CN113406360B - 嵌套式扫描探针显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌套式扫描探针显微镜，包括壳体，还包括沿一轴向依次同轴套设的步进马达、绝缘管、绝缘配重框以及扫描头；步进马达安装于壳体内壁，绝缘管周向设置于步进马达内壁上；绝缘配重框的外壁与绝缘管之间设有弹性件，绝缘配重框通过弹性件受力与绝缘管内壁滑动配合；扫描头安装于绝缘配重框上且具有一测试端，测试端包括用于扫描样品的探针；步进马达用以驱动绝缘配重框及扫描头沿轴向步进。该嵌套式扫描探针显微镜能够实现结构紧凑、体积小、空间利用率高的效果，且具有抗干扰、高度对称性特点，能够减少温度变化引起的热漂移，提高扫描成像的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种扫描探针显微镜技术领域，尤其涉及一种嵌套式扫描探针显微镜。
背景技术
扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)，因其具有独特优异的微观表征能力在各研究领域得到了广泛应用，成为探索微观世界的重要工具，同时还是人们操纵和改造原子、分子的重要手段。随着科学技术的发展，SPM应用场景的扩展，SPM结构也在逐步优化。而一款结构紧凑、刚性强、抗振动、体积小、热漂移小，空间利用率高尤其是压电材料利用率高的SPM镜体，成为科学家们不断探求的目标。
扫描探针显微镜通常包括三部分核心部件：步进马达、扫描头以及样品。所述扫描头用于携带探针在所述样品表面进行扫描，所述步进马达用于将所述扫描头推送至所述样品表面。所述步进马达多采用压电材料制成，压电步进马达种类繁多，其核心设计具有两种运动方式：一种是通过摩擦力或者惯性力驱动所述步进马达沿着z轴方向运动，其中z轴垂直于被测的所述样品表面，从而推动放置于所述步进马达前方的所述扫描头接近所述样品表面；另一种是通过横向惯性力甩动置于其上的重物块沿z轴运动，从而带动重物块上的扫描头接近样品表面。上述任一种方式，步进马达和扫描头都独立占据了一定的空间，而步进马达内部空间浪费严重，例如惯性马达是由一根中空的压电扫描管制成，内部空间几乎全部浪费，导致SPM结构不够紧凑，刚性减弱，马达步进方向空间占用大等问题。
在申请号为201711188898.X的中国专利申请中，提出了一种双压电管嵌套机械并联稳定扫描器，利用两个压电管共轴嵌套形成壁厚增加、稳定性增强的扫描头。在申请号为201010254442.0的中国专利申请中，提出了一种嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器与步进扫描器涉及压电步进器，利用两个压电管共轴嵌套实现大推力、高精度的三摩擦力步进马达。但上述已知专利均未解决马达步进方向空间占用大的问题。
发明内容
发明目的：提供一种结构紧凑、体积小及空间占用率高的能够提高扫描质量的嵌套式扫描探针显微镜。
技术方案：一种嵌套式扫描探针显微镜，包括壳体，还包括沿一轴向依次同轴套设的所述步进马达、绝缘管、绝缘配重框以及扫描头；其中，所述步进马达安装于所述壳体内壁，所述绝缘管周向设置于所述步进马达内壁上；所述绝缘配重框的外壁与所述绝缘管之间设有弹性件，所述绝缘配重框通过所述弹性件受力与所述绝缘管内壁滑动配合；所述扫描头安装于所述绝缘配重框上且具有一测试端，所述测试端包括用于扫描样品的探针；所述步进马达用以驱动所述绝缘配重框及所述扫描头沿所述轴向步进。
优选的，所述步进马达具有相对设置的一固定端和一自由端；所述绝缘管周向设置于所述自由端的内壁上；所述绝缘配重框包括连接部和滑动部，所述滑动部通过所述弹性件沿所述轴向滑动配合于所述绝缘管内；所述扫描头安装于所述连接部上。所述绝缘配重框起绝缘作用且具有配重功效以增加惯性力。
优选的，所述扫描头的测试端对应所述自由端。
优选的，样品位于所述自由端一侧并与所述探针间隔设置。
优选的，所述探针设置于所述自由端一侧并与样品间隔设置，用以使所述探针更换方便。
优选的，所述扫描头的测试端对应所述固定端，样品位于所述固定端。
优选的，所述步进马达为压电管、由多个压电片堆叠而成的压电堆栈中的任一种。
优选的，所述步进马达为三摩擦力步进马达，所述绝缘管周向均匀设置于所述三摩擦力步进马达内壁上。
优选的，所述步进马达外壁与所述壳体固定连接；所述绝缘管与所述步进马达内壁固定连接；所述扫描头与所述绝缘配重框固定连接。
有益效果：本发明与现有技术相比，其具有的优点：
1、该嵌套式扫描探针显微镜采用步进马达、绝缘配重框、绝缘管、扫描头同轴嵌套的结构设计，实现其结构紧凑、体积小、空间利用率高的效果，且其具有抗干扰、高度对称性，减少温度变化引起的热漂移，提高扫描成像的质量；
2、步进马达采用压电管、压电堆栈或三摩擦力步进马达中的任一种用以满足不同的需求，例如刚性需求、推力需求以及精度需求；
3、该嵌套式扫描探针显微镜结构种类多样，适用性更广，且能够实现精确步进，稳定性高。
附图说明
图1为实施例一的嵌套式扫描探针显微镜的结构示意图；
图2为实施例二的嵌套式扫描探针显微镜的结构示意图；
图3为实施例三的嵌套式扫描探针显微镜的结构示意图；
图4为实施例四的嵌套式扫描探针显微镜的结构示意图；
图5为实施例五的嵌套式扫描探针显微镜的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明提供的技术方案做详细说明。
如图1所示为实施例一，所述嵌套式扫描探针显微镜包括一壳体1，还包括沿一轴向依次同轴套设的步进马达、绝缘管3、绝缘配重框4以及扫描头5。
所述步进马达为压电管2，所述压电管2为空心管状结构件，所述压电管2具有相对的一固定端10和一自由端11，所述绝缘管3绕所述轴向呈周向设置于所述自由端11内壁上，所述固定端10的外壁通过固定块6粘结固定于所述壳体1上。
所述绝缘管3粘结固定于所述自由端11上；在所述绝缘管3的内壁与所述绝缘配重框4的外壁之间设置有弹性件7，所述绝缘配重框4通过所述弹性件7受力时的弹力相对于所述绝缘管3内壁进行上、下滑动，所述弹性件7为弹簧片，所述弹簧片与所述绝缘配重框4之间的弹性相压为点接触或线接触。在所述绝缘配重框4内安装有所述扫描头5，所述扫描头5背离所述绝缘配重框4的一端为测试端50，所述测试端50包括用以对样品8进行扫描的探针9，样品8设置于一载台12上，所述探针9安装于所述测试端5上。
所述绝缘配重框4包括连接部41和滑动部42，所述滑动部42通过所述弹性件7沿所述轴向滑动配合于所述绝缘管3内；所述连接部41对应于所述固定端10；所述扫描头5安装于所述连接部41上，所述扫描头5的一端粘结于所述连接部41上，所述扫描头5的所述测试端50为自由端且对应于所述自由端11。
所述绝缘管3用于将所述压电管2与所述绝缘配重框4内的所述扫描头5及其探针9隔开以起到绝缘功能，用以防止所述压电管2漏电影响所述探针9扫描成像的品质。所述绝缘管3还相当于一滑动导轨，所述绝缘配重框4通过所述弹性件7与所述绝缘管3发生相对滑动。
所述绝缘配重框4为绝缘结构件，所述绝缘配重框4起绝缘作用，其自身质量较大，具有配重功效，从而增加了惯性力，能够更加顺滑地相对所述绝缘管3移动。
所述压电管2具有时序控制信号包括缓变信号及其后的反极性脉冲信号，该时序控制信号重复性设置，以使所述绝缘配重框4及所述扫描头5发生重复性步进直至所述探针9粗逼近样品8时，所述探针9对样品8表面进行扫描。
所述嵌套式扫描探针显微镜工作时，利用缓变信号驱动所述压电管2缓慢伸长，所述压电管2的自由端11能够沿所述轴向也即沿其伸缩方向缓慢地带动所述绝缘配重框4以及所述扫描头5一起伸长，然后利用反极性脉冲信号即反向电压驱动信号驱动所述压电管2快速收缩。由于惯性力的存在，所述绝缘配重框4、所述扫描头5以及所述探针9相对于所述绝缘管3和所述弹性件7向下移动了一段距离，即向样品8发生一次步进；重复以上步骤，可实现所述扫描头5带动所述探针9向样品8方向的粗逼近；当所述探针9到达样品8的表面后，所述扫描头5通过所述探针9在样品8的表面进行扫描。
如图2所示为实施例二，与所述实施例一的不同之处在于，所述探针9与样品8的位置互换，即，样品8位于所述测试端50上，所述探针9设置于所述载台12上。该实施例二能够方便所述探针9的更换，且可以实施例一中处于垂直方向工作的嵌套式扫描探针显微镜通过倒置形成纵横转置的镜体结构，使该嵌套式扫描探针显微镜处于水平方向工作，以适应在特殊环境下对样品8进行扫描。
如图3所示为实施例三，与上述实施例一和实施例二的不同之处在于，所述绝缘配重框4的所述连接部41对应于所述压电管2的所述自由端11，所述扫描头5的所述测试端50对应于所述压电管2的所述固定端10，所述载台12安装于所述固定端10，所述探针9安装于所述测试端50上，样品8粘结固定于所述载台12上。通过使所述压电管2的所述自由端11缓慢收缩，然后快速伸长，由于惯性力，所述绝缘配重框4带动所述扫描头5向上移动一步，逐渐逼近样品8的表面。当所述探针9到达样品8的表面后，所述扫描头5通过控制信号可以带动所述探针9在样品8的表面进行扫描。
如图4所示为实施例四，与上述实施例一、实施例二以及实施例三的不同之处在于，所述步进马达不采用所述压电管2，而是由多个压电片堆叠形成的压电堆栈22来实现步进驱动，所述压电堆栈22驱动下的该嵌套式扫描探针显微镜与实施例一的工作方式相同，利用所述压电堆栈22能够提供较大的推力，稳定性高。
如图5所示为实施例五，所述步进马达为三摩擦力步进马达23，需将所述三摩擦力步进马达23分割为多个电极20，所述绝缘管3周向均匀设置于所述三摩擦力步进马达23内壁上，所述绝缘管3内壁与所述绝缘配重框4之间均匀设置有弹性件7，利用所述三摩擦力步进马达23可实现大推力、高精度的效果。
本发明通过将所述扫描头5嵌套至所述步进马达内，利用了步进马达内部空间，减少了该显微镜轴向上的长度，增加了所述嵌套式扫描探针显微镜的空间利用率，且增加了整个嵌套式扫描探针显微镜的紧凑性和刚性，结构紧凑更加抗干扰，能够实现精确步进，且具有高度对称性，能较大地减少温度变化引起的热漂移和电涨落，减小了整个嵌套式扫描探针显微镜的体积，提高扫描成像的质量。
Claims (9)
1.一种嵌套式扫描探针显微镜，包括壳体(1)，其特征在于，还包括沿一轴向依次同轴套设的步进马达、绝缘管(3)、绝缘配重框(4)以及扫描头(5)；其中，
所述步进马达安装于所述壳体内壁，所述绝缘管周向设置于所述步进马达内壁上；所述绝缘配重框的外壁与所述绝缘管之间设有弹性件(7)，所述绝缘配重框通过所述弹性件受力与所述绝缘管内壁滑动配合；所述扫描头安装于所述绝缘配重框上且具有一测试端(50)，所述测试端包括用于扫描样品的探针(9)；
所述步进马达用以驱动所述绝缘配重框及所述扫描头沿所述轴向步进。
2.根据权利要求1所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，所述步进马达具有相对设置的一固定端(10)和一自由端(11)；所述绝缘管周向设置于所述自由端的内壁上；所述绝缘配重框包括连接部(41)和滑动部(42)，所述滑动部通过所述弹性件沿所述轴向滑动配合于所述绝缘管内；所述扫描头安装于所述连接部上。
3.根据权利要求2所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，所述扫描头的测试端对应所述自由端。
4.根据权利要求3所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，样品位于所述自由端一侧并与所述探针间隔设置。
5.根据权利要求3所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，所述探针位于所述自由端一侧并与样品间隔设置。
6.根据权利要求2所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，所述扫描头的测试端对应所述固定端，样品位于所述固定端。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，所述步进马达为压电管、由多个压电片堆叠而成的压电堆栈中的任一种。
8.根据权利要求1所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，所述步进马达为三摩擦力步进马达，所述绝缘管周向均匀设置于所述步进马达内壁上。
9.根据权利要求1所述的嵌套式扫描探针显微镜，其特征在于，所述步进马达外壁与所述壳体固定连接；所述绝缘管与所述步进马达内壁固定连接；所述扫描头与所述绝缘配重框固定连接。
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