CN104930981B - 一种原子力探针位姿调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子力探针位姿调节装置,包括探针座，调节机构和连接头。其中探针座用于原子力探针的安装固定；调节机构包括由下至上的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件、第四调节部件以及第五调节部件，分别用于原子力探针的里外水平偏摆、左右水平、上下旋转、上下俯仰以及上下竖直位姿调节；连接头用于与原子力探针测量系统的显微物镜相连。本发明能够实现原子力探针任意姿态的细微调节，各个调节动作相互独立，互不影响，提高了探针姿态的调节精度；且能够对调节后的位姿进行锁定，使其保持稳定，进一步保证原子力探针测量系统的稳定性和精度。

Description

一种原子力探针位姿调节装置

技术领域

本发明属于超精密表面形貌测量领域，更具体地，涉及一种基于白光干涉原子力探针扫描显微镜系统的原子力探针位姿调节装置。

背景技术

随着超精密加工技术的日益进步使得机械、电子、光学、材料等工业不断的微型化、精密化。超精密加工的加工精度和表面质量都很高，对表面检测也提出了更高的要求。超精密表面形貌测量除了检测高度方向参数和横向峰峰距或峰谷距均是纳米量级的加工零件、材料表面微观三维形貌外，还要检测由微电子、微光学元件、微机械等微观结构单元组成的三维复杂微观结构，超精密表面形貌测量不仅要测量表面的粗糙度、形状偏差，还要测量微结构的三维尺寸、轮廓、膜厚等。这就要求超精密表面形貌测量仪器必须具备垂直、水平方向上的高分辨率和较大的测量范围。

原子力显微镜系统具有原子级分辨率，其横向分辨率和纵向分辨率分辨可达到0.1nm和0.01nm,可以直接观察分子或原子。原子力显微镜可以适应不同的测量环境，温度要求也不苛刻，因此广泛用于超精密表面形貌测量。

而原子力探针是原子力显微镜系统的关键元件，用原子力显微镜进行超精密表面形貌测量时，原子力探针的姿态需要调节为最佳，并且保证稳定，测量结果才会准确稳定。由于原子力探针尺寸都在纳米级别，对它进行姿态调节时，需要无极调节，且调节过程连续可控，并且在各个角度、方向之间的调节没有干涉，互不影响。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种基于白光干涉原子力探针扫描显微镜的原子力探针位姿调节的装置，其具有结构简单，操作简易，可以实现多角度、多方向精细调节且相互之间没有干涉影响的位姿调节。

本发明提出了一种原子力探针位姿调节装置，其用于基于白光干涉的原子力探针扫描显微镜系统，其特征在于，该装置包括由下至上依次设置的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件、第四调节部件以及第五调节部件，其中，

第一调节部件包括探针支架、第一调动部，所述探针支架用于固定承载原子力探针的探针座，所述第一调节部分别挤压所述探针支架右端的内外侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；

第二调节部件包括固定部、第一U型架及第二调节部，所述固定部与所述第一U型架形成固定所述第一调节部件的空间，所述第二调节部在上述空间与所述第一调节部件配合，带动其左右水平调节从而实现所述原子力探针的左右水平调节；

第三调节部件包括第三调动部，其分别挤压所述第一U型架上下臂由此实现所述原子力探针上下旋转的调节与锁定；

第四调节部件包括第二U型架、第四调动部，所述第二U型架的下臂与所述第二调节部件中第一U型架的上臂固定，所述第四调动部通过调节挤拉所述第二U型架的下臂，从而实现所述原子力探针上下俯仰的调节与锁定；

第五调节部件包括穿设于所述第二U型架上臂的所述连接头、第五调节部，所述连接头与所述扫描显微镜系统中的显微镜固定，所述第五调节部与所述连接头下部配合，同时调节所述第八调节部带动所述原子力探针位姿调节装置上下调节，从而实现所述原子力探针的上下竖直调节。

进一步地，所述探针支架右端两侧为支架，中间闭口端为柔性铰链，开口端开有凹槽用于所述探针座配合固定。

进一步地，所述第一U型架与所述第二U型架的固定位置使得其开口方向呈一定的夹角。

进一步地，所述夹角优选为垂直90°。

进一步地，所述第一U型架与所述第二U型架的下臂靠闭口端均具有柔性铰链部。

进一步地，所述第二U型架的上臂依次由平板部、套设固定于显微镜上的环形主支架及调节支架固定组成。

进一步地，所述调节支架为阶梯型。

本发明还公开了一种原子力探针位姿调节装置，其用于基于白光干涉的原子力探针扫描显微镜系统，其特征在于，该装置包括由下至上依次设置的里外水平偏摆调节部件、左右水平调节部件、左右旋转调节部件、上下俯仰偏摆调节部件以及上下竖直调节部件，其中，

里外水平偏摆调节部件包括探针支架、第一调节部，其中探针支架用于固定承载原子力探针的所述探针座，所述第一调节部分别挤压所述探针支架右端的内外侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；

左右水平调节部件包括盖板、第一U型架、第二调节部，所述盖板固定在所述第一U型架的下臂底面，所述盖板的凹槽与所述第一U型架的下臂底面的凹槽构成一个导向槽，所述里外水平偏摆部件中的所述探针支架左侧插入所述导向槽一侧，所述第二调节部插入所述导向槽的另外一侧，并且与所述探针支架左侧连接配合，通过调节所述第二调节部，由此带动所述探针支架而实现所述原子力探针的左右水平调节；

上下旋转调节部件包括第一U型架、第三调节部，所述第三调节部分别插入所述第一U型架上下臂开口端中部，调节所述第三调节部分别挤拉所述第一U型架上下臂由此实现原子力探针的上下旋转调节与锁定；

上下俯仰调节部件包括第二U型架、第四调节部，所述第二U型架的下臂与所述第一U型架的上臂连接固定，所述第二U型架的上臂的长度小于其下臂，其上臂的另外一端与主支架固定，所述主支架的另外一端与调节支架固定，所述第四调节部分别从所述调节支架的末端与所述第二U型架的下臂末端插入，并且通过调节分别挤压所述调节支架的末端及所述第二U型架的下臂末端，从而实现所述原子力探针上下俯仰的调节与锁定；

上下竖直调节部件包括套设于所述主支架内的连接头、第五调节部，所述连接头与所述扫描显微镜系统中的显微镜固定，所述第五调节部与所述连接头下部配合，同时调节所述第五调节部带动所述主支架上下调节，从而实现所述原子力探针的上下竖直调节。

本发明在保证原子力显微镜测量效果的前提下，通过细螺纹调节实现原子力探针在各方向的连续调节，用柔性铰链结构配合细螺纹调节实现原子力探针在各角度的连续调节，来实现原子力探针位姿的精细调节，并可以锁定调节后的位姿。使原子力显微镜工作在最佳状态，提高其准确性和稳定性。

附图说明

图1为按照本发明的原子力探针位姿调节装置的整体结构示意图；

图2为按照本发明实现的原子力探针位姿调节装置应用于现有技术中白光干涉原子力显微镜系统的整体结构示意图；

图3为按照本发明实现的调节装置中的探针座的示意图

图4为按照本发明实现的调节装置中的探针支架的示意图；

图5为按照本发明实现的调节装置中的第一U型架的示意图；

图6为按照本发明实现的调节装置中的第二U型架的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中：

1-探针座2-第一调节螺钉3-第二调节螺钉4-探针支架5-盖板6-第四调节螺钉7-第三调节螺钉8-第一U型架9-第五调节螺钉10-第二U型架11-连接头12-主支架13-调节支架14-第六调节螺钉15-第八调节螺母16-第七调节螺钉17-显微物镜18-干涉系统19-CCD20-测控系统101-探针座长方体102-探针座小长方体401-探针支架螺纹孔402、403-探针支架前后两侧支架404-探针支架柔性铰链405、406-探针支架前后两侧支架螺纹孔407-探针支架柔性铰链凹槽801、803、805-第一U型架螺纹孔802-第一U型架柔性铰链804-第一U型架凹槽1001-第二U型架柔性铰链1002-第二U型架通孔

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为按照本发明的原子力探针位姿调节装置的节体结构示意图。如图1所示，按照本发明一个优选实施例的原子力探针位姿调节装置包括里外水平偏摆调节部件、左右水平调节部件、左右旋转调节部件、上下俯仰偏摆调节部件以及上下竖直调节部件这几维的调节部件。

其中，位于整个调节装置最下端的里外水平偏摆部件结构如下：如图3所示，探针座1一端为长方体101，其上平面中心开有螺纹孔导通至下平面，长方体右侧下端中部连有一小长方体102，小长方体102末端下平面用于固定原子力探针；如图4所示，探针支架4一端为长方体，端面中心有螺纹孔401，另一端也为长方体，上下平面与前端长方体平行，前后两面对称突出，该长方体靠近前后两侧边缘处掏空，形成前后两侧支架402、403，中间形成柔性铰链404，前后两侧支架末端中部对称各有一个螺纹孔405、406，柔性铰链404上平面末端中间掏空一凹槽407，用于与探针座1的配合安装。

探针座1的长方体101与探针支架4的柔性铰链404端部的凹槽407配合固定，第二调节螺钉3旋入外侧支架402的螺纹孔405，旋转第二调节螺钉3，其螺杆底部挤压柔性铰链404外侧，使柔性铰链404发生微变形实现原子力探针向里水平偏摆调节，第一调节螺钉2旋入内侧支架403的螺纹孔406，旋转第一调节螺钉2，其螺杆底部挤压柔性铰链404内侧，使柔性铰链404发生微变形实现原子力探针向外水平偏摆调节；通过第二调节螺钉3和第一调节螺钉2的配合调节，可以实现原子力探针的水平偏摆调节，并可以锁定调节后的姿态。

更具体地，第一调节螺钉2，由螺杆和螺帽组成，与探针支架4前端内侧支架螺纹孔配合，通过旋转其，挤压中间的柔性铰链实现原子力探针向后水平偏摆调节；第二调节螺钉3，由螺杆和螺帽组成，与探针支架4前端后侧支架螺纹孔配合，通过旋转其，挤压中间的柔性铰链实现原子力探针向前水平偏摆调节；通过两者的配合调节，可实现所述原子力探针前后水平偏摆位姿调节，并可以锁定调节后的姿态。

其中左右水平调节部件的结构如下：如图5所示，盖板5安装固定在第一U型架8的下臂，盖板5为长方体平板，下平面四角分别有一个通孔，用于安装固定于与第一U型架8的下臂面，盖板5上的凹槽与第一U型架8下臂底面的凹槽一起构成一个导向槽，探针支架4左侧插入导向槽左侧，第三调节螺钉7插入导向槽右侧，旋入探针支架4左侧端面中心的螺纹孔，其一端为有滚花的螺帽，另一段为螺纹杆；旋转调节螺钉驱动探针支架4在导向槽内左右水平移动来实现原子力探针的左右水平调节。其中，第一U型架8具体上下两臂分别为长方体，上臂靠中部有两个螺纹孔，悬空端中部有一个螺纹孔801；下臂左端靠近与上层连接处有柔性铰链802，悬空端中部有一螺纹孔803，下臂底面左右中心线处开有凹槽804，前端未打穿，后端打穿，凹槽四周各有一个螺纹孔805，与盖板5配合，用于与盖板5的固定安装。

其中左右旋转调节部件的结构如下：第一U型架8的上臂与第二U型架10(如图6所示)的下臂连接固定，第一U型架8的开口方向与第二U型架10的开口方向垂直，第五调节螺钉9和第四调节螺钉6分别旋入第一U型架8上下臂中部的螺纹孔，旋转第五调节螺钉9，螺杆底部挤压第一U型架8的下臂，该作用力通过盖板5传递给探针支架4使其柔性铰链发生微变形实现所述原子力探针向下旋转姿态的调节，旋转第四调节螺钉6，螺杆底部挤压第一U型架8的上臂，该向上的作用力通过盖板5传递给探针支架4使其柔性铰链发生微变形实现所述原子力探针向上旋转姿态的调节；通过第五调节螺钉9和第四调节螺钉6的配合调节，可以实现原子力探针的上下俯仰偏摆调节，并可以锁定调节后的姿态。

其中上下俯仰偏摆调节部件的结构如下：第二U型架10上臂与主支架12左侧连接，第二U型架10和调节支架13通过螺栓连接固定在主支架12的两端，调节支架13上部与主支架12右侧连接，第二U型架10水平安装，上臂较短，端部较窄有凸台，凸台水平方向有两个通孔，用于与主支架12左侧固定配合，另一臂较宽与第一U型架8的下臂相连，其下臂的一端有柔性铰链1001，中部有一大孔，用于使显微镜17能穿过而使之对齐原子力探针；更为具体地，第四调节螺钉6，由螺杆和螺帽组成，其通过与第一U型架8上臂悬空端中部的螺纹孔配合，旋转时，螺杆底部挤压第一U型架8的下臂，其柔性铰链发生微变形实现所述原子力探针向下旋转姿态的调节；第五调节螺钉9，由螺杆和螺帽组成，其通过与第一U型架下臂悬空端中部的螺纹孔配合，旋转其，螺杆底部挤压第一U型架的上臂，其柔性铰链发生微变形实现所述原子力探针向上旋转姿态的调节；通过上述两个调节部的配合调节，可以锁定所述原子力探针调节后的姿态。

第七调节螺钉16穿过第二U型架10下臂中部的通孔1002，旋入调节支架13下部靠里面的螺纹孔，第六调节螺钉14旋入调节支架13下部靠外面的螺纹孔，旋转第七调节螺钉16，螺冒挤压第二U型架10的下层，其柔性铰链1001发生微变形实现所述原子力探针向上俯姿态的调节，旋转第六调节螺钉14，螺杆底部挤压第二U型架10的下层，其柔性铰链1001发生微变形实现所述原子力探针向下仰姿态的调节。其中更具体地，调节支架13为阶梯结构，上部较窄，水平方向有两个通孔，与主支架12右侧配合，下部较宽中部由里向外分布两个螺纹孔，里面的螺纹孔用于调节螺钉的配合，外面的螺纹孔用于装配调节螺钉的配合；本实施例中，第七调节螺钉16和第六调节螺钉14由螺杆和螺帽组成，第七调节螺钉16穿过第二U型架下层的通孔，与调节支架13下部靠里面的螺纹孔配合，旋转第七调节螺钉16，螺帽挤压第二U型架的下层，其柔性铰链发生微变形实现原子力探针向上俯姿态的调节；第六调节螺钉14，由螺杆和螺帽组成，第六调节螺钉14与调节支架13下部靠外面的螺纹孔配合，旋转第六调节螺钉14，螺杆底部挤压第二U型架的下层，其柔性铰链发生微变形实现原子力探针向下仰姿态的调节；通过第七调节螺钉16和第六调节螺钉14的配合调节，可实现原子力探针上下俯仰姿态的调节，并可以锁紧调节后的姿态。

按照本实施例中实现的上下竖直调节部件的结构如下：连接头11上部端面与显微物镜17相连，连接头11为一阶梯中空圆柱体，上部较粗，为上下竖直调节部件提供顶部限位，上部端面有连接显微物镜用的内螺纹；中部为中空圆柱体与上下竖直调节部件相配合，提供上下导向作用；下部有上下竖直调节部件用的外螺纹。主支架12内孔固定套设在连接头11中部，主支架12为一圆环，外部左右两端对称磨平，分别有两个螺纹孔，内部光滑与连接头11中部配合，第八调节螺母15与连接头11下部外螺纹配合，第八调节螺母15为一中空圆柱体，外表有滚花，内有内螺纹，与连接头11下部外螺纹配合，连接头11上部和调节螺母15对主支架12分别起到上下限位的作用，同时旋转调节螺母15可以带动主支架12上下调节，进而实现原子力探针的上下调节。

如图2所示，将原子力探针安装在探针座1上，连接头11与显微物镜17固定，显微物镜17与干涉系统18连接，通过测控系统20观察原子力探针在CCD19视场中的变化来调节原子力探针的姿态；旋转调节螺钉7，让探针左右移动，使探针针尖位于物镜17下方；旋转第二调节螺钉3和第一调节螺钉2让探针水平偏摆调节，使探针位于CCD19视场中央；旋转第八调节螺母15，让主支架12上下移动带动原子力探针上下调节，使物镜17与探针悬臂的距离适中，使产生干涉条纹；旋转第五调节螺钉9和第四调节螺钉6，让第一U型架8的柔性铰链发生微变形带动原子力探针上下旋转偏摆调节，来调节探针悬臂上条纹的角度；旋转第七调节螺钉16和第六调节螺钉14，让第二U型架10的柔性铰链发生微变形带动原子力探针上下俯仰偏摆调节，来调节探针悬臂上条纹的宽度。从而实现原子力探针位姿的调节。

本发明的上述实施例中，采用了U型架、支架与柔性铰链结合的形式来实现原子力探针的水平偏摆、旋转、俯仰调节。柔性铰链是一种结构简单的弹性支承，具有无空回，无摩擦、空间尺寸小、运动灵敏度高、容易控制、运行稳定等优点，广泛应用于精密机械、精密测量仪表、微纳米器件中。本发明通过柔性铰链与调节螺钉的配合调节，可以对原子力探针位姿进行精密连续可控的调节，并可以锁定调节后的姿态。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种原子力探针位姿调节装置，其用于基于白光干涉的原子力探针扫描显微镜系统，其特征在于，该装置包括由下至上依次设置的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件、第四调节部件以及第五调节部件，其中，

第一调节部件包括探针支架(4)、第一调节部(2，3)，所述探针支架(4)用于固定承载原子力探针的探针座(1)，所述第一调节部(2，3)分别挤压所述探针支架(4)右端的内外侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；

第二调节部件包括固定部、第一U型架(8)及第二调节部(7)，所述固定部与所述第一U型架(8)形成固定所述第一调节部件的空间，所述第二调节部(7)在上述空间与所述第一调节部件配合，带动其左右水平调节从而实现所述原子力探针的左右水平调节；

第三调节部件包括第三调节部(6，9)，其分别挤拉所述第一U型架(8)上下臂由此实现所述原子力探针上下旋转的调节；

第四调节部件包括第二U型架(10)、第四调节部(14，16)，所述第二U型架(10)的下臂与所述第二调节部件中第一U型架(8)的上臂固定，所述第四调节部(14，16)通过调节挤拉所述第二U型架(10)的下臂，从而实现所述原子力探针上下俯仰的调节与锁定；

第五调节部件包括穿设于所述第二U型架(10)上臂的连接头(11)、第五调节部(15)，所述连接头(11)与所述扫描显微镜系统中的显微镜(17)固定，所述第五调节部(15)与所述连接头(11)下部配合，调节所述第五调节部(15)带动所述原子力探针位姿调节装置上下调节，从而实现所述原子力探针的上下竖直调节与锁定。

2.如权利要求1所述的原子力探针位姿调节装置，其特征在于，所述探针支架(4)右端两侧为支架，中间闭口端为柔性铰链，开口端开有凹槽用于所述探针座(1)配合固定。

3.如权利要求1所述的原子力探针位姿调节装置，其特征在于，所述第一U型架(8)与所述第二U型架(10)的固定位置使得其开口方向呈一定的夹角。

4.如权利要求3所述的原子力探针位姿调节装置，其特征在于，所述夹角为垂直90°。

5.如权利要求1、3、4中任意一项所述的原子力探针位姿调节装置，其特征在于，所述第一U型架(8)与所述第二U型架(10)的下臂靠闭口端均具有柔性铰链部(802,1001)。

6.如权利要求5所述的原子力探针位姿调节装置，其特征在于，所述第二U型架(10)的上臂依次由平板部、套设固定于显微镜(17)上的环形主支架(12)及调节支架(13)固定组成。

7.如权利要求6所述的原子力探针位姿调节装置，其特征在于，所述调节支架(13)为阶梯型。

8.一种原子力探针位姿调节装置，其用于基于白光干涉的原子力探针扫描显微镜系统，其特征在于，该装置包括由下至上依次设置的里外水平偏摆调节部件、左右水平调节部件、上下旋转调节部件、上下俯仰调节部件以及上下竖直调节部件，其中，

里外水平偏摆调节部件包括探针支架(4)、第一调节部(2、3)，其中探针支架(4)用于固定承载原子力探针的所述探针座(1)，所述第一调节部(2、3)分别挤压所述探针支架(4)右端的内外侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；

左右水平调节部件包括盖板(5)、第一U型架(8)、第二调节部(7)，所述盖板(5)固定在所述第一U型架(8)的下臂底面，所述盖板(5)的凹槽与所述第一U型架(8)的下臂底面的凹槽构成一个导向槽，所述里外水平偏摆部件中的所述探针支架(4)左侧插入所述导向槽一侧，所述第二调节部(7)插入所述导向槽的另外一侧，并且与所述探针支架(4)左侧连接配合，通过调节所述第二调节部(7)，由此带动所述探针支架(4)而实现所述原子力探针的左右水平调节；

上下旋转调节部件包括第一U型架(8)、第三调节部(6、9)，所述第三调节部(6、9)分别插入所述第一U型架(8)上下臂开口端中部，调节所述第三调节部(6、9)分别挤拉所述第一U型架(8)上下臂由此实现原子力探针的上下旋转调节与锁定；

上下俯仰调节部件包括第二U型架(10)、第四调节部(14、16)，所述第二U型架(10)的下臂与所述第一U型架(8)的上臂连接固定，所述第二U型架(10)的上臂的长度小于其下臂，其上臂的另外一端与主支架(12)固定，所述主支架(12)的另外一端与调节支架(13)固定，所述第四调节部(14、16)分别从所述调节支架(13)的末端与所述第二U型架(10)的下臂末端插入，并且通过调节分别挤压所述调节支架(13)的末端及所述第二U型架(10)的下臂末端，从而实现所述原子力探针上下俯仰的调节与锁定；

上下竖直调节部件包括套设于所述主支架(12)内的连接头(11)、第五调节部(15)，所述连接头(11)与所述扫描显微镜系统中的显微镜(17)固定，所述第五调节部(15)与所述连接头(11)下部配合，同时调节所述第五调节部(15)带动所述主支架(12)上下调节，从而实现所述原子力探针的上下竖直调节。