一种五自由度的白光干涉原子力探针位姿调整机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超精密表面形貌/结构测量领域，更具体地，涉及一种基于白光干涉原子力探针扫描显微镜系统的原子力探针位姿调节机构。
【背景技术】
[0002]随着加工能力的提升和加工精度的提高，使得机械、电子、光学、材料等工业不断的微型化、精密化，加工得到的表面形貌/结构精度达到纳米量级，对被加工表面的检测也提出了更高要求。
[0003]超精密表面的测量，除了要检测高度方向和横向间距方向均是纳米量级的加工零件、材料表面微观三维形貌外，还要检测由微电子、微光学元件、微机械等微观结构单元组成的三维复杂微观结构，被测参数不仅包括表面的粗糙度、形状偏差，还要测量微结构的三维尺寸、轮廓、膜厚等。这就要求超精密表面形貌/结构测量仪器必须具备垂直、水平方向上的高分辨力和较大的测量范围。
[0004]原子力扫描探针显微镜具有原子级分辨力，其横、纵向分辨力分别可达到0.lnm和0.0lnm，可以直接观察分子或原子。原子力扫描探针显微镜可以适应不同的测量环境，温度要求也不苛刻，因此广泛用于超精密表面形貌/结构测量。
[0005]而原子力探针是原子力扫描探针显微镜系统的关键元件，用原子力显微镜进行超精密表面形貌/结构测量时，原子力探针的姿态需要调节为最佳，并且保证稳定，测量结果才会准确稳定。由于原子力探针尺寸都在纳米级别，对它进行姿态调节时，需要无极调节，且调节过程连续可控，并且需要在各个角度、方向之间的调节没有干涉，互不影响。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于白光干涉原子力探针扫描显微镜的原子力探针的五自由度位姿调节装置，其具有结构简单，操作简易，可以实现多角度、多方向精细调节且相互之间没有干涉影响的特点。
[0007]本发明提出了一种五自由度原子力探针位姿调整机构，其用于基于白光干涉的原子力探针扫描显微镜系统，其特征在于，该机构包括由下至上依次设置的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件以及第四调节部件，其中，
[0008]第一调节部件包括调节臂、副支架、第一调节部，所述调节臂(2)用于固定承载原子力探针的探针座，所述第一调节部分别挤压所述调节臂右端的外里侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；
[0009]第二调节部件包括探针座、调节臂、锁紧螺钉及第二调节部，所述第二调节部与所述探针座固定，所述第二调节部左右拖动及里外旋转可带动承载于所述调节臂内的所述探针座相应运动，从而实现所述原子力探针的左右水平和上下旋转调节，所述锁紧螺钉用于锁定原子力探针调整好后的姿态；
[0010]第三调节部件包括调节支架、第三调节部及锁紧手柄，所述第三调节部与所述调节支架固定，所述第三调节部左右旋转可以带动与所述调节支架连接的所述调节臂相应运动，从而实现所述原子力探针上下俯仰调节，所述锁紧手柄用于锁定原子力探针调整好后的姿态；
[0011]第四调节部件包括所述连接头、主支架及第四调节部，所述连接头与所述扫描显微镜系统中的显微镜固定，所述第四调节部分别与所述连接头上、下部配合，所述主支架与所述连接头中部配合，调节所述第四调节部带动所述主支架及与其固定的所述原子力探针位姿调节装置上下调节，从而实现所述原子力探针的上下竖直调节与锁定；
[0012]所述调节支架为一长方体两对侧面分别带有圆柱体的结构，所述副支架整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构开口方向相同的U形槽，U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一用于与所述调节臂固定的长方体调节支架臂，所述调节支架的两端的所述两个圆柱分别夹持于两个所述u形槽内。
[0013]本发明还提出了一种五自由度的原子力探针位姿调整机构，其用于基于白光干涉的原子力探针扫描显微镜系统，其特征在于，该装置包括由下至上依次设置的里外水平偏摆调节部件、左右水平和上下旋转调节部件、上下俯仰调节部件以及上下竖直调节部件，其中，
[0014]里外水平偏摆调节部件包括调节臂、副支架、第一调节部，其中所述调节臂用于固定承载原子力探针的探针座，同时与所述调节支架活动连接，所述第一调节部分别挤压所述调节臂右端的内外侧，由此实现所述原子力探针的里外水平偏摆调节与锁定；所述调节臂由阶梯形长方体构成，其用于与探针座进行固定连接；
[0015]左右水平和上下旋转调节部件包括探针座、调节臂、锁紧螺钉及第二调节部，所述探针座左侧穿过所述调节臂下部后，所述针座左端与所述第二调节部固定，通过左右拖动及里外旋转所述第二调节部可带动所述探针座相应运动，从而实现所述原子力探针的左右水平和上下旋转调节，所述锁紧螺钉与所述调节臂底面左侧中部的螺纹孔配合，用于锁定原子力探针调整好后的姿态；
[0016]上下俯仰调节部件包括调节支架、第三调节部及锁紧手柄，所述第三调节部与所述调节支架固定，所述调节支架为一长方体两对侧面分别带有圆柱体的结构；所述副支架整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构开口方向相同的U形槽，U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一用于与所述调节臂固定的长方体调节支架臂，所述调节支架的两端的所述两个圆柱体分别夹持于两个所述U形槽内，所述长方体调节支架臂用于与所述调节臂固定，通过左右旋转所述第三调节部可以带动与所述调节支架连接的所述调节臂相应运动，从而实现所述原子力探针上下俯仰调节，所述锁紧手柄与所述调节支架外侧端面配合，用于固定所述调节支架于所述副支架的相对位置，从而锁定原子力探针调整好后的姿态；
[0017]上下竖直调节部件包括所述连接头、主支架及第四调节部，所述连接头与所述扫描显微镜系统中的显微镜固定，所述第四调节部分别与所述连接头上、下部配合，所述主支架与所述连接头中部配合，通过调节所述第四调节部带动所述主支架及与其固定的所述原子力探针位姿调节装置上下调节，从而实现所述原子力探针的上下竖直调节与锁定。
[0018]本发明在保证原子力显微镜测量效果的前提下，通过细螺纹调节实现原子力探针在各方向的连续调节，用柔性铰链结构配合细螺纹调节实现原子力探针在各角度的连续调节，来实现原子力探针位姿的精细调节，并可以锁定调节后的位姿。使原子力显微镜工作在最佳状态，提高其准确性和稳定性。
【附图说明】
[0019]图1为按照本发明的原子力探针位姿调节装置的整体结构示意图；
[0020]图2为按照本发明实现的原子力探针位姿调节装置应用于现有技术中白光干涉原子力显微镜系统的整体结构示意图；
[0021]图3为按照本发明实现的调节装置中的探针座的示意图
[0022]图4为按照本发明实现的调节装置中的调节臂的示意图；
[0023]图5为按照本发明实现的调节装置中的副支架的示意图；
[0024]图6为按照本发明实现的调节装置中的调节支架的示意图。
[0025]在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中:
[0026]1-探针座2-调节臂3-第一调节螺钉4-副支架5-第二调节螺钉盖板6_锁紧螺钉7-第一调节手柄8-调节支架9-第二调节手柄10-锁紧手柄11-第一调节螺母12-连接头13-主支架14-第二调节螺母15-显微物镜16-干涉系统17-CXD 18-测控系统
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]图1为按照本发明的原子力探针位姿调节装置的整体结构示意图。如图1所示，按照本发明一个优选实施例的原子力探针位姿调节装置包括里外水平偏摆调节部件、左右水平和里外旋转调节部件、上下俯仰偏摆调节部件以及上下竖直调节部件这几维的调节部件。
[0029]其中，位于整个调节装置最下端的里外水平偏摆部件结构如下:如图3所示，探针座1为三部分构成，一部分为圆柱体101，中间部分为长方体102，第三部分为在长方体右侧下端中部连接的一小长方体103，小长方体103末端下平面用于固定原子力探针。
[0030]如图2及图5所示，副支架4主体为U形架，其中副支架4用于于主支架13实现连接传动，副支架4主要辅助完成原子力探针的微调，该U形架整体呈U字形结构，其中U形结构的两臂面上的沿开口方向的一侧中部分别开有开口方向与U形结构相同的U形槽401,402, U形架两臂面沿与U形结构底面平行的方向上各设有一长方体调节支架臂，前后两调节支架底部中间各设有螺纹孔403、404，副支架4U形结构的底面右侧中部设有两螺纹孔，用于与主支架13的配合安装；
[0031]调节臂2由阶梯形长方体构成，其用于与探针座1进行固定连接，其阶梯形高出部分即上部的长方体端面中心设有螺纹孔203，用于与调节支架8的长方形调节支架臂固定配合，下部长方体右侧中心设有贯穿整个阶梯形长方体结构的圆形通孔201，下部长方体左侧底部中间设有螺纹孔202。
[0032]探针座1左侧的圆柱体101穿过调节臂2的圆形通孔201，锁紧螺钉6旋入调节臂2底部的螺纹孔202，使探针座1与调节臂2固定，第一调节螺钉3，由螺杆和螺帽组成，通过旋入副支架4外侧调节支架底部的螺纹孔404，其螺杆底部挤压调节臂2外侧，使调节臂2向里摆动实现原子力探针向里水平偏摆调节；第二调节螺钉5，由螺杆和螺帽组成，通过旋入副支架4内侧调节支架底部的螺纹孔403，其螺杆底部挤压调节臂内侧，使调节臂2向外摆动实现原子力探针向外水平偏摆调节；通过第一调节螺钉3和第二调节螺钉5的配合调节，可以实现原子力探针的水平偏摆调节，并可以锁定调节后的姿态。
[0033]其中左右水平和里外旋转调节部件的结构如下:第一调节手柄7为阶梯圆柱体，大圆柱体外圈有滚花，大圆柱体端面中心至小圆柱体端面中心设有从大到小的阶梯通孔；探针座1左侧的圆柱体101穿过调节臂2的圆形通孔201，探针座1左端面中心设有螺纹孔，通过与第一调节手