CN112798205B - 一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置 - Google Patents

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，包括底座、载环盘、悬环盘、第一副架与第二副架，所述载环盘固定安装与底座的上表面，所述第一副架固定安装于底座与载环盘的右侧壁，所述载环盘与悬盘通过支撑杆进行固定安装；采用电磁线圈产出电磁力，通过对圈数已知的螺旋线圈，以及控制输入电流值，即可计算得到电磁力值，电磁力与输入的电流呈线性关系，所以可通过电磁力产生装置对微悬臂探针连续施加作用力；探针在滑架的带动下，能够实现对探针的微位移控制；通过激光测距仪可测得探针的位移值；因此采用本发明可获得精确的电磁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。

Description

一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置

技术领域

本发明涉及检测装置技术领域，具体领域为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，为此我们提出一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，包括底座、载环盘、悬环盘、第一副架与第二副架，所述载环盘固定安装与底座的上表面，所述第一副架固定安装于底座与载环盘的右侧壁，所述载环盘与悬盘通过支撑杆进行固定安装，所述第二副架固定安装于悬环盘的右侧壁，所述底座的筒腔内固定安装有电磁线圈，所述载环盘的环孔内固定安装有平行铰链，所述平行铰链的悬空端固定安装有永磁体，所述悬环盘的环孔中部固定安装有激光测距仪，所述第一副架与第二副架间转动安装有螺纹杆，所述第一副架的底腔内固定安装有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出端通过联轴器固定安装螺纹杆的下端，所述第一副架与第二副架间固定安装有支撑滑轨，所述支撑滑轨位于靠近底座侧，所述螺纹杆螺装有第一丝母，所述第一丝母固定安装与调节架的槽口内，所述支撑滑轨设于调节架的槽口内，所述调节架的左端上表面开设有安装槽，且安装槽内固定安装有第二伺服电机与平移滑轨，所述平移滑轨位于第二伺服电机的左侧，所述平移滑轨上表面滑动安装有滑架，所述滑架的夹腔内固定安装有第二丝母，所述第二丝母螺装第二伺服电机的输出端。

优选的，所述滑架的左端上表面设有固定夹板，所述固定夹板的下表面固定安装有滑杆，所述滑杆贯穿滑架，所述滑杆的下端一体成型有限位帽，且限位帽与滑架的下表面间夹装有复位弹簧。

优选的，所述底座的筒腔、载环板的环孔与悬环盘的环孔同轴，所述螺纹杆的轴线、支撑滑轨的轴线与载环盘的环孔的轴线位于同一平面内。

优选的，所述平行铰链数量为三个，且三个悬空端焊接于承载盘的下表面，所述永磁体固定安装与承载盘的上表面。

优选的，所述第一副架的高度等于底座与载环盘的高度盒，所述第二副架的高度与悬环盘高度相同。

优选的，所述支撑杆的长度与支撑滑轨的长度相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用电磁线圈产出电磁力，通过对圈数已知的螺旋线圈，以及控制输入电流值，即可计算得到电磁力值，电磁力与输入的电流呈线性关系，所以可通过电磁力产生装置对微悬臂探针连续施加作用力；探针在滑架的带动下，能够实现对探针的微位移控制；通过激光测距仪可测得探针的位移值；因此采用本发明可获得精确的电磁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为本发明的主剖视结构示意图；

图2为本发明的载环盘俯视结构示意图；

图3为本发明的调节架主视结构示意图；

图4为本发明的调节架右端俯视结构示意图；

图5为本发明的调节架左端截面结构示意图。

图中：1、底座，2、载环盘，3、悬环盘，4、第一副架，5、第二副架，6、电磁线圈，7、平行铰链，8、永磁体，9、支撑杆，10、激光测距仪，11、螺纹杆，12、支撑滑轨，13、调节架，14、第一伺服电机，15、第一丝母，16、第二伺服电机，17、滑架，18、平移滑轨，19、第二丝母，20、固定夹板，21、滑杆，22、复位弹簧。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，包括底座1、载环盘2、悬环盘3、第一副架4与第二副架5，所述载环盘2固定安装与底座1的上表面，所述第一副架4固定安装于底座1与载环盘2的右侧壁，所述载环盘2与悬盘通过支撑杆9进行固定安装，所述第二副架5固定安装于悬环盘3的右侧壁，所述底座1的筒腔内固定安装有电磁线圈6，所述载环盘2的环孔内固定安装有平行铰链7，所述平行铰链7的悬空端固定安装有永磁体8，所述悬环盘3的环孔中部固定安装有激光测距仪10，所述第一副架4与第二副架5间转动安装有螺纹杆11，所述第一副架4的底腔内固定安装有第一伺服电机14，所述第一伺服电机14的输出端通过联轴器固定安装螺纹杆11的下端，所述第一副架4与第二副架5间固定安装有支撑滑轨12，所述支撑滑轨12位于靠近底座1侧，所述螺纹杆11螺装有第一丝母15，所述第一丝母15固定安装与调节架13的槽口内，所述支撑滑轨12设于调节架13的槽口内，所述调节架13的左端上表面开设有安装槽，且安装槽内固定安装有第二伺服电机16与平移滑轨18，所述平移滑轨18位于第二伺服电机16的左侧，所述平移滑轨18上表面滑动安装有滑架17，所述滑架17的夹腔内固定安装有第二丝母19，所述第二丝母19螺装第二伺服电机的输出端。

通过底座1、载环板、悬环板、第一副架4与第二副架5构成主要框架体，通过电磁线圈6产生电磁力，及永磁体8产出固定磁力值，作用在滑架17固定的探针上，使其产生弯曲产生位移，而发生的位移通过激光测距仪10可以进行有效测得，继而获得弯曲度，通过弯曲度及作用力计算弹性系数，而滑架17通过第二伺服电机16控制进行横向的移动，通过第一伺服电机14控制进行竖直方向的移动，从而实现游戏的调节，保证探针的尖端位于载环盘2的环孔中心上方，

具体而言，所述滑架17的左端上表面设有固定夹板20，所述固定夹板20的下表面固定安装有滑杆21，所述滑杆21贯穿滑架17，所述滑杆21的下端一体成型有限位帽，且限位帽与滑架17的下表面间夹装有复位弹簧22。

通过固定夹板20、滑杆21及弹簧构成一个有效的快速固定结构，减少的非必要的操作时间。

具体而言，所述底座1的筒腔、载环板的环孔与悬环盘3的环孔同轴，所述螺纹杆11的轴线、支撑滑轨12的轴线与载环盘2的环孔的轴线位于同一平面内。

通过上述的位置限定，保证了整个装置的工作位置的保证，筒腔及两个环孔保证了测两的准确性，而三条轴线的位置限定，避免了进行纵向移动的问题。

具体而言，所述平行铰链7数量为三个，且三个悬空端焊接于承载盘的下表面，所述永磁体8固定安装与承载盘的上表面。

通过三个平行铰链7，使得整体在进行作用力位移时，具有良好的稳定性。

具体而言，所述第一副架4的高度等于底座1与载环盘2的高度盒，所述第二副架5的高度与悬环盘3高度相同。

通过高度的限定，方便进行良好的匹配安装。

具体而言，所述支撑杆9的长度与支撑滑轨12的长度相同。

保证了悬环板与载环盘2之间的平行度，避免了因自身重力产生弯曲，同时对螺纹杆11产生轴向负载。

工作原理：使用时，将探针固定在滑架17的左端，而后通过第二伺服电机16确定滑架17，使得探针的尖端位于载环盘2的环孔的圆心上方，此时通过激光测距仪10测定探针尖端距永磁体8的距离及激光测距仪10距探针尖端的距离，而后通过第一伺服电机14驱动滑架17进行竖向的位置调节，再次测定探针尖端与永磁体8的距离及探针尖端与激光测距仪10的距离，通过两次的位移差计算获得形变带来的位移，而后获取永磁体8的磁力及电磁线圈6产生的磁力，通过计算获得弹性系数。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，包括底座(1)、载环盘(2)、悬环盘(3)、第一副架(4)与第二副架(5)，其特征在于：所述载环盘(2)固定安装于底座(1)的上表面，所述第一副架(4)固定安装于底座(1)与载环盘(2)的右侧壁，所述载环盘(2)与悬盘通过支撑杆(9)进行固定安装，所述第二副架(5)固定安装于悬环盘(3)的右侧壁，所述底座(1)的筒腔内固定安装有电磁线圈(6)，所述载环盘(2)的环孔内固定安装有平行铰链(7)，所述平行铰链(7)的悬空端固定安装有永磁体(8)，所述悬环盘(3)的环孔中部固定安装有激光测距仪(10)，所述第一副架(4)与第二副架(5)间转动安装有螺纹杆(11)，所述第一副架(4)的底腔内固定安装有第一伺服电机(14)，所述第一伺服电机(14)的输出端通过联轴器固定安装螺纹杆(11)的下端，所述第一副架(4)与第二副架(5)间固定安装有支撑滑轨(12)，所述支撑滑轨(12)位于靠近底座(1)侧，所述螺纹杆(11)螺装有第一丝母(15)，所述第一丝母(15)固定安装于调节架(13)的槽口内，所述支撑滑轨(12)设于调节架(13)的槽口内，所述调节架(13)的左端上表面开设有安装槽，且安装槽内固定安装有第二伺服电机(16)与平移滑轨(18)，所述平移滑轨(18)位于第二伺服电机(16)的左侧，所述平移滑轨(18)上表面滑动安装有滑架(17)，所述滑架(17)的夹腔内固定安装有第二丝母(19)，所述第二丝母(19)螺装第二伺服电机的输出端；

所述底座(1)的筒腔、载环板的环孔与悬环盘(3)的环孔同轴，所述螺纹杆(11)的轴线、支撑滑轨(12)的轴线与载环盘(2)的环孔的轴线位于同一平面内；

所述第一副架(4)的高度等于底座(1)与载环盘(2)的高度盒，所述第二副架(5)的高度与悬环盘(3)高度相同；

所述支撑杆(9)的长度与支撑滑轨(12)的长度相同。

2.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于：所述滑架(17)的左端上表面设有固定夹板(20)，所述固定夹板(20)的下表面固定安装有滑杆(21)，所述滑杆(21)贯穿滑架(17)，所述滑杆(21)的下端一体成型有限位帽，且限位帽与滑架(17)的下表面间夹装有复位弹簧(22)。

3.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置，其特征在于：所述平行铰链(7)数量为三个，且三个悬空端焊接于载环盘(2)的下表面，所述永磁体(8)固定安装于载环盘(2)的上表面。

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