一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置，包括第一進氣口、第二進氣口、主氣體管道、輔氣體管道、加濕氣體管道、氣體循環管道、外置混合腔、實驗腔和傳感反饋系統。第一進氣口通過主氣體管道與外置混合腔相連。第二進氣口通過輔氣體管道與外置混合腔相連。輔氣體管道在經過輔氣體電磁換向閥后單獨分出一支加濕氣體管道，加濕氣體管道另一端與外置混合腔相連。氣體循環管道一端與外置混合腔相連，另一端與實驗腔相連。傳感反饋系統連接外置混合腔內部的氣體濃度傳感器，并控制主氣體電磁換向閥和輔氣體電磁換向閥。本發明專利技術能夠實現氮氣、氧氣、氫氣、氬氣、水蒸氣、酒精蒸汽等單一或兩者混合的環境氣氛的精確制備。

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

【技術實現步驟摘要】
一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置
本專利技術涉及掃描探針技術或設備領域，具體涉及一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置。
技術介紹
納米科學技術的出現無疑是現代科學技術的重大突破，納米摩擦學是其中重要的組成部分。納米摩擦學是在原子分子尺度研究物質相互接觸，以及在滑動過程中表面的微觀摩擦、磨損與潤滑行為及其機理。納米摩擦學是傳統宏觀摩擦學研究的一個重大拓展與深入。掃描探針顯微鏡憑借其納米級甚至亞納米級的掃描分辨率，以及對微觀摩擦學行為優異的表征能力，成為在微觀研究領域不可或缺的設備。在納米摩擦學的研究中，常常需要利用掃描探針顯微鏡對不同工況進行微觀實驗分析，這就需要在掃描探針顯微鏡的探針與樣品之間模擬實際工況，真實可靠的反映宏觀摩擦磨損對應的微觀摩擦學問題。為此，在對材料表面進行形貌掃描以及微觀摩擦磨損等納米摩擦學實驗研究時，需要在實驗腔內部保持不同氣體組分、不同氣體比例的環境氣氛。目前常用的環境氣氛有氮氣、氧氣、氫氣、氬氣、水蒸氣、酒精蒸汽以及其中兩者的混合，例如，在二氧化硅探針對單晶硅基底的微觀摩擦磨損實驗中，需要控制相對濕度，即水蒸氣與氮氣的比例，來進行單晶硅水誘導摩擦化學磨損行為的研究。目前，絕大多數商用掃描探針顯微鏡可以實現溫度的控制以及液下環境的使用，然而，其環境氣氛的控制還需要借助外部輔助環境氣氛控制裝置。環境氣氛控制裝置利用實驗腔上的進氣孔向實驗腔內部通氣，實驗腔內部的排氣孔能夠保證腔內部氣壓穩定，經過較長時間通氣調節，就可以達到實驗要求的穩定環境氣氛條件。環境氣氛控制裝置主要分兩種，一種是商用的氣體發生裝置，其多為濕度發生器，用于濕度傳感器的校準，或者輸出一定相對濕度的氣體，這種設備價格較為昂貴，且不能夠提供其他指定氣體組分、指定氣體比例的環境氣氛，例如50％相對濕度的氮氣或者含有30％濃度氧氣的氮氣等；另一種是自行研制的環境氣氛控制裝置，例如中國專利技術專利“一種用于原子力顯微鏡的氣氛控制系統，201410009253.5”，其通過向實驗腔內部分別通入相關實驗氣體，讓多種實驗氣體在實驗腔內部混合，調節相關實驗氣體進氣量，從而達到穩定的實驗環境氣氛，該系統有效解決了氣體發生裝置只能調節相對濕度、不能變換氣體組分的弊端。然而，對具有狹小實驗腔的掃描探針顯微鏡來說，上述環境氣氛控制裝置存在如下問題：(1)商用的氣體發生裝置價格昂貴，作用較為單一，只能夠實現濕度環境氣氛的制備。(2)自行研制的環境氣氛控制裝置，其借助實驗腔作為混合腔，調整時間長且過程反復，操作過慢的問題將使樣品在環境氣氛中停留過長時間進而導致表面性質發生變化，影響實驗結果。同時，該裝置需要對實驗腔內部一直通氣，產生的震動與氣流沖擊將會導致狹小實驗腔內部的實驗無法進行。(3)部分掃描探針顯微鏡的實驗腔非常狹小，例如美國牛津儀器公司的MFP-3D原子力顯微鏡，實驗腔總體積不超過4毫升，如果利用實驗腔進行氣體混合調節，需要非常小的進氣量。然而，現有的節流閥很難實現有效控制，這將會對操作者帶來非常大的困擾，操作過程反復、繁瑣，無法快速穩定調節到所需的環境氣氛。同時，實驗腔內部空間狹小導致無法安裝體積較大的傳感器，例如氧氣、氫氣等氣體濃度傳感器，無法實時監測到實驗腔內部的環境氣氛狀態。綜上所述，為了有效地進行納米摩擦學實驗研究，環境氣氛作為一項極為關鍵的實驗因素需要被嚴格控制，因此，面向掃描探針顯微鏡，尤其是實驗腔狹小的掃描探針顯微鏡，為其提供一種環境氣氛精確控制裝置，對需要精確控制環境氣氛的納米摩擦學研究具有非常重大的意義。
技術實現思路
由于部分掃描探針顯微鏡的實驗腔非常狹小，導致如下問題：1)實驗腔內部氣體混合操作難度大、時間長，可能會導致材料表面性質發生變化；2)內部沒有足夠的空間安裝體積較大的傳感器，無法有效監測實驗腔內部的環境氣氛狀態；3)商用氣體發生器價格昂貴且作用單一，只能制備濕度環境氣氛；4)自行研制的環境氣氛控制裝置由于需要利用實驗腔進行氣體混合，并且需要一直通氣以保證實驗腔內部的環境氣氛，無法適用于狹小的實驗腔。針對上述問題，本專利技術提供了一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置。為解決上述技術問題，本專利技術的技術方案是：一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置，包括：第一進氣口、第二進氣口、主氣體管道、輔氣體管道、加濕氣體管道、氣體循環管道、外置混合腔、實驗腔和傳感反饋系統。第一進氣口通過主氣體管道與外置混合腔相連。第二進氣口通過輔氣體管道與外置混合腔相連。輔氣體管道在經過輔氣體電磁換向閥后單獨分出一支加濕氣體管道，加濕氣體管道另一端與外置混合腔相連。氣體循環管道一端與外置混合腔相連，另一端與實驗腔相連。傳感反饋系統連接外置混合腔內部的氣體濃度傳感器，并控制主氣體電磁換向閥和輔氣體電磁換向閥。進一步的，所述主氣體管道包括：通過管道依次連接的主氣體限流閥、主氣體電磁換向閥、主氣體單向閥和主氣體開關閥。主氣體限流閥控制主氣體管道中氣體的流量大小。主氣體電磁換向閥作為傳感反饋系統的執行器，自動控制主氣體管道中氣體流動的通斷。主氣體單向閥保證主氣體管道中的氣體從第一進氣口流入外置混合腔，而不發生倒流。主氣體開關閥用于手動控制主氣體管道中氣體流動的通斷，同時配合外置混合腔抽取真空。進一步的，所述輔氣體管道包括：通過管道依次連接的輔氣體限流閥、輔氣體電磁換向閥、輔氣體單向閥和輔氣體開關閥。輔氣體限流閥控制輔氣體管道中氣體的流量大小。輔氣體電磁換向閥作為傳感反饋系統的執行器，自動控制輔氣體管道和加濕氣體管道中氣體流動的通斷。輔氣體單向閥保證輔氣體管道中的氣體從第二進氣口流入外置混合腔，而不發生倒流。輔氣體開關閥用于手動控制輔氣體管道內氣體流動的通斷，同時配合外置混合腔抽取真空，以及配合加濕氣體開關閥，控制氣體在輔氣體管道或加濕氣體管道中的流動方向。進一步的，所述加濕氣體管道包括：通過管道依次連接的加濕氣體開關閥、加濕氣體單向閥、防倒吸集氣瓶、加濕集氣瓶和加濕氣體開關閥。加濕氣體管道與輔氣體管道共用一個輔氣體電磁換向閥。輔氣體管道在經過輔氣體電磁換向閥后單獨分出一支加濕氣體管道，之后依次連接加濕氣體開關閥、加濕氣體單向閥、防倒吸集氣瓶、加濕集氣瓶、加濕氣體開關閥。第一個加濕氣體開關閥配合輔氣體開關閥，控制氣體在加濕氣體管道或輔氣體管道中的流動方向。第二個加濕氣體開關閥與外置混合腔相連，用于手動控制加濕氣體管道中氣體流動的通斷，同時配合外置混合腔抽取真空。進一步的，所述氣體循環管道包括：氣體循環第一開關閥、氣體循環第二開關閥和氣體循環隔膜泵。氣體循環第一開關閥位于氣體循環第一管道上。氣體循環第二開關閥和氣體循環隔膜泵位于氣體循環第二管道上。外置混合腔和實驗腔通過氣體循環第一管道和氣體循環第二管道相連。氣體循環隔膜泵可以讓兩腔之間形成穩定的氣體循環，同時也間接增大實驗腔的體積。通過監測控制外置混合腔內部的環境氣氛狀態，可以間接控制實驗腔內部的環境氣氛狀態。進一步的，所述傳感反饋系統包括：氣體濃度傳感器、單片機、主氣體電磁換向閥本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置，其特征在于：包括第一進氣口(I1)、第二進氣口(I2)、主氣體管道(A1)、輔氣體管道(A2)、加濕氣體管道(A3)、氣體循環管道(A4)、外置混合腔(20)、實驗腔(25)和傳感反饋系統，第一進氣口(I1)通過主氣體管道(A1)與外置混合腔(20)相連，第二進氣口(I2)通過輔氣體管道(A2)與外置混合腔(20)相連，輔氣體管道(A2)在經過輔氣體電磁換向閥(13)后單獨分出一支加濕氣體管道(A3)，加濕氣體管道(A3)另一端與外置混合腔(20)相連，氣體循環管道(A4)一端與外置混合腔(20)相連，另一端與實驗腔(25)相連，傳感反饋系統連接外置混合腔(20)內部的氣體濃度傳感器(19)，并控制主氣體電磁換向閥(6)和輔氣體電磁換向閥(13)。/n

【技術特征摘要】
1.一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置，其特征在于：包括第一進氣口(I1)、第二進氣口(I2)、主氣體管道(A1)、輔氣體管道(A2)、加濕氣體管道(A3)、氣體循環管道(A4)、外置混合腔(20)、實驗腔(25)和傳感反饋系統，第一進氣口(I1)通過主氣體管道(A1)與外置混合腔(20)相連，第二進氣口(I2)通過輔氣體管道(A2)與外置混合腔(20)相連，輔氣體管道(A2)在經過輔氣體電磁換向閥(13)后單獨分出一支加濕氣體管道(A3)，加濕氣體管道(A3)另一端與外置混合腔(20)相連，氣體循環管道(A4)一端與外置混合腔(20)相連，另一端與實驗腔(25)相連，傳感反饋系統連接外置混合腔(20)內部的氣體濃度傳感器(19)，并控制主氣體電磁換向閥(6)和輔氣體電磁換向閥(13)。


2.根據權利要求1所述的一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置，其特征在于：所述主氣體管道(A1)包括依次由管道相連的主氣體限流閥(5)、主氣體電磁換向閥(6)、主氣體單向閥(7)和主氣體開關閥(8)，主氣體限流閥(5)用于控制主氣體管道(A1)中氣體的流量大小，主氣體電磁換向閥(6)作為傳感反饋系統的執行器，自動控制主氣體管道(A1)中氣體流動的通斷，主氣體單向閥(7)保證主氣體管道(A1)中的氣體從第一進氣口(I1)流入外置混合腔(20)，而不發生倒流，主氣體開關閥(8)用于手動控制主氣體管道(A1)中氣體流動的通斷，同時配合外置混合腔(20)抽取真空。


3.根據權利要求1所述的一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置，其特征在于：所述輔氣體管道(A2)包括依次由管道相連的輔氣體限流閥(12)、輔氣體電磁換向閥(13)、輔氣體單向閥(10)和輔氣體開關閥(11)，輔氣體限流閥(12)用于控制輔氣體管道(A2)內氣體的流量大小，輔氣體電磁換向閥(13)作為傳感反饋系統的執行器，自動控制輔氣體管道(A2)和加濕氣體管道(A3)中氣體流動的通斷，輔氣體單向閥(10)保證輔氣體管道(A2)中的氣體從第二進氣口(I2)流入外置混合腔(20)，而不發生倒流，輔氣體開關閥(11)用于手動控制輔氣體管道(A2)內氣體流動的通斷，同時配合外置混合腔(20)抽取真空，以及配合加濕氣體開關閥(14)，控制氣體在輔氣體管道(A2)或加濕氣體管道(A3)中的流動方向。


4.根據權利要求1所述的一種掃描探針顯微鏡狹小實驗腔環境氣氛精確控制裝置，其特征在于：所述加濕氣體管道(A3)包括依次由管道相連的加濕氣體開關閥(14)、加濕氣體單向閥(15)、防倒吸集氣瓶(16)、加濕集氣瓶(17)和加濕氣體開關閥(18)，加濕氣體管道(A3)與輔氣體管道(A2)共用一個輔氣體電磁換向閥(13)，輔氣體管道(A2)在經過輔氣體電磁換向閥(13)后單獨分出一支加濕氣體管道(A3)，之后依次連接加濕氣體開關閥(14)、加濕氣體單向閥(15)、防倒吸集氣瓶(16)、加濕集氣瓶(17)和濕氣體開關閥(18)，第一個加濕氣體開關閥(14)配合輔氣體開關閥(11)，控制氣體在加濕氣體管道(A3)或輔氣體管道(A2)中的流動方向，第二個加濕氣體開關閥(1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：江亮，陳宇山，錢林茂，郝盼，吳淵，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：發明
國別省市：四川;51