本實(shí)用新型涉及一種物體分析的探測(cè)儀器，尤其是一種觸探式掃描裝置。

背景技術(shù)：

掃描式探針顯微鏡是利用探針探觸材料的納米表面的儀器，是掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新型探針顯微鏡的統(tǒng)稱，是國際上近年發(fā)展起來的表面分析儀器。

專利號(hào)為CN03156917.X的中國專利文獻(xiàn)公開了一種掃描探針顯微鏡，包括帶針尖的微懸臂，微懸臂與振蕩裝置固定連接。針尖位于微懸臂的一端，振蕩裝置位于微懸臂的另一端。振蕩裝置包括壓電陶瓷晶體，和對(duì)該壓電陶瓷晶體的振蕩頻率及振幅進(jìn)行控制的振蕩頻率控制器，微懸臂固定在壓電陶瓷晶體上。壓電陶瓷晶體帶動(dòng)微懸臂以20nm-100nm 的振幅在壓電陶瓷的諧振頻率附近振蕩，并使得針尖的振動(dòng)頻率與針尖的固有頻率相同，以形成共振峰。共振峰的振幅采用均方根測(cè)試電路測(cè)試，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸至振蕩頻率控制器，振蕩頻率控制器使針尖以該振幅在樣品表面振蕩。微懸臂的上方設(shè)置有通過光路系統(tǒng)檢測(cè)微懸臂振幅變化的光斑位置檢測(cè)器，光斑位置檢測(cè)器將微懸臂振幅變化的電信號(hào)傳輸至控制掃描管伸縮變化的反饋回路，掃描管的伸縮變化數(shù)據(jù)以及掃描位移數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以灰度值顯示成像。

該發(fā)明的技術(shù)效果如下：由于CN03156917.X中的發(fā)明掃描探針顯微鏡，將帶針尖的微懸臂固定連接于振蕩裝置上，這就可以使得帶針尖的微懸臂在振蕩裝置的作用下以確定的頻率和振幅進(jìn)行上下振蕩，也就是說，在掃描過程中，針尖既非拖拉跨過樣品表面的接觸模式，也非遠(yuǎn)離樣品表面的非接觸模式，而是可以讓針尖與樣品表面交替地接觸和離開，即輕敲模式；由于克服了接觸模式的針尖因被簡單的拖拉跨過樣品而受到的相關(guān)聯(lián)的摩擦力、粘著力和靜電力等的影響，也不存在針尖被吸附到樣品表面的可能，所以既能夠有效防止劃傷樣品，又能夠減少圖像失真，從而有利于獲得精確表征樣品表面形貌的高分辨率圖像。

然而，通常的掃描式探針顯微鏡的儀器占地面積大、價(jià)格昂貴、儀器的電子控制與電子反饋器復(fù)雜，探針需要特殊材料、需要激光、而且通常的掃描式探針顯微鏡只能探表面的納米結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種觸探式掃描裝置，包括：掃描分析組件，掃描分析組件包括由頂壁、底壁和與底壁相垂直的側(cè)壁共同圍成的不透明的封閉式腔體，底壁的內(nèi)表面固定有多個(gè)組成塊，組成塊的高度均小于腔體的高度；頂壁上設(shè)有對(duì)應(yīng)于組成塊的空洞軌道，空洞軌道貫穿頂壁，且寬度小于任意一個(gè)組成塊在各個(gè)方向上的邊長；掃描探針，用于自空洞軌道插入腔體內(nèi)部來依次掃描各個(gè)組成塊，掃描探針包括針柄和針頭，針頭至少在一個(gè)方向上的寬度小于空洞軌道的寬度。

進(jìn)一步地，底壁的內(nèi)表面設(shè)有固定單位長度的網(wǎng)格，網(wǎng)格由沿寬度方向的多條平行橫線和沿厚度方向的多條平行縱線相交而成，各個(gè)組成塊的底面中心置于網(wǎng)格的交點(diǎn)處，空洞軌道對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格設(shè)置。

優(yōu)選地，空洞軌道包括對(duì)應(yīng)于一條縱線的一條縱向軌道和對(duì)應(yīng)于多條橫線的多條橫向軌道，縱向軌道將多條橫向軌道貫穿連通。

進(jìn)一步地，橫向軌道為對(duì)應(yīng)于橫線的直線軌道。

優(yōu)選地，橫向軌道為對(duì)應(yīng)于橫線的“凸”字型軌道，每條橫向軌道包括間隔排布的多個(gè)突出部分，每個(gè)突出部分均對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格的一個(gè)交點(diǎn)。

進(jìn)一步地，腔體的頂壁上和/或側(cè)壁上標(biāo)識(shí)有與網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系。

優(yōu)選地，組成塊的底面均為正方形，且每個(gè)組成塊的底面邊長為X。進(jìn)一步地，當(dāng)針頭接觸組成塊時(shí)，針頭的軸中心對(duì)應(yīng)交點(diǎn)。

優(yōu)選地，當(dāng)針頭在各個(gè)方向上的最大寬度d小于組成塊的邊長X時(shí)，網(wǎng)格的單位長度 W滿足：W≥X，且任意兩個(gè)相鄰組成塊之間的距離L滿足：L≥0；當(dāng)針頭在各個(gè)方向上的最大寬度d大于等于組成塊的邊長X時(shí)，網(wǎng)格的單位長度W滿足：W≥0.5d+0.5X，且任意兩個(gè)相鄰的組成塊之間的距離L滿足：L≥0.5d-0.5X。

進(jìn)一步地，組成塊為可拆卸地固定于底壁的內(nèi)表面上。

優(yōu)選地，掃描探針的遠(yuǎn)離針頭的另一端設(shè)有手柄。

進(jìn)一步地，針柄上標(biāo)有高度標(biāo)尺。

優(yōu)選地，針頭上安裝有信號(hào)發(fā)送元件與信號(hào)接收元件。

進(jìn)一步地，掃描探針上設(shè)有控制器，用于控制掃描探針沿著空洞軌道依次對(duì)多個(gè)組成塊的上表面進(jìn)行自動(dòng)掃描，并將掃描得到的各個(gè)組成塊的高度和形狀數(shù)據(jù)傳輸給外部的控制系統(tǒng)。

綜上，利用本實(shí)用新型的觸探式掃描裝置，利用但簡化了傳統(tǒng)的掃描式探針顯微鏡的掃描式間接觸探的原理，不需要任何光電或者特殊材料，可以作為簡單的教育玩具或科學(xué)工具等，為兒童等群體提供安全、低成本的玩耍新體驗(yàn)與學(xué)習(xí)科學(xué)的樂趣。

為讓本實(shí)用新型的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí)施例并結(jié)合附圖詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中的觸探式掃描裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中的觸探式掃描裝置的整體結(jié)構(gòu)透視圖；

圖3a為本實(shí)用新型的實(shí)施例中的觸探式掃描裝置的頂壁外表面的第一俯視圖；

圖3b為本實(shí)用新型的實(shí)施例中的觸探式掃描裝置的頂壁外表面的第二俯視圖；

圖4為本實(shí)用新型的第一實(shí)施例中的觸探式掃描裝置的組成塊和探針組合的剖面圖；

圖5為本實(shí)用新型的第二實(shí)施例中的觸探式掃描裝置的組成塊和探針組合的剖面圖。

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。雖然本實(shí)用新型的描述將結(jié)合較佳實(shí)施例一起介紹，但這并不代表此實(shí)用新型的特征僅限于該實(shí)施方式。恰恰相反，結(jié)合實(shí)施方式作實(shí)用新型介紹的目的是為了覆蓋基于本實(shí)用新型的權(quán)利要求而有可能延伸出的其它選擇或改造。為了提供對(duì)本實(shí)用新型的深度了解，以下描述中將包含許多具體的細(xì)節(jié)。本實(shí)用新型也可以不使用這些細(xì)節(jié)實(shí)施。此外，為了避免混亂或模糊本實(shí)用新型的重點(diǎn)，有些具體細(xì)節(jié)將在描述中被省略。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實(shí)用新型中的具體含義。

另外，在以下的說明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“頂”、“底”，不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

【第一實(shí)施例】

如附圖1和圖2中所示，一種觸探式掃描裝置100，包括：掃描分析組件1，掃描分析組件1包括由頂壁11、底壁13和與底壁相垂直的側(cè)壁12共同圍成的不透明的封閉式腔體2，底壁13的內(nèi)表面固定有多個(gè)組成塊3，組成塊3的高度均小于腔體2的高度；頂壁 11上設(shè)有對(duì)應(yīng)于組成塊3的空洞軌道4，空洞軌道4貫穿頂壁11，且寬度小于任意一個(gè)組成塊3在各個(gè)方向上的邊長；掃描探針5，用于自空洞軌道4插入腔體內(nèi)部來依次掃描各個(gè)組成塊3，掃描探針5包括針柄51和針頭52，針頭52至少在一個(gè)方向上的寬度小于空洞軌道4的寬度。

進(jìn)一步地，如圖2中所示，底壁13的內(nèi)表面設(shè)有固定單位長度的網(wǎng)格，網(wǎng)格由沿寬度方向的多條平行橫線和沿厚度方向的多條平行縱線相交而成，各個(gè)組成塊3的底面中心置于網(wǎng)格的交點(diǎn)處，空洞軌道4對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格設(shè)置。

更進(jìn)一步地，腔體2的頂壁11上和/或側(cè)壁12上標(biāo)識(shí)有與網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系。具體來講，例如掃描分析組件1為不透明箱體，箱體包括由頂壁、底壁和與底壁相垂直的四個(gè)側(cè)壁共同圍成的方形腔體，相鄰且相互垂直的兩個(gè)側(cè)壁上分別標(biāo)識(shí)有坐標(biāo)標(biāo)尺(A，B，C， D…)和(1，2，3，4…)，底壁的內(nèi)表面上設(shè)有對(duì)應(yīng)坐標(biāo)標(biāo)尺的網(wǎng)格，網(wǎng)格由沿寬度方向 (圖1和圖2中的A方向)的多條平行橫線和沿厚度方向(圖1和圖2中的B方向)的多條平行縱線相交而成，包括形成N*N規(guī)格的多個(gè)方格和位于多條橫線和縱線交錯(cuò)處的多個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)可表示為A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4…；底壁的內(nèi)表面固定有與網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的組成塊，組成塊的高度小于方形腔體的高度；頂壁的外表面對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格設(shè)有空洞軌道，空洞軌道貫穿頂壁，以供掃描探針的針頭自空洞軌道插入方形腔體內(nèi)部依次對(duì)各個(gè)組成塊的高度進(jìn)行觸探式掃描。

優(yōu)選地，空洞軌道包括對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格的一條縱線的一條縱向軌道31和對(duì)應(yīng)于多條橫線的多條橫向軌道32，縱向軌道31將多條橫向軌道32貫穿連通，本實(shí)施例中，如圖3a中所示，橫向軌道32為對(duì)應(yīng)于橫線的直線軌道，掃描探針5可沿著圖3a中所示的空洞軌道 4進(jìn)行曼哈頓規(guī)格式掃描。

本實(shí)施例中，組成塊的底面均為正方形，且每個(gè)組成塊的底面邊長為X。進(jìn)一步地，當(dāng)針頭接觸組成塊時(shí)，針頭的軸中心對(duì)應(yīng)交點(diǎn)。更為具體地，如圖2中所示，縱向軌道31 位于底壁上的網(wǎng)格中縱線的正上方，掃描探針5的針頭52自空洞軌道4插入方形腔體2 內(nèi)部，從而接觸到固定于底壁13上的組成塊3，此時(shí)，針頭52的中心對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的一個(gè)交點(diǎn)。

優(yōu)選地，當(dāng)針頭在各個(gè)方向上的最大寬度d小于組成塊的邊長X時(shí)，網(wǎng)格的單位長度 W滿足：W≥X，且任意兩個(gè)相鄰的組成塊之間的距離L滿足：L≥0；具體來講，例如圖4 中所示，組成塊的邊長為1cm，其中任意兩個(gè)相鄰的交點(diǎn)A1和B1之間的最小距離為1cm，當(dāng)針頭在各個(gè)方向上的最大寬度d小于1cm時(shí)，任意兩個(gè)相鄰的組成塊之間可以相互接觸地排列放置(L等于0的情況)，也可以保持一定距離地排列放置(L大于0的情況)。

進(jìn)一步地，針頭52可以為方形或者圓形，也可以為其他能夠起到相同作用的形狀。

進(jìn)一步地，組成塊3為可拆卸地固定于底壁的內(nèi)表面上。實(shí)際應(yīng)用中，可以采用磁鐵、螺絲、螺釘、粘片、黏膠等固定器件將組成塊固定于底壁的內(nèi)表面上，以避免掃描過程中組成塊任意移動(dòng)，當(dāng)需要變換組成塊的位置時(shí)，可將組成塊拆卸下來重新進(jìn)行組合。

優(yōu)選地，掃描探針5的遠(yuǎn)離針頭的另一端設(shè)有手柄6，如圖1中所示，手柄的設(shè)計(jì)便于操作者手持掃描探針對(duì)腔體內(nèi)部的各個(gè)組成塊依次進(jìn)行掃描，取得更舒適的握持感。

進(jìn)一步地，針柄51上標(biāo)有高度標(biāo)尺，以便于操作者直接從針柄上讀出當(dāng)前位置處的組成塊的高度。

優(yōu)選地，針頭52上還可以安裝信號(hào)發(fā)送元件與信號(hào)接收元件，實(shí)踐中可以采用超聲波發(fā)生器與超聲波接收器，以利用超聲波原理來獲得當(dāng)前位置處的組成塊高度。

進(jìn)一步地，掃描探針5上設(shè)有控制器，控制器中設(shè)置控制芯片，用于控制掃描探針沿著空洞軌道依次對(duì)多個(gè)組成塊3的上表面進(jìn)行自動(dòng)掃描，并將掃描得到的各個(gè)組成塊3的高度和形狀數(shù)據(jù)傳輸給外部的控制系統(tǒng)。這樣無需在掃描分析組件1的外壁上標(biāo)記坐標(biāo)，并可以連接電腦等設(shè)備來紀(jì)錄和控制坐標(biāo)，從而提高操作的自動(dòng)化程度。

【第二實(shí)施例】

如附圖1和圖2中所示，一種觸探式掃描裝置100，包括：掃描分析組件1，掃描分析組件1包括由頂壁11、底壁13和與底壁相垂直的側(cè)壁12共同圍成的不透明的封閉式腔體2，底壁13的內(nèi)表面固定有多個(gè)組成塊3，組成塊3的高度均小于腔體2的高度；頂壁 11上設(shè)有對(duì)應(yīng)于組成塊3的空洞軌道4，空洞軌道4貫穿頂壁11，且寬度小于任意一個(gè)組成塊3在各個(gè)方向上的邊長；掃描探針5，用于自空洞軌道4插入腔體內(nèi)部來依次掃描各個(gè)組成塊3，掃描探針5包括針柄51和針頭52，針頭52至少在一個(gè)方向上的寬度小于空洞軌道4的寬度。

進(jìn)一步地，如圖2中所示，底壁13的內(nèi)表面設(shè)有固定單位長度的網(wǎng)格，網(wǎng)格由沿寬度方向(圖1和圖2中的A方向)的多條平行橫線和沿厚度方向(圖1和圖2中的B方向) 的多條平行縱線相交而成，各個(gè)組成塊3的底面中心置于網(wǎng)格的交點(diǎn)處，空洞軌道4對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格設(shè)置。

更進(jìn)一步地，腔體2的頂壁11上和/或側(cè)壁12上標(biāo)識(shí)有與網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系。

優(yōu)選地，空洞軌道包括對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格的一條縱線的一條縱向軌道31和對(duì)應(yīng)于多條橫線的多條橫向軌道32，縱向軌道31將多條橫向軌道32貫穿連通，本實(shí)施例中，如圖3b中所示，橫向軌道32還可以為對(duì)應(yīng)于橫線的“凸”字型軌道，每條橫向軌道包括間隔排布的多個(gè)突出部分，每個(gè)突出部分均對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格的一個(gè)交點(diǎn)。掃描探針5沿著圖3b中所示的空洞軌道進(jìn)行曼哈頓式掃描，當(dāng)探針的針柄51進(jìn)入“凸”字型軌道的突出部分時(shí)，由于軌道兩側(cè)的限制作用，探針無法縱向自由移動(dòng)，從而保證了探測(cè)的便利性和準(zhǔn)確性。

本實(shí)施例中，組成塊的底面均為正方形，且每個(gè)組成塊的底面邊長為X。進(jìn)一步地，當(dāng)針頭接觸組成塊時(shí)，針頭的軸中心對(duì)應(yīng)交點(diǎn)。更為具體地，如圖2中所示，縱向軌道31 位于底壁上的網(wǎng)格中一條縱線的正上方，掃描探針5的針頭52自空洞軌道4插入方形腔體2內(nèi)部，從而接觸到固定于底壁13上的組成塊3，此時(shí)，針頭52的中心對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的一個(gè)交點(diǎn)。

優(yōu)選地，當(dāng)針頭在各個(gè)方向上的最大寬度d大于等于組成塊的邊長X時(shí)，網(wǎng)格的單位長度W滿足：W≥0.5d+0.5X，且任意兩個(gè)相鄰的組成塊之間的距離L滿足：L≥0.5d-0.5X。具體來講，例如圖5中所示，當(dāng)針頭在各個(gè)方向上的最大寬度d為1.5cm時(shí)，組成塊的邊長X為1cm時(shí)，任意兩個(gè)相鄰的交點(diǎn)A1和B1之間的最小距離W為1.25cm，W任意兩個(gè)相鄰的組成塊之間的最小距離L為0.25cm；當(dāng)針頭的寬度d為2cm時(shí)，組成塊的邊長X 為1cm時(shí)，任意兩個(gè)相鄰的交點(diǎn)A1和B1之間的最小距離為1.5cm，任意兩個(gè)相鄰的組成塊之間的最小距離L則為0.5cm。

進(jìn)一步地，針頭52可以為方形或者圓形，也可以為其他能夠起到相同作用的形狀。

進(jìn)一步地，組成塊3為可拆卸地固定于底壁的內(nèi)表面上。實(shí)際應(yīng)用中，可以采用磁鐵、螺絲、螺釘、粘片、黏膠等固定器件將組成塊固定于底壁的內(nèi)表面上，以避免掃描過程中組成塊任意移動(dòng)，當(dāng)需要變換組成塊的位置時(shí)，可將組成塊拆卸下來重新進(jìn)行組合。

優(yōu)選地，掃描探針5的遠(yuǎn)離針頭的另一端設(shè)有手柄6，如圖1中所示，手柄的設(shè)計(jì)便于操作者手持掃描探針對(duì)腔體內(nèi)部的各個(gè)組成塊依次進(jìn)行掃描，取得更舒適的握持感。

進(jìn)一步地，針柄51上標(biāo)有高度標(biāo)尺，以便于操作者直接從針柄上讀出當(dāng)前位置處的組成塊的高度。

優(yōu)選地，針頭52上還可以安裝信號(hào)發(fā)送元件(如超聲波)信號(hào)與接收元件，實(shí)踐中可以采用超聲波發(fā)生器與超聲波接收器，以利用超聲波原理來獲得當(dāng)前位置處的組成塊高度。

進(jìn)一步地，掃描探針5上設(shè)有控制器，控制器中設(shè)置控制芯片，用于控制掃描探針沿著空洞軌道依次對(duì)多個(gè)組成塊的上表面進(jìn)行自動(dòng)掃描，并將掃描得到的各個(gè)組成塊的高度和形狀數(shù)據(jù)傳輸給外部的控制系統(tǒng)。這樣無需在掃描分析組件1的外壁上標(biāo)記坐標(biāo)，并可以連接電腦等設(shè)備來紀(jì)錄和控制坐標(biāo)，從而提高操作的自動(dòng)化程度。

綜上所述，利用本實(shí)用新型的觸探式掃描裝置，利用但簡化了傳統(tǒng)的掃描式探針顯微鏡的掃描式間接觸探的原理，不需要任何光電或者特殊材料，可以作為簡單的教育玩具或科學(xué)工具等，為兒童等群體提供安全、低成本的玩耍新體驗(yàn)與學(xué)習(xí)科學(xué)的樂趣，具有很高的市場(chǎng)推廣價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本實(shí)用新型的原理及其功效，而非用于限制本實(shí)用新型。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本實(shí)用新型的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本實(shí)用新型所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本實(shí)用新型的權(quán)利要求所涵蓋。