CN105092900B - 一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，包括固定夹具、探针夹连接器、探针夹；所述探针夹连接器固定于固定夹具上，并与探针夹连接。本发明探针夹体积小、质量轻，能够固定到压电陶瓷驱动器上，可以应用于倒置式原子力显微镜扫描头的结构设计中；能够实现探针夹的快速装卸、探针的快速安装和固定，以及为探针提供纳米级位移的振动。

Description

一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置

技术领域

本发明涉及一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持技术，具体地说是一种扫描探针的夹持装置，主要用于为构建倒置式原子力显微镜提供一种有效的探针夹持装置。

技术背景

目前，原子力显微镜是材料、生命科学、纳米技术等科学领域中的重要研究工具。通过原子力显微镜不但可以对样品表面的纳米形貌进行观测，同时也可以对样品表面的三维纳米结构参数进行检测。目前，原子力显微镜主要有两种结构，一种是正置式，即样品放置于压电陶瓷驱动器上，由压电陶瓷驱动器实现样品的三维运动，从而实现探针在样品表面的三维扫描检测，在这种结构下，探针夹持装置是固定的，因此结构相对简单，容易实现，但是能够承载的样品尺寸小；另一种是倒置式，此时探针和压电陶瓷驱动器固定在一起，并跟随压电陶瓷实现一维或三维运动，由于探针是消耗品，需要经常更换，需要设计方便装卸的探针夹持装置，而且质量要小，尽可能的减少压电陶瓷负载，并且设计的探针夹要能够为探针施加一定幅值和频率的激励振动，以实现轻敲扫描模式的观测成像。

发明内容

对于构建倒置式原子力显微镜，对探针夹要求尺寸要小，质量要轻，探针夹与原子力显微镜本体要方便装卸，探针更换容易，并且探针要能够在一定幅值和频率下受控振动。本发明目的在于提供一种能够满足上述需求的简单实用的探针夹持装置。

本发明的技术方案如下：

一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，包括固定夹具、探针夹连接器和探针夹；所述探针夹连接器固定于固定夹具上，并与探针夹连接。

所述固定夹具为一个折弯的金属片，包括侧板和底板；侧板上设有多个螺丝孔和侧面板重孔，底板设有多个侧板减重孔，与探针夹连接器螺栓连接；侧板的外表面与底板的外表面成100～105度角。

所述探针夹连接器包括电路主板、信号电缆和插针；电路主板上固定有多个插针，其中两个插针与两根信号电缆相连。

所述探针夹包括探针夹电路主板、压电陶瓷片、探针定位块、弹簧片和冠簧插孔；

所述探针夹电路主板上设有多个冠簧插孔和两个过孔；冠簧插孔与插针对应且数量相等；其中两个冠簧插孔通过两个插针的插入与探针夹连接器上的两根信号线缆电连接；探针夹电路主板上还设有第一凹槽，第一凹槽内固定有压电陶瓷片；压电陶瓷片上固定有探针定位块；

所述弹簧片的一端通过一个过孔与探针夹电路主板螺栓连接，另一端依靠弹簧片的预紧力夹住探针使其固定于探针定位块上。

所述第一凹槽的高度小于或等于压电陶瓷片的厚度。

所述探针定位块为长方体，上表面有用于定位探针的第二凹槽。

所述第二凹槽高度小于探针的厚度。

一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置还包括探针夹底座，由固定块和固定圆柱构成；固定块上表面设有固定圆柱；所述固定圆柱与探针夹电路主板上的另一过孔对应；探针夹底座在更换探针时置于探针夹电路主板下部、通过固定圆柱插入探针夹实现探针的装卸。

本发明具有如下优点：

1.本装置结构简单，容易实现，成本低，探针夹装卸方便，探针更换容易，质量小，减小压电陶瓷驱动器的负荷。

2.本发明探针夹体积小、质量轻，能够固定到压电陶瓷驱动器上，可以应用于倒置式原子力显微镜扫描头的结构设计中；

3.本发明能够实现探针夹的快速装卸、探针的快速安装和固定，以及为探针提供纳米级位移的振动。

4.探针夹体积小、质量轻，能够固定到纳米定位平台类的压电陶瓷驱动器上，可以应用于倒置式原子力显微镜扫描头的结构设计中。

5.探针夹可通过插针和插孔件固定在探针夹连接器上，探针夹安装有压电陶瓷片、探针定位块和弹簧片，能够实现探针的定位、固定，并可通过压电陶瓷片为探针提供振源。

6.探针夹底座用于固定探针夹及辅助安装探针。

附图说明

图1为本发明的结构示意图一；

图2为本发明的结构示意图二；

图3为探针夹连接器结构图；

图4为探针夹连接器印刷电路板图；

图5为探针夹结构图一；

图6为探针夹结构图二；

图7为探针夹主板结构图；

图8为探针夹主板印刷电路板图；

图9为探针定位块结构图；

图10为探针夹底座结构图；

图11为固定夹具结构图一；

图12为固定夹具结构图二；

图13为固定夹具结构图三；

图14为弹簧片结构图；

其中，1压电陶瓷驱动器，2固定夹具，3探针夹连接器，4探针夹，5探针夹底座，6电路主板，7导电插针，8信号电缆，9探针夹电路主板,10弹簧片，11探针，12压电陶瓷片，13螺丝，22螺母，14冠簧插孔，15探针定位块，16探针夹的凹槽，17、18过孔，19固定块，20固定圆柱，21探针定位块的凹槽，23螺丝孔，24侧板减重孔，25底板减重孔，26底板，27底部凹槽，28弹簧片固定孔，29弯角结构，30侧板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明利用电路板、压电陶瓷片、弹簧片、插针、插孔等简单零件建立一个探针夹持装置，其中，固定夹具用于固定在原子力显微镜的压电陶瓷驱动器上(这里的压电陶瓷驱动器主要指单轴纳米定位平台，这样固定本探针夹具比较容易)，探针夹连接器可通过哥俩好302胶粘剂直接粘贴在固定夹具的底面上；探针夹可通过插针和插孔件固定在探针夹连接器上，探针夹安装有压电陶瓷片、探针定位块和弹簧片，能够实现探针的定位、固定，并可通过压电陶瓷片为探针提供振源；探针夹底座用于固定探针夹及辅助安装探针。具体如下。

扫描探针夹持器装置主要由固定夹具2、探针夹连接器3、探针夹4和探针夹底座5构成，其中探针夹连接器3和探针夹4可以通过固定夹具2与压电陶瓷驱动器1相连，以构成原子力显微镜的Z向扫描器，其结构如图1、2所示。

固定夹具2是一个整体加工的零件，折弯处将该零件划分为侧板30和底板26，其具体结构如图11、12和13所示。为了减轻重量，可以采用航空铝等质量轻且刚度大的材料，另外在不影响刚度的情况下，可以加工多个侧面减重孔24和底面减重孔25，以减轻固定夹具的重量。固定夹具2侧面背板上的螺丝孔23的位置对应于要固定的压电陶瓷驱动器的固定孔，可以用螺丝把固定夹具2固定到压电陶瓷驱动器的固定孔上。另外，固定夹具2的底板26外表面(与探针连接器的接触面)与水平面成10到15度角，也就是与侧板30的外表面(与压电陶瓷驱动器的接触面)成100到105度角，底板26外表面的两个底部凹槽27用于放置探针连接器3的两根信号线缆。

探针连接器3的主要结构是由电路主板6、导电插针7、信号线缆8构成，其具体结构如图3所示。其中电路主板6的具体印刷电路板设计图如图4所示，4个导电插针7焊接于电路主板6的C、D、E、F过孔焊盘上，两根正负极信号电缆8与电路主板6的正极过孔焊盘C和负极过孔焊盘F进行焊接，用于连接外部激励信号源。探针连接器3通过哥俩好302胶粘剂粘贴到固定夹具2的底面上。

探针夹4结构如图5～8所示。探针夹4包括探针夹电路主板9、压电陶瓷片12、探针定位块15、弹簧片10、螺丝13、螺母22和冠簧插孔14构成。其中四个冠簧插孔14焊接于探针夹电路主板9的G、H、J、K过孔焊盘上，用于和探针夹连接器3的导电插针7实现机械插拔。过孔M和过孔G由信号线实现电连接，过孔N和过孔K由信号线实现电连接(过孔N和K可以直接电连接，电连接信号线不必经过过孔17、18)。其中焊接于过孔M和N的两个冠簧插孔14用于和压电陶瓷片12的两极引线相连，最终压电陶瓷片12的两极引线通过对应的插针7、插孔14和探针夹连接器3上的信号线缆8实现电连接；压电陶瓷片12固定于探针夹电路主板9的凹槽16内，这里压电陶瓷片参考尺寸可以采用长宽高为3mm×3mm×1mm，其它尺寸也可；探针定位块15固定于压电陶瓷片12的上表面，探针定位块15的凹槽21可以用于定位和固定探针11；弹簧片10一端有固定孔28，并依靠螺丝13、螺母22固定于探针夹电路主板9上，弹簧片10另一端有个弯角结构29，即另一端向上弯折后再向外弯折，向外弯折的弯折部与弹簧片10本体平行，向上弯折的弯折部与弹簧片10本体垂直；这样可以依靠弹簧片10的预紧力使探针11固定于探针定位块15上,如图14所示。

探针夹电路主板9的结构如图5所示，其中凹槽16用于安装压电陶瓷片12，螺丝13、螺母22利用过孔18使弹簧片10固定到探针夹电路主板9上；利用过孔17，探针夹底座5的固定圆柱20可以穿过探针夹4的过孔17与弹簧片10接触，用力下压探针夹4的探针夹电路主板9，使得探针夹底座5的固定圆柱20抵住弹簧片10，使弹簧片10的另一端脱离探针固定块15，这样可以使探针固定块15和弹簧片10之间的探针11得到释放；当更换好探针11后，可以释放弹簧片10，使弹簧片10通过预紧力压住探针11，使探针11固定到探针固定块15上。

探针夹4中的探针定位块15结构如图9所示，是一个具有凹槽21的小长方体，相对于压电陶瓷片的尺寸，探针定位块15采用长宽高为3mm×3mm×1mm的尺寸即可，凹槽21用于放置探针11，凹槽21的高度小于探针的厚度。

探针夹底座5结构如图10所示。探针夹底座由固定块19和固定圆柱20构成，主要用于装卸探针11时，实现探针夹4固定，并利用固定圆柱20给弹簧片10施加作用力，使弹簧片10弹开或夹紧。

本扫描探针夹持器装置的使用方法：探针夹4通过冠簧插孔14与探针夹连接器3上的插针7实现探针夹4与探针夹连接器3的连接固定和分离；装卸探针11时，先把探针夹4与探针连接器3分离，并把探针夹底座5的固定圆柱20穿过探针夹4的过孔17，通过下压探针夹4的探针夹电路主板9使固定圆柱20顶住弹簧片10，使弹簧片10与探针11脱离，以便更换探针11。

Claims (7)

1.一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，其特征在于：包括固定夹具(2)、探针夹连接器(3)和探针夹(4)；所述探针夹连接器(3)固定于固定夹具(2)上，并与探针夹(4)连接；

所述探针夹连接器(3)包括电路主板(6)、信号电缆(8)和插针(7)；电路主板(6)上固定有多个插针(7)，其中两个插针(7)与两根信号电缆(8)相连。

2.按权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，其特征在于:所述固定夹具(2)为一个折弯的金属片，包括侧板(30)和底板(26)；侧板(30)上设有多个螺丝孔(23)和侧板减重孔(24)，底板(26)设有多个底板减重孔(25)，与探针夹连接器(3)螺栓连接；侧板(30)的外表面与底板(26)的外表面成100～105度角。

3.按权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，其特征在于：所述探针夹(4)包括探针夹电路主板(9)、压电陶瓷片(12)、探针定位块(15)、弹簧片(10)和冠簧插孔(14)；

所述探针夹电路主板(9)上设有多个冠簧插孔(14)和第一过孔(17)、第二过孔(18)；冠簧插孔(14)与插针(7)对应且数量相等；其中两个冠簧插孔(14)通过两个插针(7)的插入与探针夹连接器(3)上的两根信号线缆(8)电连接；探针夹电路主板(9)上还设有第一凹槽(16)，第一凹槽(16)内固定有压电陶瓷片(12)；压电陶瓷片(12)上固定有探针定位块(15)；

所述弹簧片(10)的一端通过第二过孔(18)与探针夹电路主板(9)螺栓连接，另一端依靠弹簧片(10)的预紧力夹住探针(11)使其固定于探针定位块(15)上。

4.按权利要求3所述的一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，其特征在于：所述第一凹槽(16)的高度小于或等于压电陶瓷片(12)的厚度。

5.按权利要求3所述的一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，其特征在于：所述探针定位块(15)为长方体，上表面有用于定位探针(11)的第二凹槽(21)。

6.按权利要求5所述的一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，其特征在于：所述第二凹槽(21)高度小于探针(11)的厚度。

7.按权利要求3所述的一种用于原子力显微镜的扫描探针夹持装置，其特征在于：还包括探针夹底座(5)，由固定块(19)和固定圆柱(20)构成；固定块(19)上表面设有固定圆柱(20)；所述固定圆柱(20)与探针夹电路主板(9)上的第一过孔(17)对应；探针夹底座(5)在更换探针(11)时置于探针夹电路主板(9)下部、通过固定圆柱(20)插入探针夹(4)实现探针(11)的装卸。