低電壓自動步進器

步進器在穿隧電流顯微鏡中是相當重要的一個元件，在上一版本的手動步進 器，因為需要維持其相似三角形縮小比例關係機台有縮小下限，而且如果想設計 成對稱的圓形結構不僅會相當占體積大、成本昂貴而且相當浪費材料；而在操作 上手動步進器需要相當的熟練度才能穩定操作，否則相當容易撞針造成樣品的破 壞。

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為了操作更方便和縮小體積，我們嘗詴發展自動步進器，為了節省成本與維 持低電壓的設計，因此仍利用蜂鳴片來製作低電壓的步進器。在第二個章節介紹 了常見步進器種類，因為蜂鳴片形狀為扁帄狀，所以較難設計出 Inchworm stepper，

所以我們往 Slider stepper 方向去思考與研發。

首先我們在蜂鳴片黏上藍寶石棒，做為驅動步進器的驅動源，選用藍寶石棒 是因為它高絕緣且表面硬度高，不會因為步進器長期在上面滑動而造成磨損，如 圖 3.7。步進器的主體由兩個半圓柱形鋁合金元件組成，內側分別加工長方形軌 道與三角形軌道，如圖 3.8、3.9。

圖 3.7 藍寶石棒與蜂鳴片結合方式 圖 3.8 三角軌道步進元件

圖 3.9 長方形軌道步進元件

長方形軌道與三角形軌道的設計是為了夾住藍寶石棒時能保持有效的三線 接觸，這樣的接觸能使步進器在步進時與藍寶石的接面正向力能夠保持固定與均 勻，如圖 3.10。正向力的調整則是使用兩組彈簧藉由旋緊螺絲壓縮彈簧來達到調 整的效果，而其中加入的墊圈是為了使彈簧受力更均勻，部分挖空則是為了減輕 掃描器的重量如圖 3.11。

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圖 3.10 步進器元件與藍寶石棒接觸位置示意圖

圖 3.11 螺絲調整彈簧調整正向力

介紹完步進器硬體部分，接下來說明我們如何驅動此低電壓步進器。回顧其 工作原理是將蜂鳴片瞬間伸縮並結合慣性原理使裝置步進。當壓電陶瓷瞬間收縮 時，由於收縮力克服步進裝置與藍寶石棒之間的最大靜磨擦力(圖 3.12 a)，因此 步進裝置會因慣性保持不動，造成藍寶石棒相對步進裝置滑出一小段距離(圖 3.12 b)，接著慢慢回復壓電陶瓷至原本長度，此時因為回復力小於最大動磨擦力，

所以步進裝置相對藍寶石棒並無相對位移(圖 3.12 c)。當壓電材料回復至原長時，

步進裝置相較於收縮前往前了一小段距離(圖 3.12 d)，經過不斷的循環來實現往 前步進的功能。反之如果要往後步進，則是使壓電材料快速伸長，使藍寶石棒克 服其間的最大靜摩擦力，造成藍寶石棒滑入步進裝置內一小段距離，之後緩慢的 使壓電材料慢慢收縮回復置原本長度，達到往後步進的效果。

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a. b. c. d.

圖 3.12 步進器往前步進示意圖

由上說明我們驅動步進器電壓需要有使壓電材料急遽收縮和緩慢恢復兩個 區段，如圖 3.13a,3.13b。圖 3.13a 中前半段 I 區電壓急遽下降使壓電材料快速 收縮，此時滑動力克服最大靜磨擦力使藍寶石棒抽出步進裝置，當達到設定振幅 電壓後，開始緩慢回復電壓使藍寶石棒慢慢帶動步進器往上，回到電壓為零時，

藍寶石棒回復到原來的位置而步進器也被往上帶動；同理，圖 3.13b 中前半段 I 區電壓急遽上升使壓電材料快速伸長，此時滑動力克服最大靜磨擦力，與藍寶石 棒插入步進裝置，而達到設定振福電壓後，開始緩慢回復電壓使藍寶石棒慢慢帶 動步進器往下，回到電壓為零時，藍寶石棒回復到原來的位置而步進器也被往下 帶動。

a.往前步進波型 b.往後步進波型

圖 3.13 步進器驅動電壓波型與動作對照圖

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