一种可重复定位的扫描探针显微镜制造技术

一种可重复定位的扫描探针显微镜，包括镜体、步进器、预紧部件、扫描部件和样品台；该镜体包括三个相互平行的直线导向轨道，在其中两个直线导向轨道上置有步进器，该步进器被第三个直线导向轨道通过预紧部件压在上述的两个直线导向轨道上；该步进器包括一个支撑滑块、两个内滑块和三个压电体；所述的支撑滑块的两顶端的截面均为与上述两直线导向轨道的截面相匹配的斜面，并且该支撑滑块与上述两直线导向轨道形成四点刚性接触的大力矩稳固结构。该扫描探针显微镜在粗逼近/退针过程中不产生横向偏移，它在毫米级行程往复粗逼近/后退时，探针在样品同一区域的定位偏差小于30纳米。本发明专利技术尺寸小、结构紧凑、环境兼容性强、具有可重复定位功能。定位功能。定位功能。

【技术实现步骤摘要】
一种可重复定位的扫描探针显微镜


[0001]本专利技术涉及一种可重复定位的扫描探针显微镜(SPM)，属于扫描探针显微镜


技术介绍

[0002]自从扫描探针显微镜问世以来，它就成了表征样品纳米表面结构和形貌的有力工具。近年来随着科学研究的多样化以及研究的不断深入，有些样品材料在不同的测试条件下(比如，样品局部受到应力作用，扫描探针显微镜多探针协同调试时，样品局部变温测试时，在变磁场环境、电化学方法调控时等)展现的新奇的特性对揭示样品材料的性质和结构的关系，基本基本物质科学规律有着重要的作用，这也引起了人们的持续关注。然而，由于扫描探针显微镜工作时它的针尖距离样品非常近(如扫描隧道显微镜的隧道结常小于1nm)，在调控样品的测试条件/环境时容易引起针尖与样品的间距剧烈的变化，导致样品和针尖相撞，测试终止。为了避免这一悲剧的发生，通常是在改变样品的测试环境前把针尖/样品后退一定的距离；当环境调控结束后，再次逼近针尖/样品，重新进行SPM测量。然而，由于传统的扫描探针显微镜结构和步进方式的限制，退针后再次逼进它往往产生很大的定位偏差，探针很难两次定位在样品同一区域。为了跟踪观测样品同一区域在环境调控前、后的性质变化，在第二次进针扫描时需要大面积搜寻待测目标。但是这种方法盲目并且效率很低，往往经过多次扫描搜寻后也很难找到被测区域。
[0003]事实上，传统SPM不具有重复定位的功能是由于它所使用的压电步进器引起的，具体体现在：传统压电步进器的各个部件常通过压电体连接在一起，压电体在整个步进器中起支撑作用。当步进器行走过程中受到不对称的阻力作用时或压电体发生伸缩形变时，会引起步进器局部偏转或扭曲。因此，这些步进器行走过程中它的两端常常会发生小幅的摇摆，并且摇摆的幅度和方向是随机的，这就导致步进器沿导轨行走一定的距离后在垂直于行走的方向上它的位置会产生偏差，即横向偏移。这最终体现在SPM往复的粗逼近和后退时它的针尖不能重复定位在样品的同一区域。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种可重复定位的扫描探针显微镜，以解决现有技术中扫描探针显微镜在粗逼近阶段会产生随机横向偏移的问题。
[0005]本专利技术提供如下技术方案：一种可重复定位的扫描探针显微镜，其特征在于，包括镜体、步进器、预紧部件、扫描部件和样品台；所述的镜体包括三个相互平行的直线导向轨道，在其中两个直线导向轨道上置有步进器，步进器被第三个直线导向轨道通过预紧部件压在上述的两个轨道上；所述的步进器包括一个支撑滑块、两个内滑块和三个压电体，所述的压电体中的其中两个分布在支撑滑块与内滑块之间，另一个分布在内滑块与内滑块之间，从而支撑滑块和内滑块与压电体交错分布；所述的内滑块和压电体在支撑滑块的束缚下，处于预紧状态，三者构成一个致密的整体；所述支撑滑块和内滑块在预紧部件的弹力作
用下，与上述两直线导向轨道间产生合适的正压力，从而与两直线导向轨道之间有合适的摩擦力；所述的扫描部件被固定在步进器上，样品台固定在镜体上或者扫描部件被固定在镜体上，样品台被固定在步进器上；所述的扫描部件包括压电体固定台、扫描压电体、探针架、探针；所述的样品台包括样品底座和样品。
[0006]其特征在于，所述的直线导向轨道的截面为柱面或斜面。
[0007]其特征在于，所述支撑滑块的两顶端均有两个与直线导向轨道的截面相匹配的斜面，在弹性预紧部件的作用下两个顶端的斜面均与所述的两直线导向轨道刚性接触，并且它与这两个直线导向轨道形成四点接触的大力矩稳固结构。
[0008]其特征在于，所述内滑块沿轨道方向分布在支撑滑块中，内滑块的截面为与直线导向轨道的截面相配的斜面，在弹性预紧部件的作用下它的两个斜面均与所述的两直线导向轨道刚性接触，并与这两个直线导向轨道形成四点接触/两线接触。
[0009]其特征在于，所述步进器的动力元件为压电体，通过外电路控制各压电体使压电体产生相应的伸缩形变，从而改变压电体输出的推力大小。
[0010]其特征在于，所述步进器和三个直线导向轨道的分布形式均为平面对称结构，滑块所受到压电体产生的推力的方向与三个直线导向轨道相平行。
[0011]其特征在于，所述的支撑滑块为一刚性框架结构，当压电体发生伸缩形变或步进器受到不对称阻力的作用时，支撑滑块不产生扭曲或伸缩形变。
[0012]其特征在于，所述扫描探针显微镜在粗逼近/退针过程中不产生横向偏移，它在毫米级行程往复粗逼近/后退时，探针在样品同一区域的定位偏差小于30纳米。
[0013]本专利技术具有如下优点：镜体结构紧凑，能够减轻系统温漂情况；步进器处于预紧状态，刚干扰能力强，扫描探针显微镜的步进器在粗逼近过程中不会产生横向偏移，它的针尖在多次进针时能定位在样品的同一区域，具有重复定位的功能。
附图说明
[0014]图1是本专利技术一种可重复定位的扫描探针显微镜总体结构示意图；
[0015]图2是步进器结构示意图；
[0016]图3是步进器中支撑滑块与镜体的装配截面示意图；
[0017]图4是步进器中内滑块与镜体的装配截面示意图。
具体实施方式
[0018]如图1所示，本专利技术的一种可重复定位的扫描探针显微镜，其特征在于，包括镜体1，步进器2，预紧部件3a、3b、3c，扫描部件4和样品台5；所述的扫描部件4包括压电体固定台4a、扫描压电体4b、探针架4c和探针4d，扫描压电体4b通过压电体固定台4a固定在镜体1上，探针4d通过探针架4固定于扫描压电体4b下端；所述的样品台5包括样品底座5a、样品基底5b，样品台5固定在步进器2上。
[0019]如图2所示，所述步进器2包括一个支撑滑块7、两个内滑块8a、8b和三个压电体9a、9b、9c，所述压电体9a、9b、9c分别设置在支撑滑块7与内滑块8a之间、内滑块8a与内滑块8b之间和8b与支撑滑块7之间，内滑块8a、8b和压电体9a、9b、9c在支撑滑块7的束缚下，处于预紧状态，三者构成一个致密的整体。
[0020]如图3，4所示，所述的镜体1包括三个相互平行的直线导向轨道6a、6b、6c，步进器2置于其中两个直线导向轨道6a、6b上，并被第三个直线导向轨道6c通过预紧部件3a、3b、3c压在上述的两个轨道6a、6b上，所述支撑滑块7和内滑块8a、8b在预紧部件3a、3b、3c的作用下，与上述两直线导向轨道6a、6b间存在一定的正压力，从而与两直线导向轨道6a、6b之间有合适的最大静摩擦力。
[0021]如图2、3所示，所述直线导向轨道6a、6b的截面为斜面，所述支撑滑块7的两顶端的截面均为与直线导向轨道6a、6b的截面相匹配的斜面，在弹性预紧部件3a、3c的作用下支撑滑块7两顶端的斜面均与所述的两直线导向轨道6a、6b刚性接触，并与这两个直线导向轨道6a、6b形成四点接触的大力矩稳固结构。
[0022]如图2、4所示，所述两个内滑块8a、8b沿轨道6a、6b、6c分布在支撑滑块7中，内滑块8a、8b的截面均为与直线导向轨道6a、6b的截面相配的斜面。在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可重复定位的扫描探针显微镜，包括镜体、步进器、预紧部件、扫描部件和样品台，其特征在于，所述的镜体包括三个相互平行的直线导向轨道，在其中两个直线导向轨道上置有步进器，该步进器被第三个直线导向轨道通过预紧部件压在上述的两个直线导向轨道上；所述的步进器包括一个支撑滑块、两个内滑块和三个压电体；所述的三个压电体分布在支撑滑块与内滑块之间以及内滑块与内滑块之间，并且与支撑滑块和内滑块构成一个的致密整体；所述的扫描部件/样品台被固定在镜体/步进器上；所述的扫描部件包括扫描压电体固定台、扫描压电体、探针架、探针；所述的样品台包括样品底座、样品基底、样品。2.根据权利要求1所述的一种可重复定位的扫描探针显微镜，其特征在于，所述的直线导向轨道的截面为柱面或斜面。3.根据权利要求1所述的一种可重复定位的扫描探针显微镜，其特征在于，所述的支撑滑块的两个顶端各有两个与直线导向轨道的截...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏志刚，郭文璟，张晶晶，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：