CN104374954A - 一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置，包括底座，底座上设有样品台，样品台上端均匀设有若干固定架，固定架上端设有扫描探头，扫描探头内部设有与探针相匹配的探针架，样品台设置于探针架的前端，样品台内部设有可进行三维移动的样品移动装置，样品移动装置内设有扫描器，扫描器设置连接有位于样品移动装置内的Z向移动导轨，样品移动装置设有控制装置。本发明的有益效果为：本装置结构简单，容易操作，通过将扫描探头与样品台的结构一体化，使得两者之间结构回路缩短，有效降低了探针与样品之间的机械噪音，提高了仪器的精度和抗干扰性；另外在样品趋近时，样品能够完全垂直的接近探针，实现了对样品扫描区域的精确定位。

Description

一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置及方法

 

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置及方法。

 

背景技术

扫描探针显微镜（SPM）是通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件（一般称之为扫描探针）之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质，将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时微小针尖将与样品相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化；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，而工作中通常是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表面结构信息的。由此可知，要使得扫描探针和待测样品之间产生原子间作用力，工作时，必须使扫描探针自动趋近到样品表面，且两者之间不能触碰需维持一个恒定的距离，且这个距离的长度是纳米级的，对扫描探针与样品之间趋近的稳定性要求很高。

当前所有的扫描探针显微镜探针与样品的趋近方法都是：保持样品的位置不变，采用伺服马达或步进马达驱动扫描探头（装有探针）接近样品的趋近方式。

采用这种趋近方式，扫描探头与样品台之间都是分离式的结构，常用的有两种结构装置：一种是扫描探头与样品台之间通过三角支撑螺杆相连，在探针趋近样品时，由于无法保证三角支撑螺杆的同步性，一般先控制其中两个支撑架下降到一定位置，再控制第三个支撑架下降，使探针最终接近样品；因此这种结构装置存在的缺点是由于探针趋近样品时并不是垂直下降的，探针趋近后，样品扫描区域会偏移，难以实现样品扫描区域的精确定位；还有一种是扫描探头与样品台之间通过悬臂梁结构相连，两者之间呈一个倒U形；在探针趋近样品时，只需控制悬臂梁的下降使探针接近样品即可；这种结构装置虽然能使探针垂直接近样品，但由于探针与样品之间结构回路长，机械噪音增大，稳定性也随之降低。

基于以上所述，现有的扫描探针显微镜探针与样品趋近方式存在着诸多的缺陷与限制，为解决这些问题，现在急需开发一种新型的扫描探针显微镜的探针与样品趋近方法。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置及方法，以克服目前现有技术存在的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置，包括底座，所述底座上设有样品台，所述样品台上端均匀设有若干固定架，所述固定架上端设有扫描探头，所述扫描探头内部设有与探针相匹配的探针架，所述样品台设置于所述探针架的前端，并且所述样品台内部设有可进行三维移动的样品移动装置，所述样品移动装置内设有扫描器，所述扫描器连接有位于所述样品移动装置内部的Z向移动导轨，并且所述样品移动装置还设有相匹配的控制装置。

进一步的，所述控制装置包括控制样品移动装置进行水平移动的手动控制器以及控制样品移动装置在Z向移动导轨内移动的微型伺服电机，所述微型伺服电机设置于所述Z向移动导轨的下端。

优选的，所述固定架的数目为三个。

优选的，所述三个固定架呈三角形排布。

一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近方法，包括以下步骤：

将待检测的探针固定在探针架上，然后保持探针的位置不变；

将待测的样品放置在样品台上端的扫描器上，通过控制装置控制样品移动装置在水平方向和Z向轨道内进行移动，直到移动到与探针达到预计的位置处停止。

进一步的，所述控制装置包括控制样品移动装置进行水平移动的手动控制器以及控制样品移动装置在Z向移动导轨内移动的微型伺服电机，所述微型伺服电机设置于所述Z向移动导轨的下端。

优选的，所述固定架的数目为三个。

优选的，所述三个固定架呈三角形排布。

本发明的有益效果为：本装置结构简单，容易操作，通过将扫描探头与样品台的结构集成一体，使得两者之间结构回路缩短，极大的降低了探针与样品之间的机械噪音，提高了仪器的精度和抗干扰性；另外在样品趋近时，样品能够完全垂直的接近探针，实现了对样品扫描区域的精确定位，进而提高了测量的精确度，有效的提高了装置的实用性，有利于市场的推广与应用。

 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置的结构示意图。

图中：

1、扫描探头；2、固定架；3、样品台；4、样品移动装置；5、扫描器；6、Z向移动导轨；7、微型伺服电机；8、探针架；9、底座。

 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明实施例的一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置，包括底座9，所述底座9上设有样品台3，所述样品台3上端均匀设有若干固定架2，所述固定架2上端设有扫描探头1，所述扫描探头1内部设有与探针相匹配的探针架8，所述样品台3设置于所述探针架8的前端，并且所述样品台3内部设有可进行三维移动的样品移动装置4，所述样品移动装置4内设有扫描器5，所述扫描器5连接有位于所述样品移动装置4内部的Z向移动导轨6，并且所述样品移动装置4还设有相匹配的控制装置；其中，所述样品台3与所述扫描探头1的结构为一整体。

所述控制装置包括控制样品移动装置4进行水平移动的手动控制器以及控制样品移动装置4在Z向移动导轨6内移动的微型伺服电机7，所述微型伺服电机7设置于所述Z向移动导轨6的下端。

所述固定架2的数目为三个；所述三个固定架2呈三角形排布。

一种扫描探针显微镜的探针与样品的趋近方法，包括以下步骤：

将待检测的探针固定在探针架8上，然后保持探针的位置不变；

将待测的样品放置在样品台3上端的扫描器5上，通过控制装置控制样品移动装置4在水平方向和Z向轨道内进行移动，直到移动到与探针达到预计的位置处停止。

所述控制装置包括控制样品移动装置4进行水平移动的手动控制器以及控制样品移动装置4在Z向移动导轨6内移动的微型伺服电机7，所述微型伺服电机7设置于所述Z向移动导轨6的下端。

所述固定架2的数目为三个；所述三个固定架2呈三角形排布。

其中，本装置中的样品移动装置4是一个三维移动结构，通过手动控制器可控制所述样品移动装置4进行水平方向上移动，通过微型伺服电机7可以控制所述样品移动装置4在Z向进行移动，进而是吸纳了样品移动装置4在X、Y和Z三个方向的自由移动，其中，在Z向即垂直方向上，是通过微型伺服电机7传动所述Z向移动导轨6，从而带动所述扫描器5的升降，由于样品是放置在扫描器5上，这也就带动了样品的升降；通过控制所述微型伺服电机7的转动就能控制样品与探针之间的垂直趋近与离开。

另外，本装置所采用的趋近方法是保持探针的位置不变，采用伺服电机7驱动样品装置接近探针的趋近方式，其中对于探针与样品之间的趋近是一个相对的运动，从理论上讲，探针趋近样品和样品趋近探针其结果是一样的，只是运动方式不一样而已，但是本方法采用了样品趋近探针的趋近方式，并将扫描探头1与样品台2结构设计成一体，两者固定在一起，不仅探针与样品结构回路短，而且抗外界震动干扰能力大大增强。

具体使用时，所述扫描探头1固定在所述固定架2的上面，所述固定架2有三个，呈三角形结构排布，同时固定在所述样品台3的上面；所述扫描探头1的内部设有用于安装探针的探针架8；所述样品移动装置4固定在所述样品台3的内部，所述样品移动装置4是一个三维移动结构，在其内部还设有所述扫描器5以及与所述扫描器5连接的Z向移动导轨6，所述Z向移动导轨6连接有位于样品台3下端的微型伺服电机7；所述扫描器5的上面可以放置待测的样品，由于扫描器5上嵌入有一个小型的磁钢，待测样品通过磁钢的吸力可以牢牢的吸附在所述扫描器5上面；所述样品移动装置4可使样品在X、Y、Z三个方向自由的移动，其中水平方向是手动控制样品装置的移动。但是在垂直方向，是通过所述微型伺服电机7传动所述Z向移动导轨6从而带动所述扫描器5的升降，由于样品是放置在所述扫描器5上的，这也就带动了样品的升降。

在本发明实施例所述的探针与样品趋近装置中，探针的位置是始终保持不变的，工作时通过电脑控制所述微型伺服电机7的转动就能控制样品自动接近探针或者离开探针的动作，由于扫描探头1与样品台3是牢牢的固定在一起，而不是简单的放置在上面，两者的结构形成一体，这样不仅探针与样品结构回路短，机械噪音低，而且抗外界震动干扰能力大大增强；同时样品趋近时，样品能够完全垂直的接近探针，也能够实现样品扫描区域的精确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置，包括底座（9），其特征在于，所述底座（9）上设有样品台（3），所述样品台（3）上端均匀设有若干固定架（2），所述固定架（2）上端设有扫描探头（1），所述扫描探头（1）内部设有与探针相匹配的探针架（8），所述样品台（3）设置于所述探针架（8）的前端，并且所述样品台（3）内部设有可进行三维移动的样品移动装置（4），所述样品移动装置（4）内设有扫描器（5），所述扫描器（5）连接有位于所述样品移动装置（4）内部的Z向移动导轨（6），并且所述样品移动装置（4）还设有相匹配的控制装置。

2.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置，其特征在于，所述控制装置包括控制样品移动装置（4）进行水平移动的手动控制器以及控制样品移动装置（4）在Z向移动导轨（6）内移动的微型伺服电机（7），所述微型伺服电机（7）设置于所述Z向移动导轨（6）的下端。

3.根据权利要求1或2所述的扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置，其特征在于，所述固定架（2）的数目为三个。

4.根据权利要求3所述的扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置，其特征在于，所述三个固定架（2）呈三角形排布。

5.一种如权利要求1所述的扫描探针显微镜的探针与样品趋近装置的趋近方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待检测的探针固定在探针架（8）上，然后保持探针的位置不变；

将待测的样品放置在样品台（3）上端的扫描器（5）上，通过控制装置控制样品移动装置（4）在水平方向和Z向轨道内进行移动，直到移动到与探针达到预计的位置处停止。

6.根据权利要求5所述的趋近方法，其特征在于，所述控制装置包括控制样品移动装置（4）进行水平移动的手动控制器以及控制样品移动装置（4）在Z向移动导轨（6）内移动的微型伺服电机（7），所述微型伺服电机（7）设置于所述Z向移动导轨（6）的下端。

7.根据权利要求5或6所述的趋近方法，其特征在于，所述固定架（2）的数目为三个。

8.根据权利要求7所述的趋近方法，其特征在于，所述三个固定架（2）呈三角形排布。