CN101461026A - 与包含真空室的装置一起使用的滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及与包含真空室(11)的装置一起使用的滑动轴承，该滑动轴承包括：一侧与真空室接触的基板，该基板设有与所述真空室(11)连通的第一通孔(21)；第二板(30)，该第二板的一侧与基板20接触，该第二板设有第二通孔(31)；基板与第二板彼此面对的表面非常光滑以形成一个没有弹性的真空密封；基板(20)与第二板(30)能够在第一通孔与第二通孔没有重叠的第一相对位置及第一通孔与第二通孔重叠的第二相对位置之间滑动。其特征是：第二板(30)是柔性板，柔性板上在基板对面的表面用来密封杯体(50)，该杯体用于容纳标本(1)，基板上的第一通孔(21)具有一个面向柔性板(30)的带有可控制弯曲度的边缘，这个边缘弯曲度的形成使基板与柔性板之间的真空密封形成一个明确轮廓，及赫兹接触压力小于一个预定义的最大接触压力，选择所述预定义的最大接触压力可将粒子产生减至最低程度。

Description

与包含真空室的装置一起使用的滑动轴承
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种与设有真空室的装置一起使用的滑动轴承，所述滑动轴承包括：
基板，基板的一侧与上述真空室接触，该基板设有与上述真空室连通的第一通孔，
第二板，第二板的一侧与基板接触，第二板有第二通孔，
基板与第二板面对彼此的面非常光滑以形成一个非弹性真空密封，
基板与第二板可在第一通孔与第二通孔没有重叠的第一相对位置及第一通孔与第二通孔重叠的第二相对位置之间滑动。
【背景技术】
[0002]这样的滑动轴承可参考欧洲专利申请第05076474号，公开号为EP1 622 185A1。
[0003]这样的滑动轴承，举例说，可应用于台式扫描电子显微镜(台式SEM)。台式SEM是比传统SEM即小巧又便宜的SEM。这样的台式SEM可以向FEI公司商业性地购买，名称为Phenom。
[0004]常见的滑动轴承包括安装有电子光学圆柱的基板。电子光学圆柱沿着电子光轴产生电子聚焦光束。基板有一个与电子光学圆柱排成真空的内部体积相连通的通孔，该通孔以上述电子光轴为中心。基板靠着第二板并以基板与第二板可在彼此之上滑动的方式放置，于是在两块板之间形成了真空密封，由此来密封电子光学圆柱排成真空的内部体积。第二板设有一个放置标本的凹陷处。为了将标本插入上述凹陷处，将两块板定位，以便于基板的通孔被第二板盖住(于是密封了电子光学圆柱排成真空的内部体积)及使所述凹陷处暴露于大气中(因此标本能够从外面进入)。为了观察标本，两块板在彼此之上滑动，使凹陷处与基板的通孔对齐。两块板在彼此之上的滑动也做到将标本上感兴趣的区域与电子光轴的很好对齐。
[0005]如本领域的技术人员所知道的，振动是由粒子光学仪器获得的清晰度的一个主要限制。常见的滑动轴承使用金属与金属封接，没有使用弹性件举例说O型圈的弹性件。不使用弹性件的可滑动密封的一个好处是它导致电子光学圆柱与标本十分牢固地连接在一起，进而产生一个较低的振动敏感度。因此相对于更加常用的弹性件密封，例如O型圈的密封，宁愿选择非弹性件的密封。
[0006]在常见的滑动轴承中，将两块板压在一块的作用力取决于上述真空密封的轮廓所吸附的区域。在基板与第二板之间的界面，在轮廓内的区域可认为被排成真空，轮廓外的区域连接到大气层。将两块板挤压在一起的作用力是这样的被上述轮廓吸附的真空区域乘以大气压力。为了使两块板在彼此之上滑动，必须克服两块板之间的(静态)摩擦力，所述静态摩擦力的大小取决于将两块板压在一块的上述作用力。
[0007]常见滑动轴承的一个缺点是形成真空密封的轮廓不是很明确，比如，两块板中的一块有一个微小的弯曲或者不平坦可能改变真正形成密封的地方的轮廓。作为结果，将两块板压在一块的作用力可能随两块板相对彼此的位置而改变。这个依次地导致当两块板在彼此之上滑动时在两块板之间产生变化的摩擦力，以及产生使两块板在彼此之上滑动的传动装置的不同负荷。驱动器负载的变化与高精度及/或低间隙驱动器的需求是相反的。这也使得必须使用比所需要的驱动器更强大的驱动器，导致该滑动轴承要使用更大更贵的驱动器。
[0008]常见滑动轴承的另一个缺点是在滑动中，在局部产生太高压力的地方可能产生颗粒，这些颗粒能够被带到台式SEM的电子光学圆柱，在那里它们能引起，举例说充电。这些颗粒也能被带到标本上，被错误地当成标本的一部分，于是提供了一个关于标本的假信息。
【发明内容】
[0009]本发明的主要目的是提供一个没有上述缺点的滑动轴承。
[0010]为此，本发明的滑动轴承的特征在于：
第二块板是柔性板，
柔性板上在基板对面的面用来密封杯体，该杯体用于配置标本，
基板上的第一通孔有一个面向柔性板带有可控制弯曲度的边缘，这个边缘的弯曲度的形成使基板与柔性板之间的真空密封形成一个明确的轮廓，及赫兹接触压力小于一个预定义的最大接触压力，选择所述预定义的最大接触压力可将粒子产生减至最低程度。
[0011]通过将第二板设为柔性板，可以在基板上产生任意弯曲度。当柔性板关闭第一通孔时，由于柔性板的一侧是大气压力，另一侧是真空，柔性板被吸进该第一通孔。结果在第一通孔的边缘形成密封，于是形成真空密封的轮廓即被明确。因此两块板被一个明确的力按压在一起。
[0012]通过控制弯曲度即可控制接触区域，给定基板及柔性板材料的弹性，即可确定最大接触压力-赫兹压力。最大接触压力可以通过分析模型确定，然而也模型结合有限元分析也可用来得到产生的最大接触。南霍金(Nam HoKim)等发表在磨损258期(2005)第1787-1793页“振动接触中的金属/金属磨耗的有限元分析及实验”针对一个简单模型描述了上述两种方法。
[0013]1973年7月19日美国华盛顿国家标准局基本标准研究所NBSIR73-243期刊登的B.纳尔逊诺顿(B.Nelson Norden)的“圆柱体与平面接触时的压力”一文针对放置在平面之间的圆柱体，比较了几个模型。特别是这篇报告的第42页及第43页，本技术领域内的技术人员找到了在只有正常负载，没有摩擦力的情况下，赫兹压力、特定材料的圆柱半径及负载之间的关系。
[0014]通过选择弯曲度及材料常数，以便于使这个压力低于一个预定的数值，可被猛降或者是完全避免由于磨损产生的粒子。这个预定的数值能够根据经验得到或者举例说自自板的材料的最大屈服力得到。
[0015]要注意的是当决定最大压力时，必须要考虑表面的粗糙度。以在赫兹模型中发现的最大压力开始的这样一个模型，被公布在R.L杰克森(R.L.Jackson)等在国际摩擦学39期(2006)第906-914页的“粗糙平面之间的弹性塑料粗糙面接触的统计模式”中。
[0016]还要注意的是在上述公式是关于两平面间的正常负荷。实验证明在有摩擦力发生的情况下，通过使用正常负载与摩擦力(两个彼此垂直的力)的矢量和作为施加在表面上的力可得到了一个非常好的近似值。
[0017]在一个实施例中，预定的最大压力小于由冯米塞斯屈服准则或者特雷斯卡的最大剪应力标准得到的最大屈服力。
[0018]如本技术领域内的技术人员所知，确定是否在两种材料的分界面的表面有粒子被拖出的一个判断标准是两块板中较软的那块板的冯米塞斯屈服准则(一小部分)。因此冯米塞斯屈服准则能够用于确定所述预定的数值。乌普萨拉2000，乌普萨拉大学学报，O.
Figure A200780020701D0007181838QIETU
，学术论文“用于机器零件的耐磨性低摩擦镀层”一文，特别是4.4.1章，提供了更多的细节。作为选择地，也可以使用两块板中较软的那块板的特雷斯卡的最大剪应力标准(一小部分)。
[0019]在本发明滑动轴承的另一个实施例中，柔性板被一个或者多个弹性件压向基板。
[0020]大气压力将柔性板上那些通过基板，比如基板上的通孔，呈现真空的地方推向基板。柔性板上的其他位置可能会凹陷。通过一个或多个弹性体将柔性板向基板按压，柔性体上没有真空压力的区域将跟着基板的面将两块板压在一起。这导致了柔性板因为没有凹陷或发生凹陷而形成明确的形状。这保证两块板形成密封处的轮廓是非常明确的。弹性件可以是弹簧，然而也可以是比如由弹性材料如弹力泡绵做成的平板。
[0021]在本发明滑动轴承的又一个实施例中，两块板中至少有一块具有含不同于该板的主体成分的表面层，在这个表面层及另一块板之间的摩擦系数小于该板的主体的材料与另一块板之间的摩擦系数。
[0022]通过在至少一块板上提供表面层用以降低两块板之间的摩擦系数，使两块板在彼此之上滑动所需的力更小，相比于没有出现这样的浸渍的情况而言。这个表面层能够是比如陶瓷表面层，然而也能够是包括比如硒化钨(WSe2)及或碘(I2).浸渍层或覆盖层。
[0023]在本发明滑动轴承的又一个实施例中，两块板中至少有一块设有含铜的表面层。
[0024]通过使用铜合金，两块板中的一块是黄铜中的青铜，另一块是钢，则形成了一个低摩擦的滑动轴承。
[0025]在本发明滑动轴承的又一个实施例中，两块板中至少有一块包括含氟聚合物的表面层。
[0026]通过使用包括含氟聚合物的表面层，比如PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(全氟烷树脂聚合物)、PFA(氟化乙烯-丙烯)或类似的，该滑动轴承形成了一个低的摩擦系数。
[0027]在本发明滑动轴承进一步的实施例中，所述含氟聚合物为PTFE。
[0028]在这个优选实施例中，两块板中至少有一块是浸渍了PTFE(聚四氟乙烯)。这种材料是众所周知的，在广阔范围的材料，如在抛光的钢上滑动时，表现出较低的摩擦系数。
[0029]在本发明滑动轴承的一个实施例中，两块板中至少有一块是被覆盖或浸渍了含金属二硫化物的基层。
[0030]在本发明滑动轴承进一步的实施例中，所述金属二硫化物是MoS2，WS2，WS2中的一种。
[0031]在本发明滑动轴承的一个实施例中，两块板中至少有一块被覆盖或浸渍了油脂或油。
[0032]因为使用油或者油脂形式的润滑剂，两块板之间的摩擦被降低了。使用的油或者油脂可以是有机油或者动物油，然而也可以是合成油及/或氟化油或油脂。特别是已知可适用于真空的特定的氟化油及油脂。
[0033]在包括本发明滑动轴承的装置的实施例中，该装置包括真空室。
[0034]在包括本发明滑动轴承的装置的实施例中，所述真空室是粒子光学柱的一部分。
[0035]在包括本发明滑动轴承的装置的进一步的实施例中，所述粒子光学柱产生离子及/或电子聚焦光束。
[0036]在包括本发明滑动轴承的装置的进一步的实施例中，装置表现为一个扫描电子显微镜的形式。
【附图说明】
[0037]本发明将以图示为基础进行阐明，其中同样的引用数字表示相应的元件。为此：
图1概略地描述了一个包含有本发明滑动轴承的装置的示意图。
图2A概略地描述了所述滑动轴承处于这样一个位置，即它的基板上连通粒子光学柱的通孔被柔性板密封。
图2B概略地描述了所述滑动轴承处于这样一个位置，即它的基板上连接粒子光学柱的通孔与柔性板上的通孔部分重叠。
图2C概略地描述了所述滑动轴承处于这样一个位置，即它的基板上连通粒子光学柱的通孔以柔性板上的通孔为中心。
图3A概略地描述了图2A中的一个细节，显示真空密封。
图3B概略地描述了图3A中的一个细节。
图3C显示一个优选实施方式，其中通孔采取带有唇部的孔的形式。
图4概略地显示了作为带有表面层的滑动轴承的板材料深度的函数的组成。
【具体实施方式】
[0038]图1概略地描述了一个包含有本发明滑动轴承的装置示意图。
[0039]粒子光学柱10安装在滑动轴承的基板20上。该粒子光学柱10包括一个被真空装置(未图示)比如真空汞排成真空的真空室11。该真空室被真空密封17密封至滑动轴承的基板20上。所述真空室围住一个粒子源13，该粒子源产生一个围绕轴线12的粒子束，比如离子束或电子束。该粒子束由透镜(14a，14b)及偏转器15熟练控制。如本技术领域内的技术人员所知，粒子光学的透镜及偏转器可能是有磁性的，故也可以使用电子的透镜及/或偏转器。粒子束通过透镜(14a，14b)将聚焦在标本1上，并通过偏转器15仔细扫描感兴趣的地方。标本被粒子束以此方式照亮，对照射(场所依赖)信息，举例说自标本发出的次级电子、背散射电子或者X射线做出反应。放置在真空室中的探测器16侦测这个信息。探测器的信号可用于形成标本的图像。
[0040]滑动轴承的基板20有一个通孔21。这个位置显示通孔21与抽成真空的粒子光学柱10相连通。
该基板20放置在一块柔性板30上。该柔性板有一个通孔31。所述柔性板由一个支撑板40支撑。这个柔性板连同支撑板，可在基板之上滑动：这就是说支撑板40及柔性板30一起相对于基板移动。支撑板有一个其内放置了杯体50的通孔41。支撑板有两个密封，密封42和密封43，所述密封将杯体50的内部自大气中密封。杯体中包含了标本1。
基板有两个通孔：通孔21和通孔22。
通孔21与粒子光学柱的真空室连通，并且当其与柔性板(如图1显示的情形)的通孔31重叠时，保证杯体50的内部保持真空及粒子束能够照亮标本。
当柔性板的通孔31与基板的通孔21没有重叠时，在柔性板与基板之间形成真空密封，于是粒子光学柱的真空室隔离于空气中。
通孔22用于当基板和柔性板被定位在使通孔22与柔性板的通孔31重叠时，预先排空或者抽空杯体。在真空室11的真空度必须保持在一个最小值的情形下，预先抽真空是有利的：如果当杯体仍然处于大气压下时，杯体还与通孔21连通，那将会在真空室内产生压力爆炸。
[0041]杯体50在圆形轮廓60处被大气压压向柔性板30。因此柔性板压向基板，并且在柔性板与基板之间形成真空密封。
[0042]图2描述了滑动轴承位于柔性板及基板相对彼此的不同位置。
[0043]图2A概略地描述了所述滑动轴承处于基板上连通粒子光学柱的通孔被柔性板密封的位置。
[0044]基板20的通孔21被柔性板堵住。由于柔性板的一侧(支撑板40所在的一侧)是大气压力，而柔性板的另一侧与基板上被抽成真空的通孔21连通，柔性板在通孔21边缘的周围被向内弯折。因此柔性板及基板之间的真空密封形成在基板通孔的边缘。滑动轴承在这个位置时，杯体50的内部与通孔22相连通，通孔22可与一个预真空泵相连以将杯体抽真空。作为选择，通孔22可用于将杯体与空气连通。
[0045]图2B概略地描述了所述滑动轴承处于基板上连接粒子光学柱的通孔与柔性板上的通孔部分重叠的位置。
[0046]图2C概略地描述了所述滑动轴承处于个基板上连接粒子光学柱的通孔集中在柔性板上的通孔的中心处的位置。
[0047]图3A概略地描述了图2A中的一个细节，显示上述真空密封。
[0048]柔性板30被吸入基板20的通孔21内，因为在基板20的通孔21的一侧形成了真空而在柔性板30的相反一侧是大气压力。假设通孔21是圆形的，那就形成直径为D的圆形密封。
沿着轮廓的压力等于被该轮廓环绕的区域的面积乘以大气压力，针对一个圆形轮廓其结果是这样的，
F = P π 4 D 2 - - - [ 1 ]
F是指沿着轮廓的压力，P是指大气压力，D是指轮廓的直径。
为了避免产生粒子，众所周知，最大接触压力或者屈服压力必须低于这两种材料中较软材料的冯米塞斯屈服准则或者特雷斯卡的最大剪应力标准。
[0049]图3B概略地描述了图3A中的一个细节。
[0050]图3B描述了基板20上通孔21边缘的形状。柔性板在轮廓32附近接触基板。对于规定的材料，在一个沿轮廓的给定压力下，为了不产生或者少产生粒子，这个接触区域的尺寸是确定的。.接触区域的尺寸可以通过给基板上通孔21的轮廓32一个最小半径获得，这个半径使接触区域有一个足够大的尺寸。接触区域的该尺寸得自于圆柱体的赫兹公式，其中长度L为轮廓的周长(L＝π×D)，加载力F(参公式1)，或者通过对其建模并使用有限元分析来确定接触区域的尺寸。
通过使用加载力，实验证明，
F tot = F n 2 + F f 2 - - - [ 2 ]
Fn是由公式1得到的正常负载，Ff是静态摩擦力，发生摩擦的情况下可获得一个良好的近似值。
因为静态摩擦力可写成Ff＝μ×Fn，μ为摩擦系数，这样也可写为
F tot = F n 1 + μ 2 - - - [ 3 ]
合并公式[1]和[3]得到
F tot = P × πD 2 4 × 1 + μ 2 - - - [ 4 ]
通过使用纳尔逊诺顿(Nelson Norden)文章中的公式的作用力Ftot，一个最大压力作为与通孔21边缘半径的函数即可被获得。通过选择柔性板在基板上密封处边缘的半径，足够大的那个最终压力完全低于最大的屈服力(由冯米塞斯屈服准则或者特雷斯卡的最大剪应力标准中得到的)，没有或者几乎没有粒子产生。
[0051]要注意到的是纳尔逊诺顿(Nelson Norden)引用的大多数公式是适用于圆柱对平整表面。如图3B所示，事实上，这个情况更近似于一个圆柱(基板上的通孔边缘)对柔性板倚靠的部分，后者于是形成一个具有负半径的圆柱。因此这个分析法的改进是使用更多圆柱对圆柱接触的一般公式，其中的一个圆柱(基板)具有正半径，第二圆柱(柔性板)具有负半径。
[0052]进一步要注意的是，如上面提到的，当决定最大压力时必须考虑表面的粗糙度。以在赫兹模型中发现的最大压力开始的这样一个模型，被公布在R.L杰克森(R.L.Jackson)等在国际摩擦学39期(2006)第906-914页的“粗糙平面之间的弹性塑料粗糙面接触的统计模式”中。
[0053]图3C显示一个优选实施方式，其中通孔采取带有唇部的孔的形式
[0054]这个关于通孔的边缘及材料的选择由多个因素决定，其中的每一个都有特定的优点与缺点。然而，对于其中的每一个，所述最大压力是确定的，并由此能获得边缘的弯曲度。柔性板30的柔性也要被考虑，因为这还决定了轮廓的位置。举例说，当使用直径为2.5厘米的通孔21时，边缘的直径通常大于1米。一个优选的形成具有这种边缘的通孔的方法是在通孔上加工唇部25(形成密封处的轮廓位于该唇部上)，然后借助橡胶垫将该唇部15塑性变形成要求的形式。通过控制唇部的厚度及橡胶垫的压缩，可实现对边缘25半径的良好控制。
[0055]针对两表面的特定材料，前面的段落给出了确定轮廓半径的方法。在做出材料的选择的一个重要因素是两块板之间的摩擦系数，因为这不仅是决定上述半径的因素，而且甚至更重要的是决定上述使两块板在彼此之上滑动的最大压力的因素。抛光的钢的柔性板和表面包括含氟聚合物比如聚四氟乙烯(PTFE)的基板一起构成的组合表现出较低的摩擦系数。整个基板可由这样的聚合物制成，或者是覆盖或浸渍PTFE的抛光金属板。
[0056]要注意到的是覆盖或浸渍一种材料，例如青铜，具有覆盖层，像PTFE的，将在该两种材料中的每一种的弹性模量之间导致一个综合性的弹性模量。钢的陶瓷表面层也是如此。
[0057]在一个优选实施例中，一个钢的柔性板与一个具有青铜表面层的基板结合，其中的青铜表面层浸渍了包括PTEE的含氟聚合物。
[0058]图4概略地显示了这样一个基板的组成：基板的主体101是钢，其表面带有青铜镀层102。镀层是有气孔的，当定位到所述表面时其多孔性增加。用含氟聚合物103浸渍这个青铜镀层，于是引起靠近这个表面的含氟聚合物的数量增加，导致在这个表面形成一个或基本单一的含氟聚合物103的镀层。
[0059]钢的柔性板与有二硫化钼镀层的青铜基板的另一个组合也被证实可很好的工作，尽管当以表面上没有粒子剥落的方式形成金属二硫化物层时要更加注意。
[0060]钢与有机润滑剂的组合也可以很好的工作，但不建议采用它与粒子光学柱一同工作，因为当油脂及(或)油暴露在粒子束时，能够迁移到柱的粒子光学元件中并引起交换。

Claims (14)

1.一种与包含真空室(11)的装置一起使用的滑动轴承，该滑动轴承包括：
基板(20)，该基板的一侧与上述真空室(11)接触，该基板设有与所述真空室(11)连通的第一通孔(12)，
第二板(30)，该第二板的一侧与基板(20)接触，该第二板设有第二通孔(31)，
该基板与第二板彼此相对的表面非常光滑以形成一个没有弹性的真空密封，
所述基板(20)与所述第二板(30)能够在第一通孔与第二通孔没有重叠的第一相对位置及第一通孔与第二通孔重叠的第二相对位置之间滑动，
其特征在于：
第二板(30)是柔性板，
柔性板上在基板对面的表面用来密封杯体(50)，该杯体用于容纳标本(1)，
基板上的第一通孔(21)具有一个面向柔性板带有可控制弯曲度的边缘，这个边缘弯曲度的形成使基板与柔性板之间的真空密封形成一个明确的轮廓，及赫兹接触压力小于一个预定义的最大接触压力，选择所述预定义的最大接触压力可将粒子产生减至最低程度。
2.如权利要求1所述的滑动轴承，其中所述预定义的最大接触压力小于由冯米塞斯屈服准则或者特雷斯卡的最大剪应力标准得到最大屈服力。
3.如前述权利要求中的任一项所述的滑动轴承，其中柔性板(30)通过多个弹性件压向基板(20)。
4.如前述权利要求中的任一项所述的滑动轴承，其中板(20、30)中至少有一块具有含不同于该板的主体成分的表面层，在这个表面层及另一块板之间的摩擦系数小于该板的主体的材料与另一块板之间的摩擦系数。
5.如前述权利要求中的任一项所述的滑动轴承，其中板(20、30)中至少有一块具有含铜的表面层。
6.如前述权利要求中的任一项所述的滑动轴承，其中板(20、30)中至少有一块包括含氟聚合物的表面层。
7.如权利要求6所述的滑动轴承，其中所述含氟聚合物为PTFE。
8.如权利要求1-5中任一项所述的滑动轴承，其中板(20、30)中至少有一块被覆盖或浸渍了含金属二硫化物的基层。
9.如权利要求8所述的滑动轴承，其中所述金属二硫化物是MoS2、WS2、WS2中的一种。
10.如权利要求1-5中任一项所述的滑动轴承，其中板(20、30)中至少有一块被覆盖或浸渍油脂或油。
11.一种包括如上述权利要求中的任一项所述的滑动轴承的装置，该装置包括有真空室(11)。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述真空室(11)是粒子光学柱(10)的一部分。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述粒子光学柱(10)产生离子及/或电子聚焦光束。
14.如权利要求13所述的装置，其中该装置表现为一个扫描电子显微镜的形式。
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