[发明专利]一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置

说明书

本发明公开了一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，该卧式探头装置由石英音叉(1)、二自由度位移台(2)、样品台(3)、逼近组件(4)、导轨(5)、三维扫描器(6)、支架和滑块组成。本发明卧式探头装置采用逼近组件将样品移送至可与探针产生有效原子力的范围，利用三维扫描器控制双臂配平的石英音叉探针对样品进行扫描，通过提取力传感信号实现对原子力显微镜的动态控制并最终获取样品表面信息。卧式结构设计可使所探测原子力方向与石英音叉探针重力方向相互垂直，并降低深空环境原子力显微镜系统的重心，能有效避免重力对原子力测量的影响，大大提高深空环境原子力显微镜系统稳定性和抗震性，从而满足深空环境中对样品测量成像的要求。

技术领域

本发明涉及一种适用于深空环境原子力显微镜的探头仪器，更特别地说，是指一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜的卧式探头装置。

背景技术

1986年，Binnig和Quate发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)。原子力显微镜是利用一个极细的针尖逐点探测样品表面，当针尖与样品表面的距离达到纳米级时，探针会受到样品对其产生的作用力，通过对这个作用力的检测获取样品的形貌信息。自原子力显微镜(AFM)诞生以来，其作为一种主要的表面分析仪器应用于物理、化学、金属、半导体、微电子、纳米材料、生物、生命科学等众多科学领域。AFM主要通过检测原子间相互作用力来进行成像，其不仅能够在大气环境下测量样品表面形貌信息，而且还能够在深空环境下对样品进行观测。随着深空原位探测需求的增加，将AFM应用于深空环境探测已经成为其发展的重要方向。

深空环境是指脱离地球引力场，进入宇宙空间的环境。现有的原子力显微镜大都只适用于大气环境，深空环境辐射强、昼夜温差大、设备无人值守并且在发射过程中会有剧烈的振动，因此不仅需要仪器具有抗辐射、耐高低温的能力，还需要其具有稳定性、抗震性和自主操纵性。基于深空环境对原子力显微镜的特殊要求，为了有效的探测深空环境下的样品信息，研究一种满足深空环境探测需求的原子力显微镜探头系统可为今后我国深空探测提供有效的载荷储备，为深空环境微纳尺度显微分析提供强有力的工具。由于立式原子力显微镜系统的探头装置中，探测原子力方向与石英音叉探针重力方向为同一轴线上，不能满足深空环境中对样品测量成像的要求。

发明内容

本发明设计了一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，该装置通过采用卧式机械结构，降低了深空环境原子力显微镜系统的设备重心，避免了原子力和石英音叉探针重力的相互干扰，从而提高了深空环境原子力显微镜系统的稳定性和抗震性。另外将探头装置的扫描运动和逼近运动的进行分离，防止相互干扰，保证了深空环境原子力显微镜系统的工作精度和稳定性。本发明设计的卧式探头装置能够使所探测原子力方向与石英音叉探针重力方向相互垂直，可以有效地避免重力对原子力测量的影响，从而满足深空环境中对样品测量成像的要求。

本发明的一种基于石英音叉探针的深空环境原子力显微镜系统的卧式探头装置，该卧式探头装置由石英音叉探针(1)、二自由度位移台(2)、样品台(3)、逼近组件(4)、导轨(5)、三维扫描器(6)、A支架(7A)、B支架(7B)、C支架(7C)、A滑块(8A)、B滑块(8B)、C滑块(8C)组成。导轨(5)、A支架(7A)、B支架(7B)、C支架(7C)、A滑块(8A)、B滑块(8B)和C滑块(8C)构成移动支撑组件。二自由度位移台(2)、样品台(3)、C支架(7C)和C滑块(8C)构成样品台定位组件。样品台(3)用于承载样品。样品台(3)安装在二自由度位移台(2)的Y轴调节台(2A)上。

A滑块(8A)、B滑块(8B)和C滑块(8C)的结构相同。