專利名稱：一種用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納米裝備和測量技術領域，具體涉及一種用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)。
背景技術：
掃描電子顯微鏡(FESEM)是用極細的電子束在樣品表面掃描，將產(chǎn)生的二次電子用特制的探測器收集，形成電信號運送到顯像管，在熒光屏上顯示物體。其分辨率可達0. 2納米，遠高于光學顯微鏡的分辨率。隨著納米技術的發(fā)展，納米尺度的測量也變得越來越重要。其中，力的測量對于研究材料的物理屬性有重要意義。然而，目前應用在電子顯微鏡下的力測量技術，主要是通過觀察和測量微懸臂梁(AFM cantilever)變形來進行計算。該方法是一種離線式的分析方法，需要后續(xù)的圖像處理來實現(xiàn)。并且，計算精度取決于圖像的精度，在圖像放大倍數(shù)低的時候，得到的測量結果精度也會變低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有電子顯微鏡內(nèi)利用圖像處理測量力的方法的不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過用激光頭發(fā)射激光照射在懸臂梁上，當在懸臂梁上施加力時，懸臂梁的變形可通過激光控制系統(tǒng)實時測得，從而實現(xiàn)在電子顯微鏡內(nèi)對力的實時高精度測量。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術解決方案予以實現(xiàn)一種用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，包括掃描電子顯微鏡的基座和操作器，其特征在于，在操作器上固定有激光測力器，該激光測力器通過光纖與位于掃描電子顯微鏡外部的激光控制器相連接；所述的激光測力器包括有激光頭，懸臂梁，滑塊和固定塊，其中，懸臂梁連接在固定塊上，滑塊和固定塊通過螺栓相連接，激光頭穿過滑塊對準懸臂梁。本發(fā)明的用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，其原理是建立在激光測距和懸臂梁的受力-變形機理上。激光控制器能夠發(fā)射和接受反射的激光信號，系統(tǒng)中的激光頭發(fā)射的激光照射在懸臂梁的背面，并把反射光反饋到激光控制器中。跟據(jù)反射時間長短的變化，可以測量懸臂梁移動的距離。目前，該類裝置的精度已經(jīng)可以達到納米尺度。懸臂梁端部受力時，梁會發(fā)生變形。該變形和施加的力的關系，可以通過懸臂梁變形公式(Euler-Bernoul 1 i Equation)進行計算。本發(fā)明采用固定塊安裝并調整激光頭和懸臂梁的位置，懸臂梁通過螺栓安裝在固定塊上。激光頭安裝方向與懸臂梁垂直，通過螺栓固定在滑塊上?；瑝K可通過螺栓上下移動調整位置，以保證光斑聚焦在懸臂梁上。而且激光頭與懸臂梁的相對位置，可以通過電子顯微鏡直接觀察。工作時，用懸臂梁的端部接觸要測量的樣品，樣品的反作用力會作用在懸臂梁上使其變形。懸臂梁的變形可通過激光器測得。該變形可以通過懸臂梁受力-變形公式實時計算獲得。本發(fā)明的用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，可以在電子顯微鏡系統(tǒng)內(nèi)部實時測量力的大小，彌補了現(xiàn)有測力方式局限于后期圖像處理的不足。


圖1為本發(fā)明的用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)的結構示意圖。圖2為激光測力器的組裝示意圖。圖3為圖2的A-A剖視圖；圖4為懸臂梁彎曲時，激光測力系統(tǒng)的工作示例。圖5是計算原理示意圖；以下結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
具體實施例方式參見圖1所示，本實施例給出一種用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，包括掃描電子顯微鏡的基座8和操作器3，還包括操作器3上固定的激光測力器4以及激光控制器1。激光控制器1安裝在掃描電子顯微鏡外部，通過光纖2與激光測力器4相連接。激光測力器4固定在操作器3上。實驗樣品6放在樣品操作臺7上。操作器3和樣品臺7固定在顯微鏡內(nèi)的基座8上。電子槍5用來觀察樣品6。參見圖2和圖3，激光測力器4包括有激光頭41，懸臂梁42，滑塊43，固定塊44。激光頭41穿過滑塊43對準懸臂梁42，在滑塊43上有固定激光頭41的螺栓431。懸臂梁42通過螺栓421固定在固定塊44上?；瑝K43和固定塊44通過緊固螺栓432，墊片433，彈簧434相連接。通過調整螺栓432的松緊程度，可以調整激光頭41與懸臂梁42的相對位置。固定塊44上打有螺栓孔441，用來與掃描電子顯微鏡內(nèi)的操作器3相連接。參見圖4所示，懸臂梁42端部受力后會發(fā)成彎曲，激光頭41與懸臂梁42的距離會隨之發(fā)生改變。如圖5所示，懸臂梁42的長度為L，激光頭41到懸臂梁42固定端的距離為χ。在懸臂梁42的端部施加力F時，激光頭41與懸臂梁42背面會發(fā)生距離為d的變化。F與d的關系可通過下述公式計算F = VW^V)其中，E和I分別比是懸臂梁彈性模量和的慣性矩，為常量。L是懸臂梁的長度，為常量。X是激光頭41距懸臂梁42固定端的距離，可以從掃描電子顯微鏡內(nèi)的圖像直接測量，也是常量。d是激光測得的距離變化，是公式右側的唯一變量。所以，施加在懸臂梁42端部的力，可以通過該式直接計算得出。本發(fā)明采用了激光測力器，通過懸臂梁的變形來計算，結構簡單，精度高，特別適合應用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部對樣品的實時測量。
權利要求
1.一種用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，包括掃描電子顯微鏡的基座(8)和操作器(3)，其特征在于，在操作器C3)上固定有激光測力器G)，該激光測力器(4)通過光纖O)與位于掃描電子顯微鏡外部的激光控制器(1)相連接；所述的激光測力器⑷包括有激光頭(41)，懸臂梁(42)，滑塊03)和固定塊(44)，其中，懸臂梁0 連接在固定塊G4)上，滑塊和固定塊04)通過螺栓相連接，激光頭(41)穿過滑塊(43)對準懸臂梁(42)。
2.如權利要求1所述的用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，其特征在于，所述的懸臂梁G2)與激光頭Gl)垂直安裝，懸臂梁G2)和固定塊04)之間通過螺栓固定。
3.如權利要求1所述的用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，其特征在于，所述滑塊^幻和固定塊G4)之間通過螺栓、墊片和彈簧連接，用來調整激光頭Gl)和懸臂梁(42)的相對位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的激光測力系統(tǒng)，包括掃描電子顯微鏡的基座和操作器，在操作器上固定有激光測力器，該激光測力器通過光纖與位于掃描電子顯微鏡外部的激光控制器相連接；所述的激光測力器包括有激光頭，懸臂梁，滑塊和固定塊，其中，懸臂梁連接在固定塊上，滑塊和固定塊通過螺栓相連接，激光頭穿過滑塊對準懸臂梁。工作時，樣品對懸臂梁端部的反作用力會導致懸臂量發(fā)生變形，該變形可通過激光器實時測得。力的大小是通過實時計算激光距離的變化獲得。其體積小，結構簡單，穩(wěn)定性高，實時性強，可在真空下工作，特別適合在電子顯微鏡內(nèi)部實現(xiàn)對顯微樣本的操作和測量。
文檔編號G01L1/04GK102564654SQ201210005208
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權日2012年1月10日
發(fā)明者尚萬峰, 申亞京 申請人:西安科技大學