CN112698056A - 一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于原子显微镜的磁‑力电耦合加载系统，该系统由一个支架，一对亥姆赫兹线圈，两个能够左右移动的夹头和一个能够上下移动的压头组成；一对亥姆赫兹线圈固定在支架的上表面，支架的内腔两端各设置一个能够左右移动的夹头，夹头的下端套在一个沿支架内腔长度方向放置的传动轴上；支架内腔的正中间设置一个能够上下移动的压头，压头的底部固定在一个中部和支架铰接的传动板的一端上，传动板的另一端与一个能够上下移动的压杆连接。本发明可配合原子力显微镜使用，完成在力学拉伸、四点弯或磁场等加载条件下的材料表面力电耦合行为的表征，可有效地保证每次改变加载条件后原子力显微镜测量的都是通过区域，并且该加载系统操作简单。
Description
技术领域
本发明属于原子力显微镜实验技术领域，具体涉及一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统。
背景技术
原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料的表面结构，微观力学、电学响应的分析器。由于其测量的精度高(原子级别)，性能稳定等特点，使其成为分析材料失效以及性能标定的重要手段。因而关于它的使用在电子、机械、航天航空等领域受到了广泛的关注。
然而，真实世界中服役的电子器件总是处于一个复杂的环境中，为了分析它们的失效和性能，如若能在真实环境下测试是最好的，这样的分析结果也更可信和更有效。但是，人们很难在真实条件下用原子力显微镜对样品进行表征，这样成本很高，同时也是不现实的。
因而，为了使测试的环境尽可能模拟真实的环境。配合一些磁-力加载系统给原子力显微镜是非常有必要的。虽然，目前市场上也有一些配合原子力显微镜的力学加载平台，但它们只能完成拉伸和压缩试验。另外，现有的力学加载平台仅有一个夹头可以移动。由于原子力显微镜的测量区域很小，当样品受力发生变形后，很难保证前后测量的是同一片区域，这使得测量的结果失去意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，本发明系统可配合原子力显微镜使用，完成在力学拉伸、四点弯或磁场等加载条件下的材料表面力电耦合行为的表征，可有效地保证每次改变加载条件后原子力显微镜测量的都是通过区域，并且该加载系统操作简单，性能稳定，易于大规模生产
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，由一个支架1，一对亥姆赫兹线圈2，两个能够左右移动的夹头3和一个能够上下移动的压头5组成；一对亥姆赫兹线圈2固定在支架1的上表面，支架1的内腔两端各设置一个能够左右移动的夹头3，夹头3的下端套在一个沿支架1内腔长度方向放置的传动轴4上；支架1内腔的正中间设置一个能够上下移动的压头5，压头5的底部固定在一个中部和支架1铰接的传动板6的一端上，传动板6的另一端与一个能够上下移动的压杆7连接。
所述支架1、夹头3、传动轴4、压头5、传动板6和压杆7所用的材料为非金属材料，一般为尼龙，塑料，树脂，木材。
所述夹头3和传动轴4的组装关系为：传动轴4穿过夹头3下端的螺孔，并且两个夹头的位置关于传动轴的中线对称。
所述传动轴4圆杆的外表面上有螺纹；并且以传动轴4的长度中线为界限左右两侧的螺纹方向相反。
所述压头5和压杆7分别与传动板6的两端铰接，由于传动板6的中部铰接在支座1上使得压头5和压杆7构成一个杠杆系统，压头5的上下移动距离通过压杆7来控制。
通过控制压头5和压杆7距传动板6中心的距离调节压头5上下移动的范围。
所述压杆7通过螺纹与支座1配合，螺纹的间距为200um～1cm。
所述亥姆赫兹线圈2的长度方向与夹头3的移动方向平行，与压头5的移动方向垂直。
在配合原子力显微镜使用时，样品的两端固定在夹头3上，为保证每次加载前后原子力显微镜测量的是同一个区域，将原子显微镜的扫描探头针应该测量放置在所固定样品的正中点处中心线的正上方。
所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统的工作方法，在进行拉伸或压缩加载时，将样品的两端固定在夹头3上，通过夹头3的左右移动完成拉伸或者压缩加载；在进行四点弯加载时，样品放置在夹头3上，同时穿过压头5，通过压头5的上下移动完成四点弯的加载；在进行拉伸、压缩或者四点弯加载的同时，能够通过亥姆赫兹线圈2提供一个沿样品长度方向分布的磁场，再配合原子力显微镜的扫描探头施加电压能够完成磁-力-电耦合加载。
本发明具有以下优点：
1、该发明操作简单，生产成本低，易于大规模生产。
2、本发明可以完成对样品的拉、压、四点弯以及磁场等方式的加载。
3、本发明可以对样品进行力学和磁场的同时加载。
4、本发明在进行拉伸和压缩试验时，夹住样品的两个夹头是同步反向移动的，使得加载的过程中样品的中心始终不发生改变，因而，用原子力显微镜测量样品时，无论所施加的载荷如何变化都能保证始终测量的是同一个区域。
附图说明
图1为本发明用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统示意图。
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。
如图1所示，本发明一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，由一个支架1，一对亥姆赫兹线圈2，两个能够左右移动的夹头3和一个能够上下移动的压头5组成；一对亥姆赫兹线圈2固定在支架1的上表面，支架1的内腔两端各设置一个能够左右移动的夹头3，夹头3的下端套在一个沿支架1内腔长度方向放置的传动轴4上；支架1内腔的正中间设置一个能够上下移动的压头5，压头5的底部固定在一个中部和支架1铰接的传动板6的一端上，传动板6的另一端与一个能够上下移动的压杆7连接。
作为本发明的优选实施方式，所述支架1、夹头3、传动轴4、压头5、传动板6和压杆7所用的材料为非金属材料，一般为尼龙，塑料，树脂，木材，这些非金属材料在亥姆赫兹线圈2产生磁场时不会被磁化，因而不会产生附加的磁干扰而影响加载精度。作为本发明的优选实施方式，所述夹头3和传动轴4的组装关系为：传动轴4穿过夹头3下端的螺孔，并且两个夹头的位置关于传动轴的中线对称，这样能够保证样品在被拉伸时，样品始终处于水平状态。所述传动轴4圆杆的外表面上有螺纹；并且以传动轴4的长度中线为界限左右两侧的螺纹方向相反，这样能够保证传动轴在转动时，夹头3的两个夹头朝相反的方向移动。所述压头5和压杆7分别与传动板6的两端铰接，由于传动板6的中部铰接在支座1上使得压头5和压杆7构成一个杠杆系统，压头5的上下移动距离通过压杆7来控制，这样能够使设备的操作更加便捷。通过控制压头5和压杆7距传动板6中心的距离调节压头5上下移动的范围，这样既能够使仪器的操作更加便捷，同时设备的加载范围也能根据实际的情况灵活地调节。
所述压杆7通过螺纹与支座1配合，螺纹的间距为200um～1cm，这样使得通过旋转压杆7就能够控制它上下移动的距离。所述亥姆赫兹线圈2的长度方向与夹头3的移动方向平行，与压头5的移动方向垂直，这样能够保证在进行磁力耦合加载实验时，所施加的拉力方向和磁场的方向是平行的。
在配合原子力显微镜使用时，样品的两端固定在夹头3上，为保证每次加载前后原子力显微镜测量的是同一个区域，将原子显微镜的扫描探头针应该测量放置在所固定样品的正中点处中心线的正上方。
如图1所示，本发明所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统的工作方法，在进行拉伸或压缩加载时，将样品的两端固定在夹头3上，通过夹头3的左右移动完成拉伸或者压缩加载；在进行四点弯加载时，样品放置在夹头3上，同时穿过压头5，通过压头5的上下移动完成四点弯的加载；在进行拉伸、压缩或者四点弯加载的同时，能够通过亥姆赫兹线圈2提供一个沿样品长度方向分布的磁场，再配合原子力显微镜的扫描探头施加电压能够完成磁-力-电耦合加载。
Claims (10)
1.一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，由一个支架(1)，一对亥姆赫兹线圈(2)，两个能够左右移动的夹头(3)和一个能够上下移动的压头(5)组成；一对亥姆赫兹线圈(2)固定在支架(1)的上表面，支架(1)的内腔两端各设置一个能够左右移动的夹头(3)，夹头(3)的下端套在一个沿支架(1)内腔长度方向放置的传动轴(4)上；支架(1)内腔的正中间设置一个能够上下移动的压头(5)，压头(5)的底部固定在一个中部和支架(1)铰接的传动板(6)的一端上，传动板(6)的另一端与一个能够上下移动的压杆(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，所述支架(1)、夹头(3)、传动轴(4)、压头(5)、传动板(6)和压杆(7)所用的材料为非金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，所述夹头(3)和传动轴(4)的组装关系为：传动轴(4)穿过夹头(3)下端的螺孔，并且两个夹头的位置关于传动轴的中线对称。
4.根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，所述传动轴(4)圆杆的外表面上有螺纹；并且以传动轴(4)的长度中线为界限左右两侧的螺纹方向相反。
5.根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，所述压头(5)和压杆(7)分别与传动板(6)的两端铰接，由于传动板(6)的中部铰接在支座(1)上使得压头(5)和压杆(7)构成一个杠杆系统，压头(5)的上下移动距离通过压杆(7来控制。
6.根据权利要求5所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，通过控制压头(5)和压杆(7)距传动板(6)中心的距离调节压头(5)上下移动的范围。
7.根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，所述压杆(7)通过螺纹与支座(1)配合，螺纹的间距为200um～1cm。
8.根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，所述亥姆赫兹线圈(2)的长度方向与夹头(3)的移动方向平行，与压头(5)的移动方向垂直。
9.根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统，其特征在于，在配合原子力显微镜使用时，样品的两端固定在夹头(3)上，为保证每次加载前后原子力显微镜测量的是同一个区域，将原子显微镜的扫描探头放置在所固定样品中心线的正上方。
10.权利要求1至9任一项所述的一种用于原子力显微镜的磁-力电耦合加载系统的工作方法，其特征在于，在进行拉伸或压缩加载时，将样品的两端固定在夹头(3)上，通过夹头(3)的左右移动完成拉伸或者压缩加载；在进行四点弯加载时，样品放置在夹头(3)上，同时穿过压头(5)，通过压头(5)的上下移动完成四点弯的加载；在进行拉伸、压缩或者四点弯加载的同时，能够通过亥姆赫兹线圈(2)提供一个沿样品长度方向分布的磁场，再配合原子力显微镜的扫描探头施加电压能够完成磁-力-电耦合加载。
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