一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置，包括底座，底座上設(shè)有樣品臺，樣品臺上端均勻設(shè)有若干固定架，固定架上端設(shè)有掃描探頭，掃描探頭內(nèi)部設(shè)有與探針相匹配的探針架，樣品臺設(shè)置于探針架的前端，樣品臺內(nèi)部設(shè)有可進(jìn)行三維移動的樣品移動裝置，樣品移動裝置內(nèi)設(shè)有掃描器，掃描器設(shè)置連接有位于樣品移動裝置內(nèi)的Z向移動導(dǎo)軌，樣品移動裝置設(shè)有控制裝置。本發(fā)明的有益效果為：本裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，通過將掃描探頭與樣品臺的結(jié)構(gòu)一體化，使得兩者之間結(jié)構(gòu)回路縮短，有效降低了探針與樣品之間的機(jī)械噪音，提高了儀器的精度和抗干擾性；另外在樣品趨近時，樣品能夠完全垂直的接近探針，實(shí)現(xiàn)了對樣品掃描區(qū)域的精確定位。
【專利說明】一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置及方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置及方法。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004]掃描探針顯微鏡(SPM)是通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件(一般稱之為掃描探針)之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時微小針尖將與樣品相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化；掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，而工作中通常是利用激光檢測法測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而以納米級分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息的。由此可知，要使得掃描探針和待測樣品之間產(chǎn)生原子間作用力，工作時，必須使掃描探針自動趨近到樣品表面，且兩者之間不能觸碰需維持一個恒定的距離，且這個距離的長度是納米級的，對掃描探針與樣品之間趨近的穩(wěn)定性要求很高。
[0005]當(dāng)前所有的掃描探針顯微鏡探針與樣品的趨近方法都是:保持樣品的位置不變，采用伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動掃描探頭(裝有探針)接近樣品的趨近方式。
[0006]采用這種趨近方式，掃描探頭與樣品臺之間都是分離式的結(jié)構(gòu)，常用的有兩種結(jié)構(gòu)裝置:一種是掃描探頭與樣品臺之間通過三角支撐螺桿相連，在探針趨近樣品時，由于無法保證三角支撐螺桿的同步性，一般先控制其中兩個支撐架下降到一定位置，再控制第三個支撐架下降，使探針最終接近樣品；因此這種結(jié)構(gòu)裝置存在的缺點(diǎn)是由于探針趨近樣品時并不是垂直下降的，探針趨近后，樣品掃描區(qū)域會偏移，難以實(shí)現(xiàn)樣品掃描區(qū)域的精確定位；還有一種是掃描探頭與樣品臺之間通過懸臂梁結(jié)構(gòu)相連，兩者之間呈一個倒U形；在探針趨近樣品時，只需控制懸臂梁的下降使探針接近樣品即可；這種結(jié)構(gòu)裝置雖然能使探針垂直接近樣品，但由于探針與樣品之間結(jié)構(gòu)回路長，機(jī)械噪音增大，穩(wěn)定性也隨之降低。
[0007]基于以上所述，現(xiàn)有的掃描探針顯微鏡探針與樣品趨近方式存在著諸多的缺陷與限制，為解決這些問題，現(xiàn)在急需開發(fā)一種新型的掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近方法。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置及方法，以克服目前現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足。
[0010]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置，包括底座，所述底座上設(shè)有樣品臺，所述樣品臺上端均勻設(shè)有若干固定架，所述固定架上端設(shè)有掃描探頭，所述掃描探頭內(nèi)部設(shè)有與探針相匹配的探針架，所述樣品臺設(shè)置于所述探針架的前端，并且所述樣品臺內(nèi)部設(shè)有可進(jìn)行三維移動的樣品移動裝置，所述樣品移動裝置內(nèi)設(shè)有掃描器，所述掃描器連接有位于所述樣品移動裝置內(nèi)部的Z向移動導(dǎo)軌，并且所述樣品移動裝置還設(shè)有相匹配的控制裝置。
[0011]進(jìn)一步的，所述控制裝置包括控制樣品移動裝置進(jìn)行水平移動的手動控制器以及控制樣品移動裝置在Z向移動導(dǎo)軌內(nèi)移動的微型伺服電機(jī)，所述微型伺服電機(jī)設(shè)置于所述Z向移動導(dǎo)軌的下端。
[0012]優(yōu)選的，所述固定架的數(shù)目為三個。
[0013]優(yōu)選的，所述三個固定架呈三角形排布。
[0014]一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近方法，包括以下步驟:
將待檢測的探針固定在探針架上，然后保持探針的位置不變；
將待測的樣品放置在樣品臺上端的掃描器上，通過控制裝置控制樣品移動裝置在水平方向和Z向軌道內(nèi)進(jìn)行移動，直到移動到與探針達(dá)到預(yù)計(jì)的位置處停止。
[0015]進(jìn)一步的，所述控制裝置包括控制樣品移動裝置進(jìn)行水平移動的手動控制器以及控制樣品移動裝置在Z向移動導(dǎo)軌內(nèi)移動的微型伺服電機(jī)，所述微型伺服電機(jī)設(shè)置于所述Z向移動導(dǎo)軌的下端。
[0016]優(yōu)選的，所述固定架的數(shù)目為三個。
[0017]優(yōu)選的，所述三個固定架呈三角形排布。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:本裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，通過將掃描探頭與樣品臺的結(jié)構(gòu)集成一體，使得兩者之間結(jié)構(gòu)回路縮短，極大的降低了探針與樣品之間的機(jī)械噪音，提高了儀器的精度和抗干擾性；另外在樣品趨近時，樣品能夠完全垂直的接近探針，實(shí)現(xiàn)了對樣品掃描區(qū)域的精確定位，進(jìn)而提高了測量的精確度，有效的提高了裝置的實(shí)用性，有利于市場的推廣與應(yīng)用。
[0019]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:
1、掃描探頭；2、固定架；3、樣品臺；4、樣品移動裝置；5、掃描器；6、Z向移動導(dǎo)軌；7、微型伺服電機(jī)；8、探針架；9、底座。
[0023]

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置，包括底座9，所述底座9上設(shè)有樣品臺3，所述樣品臺3上端均勻設(shè)有若干固定架2，所述固定架2上端設(shè)有掃描探頭1，所述掃描探頭I內(nèi)部設(shè)有與探針相匹配的探針架8，所述樣品臺3設(shè)置于所述探針架8的前端，并且所述樣品臺3內(nèi)部設(shè)有可進(jìn)行三維移動的樣品移動裝置4，所述樣品移動裝置4內(nèi)設(shè)有掃描器5，所述掃描器5連接有位于所述樣品移動裝置4內(nèi)部的Z向移動導(dǎo)軌6，并且所述樣品移動裝置4還設(shè)有相匹配的控制裝置；其中，所述樣品臺3與所述掃描探頭I的結(jié)構(gòu)為一整體。
[0026]所述控制裝置包括控制樣品移動裝置4進(jìn)行水平移動的手動控制器以及控制樣品移動裝置4在Z向移動導(dǎo)軌6內(nèi)移動的微型伺服電機(jī)7，所述微型伺服電機(jī)7設(shè)置于所述Z向移動導(dǎo)軌6的下端。
[0027]所述固定架2的數(shù)目為三個；所述三個固定架2呈三角形排布。
[0028]一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品的趨近方法，包括以下步驟:
將待檢測的探針固定在探針架8上，然后保持探針的位置不變；
將待測的樣品放置在樣品臺3上端的掃描器5上，通過控制裝置控制樣品移動裝置4在水平方向和Z向軌道內(nèi)進(jìn)行移動，直到移動到與探針達(dá)到預(yù)計(jì)的位置處停止。
[0029]所述控制裝置包括控制樣品移動裝置4進(jìn)行水平移動的手動控制器以及控制樣品移動裝置4在Z向移動導(dǎo)軌6內(nèi)移動的微型伺服電機(jī)7，所述微型伺服電機(jī)7設(shè)置于所述Z向移動導(dǎo)軌6的下端。
[0030]所述固定架2的數(shù)目為三個；所述三個固定架2呈三角形排布。
[0031]其中，本裝置中的樣品移動裝置4是一個三維移動結(jié)構(gòu)，通過手動控制器可控制所述樣品移動裝置4進(jìn)行水平方向上移動，通過微型伺服電機(jī)7可以控制所述樣品移動裝置4在Z向進(jìn)行移動，進(jìn)而是吸納了樣品移動裝置4在X、Y和Z三個方向的自由移動，其中，在Z向即垂直方向上，是通過微型伺服電機(jī)7傳動所述Z向移動導(dǎo)軌6，從而帶動所述掃描器5的升降，由于樣品是放置在掃描器5上，這也就帶動了樣品的升降；通過控制所述微型伺服電機(jī)7的轉(zhuǎn)動就能控制樣品與探針之間的垂直趨近與離開。
[0032]另外，本裝置所采用的趨近方法是保持探針的位置不變，采用伺服電機(jī)7驅(qū)動樣品裝置接近探針的趨近方式，其中對于探針與樣品之間的趨近是一個相對的運(yùn)動，從理論上講，探針趨近樣品和樣品趨近探針其結(jié)果是一樣的，只是運(yùn)動方式不一樣而已，但是本方法采用了樣品趨近探針的趨近方式，并將掃描探頭I與樣品臺2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一體，兩者固定在一起，不僅探針與樣品結(jié)構(gòu)回路短，而且抗外界震動干擾能力大大增強(qiáng)。
[0033]具體使用時，所述掃描探頭I固定在所述固定架2的上面，所述固定架2有三個，呈三角形結(jié)構(gòu)排布，同時固定在所述樣品臺3的上面；所述掃描探頭I的內(nèi)部設(shè)有用于安裝探針的探針架8 ;所述樣品移動裝置4固定在所述樣品臺3的內(nèi)部，所述樣品移動裝置4是一個三維移動結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部還設(shè)有所述掃描器5以及與所述掃描器5連接的Z向移動導(dǎo)軌6，所述Z向移動導(dǎo)軌6連接有位于樣品臺3下端的微型伺服電機(jī)7 ;所述掃描器5的上面可以放置待測的樣品，由于掃描器5上嵌入有一個小型的磁鋼，待測樣品通過磁鋼的吸力可以牢牢的吸附在所述掃描器5上面；所述樣品移動裝置4可使樣品在X、Y、Z三個方向自由的移動，其中水平方向是手動控制樣品裝置的移動。但是在垂直方向，是通過所述微型伺服電機(jī)7傳動所述Z向移動導(dǎo)軌6從而帶動所述掃描器5的升降，由于樣品是放置在所述掃描器5上的，這也就帶動了樣品的升降。
[0034]在本發(fā)明實(shí)施例所述的探針與樣品趨近裝置中，探針的位置是始終保持不變的，工作時通過電腦控制所述微型伺服電機(jī)7的轉(zhuǎn)動就能控制樣品自動接近探針或者離開探針的動作，由于掃描探頭I與樣品臺3是牢牢的固定在一起，而不是簡單的放置在上面，兩者的結(jié)構(gòu)形成一體，這樣不僅探針與樣品結(jié)構(gòu)回路短，機(jī)械噪音低，而且抗外界震動干擾能力大大增強(qiáng)；同時樣品趨近時，樣品能夠完全垂直的接近探針，也能夠?qū)崿F(xiàn)樣品掃描區(qū)域的精確定位。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置，包括底座(9)，其特征在于，所述底座(9)上設(shè)有樣品臺(3)，所述樣品臺(3)上端均勻設(shè)有若干固定架(2)，所述固定架(2)上端設(shè)有掃描探頭(1)，所述掃描探頭(I)內(nèi)部設(shè)有與探針相匹配的探針架(8)，所述樣品臺(3)設(shè)置于所述探針架(8)的前端，并且所述樣品臺(3)內(nèi)部設(shè)有可進(jìn)行三維移動的樣品移動裝置(4)，所述樣品移動裝置(4)內(nèi)設(shè)有掃描器(5)，所述掃描器(5)連接有位于所述樣品移動裝置(4)內(nèi)部的Z向移動導(dǎo)軌(6)，并且所述樣品移動裝置(4)還設(shè)有相匹配的控制裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置，其特征在于，所述控制裝置包括控制樣品移動裝置(4)進(jìn)行水平移動的手動控制器以及控制樣品移動裝置(4)在Z向移動導(dǎo)軌(6)內(nèi)移動的微型伺服電機(jī)(7),所述微型伺服電機(jī)(7)設(shè)置于所述Z向移動導(dǎo)軌(6)的下端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置，其特征在于，所述固定架(2)的數(shù)目為三個。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置，其特征在于，所述三個固定架(2 )呈三角形排布。
5.一種如權(quán)利要求1所述的掃描探針顯微鏡的探針與樣品趨近裝置的趨近方法，其特征在于，包括以下步驟: 將待檢測的探針固定在探針架(8)上，然后保持探針的位置不變； 將待測的樣品放置在樣品臺(3)上端的掃描器(5)上，通過控制裝置控制樣品移動裝置(4)在水平方向和Z向軌道內(nèi)進(jìn)行移動，直到移動到與探針達(dá)到預(yù)計(jì)的位置處停止。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的趨近方法，其特征在于，所述控制裝置包括控制樣品移動裝置(4)進(jìn)行水平移動的手動控制器以及控制樣品移動裝置(4)在Z向移動導(dǎo)軌(6)內(nèi)移動的微型伺服電機(jī)(7)，所述微型伺服電機(jī)(7)設(shè)置于所述Z向移動導(dǎo)軌(6)的下端。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的趨近方法，其特征在于，所述固定架(2)的數(shù)目為三個。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的趨近方法，其特征在于，所述三個固定架(2)呈三角形排布。
【文檔編號】G01Q30/00GK104374954SQ201410682303
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】韓雄, 錢鋒, 王矛宏, 羅力 申請人:蘇州飛時曼精密儀器有限公司