一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及显微镜技术领域，尤其是一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法 及系统。
【背景技术】
[0002] 自1982年扫描隧道显微镜（STM)出现以后，又陆续发展出了一系列工作原理相似 的新型显微技术，主要包括原子力显微镜(AFM)、横向力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静 电力显微镜（EFM)、近场光学显微镜（SN0M)、压电力显微镜（PFM)、扫描探针声学显微镜 (SPAM)等，由于它们都是利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品 的相互作用(如样品-探针间的相互作用力等），得到样品相关性质(如形貌、摩擦力、磁畴结 构等)的，因而被统称为扫描探针显微镜(SPM)。
[0003] 为了达到纳米级的分辨率，扫描探针显微镜基本都是根据压电陶瓷扫描器的三维 运动进行扫描成像的。由于压电陶瓷本身固有的迟滞特性，其形变量与驱动电压间具有明 显的非线性关系。以简单的线性电压驱动扫描器为例，扫描器的样品运动是非线性的，故其 扫描得到图像会存在畸变，需要进行校正。目前，针对压电陶瓷型扫描探针显微镜系统的研 究工作主要集中在压电陶瓷形变量与驱动电压的关系及非线性校正方法上，而常用的非线 性校正方法有开环校准法和闭环校准法。
[0004] 开环校准法，是指事前采用纳米级位移检测技术对扫描器进行检测，获得扫描器 的驱动电压与样品台位移的关系，在扫描器日后的使用中，以事前获得的关系为基础对扫 描器施加恰当的驱动电压，准确控制样品台的位移并实现线性运动。闭环校准法，就是在扫 描器中装上位移传感器，实时检测扫描器样品台（样品台上放置有标准样品）的运动。闭环 校准法与开环校准法类似，只是把位移传感器安装在扫描器中，对扫描器样品台的位移进 行实时检测，并对扫描器驱动电压进行实时反馈控制，从而实现对扫描器样品台运动的实 时闭环控制。由于闭环校准法必须将位移传感器与压电扫描器集成一体，故目前多采用电 容传感器或应变片等体积较小的传感器。
[0005] 目前，扫描器校准中常用的纳米级位移检测方法包括电容式位移传感器法、线性 可变差动变压器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT)法、应变片法和激 光干涉法，中国科学院电工研究所在申请号为200310113670.6，名为"压电陶瓷管扫描器非 线性校正方法"的发明专利中就介绍了采用激光干涉(迈克尔逊干涉仪)校正压电陶瓷非线 性效应的方法。
[0006] 压电陶瓷扫描器主要包括压电陶瓷管型和平台型等，其中，压电陶瓷管型扫描器 具有体积小、结构简单、稳定性好、响应速度快和驱动控制方便等优点，是目前分辨率最高、 成本低廉的压电扫描器类型，故其在扫描探针显微镜中应用最为广泛。压电陶瓷管扫描器 对一个外壁电极进行四象限分割，并以分割得到的四个电极与内壁电极构成5个独立的电 极，以实现X-Y-Z三维的运动。
[0007] 扫描探针显微镜通过电压信号控制压电陶瓷管扫描器在X-Y平面内运动，带动探 针或样品进行扫描，获取探针和样品间的相互作用信息，并根据相互作用信息的变化，控制 压电陶瓷管扫描器在Z方向运动(上下伸缩移动），以抵消样品的表面起伏，使探针和样品间 的相互作用保持恒定，从而得到被测样品的表面形貌等表面信息。
[0008] 压电陶瓷管扫描器在X-Y平面内的扫描是通过电压信号使压电陶瓷管一边伸长、 一边缩短所产生的弯曲来实现的，其扫描范围会因样品的厚度(采用样品扫描的方式时)或 探针的长度(采用探针扫描的方式时）的增大而变大。目前的扫描探针显微镜，一般集成了 多种检测技术，且探针多采用激光检测方式，检测过程中需要保持探针和激光检测系统的 相对位置不变，采用探针扫描的方式实现起来难度较大，故压电陶瓷管扫描器大多采用样 品扫描方式。探针作为扫描探针显微镜中的消耗品，目前探针基本已实现通用化大规模生 产，其几何形状一致性很好，探针的长度基本不变，而另一方面，在实际检测中样品的品种 很多，厚度的差异性很大，导致实际扫描范围的误差较大，如不能及时根据相应的厚度进行 校正会直接影响检测结果的准确性。
[0009] 然而，目前的压电陶瓷管型扫描显微镜，无论是采用现有的开环校准法还是闭环 校准法，所检测的都是压电陶瓷管扫描器样品台的运动而不是样品的运动，将所有样品的 厚度都默认为标准样品的厚度，不能校准因样品厚度差异所引起的扫描范围误差，不够准 确和可靠。
【发明内容】
[0010] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于:提供一种准确和可靠的，压电陶瓷管扫 描器的扫描范围校正方法。
[0011] 本发明的另一目的在于：提供一种准确和可靠的，压电陶瓷管扫描器的扫描范围 校正系统。
[0012] 本发明所采取的技术方案是：
[0013] 一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正方法，其特征在于:包括以下步骤：
[0014] S1、从计算校正法、盲校正法和拟合校正法中选定一种基于样品厚度的扫描范围 校正方法，并根据选定的校正方法得到压电陶瓷管扫描器的实际扫描范围与样品厚度的关 系，其中，计算校正法根据给定的压电陶瓷管长度、给定的样品台高度以及1个给定厚度的 标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系，盲校正法根据两个给定厚度不同的标准样 品得到实际扫描范围与样品厚度的关系，拟合校正法根据一系列不同给定厚度的标准样品 实际扫描成像的结果拟合出实际扫描范围与样品厚度的关系；
[0015] S2、获取被测样品的实际厚度，并根据被测样品的实际厚度以及实际扫描范围与 样品厚度的关系对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正。
[0016] 进一步，所述计算校正法根据给定的压电陶瓷管长度、给定的样品台高度以及1个 给定厚度的标准样品得到实际扫描范围与样品厚度的关系这一步骤，其具体为：
[0017] 根据给定的压电陶瓷管长度L、给定的样品台高度Η以及1个给定厚度为T0的标准 样品得到实际扫描范围S与样品厚度T的关系表达式，所述实际扫描范围S与样品厚度T的关 系表达式为：
[0018]
[0019]其中，so为标准样品标定的扫描范围。
[0020] 进一步，所述盲校正法根据两个给定厚度不同的标准样品得到实际扫描范围与样 品厚度的关系这一步骤，其具体为：
[0021] 根据两个给定厚度分别为T0和T1的标准样品对实际扫描范围进行两次标定，然后 根据两次标定的结果得出实际扫描范围S与样品厚度T的关系表达式，所述实际扫描范围S 与样品厚度T的关系表达式为：
[0022]
[0023]其中，S0为给定厚度为T0的标准样品标定的扫描范围，S1为给定厚度为T1的标准 样品标定的扫描范围。
[0024] 进一步，所述拟合校正法根据一系列不同给定厚度的标准样品实际扫描成像的结 果拟合出实际扫描范围与样品厚度的关系这一步骤，其包括：
[0025] 采用一系列不同给定厚度的标准样品进行实际的扫描成像，获得压电陶瓷管扫描 器对应于每个样品厚度的实际扫描范围；
[0026] 根据压电陶瓷管扫描器对应于每个样品厚度的实际扫描范围，采用拟合算法拟合 出压电陶瓷管扫描器的实际扫描范围与样品厚度的关系曲线或关系函数。
[0027]进一步，所述步骤S2包括：
[0028] S21、输入被测样品的实际厚度或自动获取被测样品的实际厚度；
[0029] S22、根据被测样品的实际厚度以及实际扫描范围与样品厚度的关系，采用离线后 处理校正法或实时在线校正法对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正。
[0030] 进一步，所述自动获取被测样品的实际厚度这一步骤，其具体为：
[0031] 根据扫描探针显微镜探头螺杆的行程位置自动计算出对被测样品进行检测成像 时探针的升降距离，从而精确计算出被测样品的实际厚度。
[0032] 进一步，所述自动获取被测样品的实际厚度这一步骤，其具体为：
[0033]在扫描探针显微镜的探头上安装距离传感器，然后通过距离传感器检测底座与测 头间的距离来精确计算出被测样品的实际厚度。
[0034] 进一步，所述采用离线后处理校正法对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正这 一步骤，其具体为：
[0035]根据被测样品的实际厚度以及实际扫描范围与样品厚度的关系，对扫描探针显微 镜的检测成像控制系统测试样品所得到的结果进行离线校准，得到校准后的结果。
[0036]进一步，所述采用实时在线校正法对压电陶瓷管扫描器的扫描范围进行校正这一 步骤，其具体为：
[0037]将计算校正法、盲校正法和拟合校正法集成到扫描探针显微镜的检测成像控制系 统中，并在对被测样品进行检测时，根据被测样品的实际厚度通过检测成像控制系统对扫 描范围进行自动校准，直接得到校准后的结果。
[0038]本发明所采取的另一技术方案是：
[0039] 一种压电陶瓷管扫描器的扫描范围校正系统，包括以下模块：
[0040] 选定模块，用于从计算校正法、盲校正法和拟合校正法