專利名稱:高精度原子力顯微鏡的鏡體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及納米測(cè)量裝置，它是測(cè)量物體表面原子形貌的原子力顯微鏡的鏡體，主要由微懸臂、壓電陶瓷、步進(jìn)機(jī)、變速系統(tǒng)、掃描隧道顯微鏡鏡體組成，其用途是作固體表面顯微分析與納米加工。
背景技術(shù)：
在ZL02 2 21502.6中公開了高精度掃描隧道顯微鏡的鏡體，它的目的是提供測(cè)針進(jìn)給速度快，測(cè)針與樣品間隔調(diào)節(jié)精度高，樣品臺(tái)可精確位移，可精確定點(diǎn)測(cè)量與加工的高精度掃描隧道顯微鏡的鏡體，構(gòu)成是測(cè)針、待測(cè)樣品經(jīng)偏置電壓、微電流計(jì)組成隧道電流的測(cè)量回路，測(cè)針經(jīng)壓電陶瓷固定在測(cè)針座上，測(cè)針座經(jīng)鋼球被兩個(gè)調(diào)整桿，一個(gè)縱向電動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)所支撐，樣品臺(tái)固定在水平X向與Y向電動(dòng)平臺(tái)上，樣品坐標(biāo)由位置傳感器檢測(cè)，上述裝置均位于隔振的屏蔽罩內(nèi)，不足之處是它不能測(cè)量絕緣體表面的原子形貌。1986年發(fā)明的原子力顯微鏡可以解決此難題，它的工作原理是將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂的一端固定，其另一端有一探針通過原子間的排斥力去感知樣品表面的原子形貌，測(cè)量微懸臂起伏情況是制作原子力顯微鏡鏡體的關(guān)鍵所在，有用光學(xué)法測(cè)量微懸臂起伏情況的，此法要求光學(xué)測(cè)量裝置有極高的放大倍數(shù)，這使得實(shí)際制作與使用的難度很大。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種能測(cè)量絕緣體表面原子形貌，測(cè)量精度高，操作方便的原子力顯微鏡的鏡體。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下措施來達(dá)到一種高精度原子力顯微鏡的鏡體，包括微懸臂、樣品臺(tái)、掃描隧道顯微鏡鏡體、步進(jìn)機(jī)、變速系統(tǒng)，在掃描隧道顯微鏡鏡體的測(cè)針與樣品臺(tái)之間，水平懸置一微懸臂，其一端固定在絕緣柱上，絕緣柱與支架套筒滑動(dòng)配合，其另一端的金屬絲上，水平固定一面積為1.5×1.5毫米平方的金屬片，金屬片下有與微懸臂成直角的探針，探針指向樣品表面；支架固定在鏡體的下底盤上，其上有微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以三維調(diào)節(jié)微懸臂的位置，在樣品臺(tái)與X向電動(dòng)平臺(tái)之間，依次安裝下壓電陶瓷，垂直向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
本實(shí)用新型的目的還可以通過以下措施來達(dá)到微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有三座標(biāo)調(diào)節(jié)裝置，垂直方向采用螺紋副方式調(diào)節(jié)，可以粗調(diào)和微調(diào)，水平徑向也采用螺紋副方式調(diào)節(jié)，由螺栓推動(dòng)絕緣柱內(nèi)螺母，使絕緣柱沿套筒滑行，轉(zhuǎn)角方向的調(diào)節(jié)由蝸輪副來完成，其驅(qū)動(dòng)方式可以手動(dòng)，也可以電動(dòng)。
微懸臂所用的金屬絲必須耐高溫，其力彈性常數(shù)低，力學(xué)共振頻率高。
垂直向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、蝸輪副、螺紋副、斜面滑塊、滾珠導(dǎo)軌組成，電機(jī)帶動(dòng)蝸輪副，蝸輪副帶動(dòng)螺紋副，推動(dòng)斜面滑塊沿滾珠導(dǎo)軌作垂直方向的位移。
本實(shí)用型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1、可高精度測(cè)量絕緣體表面的原子形貌，可精確定位，精確調(diào)整測(cè)針與微懸臂金屬片、微懸臂探針與樣品表面的間隔距離。
2、每一調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)只完成一種工作職能，職能專一有助于使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能最佳，測(cè)針、微懸臂、樣品臺(tái)的位置可隨意調(diào)節(jié)，操作起來既精確又方便。



附圖的圖面說明如下圖1是原子力顯微鏡原理圖。
圖2是鏡體結(jié)構(gòu)圖。
圖3是微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
圖4是垂直向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
圖中編號(hào)1-樣品；2-微懸臂探針；3-金屬片；4-掃描隧道顯微鏡鏡體的測(cè)針；5-微電流計(jì)；6偏置電壓；7-金屬絲微懸臂；8-絕緣柱；9-支架；10-隔振盤；11-調(diào)整桿；12-Y向電動(dòng)平臺(tái)；13-X向電動(dòng)平臺(tái)；14-Z向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；15-下壓電陶瓷；16-樣品臺(tái)；17-Z向電動(dòng)調(diào)節(jié)桿；18-測(cè)針座；19-上壓電陶瓷；20-鋼球；21-垂直(Z向)粗調(diào)；22-轉(zhuǎn)角(θ向)微調(diào)；23-套筒；24-垂直(Z向)微調(diào)；25-水平(r向)微調(diào)；26-限位螺釘；27-底座；28-滾珠導(dǎo)軌；29-斜面滑塊；30-螺紋副；31-板壁；32-蝸輪副；33-電機(jī)。
具體實(shí)施方式
原子力顯微鏡的工作原理圖如圖1所示對(duì)微弱力極敏感的微懸臂的一端經(jīng)絕緣柱固定在支架上，其另一端的探針在樣品移動(dòng)時(shí)，由于原子間排斥的作用，會(huì)使微懸臂上下起伏，而金屬絲微懸臂、固定在它上面的金屬片、測(cè)針、微電流計(jì)、偏置電壓組成隧道電流的測(cè)量回路，微懸臂上下起伏使測(cè)量回路產(chǎn)生相應(yīng)的隧道電流值，將采集到的隧道電流值送計(jì)算機(jī)工作站處理后，即可在顯示屏上看到樣品表面的原子形貌。
鏡體結(jié)構(gòu)可參看圖2、圖3高精度原子力顯微鏡的鏡體，包括微懸臂、樣品臺(tái)、掃描隧道顯微鏡鏡體、步進(jìn)機(jī)、變速系統(tǒng)，在掃描隧道顯微鏡鏡體的測(cè)針(4)與樣品臺(tái)(16)之間，水平懸置一微懸臂(7)，其一端固定在絕緣柱(8)上，絕緣柱與支架(9)套筒(23)滑動(dòng)配合，其另一端的金屬絲(7)上，水平固定一面積為1.5×1.5毫米平方的金屬片(3)，金屬片下有與微懸臂(7)成直角的探針(2)，探針指向樣品表面(1)；支架固定在鏡體的下底盤上，其上有微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(21、22、24、25)，可以三維調(diào)節(jié)微懸臂的位置；在樣品臺(tái)(16)與X向電動(dòng)平臺(tái)(13)之間，依次安裝下壓電陶瓷(15)、垂直向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(14)。微懸臂所用的金屬絲(7)必須耐高溫，其力彈性常數(shù)低，力學(xué)共振頻率高。
在已有掃描隧道顯微鏡鏡體的基礎(chǔ)上，在測(cè)針與樣品臺(tái)之間，加進(jìn)了原子力顯微鏡鏡體的核心元件一微懸臂，微懸臂經(jīng)絕緣柱固定在支架上，支架裝有微懸臂的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可使微懸臂作三維位移，在樣品臺(tái)與X向電動(dòng)平臺(tái)之間安裝了下壓電陶瓷，Z向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，下壓電陶瓷完成水平掃描，Z向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可垂直向調(diào)節(jié)微懸臂與樣品臺(tái)之間的間隙距離，測(cè)針垂直方向的位移仍由Z向電動(dòng)調(diào)節(jié)桿來調(diào)節(jié)，上壓電陶瓷只驅(qū)動(dòng)測(cè)針采樣。
微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3所示微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有三坐標(biāo)調(diào)節(jié)裝置(21、22、24、25)，垂直方向采用螺紋副方式調(diào)節(jié)，可以粗調(diào)(21)和微調(diào)(24)，水平徑向也采用螺紋副方式調(diào)節(jié)(25)，由螺栓推動(dòng)絕緣柱內(nèi)螺母，使絕緣柱沿套筒滑行，轉(zhuǎn)角方向的調(diào)節(jié)由蝸輪副(22)來完成，機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式可以手動(dòng)，也可以電動(dòng)。
蝸輪副完成對(duì)微懸臂的轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)，即以支架為支點(diǎn)，步進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)令蝸輪副帶動(dòng)支架轉(zhuǎn)角位移，水平徑向、垂直方向皆采用螺紋副方式調(diào)節(jié)。
Z向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可參看圖4垂直向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(14)由電機(jī)(33)、蝸輪副(32)、螺紋副(30)、斜面滑塊(29)、滾珠導(dǎo)軌(28)組成，電機(jī)帶動(dòng)蝸輪副，蝸輪副帶動(dòng)螺紋副，推動(dòng)斜面滑塊沿滾珠導(dǎo)軌作垂直方向的位移。
斜面的底與高之比為9∶1，采用斜面推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定，精確，在兩斜面滑塊之間，下斜面滑塊底部與底座之間，上斜面滑塊兩側(cè)與板壁之間皆有滾珠導(dǎo)軌，目的是使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作更靈敏、更精確。
權(quán)利要求
1.一種高精度原子力顯微鏡的鏡體，包括微懸臂、樣品臺(tái)、掃描隧道顯微鏡鏡體、步進(jìn)機(jī)、變速系統(tǒng)，其特征是在掃描隧道顯微鏡鏡體的測(cè)針(4)與樣品臺(tái)(16)之間，水平懸置一微懸臂(7)，其一端固定在絕緣柱(8)上，絕緣柱與支架(9)套筒(23)滑動(dòng)配合，其另一端的金屬絲(7)上，水平固定一面積為1.5×1.5毫米平方的金屬片(3)，金屬片下有與微懸臂(7)成直角的探針(2)，探針指向樣品表面(1)；支架固定在鏡體的下底盤上，其上有微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(21、22、24、25)，可以三維調(diào)節(jié)微懸臂的位置；在樣品臺(tái)(16)與X向電動(dòng)平臺(tái)(13)之間，依次安裝下壓電陶瓷(15)、垂直向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(14)。
2.如權(quán)利要求
1所述的一種高精度原子力顯微鏡的鏡體，其特征是微懸臂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有三坐標(biāo)調(diào)節(jié)裝置(21、22、24、25)，垂直方向采用螺紋副方式調(diào)節(jié)，可以粗調(diào)(21)和微調(diào)(24)，水平徑向也采用螺紋副方式調(diào)節(jié)(25)，由螺栓推動(dòng)絕緣柱內(nèi)螺母，使絕緣柱沿套筒滑行，轉(zhuǎn)角方向的調(diào)節(jié)由蝸輪副(22)來完成，機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式可以手動(dòng)，也可以電動(dòng)。
3.如權(quán)利要求
1所述的一種高精度原子力顯微鏡的鏡體，其特征是微懸臂所用的金屬絲(7)必須耐高溫，其力彈性常數(shù)低，力學(xué)共振頻率高。
4.如權(quán)利要求
1所述的一種高精度原子力顯微鏡的鏡體，其特征是垂直向斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(14)由電機(jī)(33)、蝸輪副(32)、螺紋副(30)、斜面滑塊(29)、滾珠導(dǎo)軌(28)組成，電機(jī)帶動(dòng)蝸輪副，蝸輪副帶動(dòng)螺紋副，推動(dòng)斜面滑塊沿滾珠導(dǎo)軌作垂直方向的位移。
專利摘要
高精度原子力顯微鏡的鏡體涉及納米檢測(cè)裝置，它主要解決高精度地測(cè)量絕緣體表面原子形貌的問題，解決的技術(shù)方案是在掃描隧道顯微鏡鏡體的測(cè)針與樣品臺(tái)之間加入微懸臂，并由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制其位移，樣品臺(tái)下加入下壓電陶瓷，斜面電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以控制樣品臺(tái)水平方向掃描，垂直方向位移，本實(shí)用新型的用途是作固體表面的顯微分析與納米加工。
文檔編號(hào)G01Q10/00GKCN2804851SQ200420060440
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年7月23日
發(fā)明者楊學(xué)恒, 詹捷, 陳昌杰, 王銀峰, 陳紅兵, 吳世春, 費(fèi)德國(guó), 楊家楷, 謝超, 楊俊林, 勒平, 王海朋 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan