CN103941044B - 原子力显微镜跨尺度高精度进样机构 - Google Patents

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Abstract

一种原子力显微镜跨尺度高精度进样机构。针对传统原子力显微镜使用中样品位置固定、显微镜探针扫描成像范围局限于微米级别的限制，本发明提出一种进样机构，使样品能够实现从微米级到毫米级的大范围、高精度移动，从而将原子力显微镜扫描成像范围从微米扩展到毫米。本发明包括由X方向和Y方向的丝杠螺母机构组成的粗略级移动机构，移动范围为毫米级，定位精度达到微米；由X方向和Y方向压电陶瓷组成的精细级移动机构，移动范围为微米级，定位精度达到亚微米；原子力显微镜调平机构，用于调整原子力显微镜与样品间的距离和水平度。本发明实用性强，传统原子力显微镜装在本发明的进样机构上，可以实现从微米级到毫米级的跨尺度大范围扫描成像。

Description

原子力显微镜跨尺度高精度进样机构
技术领域
本发明涉及一种与原子力显微镜配套的进样机构。主要用于被测样品的进给，使被扫描的样品能够实现从微米级到毫米级的大范围、高精度移动，从而将原子力显微镜扫描成像范围从微米扩展到毫米。
背景技术
原子力显微镜使用一个对力极其敏感的带针尖的微悬臂梁来探测样品表面的结构信息。微悬臂梁一端是微小的针尖，针尖接近样品表面时，针尖尖端原子与样品表面原子之间的范德华力将使微悬臂梁发生变形，通过激光束将这种变形放大并检测出来，就可以得到样品表面的几何结构。悬臂梁的另一端固定在进给机构上，如压电陶瓷，来实现针尖在样品表面上的扫描运动。
原子力显微镜依靠微针尖与样品间的范德华力的大小来绘制样品的表面形貌，不受样品导电性的影响，可以对导体、半导体、绝缘体进行扫描测量，同时可以用微针尖来对样品进行微操作，如纳米推动，因此在生物领域中有广泛的应用潜力。
通常，原子力显微镜的扫描范围由微悬臂梁的移动范围决定，由于微悬臂梁进给机构（通常为压电陶瓷）的运动范围非常小，一般在几十μm，因此原子力显微镜的扫描范围被限制在此范围。生物领域中需要扫描的样品包括分子、蛋白、多糖、细胞等[1][2]，要求原子力显微镜既有高精度的分辨率，又有较大的行程范围。
常用的微量进给机构包括机械和电动两大类，机械类进给机构主要有丝杠螺母机构、凸轮机构、薄壁弹性件、柔性铰链机构等，特点是行程较大，但定位精度较差。如丝杠螺母机构的行程可达到几十mm（毫米），定位精度为μm（微米）。电动类进给机构主要有直线电机、磁致伸缩、电致伸缩等机构或材料，特点是行程小，定位精度高。如压电陶瓷（电致伸缩材料）的行程为几十μm，定位精度为5nm（纳米）[3][4]。
在生物应用中原子力显微镜要求同时具备高扫描精度和大扫描范围，因此，一种跨尺度、高精度的样品进给机构对原子力显微镜来说是非常有必要的。
发明内容
本发明目的是解决现有原子力显微镜进给机构的运动范围小，不能满足如生物应用中大扫描范围的跨尺度、高精度样品进给的问题，提供一种原子力显微镜跨尺度高精度进样机构。
本发明提供的原子力显微镜跨尺度高精度进样机构包括：底座1；底座1上安装X方向的丝杠螺母机构2；X方向丝杠螺母机构2包括X方向步进电机201，X方向联轴节202，X方向螺母203，X方向丝杠204；X方向螺母203上安装Y方向的丝杠螺母机构3，Y方向丝杠螺母机构3与X方向丝杠螺母机构2结构相同，安装方向正交90°。Y方向丝杠螺母机构中的Y方向螺母301上安装X方向压电陶瓷4；X方向压电陶瓷4上安装Y方向压电陶瓷5；Y方向压电陶瓷5上安装样品托台6；底座1上方通过支撑杆11固定安装有一个原子力显微镜固定座10，固定座上安装三套螺杆伸缩机构7，原子力显微镜8安放在三套螺杆伸缩机构中的三根伸缩螺杆顶部，通过控制伸缩螺杆的升降高度，调整原子力显微镜8与样品托台6之间的距离和水平度，以适应对样品9的扫描。
X方向丝杠螺母机构2与Y方向丝杠螺母机构3构成粗略级移动机构，用于平面坐标系中X、Y方向的粗略移动，实现跨尺度大范围扫描；粗略级机构直线运动的最小运动分辨率为微米级别，最大行程范围为毫米级别，定位精度为微米级。
X方向压电陶瓷4与Y方向压电陶瓷5构成精细级运动机构，用于实现平面中的X、Y方向精细运动，最小运动分辨率为亚微米级别，最大行程为微米级，定位精度为亚微米级。
所述的螺杆伸缩机构7包括原子力显微镜固定座上固定的电机座702，电机座（702）上安装的步进电机701，步进电机输出轴通过滑套联轴节703与伸缩螺杆704连接，伸缩螺杆顶端安装有一个钢珠705。伸缩螺杆顶端安装的钢珠用于减少与原子力显微镜8之间的接触面积。三根伸缩螺杆顶部的三个钢珠所在的平面决定了原子力显微镜8的高度和角度。
底座1、支撑杆11和显微镜固定座10组成一个支撑平台，X方向步进电机201安装在底座1上，螺杆伸缩机构中的步进电机701通过电机座702安装在显微镜固定座10的下表面。
工作原理
1、样品9在X-Y平面上的进给运动由粗略和精细两级运动合成。粗略级运动由X方向丝杠螺母机构2和Y方向丝杠螺母机构3完成。精细级运动由X方向压电陶瓷4和Y方向压电陶瓷5完成。
（1）粗略级运动
X方向丝杠螺母机构2和Y方向丝杠螺母机构3结构相同。其中，丝杠的导程为L，即丝杠每旋转一周螺母移动距离L。步进电机步距角为θ。步进电机驱动器每发一个脉冲，螺母移动的距离为：
(1)
以丝杠导程L=1mm，步进电机步距角θ=1.8°为例，螺母一步的移动距离为S=5μm。
（2）精细级运动
压电陶瓷在电压作用下产生变形，压电系数d33约300~700×10-12m/V（米/伏），采用多组压电片叠层，在力学上串联、电学上并联驱动方式。X方向压电陶瓷4和Y方向压电陶瓷5都选择行程10μm、精度0.01μm的压电陶瓷堆。
2、原子力显微镜8与样品9之间的水平度由三套螺杆伸缩机构7来完成。三套螺杆伸缩机构7在X-Y平面上分布在三角形三个顶点（A、B、C）上（参见图3）。步进电机701旋转伸缩螺杆704，通过控制三套伸缩螺杆704伸出的三个长度AM、BN、CO来调整平面MNO与平面ABC之间的水平度。螺杆顶端M、N、O处安装三个钢珠705以减小螺杆与原子力显微镜8之间的接触面积。
本发明的优点和有益效果
本发明提出了一种跨尺度、高精度的原子力显微镜进样机构。它采用粗略和精细两级运动机构，粗略级采用丝杠螺母结构，用于实现跨尺度大范围扫描，精细级采用压电陶瓷，用于实现高精度的样品进给，通过两级运动机构实现毫米级行程和亚微米级进给精度。为适应多种原子力显微镜，采用三组伸缩螺杆调平机构。本发明结构简单实用，采用常见器件如丝杠螺母和压电陶瓷，实现成本低，适用范围广，可用于多种原子力显微镜。
附图说明：
图1是本发明的原子力显微镜的跨尺度高精度进样机构二维示意简图。
图2是本发明的原子力显微镜的跨尺度高精度进样机构三维机械设计结构示意图（不含原子力显微镜）。
图3是原子力显微镜水平度调整原理示意图。
图中，1、底座1；2、X方向丝杠螺母机构，201、X方向步进电机，202、X方向联轴节，203、X方向螺母，204、X方向丝杠；3、Y方向丝杠螺母机构，301、Y方向螺母；4、X方向压电陶瓷；5、Y方向压电陶瓷；6、样品托台；7、螺杆伸缩机构，701、步进电机，702、电机座，703、滑套联轴节，704、伸缩螺杆，705、钢珠；8、原子力显微镜，801、扫描探针，802、探针运动机构；9、样品；10、原子力显微镜固定座；11、支撑杆。
具体实施方式：
如图1所示原子力显微镜跨尺度高精度进样机构，包括：底座1；底座1上安装X方向的丝杠螺母机构2；X方向丝杠螺母机构2包括固定安装在底座1上的X方向步进电机201，步进电机201输出轴通过X方向联轴节202连接X方向丝杠204，X方向螺母203套装在X方向丝杠204上；X方向螺母203上安装Y方向的丝杠螺母机构3，Y方向丝杠螺母机构3与X方向丝杠螺母机构2结构相同，安装方向正交90°。Y方向丝杠螺母机构中的Y方向螺母301上安装X方向压电陶瓷4；X方向压电陶瓷4上安装Y方向压电陶瓷5；Y方向压电陶瓷5上安装样品托台6；底座1上方同时通过支撑杆11固定安装有一个原子力显微镜固定座10，固定座上安装三套螺杆伸缩机构7，原子力显微镜8安放在三套螺杆伸缩机构中的三根伸缩螺杆顶部，通过控制伸缩螺杆的升降高度，调整原子力显微镜8与样品托台6之间的距离和水平度，以适应对样品9的扫描。
所述的螺杆伸缩机构7包括原子力显微镜固定座上固定的电机座702，电机座702上安装步进电机701，步进电机输出轴通过滑套联轴节703与伸缩螺杆704连接，伸缩螺杆顶端安装有钢珠705。
本发明将传统的原子力显微镜8放在三组螺杆伸缩机构7上，步进电机701通过电机座702安装在原子力显微镜固定座10的下面，驱动伸缩螺杆704，调整伸缩螺杆704的伸出长度，实现原子力显微镜8与样品托台6之间的水平度调节。待扫描的样品9放在样品托台6上。X方向丝杠螺母机构2中，X方向步进电机201通过X方向联轴节202带动X方向丝杠204旋转，驱动X方向螺母203在X轴方向做直线移动。Y方向丝杠螺母机构3与2结构相同，Y方向丝杠螺母机构带动Y方向螺母301在Y轴方向做直线移动。这样实现了样品托台6在X-Y平面的粗略级移动，行程根据丝杠长度可达几十mm，定位精度由丝杠导程和步进电机步距角控制，可达5μm以下。
X方向压电陶瓷4在外部电压的驱动下在X轴方向伸缩，Y方向压电陶瓷5在Y轴方向伸缩，这样实现了样品托台6在X-Y平面的精细级移动，行程根据所选压电陶瓷产品的指标，行程一般10μm，定位精度在0.01μm以下。对原子力显微镜样品进行进给操作时，先进行粗略级移动，再进行精细级移动。
参考文献
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Claims (1)

1.一种原子力显微镜跨尺度高精度进样机构，其特征在于该机构包括：底座(1)；底座(1)上安装X方向的丝杠螺母机构(2)；X方向丝杠螺母机构(2)包括X方向步进电机(201)，X方向联轴节(202)，X方向螺母(203)，X方向丝杠(204)；X方向螺母(203)上安装Y方向的丝杠螺母机构(3)，Y方向丝杠螺母机构与X方向丝杠螺母机构结构相同，安装方向正交90°；Y方向丝杠螺母机构中的Y方向螺母上安装X方向压电陶瓷(4)；X方向压电陶瓷(4)上安装Y方向压电陶瓷(5)；Y方向压电陶瓷(5)上安装样品托台(6)；底座(1)上方通过支撑杆(11)固定安装有一个原子力显微镜固定座(10)，固定座上安装三套螺杆伸缩机构(7)，原子力显微镜(8)安放在三套螺杆伸缩机构中的三根伸缩螺杆顶部，通过控制伸缩螺杆的升降高度，调整原子力显微镜与样品托台(6)之间的距离和水平度，以适应对样品(9)的扫描；
所述的螺杆伸缩机构(7)包括原子力显微镜固定座下表面固定的电机座(702)，电机座(702)上安装的步进电机(701)，步进电机(701)输出轴通过滑套联轴节(703)与伸缩螺杆(704)连接，伸缩螺杆顶端安装有一个钢珠(705)；三根伸缩螺杆顶部的三个钢珠所在的平面决定了原子力显微镜(8)的高度和角度。
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