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用于高速扫描探针显微镜的高速致动器

颜刚毅  
【摘要】:本论文研究的是扫描探针显微镜中的高速致动器。扫描探针显微镜是一类重要科学仪器,在物理、生物、化学、材料等诸多领域具有广泛的应用。然而,扫描探针显微镜的工作原理是通过机械式扫描整个样品来获得图像的,所以其成像速度受制于很多因素,包括悬臂梁的谐振频率,光路检测速率,数据采集与处理速度,扫描器件的带宽等。目前主要的瓶颈在于扫描器件。 扫描器包含最基本的致动器单元,以及致动器支撑安装结构等。在高速扫描的过程中,一个令人头疼的问题是高速致动器会产生很大的高频惯性力,传导给支撑结构,引起结构的共振及其它不必要的振动,这些振动反过来会影响致动器本身的带宽。如果未加处理,则最终的工作频率将被致动器的安装结构的低频模态所限制。 目前最广泛的方法是使用对称结构(如双致动器对称结构)来抵消致动器所产生的惯性力,减小结构的振动。然而结构中残留的不平衡质量仍然需要进一步处理,传统的方法是通过调节质量来解决这个问题。实际应用中,此方法非常不方便。 本文首先提出了一种补偿惯性力的控制方法,在双致动器对称结构中,通过调节对称结构中的两个致动器之间的电压关系,来补偿不平衡的质量所引起的额外的惯性力。实验结果显示,当结构中存在不平衡质量时,支撑体的振动仍然可以得到很好的抑制,振动抑制的效果可以与传统的质量调节方法相媲美。 提出了全新的非对称的致动器结构,对支撑体几乎没有力的作用,可用于高速扫描探针显微镜。此非对称致动器结构中含有两个致动器,一个用于高速致动,另一个用于振动补偿。相比于传统的对称结构,在此结构中,致动器安装在支撑面的同一边。实验中,将非对称致动器安装于悬臂梁的端部来检验此结构。实验结果显示,在测试的90Hz-10kHz频率范围内,非对称致动器结构成功抑制了悬臂梁几乎所有的振动模态。 设计了二级驱动型压电堆致动器。它分为三部分:高速致动部分、振动隔离器以及低速大行程致动部分。提出的二级驱动型压电堆致动器是由普通的压电堆改造而成,外观如同单个压电堆一样。原来的压电堆一阶共振频率在40kHz,频响的1分贝截止频率只有12kHz,行程为16微米。而改造而成的二级驱动型压电堆频响的1分贝截止频率达到了85kHz,行程为1.2-12.8微米。设计中最重要的一点是采用了振动隔离器来避免高速级与低速级之间的振动耦合。 讨论了致动器的材料问题。首先分析了压电陶瓷材料的非线性对惯性力平衡的影响,提出可用电荷驱动的方法替代电压驱动来使压电材料更加线性化。初步讨论了利用1-3压电复合材料制作扫描探针显微镜高频致动器的可能性。当底部束缚的情况下,常规的压电材料横向无法自由收缩,会产生横向的应力,进而导致行程减小,并引起粘结面的各种振动模态,这个问题在厚度薄而横向尺寸大的高速致动器上更显突出。而1-3复合材料没有这个问题,因为1-3复合材料在伸长时,横向收缩极小。因此1-3复合材料有望作为高频致动器良好的材料。


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