CN2733342Y - 模块化原子力显微镜 - Google Patents

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CN2733342Y CNU2004200826102U CN200420082610U CN2733342Y CN 2733342 Y CN2733342 Y CN 2733342Y CN U2004200826102 U CNU2004200826102 U CN U2004200826102U CN 200420082610 U CN200420082610 U CN 200420082610U CN 2733342 Y CN2733342 Y CN 2733342Y
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徐文东
杨金涛
吉小明
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Abstract

一种模块化原子力显微镜，由7个模块组成：第一模块为步近电机；第二模块是四维调整的样品架，固定在步近电机上；第三模块是z向扫描器；第四模块包括微悬臂针尖和聚焦透镜；第五模块是xy向的扫描器；第六模块包括具有调焦透镜的半导体激光器、反射镜、成像透镜和四象限光电探测器；第七模块包括光学显微镜、CCD摄像头和监视器。本实用新型模块化原子力显微镜的调整和更换方便；利用各模块又很容易搭建不同结构的原子力显微镜；样品具有粗定位的功能。

Description

模块化原子力显微镜
技术领域
本实用新型涉及原子力显微镜，特别是一种模块化原子力显微镜。
背景技术
原子力显微镜是具有极高分辨率的表面测量仪器，是纳米技术发展的重要基础。它不但能像扫描隧道显微镜那样从原子尺度观察导体和半导体表面的原子形貌，还能获得诸如玻璃、陶瓷、生物样品等非导体表面的微观结构；并可以在大气、水或是油中无损伤的直接观察样品。因此原子力显微镜具有广泛的应用领域。大多数现有原子力显微镜都采用压电陶瓷管做扫描器，有固定的结构，因而只适用于某些特定的应用。例如有的只适用于小样品检测，有的却只适用于大型大面积样品检测。
在先技术卧式原子力显微镜探头(发明专利，公开号：1445790)中，如图1所示：探头由扫描与反馈控制器1001和光电检测系统1002两部分组成。扫描与反馈控制器1001包括xyz方向的三根压电陶瓷1003、1004、1005，或用一个压电陶瓷管代替1003、1004、1005和样品台1006，光电检测系统1002包括微悬臂探针1008、激光器1009、位置敏感元件1010和微调逼近机构1011。工作时，光电检测系统1002在微调逼近机构1011作用下实现针尖向样品的逼近，然后开始样品扫描，扫描过程中位置敏感元件1010检测微悬臂探针1008的偏转大小，从而获取样品表面的三维纳米结构形貌。该技术结构简洁，技术条件易于实现。但是明显存在以下不足：
(1)该技术采用扫描样品的方法，只适合小样品检测，如果放在扫描器末端的样品较重，会导致扫描器共振频率的下降，影响原子力显微镜的性能。
(2)激光器和位置敏感元件整合在光电探测系统1002中，不方便调整和更换，将上述装置改成扫描针尖的原子力显微镜几乎是不可能的。
(3)无法加入光学显微镜，不能从微米量级实时的观察样品和微悬臂，不方便调整激光聚焦在微悬臂顶端。
(4)样品台没有xy向的粗调装置，不能做微米水平待扫描区域的选择。
(5)扫描和反馈器件由三根压电陶瓷从xyz方向组合或采用一个压电陶瓷管，这两种扫描器都不能很好的保证xyz三个方向上运动的正交性，而且线性度不好。
发明内容：
本实用新型要解决的问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种按模块化思想设计的模块化原子力显微镜，该原子力显微镜的调整和更换方便；利用各模块又很容易搭建不同结构的原子力显微镜；样品具有粗定位的功能。
本实用新型的技术解决方案如下：
一种模块化原子力显微镜，其特征在于它由7个模块组成：第一模块为步近电机；第二模块是四维样品架，固定在步近电机上；第三模块是z向扫描器；第四模块包括微悬臂针尖和聚焦透镜；第五模块是xy向的扫描器；第六模块包括具有调焦透镜的半导体激光器、反射镜、成像透镜和四象限光电探测器；第七模块包括光学显微镜、CCD摄像头和监视器；
所述的第五模块的xy向平板扫描器中间有方形通孔；第三模块的z向扫描器固定在xy向扫描器的方形通孔内壁上；第四模块固定在第三模块的z向扫描器上，第四模块的微悬臂针尖位于聚焦透镜的焦点处；第六模块在激光器发出的激光光束的前进方向有反射镜，光在反射镜上反射后通过聚焦透镜的中心汇聚到微悬臂针尖的针尖上，从针尖上反射的光通过成像透镜的中心，在四象限光电探测器上形成光斑；第七模块的CCD摄像头和光学显微镜组合在一起，CCD摄像头的输出信号供给监视器；第七模块固定在第六模块的反射镜的后面，微悬臂针尖的针尖到光学显微镜的镜面的距离等于光学显微镜的工作距离，样品、微悬臂针尖的针尖和光学显微镜同轴，而且所述的反射镜的尺寸应小于从微悬臂针尖的针尖进入光学显微镜的光束在该反射镜处的光斑。
与在先技术相比，本实用新型的技术效果如下：
1、本实用新型模块化的原子力显微镜采用xy扫描与z扫描分离的两个独立器件，能较好地保证扫描运动在xyz三个方向上的正交性；xy向扫描器和z向扫描器都带有位置传感器，扫描器的控制器闭环反馈环路的使用可以很好地保证扫描器的输入电压和扫描器相应位移之间的线性关系；
2、我们把组成原子力显微镜的各单元器件集成为具有一定功能的最小模块，可以方便利用这些模块快速搭建成不同结构原子力显微镜，以适应各种不同功能的需要；
3、为使原子力显微镜观测的视野从纳米数量级扩展到微米量级，结合了光学显微镜，主要用来做微米水平的待扫描区域的选择和实时监视探针及样品。在使用光束偏转法检测力传感器的原子力显微镜中，拥有辅助的光学显微镜，还可以帮助操作者方便的将聚焦后的光点准确的移动到微悬臂的顶端位置；
4、为配合微米水平待扫描区域的选择，设置了四维样品架，作为样品的粗定位装置；
5、另外，我们采用的PI公司的xy向扫描器，它可以带较大重量的负载，而且在带负载的情况下还可以保证很高的共振频率，不会影响到整个原子力显微镜系统的性能。
附图说明
图1为在先技术原子力显微镜的平面示意图。
图2为本实用新型模块化原子力显微镜实施例1的原理示意图。
图3为本实用新型实施例2的原理示意图。
图4为本实用新型实施例3的原理示意图。
具体实施方案
先请参阅图2，图2为本实用新型模块化原子力显微镜实施例1的原理示意图。由图可见，本实用新型模块化原子力显微镜，其特征在于它由7个模块组成：第一模块1为步近电机101；第二模块2是四维调整的样品架201，固定在步近电机101上；第三模块3是z向扫描器301；第四模块4包括微悬臂针尖401和聚焦透镜402；第五模块5是xy向的扫描器501；第六模块6包括具有调焦透镜的半导体激光器601、反射镜602、成像透镜603和四象限光电探测器604；第七模块7包括光学显微镜701、CCD摄像头702和监视器703；
所述的第五模块5的xy向平板扫描器501中间有方形通孔；第三模块3的z向扫描器301固定在xy向扫描器501的方形通孔内壁上；第四模块4固定在第三模块3的z向扫描器301上，第四模块4的微悬臂针尖401位于聚焦透镜402的焦点处；第六模块6，在激光器601发出的激光光束的前进方向有反射镜602，光在反射镜602上反射后通过聚焦透镜402的中心汇聚到微悬臂针尖401的针尖上，从针尖上反射的光通过成像透镜603的中心，在四象限光电探测器604上形成光斑；第七模块7的CCD摄像头702和光学显微镜701组合在一起，CCD摄像头702的输出信号供给监视器703；第七模块7固定在第六模块6的反射镜602的后面，微悬臂针尖401的针尖到光学显微镜701的镜面的距离等于光学显微镜701的工作距离，样品、微悬臂针尖401的针尖和光学显微镜701同轴，而且所述的反射镜602的尺寸应小于从微悬臂针尖401的针尖进入光学显微镜701的光束在反射镜602处的光斑。
本实用新型在实验的准备工作中，要运用模块7的光学显微镜701、CCD摄像头702和监视器703协助完成两个重要的步骤，一是从微米量级做待扫描区域的选择，借助四维样品架201将待扫描的区域调整到微悬臂针尖401的下方；二是通过调整，使聚焦透镜402聚焦的光点汇聚在微悬臂针尖401的顶端。工作时，先由步近电机101带动四维样品架201向微悬臂针尖401作粗逼近，z向扫描器301带动微悬臂针尖401向样品作细逼近。当针尖与样品间的距离逼近到原子力作用的范围时，xy向的扫描器501带动针尖401在xy方向上扫过样品，这时激光器601发出的平行光通过反射镜602反射，被聚焦透镜402汇聚，聚焦的光点紧密地跟踪微悬臂针尖401的运动。从微悬臂针尖401上反射的光线通过xy向扫描器501中心的方形通孔，经成像透镜603汇聚到四象限光电探测器604上，由四象限光电探测器604检测因为原子间作用力引起的微悬臂针尖401的偏转。扫描过程中聚焦光点会紧密跟踪微悬臂针尖401，四象限光电探测器604因为放在特定的位置，可以保证在空扫描状态下，微悬臂针尖401没有实际偏转时，四象限光电探测器604上也一定不会有信号产生(见发明专利申请“原子力显微镜的光点跟踪装置”，申请号为：200410053442.9)。
实施例1，是卧式针尖扫描原子力显微镜。模块1的步近电机101采用PI公司的M-405.DG型的线性位移平台，它的单向可重复精度为200nm；模块2是可五维调整的样品架201，固定在步近电机101上，作为样品的粗定位装置，可调节样品的倾斜、仰角以及在xyz三个方向上的运动；模块3是z向扫描器301，采用PI公司的P-753.11C型线性PZT平台执行器，伸缩长度为0.012mm，无附载共振频率5.6KHz；模块4包括水平倾斜15度的微悬臂针尖401和焦距为20mm的聚焦透镜402，模块4固定在模块3上；模块5是xy向的扫描器501采用PI公司的P-734.2C1型器件，扫描范围0.1mm*0.1mm，其间中心是5cm*5cm的通光孔，无负载共振频率500Hz。模块3固定在模块5上随扫描器501做xy方向上的扫描，扫描器301和扫描器501都带有电容式传感器，可以工作在闭环反馈模式下，因此有很好的线性和精度；模块6包括一个焦距为6cm的成像透镜603，一个反射镜602，一个包含可调焦透镜的半导体激光器601，固定在可调倾斜和仰角的调整架上，四象限光电探测器604固定在一个五维调整架上；模块7包括光学显微镜701，CCD摄像头702和监视器703。工作时，模块1完成粗逼近，模块3完成细逼近和执行衡力或衡高的反馈任务，模块5完成扫描功能，模块4和模块6完成光点跟踪功能，模块7完成微米量级的对针尖和样品的实时观测。
实施例2原理示意如图3所示，采用上述的各模块，只是把第五模块5固定在第一模块1上，在第五模块5的扫描器上放置样品，去掉模块二就构成样品扫描针尖反馈的原子力显微镜，其光学显微镜可以是照明光从样品上面照射的反射式，也可以是照明光从样品下面照射的投射式，因为模块5的扫描器有通光孔。
实施例3原理示意图如图4所示，采用上述的各模块，只是在第五模块5的扫描器上放置样品，第一模块1带动第三模块3、第四模块4、第六模块6从上向下的对样品做逼近，第七模块7用另外的架子固定在样品和针尖的正上方，整体采用立式结构。
经实验证明，本实用新型具有如下优点：
1、本实用新型模块化的原子力显微镜采用xy扫描与z扫描分离的两个独立器件，能较好地保证扫描运动在xyz三个方向上的正交性；xy向扫描器和z向扫描器都带有位置传感器，扫描器的控制器闭环反馈环路的使用可以很好地保证扫描器的输入电压和扫描器相应位移之间的线性关系；
2、我们把组成原子力显微镜的各单元器件集成为具有一定功能的最小模块，可以方便利用这些模块快速搭建成不同结构原子力显微镜，以适应各种不同功能的需要；
3、为使原子力显微镜观测的视野从纳米数量级扩展到微米量级，结合了光学显微镜，主要用来做微米水平的待扫描区域的选择和实时监视探针及样品。在使用光束偏转法检测力传感器的原子力显微镜中，拥有辅助的光学显微镜，还可以帮助操作者方便的将聚焦后的光点准确的移动到微悬臂的顶端位置；
4、为配合微米水平待扫描区域的选择，设置了四维样品架，作为样品的粗定位装置；
5、另外，我们采用的PI公司的xy向扫描器，它可以带较大重量的负载，而且在带负载的情况下还可以保证很高的共振频率，不会影响到整个原子力显微镜系统的性能。

Claims (1)

1、一种模块化原子力显微镜，其特征在于它由7个模块组成：第一模块(1)为步近电机(101)；第二模块(2)是四维调整的样品架(201)，固定在步近电机(101)上；第三模块(3)是z向扫描器(301)；第四模块(4)包括微悬臂针尖(401)和聚焦透镜(402)；第五模块(5)是xy向的扫描器(501)；第六模块(6)包括具有调焦透镜的半导体激光器(601)、反射镜(602)、成像透镜(603)和四象限光电探测器(604)；第七模块(7)包括光学显微镜(701)、CCD摄像头(702)和监视器(703)；
所述的第五模块(5)的xy向平板扫描器(501)中间有方形通孔；第三模块(3)的z向扫描器(301)固定在xy向扫描器(501)的方形通孔内壁上；第四模块(4)固定在第三模块(3)的z向扫描器(301)上，第四模块(4)的微悬臂针尖(401)位于聚焦透镜(402)的焦点处；第六模块(6)的激光器(601)发出的激光光束的前进方向有反射镜(602)，光在反射镜(602)上反射后通过聚焦透镜(402)的中心汇聚到微悬臂针尖(401)的针尖上，从针尖上反射的光通过成像透镜(603)的中心，在四象限光电探测器(604)上形成光斑；第七模块(7)的CCD摄像头(702)和光学显微镜(701)组合在一起，CCD摄像头(702)的输出信号供给监视器(703)；第七模块(7)固定在第六模块(6)的反射镜(602)的后面，微悬臂针尖401的针尖到光学显微镜701的镜面的距离等于光学显微镜701的工作距离，样品、微悬臂针尖401的针尖和光学显微镜701同轴，而且所述的反射镜(602)的尺寸应小于从微悬臂针尖401的针尖进入光学显微镜(701)的光束在反射镜(602)处的光斑。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108828269A (zh) * 2018-04-26 2018-11-16 中北大学 基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置

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CN108828269A (zh) * 2018-04-26 2018-11-16 中北大学 基于光学定位技术的原子力显微镜精确重复定位实现装置

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