CN109839518A - 一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，包括微力产生装置、探针及其固定装置和位移测距装置；所述微力产生装置包括永磁铁，所述永磁铁固接在Z向微动平台的动平台底面上，所述永磁铁采用电磁场驱动；所述固定装置包括夹持器和XYZ三自由度平台，所述夹持器固定在XYZ三自由度平台上，所述探针固定在夹持器上；所述位移测距装置固装在所述动平台上方，用于测量所述Z向微动平台的输出位移；所述微力产生装置、所述Z向微动平台和所述位移测距装置同轴设置，标定时，所述探针的针尖压置在所述动平台的中心处。采用本发明能够对原子力显微镜微悬臂的弹性系数进行精确标定。
Description
技术领域
本发明涉及一种原子力显微镜微悬臂探针，特别是涉及一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置。
背景技术
随着科技的发展，原子力显微镜的应用日益广泛，其原理是利用微悬臂的形变来测量针尖与受测样品表面之间的作用力，达到测量检测的目的，具有原子级的分辨率。原子力显微镜的核心构件微悬臂是样品表面力学性能检测、纳米量级刻蚀加工制造的重要工具，是连接宏观和微观的重要枢纽。近年来，凭借原子力显微镜可以测量和提供纳牛甚至皮牛量级作用力，在纳米力学和生物力学等领域受到了越来越多的重视。其中，微悬臂可以当作微小力的施力单元，又可以作为微力传感器，进行高精度力值测量。微悬臂与样品间的作用力可以通过微悬臂的弯曲变形量乘以其弹性系数获得。因此，在进行高精度微纳尺度力学测量时，必须标定微悬臂的弹性系数。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，包括微力产生装置、探针及其固定装置和位移测距装置；所述微力产生装置包括永磁铁，所述永磁铁固接在Z向微动平台的动平台底面上，所述永磁铁采用电磁场驱动；所述固定装置包括夹持器和XYZ三自由度平台，所述夹持器固定在XYZ三自由度平台上，所述探针固定在夹持器上；所述位移测距装置固装在所述动平台上方，用于测量所述Z向微动平台的输出位移；所述微力产生装置、所述Z向微动平台和所述位移测距装置同轴设置，标定时，所述探针的针尖压置在所述动平台的中心处。
所述Z向微动平台采用微米级薄片结构，设有环状定平台，在所述定平台内形成有动平台，所述动平台通过三个沿周向均匀布置的平行铰链与所述定平台连接。
所述电磁场是由一个螺旋线圈通电产生的。
所述螺旋线圈缠绕在绕线轮上，在所述螺旋线圈顶部设置有所述永磁铁，在所述绕线轮的顶部固接有所述Z向微动平台。
所述位移测距装置为激光位移测距传感器。
所述绕线轮为工字轮，所述工字轮固定在底座上。
在所述定平台的上面设有压盖，所述压盖和所述定平台采用沉头螺栓固定在所述绕线轮的顶部。
所述永磁铁采用圆柱形结构。
本发明具有的优点和积极效果是：采用高精度的电磁微力产生装置，通过对圈数已知的螺旋线圈，以及控制输入电流值，即可计算得到电磁微力值，电磁微力与输入的电流呈线性关系，所以可通过电磁微力产生装置对微悬臂探针连续施加作用力；探针夹持器与三自由度平台相连接，能够实现对探针的微位移控制；通过激光位移测距传感器可测得Z向平台精确的位移值；因此采用本发明可获得精确的电磁微力值和精确的探针微悬臂弯曲变形量，通过计算即可精确地标定出显微镜微悬臂的弹性系数。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的微力产生装置结构示意图；
图3为本发明的Z向微动平台结构示意图。
图中：1、激光位移测距传感器；2、探针；3、夹持器；4-1、动平台；4-2、平行铰链；4-3、定平台；5、永磁铁；6、螺旋线圈；7、绕线轮；8、底座；9、压盖。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图3，一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，包括微力产生装置、探针2及其固定装置和位移测距装置。
所述微力产生装置包括永磁铁5，所述永磁铁5固接在Z向微动平台的动平台4-1的底面上，所述永磁铁5采用电磁场驱动。
所述固定装置包括夹持器3和XYZ三自由度平台(图中未示出)，所述夹持器3固定在XYZ三自由度平台上，所述探针2固定在夹持器3上，所述探针2的倾角与其工作倾角相同。
所述位移测距装置固装在所述动平台4-1上方，用于测量所述Z向微动平台4的输出位移。
所述微力产生装置、所述Z向微动平台4和所述位移测距装置同轴设置，标定时，所述探针2的针尖压置在所述动平台4-1的中心处。
在本实施例中，为了更加准确地获得微悬臂的变形量，所述Z向微动平台采用微米级薄片结构，设有环状定平台4-3，在所述定平台4-3内形成有所述动平台4-1，所述动平台4-1通过三个沿周向均匀布置的平行铰链4-2与所述定平台4-3连接。所述Z向微动平台采用铜铍合金材料，采用刻蚀方法加工。
在本实施例中，所述电磁场是由一个螺旋线圈6通电产生的，结构简单便于实现。所述螺旋线圈6缠绕在绕线轮7上，在所述螺旋线圈6的顶部设置有所述永磁铁5，在所述绕线轮7的顶部固接有所述Z向微动平台。
所述位移测距装置采用激光位移测距传感器1，也可采用电容位移测距传感器。
在本实施例中，为了便于安装，所述绕线轮7为工字轮，所述工字轮7固定在底座8上。在所述定平台4-3上面设有压盖9，所述压盖9和所述定平台4-3采用沉头螺栓固定在所述绕线轮7的顶部。所述永磁铁5采用圆柱形结构。
采用本发明进行标定的步骤为：
一)首先采用位移测距装置测出其与Z向微动平台的动平台4-1的初始距离h0；
二)通过XYZ三自由度平台调整探针2的位置，使探针2的针尖压置在Z向微动平台的动平台4-1的中心处，采用位移传感器测出其与Z向微动平台的动平台的距离h1；
三)使XYZ三自由度平台产生向下的Z向位移z，带动探针的针尖下压Z向微动平台的动平台4-1，采用位移测距装置测出其与Z向微动平台的动平台4-1的距离h2，z为原子力显微镜微悬臂的变形量。
四)给螺旋线圈6通电，使其产生电磁场驱动永磁铁5上移，并控制永磁铁5的上移距离为h2-h1，即位移测距装置测出其与Z向微动平台的动平台的距离为h1。
五)通过线圈参数、通电参数和永磁体参数获得电磁场输出给永磁铁的微力值F，F为Z向微动平台作用在原子力显微镜微悬臂上面的电磁微力，计算F/z＝k，k为原子力显微镜微悬臂弹性系数。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，包括微力产生装置、探针及其固定装置和位移测距装置；
所述微力产生装置包括永磁铁，所述永磁铁固接在Z向微动平台的动平台底面上，所述永磁铁采用电磁场驱动；
所述固定装置包括夹持器和XYZ三自由度平台，所述夹持器固定在XYZ三自由度平台上，所述探针固定在夹持器上；
所述位移测距装置固装在所述动平台上方，用于测量所述Z向微动平台的输出位移；
所述微力产生装置、所述Z向微动平台和所述位移测距装置同轴设置，标定时，所述探针的针尖压置在所述动平台的中心处。
2.根据权利要求1所述的原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，所述Z向微动平台采用微米级薄片结构，设有环状定平台，在所述定平台内形成有动平台，所述动平台通过三个沿周向均匀布置的平行铰链与所述定平台连接。
3.根据权利要求2所述的原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，所述电磁场是由一个螺旋线圈通电产生的。
4.根据权利要求3所述的原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，所述螺旋线圈缠绕在绕线轮上，在所述螺旋线圈顶部设置有所述永磁铁，在所述绕线轮的顶部固接有所述Z向微动平台。
5.根据权利要求1所述的原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，所述位移测距装置为激光位移测距传感器。
6.根据权利要求4所述的原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，所述绕线轮为工字轮，所述工字轮固定在底座上。
7.根据权利要求4所述的原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，在所述定平台的上面设有压盖，所述压盖和所述定平台采用沉头螺栓固定在所述绕线轮的顶部。
8.根据权利要求1所述的原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于，所述永磁铁采用圆柱形结构。
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