[发明专利]一种用于原子力显微镜的探针操作装置及其操作方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案如下：

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。