CN109917156A - 一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其包括：顶盖、薄环体、底座、销钉和弹簧片，底座固定于原子力显微镜置物台，多片薄环体与底座固定连接，顶盖与薄环体、底座形状配合，通过转动顶盖带动样品自由旋转，弹簧片依次拨过不同的凸齿，实现精确的小角度的转动，销钉、弹簧提供定位的辅助功能；该装置能够适用于原子力显微镜狭小低矮的样品放置空间，在尺寸、重量严格受限的情况下，给样品提供一个额外的旋转角度标尺，并具有自锁功能，在不影响显微镜正常工作的前提下，增添原子力显微镜的功能，拓展它的运用场合与研究范围。

Description

一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置

技术领域

本发明涉及纳米科学与技术领域中的各向异性材料的测量及分析技术，涉及一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置。

背景技术

原子力显微镜是通过固定在微悬臂末端的针尖与样品表面发生接触，由针尖与样品间产生的原子间相互作用力引起微悬臂发生弯曲或扭转变形，再利用激光传感器对悬臂变形量进行测量，经过计算机进行信号处理后得到样品表面的微观形貌和力学特征。

同时，很多晶体材料具有各向异性，即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，导致其在不同方向的物理化学特性也不同。

目前，几乎所有的原子力显微镜的初始样品台都不能进行精确的角度转动。采用原子力显微镜对各向异性晶体材料的不同晶向进行测试分析时，若通过压电陶瓷控制样品台沿不同方向运动，由于不同运动方向与悬臂的相对位置不同，导致针尖及微悬臂的受力状况不同，微悬臂系统在不同轴向的伸缩、扭转弹性系数的差异使其变形不一致，会给测量结果带来较大误差。

基于上述现状，亟待开发一种微型旋转台，在对各向异性晶体材料进行测试分析时，通过旋转台转动来改变晶体方向，以此保证测试时不同晶向与微悬臂的相对位置关系相同，消除测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其能够在尺寸、重量严格受限的情况下，给样品提供一个额外的高精度、大范围的旋转角度标尺及小角度自锁固定，实现精确的小角度转动，减小因扭转的差异带来的变形，减小测量的误差。

本发明的实施例是这样实现的：

一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其包括：顶盖、薄环体、底座、销钉和弹簧片，底座固定于原子力显微镜置物台，薄环体呈环状且内侧设有均匀分布的多个相同的凸齿，多片薄环体重叠设置形成整体薄环体且位于顶盖和底座之间，顶盖、整体薄环体和底座的形状相配合且顶盖绕三者的中轴线旋转而带动样品转动，弹簧片设置于薄环体内侧并卡住顶盖以保持顶盖转过的角度，底座设置有在内部相通的深盲孔和侧孔，顶盖的底部卡入深盲孔内且与底座相互匹配，销钉通过侧孔卡住顶盖底部；旋转样品时，通过旋转顶盖，弹簧片在凸齿之间依次拨过，而进行样品的小角度旋转；拆装样品台装置时，通过销钉的旋紧和拧开，进行样品台装置的组装和拆卸。

在本发明较佳的实施例中，上述薄环体设为n片且形状与结构相同，凸齿的截面呈近似三角形，凸齿为三棱柱结构，凸齿的齿顶和齿底设置为圆角，薄环体的环外侧面刻有用于帮助定位的n条等距的刻线。

在本发明较佳的实施例中，上述凸齿的数量为k，凸齿的齿底宽占薄环体的圆周角度为i°，相邻刻线占薄环体的圆周角度为(n+1)*i°，则存在数值关系：

n*k*i＝360

其中，i为设计旋转精度，即凸齿的齿底宽占薄环体的圆周角度，n、k为整数。

在本发明较佳的实施例中，上述相邻薄环体的凸齿依次错开一条刻线并重叠为整体薄环体，刻线在整体薄环体外侧连成2n-1条，多片薄环体的凸齿之间无重合部分且完整划分薄环体的圆周。

在本发明较佳的实施例中，上述顶盖、整体薄环体和底座组装后，旋转样品台装置的高度≤20mm，直径≤40mm，质量≤100g。

在本发明较佳的实施例中，上述底座包括上凸台、下凸台和用于与原子力显微镜的安装螺孔配合固定的螺纹柱，上凸台连接下凸台顶部，上凸台的边缘形成连接薄环体的凸起，螺纹柱连接在下凸台底部，深盲孔贯穿上凸台并延伸至至下凸台内，侧孔设置在下凸台的侧面。

在本发明较佳的实施例中，上述顶盖包括呈伞形的伞体和柄体，伞体顶面沿边缘标注有角度分度线，柄体的中上部设有沿竖向的用于插入弹簧片的窄槽，柄体的中下部设有呈圆弧状的截面收窄段。

在本发明较佳的实施例中，上述销钉为中段较两端粗的结构，销钉的中段设有螺纹并与下凸台的侧孔相匹配，销钉的内端的端面设置为外凸的弧形面并卡入柄体的截面收窄段，销钉的外端的端面向内凹设有用于旋转销钉的凹槽。

在本发明较佳的实施例中，上述弹簧片为长方形薄片状，弹簧片的外侧设有与凸齿相配合的圆角，弹簧片的内侧卡入柄体的窄槽内，弹簧片中部开设用于减小其弹性系数的通槽。

在本发明较佳的实施例中，上述上凸台的凸起与薄环体形状相配合且固定连接，伞体的边缘向下凸起并与薄环体的顶部相配合，柄体与上凸台的深盲孔为轴孔配合；通过侧孔将销钉的中段与侧孔旋紧时，销钉的内端正好卡入柄体的截面收窄段，进行轴向固定；弹簧片的两端分别卡在凸齿之间和柄体的窄槽内，进行周向固定。

本发明的有益效果是：

本发明通过多片薄环体形成等距分隔的卡紧弹簧片的内侧凸齿结构，通过转动顶盖，弹簧片依次拨过不同的凸齿，实现精确的小角度的转动，通过销钉卡紧顶盖和弹簧片卡在凸齿间进行辅助定位；该装置能够改变晶体方向，实现精确的小角度转动，在测试时保证原子力显微镜微悬臂与不同晶体方向的相同位置关系，减小因扭转方向的差异带来的变形差异，减小了测量的误差；该装置能够适用于原子力显微镜狭小低矮的样品放置空间，在尺寸、重量严格受限的情况下，尽可能给样品提供一个额外的高精度、大范围的旋转角度标尺，并具有自锁功能，其能够在不影响显微镜正常工作的前提下，增添原子力显微镜的功能，拓展它的运用场合与研究范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明基于原子力显微镜的旋转样品台装置的纵剖面示意图；

图2为本发明基于原子力显微镜的旋转样品台装置的立体示意图；

图3为本发明基于原子力显微镜的旋转样品台装置的立体示意图；

图4为本发明底座和弹簧片的立体示意图；

图5为本发明薄环体的立体示意图；

图6为本发明顶盖的立体示意图；

图标：1-底座；11-上凸台；12-下凸台；13-螺纹柱；2-薄环体；21-环体；22-凸齿；3-顶盖；31-伞体；32-柄体；4-销钉；5-弹簧片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1、图2和图3，本实施例提供一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其包括：底座1、薄环体2、顶盖3、销钉4和弹簧片5，顶盖3、薄环体2和底座1的形状相配合，且顶盖3绕三者的中轴线旋转而带动样品转动，其以统一标准加工多片薄环体2，薄环体2的内侧加工有多个均匀分布的凸齿22，多片薄环体2依次错开角度叠置成一整体，使不同薄环体2内的凸齿22能够完整划分圆周，整体薄环体的底面与底座1的上凸台11的边缘凸起配合，并以焊接的方式固定连接，底座1的下凸台12连接有螺纹柱13，用于与原子力显微镜原有的安装螺孔配合固定，底座1的上凸台11和下凸台12的中心处设有一深盲孔，其与下凸台12侧面的侧孔相通，顶盖3为伞形，其顶部表面标注角度分度线，伞体31底部边缘的凸起与整体薄环体的顶部表面相配合，柄体32的中下段有一收窄部分，柄体32与底座1的深盲孔之间轴孔配合，从侧孔旋入带螺纹的销钉4，依靠销钉4凸出的半球状内端，抵住柄体32的收窄段，实现旋转台工作状态下的z轴固定，弹簧片5的一端插入柄体32的窄槽中，其另一端卡入凸齿22的间隙；在需要旋转样品时，旋转顶盖3，弹簧片5随之在凸齿22间依次拨过，实现了样品的小角度旋转，在原子力显微镜工作时，旋转样品台装置依靠凸齿22限制及弹簧片5的弹性实现自锁，从而增加旋转台的稳定性，避免样品的位移。

本发明选用日立(HITACHI)公司生产的E-sweep(Hardware)-37型原子力显微镜，经查阅显微镜产品说明书并实际测量，该型原子力显微镜可利用置物空间直径为40mm，高为20mm，综合考虑其工作移动半径(±5mm)及安全余裕，选定旋转样品台装置的直径为25mm，总体高度不超过15mm，即顶盖3、薄环体2和底座1的直径分别为25mm，顶盖3与底座1连接后高度等于15mm，组装后，旋转样品台装置的总重量为100g，旋转样品台装置的旋转精度选为5°，综合考虑薄齿片厚度与切割齿形的加工精度，选定n＝4，k＝18。

请参照图4，底座1固定于原子力显微镜置物台，底座1包括上凸台11、下凸台12和用于与原子力显微镜的安装螺孔配合固定的螺纹柱13，上凸台11呈圆盘状，上凸台11的顶部边缘处向顶部凸设有凸起，其用于连接薄环体2的底部，上凸台11的的外侧与薄环体2的外侧形状相同、大小相等，使得底座1与薄环体2的形状相互匹配且外侧形成平滑面，上凸台11连接在下凸台12顶部，下凸台12呈圆柱体状，下凸台12的侧面开设有从外侧连通至内部的侧孔，该侧孔具有内螺纹，侧孔与销钉4的中段相匹配，螺纹柱13连接在下凸台12的底部中心位置，螺纹柱13的侧面设置有螺纹，该螺纹柱13采用M3螺纹柱13，M3螺纹柱13用于与原子力显微镜原有的M3安装螺孔配合固定，上凸台11设有贯穿至下凸台12内的深盲孔，深盲孔与下凸台12开设的的侧孔相通，侧孔设置为内螺纹孔，该侧孔为M2.5螺纹孔，上凸台11、下凸台12和螺纹柱13之间为加工一体成型。

请参照图5，薄环体2包括环体21和连接在环体21内侧的凸齿22，4片薄环重叠设置且位于顶盖3和底座1之间，4片薄环体2形状相同且结构相同，环体21呈环状且内侧凸设有均匀分布的18个相同的凸齿22，凸齿22的齿底宽所占的圆周角度为5°，凸齿22的截面呈近似三角形，凸齿22为三棱柱结构，凸齿22的齿顶和齿底设置圆角，圆角的设置使得凸齿22的尖角处呈平滑弧形，凸齿22之间的相接部分为平滑弧形，环体21的环外侧面刻有用于标注刻度的4条等距的刻线，相邻刻线占圆周的角度为25°。

凸齿22的数量为k，凸齿22的齿底宽占环体21的圆周角度为5°，相邻刻线占环体21的圆周角度为(n+1)*i＝25°，则存在数值关系：

n*k*i＝360

其中，i为设计旋转精度，即凸齿22的齿底宽占环体21的圆周角度，i＝5、n＝4、k＝18。

相邻层薄环体2的凸齿22依次错开一条刻线并重叠设置，使得刻线在整体薄环体的外侧连成7条，相邻层薄环体2的刻线连接形成不同长度的7条，多片薄环体2的凸齿22之间无重合部分且完整划分环体21，多片薄环体2重叠后固定成一整体，其中，凸齿22与环体21之间为一体成型，相邻薄环体2之间为焊接，整体薄环体的环体21焊接后形成固定的结构。

请参照图6，顶盖3包括连接呈伞形的伞体31和柄体32，伞体31和柄体32之间为一体成型，伞体31的顶面沿边缘标注有角度分度线，柄体32的中上部设有沿竖向的用于插入弹簧片5的窄槽，柄体32的中下部设有呈圆弧状的截面收窄段，该收窄段为柄体32的侧面向内凹设形成，其正好将销钉4的内端凸出的弧形面相互卡紧，顶盖3的底部与底座1的顶部通过柄体32和上凸台11、下凸台12之间的轴孔配合相互匹配卡住，柄体32插入深盲孔后，销钉4的内端通过侧孔卡入柄体32的收窄段将柄体32卡紧在深盲孔内。

请参照图4，弹簧片5设置于薄环体2内侧并卡住柄体32以保持薄环体2与顶盖3之间的距离，弹簧片5为长方形薄片状，弹簧片5的外侧设有与凸齿22相配合的圆角，弹簧片5中部开设用于减小其弹性系数的通槽，该通槽的形状为矩形，其大小小于弹簧片5的外侧，通槽的设置使得弹簧片5呈矩形环状，弹簧片5的外侧卡在不同层薄环体2的凸齿22之间，弹簧片5的内侧插入并卡在柄体32的窄槽内，弹簧片5的材料选择为65Mn弹簧钢，经ANSYS仿真校验后满足强度要求。

请参照图1和图3，销钉4通过底座1设置的侧孔卡住顶盖3底部，销钉4为中段较两端粗的结构，销钉4的中段设有M2.5的外螺纹，并与下凸台12的侧孔相匹配，销钉4的内端的端面设置为外凸的弧形面并卡入柄体32的截面收窄段，销钉4的外端的端面向内凹设有用于旋转销钉4的凹槽，该凹槽呈一字形，使用时，通过使用工具卡住销钉4的外端进行旋转，转动使得销钉4的中段将销钉4与下凸台12的侧孔旋紧，此时，销钉4的内端卡紧柄体32，。

本发明实例的工作原理为：

上凸台11的凸起与薄环体2形状相配合且固定连接，伞体31的边缘向下凸起并与薄环体2的顶部相配合，柄体32与上凸台11的深盲孔为轴孔配合；通过侧孔将销钉4的中段与侧孔旋紧时，销钉4的内端正好卡入柄体32的截面收窄段，进行轴向固定；弹簧片5的两端分别卡在凸齿22之间和柄体32的窄槽内，进行周向固定；旋转样品时，通过旋转顶盖3，弹簧片5在凸齿22之间依次拨过，而进行样品的小角度旋转；拆装样品台装置时，通过销钉4的旋紧和拧开，进行样品台装置的组装和拆卸。

综上所述，本发明实例通过多片薄环体形成等距分隔的卡紧弹簧片的内侧凸齿结构，通过转动顶盖，弹簧片依次拨过不同的凸齿，实现精确的小角度的转动，通过销钉卡紧顶盖和弹簧片卡在凸齿间进行辅助定位；该装置能够改变晶体方向，实现精确的小角度转动，在测试时保证原子力显微镜微悬臂与不同晶体方向的相同位置关系，减小因扭转方向的差异带来的变形差异，减小了测量的误差。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，包括：顶盖、薄环体、底座、销钉和弹簧片，所述底座固定于原子力显微镜置物台，所述薄环体呈环状且内侧设有均匀分布的多个相同的凸齿，多片所述薄环体重叠设置形成整体薄环体且位于顶盖和底座之间，所述顶盖、整体薄环体和底座的形状相配合且顶盖绕三者的中轴线旋转而带动样品转动，所述弹簧片设置于薄环体内侧并卡住顶盖以保持顶盖转过的角度，所述底座设置有在内部相通的深盲孔和侧孔，所述顶盖的底部卡入深盲孔内且与底座相互匹配，销钉通过侧孔卡住顶盖底部；旋转样品时，通过旋转顶盖，弹簧片在凸齿之间依次拨过，而进行样品的小角度旋转；拆装样品台装置时，通过销钉的旋紧和拧开，进行样品台装置的组装和拆卸。

2.根据权利要求1所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述薄环体设为n片且形状与结构相同，所述凸齿的截面呈近似三角形，凸齿为三棱柱结构，凸齿的齿顶和齿底设置为圆角，所述薄环体的环外侧面刻有用于帮助定位的n条等距的刻线。

3.根据权利要求2所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述凸齿的数量为k，所述凸齿的齿底宽占薄环体的圆周角度为i°，相邻刻线占薄环体的圆周角度为(n+1)*i°，则存在数值关系：

n*k*i＝360

其中，i为设计旋转精度，即凸齿的齿底宽占薄环体的圆周角度，n、k为整数。

4.根据权利要求3所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，相邻薄环体的凸齿依次错开一条刻线并重叠为整体薄环体，刻线在整体薄环体外侧连成2n-1条，多片薄环体的凸齿之间无重合部分且完整划分薄环体的圆周。

5.根据权利要求4所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述顶盖、整体薄环体和底座组装后，旋转样品台装置的高度≤20mm，直径≤40mm，质量≤100g。

6.根据权利要求1所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述底座包括上凸台、下凸台和用于与原子力显微镜的安装螺孔配合固定的螺纹柱，所述上凸台连接下凸台顶部，所述上凸台的边缘形成连接薄环体的凸起，所述螺纹柱连接在下凸台底部，深盲孔贯穿上凸台并延伸至至下凸台内，侧孔设置在下凸台的侧面。

7.根据权利要求6所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述顶盖包括呈伞形的伞体和柄体，伞体顶面沿边缘标注有角度分度线，所述柄体的中上部设有沿竖向的用于插入弹簧片的窄槽，所述柄体的中下部设有呈圆弧状的截面收窄段。

8.根据权利要求7所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述销钉为中段较两端粗的结构，所述销钉的中段设有螺纹并与下凸台的侧孔相匹配，所述销钉的内端的端面设置为外凸的弧形面并卡入柄体的截面收窄段，所述销钉的外端的端面向内凹设有用于旋转销钉的凹槽。

9.根据权利要求8所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述弹簧片为长方形薄片状，所述弹簧片的外侧设有与凸齿相配合的圆角，所述弹簧片的内侧卡入柄体的窄槽内，所述弹簧片中部开设用于减小其弹性系数的通槽。

10.根据权利要求9所述的一种基于原子力显微镜的旋转样品台装置，其特征在于，所述上凸台的凸起与薄环体形状相配合且固定连接，伞体的边缘向下凸起并与薄环体的顶部相配合，柄体与上凸台的深盲孔为轴孔配合；通过侧孔将销钉的中段与侧孔旋紧时，所述销钉的内端正好卡入柄体的截面收窄段，进行轴向固定；弹簧片的两端分别卡在凸齿之间和柄体的窄槽内，进行周向固定。