CN104122416A - 一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其包括设置在激光调节座上的激光器，设置在四象限调节座上的四象限探测器，以及用于放置探针的探针架，所述激光调节座和所述四象限调节座固定设置，所述激光器发出的入射光照射到所述探针的微悬臂上表面，并经所述微悬臂上表面反射进入所述四象限探测器内，所述激光器产生的激光光斑位于所述探针微悬臂的靠近端部的一侧，所述探针架设置在导轨座上，所述探针架上固定设有定位块，所述定位块上设置有用于放置探针的定位槽。本发明的激光检测装置光路简单，操作方便，且更换探针后无需调节激光光路，能大大缩短检测周期，提高检测效率。

Description

一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，属于显微镜技术领域。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)是通过检测待测样品表面与一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力，来研究物质表面结构及性质的元器件。使用时，将对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，用另一端的微小针尖接近样品，这时针尖将与待测样品原子之间产生相互作用力，该作用力将使得微悬臂发生形变或改变其运动状态；扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息。

工作中，通常利用激光检测法测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而以纳米级分辨率获得样品表面结构信息。所谓激光检测法，是指激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在探针微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置四象限检测器；在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面的形貌信息。由此可见，扫描探针显微镜主要通过激光检测扫描探针工作时的微形变来获得样品表面信息，但是由于扫描探针的针尖和悬臂相当微小，悬臂的宽度一般小于0.03mm，而针尖更小，肉眼无法看到，因此对激光光路的要求相当高。

传统扫描探针显微镜的激光管均采用可调节式设计，以便于将激光光斑照射到探针前端部位置，如中国专利文献CN1913043A公开了一种原子力显微镜扫描探头，其包括激光器、两个反射镜、四象限光电位置检测器、微悬臂、放大镜组件和CCD。该专利文献公开的原子力显微镜扫描探头通过放大镜将激光光斑放大后显示在电脑屏幕上，进而便于观察。然而上述文献公开的原子力扫描探头在使用中依然存在以下缺陷：

在调节激光光斑时，除了需要通过调节激光器和四象限探测器外，还需要调节设置在入射光路上的反光镜和设置在反射光路上的反光镜，虽然最终能够将激光光斑调节到适宜位置，但是需要耗费较多的调节时间，进而严重影响显微镜的检测效率。另外，由于该显微镜的激光器、四象限探测器及两个反光镜始终处于可调节的状态，外界环境很容易干扰反光镜的倾斜角度，以及激光器和四象限探测器的调节转盘，例如，在更换探针或显微镜久置后，反光镜的倾角和/或调节转盘转角会发生一定位置改变，而通过光路的放大作用，该位置改变将会使探针端部的光斑位置产生较大的位移，进而使四象限探测器无法接收到反射光或接收量很小，进而影响观测结果，这就需要在每次更换探头时均需要重新调节激光光斑。

因此，传统的探针显微镜采用的光路可调节式设计，虽然能够将光斑位置调整到位，但却需要在每次使用或更换探头时都进行光斑位置调节，进而导致操作繁琐，检测周期长，且检测效率低。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有原子力显微镜光斑调节较为繁琐，每次更换探针后都要进行调节，且观测效率和使用效率均较低的弊端；进而提供一种新型的基于扫描探针显微镜的激光检测装置，该检测装置光路简单、操作方便，每次更换探针后无需重新调节激光位置，可大大缩短检测周期，提高检测效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其包括设置在激光调节座上的激光器，设置在四象限调节座上的四象限探测器，以及用于放置探针的探针架，所述激光调节座和所述四象限调节座固定设置，所述激光器发出的入射光照射到所述探针的微悬臂上表面，并经所述微悬臂上表面反射进入所述四象限探测器内，所述激光器产生的激光光斑位于所述探针微悬臂的靠近端部的一侧，所述探针架设置在导轨座上，所述探针架上固定设有定位块，所述定位块上设置有用于放置探针的定位槽。

所述导轨座上设置有导轨槽或导轨凸起，所述探针架上设有与所述导轨槽或所述导轨凸起配合的凸起或凹槽，所述探针架通过所述凸起或所述凹槽安装在所述导轨座的所述导轨槽内。

所述导轨槽或所述导轨凸起为燕尾槽或燕尾式凸起。

所述凸起与所述导轨槽底面配合的一侧设有至少一块磁铁。

所述定位块胶接在所述探针架上。

所述定位槽设置在所述定位块的下表面。

所述定位槽内设置有用于调节探针插入深度的滑块。

所述定位槽处设置有弹片，所述弹片的一端固定在探针架上，所述弹片的自由端弹性抵靠在所述定位块的下表面以将所述探针固定在所述定位槽内。

所述激光调节座和所述四象限调节座固定设置在所述导轨座的上端。

所述激光调节座和所述四象限调节座固定设置在壳体上。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明激光检测装置的探针架设置在导轨座上，在探针架上固定设置定位块，在定位块上设置有用于放置探针的定位槽；在加工时通过控制探针架与导轨座的配合精度，以及定位块与探针架的配合精度，使两者的配合精度控制在约0.01mm；首次使用将激光器和四象限探测器调整到位后，即可将激光器的调节螺杆固定死，后期更换探头时由于激光器、探针架、定位块的位置精度均没有改变，因此直接将探头插入到定位槽内即可，从而避免了传统激光检测装置在每次更换探头后均需要调节激光光斑的问题，大大节省了仪器调节时间，提高了使用效率和仪器的可操作性；另外，由于本发明的激光检测装置只需在初次使用时调节光斑即可，因此无需像传统装置那样设置两个反光镜来调节光路，进而使光路变得更加简单，仪器稳定性更好。

2.本发明的激光检测装置的导轨座上设置有导轨槽，探针架与导轨座之间采用导轨滑动配合，且该导轨槽的形式优选燕尾槽式，其不仅便于安装、提高装配效率，同时燕尾槽的结构形式还便于定位，进而提高装配精度。

3.本发明激光检测装置探针架上的凸起与导轨槽配合的一侧设有至少一块磁铁，优选两块，当探针架装配到导轨槽中后，通过磁铁的吸附作用探针架上的凸起将与导轨槽的底面牢牢贴合，不会产生间隙，因此可进一步提高探针架的安装精度。

4.本发明的定位槽内设置有用于调节探针插入深度的滑块，通过调节滑块在定位槽中的具体位置，进而可控制探针的插入深度，能够适用于不同规格的探针，扩大了本发明激光检测装置的适用范围。

5.本发明激光检测装置的定位槽设置在定位块的下表面，并在定位槽处设置有弹片，该弹片的一端固定在探针架上，其自由端弹性抵靠在定位块的下表面以将探针固定在定位槽内；由于弹片与探针之间是弹性接触，该弹片对探针施加的弹力适中，定位迅速，进而便于更换探针，提高工作效率。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的激光检测装置的结构示意图；

图2是本发明的激光检测装置安装到壳体内的整体结构示意图；

图3是本发明激光检测装置的定位块与探针配合的结构示意图；

图4是本发明的激光检测装置安装到壳体内的另一视角的整体结构示意图；

图5是本发明的激光检测装置的光路图。

图中附图标记表示为：

1-探针；2-定位块；20-定位槽；21-滑块；3-探针架；3-弹片；4-导轨座；5-激光器；50-入射光；6-激光器调节座；7-调节螺杆；8-四象限探测器；80-反射光；9-四象限调节座；10-壳体。

具体实施方式

参见图1-3，一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其包括设置在激光调节座6上的激光器5，设置在四象限调节座9上的四象限探测器8，以及用于放置探针1的探针架3，所述探针架3设置在导轨座4上，所述探针架3上固定设有定位块2，所述定位块2上设置有用于放置探针1的定位槽20。所述导轨座4上设置有导轨槽(由于导轨槽的结构形式已属于比较成熟的现有技术，本发明的导轨槽可直接应用现有的技术，因此图中未示出)，所述探针架3上设有与所述导轨槽配合的凸起(图中未示出)，所述探针架3通过所述凸起安装在所述导轨座4的所述导轨槽内，所述导轨槽为燕尾槽，所述凸起为燕尾式凸起；本实施例的激光检测装置设置在壳体10内部。

本实施例中的所述定位块2的定位槽20需经过研磨加工，其精度达0.01mm；所述定位块2通过AB胶水(或其它固定方式，如焊接、螺钉固定等)固定在所述探针架3上；所述导轨座4上的燕尾槽也需要经过研磨处理以提高其装配精度，所述探针架3通过燕尾槽插入到所述导轨座4的内部，两者之间的配合精度也达到0.01mm。由于所述定位块2和所述燕尾槽的精度都达到了0.01mm，而探针悬臂梁的宽度一般是0.03mm，因此在扫描探针显微镜的使用过程中，使用者抽出探针架3，每次更换探针1，再将探针架3插入到导轨座4的燕尾槽中，可以保证每次激光器5所发出的激光束(也即入射光50)都可以经过探针1的悬臂前端准确的反射(也即反射光80)到四象限探测器8上面，而无需再重新去通过调节螺杆7调节激光器5和四象限探测器8的位置，大大提高了检测效率，避免了传统探针显微镜激光光斑调试比较困难的弊端。本实施例中，所述激光器调节座6和所述四象限调节座9的调节余量为3mm，通过旋动所述调节螺杆7可以移动所述激光器5和所述四象限探测器8的位置，由于激光检测装置是由不同的部件组装而成，存在着累积误差，因此在生产组装时，需要调节激光器5和四象限探测器8的位置来调节光路，当激光光路的位置确定好后，所述调节螺杆7就可以用AB胶水固定起来。因此，本实施例的激光检测装置只需在组装时或在初次使用时调节激光光斑即可，而无需像传统显微镜那样设置两个反光镜来调节光路，进而使光路变得更加简单，仪器稳定性更好。

本实施例中，所述探针架3的背部还嵌入有两个小型磁铁，当所述探针架3插入到所述导轨座4的燕尾槽中后，由于两个小型磁铁的吸力，可保证探针架在燕尾槽中前后固定而没有间隙，从而进一步提高探针架3与导轨座4的配合精度。当然，设置两个磁铁只是优选方案，所述磁铁只是起到吸附作用，还可以根据具体情况设置一个或多个磁铁。

参见图3，本实施例中的所述定位槽20设置在所述定位块2的下表面，所述定位槽20内设置有用于调节探针1插入深度的滑块21。通过调节滑块21在定位槽20中的具体位置，进而可控制探针1的插入深度，能够适用于不同规格的探针，扩大了本发明激光检测装置的适用范围。

参见图4，本实施例中，所述定位槽20处设置有弹片30，所述弹片30的一端固定在探针架3上，所述弹片的固定方式可采用铆接、焊接、螺钉连接等，所述弹片30的自由端弹性抵靠在所述定位块2的下表面以将所述探针1固定在所述定位槽20内。由于弹片30与探针1之间是弹性接触，该弹片20对探针施加的弹力适中、定位迅速，进而便于更换探针，提高工作效率；且所述弹片30在对探针1进行固定的同时，同时也将滑块21固定在了所述定位槽20内。

参见图5，该图是本实施例的基于扫描探针显微镜的激光检测装置的光路图，由于扫描探针显微镜常用的探针针尖与悬臂之间并不是完全垂直的，两者之间的夹角是100°，因此为了保证扫描探针显微镜的精度，本实施例的激光检测装置在工作时，其探针针尖与样品之间的夹角是90°，所述定位块2的用来安装探针1的定位槽的底面与水平面之间的夹角是10°；由此在组装激光检测装置时，需要调节激光器5和四象限探测器8的位置，保证激光器发出的光束与水平面之间的夹角是60°，同时保证四象限接收光束与水平面的夹角为40°。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其包括设置在激光调节座(6)上的激光器(5)，设置在四象限调节座(9)上的四象限探测器(8)，以及用于放置探针(1)的探针架(3)，所述激光调节座(6)和所述四象限调节座(9)固定设置，所述激光器(5)发出的入射光(50)照射到所述探针(1)的微悬臂上表面，并经所述微悬臂上表面反射进入所述四象限探测器(8)内，所述激光器(5)产生的激光光斑位于所述探针(1)微悬臂的靠近端部的一侧，其特征在于:所述探针架(3)设置在导轨座(4)上，所述探针架(3)上固定设有定位块(2)，所述定位块(2)上设置有用于放置探针(1)的定位槽(20)。

2.根据权利要求1所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述导轨座(4)上设置有导轨槽或导轨凸起，所述探针架(3)上设有与所述导轨槽或所述导轨凸起配合的凸起或凹槽，所述探针架(3)通过所述凸起或所述凹槽安装在所述导轨座(4)的所述导轨槽内。

3.根据权利要求2所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述导轨槽或所述导轨凸起为燕尾槽或燕尾式凸起。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述凸起与所述导轨槽底面配合的一侧设有至少一块磁铁。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述定位块(2)胶接在所述探针架(3)上。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述定位槽(20)设置在所述定位块(2)的下表面。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述定位槽(20)内设置有用于调节探针(1)插入深度的滑块(21)。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述定位槽(20)处设置有弹片(30)，所述弹片(30)的一端固定在探针架(3)上，所述弹片(30)的自由端弹性抵靠在所述定位块(2)的下表面以将所述探针(1)固定在所述定位槽(20)内。

9.根据权利要求1所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述激光调节座(6)和所述四象限调节座(9)固定设置在所述导轨座(4)的上端。

10.根据权利要求1所述的一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于：所述激光调节座(6)和所述四象限调节座(9)固定设置在壳体(10)上。