【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于扫描探针传感器的支架，扫描探针传感器组件和扫描探针显微镜。另外，本专利技术还涉及安装或拆卸扫描探针传感器组件至/从支架上。
技术介绍
在扫描探针装置(applications)中，例如，扫描隧道显微镜，原子力显微镜及相关技术，原子级尖端被探测到在尖端与表面之间，用于传感隧道电流或如静电引力，磁力等力。由于原子级尖端对于获得高质量表面图像是必须的，所以之后，包含尖端的传感器或传感器组件的更换也是必须的。由于这种扫描探针传感器或传感器通常较小并且易损坏，因此这些设备的操作时常需要小心处理。此外，扫描探针传感器时常需要被精确定位在支架内。处理这些情况的 各种支架已经被提供了。美国专利US 5，701，381公开了一种用于扫描力或隧道显微镜的探针尖端的安装布置方法，其中由于原子力或相类似的，通过干涉测量方法检测到尖端的位移。为了允许干涉测量方法，光纤被引导穿过金属环。扫描探针显微镜的尖端位于插入式结构上，该插入式结构包含能够滑到金属环之上的金属薄片。尖端如此设置使得其自由端位于光纤出口端的对面。为了实现精确定位，金属环固定架或金属环本身具有一个用于与金属薄片紧密结合的台肩停止件。金属薄片可以包含夹紧元件，其允许他们通过固紧螺栓的方式固定在金属环上。美国专利2007/0180889A1描述了一种用于扫描探针显微镜的探针更换方法，其中在其自由端具有尖端的悬臂利用真空被安装在悬臂固定架上。然而，如果扫描显微镜在真空的情况下使用，这种固定悬臂的方法是不能用的。国际专利WO 2005/034134A1描述了一种用于光栅探针仪器的探针布置方法，其中包括...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.10.16 EP 09075467.2I或权利要求13所述的用于扫描探针传感器组件的支架，权利要求9所述的扫描探针传感器组件，权利要求11所述的扫描探针显微镜以及权利要求12或15所述的安装或拆卸扫描探针传感器组件至支架的方法被解決。从属权利要求包含本发明的进ー步发展。一种用于扫描探针传感器组件的发明支架包括用于扫描探针传感器组件的支撑结构，所述支撑结构在支架内确定了ー个平面。其进ー步包括至少ー个设计用于与扫描探针传感器组件中的各个相应部分相互配合的可移动的卡扣接合元件。卡扣接合元件可移动至第一位置，在第一位置上其施加力于被安装的扫描探针传感器组件上，以迫使扫描探针传感器组件在所述平面的法线方向移向支撑结构。另外，弹簧结合元件可移动至第二位置，在第二位置上其允许扫描探针传感器组件沿所述平面的法线方向被安装至支撑结构，或从支撑结构上被拆卸。优选地，支架被实施为动态支架。用于扫描探针传感器组件的一种支架是所谓的动态支架，其具体表现为在定位彼此相对应的两个物体上，以高度的可重复性相对于另ー种物体可移动安装ー种物体。例如，在这样的动态支架上，三个球可以确定ー个平面，相对于该平面第二物体可通过三个狭缝被调整，当第二部分被安装至第一部分时球部分突出进入狭缝中，因而相对于第一部分，固定第二部分的相关方向。动态支架的实例在美国专利US5，376，790中被描述。本发明基于以下研究结果，即沿着与由该支架所确定的平面平行的方向，将传感器组件安装在动态支架上，如美国专利US 5，376，790中的描述，传感器组件或支架的ー些部件，类似电接触，通过无意的接触部件，在相对于平面的横向移动中可能被损坏。如果实现沿着平面的法线方向安装传感器组件，这种损坏是不大可能的。另外，在动态支架中所使用的球可以减少。此外，沿法线方向安装还可提供这样的可能性，提供极小的触针作为电接触，而其相对于平面传感器组件的横向插入运动会很难操作。一旦将扫描探针传感器组件容纳于容器中，通过将卡扣接合元件带至第一位置，在第一位置卡扣接合元件直接或间接地施加力驱使传感器组件沿法线方向移向平面，可完成安装。间接地驱使传感器组件移向平面可以通过，例如，多个カ的叠加所产生的沿法线方向的合力来实现。因此，本发明支架降低了损坏位干支架上的或位于被安装的传感器组件上的微小结构的风险，即使这些结构突出超出安装表面。卡扣接合元件可以位于可移动元件上，该可移动元件通过弹カ向支撑结构的中心傾斜。弾力通过使用弹簧或ー些具有适合的弹簧常数的其他弾性元件被精确度量，使得施加至扫描探针传感器组件上的力相对于手工设置的力，例如使用者通过紧固螺栓所设置的力，具有高度的可重复性。在实际设计中，所述可移动元件可包含一个弹性弯曲杆元件，该弾性弯曲杆元件具有固定在与支撑结构相对应的位置上的不可移动部件，例如通过将不可 移动部件直接固定在支撑结构上，且卡扣接合元件位于其自由端部件上。弾性弯曲杆元件实质上在平行于所述平面的法线方向上延伸，且被这样形成使得具有卡扣接合元件的自由端部件倾斜移向支撑结构中心。弾力由杆元件的弾性所提供。由于可移动元件和提供弾力的元件在本实施例中是同一个，因此用于实现卡扣接合的元件的数目以及卡扣接合元件的复杂性都被保持很小。为了减少摩擦力，特别地，当扫描探针传感器组件本身被用于与弹力的方向相反，将卡扣接合元件从第一位置带至第二位置时，卡扣接合元件表现为关于对称轴轴向对称且可关于其对称轴为转动轴可转动地被安装，且该转动轴关于支架所确定的平面的法线方向垂直，从而在安装和拆卸传感器组件期间，仅有位于卡扣接合元件和传感器组件之间的滚动阻力要克服。支架可能包含至少三个围绕支撑结构的边缘均匀分布的可移动卡扣接合元件。该设计可允许在朝向支架内所确定的平面的被安装的传感器组件上施加一个均匀分布的力。在可替换的设计中，支架包含至少一个位于支撑结构边缘的螺旋环形弹簧以包围支撑结构。表现为移向支撑结构的中心的螺旋弹簧部件形成了卡扣接合元件。在本设计中，当扫描探针传感器组件被安装至支架时，螺旋弹簧将被压缩，例如，被具有大尺寸的传感器组件的部件，然后组件的剩余部件为了移动螺旋弹簧的内部部件，如表现为移向支撑结构 的中心的部分，向外至第二位置。当传感器组件的大部件已经通过螺旋环形弹簧，螺旋弹簧会迅速恢复到它们原来的第一位置并通过平行于所述平面的法线方向的分力阻止传感器组件的延伸部分沿法线方向移动远离支撑结构。尽管卡扣接合元件，原则上，可以利用要被安装或拆卸的扫描探针传感器组件从第一位置被移动到第二位置，有利的是不需要接触卡扣接合元件，传感器组件能被安装和/或拆卸。这个可以通过被布置的执行元件被实现，该执行元件作用在至少一个卡扣接合元件上，以便通过驱动执行元件允许将卡扣接合元件从第一位置移动到第二位置，反之亦然。由于卡扣接合元件的移动是通过其他方式而不是传感器组件本身所提供，因此，在传感器组件位于其最终位置之前，安装或拆卸传感器组件而不需要对卡扣结合元件的任何接触成为可能。因此，在安装或拆卸传感器组件期间，损坏传感器组件和/或支架的风险被进一步降低了。在卡扣接合元件位于可移动元件的情况下，如上所述，执行元件可被这样布置，当执行元件被驱动时，作用在可移动元件和/或卡扣接合元件上，以使杆元件弯曲远离支撑结构的中心，与所述弹力方向相反。在卡扣接合元件位于弹性弯曲杆元件的自由端的情况下，执行元件可被这样布置，作用在该弹性弯曲元件和/或卡扣接合元件上，用于倾斜弯曲杆元件朝向支撑结构的中心，与弹力方向相反。特别地，执行元件可以在平行于支架内确定的所述平面的法线方向上来回地移动。在这样的结构中，即使支架周围的可用空间在横向上受到限制，执行元件也可被实现。执行元件可能包含至少一个作用在所述可移动元件和/或所述卡扣接合元件上的引导元件，其中依靠执行元件在其来回运动内的位置，引导元件确定了卡扣接合元件远离支撑结构的距离。本发明的扫描探针传感器组件包括传感器元件和固定传感器元件的底座。它还进一步包括从底座延伸、用于允许操作传感器组件而不需接触传感器组件的易损坏部件的手柄。底座包括设计与本发明支架的卡扣接合元件相互作用的至少一个卡扣接合部件。该卡扣接合部件具有被选择的尺寸，使得当卡扣接合元件位于第二位置时，它能够沿法线方向通过至少一个卡扣接合元件，但是当卡扣接合元件位于第一位置时，它不能沿法线方向通过至少一个卡扣接合元件。此外，卡扣接合部件的尺寸被选择为，使得当卡扣接合部件已经通过卡扣接合元件朝向所述平面时，卡扣接合元件能在所述支架的法线方向上施加ー个朝向支架内所确定的平面的力。特别地，底座可由包含至少ー个边缘部件的基板构成，该边缘部件形成了所述至少一个卡扣接合部件。基板的直径和边缘的厚度可被选择为以便实现上述需要。如本发明的扫描探针传感器组件特别适合与本发明的支架一起使用以实现如上所述的支架所提供的优势。本发明的扫描探针显微镜包括本发明的支架。这样的扫描探针显微镜的优势直接产生于本发明的支架的使用，因此，与已经论述过的相应的支架的优势相同。根据本发明的另ー个方面，一种安装或拆卸本发明的扫描探针传感器组件至/从本发明的支架的方法，包括以下步骤，移动至少一个卡扣接合元件从第一位置至第二位置，沿支架内确定的平面的法线方向安装或拆卸扫描探针传感器组件，以及移动至少一个卡扣接合元件从第二位置至第一位置。移动至少一个卡扣接合元件从第一位置至第二位置，并且反之亦然，特别地，可通过使用如上关于本发明支架所述的执行元件来完成。由于传感器组件将沿着支架内确定平面的法线方向被安装或拆卸至/从支架，在安装期间，由于横向移动如微小的电子触针或类似物的易损坏元件的损坏可被避免。因此，例如使用触针在传感器组件和/或支架的支撑结构中作为电接触变得很容易做到。此外，根据本发明的另ー个方面，提供了用于扫描探针传感器组件的支架，其包括支撑结构，至少ー个可移动卡扣接合元件位干支撑结构上且被设计用于与在扫描探针传感器组件上的一个对应的配对件相互作用，卡扣接合元件移动至第一位置，在第一位置其可施加力在被安装的扫描探针传感器组件上以驱使所述扫描探针传感器组件移向支撑结构，以及移动至第二位置，在第二位置其允许扫描探针传感器组件被安装至支撑结构或从支撑结构上被拆卸，执行元件，可相对于支撑结构移动且作用在至少ー个卡扣接合元件上以便通过相对于支撑结构移动执行元件，将卡扣接合元件从第一位置带至第二位置或反之亦然，以及执行电动机，其连接至支撑结构或执行元件以便允许控制执行元件和支撑结构之间的相对运动。这样的支架还包括用于相对于被探测样品定位支撑结构的定位电动机以及用于确定从样品至支撑结构的最大距离的停止位置。在该支架中，至少ー个可移动卡扣接合元件位干支撑结构上且驱动电动机被定位电动机给予。执行元件被布置以使其作用在至少ー个卡扣接合元件上，用于当支撑结构到达停止位置吋，将卡扣接合元件带至第二位置。此外，提供了安装或拆卸扫描探针传感器组件至支架的另ー个方法，其中支架包括支撑结构，被设计用干与在扫描探针传感器组件上的一个对应的配对件相互作用的至少一个可移动卡扣接合元件，相对于支撑结构移动且作用在至少ー个卡扣接合元件上的执行元件，以及用于相对于被探测样品定位支撑结构的定位电动机。该方法包括以下步骤-从第一位置移动至少一个卡扣接合元件，在第一位置可施加力在被安装的扫描探针传感器组件上以驱使所述扫描探针传感器组件移向支撑结构至第二位置，在第二位置允许扫描探针传感器组件被安装至支撑结构或从支撑结构上被拆卸，-安装或拆卸扫描探针传感器组件；[0034]-移动至少一个卡扣接合元件从第二位置至第一位置，其中，移动至少一个卡扣接合元件从第一位置至第二位置可通过相对于支撑结构移动所述执行元件，作用在至少一个卡扣接合元件上来实现，并且相对于支撑结构移动所述执行元件通过依靠所述定位电动机移动支撑结构至规定的停止位置所实现。附图说明结合附图以及以下的实施例的描述，本发明的更多的特征，性能以及优势将变得更加清楚。图I示出了本发明支架以及本发明扫描探针传感器组件的第一实施例的分解图。图2示出了图I中的将传感器组件安装至支架前，支架和传感器组件的透视图。图3示出了图I中的将传感器组件安装至支架时，支架和传感器组件的透视图。图4示出了图I中的将传感器组件安装至支架时，支架和传感器组件的剖视图。图5示出了将传感器组件安装至支架前，本发明支架和本发明扫描探针传感器组件的第二实施例的透视图。图6示出了将传感器组件安装至支架的第二实施例透视图。图7示出了将传感器组件安装至支架前，本发明支架和本发明扫描探针传感器组件的第三实施例的剖视图。图8示出了根据本发明的第四实施例的支架的剖视图。图9示出了卡扣接合元件在第一位置时的图8中的支架的顶视图。图10示出了卡扣接合元件在第二位置时的图8中的支架的顶视图。具体实施方式本发明支架和本发明扫描探针传感器组件的第一实施例参考图1-4将被描述。图I以分解透视图示出了支架和传感器组件的部件，图2及图3分别示出了在拆卸和安装状态下的支架和传感器组件。图4以剖视图示出了传感器组件在安装状态下的支架和传感器组件。本发明支架包含一个以支撑板I的形式的支撑结构，其中位于支撑板I上的电子触针2在支撑板表面的法线方向延伸。此外，三个球5，其可能是例如蓝宝石球，在想象的等腰三角形的顶点的位置被放入支撑板I中。这三个球5在支架内确定了一个平面，当扫描探针传感器组件被安装至支架时，支架将相对该平面被确定方向。这三个球5形成了所谓的“动态支架”的第一部分。在支撑板I上突出来的球5的数量以及触针2的数量彼此相适应，以使得当安装扫描探针传感器组件时，触针2的更小的直径部件3被嵌入到扫描探针传感器组件的接触开口中。三个卡扣接合元件7被均匀地分布在支撑板I的边缘。每个卡扣接合元件7都由圆筒9构成，该圆筒9由两个弹性弯曲金属带所形成的一对腿11的自由端所支撑，且圆筒9的对称轴朝向垂直于由三个球5所确定的平面的法线方向。优选地，圆筒3可转动地被支撑且转动轴为圆筒9的对称轴。金属带的其他端被固定在支撑板I上或被至少被固定使得相对于支撑板I是不可移动的。每对腿11都形成一个弹性弯曲杆元件，其中卡扣接合元件，例如本实施例中的圆筒9，位于该弹性弯曲杆元件的自由端。腿11被弯曲使得它们的自由端倾斜朝向支撑板I的中心并且能够弹性弯曲远离与由金属带的弹性材料所提供的弹力相反的中心。在本发明支架中，支撑板I和卡扣接合元件7 —起形成了用于接收沿着由三个球5所确定的平面的法线方向的扫描探针传感器组件的容器。该支架还包括ー个具有嵌入开ロ的环形壁元件13，穿过其扫描探针传感器组件被嵌入。三个突起物17从环形壁元件13的内壁表面18向内径向延伸。这些突起物17以与围绕支撑板I边缘的卡扣接合元件7对应的方式，遍及环形壁元件13的圆周上均匀分布。此外，断流器19包含在突起物17中。这些断流器19从突起物17的嵌入开ロ侧延伸进入突起物中，使得突起物17的径向内部形成具有径向向外的倾斜表面21的尖状物20。尖状物20的倾斜表面21形成用于卡扣接合元件的圆筒9的引导元件，后面将被解释。环形壁元件13包围支架的底板I且沿着它的轴向可滑动地安装，该轴向相当于由球5所确定的平面的法线方向。底板I上的狭缝23从位于卡扣接合元件7的底板边缘向内径向延伸，用于接收突起物17。此外，形成了卡扣接合元件7的弾性弯曲杆元件的每两个腿11之间存在ー个缺ロ。这些缺ロ 25对准狭缝23，使得突起物17可以穿过缺ロ 25接合狭缝23。可滑动安装的环形壁元件13可被移动到第一位置，其中引导表面21不能衔接卡扣接合元件7的圆筒9，以及到第二位置，其中圆筒9通过引导表面21被衔接。在衔接的情况下，卡扣接合元件7将与腿11所提供的弾力相反的方向径向地向外伸开，其中伸开的量取决于环形壁元件14的轴向移动位置。因此，环形壁元件13形成了一个执行元件，其可通过倾斜(slunted)表面21作用在卡扣接合元件7上，以便依靠倾斜表面21通过环形壁元件13的轴向位置所确定的量，允许把卡扣接合元件7从不能伸开的第一位置移动到可伸开的第二位置。在卡扣接合元件7的伸开情况中，内部的壁元件13中所形成的壁凹24允许有容纳圆筒9和腿11的部分。同样，图I示出了适合目前为止所描述的支架的扫描探针传感器组件27。传感器组件27包括传感器元件29 (在图I中未示出)，其被安装到传感器组件的底座31上并被保护罩33所环绕。传感器元件29包含原子级尖，其穿过保护罩上的孔35延伸出保护罩33夕卜，且其位于底座31的对面。传感器元件29的电路37被印在底座上且包括接触元件39，当传感器组件27被安装到支架上吋，该接触元件29与触针3接触。因此，为了获得底座31的明确方向及传感器元件29相对于支架的明确方向，提供了三个延长孔41。这些孔41位于想象的等腰三角形的顶点的位置，该等腰三角形与位干支撑板I的球5的顶点的等腰三角形一致。三个球5与延长孔41 一起形成了动态支架，其中传感器组件27的方向被位于三个球和三个延长孔的侧壁之间的六个接触点所确定(每个孔提供了与嵌入孔中的各个球的两个接触点)。特别地，当传感器27被安装到支架上吋，它的底座31大致上与三个球5所确定的平面平行。然而，由球5所确定的平面与底座31所延伸的平面之间可能存在小角度，或故意的或偶然的，例如，由于构成动态支架的元件中的偏差。传感器组件27的底座31为具有均匀分布在底座边缘的三个直边部件43的一般 的圆形形状。狭槽45从每个直边部件43的中间向内径向延伸，其尺寸使得环形壁元件的突起物17能够阻挡底座31使得为了将其安装到支架上，允许将传感器组件27嵌入到环形壁元件13。考虑到不接触易损害部件而操作传感器组件27，手柄47从底座31上延伸出来。为了不阻碍传感器组件27插入至环形壁元件13中，含有切断壁部件49，当传感器元件27被安装至支架时，其接收手柄47。图2示出了将其安装至支架之前的扫描探针传感器组件27。环形壁元件13形成了执行元件，用于将卡扣接合元件7从第一位置，其中它们将要重叠被安装的传感器组件的底座31，移动到第二、伸开位置，其将允许传感器组件27的底座31被安装到支架上，而不接触卡 扣接合元件7。图2示出了将卡扣接合元件7从第一位置带到第二位置，其中可通过在箭头A的方向上，该方向与三个球5所确定的平面的法线方向一致，向上移动图2中的可滑动地安装的环形壁元件13，实现卡扣接合元件被伸开。因此，为了将扫描探针传感器组件27安装至支架，环形壁元件13要在方向A上被向上移动，以便与腿11的弹性材料所提供的弹力相反的方向伸开卡扣接合元件7。当倾斜表面21衔接圆筒9时，圆筒9被腿11可转动地支撑，仅有转动阻力需要被克服，而不是摩擦力。当卡扣接合元件7位于它们的伸开位置时，传感器组件27可沿着图2中的箭头B所指示的方向向下被移动，直到球5进入到接触传感器组件27的底座31内的延长孔41的边缘。由于通过由支撑板I上的球5以及底座31上的延长孔41所形成的动态支架可获得良好的确定的方向，被安装的传感器组件27在正确的方向使得触针3与底座31的接触元件39衔接(注意接触元件仅在图I中可见)。当传感器27已经被搁在支架的底板I上时，环形壁元件13再次被移回来，其使得卡扣接合元件7的圆筒9由于腿11所提供的弹力，回到第一位置。处于第一位置上的圆筒9与支撑板I的距离被选择为相对于传感器组件27的底座31的厚度，使得它们在底座31上施加的力F包括平行于和垂直于传感器组件的安装方向的分力Fa和Fr (参见图4)。当径向分力合计为零时，由于卡扣接合布置的对称性，轴向分力合计为这样一个结果的力，其迫使传感器组件27的底座31朝向支撑板I使得将传感器组件27固定在支架上。其上安装了扫描探针传感器组件的支架在图3中以透视图的方式以及在图4中以剖视图的方式示出。为了从支架上拆卸传感器组件27，环形壁元件13将再次沿着图2中的方向A移动使得将卡扣接合元件7的圆筒9带到第二位置，其允许将传感器组件27从支架上拆卸下来，而不需进入接触卡扣接合元件7。移动环形壁元件13可以用手或通过作用在环形壁元件13上的执行机构来给予滑动来实现，例如，通过允许环形壁元件13的精确定位的压电电动机的方式。虽然，关于图1-4中所描述的实施例中，环形壁元件13是可滑动地安装，但是它也可以被安装在固定位置。典型地，扫描探针装置包含...
【专利技术属性】
技术研发人员：约尔格·里兴，
申请(专利权)人：施佩克斯表面纳米分析股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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