[发明专利]一种压电扫描器高速扫描方式

说明书

技术领域

本发明涉及压电扫描器高速扫描方式。

背景技术

对于很多技术，如扫描探针显微镜、纳米精度马达、基于压电陶瓷传感器等，压电扫描器是一个很关键的部件。现有的技术在处理涉及压电扫描器的问题时，一般有两种方法：使用单一扫描器--如压电陶瓷管，或xy和z分离的几个(至少两个)扫描器。但是无论是前者还是后者，对扫描器快慢轴(即xy轴)的驱动均采用锯齿形波或三角形波。由于对压电扫描器快慢轴的驱动是不同频率的锯齿形波或三角形波。快轴的驱动频率直接决定了扫描的速度。比如，目前扫描探针显微镜慢轴的频率一般是0.1Hz，快轴的频率一般是100Hz。扫完一幅像素是512*512的图像需要几分钟，这就限制了扫描探针显微镜只适合在有少量待测物时使用，无法用在视时间为生命的大规模的产品生产上，限制了扫描探针显微镜的应用，因此扫描速度的问题亟待解决。

以锯齿形波为例，扫描器在快轴方向上的位移，速度和加速度随时间的变化如图1a、b、c所示。从图1a、b、c中可以清楚地看到在每个周期的畸变点，扫描器的速度和加速度都很大。此时对扫描器的控制会出现不可预见的情况，容易造成图像两侧的畸变。在这种情况下，再提高快轴的扫描频率，图像的畸变会影响到整幅图的质量。

并且压电陶瓷对时间的变化不是绝对线性的，为了消除压电陶瓷非线性采用闭环控制系统，这就大大降低了扫描速度。

在压电扫描器的采样系统中，都是根据压电陶瓷管的位移与电压的关系随时间变化的特性来决定，即设置电压使压电扫描器的位移与时间成线性的关系，由时钟决定采样点的位置，这是理想情况。在实际扫描过程中，扫描器会在采样点发生震荡，如图2所示，尤其是在畸变点附近，导致了采样点不均匀，所得图形无法使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的图形畸变较大，扫描速度慢的缺点，采用一种新的压电扫描器的扫描方式，改进了现有压电扫描器，进而提高了扫描速度，减小了图形的畸变，改善了图像质量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：在压电扫描器的驱动装置中，对快轴的驱动采用高速，无畸变的驱动电压，目前所能利用的有正弦波。采用正弦波后，扫描器在快轴方向的位移不存在畸变点，速度和加速度都不是很大，快轴的扫描速度可以极大的提高。

同时，在压电扫描器的扫描过程中，由位移决定采样点的位置，使采样点摆脱对时钟的依赖。为了准确定位，本发明在压电扫描器的快轴运动方向设置了位移传感器，时刻将压电扫描器在快轴的精确运动量发送到控制系统。控制系统事先根据实际需要制定采样点间的步长，每当压电扫描器在快轴方向运动过一个步长，控制系统下达采样命令。位移传感器确保了等间距采样，避免采样点不均匀。

正弦函数是光滑函数，其一阶导数和二阶导数分别是余弦函数和正弦函数，也都是光滑函数，无畸变点。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。所以如果驱动电压为正弦函数，那么压电陶瓷的位移也将近似是正弦函数。以正弦函数的一阶导数和二阶导数分别作为压电陶瓷的位移和加速度。也即压电陶瓷的位移和加速度与时间成余弦和正弦关系。

快轴采用正弦驱动电压和位移传感器后，快轴方向上的速度和加速度不再有畸变点。整个扫描过程的速度和加速度数值起伏变化不大，利于系统对压电扫描器的控制，避免了由于压电扫描器在原来畸变点震荡造成的图形畸变。在此基础上采用高频正弦驱动电压，极大地提高了压电扫描器的速度。位移传感器精确了位移传感器在快轴方向上的步长，避免了由于步长不精确造成的图形畸变。

本发明可以广泛应用在使用压电扫描器的仪器中，特别是扫描探针显微镜等对扫描速度和图形质量有极高要求的精密仪器。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1a为现有技术扫描器位移随时间的变化，图1b为现有技术扫描器的速度随时间变化，图1c为现有技术扫描器的加速度随时间的变化曲线；

图2为现有技术实际波形；

图3a为本发明扫描器的位移随时间的变化，图3b为扫描器的速度随时间的变化，图3c为扫描器的加速度随时间的变化；

图4为本发明的采样的时间和位移的关系；

图5为本发明扫描器的结构图，其中1为只做z向运动的压电陶瓷管，2为只做x向运动的压电陶瓷，3为只做y向运动的压电陶瓷，4为位移传感器，5和6为引出或入电极，7和8为引出或入电极；

图6为应用本发明的扫描探针显微镜工作流程图。