一种用于原子力显微镜的探针操作装置及其操作方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种原子力显微镜的探针操作技术，具体涉及一种用于原子力显微镜的探针操作装置及其操作方法。本发明专利技术的技术方案如下：一种用于原子力显微镜的探针操作装置，包括探针拾取器、电动位移平台、控制器、操控器和系统基座；电动位移平台固定于系统基座的底部，探针拾取器固定于系统基座的上部并悬置于电动位移平台上方；探针拾取器、电动位移平台及操控器分别通过信号线缆与控制器相连；探针拾取器利用真空吸附原理实现对探针的可靠拾取与释放；电动位移平台用于实现探针在操作空间的四自由度位姿定位；操控器通过控制器控制电动位移平台运动和控制探针拾取器启停。本发明专利技术能够实现探针从探针盒到探针夹的可靠装配，以及探针从探针夹到探针盒的可靠卸载。

A probe operating device for AFM and its operation method

【技术实现步骤摘要】
一种用于原子力显微镜的探针操作装置及其操作方法
本专利技术涉及一种原子力显微镜的探针操作技术，具体涉及一种用于原子力显微镜的探针操作装置及其操作方法。
技术介绍
目前，原子力显微镜是生物、材料、纳米技术等科学领域中的重要研究工具，其主要利用探针对样品形貌实现纳米级观测及物理特性测量。探针针尖直径在纳米量级，在与样品表面接触的过程中很容易磨损，从而失去了其原有检测精度，因此探针是原子力显微镜的耗材，需要经常更换。另外，探针种类特别丰富，具有不同的特性，因此不同的实验通常要更换不同的探针。探针更换是原子力显微镜操作中最常见的一个操作。主要是要把探针从探针存储盒中拾取，然后装配到探针夹中，或者把探针从探针夹中取出，放回到探针盒中。目前探针装配与卸载全为手动操作，主要利用镊子从探针盒中拾取探针然后装配入探针夹中或者利用镊子从探针夹中取出探针放回到探针盒中。这个过程中由于镊子与探针基底的接触面较小，基底两侧受力不均，会产生扭转，从而把探针给“夹飞”了，探针掉落后，针尖碰到任何物体，基本就折了，从而造成探针报废；另外，在探针装配过程中，要一手按住探针夹弹簧片，使弹簧片离开探针基座凹槽，另外一只手夹取镊子把探针装配入凹槽中，由于凹槽的长、宽、深尺寸只有2.5mm×1.7mm×0.3mm，加上人手的抖动，很难将探针装配入凹槽中，经常在装配的过程中使探针从镊子上脱离，造成探针损坏。由于探针非常昂贵，最便宜的要200元左右，甚至有些特殊功能探针如用于测量半导体关键尺寸的CD探针、高深宽比的柱状探针、碳纳米管探针、金刚石探针等等，从1000多元到几万元不等，给实验操作者造成巨大心里压力，同时这些探针都是消耗品，在探针装配过程中损坏探针，也对科研经费造成了极大浪费，特别是科研新手，在装配过程中损坏探针更是经常发生的事情。因此非常有必要开发一种探针操作装置，代替人手进行探针的装配与卸载，实现探针可靠操作，避免浪费。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于原子力显微镜的探针操作装置及其操作方法，能够实现探针从探针盒到探针夹的可靠装配，以及探针从探针夹到探针盒的可靠卸载。本专利技术的技术方案如下：一种用于原子力显微镜的探针操作装置，包括探针拾取器、电动位移平台、控制器、操控器和系统基座；电动位移平台固定于系统基座的底部，探针拾取器固定于系统基座的上部并悬置于电动位移平台上方；探针拾取器、电动位移平台及操控器分别通过信号线缆与控制器相连；探针拾取器利用真空吸附原理实现对探针的可靠拾取与释放；电动位移平台用于实现探针在操作空间的四自由度位姿定位；操控器通过控制器控制电动位移平台运动和控制探针拾取器启停。进一步地，所述的用于原子力显微镜的探针操作装置，其中所述探针拾取器包括外部壳体、微型真空气泵、转接套管、气室、气体压力传感器、带定位弹簧和吸盘的气针、带导向柱的内部壳体、安全弹簧、预紧螺丝、蜂鸣器及指示灯；微型真空气泵包括马达和泵体；微型真空气泵的气泵抽气口通过转接套管与气室的排气口连接，气室进气孔与所述气针连接；所述气针末端连接所述吸盘，气针末端针管外面套有所述定位弹簧，所述定位弹簧末端抵住所述吸盘顶部，防止吸盘被针管刺穿；内部壳体顶部的导向柱穿过外部壳体顶部，导向柱外设有安全弹簧，当气针与探针作用力过大时，气针顶住内部壳体整体上移，起安全保护作用；预紧螺丝用于调节导向柱外围安全弹簧预紧力。进一步地，所述的用于原子力显微镜的探针操作装置，其中所述电动位移平台由Z向电动位移平台、二维电动位移平台和电动转台相互叠加构成。进一步地，所述的用于原子力显微镜的探针操作装置，其中所述操控器包括Z向电动位移平台的上下操作键、二维电动平台的前后左右四个方向的操作键、电动转台顺时针和逆时针两个方向旋转的操作键、微型真空气泵马达启停操作键。一种原子力显微镜的探针操作方法，利用上述的用于原子力显微镜的探针操作装置，具体包括以下步骤：(1)探针拾取过程步骤：1)按下微型真空气泵启停开关，启动气泵；2)按下Z向电动位移平台向上操作键，Z向电动位移平台上移，使探针与吸盘距离目测距离约为2-3mm；3)通过操控器控制二维电动平台及电动转台移动，使探针与吸盘达到拾取所需最佳相对位姿；4)通过控制Z向电动位移平台使探针逐步上移，目测使吸盘与探针接触，此时停止Z向电动位移平台运动；5)当气室内负压达到设定值时，蜂鸣器与指示灯发出提示，即蜂鸣器响起短促声音、指示灯灭，表示探针已被吸盘吸住,此时控制Z向电动位移平台下移，完成探针拾取操作；(2)探针在探针夹上的装配过程步骤：一)将探针夹固定在探针夹底座上并置于电动转台上；二)通过控制二维电动位移平台及Z向电动位移平台的操作键，调整探针与探针夹凹槽的相对位置，使探针位于探针夹凹槽上方2-3mm；三)通过控制电动转台调整探针夹凹槽与探针基底相对方向，直至两者方向一致；四)控制Z向电动位移平台上移，使探针置于探针夹凹槽内，并释放弹簧片夹住探针；五)按下微型真空气泵马达启停开关，使气泵停止工作，待气室内气压恢复外界气压，吸盘与探针自动脱离，此时蜂鸣器响起短促声音，指示灯灭；控制Z向电动平台下移，使探针与微型吸盘脱离，完成探针的装配过程。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术的装置依靠真空吸附的方法拾取探针能够保证装配过程中探针不会脱落，可以避免不必要的探针损耗。2、本专利技术的装置具有4个自由度的空间定位功能，可以实现探针与探针夹凹槽的有效对准。3、本专利技术的探针拾取器具有安全保护措施，当气针受到探针向上的作用力过大时，可以顶住内部壳体整体上移，避免拾取器及探针损坏。4、气针末端针管外面套有吸盘定位弹簧，吸盘定位弹簧末端抵住微型吸盘顶部，当吸盘被气针针管刺穿时，吸盘在弹簧的作用下可以回到原位，此项设计可以防止吸盘被针管刺穿。附图说明图1为用于原子力显微镜的探针操作装置总体结构示意图；图2为探针拾取器与电动位移平台结构示意图；图3为探针拾取器按(a)、(b)、(c)顺序从探针盒内拾取探针过程；图4为探针按(a)、(b)、(c)顺序在探针夹上的装配过程；图5为操控器设计图；图6为探针夹三维结构图；图7探针形状示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细说明。原子力显微镜探针操作装置的系统结构如图1所示，主要包括探针拾取器100、电动位移平台200、控制器300、操控器400和系统基座500；探针拾取器100固定于系统基座上500，并悬置于电动位移平台200上方；探针拾取器100、电动位移平台200及操控器400分别通过信号线缆与控制器300相连。探针拾取器100的结构如图2所示，主要包括微型真空气泵马达101，微型真空气泵泵体102，直角转接管104，气体压力传感器106，转接管115，气室113，安全弹簧117，内壳体112，外壳体107，预紧螺丝108，气针111，吸盘定位弹簧110，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于原子力显微镜的探针操作装置，其特征在于，包括探针拾取器、电动位移平台、控制器、操控器和系统基座；电动位移平台固定于系统基座的底部，探针拾取器固定于系统基座的上部并悬置于电动位移平台上方；探针拾取器、电动位移平台及操控器分别通过信号线缆与控制器相连；探针拾取器利用真空吸附原理实现对探针的可靠拾取与释放；电动位移平台用于实现探针在操作空间的四自由度位姿定位；操控器通过控制器控制电动位移平台运动和控制探针拾取器启停。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于原子力显微镜的探针操作装置，其特征在于，包括探针拾取器、电动位移平台、控制器、操控器和系统基座；电动位移平台固定于系统基座的底部，探针拾取器固定于系统基座的上部并悬置于电动位移平台上方；探针拾取器、电动位移平台及操控器分别通过信号线缆与控制器相连；探针拾取器利用真空吸附原理实现对探针的可靠拾取与释放；电动位移平台用于实现探针在操作空间的四自由度位姿定位；操控器通过控制器控制电动位移平台运动和控制探针拾取器启停。


2.根据权利要求1所述的用于原子力显微镜的探针操作装置，其特征在于，所述探针拾取器包括外部壳体、微型真空气泵、转接套管、气室、气体压力传感器、带定位弹簧和吸盘的气针、带导向柱的内部壳体、安全弹簧、预紧螺丝、蜂鸣器及指示灯；微型真空气泵包括马达和泵体；微型真空气泵的气泵抽气口通过转接套管与气室的排气口连接，气室进气孔与所述气针连接；所述气针末端连接所述吸盘，气针末端针管外面套有所述定位弹簧，所述定位弹簧末端抵住所述吸盘顶部，防止吸盘被针管刺穿；内部壳体顶部的导向柱穿过外部壳体顶部，导向柱外设有安全弹簧，当气针与探针作用力过大时，气针顶住内部壳体整体上移，起安全保护作用；预紧螺丝用于调节导向柱外围安全弹簧预紧力。


3.根据权利要求1所述的用于原子力显微镜的探针操作装置，其特征在于，所述电动位移平台由Z向电动位移平台、二维电动位移平台和电动转台相互叠加构成。


4.根据权利要求1所述的用于原子力显微镜的探针操作装置，其特征在于，所述操控器包括Z向电动位移平台的上下操作键、二维电动平台的前后...

【专利技术属性】
技术研发人员：于斯涵，许可，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21