CN113109593B - 应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，包括腔体上盖、组合探针切换机构和组合探针，利用该装置在真空或气氛环境下实现多模式组合探针原位高效切换时，首先将该装置安装在扫描探针显微镜上，设置真空或气氛环境，然后组合探针切换机构摆动，驱动组合探针依次到目标位置，对样品进行多模式原位测试，该装置解决了现有扫描探针显微镜的不足，避免切换探针时破坏实验环境，支持多模式原位测试，通过电磁测试模式测试或改变样品表面电磁类物理量，通过轻敲模式无损测量样品表面形貌，尤其适用于软样品，通过摩擦力模式测试样品表面摩擦磨损，采用摆动式设计，减小装置体积，节约腔体空间，增加装置通用性。

Description

应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，具体而言，涉及应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置。

背景技术

扫描探针显微镜，是利用探针在样品表面的扫描移动来测量或改变样品表面形貌、表面组分及表面性质等物理量的显微镜的总称。其根据所测量或改变物理量种类的不同又可包含原子力显微镜、导电原子力显微镜、静电力显微镜、扫描开尔文探针显微镜、磁力显微镜、扫描扩展电阻显微镜和扫描非线性介电显微镜等测试模式。扫描探针显微镜已在表界面科学、材料科学、生物科学等领域发挥了重要作用，且已经成为微纳尺度下相关科学研究不可或缺的工具之一。

根据调研，目前绝大多数商用的扫描探针显微镜为单一探针方案，即仅支持每次安装一支探针进行表面测试。然而，随着研究内容的不断深入，单一探针方案难以满足更高的研究需求，往往需要多种类、多功能的探针来支持扫描探针显微镜的不同测试模式。对于单一探针方案的扫描探针显微镜，在切换探针进行不同功能扫描时，必须中止实验以更换探针，该方案不可避免的存在如下所示的不足之处：

1.破坏扫描探针显微镜内部环境。单一探针方案的扫描探针显微镜更换探针时必须打开腔体手动更换探针，使原本处于真空、气氛等不同工作环境下的腔体内部空间暴露于大气，从而破坏扫描探针显微镜内部环境。

2.污染样品，甚至破坏样品。暴露于大气后，处于腔体内部空间的样品接触空气中的水蒸气、氧气或者污染物，从而污染样品，甚至破坏部分对环境敏感的样品，如磷酸二氢钾晶体样品在大气环境会因潮解而破坏。

目前仅有极少数的商用扫描探针显微镜为多探针方案，其将两支或两支以上探针停放在扫描探针显微镜腔体内部专门设置的探针停放台，通过传样杆取用不同的探针，将其依次安装在扫描探针显微镜上，进而依次对样品表面进行测试。该方案可以在一定程度上解决单一探针方案的不足，但其又不可避免的存在如下所示的不足之处：

1.使用范围有限。仅针对特定型号扫描探针显微镜专门设计，难以直接或简单优化而适配到其他扫描探针显微镜；

2.腔体体积庞大，整体结构复杂，且探针切换需要手动操作，操作复杂，过程繁琐，效率较低。

本课题组申请的一项中国发明专利“基于环境可控型原子力显微镜的数控旋转式探针切换装置，201810637066.X”，公开了一种基于环境可控型原子力显微镜的数控旋转式探针切换装置，其包括腔体上盖和探针切换结构，其能够在真空、气氛等不同工作环境下通过程序控制切换具有不同功能的探针。但是，在实际使用过程中，该专利不可避免的存在如下所示的不足之处：

1.该装置基于原子力显微镜，而无法适配扫描探针显微镜的其他模式进行测试，如测量表面电势的扫描开尔文探针显微镜模式等。

2.该装置基于原子力显微镜，但仅支持在接触模式下进行表面形貌测量和摩擦磨损测试，而无法支持在轻敲模式下进行测试，容易对软样品造成损伤。

在实际应用方面，以摩擦过程中能量耗散探测作为一种典型的应用实例来进行说明。为检测摩擦过程中因发热、发射和分子结构演变造成的能量耗散，需要在不破坏扫描探针显微镜真空环境的前提下，更换不同探针对样品表面进行原位摩擦磨损、形貌测量和表面电势测量等测试。具体来说，需要在保证扫描探针显微镜真空环境不改变的情况下，首先，使用导电探针对样品表面进行轻敲模式的形貌测量和表面电势测量，其次，在不破坏真空环境的情况下，切换磨损用探针，如金刚石探针、三氧化二铝探针或二氧化硅探针等，对样品表面进行原位摩擦磨损，最后，仍在不破坏真空环境的情况下，切换回导电探针对样品表面原位进行轻敲模式的形貌测量和表面电势测量，以比较样品表面在摩擦磨损过程前后的表面形貌和表面电势变化，进而推断摩擦能量耗散的途径和规律，揭示摩擦能量耗散机理。

如上所述，设计一种应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，并解决现有装置存在的各种问题，对样品传输技术的发展及其在表界面科学、材料科学、生物科学等领域的应用具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供了一种应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其包括腔体上盖、组合探针切换机构和组合探针，所述腔体上盖安装在扫描探针显微镜的腔体，组合探针切换机构安装在腔体上盖，组合探针安装在组合探针切换机构，通过组合探针切换机构摆动，驱动组合探针水平摆动，从而调整组合探针到目标位置，检测到样品表面的物理量，并将得到的检测信号传递到扫描显微镜。

在本发明较佳的实施例中，上述腔体上盖包括主盖体、腔体上盖安装组件、腔体上盖密封槽、组合探针切换机构安装位、激光盒安装位、光窗、腔体上盖触点、组合探针切换机构真空穿透组件、走线槽、储线槽和储线槽盖板，所述主盖体为盘状结构，其两端设置有腔体上盖安装组件，包括连接板和手拧螺丝，连接板通过螺钉连接在主盖体，连接板设置有手拧螺丝安装通孔，手拧螺丝穿过手拧螺丝安装通孔连接在扫描探针显微镜的腔体，从而使腔体上盖安装在扫描探针显微镜，腔体上盖密封槽设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，用于在腔体上盖安装在扫描探针显微镜时形成静密封，保证扫描探针显微镜的腔体内外部空间的密封，组合探针切换机构安装位设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，组合探针切换机构安装位包括组合探针切换机构安装位凹槽和组合探针切换机构安装位压块，组合探针切换机构安装位凹槽为一矩形凹槽，用于置入组合探针切换机构，组合探针切换机构安装位压块通过螺钉连接在主盖体，组合探针切换机构被压紧在组合探针切换机构安装位凹槽和组合探针切换机构安装位压块之间，从而使组合探针切换机构安装在腔体上盖，激光盒安装位设置在主盖体远离扫描探针显微镜的腔体的一面，激光盒安装位包括激光盒定位块和激光盒安装螺纹孔，激光盒定位块通过螺钉连接在主盖体，扫描探针显微镜的激光盒侧面贴附在激光盒定位块，并通过螺纹连接在激光盒安装螺纹孔，从而使扫描探针显微镜的激光盒安装在腔体上盖，光窗设置在主盖体中部，并贯穿主盖体两侧，光窗包括透光玻璃安装位和透光玻璃，透光玻璃安装位外围为一矩形凹槽，矩形凹槽内部设置有矩形通孔，透光玻璃安装在透光玻璃安装位的矩形凹槽，并将透光玻璃安装位的矩形通孔封闭。

在本发明较佳的实施例中，上述腔体上盖触点设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，腔体上盖触点包括第一腔体上盖触点、第二腔体上盖触点和第三腔体上盖触点，第一腔体上盖触点、第二腔体上盖触点和第三腔体上盖触点结构相同，分别包括绝缘底座和导电铜柱，腔体上盖触点与组合探针通过导线连接，用于将检测信号由组合探针传递至扫描探针显微镜。

在本发明较佳的实施例中，上述组合探针切换机构真空穿透组件设置在主盖体远离扫描探针显微镜的腔体的一面，其用于传递组合探针切换信号以驱动组合探针切换机构摆动，并保证扫描探针显微镜的腔体内外部空间的密封。

在本发明较佳的实施例中，上述走线槽和储线槽设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，走线槽连接在储线槽，储线槽连接在组合探针切换机构真空穿透组件，储线槽盖板通过螺钉安装在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，并将储线槽靠近扫描探针显微镜的腔体的一面封闭。

在本发明较佳的实施例中，上述组合探针切换机构包括组合探针切换机构接口、组合探针切换机构接线和组合探针切换机构执行器，组合探针切换机构接口连接在组合探针切换机构真空穿透组件的组合探针切换机构真空穿透接口，用于将组合探针切换信号传入组合探针切换机构，组合探针切换机构接线通过走线槽，再通过储线槽与储线槽盖板间的空间，组合探针切换机构接线连接组合探针切换机构接口和组合探针切换机构执行器，用于将组合探针切换信号传入组合探针切换机构执行器，组合探针切换机构执行器用于安装组合探针，并在组合探针切换信号驱动下摆动，驱动组合探针水平摆动，从而调整组合探针到目标位置。

在本发明较佳的实施例中，上述组合探针包括普通探针针架、普通探针弹性压片、普通探针、组合探针连接块、探针激振组件、多模式探针针架、多模式探针弹性压片和多模式探针，普通探针针架通过螺钉安装在组合探针切换机构的组合探针切换机构执行器，从而使组合探针安装在组合探针切换机构，普通探针弹性压片通过螺钉连接在普通探针针架，普通探针被压紧在普通探针弹性压片与普通探针针架之间，从而使普通探针安装在普通探针针架，组合探针连接块安装在普通探针针架，探针激励组件连接在组合探针连接块，多模式探针针架连接在探针激振组件，多模式探针弹性压片通过螺钉连接在多模式探针针架，多模式探针被压紧在多模式探针针架和多模式探针弹性压片之间，从而使多模式探针安装在多模式探针针架。

在本发明较佳的实施例中，上述普通探针针架包括第一普通探针安装位、第二普通探针安装位、第三普通探针安装位和组合探针连接块安装位，普通探针弹性压片包括第一普通探针弹性压片、第二普通探针弹性压片、第三普通探针弹性压片，普通探针包括第一普通探针、第二普通探针和第三普通探针，普通探针弹性压片通过螺钉连接在普通探针针架，具体为第一普通探针弹性压片通过螺钉连接在第一普通探针安装位，第二普通探针弹性压片通过螺钉连接在第二普通探针安装位，第三普通探针弹性压片通过螺钉连接在第三普通探针安装位，普通探针安装在普通探针安装位，具体为第一普通探针安装在第一普通探针安装位，第二普通探针安装在第二普通探针安装位，第三普通探针安装在第三普通探针安装位，组合探针连接块通过螺钉连接在组合探针连接块安装位，从而组合探针连接块安装在普通探针针架。

在本发明较佳的实施例中，上述探针激振组件包括压电陶瓷片、探针激振组件输入电极和探针激振组件接地电极，压电陶瓷片以固有频率振动，探针激振组件输入电极与腔体上盖的第一腔体上盖触点通过导线连接，探针激振组件接地电极与腔体上盖的第二腔体上盖触点通过导线连接，压电陶瓷片以固有频率振动时会驱动多模式探针针架以固有频率振动，进而带动多模式探针以固有频率振动，多模式探针针架与腔体上盖的第三腔体上盖触点通过导线连接，进而经过多模式探针针架对多模式探针施加电压，以检测或调整多模式探针振动状态，或在多模式探针与样品接触时检测微小电流。

在本发明较佳的实施例中，利用该装置在真空或气氛环境下实现多模式组合探针原位高效切换时，首先将该装置安装在扫描探针显微镜上，设置真空或气氛环境，然后组合探针切换机构摆动，驱动组合探针依次到目标位置，对样品进行多模式原位测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、实现多模式组合探针原位高效切换，避免切换探针时破坏实验环境；

2、同时支持扫描探针显微镜多模式原位测试，通过电磁测试模式测试或改变样品表面电磁类物理量，如表面电势、磁畴等；通过轻敲模式无损测量样品表面形貌，尤其适用于软样品，通过摩擦力模式测试样品表面摩擦磨损；

3、采用摆动式设计，减小装置体积，节约腔体空间，增加装置通用性；

4、通过程序控制实现探针切换，过程简单、高效，无需复杂的手动操作。

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为本发明应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置的整体示意图；

图2为本发明应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置安装在扫描探针显微镜的整体示意图；

图3为本发明应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置安装在扫描探针显微镜的剖视示意图；

图4为本发明腔体上盖的结构示意图；图5是本发明腔体上盖的侧向结构示意图；

图6为本发明腔体上盖的仰视示意图；

图7为图6的A-A剖视示意图；

图8为本发明组合探针切换机构的结构示意图；

图9为本发明组合探针的结构示意图；

图10为本发明组合探针中普通探针针架的结构示意图。

图标：1、腔体上盖；1.1、主盖体；1.2、腔体上盖安装组件；1.2.1、连接板；1.2.2、手拧螺丝；1.3、腔体上盖密封槽；1.4、组合探针切换机构安装位；1.4.1、组合探针切换机构安装位凹槽；1.4.2、组合探针切换机构安装位压块；1.5、激光盒安装位；1.5.1、激光盒定位块；1.5.2、激光盒安装螺纹孔；1.6、光窗；1.6.1、透光玻璃安装位；1.6.2、透光玻璃；1.7、腔体上盖触点；1.7.1、第一腔体上盖触点；1.7.2、第二腔体上盖触点；1.7.3、第三腔体上盖触点；1.8、组合探针切换机构真空穿透组件；1.8.1、组合探针切换机构真空穿透接口；1.8.2、组合探针切换机构真空穿透组件密封盖板；1.8.3、组合探针切换机构真空穿透组件密封法兰；1.8.4、组合探针切换机构真空穿透组件第一O形圈；1.8.5、组合探针切换机构真空穿透组件第二O形圈；1.8.6、组合探针切换机构真空穿透组件第三O形圈；1.9、走线槽；1.10、储线槽；1.11、储线槽盖板；2、组合探针切换机构；2.1、组合探针切换机构接口；2.2、组合探针切换机构接线；2.3、组合探针切换机构执行器；3、组合探针；3.1、普通探针针架；3.1.1、第一普通探针安装位；3.1.2、第二普通探针安装位；3.1.3、第三普通探针安装位；3.1.4、组合探针连接块安装位；3.2、普通探针弹性压片；3.2.1、第一普通探针弹性压片；3.2.2、第二普通探针弹性压片；3.2.3、第三普通探针弹性压片；3.3、普通探针；3.3.1、第一普通探针；3.3.2、第二普通探针；3.3.3、第三普通探针；3.4、组合探针连接块；3.5、探针激振组件；3.5.1、压电陶瓷片；3.5.2、探针激振组件输入电极；3.5.3、探针激振组件接地电极；3.6、多模式探针针架；3.7、多模式探针弹性压片；3.8、多模式探针；4、扫描探针显微镜；4.1、腔体；4.2、激光盒；5、样品。

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。

请参照图1、图2和图3，本实施例提供应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其包括腔体上盖1、组合探针切换机构2和组合探针3，所述腔体上盖安装在扫描探针显微镜4的腔体4.1，组合探针切换机构2安装在腔体上盖1，组合探针3安装在组合探针切换机构2，通过组合探针切换机构2摆动，驱动组合探针3水平摆动，从而调整组合探针3到目标位置，检测到样品5表面的物理量，并将得到的检测信号传递到扫描显微镜4。

请参照图4、图5、图6和图7，腔体上盖1包括主盖体1.1、腔体上盖安装组件1.2、腔体上盖密封槽1.3、组合探针切换机构安装位1.4、激光盒安装位1.5、光窗1.6、腔体上盖触点1.7、组合探针切换机构真空穿透组件1.8、走线槽1.9、储线槽1.10和储线槽盖板1.11，所述主盖体1.1为盘状结构，其两端设置有腔体上盖安装组件1.2，包括连接板1.2.1和手拧螺丝1.2.2，连接板1.2.1通过螺钉连接在主盖体1.1，连接板1.2.1设置有手拧螺丝安装通孔，手拧螺丝1.2.2穿过手拧螺丝安装通孔连接在扫描探针显微镜4的腔体4.1，从而使腔体上盖1安装在扫描探针显微镜4，腔体上盖密封槽1.3设置在主盖体1.1靠近扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面，用于在腔体上盖1安装在扫描探针显微镜4时形成静密封，保证扫描探针显微镜4的腔体4.1内外部空间的密封。

组合探针切换机构安装位1.4设置在主盖体1.1靠近扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面，组合探针切换机构安装位1.4包括组合探针切换机构安装位凹槽1.4.1和组合探针切换机构安装位压块1.4.2，组合探针切换机构安装位凹槽1.4.1为一矩形凹槽，用于置入组合探针切换机构2，组合探针切换机构安装位压块1.4.2通过螺钉连接在主盖体1.1，组合探针切换机构2被压紧在组合探针切换机构安装位凹槽1.4.1和组合探针切换机构安装位压块1.4.2之间，从而使组合探针切换机构2安装在腔体上盖1。

激光盒安装位1.5设置在主盖体1.1远离扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面，激光盒安装位1.5包括激光盒定位块1.5.1和激光盒安装螺纹孔1.5.2，激光盒定位块1.5通过螺钉连接在主盖体1.1，扫描探针显微镜4的激光盒4.2侧面贴附在激光盒定位块1.5.1，并通过螺纹连接在激光盒安装螺纹孔1.5.2，从而使扫描探针显微镜4的激光盒4.2安装在腔体上盖1。

光窗1.6设置在主盖体1.1中部，并贯穿主盖体1.1两侧，光窗1.6包括透光玻璃安装位1.6.1和透光玻璃1.6.2，透光玻璃安装位1.6.1外围为一矩形凹槽，矩形凹槽内部设置有矩形通孔，透光玻璃1.6.2安装在透光玻璃安装位1.6.1的矩形凹槽，并将透光玻璃安装位1.6.1的矩形通孔封闭。

腔体上盖触点1.7设置在主盖体1.1靠近扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面，腔体上盖触点1.7包括第一腔体上盖触点1.7.1、第二腔体上盖触点1.7.2和第三腔体上盖触点1.7.3，第一腔体上盖触点1.7.1、第二腔体上盖触点1.7.2和第三腔体上盖触点1.7.3结构相同，分别包括绝缘底座和导电铜柱，腔体上盖触点1.7与组合探针3通过导线连接，用于将检测信号由组合探针3传递至扫描探针显微镜4。

组合探针切换机构真空穿透组件1.8设置在主盖体1.1远离扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面，其用于传递组合探针切换信号以驱动组合探针切换机构2摆动，并保证扫描探针显微镜4的腔体4.1内外部空间的密封，组合探针切换机构真空穿透组件1.8包括组合探针切换机构真空穿透接口1.8.1、组合探针切换机构真空穿透组件密封盖板1.8.2、组合探针切换机构真空穿透组件密封法兰1.8.3、组合探针切换机构真空穿透组件第一O形圈1.8.4、组合探针切换机构真空穿透组件第二O形圈1.8.5和组合探针切换机构真空穿透组件第三O形圈1.8.6，组合探针切换机构真空穿透接口1.8.1用于接收扫描探针显微镜4的腔体4.2外输入的组合探针切换信号，并将信号传入组合探针切换机构2，从而驱动组合探针切换机构2摆动，组合探针切换机构真空穿透接口1.8.1通过螺纹与组合探针切换机构真空穿透组件密封盖板1.8.2相连接，其间设置有组合探针切换机构真空穿透组件第一O形圈1.8.4，组合探针切换机构真空穿透组件密封盖板1.8.2通过螺钉与组合探针切换机构真空穿透组件密封法兰1.8.3相连接，其间设置有组合探针切换机构真空穿透组件第二O形圈1.8.5，组合探针切换机构真空穿透组件密封法兰1.8.3通过螺钉与主盖体1.1相连接，其间设置有组合探针切换机构真空穿透组件第三O形圈1.8.6，组合探针切换机构真空穿透组件第一O形圈1.8.4、组合探针切换机构真空穿透组件第二O形圈1.8.5和组合探针切换机构真空穿透组件第三O形圈1.8.6用于形成静密封，保证扫描探针显微镜4的腔体4.2内外部空间的密封。

走线槽1.9和储线槽1.10设置在主盖体1.1靠近扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面，走线槽1.9连接在储线槽1.10，储线槽1.10连接在组合探针切换机构真空穿透组件1.8，储线槽盖板1.11通过螺钉安装在主盖体1.1靠近扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面，并将储线槽1.10靠近扫描探针显微镜4的腔体4.1的一面封闭。

请参照图8，组合探针切换机构2包括组合探针切换机构接口2.1、组合探针切换机构接线2.2和组合探针切换机构执行器2.3，组合探针切换机构接口2.1连接在组合探针切换机构真空穿透组件1.8的组合探针切换机构真空穿透接口1.8.1，用于将组合探针切换信号传入组合探针切换机构2，组合探针切换机构接线2.2通过走线槽1.9，再通过储线槽1.10与储线槽盖板1.11间的空间，组合探针切换机构接线2.2连接组合探针切换机构接口2.1和组合探针切换机构执行器2.3，用于将组合探针切换信号传入组合探针切换机构执行器2.3，组合探针切换机构执行器2.3用于安装组合探针3，并在组合探针切换信号驱动下摆动，驱动组合探针水平摆动，从而调整组合探针3到目标位置。

请参照图9和图10，组合探针3包括普通探针针架3.1、普通探针弹性压片3.2、普通探针3.3、组合探针连接块3.4、探针激振组件3.5、多模式探针针架3.6、多模式探针弹性压片3.7和多模式探针3.8，普通探针针架3.1通过螺钉安装在组合探针切换机构2的组合探针切换机构执行器2.3，从而使组合探针3安装在组合探针切换机构2，普通探针弹性压片3.2通过螺钉连接在普通探针针架3.1，普通探针3.3被压紧在普通探针弹性压片3.2与普通探针针架3.1之间，从而使普通探针3.3安装在普通探针针架3.1，组合探针连接块3.4安装在普通探针针架3.1，探针激励组件3.5连接在组合探针连接块3.4，多模式探针针架3.6连接在探针激振组件3.5，多模式探针弹性压片3.7通过螺钉连接在多模式探针针架3.6，多模式探针3.8被压紧在多模式探针针架3.6和多模式探针弹性压片3.7之间，从而使多模式探针3.8安装在多模式探针针架3.6。

普通探针针架3.1包括第一普通探针3.1.1安装位、第二普通探针安装位3.1.2、第三普通探针安装位3.1.3和组合探针连接块安装位3.1.4，普通探针弹性压片3.2包括第一普通探针弹性压片3.2.1、第二普通探针弹性压片3.2.2、第三普通探针弹性压片3.2.3，普通探针3.3包括第一普通探针3.3.1、第二普通探针3.3.2和第三普通探针3.3.3，普通探针弹性压片3.2通过螺钉连接在普通探针针架3.1，具体为第一普通探针弹性压片3.2.1通过螺钉连接在第一普通探针安装位3.1.1，第二普通探针弹性压片3.2.2通过螺钉连接在第二普通探针安装位3.1.2，第三普通探针弹性压片3.2.3通过螺钉连接在第三普通探针安装位3.1.3，普通探针3.3安装在普通探针安装位3.1，具体为第一普通探针3.3.1安装在第一普通探针安装位3.1.1，第二普通探针3.3.2安装在第二普通探针安装位3.1.2，第三普通探针3.3.3安装在第三普通探针安装位3.1.3，组合探针连接块3.4通过螺钉连接在组合探针连接块安装位3.1.4，从而组合探针连接块3.4安装在普通探针针架3.1。

探针激振组件3.5包括压电陶瓷片3.5.1、探针激振组件输入电极3.5.2和探针激振组件接地电极3.5.3，压电陶瓷片3.5.1以固有频率振动，探针激振组件输入电极3.5.2与腔体上盖1的第一腔体上盖触点1.7.1通过导线连接，探针激振组件接地电极3.5.3与腔体上盖1的第二腔体上盖触点1.7.2通过导线连接，压电陶瓷片3.5.1以固有频率振动时会驱动多模式探针针架3.6以固有频率振动，进而带动多模式探针3.8以固有频率振动，多模式探针针架3.6与腔体上盖1的第三腔体上盖触点1.7.3通过导线连接，进而经过多模式探针针架3.6对多模式探针3.8施加电压，以检测或调整多模式探针3.8振动状态，或在多模式探针3.8与样品5接触时检测微小电流。

本发明的具体操作步骤为：

首先，在实验前进行准备工作，将样品5安装在扫描探针显微镜4的腔体4.1，然后将腔体上盖1连接至扫描探针显微镜4，并设置扫描探针显微镜4的腔体4.1内的环境，如抽真空或通入气氛；接着，第一次测试中，首先通过组合探针切换机构2摆动，调整组合探针3到适当位置，接着利用组合探针3并通过扫描探针显微镜4对样品5进行表面测试；再接着，随后的每一次测试中，便可根据需求，重复上一步的步骤，对样品5进行多模式的探测；最后，将扫描探针显微镜4的腔体4.1内的环境恢复至大气环境，便可取下腔体上盖1，将样品5从扫描探针显微镜4的腔体4.1取出。

综上所述，本发明实例在真空或气氛环境下实现多模式组合探针原位高效切换时，首先将该装置安装在扫描探针显微镜上，设置真空或气氛环境，然后组合探针切换机构摆动，驱动组合探针依次到目标位置，对样品进行多模式原位测试，该装置解决了现有扫描探针显微镜的不足，避免切换探针时破坏实验环境，支持多模式原位测试，通过电磁测试模式测试或改变样品表面电磁类物理量，通过轻敲模式无损测量样品表面形貌，尤其适用于软样品，通过摩擦力模式测试样品表面摩擦磨损，采用摆动式设计，减小装置体积，节约腔体空间，增加装置通用性。

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 (9)

1.应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，包括腔体上盖、组合探针切换机构和组合探针，所述腔体上盖安装在扫描探针显微镜的腔体，组合探针切换机构安装在腔体上盖，组合探针安装在组合探针切换机构，通过组合探针切换机构摆动，驱动组合探针水平摆动，从而调整组合探针到目标位置，检测到样品表面的物理量，并将得到的检测信号传递到扫描显微镜；

所述腔体上盖包括主盖体、腔体上盖安装组件、腔体上盖密封槽、组合探针切换机构安装位、激光盒安装位、光窗、腔体上盖触点、组合探针切换机构真空穿透组件、走线槽、储线槽和储线槽盖板，所述主盖体为盘状结构，其两端设置有腔体上盖安装组件，包括连接板和手拧螺丝，连接板通过螺钉连接在主盖体，连接板设置有手拧螺丝安装通孔，手拧螺丝穿过手拧螺丝安装通孔连接在扫描探针显微镜的腔体，从而使腔体上盖安装在扫描探针显微镜，腔体上盖密封槽设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，用于在腔体上盖安装在扫描探针显微镜时形成静密封，保证扫描探针显微镜的腔体内外部空间的密封，组合探针切换机构安装位设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，组合探针切换机构安装位包括组合探针切换机构安装位凹槽和组合探针切换机构安装位压块，组合探针切换机构安装位凹槽为一矩形凹槽，用于置入组合探针切换机构，组合探针切换机构安装位压块通过螺钉连接在主盖体，组合探针切换机构被压紧在组合探针切换机构安装位凹槽和组合探针切换机构安装位压块之间，从而使组合探针切换机构安装在腔体上盖，激光盒安装位设置在主盖体远离扫描探针显微镜的腔体的一面，激光盒安装位包括激光盒定位块和激光盒安装螺纹孔，激光盒定位块通过螺钉连接在主盖体，扫描探针显微镜的激光盒侧面贴附在激光盒定位块，并通过螺纹连接在激光盒安装螺纹孔，从而使扫描探针显微镜的激光盒安装在腔体上盖，光窗设置在主盖体中部，并贯穿主盖体两侧，光窗包括透光玻璃安装位和透光玻璃，透光玻璃安装位外围为一矩形凹槽，矩形凹槽内部设置有矩形通孔，透光玻璃安装在透光玻璃安装位的矩形凹槽，并将透光玻璃安装位的矩形通孔封闭。

2.根据权利要求1所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述腔体上盖触点设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，腔体上盖触点包括第一腔体上盖触点、第二腔体上盖触点和第三腔体上盖触点，第一腔体上盖触点、第二腔体上盖触点和第三腔体上盖触点结构相同，分别包括绝缘底座和导电铜柱，腔体上盖触点与组合探针通过导线连接，用于将检测信号由组合探针传递至扫描探针显微镜。

3.根据权利要求1所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述组合探针切换机构真空穿透组件设置在主盖体远离扫描探针显微镜的腔体的一面，其用于传递组合探针切换信号以驱动组合探针切换机构摆动，并保证扫描探针显微镜的腔体内外部空间的密封。

4.根据权利要求1所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述走线槽和储线槽设置在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，走线槽连接在储线槽，储线槽连接在组合探针切换机构真空穿透组件，储线槽盖板通过螺钉安装在主盖体靠近扫描探针显微镜的腔体的一面，并将储线槽靠近扫描探针显微镜的腔体的一面封闭。

5.根据权利要求1所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述组合探针切换机构包括组合探针切换机构接口、组合探针切换机构接线和组合探针切换机构执行器，组合探针切换机构接口连接在组合探针切换机构真空穿透组件的组合探针切换机构真空穿透接口，用于将组合探针切换信号传入组合探针切换机构，组合探针切换机构接线通过走线槽，再通过储线槽与储线槽盖板间的空间，组合探针切换机构接线连接组合探针切换机构接口和组合探针切换机构执行器，用于将组合探针切换信号传入组合探针切换机构执行器，组合探针切换机构执行器用于安装组合探针，并在组合探针切换信号驱动下摆动，驱动组合探针水平摆动，从而调整组合探针到目标位置。

6.根据权利要求1所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述组合探针包括普通探针针架、普通探针弹性压片、普通探针、组合探针连接块、探针激振组件、多模式探针针架、多模式探针弹性压片和多模式探针，普通探针针架通过螺钉安装在组合探针切换机构的组合探针切换机构执行器，从而使组合探针安装在组合探针切换机构，普通探针弹性压片通过螺钉连接在普通探针针架，普通探针被压紧在普通探针弹性压片与普通探针针架之间，从而使普通探针安装在普通探针针架，组合探针连接块安装在普通探针针架，探针激励组件连接在组合探针连接块，多模式探针针架连接在探针激振组件，多模式探针弹性压片通过螺钉连接在多模式探针针架，多模式探针被压紧在多模式探针针架和多模式探针弹性压片之间，从而使多模式探针安装在多模式探针针架。

7.根据权利要求6所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述普通探针针架包括第一普通探针安装位、第二普通探针安装位、第三普通探针安装位和组合探针连接块安装位，普通探针弹性压片包括第一普通探针弹性压片、第二普通探针弹性压片、第三普通探针弹性压片，普通探针包括第一普通探针、第二普通探针和第三普通探针，普通探针弹性压片通过螺钉连接在普通探针针架，具体为第一普通探针弹性压片通过螺钉连接在第一普通探针安装位，第二普通探针弹性压片通过螺钉连接在第二普通探针安装位，第三普通探针弹性压片通过螺钉连接在第三普通探针安装位，普通探针安装在普通探针安装位，具体为第一普通探针安装在第一普通探针安装位，第二普通探针安装在第二普通探针安装位，第三普通探针安装在第三普通探针安装位，组合探针连接块通过螺钉连接在组合探针连接块安装位，从而组合探针连接块安装在普通探针针架。

8.根据权利要求6所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述探针激振组件包括压电陶瓷片、探针激振组件输入电极和探针激振组件接地电极，压电陶瓷片以固有频率振动，探针激振组件输入电极与腔体上盖的第一腔体上盖触点通过导线连接，探针激振组件接地电极与腔体上盖的第二腔体上盖触点通过导线连接，压电陶瓷片以固有频率振动时会驱动多模式探针针架以固有频率振动，进而带动多模式探针以固有频率振动，多模式探针针架与腔体上盖的第三腔体上盖触点通过导线连接，进而经过多模式探针针架对多模式探针施加电压，以检测或调整多模式探针振动状态，或在多模式探针与样品接触时检测微小电流。

9.根据权利要求1所述的应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，其特征在于，所述利用该装置在真空或气氛环境下实现多模式组合探针原位高效切换时，首先将该装置安装在扫描探针显微镜上，设置真空或气氛环境，然后组合探针切换机构摆动，驱动组合探针依次到目标位置，对样品进行多模式原位测试。

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