CN108828269A - 基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置 - Google Patents

基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于原子力显微镜重复定位领域，具体为基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，由压电扫描台、样品安装座、探针位移台和探针安装座组成。其中样品安装座的样品夹与样品夹固定台之间采用磁吸附配合限位球，每次样品夹的安装都在样品夹固定台的中心附近，上下左右偏差达到um量级；进一步采用探针台上的半导体激光器与样品夹上的四象限光电二极管配合，通过控制压电扫描筒与切边压电配合达到nm量级的高精度定位。并且每次测量会记忆测量原点，以压电扫描筒的偏转电压和四象限光电二极管返回的基准为原点基准。下次测量的范围为设定范围的2‑3倍找到原点后，重置原点后再以设定范围进行重新扫描。

Description

基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置
技术领域
本发明属于原子力显微镜重复定位领域，涉及用光学定位技术实现原子力显微镜的高精度重复定位，具体为基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置。
背景技术
原子力显微镜（AFM）是研究nm尺度的物体表面形貌的重要工具，现如今已被广泛的应用于物理、生物、化学等研究领域。其通过针尖只有一个原子大小的探针在非常近的距离探测物体表面的情况，可以分辨其他显微镜所无法分辨的极小尺寸上的表面细节与特征。原子力显微镜在原理上利用物质之间相互作用的原子力为检测的物理量，在超高真空的环境下可以对物体表面进行高精度的测量，可达到原子分辨率nm量级以下。并且使用AFM测量的样品无论是否导电，其都具有原子力，可以使用AFM进行测量。综上所述，在纳米尺寸，分子水平上AFM是最先进的测试仪器，具有很多优点。
由于物理材料的普遍均一性决定了不需要对特定样品成像，从而不需要对待测样品进行较高的重复定位，所以部分厂家的原子力显微镜没有光学系统。但目前对生物样品或者中途需要进行处理的物理材料样品等，需要反复对同一测量处的样品成像，所以精确的重复定位技术就显得尤为重要。目前已有的方便重复定位的实现手段，主要由做标记，对基底进行处理等，费时费力，并未对仪器进行完善，从根本上解决问题。
发明内容
本发明的目的是实现原子力显微镜的高重复定位精度。
本发明运用磁吸附与限位球、限位槽配合实现um量级的定位，本发明进一步将四象限光学定位技术与高精度的压电驱动调节相结合用于进一步提高原子力显微镜的重复定位精度达到几十nm甚至几nm。
为了达到上述目的，本发明实现目的采用的技术方案为：基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，包括压电扫描台、样品安装座、探针位移台以及探针安装座；
所述压电扫描台包括限位片、滑动轮、两侧固定板、压电扫描筒固定台、压电扫描筒、第一压电陶瓷堆栈、红宝石和蓝宝石板；其中两侧固定板分别安置于压电扫描筒固定台的两侧，限位片将滑动轮固定于两侧固定板，压电扫描筒固定台上表面两侧被两侧的限位片压着边缘限制向上的移动，其下表面两侧分别和蓝宝石板固定连接，蓝宝石板通过红宝石和第一压电陶瓷堆栈连接，压电扫描筒固定台两侧面与滑动轮接触，可以前后方向滑动；通过安设于压电扫描筒固定台两侧下方的第一压电陶瓷堆栈驱动其前后位移，实现nm量级的位移；压电扫描筒安装于压电扫描筒固定台上，压电扫描筒的向外端面与样品安装座固定连接；
样品安装座包括样品夹固定台、样品夹、四象限光电二极管、信号接口，其中样品夹固定台上安装样品夹，样品夹左端设有四象限光电二极管，并通过信号接口将光电信号传走进行处理；
探针位移台包括探针位移座、第二压电陶瓷堆栈、第二红宝石和第二蓝宝石板；第二压电陶瓷堆栈上分别安设有第二红宝石，第二红宝石与探针位移座通过第二蓝宝石板连接，通过控制第二压电陶瓷堆栈实现探针位移座的左右位移；
探针安装座包括探针、探针夹、探针台、激光座和半导体激光器，探针台安装于探针位移座上，半导体激光器安装于激光座内部且对准四象限光电二极管，激光座安装于探针台上方，探针台内部安装有探针夹，探针夹上固定有探针。
上述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，样品夹固定台上设有安装磁铁，并在安装磁铁的四周设有限位球，样品夹固定台侧边上安装有限位轮，方便样品夹的安装，起到导向定位作用，安装磁铁与限位球配合对样品夹实现um量级的定位；样品夹背后开有水平限位槽和竖直限位槽，在安装磁铁和限位球的配合下，限位球卡入限位槽中完成定位。
上述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，样品夹右侧开有第一传送螺纹孔，方便样品夹在超高真空舱室的传入。
上述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，样品夹正面开有压片固定孔，用于固定压片，压片将样品固定在样品夹上。
上述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，探针夹通过弹簧压片配合调紧螺钉固定探针。
上述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，探针夹后部设有竖直卡槽和水平卡槽，探针台设有吸附磁铁和固定球，与探针夹的水平卡槽、竖直卡槽配合实现探针的定位。
上述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，探针夹一侧开有第二传送螺纹孔，并通过第二传送螺纹孔在真空舱室中传送。
本发明的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现方式，具体为：
1、探针夹的安装方式：使用螺杆与第二传动螺纹孔连接，将探针夹传送至探针台处，先由其背部的水平卡槽卡住探针台的固定球，缓慢推入，直至后方的限位球卡入竖直卡槽。
2、样品夹的安装方式：使用螺杆与第一传动螺纹孔连接，首先让样品夹上下两端卡入限位轮，并缓慢推入，先由限位球卡入水平限位槽中，继续缓慢推入，直至后方的限位球卡入竖直限位槽。
3、探针一次安装不动，进行扫描前首先记录四象限光电二极管返回的位置数据，以及控制压电扫描筒的输出电压值。例如完成区域的扫描，再重新装入样品后，由于样品夹后方的磁吸附配合限位球，此时原点与之前测量原点之间在xy方向相差um（z方向易找回这里不做特殊说明），读取半导体激光器在四象限光电二极管的光斑方位。与之前光斑信息取差值得到原点偏差量。下次扫描在当前扫描原点的基础上加上偏差量。以此实现重复位置的扫描即重复定位。
本发明较现有技术所具有的特点和有益效果主要是：
1、本发明巧妙的将磁铁吸附与限位球，限位槽定位配合结合，实现了初步重复定位精度um量级。
2、进一步采用四象限光学定位技术与高精度的压电驱动调节相结合用于进一步提高原子力显微镜的重复定位精度达到几十nm甚至几nm。
3、区别于传统的标记定位方式，从根本上改进了仪器，实现了高精度重复定位。
附图说明
图1为本发明的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置整体示意图。
图2为样品安装座与压电扫描台的等轴测视图。
图3为样品安装座与压电扫描台的主视图。
图4为压电扫描台的左视图。
图5为样品安装座的主视图。
图6为图5的俯视图。
图7为样品夹的等轴测视图。
图8为探针位移台与探针安装座的等轴测视图。
图9为图8的主视图。
图10为图9的左视图。
图11为探针安装座的等轴测视图。
图12为图11的主视图。
图13为图12的俯视图。
图14为本申请重复定位实现装置定位原理图。
图15为原子力显微镜的样品扫描示意图。
图中：1-压电扫描台；2-样品安装座；3-探针位移台；4-探针安装座。
1-1-限位片；1-2-螺栓；1-3-滑动轮；1-4-两侧固定版；1-5-压电扫描筒固定台；1-6-压电扫描筒；1-7-第一压电陶瓷堆栈；1-8-红宝石；1-9-蓝宝石板；
2-1-样品夹固定台；2-2-样品夹；2-3-压片；2-4-四象限光电二极管；2-5-信号接口；2-6-限位轮；2-7-样品；2-8-安装磁铁；2-9-限位球；
2-2-1-水平限位槽；2-2-2-竖直限位槽；2-2-3-第一传送螺纹孔；2-2-4-压片固定孔；
3-1-探针位移座；3-2-第二压电陶瓷堆栈；3-3-第二红宝石；3-4-第二蓝宝石板；
4-1-探针；4-2-弹簧压片；4-3-调紧螺钉；4-4-探针夹；4-5-探针台；4-6-激光座；4-7-半导体激光器；
4-4-1-竖直卡槽；4-4-2-水平卡槽；4-4-3-第二传送螺纹孔；
4-5-1-吸附磁铁；4-5-2-固定球。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。
如附图1所示，为本发明的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，主要由压电扫描台1、样品安装座2、探针位移台3和探针安装座4组成。
如附图2到附图7所示，所述压电扫描台1包括限位片1-1、螺栓1-2、滑动轮1-3、两侧固定板1-4、压电扫描筒固定台1-5、压电扫描筒1-6、第一压电陶瓷堆栈1-7、红宝石1-8和蓝宝石板1-9；其中限位片1-1通过螺栓1-2将滑动轮1-3下方固定于两侧固定板1-4，两侧固定板1-4分别安置于压电扫描筒固定台1-5的两侧；压电扫描筒固定台1-5上表面两侧被限位片1-1压着边缘限制向上的移动，其两侧下方分别与蓝宝石板1-9固定连接，蓝宝石板1-9通过红宝石1-8和第一压电陶瓷堆栈1-7连接，其两侧面于滑动轮1-3接触，可以前后方向滑动；通过安设于压电扫描筒固定台1-5两侧下方的第一压电陶瓷堆栈1-7驱动其前后位移，实现nm量级的位移；圆柱形的压电扫描筒1-6安装于压电扫描筒固定台1-5上方的半椭圆形槽中，压电扫描筒1-6的向外端面与样品夹固定台2-1固定连接。
所述样品安装座2包括样品夹固定台2-1、样品夹2-2、压片2-3、四象限光电二极管2-4、信号接口2-5、限位轮2-6、样品2-7、安装磁铁2-8和限位球2-9。其中样品夹固定台2-1呈长方体状，其正前方中心设有安装圆柱形安装磁铁2-8的槽，并在槽的四周有4个限位球2-9，在其外侧的3条边上分别有2个孔并分别安装有限位轮2-6，方便样品夹2-2的安装（样品夹2-2的材料可选用不锈钢），起到导向定位作用。其正面的安装磁铁2-8与限位球2-9配合对样品夹实现um量级的定位。
所述样品夹2-2背后开有两条平行的水平限位槽2-2-1和一条竖直限位槽2-2-2，在安装磁铁2-8和限位球2-9的配合下，限位球2-9卡入限位槽中完成定位。所述样品夹右侧开有第一传送螺纹孔2-2-3，方便样品夹2-2在超高真空舱室的传入，样品夹2-2正面在两个凸台两侧开有压片固定孔2-2-4，用于固定压片2-3，压片2-3用于固定样品2-7；样品夹2-2的左端设有四象限光电二极管2-4，并通过信号接口2-5将光电信号传走进行处理。
如附图8到附图13所示，为所述探针位移台3包括探针位移座3-1、第二压电陶瓷堆栈3-2、第二红宝石3-3和第二蓝宝石板3-4；3个第二压电陶瓷堆栈3-2呈三角形放置，其上分别安设有第二红宝石3-3，并与探针位移座3-1通过第二蓝宝石板3-4连接，通过控制第二压电陶瓷堆栈3-2实现探针位移座3-1的左右位移。
所述探针安装座4包括探针4-1、弹簧压片4-2、调紧螺钉4-3、探针夹4-4、探针台4-5、激光座4-6和半导体激光器4-7。半导体激光器4-7安装于激光座4-6内部且对准样品夹2-2的四象限光电二极管2-4，激光座4-6安装于探针台4-5上方，半包围形的探针台4-5内部安装有探针夹4-4，探针夹4-4通过弹簧压片4-2配合调紧螺钉4-3固定前方顶部凹槽中的探针4-1。
所述探针夹4-4后部设有竖直卡槽4-4-1和两个平行的水平卡槽4-4-2，并通过第二传送螺纹孔4-4-3在真空舱室中传送。
所述探针台4-5设有吸附磁铁4-5-1和固定球4-5-2，与探针夹4-4的水平卡槽4-4-2，竖直卡槽4-4-1配合实现探针4-1的定位，探针夹的材料可选用不锈钢。
所述精确重复定位的工作方式为：
1、探针夹的安装方式：使用螺杆与第二传动螺纹孔4-4-3连接，将探针夹4-4传送至探针台4-5处，先有其背部的水平卡槽4-4-2卡住探针台4-5的固定球4-5-2，随后缓慢推入，直至竖直卡槽4-4-1卡住固定球4-5-2。
2、样品夹2-2的安装方式：使用螺杆与第一传动螺纹孔2-2-3连接，首先让样品夹2-2上下两端卡入限位轮2-6，并缓慢推入，先由限位球2-9卡入水平限位槽2-2-1中，继续缓慢推入，直至后方的限位球2-9卡入竖直限位槽2-2-2。
3、探针4-1安装不动，进行扫描前首先记录四象限光电二极管2-4返回的位置数据，以及控制压电扫描筒1-6的输出电压值。例如完成区域的扫描，再重新装入样品2-7后，由于样品夹2-2后方的磁吸附配合限位球2-9，此时原点与之前测量原点之间在xy方向相差um（z方向易找回这里不做特殊说明），读取半导体激光器4-7在四象限光电二极管2-4的光斑方位。与之前光斑信息取差值得到原点偏差量。下次扫描在当前扫描原点的基础上加上偏差量。以此实现重复位置的扫描即重复定位，定位原理如图14所示。
原子力显微镜的样品扫描示意图如附图15所示，激光聚焦于悬臂，经过悬臂反射至第二四象限光电转化器，由前置放大器2进行放大转化反馈至扫描驱动控制器。由扫描驱动控制器控制压电堆栈与压电扫描筒实现探针-样品间原子力测量。本申请重复定位实现装置就是要解决原子力显微镜对样品同一测量处的重复扫描问题。
上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，其特征在于包括压电扫描台（1）、样品安装座（2）、探针位移台（3）以及探针安装座（4）；
所述压电扫描台（1）包括限位片（1-1）、滑动轮（1-3）、两侧固定板（1-4）、压电扫描筒固定台（1-5）、压电扫描筒（1-6）、第一压电陶瓷堆栈（1-7）、红宝石（1-8）和蓝宝石板（1-9）；其中两侧固定板（1-4）分别安置于压电扫描筒固定台（1-5）的两侧，限位片（1-1）将滑动轮（1-3）固定于两侧固定板（1-4），压电扫描筒固定台（1-5）上表面两侧被两侧的限位片（1-1）压着边缘限制向上的移动，其下表面两侧分别和蓝宝石板（1-9）固定连接，蓝宝石板（1-9）通过红宝石（1-8）和第一压电陶瓷堆栈（1-7）连接，压电扫描筒固定台（1-5）两侧面与滑动轮（1-3）接触，通过安设于压电扫描筒固定台（1-5）两侧下方的第一压电陶瓷堆栈（1-7）驱动压电扫描筒固定台（1-5）前后位移，实现nm量级的位移，压电扫描筒（1-6）安装于压电扫描筒固定台（1-5）上，压电扫描筒（1-6）的向外端面与样品安装座（2）固定连接；
样品安装座（2）包括样品夹固定台（2-1）、样品夹（2-2）、四象限光电二极管（2-4）、信号接口（2-5），其中样品夹固定台（2-1）上安装样品夹（2-2），样品夹（2-2）上设有四象限光电二极管（2-4），并通过信号接口（2-5）将光电信号传走进行处理；
探针位移台（3）包括探针位移座（3-1）、第二压电陶瓷堆栈（3-2）、第二红宝石（3-3）和第二蓝宝石板（3-4）；第二压电陶瓷堆栈（3-2）上分别安设有第二红宝石（3-3），第二红宝石（3-3）与探针位移座（3-1）通过第二蓝宝石板（3-4）连接，通过控制第二压电陶瓷堆栈（3-2）实现探针位移座（3-1）的左右位移；
探针安装座（4）包括探针（4-1）、探针夹（4-4）、探针台（4-5）、激光座（4-6）和半导体激光器（4-7），探针台（4-5）安装于探针位移座（3-1）上，半导体激光器（4-7）安装于激光座（4-6）内部且对准四象限光电二极管（2-4），激光座（4-6）安装于探针台（4-5）上方，探针台（4-5）内部安装有探针夹（4-4），探针夹（4-4）上固定有探针（4-1）。
2.根据权利要求1所述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，其特征在于样品夹固定台（2-1）上设有安装磁铁（2-8），并在安装磁铁（2-8）的四周设有限位球（2-9），样品夹固定台（2-1）侧边上安装有限位轮（2-6），方便样品夹（2-2）的安装，起到导向定位作用，安装磁铁（2-8）与限位球（2-9）配合对样品夹实现um量级的定位；样品夹（2-2）背后开有水平限位槽（2-2-1）和竖直限位槽（2-2-2），在安装磁铁（2-8）和限位球（2-9）的配合下，限位球（2-9）卡入限位槽中完成定位。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，其特征在于样品夹（2-2）右侧开有第一传送螺纹孔（2-2-3），方便样品夹（2-2）在超高真空舱室的传入。
4.根据权利要求1或2所述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，其特征在于样品夹（2-2）正面开有压片固定孔（2-2-4），用于固定压片（2-3），压片（2-3）将样品（2-7）固定在样品夹（2-2）上。
5.根据权利要求1或2所述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，其特征在于探针夹（4-4）通过弹簧压片（4-2）配合调紧螺钉（4-3）固定探针（4-1）。
6.根据权利要求1或2所述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，其特征在于探针夹（4-4）后部设有竖直卡槽（4-4-1）和水平卡槽（4-4-2），探针台（4-5）设有吸附磁铁（4-5-1）和固定球（4-5-2），与探针夹（4-4）的水平卡槽（4-4-2）、竖直卡槽（4-4-1）配合实现探针（4-1）的定位。
7.根据权利要求1或2所述的基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置，其特征在于探针夹（4-4）一侧开有第二传送螺纹孔（4-4-3），并通过第二传送螺纹孔（4-4-3）在真空舱室中传送。
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