CN105242076A - 一种五自由度的白光干涉原子力探针位姿调整机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子力探针位姿调整机构。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、第三调节部件以及第四调节部件，分别用于原子力探针的里外水平偏摆、左右水平和上下旋转、上下俯仰以及上下竖直位姿调节；连接头用于与显微物镜相连。本发明能够实现原子力探针姿态在五个自由度上的细微调节，各个调节动作相互独立，彼此不发生干涉，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。

Description

一种五自由度的白光干涉原子力探针位姿调整机构

技术领域

本发明属于超精密表面形貌/结构测量领域，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机构。

背景技术

随着加工能力的提升和加工精度的提高，使得机械、电子、光学、材料等工业不断的微型化、精密化，加工得到的表面形貌/结构精度达到纳米量级，对被加工表面的检测也提出了更高要求。

超精密表面的测量，除了要检测高度方向和横向间距方向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，被测参数不仅包括表面的粗糙度、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/结构测量仪器必须具备垂直、水平方向上的高分辨力和较大的测量范围。

原子力扫描探针显微镜具有原子级分辨力，其横、纵向分辨力分别可达到0.1nm和0.01nm,可以直接观察分子或原子。原子力扫描探针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/结构测量。

而原子力探针是原子力扫描探针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/结构测量时，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，并且需要在各个角度、方向之间的调节没有干涉，互不影响。

发明内容

针对现有技术的不足，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的五自由度位姿调节装置，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特点。

本发明提出了一种五自由度原子力探针位姿调整机构，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，该机构包括由下至上依次设置的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件以及第四调节部件，其中，

第一调节部件包括调节臂、副支架、第一调节部，所述调节臂(2)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调节臂右端的外里侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；

第二调节部件包括探针座、调节臂、锁紧螺钉及第二调节部，所述第二调节部与所述探针座固定，所述第二调节部左右拖动及里外旋转可带动承载于所述调节臂内的所述探针座相应运动，从而实现所述原子力探针的左右水平和上下旋转调节，所述锁紧螺钉用于锁定原子力探针调整好后的姿态；

第三调节部件包括调节支架、第三调节部及锁紧手柄，所述第三调节部与所述调节支架固定，所述第三调节部左右旋转可以带动与所述调节支架连接的所述调节臂相应运动，从而实现所述原子力探针上下俯仰调节，所述锁紧手柄用于锁定原子力探针调整好后的姿态；

第四调节部件包括所述连接头、主支架及第四调节部，所述连接头与所述扫描显微镜系统中的显微镜固定，所述第四调节部分别与所述连接头上、下部配合，所述主支架与所述连接头中部配合，调节所述第四调节部带动所述主支架及与其固定的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；

所述调节支架为一长方体两对侧面分别带有圆柱体的结构，所述副支架整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构开口方向相同的U形槽，U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一用于与所述调节臂固定的长方体调节支架臂，所述调节支架的两端的所述两个圆柱分别夹持于两个所述U形槽内。

本发明还提出了一种五自由度的原子力探针位姿调整机构，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、左右水平和上下旋转调节部件、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调节臂、副支架、第一调节部，其中所述调节臂用于固定承载原子力探针的探针座，同时与所述调节支架活动连接，所述第一调节部分别挤压所述调节臂右端的内外侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；所述调节臂由阶梯形长方体构成，其用于与探针座进行固定连接；

左右水平和上下旋转调节部件包括探针座、调节臂、锁紧螺钉及第二调节部，所述探针座左侧穿过所述调节臂下部后，所述针座左端与所述第二调节部固定，通过左右拖动及里外旋转所述第二调节部可带动所述探针座相应运动，从而实现所述原子力探针的左右水平和上下旋转调节，所述锁紧螺钉与所述调节臂底面左侧中部的螺纹孔配合，用于锁定原子力探针调整好后的姿态；

上下俯仰调节部件包括调节支架、第三调节部及锁紧手柄，所述第三调节部与所述调节支架固定，所述调节支架为一长方体两对侧面分别带有圆柱体的结构；所述副支架整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构开口方向相同的U形槽，U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一用于与所述调节臂固定的长方体调节支架臂，所述调节支架的两端的所述两个圆柱体分别夹持于两个所述U形槽内，所述长方体调节支架臂用于与所述调节臂固定，通过左右旋转所述第三调节部可以带动与所述调节支架连接的所述调节臂相应运动，从而实现所述原子力探针上下俯仰调节，所述锁紧手柄与所述调节支架外侧端面配合，用于固定所述调节支架于所述副支架的相对位置，从而锁定原子力探针调整好后的姿态；

上下竖直调节部件包括所述连接头、主支架及第四调节部，所述连接头与所述扫描显微镜系统中的显微镜固定，所述第四调节部分别与所述连接头上、下部配合，所述主支架与所述连接头中部配合，通过调节所述第四调节部带动所述主支架及与其固定的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。

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调节臂的示意图；

图5为按照本发明实现的调节装置中的副支架的示意图；

图6为按照本发明实现的调节装置中的调节支架的示意图。

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-调节臂3-第一调节螺钉4-副支架5-第二调节螺钉盖板6-锁紧螺钉7-第一调节手柄8–调节支架9-第二调节手柄10-锁紧手柄11-第一调节螺母12-连接头13-主支架14-第二调节螺母15-显微物镜16-干涉系统17-CCD18-测控系统

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整体结构示意图。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、左右水平和里外旋转调节部件、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为三部分构成，一部分为圆柱体101，中间部分为长方体102，第三部分为在长方体右侧下端中部连接的一小长方体103，小长方体103末端下平面用于固定原子力探针。

如图2及图5所示，副支架4主体为U形架，其中副支架4用于于主支架13实现连接传动，副支架4主要辅助完成原子力探针的微调，该U形架整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构相同的U形槽401、402，U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一长方体调节支架臂，前后两调节支架底部中间各设有螺纹孔403、404，副支架4U形结构的底面右侧中部设有两螺纹孔，用于与主支架13的配合安装；

调节臂2由阶梯形长方体构成，其用于与探针座1进行固定连接，其阶梯形高出部分即上部的长方体端面中心设有螺纹孔203，用于与调节支架8的长方形调节支架臂固定配合，下部长方体右侧中心设有贯穿整个阶梯形长方体结构的圆形通孔201，下部长方体左侧底部中间设有螺纹孔202。

探针座1左侧的圆柱体101穿过调节臂2的圆形通孔201，锁紧螺钉6旋入调节臂2底部的螺纹孔202，使探针座1与调节臂2固定，第一调节螺钉3，由螺杆和螺帽组成，通过旋入副支架4外侧调节支架底部的螺纹孔404，其螺杆底部挤压调节臂2外侧，使调节臂2向里摆动实现原子力探针向里水平偏摆调节；第二调节螺钉5，由螺杆和螺帽组成，通过旋入副支架4内侧调节支架底部的螺纹孔403，其螺杆底部挤压调节臂内侧，使调节臂2向外摆动实现原子力探针向外水平偏摆调节；通过第一调节螺钉3和第二调节螺钉5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。

其中左右水平和里外旋转调节部件的结构如下：第一调节手柄7为阶梯圆柱体，大圆柱体外圈有滚花，大圆柱体端面中心至小圆柱体端面中心设有从大到小的阶梯通孔；探针座1左侧的圆柱体101穿过调节臂2的圆形通孔201，探针座1左端面中心设有螺纹孔，通过与第一调节手柄7的小圆柱体端面配合固定；通过旋转第一调节手柄7可以带动探针座1进行里外旋转运动，从而实现原子力探针里外旋转调节；通过左右拉推第一调节手柄7可以带动探针座1左右水平运动，从而实现原子力探针左右水平调节，这两种调节方式可以单独或同时实施；原子力探针调整好以后，将锁紧螺钉6旋入调节臂2底面左侧中部的螺纹孔202，对探针座1进行锁紧固定，从而实现原子力探针位姿的锁紧。

其中上下俯仰偏摆调节部件的结构如下：如图6所示，调节支架8主体为一长方体802，长方体802里对立的两个端面中部靠近端面处分别设有一圆柱体801、803，圆柱体801直径与副支架4里侧中部的U形槽401开口宽度相等，圆柱体801端面设有螺纹孔，长方体802外端面中部靠近端面处也设有一圆柱体803，圆柱体803直径与副支架4外侧中部的U形槽402开口宽度相等，圆柱体803端面设有螺纹孔804，调节支架4的总宽度略小于副支架4的总宽度，其中调节支架8的两个圆柱体801、803分别嵌套于U形结构的两个U形槽401、402内，其中长方体802上端面中心设有由大到小的二阶梯通孔；第二调节手柄9为阶梯圆柱体，大圆柱体外圈有滚花，大圆柱体端面中心至小圆柱体端面中心设有从大到小的阶梯通孔；锁紧手柄10从里到外由螺栓、小圆柱体和大圆柱体构成，小圆柱体直径大于副支架4外侧中部的U形槽开口宽度，大圆柱体外圆设有滚花；调节支架8内外圆柱体外圆与副支架2左侧端面中部的U形槽配合，调节支架8的长方体802下端面的通孔与调节臂2上部长方体端面中心的螺纹孔配合，使其活动连接，调节支架8内侧圆柱体801端面中心的螺纹孔与第二调节手柄9的小圆柱体端面配合固定，通过向左旋转第二调节手柄9，带动调节支架8向右偏转，从而带动原子力探针向上旋转姿态调节，通过向右旋转第二调节手柄9，带动调节支架8向左偏转，从而带动原子力探针向下旋转姿态调节，从而实现原子力探针上下俯仰偏摆调节，将锁紧手柄10旋入调节支架8外侧圆柱体803端面中心的螺纹孔804，实现调节支架8位姿的锁紧，从而实现原子力探针位姿的锁紧。

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12上部端面与显微物镜15相连，连接头12为一中空圆柱体，上部有上下竖直调节部件用的外螺纹，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13内孔固定套设在连接头12中部，主支架13为一圆环，外部前后左右对称磨平，左边设有两个螺纹孔，内部光滑与连接头12中部配合，第一调节螺母11与连接头12上部外螺纹配合，第一调节螺母11为一中空圆柱体，外表有滚花，内有内螺纹，与连接头12上部外螺纹配合，第二调节螺母14与连接头12下部外螺纹配合，第二调节螺母14为一中空圆柱体，外表有滚花，内有内螺纹，与连接头12下部外螺纹配合，同时旋转第一调节螺母11和第二调节螺母14可以带动主支架13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12与显微物镜15固定，显微物镜15与干涉系统16连接，通过测控系统18观察原子力探针在CCD17视场中的变化来调节原子力探针的姿态；左右推拉第一调节手柄7，让探针左右移动，使探针针尖位于物镜15下方；旋转第一调节螺钉3和第二调节螺钉5让探针水平偏摆调节，使探针位于CCD19视场中央；同时旋转第一调节螺母11和第二调节螺母14，让主支架13上下移动带动原子力探针上下调节，使物镜15与探针悬臂的距离适中，使产生干涉条纹；旋转第一调节手柄7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；旋转第二调节手柄9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、活动连接与手柄放大调节结合的形式来实现原子力探针的水平偏摆、旋转、俯仰调节。本发明通过设计一种新型的U形结构的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 (2)

1.一种五自由度原子力探针位姿调整机构，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，该机构包括由下至上依次设置的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件以及第四调节部件，其中，

第一调节部件包括调节臂(2)、副支架(4)、第一调节部(3，5)，所述调节臂(2)用于固定承载原子力探针的探针座(1)，所述第一调节部(3，5)分别挤压所述调节臂(2)右端的外里侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；

第二调节部件包括探针座(1)、调节臂(2)、锁紧螺钉(6)及第二调节部(7)，所述第二调节部(7)与所述针座(1)固定，所述第二调节部(7)左右拖动及里外旋转可带动承载于所述调节臂(2)内的所述探针座(1)相应运动，从而实现所述原子力探针的左右水平和上下旋转调节，所述锁紧螺钉(6)用于锁定原子力探针调整好后的姿态；

第三调节部件包括调节支架(8)、第三调节部(9)及锁紧手柄(10)，所述第三调节部(9)与所述调节支架(8)固定，所述第三调节部(9)左右旋转可以带动与所述调节支架(8)连接的所述调节臂(2)相应运动，从而实现所述原子力探针上下俯仰调节，所述锁紧手柄(10)用于锁定原子力探针调整好后的姿态；

第四调节部件包括所述连接头(12)、主支架(13)及第四调节部(11、14)，所述连接头(12)与所述扫描显微镜系统中的显微镜(15)固定，所述第四调节部(11、14)分别与所述连接头(11)上、下部配合，所述主支架(13)与所述连接头(11)中部配合，调节所述第四调节部(11、14)带动所述主支架(13)及与其固定的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；

所述调节支架(8)为一长方体两对侧面分别带有圆柱体(801，803)的结构，所述副支架(4)整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构开口方向相同的U形槽(401、402)，U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一用于与所述调节臂(2)固定的长方体调节支架臂，所述调节支架(8)的两端的所述两个圆柱(801，803)分别夹持于两个所述U形槽(401、402)内。

2.一种五自由度的原子力探针位姿调整机构，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、左右水平和上下旋转调节部件、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调节臂(2)、副支架(4)、第一调节部(3，5)，其中所述调节臂(2)用于固定承载原子力探针的探针座(1)，同时与所述调节支架(8)活动连接，所述第一调节部(3，5)分别挤压所述调节臂(2)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；所述调节臂(2)由阶梯形长方体构成，其用于与探针座1进行固定连接；

左右水平和上下旋转调节部件包括探针座(1)、调节臂(2)、锁紧螺钉(6)及第二调节部(7)，所述探针座(1)左侧穿过所述调节臂(2)下部后，所述针座(1)左端与所述第二调节部(7)固定，通过左右拖动及里外旋转所述第二调节部(7)可带动所述探针座(1)相应运动，从而实现所述原子力探针的左右水平和上下旋转调节，所述锁紧螺钉(6)与所述调节臂(2)底面左侧中部的螺纹孔配合，用于锁定原子力探针调整好后的姿态；

上下俯仰调节部件包括调节支架(8)、第三调节部(9)及锁紧手柄(10)，所述第三调节部(9)与所述调节支架(8)固定，所述调节支架(8)为一长方体两对侧面分别带有圆柱体(801，803)的结构；所述副支架(4)整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构开口方向相同的U形槽(401、402)，U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一用于与所述调节臂(2)固定的长方体调节支架臂，所述调节支架(8)的两端的所述两个圆柱(801，803)分别夹持于两个所述U形槽(401、402)内，所述长方体调节支架臂用于与所述调节臂(2)固定，通过左右旋转所述第三调节部(9)可以带动与所述调节支架(8)连接的所述调节臂(2)相应运动，从而实现所述原子力探针上下俯仰调节，所述锁紧手柄(10)与所述调节支架(8)外侧端面配合，用于固定所述调节支架(8)于所述副支架(4)的相对位置，从而锁定原子力探针调整好后的姿态；

上下竖直调节部件包括所述连接头(12)、主支架(13)及第四调节部(11、14)，所述连接头(12)与所述扫描显微镜系统中的显微镜(15)固定，所述第四调节部(11、14)分别与所述连接头(11)上、下部配合，所述主支架(13)与所述连接头(11)中部配合，通过调节所述第四调节部(11、14)带动所述主支架(13)及与其固定的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。