（凝聚态物理专业论文）低温扫描隧道显微镜部分电子电路的研制.pdf

摘要 扫描隧道显微镜由于能够探测导电固体表面附近的局域电子态结构，以及 得到原子级分辨率的样品表面形貌，而在凝聚态物理学和材料科学研究中得到 了广泛的应用。本论文的主要目的，是设计和搭建一套用于低温扫描隧道显微镜 的控制电路。 这套电路系统主要包括：( 1 ) 高压电路单元，分别提供线性压电步进电机和 压电陶瓷扫描管所需的高压源，前者用于扫描针尖位置的粗调，后者用于细调； ( 2 ) 线性压电步进电机的控制电路；( 3 ) 隧道电流前置放大单元，用于将隧道电 流转换并放大成合适大小的电压信号；( 4 ) 反馈控制单元，由数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 实现，对来自前放的信号进行处理并控制扫描 驱动电路。 高压驱动电路主要功能元件是a p e x 公司的高精度集成高压运放p a 9 7 ，通 过细致地分析设计，使得高压信号输出噪声小于5 m v ，达到对压电扫描管运动 控制的精度要求。扫描隧道显微镜的粗调定位器使用一种结构紧凑、控制方便， 并可工作于液氦低温环境的压电陶瓷步进电机。扫描隧道显微镜的隧道电流一 般约为o 0 1 n a - 5 0 n a ，对这么小的电流信号进行处理，前置电流放大器的性能 好坏至关重要，本文在前放单元的设计中，详细分析影响隧道电流放大电路性 能的各种因素，如元件选用、接地、电磁屏蔽等。我们使用加拿大s i g n a lr a n g e r 公司的集成d s p 电路板卡，并对其电路进行扩展，来实现反馈及控制。 本文对这几个部分的设计和制作做了详细的分析和介绍，并对制作过程中 存在的问题进行讨论。 关键词：扫描隧道显微镜，电子电路系统，运算放大器，数字信号处理器 t h ed e s i g no ft h ee l e c t r o n i cs y s t e mf o r al o w - t e m p e r a t u r es c a n n i n gt u n n e l i n gm i c o r o s c o p e a b s t r a c t s c a n n i n gt u n n e li n gm i c r o s c o p e ( s t m ) c a nb e u s e dt oo b t a i nt h e r e a l s p a c et o p o g r a p h yo fa t o m sa tt h es u r f a c eo fac o n d u c t i n gm a t e r i a l ， a sw e lla st h ee n e r g ys t a t e so fn e a r b ye le c t r o n s 。i tn o wb e c c o m e sa p o w e r f u lt o o li nt h er e s e a r c ho fc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c sa n dm a t e r i a l s c l e n c e t h ep r e s e n tt h e s i sa i m sa tt h ed e s i g na n db u i l d i n go ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o li n gs y s t e mf o ral o w t e m p e r a t u r es t mt h a tw ep l a nt od e v e l o p t h e s y s t e mi n c l u d e s ：( 1 ) t h eh i g h v o l t a g es o u r c ef o rt h ep i e z o m o t o ra n dt h e p i e z o t u b e 。t h ep i e z o m o t o rc o n t r o l st h ec o a r s ep o s i t i o na d j u s t m e n to ft h e s t mt i p ，w h i l et h ef i n ea d j u s t m e n to ft h el a t t e ri s r e a l i z e db yt h e p i e z o t u b e ：( 2 ) t h ec o n t r o li n gc i r c u ito ft h e p i e z o m o t o r ；( 3 ) t h e p r e a m p l i f i e ro ft h et u n n e l i n gc u r r e n t ，w h i c ht r a n s f o r m st h es m a l i t u n n e l i n gc u r r e n tt oav o l t a g es i g n a lo fs u i t a b l el e v e l ：( 4 ) t h ef e e d b a c k a n dd s pu n i t s t h ek e yc o m p o n e n to ft h eh i g h v o l t a g es o u r c ec i r c u i ti sp a 9 7 f r o m a p e x t h r o u g hc a r e f u ld e s i g n ，t h i su n i tc a na c h i e v ead e s i r e dn o i s el e v e l l o w e rt h a n5m y t y p i c a l l yt u n n e lc u r r e n ti sa b o u t0 o l n at o5 0 n a c a r e f u l a n a l y s i sh a sb e e nm a d et oe n s u r et h en o i s eo ft h eo u t p u tv o l t a g es i g n a l t oa na c c e p t a b l el e v e l f i n a l l yt h ef e e d b a c kc o n t r o lu n i ti s d i s c u s s e d i i a n di t i sr e a l i z e dd i g i t a l l yb yd s p i nt h i sm a s t e rt h e s i s ，t h ed e s i g no fm o s to ft h e s ec i r c u i t si s d e s c r i b e da n ds o m ep r o b l e m sa r ed is c u s s e d k e y w o r d s ：s t m ，e l e c t r o n i cs y s t e m ，a m p l i f i e r ，d s p i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 蟹囊巨 指导教师签名：蕴錾噬 2 哆年月- 日2 一彦年占月工日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：癸爰民 加岁年歹月佗日 第一章引言 第一章引言 研究物质的表面结构是凝聚态物理学和其他相关学科所关心的一个重要课 题。1 9 8 2 年，i b m 苏黎世实验室的g e r db i n n i g 和h e i n r i c hr o h r e r 及其同事 成功研制了世界上第一台扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ， 简称s t m ) 。扫描隧道显微镜不仅能直接获得样品表面实空间原子级分辨率的 结构图像，而且能反映物体表面的三维信息，它为物质的表面结构研究开创了 一个崭新的局面堙，已成为凝聚态物理、化学、生物、材料等实验研究中极其有 力的工具。由于s t m 在各个研究领域中的重要性以及它所取得的重要成就，1 9 8 6 年，s t m 的发明者g e r db i n n i g 和h e i n r i c hr o h r e r 被授予诺贝尔物理学奖。 本章将简要介绍s t m 的工作原理、工作模式和基本结构，并对s t m 的发 展、应用和局限做一简单的讨论。 1 1s t m 原理 在量子力学中，如图1 1 所示，能量为e 的电子穿透厚度为z o 的势垒区 的几率p 为： p o ce - 2 ( 1 1 ) 其中七：止竺! 坠二旦。 z o z 图l - l 势垒隧穿示意图 扫描隧道显微镜的基本原理就是建立在被真空势垒所隔开的针尖和样品之 第一章引言 间的电子隧穿效应的基础之上。如图1 2 所示【2 】，金属表面的功函数定义为一 个电子从体内跃迁到真空能级所需要的最低能量( 表1 1 显示了几种材料的功 函数典型值) 。忽略热激发时，金属中费米能级e f 是占有态的上限。假设针尖 与样品的功函数相同，样品中的电子可隧穿进入针尖，同样，针尖中的电子也 可隧穿入样品；没有加偏压时，不存在净的隧道电流。 真空能级 圈 n e i 圆 l i 八r 旷够 主f ：一：a ：7 t e v 粪| 缓 荔 势# 么。耽掘潮。彩j 磊荔僦。j ，i ；j ，聋缓 z = 0z = s 圈1 - 2 一维的金属一冥空- 金属隧道结( 左边样品与右边的针尖模型) 在样品和针尖之间加上偏压v 时，样明i s l 上日匕p _ , 量处于e f p y 与脚之间的电 子有一定的几率隧穿进入针尖，出现净的隧道电流。假定e v ，则所有可 能的态能级十分接近费米能级，即e 一( 取真空能级作为能量参考点) 。第 n 个态中的电子出现在针尖表面z = w 处的几率p 为： 尸0 ( 2i ( o ) 弦2 ( 1 2 ) 其中k - - 三竺是势垒区接近费米能级的样品态衰减常数。如果功函数以 e v 为单位，衰减常数以a 1 为单位，则r 的数值为：r = o 5 l 丽a 。 2 第一章引言 元素a l a uc uhn ip t s iw 由| e v4 15 44 65 65 25 74 84 8 表1 1 功函数的典型值【2 i 针尖和样品之间隧道电流的大小依赖于针尖与样品之间的距离、偏压大小 及针尖与样品的表面局域电子态密度( l d o s ) 口4 1 。在合理的近似下，隧道电流 的大小可用下式表示心1 ： i y 肛( o ，廓) e 。2 棚 ( 1 3 ) 式中，v 为针尖与样品之间的偏压，n 是表面局域电子态密度。功函数的典型 。一l 值4 e v ，这就给出了衰减常数的典型值为r 1 a 。例如：如果针尖样品 间距改变1 a ，则隧道电流变化7 4 倍。 从( 1 - 3 ) 式中可以看出，随着针尖与样品之间的距离的减小，隧道电流成 指数增大。隧道电流对针尖样品之间的距离变化非常敏感。扫描隧道显微镜的 探针在样品表面上方足够近的距离内作扫描运动，则隧道电流的变化就反映了 样品表面的“形貌，且能达到极高的分辨率。 1 2s t i d 工作模式 在观测样品的表面形貌时，s t m 一般有两种工作模式：恒流模式和恒高模式。 恒流模式：由( 1 3 ) 式知，隧道电流与针尖一样品间距成指数关系。可以 通过一个反馈回路系统调节探针的运动来控制针尖一样品间距以保持隧道电流 不变。当探针在平行于样品表面的x 、y 方向进行扫描时，探针在垂直于样品表 面方向上高低的变化就反映了样品表面形貌的起伏变化。恒流模式能避免针尖 与样品的碰撞，适合于观察表面形貌起伏较大的样品。但其扫描速度受到反馈 回路响应时间的限制。 第一章引言 恒高模式：扫描探针在x 、y 方向扫描时保持针尖高度不变( 即z 方向位置不 变) ，则变化的隧道电流包含了样品表面形貌的信息。恒高模式下，探针能够以 很快的速度进行扫描，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但要求样品表面 必须很平坦( 一般起伏不能大于l n m ) ；否则，针尖容易和样品碰撞而造成损坏。 利用s t m 还可以进行扫描隧道谱( s c a n n i n gt u n n e l i n gs p e c t r o s c o p y ，简 称s t s ) 的研究。由( 1 3 ) 式可以看出，肛和的变化同样影响隧道电流的变 化。肛包含了样品局域电子态密度等方面的重要信息。当使针尖位置固定时， 可通过改变加在针尖与样品之间的偏压的大小而得到隧道电流及隧道电导随偏 压的关系( 即卜岫线和以刀卜恼线) ，便可获得有关样品表面电子结构的信息。 利用隧道电流对针尖一样品间距的依赖关系可测量功函数瞳1 。由( 1 3 ) 式可 得： ：旦r 型1 2 0 9 5 ( d 掣1 2 ( 1 4 ) 8 mkd w d w 实验上，通过改变针尖一样品的间距可以方便的测的这个量。所测得到的数值往 往随间距而不同，( 1 4 ) 式就是表观势垒高度的定义。 1 3s t m 基本结构 一般扫描隧道显微镜的基本结构包括：扫描体、步进电机( 粗进针调节) 、 电子学系统、数据采集系统和相应的软件系统。扫描体包括压电陶瓷扫描管、 探针和样品。电子学系统包括扫描控制器、步进电机控制器、信号反馈系统和 偏压设置单元等。 s t m 工作运行的原理框图如图1 - 3 所示。主机发出命令给控制系统( d s p ) ， 控制系统输出扫描信号，通过高压p z t 驱动电路控制s t m 探针在x - y 方向上进 行扫描；针尖与样品间的隧道电流经过前置放大器便为电压信号，然后通过反 4 第一章引言 馈系统后可得控制压电扫描管z 方向运动的电压信号，从而控制针尖和样品之 间的距离，使隧道电流保持恒定。利用计算机采集隧道电流或者扫描器z 轴电 压的变化，经过处理即可得到样品表面的形貌图像。 图卜3s t m 原理框图 此外，有效的震动隔离系统是s t m 达到原子分辨率所必不可少的前提条 件。由于s t m 像的典型起伏约为0 0 1 n m ，所以外界振动的干扰必须降低到 0 0 0 l n m 1 2 1 ，或l p m 以下。s t m 通常采用多级减震措施【2 1 ，如悬挂弹簧、充气 的减震平台、合成橡胶缓冲垫、沙箱。晟近中科院物理研究所陈东敏研究小组 还发明一种新的主动式减震系统1 5j ，也是一种非常有效的减震措施。 s t m 可以工作在各种环境下，例如空气、真空、液体等。对于高真空( u h v ) s t m ，高真空系统是必需的。对于低温s t m ，则要有低温杜瓦等。 1 4s t y 的发展、应用和局限 扫描隧道显微学的发展非常迅速。自从1 9 8 1 年第一台s t m 被发明以来， 各国科学家又在s t m 原理的基础上发明了一系列新型显微镜，它们包括：原子 第一章引言 力显微镜( a f m ) 【6 】，磁力显微镜( m f m ) ，静电力显微镜，扫描热显微镜等等， 统称为扫描探针显微镜( s a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，简称s p m ) 。而各种具 有不同特色的s t m ，如双探针s t m f 一、强磁场s t m 等，也不断的出现，得以 发展。 在应用方面，s t m 可以用来研究和显示表面晶格有序结构，比如：1 9 8 3 年g b i n n i g ，h r o h r o r 等人最早观察nts i ( 111 ) 表面7 x 7 原子排列【9 】，19 8 7 年h a l l m a r k 等人报道了s t m 获得a u ( 1 11 ) 表面的原子分辨犁1 0 1 ，而到了19 8 9 年，w s i i 等人又发表了s t m 分辨出再构a u ( 1 1 1 ) 表面的原子结构【1 1 1 ，首次演示 了s t m 能确定金属表面个别原子的位置。s t m 还可以被用来研究金属表面晶 格缺陷，研究非周期结构等。s t m 能够观察局域结构乃至原子的细节成像，使 它成为研究动态过程比如成核现象、薄膜生长及晶体生长的理想工具。s t m 另 一个重要的应用是操纵单个原子，对加工制作原子尺度的量子器件有一定的应 用前景。s t m 在凝聚态物理上的应用还包括超导体局域隧道谱的研究、电荷密 度波的探测等。在电化学方面，s t m 对浸没在电解液中固体表面成像的实现为 电化学研究开辟了一条新的道路。在生物学方面，用s t m 或a f m 已得到d n a 、 生物膜、氨基酸以及血液凝结过程的图像【2 】。 尽管扫描隧道显微镜( s t m ) 有着其他一些仪器所不能比拟的诸多优点，但由 于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。s t m 的局限性主要表 现在以下几个方面： 1 扫描隧道显微镜对样品表面某些细节结构的探测不够精确。图1 - 4 是对 铂超细粉末的一个研究实例【1 2 】，可以看出，s t m 图像没有反映出来p t 粒子之间 的沟槽。 2 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性。1 9 8 6 年研 制成功的a f m 可以弥补扫描隧道显微镜( s t m ) 这方面的不足。 3 经典隧道结实验中，隧道结是面接触或线接触( 如图卜5 【”】) ，观测到 6 第章引言 的隧道谱是一种平均效应。而在s t m 进行隧道谱测量时，隧道结是点接触，测 量时要求样品表面非常二f 净；而实际上样品表面很容易受到其他的原子的污染， 因而会得到许多非本质的测量数据。 l - 一2 n m 斗n m 一 碳基底 图1 - 4s t m 恒流模式观测超细金属微粒( p t c 样品) n 3 1 壤叛 袭瑰褫l 乞钩麓蟹飘 t 稿，纷荔走滋糍瑷绉 物唿薅 豹弛缓 魄漉辍魄缓喀i 缝 协) 耢蟹锈 图卜5 典型的弱连接超导体( 摘自文献 1 3 1 ) 1 5 本论文的工构想和主要内容 劈 i 细 箨 目前虽然有一些公司制造和出售s t m 及其零件，其中包括美国维易科精密 仪器有限公司( v e e c o ) ，德国h a l s y o n i c s 公司，日本精工( s i i n t ) ，美国q u a n t u m 7 第一章引言 d e s i g n 等，国内的公司的有上海爱建纳米科技公司等。但多数商业s t m 价格昂 贵，且功能单一，并不能满足某些科学实验研究的需要。因而国内外的多数实 验室均自己搭建或与其他实验小组合作搭建满足自身实验需要的s t m 系统。 b i n n i g 等人建立s t m 的原始想法是在直径小于1 0 0 h 的面积内实现局域的隧 道谱的测量n 1 。类似的，我们计划搭建的这套低温s t m 系统的目的是测量几种金 属薄膜在低温环境下的隧道谱。 衄d _ kl t m i d o ，” n ， 陟 叠r i 膏r i u s 蕾 侈x li l n p c s r d 禽i p n ， ili ：= ： b 州 沙y o a m m t e a 4 - d 除tn ， 沙 驯a 二i ，k ( p i + i v 司 i 别 t ，i l c m t母 m ，臼 p f + i 玎 。 s b + 3 丫 肼a 陟 图l - 5 扫描隧道显微镜的电路框图 本文介绍的扫描隧道显微镜的电路总体框图如图1 - 5 所示。本文作为这套 s t m 的电子电路部分，包含有以下几个方面的内容： 第二章介绍压电陶瓷扫描管高压驱动电路和压电步进电机( s t e p p e r ) 控制 电路。高压驱动电路提供加在压电陶瓷上的电压，用于进针的细调运动的控制。 s t e p p e r 控制电路用于控制压电陶瓷步进电机，实现s t m 针尖的粗调。这一部 分对具体电路的原理和设计进行介绍，并对s t e p p e r 控制系统的原理进行讨论。 第三章是隧道电流前置放大单元，对电流放大器的原理进行简单介绍，并详细 8 第一章引言 分析在设计隧道电流前放过程中各种影响精度的因素。第四章介绍反馈控制单 元和数字信号处理器单元。最后对全文进行总结。 9 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计及制作 s t m 针尖的位置通过压电陶瓷扫描管的形变来进行细调节，可以说，压电扫 描管的使用是s t m 能够被研制成功的一个重要因素。s t m 的另一个重要的部件是 粗调定位器，一般采用压电陶瓷步进电机( p i e z o m o t o r ) 实现。压电扫描管和 粗调定位器协同工作共同实现s t m 针尖的运动。如图2 - 0 所示，粗调定位器上 装载压电扫描管，而扫描探针装在压电扫描管上，首先由粗调定位器使探针靠 近样品表面，然后压电扫描管带动探针在样品表面进行扫描。粗调定位器步进 移动的典型值一般是零点几个微米【2 】，超过用于控制针尖细调运动的压电陶瓷 扫描器的全程。粗调定位器的设计和制作有很多种方法，我们采用一种结构紧 凑、可工作在低温环境，且控制较为简单的步进电机( s t e p p e r ) 。本章对压电 扫描管的高压驱动电路、压电陶瓷步进电机的步进原理及其驱动电路的设计都 进行详细的介绍和分析。 粗 探针 图2 - 0s t m 探针示意图 2 1 压电陶瓷扫描管和高压p z t 驱动电路的设计 2 1 1 压电陶瓷扫描管 晟早用于s t m 的是三脚架压电扫描器( 如图2 - 1 ) 。三脚架扫描器由三个独 1 0 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 立的压电陶瓷棒组合在一起做成，x 、y 、z 方向的位移分别由三个压电陶瓷棒完 成。b i n n i g 和s m i t h 在1 9 8 6 年发明了管形扫描器【1 4 1 ( 压电陶瓷扫描管) ，它 由一根单独的压电陶瓷管构成，相对于三角架压电扫描器，其结构简单紧凑， 具有高的压电常数，以及高的共振频率，因而在被发明之后，立即成为占支配 地位的s t m 扫描器。这- d , 节主要对管形扫描器做一介绍。 图2 - 1 三角架( t r i p o d ) 扫描器：三条p z t 棒分别控制x 、1 和z 位移；针尖安装在三角架的角顶【2 j 管形扫描器如图2 2 所示，由p z t ( 锆钛酸铅陶瓷) 做成的管子，在其内、 外表面做上金属涂层，按径向极化；将外壁金属涂层分隔成如图四个象限，分 别为x + 、y + 、x 一、y 一四个电极；内壁金属涂层是z 电极。x + 和x 一关于扫描管 的中心轴线对称，y + 和y 一亦然。扫描探针安装在管形扫描器的顶端。当在x + 和x 一电极上施加大小相同、方向相反的电压时，扫描管的x + 和x 一两部分会随 外加电压的大小分别近似线性伸长和缩短，从而引起扫描管在x 方向的偏转， 实现了沿x 方向的扫描运动。扫描管z 方向的运动通过控制z 电极的电压实现。 z 电极的电压在恒流模式时由反馈系统控制。 z y 图2 - 2 管形扫描器b i n n i g 和s m i t h 的原始设计【1 4 1 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 图2 - 3 管形扫描器的偏转乜1 简单分析一下压电扫描管在对称电压模式下的偏移。如图2 - 3 所示，两个 大小相同、方向相反的电压加在2 个y 象限上，内部金属涂层和2 个x 象限接 地。经过合理的近似分析( 详细的分析推倒过程可见文献 2 ，2 1 8 2 2 0 页) ，压 电常数的理论公式为： k 淳立：2 , 2 d 3 , l 2 ( 2 1 ) 7 d z d h 式中，d 。是压电陶瓷的压电系数，定义为应变分量与所加电场强度分量之 比( 3 表示z 方向，1 表示x 方向) ；l 是管长，d 是管的直径，h 是管子的厚度。 我们使用的管形扫描器由中科院物理研究所量子结构中心的梁学锦老师提 供，其长1 2 5 m m 、直径1 2 5 r a m 、壁厚0 2 2 r a m ，允许施加的静态电压是3 0 0 v 。为 了获得原子分辨的s t m 图像，理论上应保证施加的扫描电压的噪声小于2 m v n 5 1 。 对压电陶瓷扫描管，若采用p z t 一4 d 型压电陶瓷，其d 3 , = - 1 3 5 a v 羽，下面 进行简单的理论计算，分析及讨论s t m 达到原子分辨的压电陶瓷扫描管驱动电 压所需精度： ( 1 ) b i n n i g 和s m i t h 的原始设计1 们( 1 9 8 6 年) ，l = 1 2 7 m m ，d = 6 3 5 m m ， 1 2 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 h = 0 5 1 r a m ，由( 2 1 ) 式可计算得出k 6 0m v ，与文 1 4 所给值5 0a v 接近。 如果电压噪声为2 m y ，则y 向分辨率约为6 0 * 0 0 0 2 = 0 1 2 a ，远小于0 1 n m ，满足 s t m 达到原子分辨所需的压电陶瓷扫描管驱动电压精度要求。 ( 2 ) 长1 2 5 m m 、直径1 2 5 m m 、壁厚0 2 2 m m ，则计算得：k ，6 9 0 a v 。这 个值过大，原因是：若电压噪声为2 m v ，则y 向分辨率约为6 9 0 * 0 0 0 2 = 1 3 8 a ， 接近0 1 n m 。而一般s t mx 、y 的分辨率要求0 1 n m ，即1 a ，所以改变扫描管尺 寸就可以满足s t m 达到原子分辨所需的压电陶瓷扫描管驱动电压精度要求。 2 1 2 高压驱动电路的设计 高压驱动电路的作用是提供可以控制的大电压信号，用来加到压电陶瓷上， 使压电陶瓷产生形变，从而带动针尖移动。根据使用要求和压电陶瓷管的性能 特征，对这一电路的要求： 1 至少有6 路输出，分别是：x + 、x 一、y + 、y 一、z 和提供给s t e p p e r 驱动 ( 后面一节将要讲到) 的一路； 2 扫描驱动输出电压的噪声小于5 m v ，提供给s t e p p e r 驱动的那一路噪声 可以稍微大一点，一般不应超过1 0 m v 。前一小节给出的2 m v 噪声只是p z t - 4 d 理论上的计算结果，实际上由于各种因素的影响，管子d 3 1 小于前面所给的值， 我们的高压驱动信号达到噪声小于5 m v 就满足精度需要。 3 截至频率：z 方向是1 0 k h z ，x 、y 方向是l k h z ，s t e p p e r 驱动是1 0 k h z 。 由于压电扫描管垂直于管子轴向的最小共振频率约是8 k h z ，平行于管子轴向的 最小共振频率约4 0 k h 1 4 1 ( 我们要使用的压电扫描管共振频率会有所差别) ，压 电扫描管驱动信号的截至频率应该小于管子的共振频率，使得压电扫描管工作 在稳定的状态。另外由于扫描时在压电扫描管x y 方向所加电压为三角波，而三 角波的傅立叶级数必然包含高频成分，但是驱动电路x 、y 方向的截至频率是 l k h z ，会滤掉高频成分，使得三角波的尖角变钝，但并不会过分的影响其扫描 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 范围，因而可以折衷考虑。由于在恒流模式时扫描管z 方向需要很高的响应速 度，因此z 方向驱动电压的截至频率要较高。 4 动态量程：x 、y 方向i o o v ，z 方向4 0 v ，s t e p p e r 2 0 0 v 。我们的使用的 d s p 电路板( 第四章会详细介绍) 上的d a c 是1 5 位，当动态量程是i o o v 时，最 小分辨率是l o o v 2 1 5 = 3 m y ，小于5 m y ，可以满足第2 点的要求。 在上面讨论的基础上，为了增加输出电压的动态范围而不降低电压分辨率， 我们参考文献 1 6 的方法，对管形扫描器每个方向均采用两个电压信号( o f f s e t 和f i n e ) 相加而得到，如图2 - 4 所示。具体设计是这样：以x 为例，有两路控 制信号由d s p 电路板输出，这两路控制信号通过加法器按照不同比例放大相加， 成为一个高压输出信号，同时经由一个反向跟随器，这就得到大小相同、符号 相反的+ x 、一x 两路输出扫描电压。而两路输入控制信号，一路为o f f s e t ，一路 为f i n e ，共同调节+ x 、一x 输出大小，也即扫描范围。o f f s e t 控制输出的范围相 对较大，用来选择合适的扫描范围。当扫描范围选定后，o f f s e t 信号固定不变 ( 这一点很重要) ，而由f i n e 控制在小范围内的扫描。这样做的好处非常明显， 因为d a c ( 数字模拟转换) 的位数一定( 我们使用的是1 5 b i t ) ，若其对应的动 态范围越大，则其误差越大。f i n e 控制可将相对扫描范围设置的非常小，理论 上提高了分辨率。 图2 - 4 相对坐标系：o f f s e t 和f i n e 共同确定扫描范围 1 4 第二嚣压f u 扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 我们的电路原理图见附录a 的图l 和图2 。图l 是压电陶瓷扫描管前级放大 电路原理图，图中只给出x 向的电路，y 向和z 向的电路原理与x 向的类似。d a o 是o f f s e t 控制信号，确定扫描位置；d a 3 是f i n e 控制信号，确定扫描的动态范 围。当控制信号d a o 和d a 3 进入时，利用反向求和运算电路得到x + 控制信号， 再由反向电压跟随器，得到x 一。得到x + 和x 一后，再分别进行高压放大( 附录a ： 图2 ) ，就得到扫描管x 向的驱动电压信号。 2 2粗调定位器：压电陶瓷步进电机 粗调定位器的设计方法有很多种，本文只介绍我们要使用的压电陶瓷步进 电机。压电陶瓷步进电机的作用是粗调节样品与针尖的相对距离，在样品和针 尖之间的距离相对较大时( 未产生隧道电流时) ，步进电机使针尖靠近样品直到 产生隧道电流。 图2 - 5 是压电陶瓷步进电机的示意图。步进电机的两边各有一组导轨，导 轨是由白宝石棒平行排列固定而成。步进电机共有三条机械腿，每一条机械腿 都是由一根压电陶瓷管构成，在压电陶瓷管的一端，固定有一个玛瑙球。机械 幽2 - 5 胜l u 陶瓷步进l 1 机示意图 腿有玛瑙球的一端紧压在导轨中。当给压电陶瓷加上电压时，机械腿在导轨方 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 向发生偏转；当给三个机械腿按照一定的次序加电压时，就可以实现步进电机 的运动。 步进电机的工作原理如图2 6 所示。我们知道，对压电陶瓷加电压时， 其形变公式为： a l ：d 3 y l ( 2 2 ) w 其中a 5 l 是压电系数，矿是所加电压，是压电陶瓷管的长度，w 是管的厚度。 在未加电压时，如图2 6a 所示，三条压电陶瓷腿均处于初始状态。然后， 如图2 6b ，给三条腿同时加上电压，三条腿会同时伸长，使得步进电机中 间主体向前移动一定位置。然后按照图c 、d 顺序，依次撤掉a 腿、b 腿和c 腿的电压，在这个过程中，步进电机的中间主体由于总有两个腿支撑而保持 不动。最后，当三条腿的电压全部撤掉之后，步进电机完成了前进一步的过 程，而且三条腿也恢复到a 所示的状态，可以进行下一步的进动。重复这个 过程，步进电机就能完成一步步的进动。每一步的大小和所加的电压大小有 关，方向和所加电压正负有关。 - 来加魂菇对 。壅 b p 董 b 加电压时 霾盐霞 c 其撤博飓罡的电压盾da 凝和哮履约龟匿都撒摊磁 图2 - 6 步进电机的工作原理 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 步进电机所加驱动电压的波形如图2 7 所示。前进一步的波形顺序是：首 先，步进电机的三条压电陶瓷腿上的驱动电压“缓慢 由0 变为v o ，然后腿a 、 腿b 、腿c 上的驱动电压分别在t a 、t b 、t c 时刻快速撤掉，变为o 。这个过程对 应图2 - 6 的过程。步进电机后退时所加的驱动电压符号与前进一步时相反，而加 电压的顺序相同。 0 t lt at bl c t 前进步豹驱动电压渡彤 图2 - 7 步进电机驱动电压波形一 步进电机驱动除了上面介绍的这种方式外，还可以采用图2 - 8 所示的方式。 这种驱动方式同样可以实现步进电机的前进与后退，原理相同。 0 纽白幻t l纫 后退步的驱动电压拔形 lv l a 电t ct l t 2 t 。 ； 7 ii i iii ii| ill ii | |i i ii矿 图2 8 步进电机驱动电压波形二 1 7 第二章压电扣描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 当采用图2 7 的波形进针时，在t 。时刻，粗调进位器压电陶瓷步进电机的 三条腿上均加上了电压，带动细调节针尖位置的压电扫描管向前走了一步( 如 图2 一o 所示) ，此时再将压电扫描管伸长至最大，探测是否有隧道电流；如果没 有，仍需进针时，先将扫描管缩回至最小( 防止下一步粗进针时撞针) ，再分别 释放步进电机三个腿上的电压，为下一步粗调步进做好准备。释放步进电机腿 上电压时，将不可避免的引起探针的震荡，而由于压电扫描管此时处于缩回状 态，探针有一定的的缓冲距离，将大大减小撞针的可能性。 当采用图2 8 的波形进针时，在t a 以前，先将细调节针尖位置的压电扫描 管伸长至最大，探测是否有隧道电流，如果没有，则仍需粗调进位器进针。此 时先将压电扫描管缩回至最小，然后按照图2 - 8 的波形对粗调定位器步进电机 的三条腿加电压，完成一步进针。这种方式比前一种方式更稳妥一些。因为开 始时刻的跳变电压，只能导致向后震荡，而电压的释放，即向前迈步，是缓慢 可控的，不会引发大的震荡。 2 3步进电机驱动电路的设计 由上一节我们知道，步进电机的三条机械腿均是压电陶瓷管构成，通过按 照一定次序给三条压电陶瓷管加电、去电可以实现步进电机的运动。步进电机 驱动电路主要作用是产生三路可以程控的电压信号，按照上一节所讲依次产生 步进波形，以驱动步进电机的进动。 步进电机驱动电路需要满足：1 可控的高压信号，用于加到步进电机的三 条由压电陶瓷管做成的机械腿上。2 可以程控的三路开关。可控的高压信号采 用与本章第一小节所给出的高压驱动相同的电路。首先，由d s p 板卡的一路模 拟输出提供可程控的信号，然后由高压运算放大器进行放大，就得到我们所需 的信号。而三路开关由d s p 板卡的数字口进行程序控制，器件选用光电耦合开 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 关集成电路。这样既能达到数字口控制模拟电路开关的目的，又使得数字电路 和模拟电路在电气上隔离，数字电路的噪声不至于引入到模拟电路。光电耦合 开关的原理如图2 - 9 所示。控制端是一个发光二极管。当控制端为正逻辑1 时， 发光二极管产生照射光，在另一侧的晶体管上产生光激励信号，通过一定的转 变，而使得模拟端导通。当控制端为正逻辑o 时，模拟端不导通。 c a t h o d 9 d r a i n a c ，o c d r a 确 图2 - 9 光电耦合继电器 这里感谢中科院物理研究所的梁学锦老师，我们这个电路是在他指导下完 成的。 2 4 电路测试分析 这里只对高压驱动电路进行直流和交流精度进行测试。由于时间有限，对 s t e p p e r 驱动电路只进行了功能测试，证明其能够产生我们所需的驱动波形，但 未对其精度及稳定性进行测试，这些留待以后的工作完成。 对p a 9 7 高压放大电路的测试，我们使用两个k e i t h l e y 2 4 0 0 高精度直流 电源供电，用多功能测量仪器k e i t h l e y 2 0 0 0 测量信号大小。图2 - 1 0 是p a 9 7 高压放大电路的直流测试。增益( g a i n ) 在输入电压较小时稍大，而在后面 的值比较稳定，这是由于p a 9 7 偏置电压在输出电流较小时对增益影响较大 引起的。 1 9 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 p a 9 7 的增益带宽积( g b p ：g a i nb a n w i d t hp r o d u c t ) 约为1 m ，转换速率 ( s r ：s l e w r a t e ) 是8 v 脚。理论上放大器的频率上限由g b p 和s r 共同决 定。设输出的电压是正弦波，峰值为v p ，增益是g ，则放大电路的带宽b 由下式决定： 按b i 冀 (23)sr 1 2 万b 圪 r 7 我们的电路增益为2 5 ，如果v p 小于3 0 0 v ，由( 2 3 ) 式可以计算出电路的带宽小 于4 2 5 k h z ；如果v p 小于2 0 0 v 时，则频率不能大于8 5 k h z ，如果v p 小于1 0 0 v ， 则带宽小于1 2 7 4 k h z 。这里以步进电机的驱动电路为例，分析其频率特性。压 电陶瓷步进电机驱动电路输出波形的周期约是l m s ，电压最大值是2 0 0 v 。由于 正弦波在v p 为2 0 0 v 时的3 d b 衰减频率是8 5 k h z 。因而，步进电机驱动波形的 方波棱角处会变得钝一些，但不会影响其功能。 步进电机驱动电路输出电压波形测试结果如下图： 第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计和制作 a 腿 b 腿 c 腿 图2 1 1s t e p p e r 驱动电压波形测试结果( 1 0 倍衰减) 2 1 第三章隧道电流前置放大单元的设计 第三章隧道电流前置放大单元的设计 扫描隧道显微镜中针尖与样品之间的隧道电流非常小，典型值是0 o l n h 到 5 0 n h 。隧道电流首先要经过前置电流放大器加以放大并转换成电压信号，以便 于后面电路的处理。由于隧道电流非常小，很容易被噪声信号干扰，因而设计 合理、性能优良的前置放大器成为扫描隧道显微镜获得成功的一个关键因素。 电流放大器的综合性能受到热噪声、杂散电容以及电子元件的特性等因素影响。 本章对电流放大器原理、在设计隧道电流放大器时需要注意的问题进行介绍和 分析，并给出我们隧道电流前置放大器的电路设计方案。 3 1 电流放大器 首先简单介绍一下电流信号源与电流输入前置放大器连接的等效电路，如 图3 - 1n 7 1 ，i s 是信号电流，z s 是电流信号源的内阻( 因为是电流源，z s 的值很 大) ，z i n 是电流放大器的输入阻抗。可以看出，只有z i n 远小于z s 时，i s 才 近似等于i s 。然后输入的信号电流经过变换，转变成电压信号v o 。 图3 - 1 电流信号源与电流放大器连接的等效电路 电流放大器有如图3 - 2 所示的两种基本的电路。一种如( a ) 是利用负反馈实 现电流的放大并转换成了电压信号。另一种如( b ) 是利用输入电阻将电流转换成 第三章隧道电流前置放大单元的设计 电压后再进行放大。 h 圪= 一亿。b ) 虚短，甜乍常小 “) 基于负反馈的宅漉输入放大器一 圪。玷q + 等 z 饼r c 西) 聋明j 输入耄阻将宅漉变换为电压后放大 图3 2 电流放大电路的原理图 首先讨论图3 - 2 中( b ) 的电路，电流流过电阻r c ，这样从信号源看进去，电 阻r c 就变成了负载，所以r c 的值必须远小于信号源输出电阻。但另一方面， 因为r c 用于将电流信号转变成电压信号，r c 的值又不能过小，否则转变后的电 压信号也过小，难以处理。因而对处理小电流信号，这种前置放大器并不合适。 图3 2 ( a ) 的电路，即使电流一电压转换电阻r f 的值增大，由于运算放大器 的“虚短”，仍然使得输入阻抗很小。因此能够实现高灵敏度、低噪声的电流输 入前置放大器。 我们对图3 - 2 ( a ) 的负反馈电流放大电路的噪声和信噪比进行分析。它的噪 声来源主要是反馈电阻的热噪声、输入电压噪声以及输入电流噪声。总的噪声 可以用公式表示如下： 圪。妇= ( ，2 黼。) 2 + 巳2 + ( 巧) 2 ( 3 1 ) 第三章隧道电流前置放大单元的设计 其中，n j o h n s o n 是反馈电阻r 的热噪声密度，已是集成运放的等效输入电压噪声 密度，j 。是等效输入电流噪声密度。棚= 4 七豫，岛和j 。是由运放本身决定。 一般热噪声在这里起主要作用；而我们知道，电流一电压变换增益与反馈电阻值 成正比，而反馈电阻上产生的热噪声与电阻值的平方根成正比。也就是说，当 热噪声在这里占支配地位时，反馈电阻的值越大越有利于提高信噪比s n 。不过， 由( 3 1 ) 式可知，当反馈电阻的值增大时，运算放大器的输入电流噪声l 的影响 也越来越大。当输入换算噪声电流值与反馈电阻的热噪声值相当时，就不可忽 略了，此时 r = 4 尼码 ( 3 2 ) 另外，当反馈电阻的值过大时，微小的输入电容、反馈电阻的浮游电容