具有双倾功能的透射电镜原位样品杆制造技术

具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，包括杆身，设于杆身内、与杆身同轴的转轴和设置于转轴头端的纳米驱动器；纳米驱动器头端安装倾转台，倾转台具有与纳米驱动器固定的基座，基座上设有弹簧片和动子，动子预紧于弹簧片与基座之间，动子与弹簧片、动子与基座分别为平面接触，动子与弹簧片之间设有第一压电驱动件，基座和动子之间设有第二压电驱动件；基座上设有圆弧导轨，动子设有与圆弧导轨匹配的滑动件，动子上设有样品安装部位。本发明专利技术具有兼具原位测试功能和双轴倾转功能的优点。

In situ TEM rod with double tilt function

【技术实现步骤摘要】
具有双倾功能的透射电镜原位样品杆
本专利技术涉及一种透射电子显微镜的样品杆，特别是一种的具有双倾功能的原位实验样品杆。
技术介绍
透射电子显微镜（TEM）是表征材料微观结构的重要设备，样品杆是TEM的重要组件之一，样品杆起到承载样品，并对样品施加物理场，如力、热、电、光等作用。目前，材料科学研究的深入对透射电子显微镜及其原位技术提出了更高的要求，如何在对材料施加外场作用的同时，实现TEM原位双倾观测，称为研究的热点。根据倾转的方式，商业化的TEM样品杆分为单轴倾转和双轴倾转（双倾）两种。沿样品杆轴线的旋转为X轴旋转，垂直于样品杆轴和电子束入射方向的旋转为Y轴旋转，Y轴的旋转需要在样品杆上通过旋转样品载台来实现。双倾样品杆可以在X轴和Y轴两个维度转动样品，从而方便观测晶体结构物质的表面形貌和衍射花样，表征样品的晶体结构。通常，Y轴倾转主要通过以下几种方式实现：方式1、偏心曲轴驱动的Y轴旋转：通过在偏心曲轴前端镶嵌陶瓷小球，小球卡在样品倾转台卡槽中心，通过后端步进电机转动带动曲柄和小球转动，推动倾转台在Y轴方向实现±30°倾转。Gatan公司的646型和652型样品杆均采用这种方式。但这种方式采用的机械结构的装配精度要求高，装配工艺复杂，前端镶嵌的小球极易损坏；而且该倾转装置的体积较大，几乎占用了整个样品杆前段的空间，无法加装额外的测量装置。方式2、推杆和斜面驱动的Y轴倾转：RodrigoA.Bernal等人在《Double-tiltinsituTEMholderwithmultipleelectricalcontactsanditsapplicationinMEMS-basedmechanicaltestingofnanomaterials》设计了一种双轴倾转透射样品杆，利用步进电机连接推动杆前后运动推动前端倾转台斜面，使倾转台绕中心倾转轴旋转，实现Y轴倾转。该方式增大了样品杆前段的可用空间，适合与多种MEMS芯片搭配使用，但Y轴倾转的角度收到较大限制，样品的Y轴倾转角度只能在±15°以内。但是，采用方式1或方式2实现双轴倾转的样品杆都主要用于对材料显微结构的观测，很难同时兼具原位测试功能，如加热、制冷和力学测试（拉伸或压缩）。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种兼具原位测试功能和双轴倾转功能的透射电镜样品杆。具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，包括杆身，设于杆身内、与杆身同轴的转轴和设置于转轴头端的纳米驱动器；其特征在于：纳米驱动器头端安装倾转台，倾转台具有与纳米驱动器固定的基座，基座上设有弹簧片和动子，动子预紧于弹簧片与基座之间，动子与弹簧片、动子与基座分别为平面接触，动子与弹簧片之间设有第一压电驱动件，基座和动子之间设有第二压电驱动件；基座上设有圆弧导轨，动子设有与圆弧导轨匹配的滑动件，动子上设有样品安装部位。转轴提供样品绕X轴转动的自由度，倾转台提供样品绕Y轴摆动的自由度。使样品绕Y轴倾转时，用导线连接第二压电驱动件和第一压电驱动件，对两个压电驱动件施加锯齿波信号，使两个压电驱动件同时、同向作“缓慢变形、快速撤回”的周期性运动，压电驱动件缓慢变形时，驱动动子绕Y轴摆动；压电驱动件快速撤回时，动子停留在原位，或仅发生较小幅度的撤回位移，但压电驱动件已恢复形变。如此，两个压电驱动件通过多次小位移累积的获得样品在Y轴的大角度位移。这种多次小位移累积的驱动方式，压电驱动件与动子之间的摩擦力是至关重要的。摩擦力过大，则可能无法驱动动子运动；摩擦力过小，又会导致动子无法自锁定位置。本专利技术使用弹簧片预紧动子，通过调节弹簧片的预紧程度，来调节动子受到的压力，从而调节动子与弹簧片、基座之间的摩擦力。第一压电驱动件与动子的接触面、第二压电驱动件与动子的接触面均为平面，压电驱动件与动子的接触面积大，因此调节好摩擦力，即可实现对动子的稳定驱动，以及在无外力驱动时动子的稳定自锁。动子的运动轨迹被基座上的圆弧导轨限制，压电驱动件步进式驱动动子时，动子在圆弧导轨允许的范围内摆动，从而保证样品始终绕Y轴摆动。如此，可以保证在高倍率放大时，样品始终在透射电镜的视域范围内。为了明确动子与基座的安装方式，进一步限定:基座上设有两个安装座，弹簧片架设于两个安装座，基座、两个安装座和弹簧片围成驱动和容纳动子运动的容纳腔，动子穿过容纳腔；动子安装于容纳腔时，动子高出安装座。动子略高于安装座，因此，当动子安装于安装座时，弹簧片被拉伸，从而为动子提供压力。改变安装座的高度、或动子的厚度即可调整弹簧片对动子的压力。优选的，动子从头端向后依次为样品安装部，与容纳腔配合的受驱动部和与圆弧导轨匹配的滑动件。仅驱动部在容纳腔的区域内，样品安装部和滑动件均外露于容纳腔。样品安装部外露，使得样品能够被方便的安装。滑动件外露，使得滑动件与驱动件的距离形成力臂，使动子以容纳腔区域为锚点区域，以圆弧导轨为运动轨迹绕Y轴摆动。优选的，基座具有与纳米驱动器固定的连接部，和由安装座、容纳腔和圆弧导轨形成的动子安装部，连接部与安装部正交。连接部将基座与纳米驱动器固定，基座与纳米驱动器统一自由度，转轴为基座提供X轴的旋转自由度。安装部与X轴正交，动子在XOY平面摆动，使样品具有Y轴位移，实现在Y轴的倾转。优选的，基座的连接部为螺钉孔，基座通过螺钉与纳米驱动器连接；纳米驱动器上设置对应的螺钉孔。优选的，弹簧片通过螺钉与安装座固定，两个安装座等高，两个安装座清楚容纳腔的两个侧壁，弹簧片形成容纳腔的顶板，基座形成容纳腔的底板，底板与安装座的顶面平行。从而使动子能够被均匀的预紧在弹簧片和底板之间，是动子受力均匀。优选的，圆弧导轨是设置于容纳腔和连接部之间的圆弧形通孔。通孔使得油污等不容易滞留在基座内，保持样品仓清洁。通孔的两个侧壁起到限制运动行程的作用。两个安装座也起到限制动子运动区域的作用，使样品始终在视域范围内摆动，即使在高倍率放大时，也不会脱离视域。优选的，安装座和圆弧导轨之间有过线槽。过线槽用于方便将导线引入两个压电驱动件，并且限制导线位置，避免导线自由移动。优选的，每个安装座和圆弧导轨之间设有过线槽。可以使两个压电驱动件的导线分别从两侧引出。或者是，根据实验时的空间环境，选择好引线的一侧将导线引出。优选的，基座一体成型，圆弧导轨、安装座和过线槽由减材方式形成。减材方式如铣、线切割等加工方式。针对动子的具体结构，进一步限定：动子呈条状，动子具有与第一压电驱动件接触的第一平面和与第二压电驱动件接触的第二平面，第一平面和第二平面相对；动子的前段设置样品安装孔和与样品安装孔正交的锁紧螺钉孔，锁紧螺钉孔为通孔。样品插入样品安装孔内，然后再旋入锁紧螺钉，锁紧样品。将锁紧螺钉孔设为通孔，便于清洗动子，并防止污渍残留，保持样品和样品仓清洁。优选的，滑动件设置于动子的尾端。优选的，滑动件为圆柱销，圆柱销的数量为一个或者两个；有两个圆柱销时，圆柱销之间有距离；或者两个圆柱销用圆弧过渡连为一体，过渡的圆弧与相比两个圆柱销内凹。圆柱销与圆弧导轨线接触。两个圆柱销时，同时两点与圆弧导轨接触，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，包括杆身，设于杆身内、与杆身同轴的转轴和设置于转轴头端的纳米驱动器；其特征在于：纳米驱动器头端安装倾转台，倾转台具有与纳米驱动器固定的基座，基座上设有弹簧片和动子，动子预紧于弹簧片与基座之间，动子与弹簧片、动子与基座分别为平面接触，动子与弹簧片之间设有第一压电驱动件，基座和动子之间设有第二压电驱动件；基座上设有圆弧导轨，动子设有与圆弧导轨匹配的滑动件，动子上设有样品安装部位。/n

【技术特征摘要】
1.具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，包括杆身，设于杆身内、与杆身同轴的转轴和设置于转轴头端的纳米驱动器；其特征在于：纳米驱动器头端安装倾转台，倾转台具有与纳米驱动器固定的基座，基座上设有弹簧片和动子，动子预紧于弹簧片与基座之间，动子与弹簧片、动子与基座分别为平面接触，动子与弹簧片之间设有第一压电驱动件，基座和动子之间设有第二压电驱动件；基座上设有圆弧导轨，动子设有与圆弧导轨匹配的滑动件，动子上设有样品安装部位。


2.如权利要求1所述的具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，其特征在于：基座上设有两个安装座，弹簧片架设于两个安装座，基座、两个安装座和弹簧片围成驱动和容纳动子运动的容纳腔，动子穿过容纳腔；动子安装于容纳腔时，动子高出安装座。


3.如权利要求1所述的具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，其特征在于：动子从头端向后依次为样品安装部，与容纳腔配合的受驱动部和与圆弧导轨匹配的滑动件。


4.如权利要求1所述的具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，其特征在于：基座具有与纳米驱动器固定的连接部，和由安装座、容纳腔和圆弧导轨形成的动子安装部，连接部与安装部正交。


5.如权利要求4所述的具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，其特征在于：基座的连接部为螺钉孔，基座通过螺钉与纳米驱动器连接；纳米驱动器上设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂安民，张奕志，王宏涛，田永君，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33