一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置，包括第一进气口、第二进气口、主气体管道、辅气体管道、加湿气体管道、气体循环管道、外置混合腔、实验腔和传感反馈系统。第一进气口通过主气体管道与外置混合腔相连。第二进气口通过辅气体管道与外置混合腔相连。辅气体管道在经过辅气体电磁换向阀后单独分出一支加湿气体管道，加湿气体管道另一端与外置混合腔相连。气体循环管道一端与外置混合腔相连，另一端与实验腔相连。传感反馈系统连接外置混合腔内部的气体浓度传感器，并控制主气体电磁换向阀和辅气体电磁换向阀。本发明专利技术能够实现氮气、氧气、氢气、氩气、水蒸气、酒精蒸汽等单一或两者混合的环境气氛的精确制备。

A precise control device of environment and atmosphere in narrow experimental chamber of scanning probe microscope

【技术实现步骤摘要】
一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置
本专利技术涉及扫描探针技术或设备领域，具体涉及一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置。
技术介绍
纳米科学技术的出现无疑是现代科学技术的重大突破，纳米摩擦学是其中重要的组成部分。纳米摩擦学是在原子分子尺度研究物质相互接触，以及在滑动过程中表面的微观摩擦、磨损与润滑行为及其机理。纳米摩擦学是传统宏观摩擦学研究的一个重大拓展与深入。扫描探针显微镜凭借其纳米级甚至亚纳米级的扫描分辨率，以及对微观摩擦学行为优异的表征能力，成为在微观研究领域不可或缺的设备。在纳米摩擦学的研究中，常常需要利用扫描探针显微镜对不同工况进行微观实验分析，这就需要在扫描探针显微镜的探针与样品之间模拟实际工况，真实可靠的反映宏观摩擦磨损对应的微观摩擦学问题。为此，在对材料表面进行形貌扫描以及微观摩擦磨损等纳米摩擦学实验研究时，需要在实验腔内部保持不同气体组分、不同气体比例的环境气氛。目前常用的环境气氛有氮气、氧气、氢气、氩气、水蒸气、酒精蒸汽以及其中两者的混合，例如，在二氧化硅探针对单晶硅基底的微观摩擦磨损实验中，需要控制相对湿度，即水蒸气与氮气的比例，来进行单晶硅水诱导摩擦化学磨损行为的研究。目前，绝大多数商用扫描探针显微镜可以实现温度的控制以及液下环境的使用，然而，其环境气氛的控制还需要借助外部辅助环境气氛控制装置。环境气氛控制装置利用实验腔上的进气孔向实验腔内部通气，实验腔内部的排气孔能够保证腔内部气压稳定，经过较长时间通气调节，就可以达到实验要求的稳定环境气氛条件。环境气氛控制装置主要分两种，一种是商用的气体发生装置，其多为湿度发生器，用于湿度传感器的校准，或者输出一定相对湿度的气体，这种设备价格较为昂贵，且不能够提供其他指定气体组分、指定气体比例的环境气氛，例如50％相对湿度的氮气或者含有30％浓度氧气的氮气等；另一种是自行研制的环境气氛控制装置，例如中国专利技术专利“一种用于原子力显微镜的气氛控制系统，201410009253.5”，其通过向实验腔内部分别通入相关实验气体，让多种实验气体在实验腔内部混合，调节相关实验气体进气量，从而达到稳定的实验环境气氛，该系统有效解决了气体发生装置只能调节相对湿度、不能变换气体组分的弊端。然而，对具有狭小实验腔的扫描探针显微镜来说，上述环境气氛控制装置存在如下问题：(1)商用的气体发生装置价格昂贵，作用较为单一，只能够实现湿度环境气氛的制备。(2)自行研制的环境气氛控制装置，其借助实验腔作为混合腔，调整时间长且过程反复，操作过慢的问题将使样品在环境气氛中停留过长时间进而导致表面性质发生变化，影响实验结果。同时，该装置需要对实验腔内部一直通气，产生的震动与气流冲击将会导致狭小实验腔内部的实验无法进行。(3)部分扫描探针显微镜的实验腔非常狭小，例如美国牛津仪器公司的MFP-3D原子力显微镜，实验腔总体积不超过4毫升，如果利用实验腔进行气体混合调节，需要非常小的进气量。然而，现有的节流阀很难实现有效控制，这将会对操作者带来非常大的困扰，操作过程反复、繁琐，无法快速稳定调节到所需的环境气氛。同时，实验腔内部空间狭小导致无法安装体积较大的传感器，例如氧气、氢气等气体浓度传感器，无法实时监测到实验腔内部的环境气氛状态。综上所述，为了有效地进行纳米摩擦学实验研究，环境气氛作为一项极为关键的实验因素需要被严格控制，因此，面向扫描探针显微镜，尤其是实验腔狭小的扫描探针显微镜，为其提供一种环境气氛精确控制装置，对需要精确控制环境气氛的纳米摩擦学研究具有非常重大的意义。
技术实现思路
由于部分扫描探针显微镜的实验腔非常狭小，导致如下问题：1)实验腔内部气体混合操作难度大、时间长，可能会导致材料表面性质发生变化；2)内部没有足够的空间安装体积较大的传感器，无法有效监测实验腔内部的环境气氛状态；3)商用气体发生器价格昂贵且作用单一，只能制备湿度环境气氛；4)自行研制的环境气氛控制装置由于需要利用实验腔进行气体混合，并且需要一直通气以保证实验腔内部的环境气氛，无法适用于狭小的实验腔。针对上述问题，本专利技术提供了一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置，包括：第一进气口、第二进气口、主气体管道、辅气体管道、加湿气体管道、气体循环管道、外置混合腔、实验腔和传感反馈系统。第一进气口通过主气体管道与外置混合腔相连。第二进气口通过辅气体管道与外置混合腔相连。辅气体管道在经过辅气体电磁换向阀后单独分出一支加湿气体管道，加湿气体管道另一端与外置混合腔相连。气体循环管道一端与外置混合腔相连，另一端与实验腔相连。传感反馈系统连接外置混合腔内部的气体浓度传感器，并控制主气体电磁换向阀和辅气体电磁换向阀。进一步的，所述主气体管道包括：通过管道依次连接的主气体限流阀、主气体电磁换向阀、主气体单向阀和主气体开关阀。主气体限流阀控制主气体管道中气体的流量大小。主气体电磁换向阀作为传感反馈系统的执行器，自动控制主气体管道中气体流动的通断。主气体单向阀保证主气体管道中的气体从第一进气口流入外置混合腔，而不发生倒流。主气体开关阀用于手动控制主气体管道中气体流动的通断，同时配合外置混合腔抽取真空。进一步的，所述辅气体管道包括：通过管道依次连接的辅气体限流阀、辅气体电磁换向阀、辅气体单向阀和辅气体开关阀。辅气体限流阀控制辅气体管道中气体的流量大小。辅气体电磁换向阀作为传感反馈系统的执行器，自动控制辅气体管道和加湿气体管道中气体流动的通断。辅气体单向阀保证辅气体管道中的气体从第二进气口流入外置混合腔，而不发生倒流。辅气体开关阀用于手动控制辅气体管道内气体流动的通断，同时配合外置混合腔抽取真空，以及配合加湿气体开关阀，控制气体在辅气体管道或加湿气体管道中的流动方向。进一步的，所述加湿气体管道包括：通过管道依次连接的加湿气体开关阀、加湿气体单向阀、防倒吸集气瓶、加湿集气瓶和加湿气体开关阀。加湿气体管道与辅气体管道共用一个辅气体电磁换向阀。辅气体管道在经过辅气体电磁换向阀后单独分出一支加湿气体管道，之后依次连接加湿气体开关阀、加湿气体单向阀、防倒吸集气瓶、加湿集气瓶、加湿气体开关阀。第一个加湿气体开关阀配合辅气体开关阀，控制气体在加湿气体管道或辅气体管道中的流动方向。第二个加湿气体开关阀与外置混合腔相连，用于手动控制加湿气体管道中气体流动的通断，同时配合外置混合腔抽取真空。进一步的，所述气体循环管道包括：气体循环第一开关阀、气体循环第二开关阀和气体循环隔膜泵。气体循环第一开关阀位于气体循环第一管道上。气体循环第二开关阀和气体循环隔膜泵位于气体循环第二管道上。外置混合腔和实验腔通过气体循环第一管道和气体循环第二管道相连。气体循环隔膜泵可以让两腔之间形成稳定的气体循环，同时也间接增大实验腔的体积。通过监测控制外置混合腔内部的环境气氛状态，可以间接控制实验腔内部的环境气氛状态。进一步的，所述传感反馈系统包括：气体浓度传感器、单片机、主气体电磁换向阀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置，其特征在于：包括第一进气口(I1)、第二进气口(I2)、主气体管道(A1)、辅气体管道(A2)、加湿气体管道(A3)、气体循环管道(A4)、外置混合腔(20)、实验腔(25)和传感反馈系统，第一进气口(I1)通过主气体管道(A1)与外置混合腔(20)相连，第二进气口(I2)通过辅气体管道(A2)与外置混合腔(20)相连，辅气体管道(A2)在经过辅气体电磁换向阀(13)后单独分出一支加湿气体管道(A3)，加湿气体管道(A3)另一端与外置混合腔(20)相连，气体循环管道(A4)一端与外置混合腔(20)相连，另一端与实验腔(25)相连，传感反馈系统连接外置混合腔(20)内部的气体浓度传感器(19)，并控制主气体电磁换向阀(6)和辅气体电磁换向阀(13)。/n

【技术特征摘要】
1.一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置，其特征在于：包括第一进气口(I1)、第二进气口(I2)、主气体管道(A1)、辅气体管道(A2)、加湿气体管道(A3)、气体循环管道(A4)、外置混合腔(20)、实验腔(25)和传感反馈系统，第一进气口(I1)通过主气体管道(A1)与外置混合腔(20)相连，第二进气口(I2)通过辅气体管道(A2)与外置混合腔(20)相连，辅气体管道(A2)在经过辅气体电磁换向阀(13)后单独分出一支加湿气体管道(A3)，加湿气体管道(A3)另一端与外置混合腔(20)相连，气体循环管道(A4)一端与外置混合腔(20)相连，另一端与实验腔(25)相连，传感反馈系统连接外置混合腔(20)内部的气体浓度传感器(19)，并控制主气体电磁换向阀(6)和辅气体电磁换向阀(13)。


2.根据权利要求1所述的一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置，其特征在于：所述主气体管道(A1)包括依次由管道相连的主气体限流阀(5)、主气体电磁换向阀(6)、主气体单向阀(7)和主气体开关阀(8)，主气体限流阀(5)用于控制主气体管道(A1)中气体的流量大小，主气体电磁换向阀(6)作为传感反馈系统的执行器，自动控制主气体管道(A1)中气体流动的通断，主气体单向阀(7)保证主气体管道(A1)中的气体从第一进气口(I1)流入外置混合腔(20)，而不发生倒流，主气体开关阀(8)用于手动控制主气体管道(A1)中气体流动的通断，同时配合外置混合腔(20)抽取真空。


3.根据权利要求1所述的一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置，其特征在于：所述辅气体管道(A2)包括依次由管道相连的辅气体限流阀(12)、辅气体电磁换向阀(13)、辅气体单向阀(10)和辅气体开关阀(11)，辅气体限流阀(12)用于控制辅气体管道(A2)内气体的流量大小，辅气体电磁换向阀(13)作为传感反馈系统的执行器，自动控制辅气体管道(A2)和加湿气体管道(A3)中气体流动的通断，辅气体单向阀(10)保证辅气体管道(A2)中的气体从第二进气口(I2)流入外置混合腔(20)，而不发生倒流，辅气体开关阀(11)用于手动控制辅气体管道(A2)内气体流动的通断，同时配合外置混合腔(20)抽取真空，以及配合加湿气体开关阀(14)，控制气体在辅气体管道(A2)或加湿气体管道(A3)中的流动方向。


4.根据权利要求1所述的一种扫描探针显微镜狭小实验腔环境气氛精确控制装置，其特征在于：所述加湿气体管道(A3)包括依次由管道相连的加湿气体开关阀(14)、加湿气体单向阀(15)、防倒吸集气瓶(16)、加湿集气瓶(17)和加湿气体开关阀(18)，加湿气体管道(A3)与辅气体管道(A2)共用一个辅气体电磁换向阀(13)，辅气体管道(A2)在经过辅气体电磁换向阀(13)后单独分出一支加湿气体管道(A3)，之后依次连接加湿气体开关阀(14)、加湿气体单向阀(15)、防倒吸集气瓶(16)、加湿集气瓶(17)和湿气体开关阀(18)，第一个加湿气体开关阀(14)配合辅气体开关阀(11)，控制气体在加湿气体管道(A3)或辅气体管道(A2)中的流动方向，第二个加湿气体开关阀(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：江亮，陈宇山，钱林茂，郝盼，吴渊，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51