一种低温纳米机械手及控制方法技术

本发明专利技术属于机械手技术领域，公开了一种低温纳米机械手，包括纳米机械手本体、所述纳米机械手本体包括机械手控制模块和探针模块，所述机械手控制模块与探针模块连接，实现探针模块的运动控制，所述低温纳米机械手还包括冷却系统，所述纳米机械手本体包括降温模块，所述冷却装置与降温模块连接，所述冷却装置将冷量传递给降温模块进而再传递给探针模块，从而降低探针模块的温度。本发明专利技术的机械手具有冷却模块，实现了低温下夹取和转移低温样品。同时，本发明专利技术中巧妙地利用压电陶瓷管多自由度以及高精度的优势，通过两根压电陶瓷管的组合和控制实现对样品的纳米级夹取和转移。具有结构紧凑、可靠性高、精度高、控制灵活的优点。控制灵活的优点。控制灵活的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种低温纳米机械手及控制方法


[0001]本专利技术属于机械手
，尤其涉及一种低温纳米机械手及控制方法。

技术介绍

[0002]机械手作为一种常用的夹取装置被广泛应用于现代工业自动化场景中。目前，常规的机械手依然集中在宏观尺度，而在一些涉及真空环境下微纳米操纵的场景中（比如移动和堆积纳米物质以组装纳米器件和微纳米加工等），常常需要机械手能够达到纳米级的位移精度，以便对微纳米级的样品进行操纵，这是常规机械手无法满足的。另一方面，随着低温纳米技术的快速发展，对处于低温下的微纳米样品进行操纵需求日益迫切，比如对处于低温下的样品进行纳米级的加工以及纳米级的器件组装等。然而，目前还缺乏相应的纳米机械手以对低温样品进行纳米级的夹取和转移。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的在于提供一种低温纳米机械手及控制方法,以解决现有技术中缺乏纳米机械手以对低温样品进行纳米级的夹取和转移的技术问题。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术充分利用压电驱动器的高精密运动特性，结合高效、可控的冷却手段，提出了一种结构紧凑、多自由度操纵的低温纳米机械手的解决方案，可完全应用于低温下样品的纳米级夹取和转移。本专利技术的一种低温纳米机械手及控制方法的具体技术方案如下：一种低温纳米机械手，包括纳米机械手本体、所述纳米机械手本体包括机械手控制模块和探针模块，所述机械手控制模块与探针模块连接，实现探针模块的运动控制，所述低温纳米机械手还包括冷却系统，所述纳米机械手本体包括降温模块，所述冷却装置与降温模块连接，所述冷却装置将冷量传递给降温模块进而再传递给探针模块，从而降低探针模块的温度。
[0005]进一步的，所述降温模块包括冷却管道、冷却底座和柔性导热带，所述冷却管道穿过冷却底座，所述冷却管道包括冷却管道进气口和冷却管道出气口，冷却管道进气口连接冷却装置，并与冷却底座保持接触，经过与冷却底座换热的气体由冷却管道出气口排出，所述柔性导热带一端与冷却底座紧密连接，另一端与探针模块紧密连接，所述降温模块通过柔性导热带的热量传递实现探针模块的冷却。
[0006]进一步的，包括控制系统，所述控制系统连接冷却装置和纳米机械手本体，用于控制纳米机械手本体的冷却温度和运动。
[0007]进一步的，所述机械手控制模块包括左右对称设置的压电驱动器、压电转接管和压电控制线路，所述压电驱动器通过压电转接管与降温模块的冷却底座紧密固定连接，所述压电驱动器电极通过压电控制线路连接到控制系统，所述压电驱动器用于驱动探针模块实现纳米量级的操纵功能。
[0008]进一步的，所述压电转接管采用铝合金材料，所述压电转接管与冷却底座接触的
表面具有氧化层，所述压电转接管与压电驱动器内壁接触的部分无氧化层。
[0009]进一步的，所述冷却装置为气体冷却装置，包括气瓶、质量流量计及换热罐，所述气瓶输出连接质量流量计，所述质量流量计连接换热罐和控制系统，所述换热罐内具有换热器和冷却剂，所述气瓶用于盛放待冷却的干燥气体，所述控制系统通过质量流量计控制气体的流量，所述换热罐内的换热器用于实现待冷却干燥气体与冷却剂的热交换。
[0010]进一步的，所述探针模块包括左右对称设置的探针底座和探针，两个探针底座一端分别与两个压电驱动器固定连接，所述探针底座上表面与降温模块的柔性导热带紧密连接，两个探针底座的另一端分别与两个探针紧密固定连接，所述控制系统通过控制左右两边的压电驱动器的电压从而控制探针的夹紧、松开、移动操作，所述探针底座通过柔性导热带的热传递实现冷却，所述探针底座进一步把冷量传递到探针尖端，实现探针的低温状态。
[0011]进一步的，所述纳米机械手本体包括测温模块，所述测温模块包括温度传感器和温度反馈线路，所述探针底座远离探针的一端与温度传感器紧密连接，所述温度传感器与控制系统通过温度反馈线路连接，所述控制系统根据温度传感器的反馈和目标温度的差异，发送指令给冷却装置，通过控制冷却装置的流量以实现对探针温度的控制。
[0012]进一步的，所述压电驱动器采用压电陶瓷管，所述压电陶瓷为圆柱形，每根所述压电陶瓷管具有五个电极，分别为：X向一个XO电极，所述XO电极在圆柱内壁；Y向两个电极：YA电极 和YB电极；Z向两个电极：ZA电极和ZB电极；所述YA 电极和YB电极左右对称设置，所述ZA电极和ZB电极上下对称设置，5个所述电极彼此绝缘。
[0013]本专利技术还公开了一种低温纳米机械手的控制方法，包括如下步骤：伸缩控制步骤：同时对两根压电陶瓷管内壁的XO电极施加正向电压，两根压电陶瓷管伸长，实现探针的前进；同时对两根压电陶瓷管XO电极施加反向电压，两根压电陶瓷管收缩，实现探针的后退；对中精调步骤：对两根压电陶瓷管的XO电极施加不同方向的电压，两根压电陶瓷管一根沿X方向伸长，一根沿X方向缩短，实现探针在夹取样品时X方向的精调；对两根压电陶瓷管中的一根ZA电极施加负向电压，ZB电极施加正向电压，另一根压电陶瓷管ZA电极施加正向电压，ZB电极施加负向电压，实现探针在夹取样品时Z方向的精调；夹紧松开步骤：对单根压电陶瓷管Y方向的电极YA和电极YB施加反向电压，使压电陶瓷管沿Y方向产生弯曲，从而实现压电陶瓷管前端Y向的位移；夹紧：对左侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，使其沿Y轴正向偏移，同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加反向电压，使其沿Y轴负向偏移，实现探针15对样品的加紧；松开：对左侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加负向电压，使其沿Y轴负向偏移，同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，使其沿Y轴正向偏移，实现探针对样品的松开；上下移动步骤：通过对单根压电陶瓷管Z方向的一对电极施加反向电压，使压电陶
瓷管沿Z方向产生弯曲，从而实现压电陶瓷管前端Z向的位移；向上移动：对两根压电陶瓷管的ZA电极同时施加负向电压，ZB电极同时施加正向电压，使其沿Z轴正向偏移，实现探针在Z轴正向的移动；向下移动：对两根压电陶瓷管的ZA电极同时施加正向电压，ZB电极同时施加负向电压，使其沿Z轴负向偏移，实现探针在Z轴负向的移动。
[0014]本专利技术的一种低温纳米机械手及控制方法具有以下优点：本专利技术的机械手具有冷却模块，通过冷却装置连接到冷却模块实现冷却模块的降温，通过冷却模块将冷量传递到探针，实现低温下夹取和转移低温样品。冷却装置采用气体冷却方式，减小了纳米机械手高精度运动时的振动。同时，本专利技术中巧妙地利用压电陶瓷管多自由度以及高精度的优势，通过两根压电陶瓷管的组合和控制实现对样品的纳米级夹取和转移。本专利技术结构紧凑、可靠性高、精度高、控制灵活、实现了低温下的纳米级机械手控制。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的低温纳米机械手的结构示意图；图2为本专利技术的纳米机械手本体俯视图；图3为图2的A
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A剖视图；图4为本专利技术的压电驱动器的俯视图；图5为图4的B
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B剖视图；图6为本专利技术的低温纳米机械手的工作模式示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温纳米机械手，包括纳米机械手本体（10）、所述纳米机械手本体（10）包括机械手控制模块和探针模块，所述机械手控制模块与探针模块连接，实现探针模块的运动控制，其特征在于，所述低温纳米机械手还包括冷却系统（20），所述纳米机械手本体（10）包括降温模块，所述冷却装置（20）与降温模块连接，所述冷却装置（20）将冷量传递给降温模块进而再传递给探针模块，从而降低探针模块的温度。2.根据权利要求1所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述降温模块包括冷却管道（11）、冷却底座（12）和柔性导热带（16），所述冷却管道（11）穿过冷却底座（12），所述冷却管道（11）包括冷却管道进气口（111）和冷却管道出气口（112），冷却管道进气口（111）连接冷却装置（20），并与冷却底座（12）保持接触，经过与冷却底座（12）换热的气体由冷却管道出气口（112）排出，所述柔性导热带（16）一端与冷却底座（12）紧密连接，另一端与探针模块紧密连接，所述降温模块通过柔性导热带（16）的热量传递实现探针模块的冷却。3.根据权利要求2所述的低温纳米机械手，其特征在于，包括控制系统（30），所述控制系统（30）连接冷却装置（20）和纳米机械手本体（10），用于控制纳米机械手本体（10）的冷却温度和运动。4.根据权利要求3所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述机械手控制模块包括左右对称设置的压电驱动器（13）、压电转接管（17）和压电控制线路（32），所述压电驱动器（13）通过压电转接管（17）与降温模块的冷却底座（12）紧密固定连接，所述压电驱动器（13）的电极通过压电控制线路（32）连接到控制系统（30），所述压电驱动器（13）用于驱动探针模块实现纳米量级的操纵功能。5.根据权利要求4所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述压电转接管（17）采用铝合金材料，所述压电转接管（17）与冷却底座（12）接触的表面具有氧化层，所述压电转接管（17）与压电驱动器（13）内壁接触的部分无氧化层。6.根据权利要求2所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述冷却装置（20）为气体冷却装置，包括气瓶（21）、质量流量计（22）及换热罐（25），所述气瓶（21）输出连接质量流量计（22），所述质量流量计（22）连接换热罐（25）和控制系统（30），所述换热罐（25）内具有换热器（23）和冷却剂（24），所述气瓶（21）用于盛放待冷却的干燥气体，所述控制系统（30）通过质量流量计（22）控制气体的流量，所述换热罐（25）内的换热器（23）用于实现待冷却干燥气体与冷却剂（24）的热交换。7.根据权利要求4所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述探针模块包括左右对称设置的探针底座（14）和探针（15），两个探针底座（14）一端分别与两个压电驱动器（13）固定连接，所述探针底座（14）上表面与降温模块的柔性导热带（16）紧密连接，两个探针底座（14）的另一端分别与两个探针（15）紧密固定连接，所述控制系统（30）通过控制左右两边的压电驱动器（13）的电压从...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克强，王宏涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：