原子力显微镜的Z扫描器和探针装置及探针装置安装器的制作方法

本发明涉及一种原子力显微镜人探针夹持装置。特别是涉及一种原子力显微镜的z扫描器和探针装置及探针装置安装器。

背景技术：

1986年binning等人发明第一台原子力显微镜，自此，许多科技工作者在此基础上进行了不断改进和提高，并拓宽其应用领域，从而派生出多种类型的原子力显微镜，不仅可进行电性、磁性、纳米微影加工及生物活性分子性质分析，更广泛应用于探索纳米尺度下微观的物性(光、力、电、磁)，功能已经远远超过以往显微镜技术，将人类带入了纳米时代。

针对不同的测试需求，各国研究者在原子力显微镜的结构上进行了各种改进，但多数还是采用悬臂梁式探针作为感应元件，利用光杠杆检测方法，结合不同的扫描器结构进行扫描。根据扫描器的运动方式不同，原子力显微镜的结构可分为上扫描、下扫描以及混合扫描结构，所谓上扫描结构是指样品静止，测头在xyz扫描器的带动下相对于样品做扫描运动；下扫描是指测头静止，样品相对于测头在xyz扫描器的带动下做扫描运动；混合扫描是指测头及样品均做扫描运动，根据xyz扫描器的位置不同，又可分为不同的扫描机制。

xyz扫描器的结构不同会导致扫描运动方式有较大差别，但是扫描模式大致相同。目前常用的扫描模式有接触式扫描、轻敲式扫描以及峰值力轻敲模式扫描等，根据扫描模式的不同，探针的运动状态会有所不同。接触式扫描时，探针静止，通过检测探针的形变信息，控制z扫描器运动来跟踪样品表面形貌的变化；轻敲式扫描时，探针以其谐振频率震荡，通过检测探针的震荡振幅来驱动z扫描器运动；峰值力轻敲模式下，z扫描器带动探针以低于探针谐振频率的频率震荡，驱动探针做高速力曲线运动，控制各扫描点处的峰值力恒定，z扫描器的位置信息即表征形貌信息。

当采用上扫描器以及混合扫描器(z扫描器在测头上)时，需要考虑z扫描器与探针的安装结构设计，如何快速有效安装、更换悬臂梁探针是需要解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较好通用性的原子力显微镜的z扫描器和探针装置及探针装置安装器。

本发明所采用的技术方案是：一种用于原子力显微镜的z扫描器和探针装置，包括有z扫描器和连接在所述z扫描器下面的探针装置，所述的z扫描器包括：由下至上依次设置的环形铁片、环形压电陶瓷片和环形磁铁，所述环形铁片、环形压电陶瓷片和环形磁铁同轴设置，内周共同构成通光孔；所述探针装置包括：用于与所述的环形铁片通过磁力相连的探针夹持结构，嵌入在所述探针夹持结构上的悬臂梁探针和通过螺丝将所述的悬臂梁探针固定在所述探针夹持结构上的弹簧压片。

所述的环形磁铁的内径大于环形压电陶瓷片的内径。

所述的环形铁片、环形压电陶瓷片和环形磁铁之间是通过环氧树脂胶固定连接，其中，所述的环形铁片下端面连接探针夹持器，所述环形磁铁的上端面安装在原子力显微镜的y扫描器上。

所述的探针夹持结构包括夹持主体，所述夹持主体的下端面一体形成有平部分和斜面部分，在所述平部分上且邻近斜面部分形成有与所述的通光孔相对应的上下贯通的通光窗口和位于通光窗口周边的用于连接外部的探针装置安装器的安装孔，在斜面部分上临近所述通光窗口的一侧形成有用于嵌入所述悬臂梁探针的凹槽，在斜面部分上对应凹槽一侧形成有用于通过螺丝固定弹簧压片的螺孔，所述弹簧压片的一端压在所述安装悬臂梁探针上；所述夹持主体的上端面嵌入有三个用于与所述z扫描器上的环形铁片通过磁力相连的磁块。

所述的弹簧压片沿长度方向形成有用于调节弹簧压片压在所述悬臂梁探针上的量的调节槽，所述螺丝贯穿所述调节槽与所述的螺孔螺纹连接。

所述的斜面部分是与水平面夹角为10-12°的倾斜面。

所述用于嵌入悬臂梁探针的凹槽深度为0.2～0.3mm。

一种用于原子力显微镜的z扫描器和探针装置的探针装置安装器，其特征在于，包括有安装器主体，所述安装器主体的一端形成有矩形开口，所述矩形开口的两侧和底部分布的形成有4个用于通过沉头螺钉连接探针装置的沉头螺纹孔，所述安装器主体的远离矩形开口的部分，形成有用于连接外部装置的沉头通孔。

本发明的原子力显微镜的z扫描器和探针装置及探针装置安装器，结构简单，能够适用于各种功效和多种扫描方式的原子力显微镜。具有以下有益效果：

1、对于多种扫描方式及模式，皆能保证结构的适用性，具有较好的通用性；

2、利用磁性吸引力提供压电陶瓷的预紧力，结构简单；

3、探针夹持器安装结构的设计，结构简单，便于悬臂梁探针的安装及位置的调整。

附图说明

图1是本发明用于原子力显微镜的z扫描器和探针装置的整体结构示意图；

图2是图1的仰视图；

图3是本发明中z扫描器的整体结构示意图；

图4是本发明中探针装置的整体结构示意图；

图5是本发明中探针夹持结构的整体结构示意图；

图6是图5的仰视图；

图7是图5的右视图；

图8是图5的后视图；

图9是本发明中探针装置安装器的整体结构示意图；

图10是本发明中探针装置放置在探针装置安装器上的结构示意图；

图11是图10的仰视图；

图12是本发明中探针装置安装器将探针装置安装在z扫描器的示意图。

图中

1：z扫描器11：环形铁片

12：环形压电陶瓷片13：环形磁铁

14：通光孔2：探针装置

21：探针夹持结构211：夹持主体

212：水平部分213：斜面部分

214：通光窗口215：安装孔

216：凹槽217：螺孔

218：磁块22：悬臂梁探针

23：弹簧压片231：调节槽

24：螺丝3：探针装置安装器

31：安装器主体32：矩形开口

33：沉头螺纹孔34：沉头通孔

4：沉头螺钉5：入射激光束

6：反射激光束

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的原子力显微镜的z扫描器和探针装置及探针装置安装器做出详细说明。

本发明的用于原子力显微镜的z扫描器和探针装置，是利用磁性吸引力实现探针装置的固定，有利于探针位置的调整，同时利用磁性吸引力给z扫描器所用压电陶瓷一个预紧力，保证压电陶瓷的运动性能。

本发明的用于原子力显微镜的z扫描器和探针装置，是安装在原子力显微镜上的。原子力显微镜的具体结构参考专利号为2015100890154，发明名称为“一种适用于高速扫描的原子力显微镜”的专利。

如图1、图2所示，本发明的用于原子力显微镜的z扫描器和探针装置，包括有z扫描器1和连接在所述z扫描器1下面的探针装置2。

如图3所示，所述的z扫描器1包括：由下至上依次设置的环形铁片11、环形压电陶瓷片12和环形磁铁13，所述环形铁片11、环形压电陶瓷片12和环形磁铁13同轴设置且内周同共同构成通光孔14。所述的环形磁铁13的内径大于环形压电陶瓷片12的内径。所述的环形铁片11、环形压电陶瓷片12和环形磁铁13之间是通过环氧树脂胶固定连接，具有较高的刚性，能够满足测量需求。其中，所述的环形铁片11下端面连接探针夹持器2，所述环形磁铁13的上端面安装在原子力显微镜的y扫描器上。环形磁铁13和环形铁片11分别固定在环形压电陶瓷片12的上下表面，为环形压电陶瓷片12提供预紧力。

原子力显微镜中激光束需要聚焦在悬臂梁探针上，原子力显微镜所设计的光路中，反射激光束需要再次经过z扫描器回到非球面透镜中，在本发明的实施例中，z扫描器中压电陶瓷片选择外径12mm，内径6mm，厚度为2mm的环形结构，内径尺寸能够满足入射及反射激光束同时经过，环形磁铁需要的内径比环形压电陶瓷片的内径大，方案中采用环形磁铁的内径为7mm，厚1mm。

如图4所示，所述探针装置2包括：用于与所述的环形铁片11通过磁力相连的探针夹持结构21，嵌入在所述探针夹持结构21上的悬臂梁探针22和通过螺丝24将所述的悬臂梁探针22固定在所述探针夹持结构21上的弹簧压片23。

如图4、图5、图6、图7、图8所示，所述的探针夹持结构21包括夹持主体211，所述夹持主体211的下端面一体形成有水平部分212和斜面部分213，所述的斜面部分213是与水平面夹角为10～12°的倾斜面。在所述水平部分212上且邻近斜面部分213形成有与所述的通光孔14相对应的上下贯通的通光窗口214和位于通光窗口214周边的用于连接外部的探针装置安装器3的安装孔215，在斜面部分213上临近所述通光窗口214的一侧形成有用于嵌入所述悬臂梁探针22的凹槽216，所述用于嵌入悬臂梁探针22的凹槽216深度为0.2～0.4mm，最佳可以选择0.3mm。在斜面部分213上对应凹槽216一侧形成有用于通过螺丝24固定弹簧压片23的螺孔217，所述弹簧压片23的一端压在所述安装悬臂梁探针22上；所述夹持主体211的上端面嵌入有三个用于与所述z扫描器1上的环形铁片11通过磁力相连的磁块218，从而实现悬臂梁探针在z扫描器1上的固定。磁块218与z扫描器上的环形铁片间存在磁性吸引力，能够实现探针夹持结构21的磁吸面与z扫描器的吸合。

如图4所示，所述的弹簧压片23沿长度方向形成有用于调节弹簧压片23压在所述悬臂梁探针22上的量的调节槽231，所述螺丝24贯穿所述调节槽231与所述的螺孔217螺纹连接。

探针装置2通过磁性吸引力固定于z扫描器1的环形铁片11上，保证悬臂梁探针22跟随z扫描器1运动，z扫描器1中环形磁铁13固定在专利号为2015100890154，发明名称为“一种适用于高速扫描的原子力显微镜”的原子力显微镜的结构中。本发明替换其中的z向扫描器及探针装置。本发明中的探针装置的通光窗口214和z扫描器的通光孔，保证入射激光束能够聚焦在悬臂梁探针上，并且经过悬臂梁探针反射后的反射激光束能够通过z扫描器并最终返回到非球面透镜变成平行光束输出。为了保证激光光束的正常通过，z扫描器中的环形磁铁内径比环形压电陶瓷片内径大，如图2中虚线所示。

如图9所示，本发明的用于原子力显微镜的z扫描器和探针装置的探针装置安装器，包括有安装器主体31，所述安装器主体31的一端形成有矩形开口32，所述矩形开口32的两侧和底部分布的形成有4个用于通过沉头螺钉4连接探针装置2的沉头螺纹孔33，所述安装器主体31的远离矩形开口32的部分，形成有用于连接外部装置的沉头通孔34。

如图10、图11所示，探针装置2在未吸合到z扫描器1上之前，将其放置在探针装置安装器3上，探针装置2与探针装置安装器3的安装器主体31的上表面贴合，四个沉头螺钉4通过探针装置2上的安装孔215，保证探针装置2位置固定，为了保证放置探针装置2时悬臂梁探针不受损坏，在安装器主体31上设计矩形开口32。在安装器主体31的末端有四个沉头通孔，用于将安装器主体31固定在一个三维位移台(图中未给出)上，此三维位移台用于调整探针装置2的位置，进行悬臂梁探针的安装及位置的调整。

图4、图10、图11、图12所示，当需要安装悬臂梁探针时，首先将悬臂梁探针利用弹簧压片23和螺丝24固定在夹持主体211上的凹槽216内，构成探针装置2；随后将探针装置2倒扣放置在探针装置安装器3上，探针装置2放置面与探针装置安装器3的上表面重合，探针装置安装器3中的四个沉头螺钉4分别插入对应位置的探针装置的安装孔215中，此时探针装置安装器3远离z扫描器，探针装置2上的磁块217与z扫描器上环形铁片11间的吸引力较小；当探针装置安装器3带着探针装置2靠近z扫描器时，磁块218与环形铁片11间的吸引力会将探针装置2吸附在z扫描器1上，此时，探针装置2磁吸面与z扫描器1的环形铁片11吸合，探针装置安装器3中的四个沉头螺钉4仍然在探针装置2调整孔中，因此可以带动探针装置2在z扫描器的环形铁片11上进行平面内移动，进而调整悬臂梁探针的位置；当悬臂梁探针的位置调整好以后，移除探针装置安装器3，至此悬臂梁探针安装完成，原子力显微镜可以进行扫图工作。当悬臂梁探针在工作过程中磨损需要更换时，只需将探针装置2手动取下，重复上述过程即可达到更换悬臂梁探针的目的。