试制一台【不成功的】扫描探针显微镜
GiroPetrenko 2021-5-16原创 极客DIY

从未想到这也能DIY,于是乎也想仿制一台,结果不太成功。。。

image.png

结构如上图。现在只为调出隧道电流,因此底座是3D打印的。样品装载于光学平台上,用一片导电胶带做接触。

image.png

PCB兼做压电陶瓷片(蜂鸣片)的载体。是未完工的状态。

image.png

电路图。一级跨阻放大器将隧道电流转为电压,传入误差放大器后,给一级积分器+反相调整,压电陶瓷Z轴高度。现在电路没有太大问题,各个单元工作正常,也基本无自激现象。

image.png

探针是假的。是一只to-92三极管的引脚,毕竟调试时用蚀刻好的钨针或者Pt-Ir,一碰,那就亏大了。探针夹具是一只SMB或者MCX接头,拆机的不太清楚。

问题出在Z轴的光学平台上。根据前人的经验,±15V条件下的压电陶瓷动态范围约为3μm左右(XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/web/20071214032634/XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/spm_stm/Mechanical_XXXXXXXXXXXml,这位是蜂鸣器扫描的发明者?),而这个光学平台的调整用的是常规的微分头,最小刻度为10μm。现在调试中也有这问题,不是碰针就是没有隧道电流。。。偶尔能听见反馈电路动态调整时的吱吱声,而由于整套系统不避震,便一松手就没了。

attachment icon BSFEM - PiezoDiskDrive.pdf 43.57KB PDF 47次下载 预览

电路图。是全国产化的,因为便宜。

attachment icon BSFEM - PiezoDiskDrive.zip 555.69KB ZIP 30次下载

KiCad设计文件。全是内置库,应该不缺什么。


最近比较忙,可能又要搁置很久了。

来自:科创广场 / 极客DIY
4
zengsifu
6个月24天前
1楼

看你的电路,是打算用探针的反馈直接输到z轴的控制上自动接近吗?要不试试把z轴做成手调的或者dac控制的看看能不能有稳定的隧道电流?

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smith
6个月24天前 修改于 6个月24天前
2楼

PCB工作的时候会发热膨胀,不适合作为载体吧。

另外有X方向和Y方向的控制吗,看原设计把蜂鸣片划成四个象限,不知道是怎么切割的

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GiroPetrenko作者
6个月24天前
3楼
引用smith发表于2楼的内容
PCB工作的时候会发热膨胀,不适合作为载体吧。另外有X方向和Y方向的控制吗,看原设计把蜂鸣片划成四个...

原文用的是美工刀,貌似就是把银层挂掉。PCB热膨胀确实有影响,但本来就是低质量DIY,暂时凑合着。

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GiroPetrenko作者
6个月24天前
4楼
引用zengsifu发表于1楼的内容
看你的电路,是打算用探针的反馈直接输到z轴的控制上自动接近吗?要不试试把z轴做成手调的或者dac控制...
确实可以,但现在主要是机械问题,积分器自动控制是好的。计划工作在恒流模式,也需要自动控制。
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阡陌徘徊
6个月24天前
5楼

楼主断开R2 和R10,测量检测隧穿电流的I-V变换器的输出 TP1,同时改变Z轴的旋钮。能否在TP1处检测到电压变化?把电压变化折算为输入电流的话,输入电流和z轴刻度的关系是不是合理有效的呀?


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阡陌徘徊
6个月24天前
6楼
引用阡陌徘徊发表于5楼的内容
楼主断开R2 和R10,测量检测隧穿电流的I-V变换器的输出 TP1,同时改变Z轴的旋钮。能否在TP...

或者把光学台的Z轴调节到没有撞针的较接近被测试样的位置,给压电陶瓷分别加上-15~+15的直流电压V2,在TP1端能不能获得与V2相关的电压。

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GiroPetrenko作者
6个月24天前
7楼
引用阡陌徘徊发表于6楼的内容
或者把光学台的Z轴调节到没有撞针的较接近被测试样的位置,给压电陶瓷分别加上-15~+15的直流电压V...

现在设计很大的问题:就是即使调的足够近,也仍然不足够。您说的方法我试过了,拿信号发生器对压电陶瓷注入信号,的确能在TP1中看出隐约的变化。但是IV放大器过于敏感,甚至靠近探针就已经有响应了。(这样或许也侧面印证了IV放大器正常工作?)

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GiroPetrenko作者
6个月24天前
8楼
大致想好怎么进行改进了:参照前人的方法,在最左侧布置两颗粗调螺丝,并在该螺丝右1mm处放置压电陶瓷片中心。微调节放在距离粗调螺丝较远处的地方,用一只微分头。假设该距离是100mm,若微分头拧了一圈,下降500μm,那么压电陶瓷处应当下降大约5μm——就像一只独轮推车一样。
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m24h
6个月23天前 修改于 6个月23天前
9楼

按理隧穿至少要纳米级别的靠近(我疑惑此时是否有空气击穿电离的问题)

我觉得调得差不多后(比如刚刚碰针后)

需要通过Z-ctrl(暂时接个电位器提供可调的偏压 之后可以考虑用单片机控制)个来微调(后退一点) 才容易得到够近的距离


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RodTech
6个月23天前
10楼
引用m24h发表于9楼的内容
按理隧穿至少要纳米级别的靠近(我疑惑此时是否有空气击穿电离的问题)我觉得调得差不多后(比如刚刚碰针后...

楼主这种配置。。。别说击穿空气了。。。应该是刚戳穿氧化膜,在做矿石收音机呢。。

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GiroPetrenko作者
6个月23天前
11楼
引用m24h发表于9楼的内容
按理隧穿至少要纳米级别的靠近(我疑惑此时是否有空气击穿电离的问题)我觉得调得差不多后(比如刚刚碰针后...

碰针了,调电位器时手一抖,就戳穿样品咯。

pcb软乎乎的,实在是不妙。

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m24h
6个月23天前
12楼
引用GiroPetrenko发表于11楼的内容
碰针了,调电位器时手一抖,就戳穿样品咯。pcb软乎乎的,实在是不妙。

多圈电位器 或者使用粗调细调两个电位器

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GiroPetrenko作者
6个月18天前
13楼
引用smith发表于2楼的内容
PCB工作的时候会发热膨胀,不适合作为载体吧。另外有X方向和Y方向的控制吗,看原设计把蜂鸣片划成四个...

新的小发现:试用了两者压电陶瓷片,一种tb杂牌的可以被小刀轻易割开,而另外一种murata的只能留下划痕,得用钨钢铣刀才能割开。

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1176764177
6个月18天前
14楼
引用GiroPetrenko发表于13楼的内容
新的小发现:试用了两者压电陶瓷片,一种tb杂牌的可以被小刀轻易割开,而另外一种murata的只能留下...

用漆当掩膜然后用酸蚀刻也行吧

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