[实用新型]压电陶瓷切变力传感器

说明书

本实用新型属于光学显微镜和扫描探针显微镜(SPM)领域，特别涉及一种近场扫描光学显微镜(NSOM)中光纤探针与样品间距的控制传感器。

近场扫描光学显微镜(NSOM)作为一种突破光学衍射极限限制的光学成像手段，关键技术之一是针尖与样品之间间距的精确控制。由于探针针尖出射的光场是一倏逝场，其强度在一个波长(300～800纳米)以内很快衰减为零，因此，为提高系统的空间分辨率和改善信噪比，探针扫描时针尖应当处于样品表面10纳米范围内；同时探针的针尖直径很小，一般只有50纳米左右。要把这样小的探针尖控制在样品表面这样近的距离，常规的距离传感器根本无法做到。目前在近场扫描光学显微镜中采用的是切变力(或称横向力)控制技术。在切变力控制技术中，光纤探针垂直于样品表面被固定在一个压电元件上，二者构成的机械系统具有较高的机械品质因数Q(30-100)，当施加一本征频率振荡驱动时，针尖就在样品表面作切向振动。当针尖接近样品表面时(＜50纳米)，由于样品表面与针尖相互之间的作用力使得谐振系统的阻尼增大，Q值降低，针尖的振幅减小。因而在针尖接近样品的过程中，通过监测针尖振幅的变化，就可以监测并控制针尖和样品之间的间距。因为针尖的振幅很小，其变化量就更小，早期使用光学方法利用光杠杆原理监测这一振幅变化，但这种方法有很多缺点。后来人们开发出了利用压电陶瓷管、音叉等的非光学方法，但这些方法又存在着探测灵敏度低、体积大、结构复杂、驱动困难和成本高等缺点。

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出了一种探测灵敏度高、体积小、结构简单、驱动容易、成本低的压电陶瓷切变力传感器。

为达到上述目的，本实用新型采用技术方案是：压电陶瓷片的下表面电极为接地的公共电极，光纤探针粘附在压电陶瓷片的上表面电极上。

本实用新型的压电陶瓷片的上表面电极沿中心线刻分成振动激励电极和振幅检测电极。

本实用新型的振动激励电极上连接有输入导线，振幅检测电极上连接有输出导线。

在切变力调控系统中，针尖-样品之间的切变力很小(纳牛量级)，这样小的力要对谐振的压电探测器起作用，要求压电探测器的质量小、Q值大，压电探测器的质量越小、Q值越大，探测灵敏度也就越高。我们采用的这种同一块条形压电片驱动、探测的薄片结构，可以使探测系统的总质量尽可能的小，提高了探测灵敏度和分辨率，而且可以避免在对质地柔软的样品测试时造成对样品的损伤。系统中使用的压电片用普通的压电蜂鸣器片磨制而成。该压电蜂鸣器材料具有以下几个优点：1机电耦和系数比较大，便于激励，输出信号大；2易于加工(薄片状，很容易加工成要求的形状)；3材料来源广泛，价格低廉。因此，这样的设计不仅探测灵敏度高，而且具有体积小、驱动容易(2mv)、结构简单和价格低廉的特点。

附图为本实用新型的结构原理图。

下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见附图，压电陶瓷片的下表面电极1为接地的公共电极，在压电陶瓷片的上表面电极2上粘附有光纤探针7，压电陶瓷片的上表面电极2沿中心线刻分成振动激励电极3和振幅检测电极4，振动激励电极3上连接有输入导线5，通过导线5接激励信号，振动激励电极3用于驱动，通过导线5施加谐振频率振荡源进行激励，驱动光纤探针7的针尖沿着平行于样品表面的方向振动，在振幅检测电极4上连接有输出导线6，振幅检测电极4利用压电效应作为光纤探针7的振幅传感器，通过输出导线6输出一个与振荡源同频率的交流信号。当光纤探针7的针尖接近样品表面时，相互作用力使得系统的Q值降低，振幅减小，压电传感部分的输出也随之减小。检测输出导线6的信号幅度通过负反馈回路来控制光纤探针7的针尖到样品的距离。

发明人给出了本实用新型的第一个实施例：将市售的压电蜂鸣器片磨制成长条型，再用刻刀将上表面银电极(压电陶瓷片的上表面电极2)沿中轴线刻分成振动激励电极3和振幅检测电极4，压电陶瓷片的下表面电极1接地，振动激励电极3通过导线5接激励信号，光纤探针粘附在振幅检测电极4上，振幅检测电极4连接有输出导线6，振幅检测电极4将光纤探针振动的振幅信号通过压电效应转换为电压信号后通过输出导线6输出。

发明人给出了本实用新型的第二个实施例：将市售的压电蜂鸣器片磨制成长条型，再用刻刀将上表面银电极(压电陶瓷片的上表面电极2)沿中轴线刻分成振动激励电极3和振幅检测电极4，压电陶瓷片的下表面电极1接地，振动激励电极3通过导线5接激励信号，光纤探针粘附在振动激励电极3上，振幅检测电极4连接有输出导线6，振幅检测电极4将光纤探针振动的振幅信号通过压电效应转换为电压信号后通过输出导线6输出。