[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于：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；导轨(5)上设有A导臂(5A)、B导臂(5B)与导轨底板(5D)，A导臂(5A)与B导臂(5B)之间是A凹槽(5C)，所述A凹槽(5C)形状 为且外倾斜角记为α，α＝120～135度；A导臂(5A)的外侧与导轨底板(5D)之间是B凹槽(5D1)，B导臂(5B)的外侧与导轨底板(5D)之间是C凹槽(5D2)；A导臂(5A)与B导臂(5B)用于支撑三个滑块(8A、8B、8C)，且通过紧顶螺钉(9D、9E、9F)将滑块(8A、8B、8C)顶紧在导轨(5)的A导臂(5A)外侧；A支架(7A)的A横板(7A1)上设有A沉头通孔(7A11)，该A沉头通孔(7A11)用于放置A紧顶螺钉(9A)，A紧顶螺钉(9A)一端穿过A沉头通孔(7A11)后螺纹连接在A滑块(8A)的BA螺纹孔(8A31)中；A支架(7A)的A竖板(7A2)上设有用于固定安装三维扫描器(6)壳体的GA沉头腔(7A21)，GA沉头腔(7A21)的中心设有供三维扫描器(6)的输出臂穿过的GA通孔(7A22)；B支架(7B)的B横板(7B1)上设有B沉头通孔(7B11)，该B沉头通孔(7B11)用于放置B紧顶螺钉(9B)，B紧顶螺钉(9B)一端穿过B沉头通孔(7B11)后螺纹连接在B滑块(8B)的BC螺纹孔(8B31)中；B支架(7B)的B竖板(7B2)上设有用于固定安装丝杠筒(4B)的连接盘(4B2)的GB沉头腔(7B21)，GB沉头腔(7B21)的中心设有供逼近组件(4)中步进电机(4A)的输出轴(4A1)穿过的GB通孔(7B22)；C支架(7C)的C横板(7C1)上设有C沉头通孔(7C11)，该C沉头通孔(7C11) 用于放置C紧顶螺钉(9C)，C紧顶螺钉(9C)一端穿过C沉头通孔(7C11)后螺纹连接在C滑块(8C)的BE螺纹孔(8C31)中；C支架(7C)的C竖板(7C2)上设有用于放置丝杠外套筒(4D)的GC通孔(7C21)，C支架(7C)的C竖板(7C2)上安装有二自由度位移台(2)；A滑块(8A)上设有A倾斜护板(8A1)、A定位安装板(8A2)、A支撑板(8A3)；A倾斜护板(8A1)与A定位安装板(8A2)之间是A支撑板(8A3)，A支撑板(8A3)上设有BA螺纹孔(8A31)，BA螺纹孔(8A31)用于放置A紧顶螺钉(9A)；A倾斜护板(8A1)与A支撑板(8A3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度；A倾斜护板(8A1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触；A定位安装板(8A2)上设有A固定面板(8A21)，A固定面板(8A21)上设有BB螺纹孔(8A22)，BB螺纹孔(8A22)用于放置D紧顶螺钉(9D)；B滑块(8B)上设有B倾斜护板(8B1)、B定位安装板(8B2)、B支撑板(8B3)；B倾斜护板(8B1)与B定位安装板(8B2)之间是B支撑板(8B3)，B支撑板(8B3)上设有BC螺纹孔(8B31)，BC螺纹孔(8B31)用于放置B紧顶螺钉(9B)；B倾斜护板(8B1)与B支撑板(8B3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度；B倾斜护板(8B1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触；B定位安装板(8B2)上设有B固定面板(8B21)，B固定面板(8B21)上设有BD螺纹孔(8B22)，BD螺纹孔(8B22)用于放置E紧顶螺钉(9E)；C滑块(8C)上设有C倾斜护板(8C1)、C定位安装板(8C2)、C支撑板(8C3)；C倾斜护板(8C1)与C定位安装板(8C2)之间是C支撑板(8C3)，C支撑板(8C3)上设有BE螺纹孔(8C31)，BE螺纹孔(8C31)用于放置C紧顶螺钉(9C)；C倾斜护板(8C1)与C支撑板(8C3)之间有一个夹角，记为β，β＝45～60度；C倾斜护板(8C1)的内倾板面与导轨(5)的B导臂(5B)接触；C定位安装板(8C2)上设有C固定面板(8C21)，C固定面板(8C21)上设有BF螺纹孔(8C22)，BF螺纹孔(8C22)用于放置F紧顶螺钉(9F)；逼近组件(4)包括有步进电机(4A)、丝杠(4C)、丝杠筒(4B)、丝杠外套筒(4D)、螺母(4E)和联轴器(4F)；步进电机(4A)的机壳通过螺钉固定在B支架(7B)的GD面板(7B‑2)的GC沉头腔(7B23)中，且步进电机(4A)的输出轴(4A1)穿过B支架(7B)的GB通孔(7B22)后连接在联轴器(4F)的DA通孔(4F1)内，且通过穿过销孔(4F21)的销钉顶紧；丝杠筒(4B)的一端是连接盘(4B2)，连接盘(4B2)通过螺钉固定在B支架(7B)的GC面板(7B‑1)的GB沉头腔(7B21)中；丝杠筒(4B)的另一端是空心圆筒(4B3)，空心圆筒(4B3)用于放置联轴器(4F)；空心圆筒(4B3)的端部设有DB通孔(4B1)，DB通孔(4B1)用于丝杠(4C)的一端穿过；丝杠(4C)的一端是丝杠段(4C1)，丝杠(4C)的另一端是连接段(4C2)；连接段(4C2)上对称设有DA凸柱(4C21)和DB凸柱(4C22)；丝杠(4C)的连接段(4C2)置于联轴器(4F)的型腔(4F4)内，DA凸柱(4C21)置于联轴器(4F)的圆环体(4F3)上的DA开口(4F31)内，DB凸柱(4C22)置于联轴器(4F)的圆环体(4F3)上的DB开口(4F32)内；丝杠(4C)的丝杠段(4C1)顺次穿过丝杠筒(4B)的DB通孔(4B1)、丝杠外套筒(4D)的螺纹孔(4D1)后套接上螺母(4E)；丝杠外套筒(4D)上设有螺纹孔(4D1)，该螺纹孔(4D1)用于丝杠(4C)的丝杠段(4C1)穿过；联轴器(4F)的中心设有DA通孔(4F1)，DA通孔(4F1)用于步进电机(4A)的输出轴穿过；联轴器(4F)的圆柱体(4F2)上设有销孔(4F21)，销孔(4F21)用于放置销钉，销钉穿过销孔(4F21)后顶紧在步进电机(4A)的输出轴上；联轴器(4F)的圆环体(4F3)上设有DA开口(4F31)和DB开口(4F32)，DA开口(4F31)用于放置丝杠(4C)的连接段(4C2)上的DA凸柱(4C21)，DB开口(4F32)用于放置丝杠(4C)的连接段(4C2)上的DB凸柱(4C22)。