基于CAM的STM和AFM的一种过载保护装置研究

　　原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)为我国的纳米科技研究做出了重要贡献。AFM和STM作为新型的光机电一体化设备,正在不断改进发展。本实验室的STM和AFM一体化显微镜所测样品高度很小,在测试塑料加入纳米粉体的改性表观断口力学实验中,经常由于高度的限制造成实验的失败。在退针的过程中,一到底部就发生传动失效问题,而且时间长了将损坏步进电动机,使仪器瘫痪。因此研究了一种过载保护装置,消除了较大退针过程中的传动失效问题,保护了精密仪器。

　　1AFM和STM的基本原理

　　AFM是一种利用探针和样品表面之间的原子间作用力,表征样品表面特征的仪器[3]。AFM横向分辨率可达0.1 nm,纵向分辨率可达0.01 nm。AFM主要有3种扫描方式:接触,非接触和轻敲模式。AFM的样品表面形貌信号是以微悬臂的弯曲变形表征的。STM的工作原理来源于量子力学中的隧道贯穿效应。其核心是一个能在样品表面上扫描,并与样品间有一定偏置电压,直径为原子尺度的针尖。由于电子隧穿的机率与势垒的宽度呈现负指数关系,当针尖和样品之间施加一个电压,电子就可通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖,形成隧道电流。STM的样品表面形貌信号以隧道电流表征。

　　欲测量工件表面三维形态,针尖对工件必须进行三维扫描。扫描机构最简单和典型的结构是单管压电陶瓷(图1),它将压电陶瓷管外壁划分为4个部分。当电压施加到某一表面时,管子就弯曲,此时作X向(或Y向)扫描。电压施加到内表面时,产生均匀伸缩,即做Z向运动。图2为AFM和STM系统全貌。

　　2过载保护装置的设计方法比较

　　目前,国内大多采用电动机的过流保护装置来实现对传动装置的过载保护。其原理是,当传动装置的载荷突然增加时,电动机负载就会加大从而导致电流增加。保护装置根据电流的变化发出信号,实现报警功能。由于AFM和STM一体化仪器的步进电动机为专门定做的,根据步进电动机进行软件编程和硬件配置,如果对步进电动机增加过流保护,其相应的软硬件都将发生改变,所以其难度很大,几乎相当于重新设计AFM和STM系统。而且STM在工作的时候检测的是隧道电流,隧道电流的量级为纳安级,泄漏电流和干扰信号都会对扫描图像有影响。为了避免电磁泄漏,设计应尽可能不用电磁装置。另一种比较普遍的过载保护是气动方式或者液压方式。而气动和液压一般要有液压源或者气动源,这对于要求体积小、轻便而避免振动的显微镜系统来说也是不可取的。本文提出一种机械式的过载保护装置,来满足轻便和较小振动以及避免电磁干扰的装置来完成过载保护的功能。