CN101413902B

CN101413902B - 一种扫描电镜原位观察的全柔性三平移混联微动装置

Info

Publication number: CN101413902B
Application number: CN2008102362872A
Authority: CN
Inventors: 杨启志; 杨海波; 马履中; 尹小琴
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101413902A

Abstract

本发明公开了一种扫描电镜原位观察的全柔性三平移混联微动装置。它包括底座(1、2)、样品台(3)、显微压头支架(4)以及压电陶瓷微驱动器(5a、5b、5c)，显微压头支架(4)位于样品台(3)上方，所述的全柔性三平移混联微动装置由二自由度的全柔性平面并联机构与单自由度的全柔性机构串联一起组成混联机构，二自由度的全柔性平面并联机构为x、y向微动平移结构，单自由度的全柔性机构为z向微动平移结构。采用上述结构的发明，不会引入润滑剂挥发产生的污染，还可避免振动冲击、摩擦磨损等缺陷；另外，避免了测试过程各种误差的积累，能够满足高精密要求。

Description

一种扫描电镜原位观察的全柔性三平移混联微动装置

技术领域

本发明涉及一种利用全柔性混联机构组合压电陶瓷微驱动系统的用于扫描电镜原位观察的三平移微动装置，属于材料结构与性能原位测试领域。

背景技术

在工程材料领域，高性能微纳磁性材料和磁性信息记录材料等的研究一直是热点，使用扫描电镜观察材料被划痕处理后的断裂性能、摩擦性能等的技术是研究材料常用手段之一。但目前扫描电镜只能观察到材料裂纹扩展后或材料相互摩擦后的静态显微景像，比如：可以看到材料裂纹沿晶界扩展后的显微景像，材料相互摩擦后的摩擦面，而对材料划痕过程的动态性能变化，比如材料的相变(一些材料的相变过程很快，易被氧化)、裂纹在相中的扩展等动态过程，却无法观察，最根本的原因是扫描电镜存放材料样品的真空试样室太小，一般只有Φ25mm——Φ50mm左右，无法将普通的划痕系统放置其中，只有在外面划痕处理后，再静态放置在扫描电镜中，很多划痕过程中产生的动态信息产生流失。对于一些高性能磁性材料，比如：微纳磁性材料、磁性信息记录材料等，划痕时产生的动态相变过程是记录其对力及电信号反应的关键性能之一，只有在划痕过程中原位观察。因此，研究工程材料领域中扫描电镜真空试样室用的能够实现材料原位观察的微动机械系统具有十分重要的研究意义及工程应用前景。材料原位观察的微动机械系统是一种典型的高精度微动机构，在电镜室中要实现金刚石显微压头在材料试样表面至少两个方向或多个方向的微量移动，与此同时通过高倍目镜观察记录材料的显微动态性能变化，因而材料原位观察的微动机械系统是一种多自由度运动输出的微动机构。由于扫描电镜存放材料样品的试样室是真空的，这种多自由度微动机械系统若利用传统机械平台进行微小化来处理，由于传统机械由大量零件组成，相互运动的零件间需要润滑，普通润滑剂易在真空环境挥发产生污染，这是不允许的；即使利用传统机械平台进行微小化来获得此种微动机械系统高精密运动、动力输出，由于传统机械自身的固有缺陷(比如：传统机械是多种大量零件的安装组合，不可避免的产生各种误差的积累，其误差的量级已经超出了高精密微细运动的精度量级，甚至运动范围。)，已不能满足如此的高精密要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种扫描电镜原位观察的全柔性三平移混联微动装置，能够解决现有技术中润滑剂产生污染以及不能满足高精密要求的技术缺陷。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：它包括底座、样品台、显微压头支架以及压电陶瓷微驱动器，显微压头支架位于样品台上方，所述的全柔性三平移混联微动装置由二自由度的全柔性平面并联机构与单自由度的全柔性机构串联一起组成混联机构，二自由度的全柔性平面并联机构为x、y向微动平移结构，单自由度的全柔性机构为z向微动平移结构。

本发明所述的x、y向微动平移结构由x、y向底座、样品台、压电陶瓷微驱动器以及柔性杆组成，四个柔性杆连接样品台与x、y向底座，在样品台与x、y向底座之间设有两个可以分别x、y向微动的压电陶瓷微驱动器；所述的z向微动平移结构由z向底座、动平台、压电陶瓷微驱动器以及具有柔性铰链的柔性支链组成，四个具有柔性铰链的柔性支链连接动平台与z向底座，在动平台与z向底座之间设有一个可以z向微动的压电陶瓷微驱动器；x、y向微动平移结构的x、y向底座与z向微动平移结构的动平台刚性连接。

本发明采用柔性机构(械)加串并联机构来解决高精密三平移运动要求。柔性机构是一种通过构件或柔性运动副的弹性变形(柔性)来输出的全部或部分运动或力的机构。柔性机构中由于没有刚性运动副，靠构件自身的柔性(弹性变形)来实现运动，因而可以无需润滑，不会引入润滑剂挥发产生的污染，满足了材料原位观察的微动机械系统试样室的苛刻要求，还可避免振动冲击、摩擦磨损等缺陷；另外，该微动装置由于摈弃了传统机械多种大量零件的安装组合方式，避免了测试过程各种误差的积累，能够满足高精密要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1所示为本发明的主视图

图2所示为本发明的俯视图

图3所示为本发明的左视图

图4所示为本发明中x、y向微动平移结构的主视图

图5所示为本发明中x、y向微动平移结构的俯视图

图6所示为本发明中z向微动平移结构的主视图

图7所示为本发明中z向微动平移结构的俯视图

具体实施方式

如图所示，本发明包括底座1、2、样品台3、显微压头支架4以及压电陶瓷微驱动器5a、5b、5c，显微压头支架4位于样品台3上方，可以紧固安装在底座1上，如图螺钉7将显微压头支架4安装在底座1上，显微压头可以采用金刚石显微压头。所述的全柔性三平移混联微动装置由二自由度的全柔性平面并联机构与单自由度的全柔性机构串联一起组成混联机构，二自由度的全柔性平面并联机构为x、y向微动平移结构，单自由度的全柔性机构为z向微动平移结构。所述的x、y向微动平移结构由x、y向底座2、样品台3、压电陶瓷微驱动器5a、5b以及柔性杆8组成，四个柔性杆8连接样品台3与x、y向底座2，在样品台3与x、y向底座2之间设有两个可以分别x、y向微动的压电陶瓷微驱动器5a、5b；所述的z向微动平移结构由z向底座1、动平台9、压电陶瓷微驱动器5c以及具有柔性铰链的柔性支链10组成，四个具有柔性铰链的柔性支链10连接动平台9与z向底座1，在动平台9与z向底座1之间设有一个可以z向微动的压电陶瓷微驱动器5c；x、y向微动平移结构的x、y向底座2与z向微动平移结构的动平台9刚性连接，可以采用如图螺钉6的刚性连接方式。

图4、图5所示为x、y向微动平移结构。其样品台3的平面运动靠四个柔性杆8在两个压电陶瓷驱动器5a、5b的驱动下的弹性变形来实现。两个压电陶瓷驱动器5a、5b各自驱动样品台3实现x向、y向微动移动。

图6、图7为z向微动平移结构。其动平台9通过四个柔性支链10两端的柔性铰链的微运动实现z向微动。x、y向微动平移结构的x、y向底座2与z向微动平移结构的动平台9刚性连接，从而可以使样品台3也实现z向微动。

这样样品台3就具有X、Y、Z三个方向微动移动功能。若将显微压头支架4压在样品台3上的样品上，通过驱动三压电陶瓷驱动器5a、5b、5c，即可在样品上实现三平移的微划痕。将整个系统放置在扫描电镜样品室中，即可实现材料试样的原位观察。

在本发明中，对柔性杆以及具有柔性铰链的柔性支链数目的变化，都应被认为落入了本发明的保护范围。

Claims

1.一种扫描电镜原位观察的全柔性三平移混联微动装置，包括x、y向底座以及z向底座、样品台、显微压头支架以及压电陶瓷微驱动装置，显微压头支架位于样品台上方，其特征在于所述的全柔性三平移混联微动装置由二自由度的全柔性平面并联机构与单自由度的全柔性机构串联一起组成混联机构，二自由度的全柔性平面并联机构为x、y向微动平移结构，单自由度的全柔性机构为z向微动平移结构；所述的x、y向微动平移结构由x、y向底座、样品台、压电陶瓷微驱动器以及柔性杆组成，四个柔性杆连接样品台与x、y向底座，在样品台与x、y向底座之间设有两个可以分别x、y向微动的压电陶瓷微驱动器；所述的z向微动平移结构由z向底座、动平台、压电陶瓷微驱动器以及具有柔性铰链的柔性支链组成，四个具有柔性铰链的柔性支链连接动平台与z向底座，在动平台与z向底座之间设有一个可以z向微动的压电陶瓷微驱动器；x、y向微动平移结构的x、y向底座与z向微动平移结构的动平台刚性连接。