專利名稱：一種壓電掃描器高速掃描方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電掃描器高速掃描方式。
背景技術(shù)：
對于很多技術(shù)，如掃描探針顯微鏡、納米精度馬達(dá)、基于壓電陶瓷傳感器等，壓電掃描器是一個(gè)很關(guān)鍵的部件。現(xiàn)有的技術(shù)在處理涉及壓電掃描器的問題時(shí)，一般有兩種方法使用單一掃描器--如壓電陶瓷管，或xy和z分離的幾個(gè)(至少兩個(gè))掃描器。但是無論是前者還是后者，對掃描器快慢軸(即xy軸)的驅(qū)動(dòng)均采用鋸齒形波或三角形波。由于對壓電掃描器快慢軸的驅(qū)動(dòng)是不同頻率的鋸齒形波或三角形波?？燧S的驅(qū)動(dòng)頻率直接決定了掃描的速度。比如，目前掃描探針顯微鏡慢軸的頻率一般是0.1Hz，快軸的頻率一般是100Hz。掃完一幅像素是512*512的圖像需要幾分鐘，這就限制了掃描探針顯微鏡只適合在有少量待測物時(shí)使用，無法用在視時(shí)間為生命的大規(guī)模的產(chǎn)品生產(chǎn)上，限制了掃描探針顯微鏡的應(yīng)用，因此掃描速度的問題亟待解決。
以鋸齒形波為例，掃描器在快軸方向上的位移，速度和加速度隨時(shí)間的變化如

圖1a、b、c所示。從圖1a、b、c中可以清楚地看到在每個(gè)周期的畸變點(diǎn)，掃描器的速度和加速度都很大。此時(shí)對掃描器的控制會出現(xiàn)不可預(yù)見的情況，容易造成圖像兩側(cè)的畸變。在這種情況下，再提高快軸的掃描頻率，圖像的畸變會影響到整幅圖的質(zhì)量。
并且壓電陶瓷對時(shí)間的變化不是絕對線性的，為了消除壓電陶瓷非線性采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，這就大大降低了掃描速度。
在壓電掃描器的采樣系統(tǒng)中，都是根據(jù)壓電陶瓷管的位移與電壓的關(guān)系隨時(shí)間變化的特性來決定，即設(shè)置電壓使壓電掃描器的位移與時(shí)間成線性的關(guān)系，由時(shí)鐘決定采樣點(diǎn)的位置，這是理想情況。在實(shí)際掃描過程中，掃描器會在采樣點(diǎn)發(fā)生震蕩，如圖2所示，尤其是在畸變點(diǎn)附近，導(dǎo)致了采樣點(diǎn)不均勻，所得圖形無法使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的圖形畸變較大，掃描速度慢的缺點(diǎn)，采用一種新的壓電掃描器的掃描方式，改進(jìn)了現(xiàn)有壓電掃描器，進(jìn)而提高了掃描速度，減小了圖形的畸變，改善了圖像質(zhì)量。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在壓電掃描器的驅(qū)動(dòng)裝置中，對快軸的驅(qū)動(dòng)采用高速，無畸變的驅(qū)動(dòng)電壓，目前所能利用的有正弦波。采用正弦波后，掃描器在快軸方向的位移不存在畸變點(diǎn)，速度和加速度都不是很大，快軸的掃描速度可以極大的提高。
同時(shí)，在壓電掃描器的掃描過程中，由位移決定采樣點(diǎn)的位置，使采樣點(diǎn)擺脫對時(shí)鐘的依賴。為了準(zhǔn)確定位，本發(fā)明在壓電掃描器的快軸運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置了位移傳感器，時(shí)刻將壓電掃描器在快軸的精確運(yùn)動(dòng)量發(fā)送到控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)事先根據(jù)實(shí)際需要制定采樣點(diǎn)間的步長，每當(dāng)壓電掃描器在快軸方向運(yùn)動(dòng)過一個(gè)步長，控制系統(tǒng)下達(dá)采樣命令。位移傳感器確保了等間距采樣，避免采樣點(diǎn)不均勻。
正弦函數(shù)是光滑函數(shù)，其一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別是余弦函數(shù)和正弦函數(shù)，也都是光滑函數(shù)，無畸變點(diǎn)。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當(dāng)在壓電陶瓷對稱的兩個(gè)端面加上電壓時(shí)，壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。所以如果驅(qū)動(dòng)電壓為正弦函數(shù)，那么壓電陶瓷的位移也將近似是正弦函數(shù)。以正弦函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別作為壓電陶瓷的位移和加速度。也即壓電陶瓷的位移和加速度與時(shí)間成余弦和正弦關(guān)系。
快軸采用正弦驅(qū)動(dòng)電壓和位移傳感器后，快軸方向上的速度和加速度不再有畸變點(diǎn)。整個(gè)掃描過程的速度和加速度數(shù)值起伏變化不大，利于系統(tǒng)對壓電掃描器的控制，避免了由于壓電掃描器在原來畸變點(diǎn)震蕩造成的圖形畸變。在此基礎(chǔ)上采用高頻正弦驅(qū)動(dòng)電壓，極大地提高了壓電掃描器的速度。位移傳感器精確了位移傳感器在快軸方向上的步長，避免了由于步長不精確造成的圖形畸變。
本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用在使用壓電掃描器的儀器中，特別是掃描探針顯微鏡等對掃描速度和圖形質(zhì)量有極高要求的精密儀器。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1a為現(xiàn)有技術(shù)掃描器位移隨時(shí)間的變化，圖1b為現(xiàn)有技術(shù)掃描器的速度隨時(shí)間變化，圖1c為現(xiàn)有技術(shù)掃描器的加速度隨時(shí)間的變化曲線；圖2為現(xiàn)有技術(shù)實(shí)際波形；圖3a為本發(fā)明掃描器的位移隨時(shí)間的變化，圖3b為掃描器的速度隨時(shí)間的變化，圖3c為掃描器的加速度隨時(shí)間的變化；圖4為本發(fā)明的采樣的時(shí)間和位移的關(guān)系；圖5為本發(fā)明掃描器的結(jié)構(gòu)圖，其中1為只做z向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷管，2為只做x向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷，3為只做y向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷，4為位移傳感器，5和6為引出或入電極，7和8為引出或入電極；圖6為應(yīng)用本發(fā)明的掃描探針顯微鏡工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在壓電掃描器的驅(qū)動(dòng)裝置中，采用正弦波對快軸驅(qū)動(dòng)。正弦函數(shù)是光滑函數(shù)，其一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別是余弦函數(shù)和正弦函數(shù)，也都是光滑函數(shù)，無畸變點(diǎn)。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當(dāng)在壓電陶瓷對稱的兩個(gè)端面加上電壓時(shí)，壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成近似線性關(guān)系。所以如果驅(qū)動(dòng)電壓為正弦函數(shù)，那么壓電陶瓷的位移也將近似是正弦函數(shù)，以正弦函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別作為壓電陶瓷的速度和加速度。采用正弦驅(qū)動(dòng)電壓后，壓電掃描器的位移，速度和加速度隨時(shí)間的變化如圖3a、b、c所示，可以看到掃描器的速度和加速度沒有畸變點(diǎn)，且數(shù)值變化不大。
本發(fā)明采樣的時(shí)間和位移關(guān)系如圖4所示，位移和時(shí)間的關(guān)系是非線性的，即在相同的時(shí)間內(nèi)位移不一定相同。所以不能夠采用等時(shí)間間距采樣，需要采用等位移間距采樣的方法。本發(fā)明采用位移傳感器精確計(jì)量壓電掃描器沿快軸運(yùn)動(dòng)方向的位移量。位置傳感器設(shè)置在掃描器沿快軸運(yùn)動(dòng)的軌道上，和控制系統(tǒng)相連。如圖5所示，1為只做z向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷管，其所加電壓為何種類型，或數(shù)值多大由具體的應(yīng)用決定；2為只做x向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷，設(shè)x軸為快軸；3為只做y向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷，設(shè)y軸為慢軸；4為位移傳感器；5和6為引出或入電極，在其兩端加快軸的驅(qū)動(dòng)電壓為正弦波；7和8為引出或入電極，在其兩端加慢軸的驅(qū)動(dòng)電壓為三角波或鋸齒波。
沿壓電陶瓷的快軸方向加正弦電壓信號，壓電陶瓷在快軸方向的運(yùn)動(dòng)近似是正弦波。壓電陶瓷在快軸方向移動(dòng)的位移量都會由位移傳感器，傳遞給控制系統(tǒng)。與控制系統(tǒng)根據(jù)要求所制定采樣點(diǎn)間的步長比較，每當(dāng)壓電掃描器在快軸方向運(yùn)動(dòng)過一個(gè)步長時(shí)，控制系統(tǒng)下達(dá)采樣命令。
以下以掃描探針顯微鏡為例說明本發(fā)明的應(yīng)用。在使用本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的工作流程如圖6所示，當(dāng)輸入正弦波后，1、掃描頭以相同的頻率運(yùn)動(dòng)，位移傳感器記錄掃描頭沿快軸方向移動(dòng)的位移量；2、掃描頭移動(dòng)δX的位移；3、掃描頭每移動(dòng)δX的位移，位移傳感器就輸出采樣信號到電子控制系統(tǒng)；4、電子控制系統(tǒng)發(fā)出采樣命令，5、電子控制系統(tǒng)執(zhí)行采樣命令，并將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)信息6、7傳回電子控制系統(tǒng)。
本發(fā)明也可應(yīng)用于其他需要精確掃描的精密儀器。
權(quán)利要求
1.一種壓電掃描器高速掃描方式，其特征是采用正弦波對壓電掃描器快軸驅(qū)動(dòng)；由位移決定采樣點(diǎn)，采用在壓電掃描器快軸的運(yùn)動(dòng)方向上設(shè)置的位移傳感器精確計(jì)量掃描器實(shí)際走過的距離，并將快軸方向移動(dòng)的位移量傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)所制定的采樣點(diǎn)間的步長，每當(dāng)壓電掃描器在快軸方向運(yùn)動(dòng)過一個(gè)步長時(shí)，控制系統(tǒng)即下達(dá)采樣命令。
全文摘要
一種壓電掃描器高速掃描方式，對壓電掃描器快軸的驅(qū)動(dòng)采用高速，無畸變點(diǎn)的正弦波。在采樣系統(tǒng)中，采用由位移確定采樣點(diǎn)的方式，在快軸的運(yùn)動(dòng)方向上設(shè)置位移傳感器，用于精確計(jì)量掃描器實(shí)際走過的距離?？梢詫?shí)現(xiàn)在不改變現(xiàn)有壓電掃描器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高掃描質(zhì)量和掃描速度。
文檔編號H01J37/28GK101060059SQ20071006555
公開日2007年10月24日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者王麗娜, 韓立, 李敏, 林云生 申請人:中國科學(xué)院電工研究所