CN100343652C - 超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测装置，具体说涉及一种超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法。包括有机体(1)，原子力显微镜检测装置(27)，弹性测微装置(26)，所述弹性测微装置(26)通过螺杆(2)与机体(1)连接，弹性测微装置(26)与机体(1)之间装有压缩弹簧(3)。本发明设计一种方法和装置，该装置一方面能够以扫描探针显微镜超微分辨能力进行微观量的探测，另一方面又适应于通常工程技术领域中微观量的精密检测。检测的物理量经过处理容易适用于对过程的监控、计算、转换。本发明将使工程上获得一种十分精密的超微质量和超微载荷变化量的检测手段，采用本发明，将使微质量和超微载荷变化量的检测变得相对容易。适用范围广，相对操作条件简化。

Description

超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测装置，具体说涉及一种超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法。
背景技术
众所周知，小质量的检测通常采用精密天平，这是一种利用杆杠平衡原理实现的微小质量检测方法，其精度很大程度上取决于精密机械及装置制作水平；另一方面，变化载荷的检测一般是通过各种测力仪，这些测力仪大多利用力的效应即通过载荷作用下物体产生的各种物理效应来测得力的大小和变化，如各种应变测力仪、压电晶体测力仪等。这类装置在科学实验与工程应用中都有其广泛应用，但当被检测的量充分小时，即在微观技术领域检测物质质量或质量变化，应用这些装置可能存在一些困难。原因有可能是检测方法在检测精度或检测灵敏程度上不足引起，也可能是由于这类装置难于适应小尺度物理量检测环境，或者对操作环境条件有苛刻的要求所致。例如纳米科技及工程应用中经常遇到的微小颗粒质量分辨、基因工程中细胞质量变化检测等问题。
在微观技术领域，扫描探针显微技术(Scanning probe microscopy)为人们提供了超高精度分辨能力，被广泛地用于科学实验。扫描探针显微镜是基于探针对试样表面的检测，当探针充分尖、探针与试样表面间距充分小时，探针能够检测表面纳米甚至原子分子量级的几何尺度变化，能够检测原子间相互作用力以及其他微观物理量及相应变化。微机械加工制造技术的发展，也为扫描探针显微技术的应用提供更为便利的条件。但扫描探针显微镜通常只是利用探针针尖对局域点进行操作检测，这些点远远小于常规操作尺度，重复操作性和可控制性不好，与表面微观状态相关，实时操作困难，导致许多工程技术领域应用不便，因而目前这种超微检测方法用于科学实验多于工程技术领域。
发明内容
针对上述问题，本发明设计一种方法和装置，目的之一是使该装置一方面在原理上能够以扫描探针显微镜超微分辨能力进行微观量的探测，另一方面又适应于通常工程技术领域中微观量的精密检测。检测的物理量经过处理容易适用于对过程的监控、计算、转换。
本发明的另一个目的，是使常规小物体能够直接乘放于检测仪器上，适当调整参数该装置可以在一定量程上对不同大小的微载荷进行检测。
本发明还有一个目的是对微小载荷的动态变化可以检测。
本发明的结构示意图如附图所示，包括有机体1，原子力显微镜检测装置27，弹性测微装置26，所述弹性测微装置26通过螺杆2与机体1连接，弹性测微装置26与机体1之间装有压缩弹簧3。
上述弹性测微装置包括片簧下压座4、垫片5、片簧上压座6、标准面工作台7、弹簧垫圈8、垫片9、载荷传递杆10、载荷台11、载荷乘放装置12、检测片簧13，其中片簧下压座4、垫片5、片簧上压座6、检测片簧13相连接.标准面工作台7、弹簧垫圈8、垫片9、载荷传递杆10、载荷台11、载荷乘放装置12相连接。
上述原子力显微镜检测装置27包括微悬臂探针15、探针座16、激光17、探测头座18、反射镜19、检测器20、压电陶瓷伸缩管21、驱动台22、电机轴23、步进电机24、电机垫片25，其中电机轴23与步进电机24相连接，压电陶瓷伸缩管21安装在驱动台22上，并与电机轴23相连接，压电陶瓷伸缩管21上安装探测头座18，探测头座18内分别安装微悬臂探针15、探针座16、激光17、反射镜19。
本发明超微质量及超微载荷变化量的检测方法，包括如下步骤：
1)根据对检测载荷的敏感性选择由弹性测微装置26及压缩弹簧3组成的弹性载荷支撑系统，以适应不同量程和精度的需要；
2)将被检测对象置于载荷乘放装置12上，其重量以及整个弹性测微装置26重量由压缩弹簧3支撑平衡；
3)平衡后，通过步进电机24及压电陶瓷伸缩管21驱动，使弹性测微装置的标准面工作台7与原子力显微镜检测装置27的微悬臂探针15充分接近，并处于相对平衡状态；
4)当载荷发生微小变化时，微悬臂探针15与弹性测微装置26的标准面工作台7之间的微小距离发生变化，由此导致微悬臂探针15发生微弯曲，该变化使原来照射在微悬臂探针背面上、被反射到激光检测器20内的信号发生一小角度的偏转，由激光检测器20检测这种偏转量，即对应于超微质量及超微载荷变化量。
本发明将使工程上获得一种十分精密的超微质量和超微载荷变化量的检测手段，由于采用了本发明，将使微质量和超微载荷变化量的检测变得相对容易，适用范围广，相对操作条件简化，成本不昂贵，对微观物理量的检测以及定量分析控制、对科技产业等有推进作用。
附图说明
图1、图2为本发明超微质量及超微载荷变化量检测装置的结构示意图。1、机体  2、螺杆  3、压缩弹簧  4、片簧下压座  5、垫片  6、片簧上压座  7、标准面工作台  8、弹簧垫圈  9、垫片  10、载荷传递杆  11、载荷台  12、载荷乘放装置  13、检测片簧  14、载荷  15、微悬臂探针  16、探针座  17、激光  18、探测头座  19、反射镜  20、检测器  21、压电陶瓷伸缩管  22、驱动台  23、电机轴  24步进电机  25、电机垫片  26、弹性测微装置  27、原子力显微镜检测装置
图3为原子力显微镜检测的信号图
X轴表示时间，y轴为原子力显微镜检测的信号(电压)变化。
曲线1为无挥发物质时，检测获得的曲线：随时间无变化；
曲线2为物质在挥发过程中随时间增加检测信号的变化：开始阶段因为微动机构逼近受到干扰，随后信号随时间增加近似线性上升。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如附图所示，包括有机体1，原子力显微镜检测装置27，弹性测微装置26，所述弹性测微装置26通过螺杆2与机体1连接，弹性测微装置26与机体1之间装有压缩弹簧3。
上述弹性测微装置包括片簧下压座4、垫片5、片簧上压座6、标准面工作台7、弹簧垫圈8、垫片9、载荷传递杆10、载荷台11、载荷乘放装置12、检测片簧13，其中片簧下压座4、垫片5、片簧上压座6、检测片簧13相连接，标准面工作台7、弹簧垫圈8、垫片9、载荷传递杆10、载荷台11、载荷乘放装置12相连接。
上述原子力显微镜检测装置27包括微悬臂探针15、探针座16、激光17、探测头座18、反射镜19、检测器20、压电陶瓷伸缩管21、驱动台22、电机轴23、步进电机24、电机垫片25，其中电机轴23与步进电机24相连接，压电陶瓷伸缩管21安装在驱动台22上，并与电机轴23相连接，压电陶瓷伸缩管21上安装探测头座18，探测头座18内分别安装微悬臂探针15、探针座16、激光17、反射镜19。
本发明超微质量及超微载荷变化量检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(1)微小物体乘放的载荷容器或载物台，其重量包含部分辅助物体的重量将由弹性载荷支撑平衡；平衡后，通过一微驱动机构，使达到平衡后的载荷及载荷支撑系统与探针检测系统充分接近(＜1nm)。
(2)载荷容器底部有一光滑的测试表面，通过该表面，当探针接近该表面时对它们相互之间的微小距离变化十分敏感，这种敏感性是原子力显微镜可测的。
(3)当被检测的微小固体或液体直接乘放于载荷容器或载荷台上时，由于弹性载荷支撑会产生微小变形，使探针与载荷容器底部光滑测试表面的微小距离发生十分敏感的变化，由此导致探针微悬臂弯曲变化；这种变化通过原来照射在探针背面上并反射到激光检测器内的信号，发生一小角度的偏转，该偏转被机激光检测器所检测，偏转的量即对应于载荷的大小。
上述步骤中有下列两种情况：
(1)选择不同的弹性载荷支撑系统，获得对检测载荷的不同敏感性以适应不同量程和精度的需要。
(2)采用扫描隧道显微镜等测微系统代替原子力显微镜检测系统，实现类似的检测效果。
为了检验该发明装置对超微质量或超微载荷变化量检测敏感程度，实施了如下实验：
物质挥发过程微小质量变化的检测。
过程：在一微小容器中放入0.1ml的丙酮。根据上述检测方法，置入载荷后调整弹性检测装置与原子力显微镜装置的相对位置并启动微调机构，使原子力显微镜处于工作状态。微小容器开口，检测物质随时间挥发的变化过程。结果如图3.
上述结果表明，该发明装置对微小的物质变化过程十分敏感，因此适用于超微质量和超微载荷变化量的检测。

Claims (6)

1.一种超微质量及超微载荷变化量检测装置，包括机体(1)，原子力显微镜检测装置(27)，弹性测微装置(26)，其特征在于：所述弹性测微装置(26)通过螺杆(2)与机体(1)连接，弹性测微装置(26)与机体(1)之间装有压缩弹簧(3)；上述弹性测微装置(26)中的片簧下压座(4)与片簧上压座(6)之间装夹检测片簧(13)，载荷传递杆(10)安装在检测片簧(13)上，标准面工作台(7)与载荷传递杆(10)相连接，载荷传递杆(10)上面支撑载荷乘放装置(12)；上述原子力显微镜检测装置(27)包括微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、探测头座(18)、反射镜(19)、检测器(20)、压电陶瓷伸缩管(21)、驱动台(22)、电机轴(23)、步进电机(24)，其中电机轴(23)与步进电机(24)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)安装在驱动台(22)上，并与电机轴(23)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)上安装探测头座(18)，探测头座(18)内分别安装微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、反射镜(19)。
2.根据权利要求1所述的超微质量及超微载荷变化量检测装置，其特征在于：上述弹性测微装置(26)中的片簧下压座(4)与片簧上压座(6)之间装有垫片(5)。
3.根据权利要求1所述的超微质量及超微载荷变化量检测装置，其特征在于：上述弹性测微装置(26)中的标准面工作台(7)与载荷传递杆(10)之间装有弹簧垫圈(8)、垫片(9)。
4.根据权利要求1所述的超微质量及超微载荷变化量检测装置，其特征在于：上述弹性测微装置(26)中的载荷传递杆(10)与载荷乘放装置(12)之间装有载荷台(11)。
5.根据权利要求1所述的超微质量及超微载荷变化量检测装置，其特征在于：上述原子力显微镜检测装置(27)中的步进电机(24)与机体(1)之间装有电机垫片(25)。
6.一种采用权利要求1所述的超微质量及超微载荷变化量检测装置的超微质量及超微载荷变化量检测方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据对检测载荷的敏感性选择由弹性测微装置(26)及压缩弹簧(3)组成的弹性载荷支撑系统；以适应不同量程和精度的需要；
2)将被检测对象置于载荷乘放装置(12)上，其重量以及整个弹性测微装置(26)重量由压缩弹簧(3)支撑平衡；
3)平衡后，通过步进电机(24)及压电陶瓷伸缩管(21)驱动，使弹性测微装置的标准面工作台(7)与原子力显微镜检测装置(27)的微悬臂探针(15)充分接近，并处于相对平衡状态；
4)当载荷发生微小变化时，微悬臂探针(15)与弹性测微装置(26)的标准面工作台(7)之间的微小距离发生变化，由此导致微悬臂探针(15)发生微弯曲，该变化使原来照射在微悬臂探针背面上、被反射到激光检测器(20)内的信号发生一小角度的偏转，由激光检测器(20)检测这种偏转量，即对应于超微质量及超微载荷变化量。
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