專利名稱:一種原子力顯微鏡的掃描探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子力顯微鏡的掃描探頭。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是人類在納米尺度進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)使用的一種專業(yè)形貌測(cè)量儀器。原子力顯微鏡最基本的工作原理是對(duì)力敏感的易彎曲懸臂上的尖端對(duì)樣品表面作光柵掃描，懸臂與樣品表面間力的作用造成懸臂的微小偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)被檢測(cè)并用作反饋信號(hào)。通過保持力的恒定，可獲得恒力形貌像。
為了探測(cè)懸臂的微偏轉(zhuǎn)，科學(xué)家們?cè)_發(fā)出許多不同的方法，其中光杠桿法是一種非常簡單而有效的方法。該方法具有性能穩(wěn)定、精度高，而且是線性放大等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的AFM掃描探頭一般都是基于這一方法設(shè)計(jì)的。這種掃描探頭通常都是由激光器、反射鏡、帶有針尖的微懸臂、四象限光電位置檢測(cè)器組成的。
這種探頭在使用時(shí)需要操作者用肉眼觀察激光光點(diǎn)是否打在微懸臂上。微懸臂的尺寸通常是230微米長，40微米寬，用肉眼觀察很困難。只有熟練的操作者才能掌握調(diào)節(jié)激光的方法。為此，在探頭外部配置體視鏡和監(jiān)視器來輔助觀察，可以達(dá)到放大觀察的目的。但由于微懸臂尺寸太小，每次觀察微懸臂時(shí)都要移動(dòng)體視鏡鏡頭，調(diào)節(jié)非常麻煩。而且監(jiān)視器的體積較大，使得整套原子力顯微鏡系統(tǒng)顯得很臃腫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有原子力顯微鏡掃描探頭不便觀察及調(diào)節(jié)激光光點(diǎn)的缺陷，提出一種觀察調(diào)節(jié)激光光點(diǎn)更為方便的原子力顯微鏡探頭。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案
本發(fā)明在帶有針尖的微懸臂上方安置放大鏡組件。放大鏡組件包括放大鏡片和調(diào)焦鏡筒。放大鏡片采用標(biāo)準(zhǔn)的10×消色差物鏡和標(biāo)準(zhǔn)的10×/18廣角目鏡。調(diào)焦鏡筒是可調(diào)節(jié)伸縮的鏡筒，最大長度70mm，固定在掃描探頭殼體的頂部。目鏡上有C型接口，用來與CCD相連。CCD的輸出端可以從掃描探頭外部通過視頻采集卡連接到電腦上。如果為了避免占用電腦的PCI插槽，也可以把CCD先接到電視機(jī)盒上，電視機(jī)盒再用USB接口與電腦相連。
在電腦顯示器上設(shè)置一個(gè)合適尺寸的觀察窗口，這個(gè)窗口可以實(shí)時(shí)顯示放大了微懸臂圖像。通過調(diào)用顯示程序的源代碼，還可以把這個(gè)窗口嵌入到相關(guān)的原子力顯微鏡控制軟件中。
使用原子力顯微鏡時(shí)，先把針尖安裝到掃描探頭上，接著調(diào)節(jié)激光按要求反射到微懸臂上。要求是激光光點(diǎn)的大部分能落在微懸臂的前半段上，以保證反射后的光強(qiáng)可以滿足測(cè)量要求。激光聚焦在微懸臂上的光點(diǎn)直徑約為40微米。本發(fā)明的放大鏡組件可以把微懸臂和激光光點(diǎn)放大一百倍，再用CCD采集下來輸送到電腦，在顯示器的觀察窗口中顯示出放大了的微懸臂，此時(shí)對(duì)照顯示器觀察窗口的微懸臂圖像來調(diào)節(jié)激光光點(diǎn)的位置便非常方便。
本發(fā)明克服了完全依靠肉眼觀察微小的激光光點(diǎn)和微懸臂的困難。和外置的體視放大鏡相比較，用位置固定的放大鏡頭觀察位置固定的微懸臂可避免移動(dòng)鏡頭尋找微小目標(biāo)的麻煩。利用電腦的顯示器開設(shè)觀察窗口省去了多余的監(jiān)視器，使得整個(gè)原子力顯微鏡系統(tǒng)更為簡單緊湊，同時(shí)減小了整個(gè)系統(tǒng)的成本。



圖1為本發(fā)明示意圖。
圖2為本發(fā)明在監(jiān)視器上觀察效果的示意圖。圖中1.激光器；2.反射鏡；3.反射鏡；4.四象限光電位置檢測(cè)器；5.微懸臂；6.掃描管；7.物鏡；8.調(diào)焦鏡筒；9.目鏡；10.CCD；11.掃描探頭外殼；12.顯示器中的觀察窗口；13.激光光點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，本發(fā)明掃描探頭包括激光器1，反射鏡2，反射鏡3，四象限光電位置檢測(cè)器4，微懸臂5，物鏡7，調(diào)焦鏡筒8，目鏡9，CCD10。掃描探頭中的激光器1發(fā)出激光束后，會(huì)經(jīng)過反射鏡2反射到帶有針尖的微懸臂5上，微懸臂再通過反射鏡3把激光反射到四象限光電位置檢測(cè)器4上。
調(diào)焦鏡筒8是一個(gè)可調(diào)伸縮的鏡筒，被固定在掃描探頭殼體的頂部，位于微懸臂5的正上方。掃描探頭外殼11的主體是圓柱形，直徑約為100mm，高度約為80mm。調(diào)焦鏡筒8的下部和上部通過螺紋分別連接了物鏡7和目鏡9。物鏡7和目鏡9的放大倍率都是10倍?？偡糯蟊堵适?00倍。CCD10通過C型接口安裝到了目鏡9上方，它的輸出端通過視頻信號(hào)線在掃描探頭外部接入電視機(jī)盒，電視機(jī)盒再通過USB口接入電腦。
帶有針尖的微懸臂5固定在探頭上后，被放大鏡組件放大了100倍，CCD實(shí)時(shí)采集放大后的微懸臂及微懸上的激光光點(diǎn)圖像，并通過視頻信號(hào)線和電視機(jī)盒把信號(hào)傳輸?shù)诫娔X。
在電腦監(jiān)視器上開設(shè)一個(gè)觀察窗口顯示放大了的微懸臂及激光光點(diǎn)，效果如圖2所示。觀察窗口12的尺寸是60mm×50mm，觀察到放大后的微懸臂5的尺寸是23mm×4mm。調(diào)節(jié)調(diào)焦鏡筒8可以得到清晰的微懸臂圖像。調(diào)節(jié)激光光點(diǎn)13的位置，只要光點(diǎn)的大部分落在微懸臂的前半段，就可以保證反射光有足夠的光強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
掃描探頭工作時(shí)，掃描管6帶動(dòng)樣品逼近微懸臂5上的針尖，樣品和針尖間的相互作用力會(huì)使得微懸臂彎曲。微懸臂的微小形變會(huì)引起照射在其背部激光光點(diǎn)位置的微小改變，后者通過從微懸臂5到四象限光電位置檢測(cè)器4之間起杠桿作用的那段反射光線被放大，并最終被四象限光電位置檢測(cè)器4檢測(cè)出來。
權(quán)利要求
1.一種原子力顯微鏡的掃描探頭，包括激光器[1]，反射鏡[2]，反射鏡[3]，四象限光電位置檢測(cè)器[4]，微懸臂[5]，其特征在于，還包括放大鏡組件和CCD[10]，放大鏡組件包括放大鏡片和調(diào)焦鏡筒[8]；放大鏡片包括物鏡[7]和目鏡[9]，放大鏡組件安裝在帶有針尖的微懸臂[5]正上方，調(diào)焦鏡筒[8]固定在掃描探頭殼體[11]的頂部，可調(diào)節(jié)伸縮，調(diào)焦鏡筒[8]的下部和上部通過螺紋口分別連接物鏡[7]和目鏡[9]；目鏡[9]上有C型接口與CCD[10]相連，CCD[10]的輸出端可以從掃描探頭外部通過視頻采集卡連接到電腦上，也可以先接到電視機(jī)盒上再通過USB口與電腦相連。
專利摘要
一種原子力顯微鏡的掃描探頭，包括激光器1，反射鏡2，反射鏡3，四象限光電位置檢測(cè)器4，微懸臂5，放大鏡組件和CCD10，放大鏡組件包括放大鏡片和調(diào)焦鏡筒8；放大鏡片包括物鏡7和目鏡9，放大鏡組件安裝在帶有針尖的微懸臂5正上方，調(diào)焦鏡筒8固定在掃描探頭殼體11的頂部，可調(diào)節(jié)伸縮，調(diào)焦鏡筒8的下部和上部通過螺紋口分別連接物鏡7和目鏡9；目鏡9上有C型接口與CCD10相連，CCD10的輸出端從掃描探頭外部接到電視機(jī)盒上，電視機(jī)盒再接到電腦上。在電腦監(jiān)視器上開設(shè)觀察窗口顯示放大了的微懸臂及激光光點(diǎn)。本發(fā)明克服了完全依靠肉眼觀察微小的激光光點(diǎn)和微懸臂的困難，和外置的體視放大鏡相比，可避免移動(dòng)鏡頭尋找微小目標(biāo)的麻煩。
文檔編號(hào)G01Q60/24GKCN1913043SQ200510086211
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年8月8日
發(fā)明者原劍, 林云生, 左燕生, 韓立 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan