专利名称：超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法
技术领域：
，扫描探针显微技术(Scanning probe microscopy)为人们提供了超高精度分辨能力，被广泛地用于科学实验。扫描探针显微镜是基于探针对试样表面的检测，当探针充分尖、探针与试样表面间距充分小时，探针能够检测表面纳米甚至原子分子量级的几何尺度变化，能够检测原子间相互作用力以及其他微观物理量及相应变化。微机械加工制造技术的发展，也为扫描探针显微技术的应用提供更为便利的条件。但扫描探针显微镜通常只是利用探针针尖对局域点进行操作检测，这些点远远小于常规操作尺度，重复操作性和可控制性不好，与表面微观状态相关，实时操作困难，导致许多工程技术领域应用不便，因而目前这种超微检测方法用于科学实验多于工程技术领域。
3.
发明内容
针对上述问题，本发明设计一种方法和装置，目的之一是使该装置一方面在原理上能够以扫描探针显微镜超微分辨能力进行微观量的探测，另一方面又适应于通常工程技术领域中微观量的精密检测。检测的物理量经过处理容易适用于对过程的监控、计算、转换。
本发明的另一个目的，是使常规小物体能够直接乘放于检测仪器上，适当调整参数该装置可以在一定量程上对不同大小的微载荷进行检测。
本发明还有一个目的是对微小载荷的动态变化可以检测。
本发明的结构示意图如附图所示，包括有机体(1)，原子力显微镜检测装置(27)，弹性测微装置(26)，所述弹性测微装置(26)通过螺杆(2)与机体(1)连接，弹性测微装置(26)与机体(1)之间装有压缩弹簧(3).
上述弹性测微装置包括片簧下压座(4)、垫片(5)、片簧上压座(6)、标准面工作台(7)、弹簧垫圈(8)、垫片(9)、载荷传递杆(10)、载荷台(11)、载荷乘放装置(12)、检测片簧(13)，其中片簧下压座(4)、垫片(5)、片簧上压座(6)、检测片簧(13)相连接.标准面工作台(7)、弹簧垫圈(8)、垫片(9)、载荷传递杆(10)、载荷台(11)、载荷乘放装置(12)相连接.
上述.原子力显微镜检测装置(27)包括微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、探测头座(18)、反射镜(19)、检测器(20)、压电陶瓷伸缩管(21)、驱动台(22)、电机轴(23)、步进电机(24)、电机垫片(25)，其中电机轴(23)与步进电机(24)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)安装在驱动台(22)上，并与电机轴(23)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)上安装探测头座(18)，探测头座(18)内分别安装微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、反射镜(19)。
本发明超微质量及超微载荷变化量检测装置的检测方法，包括如下步骤(1)微小物体乘放的载荷容器或载物台，其重量包含部分辅助物体的重量将由弹性载荷支撑平衡；平衡后，通过一微驱动机构，使达到平衡后的载荷及载荷支撑系统与探针检测系统充分接近(＜1nm)。
(2)载荷容器底部有一光滑的测试表面，通过该表面，当探针接近该表面时对它们相互之间的微小距离变化十分敏感，这种敏感性是原子力显微镜可测的。
(3)当被检测的微小固体或液体直接乘放于载荷容器或载荷台上时，由于弹性载荷支撑会产生微小变形，使探针与载荷容器底部光滑测试表面的微小距离发生十分敏感的变化，由此导致探针微悬臂弯曲变化；这种变化通过原来照射在探针背面上并反射到激光检测器内的信号，发生一小角度的偏转，该偏转被机激光检测器所检测，偏转的量即对应于载荷的大小。
上述步骤中有下列两种情况(1)选择不同的弹性载荷支撑系统，获得对检测载荷的不同敏感性以适应不同量程和精度的需要。
(2)采用扫描隧道显微镜等测微系统代替原子力显微镜检测系统，实现类似的检测效果。
本发明将使工程上获得一种十分精密的超微质量和超微载荷变化量的检测手段，由于采用了本发明，将使微质量和超微载荷变化量的检测变得相对容易，适用范围广，相对操作条件简化，成本不昂贵，对微观物理量的检测以及定量分析控制、对科技产业等有推进作用。
4.
图1、图2为本发明超微质量及超微载荷变化量检测装置的结构示意图.1、机体 2、螺杆 3、压缩弹簧 4、片簧下压座 5、垫片 6、片簧上压座 7、标准面工作台 8、弹簧垫圈 9、垫片 10、载荷传递杆 11、载荷台 12、载荷乘放装置 13、检测片簧 14、载荷15、微悬臂探针 16、探针座 17、激光 18、探测头座 19、反射镜 20、检测器 21、压电陶瓷伸缩管 22、驱动台 23、电机轴 24步进电机 25、电机垫片 26、弹性测微装置 27、.原子力显微镜检测装置图3为原子力显微镜检测的信号图X轴表示时间，y轴为原子力显微镜检测的信号(电压)变化。
曲线1为无挥发物质时，检测获得的曲线随时间无变化；曲线2为物质在挥发过程中随时间增加检测信号的变化开始阶段因为微动机构逼近受到干扰，随后信号随时间增加近似线性上升。
5.具体实施方式
实施例本发明的结构示意图如附图所示，包括有机体(1)，原子力显微镜检测装置(27)，弹性测微装置(26)，所述弹性测微装置(26)通过螺杆(2)与机体(1)连接。弹性测微装置(26)与机体(1)之间装有压缩弹簧(3).
上述弹性测微装置包括片簧下压座(4)、垫片(5)、片簧上压座(6)、标准面工作台(7)、弹簧垫圈(8)、垫片(9)、载荷传递杆(10)、载荷台(11)、载荷乘放装置(12)、检测片簧(13)，其中片簧下压座(4)、垫片(5)、片簧上压座(6)、检测片簧(13)相连接.标准面工作台(7)、弹簧垫圈(8)、垫片(9)、载荷传递杆(10)、载荷台(11)、载荷乘放装置(12)相连接。
上述原子力显微镜检测装置(27)包括微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、探测头座(18)、反射镜(19)、检测器(20)、压电陶瓷伸缩管(21)、驱动台(22)、电机轴(23)、步进电机(24)、电机垫片(25)，其中电机轴(23)与步进电机(24)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)安装在驱动台(22)上，并与电机轴(23)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)上安装探测头座(18)，探测头座(18)内分别安装微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、反射镜(19)。
本发明超微质量及超微载荷变化量检测装置的检测方法，包括如下步骤(1)微小物体乘放的载荷容器或载物台，其重量包含部分辅助物体的重量将由弹性载荷支撑平衡；平衡后，通过一微驱动机构，使达到平衡后的载荷及载荷支撑系统与探针检测系统充分接近(＜1nm)。
(2)载荷容器底部有一光滑的测试表面，通过该表面，当探针接近该表面时对它们相互之间的微小距离变化十分敏感，这种敏感性是原子力显微镜可测的。
(3)当被检测的微小固体或液体直接乘放于载荷容器或载荷台上时，由于弹性载荷支撑会产生微小变形，使探针与载荷容器底部光滑测试表面的微小距离发生十分敏感的变化，由此导致探针微悬臂弯曲变化。这种变化通过原来照射在探针背面上并反射到激光检测器内的信号，发生一小角度的偏转，该偏转被机激光检测器所检测，偏转的量即对应于载荷的大小。
上述步骤中有下列两种情况
(1)选择不同的弹性载荷支撑系统，获得对检测载荷的不同敏感性以适应不同量程和精度的需要。
(2)采用扫描隧道显微镜等测微系统代替原子力显微镜检测系统，实现类似的检测效果。
为了检验该发明装置对超微质量或超微载荷变化量检测敏感程度，实施了如下实验物质挥发过程微小质量变化的检测。
过程在一微小容器中放入0.1ml的丙酮。根据上述检测方法，置入载荷后调整弹性检测装置与原子力显微镜装置的相对位置并启动微调机构，使原子力显微镜处于工作状态。微小容器开口，检测物质随时间挥发的变化过程。
结果如图3.
上述结果表明，该发明装置对微小的物质变化过程十分敏感，因此适用于超微质量和超微载荷变化量的检测。
权利要求
1.一种超微质量及超微载荷变化量检测装置，其特征在于包括机体(1)，原子力显微镜检测装置(27)，弹性测微装置(26)，所述弹性测微装置(26)通过螺杆(2)与机体(1)连接，弹性测微装置(26)与机体(1)之间装有压缩弹簧(3)。
2.根据权利要求1所述的一种超微质量及超微载荷变化量检测装置，其特征在于上述弹性测微装置(26)包括片簧下压座(4)、垫片(5)、片簧上压座(6)、标准面工作台(7)、弹簧垫圈(8)、垫片(9)、载荷传递杆(10)、载荷台(11)、载荷乘放装置(12)、检测片簧(13)，其中片簧下压座(4)、垫片(5)、片簧上压座(6)、检测片簧(13)相连接.标准面工作台(7)、弹簧垫圈(8)、垫片(9)、载荷传递杆(10)、载荷台(11)、载荷乘放装置(12)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种超微质量及超微载荷变化量检测装置，其特征在于上述原子力显微镜检测装置(27)包括微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、探测头座(18)、反射镜(19)、检测器(20)、压电陶瓷伸缩管(21)、驱动台(22)、电机轴(23)、步进电机(24)、电机垫片(25)，其中电机轴(23)与步进电机(24)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)安装在驱动台(22)上，并与电机轴(23)相连接，压电陶瓷伸缩管(21)上安装探测头座(18)，探测头座(18)内分别安装微悬臂探针(15)、探针座(16)、激光(17)、反射镜(19)。
4.一种权利要求1所述超微质量及超微载荷变化量检测装置的检测方法，其特征在于包括如下步骤(1)微小物体乘放的载荷容器或载物台，其重量包含部分辅助物体的重量将由弹性载荷支撑平衡；平衡后，通过一微驱动机构，使达到平衡后的载荷及载荷支撑系统与探针检测系统充分接近(＜1nm)。(2)载荷容器底部有一光滑的测试表面，通过该表面，当探针接近该表面时对它们相互之间的微小距离变化十分敏感，这种敏感性是原子力显微镜可测的。(3)当被检测的微小固体或液体直接乘放于载荷容器或载荷台上时，由于弹性载荷支撑会产生微小变形，使探针与载荷容器底部光滑测试表面的微小距离发生十分敏感的变化，由此导致探针微悬臂弯曲变化；这种变化通过原来照射在探针背面上并反射到激光检测器内的信号，发生一小角度的偏转，该偏转被机激光检测器所检测，偏转的量即对应于载荷的大小。
5.根据权利要求4所述超微质量及超微载荷变化量检测装置的检测方法，其特征在于上述步骤中有下列两种情况(1)选择不同的弹性载荷支撑系统，获得对检测载荷的不同敏感性以适应不同量程和精度的需要。(2)采用扫描隧道显微镜等测微系统代替原子力显微镜检测系统，实现类似的检测效果。
全文摘要
本发明涉及一种检测装置，具体说涉及一种超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法。包括有机体(1)，原子力显微镜检测装置(27)，弹性测微装置(26)，所述弹性测微装置(26)通过螺杆(2)与机体(1)连接，弹性测微装置(26)与机体(1)之间装有压缩弹簧(3).本发明设计一种方法和装置，该装置一方面能够以扫描探针显微镜超微分辨能力进行微观量的探测，另一方面又适应于通常工程技术领域中微观量的精密检测。检测的物理量经过处理容易适用于对过程的监控、计算、转换。本发明将使工程上获得一种十分精密的超微质量和超微载荷变化量的检测手段，采用本发明，将使微质量和超微载荷变化量的检测变得相对容易。适用范围广，相对操作条件简化。
文档编号G01L1/24GK1566925SQ0313963
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月30日 优先权日2003年6月30日
发明者傅惠南 申请人:广东工业大学