摘要:三维压电陶瓷扫描器是扫描探针显微镜的关键部件。本文作者设计制作了一种复合型三维压电陶瓷扫描器，并对扫描器的性能进行了检测。当激励电压为土400v时其扫描范围达到13拜mX13拜m。其x，y方向的非线性度小于0.36%，z方向的非线性度小于0.14%。这种扫描器被用于扫描近场光学显微镜探测系统中。
1引言
随着扫描探针显微术(SPM)的迅速发展，三维精密压电陶瓷扫描器的设计与制作得到了广泛的关注和深入研究。各种新型三维精密压电陶瓷(PZT)扫描器的出现，对扫描探针显微镜的发展有重要的推动作用。
目前，单管四分压电扫描器在扫描探针显微镜中应用最广泛，其压电元件常数及谐振频率较高，且结构简单。但在使用中，单管的缺陷也表现出来。首先，随着研究的深入，需要获得大的扫描范围，在管的材料和内、外径一定的情况下，单管的扫描范围与其轴向尺寸有关。为了取得大的扫描范围，就必须加大压电管的长度，使得扫描器的尺寸过大，不便于安装、调整和使用;其次，扫描器轴向尺寸的加大，势必会降低整个压电管的谐振频率，谐振频率越低，越容易受到低频机械振动的影响。单管还有一个很大的缺陷是容易受到温度的影响而产生热漂移。对于纳米级的测量，任何微小的热漂移都会对扫描精度产生较大的影响，扫描管尺寸越大，受温度的影响程度也越大。为了弥补这些缺陷，设计了一个复合型PZT管[2]，其基本结构如图1所示。它具有体积小，扫描范围大，谐振频率高，能够补偿热漂移等优点。
将电源V1,加电压于内、外管四分电极的一个电极上，V2加电压于四分电极中与其相对的电极上，V3。加电压于内、外管内壁上的公共电极上。由于内、外压电管的极化方向相反，当v3增加时，若外压电管伸长，则内压电管收缩，从而产生轴向运动;而当增加V1，和v3时，可使内、外压电管向同一个方向弯曲变形，产生横向位移，由于两个PZT管的嵌套，扫描器的扫描范围加大，同时减小了管的轴向尺寸，降低其谐振频率，且由于内外PZT管的结构轴向对称且轴向尺寸相同，它们受温度影响而产生的热漂移相同，因而补偿了温漂，使探针位置保持恒定。
由PZT管电极分布的不同和嵌套管数的不同，复合型PZT扫描器的类型有许多种，可以根据需要进行选择。本文设计的扫描器是用于扫描近场光学显微镜，要求能观测到生物大分子，即达到10μmX10μm的扫描范围，且能独立控制x、y、z三个方向的运动。根据要求，进行复合型扫描器的有关设计、制作，并对其扫描性能进行了检测。
2复合型PZT扫描器的设计
复合型PZT扫描器的设计包括扫描器材料、类型的选择，扫描器内、外管尺寸及结构的设计。
根据扫描器高灵敏度、大扫描范围的要求，我们选择了PZT一SH作为扫描器的材料。虽然它的工作范围不宽，不适合在温度变化大的环境中工作，但实验室基本处于恒温状态，扫描器受温度的影响很小，且复合型扫描器有补偿温漂的作用。所以PZT一SH型压电陶瓷材料基本符合要求。
复合型PZT扫描器由于内、外管电极分布的不同，使得它们在加工制造的复杂程度上有很大的区别。对于内、外管都是四分电极压电管的扫描器，这种扫描器对内、外管上电极要相互对准，其分布的位置有严格的要求，较难于加工和装配。考虑到设计要求，我们选择扫描器的内管为四分压电管，外管的内、外壁都为一体的电极。内管的弯曲产生x、y方向的运动，外管的整体伸缩产生z方向的运动。这种类型的扫描器的优点是结构简单，便于加工和装配，成本低，而且它的加电压方式较简单，使得x、y、z方向的扫描控制完全独立，便于操作。
根据设计一要求，对扫描器内、外管尺寸进行理论设计。计算公式为[2]
其中X为横向变形量;D为内管外径;w为管壁厚;L为管的长度;d31，为材料的压电常数;v为加在四分电极上的电压。内管的外径为Ø8 mm，内径为Ø 6 mm;外管的外径为Ø20 mm，内径为Ø18 mm;长为22 mm。由于扫描范围中较重要的是x.y方向的，而z方向的移动是起一个接近样品的作用，可以结合机械微动调节装置来实现，因此z方向移动精度只要与微动调节的精度相匹配即可，所以对外管的长度要求不是很严格。内管的轴向尺寸(即长度)关系到扫描器的x、y方向的扫描范围，因此要作理论分析，以起到指导的作用。根据扫描范围要求计算得到所需的内管的长度为22mm。一般在扫描器装配完毕后，由于粘接固定等原因，其参与弯曲变形的实际轴向工作尺寸比理论设计尺寸要小，即其扫描范围也会相应的减小。因此，在设计时要留装配余量，最后确定内管长度为25mm。
在扫描器的结构设计中，应该注意:
(1)由于近场光学显微镜的空间尺寸的限制，扫描器的结构要尽量的简单紧凑，以便于制作和安装;
(2)要满足扫描器功能上的要求;
(3)对内、外管的连接零件，其结构上有一个保证内、外管同轴度的设计，即一个凸台，起导向作用;
(4)扫描器要有插光纤探针的孔和导线的引出口。由于扫描器是高压驱动，为了安全，必须有外罩将扫描器与外界隔开;
(5)扫描器要便于拆卸，使实验人员可以进行维护。设计所得复合型PZT扫描器如图3所示。其中扫描针座与底座的材料为有机玻璃，扫描器外壳的材料为铝，套圈的材料为黄铜。
3复合型PZT扫描器的制作
制作过程中，四分压电管的电极制备是关键。扫描管电极分割的均匀性，直接影响扫描时x一y方向的正交性，从而决定扫描的精确度。电极制作中采用的方法是贴条烧银法。其主要工艺步骤如下图:
(l)划线因为陶瓷管质脆，不能直接装卡在分度头上，所以将陶瓷裸管套在锥型棒状专用模具上，然后装卡在铣床的分度头上，分度头置于钳工划线平台上，用高度划线尺尖端找准管的水平直径位置，然后划出两条相对180°的直线。分度头转过90°后再划出另外两条线;
(2)清洗与粘贴用工业酒精将管的内、外壁清洗干净，用宽度为0.8mm的绝缘胶带沿(l)中所划的四条线紧密粘贴，且务必使粘贴后的胶带平直;
(3)上银层将银浆均匀的涂在管的内外壁，待稳定后揭去胶带;
(4)烧银;
(5)检验用电容表分别测量四个电极的电容值(以内壁作为公共电极)，它们的相对误差(电容最大和最小者之相对差值)应在10%以内方为合格，超过这个限度可以用刻刀刮去大电极的银面，从而得到修正。但是，假如两者相对误差大于20%，则无法修复，要重新镀银再做电极。
在实际制作中，为了保证质量，采用两次刷银和烧银的方法。第一次烧银结束后，电极的边缘会出现毛刺等，这时可在显微镜下用刻刀进行休整，去除毛刺，使电极边缘光滑，然后再次贴上胶条，重复刷银和烧银的过程，这样制成的四分电极银层均匀，不易脱落;然后进行电极和导线的焊接工作。由于整个扫描器的尺寸较小，电极银层受热容易脱落，且导线较细，因此要特别小合，避免造成电极银层和导线的损坏。焊接完成后，要用万用表检查各电极与导线的连接情况，才能进行扫描器各元件的组装。
最后是进行各部分元件的组装工作。组装工作主要是将各部分用胶粘结在一起。先将内、外管的连接件粘到内管上，连接件上的凸台起定位作用，保证内管的轴线与连接件的轴线重合。然后将连接件粘到外管上，注意内、外管的同轴度。再把粘好的部分与有机玻璃的固定台粘结，最后再将外罩与固定台组.装好。整个过程中都要注意的是粘结时所用的胶不宜过多，以免影响复合管的机械振动特性，另一个要注意的问题是导线的引出，应该清楚x、y、z电极上的导线从什么地方引出，以免发生错误。这样，就完成了复合型PZT扫描器的制作工作。
4复合型PZT扫描器的性能测试
我们对所设计的扫描器的扫描范围、扫描当量、线性度和内管谐振频率几项性能进行了检测。测试系统如图4所示。用一台HP公司的33258型信号发生器产生扫描电压信号，PI公司的PZ44E型PZT高压驱动电源作为高压放大，直接驱动复合型PZT扫描管作复扫描运动。用POLYTEC公司的OFV5oZ型激光光纤干涉仪和OFV300o测振仪测量扫描器顶端部的振动状态，并用一台JlwATsU公司的DS一6121型数字示波器实时监测扫描信号，用计算机进行实时信号采集和处理。实验环境温度为恒温22℃。
实验中测x一y方向的扫描范围时，用三角波驱动，激励电压为士400V。用激光测振仪测量x、y方向的扫描范围。未加扫描座时x方向的扫描范围是11.04μm;在有扫描座的情况下，x方向扫描范围是13.28μm，y方向扫描范围是13.68μm。加扫描座后扫描范围有所增加，其原因是扫描管的轴向弯曲长度加大了。x、y方向扫描范围不对称的原因是电极大小不对称造成的，可通过驱动电压校正补偿这一不对称性。要想得到正交性很好的扫描结果，电极的相对精度必然要求高。
实验测量了压电陶瓷的扫描当量参数，即每单位电压的形变大小。采用的方案是测量在不同幅度的激振电压下，扫描当量的平均值，比较这些平均值，结果见表1。
可以看到平均扫描当量在低激励电压和高激励电压下有所不同，经分析，主要是压电陶瓷的电滞效应导致的非线性造成的。
我们还对扫描器线性度进行了测量。对扫描器表x、y方向线性度，采取了动态测量的方法，即用一三角波作激励源，然后测量陶瓷管的振动波形，选取一段进行直线拟合得到线性度的数据。经测量x、y方向的非线性小于0.36%。对z方向采用静态测量的方法，即用电感测微仪进行测量，得到z方向非线性小于0.14%。
最后，对内管的谐振频率进行了测量。实验方法是用相同幅值，不同频率的激励电压使内管发生振动，测量内管振动的幅度，找出峰值位置，得到其谐振频率。实验所用激励电压为士30oV，波形为正弦波。实验所得结果如图4所示，谐振频率为1165Hz.
通过对以上几项参数的测量，证明所设计的复合型扫描器的可靠性，其性能达到了设计要求。
5结论
复合型PZT扫描器有着优于单管四分扫描器的性能。我们设计、制作了一种复合型PZT扫描器，并对其进行了性能的测试。其参数达到了设计的要求。这就为这种扫描器的设计、制作及检测提供了一套可行的方案。这套扫描器己用于扫.描近场光学显微镜系统中[4]。
参考文献
[1]HAYES J B，JAHANMIR J.FREY E M. ComPACttemperature-compensated tube-type scanNIng probewith large scan range and independent x.y and z con-trol[I'], U. S. Pat. (19>No 5，173.605 Dec.22.1992，1 ~13.
[2]CHEN C J. Electromechanical deflections of piezoelec-tric tubes with quartered electrodes [ J ]. Appl PhysLett，1992,60(1):132一134.
[3]丁琳.扫描近场光学显微镜测量系统中三维扫描装置的研究与制作[D].北京:清华大学，1997.
[4]刘秀梅，王佳，丁琳.等.四分压电陶瓷管低频震荡现象的发现和探讨〔J].压电与声光.1998.20(2):130~134
本文作者：洪涛 王佳 刘秀梅 丁琳
