原子力显微镜样品扫描过程演示装置的制作方法

本实用新型涉及一种原子力显微镜样品扫描过程演示装置，属于物理电子机械技术领域。

背景技术：

原子力显微镜（AFM）是一种能够以纳米级分辨率获得样品表面信息的分析仪器。近年来，原子力显微镜在针对固体样品表面形貌和构造的观测及研究方面的应用日益广泛，原子力显微镜压电扫描系统通过对压电陶瓷管施加不同极性电压使压电陶瓷管发生三维形变来实现XYZ三轴扫描，但由于原子力显微镜的压电扫描系统结构微小，扫描范围在微米、纳米级，因此无法对照实物进行讲解，学生较难直观理解原子力显微镜的扫描过程。

技术实现要素：

本实用新型设计一种具有演示作用的原子力显微镜样品扫描系统，其目的在于通过结构设计和电路机械控制系统宏观模拟原子力显微镜样品压电扫描系统的扫描过程，实现对样品台位置的三维控制，并可以选择扫描方式、扫描速度、扫描范围，以使实验者能够更加直观地了解其内部工作原理及对整体的把握，并有助于其对仪器的操作。

本实用新型的技术解决方案：原子力显微镜样品扫描过程演示装置，其结构包括二维运动平台9、高度调节装置17、控制箱29和驱动箱33；其中二维运动平台9固定于高度调节装置17的顶侧，驱动箱33通过有线或无线方式连接二维运动平台9，控制箱29通过有线或无线方式连接驱动箱33；

所述的二维运动平台9包括X轴步进电机2、X限位开关3、平台连接部件4、Y电机支架5、Y丝杆6、Y光杆7、样品台8、Y轴步进电机10、X电机支架11、Y限位开关19、X丝杆20、X光杆21；其中X轴步进电机2的转子连接X丝杆20后通过螺栓结构固定于带有X光杆21的X电机支架11上，平台连接部件4穿过X丝杆20和X光杆21并与Y轴步进电机10的Y电机支架5相连接，Y轴步进电机10转子与Y丝杆6连接，Y丝杆6和Y光杆7穿过样品台8下方的孔洞；样品台8设于二维运动平台9的最上端，X电机支架11和Y电机支架5的末端分别设有X限位开关3和Y限位开关19；

所述的高度调节装置17包括手动调节旋钮1、A螺柱12、A弹簧13、上平台14、减速电机15、下平台16、传动杆18、渐开线凸轮22、B弹簧23、C弹簧24、B螺柱25、C螺柱26、D螺柱27、D弹簧28；其中渐开线凸轮22置于上平台14与下平台16之间，传动杆18穿过渐开线凸轮22的轴心孔，传动杆18的两侧分别连接手动调节旋钮1和减速电机15；上平台14与下平台16通过A螺柱12、B螺柱25、C螺柱26、D螺柱27分别穿过A弹簧13、B弹簧23、C弹簧24、D弹簧28连接固定；

所述的控制箱29的表面设有液晶显示屏30、旋转编码开关31和按键32；

所述的驱动箱33内部设有单片机及电机驱动，驱动箱33的表面设有开关按钮34和电源指示灯35。

本实用新型的优点：

1）国内外尚未见有相类似产品；

2）本装置通过结构设计宏观模拟出原子力显微镜的压电扫描过程，与演示装置其他部分相配合，使原本复杂的扫描系统变得更加直观，有利于原子力显微镜的实验教学；

3）对原子力显微镜的实验教学和实验培训工作提供较强的辅助作用；

4）平台高度可以手动调节。

附图说明

图1是原子力显微镜样品扫描过程演示装置结构示意图。

图2是原子力显微镜样品扫描过程演示装置二维运动平台结构示意图。

图3是原子力显微镜样品扫描过程演示装置高度调节装置结构示意图。

图4是原子力显微镜样品扫描过程演示装置渐开线凸轮结构示意图。

图5是原子力显微镜样品扫描过程演示装置控制箱结构示意图。

图6是原子力显微镜样品扫描过程演示装置驱动箱结构示意图。

图中的1是手动调节旋钮、2是X轴步进电机、3是X限位开关、4是平台连接部件、5是Y电机支架、6是Y丝杆、7是Y光杆、8是样品台、9是二维运动平台、10是Y轴步进电机、11是X电机支架、12是A螺柱、13是A弹簧、14是上平台、15是减速电机、16是下平台、17是高度调节装置、18是传动杆、19是Y限位开关、20是X丝杆、21是X光杆、22是渐开线凸轮、23是B弹簧、24是C弹簧、25是B螺柱、26是C螺柱、27是D螺柱、28是D弹簧、29是控制箱、30是液晶显示屏、31是旋转编码开关、32是按键、33是驱动箱、34是开关按钮、35是电源指示灯。

具体实施方式

如附图1所示，原子力显微镜样品扫描过程演示装置，其结构包括二维运动平台9、高度调节装置17、控制箱和驱动箱；其中二维运动平台9固定于高度调节装置17的顶侧，驱动箱通过有线或无线方式连接二维运动平台9，控制箱通过有线或无线方式连接驱动箱。

如附图2所示，所述的二维运动平台9包括X轴步进电机2、X限位开关3、平台连接部件4、Y电机支架5、Y丝杆6、Y光杆7、样品台8、Y轴步进电机10、X电机支架11、Y限位开关19、X丝杆20、X光杆21；其中X轴步进电机2的转子连接X丝杆20后通过螺栓结构固定于带有X光杆21的X电机支架11上，平台连接部件4穿过X丝杆20和X光杆21并与Y轴步进电机10的Y电机支架5相连接，Y轴步进电机10转子与Y丝杆6连接，Y丝杆6和Y光杆7穿过样品台8下方的孔洞；样品台8设于二维运动平台9的最上端，X电机支架11和Y电机支架5的末端分别设有X限位开关3和Y限位开关19。

如附图3-4所示，所述的高度调节装置17包括手动调节旋钮1、A螺柱12、A弹簧13、上平台14、减速电机15、下平台16、传动杆18、渐开线凸轮22、B弹簧23、C弹簧24、B螺柱25、C螺柱26、D螺柱27、D弹簧28；其中渐开线凸轮22置于上平台14与下平台16之间，传动杆18穿过渐开线凸轮22的轴心孔，传动杆18的两侧分别连接手动调节旋钮1和减速电机15；上平台14与下平台16通过A螺柱12、B螺柱25、C螺柱26、D螺柱27分别穿过A弹簧13、B弹簧23、C弹簧24、D弹簧28连接固定。

如附图5所示，所述的控制箱29的表面设有液晶显示屏30、旋转编码开关31和按键32。

如附图6所示，所述的驱动箱33内部设有单片机及电机驱动，驱动箱33的表面设有开关按钮34和电源指示灯35。

原子力显微镜样品扫描过程演示装置的演示方法，包括如下步骤：

1）利用驱动箱33内部的单片机控制X轴步进电机2和Y轴步进电机10，模拟原子力显微镜扫描过程的恒力模式和恒高模式；

2）利用步进电机带动对应丝杆，驱动二维运动平台9的前后运动；

3）利用渐开线凸轮22和4组弹簧与螺柱的配合平滑调节平台高度；

4）通过手动调节和步进电机驱动两种方式转动渐开线凸轮，调整样品台的高度；

5）通过控制箱29改变扫描方向、扫描速度和扫描范围模拟压电扫描系统的各种扫描过程。

实施例

实际操作时，通过驱动箱33里单片机给驱动芯片脉冲信号可以控制步进电机的位置，每当给一个脉冲，步进电机便转动一个角度，同时若样品台8从远处移动到达两步进电机位置时会触发限位开关产生一个跳变沿信号传输到驱动箱29，上电时，样品台8朝远离两步进电机方向水平移动一小段距离，随后做反向运动，直至到达两步进电机位置，控制器收到信号，平台停止运转，将此点位置设为原点，远离电机方向为正方向，通过控制箱29可以选择恒高模式和恒力模式，在恒力模式下单片机可接受反馈信号通过调节样品台8高度使样品与探针接触力大小不变，恒高模式下样品台8高度保持不变，在进行单片机程序编写时，将“Z”字型路线的点坐标依次存放在二维数组中，让单片机控制步进电机依次到达指定点，实现“Z”字形路线扫描，其中扫描速度，扫描范围以及扫描方向均可通过控制箱29调节。