CN106568989A - 一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置 - Google Patents
一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，该卧式探头装置由石英音叉(1)、二自由度位移台(2)、样品台(3)、逼近组件(4)、导轨(5)、三维扫描器(6)、支架和滑块组成。本发明卧式探头装置采用逼近组件将样品移送至可与探针产生有效原子力的范围，利用三维扫描器控制双臂配平的石英音叉探针对样品进行扫描，通过提取力传感信号实现对原子力显微镜的动态控制并最终获取样品表面信息。卧式结构设计可使所探测原子力方向与石英音叉探针重力方向相互垂直，并降低深空环境原子力显微镜系统的重心，能有效避免重力对原子力测量的影响，大大提高深空环境原子力显微镜系统稳定性和抗震性，从而满足深空环境中对样品测量成像的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于深空环境原子力显微镜的探头仪器，更特别地说，是指一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜的卧式探头装置。
背景技术
1986年，Binnig和Quate发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)。原子力显微镜是利用一个极细的针尖逐点探测样品表面，当针尖与样品表面的距离达到纳米级时，探针会受到样品对其产生的作用力，通过对这个作用力的检测获取样品的形貌信息。自原子力显微镜(AFM)诞生以来，其作为一种主要的表面分析仪器应用于物理、化学、金属、半导体、微电子、纳米材料、生物、生命科学等众多科学领域。AFM主要通过检测原子间相互作用力来进行成像，其不仅能够在大气环境下测量样品表面形貌信息，而且还能够在深空环境下对样品进行观测。随着深空原位探测需求的增加，将AFM应用于深空环境探测已经成为其发展的重要方向。
深空环境是指脱离地球引力场，进入宇宙空间的环境。现有的原子力显微镜大都只适用于大气环境，深空环境辐射强、昼夜温差大、设备无人值守并且在发射过程中会有剧烈的振动，因此不仅需要仪器具有抗辐射、耐高低温的能力，还需要其具有稳定性、抗震性和自主操纵性。基于深空环境对原子力显微镜的特殊要求，为了有效的探测深空环境下的样品信息，研究一种满足深空环境探测需求的原子力显微镜探头系统可为今后我国深空探测提供有效的载荷储备，为深空环境微纳尺度显微分析提供强有力的工具。由于立式原子力显微镜系统的探头装置中，探测原子力方向与石英音叉探针重力方向为同一轴线上，不能满足深空环境中对样品测量成像的要求。
发明内容
本发明设计了一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，该装置通过采用卧式机械结构，降低了深空环境原子力显微镜系统的设备重心，避免了原子力和石英音叉探针重力的相互干扰，从而提高了深空环境原子力显微镜系统的稳定性和抗震性。另外将探头装置的扫描运动和逼近运动的进行分离，防止相互干扰，保证了深空环境原子力显微镜系统的工作精度和稳定性。本发明设计的卧式探头装置能够使所探测原子力方向与石英音叉探针重力方向相互垂直，可以有效地避免重力对原子力测量的影响，从而满足深空环境中对样品测量成像的要求。
本发明的一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，该卧式探头装置由石英音叉探针(1)、二自由度位移台(2)、样品台(3)、逼近组件(4)、导轨(5)、三维扫描器(6)、A支架(7A)、B支架(7B)、C支架(7C)、A滑块(8A)、B滑块(8B)、C滑块(8C)组成。导轨(5)、A支架(7A)、B支架(7B)、C支架(7C)、A滑块(8A)、B滑块(8B)和C滑块(8C)构成移动支撑组件。二自由度位移台(2)、样品台(3)、C支架(7C)和C滑块(8C)构成样品台定位组件。样品台(3)用于承载样品。样品台(3)安装在二自由度位移台(2)的Y轴调节台(2A)上。
A滑块(8A)、B滑块(8B)和C滑块(8C)的结构相同。
导轨(5)上设有A导臂(5A)、B导臂(5B)与导轨底板(5D)，A导臂(5A)与B导臂(5B)之间是A凹槽(5C)，所述A凹槽(5C)为形状，且外倾斜角记为α，α＝120～135度。A导臂(5A)的外侧与导轨底板(5D)之间是B凹槽(5D1)，B导臂(5B)的外侧与导轨底板(5D)之间是C凹槽(5D2)。A导臂(5A)与B导臂(5B)用于支撑三个滑块(8A、8B、8C)，且通过紧顶螺钉(9D、9E、9F)将滑块(8A、8B、8C)顶紧在导轨(5)的A导臂(5A)外侧。
A支架(7A)的A横板(7A1)上设有A沉头通孔(7A11)，该A沉头通孔(7A11)用于放置A紧顶螺钉(9A)，A紧顶螺钉(9A)一端穿过A沉头通孔(7A11)后螺纹连接在A滑块(8A)的BA螺纹孔(8A31)中。A支架(7A)的A竖板(7A2)上设有用于固定安装三维扫描器(6)壳体的GA沉头腔(7A21)，GA沉头腔(7A21)的中心设有供三维扫描器(6)的输出臂穿过的GA通孔(7A22)。
B支架(7B)的B横板(7B1)上设有B沉头通孔(7B11)，该B沉头通孔(7B11)用于放置B紧顶螺钉(9B)，B紧顶螺钉(9B)一端穿过B沉头通孔(7B11)后螺纹连接在B滑块(8B)的BC螺纹孔(8B31)中。B支架(7B)的B竖板(7B2)上设有用于固定安装丝杠筒(4B)的连接盘(4B2)的GB沉头腔(7B21)，GB沉头腔(7B21)的中心设有供逼近组件(4)中步进电机(4A)的输出轴(4A1)穿过的GB通孔(7B22)。
C支架(7C)的C横板(7C1)上设有C沉头通孔(7C11)，该C沉头通孔(7C11)用于放置C紧顶螺钉(9C)，C紧顶螺钉(9C)一端穿过C沉头通孔(7C11)后螺纹连接在C滑块(8C)的BE通孔(8C31)中。C支架(7C)的C竖板(7C2)上设有用于放置丝杠外套筒(4D)的GC通孔(7C21)，C支架(7C)的C竖板(7C2)上安装有二自由度位移台(2)。
A滑块(8A)上设有A倾斜护板(8A1)、A定位安装板(8A2)、A支撑板(8A3)；A倾斜护板(8A1)与A定位安装板(8A2)之间是A支撑板(8A3)，A支撑板(8A3)上设有BA螺纹孔(8A31)，BA螺纹孔(8A31)用于放置A紧顶螺钉(9A)；A倾斜护板(8A1)与A支撑板(8A3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度。A倾斜护板(8A1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触。A定位安装板(8A2)上设有固定面板(8A21)，固定面板(8A21)上设有BB螺纹孔(8A22)，BB螺纹孔(8A22)用于放置D紧顶螺钉(9D)。
B滑块(8B)上设有B倾斜护板(8B1)、B定位安装板(8B2)、B支撑板(8B3)；B倾斜护板(8B1)与B定位安装板(8B2)之间是B支撑板(8B3)，B支撑板(8B3)上设有BC螺纹孔(8B31)，BC螺纹孔(8B31)用于放置B紧顶螺钉(9B)；B倾斜护板(8B1)与B支撑板(8B3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度。B倾斜护板(8B1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触。B定位安装板(8B2)上设有固定面板(8B21)，固定面板(8B21)上设有BD螺纹孔(8B22)，BD螺纹孔(8B22)用于放置E紧顶螺钉(9E)。
C滑块(8C)上设有C倾斜护板(8C1)、C定位安装板(8C2)、C支撑板(8C3)；C倾斜护板(8C1)与C定位安装板(8C2)之间是C支撑板(8C3)，C支撑板(8C3)上设有BE螺纹孔(8C31)，BE螺纹孔(8C31)用于放置C紧顶螺钉(9C)；C倾斜护板(8C1)与C支撑板(8C3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度。C倾斜护板(8C1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触。C定位安装板(8C2)上设有固定面板(8C21)，固定面板(8C21)上设有BF螺纹孔(8C22)，BF螺纹孔(8C22)用于放置F紧顶螺钉(9F)。
逼近组件(4)包括有步进电机(4A)、丝杠(4C)、丝杠筒(4B)、丝杠外套筒(4D)、螺母(4E)和联轴器(4F)。
步进电机(4A)的机壳通过螺钉固定在B支架(7B)的GD面板(7B-2)的GC沉头腔(7B23)中，且步进电机(4A)的输出轴(4A1)穿过B支架(7B)的GB通孔(7B22)后连接在联轴器(4F)的DA通孔(4F1)内，且通过穿过销孔(4F21)的销钉顶紧。
丝杠筒(4B)的一端是连接盘(4B2)，连接盘(4B2)通过螺钉固定在B支架(7B)的GC面板(7B-1)的GB沉头腔(7B21)中；丝杠筒(4B)的另一端是空心圆筒(4B3)，空心圆筒(4B3)用于放置联轴器(4F)；空心圆筒(4B3)的端部设有DB通孔(4B1)，DB通孔(4B1)用于丝杠(4C)的一端穿过。
丝杠(4C)的一端是丝杠段(4C1)，丝杠(4C)的另一端是连接段(4C2)；连接段(4C2)上对称设有DA凸柱(4C21)和DB凸柱(4C22)；丝杠(4C)的连接段(4C2)置于联轴器(4F)的型腔(4F4)内，DA凸柱(4C21)置于联轴器(4F)的圆环体(4F3)上的DA开口(4F31)内，DB凸柱(4C22)置于联轴器(4F)的圆环体(4F3)上的DB开口(4F32)内。丝杠(4C)的丝杠段(4C1)顺次穿过丝杠筒(4B)的DB通孔(4B1)、丝杠外套筒(4D)的螺纹孔(4D1)后套接上螺母(4E)。
丝杠外套筒(4D)上设有螺纹孔(4D1)，该螺纹孔(4D1)用于丝杠(4C)的丝杠段(4C1)穿过。
联轴器(4F)的中心设有DA通孔(4F1)，DA通孔(4F1)用于步进电机(4A)的输出轴穿过；联轴器(4F)的圆柱体(4F2)上设有销孔(4F21)，销孔(4F21)用于放置销钉，销钉穿过销孔(4F21)后顶紧在步进电机(4A)的输出轴上；联轴器(4F)的圆环体(4F3)上设有DA开口(4F31)和DB开口(4F32)，DA开口(4F31)用于放置丝杠(4C)的连接段(4C2)上的DA凸柱(4C21)，DB开口(4F32)用于放置丝杠(4C)的连接段(4C2)上的DB凸柱(4C22)。
本发明设计的一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，其优点在于：
①采用双臂配平的石英音叉探针大大提高了其品质因数，从而提高了仪器测量的灵敏度。
②扫描器和逼近装置分离，避免两种运动的耦合，增加系统的精确度。
③采用卧式机械结构，降低探头系统的重心，增加系统抗震性和稳定性。能够改善立式布局探头装置探测原子力方向与石英音叉探针重力方向为同一轴线上，势必影响音叉偏转灵敏度和偏转量的大小，从而导致扫描图像失真。
④采用四分压电陶瓷管作为三维扫描器，具有体积小、扫描范围大且共振频率高的优点。
⑤通过控制步进电机并配合高精度螺纹副进行传动，不仅使得逼近距离精确可控，保证了进针过程的平稳，而且无需外加任何位移传感器，简化逼近装置结构。
⑥本发明设计的成像系统减少了激光器、光电四象限接收器等器件的应用，降低了系统的复杂度。
⑦采用新型力传感器和材料，大大降低了探头系统的体积和质量，有效的节约了飞船载荷资源。
附图说明
图1是本发明卧式探头装置的结构图。
图1A是本发明卧式探头装置的另一视角结构图。
图2是本发明移动支撑组件的结构图。
图2A是本发明移动支撑组件的另一视角结构图。
图2B是本发明移动支撑组件的分解结构图。
图3A是本发明A滑块的结构图。
图3B是本发明A滑块的另一视角结构图。
图3C是本发明A滑块的再一视角的结构图。
图4A是本发明B滑块的结构图。
图4B是本发明B滑块的另一视角结构图。
图4C是本发明B滑块的再一视角的结构图。
图5A是本发明C滑块的结构图。
图5B是本发明C滑块的另一视角结构图。
图5C是本发明C滑块的再一视角的结构图。
图6是本发明逼近组件与两个支架的结构图。
图6A是本发明逼近组件的结构图。
图6B是本发明逼近组件的分解结构图。
图6C是本发明联轴器的结构图。
图6D是本发明联轴器的另一视角结构图。
图6E是本发明丝杠筒的结构图。
图7是本发明卧式探头装置的成像原理示意图。
图7A采用本发明卧式探头装置得到的二维光栅形貌图。
图8是立式探头装置的成像原理示意图。
图8A采用立式探头装置得到的二维光栅形貌图。
具体实施方式
参见图1、图1A所示，本发明设计了一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，该卧式探头装置由石英音叉探针1、二自由度位移台2、样品台3、逼近组件4、导轨5、三维扫描器6、A支架7A、B支架7B、C支架7C、A滑块8A、B滑块8B、C滑块8C组成。样品台3用于承载样品。样品台3安装在二自由度位移台2的Y轴调节台2A上。
其中，导轨5、A支架7A、B支架7B、C支架7C、A滑块8A、B滑块8B和C滑块8C构成移动支撑组件。A滑块8A、B滑块8B和C滑块8C的结构相同。
其中，二自由度位移台2、样品台3、C支架7C和C滑块8C构成样品台定位组件。
在本发明中，石英音叉探针1选用北京凯擎东光电子公司生产的K-3×8或K-2×6引线型晶体谐振器。
在本发明中，三维扫描器6选用PI公司生产的P-153.10H型号的压电驱动器。三维扫描器6安装在A支架7A的A竖板7A2上，且三维扫描器6的输出臂上连接有石英音叉探针1，所述石英音叉探针1的针尖与样品接触。
在本发明中，二自由度位移台2选用大恒新纪元科技股份有限公司生产的GCM系列二维精密平移台。二自由度位移台2安装在C支架7C的C竖板7C2上，且C支架7C的C横板7C1与C滑块8C通过C紧顶螺钉9C固定。
移动支撑组件
参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，导轨5上设有A导臂5A、B导臂5B与导轨底板5D，A导臂5A与B导臂5B之间是A凹槽5C，所述A凹槽5C为形状，且外倾斜角记为α，α＝120～135度，较佳为121.95度。A导臂5A的外侧与导轨底板5D之间是B凹槽5D1，B导臂5B的外侧与导轨底板5D之间是C凹槽5D2。A导臂5A与B导臂5B用于支撑三个滑块(8A、8B、8C)，且三个滑块(8A、8B、8C)在进行相对距离调节时能够在A导臂5A与B导臂5B上滑动。调节好A支架7A、B支架7B与C支架7C的相对距离后，通过D紧顶螺钉9D将A滑块8A顶紧，实现A滑块8A与导轨5上的A导臂5A与B导臂5B的紧配合，通过E紧顶螺钉9E将B滑块8B顶紧，实现B滑块8B与导轨5上的A导臂5A与B导臂5B的紧配合。在步进电机4A的驱动下，丝杠4C转动，由于丝杠4C上安装有螺母4E(螺母4E安装在与C支架7C相对固定的丝杠外套筒4D上)，使得样品台定位组件能够在导轨5上滑动。
在本发明中，考虑到要尽量减小探头体积并保证足够的步进精度，步进电机4A设计中选用日本NMB公司的PG20S-020型永磁式电机。
参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，A支架7A为T形结构。A支架7A的A横板7A1上设有A沉头通孔7A11，该A沉头通孔7A11用于放置A紧顶螺钉9A，A紧顶螺钉9A一端穿过A沉头通孔7A11后螺纹连接在A滑块8A的BA螺纹孔8A31中。A支架7A的A竖板7A2上设有用于固定安装三维扫描器6壳体的GA沉头腔7A21，GA沉头腔7A21的中心设有供三维扫描器6的输出臂穿过的GA通孔7A22。
参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，B支架7B为T形结构。B支架7B的B横板7B1上设有B沉头通孔7B11，该B沉头通孔7B11用于放置B紧顶螺钉9B，B紧顶螺钉9B一端穿过B沉头通孔7B11后螺纹连接在B滑块8B的BC螺纹孔8B31中。B支架7B的B竖板7B2上设有用于固定安装丝杠筒4B的连接盘4B2的GB沉头腔7B21，GB沉头腔7B21的中心设有供逼近组件4中步进电机4A的输出轴4A1穿过的GB通孔7B22。
参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，C支架7C的C横板7C1上设有C沉头通孔7C11，该C沉头通孔7C11用于放置C紧顶螺钉9C，C紧顶螺钉9C一端穿过C沉头通孔7C11后螺纹连接在C滑块8C的BE通孔8C31中。C支架7C的C竖板7C2上设有用于放置丝杠外套筒4D的GC通孔7C21，C支架7C的C竖板7C2上安装有二自由度位移台2。
参见图3A、图3B、图3C所示，A滑块8A上设有A倾斜护板8A1、A定位安装板8A2、A支撑板8A3；A倾斜护板8A1与A定位安装板8A2之间是A支撑板8A3，A支撑板8A3上设有BA螺纹孔8A31，BA螺纹孔8A31用于放置A紧顶螺钉9A；A倾斜护板8A1与A支撑板8A3之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度，较佳为58.05度。A倾斜护板8A1的内倾板面与导轨5的B导臂5B接触。A定位安装板8A2上设有固定面板8A21，固定面板8A21上设有BB螺纹孔8A22，BB螺纹孔8A22用于放置D紧顶螺钉9D，D紧顶螺钉9D一端穿过BB螺纹孔8A22后，且端面与导轨5的A导臂5A接触，实现A滑块8A与导轨5的安装。
参见图4A、图4B、图4C所示，B滑块8B上设有B倾斜护板8B1、B定位安装板8B2、B支撑板8B3；B倾斜护板8B1与B定位安装板8B2之间是B支撑板8B3，B支撑板8B3上设有BC螺纹孔8B31，BC螺纹孔8B31用于放置B紧顶螺钉9B；B倾斜护板8B1与B支撑板8B3之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度，较佳为58.05度。B倾斜护板8B1的内倾板面与导轨5的B导臂5B接触。B定位安装板8B2上设有固定面板8B21，固定面板8B21上设有BD螺纹孔8B22，BD螺纹孔8B22用于放置E紧顶螺钉9E，E紧顶螺钉9E一端穿过BD螺纹孔8B22后，且端面与导轨5的A导臂5A接触，实现B滑块8B与导轨5的安装。
参见图5A、图5B、图5C所示，C滑块8C上设有C倾斜护板8C1、C定位安装板8C2、C支撑板8C3；C倾斜护板8C1与C定位安装板8C2之间是C支撑板8C3，C支撑板8C3上设有BE螺纹孔8C31，BE螺纹孔8C31用于放置C紧顶螺钉9C；C倾斜护板8C1与C支撑板8C3之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度，较佳为58.05度。C倾斜护板8C1的内倾板面与导轨5的B导臂5B接触。C定位安装板8C2上设有固定面板8C21，固定面板8C21上设有BF螺纹孔8C22，BF螺纹孔8C22用于放置F紧顶螺钉9F，F紧顶螺钉9F一端穿过BF螺纹孔8C22后，且端面与导轨5的A导臂5A接触，实现C滑块8C与导轨5的安装。
逼近组件4
参见图6、图6A、图6B所示，逼近组件4包括有步进电机4A、丝杠4C、丝杠筒4B、丝杠外套筒4D、螺母4E和联轴器4F。
参见图1、图1A、图6A、图6B所示，步进电机4A的机壳通过螺钉固定在B支架7B的GD面板7B-2的GC沉头腔7B23中，且步进电机4A的输出轴4A1穿过B支架7B的GB通孔7B22后连接在联轴器4F的DA通孔4F1内，且通过穿过销孔4F21的销钉顶紧。
参见图6、图6A、图6B、图6E所示，丝杠筒4B的一端是连接盘4B2，连接盘4B2通过螺钉固定在B支架7B的GC面板7B-1的GB沉头腔7B21中；丝杠筒4B的另一端是空心圆筒4B3，空心圆筒4B3用于放置联轴器4F(联轴器4F的型腔4F4内放置有丝杠4C的连接段4C2)；空心圆筒4B3的端部设有DB通孔4B1，DB通孔4B1用于丝杠4C的一端穿过。
参见图6、图6A、图6B所示，丝杠4C的一端是丝杠段4C1，丝杠4C的另一端是连接段4C2；连接段4C2上对称设有DA凸柱4C21和DB凸柱4C22；丝杠4C的连接段4C2置于联轴器4F的型腔4F4内，DA凸柱4C21置于联轴器4F的圆环体4F3上的DA开口4F31内，DB凸柱4C22置于联轴器4F的圆环体4F3上的DB开口4F32内。丝杠4C的丝杠段4C1顺次穿过丝杠筒4B的DB通孔4B1、丝杠外套筒4D的螺纹孔4D1后套接上螺母4E。
参见图6、图6A、图6B所示，丝杠外套筒4D上设有螺纹孔4D1，该螺纹孔4D1用于丝杠4C的丝杠段4C1穿过。
参见图6、图6A、图6B、图6C、图6D所示，联轴器4F为大小两段结构。联轴器4F的中心设有DA通孔4F1，DA通孔4F1用于步进电机4A的输出轴穿过；联轴器4F的圆柱体4F2上设有销孔4F21，销孔4F21用于放置销钉，销钉穿过销孔4F21后顶紧在步进电机4A的输出轴上，通过销钉顶紧步进电机4A的输出轴实现联轴器4F的一端与步进电机4A的安装；联轴器4F的圆环体4F3上设有DA开口4F31和DB开口4F32，DA开口4F31用于放置丝杠4C的连接段4C2上的DA凸柱4C21，DB开口4F32用于放置丝杠4C的连接段4C2上的DB凸柱4C22。
由于原子间相互作用力的范围为10－8～10－12N，常用的探针所受的重力为10－10量级，即二者的大小可以比拟。当探针在样品上方进行快速扫描时，重力的存在将影响石英音叉探针悬臂的偏转灵敏度和偏转量的大小，使得所得图像失真。
参见图7所示，在本发明设计的卧式探头装置进行的成像原理中，原子引力F1和原子斥力F2与重力G的方向是相互垂直的，从而使得重力G不会对原子引力F1和原子斥力F2造成影响，故本发明设计的卧式探头装置成像(如图7A)更加清楚，分辨率更高0.1纳米。
参见图8所示，在常用立式探头装置进行的成像原理中，原子引力F1和原子斥力F2与重力G的方向是相互平行的，从而使得重力G会对原子引力F1和原子斥力F2造成影响。对比图7A与图8A，由于受到重力的影响，图8A中台阶的下降沿与上升沿相比出现了模糊，而图7A上台阶上升、下降沿的图像质量是一致的，从而排除了重力对音叉探针偏转量的影响；由于排除了重力的影响，图7A相比图8A更清晰的呈现出了台阶的边缘形貌，有效的避免了重力对石英音叉探针偏转灵敏度的影响；采用卧式机械结构，降低探头系统的重心，增加系统抗震性和稳定性。
本发明的基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统的操作过程如下：
1、将石英音叉探针1先固定在三维扫描器6末端，然后将三维扫描器6固定在A支架7A上，保证所述石英音叉探针1振动平行于X轴，且无Y、Z轴振动分量；
2、将样品放置在样品台3上的合适位置；
3、手动调节Y轴调节器2A、Z轴调节器2B，使得样品位于所述石英音叉探针1的正下方；
4、通过深空环境原子力显微镜系统中配套的DDS电路驱动所述石英音叉探针1，并使石英音叉探针1在共振频率振动，根据需要设定石英音叉探针1的振动幅度，即set-point值；
5、粗调样品位置：调节C滑块8C、B滑块8B，使样品台3靠近石英音叉探针1，即石英音叉探针1的针尖与样品之间的间距在0.5厘米范围内；细调样品位置：通过步进电机驱动逼近组件4使样品台3与石英音叉探针1的针尖距离为1～2毫米；
6、微调样品位置：打开电源开关，使压电陶瓷管扫描器6和逼近组件4进入工作状态；深空环境原子力显微镜系统自动设置步进电机的步长，精调石英音叉探针1的针尖、样品位移，使针尖与样品接触，到达步骤4中预设的set-point值；
7、压电陶瓷管扫描器6开始扫描，得到样品表面信息。
Claims (5)
1.一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，其特征在于：该卧式探头装置由石英音叉探针(1)、二自由度位移台(2)、样品台(3)、逼近组件(4)、导轨(5)、三维扫描器(6)、A支架(7A)、B支架(7B)、C支架(7C)、A滑块(8A)、B滑块(8B)、C滑块(8C)组成。导轨(5)、A支架(7A)、B支架(7B)、C支架(7C)、A滑块(8A)、B滑块(8B)和C滑块(8C)构成移动支撑组件。二自由度位移台(2)、样品台(3)、C支架(7C)和C滑块(8C)构成样品台定位组件。样品台(3)用于承载样品。样品台(3)安装在二自由度位移台(2)的Y轴调节台(2A)上。
A滑块(8A)、B滑块(8B)和C滑块(8C)的结构相同。
导轨(5)上设有A导臂(5A)、B导臂(5B)与导轨底板(5D)，A导臂(5A)与B导臂(5B)之间是A凹槽(5C)，所述A凹槽(5C)为形状，且外倾斜角记为α，α＝120～135度。A导臂(5A)的外侧与导轨底板(5D)之间是B凹槽(5D1)，B导臂(5B)的外侧与导轨底板(5D)之间是C凹槽(5D2)。A导臂(5A)与B导臂(5B)用于支撑三个滑块(8A、8B、8C)，且通过紧顶螺钉(9D、9E、9F)将滑块(8A、8B、8C)顶紧在导轨(5)的A导臂(5A)外侧。
A支架(7A)的A横板(7A1)上设有A沉头通孔(7A11)，该A沉头通孔(7A11)用于放置A紧顶螺钉(9A)，A紧顶螺钉(9A)一端穿过A沉头通孔(7A11)后螺纹连接在A滑块(8A)的BA螺纹孔(8A31)中。A支架(7A)的A竖板(7A2)上设有用于固定安装三维扫描器(6)壳体的GA沉头腔(7A21)，GA沉头腔(7A21)的中心设有供三维扫描器(6)的输出臂穿过的GA通孔(7A22)。
B支架(7B)的B横板(7B1)上设有B沉头通孔(7B11)，该B沉头通孔(7B11)用于放置B紧顶螺钉(9B)，B紧顶螺钉(9B)一端穿过B沉头通孔(7B11)后螺纹连接在B滑块(8B)的BC螺纹孔(8B31)中。B支架(7B)的B竖板(7B2)上设有用于固定安装丝杠筒(4B)的连接盘(4B2)的GB沉头腔(7B21)，GB沉头腔(7B21)的中心设有供逼近组件(4)中步进电机(4A)的输出轴(4A1)穿过的GB通孔(7B22)。
C支架(7C)的C横板(7C1)上设有C沉头通孔(7C11)，该C沉头通孔(7C11)用于放置C紧顶螺钉(9C)，C紧顶螺钉(9C)一端穿过C沉头通孔(7C11)后螺纹连接在C滑块(8C)的BE通孔(8C31)中。C支架(7C)的C竖板(7C2)上设有用于放置丝杠外套筒(4D)的GC通孔(7C21)，C支架(7C)的C竖板(7C2)上安装有二自由度位移台(2)。
A滑块(8A)上设有A倾斜护板(8A1)、A定位安装板(8A2)、A支撑板(8A3)；A倾斜护板(8A1)与A定位安装板(8A2)之间是A支撑板(8A3)，A支撑板(8A3)上设有BA螺纹孔(8A31)，BA螺纹孔(8A31)用于放置A紧顶螺钉(9A)；A倾斜护板(8A1)与A支撑板(8A3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度。A倾斜护板(8A1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触。A定位安装板(8A2)上设有固定面板(8A21)，固定面板(8A21)上设有BB螺纹孔(8A22)，BB螺纹孔(8A22)用于放置D紧顶螺钉(9D)。
B滑块(8B)上设有B倾斜护板(8B1)、B定位安装板(8B2)、B支撑板(8B3)；B倾斜护板(8B1)与B定位安装板(8B2)之间是B支撑板(8B3)，B支撑板(8B3)上设有BC螺纹孔(8B31)，BC螺纹孔(8B31)用于放置B紧顶螺钉(9B)；B倾斜护板(8B1)与B支撑板(8B3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度。B倾斜护板(8B1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触。B定位安装板(8B2)上设有固定面板(8B21)，固定面板(8B21)上设有BD螺纹孔(8B22)，BD螺纹孔(8B22)用于放置E紧顶螺钉(9E)。
C滑块(8C)上设有C倾斜护板(8C1)、C定位安装板(8C2)、C支撑板(8C3)；C倾斜护板(8C1)与C定位安装板(8C2)之间是C支撑板(8C3)，C支撑板(8C3)上设有BE螺纹孔(8C31)，BE螺纹孔(8C31)用于放置C紧顶螺钉(9C)；C倾斜护板(8C1)与C支撑板(8C3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度。C倾斜护板(8C1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触。C定位安装板(8C2)上设有固定面板(8C21)，固定面板(8C21)上设有BF螺纹孔(8C22)，BF螺纹孔(8C22)用于放置F紧顶螺钉(9F)。
逼近组件(4)包括有步进电机(4A)、丝杠(4C)、丝杠筒(4B)、丝杠外套筒(4D)、螺母(4E)和联轴器(4F)。
步进电机(4A)的机壳通过螺钉固定在B支架(7B)的GD面板(7B-2)的GC沉头腔(7B23)中，且步进电机(4A)的输出轴(4A1)穿过B支架(7B)的GB通孔(7B22)后连接在联轴器(4F)的DA通孔(4F1)内，且通过穿过销孔(4F21)的销钉顶紧。
丝杠筒(4B)的一端是连接盘(4B2)，连接盘(4B2)通过螺钉固定在B支架(7B)的GC面板(7B-1)的GB沉头腔(7B21)中；丝杠筒(4B)的另一端是空心圆筒(4B3)，空心圆筒(4B3)用于放置联轴器(4F)；空心圆筒(4B3)的端部设有DB通孔(4B1)，DB通孔(4B1)用于丝杠(4C)的一端穿过。
丝杠(4C)的一端是丝杠段(4C1)，丝杠(4C)的另一端是连接段(4C2)；连接段(4C2)上对称设有DA凸柱(4C21)和DB凸柱(4C22)；丝杠(4C)的连接段(4C2)置于联轴器(4F)的型腔(4F4)内，DA凸柱(4C21)置于联轴器(4F)的圆环体(4F3)上的DA开口(4F31)内，DB凸柱(4C22)置于联轴器(4F)的圆环体(4F3)上的DB开口(4F32)内。丝杠(4C)的丝杠段(4C1)顺次穿过丝杠筒(4B)的DB通孔(4B1)、丝杠外套筒(4D)的螺纹孔(4D1)后套接上螺母(4E)。
丝杠外套筒(4D)上设有螺纹孔(4D1)，该螺纹孔(4D1)用于丝杠(4C)的丝杠段(4C1)穿过。
联轴器(4F)的中心设有DA通孔(4F1)，DA通孔(4F1)用于步进电机(4A)的输出轴穿过；联轴器(4F)的圆柱体(4F2)上设有销孔(4F21)，销孔(4F21)用于放置销钉，销钉穿过销孔(4F21)后顶紧在步进电机(4A)的输出轴上；联轴器(4F)的圆环体(4F3)上设有DA开口(4F31)和DB开口(4F32)，DA开口(4F31)用于放置丝杠(4C)的连接段(4C2)上的DA凸柱(4C21)，DB开口(4F32)用于放置丝杠(4C)的连接段(4C2)上的DB凸柱(4C22)。
2.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，其特征在于：手动调节二自由度位移台(2)使样品位于石英音叉探针(1)的正下方。
3.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，其特征在于：调节C滑块(8C)、B滑块(8B)，使样品台(3)靠近石英音叉探针(1)的针尖与样品之间的间距在0.5厘米范围内，达到粗调样品位置；
通过步进电机驱动逼近组件(4)使样品台(3)与石英音叉探针(1)的针尖距离在1～2毫米范围内，达到细调样品位置；
打开电源开关，使压电陶瓷管扫描器(6)和逼近组件(4)进入工作状态，且使样品台(3)与石英音叉探针(1)的针尖距离在set-point值，达到微调样品位置。
4.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，其特征在于：样品台(3)与石英音叉探针(1)的针尖为卧式分布。
5.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，其特征在于：原子引力F1和原子斥力F2与重力G的方向是相互垂直的。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20181127 |