扫描器的非线性对比.doc

由于压电扫描器的迟滞性、蠕变性等特性的影响导致压电扫描器出现非线性特性，使得扫描器的位移与所加的驱动电压不成线性关系，即当给压电扫描器施加等间距的电压时，压电陶瓷将产生非等间距的伸缩，尤其在高电压的驱动下，这种现象更为明显。此外，压电扫描器的位移不仅与所加电压的大小有关，而且与加载电压的历史有关，即电压升和电压降的过程不同，如图1所示。 压电扫描器的非线性特性将导致两个严重的后果： 扫描图像出现扭曲和失真，不能反映出扫描样品的真实形貌； 扫描图像的标定误差将增大，不能反映出扫描样品的真实尺寸，使测量结果失去可靠性。 因此，在压电扫描器的使用过程中，必须对其进行非线性校正。校正的方法一般而言有三种：开环控制，闭环控制，离线校正处理。我司采用先进的非线性校正技术，在扫描器的全量程范围和任意扫描角度下有效消除非线性导致的图像扭曲和失真，并且实现高精度的标定，达到国内领先水平。 为了更好的说明非线性校正技术，在非线校正前和校正后，使用我司生产的AJ-III型AFM扫描校正参照样品。校正参照样品采用NT-MDT公司生产的TGQ1光栅样品。其形状、尺寸如图2所示。 图3为大范围扫描时，矫正前后扫描图像的对比。从图中可以看出，为校正时，扫描图像中等间距的特征点不仅表现得疏密不一致，若且特征点的形状也发生了扭曲变形。校正之后，整幅图像中，特征点之间间距均匀，形状一致，符合样品的真实形貌。并且对图像进行了标定，可以对任意两点的距离进行精确测量。 图4为大范围扫描时，矫正前后扫描图像的对比。当扫描范围变化之后， 图6为非正交的压电扫描器的扫描图像，对于单管式压电扫描器而言，由于结构上的特点，使得其在加工过程中不可避免地产生外壁电极分割不均匀和管壁厚度不均匀等问题，这样就使得X与Y向电压驱使的运动不能精确正交，最终导致扫描出来的图像也出现扭曲。我司在严格控制压电扫描器的制备工艺的基础上，对扫描器的非正交性也实现了校正。如图6所示。 图1 压电陶瓷的非线性特性 图2 参照样品的形状与尺寸示意图 图3 大范围时的扫描图像 左：未正交 右：校正后 图5 小范围时的扫描图像 左：未正交 右：校正后 图4 大范围时的扫描图像 左：未正交 右：校正后 图6 扫描图像的正交性校正 左：未校正 右：校正后