CN218824367U - Z向粗定位组件及采用该z向粗定位组件的原子力显微镜 - Google Patents

Abstract

本申请涉及高精度表面形貌测量仪器领域，更具体地，涉及一种Z向粗定位组件及采用该Z向粗定位组件的原子力显微镜。在本申请的一些实施例中，与固定件连接的测头连接件设置于固定件的重心线上，减小了测头与固定件之间的Z向相对振动，进而减小或消除了探针针尖与样品表面之间存在的Z向相对振动，提高了原子力显微镜测出的样品表面的Z向高度的准确性。在本申请一些实施例中，在测头连接件位于固定件的重心线上时，测头连接件与固定件作为整体其重心降低，更靠近原子力显微镜的重心，测头连接件与固定件作为整体其重心降低，具有更好的稳定性。

Description

Z向粗定位组件及采用该Z向粗定位组件的原子力显微镜

技术领域

本申请涉及高精度表面形貌测量仪器领域，更具体地，涉及一种Z向粗定位组件及采用该Z向粗定位组件的原子力显微镜。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，通过检测待测样品表面和一个微探针之间的微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。原子力显微镜通常具有X向、Y向、Z向三组粗定位机构，粗定位完成后探针沿样品表面扫描运动，针尖相对于样品的运动轨迹即反映样品的表面形貌。安装于原子力显微镜测头底部的探针由微悬臂梁和悬臂梁自由端的针尖组成。针尖受到样品表面作用力时，微悬臂发生Z向偏转，进而改变打在悬臂梁上的激光束的反射角，通过检测反射光在光电探测器上的位移，即可获得样品的表面信息。图1为一种设计方案的原子力显微镜中固定件与测头连接件的俯视位置关系示意图，如图1所示，位移件安装在龙门框架的横梁正中的前侧面，测头挂在位移件的前侧面，即测头相对于龙门框架的横梁向前方悬出。当环境因素导致龙门框架出现前后俯仰振动或上下振动时，测头均会随之出现Z向振动，由于测头向前伸出形成悬臂结构，位于测头底部的悬臂梁探针会进一步放大这种振动，使得针尖与样品之间产生较大的Z向相对运动。这种由环境振动引起的探针Z向运动和样品本身形貌起伏带来的探针Z向偏转叠加，导致原子力显微镜的Z向高度测量存在较大噪声。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种Z向粗定位组件以及原子力显微镜，以解决现有技术中一个或多个技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请的实施例提供了一种原子力显微镜的Z向粗定位组件，Z向粗定位组件包括：

固定件，所述固定件的底端用于与原子力显微镜的基座连接；

位移件，所述位移件与所述固定件连接以被所述固定件固定，所述位移件与Z向致动件连接以被所述Z向致动件驱动以在Z向移动；

测头连接件，与所述位移件连接，且所述测头连接件用于与测头连接；

所述位移件被所述Z向致动件驱动时，所述位移件带动所述测头连接件在Z向运动；所述测头连接件位于所述固定件的重心线上，以减小或消除所述测头的探针针尖与被测的样品表面之间的Z向相对振动。

在一些实施例中，所述测头连接件的重心线与所述固定件的所述重心线重合，以减小或消除所述测头的探针针尖与被测的样品表面之间的Z向相对振动。

在一些实施例中，所述固定件包括：

相互分离的第一固定件与第二固定件；

所述第一固定件与所述第二固定件在Y向对称设置，所述测头连接件设置于所述第一固定件与所述第二固定件之间。

在一些实施例中，所述位移件包括：

相互分离的第一位移件与第二位移件；

所述第一位移件与所述第二位移件在Y向对称设置，所述第一位移件与所述第一固定件连接以被所述第一固定件固定，所述第二位移件与所述第二固定件连接以被所述第二固定件固定。

在一些实施例中，所述第一位移件与所述Z向致动件连接，所述第一位移件被所述Z向致动件驱动时，所述第一位移件带动所述测头连接件在Z向运动；或

所述第二位移件与所述Z向致动件连接，所述第二位移件被所述Z向致动件驱动时，所述第二位移件带动所述测头连接件在Z向运动；或

所述第一位移件、所述第二位移件均与所述Z向致动件连接，所述第一位移件、所述第二位移件被所述Z向致动件驱动时，所述第一位移件、所述第二位移件带动所述测头连接件在Z向运动。

在一些实施例中，所述位移件包括滑轨和滑动平台，所述滑轨与所述固定件连接以被所述固定件固定，所述滑轨与所述Z向致动件连接以被所述Z向致动件驱动；

所述滑动平台分别与所述滑轨、所述测头连接件连接；

所述滑轨被所述Z向致动件驱动时，所述滑轨带动所述滑动平台以及与所述滑动平台连接的所述测头连接件在Z向运动。

在一些实施例中，所述第一位移件包括第一滑轨和第一滑动平台，所述第一滑轨与所述第一固定件连接以被所述第一固定件固定，所述第一滑轨与所述Z向致动件连接以被所述Z向致动件驱动；

所述第二位移件包括第二滑轨和第二滑动平台，所述第二滑轨与所述第二固定件连接以被所述第二固定件固定；

所述第一滑动平台分别与所述第一滑轨、所述测头连接件连接，所述第二滑动平台分别与所述第二滑轨、所述测头连接件连接；

所述第一滑轨与所述Z向致动件连接，以被所述Z向致动件驱动；所述第一滑轨被所述Z向致动件驱动时，所述第一滑轨带动所述第一滑动平台以及与所述第一滑动平台连接的所述测头连接件在Z向运动。

在一些实施例中，所述滑动平台包括在Y向对称设置的第一滑动平台与第二滑动平台，所述第一滑动平台和所述第二滑动平台连接分别与所述测头连接件在Y向的两个相对的侧面连接，以将所述测头连接件的运动方向限定于Z向。

在一些实施例中，所述测头连接件底端设有沿X向延伸的凹槽，所述测头顶部设置有X向移动块，所述X向移动块嵌入所述凹槽内以提供所述测头在X向的位移。

第二方面，本申请的实施例提供了一种包括第一方面中任一实现方式Z向粗定位组件的原子力显微镜。

在一些实施例中，原子力显微镜，包括：

基座；

Z向粗定位组件，所述Z向粗定位组件包括：

固定件，所述固定件的底端用于与原子力显微镜的基座连接；

位移件，所述位移件与所述固定件连接以被所述固定件固定，所述位移件与Z向致动件连接以被所述Z向致动件驱动以在Z向移动；

测头连接件，与所述位移件连接，且所述测头连接件的底端用于与测头连接；

所述Z向粗定位组件位于所述基座的重心线上，以减小所述Z向粗定位组件与所述基座的Z向相对振动；

所述位移件被所述Z向致动件驱动时，所述位移件带动所述测头连接件在Z向运动；所述测头连接件位于所述固定件的重心线上，以减小或消除所述测头的探针针尖与被测的样品表面之间的Z向相对振动。

在一些实施例中，所述测头连接件底端设有沿X向延伸的凹槽，所述测头顶部设置有X向移动块，所述X向移动块嵌入所述凹槽内以提供所述测头在X向的位移。

在一些实施例中，所述固定件包括：

相互分离的第一固定件与第二固定件；

所述第一固定件与所述第二固定件在Y向对称设置，所述测头连接件设置于所述第一固定件与所述第二固定件之间。

在一些实施例中，所述位移件包括：

相互分离的第一位移件与第二位移件；

所述第一位移件与所述第二位移件在Y向对称设置，所述第一位移件与所述第一固定件连接以被所述第一固定件固定，所述第二位移件与所述第二固定件连接以被所述第二固定件固定。

在一些实施例中，所述第一位移件与所述Z向致动件连接，所述第一位移件被所述Z向致动件驱动时，所述第一位移件带动所述测头连接件在Z向运动；或

所述第二位移件与所述Z向致动件连接，所述第二位移件被所述Z向致动件驱动时，所述第二位移件带动所述测头连接件在Z向运动；或

所述第一位移件、所述第二位移件均与所述Z向致动件连接，所述第一位移件、所述第二位移件被所述Z向致动件驱动时，所述第一位移件、所述第二位移件带动所述测头连接件在Z向运动。

在一些实施例中，所述位移件包括滑轨和滑动平台，所述滑轨与所述固定件连接以被所述固定件固定，所述滑轨与所述Z向致动件连接以被所述Z向致动件驱动；

所述滑动平台分别与所述滑轨、所述测头连接件连接；

所述滑轨被所述Z向致动件驱动时，所述滑轨带动所述滑动平台以及与所述滑动平台连接的所述测头连接件在Z向运动。

在一些实施例中，所述第一位移件包括第一滑轨和第一滑动平台，所述第一滑轨与所述第一固定件连接以被所述第一固定件固定，所述第一滑轨与所述Z向致动件连接以被所述Z向致动件驱动；

所述第二位移件包括第二滑轨和第二滑动平台，所述第二滑轨与所述第二固定件连接以被所述第二固定件固定；

所述第一滑动平台分别与所述第一滑轨、所述测头连接件连接，所述第二滑动平台分别与所述第二滑轨、所述测头连接件连接；

所述第一滑轨与所述Z向致动件连接，以被所述Z向致动件驱动；所述第一滑轨被所述Z向致动件驱动时，所述第一滑轨带动所述第一滑动平台以及与所述第一滑动平台连接的所述测头连接件在Z向运动。

在一些实施例中，所述滑动平台包括在Y向对称设置的第一滑动平台与第二滑动平台，所述第一滑动平台和所述第二滑动平台连接分别与所述测头连接件在Y向的两个相对的侧面连接，以将所述测头连接件的运动方向限定于Z向。

在一些实施例中，测头连接件在Y向对称设置，所述测头连接件在Y向的左侧面与右侧面分别与所述第一位移件、所述第二位移件连接，以减小所述测头连接件与被测的样品表面之间的Z向相对振动。

第三方面，本申请的第三方面的实施例还提供一种第二方面任一技术方案原子力显微镜的安装方法。在一些实施例中，原子力显微镜的安装方法包括：

基座放置在隔振台的中间位置；

相互分离的第一龙门框架与第二龙门框架组成的龙门框架放置于基座的中间位置；

样品放置平台放置于第一龙门框架与第二龙门框架之间的中间位置。

本申请一些实施例带来的有益效果是：本申请将与固定件连接的测头连接件设置于固定件的重心线上，减小了测头与固定件之间的Z向相对振动，进而减小或消除了探针针尖与样品表面之间存在的Z向相对振动，提高了原子力显微镜测出的样品表面的Z向高度的准确性。

在本申请一些实施例中，在测头连接件位于固定件的重心线上时，测头连接件与固定件作为整体其重心降低，更靠近原子力显微镜的重心，减小或消除了测头与原子力显微镜之间的Z向相对振动，减小或消除了探针针尖与样品表面之间存在Z向相对振动，提高了原子力显微镜测出的样品表面的Z向高度的准确性。测头连接件与固定件作为整体其重心降低，具有更好的稳定性。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其他特征将通过以下的说明书而变得容易理解。根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例，附图用于更好地理解本方案，不构成对本申请的限定。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为一种设计方案的原子力显微镜中固定件与测头连接件的俯视位置关系示意图；

图2为本申请一些实施例固定件与测头连接件的俯视位置关系示意图；

图3为固定件与测头连接件在不同位置关系时探针与固定件重心距离的示意图；

图4为本申请一些实施例基座、固定件及测头连接件的俯视位置关系示意图；

图5为本申请一些实施例固定件、位移件以及测头连接件的位置关系示意图；

图6为本申请一些实施例固定件与测头连接件的位置关系示意图；

图7为一种设计方案的原子力显微镜与本申请一些实施例原子力显微镜的结构对比示意图；

图8为图7的侧视图；

图9为本申请一些实施例涉及的原子力显微镜俯视示意图；

图10为本申请一些实施例固定件、位移件、测头连接件、测头的连接关系示意图；

图11为本申请一些实施例Z向致动件、第一固定件、第一位移件的连接关系示意图；

图12为本申请一些实施例Z向致动件、第二固定件、第二位移件的连接关系示意图；

图13为本申请一些实施例测头连接件的结构示意图；

图14为本申请一些实施例测头的结构示意图；

图15为本申请一些实施例测头连接件与测头的连接关系示意图；

图16为一种设计方案的原子力显微镜与本申请一些实施例原子力显微镜的模拟仿真对比示意图；

图17为本申请一些实施例原子力显微镜的安装方法的流程示意图。

主要元件符号说明：

1-原子力显微镜；

10-Z向粗定位组件；

100-固定件，110-第一固定件，120-第二固定件；

200-位移件，210-第一位移件，210a-第一滑轨，210b-第一滑动平台，220-第二位移件，220a-第二滑轨，220b-第二滑动平台；

300-测头连接件，310-凹槽；

400-测头，410-探针，420-X向移动块；

20-基座；

30-Z向致动件；

TS-样品表面，G-固定件重心，

S1-测头连接件位于固定件的重心线上时探针针尖与固定件重心的距离；

S2-测头连接件位于固定件的前侧面时探针针尖与固定件重心的距离。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，其中包括本申请实施例的许多细节以助于理解，所描述的实施例仅为本申请的可能的技术实现，应当将它们认为仅仅是示范性的，并非全部实现可能。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了部分对公知功能和结构的描述。

本申请的说明书和权利要求书中的“第一”、“第二”等术语是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。本申请中“或/和”、“和/或”表示对象至少为其中之一，“或”表述对象为其中之一。术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

本申请中，重心线是通过重心点所引的垂直线。本申请以行业内的通用表述为基准叙述方位，X向为前侧面与后侧面的方向、Y向为左侧面与右侧面的方向、Z向是上侧面与下侧面的方向，本申请中关于方位的描述，主要作用是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。若无特别说明，本申请中样品表面TS设置于固定件100的重心线上、或/和Z向粗定位组件10的重心线上、或/和基座20的重心线上，可以根据涉及的具体描述内容加以区分。在本申请描述中，固定件100可以为龙门框架，当然固定件100也可以为其他的对位移件200起到支撑作用的合适结构。

一般地，原子力显微镜1的测头连接件300连接有测头400，测头400包括微悬臂以及探针410，原子力显微镜1在工作时,微悬臂的一端固定,另一端安装探针410，探针410用于对样品扫描。微悬臂对探针410与样品表面TS的作用力敏感，微悬臂受力偏折会引起由激光源发出的激光束经微悬臂反射后发生位移，进而获得包括样品的表面结构在内的表面特性。

图1为一种设计方案的固定件100与测头连接件300的俯视位置关系示意图，如图1所示，位移件200安装在龙门框架的横梁正中的前侧面，测头400挂在位移件200的前侧面，即测头400相对于龙门框架的横梁向前方悬出。发明人发现，当龙门框架出现前后俯仰振动或上下振动时，测头400均会随之出现Z向振动。并且由于探针410末端与微悬臂固定，探针针尖为自由端，导致探针针尖处的振动放大，探针针尖与样品表面TS之间产生了Z向相对振动。虽然通过设置隔振台可以有效减小外部原因引起的微悬臂振动，但发明人发现同时也发现隔震台对低频振动的衰减效果较差，达不到减小探针针尖与样品表面TS在Z向相对振动的效果。在这种情况下，由于样品表面TS作用力与Z向振动叠加共同形成了探针410的位移，导致激光束经微悬臂反射后发生的位移并非仅由样品表面TS的作用力产生，进而导致原子力显微镜1测出的样品的Z向高度出现误差。

基于如上考虑，本申请提供一种重新设计的原子力显微镜1的Z向粗定位组件10，包括：

固定件100，固定件100的底端用于与原子力显微镜1的基座20连接。

位移件200，位移件200与固定件100连接以被固定件100固定，位移件200与Z向致动件30连接以被Z向致动件30驱动以在Z向移动。例如，Z向驱动件为Z向电机，位移件200在Z向电机的带动下在Z向移动。Z向驱动件也可以为丝杠，位移件200在丝杠的带动下在Z向移动。

测头连接件300，与位移件200连接，且测头连接件300用于与测头400连接。

位移件200被Z向致动件30驱动时，位移件200带动测头连接件300在Z向运动。图2为本申请一些实施例固定件100与测头连接件300的俯视位置关系示意图，如图2所示，测头连接件300位于固定件100的重心线上，以减小或消除测头400的探针针尖与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动。

图3为固定件100与测头连接件300在不同位置关系时探针410与固定件100重心距离的示意图。在对同一样品表面TS进行测量时，测头连接件位于固定件的重心线上时探针针尖与固定件重心的距离S1，小于测头连接件位于固定件的前侧面时探针针尖与固定件重心的距离S2。无约束装置或系统的振动在该装置或系统的重心附近最小，随着远离重心振动逐渐变大。本申请将与固定件100连接的测头连接件300设置于固定件100的重心线上，减小或消除了测头400与固定件100之间的Z向相对振动，这样就抑制了探针针尖在Z向的振动的增大，可以减小或消除探针针尖与样品表面TS之间存在的Z向相对振动，提高了原子力显微镜1测出的样品表面TS的Z向高度的准确性。需要说明的是，图3仅为示意性对比，在测头连接件300位于固定件100的重心线上时，测头连接件300与固定件100作为整体其重心降低，更靠近原子力显微镜1的重心，减小或消除了测头与原子力显微镜之间的Z向相对振动，减小或消除了探针针尖与样品表面TS之间存在的Z向相对振动，提高了原子力显微镜1测出的样品表面TS的Z向高度的准确性。测头连接件300与固定件100作为整体其重心降低，具有更好的稳定性。

图4为本申请一些实施例基座20、固定件100及测头连接件300的俯视位置关系示意图，其用于示出测头连接件300的重心线与固定件100的重心线重合，以减小或消除测头400的探针针尖与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动。同时也示出了Z向粗定位组件10位于基座20的重心线上。在测头连接件300位于固定件100的重心线后，与固定件100连接的部件作为整体其重心更低且位于基座20的重心线上，具有更好的稳定性，减小或消除了探针针尖与样品表面TS之间存在Z向相对振动，提高了原子力显微镜1测出的样品表面TS的Z向高度的准确性。

图5为本申请一些实施例固定件100、位移件200以及测头连接件300的位置关系示意图。与图2和图4不同，在图5所示实施例中，固定件100包括相互分离的第一固定件110与第二固定件120；第一固定件110与第二固定件120在Y向对称设置，测头连接件300设置于第一固定件110与第二固定件120之间。一方面，分离设置的第一固定件110与第二固定件120便于加工制造，且可以根据需要调节第一固定件110与第二固定件120之间的距离以便于安装测头连接件300。另一方面，第一固定件110与第二固定件120在Y向对称设置，目测即可找到由第一固定件110与第二固定件120组成的固定件100的重心线。便于调整第一固定件110与第二固定件120在基座20上的位置，可以方便的将固定件100的重心线与基座20的重心线重合。

图6为本申请一些实施例固定件100与测头连接件300的位置关系示意图，其中示出了固定件100包括相互分离的第一固定件110与第二固定件120，位移件200包括相互分离的第一位移件210和第二位移件220。其中，如图6所示，第一位移件210与第二位移件220在Y向对称设置，第一位移件210与第一固定件110连接以被第一固定件110固定，第二位移件220与第二固定件120连接以被第二固定件120固定。同样地，一方面，分离设置的第一位移件210与第二位移件220便于加工制造，且可以根据需要调节第一位移件210与第二位移件220之间的距离以便于连接测头连接件300。另一方面，第一位移件210与第二位移件220在Y向对称设置，目测即可找到由第一位移件210与第二位移件220组成的位移件200的重心线。便于调整第一位移件210与第二位移件220与固定件100连接的位置，可以方便的将位移件200的重心线与固定件100的重心线重合。第一位移件210、第二位移件220均与Z向致动件30的关系可以为：第一位移件210与Z向致动件30连接，第一位移件210被Z向致动件30驱动时，第一位移件210带动测头连接件300在Z向运动。或者，第二位移件220与Z向致动件30连接，第二位移件220被Z向致动件30驱动时，第二位移件220带动测头连接件300在Z向运动。或者，第一位移件210、第二位移件220均与Z向致动件30连接，第一位移件210、第二位移件220被Z向致动件30驱动时，第一位移件210、第二位移件220带动测头连接件300在Z向运动。当第一位移件210与Z向致动件30连接时，第二位移件220为从动，具体地，第一位移件210带动测头连接件300在Z向运动，测头连接件300带动第二位移件220在Z向运动。当第二位移件220与Z向致动件30连接时，第一位移件210为从动，具体地，第二位移件220带动测头连接件300在Z向运动，测头连接件300带动第一位移件210在Z向运动。

图6中还示出了在本申请一些实施例中，测头连接件300在Y向对称设置。通过探针针尖来测量样品表面TS三维结构，探针针尖与样品表面TS之间的测量精度到亚纳米级，微小的振动传递到基座20都会对测量精度产生影响。本申请中，测头连接件300在Y向的左侧面与右侧面分别与第一位移件210、第二位移件220连接，测头连接件300在Y向均为被固定而无自由端，这样就防止了自由端导致的振动增大即减小了测头连接件300在X向、Y向、Z向的相对振动，进而也减小了与测头连接件300相连接的测头400在X向、Y向、Z向的相对振动。

在图7、图8、图9所示的一些实施例中，Z向致动件30可以为Z向电机。在这些附图示出的本申请的一些实施例中，Z向电机置于第一位移件210上，第一位移件210与第一固定件110连接，第一固定件110包括横向的横梁和纵向的纵梁，横梁和纵梁可以为组合式结构，也可以为一体式结构。Z向电机置于第一位移件210上时，可以在在第二位移件220上设置Z向电机的等重物，通过这样的配重调整法保持了Z向电机、等重物、第一位移件210及第二位移件220的对称性，方便找出重心线。等重物，例如可以是另一个Z向电机。

图10为本申请一些实施例固定件100、位移件200、测头连接件300、测头400的连接关系示意图。位移件200包括滑轨和滑动平台，滑轨与固定件100连接以被固定件100固定，滑轨与Z向致动件30连接以被Z向致动件30驱动；滑动平台分别与滑轨、测头连接件300连接；滑轨被Z向致动件30驱动时，滑轨带动滑动平台以及与滑动平台连接的测头连接件300在Z向运动。具体地，位移件200包括第一位移件210和第二位移件220，第一位移件210包括第一滑轨210a和第一滑动平台210b，第二位移件220包括第二滑轨220a和第二滑动平台220b，第一滑轨210a与第一固定件110连接以被第一固定件110固定，第一滑轨210a与Z向致动件30连接以被Z向致动件30驱动，第一滑动平台210b分别与第一滑轨210a和测头连接件300连接。第二滑动平台220b分别与第二滑轨220a和测头连接件300连接，且第一滑动平台210b和第二滑动平台220b分别连接于测头连接件300两个相对的侧面，在图10中为左侧面和右侧面。第一滑轨210a与Z向致动件30连接，以被Z向致动件30驱动；第一滑轨210a被Z向致动件30驱动时，第一滑轨210a带动第一滑动平台210b以及与第一滑动平台210b连接的测头连接件300在Z向运动。

图11为本申请一些实施例Z向致动件30、第一固定件110、第一位移件210的连接关系示意图；图12为本申请一些实施例Z向致动件30、第二固定件120、第二位移件220的连接关系示意图。参考图10、图11和图12，第一滑动平台210b与第二滑动平台220b在Y向对称设置，第一滑动平台210b和第二滑动平台220b分别连接于测头连接件300两个相对的侧面，在图10中为左侧面和右侧面，以将测头连接件300的运动方向限定于Z向。

图13为本申请一些实施例测头连接件300的结构示意图；图14为本申请一些实施例测头400的结构示意图；图15为本申请一些实施例测头连接件300与测头400的连接关系示意图。如图13、图14和图15所示，测头连接件300底端设有沿X向延伸的凹槽310，测头400顶部设置有X向移动块420，X向移动块420嵌入凹槽310内以提供测头400在X向的位移，具体可以用于X向的粗调以及方便将测头400放入凹槽310内或从凹槽310内抽出测头400。测头连接件300为中空结构，其内部可以设置相关元件以适用于例如白光干涉显微镜等其他类型的显微镜。

基于同一构思，本申请的第二方面的实施例还提供一种包括第一方面任一技术方案Z向粗定位组件10的原子力显微镜1。原子力显微镜1同样具有第一方面任一技术方案柔性轨道过渡件的技术效果，此处不再赘述。

图7为一种设计方案的原子力显微镜1与本申请一些实施例原子力显微镜1的结构对比示意图，图8为图7的侧视图。图9为本申请一些实施例涉及的原子力显微镜1俯视示意图。在图7、图8、图9中，固定件100为龙门框架，实际加工时直接制造成两个倒L型的墩子，再和中间的测头连接件300拼起来。龙门框架两个断面上分别安装位移件200和滑动平台，两边的位移件200和滑动平台通过测头连接件300实现刚性连接，测头400挂在测头连接件300底部。测头连接件300通过螺丝与滑动平台固定，在位移件200带动下带着测头400上下运动。由于测头400并未向外悬出，龙门框架的俯仰振动和上下振动不会放大。同时，新方案中整个框架的重心更低且居于台面中心，具有更好的稳定性。

图16为一种设计方案的原子力显微镜1与本申请一些实施例原子力显微镜1的模拟仿真对比示意图。作为对比，将龙门框架的跨度、横梁的宽度和厚度设为相同值，在底面施加幅度为1μm，频率为20Hz的Z向振动激励时，该一种设计方案的中的测头400会相对于样品放置台面出现1.81nm的Z向振动，本申请一些实施例的测头400相对于样品放置台面的Z向振动幅度为1.44nm，达到了降低测头400的探针针尖与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动的技术效果。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的各实施例及各实施例中的特征可以相互组合，本申请示意性的给出组合的实施例来说明可能的组合方式：

龙门框架，龙门框架的底端用于与原子力显微镜1的基座20连接。

位移件200，位移件200与龙门框架连接以被龙门框架固定，位移件200与Z向电机连接以被Z向电机驱动以在Z向移动。

为回字形形状的测头连接件300，与位移件200连接，且测头连接件300用于与测头400连接；

位移件200被Z向电机驱动时，位移件200带动测头连接件300在Z向运动；测头连接件300位于龙门框架的重心线上，以减小或消除测头400的探针针尖与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动。

测头连接件300的重心线与龙门框架的重心线重合，以减小或消除测头400的探针针尖与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动。

具体地，龙门框架包括相互分离的第一龙门框架与第二龙门框架，即图7中在左侧的龙门框架和在右侧的龙门框架，第一龙门框架与第二龙门框架在Y向对称设置，测头连接件300设置于第一龙门框架与第二龙门框架之间。

具体地，位移件200包括相互分离的第一位移件210与第二位移件220；第一位移件210与第二位移件220在Y向对称设置，第一位移件210与第一龙门框架连接以被第一龙门框架固定，第二位移件220与第二龙门框架连接以被第二龙门框架固定。第一位移件210与Z向电机连接，第一位移件210被Z向电机驱动时，第一位移件210带动测头连接件300在Z向运动。位移件200包括滑轨和滑动平台，滑轨与龙门框架连接以被龙门框架固定，滑轨与Z向电机连接以被Z向电机驱动，滑动平台分别与滑轨、测头连接件300连接，滑轨被Z向电机驱动时，滑轨带动滑动平台以及与滑动平台连接的测头连接件300在Z向运动。具体地，第一位移件210包括第一滑轨210a和第一滑动平台210b，第一滑轨210a与第一龙门框架连接以被第一龙门框架固定，第一滑轨210a与Z向电机连接以被Z向电机驱动；第二位移件220包括第二滑轨220a和第二滑动平台220b，第二滑轨220a与第二龙门框架连接以被第二龙门框架固定；第一滑动平台210b分别与第一滑轨210a、测头连接件300连接，第二滑动平台220b分别与第二滑轨220a、测头连接件300连接；第一滑轨210a与Z向电机连接，以被Z向电机驱动；第一滑轨210a被Z向电机驱动时，第一滑轨210a带动第一滑动平台210b以及与第一滑动平台210b连接的测头连接件300在Z向运动。

具体地，滑动平台包括在Y向对称设置的第一滑动平台210b与第二滑动平台220b，第一滑动平台210b和第二滑动平台220b连接分别与测头连接件300在Y向的两个相对的侧面连接，以将测头连接件300的运动方向限定于Z向。

具体地，测头连接件300底端设有沿X向延伸的凹槽310，测头400顶部设置有X向移动块420，X向移动块420嵌入凹槽310内以提供测头400在X向的位移。

本实施例具有如下效果：本实施例将测头连接件300设置于固定件100的重心线上，减小了测头400与固定件100之间的Z向相对振动，这样就抑制了探针针尖在Z向的振动的增大，当样品表面TS也设置于固定件100的重心线上时，就可以减小或消除探针针尖与样品表面TS之间存在的Z向相对振动，提高了原子力显微镜1测出的样品表面TS的Z向高度的准确性。

本实施例中，龙门框架、位移件200、测头连接件300在Y向均为对称设置，目测即可找到由龙门框架、位移件200、测头连接件300组成装置的重心线，便于调整龙门框架、位移件200、测头连接件300组成装置的重心线在基座20上的位置，可以方便的龙门框架、位移件200、测头连接件300组成装置的重心线与基座20的重心线重合，起到减小或消除探针针尖与样品表面TS之间存在的Z向相对振动，提高原子力显微镜1测出的样品表面TS的Z向高度准确性的技术效果。

基于同一构思，本申请的第二方面的实施例还提供一种原子力显微镜1，原子力显微镜1包括基座20、Z向粗定位组件10，其中Z向粗定位组件10包括：

固定件100，固定件100的底端用于与原子力显微镜1的基座20连接；

位移件200，位移件200与固定件100连接以被固定件100固定，位移件200与Z向致动件30连接以被Z向致动件30驱动以在Z向移动；

测头连接件300，与位移件200连接，且测头连接件300的底端用于与测头400连接；

Z向粗定位组件10位于基座20的重心线上，以减小Z向粗定位组件10与基座20之间的Z向相对振动，当样品表面TS也设置于基座20的重心线上时，能够减小或消除测头400的探针针尖与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动。

位移件200被Z向致动件30驱动时，位移件200带动测头连接件300在Z向运动；测头连接件300位于固定件100的重心线上，以减小或消除测头400的探针针尖与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动。

本申请的第二方面的实施例还提供第一方面任一技术方案Z向粗定位组件10与上述实施例组合的原子力显微镜1。原子力显微镜1同样具有第一方面任一技术方案柔性轨道过渡件的技术效果，此处不再赘述。

例如，在本申请的一些实施例中，测头连接件300在Y向对称设置，测头连接件300在Y向的左侧面与右侧面分别与第一位移件210、第二位移件220连接，以减小测头连接件300与被测的样品表面TS之间的Z向相对振动。

基于同一构思，本申请的第三方面的实施例还提供一种第二方面任一技术方案原子力显微镜1的安装方法。其中，图17为本申请一些实施例原子力显微镜1的安装方法的流程示意图，如图17所示的原子力显微镜1的安装方法，包括：

S101，基座20放置在隔振台的中间位置。在该步骤中，基座20放置在隔振台的中间位置时，基座20的重心线与隔振台的重心线重合。

S102，相互分离的第一龙门框架与第二龙门框架组成的龙门框架放置于基座20的中间位置。此时，龙门框架的重心线与基座20的重心线重合。作为一种优选实施例，第一滑轨210a与第一龙门框架连接以被第一龙门框架固定，第二滑轨220a与第二龙门框架连接以被第二龙门框架固定；第一滑动平台210b分别与第一滑轨210a、测头连接件300连接，第二滑动平台220b分别与第二滑轨220a、测头连接件300连接。第一滑动平台210b和第二滑动平台220b连接分别与测头连接件300在Y向的两个相对的侧面连接。这样由龙门框架、位移件200、测头连接件300组成装置的重心线与基座20的重心线重合。

S103，测头连接件300放置于第一龙门框架与第二龙门框架之间的中间位置。在该步骤中，测头连接件300与位移件200连接，位移件200与固定件100连接以被固定件100固定，位移件200与Z向致动件30连接以被Z向致动件30驱动以在Z向移动。

通过上述设置，通过位置调整法使原子力显微镜1的基座20、样品放置平台、龙门框架、位移件200、测头连接件300的重心线均重合，这样的设置使原子力显微镜1具有更好的稳定性，减小或消除了探针针尖与样品表面TS之间存在Z向相对振动，提高了原子力显微镜1测出的样品表面TS的Z向高度的准确性。

至此，已经结合附图对本申请实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本申请实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的位置参数是近似值，能够根据通过本申请的内容所得的所需特性改变。

以上描述仅为本申请的部分实施例以及对所运用技术原理的说明，并非对本申请作任何形式上的限制。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案，也在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原子力显微镜(1)的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，包括

固定件(100)，所述固定件(100)的底端用于与原子力显微镜(1)的基座(20)连接；

位移件(200)，所述位移件(200)与所述固定件(100)连接以被所述固定件(100)固定，所述位移件(200)与Z向致动件(30)连接以被所述Z向致动件(30)驱动以在Z向移动；

测头连接件(300)，与所述位移件(200)连接，且所述测头连接件(300)用于与测头(400)连接；

所述位移件(200)被所述Z向致动件(30)驱动时，所述位移件(200)带动所述测头连接件(300)在Z向运动；所述测头连接件(300)位于所述固定件(100)的重心线上，以减小或消除所述测头(400)的探针针尖与被测的样品表面(TS)之间的Z向相对振动。

2.根据权利要求1所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，

所述测头连接件(300)的重心线与所述固定件(100)的所述重心线重合，以减小或消除所述测头(400)的探针针尖与被测的样品表面(TS)之间的Z向相对振动。

3.根据权利要求1所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，所述固定件(100)包括

相互分离的第一固定件(110)与第二固定件(120)；

所述第一固定件(110)与所述第二固定件(120)在Y向对称设置，所述测头连接件(300)设置于所述第一固定件(110)与所述第二固定件(120)之间。

4.根据权利要求3所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，所述位移件(200)包括

相互分离的第一位移件(210)与第二位移件(220)；

所述第一位移件(210)与所述第二位移件(220)在Y向对称设置，所述第一位移件(210)与所述第一固定件(110)连接以被所述第一固定件(110)固定，所述第二位移件(220)与所述第二固定件(120)连接以被所述第二固定件(120)固定。

5.根据权利要求4所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，

所述第一位移件(210)与所述Z向致动件(30)连接，所述第一位移件(210)被所述Z向致动件(30)驱动时，所述第一位移件(210)带动所述测头连接件(300)在Z向运动。

6.根据权利要求3所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，

所述位移件(200)包括滑轨和滑动平台，所述滑轨与所述固定件(100)连接以被所述固定件(100)固定，所述滑轨与所述Z向致动件(30)连接以被所述Z向致动件(30)驱动；

所述滑动平台分别与所述滑轨、所述测头连接件(300)连接；

所述滑轨被所述Z向致动件(30)驱动时，所述滑轨带动所述滑动平台以及与所述滑动平台连接的所述测头连接件(300)在Z向运动。

7.根据权利要求4所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，

所述第一位移件(210)包括第一滑轨(210a)和第一滑动平台(210b)，所述第一滑轨(210a)与所述第一固定件(110)连接以被所述第一固定件(110)固定，所述第一滑轨(210a)与所述Z向致动件(30)连接以被所述Z向致动件(30)驱动；

所述第二位移件(220)包括第二滑轨(220a)和第二滑动平台(220b)，所述第二滑轨(220a)与所述第二固定件(120)连接以被所述第二固定件(120)固定；

所述第一滑动平台(210b)分别与所述第一滑轨(210a)、所述测头连接件(300)连接，所述第二滑动平台(220b)分别与所述第二滑轨(220a)、所述测头连接件(300)连接；

所述第一滑轨(210a)与所述Z向致动件(30)连接，以被所述Z向致动件(30)驱动；所述第一滑轨(210a)被所述Z向致动件(30)驱动时，所述第一滑轨(210a)带动所述第一滑动平台(210b)以及与所述第一滑动平台(210b)连接的所述测头连接件(300)在Z向运动。

8.根据权利要求7所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，

所述滑动平台包括在Y向对称设置的第一滑动平台(210b)与第二滑动平台(220b)，所述第一滑动平台(210b)和所述第二滑动平台(220b)连接分别与所述测头连接件(300)在Y向的两个相对的侧面连接，以将所述测头连接件(300)的运动方向限定于Z向。

9.根据权利要求7所述的Z向粗定位组件(10)，其特征在于，

所述测头连接件(300)底端设有沿X向延伸的凹槽(310)，所述测头(400)顶部设置有X向移动块(420)，所述X向移动块(420)嵌入所述凹槽(310)内以提供所述测头(400)在X向的位移。

10.一种原子力显微镜(1)，其特征在于，包括前述权利要求1-9中任一项所述的Z向粗定位组件(10)。

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