三种工作模式的低温兼容压电纳米位移台制造技术

一种压电纳米位移台，包括水平位移台、z方向位移管、连接零件和样品盘；其中：水平位移台，包括两个压电陶瓷堆、电容传感器和机械放大结构，两个水平位移台通过中间连接板连接，从而具备水平x、y两个方向的扫描能力；z方向位移管，包括压电陶瓷管、绝缘管、升降柱、弯曲弹簧片和蓝宝石片，用于实现所述升降柱的步进上升和步进下降；连接零件，包括绝缘连接器、水平位移台连接器和位移台外壳，用于组装连接z方向位移管和水平位移台；样品盘，包括上样品盘、中样品盘、下样品盘、半球蓝宝石珠、样品盘弹簧片和受压平台；通过这些结构部分的相互连接及相互配合实现样品盘沿z方向的步进上升与步进下降。下降。下降。

【技术实现步骤摘要】
三种工作模式的低温兼容压电纳米位移台


[0001]本专利技术涉及精密定位与扫描
，尤其涉及一种三种工作模式的低温兼容压电纳米位移台。

技术介绍

[0002]在扫描探针显微镜中一般采用压电陶瓷驱动的位移台来移动与扫描样品。样品沿xyz方向毫米级的移动可以通过步进的方式实现，即通过位移台“位移
‑
迅速回复”的周期运动使样品依靠自身惯性向目标方向移动。这样的移动方式只适用于样品定位和粗略的大范围扫描。
[0003]亚纳米级的高精度局部样品扫描取决于位移台的最大移动范围。在低温环境中，空间狭小，压电陶瓷的压电系数一般降至室温的10％，这两个因素限制了低温位移台的扫描范围。为了扩大局部扫描范围，位移台一般具有包含柔性铰链的机械放大结构，通过柔性铰链的变形放大压电陶瓷的伸长量。柔性铰链的变形包含期望变形和非期望变形，非期望变形会造成压电陶瓷伸长量的浪费，降低扫描范围。
[0004]位移台的稳定性是扫描台的另一个重要指标。位移台稳定性的降低会导致显微镜容易受外界振动影响而导致分辨率的降低。提高稳定性需要增大位移台的共振频率，即增大位移台扫描方向的劲度系数，增大扫描方向位移的阻力。这会导致柔性铰链的期望变形减少，非期望变形增多。因此，机械放大结构的放大倍数和稳定性相互制约，一方面的提高总是以另一方面的降低为代价。现有技术中公开了位移台的扫描范围和共振频率相互制约的关系，也公开了两种常见的机械放大结构：杠杆型和桥型。通过有限元模拟这两种结构，发现位移输出方向的阻力增大时，这两种结构的放大率显著降低，压电陶瓷的伸长量有相当的一部分浪费在了铰链的非期望形变上。如何设计机械放大结构以尽量降低柔性铰链的非期望形变，是本专利要解决的问题之一。
[0005]原子级扫描有着更高的精度要求。机械放大结构在扩大扫描范围的同时也会扩大由电学噪声带来的影响。因此，原子级扫描一般无法使用机械放大结构，从而只有较小的扫描范围。
[0006]传统的位移台一般只具有毫米级定位、亚纳米级扫描、原子级扫描三种工作模式之一。为了同时实现三种工作模式，需要将司职不同功能的位移台叠在一起，但这种组合方式降低了整个系统的共振频率且会占据较大的空间，进而无法同时达到大范围、高精度、高稳定性、低热耗散的要求。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种三种工作模式的低温兼容压电纳米位移台，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
[0008]为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，提供了一种压电纳米位移台，包括水平位移台、z方向位移管、连接零件和样品盘；其中：
[0009]水平位移台，包括两个压电陶瓷堆、电容传感器和机械放大结构，两个水平位移台通过中间连接板连接，从而具备水平x、y两个方向的扫描能力，其中，水平扫描台的位移方向为x方向，与x方向垂直的在同一水平面内的方向为y方向；
[0010]z方向位移管，包括压电陶瓷管、绝缘管、升降柱、弯曲弹簧片和蓝宝石片，用于实现所述升降柱的步进上升和步进下降；
[0011]连接零件，包括绝缘连接器、水平位移台连接器和位移台外壳，用于组装连接z方向位移管和水平位移台；
[0012]样品盘，包括上样品盘、中样品盘、下样品盘、半球蓝宝石珠、样品盘弹簧片和受压平台；通过这些结构部分的相互连接及相互配合实现样品盘沿z方向的步进上升与步进下降。
[0013]其中，所述水平位移台包括内圈和外圈，水平位移台的工作方式为内圈固定，外圈相对内圈移动；内圈中含有四个M2螺丝孔，外圈中含有四个M2螺丝孔通孔，用于固定和连接。
[0014]其中，所述内圈中有两个长方形空位用于放置压电陶瓷堆，内圈的中心部分通过两个M3螺丝和外圈相连，将内圈中心部分x方向的位移传递给外圈；内圈相应的一侧开有两个孔，供两个M3螺丝穿过。
[0015]其中，所述水平位移台总共三对弹簧片，用于连接内圈和外圈，提高稳定性，提高水平位移台的共振频率。
[0016]其中，所述水平位移台的外圈上分布有圆形的孔洞，使水平位移台的总质量降低，从而提高位移台的共振频率。
[0017]其中，所述水平位移台通过电容位移传感器实现闭环控制，从而达到亚纳米级的精度；
[0018]所述水平位移台总共有四个圆柱形的空间，用于嵌入z方向位移管。
[0019]其中，所述压电陶瓷管内部套着陶瓷加工的光滑绝缘管；绝缘管内壁三个互成60
°
的平面上各粘有蓝宝石片；弹簧片弯曲后卡在升降柱的凹槽内；弯曲弹簧片和一个蓝宝石片相切，另外两个蓝宝石片和升降柱相切；通过摩擦力，升降柱被三个蓝宝石片夹持。
[0020]其中，直接在所述压电陶瓷管上施加电压使压电陶瓷管沿z方向伸长或沿水平方向剪切形变，剪切形变用于原子级精度的扫描。
[0021]其中，所述位移台外壳的顶面与水平位移台内圈固定，水平位移台连接器分别与上层水平位移台的外圈和下层水平位移台的内圈固定，下层水平位移台的外圈与绝缘连接器固定；4个z方向位移管固定在绝缘连接器上，并穿过两个水平位移台和外壳上相应的孔洞；z方向位移管的顶部通过升降柱上的螺丝孔与样品盘固定。
[0022]其中，所述上样品盘和中样品盘分别包括xy相互正交的导向槽，下样品盘和中样品盘的上表面分别固定有三个半球蓝宝石珠，形成一个正三角形；其中两个半球蓝宝石珠嵌入导向槽中，另一个半球蓝宝石起支撑作用；前端带有半球蓝宝石珠的弹簧片固定在下样品盘，受压平台固定在上样品盘，样品盘弹簧片通过半球蓝宝石珠对受压平台施加压力，提高上中下样品盘的稳定性。
[0023]基于上述技术方案可知，本专利技术的压电纳米位移台相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
[0024]1、本专利技术的压电纳米位移台的设计有机结合了机械放大结构和压电陶瓷管，使其具备三种工作模式：xyz三个方向的毫米级定位、水平方向上的大范围亚纳米级扫描、xyz三个方向上原子级精细扫描。其中，毫米级定位依靠压电陶瓷管的步进实现；亚纳米级大范围扫描依靠电容传感器闭环控制和机械放大结构实现；原子级精细扫描通过压电陶瓷管的开环扫描实现。
[0025]2、本专利技术的压电纳米位移台在步进工作模式中散热小，适于在低温下使用。毫米级步进是通过压电陶瓷管实现的，而由于压电陶瓷管的电容小，根据散热公式，Q＝CVftanδ(Q为热量，C为压电陶瓷电容，V为驱动电压，f为驱动频率，tanδ为压电陶瓷耗散因子)，位移台在工作中的散热较小。
[0026]3、本专利技术的水平位移台同时具有大扫描范围和高共振频率两个优点，具有1000Hz以上的共振频率，在室温下有75um的局部扫描范围。
[0027]4、本专利技术采用的是以对顶旋转型柔性铰链为核心的机械放大结构，而非目前较为广泛采用的杠杆型或是桥型的放大结构。在这种结构中，旋转为柔性铰链的期望变形，沿压电陶瓷轴向的压缩为非期望变形。由于铰链旋转有一定难度，故本身就能给整个结构提供足够的劲度系数，从而提高共振频率。另外，使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电纳米位移台，其特征在于，包括水平位移台、z方向位移管、连接零件和样品盘；其中：水平位移台，包括两个压电陶瓷堆、电容传感器和机械放大结构，两个水平位移台通过中间连接板连接，从而具备水平x、y两个方向的扫描能力，其中，水平扫描台的位移方向为x方向，与x方向垂直的在同一水平面内的方向为y方向；z方向位移管，包括压电陶瓷管、绝缘管、升降柱、弯曲弹簧片和蓝宝石片，用于实现所述升降柱的步进上升和步进下降；连接零件，包括绝缘连接器、水平位移台连接器和位移台外壳，用于组装连接z方向位移管和水平位移台；样品盘，包括上样品盘、中样品盘、下样品盘、半球蓝宝石珠、样品盘弹簧片和受压平台；通过这些结构部分的相互连接及相互配合实现样品盘沿z方向的步进上升与步进下降。2.根据权利要求1所述的压电纳米位移台，其特征在于，所述水平位移台包括内圈和外圈，水平位移台的工作方式为内圈固定，外圈相对内圈移动；内圈中含有四个M2螺丝孔，外圈中含有四个M2螺丝孔通孔，用于固定和连接。3.根据权利要求2所述的压电纳米位移台，其特征在于，所述内圈中有两个长方形空位用于放置压电陶瓷堆，内圈的中心部分通过两个M3螺丝和外圈相连，将内圈中心部分x方向的位移传递给外圈；内圈相应的一侧开有两个孔，供两个M3螺丝穿过。4.根据权利要求2所述的压电纳米位移台，其特征在于，所述水平位移台总共三对弹簧片，用于连接内圈和外圈，提高稳定性，提高水平位移台的共振频率。5.根据权利要求2所述的压电纳米位移台，其特征在于，所述水平位移台的外圈上分布有圆形的孔洞，使水平位移台的总质量降低，从而提高位移台的共振频率。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：程光磊，蔡方煦，黄成园，王浩远，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：