3. Задание:

1. Ознакомиться с общими принципами работы сканирующих зондовых микроскопов;

2. Изучить теоретические основы пьезоэлектрических сканеров микроперемещений объектов наблюдения;

3. Определить передаточную функцию (оптико-механическую) лабораторного стенда для определения электромеханических параметров пьезосканеров;

4. Определить экспериментальным путем электромеханические параметры однокоординатного пьезосканера;

5. Построить зависимость деформации пьезокерамики от величины напряженности электрического поля;

6. Представить развернутое теоретическое обоснование полученных экспериментальных данных;

7. Подготовить технический отчет по результатам проведенной лабораторной работы.

1. Описание экспериментального стенда

Общие методические основы определения зависимости деформации пьезокерамики ΔL / L от величины напряженности электрического поляEпредставлены на рис 8, гдеL начальная длина пьезосканера приE = 0. Под воздействием электрического поля линейный размерLувеличивается (или уменьшается в зависимости от направления вектора напряженности электрического поляE) на величинуΔL. Зная величину напряженности электрического поля и относительного удлинения пьезокерамики можно определить значение параметраS– коэффициент пьезочувствительности конструкционного материала пьезосканера. Типичный порядок величиныΔL приведен на рис.8 (для случая кварца, обладающего слабой пьезочувствительностью, и в этой связи не используемого на практике в качестве конструкционного материала для создания пьезосканеров).

Рис.8 Схематическое представление деформации пьезочувствительного материала в электрическом поле

Схема экспериментального стенда для определения параметров пьезоэлектрического сканера приведена на рис. 9.

Рис.9 Оптико-механическая схема экспериментального стенда для определения параметров пьезоэлектрического сканера

Для визуализации величины удлинения образца пьезокерамики ΔLиспользована комплексная оптико-механическая система для увеличения параметраΔL. Расширение (сжатие) пьезоэлементаΔLс помощью рычага и шестеренчатой пары приводит к повороту отражателя №1. В качестве индикатора угла поворота отражателя №1 используется величина отклонения положения луча лазера на экране. Луч полупроводникового лазера попадает на подвижный отражатель №1, затем на неподвижный отражатель №2 и далее на полупрозрачный экран с мерной сеткой.

При определении оптико-механической передаточной функции лабораторного стенда и электромеханических параметров однокоординатного пьезосканера использовать следующие исходные данные:

• Передаточное число шестеренчатой пары для отражателя №1: n= 40;

• Межцентровое расстояние отражателей №1 и №2: L₁= 0.2 м.;

• Расстояние от экрана до отражателя №2: L₂= 0.15 м.;

• Количество индивидуальных элементов пьезокерамики входящих в состав пьезосканера линейных перемещений: N= 20 шт.;

• Толщина индивидуального элемента пьезокерамики: 1.5*10^-3м.

Электрическая блок-схема экспериментального стенда представлена на рис.10.

Рис.10 Электрическая блок-схема экспериментального стенда

Внимание:при проведении измерений с помощью экрана с мерной сеткойизбегатьпрямого попадания луча лазера на сетчатку глаза!

1. Порядок выполнения лабораторной работы

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности:

1. Изучить теоретические основы реализации микроперемещений с помощью пьезоэлектрических сканеров;

2. Получить у преподавателя допуск на выполнение лабораторной работы (после выполнения тестовых заданий);

3. Определить значение передаточной функции микроперемещений пьезосканера и положения светового пятна лазера на мерном экране;

4. Определить экспериментальным путем зависимость удлинения пьезосканера от напряженности электрического поля;

5. Подготовить технический отчет по результатам экспериментальных исследований с теоретическим обоснованием полученных результатов.

2. Вопросы к коллоквиуму

1. Области применения и принципы действия сканирующих зондовых микроскопов в научно-технической практике.

2. Назначение, конструкция и физико-технические технические требования к сканерам, используемым в сканирующих зондовых микроскопах.

3. Физическая сущность пьезоэффекта, и его применение в конструкциях сканеров, используемых в современных зондовых микроскопах.

4. Недостатки и достоинства пьезокерамических материалов, используемых в качестве конструкционных материалов пьезосканеров.

5. Экспериментальные методы и аппаратные средства для определения электромеханических характеристик пьезоэлектрических материалов.

6. Конструкция оптико-механической системы индикации величины деформации пьезокерамики, использованная в экспериментальном стенде.

7. Методика работы на экспериментальном стенде при определении электро-механических параметров пьезокерамики.

8. Элементы техники безопасности при выполнении лабораторной работы (источники лазерного излучения, электробезопасность).