CN114594283B - 一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，运用于精密检测与纳米位移领域，包括：外壳、Z轴进针、样品台、XY轴位移台和步进粗调机构，通过通电的压电陶瓷产生形变使位移台产生弹性形变，运用闭环反馈来得到准确的纳米位移量，在赋予电压差的针尖与样品之间小于1nm时会产生隧道电流，通过读取隧道电流的大小来反馈出原子形貌，将Z轴与XY轴位移台分离，隔绝了容易发生扰动的Z轴对XY轴的干扰，XY轴位移台采用并联式上下叠加，通过陶瓷材料连接，有效减小扰动，采用了悬臂梁式柔性铰链机构来执行弹性形变，力学性能较好且较容易实现纳米位移，将针尖固定于Z轴上，避免多余的针尖装置，保证针尖垂直于样品台，保证扫描的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及精密检测与纳米位移的技术领域，尤其涉及一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置。
背景技术
扫描隧道显微镜，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面电子态信息的仪器。将具有原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与探针针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过真空势垒流向另一极而形成隧穿电流。通过记录针尖与样品表面间隧穿电流的变化便可得到样品表面的信息。
通常，电源的两个电极分别与探针和样品连接，用来给样品提供偏压(通常为几伏)，通过测量探针和样品之间的隧穿电流来测量样品的表面电子态。当前的扫描隧道显微镜采用固定放置的样品台，通过调节位于样品台上方的探针针尖的水平位置和竖直高度，对置于样品台上的样品进行检测，由于调节过程中仅依靠对探针针尖的位置进行调节，过高的自由度会导致探针针尖在检测过程中极易发生水平方向或者竖直方向的扰动，导致检测结果误差较大，对于较为精密的检测装置，过大的误差会导致检测结果失效；扫描隧道显微镜作为高精密度的检测装置，在操作过程中易使针尖与样品或样品台发生碰撞，需要经常调整，扫描隧道显微镜内的部件细小且精密，在扫描隧道显微镜多次使用后容易在碰撞过程中发生易位或变形，影响扫描隧道显微镜的检测结果，对检测结果造成较大的误差，同时在使用过程中，极易出现由于碰撞发生的变形，导致扫描隧道显微镜损坏或者得出误差较大的检测结果。
发明内容
针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，包括：外壳1、Z轴进针2、样品台3、XY轴位移台4和步进粗调机构5，所述步进粗调机构5安装在主动隔振平台上，所述XY轴位移台4安装在所述步进粗调机构5上，所述样品台3安装在所述XY轴位移台4上，所述Z轴进针2、所述样品台3、所述XY轴位移台4和所述步进粗调机构5均设于所述外壳1内，所述Z轴进针2安装在外壳1的上侧内壁上，所述Z轴进针2设于所述XY轴位移台4上方。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述外壳1包括：后盖12、观察窗14、固定基座15和前盖16，所述固定基座15包括：一个顶板、一个底板和两个侧板，顶板的两端分别和两个侧板的上端连接，底板的两端分别和两个侧板的下端连接，所述前盖16和所述后盖12均安装在所述固定基座15上，所述前盖16、所述后盖12和所述固定基座15合围形成一个矩形密闭箱体，所述前盖16上开设有矩形通孔，所述观察窗14安装在所述矩形通孔上，通过所述观察窗14可操作地观察矩形密闭箱体内的情况。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述Z轴进针2包括：针尖21、针管22、针尖导电座23、XY轴手动位移台27、陶瓷转接座28、Z轴压接块29、平底压电陶瓷210、Z轴铰链座211、第一电容传感器212和镀金陶瓷板214，XY轴手动位移台27的上表面和所述顶板连接，所述Z轴压接块29和所述XY轴手动位移台27通过所述陶瓷转接座28连接，通过所述XY轴手动位移台27调节所述陶瓷转接座28可操作地沿X轴方向和/或Y轴方向移动，所述Z轴铰链座211包括：设于外周的Z轴固定部和设于中部的Z轴移动部，所述Z轴固定部和所述Z轴移动部通过铰链活动连接，所述Z轴固定部和所述Z轴压接块29连接，Z轴铰链座211靠近所述Z轴压接块29的一侧设有用于安装所述平底压电陶瓷210的第一容置槽，平底压电陶瓷210的一端抵于所述Z轴压接块29，平底压电陶瓷210的另一端抵于所述Z轴移动部，Z轴铰链座211远离所述Z轴压接块29的一侧和所述第一电容传感器212连接，所述镀金陶瓷板214和所述Z轴移动部连接，所述针尖导电座23安装在所述镀金陶瓷板214上，针尖导电座23的端部抵于所述Z轴移动部，所述针管22安装在所述针尖导电座23内，所述针尖21安装在所述针管22内。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述步进粗调机构5包括：直线导杆52、法兰直线轴承54、精密弹簧55、丝杆56、法兰螺母57、XY轴承接座59、一级减震硅胶垫511、步进电机512、电机基座513、电机转接板514、二级减震硅胶垫515，所述电机基座513安装在所述电机转接板514上，所述电机基座513和所述电机转接板514之间设有所述二级减震硅胶垫515，所述步进电机512安装在所述电机基座513内，所述XY轴承接座59和所述电机基座513通过多个所述直线导杆52连接，每一个直线导杆52上安装有一个用于和所述电机基座513连接的所述法兰直线轴承54，每一个直线导杆52上套设有一个所述精密弹簧55，所述XY轴承接座59内安装有所述法兰螺母57，丝杆56的一端和所述法兰螺母57通过螺纹连接，丝杆56的另一端通过所述步进电机512驱动，电机基座513的上端安装有所述一级减震硅胶垫511。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述XY轴位移台4包括：结构相同且相互连接的两个位移平台414和XY轴转接块411，所述XY轴转接块411设于两个所述位移平台414之间，位于上侧的所述位移平台414和所述XY轴转接块411通过多个XY轴转接块螺栓410连接，位于下侧的所述位移平台414和所述XY轴转接块411通过多个位移台螺栓412连接，位于下侧的所述位移平台414和所述XY轴承接座59通过多个XY轴转接块螺栓410连接，位于上侧的所述位移平台414用于控制所述样品台3沿X轴方向移动，位于下侧的所述位移平台414用于控制所述样品台3沿Y轴方向移动。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述样品台3包括：载物台31、压针32、导电铜34、导电铜螺栓35、压针螺栓36和XY轴位移台螺栓37，所述载物台31通过多个所述XY轴位移台螺栓37安装在位于上侧的所述位移平台414上，所述导电铜34通过多个所述导电铜螺栓35安装在所述载物台31上，所述压针32通过压针螺栓36安装在所述导电铜34上，所述导电铜34用于放置样品33，所述压针32用于压紧所述样品33。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述步进粗调机构5还包括：基座螺栓51、法兰轴承螺栓53、法兰螺母螺栓58、电机螺栓510、主动隔震平台螺栓516，所述电机转接板514通过多个所述主动隔震平台螺栓516安装在所述主动隔振平台上，所述电机转接板514和所述电机基座513通过多个所述基座螺栓51连接，每一个所述法兰直线轴承54通过多个所述法兰轴承螺栓53安装在所述电机基座513上，所述法兰螺母57通过多个所述法兰螺母螺栓58安装在所述XY轴承接座59上，所述步进电机512通过多个所述电机螺栓510安装在所述电机基座513上。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述Z轴进针2还包括：陶瓷压紧螺栓24、XY轴手动台螺栓25、外壳螺栓26、电容传感器螺栓213、针管螺栓215、Z轴压接块螺栓216和Z轴铰链座螺栓217，所述镀金陶瓷板214和所述Z轴铰链座211通过至少一个所述陶瓷压紧螺栓24连接，所述陶瓷转接座28和所述XY轴手动位移台27通过至少一个所述XY轴手动台螺栓25连接，所述XY轴手动位移台27通过至少一个所述外壳螺栓26安装在所述顶板上，所述第一电容传感器212通过至少一个所述电容传感器螺栓213安装在所述Z轴铰链座211上，所述针管22通过至少一个所述针管螺栓215夹持在所述针尖导电座23内，所述陶瓷转接座28和所述Z轴压接块29通过至少一个所述Z轴压接块螺栓216连接，所述Z轴铰链座211和所述Z轴压接块29通过至少一个Z轴铰链座螺栓217连接。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，所述外壳1还包括：若干固定螺栓11和若干圆头螺栓13，所述前盖16通过多个所述固定螺栓11安装在所述固定基座15上，所述后盖12通过多个所述固定螺栓11安装在所述固定基座15上，所述观察窗14通过多个所述圆头螺栓13安装在所述前盖16上。
上述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，每一个所述位移平台414包括：陶瓷压块41、陶瓷转接板螺栓42、陶瓷转接板43、PCB沉金44、第二电容传感器45、PCB螺栓46、铰链基座47、圆顶压电陶瓷48、陶瓷压块螺栓49和传感器螺栓413，所述铰链基座47包括：设于外周的固定台和设于中部的微位移台，所述固定台的中部设有与所述微位移台的外周相匹配的矩形通孔，所述固定台和所述微位移台通过四个弯折的悬臂梁式铰链机构连接，所述陶瓷转接板43通过至少一个所述陶瓷转接板螺栓42安装在微位移台的一个侧边上，所述PCB沉金44通过至少一个所述PCB螺栓46安装在所述陶瓷转接板43上，所述第二电容传感器45通过至少一个所述传感器螺栓413安装在所述固定台上，所述第二电容传感器45设于所述PCB沉金44和固定台的内壁之间，通过所述第二电容传感器45和所述PCB沉金44检测并反馈所述固定台和所述微位移台的间距变化，所述陶瓷压块41通过至少一个所述陶瓷压块螺栓49安装在固定台远离所述第二电容传感器45的一个侧边外壁上，所述圆顶压电陶瓷48安装在所述固定台内，圆顶压电陶瓷48的一端抵于所述陶瓷压块41，圆顶压电陶瓷48的另一端抵于所述微位移台，通过所述圆顶压电陶瓷48驱动所述微位移台沿水平方向移动。
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
(1)本发明通过通电的压电陶瓷产生形变使位移台产生弹性形变，运用闭环反馈来得到准确的纳米位移量，在赋予电压差的针尖与样品之间小于1nm时会产生隧道电流，通过读取隧道电流的大小来反馈出原子形貌；
(2)本发明将Z轴与XY轴位移台分离，几乎隔绝了容易发生扰动的Z轴对XY轴的干扰；
(3)本发明中，XY轴位移台采用并联式上下叠加，通过不易变形的陶瓷材料连接，在力学性能上有效减小扰动；
(4)本发明还采用了悬臂梁式柔性铰链机构来执行弹性形变，有较好的力学性能且较容易实现纳米位移；
(5)本发明将针尖固定于Z轴上，可以避免多余的针尖装置，也能够保证针尖垂直于样品台，有效保证扫描的准确性。
附图说明
图1是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的结构示意图。
图2是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的外壳的结构示意图。
图3是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的Z轴进针的结构示意图。
图4是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的Z轴进针的Z轴铰链座的俯视示意图。
图5是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的Z轴进针的Z轴铰链座的剖视示意图。
图6是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的样品台的结构示意图。
图7是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的XY轴位移台的结构示意图。
图8是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的XY轴位移台的剖视图。
图9是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的步进粗调机构的结构示意图。
图10是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的Z轴进针的俯视图。
图11是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的Z轴进针的剖视图。
图12是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的Z轴进针的轴测图。
图13是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的样品台的仰视图。
图14是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的XY轴位移台的侧视图。
图15是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的XY轴位移台的轴测图。
图16是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的步进粗调机构的轴测图。
图17是本发明的一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置的Z轴进针的Z轴铰链座的轴测图。
附图中：1、外壳；2、Z轴进针；3、样品台；4、XY轴位移台；5、步进粗调机构；11、固定螺栓；12、后盖；13、圆头螺栓；14、观察窗；15、固定基座；16、前盖；21、针尖；22、针管；23、针尖导电座；24、陶瓷压紧螺栓；25、XY轴手动台螺栓；26、外壳螺栓；27、XY轴手动位移台；28、陶瓷转接座；29、Z轴压接块；210、平底压电陶瓷；211、Z轴铰链座；212、第一电容传感器；213、电容传感器螺栓；214、镀金陶瓷板；215、针管螺栓；216、Z轴压接块螺栓；217、Z轴铰链座螺栓；31、载物台；32、压针；33、样品；34、导电铜；35、导电铜螺栓；36、压针螺栓；37、XY轴位移台螺栓；41、陶瓷压块；42、陶瓷转接板螺栓；43、陶瓷转接板；44、PCB沉金；45、第二电容传感器；46、PCB螺栓；47、铰链基座；48、圆顶压电陶瓷；49、陶瓷压块螺栓；410、XY轴转接块螺栓；411、XY轴转接块；412、位移台螺栓；413、传感器螺栓；414、位移平台；51、基座螺栓；52、直线导杆；53、法兰轴承螺栓；54、法兰直线轴承；55、精密弹簧；56、丝杆；57、法兰螺母；58、法兰螺母螺栓；59、XY轴承接座；510、电机螺栓；511、一级减震硅胶垫；512、步进电机；513、电机基座；514、电机转接板；515、二级减震硅胶垫；516、主动隔震平台螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
请参照图1至图17所示，示出了一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其中，包括：外壳1、Z轴进针2、样品台3、XY轴位移台4和步进粗调机构5，步进粗调机构5安装在主动隔振平台上，XY轴位移台4安装在步进粗调机构5上，样品台3安装在XY轴位移台4上，Z轴进针2、样品台3、XY轴位移台4和步进粗调机构5均设于外壳1内，Z轴进针2安装在外壳1的上侧内壁上，Z轴进针2设于XY轴位移台4上方。
进一步，在一种较佳实施例中，外壳1包括：后盖12、观察窗14、固定基座15和前盖16，固定基座15包括：一个顶板、一个底板和两个侧板，顶板的两端分别和两个侧板的上端连接，底板的两端分别和两个侧板的下端连接，前盖16和后盖12均安装在固定基座15上，前盖16、后盖12和固定基座15合围形成一个矩形密闭箱体，前盖16上开设有矩形通孔，观察窗14安装在矩形通孔上，通过观察窗14可操作地观察矩形密闭箱体内的情况。
进一步，在一种较佳实施例中，Z轴进针2包括：针尖21、针管22、针尖导电座23、XY轴手动位移台27、陶瓷转接座28、Z轴压接块29、平底压电陶瓷210、Z轴铰链座211、第一电容传感器212和镀金陶瓷板214，XY轴手动位移台27的上表面和顶板连接，Z轴压接块29和XY轴手动位移台27通过陶瓷转接座28连接，通过XY轴手动位移台27调节陶瓷转接座28可操作地沿X轴方向和/或Y轴方向移动，Z轴铰链座211包括：设于外周的Z轴固定部和设于中部的Z轴移动部，Z轴固定部和Z轴移动部通过铰链活动连接，Z轴固定部和Z轴压接块29连接，Z轴铰链座211靠近Z轴压接块29的一侧设有用于安装平底压电陶瓷210的第一容置槽，平底压电陶瓷210的一端抵于Z轴压接块29，平底压电陶瓷210的另一端抵于Z轴移动部，Z轴铰链座211远离Z轴压接块29的一侧和第一电容传感器212连接，镀金陶瓷板214和Z轴移动部连接，针尖导电座23安装在镀金陶瓷板214上，针尖导电座23的端部抵于Z轴移动部，针管22安装在针尖导电座23内，针尖21安装在针管22内。
进一步，在一种较佳实施例中，步进粗调机构5包括：直线导杆52、法兰直线轴承54、精密弹簧55、丝杆56、法兰螺母57、XY轴承接座59、一级减震硅胶垫511、步进电机512、电机基座513、电机转接板514、二级减震硅胶垫515，电机基座513安装在电机转接板514上，电机基座513和电机转接板514之间设有二级减震硅胶垫515，步进电机512安装在电机基座513内，XY轴承接座59和电机基座513通过多个直线导杆52连接，每一个直线导杆52上安装有一个用于和电机基座513连接的法兰直线轴承54，每一个直线导杆52上套设有一个精密弹簧55，XY轴承接座59内安装有法兰螺母57，丝杆56的一端和法兰螺母57通过螺纹连接，丝杆56的另一端通过步进电机512驱动，电机基座513的上端安装有一级减震硅胶垫511。
进一步，在一种较佳实施例中，XY轴位移台4包括：结构相同且相互连接的两个位移平台414和XY轴转接块411，XY轴转接块411设于两个位移平台414之间，位于上侧的位移平台414和XY轴转接块411通过多个XY轴转接块螺栓410连接，位于下侧的位移平台414和XY轴转接块411通过多个位移台螺栓412连接，位于下侧的位移平台414和XY轴承接座59通过多个XY轴转接块螺栓410连接，位于上侧的位移平台414用于控制样品台3沿X轴方向移动，位于下侧的位移平台414用于控制样品台3沿Y轴方向移动。
进一步，在一种较佳实施例中，样品台3包括：载物台31、压针32、导电铜34、导电铜螺栓35、压针螺栓36和XY轴位移台螺栓37，载物台31通过多个XY轴位移台螺栓37安装在位于上侧的位移平台414上，导电铜34通过多个导电铜螺栓35安装在载物台31上，压针32通过压针螺栓36安装在导电铜34上，导电铜34用于放置样品33，压针32用于压紧样品33。
进一步，在一种较佳实施例中，步进粗调机构5还包括：基座螺栓51、法兰轴承螺栓53、法兰螺母螺栓58、电机螺栓510、主动隔震平台螺栓516，电机转接板514通过多个主动隔震平台螺栓516安装在主动隔振平台上，电机转接板514和电机基座513通过多个基座螺栓51连接，每一个法兰直线轴承54通过多个法兰轴承螺栓53安装在电机基座513上，法兰螺母57通过多个法兰螺母螺栓58安装在XY轴承接座59上，步进电机512通过多个电机螺栓510安装在电机基座513上。
进一步，在一种较佳实施例中，Z轴进针2还包括：陶瓷压紧螺栓24、XY轴手动台螺栓25、外壳螺栓26、电容传感器螺栓213、针管螺栓215、Z轴压接块螺栓216和Z轴铰链座螺栓217，镀金陶瓷板214和Z轴铰链座211通过至少一个陶瓷压紧螺栓24连接，陶瓷转接座28和XY轴手动位移台27通过至少一个XY轴手动台螺栓25连接，XY轴手动位移台27通过至少一个外壳螺栓26安装在顶板上，第一电容传感器212通过至少一个电容传感器螺栓213安装在Z轴铰链座211上，针管22通过至少一个针管螺栓215夹持在针尖导电座23内，陶瓷转接座28和Z轴压接块29通过至少一个Z轴压接块螺栓216连接，Z轴铰链座211和Z轴压接块29通过至少一个Z轴铰链座螺栓217连接。
进一步，在一种较佳实施例中，外壳1还包括：若干固定螺栓11和若干圆头螺栓13，前盖16通过多个固定螺栓11安装在固定基座15上，后盖12通过多个固定螺栓11安装在固定基座15上，观察窗14通过多个圆头螺栓13安装在前盖16上。
进一步，在一种较佳实施例中，每一个位移平台414包括：陶瓷压块41、陶瓷转接板螺栓42、陶瓷转接板43、PCB沉金44、第二电容传感器45、PCB螺栓46、铰链基座47、圆顶压电陶瓷48、陶瓷压块螺栓49和传感器螺栓413，铰链基座47包括：设于外周的固定台和设于中部的微位移台，固定台的中部设有与微位移台的外周相匹配的矩形通孔，固定台和微位移台通过四个弯折的悬臂梁式铰链机构连接，陶瓷转接板43通过至少一个陶瓷转接板螺栓42安装在微位移台的一个侧边上，PCB沉金44通过至少一个PCB螺栓46安装在陶瓷转接板43上，第二电容传感器45通过至少一个传感器螺栓413安装在固定台上，第二电容传感器45设于PCB沉金44和固定台的内壁之间，通过第二电容传感器45和PCB沉金44检测并反馈固定台和微位移台的间距变化，陶瓷压块41通过至少一个陶瓷压块螺栓49安装在固定台远离第二电容传感器45的一个侧边外壁上，圆顶压电陶瓷48安装在固定台内，圆顶压电陶瓷48的一端抵于陶瓷压块41，圆顶压电陶瓷48的另一端抵于微位移台，通过圆顶压电陶瓷48驱动微位移台沿水平方向移动。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
本发明的进一步实施例中，本发明公开了一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，运用于精密检测与纳米位移领域，其中包括：外壳1、Z轴进针2部分2、样品台3部分、XY轴位移台4部分以及步进粗调机构5部分。其工作原理是通过通电的压电陶瓷产生形变使位移台产生弹性形变，运用闭环反馈来得到准确的纳米位移量，在赋予电压差的针尖与样品之间小于1nm时会产生隧道电流，通过读取隧道电流的大小来反馈出原子形貌。本发明将Z轴与XY轴位移台分离，几乎隔绝了容易发生扰动的Z轴对XY轴的干扰；XY轴位移台采用并联式上下叠加，通过不易变形的陶瓷材料连接，在力学性能上有效减小扰动；本发明还采用了悬臂梁式柔性铰链机构来执行弹性形变，有较好的力学性能且较容易实现纳米位移；同时本发明将针尖固定于Z轴上，可以避免多余的针尖装置，也能够保证针尖垂直于样品台，有效保证扫描的准确性。
本发明的进一步实施例中，本发明分为五个部分，如图1所示，分别是：外壳1、Z轴进针2部分、XY轴位移台4部分、样品台3部分以及步进粗调机构5部分。其中外壳1作为整个结构的基座部分，可以与主动隔震平台连接，底部具有4个螺纹进行锁紧，外壳1顶部可固定电流采集放大电路装置，用于收集针尖21与样品33产生的隧道电流；Z轴进针2部分用四个螺栓连接于外壳1下方；样品台3与XY轴位移台4通过四颗螺栓连接；步进粗调机构5通过XY轴承接座59与XY轴位移台4连接，步进粗调机构与外壳分离，独立连接于主动隔震平台上。
本发明的进一步实施例中，其中外壳1部分如图2所示，包括：固定螺栓11、后盖12、圆头螺栓13、观察窗14、固定基座15、前盖16。其中1固定螺栓前后各6个，用于固定前盖16与后盖12；前后盖既可以加强固定基座15的稳定性，又能够保证内部能够有一个较好的防尘防干扰作用；固定基座15采用铸造钢材，保证振动稳定性以及一定的刚度。
本发明的进一步实施例中，其中Z轴进针2部分如图3所示，包括：针尖21、针管22、针尖导电座23、陶瓷压紧螺栓24、XY轴手动台螺栓25、外壳螺栓26、XY轴手动位移台27、陶瓷转接座28、Z轴压接块29、平底压电陶瓷210、Z轴铰链座211、第一电容传感器212、电容传感器螺栓213、镀金陶瓷板214、针管螺栓215、Z轴压接块螺栓216、Z轴铰链座螺栓217。图4和图5为Z轴铰链座211的零件图，用于反映Z轴铰链座211中间的铰链结构。XY轴手动位移台27通过4个外壳螺栓26和外壳1连接固定，下方由4个XY轴手动台螺栓25固定陶瓷转接座28，用于减少平底压电陶瓷210在膨胀时直接对外壳造成的变形，Z轴压接块29通过4个Z轴压接块螺栓216与陶瓷转接座28固定，Z轴压接块29与平底压电陶瓷210的一端接触。
本发明的进一步实施例中，Z轴铰链座211分为两个部分，一部分为Z轴固定部通过Z轴铰链座螺栓217连接着Z轴压接块29，一部分为Z轴移动部接触着平底压电陶瓷210的一端，两部分通过四个对称90°分布的圆角铰链连接，当平底压电陶瓷210通电产生形变时，由于Z轴铰链座211的Z轴固定部与Z轴压接块29连接，上方均为固定部分难以推动，因此平底压电陶瓷210只能通过容易产生形变的圆角铰链方向推动，使圆角铰链产生弹性位移，从而导致Z轴铰链座211的Z轴移动部移动，最终使针尖21产生纳米位移。
本发明的进一步实施例中，第一电容传感器212通过电容传感器螺栓213固定在Z轴铰链座211的Z轴固定部上，镀金陶瓷板214通过陶瓷压紧螺栓24固定在Z轴铰链座211的Z轴移动部上作为第一电容传感器212的另一极，当Z轴铰链座211的Z轴移动部产生位移时，第一电容传感器212与镀金陶瓷板214之间的距离产生变化，从而第一电容传感器212的反馈电压产生变化来反馈Z轴进针量；Z轴针尖21通过摩擦固定在针管22中，而针管22连接于针尖导电座23上，通过一边的针管螺栓215来固定针管22，另一边则压接上导线，让样品33与针尖21存在电压差，从而产生隧道电流。特别的，针尖导电座23为非导电材料制作，且侧方开槽，针管22可直接从针尖导电座23的侧方取出，方便更换针尖21。
本发明的进一步实施例中，其中样品台3部分如图6所示，包括：载物台31、压针32、样品33、导电铜34、导电铜螺栓35、压针螺栓36、XY轴位移台螺栓37。其中载物台31为高精度绝缘材料，保证样品33放置的平整；压针32为表面镀金金属，通过压针32将样品33压住，同时通过导电铜34将电压提供给样品33，导电铜螺栓35的一端压接导线，给样品提供电压。
本发明的进一步实施例中，其中XY轴位移台4部分如图7和图8所示，包括：陶瓷压块41、陶瓷转接板螺栓42、陶瓷转接板43、PCB沉金44、第二电容传感器45、PCB螺栓46、铰链基座47、圆顶压电陶瓷48、陶瓷压块螺栓49、XY轴转接块螺栓410、XY轴转接块411、位移台螺栓412、传感器螺栓413、位移平台414。图中仅展示了X轴位移平台414内部的具体连接方式，Y轴位移平台414内部结构与X轴位移平台414完全一致且Y轴位移平台414位于X轴位移平台414下方，两轴呈90°方向堆叠，中间通过XY轴转接块螺栓410与位移台螺栓412进行连接。铰链基座47采用了整体对称式结构，四边为固定台，中间为微位移台，通过四个弯折的悬臂梁式铰链机构连接。铰链基座47的微位移台使用了陶瓷转接板43在第二电容传感器45对侧由4个陶瓷转接板螺栓42进行连接，PCB沉金44叠加在陶瓷转接板43上由4个PCB螺栓46固定，第二电容传感器45由2个传感器螺栓413固定在铰链基座47的固定台上，其中PCB沉金44作为第二电容传感器45的另一电极，PCB沉金44与第二电容传感器45间隔<50um会产生电压反馈，从而得知PCB沉金44移动的距离，也就是圆顶压电陶瓷48形变的距离。X轴位移台前方是陶瓷压块41通过2个陶瓷压块螺栓49固定在铰链基座47的固定台上，其中圆顶压电陶瓷48的一端与陶瓷压块41接触，另一端与铰链基座47的微位移台接触；通过控制圆顶压电陶瓷48的电压来产生沿圆顶压电陶瓷48方向的微位移，由于陶瓷压块41与铰链基座47的固定台紧密连接难以推动，因此圆顶压电陶瓷48会沿着另一端延伸，此时四边的柔性铰链机构变形，铰链基座47的微位移台会产生微位移，为防止位移过程中铰链基座47的微位移台自身变形，因此使用了刚性较好的陶瓷转接板43作为转接，保证PCB沉金44不会变形，从而影响第二电容传感器45的数值。特别注意的是，该结构使用了圆顶压电陶瓷48，且与陶瓷压块41和铰链基座47的微位移台两端都采用的是锥形槽接触，有利于定心，防止圆顶压电陶瓷48由于自重而产生微位移，同时能够保证力学性能中不易产生剪切力与扭矩而损坏圆顶压电陶瓷48；陶瓷压块41与铰链基座47之间有1mm间距，最后会垫入1mm硅胶垫片，用于当陶瓷压块螺栓49拧紧时对圆顶压电陶瓷48产生一定量的弹性预紧力，防止圆顶压电陶瓷48在运动过程中产生张力。
本发明的进一步实施例中，其中步进粗调机构5部分如图9所示，包括：基座螺栓51、直线导杆52、法兰轴承螺栓53、法兰直线轴承54、精密弹簧55、丝杆56、法兰螺母57、法兰螺母螺栓58、XY轴承接座59、电机螺栓510、一级减震硅胶垫511、步进电机512与编码器、电机基座513、电机转接板514、二级减震硅胶垫515、主动隔震平台螺栓516。此装置用于粗调XY轴位移台4在Z轴方向上的位移，位移行程为8mm，单步行程可小于0.5um；通过精密弹簧55来减少上升与下降带来的冲击，同时可以减轻在行程范围内的电机升力；法兰直线轴承54与直线导杆52用于精密导向，使XY轴位移台4垂直上升；本结构采取了三级减震缓冲，能够有效隔绝XY轴产生的振动给Z轴带来的影响，同时能够稳定XY轴。
本发明的进一步实施例中，XY轴位移台采用并联式上下叠加，通过不易变形的陶瓷材料连接，在力学性能上有效减小扰动，将Z轴与XY轴位移台分离，将针尖固定于Z轴上，可以避免多余的针尖装置，也能够保证针尖垂直于样品台，几乎隔绝了容易发生扰动的Z轴对XY轴的干扰，有效保证扫描的准确性。
本发明的进一步实施例中，Z轴铰链座211包括：设于外周的Z轴固定部和设于中部的Z轴移动部，Z轴固定部和Z轴移动部通过铰链活动连接，当对平底压电陶瓷210通电产生形变时，平底压电陶瓷210推动Z轴移动部沿Z轴方向发生位移，圆角铰链产生弹性位移，同时当Z轴铰链座211的Z轴移动部产生位移时，第一电容传感器212与镀金陶瓷板214之间的距离产生变化，从而第一电容传感器212的反馈电压产生变化来反馈Z轴进针量。
本发明的进一步实施例中，XY轴位移台4包括：结构相同且相互连接的两个位移平台414，位于上侧的位移平台414用于控制样品台3沿X轴方向移动，位于下侧的位移平台414用于控制样品台3沿Y轴方向移动，位移平台414上设有铰链基座47和圆顶压电陶瓷48，铰链基座47包括：设于外周的固定台和设于中部的微位移台，固定台的中部设有与微位移台的外周相匹配的矩形通孔，固定台和微位移台通过四个弯折的悬臂梁式铰链机构连接，通过控制圆顶压电陶瓷48的电压来产生沿其轴向的微位移，推动设于中部的微位移台运动，此时四边的柔性铰链机构变形，铰链基座47的微位移台会产生沿X轴方向或Y轴方向的微位移，实现样品台3沿X轴方向或Y轴方向的微位移，微位移台在移动过程中，PCB沉金44与第二电容传感器45的间隔发生变化，产生电压反馈，从而得知PCB沉金44移动的距离，也就是圆顶压电陶瓷48形变的距离，即样品台3沿X轴方向或Y轴方向的微位移的距离。
本发明的进一步实施例中，步进粗调机构5中设有精密弹簧55、一级减震硅胶垫511和二级减震硅胶垫515，三个缓冲原件均用于当XY轴承接座59调制较低位置并发生碰撞时，起到良好的缓冲作用，防止扫描装置由于碰撞产生较大扰动，对XY轴位移台4的组件产生破坏，减小震动的传递，保护仪器内的精密部件不发生错位及变形，保证检测结果的准确性。
本发明的进一步实施例中，在位移平台414中，陶瓷压块41与铰链基座47之间垫有1mm硅胶垫片，当陶瓷压块螺栓49拧紧时对圆顶压电陶瓷48产生一定量的弹性预紧力，防止圆顶压电陶瓷48在运动过程中产生张力，有效降低位移平台414在X方向或者Y轴方向的扰动，保证位移距离调节的精密性，进而保证扫描装置检测数据的准确性。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，包括：外壳(1)、Z轴进针(2)、样品台(3)、XY轴位移台(4)和步进粗调机构(5)，所述步进粗调机构(5)安装在主动隔振平台上，所述XY轴位移台(4)安装在所述步进粗调机构(5)上，所述样品台(3)安装在所述XY轴位移台(4)上，所述Z轴进针(2)、所述样品台(3)、所述XY轴位移台(4)和所述步进粗调机构(5)均设于所述外壳(1)内，所述Z轴进针(2)安装在外壳(1)的上侧内壁上，所述Z轴进针(2)设于所述XY轴位移台(4)上方；
所述外壳(1)包括：后盖(12)、观察窗(14)、固定基座(15)和前盖(16)，所述固定基座(15)包括：一个顶板、一个底板和两个侧板，顶板的两端分别和两个侧板的上端连接，底板的两端分别和两个侧板的下端连接，所述前盖(16)和所述后盖(12)均安装在所述固定基座(15)上，所述前盖(16)、所述后盖(12)和所述固定基座(15)合围形成一个矩形密闭箱体，所述前盖(16)上开设有矩形通孔，所述观察窗(14)安装在所述矩形通孔上，通过所述观察窗(14)可操作地观察矩形密闭箱体内的情况；
所述步进粗调机构(5)包括：直线导杆(52)、法兰直线轴承(54)、精密弹簧(55)、丝杆(56)、法兰螺母(57)、XY轴承接座(59)、一级减震硅胶垫(511)、步进电机(512)、电机基座(513)、电机转接板(514)、二级减震硅胶垫(515)，所述电机基座(513)安装在所述电机转接板(514)上，所述电机基座(513)和所述电机转接板(514)之间设有所述二级减震硅胶垫(515)，所述步进电机(512)安装在所述电机基座(513)内，所述XY轴承接座(59)和所述电机基座(513)通过多个所述直线导杆(52)连接，每一个直线导杆(52)上安装有一个用于和所述电机基座(513)连接的所述法兰直线轴承(54)，每一个直线导杆(52)上套设有一个所述精密弹簧(55)，所述XY轴承接座(59)内安装有所述法兰螺母(57)，丝杆(56)的一端和所述法兰螺母(57)通过螺纹连接，丝杆(56)的另一端通过所述步进电机(512)驱动，电机基座(513)的上端安装有所述一级减震硅胶垫(511)。
2.根据权利要求1所述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，所述Z轴进针(2)包括：针尖(21)、针管(22)、针尖导电座(23)、XY轴手动位移台(27)、陶瓷转接座(28)、Z轴压接块(29)、平底压电陶瓷(210)、Z轴铰链座(211)、第一电容传感器(212)和镀金陶瓷板(214)，XY轴手动位移台(27)的上表面和所述顶板连接，所述Z轴压接块(29)和所述XY轴手动位移台(27)通过所述陶瓷转接座(28)连接，通过所述XY轴手动位移台(27)调节所述陶瓷转接座(28)可操作地沿X轴方向和/或Y轴方向移动，所述Z轴铰链座(211)包括：设于外周的Z轴固定部和设于中部的Z轴移动部，所述Z轴固定部和所述Z轴移动部通过铰链活动连接，所述Z轴固定部和所述Z轴压接块(29)连接，Z轴铰链座(211)靠近所述Z轴压接块(29)的一侧设有用于安装所述平底压电陶瓷(210)的第一容置槽，平底压电陶瓷(210)的一端抵于所述Z轴压接块(29)，平底压电陶瓷(210)的另一端抵于所述Z轴移动部，Z轴铰链座(211)远离所述Z轴压接块(29)的一侧和所述第一电容传感器(212)连接，所述镀金陶瓷板(214)和所述Z轴移动部连接，所述针尖导电座(23)安装在所述镀金陶瓷板(214)上，针尖导电座(23)的端部抵于所述Z轴移动部，所述针管(22)安装在所述针尖导电座(23)内，所述针尖(21)安装在所述针管(22)内。
3.根据权利要求1所述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，所述XY轴位移台(4)包括：结构相同且相互连接的两个位移平台(414)和XY轴转接块(411)，所述XY轴转接块(411)设于两个所述位移平台(414)之间，位于上侧的所述位移平台(414)和所述XY轴转接块(411)通过多个XY轴转接块螺栓(410)连接，位于下侧的所述位移平台(414)和所述XY轴转接块(411)通过多个位移台螺栓(412)连接，位于下侧的所述位移平台(414)和所述XY轴承接座(59)通过多个XY轴转接块螺栓(410)连接，位于上侧的所述位移平台(414)用于控制所述样品台(3)沿X轴方向移动，位于下侧的所述位移平台(414)用于控制所述样品台(3)沿Y轴方向移动。
4.根据权利要求3所述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，所述样品台(3)包括：载物台(31)、压针(32)、导电铜(34)、导电铜螺栓(35)、压针螺栓(36)和XY轴位移台螺栓(37)，所述载物台(31)通过多个所述XY轴位移台螺栓(37)安装在位于上侧的所述位移平台(414)上，所述导电铜(34)通过多个所述导电铜螺栓(35)安装在所述载物台(31)上，所述压针(32)通过压针螺栓(36)安装在所述导电铜(34)上，所述导电铜(34)用于放置样品(33)，所述压针(32)用于压紧所述样品(33)。
5.根据权利要求1所述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，所述步进粗调机构(5)还包括：基座螺栓(51)、法兰轴承螺栓(53)、法兰螺母螺栓(58)、电机螺栓(510)、主动隔震平台螺栓(516)，所述电机转接板(514)通过多个所述主动隔震平台螺栓(516)安装在所述主动隔振平台上，所述电机转接板(514)和所述电机基座(513)通过多个所述基座螺栓(51)连接，每一个所述法兰直线轴承(54)通过多个所述法兰轴承螺栓(53)安装在所述电机基座(513)上，所述法兰螺母(57)通过多个所述法兰螺母螺栓(58)安装在所述XY轴承接座(59)上，所述步进电机(512)通过多个所述电机螺栓(510)安装在所述电机基座(513)上。
6.根据权利要求2所述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，所述Z轴进针(2)还包括：陶瓷压紧螺栓(24)、XY轴手动台螺栓(25)、外壳螺栓(26)、电容传感器螺栓(213)、针管螺栓(215)、Z轴压接块螺栓(216)和Z轴铰链座螺栓(217)，所述镀金陶瓷板(214)和所述Z轴铰链座(211)通过至少一个所述陶瓷压紧螺栓(24)连接，所述陶瓷转接座(28)和所述XY轴手动位移台(27)通过至少一个所述XY轴手动台螺栓(25)连接，所述XY轴手动位移台(27)通过至少一个所述外壳螺栓(26)安装在所述顶板上，所述第一电容传感器(212)通过至少一个所述电容传感器螺栓(213)安装在所述Z轴铰链座(211)上，所述针管(22)通过至少一个所述针管螺栓(215)夹持在所述针尖导电座(23)内，所述陶瓷转接座(28)和所述Z轴压接块(29)通过至少一个所述Z轴压接块螺栓(216)连接，所述Z轴铰链座(211)和所述Z轴压接块(29)通过至少一个Z轴铰链座螺栓(217)连接。
7.根据权利要求1所述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，所述外壳(1)还包括：若干固定螺栓(11)和若干圆头螺栓(13)，所述前盖(16)通过多个所述固定螺栓(11)安装在所述固定基座(15)上，所述后盖(12)通过多个所述固定螺栓(11)安装在所述固定基座(15)上，所述观察窗(14)通过多个所述圆头螺栓(13)安装在所述前盖(16)上。
8.根据权利要求3所述的防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，其特征在于，每一个所述位移平台(414)包括：陶瓷压块(41)、陶瓷转接板螺栓(42)、陶瓷转接板(43)、PCB沉金(44)、第二电容传感器(45)、PCB螺栓(46)、铰链基座(47)、圆顶压电陶瓷(48)、陶瓷压块螺栓(49)和传感器螺栓(413)，所述铰链基座(47)包括：设于外周的固定台和设于中部的微位移台，所述固定台的中部设有与所述微位移台的外周相匹配的矩形通孔，所述固定台和所述微位移台通过四个弯折的悬臂梁式铰链机构连接，所述陶瓷转接板(43)通过至少一个所述陶瓷转接板螺栓(42)安装在微位移台的一个侧边上，所述PCB沉金(44)通过至少一个所述PCB螺栓(46)安装在所述陶瓷转接板(43)上，所述第二电容传感器(45)通过至少一个所述传感器螺栓(413)安装在所述固定台上，所述第二电容传感器(45)设于所述PCB沉金(44)和固定台的内壁之间，通过所述第二电容传感器(45)和所述PCB沉金(44)检测并反馈所述固定台和所述微位移台的间距变化，所述陶瓷压块(41)通过至少一个所述陶瓷压块螺栓(49)安装在固定台远离所述第二电容传感器(45)的一个侧边外壁上，所述圆顶压电陶瓷(48)安装在所述固定台内，圆顶压电陶瓷(48)的一端抵于所述陶瓷压块(41)，圆顶压电陶瓷(48)的另一端抵于所述微位移台，通过所述圆顶压电陶瓷(48)驱动所述微位移台沿水平方向移动。
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