本發(fā)明涉及一種原子力顯微鏡人探針夾持裝置。特別是涉及一種原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置及探針裝置安裝器。

背景技術(shù)：

1986年binning等人發(fā)明第一臺(tái)原子力顯微鏡，自此，許多科技工作者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不斷改進(jìn)和提高，并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，從而派生出多種類型的原子力顯微鏡，不僅可進(jìn)行電性、磁性、納米微影加工及生物活性分子性質(zhì)分析，更廣泛應(yīng)用于探索納米尺度下微觀的物性(光、力、電、磁)，功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往顯微鏡技術(shù)，將人類帶入了納米時(shí)代。

針對(duì)不同的測試需求，各國研究者在原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了各種改進(jìn)，但多數(shù)還是采用懸臂梁式探針作為感應(yīng)元件，利用光杠桿檢測方法，結(jié)合不同的掃描器結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描。根據(jù)掃描器的運(yùn)動(dòng)方式不同，原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)可分為上掃描、下掃描以及混合掃描結(jié)構(gòu)，所謂上掃描結(jié)構(gòu)是指樣品靜止，測頭在xyz掃描器的帶動(dòng)下相對(duì)于樣品做掃描運(yùn)動(dòng)；下掃描是指測頭靜止，樣品相對(duì)于測頭在xyz掃描器的帶動(dòng)下做掃描運(yùn)動(dòng)；混合掃描是指測頭及樣品均做掃描運(yùn)動(dòng)，根據(jù)xyz掃描器的位置不同，又可分為不同的掃描機(jī)制。

xyz掃描器的結(jié)構(gòu)不同會(huì)導(dǎo)致掃描運(yùn)動(dòng)方式有較大差別，但是掃描模式大致相同。目前常用的掃描模式有接觸式掃描、輕敲式掃描以及峰值力輕敲模式掃描等，根據(jù)掃描模式的不同，探針的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)有所不同。接觸式掃描時(shí)，探針靜止，通過檢測探針的形變信息，控制z掃描器運(yùn)動(dòng)來跟蹤樣品表面形貌的變化；輕敲式掃描時(shí)，探針以其諧振頻率震蕩，通過檢測探針的震蕩振幅來驅(qū)動(dòng)z掃描器運(yùn)動(dòng)；峰值力輕敲模式下，z掃描器帶動(dòng)探針以低于探針諧振頻率的頻率震蕩，驅(qū)動(dòng)探針做高速力曲線運(yùn)動(dòng)，控制各掃描點(diǎn)處的峰值力恒定，z掃描器的位置信息即表征形貌信息。

當(dāng)采用上掃描器以及混合掃描器(z掃描器在測頭上)時(shí)，需要考慮z掃描器與探針的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如何快速有效安裝、更換懸臂梁探針是需要解決的一個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有較好通用性的原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置及探針裝置安裝器。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置，包括有z掃描器和連接在所述z掃描器下面的探針裝置，所述的z掃描器包括：由下至上依次設(shè)置的環(huán)形鐵片、環(huán)形壓電陶瓷片和環(huán)形磁鐵，所述環(huán)形鐵片、環(huán)形壓電陶瓷片和環(huán)形磁鐵同軸設(shè)置，內(nèi)周共同構(gòu)成通光孔；所述探針裝置包括：用于與所述的環(huán)形鐵片通過磁力相連的探針夾持結(jié)構(gòu)，嵌入在所述探針夾持結(jié)構(gòu)上的懸臂梁探針和通過螺絲將所述的懸臂梁探針固定在所述探針夾持結(jié)構(gòu)上的彈簧壓片。

所述的環(huán)形磁鐵的內(nèi)徑大于環(huán)形壓電陶瓷片的內(nèi)徑。

所述的環(huán)形鐵片、環(huán)形壓電陶瓷片和環(huán)形磁鐵之間是通過環(huán)氧樹脂膠固定連接，其中，所述的環(huán)形鐵片下端面連接探針夾持器，所述環(huán)形磁鐵的上端面安裝在原子力顯微鏡的y掃描器上。

所述的探針夾持結(jié)構(gòu)包括夾持主體，所述夾持主體的下端面一體形成有平部分和斜面部分，在所述平部分上且鄰近斜面部分形成有與所述的通光孔相對(duì)應(yīng)的上下貫通的通光窗口和位于通光窗口周邊的用于連接外部的探針裝置安裝器的安裝孔，在斜面部分上臨近所述通光窗口的一側(cè)形成有用于嵌入所述懸臂梁探針的凹槽，在斜面部分上對(duì)應(yīng)凹槽一側(cè)形成有用于通過螺絲固定彈簧壓片的螺孔，所述彈簧壓片的一端壓在所述安裝懸臂梁探針上；所述夾持主體的上端面嵌入有三個(gè)用于與所述z掃描器上的環(huán)形鐵片通過磁力相連的磁塊。

所述的彈簧壓片沿長度方向形成有用于調(diào)節(jié)彈簧壓片壓在所述懸臂梁探針上的量的調(diào)節(jié)槽，所述螺絲貫穿所述調(diào)節(jié)槽與所述的螺孔螺紋連接。

所述的斜面部分是與水平面夾角為10-12°的傾斜面。

所述用于嵌入懸臂梁探針的凹槽深度為0.2～0.3mm。

一種用于原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置的探針裝置安裝器，其特征在于，包括有安裝器主體，所述安裝器主體的一端形成有矩形開口，所述矩形開口的兩側(cè)和底部分布的形成有4個(gè)用于通過沉頭螺釘連接探針裝置的沉頭螺紋孔，所述安裝器主體的遠(yuǎn)離矩形開口的部分，形成有用于連接外部裝置的沉頭通孔。

本發(fā)明的原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置及探針裝置安裝器，結(jié)構(gòu)簡單，能夠適用于各種功效和多種掃描方式的原子力顯微鏡。具有以下有益效果：

1、對(duì)于多種掃描方式及模式，皆能保證結(jié)構(gòu)的適用性，具有較好的通用性；

2、利用磁性吸引力提供壓電陶瓷的預(yù)緊力，結(jié)構(gòu)簡單；

3、探針夾持器安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，便于懸臂梁探針的安裝及位置的調(diào)整。

附圖說明

圖1是本發(fā)明用于原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的仰視圖；

圖3是本發(fā)明中z掃描器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中探針裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明中探針夾持結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖5的仰視圖；

圖7是圖5的右視圖；

圖8是圖5的后視圖；

圖9是本發(fā)明中探針裝置安裝器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明中探針裝置放置在探針裝置安裝器上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是圖10的仰視圖；

圖12是本發(fā)明中探針裝置安裝器將探針裝置安裝在z掃描器的示意圖。

圖中

1：z掃描器11：環(huán)形鐵片

12：環(huán)形壓電陶瓷片13：環(huán)形磁鐵

14：通光孔2：探針裝置

21：探針夾持結(jié)構(gòu)211：夾持主體

212：水平部分213：斜面部分

214：通光窗口215：安裝孔

216：凹槽217：螺孔

218：磁塊22：懸臂梁探針

23：彈簧壓片231：調(diào)節(jié)槽

24：螺絲3：探針裝置安裝器

31：安裝器主體32：矩形開口

33：沉頭螺紋孔34：沉頭通孔

4：沉頭螺釘5：入射激光束

6：反射激光束

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置及探針裝置安裝器做出詳細(xì)說明。

本發(fā)明的用于原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置，是利用磁性吸引力實(shí)現(xiàn)探針裝置的固定，有利于探針位置的調(diào)整，同時(shí)利用磁性吸引力給z掃描器所用壓電陶瓷一個(gè)預(yù)緊力，保證壓電陶瓷的運(yùn)動(dòng)性能。

本發(fā)明的用于原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置，是安裝在原子力顯微鏡上的。原子力顯微鏡的具體結(jié)構(gòu)參考專利號(hào)為2015100890154，發(fā)明名稱為“一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡”的專利。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明的用于原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置，包括有z掃描器1和連接在所述z掃描器1下面的探針裝置2。

如圖3所示，所述的z掃描器1包括：由下至上依次設(shè)置的環(huán)形鐵片11、環(huán)形壓電陶瓷片12和環(huán)形磁鐵13，所述環(huán)形鐵片11、環(huán)形壓電陶瓷片12和環(huán)形磁鐵13同軸設(shè)置且內(nèi)周同共同構(gòu)成通光孔14。所述的環(huán)形磁鐵13的內(nèi)徑大于環(huán)形壓電陶瓷片12的內(nèi)徑。所述的環(huán)形鐵片11、環(huán)形壓電陶瓷片12和環(huán)形磁鐵13之間是通過環(huán)氧樹脂膠固定連接，具有較高的剛性，能夠滿足測量需求。其中，所述的環(huán)形鐵片11下端面連接探針夾持器2，所述環(huán)形磁鐵13的上端面安裝在原子力顯微鏡的y掃描器上。環(huán)形磁鐵13和環(huán)形鐵片11分別固定在環(huán)形壓電陶瓷片12的上下表面，為環(huán)形壓電陶瓷片12提供預(yù)緊力。

原子力顯微鏡中激光束需要聚焦在懸臂梁探針上，原子力顯微鏡所設(shè)計(jì)的光路中，反射激光束需要再次經(jīng)過z掃描器回到非球面透鏡中，在本發(fā)明的實(shí)施例中，z掃描器中壓電陶瓷片選擇外徑12mm，內(nèi)徑6mm，厚度為2mm的環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑尺寸能夠滿足入射及反射激光束同時(shí)經(jīng)過，環(huán)形磁鐵需要的內(nèi)徑比環(huán)形壓電陶瓷片的內(nèi)徑大，方案中采用環(huán)形磁鐵的內(nèi)徑為7mm，厚1mm。

如圖4所示，所述探針裝置2包括：用于與所述的環(huán)形鐵片11通過磁力相連的探針夾持結(jié)構(gòu)21，嵌入在所述探針夾持結(jié)構(gòu)21上的懸臂梁探針22和通過螺絲24將所述的懸臂梁探針22固定在所述探針夾持結(jié)構(gòu)21上的彈簧壓片23。

如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示，所述的探針夾持結(jié)構(gòu)21包括夾持主體211，所述夾持主體211的下端面一體形成有水平部分212和斜面部分213，所述的斜面部分213是與水平面夾角為10～12°的傾斜面。在所述水平部分212上且鄰近斜面部分213形成有與所述的通光孔14相對(duì)應(yīng)的上下貫通的通光窗口214和位于通光窗口214周邊的用于連接外部的探針裝置安裝器3的安裝孔215，在斜面部分213上臨近所述通光窗口214的一側(cè)形成有用于嵌入所述懸臂梁探針22的凹槽216，所述用于嵌入懸臂梁探針22的凹槽216深度為0.2～0.4mm，最佳可以選擇0.3mm。在斜面部分213上對(duì)應(yīng)凹槽216一側(cè)形成有用于通過螺絲24固定彈簧壓片23的螺孔217，所述彈簧壓片23的一端壓在所述安裝懸臂梁探針22上；所述夾持主體211的上端面嵌入有三個(gè)用于與所述z掃描器1上的環(huán)形鐵片11通過磁力相連的磁塊218，從而實(shí)現(xiàn)懸臂梁探針在z掃描器1上的固定。磁塊218與z掃描器上的環(huán)形鐵片間存在磁性吸引力，能夠?qū)崿F(xiàn)探針夾持結(jié)構(gòu)21的磁吸面與z掃描器的吸合。

如圖4所示，所述的彈簧壓片23沿長度方向形成有用于調(diào)節(jié)彈簧壓片23壓在所述懸臂梁探針22上的量的調(diào)節(jié)槽231，所述螺絲24貫穿所述調(diào)節(jié)槽231與所述的螺孔217螺紋連接。

探針裝置2通過磁性吸引力固定于z掃描器1的環(huán)形鐵片11上，保證懸臂梁探針22跟隨z掃描器1運(yùn)動(dòng)，z掃描器1中環(huán)形磁鐵13固定在專利號(hào)為2015100890154，發(fā)明名稱為“一種適用于高速掃描的原子力顯微鏡”的原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明替換其中的z向掃描器及探針裝置。本發(fā)明中的探針裝置的通光窗口214和z掃描器的通光孔，保證入射激光束能夠聚焦在懸臂梁探針上，并且經(jīng)過懸臂梁探針反射后的反射激光束能夠通過z掃描器并最終返回到非球面透鏡變成平行光束輸出。為了保證激光光束的正常通過，z掃描器中的環(huán)形磁鐵內(nèi)徑比環(huán)形壓電陶瓷片內(nèi)徑大，如圖2中虛線所示。

如圖9所示，本發(fā)明的用于原子力顯微鏡的z掃描器和探針裝置的探針裝置安裝器，包括有安裝器主體31，所述安裝器主體31的一端形成有矩形開口32，所述矩形開口32的兩側(cè)和底部分布的形成有4個(gè)用于通過沉頭螺釘4連接探針裝置2的沉頭螺紋孔33，所述安裝器主體31的遠(yuǎn)離矩形開口32的部分，形成有用于連接外部裝置的沉頭通孔34。

如圖10、圖11所示，探針裝置2在未吸合到z掃描器1上之前，將其放置在探針裝置安裝器3上，探針裝置2與探針裝置安裝器3的安裝器主體31的上表面貼合，四個(gè)沉頭螺釘4通過探針裝置2上的安裝孔215，保證探針裝置2位置固定，為了保證放置探針裝置2時(shí)懸臂梁探針不受損壞，在安裝器主體31上設(shè)計(jì)矩形開口32。在安裝器主體31的末端有四個(gè)沉頭通孔，用于將安裝器主體31固定在一個(gè)三維位移臺(tái)(圖中未給出)上，此三維位移臺(tái)用于調(diào)整探針裝置2的位置，進(jìn)行懸臂梁探針的安裝及位置的調(diào)整。

圖4、圖10、圖11、圖12所示，當(dāng)需要安裝懸臂梁探針時(shí)，首先將懸臂梁探針利用彈簧壓片23和螺絲24固定在夾持主體211上的凹槽216內(nèi)，構(gòu)成探針裝置2；隨后將探針裝置2倒扣放置在探針裝置安裝器3上，探針裝置2放置面與探針裝置安裝器3的上表面重合，探針裝置安裝器3中的四個(gè)沉頭螺釘4分別插入對(duì)應(yīng)位置的探針裝置的安裝孔215中，此時(shí)探針裝置安裝器3遠(yuǎn)離z掃描器，探針裝置2上的磁塊217與z掃描器上環(huán)形鐵片11間的吸引力較小；當(dāng)探針裝置安裝器3帶著探針裝置2靠近z掃描器時(shí)，磁塊218與環(huán)形鐵片11間的吸引力會(huì)將探針裝置2吸附在z掃描器1上，此時(shí)，探針裝置2磁吸面與z掃描器1的環(huán)形鐵片11吸合，探針裝置安裝器3中的四個(gè)沉頭螺釘4仍然在探針裝置2調(diào)整孔中，因此可以帶動(dòng)探針裝置2在z掃描器的環(huán)形鐵片11上進(jìn)行平面內(nèi)移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整懸臂梁探針的位置；當(dāng)懸臂梁探針的位置調(diào)整好以后，移除探針裝置安裝器3，至此懸臂梁探針安裝完成，原子力顯微鏡可以進(jìn)行掃圖工作。當(dāng)懸臂梁探針在工作過程中磨損需要更換時(shí)，只需將探針裝置2手動(dòng)取下，重復(fù)上述過程即可達(dá)到更換懸臂梁探針的目的。