CN102564654A - 一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，包括扫描电子显微镜的基座和操作器，在操作器上固定有激光测力器，该激光测力器通过光纤与位于扫描电子显微镜外部的激光控制器相连接；所述的激光测力器包括有激光头，悬臂梁，滑块和固定块，其中，悬臂梁连接在固定块上，滑块和固定块通过螺栓相连接，激光头穿过滑块对准悬臂梁。工作时，样品对悬臂梁端部的反作用力会导致悬臂量发生变形，该变形可通过激光器实时测得。力的大小是通过实时计算激光距离的变化获得。其体积小，结构简单，稳定性高，实时性强，可在真空下工作，特别适合在电子显微镜内部实现对显微样本的操作和测量。

Description

一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统

技术领域

本发明属于微纳米装备和测量技术领域，具体涉及一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统。

背景技术

扫描电子显微镜(FESEM)是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。其分辨率可达0.2纳米，远高于光学显微镜的分辨率。

随着纳米技术的发展，纳米尺度的测量也变得越来越重要。其中，力的测量对于研究材料的物理属性有重要意义。然而，目前应用在电子显微镜下的力测量技术，主要是通过观察和测量微悬臂梁(AFM cantilever)变形来进行计算。该方法是一种离线式的分析方法，需要后续的图像处理来实现。并且，计算精度取决于图像的精度，在图像放大倍数低的时候，得到的测量结果精度也会变低。

发明内容

针对现有电子显微镜内利用图像处理测量力的方法的不足，本发明的目的在于，提出一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，该系统通过用激光头发射激光照射在悬臂梁上，当在悬臂梁上施加力时，悬臂梁的变形可通过激光控制系统实时测得，从而实现在电子显微镜内对力的实时高精度测量。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：

一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，包括扫描电子显微镜的基座和操作器，其特征在于，在操作器上固定有激光测力器，该激光测力器通过光纤与位于扫描电子显微镜外部的激光控制器相连接；

所述的激光测力器包括有激光头，悬臂梁，滑块和固定块，其中，悬臂梁连接在固定块上，滑块和固定块通过螺栓相连接，激光头穿过滑块对准悬臂梁。

本发明的用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，其原理是建立在激光测距和悬臂梁的受力-变形机理上。激光控制器能够发射和接受反射的激光信号，系统中的激光头发射的激光照射在悬臂梁的背面，并把反射光反馈到激光控制器中。跟据反射时间长短的变化，可以测量悬臂梁移动的距离。目前，该类装置的精度已经可以达到纳米尺度。悬臂梁端部受力时，梁会发生变形。该变形和施加的力的关系，可以通过悬臂梁变形公式(Euler-Bernoulli Equation)进行计算。

本发明采用固定块安装并调整激光头和悬臂梁的位置，悬臂梁通过螺栓安装在固定块上。激光头安装方向与悬臂梁垂直，通过螺栓固定在滑块上。滑块可通过螺栓上下移动调整位置，以保证光斑聚焦在悬臂梁上。而且激光头与悬臂梁的相对位置，可以通过电子显微镜直接观察。

工作时，用悬臂梁的端部接触要测量的样品，样品的反作用力会作用在悬臂梁上使其变形。悬臂梁的变形可通过激光器测得。该变形可以通过悬臂梁受力-变形公式实时计算获得。

本发明的用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，可以在电子显微镜系统内部实时测量力的大小，弥补了现有测力方式局限于后期图像处理的不足。

附图说明

图1为本发明的用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统的结构示意图。

图2为激光测力器的组装示意图。

图3为图2的A-A剖视图；

图4为悬臂梁弯曲时，激光测力系统的工作示例。

图5是计算原理示意图；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1所示，本实施例给出一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，包括扫描电子显微镜的基座8和操作器3，还包括操作器3上固定的激光测力器4以及激光控制器1。激光控制器1安装在扫描电子显微镜外部，通过光纤2与激光测力器4相连接。激光测力器4固定在操作器3上。实验样品6放在样品操作台7上。操作器3和样品台7固定在显微镜内的基座8上。电子枪5用来观察样品6。

参见图2和图3，激光测力器4包括有激光头41，悬臂梁42，滑块43，固定块44。激光头41穿过滑块43对准悬臂梁42，在滑块43上有固定激光头41的螺栓431。悬臂梁42通过螺栓421固定在固定块44上。滑块43和固定块44通过紧固螺栓432，垫片433，弹簧434相连接。通过调整螺栓432的松紧程度，可以调整激光头41与悬臂梁42的相对位置。固定块44上打有螺栓孔441，用来与扫描电子显微镜内的操作器3相连接。

参见图4所示，悬臂梁42端部受力后会发成弯曲，激光头41与悬臂梁42的距离会随之发生改变。如图5所示，悬臂梁42的长度为L，激光头41到悬臂梁42固定端的距离为x。在悬臂梁42的端部施加力F时，激光头41与悬臂梁42背面会发生距离为d的变化。F与d的关系可通过下述公式计算：

$F=\frac{6\mathrm{EId}}{x^2(3L-x)}$

其中，E和I分别比是悬臂梁弹性模量和的惯性矩，为常量。L是悬臂梁的长度，为常量。x是激光头41距悬臂梁42固定端的距离，可以从扫描电子显微镜内的图像直接测量，也是常量。d是激光测得的距离变化，是公式右侧的唯一变量。所以，施加在悬臂梁42端部的力，可以通过该式直接计算得出。

本发明采用了激光测力器，通过悬臂梁的变形来计算，结构简单，精度高，特别适合应用于扫描电子显微镜内部对样品的实时测量。

Claims (3)

1.一种用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，包括扫描电子显微镜的基座(8)和操作器(3)，其特征在于，在操作器(3)上固定有激光测力器(4)，该激光测力器(4)通过光纤(2)与位于扫描电子显微镜外部的激光控制器(1)相连接；

所述的激光测力器(4)包括有激光头(41)，悬臂梁(42)，滑块(43)和固定块(44)，其中，悬臂梁(42)连接在固定块(44)上，滑块(43)和固定块(44)通过螺栓相连接，激光头(41)穿过滑块(43)对准悬臂梁(42)。

2.如权利要求1所述的用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，其特征在于，所述的悬臂梁(42)与激光头(41)垂直安装，悬臂梁(42)和固定块(44)之间通过螺栓固定。

3.如权利要求1所述的用于扫描电子显微镜内部的激光测力系统，其特征在于，所述滑块(43)和固定块(44)之间通过螺栓、垫片和弹簧连接，用来调整激光头(41)和悬臂梁(42)的相对位置。

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