用于液体环境的原子力显微镜的制作方法

本实用新型涉及原子力显微镜技术领域，尤其是一种用于液体环境的原子力显微镜。

背景技术：

微纳米技术是近年来崛起的一门新技术，它以极高的分辨率为人类揭示了一个可见的微观世界，使人类认识改造物质世界的手段和能力延伸到原子及分子水平，已成为当今世界活跃的研究热点之一。微纳米技术的兴起和发展，离不开其检测技术和设备。原子力显微镜以分辨率高、适用范围广、样品制备简单，以及能够在各种环境中进行微纳米检测而获得广泛的应用。

原子力显微镜目前大多是在空气环境中进行操作的，但是由于空气中存在各种振动以及电子噪音的缘故，要想获得极高的分辨率还是比较困难，一般情况下我们是在真空或者液体环境下进行测试来获得极高的分辨率的。同时还有一些其他的样品，比如生物样品，化学物质或过程，细胞等在空气中无法维持，也是不能进行测试的，它们都是需要在液体环境中进行测试，由此液体环境原子力显微镜应运而生。传统的液体环境原子力显微镜往往只是在待测样品表面滴一些液体，虽然保证了部分生物样品的活性，但是探针及其检测光路极易受到液体表面张力的影响，实际测试起来非常困难，同时由于激光光路在液体中会发生折射，激光很难对准，同时限制了样品的体积和扫描速率。为此，研制开发一种能真正工作于液体环境的原子力显微镜系统很有必要。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于液体环境的原子力显微镜。

本实用新型是在自主研发的现有的普通原子力显微镜的基础之上，对扫描探头以及扫描反馈系统进行了重新设计，研发了一种新型的用于液体环境检测的原子力显微镜，并且在液体环境中进行了微纳米检测，得到了理想的测试结果。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种用于液体环境的原子力显微镜，包括：AFM主机、控制系统和计算机处理模块，所述 AFM主机包括XY向扫描台、设置在所述XY向扫描台上的Z向扫描台、设置在所述Z向扫描台上的液体盒、盖设在所述液体盒上的盖板、设置在所述盖板中央的透明玻璃、设置在所述液体盒内的探针定位块、固定设置在所述探针定位块上的探针及设置在所述透明玻璃上方的激光器、半透镜、反光镜和四象限探测器。

优选的是，所述控制系统包括与所述四象限探测器连接的信号采集电路、与所述信号采集电路连接的信号处理电路、与所述信号处理电路连接的Z向反馈电路、与所述信号处理电路连接的数模转换器、与所述数模转换器连接的XY扫描控制电路及与所述数模转换器连接的通信模块。

优选的是，所述计算机处理模块与所述通信模块连接。

优选的是，所述Z向反馈电路还与所述Z向扫描台连接，用于控制所述 Z向扫描台的上下移动。

优选的是，所述XY扫描控制电路还与所述XY向扫描台连接，用于控制所述XY向扫描台在平面内移动。

优选的是，所述半透镜和反光镜设置于所述透明玻璃的正上方，所述激光器、半透镜、反光镜和四象限探测器沿光路方向依次设置。

优选的是，所述盖板中央开口，所述开口上配合设置所述透明玻璃，所述盖板上处于所述透明玻璃的左右两侧对称设置有两调位组件。

优选的是，所述调位组件包括由所述盖板表面向下开设的竖槽、一端与所述竖槽连通另一端连通至所述盖板外侧端的横槽、可滑动穿设在所述横槽内的横板、插设在所述竖槽内且底端与所述横板一端连接的竖板、设置在所述竖板的靠近所述透明玻璃的一侧的挡板及设置在所述竖板和挡板之间的弹簧，所述横板的活动端上设置有软胶密封条。

优选的是，所述液体盒左右两侧内壁上开设有与所述横板的活动端配合的定位槽，所述盖板上还插设有导通所述液体盒内于外部空气的排液排气管。

优选的是，所述Z向扫描台上设置有用于承载待测样品的载物台，所述载物台和Z向扫描台之间设置有用于推动所述载物台上下移动的伸缩杆。

本实用新型的有益效果：本实用新型的用于液体环境检测的原子力显微镜，在自主研发的现有的普通原子力显微镜的基础之上，对扫描探头以及扫描反馈系统进行了重新设计，实现了在全液相环境下样品的扫描检测，能克服现有的原子力显微镜在液体环境中操作非常困难，激光很难对准等问题；本实用新型结构设计巧妙，消除了气体和液体的界面，避免了液体表面张力和液面抖动对微探针以及激光光路的影响，使激光在液体下对准更加简单，操作更加方便，检测结果更加准确。

附图说明

图1为本实用新型的用于液体环境的原子力显微镜的原理框图。

图2为本实用新型的盖板与液体盒配合安装的结构示意图；

图3为本实用新型的盖板的剖视图；

图4为本实用新型的Z向扫描台与载物台的配合示意图。

附图标记说明：

1、AFM主机；2、XY向扫描台；3、Z向扫描台；4、液体盒；5、待测样品；6、探针；7、探针定位块；8、透明玻璃；9、激光器；10、半透镜； 11、反光镜；12、四象限探测器；13、信号采集电路；14、信号处理电路； 15、Z向反馈电路；16、XY扫描控制电路；17、数模转换器；18、通信模块； 19、计算机处理模块；30、载物台；31、伸缩杆；40、盖板；41、开口；42、调位组件；43、竖槽；44、横槽；45、横板；46、竖板；47、挡板；48、弹簧；49、软胶密封条；50、排液排气管；51、定位槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-4所示，本实施例的一种用于液体环境的原子力显微镜，包括：AFM(原子力显微镜)主机1、控制系统和计算机处理模块19，AFM主机1 包括XY向扫描台2、设置在XY向扫描台2上的Z向扫描台3、设置在Z向扫描台3上的液体盒4、盖设在液体盒4上的盖板40、设置在盖板40中央的透明玻璃8、设置在液体盒8内的探针定位块7，固定设置在探针定位块7上的探针6及设置在透明玻璃8上方的激光器9、半透镜10、反光镜11和四象限探测器12。

液体盒4内放置有待测样品5，液体盒4内充满液体，透明玻璃8下表面浸入液体内，探针6处于待测样品5上方，探针6的悬臂贴于待测样品5 上方。

探针定位块7固定于外部支撑件上，不会随Z向扫描台移动。

控制系统包括与四象限探测器12连接的信号采集电路13、与信号采集电路13连接的信号处理电路14、与信号处理电路14连接的Z向反馈电路15、与信号处理电路14连接的数模转换器17、与数模转换器17连接的XY扫描控制电路16及与数模转换器17连接的通信模块18。计算机处理模块19与通信模块18连接。Z向反馈电路15还与Z向扫描台3连接，用于控制Z向扫描台3的移动。XY扫描控制电路16还与XY向扫描台2连接，用于控制 XY向扫描台2的移动。

半透镜10和反光镜11设置于透明玻璃8的正上方，激光器9、半透镜 10、反光镜11和四象限探测器12沿光路方向依次设置，其几何中心处于同一平面。

10.根据权利要求3的用于液体环境的原子力显微镜，其特征在于，Z向扫描台上设置有用于承载待测样品的载物台30，载物台30和Z向扫描台之间设置有用于推动载物台30上下移动的伸缩杆31。通过伸缩杆31推动载物台30上下移动，能方便取放载物台30上承载的待测样品。

载物台30底部和Z向扫描台上表面开设有用于容纳收缩后的伸缩杆31 的容纳槽，伸缩杆31收缩后完全容纳与容纳槽内，载物台30底部与Z向扫描台上表面接触。

盖板40中央开口41，开口41上配合设置透明玻璃，盖板40上处于透明玻璃的左右两侧对称设置有两调位组件42。

调位组件42包括由盖板40表面向下开设的竖槽43、一端与竖槽43连通另一端连通至盖板40外侧端的横槽44、可滑动穿设在横槽44内的横板45、插设在竖槽43内且底端与横板45一端连接的竖板46、设置在竖板46的靠近透明玻璃的一侧的挡板47及设置在竖板46和挡板47之间的弹簧48，横板45的活动端上设置有软胶密封条49。液体盒4左右两侧内壁上开设有与横板45的活动端配合的定位槽51，盖板40上还插设有导通液体盒内于外部空气的排液排气管50。竖板46和挡板47的外壁均为弧形，以方便推动。横槽44大小与横板45大小匹配，竖槽43宽度大于竖板46的宽度，竖板46可在竖槽43内左右滑动。

横板45在横槽44内可左右滑动，与横板45连接的竖板46在竖槽43内也可左右滑动。在竖板46和挡板47之间的弹簧48的弹力作用下，竖板46 和横板45被向两侧推挤，横板45的活动端伸出横板45的外侧端，配合插入到液体盒内壁上的定位槽51内，从而使盖板40固定，以使固定在盖板40中央的开口41上的透明玻璃保持固定。盖板40盖设在液体盒上，盖板40中央的透明玻璃与液体盒内的液体接触，透明玻璃需保持水平且其底面与盒内的液体完全接触。

使用时，先通过伸缩杆31推动载物台30上下移动，以将待测样品防止在载物台30上。然后将盖板40盖设在液体盒4上，将竖板46向挡板47推挤，使横板45的活动端脱离定位槽51，以调整盖板40的竖直位置，并通过盖板40向下挤压，使液体盒4内的空气从排液排气管50内排出，以防止液体盒4内的气泡对检测造成影响，并使盖板40中央的透明玻璃保持水平，且保证透明玻璃的下表面与液体盒4内的液体完全接触，以保证检测的顺利进行；然后松开竖板46，竖板46在弹簧48的弹力作用下向两侧移动，使横板 45的活动端重新配合插入到定位槽51内，使透明玻璃8保持固定，通过调整透明玻璃8两侧的两横板45插入定位槽51的位置，使透明玻璃8保持水平，然后再进行后续检测。横板45的活动端上设置的软胶密封条49与定位槽51配合，以保持密封，防止液体渗漏。

本实用新型的用于液体环境的原子力显微镜放置好样品且调整完透明玻璃8位置后的检测工作过程为：

1)激光器9发出的激光打在半透镜10的上面，其中一部分激光反射并垂直进入到透明玻璃8，接着垂直进入到液体盒4中，并打在探针6的悬臂上面，经过探针6的悬臂反射的光斑再依次经过液体盒4内的液体和透明玻璃8的折射后，打在反光镜11上，再经反光镜11将光斑最终反射到四象限探测器12上。

2)根据原子力显微镜的工作原理，四象限探测器12接收到的光斑位置信号反应了待测样品5的表面高度信息。四象限探测器12接收并检测反光镜 11反射的光斑位置信号，再将该光斑位置信号的检测结果传输至信号采集电路13；信号采集电路13将该检测结果(光电流信号)转化成电压信号后传输至信号处理电路14进行运算处理；信号处理电路14将处理结果同时传输至Z向反馈电路15和数模转换器17中，Z向反馈电路15将该处理结果当作反馈信号，并控制驱使Z向扫描台3上下移动，以维持待测样品5和探针6 之间的恒定高度；数模转换器17将该处理结果(模拟信号)转换成数字信号后再传输至通信模块18，通过通信模块18传输到计算机处理模块19中进行处理，作为待测样品5的高度的检测结果；计算机处理模块19进行处理的同时还依次通过通信模块18、数模转换器17，向XY扫描控制电路16发出控制命令，控制XY扫描控制电路16工作，以驱动XY向扫描台2动作，从而实现待测样品5相对于探针6的横向扫描，从而最终检测出待测样品5的表面三维形貌，并通过计算机处理模块19显示。

其中，由于液体池4中的液体是直接与透明玻璃8接触，而不是与空气直接接触，这就有效的克服了液体和空气之间的张力，避免了液体表面张力和液面抖动对探针6以及激光光路的影响，通过调位组件42使透明玻璃保持水平、且其底面与盒内的液体完全接触，这样使得液体表面是一个平面，才能够保证激光是垂直打在探针6的悬臂上。

本实用新型的用于液体环境检测的原子力显微镜，实现了在全液相环境下样品的扫描检测，能克服现有的原子力显微镜在液体环境中操作非常困难，激光很难对准等问题。本实用新型结构设计巧妙，消除了气体和液体的界面，避免了液体表面张力和液面抖动对微探针以及激光光路的影响，使激光在液体下对准更加简单，操作更加方便，检测结果更加准确。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。