第四章、 實驗成果(二) 大範圍掃描器與作針系統
4.1 大範圍掃描器設計與成果
低電壓蜂鳴片的掃描範圍被電控盒輸出電壓所限制，我們透過 Z 軸獨立和 延伸陶瓷管來提升的掃描範圍有限；另一方面也為了後續發展原子力顯微鏡 (AFM)所需要的大範圍掃描器，我們嘗詴著利用其他壓電材料設法達到目的，後 來選用 bimroph 壓電片成功做出約 100um 的大範圍掃描器。
一開始我們使用市面上所販售的 bimroph 壓電片，長 40mm 寬 10mm 如圖 4.1。根據第二章提到的彎曲制動器的動作原理，將三片 bimroph 壓電片組裝成 三軸的掃描器，如圖 4.2。
圖 4.1 市售 bimroph 外觀壓電片外觀 圖 4.2 由 bimroph 組成的三軸掃描器
其掃描範圍在 10 ~ 10
V V
的電壓驅動下達 0.25mm*0.25mm，範圍太大沒 辦法使用在穿隧電流顯微鏡與原子力顯微鏡上，檢討原因後我們決定將壓電片的 長度縮小四倍，即定做一個 10mm*10mm 的 bimroph 壓電片，如圖 4.3。為了固 定好三個 bimroph 壓電片，我們設計了 5 種不同的陶瓷固定塊來固定，最後組裝 成三軸的掃描器，如圖 4.4。44
圖 4.3 重新訂做的 bimroph 壓電片
圖 4.4 掃描器的組裝與成品示意圖
由於固定方式是用陶瓷固定塊黏上陶瓷膠來連接各個 bimroph 壓電片，因此 在陶瓷膠固化之前十分容易鬆脫與移位。為了解決這個問題，我們設計了模具用 來固定這些元件的相對位置，使之陶瓷膠在硬化前各個零組件都不會移位，如圖 4.5。
圖 4.5 掃描器固定模具爆炸圖與示意圖
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完成掃描器的組裝後，我們將驅動電壓分別接上設計的掃描器上，其 XY 驅 動電壓暫用 STM 控制電路中 XY 驅動電路的+X 與+Y 電壓，如圖 4.6
圖 4.6 掃描器驅動電壓接法示意圖
我們暫時將掃描器搭載於 STM EDUCA 上，運用其掃描機構來掃圖，首先我們 先掃週期 700nm 溝槽縱深 30nm 的 DVD 標準樣品來測量掃描範圍。XY 驅動電 壓分別為-0.6V~0.6V 之間，有掃到 20 個 DVD 溝槽，所以掃描範圍推估為 14um*14um，如圖 4.7。
圖 4.7 當驅動電壓範圍為-3V~3V 時，約可以少到 20 的週期，換算範圍約為 14um*14um
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接下來位驗證掃到的圖真實性與掃描器的線性度，我們將 XY 驅動電壓改為 -0.925V~0.925V 之間約縮小 4.6 倍，掃描後約掃到 4.5 個週期的 DVD 溝槽，所 以掃描範圍推估為 3.15um*3.15um，如圖 4.8。
圖 4.8 約 4.5 週期的 DVD 溝槽，推算其範圍約為 3.15um*3.15um
根據圖 4.8 與圖 4.9 可驗證，當我們縮小驅動電壓 4.67 倍，掃描範圍也大致 縮小為 4.28 倍符合預期線性度。所以我們詴著由此關係推估此掃描器在
-10V~10V 驅動電壓時最大掃描範圍，在-3V~3V 驅動電壓時掃描範圍約為 14um*14um，所以驅動能力約為 4.67um/V ，所以推估最大範圍約為 47um*47um。
圖 4.9 則為詴掃藍光 DVD 的結果。
圖 4.9 藍光 DVD