控制。由于阻抗的變化很小，一般只有10-4，對(duì)電橋的熱穩(wěn)定性要求很高，因此增加了制作和應(yīng)用這種檢測(cè)系統(tǒng)的難度。
采用一對(duì)壓電陶瓷塊進(jìn)行切變力檢測(cè)是繼石英音叉式和壓電陶瓷管式檢測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來的又一現(xiàn)有技術(shù)。在該技術(shù)中，一對(duì)壓電陶瓷塊被分別粘接固定在一個(gè)固定探針的金屬塊兩側(cè)，其中一個(gè)壓電陶瓷塊用于激勵(lì)光纖探針在其固有頻率上振動(dòng)，另一個(gè)壓電陶瓷塊用于檢測(cè)光纖探針的振動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探針與樣品近場(chǎng)控制。這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要在大的振動(dòng)譜背景下找出由探針產(chǎn)生的很微弱的共振峰，因此給實(shí)際應(yīng)用帶來較大困難。
本發(fā)明是按照下述原理來實(shí)現(xiàn)上述目的采用矩形雙層壓電陶瓷片為切變力檢測(cè)器，將一端上層的壓電陶瓷層去掉一段，露出中間的電極用于接地，用膠粘或機(jī)械加緊的方法將該端固定于一固定臺(tái)上，雙層壓電陶瓷片的其余部分呈懸臂狀伸出于固定臺(tái)的另一端邊緣，形成自由端；該自由端的表面順向粘接一光纖探針，該探針可由單?；蚨嗄９饫w用化學(xué)腐蝕或加熱拉伸的方法制成，其探頭略微伸出于雙層壓電陶瓷片自由端的端緣，光纖探針的另外一端與光電探測(cè)器耦合；雙導(dǎo)壓電陶瓷片其中一層作為激振片，另外一層作為檢測(cè)片，構(gòu)成一個(gè)激振和檢測(cè)一體化的壓電懸臂式切變力檢測(cè)器。激振片與電壓信號(hào)發(fā)生器相接，用于驅(qū)動(dòng)雙層壓電陶瓷片自身并同時(shí)帶動(dòng)光纖探針在其共振頻率上作橫向振動(dòng)，檢測(cè)片用于檢測(cè)壓電片本身的振動(dòng)。檢測(cè)片上產(chǎn)生的壓電電壓，經(jīng)前置放大器送入鎖相放大器進(jìn)行處理，其輸出信號(hào)饋入掃描探針顯微鏡的反饋電路，驅(qū)動(dòng)XYZ三維掃描器實(shí)現(xiàn)探針與樣品近場(chǎng)控制。當(dāng)樣品掃描時(shí)，由光纖探針測(cè)到的切變力和光學(xué)信號(hào)被分別送入數(shù)據(jù)采集成象系統(tǒng)可同時(shí)獲得樣品表面形貌和光學(xué)性質(zhì)圖象。
本發(fā)明的切變力檢測(cè)器及探針與樣品近場(chǎng)控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、使用簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良和成本低廉等特點(diǎn)，表1為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的比較。
表1



下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖。
當(dāng)激振片激勵(lì)雙壓電片共振時(shí)，雙壓電片的振幅將達(dá)到最大值，由于壓電效應(yīng)，檢測(cè)片上將同時(shí)產(chǎn)生最大振幅的壓電電壓。如果光纖探針接近樣品受到切變力的作用，雙壓電片的振幅將減小，產(chǎn)生的壓電電壓振幅也將隨之減小。通過檢測(cè)壓電電壓振幅的變化，就可實(shí)現(xiàn)切變力的檢測(cè)及探針與樣品近場(chǎng)控制。此外，檢測(cè)壓電電壓相位的變化或振幅和相位一同的變化也可實(shí)現(xiàn)探針與樣品近場(chǎng)控制。當(dāng)激勵(lì)電壓為幾個(gè)毫伏時(shí)，前置放大器的輸出信號(hào)一般為100毫伏，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)探針與樣品近場(chǎng)控制分辨率可達(dá)0.5納米。需要說明的是，上述實(shí)施例只是用來說明本發(fā)明的技術(shù)特征，不是用來限定本發(fā)明的專利申請(qǐng)范圍，比如本實(shí)施例中雙層壓電陶瓷片的幾何尺寸也可以制成其它尺寸，但其原理及結(jié)構(gòu)仍屬于本發(fā)明的專利申請(qǐng)范疇。
權(quán)利要求
1.一種切變力檢測(cè)器，包括雙層壓電陶瓷片、光纖探針和檢測(cè)電路，其特征在于將雙層壓電陶瓷片一端上層的壓電陶瓷層去掉一段，露出的中間電極接地，并將該端固定于一固定臺(tái)上，雙層壓電陶瓷片的其余部分呈懸臂端伸出于固定臺(tái)的另一端邊緣；雙層壓電陶瓷片懸臂端上粘接一光纖探針，該探針的探頭略微伸出于該懸臂端的端緣，光纖探針的另外一端與光電探測(cè)器耦合；雙層壓電陶瓷片中的一層與電壓信號(hào)發(fā)生器相接，另一層與前置放大器相連，并將信號(hào)送入鎖相放大器進(jìn)行處理，其輸出信號(hào)饋入掃描探針顯微鏡的反饋電路，驅(qū)動(dòng)三維掃描器，由光纖探針測(cè)到的切變力和光學(xué)信號(hào)被分別送入數(shù)據(jù)采集成象系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的切變力檢測(cè)器，其特征在于，雙層壓電陶瓷片與固定臺(tái)之間為粘接或機(jī)械夾緊。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的切變力檢測(cè)器，其特征在于，光纖探針與雙層壓電陶瓷片之間為粘接。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的切變力檢測(cè)器，其特征在于，光纖探針在雙層壓電陶瓷片懸臂端的上表面順向粘接。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的切變力檢測(cè)器，其特征在于，信號(hào)放大器為1-100毫伏的正弦信號(hào)發(fā)生器。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的切變力檢測(cè)器，其特征在于，前置放大器是增益1-1000，帶寬10千赫的電壓放大器。
專利摘要
一種切變力檢測(cè)器，包括雙層壓電陶瓷片，光纖探針和有關(guān)檢測(cè)電路，切變力檢測(cè)器為長(zhǎng)2～10毫米，寬0.5～5毫米，厚0.1～1毫米的懸臂式雙層壓電陶瓷片，雙層壓電陶瓷片中的一層用作為激振片，另一層作為檢測(cè)片，激振片用于激勵(lì)雙壓電陶瓷片本身在其共振頻率上帶動(dòng)光纖探針振動(dòng)，光纖探針受到探針和樣品之間切變力的作用使雙層壓電陶瓷片的共振振幅和相位發(fā)生變化，進(jìn)而使檢測(cè)片上產(chǎn)生的壓電電壓的振幅和相位發(fā)生變化，將這一變化作為反饋信號(hào)送入掃描探針顯微鏡的反饋電路就可實(shí)現(xiàn)探針與樣品間距的控制，本發(fā)明間距控制分辨率可達(dá)0.5納米。
文檔編號(hào)G01Q10/00GKCN1405547SQ01141815
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2001年9月19日
發(fā)明者商廣義, 王琛, 吳際, 白春禮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan