[实用新型]原子力显微镜探针夹持器的换针装置

说明书

本实用新型公开了一种原子力显微镜探针夹持器的换针装置，包括：底板、升降台和顶板，所述顶板通过多根立柱固装在所述底板的正上方，所述升降台位于顶板和底板之间且该升降台的底端与所述底板固装，所述升降台的顶端固装有竖直设置的触针，在所述顶板上形成一第二通孔，当所述升降台的顶端升高后触针穿过第二通孔，所述升降台的顶端下降后触针缩回至第二通孔内。探针夹持器通用性强，可适用于上扫描、下扫描和混合扫描等多种结构的原子力显微镜，能实现常用的扫描模式(接触模式、轻敲模式、相位模式等)。探针夹持器结构紧凑，可牢固的夹持探针。探针夹持器使用磁铁吸附在原子力显微镜上，易于装卸和调整位置。当需要更换探针时，探针夹持器配合换针装置使用，可方便地装卸探针，有效降低了操作难度。

技术领域

本实用新型属于显微设备技术领域，具体来说涉及一种原子力显微镜探针夹持器的换针装置。

背景技术

1986年Binning、Quate和Gerber实用新型了原子力显微镜(AFM)。原子力显微镜被称为是继光学显微镜和电子显微镜之后的第三代显微镜，是研究材料微米级甚至原子级表面特征的最常用工具。原子力显微镜具有空间分辨率高、不受样品导电性限制、支持在大气与液相环境中观测样品等优点,目前已被广泛应用于半导体工业、新材料、生命科学等领域。

原子力显微镜一般包括悬臂梁探针、检测光路、压电陶瓷扫描器、数据处理及反馈控制电路等硬件单元，通过控制并检测样品与悬臂梁探针针尖间的相互作用力来实现高分辨成像。工作时，探针靠近样品表面并相对于样品做XY平面内的二维扫描运动，针尖与样品之间的作用力会使微悬臂发生形变,这些形变可通过检测光路获取,反馈控制电路不断调整压电陶瓷扫描器在Z方向的伸缩量，维持针尖与样品的作用力不变。因此，记录下Z向压电陶瓷扫描器在XY平面内各点处的伸缩量即可得到样品的表面形貌。

悬臂梁探针是力敏感元件，是原子力显微镜的核心部件。悬臂梁探针的一端带有一个对微弱力极敏感微悬臂，其上载有探针，探针尖端的曲率半径在纳米量级。探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率。探针使用一段时间后会磨损或者被样品污染，不再满足实验要求，此外不同的测量参数也需要选用不同类型的探针，所以实验中会经常更换探针。为了方便的更换探针，人们研制了各种探针夹持器。根据其固定探针的方式可分为两大类：一、使用双面胶或者胶水等直接将探针粘在夹持器的探针槽内；二、使用簧片等将探针压在夹持器的探针槽内。其中，第一类方法设计的夹持器结构简单、紧凑，安放探针时也比较容易，但是拆卸探针时要克服胶的粘连，有时还需要特殊处理(加热、丙酮等有机溶剂浸泡等)，导致拆卸困难，操作复杂，容易对探针造成损伤。第二类方法设计的夹持器结构比第一类要复杂，但是探针拆卸较为方便，因此大多数商用原子力显微镜都采用这类夹持器。有两种方案比较流行：

1、第一种流行的探针夹持器的结构如图1所示，使用第一簧片1-2将第一悬臂梁探针1-1压在第一夹持器主结构1-5中的探针槽内，第一簧片1-2的两端分别用第一螺丝1-3和第二螺丝1-4固定。安装探针时，只需松开两颗螺丝，将探针小心地插入探针槽内，然后再拧紧螺丝即可，拆卸探针的过程与安装过程相反。这个方案中使用的夹持器结构紧凑，探针安装牢固。为保证探针针尖处在最低点，只能选用头部非常扁平的小螺丝(例如M1-M1.6的螺丝)，换针时每次都要拧动两颗小螺丝，给操作人员带来了比较大的麻烦。

2、第二种流行的探针夹持器的结构如图2所示，第二簧片2-2通过第三螺丝2-3固定在第二夹持器主结构2-5上，一端被弹簧2-4顶起，另一端将第二悬臂梁探针2-1压在探针槽内。安装探针时，轻轻按压第二簧片远离第二悬臂梁探针的尾端，第二簧片的首端就会微微翘起，将第二悬臂梁探针插入探针槽内，然后松手，第二簧片就会在弹簧的作用下将第二悬臂梁探针压紧。拆卸第二悬臂梁探针时，再次按压第二簧片的尾端，将第二悬臂梁探针抽出即可。该方案中使用的夹持器使用方便，第二悬臂梁探针夹持牢固，但是结构较为复杂，制作成本高，更换探针时需要操作人员一只手按压弹簧，另一只手装卸探针，对操作人员的熟练程度要求高。

发明内容