一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，该系统中的AFM控制器分别通过线缆与图形显示器、压电陶瓷管扫描器、步进电机的驱动电路、反馈信号检测电路和扫描控制信号处理电路连接，实现电信号的传输；样品台上安装有探头限位座；探头限位座上方是圆形安装台，圆形安装台上安装有压电陶瓷管扫描器、位移调节组件、以及通过四根支撑柱支撑的电路安装箱。本发明设计的系统能够让学生了解到AFM的基本工作原理和成像系统的操作步骤，并使用成像系统观察样品的微观结构。在实验过程中，学生通过对成像系统的力传感元件—石英音叉探针的阻尼系数的测量，以及对双稳态现象的观察，能进一步加深对AFM力作用机制以及参数设置的理解。
【专利说明】一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实验仪器，更特别地说，是指一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统。
【背景技术】
[0002]1986 年,Binnig和 Quate 发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)。原子力显微镜是利用一个极细的针尖逐点探测样品表面，当针尖与样品表面的距离达到纳米级时，探针会受到样品对其产生的相互作用力，通过对这个作用力的检测获取样品的形貌信息。通过与多种现代技术的结合，原子力显微镜不仅成为世界上分辨率最高的显微镜之一，而且是可以在真空、大气和液态环境中对样品进行纳米级分辨率成像、具备纳米操纵与组装能力的、可以测量小到PN量级作用力的一种强有力的微观表面分析仪器。目前，原子力显微镜广泛应用于材料科学，生物技术以及深空探测等热点领域。
[0003]现有的原子力显微镜的实验仪器大都只具有演示性实验内容，而且商业原子力显微镜仪器的操作比较复杂、价格昂贵。学生需要培训较长的时间才能进行独立操作，很难让学生快速理解原子力显微镜的工作原理，且实验成本也偏高。基于在原子力显微镜实验方面的空缺，以及为了让学生对原子力显微镜原理进一步学习、了解和掌握，使学生通过实际操作实验设备观察样品微观结构，并为了方便学生操作、降低实验成本等，需要对现有的原子力显微镜的实验仪进行改进。
[0004]在专利申请号CN201110358206.8，申请日2013年11月11日，公开了发明名称为一种基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统。参见图1所示，该系统包括有AFM控制器1、图形显示器2、扫描器3、样品台4、悬臂5、针尖51、AFM探针激励器6、激光器7、光电四象限接收器8、锁相放大器11、第二函数发生器12和第一函数发生器13。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，该原子力显微镜的成像系统通过改变探针的结构和扫描器扫描方式，省去了对探针的激励部分、光电四象限接收器、激光器，从而降低了本发明设计的原子力显微镜的成像系统的复杂程度。
[0006]本发明是一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，该系统包括有AFM控制器(I)、图形显示器(2)、压电陶瓷管扫描器(3)、样品台(4)、石英音叉探针(5);其特征在于:还包括有反馈信号检测电路(61)、扫描控制信号处理电路(62)和位移调节组件；
[0007]位移调节组件包括有步进电机(51 )、步进电机驱动电路、电路安装箱(52)、传动件(53)、支撑件(54)、探头限位座(55)、第一定位件(57A)、第二定位件(57B)、圆形安装台(58)；电路安装箱(52)内安装有步进电机驱动电路、反馈信号检测电路(61)、扫描控制信号处理电路(62)；
[0008]第一定位件(57A)包括有第一丝杠(57A1)、第一丝杠套(57A2)、第一^^环(57A3)和第一点接触球体(57A4)。第一丝杠套(57A2)套接在第一丝杠(57A1)上，第一^^环(57A3)螺纹连接在第一丝杠套(57A2)的外部，第一丝杠(57A1)的底部的沉头孔内置入有第一点接触球体(57A4)。第一丝杠套(57A2)安装在探头限位座(55)的第一沉头通孔(5? )内，第—^环(57A3)位于圆形安装台(58)的下方。
[0009]第二定位件(57B)包括有第二丝杠(57B1)、第二丝杠套(57B2)、第二卡环(57B3)和第二点接触球体(57B4)。第二丝杠套(57B2)套接在第二丝杠(57B1)上，第二卡环57B3螺纹连接在第二丝杠套(57B2)的外部，第二丝杠(57B1)的底部的沉头孔内置入有第二点接触球体(57B4)。第二丝杠套(57B2 )安装在探头限位座(55 )的第二沉头通孔(5? )内，第二卡环(57B3)位于圆形安装台(58)的下方。
[0010]圆形安装台(58)上设有第四沉头通孔(58A)、第五沉头通孔(58B)、观察窗(58C)、第一定位腔(58D)、第二定位腔(58F)、螺纹孔(58H)。第一定位腔(58D)的中心设有第一通孔(58E)。第二定位腔(58F)的中心设有第二通孔(58G)。观察窗(58C)上安装有玻璃。第一定位腔(58D)内安装有传动件(53)中的外套筒(53A)的下端，第一定位腔(58D)的第一通孔(58E)内安装有传动件(53)中的第三丝杠套(53B)。第二定位腔(58F)上安装有压电陶瓷管扫描器(3)，且压电陶瓷管扫描器(3)的输出端穿过第二通孔(58G)后与上端部陶瓷体(3A)连接。第四沉头通孔(58A)内安装有第一定位件(57A)中的第一丝杠套(57A2)，第五沉头通孔(58B)内安装有第二定位件(57B)中的第二丝杠套(57B2)。4个螺纹孔(58H)上连接有支撑件(54)的一端。传动件(53)用于驱动圆形安装台(58)在Z轴方向的调节。
[0011]传动件(53)包括有外套筒(53A)、第三丝杠套(53B)、第三卡环(53C)、第三点接触球体(53D)、第三丝杠(53E)、内套筒(53F)、销钉(53G)。
[0012]丝杠(53E)上设有丝杠段(53E1)和接头(53E2)，丝杠(53E)的底部设有沉头圆孔，该沉头圆孔用于放置点接触 球体(53D)，丝杠段(53E1)用于丝杠套(53B)在其上运动，接头(53E2)上设有通孔(53E3)，该通孔(53E3)用于销钉(53G)穿过，穿过通孔(53E3)后的销钉(53G)的一端置于内套筒(53F)的第一开槽(53F1)中，穿过通孔(53E3)后的销钉(53G)的另一端置于内套筒(53F)的第二开槽(53F2)中。
[0013]内套筒(53F)的上端设有沉头孔和通孔，该沉头孔用于放置步进电机(52)的输出轴，通孔用于紧顶钉(53H)穿过，紧顶钉(53H)的一端顶紧在步进电机(52)的输出轴上，通过紧顶钉(53H)实现内套筒(53F)与步进电机(52)的输出轴的锁紧。内套筒(53F)的筒体上设有第一开槽(53F1)和第二开槽(53F2)，第一开槽(53F1)用于放置销钉(53G)的一端，第二开槽(53F2)用于放置销钉(53G)的另一端。
[0014]探针限位座(55)上设有第一盲孔(55A)、第二盲孔(55B)、第三盲孔(55C)、第一沉头通孔(5?)、第二沉头通孔(55E)、第三沉头通孔(55F)、开口限位孔(55G)。第一盲孔(55A)用于放置第一定位件(57A),第二盲孔(55B)用于放置第二定位件(57B),第三盲孔(55C)用于放置传动件(53 )中的第三点接触球体(53D)。开口限位孔(55G)处用于置入石英音叉探针(5)，通过开口限位孔(55G)来限制压电陶瓷管扫描器(3)带动石英音叉探针(5)的运动范围。分别在第一沉头通孔(5?)、第二沉头通孔(55E)、第三沉头通孔(55F)是放置螺钉实现将探针限位座(55)与样品台(4)的安装。
[0015]本发明基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统的优点在于:
[0016]①采用石英音叉探针不仅省去了激励装置而且不再需要外加的检测装置，降低系统的复杂程度。
[0017]②本发明设计的成像系统减少了器件的应用，激光器、光电四象限接收器。
[0018]③采用四分压电陶瓷管作为三维扫描器，具有体积小、扫描范围大且共振频率高的优点。
[0019]④将扫描器置于探头几何中心的几何对称结构设计，可以降低探头热漂移对扫描器的影响。
[0020]⑤探头采用三点支撑定位，既能降低对加工工艺的要求，又能避免因自身设计或加工缺陷而导致的机械漂移。
[0021]⑥采用电路形式实现针尖与样品之间间距的自感知检测，结构简单、体积小、功耗低。
[0022]⑦通过全数字闭环控制系统构成原子力显微镜的控制器，保证系统的可靠性。
[0023]⑧通过软、硬件的结合教学，有效地降低了教学成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是已经公开的基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统的结构图。
[0025]图2是本发明 设计的一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统的结构图。
[0026]图3是本发明设计的探针机构部分的结构图。
[0027]图3A是图3的正视结构图。
[0028]图3B是本发明设计的探针机构部分另一视角的结构图。
[0029]图3C是本发明设计的探针机构部分中压电陶瓷管扫描器与电机驱动的结构图。
[0030]图3D是本发明设计的探针机构部分中压电陶瓷管扫描器与压电陶瓷驱动的结构图。
[0031]图3E是本发明设计的探针机构部分中压电陶瓷驱动与石英音叉探针的结构图。
[0032]图3F是本发明设计的探针机构部分中压电陶瓷驱动与石英音叉探针的另一视角结构图。
[0033]图3G是本发明设计的探针机构部分中圆形安装台的结构图。
[0034]图3H是本发明设计的探针机构部分中传动件的结构图。
[0035]图31是本发明设计的探针机构部分中传动件的分解图。
[0036]图3J是本发明设计的探针机构部分中第一定位件的结构图。
[0037]图3K是本发明设计的探针机构部分中第二定位件的结构图。
[0038]图4是适用于原子力显微镜的成像界面。
[0039]图5A是本发明步进电机驱动电路的原理图。
[0040]图5B是本发明反馈信号检测电路的电路原理图。
[0041]图5C是本发明扫描控制信号处理电路中X轴控制部分电路原理图。
[0042]图是本发明扫描控制信号处理电路中Y轴控制部分电路原理图。
[0043]图5E是本发明扫描控制信号处理电路中Z轴控制部分电路原理图。
[0044]
[0045]
【权利要求】
1.一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，该系统包括有AFM控制器(I)、图形显示器(2)、压电陶瓷管扫描器(3)、样品台(4)、石英音叉探针(5);其特征在于:还包括有反馈信号检测电路(61)、扫描控制信号处理电路(62)和位移调节组件； 位移调节组件包括有步进电机(51)、步进电机驱动电路、电路安装箱(52)、传动件(53)、支撑件(54)、探头限位座(55)、第一定位件(57A)、第二定位件(57B)、圆形安装台(58)；电路安装箱(52)内安装有步进电机驱动电路、反馈信号检测电路(61)、扫描控制信号处理电路(62)； 第一定位件(57A)包括有第一丝杠(57A1)、第一丝杠套(57A2)、第一^^环(57A3)和第一点接触球体(57A4)。第一丝杠套(57A2)套接在第一丝杠(57A1)上，第一^^环(57A3)螺纹连接在第一丝杠套(57A2)的外部，第一丝杠(57A1)的底部的沉头孔内置入有第一点接触球体(57A4)。第一丝杠套(57A2 )安装在探头限位座(55 )的第一沉头通孔(5? )内，第一卡环(57A3)位于圆形安装台(58)的下方。 第二定位件(57B)包括有第二丝杠(57B1)、第二丝杠套(57B2)、第二卡环(57B3)和第二点接触球体(57B4)。第二丝杠套(57B2)套接在第二丝杠(57B1)上，第二卡环57B3螺纹连接在第二丝杠套(57B2)的外部，第二丝杠(57B1)的底部的沉头孔内置入有第二点接触球体(57B4)。第二丝杠套(57B2 )安装在探头限位座(55 )的第二沉头通孔(5? )内，第二卡环(57B3)位于圆形安装台(58)的下方。 圆形安装台(58)上设有第四沉头通孔(58A)、第五沉头通孔(58B)、观察窗(58C)、第一定位腔(58D)、第二定位腔(58F)、螺纹孔(58H)。第一定位腔(58D)的中心设有第一通孔(58E)。第二定位腔(58F)的中心设有第二通孔(58G)。观察窗(58C)上安装有玻璃。第一定位腔(58D)内安装有传动件(53)中的外套筒(53A)的下端，第一定位腔(58D)的第一通孔(58E)内安装有传动件(53)中的第三丝杠套(53B)。第二定位腔(58F)上安装有压电陶瓷管扫描器(3)，且压电陶瓷管扫描器(3)的输出端穿过第二通孔(58G)后与上端部陶瓷体(3A)连接。第四沉头通孔(58A)内安装有第一定位件(57A)中的第一丝杠套(57A2)，第五沉头通孔(58B)内安装有第二定位件(57B)中的第二丝杠套(57B2)。4个螺纹孔(58H)上连接有支撑件(54)的一端。传动件(53)用于驱动圆形安装台(58)在Z轴方向的调节。 传动件(53)包括有外套筒(53A)、第三丝杠套(53B)、第三卡环(53C)、第三点接触球体(53D)、第三丝杠(53E)、内套筒(53F)、销钉(53G)。 丝杠(53E)上设有丝杠段(53E1)和接头(53E2)，丝杠(53E)的底部设有沉头圆孔，该沉头圆孔用于放置点接触球体(53D)，丝杠段(53E1)用于丝杠套(53B)在其上运动，接头(53E2)上设有通孔(53E3)，该通孔(53E3)用于销钉(53G)穿过，穿过通孔(53E3)后的销钉(53G)的一端置于内套筒(53F)的第一开槽(53F1)中，穿过通孔(53E3)后的销钉(53G)的另一端置于内套筒(53F)的第二开槽(53F2)中。 内套筒(53F)的上端设有 沉头孔和通孔，该沉头孔用于放置步进电机(52)的输出轴，通孔用于紧顶钉(53H)穿过，紧顶钉(53H)的一端顶紧在步进电机(52)的输出轴上，通过紧顶钉(53H)实现内套筒(53F)与步进电机(52)的输出轴的锁紧。内套筒(53F)的筒体上设有第一开槽(53F1)和第二开槽(53F2)，第一开槽(53F1)用于放置销钉(53G)的一端，第二开槽(53F2)用于放置销钉(53G)的另一端。 探针限位座(55)上设有第一盲孔(55A)、第二盲孔(55B)、第三盲孔(55C)、第一沉头通孔(5?)、第二沉头通孔(55E)、第三沉头通孔(55F)、开口限位孔(55G)。第一盲孔(55A)用于放置第一定位件(57A),第二盲孔(55B)用于放置第二定位件(57B),第三盲孔(55C)用于放置传动件(53 )中的第三点接触球体(53D )。开口限位孔(55G)处用于置入石英音叉探针(5)，通过开口限位孔(55G)来限制压电陶瓷管扫描器(3)带动石英音叉探针(5)的运动范围。分别在第一沉头通孔(5?)、第二沉头通孔(55E)、第三沉头通孔(55F)是放置螺钉实现将探针限位座(55)与样品台(4)的安装。
2.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，其特征在于:通过手动调节第一定位件57A、第二定位件57B来抬起或者放下圆形安装台58，实现石英音叉探针5距离样品4A在Z轴方向上位移的粗调。通过步进电机51与传动件53的配合来抬起或者放下圆形安装台58，实现石英音叉探针5距离样品4A在Z轴方向上位移的精调。
3.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，其特征在于反馈信号检测电路61的电路原理结构为:从石英音叉探针5输出的形貌信息敏感电流信号M5进入Ull芯片(0PA27运算放大器芯片)的2脚，形貌信息敏感电流信号M5经电阻R12与6脚连接，形貌信息敏感电流信号M5经电容C32与6脚连接，Ull芯片的4脚接-5V电源，Ull芯片的7脚接+5V电源，Ull芯片的6脚输出电压信号VM5。Ull芯片的6脚经电阻R13与U12芯片(0PA27运算放大器芯片)的2脚连接。 电压信号VM5经电阻R13、电容C33与6脚连接，电压信号VM5经电阻R13、电阻R15与6脚连接，U12芯片的3脚经电阻R14接地，U12芯片的4脚接-5V电源，U12芯片的7脚接+5V电源，U12芯片的6脚输出放大电压信号AM5。U12芯片的6脚与UlO芯片(AD637均方根直流转换芯片)的15脚连接。 UlO芯片的I脚经电容C20接地，UlO芯片的I脚经可变电阻R16与11脚连接，3脚、4脚接地，6脚与11脚连接 ，10脚经电容C17与11脚连接，12脚接-5V电源，13脚接+5V电源，15脚与U12芯片的6脚连接，16脚与AFM控制器I连接。
4.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，其特征在于扫描控制信号处理电路62的电路原理结构为:包括有X轴部分控制电路、Y轴部分控制电路和Z轴部分控制电路； X轴部分控制电路AFM控制器输出的X轴信号X_IN经电阻R8连接到UlA芯片(0P470四通道运算放大器芯片)的3脚，UlA芯片的3脚经电容C3接地，2脚经电阻R5接地，2脚经电阻Rl与I脚连接，4脚接+15V电源，4脚经电容Cl接地，11脚接-15V电源，11脚经电容C6接地，I脚经电阻R6与UlD芯片(0P470四通道运算放大器芯片)的13脚连接，13脚经电阻R4与14脚连接，12脚经电阻R9接地，14脚经电阻R7与U2芯片(PA240高压运算放大器芯片)的I脚连接，I脚经电阻R2与5脚连接，2脚经电阻Rll接地，3脚接+150V电源，3脚经电容C2接地，4脚接-150V电源，4脚经电容C7接地，6脚经电容C4与7脚连接，5脚经电阻RlO后连接在压电陶瓷管扫描器上；U1A芯片的I脚脚经电阻R14与U3芯片(PA240高压运算放大器芯片)的I脚连接，I脚经电阻R12与5脚连接，2脚经电阻R16接地，3脚接+150V电源，3脚经电容C8接地，4脚接-150V电源，4脚经电容Cll接地，6脚经电容C9与7脚连接，5脚经电阻R15后连接在压电陶瓷管扫描器上。 Y轴部分控制电路AFM控制器输 出的Y轴信号Y_IN经电阻R24连接到UlB芯片(0P470四通道运算放大器芯片)的5脚，UlB芯片的5脚经电容C13接地，6脚经电阻R21接地，6脚经电阻R17与7脚连接，7脚经电阻R22与UlC芯片(0P470四通道运算放大器芯片)的9脚连接，9脚经电阻R20与8脚连接，10脚经电阻R25接地，8脚经电阻R23与U4芯片(PA240高压运算放大器芯片)的I脚连接，I脚经电阻R18与5脚连接，2脚经电阻R27接地，3脚接+150V电源，3脚经电容C12接地，4脚接-150V电源，4脚经电容C16接地，6脚经电容C14与7脚连接，5脚经电阻R26后连接在压电陶瓷管扫描器上；U1B芯片的7脚经电阻R30与U5芯片(PA240高压运算放大器芯片)的I脚连接，I脚经电阻R28与5脚连接，2脚经电阻R32接地，3脚接+150V电源，3脚经电容C17接地，4脚接-150V电源，4脚经电容C20接地，6脚经电容C18与7脚连接，5脚经电阻R31后连接在压电陶瓷管扫描器上。 Z轴部分控制电路Z轴信号Z_IN经电阻R38连接到U7芯片(OP37运算放大器芯片)的3脚，2脚经电阻R36接地，2脚经电阻R33与6脚连接，7脚接+15V电源，7脚经电容C21接地，4脚接-15V电源，4脚经电容C25接地，6脚经电阻R37与U6芯片(PA240高压运算放大器芯片)的I脚连接，I脚经电阻R34与5脚连接，2脚经电阻R40接地，3脚接+150V电源，3脚经电容C22接地，4脚接-150V电源，4脚经电容C26接地，6脚经电容C23与7脚连接，5脚经电阻R39后连接在压电陶瓷管扫描器上。
5.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，其特征在于步进电机驱动电路的电路原理结构为:步进电机导线连接在电机驱动芯片U14(A3967步进电机驱动芯片)的16、21、9、4脚上，电机驱动芯片U14的I脚经可变电阻R21后接+5V电源，I脚经可变电阻R21、电阻R22接地，10脚、11脚、3脚与AFM控制器I连接，22脚接+5V电源，12脚与跳线接头P2的2脚连接，12脚经电阻R23接+5V电源，13脚与跳线接头P2的4脚连接，13脚经电阻R24接+5V电源，跳线接头P2的I脚和3脚接地，电机驱动芯片U14的15脚接数字地，24脚接+5V电源，23脚经电阻R17接地，23脚经电容C2接地，2脚经电阻R18接地，2脚经电容C 21接地，6脚、7脚、18脚接数字地，19脚接地，8脚经电阻R20接数字地，17脚经电阻R19接数字地，5脚接+15V电源，5脚经电容C28接地，5脚经电容C29接地，20脚接+15V电源，20脚经电容C28接地，20脚经电容C29接地，14脚接+5V电源，14脚经电容C23接地，14脚经电容C22接地。
6.根据权利要求1所述的基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统，其特征在于:采用石英音叉探针作为力传感器用于探针激励和形变检测，检测信号经过反馈信号检测电路放大和解调后传递给反馈控制器，反馈控制器通过实时地调整压电陶瓷管来调整误差信号尽可能最小。
【文档编号】G01Q60/24GK103808967SQ201410060481
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月23日 优先权日:2014年2月23日
【发明者】李英姿, 阳睿, 李进, 钱建强, 李华 申请人:北京航空航天大学