一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，包括固定夾具、探針夾連接器、探針夾；所述探針夾連接器固定于固定夾具上，并與探針夾連接。本實用新型探針夾體積小、質(zhì)量輕，能夠固定到壓電陶瓷驅(qū)動器上，可以應(yīng)用于倒置式原子力顯微鏡掃描頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計中；能夠?qū)崿F(xiàn)探針夾的快速裝卸、探針的快速安裝和固定，以及為探針提供納米級位移的振動。
【專利說明】 一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持技術(shù)，具體地說是一種掃描探針的夾持裝置，主要用于為構(gòu)建倒置式原子力顯微鏡提供一種有效的探針夾持裝置。
技術(shù)背景
[0002]目前，原子力顯微鏡是材料、生命科學(xué)、納米技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域中的重要研究工具。通過原子力顯微鏡不但可以對樣品表面的納米形貌進(jìn)行觀測，同時也可以對樣品表面的三維納米結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行檢測。目前，原子力顯微鏡主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是正置式，即樣品放置于壓電陶瓷驅(qū)動器上，由壓電陶瓷驅(qū)動器實現(xiàn)樣品的三維運動，從而實現(xiàn)探針在樣品表面的三維掃描檢測，在這種結(jié)構(gòu)下，探針夾持裝置是固定的，因此結(jié)構(gòu)相對簡單，容易實現(xiàn)，但是能夠承載的樣品尺寸?。涣硪环N是倒置式，此時探針和壓電陶瓷驅(qū)動器固定在一起，并跟隨壓電陶瓷實現(xiàn)一維或三維運動，由于探針是消耗品，需要經(jīng)常更換，需要設(shè)計方便裝卸的探針夾持裝置，而且質(zhì)量要小，盡可能的減少壓電陶瓷負(fù)載，并且設(shè)計的探針夾要能夠為探針施加一定幅值和頻率的激勵振動，以實現(xiàn)輕敲掃描模式的觀測成像。
實用新型內(nèi)容
[0003]對于構(gòu)建倒置式原子力顯微鏡，對探針夾要求尺寸要小，質(zhì)量要輕，探針夾與原子力顯微鏡本體要方便裝卸，探針更換容易，并且探針要能夠在一定幅值和頻率下受控振動。本實用新型目的在于提供一種能夠滿足上述需求的簡單實用的探針夾持裝置。
[0004]本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0005]一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，包括固定夾具、探針夾連接器和探針夾；所述探針夾連接器固定于固定夾具上，并與探針夾連接。
[0006]所述固定夾具為一個折彎的金屬片，包括側(cè)板和底板；側(cè)板上設(shè)有多個螺絲孔和側(cè)面板重孔，底板設(shè)有多個側(cè)板減重孔，與探針夾連接器螺栓連接；側(cè)板的外表面與底板的外表面成100?105度角。
[0007]所述探針夾連接器包括電路主板、信號電纜和插針；電路主板上固定有多個插針，其中兩個插針與兩根信號電纜相連。
[0008]所述探針夾包括探針夾電路主板、壓電陶瓷片、探針定位塊、彈簧片和冠簧插孔；
[0009]所述探針夾電路主板上設(shè)有多個冠簧插孔和兩個過孔；冠簧插孔與插針對應(yīng)且數(shù)量相等；其中兩個冠簧插孔通過兩個插針的插入與探針夾連接器上的兩根信號線纜電連接；探針夾電路主板上還設(shè)有第一凹槽，第一凹槽內(nèi)固定有壓電陶瓷片；壓電陶瓷片上固定有探針定位塊；
[0010]所述彈簧片的一端通過一個過孔與探針夾電路主板螺栓連接，另一端依靠彈簧片的預(yù)緊力夾住探針使其固定于探針定位塊上。
[0011]所述第一凹槽的高度小于或等于壓電陶瓷片的厚度。
[0012]所述探針定位塊為長方體，上表面有用于定位探針的第二凹槽。[0013]所述第二凹槽高度小于探針的厚度。
[0014]一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置還包括探針夾底座，由固定塊和固定圓柱構(gòu)成；固定塊上表面設(shè)有固定圓柱；所述固定圓柱與探針夾電路主板上的另一過孔對應(yīng)；探針夾底座在更換探針時置于探針夾電路主板下部、通過固定圓柱插入探針夾實現(xiàn)探針的裝卸。
[0015]本實用新型具有如下優(yōu)點:
[0016]1.本裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，成本低，探針夾裝卸方便，探針更換容易，質(zhì)量小，減小壓電陶瓷驅(qū)動器的負(fù)荷。
[0017]2.本實用新型探針夾體積小、質(zhì)量輕，能夠固定到壓電陶瓷驅(qū)動器上，可以應(yīng)用于倒置式原子力顯微鏡掃描頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計中；
[0018]3.本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)探針夾的快速裝卸、探針的快速安裝和固定，以及為探針提供納米級位移的振動。
[0019]4.探針夾體積小、質(zhì)量輕，能夠固定到納米定位平臺類的壓電陶瓷驅(qū)動器上，可以應(yīng)用于倒置式原子力顯微鏡掃描頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。
[0020]5.探針夾可通過插針和插孔件固定在探針夾連接器上，探針夾安裝有壓電陶瓷片、探針定位塊和彈簧片，能夠?qū)崿F(xiàn)探針的定位、固定，并可通過壓電陶瓷片為探針提供振源。
[0021]6.探針夾底座用于固定探針夾及輔助安裝探針。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖一；
[0023]圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖二 ；
[0024]圖3為探針夾連接器結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖4為探針夾連接器印刷電路板圖；
[0026]圖5為探針夾結(jié)構(gòu)圖一；
[0027]圖6為探針夾結(jié)構(gòu)圖二；
[0028]圖7為探針夾主板結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖8為探針夾主板印刷電路板圖；
[0030]圖9為探針定位塊結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖10為探針夾底座結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖11為固定夾具結(jié)構(gòu)圖一；
[0033]圖12為固定夾具結(jié)構(gòu)圖二 ；
[0034]圖13為固定夾具結(jié)構(gòu)圖三；
[0035]圖14為彈簧片結(jié)構(gòu)圖；
[0036]其中，I壓電陶瓷驅(qū)動器，2固定夾具，3探針夾連接器，4探針夾，5探針夾底座，6電路主板，7導(dǎo)電插針，8信號電纜，9探針夾電路主板，10彈簧片，11探針，12壓電陶瓷片，13螺絲，22螺母，14冠簧插孔，15探針定位塊，16探針夾的凹槽，17、18過孔，19固定塊，20固定圓柱，21探針定位塊的凹槽，23螺絲孔，24側(cè)板減重孔，25底板減重孔，26底板，27底部凹槽，28彈簧片固定孔，29彎角結(jié)構(gòu)，30側(cè)板?！揪唧w實施方式】
[0037]下面結(jié)合實施例對本實用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0038]本實用新型利用電路板、壓電陶瓷片、彈簧片、插針、插孔等簡單零件建立一個探針夾持裝置，其中，固定夾具用于固定在原子力顯微鏡的壓電陶瓷驅(qū)動器上(這里的壓電陶瓷驅(qū)動器主要指單軸納米定位平臺，這樣固定本探針夾具比較容易)，探針夾連接器可通過哥倆好302膠粘劑直接粘貼在固定夾具的底面上；探針夾可通過插針和插孔件固定在探針夾連接器上，探針夾安裝有壓電陶瓷片、探針定位塊和彈簧片，能夠?qū)崿F(xiàn)探針的定位、固定，并可通過壓電陶瓷片為探針提供振源；探針夾底座用于固定探針夾及輔助安裝探針。具體如下。
[0039]掃描探針夾持器裝置主要由固定夾具2、探針夾連接器3、探針夾4和探針夾底座5構(gòu)成，其中探針夾連接器3和探針夾4可以通過固定夾具2與壓電陶瓷驅(qū)動器I相連，以構(gòu)成原子力顯微鏡的Z向掃描器，其結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。
[0040]固定夾具2是一個整體加工的零件，折彎處將該零件劃分為側(cè)板30和底板26，其具體結(jié)構(gòu)如圖11、12和13所示。為了減輕重量，可以采用航空鋁等質(zhì)量輕且剛度大的材料，另外在不影響剛度的情況下，可以加工多個側(cè)面減重孔24和底面減重孔25，以減輕固定夾具的重量。固定夾具2側(cè)面背板上的螺絲孔23的位置對應(yīng)于要固定的壓電陶瓷驅(qū)動器的固定孔，可以用螺絲把固定夾具2固定到壓電陶瓷驅(qū)動器的固定孔上。另外，固定夾具2的底板26外表面(與探針連接器的接觸面)與水平面成10到15度角，也就是與側(cè)板30的外表面(與壓電陶瓷驅(qū)動器的接觸面)成100到105度角，底板26外表面的兩個底部凹槽27用于放置探針連接器3的兩根信號線纜。
[0041]探針連接器3的主要結(jié)構(gòu)是由電路主板6、導(dǎo)電插針7、信號線纜8構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中電路主板6的具體印刷電路板設(shè)計圖如圖4所示，4個導(dǎo)電插針7焊接于電路主板6的C、D、E、F過孔焊盤上，兩根正負(fù)極信號電纜8與電路主板6的正極過孔焊盤C和負(fù)極過孔焊盤F進(jìn)行焊接，用于連接外部激勵信號源。探針連接器3通過哥倆好302膠粘劑粘貼到固定夾具2的底面上。
[0042]探針夾4結(jié)構(gòu)如圖5?8所示。探針夾4包括探針夾電路主板9、壓電陶瓷片12、探針定位塊15、彈簧片10、螺絲13、螺母22和冠簧插孔14構(gòu)成。其中四個冠簧插孔14焊接于探針夾電路主板9的G、H、J、K過孔焊盤上，用于和探針夾連接器3的導(dǎo)電插針7實現(xiàn)機械插拔。過孔M和過孔G由信號線實現(xiàn)電連接，過孔N和過孔K由信號線實現(xiàn)電連接(過孔N和K可以直接電連接，電連接信號線不必經(jīng)過過孔17、18)。其中焊接于過孔M和N的兩個冠簧插孔14用于和壓電陶瓷片12的兩極引線相連，最終壓電陶瓷片12的兩極引線通過對應(yīng)的插針7、插孔14和探針夾連接器3上的信號線纜8實現(xiàn)電連接；壓電陶瓷片12固定于探針夾電路主板9的凹槽16內(nèi)，這里壓電陶瓷片參考尺寸可以采用長寬高為3mmX3mmX lmm,其它尺寸也可；探針定位塊15固定于壓電陶瓷片12的上表面，探針定位塊15的凹槽21可以用于定位和固定探針11 ;彈簧片10 —端有固定孔28，并依靠螺絲13、螺母22固定于探針夾電路主板9上，彈簧片10另一端有個彎角結(jié)構(gòu)29，即另一端向上彎折后再向外彎折，向外彎折的彎折部與彈簧片10本體平行，向上彎折的彎折部與彈簧片10本體垂直；這樣可以依靠彈簧片10的預(yù)緊力使探針11固定于探針定位塊15上，如圖14所示。[0043]探針夾電路主板9的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中凹槽16用于安裝壓電陶瓷片12，螺絲13、螺母22利用過孔18使彈簧片10固定到探針夾電路主板9上；利用過孔17，探針夾底座5的固定圓柱20可以穿過探針夾4的過孔17與彈簧片10接觸，用力下壓探針夾4的探針夾電路主板9，使得探針夾底座5的固定圓柱20抵住彈簧片10，使彈簧片10的另一端脫離探針固定塊15，這樣可以使探針固定塊15和彈簧片10之間的探針11得到釋放；當(dāng)更換好探針11后，可以釋放彈簧片10，使彈簧片10通過預(yù)緊力壓住探針11，使探針11固定到探針固定塊15上。
[0044]探針夾4中的探針定位塊15結(jié)構(gòu)如圖9所示，是一個具有凹槽21的小長方體，相對于壓電陶瓷片的尺寸，探針定位塊15采用長寬高為3mmX3mmXlmm的尺寸即可，凹槽21用于放置探針11，凹槽21的高度小于探針的厚度。
[0045]探針夾底座5結(jié)構(gòu)如圖10所示。探針夾底座由固定塊19和固定圓柱20構(gòu)成，主要用于裝卸探針11時，實現(xiàn)探針夾4固定，并利用固定圓柱20給彈簧片10施加作用力，使彈簧片10彈開或夾緊。
[0046]本掃描探針夾持器裝置的使用方法:探針夾4通過冠簧插孔14與探針夾連接器3上的插針7實現(xiàn)探針夾4與探針夾連接器3的連接固定和分離；裝卸探針11時，先把探針夾4與探針連接器3分離，并把探針夾底座5的固定圓柱20穿過探針夾4的過孔17，通過下壓探針夾4的探針夾電路主板9使固定圓柱20頂住彈簧片10，使彈簧片10與探針11脫離，以便更換探針11。
【權(quán)利要求】
1.一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:包括固定夾具(2)、探針夾連接器(3)和探針夾(4);所述探針夾連接器(3)固定于固定夾具(2)上，并與探針夾(4)連接。
2.按權(quán)利要求1所述的一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:所述固定夾具(2)為一個折彎的金屬片，包括側(cè)板(30)和底板(26);側(cè)板(30)上設(shè)有多個螺絲孔(23)和側(cè)板減重孔(24)，底板(26)設(shè)有多個底板減重孔(25)，與探針夾連接器(3)螺栓連接；側(cè)板(30)的外表面與底板(26)的外表面成100~105度角。
3.按權(quán)利要求1所述的一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:所述探針夾連接器(3)包括電路主板(6)、信號電纜(8)和插針(7);電路主板(6)上固定有多個插針(7)，其中兩個插針(7)與兩根信號電纜⑶相連。
4.按權(quán)利要求1所述的一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:所述探針夾(4)包括探針夾電路主板(9)、壓電陶瓷片(12)、探針定位塊(15)、彈簧片(10)和冠簧插孔(14)； 所述探針夾電路主板(9)上設(shè)有多個冠簧插孔(14)和兩個過孔(17、18);冠簧插孔(14)與插針(7)對應(yīng)且數(shù)量相等；其中兩個冠簧插孔(14)通過兩個插針(7)的插入與探針夾連接器⑶上的兩根信號線纜⑶電連接；探針夾電路主板(9)上還設(shè)有第一凹槽(16)，第一凹槽(16)內(nèi)固定有壓電陶瓷片(12);壓電陶瓷片(12)上固定有探針定位塊(15)； 所述彈簧片(10)的一端通過一個過孔(18)與探針夾電路主板(9)螺栓連接，另一端依靠彈簧片(10)的預(yù)緊力夾住探針(11)使其固定于探針定位塊(15)上。
5.按權(quán)利要求4所述的一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:所述第一凹槽(16)的高度小于或等于壓電陶瓷片(12)的厚度。
6.按權(quán)利要求4所述的一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:所述探針定位塊(15)為長方體，上表面有用于定位探針(11)的第二凹槽(21)。
7.按權(quán)利要求6所述的一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:所述第二凹槽(21)高度小于探針(11)的厚度。
8.按權(quán)利要求1所述的一種用于原子力顯微鏡的掃描探針夾持裝置，其特征在于:還包括探針夾底座(5)，由固定塊(19)和固定圓柱(20)構(gòu)成；固定塊(19)上表面設(shè)有固定圓柱(20);所述固定圓柱(20)與探針夾電路主板(9)上的另一過孔(17)對應(yīng)；探針夾底座(5)在更換探針(11)時置于探針夾電路主板(9)下部、通過固定圓柱(20)插入探針夾(4)實現(xiàn)探針(11)的裝卸。
【文檔編號】G01Q60/38GK203825035SQ201420259994
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】于鵬, 劉柱, 周磊, 楊洋, 王棟, 劉連慶, 焦念東 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所