CN110967524A - 一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，包括：探针夹持器和换针装置，探针夹持器能够吸附在原子力显微镜上或固装在换针装置上，探针夹持器包括：探针夹持器主结构和压电陶瓷片，在探针夹持器主结构的上表面上形成一凹槽，压电陶瓷片的一个极板与凹槽的槽底固装，在压电陶瓷片的另一个极板上固装有一探针基座，在探针基座的顶面上形成一探针安装槽；在探针夹持器主结构的顶面上安装一簧片；换针装置包括：底板、升降台和顶板，升降台位于顶板和底板之间，升降台的顶端固装有竖直设置的触针；本发明降低更换探针的难度，同时提高了探针夹持器的通用性，使其能方便地集成到各种结构的原子力显微镜中，实现常用的扫描模式和功能。

Description

一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置

技术领域

本发明属于显微设备技术领域，具体来说涉及一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置。

背景技术

1986年Binning、Quate和Gerber发明了原子力显微镜(AFM)。原子力显微镜被称为是继光学显微镜和电子显微镜之后的第三代显微镜，是研究材料微米级甚至原子级表面特征的最常用工具。原子力显微镜具有空间分辨率高、不受样品导电性限制、支持在大气与液相环境中观测样品等优点,目前已被广泛应用于半导体工业、新材料、生命科学等领域。

原子力显微镜一般包括悬臂梁探针、检测光路、压电陶瓷扫描器、数据处理及反馈控制电路等硬件单元，通过控制并检测样品与悬臂梁探针针尖间的相互作用力来实现高分辨成像。工作时，探针靠近样品表面并相对于样品做XY平面内的二维扫描运动，针尖与样品之间的作用力会使微悬臂发生形变,这些形变可通过检测光路获取,反馈控制电路不断调整压电陶瓷扫描器在Z方向的伸缩量，维持针尖与样品的作用力不变。因此，记录下Z向压电陶瓷扫描器在XY平面内各点处的伸缩量即可得到样品的表面形貌。

悬臂梁探针是力敏感元件，是原子力显微镜的核心部件。悬臂梁探针的一端带有一个对微弱力极敏感微悬臂，其上载有探针，探针尖端的曲率半径在纳米量级。探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率。探针使用一段时间后会磨损或者被样品污染，不再满足实验要求，此外不同的测量参数也需要选用不同类型的探针，所以实验中会经常更换探针。为了方便的更换探针，人们研制了各种探针夹持器。根据其固定探针的方式可分为两大类：一、使用双面胶或者胶水等直接将探针粘在夹持器的探针槽内；二、使用簧片等将探针压在夹持器的探针槽内。其中，第一类方法设计的夹持器结构简单、紧凑，安放探针时也比较容易，但是拆卸探针时要克服胶的粘连，有时还需要特殊处理(加热、丙酮等有机溶剂浸泡等)，导致拆卸困难，操作复杂，容易对探针造成损伤。第二类方法设计的夹持器结构比第一类要复杂，但是探针拆卸较为方便，因此大多数商用原子力显微镜都采用这类夹持器。有两种方案比较流行：

1、第一种流行的探针夹持器的结构如图1所示，使用第一簧片1-2将第一悬臂梁探针1-1压在第一夹持器主结构1-5中的探针槽内，第一簧片1-2的两端分别用第一螺丝1-3和第二螺丝1-4固定。安装探针时，只需松开两颗螺丝，将探针小心地插入探针槽内，然后再拧紧螺丝即可，拆卸探针的过程与安装过程相反。这个方案中使用的夹持器结构紧凑，探针安装牢固。为保证探针针尖处在最低点，只能选用头部非常扁平的小螺丝(例如M1-M1.6的螺丝)，换针时每次都要拧动两颗小螺丝，给操作人员带来了比较大的麻烦。

2、第二种流行的探针夹持器的结构如图2所示，第二簧片2-2通过第三螺丝2-3固定在第二夹持器主结构2-5上，一端被弹簧2-4顶起，另一端将第二悬臂梁探针2-1压在探针槽内。安装探针时，轻轻按压第二簧片远离第二悬臂梁探针的尾端，第二簧片的首端就会微微翘起，将第二悬臂梁探针插入探针槽内，然后松手，第二簧片就会在弹簧的作用下将第二悬臂梁探针压紧。拆卸第二悬臂梁探针时，再次按压第二簧片的尾端，将第二悬臂梁探针抽出即可。该方案中使用的夹持器使用方便，第二悬臂梁探针夹持牢固，但是结构较为复杂，制作成本高，更换探针时需要操作人员一只手按压弹簧，另一只手装卸探针，对操作人员的熟练程度要求高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其降低更换探针的难度，同时提高了探针夹持器的通用性，使其能方便地集成到各种结构的原子力显微镜中，实现常用的扫描模式和功能。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，包括：探针夹持器和固定在操作台上的换针装置，所述探针夹持器能够吸附在原子力显微镜上或固装在所述换针装置上，其中，

所述探针夹持器包括：探针夹持器主结构和压电陶瓷片，在所述探针夹持器主结构的上表面上形成一凹槽，所述凹槽的前侧面和顶面均为敞口，所述压电陶瓷片的一个极板与所述凹槽的槽底固装，在所述压电陶瓷片的另一个极板上固装有一探针基座，在所述探针基座的顶面上形成一前侧面和顶面均敞口的探针安装槽；在所述探针夹持器主结构的顶面上安装一簧片，其中，所述簧片的一端与位于凹槽后方的探针夹持器主结构的顶面固装，另一端用于将探针的后端向下压紧至所述探针安装槽底，所述探针的前端从所述探针安装槽和凹槽的前侧面伸出；在位于所述凹槽后方且位于所述簧片下方的探针夹持器主结构上形成一第一通孔；

所述换针装置包括：底板、升降台和顶板，所述顶板通过多根立柱固装在所述底板的正上方，所述升降台位于顶板和底板之间且该升降台的底端与所述底板固装，所述升降台的顶端固装有竖直设置的触针，在所述顶板上形成一第二通孔，当所述探针夹持器固装在所述换针装置上时,所述升降台的顶端升高后触针依次穿过第二通孔和第一通孔并向上顶起所述簧片，所述升降台的顶端下降后触针缩回至第一通孔内；

在所述探针夹持器主结构上形成至少2个第三通孔，所述顶板的上表面在与每一个所述第三通孔相对的位置安装有一滚花螺丝，用于将所述探针夹持器固装在所述换针装置上。

在上述技术方案中，在所述底板上形成有多个沉孔，用于将所述换针装置与所述操作台固装。

在上述技术方案中，所述立柱的顶端与所述顶板的底面固装，所述立柱的底端与所述底板的顶面固装。

在上述技术方案中，在所述升降台的顶端固装有一触针安装座，所述触针的底端与所述触针安装座的顶面固装。

在上述技术方案中，在所述探针夹持器主结构上安装有多个磁铁，用于将该探针夹持器主结构吸附在原子力显微镜上。

在上述技术方案中，所述磁铁嵌装在所述探针夹持器主结构内。

在上述技术方案中，所述压电陶瓷片的两个极板各电连接一根电线，2根电线穿过所述探针夹持器主结构并与电源连接。

在上述技术方案中，在所述探针夹持器主结构上安装有把手。

在上述技术方案中，所述簧片通过一螺丝与位于凹槽后方的探针夹持器主结构的顶面固装。

在上述技术方案中，在所述簧片的下表面形成一限位槽，当触针向上顶起所述簧片时，所述触针的顶端进入该限位槽内。

上述原子力显微镜探针夹持器及其换针装置进行换针的方法，包括以下步骤：

步骤1，从原子力显微镜上取下探针夹持器，将探针夹持器的探针夹持器主结构的第三通孔穿过换针装置上的滚花螺丝，拧紧所述滚花螺丝，以使探针夹持器紧固在换针装置上；

步骤2，升高所述升降台的顶端，使触针依次穿过第二通孔和第一通孔并向上顶起所述簧片；

步骤3，将旧的探针从探针安装槽内取出，再将新的探针放入探针安装槽内；

步骤4，降低所述升降台的顶端，使触针的顶端穿回至第一通孔内，簧片的前端将新的探针的后端向下压紧至所述探针安装槽底。

本发明的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置的有益效果如下：

1.探针夹持器结构紧凑，可牢固的夹持探针。

2.探针夹持器配合换针装置使用，可方便地装卸探针，有效降低了操作难度。

3.探针夹持器使用磁铁吸附在原子力显微镜上，易于装卸和调整位置。

4.通用性强，可适用于上扫描、下扫描和混合扫描等多种结构的原子力显微镜，能实现常用的扫描模式(接触模式、轻敲模式、相位模式等)。

附图说明

图1为背景技术中第一种流行的探针夹持器示意图；

图2为背景技术中第二种流行的探针夹持器示意图；

图3a为本发明的探针夹持器的仰视图；

图3b为本发明的探针夹持器的俯视图；

图4为本发明换针装置的结构示意图；

图5为本发明原子力显微镜探针夹持器及其换针装置的结构示意图；

图6为本发明原子力显微镜探针夹持器及其换针装置的剖示图(图5中A-A面)。

其中，1-1：第一悬臂梁探针，1-2：第一簧片，1-3：第一螺丝，1-4：第二螺丝，1-5：第一夹持器主结构，2-1：第二悬臂梁探针，2-2：第二簧片，2-3：第三螺丝，2-4：弹簧，2-5：第二夹持器主结构，3：探针夹持器，3-1：探针，3-2：探针基座，3-3：压电陶瓷片，3-4：夹持器主结构，3-5：磁铁，3-6：把手，3-7：簧片，3-8：螺丝，3-9：凹槽，3-10：探针安装槽，3-11：第一通孔，3-12：第三通孔，4：换针装置，4-1：底板，4-2：立柱，4-3：升降台，4-4：触针安装座，4-5：顶板，4-6：触针，4-7：滚花螺丝，4-8：沉孔，4-9：微分头，4-10：第二通孔，6-1：镊子。

具体实施方式

本发明探针夹持器结构紧凑，通用性强，可用在不同结构的原子力显微镜中，与本发明的换针装置配合使用，可方便地装卸探针。

在下述实施例中，压电陶瓷片选用芯明天公司的方形压电陶瓷片，型号为NAC2003，长宽均为5mm，高为2mm，最大驱动电压60V，行程3μm，谐振频率500KHz。

簧片选用高弹性的铍铜片加工而成，厚度为0.2mm。

磁铁选用磁性较强的钕铁硼圆柱磁铁，直径为3mm，厚度为1.5mm。

升降台(精密升降台)选用西格玛公司的Z轴平面TSD平台，型号为TSD-403，台面尺寸40×40mm，行程6mm，移动精度2.5μm。

立柱可以使用常见的M4六角铜柱，长度为40mm。

滚花螺丝可以选用标准的不锈钢高头滚花手拧M3螺丝。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图3a～6所示，一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，包括：探针夹持器3和固定在操作台(图中未示出)上的换针装置4，探针夹持器3能够吸附在原子力显微镜上或固装在换针装置4上，其中，当原子力显微镜正常使用时，探针夹持器3吸附在原子力显微镜上，并将探针3-1的悬臂梁对准至检测光路的激光焦点处；当需要对探针夹持器3中的探针(悬臂梁探针)进行换针时，将探针夹持器3固装在换针装置4上。

探针夹持器3包括：探针夹持器主结构3-4和用于动态模式时激励探针产生振动的压电陶瓷片3-3，在探针夹持器主结构3-4的上表面上形成一凹槽3-9，凹槽3-9的前侧面和顶面均为敞口，压电陶瓷片3-3的一个极板与凹槽3-9的槽底固装，压电陶瓷片3-3的另一个极板与一探针基座3-2的底面固装，在探针基座3-2的顶面上形成一前侧面和顶面均敞口的探针安装槽3-10；在探针夹持器主结构3-4的顶面上安装一簧片3-7，其中，簧片3-7的一端与位于凹槽3-9后方的探针夹持器主结构3-4的顶面固装，另一端用于将探针3-1的后端(微悬臂)向下压紧至探针安装槽3-10底，探针3-1的前端(靠近针尖的一端)从探针安装槽3-10和凹槽3-9的前侧面伸出；在位于凹槽3-9后方且位于簧片3-7下方的探针夹持器主结构3-4上形成一第一通孔3-11；

换针装置4包括：底板4-1、升降台4-3和顶板4-5，顶板4-5通过四根立柱4-2固装在底板4-1的正上方，立柱4-2的顶端与顶板4-5的底面固装，立柱4-2的底端与底板4-1的顶面固装。升降台4-3位于顶板4-5和底板4-1之间且该升降台4-3的底端与底板4-1固装，升降台4-3的顶端固装有竖直设置的触针4-6，在顶板4-5上形成一第二通孔4-10，当探针夹持器3固装在换针装置4上(探针夹持器主结构3-4放置与顶板4-5上)时,升降台4-3的顶端升高后触针4-6依次穿过第二通孔4-10和第一通孔3-11并向上顶起簧片3-7，此时可从簧片下方的探针安装槽3-10中移出旧的探针3-1；再在探针安装槽3-10内放置新的探针3-1，当升降台4-3的顶端下降后触针4-6缩回至第一通孔3-11内，簧片再次将新的探针3-1的后端向下压紧至探针安装槽3-10底。

在探针夹持器主结构3-4上形成2个第三通孔3-12，2个第三通孔3-12以凹槽为中心对称设置，顶板4-5的上表面在与每一个第三通孔3-12相对的位置安装有一滚花螺丝4-7，用于将探针夹持器3紧固在换针装置4上。

上述原子力显微镜探针夹持器及其换针装置进行换针的方法，包括以下步骤：

步骤1，从原子力显微镜上取下探针夹持器3，将探针夹持器3的探针夹持器主结构3-4的第三通孔3-12穿过换针装置4上的滚花螺丝4-7，拧紧滚花螺丝4-7，以使探针夹持器3紧固在换针装置4上；

步骤2，旋转升降台的微分头，升高升降台4-3的顶端，使触针4-6依次穿过第二通孔4-10和第一通孔3-11并向上顶起簧片3-7；

步骤3，用镊子6-1将旧的探针3-1从探针安装槽3-10内取出，放回探针盒内，再用镊子6-1将新的探针3-1放入探针安装槽3-10内；

步骤4，反向旋转升降台的微分头，降低升降台4-3的顶端，使触针4-6的顶端穿回(缩回)至第一通孔3-11内，簧片3-7的前端将新的探针3-1的后端向下压紧至探针安装槽3-10底。

实施例2

在实施例1的基础上，在底板4-1上形成有2个沉孔4-8，用于通过螺栓将换针装置4与操作台固装。

在探针夹持器主结构3-4上安装有四个磁铁3-5，用于将该探针夹持器主结构3-4吸附在原子力显微镜上，其中，磁铁3-5为嵌装在探针夹持器主结构3-4内(换针装置的材质不与磁铁相吸，例如为不锈钢材质)。

实施例3

在实施例2的基础上，在升降台4-3的顶端固装有一触针安装座4-4，触针4-6的底端与触针安装座4-4的顶面固装。

在簧片3-7的下表面形成一限位槽，当触针4-6向上顶起簧片3-7时，触针4-6的顶端进入该限位槽内。

压电陶瓷片3-3的两个极板各电连接一根电线(图中未示出)，2根电线穿过探针夹持器主结构3-4并与电源(图中未示出)连接。

在探针夹持器主结构3-4上安装有把手3-6，方便移动。

簧片3-7通过一螺丝3-8与位于凹槽3-9后方的探针夹持器主结构3-4的顶面固装。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，包括：探针夹持器(3)和固定在操作台上的换针装置(4)，所述探针夹持器(3)能够吸附在原子力显微镜上或固装在所述换针装置(4)上，其中，

所述探针夹持器(3)包括：探针夹持器主结构(3-4)和压电陶瓷片(3-3)，在所述探针夹持器主结构(3-4)的上表面上形成一凹槽(3-9)，所述凹槽(3-9)的前侧面和顶面均为敞口，所述压电陶瓷片(3-3)的一个极板与所述凹槽(3-9)的槽底固装，在所述压电陶瓷片(3-3)的另一个极板上固装有一探针基座(3-2)，在所述探针基座(3-2)的顶面上形成一前侧面和顶面均敞口的探针安装槽(3-10)；在所述探针夹持器主结构(3-4)的顶面上安装一簧片(3-7)，其中，所述簧片(3-7)的一端与位于凹槽(3-9)后方的探针夹持器主结构(3-4)的顶面固装，另一端用于将探针(3-1)的后端向下压紧至所述探针安装槽(3-10)底，所述探针(3-1)的前端从所述探针安装槽(3-10)和凹槽(3-9)的前侧面伸出；在位于所述凹槽(3-9)后方且位于所述簧片(3-7)下方的探针夹持器主结构(3-4)上形成一第一通孔(3-11)；

所述换针装置(4)包括：底板(4-1)、升降台(4-3)和顶板(4-5)，所述顶板(4-5)通过多根立柱(4-2)固装在所述底板(4-1)的正上方，所述升降台(4-3)位于顶板(4-5)和底板(4-1)之间且该升降台(4-3)的底端与所述底板(4-1)固装，所述升降台(4-3)的顶端固装有竖直设置的触针(4-6)，在所述顶板(4-5)上形成一第二通孔(4-10)，当所述探针夹持器(3)固装在所述换针装置(4)上时,所述升降台(4-3)的顶端升高后触针(4-6)依次穿过第二通孔(4-10)和第一通孔(3-11)并向上顶起所述簧片(3-7)，所述升降台(4-3)的顶端下降后触针(4-6)缩回至第一通孔(3-11)内；

在所述探针夹持器主结构(3-4)上形成至少2个第三通孔(3-12)，所述顶板(4-5)的上表面在与每一个所述第三通孔(3-12)相对的位置安装有一滚花螺丝(4-7)，用于将所述探针夹持器(3)紧固在所述换针装置(4)上。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，在所述底板(4-1)上形成有多个沉孔(4-8)，用于将所述换针装置(4)与所述操作台固装。

3.根据权利要求2所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，所述立柱(4-2)的顶端与所述顶板(4-5)的底面固装，所述立柱(4-2)的底端与所述底板(4-1)的顶面固装。

4.根据权利要求3所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，在所述升降台(4-3)的顶端固装有一触针安装座(4-4)，所述触针(4-6)的底端与所述触针安装座(4-4)的顶面固装。

5.根据权利要求4所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，在所述探针夹持器主结构(3-4)上安装有多个磁铁(3-5)，用于将该探针夹持器主结构(3-4)吸附在原子力显微镜上，其中，所述磁铁(3-5)嵌装在所述探针夹持器主结构(3-4)内。

6.根据权利要求5所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，在所述簧片(3-7)的下表面形成一限位槽，当触针(4-6)向上顶起所述簧片(3-7)时，所述触针(4-6)的顶端进入该限位槽内。

7.根据权利要求6所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，所述压电陶瓷片(3-3)的两个极板各电连接一根电线，2根电线穿过所述探针夹持器主结构(3-4)并与电源连接。

8.根据权利要求7所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，在所述探针夹持器主结构(3-4)上安装有把手(3-6)。

9.根据权利要求8所述的原子力显微镜探针夹持器及其换针装置，其特征在于，所述簧片(3-7)通过一螺丝(3-8)与位于凹槽(3-9)后方的探针夹持器主结构(3-4)的顶面固装。

10.如权利要求1～9所述原子力显微镜探针夹持器及其换针装置进行换针的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，从原子力显微镜上取下探针夹持器(3)，将探针夹持器(3)的探针夹持器主结构(3-4)的第三通孔(3-12)穿过换针装置(4)上的滚花螺丝(4-7)，拧紧所述滚花螺丝(4-7)，以使探针夹持器(3)紧固在换针装置(4)上；

步骤2，升高所述升降台(4-3)的顶端，使触针(4-6)依次穿过第二通孔(4-10)和第一通孔(3-11)并向上顶起所述簧片(3-7)；

步骤3，将旧的探针(3-1)从探针安装槽(3-10)内取出，再将新的探针(3-1)放入探针安装槽(3-10)内；

步骤4，降低所述升降台(4-3)的顶端，使触针(4-6)的顶端穿回至第一通孔(3-11)内，簧片(3-7)的前端将新的探针(3-1)的后端向下压紧至所述探针安装槽(3-10)底。

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