CN100390526C - 扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪 - Google Patents

Abstract

一种扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪属于测试技术领域。本发明由电路和电解池装置两个部分组成，电路包括电源输出部分电路、制动部分电路、逻辑判断及鸣警部分电路和电解池变化反馈部分电路，电解池装置由完全相同的左右两部分组成，其中两通管一边各焊接一悬臂，另一边通过螺母各固定于中心轴上，两中心轴设置在两底座上，两悬臂的末端通过螺母分别固定有阴极线圈或阳极钨丝，电解池设置在两底座中间，用与电路正负极相连的鳄鱼夹分别夹住阳极钨丝和阴极线圈上部，作为电解池的阴阳两电极。本发明的电路自动切断的响应时间约为100ns，能提高了针尖的锐度，装置结构小巧，拆装更为简便，移动方便提高工作了效率，自动报警无需监视，节省了人力。

Description

扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪

技术领域

本发明涉及的是一种扫描隧道显微镜针尖刻蚀仪，特别是一种扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，属于测试技术领域。

背景技术

扫描隧道显微镜(STM)能获得原子级的分辨率源自于扫描探针针尖的电子态以及针尖与样品的相互作用。因此，人们希望能够制备出针尖足够尖锐以至于针尖末端仅有一个原子的理想针尖。虽然，现在技术上还没有完全解决这个问题，但是可以从中得知两点：第一，针尖制备依然是STM实验的中心问题之一；第二，针尖制备中针尖锐化依然是发展方向。

经文献检索发现，中国轻工业出版社出版(1996年12月出版)的，陈成钧著《扫描隧道显微理论》一书(华中一，朱昂如，金晓峰译)，该书(第十三章第二节第274页)提到利用电化学腐蚀法锐化针尖，在电化学腐蚀过程中，对整个腐蚀过程产生影响的几个参量：1、电解池电位；2、液面的弯月液面形状影响针尖的宽高比和整体形状；3、电解液浓度；4、溶液中钨丝长度。5、腐蚀电流切断响应时间。在以上这些参量里，对针尖的几何形状产生影响的最重要的参量是钨丝的下半部断落后腐蚀电流切断的时间。钨丝下半段断落后，腐蚀电流切断时间过长，使得针尖继续发生腐蚀反应，使原已锐化的针尖因腐蚀遭到破坏。因此，腐蚀电流越小，切断时间越短，针尖末端就越尖。若采用人工观察控制的方法来切断腐蚀电流，其主要做法是：在电化学反应的末期，人工观察钨丝在空气-电解液界面处的腐蚀状况，当钨丝在界面处的颈部变得足够细而断落时，人工切断腐蚀电流。但是由于人的观察不够敏锐，反应不够迅捷等主客观因素，针尖往往因腐蚀电流切断时间过长而损坏，因此针尖制备的成功率很低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，通过电子线路和固定装置来自动控制腐蚀电流的切断时间，这套电子线路的响应时间可以控制在100ns左右。当钨丝的下半段断落时，腐蚀电流突然下降，电路能识别出腐蚀电流的下降，并通过电子开关把电流完全断开，达到自动切断的目的，从而能够在更大程度上锐化针尖。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由电路和电解池装置两个部分组成，电路包括电源输出部分电路、制动部分电路、逻辑判断及鸣警部分电路和电解池变化反馈部分电路，电解池装置由完全相同的左右两部分组成，其中两通管一边各焊接一悬臂，另一边通过螺母各固定于一中心轴上，两中心轴设置在两底座上，两悬臂的末端通过螺母分别固定有阴极线圈或阳极钨丝，盛有腐蚀碱液的电解池设置在两底座中间，用与电路正负极相连的鳄鱼夹分别夹住阳极钨丝和阴极线圈上部，作为电解池的阴阳两电极。

阴极线圈和阳极钨丝可以通过调节螺母达到固定松开，上下移动的目的。通管可以通过调节螺母在中心轴上上下移动。移动两底座可以调节前后和左右方向，以确保阳极钨丝在阴极线圈的中心位置。

以下对本发明电路构成和连接方式作详细介绍，具体内容如下：

电源输出部分电路回路构成和连接方式：三端稳压器的电压输入端1和电容C1的阳极并接，接于稳压电源正极，三端稳压器的电压输出端2作为5V电压输出，三端稳压器点接地端3与电容C1，C2的阴极并接于地端。

制动部分电路回路构成和连接方式：三极管Q1的集电极与电阻R1并接，接于电压正极与三端稳压器电压输入端1，电容C1阳极的并接端，三极管Q1的基极与电阻R1的另一端并接，此并接端通过电阻R2连到三极管Q2的集电极，三极管Q1的发射极作为腐蚀电压输出端与电解池中的阳极钨丝相连。

逻辑判断及鸣警部分回路构成和连接方式：三极管Q2的集电极通过电阻R2相连于三极管Q1基极和电阻R1的并接端，三极管Q2的基极通过电阻R3和与非门的3端相连。三极管Q2的发射极与地端相接。

与非门的1端通过复位开关接地，同时通过电阻R4与三端稳压器的电压输出端2相连；与非门的2端、6端、10端并接，接于12端；与非门的3端与4端相连，同时和R3相连；与非门的5端通过电阻R5与三端稳压器电压输出端2相连，同时接于电阻R7和稳压管D1阴极的并联端。D1阳极接地端。与非门的7端接地。与非门的8端通过电阻R6与发光二极管D2的阴极相连，发光二极管D2阳极和三端稳压器电压输出端2相连。与非门的9端与三端稳压器电压输出端2相连；与非门的11端通过蜂鸣器B.Z和三端稳压器电压输出端2相连；与非门的13和14分别和三端稳压器电压输出端2相连。

电解池变化反馈部分电路回路构成和连接方式：电解池中的阴极线圈和可调电阻R9并接于电容器C3阴极端，可调电阻R9另一端接地。电容器C3阳极端和可调电阻R8并接，同时并接端通过电阻R7与与非门和稳压管D1阴极的并接端相连。可调电阻R8另一端接地。

本发明电路中，电源为直流稳压电源10V；三端稳压器型号为7805；电阻R1：1KΩ，R2：680Ω，R3：1KΩ，R4：10KΩ，R5：最大阻值10K的可调电阻；R6：330Ω，R7：1KΩ，R8：最大阻值10K的可调电阻；R9：最大阻值20K的可调电阻；电容：C1：0.33μF，C2：0.1μF，C3：0.33μF；稳压管：D1：3V，型号1N5225，D2：普通发光二极管；三极管：Q1：2SC536；Q2：2SC945；与非门：型号74HC00；复位开关：普通小型复位开关；蜂鸣器B.Z：普通小型蜂鸣器。

当钨丝下半段因腐蚀断落时，腐蚀电流随之突然变小，与阴极线圈相连的电容器C3放电，从而使与非门的5号输入端电位置低，6号输出端电平置高，与之相连的2号输入端电位亦置高，由于初始状态下1号输入端的电平为高电平，因此3号输出端电平置低，低电平使与之串联的两个晶体管2SC945和2SC536截止，从而使腐蚀电流切断，与此同时，与6号输出端相连的10号、12号输入端电平置低，从而使得发光二极管D2与蜂鸣器B.Z工作。

当要重新制备新的针尖，可通过复位开关使1号输入端置低电平，使3号输入端电平置高，使两个晶体管2SC945和2SC536重新导通，产生腐蚀电流，同理电解槽中的阴极线圈此时向电容器C3充电，使得5号输入端电平置高，从而使6号输出端置低，而使8号及11号输出端电平置高，使得在腐蚀过程中关闭发光二极管D2和蜂鸣器B.Z，新的电解反应开始。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明与现有技术相比，其优点主要体现在：(1)由于与非门74HC00的响应时间是8ns，三极管的响应时间是40ns，因此本发明的电路自动切断的响应时间约为100ns，能够在针尖腐蚀断落后极短时间内自动切断电路，保护了已经锐化的针尖不继续被电解液腐蚀，极大的提高了针尖的锐度。(2)使用小功耗的直流稳压电源，整个装置结构小巧，拆装更为简便。(3)阳极钨丝和阴极线圈可以根据不同的参数在上下前后左右三个方向能更准确的自由调节，有利于制出更优良的针尖，提高工作了效率。(4)带有自动鸣警功能，能提醒工作者及时将针尖从腐蚀液中取出，无需监视其反应情况，节省了大量的人力。

附图说明

图1本发明控制电路原理图

图2本发明刻蚀仪结构示意图

具体实施方式

如图2所示，本发明由电路1和电解池装置2两个部分组成，电路1包括电源输出部分电路a、制动部分电路b、逻辑判断及鸣警部分电路c和电解池变化反馈部分电路d，电解池装置2由完全相同的左右两部分组成，其中两通管3的一边各焊接一悬臂4，另一边通过螺母各固定于一中心轴5上，两中心轴5设置在两底座6上，两悬臂4的末端通过螺母分别固定有阴极线圈7或阳极钨丝8，盛有腐蚀碱液的电解池9设置在两底座6中间，用与电路1正负极相连的鳄鱼夹10分别夹住阳极钨丝8和阴极线圈7上部，作为电解池9的阴阳两电极。

阴极线圈7和阳极钨丝8通过调节螺母实现固定松开、上下移动。通管3通过调节螺母可在中心轴5上上下移动。通过前后左右移动两底座6，可确保阳极钨丝8在阴极线圈7的中心位置。

以下对本发明电路构成和连接方式作详细介绍，具体内容如下：

如图1所示，电源输出部分电路a回路构成和连接方式：三端稳压器的电压输入端1和电容C1的阳极并接，接于稳压电源正极，三端稳压器的电压输出端2作为5V电压输出，三端稳压器点接地端3与电容C1，C2的阴极并接于地端。

制动部分电路b回路构成和连接方式：三极管Q1的集电极与电阻R1并接，接于电压正极与三端稳压器电压输入端1，电容C1阳极的并接端，三极管Q1的基极与电阻R1的另一端并接，此并接端通过电阻R2连到三极管Q2的集电极，三极管Q1的发射极作为腐蚀电压输出端与电解池中的阳极钨丝相连。三极管Q2的集电极通过电阻R2相连于三极管Q1基极和电阻R1的并接端，三极管Q2的基极通过电阻R3和与非门的3端相连，三极管Q2的发射极与地端相接。

逻辑判断及鸣警部分c回路构成和连接方式：与非门的1端通过复位开关接地，同时通过电阻R4与三端稳压器的电压输出端2相连；与非门的2端、6端、10端并接，接于12端；与非门的3端与4端相连，同时和R3相连；与非门的5端通过可调电阻R5与三端稳压器电压输出端2相连，同时接于电阻R7和稳压管D1阴极的并联端，D1阳极接地端，与非门的7端接地，与非门的8端通过电阻R6与发光二极管D2的阴极相连，发光二极管D2阳极和三端稳压器电压输出端2相连，与非门的9端与三端稳压器电压输出端2相连；与非门的11端通过蜂鸣器B.Z和三端稳压器电压输出端2相连；与非门的13端和14端分别和三端稳压器电压输出端2相连。

电解池变化反馈部分d电路回路构成和连接方式：电解池中的阴极线圈和可调电阻R9并接于电容器C3阴极端，可调电阻R9另一端接地，电容器C3阳极端和可调电阻R8并接，同时并接端通过电阻R7与与非门和稳压管D1阴极的并接端相连，可调电阻R8另一端接地。

本发明电路中，稳压电源为直流稳压电源10V；三端稳压器型号为7805；电阻R1：1KΩ，R2：680Ω，R3：1KΩ，R4：10KΩ，R5：最大阻值10K的可调电阻；R6：330Ω，R7：1KΩ，R8：最大阻值10K的可调电阻；R9：最大阻值20K的可调电阻；电容：C1：0.33μF，C2：0.1μF，C3：0.33μF；稳压管：D1：3V，型号1N5225；发光二极管：D2：普通小型发光二极管；三极管：Q1：2SC536；Q2：2SC945；与非门：型号74HC00；复位开关：普通小型复位开关；蜂鸣器B.Z：普通小型蜂鸣器。

Claims (8)

1.一种扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，包括：电解池装置(2)，其特征在于还包括：电路(1)，电路(1)包括电源输出部分电路(a)、制动部分电路(b)、逻辑判断及鸣警部分电路(c)和电解池变化反馈部分电路(d )，电路(1)的相关技术特征包括：稳压电源：直流稳压电源10V；三端稳压器：型号为7805；第一电阻(R1)：1KΩ，第二电阻(R2)：680Ω，第三电阻(R3)：1KΩ，第四电阻(R4)：10KΩ，第六电阻(R6)：330Ω，第七电阻(R7)：1KΩ；第一可调电阻(R5)：最大阻值10K，第二可调电阻(R8)：最大阻值10K，第三可调电阻(R9)：最大阻值20K；第一电容(C1)：0.33μF，第二电容(C2)：0.1μF，第三电容(C3)：0.33μF；第一三极管(Q1)：2SC536，第二三极管(Q2)：2SC945；稳压管(D1)：3V，型号1N5225；发光二极管(D2)：普通小型发光二极管；与非门：型号74HC00；复位开关：普通小型复位开关；蜂鸣器(B.Z)：普通小型蜂鸣器，电路(1)的自动切断响应时间约为100ns；

电解池装置(2)由完全相同的左右两部分组成，其中通管(3)为内径略大于中心轴(5)的外径的圆柱体空心管，从而使通管(3)可沿着中心轴(5)上下自由移动，在垂直于通管(3)轴向的径向方向上打通，使其两侧各有一个小孔，小孔的直径与悬臂(4)的外径相同，从而便于一侧的小孔上能焊接一悬臂(4)，另一侧的小孔内车有螺纹，从而能旋入一螺母，当把螺母旋进到它的一端能紧密地抵住中心轴(5)的时候，通管(3)连同焊接在它一侧的悬臂(4)就牢牢地稳固在中心轴(5)的任一位置上了，两中心轴(5)分别设置在两底座(6)上，两个悬臂(4)的末端上沿垂直于它的轴向的径向上也分别打通有一小孔，并内车有螺纹，以便旋入一个螺母，用以固定阴极线圈(7)或阳极钨丝(8)，一个悬臂(4)的末端用以固定阴极线圈(7)，另一个悬臂(4)的末端用以固定阳极钨丝(8)，电解池(9)设置在两底座(6)中间，与电路(1)正负极相连的鳄鱼夹(10)分别夹住阴极线圈(7)和阳极钨丝(8)上部，作为电解池(9)的阴阳两电极。

2.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，其特征是，所述的电源输出部分电路(a)回路构成和连接方式：三端稳压器的第一端和第一电容(C1)的阳极、稳压电源的正极相连，三端稳压器的第二端可作为5V电压的输出端，并与第二电容(C2)的阳极相连，三端稳压器的第三端接地，并与第一电容(C1)、第二电容(C2)的阴极相连。

3.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，其特征是，所述的制动部分电路(b)回路构成和连接方式：第一三极管(Q1)的集电极与第一电阻(R1)、电源正极、三端稳压器的第一端、第一电容(C1)的阳极端相连，第一三极管(Q1)的基极与第一电阻(R1)的另一端相连，并通过第二电阻(R2)连接到第二三极管(Q2)的集电极，第一三极管(Q1)的发射极作为腐蚀电压的输出端与电解池中的阳极钨丝相连。第二三极管(Q2)的集电极通过第二电阻(R2)与第一三极管(Q1)的基极和第一电阻(R1)接第一三极管(Q1)基极的一端相连，第二三极管(Q2)的基极通过第三电阻(R3)和与非门的第三端相连，第二三极管(Q2)的发射极与地端相接。

4.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，其特征是，所述的逻辑判断及鸣警部分电路(c)回路构成和连接方式：与非门的第一端通过复位开关接地，同时通过第四电阻(R4)与三端稳压器的第二端相连；与非门的第二端、第六端、第十端、第十二端相连；与非门的第三端与第四端相连，同时和第三电阻(R3)相连；与非门的第五端通过第一可调电阻(R5)与三端稳压器的第二端相连，同时，与非门的第五端与第七电阻(R7)和稳压管(D1)阴极端相连；稳压管(D1)阳极端接地；与非门的第八端通过第六电阻(R6)与发光二极管(D2)的阴极相连，发光二极管(D2)阳极和三端稳压器的第二端相连，与非门的第九端与三端稳压器的第二端相连；与非门的第十一端通过蜂鸣器(B.Z)和三端稳压器的第二端相连；与非门的第十三端和第九端分别和三端稳压器的第二端相连。

5.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，其特征是，所述的电解池变化反馈部分电路(d)回路构成和连接方式：电解池中的阴极线圈、第三可调电阻(R9)和第三电容器(C3)阴极端相连，第三可调电阻(R9)另一端接地，第三电容器(C3)阳极端和第二可调电阻(R8)、第七电阻(R7)相连，同时第七电阻(R7)的另一端与与非门的第五端和稳压管(D1)的阴极相连，稳压管(D1)阳极端接地，第二可调电阻(R8)的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，其特征是，当要固定松开、上下移动阴极线圈(7)或阳极钨丝(8)时，可通过悬臂(4)上的调节螺母来调节。

7.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，其特征是，当要在中心轴(5)上上下移动和固定通管(3)时，可通过通管(3)一侧的调节螺母来调节。

8.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜针尖自动控制刻蚀仪，其特征是，通过前后左右移动两底座(6)以确保阳极钨丝(8)在阴极线圈(7)的中心位置。

Images