一种触探式扫描装置的制作方法

本实用新型涉及一种物体分析的探测仪器，尤其是一种触探式扫描装置。

背景技术：

扫描式探针显微镜是利用探针探触材料的纳米表面的仪器，是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器。

专利号为CN03156917.X的中国专利文献公开了一种扫描探针显微镜，包括带针尖的微悬臂，微悬臂与振荡装置固定连接。针尖位于微悬臂的一端，振荡装置位于微悬臂的另一端。振荡装置包括压电陶瓷晶体，和对该压电陶瓷晶体的振荡频率及振幅进行控制的振荡频率控制器，微悬臂固定在压电陶瓷晶体上。压电陶瓷晶体带动微悬臂以20nm-100nm 的振幅在压电陶瓷的谐振频率附近振荡，并使得针尖的振动频率与针尖的固有频率相同，以形成共振峰。共振峰的振幅采用均方根测试电路测试，并转化为电信号传输至振荡频率控制器，振荡频率控制器使针尖以该振幅在样品表面振荡。微悬臂的上方设置有通过光路系统检测微悬臂振幅变化的光斑位置检测器，光斑位置检测器将微悬臂振幅变化的电信号传输至控制扫描管伸缩变化的反馈回路，扫描管的伸缩变化数据以及扫描位移数据通过计算机数据处理系统以灰度值显示成像。

该发明的技术效果如下：由于CN03156917.X中的发明扫描探针显微镜，将带针尖的微悬臂固定连接于振荡装置上，这就可以使得带针尖的微悬臂在振荡装置的作用下以确定的频率和振幅进行上下振荡，也就是说，在扫描过程中，针尖既非拖拉跨过样品表面的接触模式，也非远离样品表面的非接触模式，而是可以让针尖与样品表面交替地接触和离开，即轻敲模式；由于克服了接触模式的针尖因被简单的拖拉跨过样品而受到的相关联的摩擦力、粘着力和静电力等的影响，也不存在针尖被吸附到样品表面的可能，所以既能够有效防止划伤样品，又能够减少图像失真，从而有利于获得精确表征样品表面形貌的高分辨率图像。

然而，通常的扫描式探针显微镜的仪器占地面积大、价格昂贵、仪器的电子控制与电子反馈器复杂，探针需要特殊材料、需要激光、而且通常的扫描式探针显微镜只能探表面的纳米结构。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种触探式扫描装置，包括：扫描分析组件，扫描分析组件包括由顶壁、底壁和与底壁相垂直的侧壁共同围成的不透明的封闭式腔体，底壁的内表面固定有多个组成块，组成块的高度均小于腔体的高度；顶壁上设有对应于组成块的空洞轨道，空洞轨道贯穿顶壁，且宽度小于任意一个组成块在各个方向上的边长；扫描探针，用于自空洞轨道插入腔体内部来依次扫描各个组成块，扫描探针包括针柄和针头，针头至少在一个方向上的宽度小于空洞轨道的宽度。

进一步地，底壁的内表面设有固定单位长度的网格，网格由沿宽度方向的多条平行横线和沿厚度方向的多条平行纵线相交而成，各个组成块的底面中心置于网格的交点处，空洞轨道对应于网格设置。

优选地，空洞轨道包括对应于一条纵线的一条纵向轨道和对应于多条横线的多条横向轨道，纵向轨道将多条横向轨道贯穿连通。

进一步地，横向轨道为对应于横线的直线轨道。

优选地，横向轨道为对应于横线的“凸”字型轨道，每条横向轨道包括间隔排布的多个突出部分，每个突出部分均对应于网格的一个交点。

进一步地，腔体的顶壁上和/或侧壁上标识有与网格相对应的坐标系。

优选地，组成块的底面均为正方形，且每个组成块的底面边长为X。进一步地，当针头接触组成块时，针头的轴中心对应交点。

优选地，当针头在各个方向上的最大宽度d小于组成块的边长X时，网格的单位长度 W满足：W≥X，且任意两个相邻组成块之间的距离L满足：L≥0；当针头在各个方向上的最大宽度d大于等于组成块的边长X时，网格的单位长度W满足：W≥0.5d+0.5X，且任意两个相邻的组成块之间的距离L满足：L≥0.5d-0.5X。

进一步地，组成块为可拆卸地固定于底壁的内表面上。

优选地，扫描探针的远离针头的另一端设有手柄。

进一步地，针柄上标有高度标尺。

优选地，针头上安装有信号发送元件与信号接收元件。

进一步地，扫描探针上设有控制器，用于控制扫描探针沿着空洞轨道依次对多个组成块的上表面进行自动扫描，并将扫描得到的各个组成块的高度和形状数据传输给外部的控制系统。

综上，利用本实用新型的触探式扫描装置，利用但简化了传统的扫描式探针显微镜的扫描式间接触探的原理，不需要任何光电或者特殊材料，可以作为简单的教育玩具或科学工具等，为儿童等群体提供安全、低成本的玩耍新体验与学习科学的乐趣。

为让本实用新型的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例并结合附图详细说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的触探式扫描装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例中的触探式扫描装置的整体结构透视图；

图3a为本实用新型的实施例中的触探式扫描装置的顶壁外表面的第一俯视图；

图3b为本实用新型的实施例中的触探式扫描装置的顶壁外表面的第二俯视图；

图4为本实用新型的第一实施例中的触探式扫描装置的组成块和探针组合的剖面图；

图5为本实用新型的第二实施例中的触探式扫描装置的组成块和探针组合的剖面图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。虽然本实用新型的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此实用新型的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作实用新型介绍的目的是为了覆盖基于本实用新型的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本实用新型的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本实用新型也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本实用新型的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”，不应理解为对本实用新型的限制。

【第一实施例】

如附图1和图2中所示，一种触探式扫描装置100，包括：扫描分析组件1，扫描分析组件1包括由顶壁11、底壁13和与底壁相垂直的侧壁12共同围成的不透明的封闭式腔体2，底壁13的内表面固定有多个组成块3，组成块3的高度均小于腔体2的高度；顶壁 11上设有对应于组成块3的空洞轨道4，空洞轨道4贯穿顶壁11，且宽度小于任意一个组成块3在各个方向上的边长；扫描探针5，用于自空洞轨道4插入腔体内部来依次扫描各个组成块3，扫描探针5包括针柄51和针头52，针头52至少在一个方向上的宽度小于空洞轨道4的宽度。

进一步地，如图2中所示，底壁13的内表面设有固定单位长度的网格，网格由沿宽度方向的多条平行横线和沿厚度方向的多条平行纵线相交而成，各个组成块3的底面中心置于网格的交点处，空洞轨道4对应于网格设置。

更进一步地，腔体2的顶壁11上和/或侧壁12上标识有与网格相对应的坐标系。具体来讲，例如扫描分析组件1为不透明箱体，箱体包括由顶壁、底壁和与底壁相垂直的四个侧壁共同围成的方形腔体，相邻且相互垂直的两个侧壁上分别标识有坐标标尺(A，B，C， D…)和(1，2，3，4…)，底壁的内表面上设有对应坐标标尺的网格，网格由沿宽度方向 (图1和图2中的A方向)的多条平行横线和沿厚度方向(图1和图2中的B方向)的多条平行纵线相交而成，包括形成N*N规格的多个方格和位于多条横线和纵线交错处的多个交点，交点可表示为A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4…；底壁的内表面固定有与网格相对应的组成块，组成块的高度小于方形腔体的高度；顶壁的外表面对应于网格设有空洞轨道，空洞轨道贯穿顶壁，以供扫描探针的针头自空洞轨道插入方形腔体内部依次对各个组成块的高度进行触探式扫描。

优选地，空洞轨道包括对应于网格的一条纵线的一条纵向轨道31和对应于多条横线的多条横向轨道32，纵向轨道31将多条横向轨道32贯穿连通，本实施例中，如图3a中所示，横向轨道32为对应于横线的直线轨道，扫描探针5可沿着图3a中所示的空洞轨道 4进行曼哈顿规格式扫描。

本实施例中，组成块的底面均为正方形，且每个组成块的底面边长为X。进一步地，当针头接触组成块时，针头的轴中心对应交点。更为具体地，如图2中所示，纵向轨道31 位于底壁上的网格中纵线的正上方，扫描探针5的针头52自空洞轨道4插入方形腔体2 内部，从而接触到固定于底壁13上的组成块3，此时，针头52的中心对应网格的一个交点。

优选地，当针头在各个方向上的最大宽度d小于组成块的边长X时，网格的单位长度 W满足：W≥X，且任意两个相邻的组成块之间的距离L满足：L≥0；具体来讲，例如图4 中所示，组成块的边长为1cm，其中任意两个相邻的交点A1和B1之间的最小距离为1cm，当针头在各个方向上的最大宽度d小于1cm时，任意两个相邻的组成块之间可以相互接触地排列放置(L等于0的情况)，也可以保持一定距离地排列放置(L大于0的情况)。

进一步地，针头52可以为方形或者圆形，也可以为其他能够起到相同作用的形状。

进一步地，组成块3为可拆卸地固定于底壁的内表面上。实际应用中，可以采用磁铁、螺丝、螺钉、粘片、黏胶等固定器件将组成块固定于底壁的内表面上，以避免扫描过程中组成块任意移动，当需要变换组成块的位置时，可将组成块拆卸下来重新进行组合。

优选地，扫描探针5的远离针头的另一端设有手柄6，如图1中所示，手柄的设计便于操作者手持扫描探针对腔体内部的各个组成块依次进行扫描，取得更舒适的握持感。

进一步地，针柄51上标有高度标尺，以便于操作者直接从针柄上读出当前位置处的组成块的高度。

优选地，针头52上还可以安装信号发送元件与信号接收元件，实践中可以采用超声波发生器与超声波接收器，以利用超声波原理来获得当前位置处的组成块高度。

进一步地，扫描探针5上设有控制器，控制器中设置控制芯片，用于控制扫描探针沿着空洞轨道依次对多个组成块3的上表面进行自动扫描，并将扫描得到的各个组成块3的高度和形状数据传输给外部的控制系统。这样无需在扫描分析组件1的外壁上标记坐标，并可以连接电脑等设备来纪录和控制坐标，从而提高操作的自动化程度。

【第二实施例】

如附图1和图2中所示，一种触探式扫描装置100，包括：扫描分析组件1，扫描分析组件1包括由顶壁11、底壁13和与底壁相垂直的侧壁12共同围成的不透明的封闭式腔体2，底壁13的内表面固定有多个组成块3，组成块3的高度均小于腔体2的高度；顶壁 11上设有对应于组成块3的空洞轨道4，空洞轨道4贯穿顶壁11，且宽度小于任意一个组成块3在各个方向上的边长；扫描探针5，用于自空洞轨道4插入腔体内部来依次扫描各个组成块3，扫描探针5包括针柄51和针头52，针头52至少在一个方向上的宽度小于空洞轨道4的宽度。

进一步地，如图2中所示，底壁13的内表面设有固定单位长度的网格，网格由沿宽度方向(图1和图2中的A方向)的多条平行横线和沿厚度方向(图1和图2中的B方向) 的多条平行纵线相交而成，各个组成块3的底面中心置于网格的交点处，空洞轨道4对应于网格设置。

更进一步地，腔体2的顶壁11上和/或侧壁12上标识有与网格相对应的坐标系。

优选地，空洞轨道包括对应于网格的一条纵线的一条纵向轨道31和对应于多条横线的多条横向轨道32，纵向轨道31将多条横向轨道32贯穿连通，本实施例中，如图3b中所示，横向轨道32还可以为对应于横线的“凸”字型轨道，每条横向轨道包括间隔排布的多个突出部分，每个突出部分均对应于网格的一个交点。扫描探针5沿着图3b中所示的空洞轨道进行曼哈顿式扫描，当探针的针柄51进入“凸”字型轨道的突出部分时，由于轨道两侧的限制作用，探针无法纵向自由移动，从而保证了探测的便利性和准确性。

本实施例中，组成块的底面均为正方形，且每个组成块的底面边长为X。进一步地，当针头接触组成块时，针头的轴中心对应交点。更为具体地，如图2中所示，纵向轨道31 位于底壁上的网格中一条纵线的正上方，扫描探针5的针头52自空洞轨道4插入方形腔体2内部，从而接触到固定于底壁13上的组成块3，此时，针头52的中心对应网格的一个交点。

优选地，当针头在各个方向上的最大宽度d大于等于组成块的边长X时，网格的单位长度W满足：W≥0.5d+0.5X，且任意两个相邻的组成块之间的距离L满足：L≥0.5d-0.5X。具体来讲，例如图5中所示，当针头在各个方向上的最大宽度d为1.5cm时，组成块的边长X为1cm时，任意两个相邻的交点A1和B1之间的最小距离W为1.25cm，W任意两个相邻的组成块之间的最小距离L为0.25cm；当针头的宽度d为2cm时，组成块的边长X 为1cm时，任意两个相邻的交点A1和B1之间的最小距离为1.5cm，任意两个相邻的组成块之间的最小距离L则为0.5cm。

进一步地，针头52可以为方形或者圆形，也可以为其他能够起到相同作用的形状。

进一步地，组成块3为可拆卸地固定于底壁的内表面上。实际应用中，可以采用磁铁、螺丝、螺钉、粘片、黏胶等固定器件将组成块固定于底壁的内表面上，以避免扫描过程中组成块任意移动，当需要变换组成块的位置时，可将组成块拆卸下来重新进行组合。

优选地，扫描探针5的远离针头的另一端设有手柄6，如图1中所示，手柄的设计便于操作者手持扫描探针对腔体内部的各个组成块依次进行扫描，取得更舒适的握持感。

进一步地，针柄51上标有高度标尺，以便于操作者直接从针柄上读出当前位置处的组成块的高度。

优选地，针头52上还可以安装信号发送元件(如超声波)信号与接收元件，实践中可以采用超声波发生器与超声波接收器，以利用超声波原理来获得当前位置处的组成块高度。

进一步地，扫描探针5上设有控制器，控制器中设置控制芯片，用于控制扫描探针沿着空洞轨道依次对多个组成块的上表面进行自动扫描，并将扫描得到的各个组成块的高度和形状数据传输给外部的控制系统。这样无需在扫描分析组件1的外壁上标记坐标，并可以连接电脑等设备来纪录和控制坐标，从而提高操作的自动化程度。

综上所述，利用本实用新型的触探式扫描装置，利用但简化了传统的扫描式探针显微镜的扫描式间接触探的原理，不需要任何光电或者特殊材料，可以作为简单的教育玩具或科学工具等，为儿童等群体提供安全、低成本的玩耍新体验与学习科学的乐趣，具有很高的市场推广价值。上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。