[发明专利]一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统

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。

主权项

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（1）、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）、第一卡环（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，第一卡环（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（55D）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（55D）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（55D）、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（55D）、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。