专利摘要

本发明一种基于脉冲管制冷技术的低温扫描探针显微镜系统，针对振动来源和特性，采用了包括波纹管、压电陶瓷管和弹簧在内的多级主动/被动式减振装置。波纹管用于连接系统主腔和脉冲管制冷头，实现系统整体的振动隔绝。针对脉冲管制冷机特有的低频振动，以压电陶瓷管和数字信号处理器为核心的主动式减振装置。铍铜弹簧和阻尼磁铁组成的又一级被动式减振装置进一步对振动隔绝。本发明消除了从脉冲管制冷机、脉冲管制冷头到扫描探针头的振动，可用于其他要求低温的振动敏感场合，节省大量液氦制冷剂，简化设备操作和维护并显著延长低温保持时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型低温扫描探针显微镜(SPM)系统。通过结合脉冲管制冷技术，使得系统在无需使用液氦制冷剂的情况下可达到低于4K温区，并且在低温保持时间方面比传统的液氦制冷方式有明显优势。

背景技术

扫描探针显微镜是目前应用最广泛的、在纳米尺度上研究各种物理化学现象和效应的强有力的工具。为了降低电子噪声、实现原子/分子操纵以及分辨精细能级的分裂，扫描探针显微镜系统通常都是工作在液氦温区或更低。传统的制冷方式不仅低温保持时间有限，而且需要消耗大量昂贵的液氦制冷剂，使得系统的运行和维护成本极高。

脉冲管制冷技术是20世纪末飞速发展起来的一种新型循环制冷技术，它可以在不使用液氦制冷剂的情况下最低达到接近1K的低温，并且低温保持时间几乎不受限制。与其他制冷机技术相比，脉冲管制冷机没有低温运动部件，因此振动更小、工作更可靠。但是，制冷机内运动气流所产生的微米量级振动，限制了脉冲管制冷技术在振动敏感领域的应用。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于脉冲管制冷技术的低温扫描探针显微镜系统，使用脉冲管制冷机代替传统的液氦低温保持器，可大大降低系统的运行成本，简化系统操作和维护过程并使系统运行不再受限于低温保持时间。同时，采用了两级被动式减振和一级主动式减振相结合的方式，实现有效的振动隔离，有效的解决了从脉冲管制冷机、脉冲管制冷头到扫描探针头的振动。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于脉冲管制冷技术的低温扫描探针显微镜系统，包括制冷机、连接管、脉冲管制冷头、第一级制冷台、第二级制冷台、主真空腔、内屏蔽铜罩、蓝宝石窗口、SPM扫描头、外屏蔽铜罩、蓝宝石引入电极、针尖一样品结；制冷机固设在地面上的有橡皮垫或弹簧的减振平台上，且位于有吸声材料的橱柜内或另外单独的房间内；脉冲管制冷头经支架固设在天花板上，经连接管与制冷机连通；主真空腔固设在地面上的减振平台上，其上端与脉冲管制冷头连通；其特征在于，还包括波纹管、压电陶瓷管、微弱振动传感器、数字信号处理器、弹簧和阻尼磁铁：

(a)脉冲管制冷头与主真空腔之间用波纹管连接，实现第一级被动式减振；

(b)由压电陶瓷管、微弱振动传感器和数字信号处理器构成第二级的主动式减振；

(c)弹簧和阻尼磁铁构成了最后第三级被动式减振。

所述的低温扫描探针显微镜系统，其所述(a)，脉冲管制冷头下端外围设有一连接法兰，一连接法兰与波纹管上端固设，主真空腔的顶面设有另一连接法兰，波纹管下端与另一连接法兰固设；

脉冲管制冷头下方的第一级制冷台位于波纹管内，第一级制冷台与主真空腔内的外屏蔽铜罩顶面固设；第一级制冷台与第二级制冷台相连通的管路伸入外屏蔽铜罩内，管路下端的第二级制冷台固设于主真空腔的内屏蔽铜罩顶面；

主真空腔的底面固定在地面上的减振平台上。

所述的低温扫描探针显微镜系统，其所述脉冲管制冷头与制冷机连通的连接管管路中，设有减振沙箱，减振沙箱位于连接管靠近脉冲管制冷头一端；减振沙箱至制冷机的连接管为柔性软管，柔性软管外周面覆有吸声材料。

所述的低温扫描探针显微镜系统，其所述(b)的第二级主动式减振，是在第二级制冷台与内屏蔽铜罩顶面之间固设一压电陶瓷管，压电陶瓷管位于制冷通路上，其上端连通冷媒出口，下端与内屏蔽铜罩内腔通连；

第二级制冷台和内屏蔽铜罩顶面周圆上均布有用多数个柔性铜辫，各柔性铜辫上下端分别与第二级制冷台、内屏蔽铜罩顶面固设；

含有微弱振动传感器、数字信号处理器的主动式减振部分电子线路监控第二级制冷台的X、Y、Z方向上的振动信号，振动信号经上位机电脑处理后，指令压电陶瓷管产生与第二级制冷台振动幅度相同、相位相反的运动，以实现内屏蔽铜罩与第二级制冷台之间的振动隔绝。

所述的低温扫描探针显微镜系统，其所述主动式减振部分电子线路，包括X、Y、Z振动传感器、放大与信号调理电路、模数转换器、数字信号处理器、存储器单元、通用异步收发器、上位机电脑、复位及时钟电路、数模转换器、高压驱动电路；X、Y、Z振动传感器将检测到的三个方向的振动信号，经放大与信号调理电路和模数转换器处理后送至数字信号处理器，数字信号处理器对振动信号进行数字滤波及频率和相位分析后，再根据压电陶瓷管的伸缩特性计算出驱动信号，该驱动信号经数模转换和高压驱动电路后，驱动压电陶瓷管以主动的、实时的方式消除振动；

存储器单元，包括闪速存储器、随机读写存储器、电可擦除只读存储器，用于存储数字信号处理器运行程序，存储程序运行过程中所产生的中间变量及临时数据，存储系统的设置参数和压电陶瓷管的伸缩特性数据；

复位及时钟电路提供数字信号处理器工作时所需要的时钟信号，上电复位信号和看门狗复位信号；数字信号处理器通过通用异步收发器与上位机电脑进行数据交换，以实现友好的人机交互界面和数据共享。

所述的低温扫描探针显微镜系统，其所述(c)，是在SPM扫描头与内屏蔽铜罩顶面之间设置多数根弹簧，弹簧上端与内屏蔽铜罩顶面内侧固设，下端与SPM扫描头水平台上表面固设，且在水平台上表面周圆均匀分布；

SPM扫描头水平台下表面中心垂直固设一主支柱，主支柱下部周缘水平设有多个侧柱，主支柱下端头及多个侧柱的外端头都固设有阻尼磁铁；

SPM扫描头上所有电气连接通过蓝宝石引入电极再引出内屏蔽铜罩。

所述的低温扫描探针显微镜系统，其所述多数根弹簧为3～4根铍铜丝绕成的弹簧，悬挂于内屏蔽铜罩内；多个侧柱至少为4根，呈十字排列；阻尼磁铁为片状钐钴永磁体。

本发明的有益效果是，通过采用多级主动/被动减振措施，消除了从脉冲管制冷机、脉冲管制冷头到扫描探针头的振动，实现了用新型的脉冲管制冷机代替传统的液氦低温保持器，使得SPM系统运行成本大大降低，低温保持时间不再受制于杜瓦瓶容积，对系统的操作和维护更加简单。本发明还可推广到其他低温低振动领域，对于节省宝贵的氦气资源有重大意义。

附图说明

图1是本发明的脉冲管制冷头和波纹管连接示意图；

图2是本发明的主动式减振部分部件连接示意图；

图3是本发明的主动式减振部分电子线路原理框图；

图4是本发明的主真空腔内屏蔽铜罩内部结构示意图；

图5是本发明的系统安装示意图。

具体实施方式

本发明针对脉冲管制冷机振动来源及其频率特点，通过采用波纹管、压电陶瓷管和弹簧等多级主动/被动减振方式，使得脉冲管制冷技术可以应用在扫描探针显微镜系统上，从而大大降低了系统的运行成本，简化系统操作和维护过程并使系统运行不再受限于低温保持时间。

为了实现有效的振动隔离，本发明采用了两级被动式减振和一级主动式减振相结合的方式。安装于脉冲管制冷头和系统主真空腔之间的波纹管是实现系统整体振动隔离的第一级被动减振。

进一步的，脉冲管制冷头应安装在牢固固定在天花板上的支架上；系统主真空腔27则安装在气垫减振平台上。

进一步的，脉冲管制冷头部分和制冷机部分应用吸声材料与周围隔离，防止振动以声波形式传递至主真空腔体。

进一步的，第二级制冷台与内屏蔽铜罩之间用柔性铜辫和压电陶瓷管连接。柔性铜辫实现从制冷台到屏蔽铜罩之间的热传导；而压电陶瓷管则用来以主动方式消除来自制冷台的低频振动，其具体工作过程是：三个微弱振动传感器将X、Y、Z三个方向的振动情况转换成为电信号，经信号调理和模数转换后送至数字信号处理器(DSP)。DSP根据压电陶瓷管的伸缩和扭转特性对振动信号进行运算处理后得到压电陶瓷管驱动信号，该信号经数模转换和高压放大后用来驱动压电陶瓷管产生与各方向振动幅度相等、相位相反的运动，从而以主动减振方式消除了从制冷台到内屏蔽铜罩的振动。这一级主要用来消除低频机械振动。

进一步的，三根或四根铜铍合金的弹簧安装于内屏蔽铜罩和SPM扫描头之间，作为第二级的被动减振。扫描头底部安装有磁铁块，实现对振动的磁阻尼。这一级主要用来消除高频机械振动。

参见图5，图中，脉冲管制冷头1；制冷机连接管2；波纹管3；主真空腔连接法兰4；主真空腔27；减振沙箱28；吸声材料包覆的柔性软管29。

脉冲管制冷机通常由脉冲管制冷头1和制冷机组成，两者通过柔性软管29相连接。通常要达到1K～4K的低温，需要两级脉冲管制冷台实现。对于脉冲管制冷机，振动的主要来源包括：制冷机内电动机运动产生的振动、脉冲管制冷头内部气体运动产生的低频振动以及这些振动所产生的声波。针对以上所列振动来源及特点，采取如下措施实现振动的隔绝和消除：

在整体安装方面：制冷机应当安装在有橡皮垫或者弹簧的减振平台上，以减弱振动通过地面传播；且制冷机应当安装在有吸声材料的橱柜内或安装在另外一件单独的房间内，以隔绝电机振动通过声音传到系统主真空腔27。连接脉冲管制冷头1和制冷机的柔性软管29，在柔性软管29与脉冲管制冷头连接管2之间设有沙箱28，通过沙箱28以消除来自制冷机的振动，且柔性软管29整体应由吸声材料包覆。对于脉冲管制冷头1与系统主真空腔27的连接，再参见图1，图1中，脉冲管制冷头1；制冷机连接管2；波纹管3；主真空腔连接法兰4；第一级制冷台5；第二级制冷台6。脉冲管制冷头1通过波纹管3与主真空腔连接法兰4连接到主真空腔27上，且主真空腔27安装在地面上的减振平台上，而脉冲管制冷头1则安装在牢固固定在天花板上的支架上。这种整体的安装方式可以有效隔绝振动通过地面、空气以及与脉冲管制冷头1连接处传至系统主真空腔27。

脉冲管制冷机在工作过程中会产生频率约为1Hz的低频振动。一般的被动式减振装置如弹簧、波纹管等，对该频率范围低频振动的衰减效果十分不理想。本发明针对这一问题，采用了以压电陶瓷管8和数字信号处理器14为核心的主动式振动消除装置。该部分的安装布局参见图1、图2、图4，图2中，第二级制冷台6；柔性铜辫7；压电陶瓷管(Piezo)8；内屏蔽铜罩9；蓝宝石窗口10；图4中，内屏蔽铜罩9；蓝宝石窗口10；铍铜弹簧21；SPM扫描头22；外屏蔽铜罩23；蓝宝石引入电极24；阻尼磁铁25；针尖-样品结26。在第二级制冷台6与内屏蔽铜罩9之间安装压电陶瓷管8，用以产生与第二级制冷台6振动幅度相同、相位相反的运动，从而实现内屏蔽铜罩9及安装于其内部的SPM扫描头22与第二级制冷台6之间的振动隔绝。主动式减振部分电子线路原理框图参见图3，图中，X、Y、Z振动传感器11；放大与信号调理电路12；模数转换器(A/D)13；数字信号处理器(DSP)14；存储器单元15；通用异步收发器(UART)16；上位机电脑(PC)17；复位及时钟电路18；数模转换器(D/A)19；高压驱动电路20；压电陶瓷管(Piezo)8。X、Y、Z振动传感器11-可以选用光栅振动传感器或共焦显微振动传感器-将检测到的三个方向的振动信号，经放大与信号调理电路12和模数转换器(A/D)13处理后送至数字信号处理器(DSP)14单元。(DSP)14对振动信号进行数字滤波及频率和相位分析后，再根据压电陶瓷管8的伸缩特性计算出驱动信号。该驱动信号经数模转换19和高压驱动电路20后，驱动压电陶瓷管8以主动的、实时的方式消除振动。存储器单元15中，闪速存储器(Flash Memory)用于存储(DSP)14运行程序；随机读写存储器(RAM)用于存储程序运行过程中所产生的中间变量及临时数据；电可擦除只读存储器(EEPROM)可以存储系统的设置参数和压电陶瓷管8的伸缩特性数据。复位及时钟电路18提供(DSP)14工作时所需要的时钟信号，上电复位信号和看门狗复位信号。(DSP)14可以通过通用异步收发器(UART)16与上位机电脑17进行数据交换，可以实现友好的人机交互界面和数据共享。

由于受(DSP)14运算速度和高压驱动电路20转换速率的限制，主动式减振部分的反馈带宽有限，对于频率较高或冲击型振动无法及时响应。因此，在内屏蔽铜罩9内部由铍铜弹簧21和阻尼磁铁25组成另外一级被动式减振可以实现更加完全的振动隔绝。如图4所示：SPM扫描头22通过3～4根铍铜丝绕成的弹簧21悬挂于内屏蔽铜罩9内，在SPM扫描头22下端，安装有若干片状钐钴永磁体25。铍铜弹簧21对频率较高的振动和冲击型振动有较好的隔绝效果；阻尼磁铁25所产生的感生电流可以有效阻尼SPM扫描头22与内屏蔽铜罩9之间相对运动。此外，SPM扫描头22上所有电气连接通过蓝宝石引入电极24引出内屏蔽铜罩9；外屏蔽铜罩23通过第一级制冷台5上的螺丝孔与第一级制冷台5直接相连接，参见图1所示，第一、第二级制冷台5、6上设有螺丝孔，外屏蔽铜罩23位于主真空腔27内。脉冲管制冷头1通过波纹管3和连接法兰4与主真空腔27相连接，以隔绝震动传达到主真空腔27。达到更好的与外界的热隔绝效果；蓝宝石窗口10用于将激光光束引至针尖-样品结26。

基于脉冲管制冷技术的低温扫描探针显微镜系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。