CN109406829B - 扫描探针显微镜的扫描头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种扫描探针显微镜的扫描头，所述扫描头包括：扫描头框架，其具有相对设置的第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部分别限定了第一容纳空间和第二容纳空间；位于所述第一容纳空间中的样品台；位于所述第二容纳空间中的扫描模块；以及固定在所述扫描头框架的第二端部的多个固定电极。本发明的扫描头的信号线在操作过程中不会脱落或扯断。另外扫描头允许激光入射到其扫描探针上，使得扫描探针能够与激光进行耦合，应用范围广。本发明的扫描头采用模块化设计，结构紧凑，节省了制造成本和维修成本。

Description

扫描探针显微镜的扫描头
技术领域
本发明涉及扫描探针显微镜领域，具体涉及一种扫描探针显微镜的扫描头。
背景技术
扫描探针显微镜(SPM)是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(例如原子力显微镜AFM，激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等)的统称，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。
扫描探针显微镜作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势。首先，扫描探针显微镜具有极高的分辨率,可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。其次，扫描探针显微镜得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像，而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。再者，扫描探针显微镜的使用环境宽松，既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此扫描探针显微镜适用于各种工作环境下的科学实验。
然而，商业化的扫描头都采用了将信号线裸露在扫描头外部的设计方式。由于扫描头的信号线非常纤细且焊点较小，因此安装和操作扫描头的时候需要非常小心，并且很容易扯断信号线，维修困难。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种扫描探针显微镜的扫描头，包括：
扫描头框架，其具有相对设置的第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部分别限定了第一容纳空间和第二容纳空间；
位于所述第一容纳空间中的样品台；
位于所述第二容纳空间中的扫描模块；以及
固定在所述扫描头框架的第二端部的多个固定电极。
优选的，所述扫描头包括连接在所述扫描模块的输出端子和所述多个固定电极之间的弯曲状的导线。
优选的，所述导线呈螺旋状。
优选的，所述扫描头还包括固定在所述扫描头框架的第二端部的端面上的电极限位件，所述电极限位件具有供所述多个固定电极穿过的多个限位孔。
优选的，所述扫描头框架的侧壁上具有相对设置的进光口和出光口。
优选的，所述扫描头框架的侧壁上具有进样口，所述进样口位于所述进光口和出光口之间。
优选的，所述扫描头还包括位于所述第二容纳空间中的潘氏步进电机，所述潘氏步进电机具有调节旋钮，所述扫描头框架的侧壁具有供所述潘氏步进电机的调节旋钮伸出的操作通孔。
优选的，所述操作通孔与所述进样口位于所述扫描头框架的同一侧壁上。
优选的，所述潘氏步进电机用于驱动所述扫描模块朝向所述样品台的位移量小于所述导线的最大拉伸长度。
优选的，所述样品台包括：
用于夹持样品片的可移动样品夹具；
用于驱动所述可移动样品夹具在平面内运动的驱动装置；
与所述驱动装置连接的固定件，所述固定件被固定至所述扫描头框架的第二端部；以及
固定在所述固定件上的三个引出电极。
优选的，所述扫描头框架一体成型。
本发明的扫描头的信号线在操作过程中不会脱落或扯断。另外扫描头允许激光入射到其扫描探针上，使得扫描探针能够与激光进行耦合，应用范围广。本发明的扫描头采用模块化设计，结构紧凑，节省了制造成本和维修成本。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是根据本发明较佳实施例的扫描头的立体示意图。
图2是图1所示的扫描头的立体分解图。
图3是图1所示的扫描头的平面分解图。
图4是从图1中的箭头A所指的方向看的立体示意图。
图5是图1所述的扫描头中的扫描探针与激光耦合的平面示意图。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图1是根据本发明较佳实施例的扫描头的立体示意图。如图1所示，扫描头1包括大体呈柱状的扫描头框架11，位于扫描头框架11内部的样品台12、扫描模块13和潘氏步进电机(图1未示出)，以及固定在扫描头框架11端部的电极固定座14。
图2是图1所示的扫描头的立体分解图，图3是图1所示的扫描头的平面分解图。如图2和3所示，一体成型的扫描头框架11大体为长方形，并呈筒状，其具有轴线L。扫描头框架11的环形侧壁上具有相对设置的进光口115和出光口116，以及位于进光口115和出光口116之间的进样口117。扫描头框架11具有相对设置的端部111、112，扫描头框架11的端部111限定了用于容纳样品台12并与样品台12的形状相适配的容纳空间113。扫描头框架11的另一端部112限定了用于容纳商业可用的潘氏步进电机(图2-3仅示出了其调节旋钮171)和扫描模块13的容纳空间114。
样品台12包括依次布置的固定件121、精密驱动装置122和可移动样品夹具123。固定件121呈板状，可选用绝缘材料制成，例如聚四氟乙烯。被配置为接收高压驱动信号的引出电极151、152和153固定在固定件121上，且从固定件121伸出，引出电极151、152和153的延伸方向平行于轴线L。固定件121具有四个螺纹孔1211，四个螺纹孔1211分别与扫描头框架11的端部111的端面上的四个孔118相对齐，用于通过螺栓或螺钉(图2-3未示出)将样品台12固定在扫描头框架11上。
精密驱动装置122可选用商用的精密驱动装置，其核心部件包括相互垂直的两个压电陶瓷片(图2-3未示出)，其中一个压电陶瓷片的两个电极通过信号线分别电连接至引出电极151、153。另一个压电陶瓷片的两个电极通过信号线分别电连接至引出电极152、153。引出电极151、152和153在接收高压驱动信号后，基于逆压电效应可精确控制压电陶瓷片的形变量。两个压电陶瓷片的形变量都垂直于轴线L，从而可精确驱动可移动样品夹具123在垂直于轴线L的平面内移动。
如图3所示，可移动样品夹具123包括与两个压电陶瓷片联动的移动板1231，以及设置在移动板1231相对两端的L形折边1232。两个L形折边1232朝向彼此靠近的方向延伸，由此与移动板1231共同限定了一个板状的样品容纳空间1234，以便于容纳和承载样品片。
扫描模块13包括呈六棱柱状的壳体131、扫描管133和位于扫描管133端部的扫描探针132(参见图3)。扫描探针132可拆卸地安装在扫描管133的端部，当需要更换扫描探针132时，通过机械手(图2-3未示出)穿过进样口117后实现扫描探针132的更换。扫描管133的一部分位于壳体131的内部，且固定至壳体131。壳体131与潘氏步进电机的驱动部件连接，通过控制潘氏步进电机可以驱动扫描模块13沿着轴线L运动，从而精确控制扫描探针132与放置在可移动样品夹具123中的样品片的间距。潘氏步进电机的调节旋钮171从扫描头框架11的侧壁上的操作通孔119伸出，通过另一个机械手臂旋转调节旋钮171，即可改变用于驱动扫描模块13运动的驱动力的大小。
电极固定座14同样通过螺钉或螺栓固定在扫描头框架11的端部112的端面处。电极固定座14包括相对设置的两个电极限位件141、142，电极限位件141、142由绝缘材质制成，例如由聚四氟乙烯制成。电极限位件141、142分别具有供多个电极穿过的多个通孔，其中图2示出了电极限位件141上供五个固定电极161穿过的五个限位孔1411，五个固定电极161平行于端部112的端面。其中限位孔1411的孔径稍大于固定电极161的直径，使得五个固定电极161能够紧密嵌合在五个限位孔1411中，避免固定电极161从电极限位件141、142脱落。
图4是从图1中的箭头A所指的方向看到的立体示意图，图4是图1所示的扫描头颠倒方向后的立体示意图。如图4所示，扫描头1还包括多个(图4示出了六个)螺旋状的导线17。导线17的一端焊接在固定电极161上，另一端焊接在扫描模块13的输出端子上。导线17具有较小的弹性势能，适合于在较小的作用力下被拉伸。当潘氏驱动电电机驱动扫描模块13靠近可移动样品夹具123的运动过程中，扫描模块13会带动导线17一起运动并拉伸导线17，螺旋状的导线17的最大拉伸长度大于潘氏步进电机用于驱动扫描模块13朝向可移动样品夹具123的位移量，避免了导线17被扯断或从固定电极161上脱落。另外，固定电极161牢固地安装在电极限位件141上，外部电路的接线端子并不会直接接触导线17，从而无法对导线17施加作用力。
图5是图1所述的扫描头中的扫描探针与激光耦合的平面示意图。如图5所示，聚焦透镜181、182以轴线L为对称轴分布在扫描头框架11的进光口115和出光口116的两侧。为了简化视图，图5并未示出用于驱动聚焦透镜181、182的聚焦透镜驱动装置。
通过聚焦透镜驱动装置调节聚焦透镜181使其光轴与激光191的入射方向平行，将激光191汇聚到扫描探针132的针尖处以使得激光191与扫描探针132耦合。调节聚焦透镜182的位置，用于收集耦合之后的激光192。保持聚焦透镜181、182和扫描探针132的相对位置不变，施加高压驱动信号至引出电极151、152和153，以驱动可移动样品夹具123中的样品片在垂直于轴线L的平面内移动。以便在纳米尺度上分析材料或分子的光谱特性，进而研究材料或分子的能级分布情况等。由此实现了光学兼容，扩展了其应用范围。
在本发明的其它实施例中，导线17是漩涡状、波浪形等弯曲状。
进样口117和操作通孔119位于扫描头框架的同一侧壁上，可以方便地将多个机械手臂布置在扫描头框架的同一侧上，便于操作。
本发明的扫描头框架11采用一体成型的框架式结构，结构紧凑、占用体积小。
本发明的扫描头框架11、样品台12和扫描模块13可以单独地制造，组装和拆卸都非常方便，降低维修时间和成本。
本发明的潘氏步进电机的调节旋钮171从扫描头框架11伸出，由此可以方便调节用于驱动扫描模块13的驱动力。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述扫描头包括：
扫描头框架，其具有轴线、相对设置的第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部分别限定了第一容纳空间和第二容纳空间；
位于所述第一容纳空间中的样品台；
位于所述第二容纳空间中的扫描模块，所述扫描模块被驱动沿着所述扫描头框架的所述轴线运动；以及
固定在所述扫描头框架的第二端部的多个固定电极；
其中，所述样品台包括：
用于夹持样品片的可移动样品夹具；
用于驱动所述可移动样品夹具在平面内运动的驱动装置；
与所述驱动装置连接的固定件，所述固定件被固定至所述扫描头框架的第一端部；以及
固定在所述固定件上的三个引出电极，所述三个引出电极电连接至所述驱动装置。
2.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述扫描头包括连接在所述扫描模块的输出端子和所述多个固定电极之间的弯曲状的导线。
3.根据权利要求2所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述导线呈螺旋状。
4.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述扫描头还包括固定在所述扫描头框架的第二端部的端面上的电极限位件，所述电极限位件具有供所述多个固定电极穿过的多个限位孔。
5.根据权利要求2至3中任一项所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述扫描头框架的侧壁上具有相对设置的进光口和出光口。
6.根据权利要求5所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述扫描头框架的侧壁上具有进样口，所述进样口位于所述进光口和出光口之间。
7.根据权利要求6所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述扫描头还包括位于所述第二容纳空间中的潘氏步进电机，所述潘氏步进电机具有调节旋钮，所述扫描头框架的侧壁具有供所述潘氏步进电机的调节旋钮伸出的操作通孔。
8.根据权利要求7所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述操作通孔与所述进样口位于所述扫描头框架的同一侧壁上。
9.根据权利要求7所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述潘氏步进电机用于驱动所述扫描模块朝向所述样品台的位移量小于所述导线的最大拉伸长度。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针显微镜的扫描头，其特征在于，所述扫描头框架一体成型。
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