Функционирование СЗМ требует точного управления промежутком между зондом и изучаемым объектом. Также нужно обеспечить плавное передвижение зонда по трем плоскостям, причем точность смещения должна быть предельно высокой (десятые и даже сотые части ангстрема).
Обеспечить сочетание таких характеристик любые варианты классических двигателей не в состоянии. Поэтому были разработаны особые сканирующие элементы на базе пьезоэлектриков.
Принцип работы пьезоэлектрических элементов
Материалы с пьезоэлектрическими свойствами способны изменять физические размеры под влиянием наведенного электрополя. Хотя существуют природные пьезоматериалы, в производстве сканирующих элементов используют особые сорта поляризованной керамики, которая обеспечивает строго соответствие характеристик материала запланированным в конструкции элемента.
Это наиболее распространенный вариант базовых изделий для создания сканирующих элементов. Они представляют собой тонкостенные цилиндрические конструкции из пьезокерамики, на внутренней/внешней сторонах которых формируются электроды путем осаждения металлических слоев, как правило, их получают путем вакуумного напыления.
С торцов трубка сохраняется необработанной. При подаче электричества создается разница потенциалов между электродами, что приводит к изменению длины цилиндра. Соединив три таких изделия в один узел удается получить прецизионный сканирующий элемент, способный перемещать зонд СЗМ в трех плоскостях. Такие элементы получили название трубчатые триподы и являются наиболее распространенным вариантом конструкции трубчатых пьезосканеров.
Существуют и альтернативные трубчатые конфигурации, но они не нашли широкого применения из-за более сложной конструкции или ухудшенных в сравнении с триподами рабочих характеристик.
Биморфные элементы
Это второй по распространенности вариант конструкции сканирующего элемента СЗМ. Он формируется из склеенных пластин пьезокерамики. Их соединяют так, чтобы векторы поляризации были взаимоперпендикулярны.
При поступлении электротока на биморф, одна пластина расширится, соответственно другая сожмется, что спровоцирует контролируемый изгиб изделия. Соединив три биморфа в единый узел, удается реализовать трипод состоящий из пластинчатых элементов.
Нужно отметить, что существуют сканирующие элементы, состоящие всего из одного биморфа. Для этого электроды на пластине разделяют на четыре сектора, что позволяет изгибать пластинку таким образом, что зонд будет смещаться по всем трем осям.
