壓電掃描管掃描器在AFM原子力顯微鏡中的應用
背景
隨著納米科技的不斷發展，原子力顯微鏡由于其自身的諸多優點被廣泛應用于微觀領域的觀測與操作，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、位置檢測部分、反饋系統三個部分組成，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，以利于系統做適當的調整，zui后再將樣品的表面特性以影像的方式呈現出來。
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構
壓電陶瓷管掃描器為徑向極化電極分割的壓電陶瓷管，通常采用四分區進行分割，可以實現XYZ三維運動。也可以根據客戶的要求定制進行多區域分割。
四分區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，內部為一個電極，外部四個，當對外部的某一個區域加載正電壓，該區域軸向收縮，相對另一側加載負電壓，該區域伸長，壓電陶瓷管會產生一個平移運動。當外部四個分區全部加載正電壓，壓電陶瓷管軸向收縮，當內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構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軸單側掃描范圍可以通過以下公式計算得出：
產品實例
我們為用戶提供的不同尺寸的壓電陶瓷管掃描器，滿足不同應用需求。
驅動控制方式
XY軸掃描運動：需要四通道分別對四個區域進行雙極性驅動。
Z軸掃描運動：需要對外部四個區域加載正電壓，內部接地或者內部加負電壓（內壁不可以加正電壓）。
我們推薦采用我公司模塊化E01系列雙極性壓電控制器產品，具有模塊化組合，多通道輸出，分辨率高、紋波小等優點，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。
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壓電材料
用戶可以根據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，具體參數見下表：
性能 | 符號 | 參數 | 單位 |
壓電常數 | 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 | Kp | 0.65 | NA |
K33 | 0.75 | NA | |
K31 | 0.39 | NA | |
彈性常數 | 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 |
