CN104765009A - 一种可置换双组线圈探头及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可置换双组线圈探头，包括双组线圈探头座、与所述双组线圈探头座配套的驱动底座。其中，双组线圈探头座包括双组线圈、第一电极组和第一导线组，驱动底座包括步进电机、与步进电机相连的扫描管、第二电极组和第二导线组，第二电极组设置在扫描管的内壁，双组线圈通过第一导线组与第一电极组导通，第一电极组与第二电极组导通，第二电极组通过第二导线组连接至锁相放大器。本发明的可置换双组线圈探头，可以融合扫描隧道显微镜与交流磁化率测量，使得微观磁性和宏观磁性可以在超高真空中原位测量。

Description

一种可置换双组线圈探头及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种线圈探头，尤其涉及一种用于磁性测量的在超高真空环境中可置换的双组线圈探头。

背景技术

扫描隧道显微镜是研究材料表面原子结构以及电子态分布的重要工具，其隧道微分电导谱的功能能够反映样品表面的局域电子态密度特性。具体来说，比如对于超导样品，扫描隧道谱直接测量超导样品的超导能隙随温度或者磁场的变化，进而体现超导材料的零电阻特性和抗磁性；此外，利用扫描隧道显微镜还能测量磁性样品的微观磁结构和磁滞特性等。通常扫描隧道显微镜在超高真空环境中进行运作，以此避免大气对于样品表面的污染。将一个微米级尖锐的金属针头固定在探针座上，然后将探针座插入三维微驱底座中，就可以进行原子尺度的表面形貌测量和局域电子态密度测量。

磁化率是研究材料磁学特性的一个重要参数，磁化率的突变可以反映材料的顺磁性-铁磁性转变、超导态的完全抗磁性转变等。根据电磁感应原理，螺线管中通以交变的电流会产生恒定的磁场分布；此时用另一个开路的线圈放在螺线管附近，此线圈的两端会产生恒定的感生电动势。以超导材料为例，如果将超导材料放在两者之间靠近测量线圈，当温度低于临界温度时，由于超导体的抗磁特性，磁场不能穿透样品而被排斥出样品之外；当温度高于临界温度时，磁场可以穿透样品。因此，只要将测量线圈放置于非常接近样品的位置，它两端的电势差在超导转变前后就会发生变化，即获得了样品的超导临界温度。上述电势差就是交流磁化率的相对变化的实际测量物理量。

由于传统的磁化率测量设备不需要超高真空环境，而对于易受大气污染的样品，磁化率的测量必须在原位进行。本发明所设计的可置换双组线圈探头，可以融合扫描隧道显微镜与交流磁化率测量，使得微观磁性和宏观磁性可以在超高真空中原位测量。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可在超高真空环境中可置换的双组线圈探头及测量方法

为实现上述目的，本发明提供了一种可置换双组线圈探头，包括双组线圈探头座、与所述双组线圈探头座配套的驱动底座，所述双组线圈探头座包括双组线圈、第一电极组和第一导线组，所述驱动底座包括步进电机、与所述步进电机相连的扫描管、第二电极组和第二导线组，所述第二电极组设置在所述扫描管的内壁，所述双组线圈通过所述第一导线组与所述第一电极组导通，所述第一电极组与所述第二电极组导通，所述第二电极组通过所述第二导线组连接至锁相放大器。

进一步地，所述双组线圈探头座还包括第一螺纹台，所述第一螺纹台的底部具有螺杆，所述螺杆与所述驱动底座能够通过螺纹连接，使所述双组线圈探头座可以从所述驱动底座中自由地旋进或旋出；所述螺杆的下端与所述第一电极组连接。

进一步地，所述双组线圈探头座还包括设置在所述第一螺纹台上方的呈“工”字型的线圈骨架，所述双组线圈包括沿所述线圈骨架的径向由内向外依次盘绕的第一线圈和第二线圈。

进一步地，所述第一线圈与所述第二线圈均由直径0.05毫米至0.1毫米的漆包铜线盘绕而成。

进一步地，所述第一电极组包括相互之间用陶瓷片绝缘隔离的环形中空的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，第一导线组包括第一导线、第二导线、第三导线和第四导线；所述第一电极通过所述第一导线与所述第一线圈的正端导通，所述第二电极通过所述第二导线与所述第一线圈的负端导通，所述第三电极通过所述第三导线与所述第二线圈的正端导通，所述第四电极通过所述第四导线与所述第二线圈的负端导通；所述第一导线、所述第二导线、所述第三导线和所述第四导线分别通过导电胶粘在各自对应的线圈和电极上。

进一步地，所述第一线圈为激励线圈，所述第二线圈为耦合线圈；或者，所述第二线圈为激励线圈，所述第一线圈为耦合线圈。

进一步地，若所述第一线圈为激励线圈，所述第二线圈为耦合线圈，则所述第一线圈以同一方向盘绕，所述第一线圈的盘绕匝数少于所述第二线圈的盘绕匝数，所述第二线圈按照所述第一线圈的方式盘绕或者所述第二线圈一部分以顺时针盘绕而另一部分以逆时针盘绕。

进一步地，所述第二电极组包括相互之间被陶瓷层绝缘隔离的第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，所述第五电极、所述第六电极。所述第七电极和所述第八电极分别与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极导通。

进一步地，所述第四电极的端部的尺寸小于所述第三电极的尺寸，以使所述双组线圈探头座更容易地进入所述驱动底座中。

进一步地，所述第四电极的端部具有倒梯形截面，所述第八电极的形状与所述第四电极的形状匹配。

进一步地，所述第二导线组包括第五导线、第六导线、第七导线和第八导线，所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极分别与所述第五导线、所述第六导线、所述第七导线和所述第八导线相连并被引出，所述第五导线和所述第六导线连接至锁相放大器的输出端，所述第七导线和所述第八导线连接至锁相放大器的输入端。

进一步地，所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极的内壁均安装有钛合金弹簧片，所述钛合金弹簧片用于保证所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极分别与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极导通。

进一步地，所述步进电机为三维粗调驱动的压电陶瓷步进电机，所述扫描管为三维微调驱动的压电陶瓷扫描管。

进一步地，所述驱动底座能够与扫描隧道显微镜的探针座螺纹连接，使所述扫描隧道显微镜的探针座可以从所述驱动底座中自由地旋进或旋出。

本发明的第一至第八电极均为铜电极，第一至第八导线均为铜导线。

本发明的双组线圈探头是测量交流磁化率的探测部件，需要配合锁相放大器以及计算机使用。锁相放大器的输出端最终连接至所述双组线圈中的激励线圈的正、负端，用来提供交流激励电信号；锁相放大器的输入端最终连接至所述双组线圈中的耦合线圈的正、负端，用来测量耦合线圈同频率的感应电信号。计算机用来控制锁相放大器的输出信号、采集锁相放大器测得的输入信号并保存。另外，计算机还用来获得待测样品与双组线圈探头的距离，同时控制驱动底座的动作，使得双组线圈探头可控地靠近样品。

本发明还提供了上述任意一种可置换双组线圈探头的测量方法，包括以下步骤：

第一步，将所述双组线圈探头座旋入所述驱动底座，并将待测样品置于所述双组线圈探头座的上方；

第二步，调节所述双组线圈与所述待测样品的距离；

第三步，控制所述锁相放大器，使交流电信号通入所述双组线圈中的激励线圈；

第四步，记录所述锁相放大器的输入端得到的所述双组线圈中的耦合线圈的电压数据。

本发明的优越性在于：

(1)通过双组线圈探头与扫描金属探针的相互置换可以实现原位磁性测量与扫描隧道显微镜相融合；

(2)扫描隧道显微镜原本配备了控制压电陶瓷步进电机以及压电陶瓷扫描管的功能，利用这个功能可以使双组线圈探头与待测样品之间距离精确可控；

(3)第一线圈产生磁场分布整个样品空间，可以实现非接触测量，避免对样品造成破坏，是一种无损测量工具；

(4)第一线圈与第二线圈一体化，待测样品只需放置于其一侧即可实现测量，方便快捷。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的可置换双组线圈探头的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一个较佳实施例的可置换双组线圈探头如图1所示，包括：双组线圈探头座1；与双组线圈探头座1配套的驱动底座14。

双组线圈探头座1包括线圈骨架2、双组线圈、第一螺纹台5、第一电极组和第一导线组，线圈骨架2呈“工”字型，设置在第一螺纹台5的中心上方，并与第一螺纹台5固定连接，双组线圈包括沿线圈骨架2的径向由内向外依次盘绕的第一线圈3和第二线圈4。第一线圈3与第二线圈4均由直径0.05毫米至0.1毫米的漆包铜线盘绕而成。第一螺纹台5的底部具有螺杆21，螺杆21的外螺纹22与驱动底座14的内螺纹51相匹配，使双组线圈探头座1能够从驱动底座14中旋进或旋出。另外，驱动底座14的内螺纹51也与扫描隧道显微镜的探针座的螺杆的外螺纹相匹配，使扫描隧道显微镜的探针座能够从驱动底座14中旋进或旋出。螺杆21的下端与电极组连接，第一电极组包括相互之间用陶瓷片23绝缘隔离的环形中空的第一电极10、第二电极11、第三电极12、第四电极13，第一导线组包括第一导线6、第二导线7、第三导线8和第四导线9。其中，第一电极10通过第一导线6与第一线圈3的正端导通，第二电极11通过第二导线7与第一线圈3的负端导通，第三电极12通过第三导线8与第二线圈4的正端导通，第四电极13通过第四导线9与第二线圈4的负端导通。第一导线6、第二导线7、第三导线8和第四导线9分别通过导电胶粘在各自对应的线圈和电极上。

第一线圈3与第二线圈4的盘绕方式决定了实际测量的样品的空间范围和测量的灵敏度。本实施例中，第一线圈3为激励线圈，第二线圈4为耦合线圈，在其它实施例中，也可以设置第二线圈为激励线圈，第一线圈为耦合线圈。第一线圈3通常以同一方向盘绕，即顺时针或逆时针，盘绕匝数相较第二线圈4要少，因此产生的激励磁场不至于破坏样品的原有磁性。第二线圈4的盘绕方法可以有很多种，比如可以同样按照第一线圈3的方式盘绕，但匝数更多，以获取更大的测量信号；也可以按顺时针方式盘绕上半部分，下半部以逆时针盘绕与上半部相同匝数，以此消除本底信号，测量灵敏度会得到进一步提升。

驱动底座14包括三维粗调驱动的压电陶瓷步进电机17、三维微调驱动的压电陶瓷扫描管19、第二螺纹台20、第二电极组和第二导线组，压电陶瓷扫描管19设置在压电陶瓷步进电机17的上方，通过压电陶瓷步进电机17调节压电陶瓷扫描管19的位置。第二电极组设置在压电陶瓷扫描管19的内壁，包括相互之间被陶瓷层24绝缘隔离的第五电极25、第六电极26、第七电极27和第八电极28。第五电极25、第六电极26、第七电极27和第八电极28的内壁均安装有钛合金弹簧片15，当双组线圈探头座1旋入驱动底座14时，钛合金弹簧片15可以保证第五电极25、第六电极26、第七电极27和第八电极28分别与第一电极10、第二电极11、第三电极12、第四电极13电路导通。第二螺纹台设置在第二电极组的上方，并具有与双组线圈探头座1的螺纹台5的外螺纹22相匹配的内螺纹51。第二导线组包括第五导线29、第六导线30、第七导线31和第八导线32，第五电极25、第六电极26、第七电极27和第八电极28分别与第五导线29、第六导线30、第七导线31和第八导线32相连并被引出。

本实施例的可置换双组线圈探头需要配合锁相放大器使用，第五导线29和第六导线30连接至锁相放大器的输出端，第七导线31和第八导线32连接至锁相放大器的输入端。若将金属探针座旋入驱动底座14时，扫描探针连接至第五电极25，与第五电极25相连的第五导线29作为隧道电流的信号线。使用扫描隧道显微镜功能时，需要将第六导线30、第七导线31和第八导线32与大地短路，避免电磁噪音通过此三根导线混入隧道电流信号中。

本实施例中的第一至第八电极均为铜电极，第一至第八导线均为铜导线。

本实施例中，第四电极13的端部的尺寸小于第三电极12的尺寸，以使双组线圈探头座1更容易地进入驱动底座14中，具体来说，第四电极13的端部具有倒梯形截面，第八电极28的形状与第四电极13的形状匹配。

本实施例的可置换双组线圈探头的测量方法包括以下四个步骤：

步骤1：传输待测样品；双组线圈探头座1旋入驱动底座14后，将待测样品从超高真空腔体中传输至双组线圈探头座1上方。

步骤2：靠近待测样品；利用电压驱动压电陶瓷步进电机17、压电陶瓷扫描管19使得线圈骨架2的上端靠近样品，并调节双组线圈与待测样品的距离。

步骤3：通入电流；将第五电极25和第六电极26分别通过第五导线29和第六导线30连接至锁相放大器的输出端，将第七电极27和第八电极28分别通过第七导线31和第八导线32分别连接至锁相放大器的输入端。然后控制锁相放大器，为第一线圈3(激励线圈)通入交流激励电压/电流。

步骤4：记录电压；利用锁相放大器的记录功能或者连接锁相放大器至计算机，将连接至第二线圈4(耦合线圈)的输入端的电压信号记录下来。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可置换双组线圈探头，其特征在于，包括双组线圈探头座、与所述双组线圈探头座配套的驱动底座，所述双组线圈探头座包括双组线圈、第一电极组和第一导线组，所述驱动底座包括步进电机、与所述步进电机相连的扫描管、第二电极组和第二导线组，所述第二电极组设置在所述扫描管的内壁，所述双组线圈通过所述第一导线组与所述第一电极组导通，所述第一电极组与所述第二电极组导通，所述第二电极组通过所述第二导线组连接至锁相放大器。

2.如权利要求1所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述双组线圈探头座还包括第一螺纹台，所述第一螺纹台的底部具有螺杆，所述螺杆与所述驱动底座能够通过螺纹连接，使所述双组线圈探头座可以从所述驱动底座中自由地旋进或旋出；所述螺杆的下端与所述第一电极组连接。

3.如权利要求2所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述双组线圈探头座还包括设置在所述第一螺纹台上方的呈“工”字型的线圈骨架，所述双组线圈包括沿所述线圈骨架的径向由内向外依次盘绕的第一线圈和第二线圈。

4.如权利要求3所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述第一线圈与所述第二线圈均由直径0.05毫米至0.1毫米的漆包铜线盘绕而成。

5.如权利要求3所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述第一电极组包括相互之间用陶瓷片绝缘隔离的环形中空的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，第一导线组包括第一导线、第二导线、第三导线和第四导线；所述第一电极通过所述第一导线与所述第一线圈的正端导通，所述第二电极通过所述第二导线与所述第一线圈的负端导通，所述第三电极通过所述第三导线与所述第二线圈的正端导通，所述第四电极通过所述第四导线与所述第二线圈的负端导通；所述第一导线、所述第二导线、所述第三导线和所述第四导线分别通过导电胶粘在各自对应的线圈和电极上。

6.如权利要求3所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述第一线圈为激励线圈，所述第二线圈为耦合线圈；或者，所述第二线圈为激励线圈，所述第一线圈为耦合线圈；若所述第一线圈为激励线圈，所述第二线圈为耦合线圈，则所述第一线圈以同一方向盘绕，所述第一线圈的盘绕匝数少于所述第二线圈的盘绕匝数，所述第二线圈按照所述第一线圈的方式盘绕或者所述第二线圈一部分以顺时针盘绕而另一部分以逆时针盘绕。

7.如权利要求5所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述第二电极组包括相互之间被陶瓷层绝缘隔离的第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，所述第五电极、所述第六电极；所述第七电极和所述第八电极分别与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极导通。

8.如权利要求7所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述第二导线组包括第五导线、第六导线、第七导线和第八导线，所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极分别与所述第五导线、所述第六导线、所述第七导线和所述第八导线相连并被引出，所述第五导线和所述第六导线连接至锁相放大器的输出端，所述第七导线和所述第八导线连接至锁相放大器的输入端。

9.如权利要求7所述的可置换双组线圈探头，其特征在于，所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极的内壁均安装有钛合金弹簧片，所述钛合金弹簧片用于保证所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极分别与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极导通。

10.一种如权利要求1～9中任意一项所述的可置换双组线圈探头的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将所述双组线圈探头座旋入所述驱动底座，并将待测样品置于所述双组线圈探头座的上方；

第二步，调节所述双组线圈与所述待测样品的距离；

第三步，控制所述锁相放大器，使交流电信号通入所述双组线圈中的激励线圈；

第四步，记录所述锁相放大器的输入端得到的所述双组线圈中的耦合线圈的电压数据。