CN102565458A - 一种推挽式二维微移动/定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种推挽式二维微移动装置，主要包括：设置在一个工作平面上的四个驱动器、五个箝制脚和五个磁性柱，每个箝制脚内嵌入一个磁性柱，四个驱动器的一端粘接一个箝制脚，驱动器的另一端分别粘接在同一箝制脚的四个面上，形成“+”字形结构。该放置在工作平面上，并确保每个箝制脚与工作平面接触，通过磁性柱吸附固定。所有驱动器的负极接地，正极分别与四个驱动电压的输出端连接，按照特定方式和时序给驱动器施加驱动电压，就可实现整个装置在工作平面上的二维移动，并具有亚微米量级步长和毫米量级的移动范围。
Description
技术领域
本发明涉及微移动/定位技术领域，特别涉及一种二维微移动装置，属于扫描探针显微技术领域。
背景技术
随着科技的发展，微电子工程、精密工程、生物工程以及纳米科技等领域迫切需要微移动/定位这一关键技术和装置。特别是蓬勃发展的纳米检测与表征领域，微移动/扫描定位技术与扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，简称SPM)密不可分，是选取被测样品感兴趣观测区域的重要技术之一。
SPM是目前进行纳米检测与表征的重要工具，主要包括扫描隧道显微镜、扫描力显微镜以及近场光学显微镜等。由于SPM采用探针(或样品)在X-Y方向上逐点扫描、同时控制探针与样品之间的Z向距离的方式进行显微成像，其最大扫描观测范围受到限制，一般在几微米至几十微米范围内。因此，用于样品选区的微移动/定位装置成为SPM中不可或缺的部件。由于压电陶瓷材料具有性能稳定、使用简便以及较高的位移分辨率、定位精度和动态响应速度等优点，已成为制作微移动/定位装置的主要材料并在SPM中获得了广泛应用。
在现有技术中，用压电陶瓷材料制成的微移动/定位装置主要有微位移爬行器、压电圆管式微动马达和冲击式微动马达等。微位移爬行器主要由压电驱动器、吸定脚以及工作基面组成。吸定脚和工作基面一般由金属材料制成，并且在相互接触的表面上制备一层高绝缘薄膜。吸定脚和工作基面的箝制定位与否一般由二者之间施加的电压所产生的静电力实现，即如果在吸定脚和基面之间施加电压，吸顶脚就与基面箝制不动，去掉电压则放松。按一定时序在两个吸定脚和压电驱动器上施加特定波形的电压，爬行器就能实现微小位移。为了使吸定脚与基面箝制不动，二者之间需要施加很高(几百伏或更高)的电压是这种微动装置的主要缺点。压电圆管式微动马达主要由一个压电陶瓷管和导轴组成。压电陶瓷管外电极被分成三部分，内电极接地，从而使压电陶瓷管变为三个独立受控部分。两端起箝制(机械加紧)作用，中间部分起驱动作用。按一定时序在两端箝制部分和中间驱动部分施加特定波形的电压，这种马达的导轴就可实现线性微移动。由于要求压电陶瓷管的两端箝制部分与导轴吻合极好(一般小于1微米)，因此制作这种微动装置相当困难。冲击式微动马达主要由移动体、驱动体、惯性体以及导轨等几部分组成。通过改变驱动电压的波形可以控制惯性体产生的惯性力的大小和方向，从而使移动体产生微位移。由于这种马达是靠移动体与导轨之间的摩擦力实现箝制定位，所以只能在水平方向上运动。
发明内容
本发明的目的是提供一种推挽式二维微移动装置，可用于SPM样品选区观测，也可用于SPM探针与样品的逼近，为开展SPM纳米检测与表征研究提供有效方法和工具。
本发明所述的推挽式二维微移动装置主要包括在一个工作平面上设置的四个压电陶瓷驱动器(简称驱动器)、五个箝制脚和五个磁性柱，所述的五个磁性柱分别嵌入五个箝制脚的中心通孔中，并通过磁性柱与工作平面的磁性作用，将箝制脚固定在工作平面上，其中一个箝制脚的四个侧面上分别连接有一个驱动器，这四个驱动器的另一端分别连接一个箝制脚，形成“+”形结构。驱动器采用堆栈式压电陶瓷元件，具有体积小、重量轻、压电灵敏度高以及驱动力较大等特点；箝制脚可采用金属材料(如：铜、铝)也可采用非金属材料(如陶瓷)等制作；磁性柱采用钕铁硼永久磁体；工作平面采用铁磁性材料制作，并要求具有较好的粗糙度和面形；五个箝制脚与工作平面配合良好，并能在工作平面上平稳滑移。所有驱动器的负极接地，正电极分别连接到驱动电压VA、VB、VC、VD输出端上。
本发明所述的推挽式二维微移动装置的工作原理如下：选用的四个驱动器(A、B、C、D)具有相同的性能参数，内嵌磁性柱的五个箝制脚(A、B、C、D和E)与工作平面之间的摩擦力(FA、FB、FC、FD和FE)大小相等，并且单独一个箝制脚与工作平面之间的摩擦力小于单独一个驱动器产生的驱动力；按照如下运动模式就可以实现在X-Y方向上的微移动：首先在相邻的两个驱动器A和D上施加驱动电压VA和VD，并且驱动电压VA和VD幅度和相位相同，驱动器A和D随着驱动电压VA和VD的增大而伸长，由于摩擦力FB+FC+FE＞FA+FD，并且方向相反，所以分别与驱动器A和D连接的箝制脚A和D分别沿其轴向移动直到驱动电压VA和VD达到最大值Vmax，而此时箝制脚B、C、E保持原位不动；随后，施加在驱动器A和D上的驱动电压VA和VD下降，同时施加在驱动器B和C上的驱动电压VB和VC一起上升，并且保持VB(＝VC)＝Vmax-VA(＝VD)，由于FA+FB+FC+FD＞FE，所以箝制脚E在+X方向产生净位移，直至驱动电压VB和VC到达最大值Vmax以及VA和VD下降为零；最后，驱动电压VB和VC同时下降直至为零，由于摩擦力FA+FD+FE＞FB+FC，所以箝制脚B和C向分别沿其轴线方向移动，而箝制脚A、D、E保持不动；至此，整个微移动装置向+X方向移动了一步。移动步长取决于驱动器的灵敏度和所施加驱动电压的大小。按照这种方式循环，微移动将持续进行下去。如果改变驱动电压的组合方式，可以实现-X、+Y和-Y方向的移动，从而实现二维移动。
在微移动过程中，由于各驱动器按一定时序伸缩及各箝制脚的总摩擦力按相应方式组合，使得少数箝制脚受到的推力或拉力足以克服其摩擦力，从而产生微移动。因此，我们称之为推挽式微移动。
本发明的优点在于：
(1)由于采用堆栈式压电驱动器，因此驱动电压低，一般为几伏到十几伏。
(2)由于箝制脚内嵌入磁性柱，因此不需要箝制电压，就可产生足够的摩擦力。
(3)可实现X-Y平面内的二维移动，移动范围达到5mm以上。
(4)结构简单，易于制作。
附图说明
图1(a)本发明的推挽式二维微移动装置组成结构俯视图；
图1(b)本发明的推挽式二维微移动装置的箝制脚、磁性柱和驱动器连接图。
图中：
1工作平面 101驱动器A 102驱动器B 103驱动器C
104驱动器D 201箝制脚A 202箝制脚B 203箝制脚C
204箝制脚D 205箝制脚E 301磁性柱A 302磁性柱B
303磁性柱C 304磁性柱D 305磁性柱E
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种推挽式二维微移动定位装置，所述装置由工作平面1上设置的四个驱动器A101～D104、五个箝制脚A201～E205以及五个磁性柱A301～E305组成，所述的驱动器A101～D104为压电陶瓷驱动器。所述驱动器A101～D104的外形均为横截面为正方形的长方体，所述的箝制脚A201～E205的外形均为正方体，并具有通孔结构。所述的磁性柱A301～E305的外形与箝制脚的通孔形状配合，优选为圆柱型。装置组成结构的俯视图如图1(a)所示，所述的箝制脚E205的四个垂直面上分别粘接驱动器A101、B102、C103、D104，每个驱动器A101～D104的另一端粘接一个箝制脚A201～D204，形成一个“+”字形结构。每个箝制脚A201～E205的底部分别通过粘接的方式嵌入一个磁性柱A301～E305，磁性柱A301～E305的下表面与相应的箝制脚A201～E205的下表面平齐，如图1(b)所示。驱动器A101端面的中心和箝制脚A201侧面的中心处在一个与工作平面1平行的平面内，驱动器A101的上下两个表面分别与工作平面1平行，五个箝制脚A201～E205置于工作平面1上。由于磁性柱A301～E305和工作平面1存在磁力相互作用，可以将整个装置吸附在工作平面1上。
所述推挽式二维微移动装置的具体连接关系如下：箝制脚E205的四个垂直面分别与驱动器A101的左端、B102的右端、C103的右端、D104的左端粘接，驱动器A101的右端与箝制脚A201粘接，驱动器B102的左端与箝制脚B202粘接，驱动器C103的左端与箝制脚C203粘接，驱动器D104的右端与箝制脚D204粘接。如图1(a)所示的俯视图，四个驱动器A101～D104和五个箝制脚A201-E205组成的“+”字型结构置于工作平面1上，每个箝制脚A201-E205的内部都分别粘接一个磁性柱A301～E305，通过磁性柱A301～E305与工作平面1的磁性吸附，将整个装置固定在工作平面1上。
所有驱动器A101～D104的负电极接地，驱动器A101的正极连接到驱动电压VA的输出端，驱动器B102的正极连接到驱动电压VB的输出端，驱动器C103的正极连接到驱动电压VC的输出端，驱动器D104的正极连接到驱动电压VD的输出端。当施加到驱动器上的驱动电压逐渐增大时，驱动器将相应地伸长，反之缩短；按不同的驱动器组合方式和时序施加驱动电压，就可实现在工作平面1上的二维微移动。
所述的五个箝制脚A201-E205与工作平面1的摩擦力大小应相同，其大小可通过镶嵌在箝制脚中磁性柱的磁力大小调控，并且箝制脚均使用同一材料以保证摩擦系数相同。所述的压电驱动器采用堆栈式压电元件制作，其每个驱动器的驱动力均在kN量级，而每个箝制脚的摩擦力小于每个驱动器的驱动力1个数量级。
所述的驱动电压的施加方式可以是：
向+X方向移动：在驱动器A和D上施加幅度和相位相同驱动电压VA和VD，驱动器A和D随着驱动电压VA和VD的增大而伸长，箝制脚A和D分别沿其轴向移动直到驱动电压VA和VD达到最大值Vmax；随后，施加在驱动器A和D上的驱动电压VA和VD下降，同时施加在驱动器B和C上的驱动电压VB和VC一起上升，箝制脚E在+X方向产生净位移，直至驱动电压VB和VC到达最大值Vmax以及VA和VD下降为零；最后，驱动电压VB和VC同时下降直至为零，箝制脚B和C分别沿其轴线方向移动，而箝制脚A、D、E保持不动；至此，整个微移动装置向+X方向移动了一步。
向-X方向移动：在驱动器B和C上施加幅度和相位相同驱动电压VB和VC，驱动器B和C随着驱动电压VB和VC的增大而伸长，箝制脚B和C分别沿其轴向移动直到驱动电压VB和VC达到最大值Vmax；随后，施加在驱动器B和C上的驱动电压VB和VC下降，同时施加在驱动器A和D上的驱动电压VA和VD一起上升，箝制脚E在-X方向产生净位移，直至驱动电压VA和VD到达最大值Vmax以及VB和VC下降为零；最后，驱动电压VA和VD同时下降直至为零，箝制脚A和D向分别沿其轴线方向移动，而箝制脚B、C、E保持不动；至此，整个微移动装置向-X方向移动了一步。
向+Y方向移动：在驱动器A和B上施加幅度和相位相同驱动电压VA和VB，驱动器A和B随着驱动电压VA和VB的增大而伸长，箝制脚A和B分别沿其轴向移动直到驱动电压VA和VB达到最大值Vmax；随后，施加在驱动器A和B上的驱动电压VA和VB下降，同时施加在驱动器C和D上的驱动电压VC和VD一起上升，箝制脚E在+Y方向产生净位移，直至驱动电压VC和VD到达最大值Vmax以及VA和VB下降为零；最后，驱动电压VC和VD同时下降直至为零，箝制脚C和D向分别沿其轴线方向移动，而箝制脚A、B、E保持不动；至此，整个微移动装置向+Y方向移动了一步。
向-Y方向移动：在驱动器C和D上施加幅度和相位相同驱动电压VC和VD，驱动器C和D随着驱动电压VC和VD的增大而伸长，箝制脚C和D分别沿其轴向移动直到驱动电压VC和VD达到最大值Vmax；随后，施加在驱动器C和D上的驱动电压VC和VD下降，同时施加在驱动器A和B上的驱动电压VA和VB一起上升，箝制脚E在-Y方向产生净位移，直至驱动电压VA和VB到达最大值Vmax以及VC和VD下降为零；最后，驱动电压VA和VB同时下降直至为零，箝制脚A和B向分别沿其轴线方向移动，而箝制脚C、D、E保持不动；至此，整个微移动装置向-Y方向移动了一步。
实施例：
一种具有四个压电陶瓷驱动器A101～D104，五个箝制脚A201～E205，五个磁性柱A301～E305和一个工作平面1的推挽式二维微移动装置，所有驱动器A101～D104的截面为6mm×6mm、长度为18mm，每个驱动器A101～D104的一端粘接在尺寸为12mm×12mm×12mm、中间带有直径5mm圆孔的铜质箝制脚A201～E205上，而另一端分别粘接在尺寸12mm×12mm×12mm中间带有直径5mm圆孔的铜质箝制脚E205的四个竖直面上，形成一个“+”字形结构；整个结构置于尺寸为60mm×60mm，厚度为6mm的铁磁质工作平面1上，图1(a)所示的是推挽式二维微移动装置的俯视图。每个箝制脚A201～E205中间的圆孔嵌入直径为5mm，长度为5mm的钕铁硼磁性柱A302-E305，箝制脚和磁性柱的下端面与工作平面1良好接触，图1(b)所示的是箝制脚A201、磁性柱A301以及驱动器A101的结构图。
所述的驱动器也可以是圆形截面的压电堆、压电陶瓷管或压电陶瓷块，箝制脚可以用金属(如铜、铝等)或非金属(如陶瓷等)材料制作。
所有驱动器A101～D104的负电极接地，驱动元器A101的正极连接到驱动电压VA的输出端，驱动器B102的正极连接到驱动电压VB的输出端，驱动器C103的正极连接到驱动电压VC的输出端，驱动器D104的正极连接到驱动电压VD的输出端。当施加到驱动器上的驱动电压增大时，驱动器将伸长，反之缩短。
上述装置连接好后按驱动器组合方式和时序施加驱动电压，通过施加驱动电压的顺序和大小，可以实现在工作平面1上的X-Y方向的二维移动，最小微动步长为0.3μm，移动速度为100步/秒，移动范围为5mm以上。
Claims (9)
1.推挽式二维微移动装置，其特征在于：包括设置在工作平面上的四个驱动器、五个箝制脚以及五个磁性柱，每个箝制脚内嵌入一个磁性柱，其中一个箝制脚的四个竖直面上分别粘接一个驱动器，每个驱动器的另一端分别粘接其余的四个箝制脚，形成“+”字形结构；每个箝制脚通过磁性柱吸附在工作平面上，所有驱动器的负极接地，正极分别与四个驱动电压连接，按照给驱动器施加驱动电压的变化，实现推挽式二维微移动装置在工作平面上的二维移动。
2.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述箝制脚具有通孔结构，通孔内都嵌入一个磁性柱，通孔为圆形孔。
3.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述的磁性柱为钕铁硼。
4.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述箝制脚是金属陶瓷材料或工程塑料。
5.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述压电驱动器是堆栈式压电元件、压电陶瓷管或压电陶瓷片。
6.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述的压电驱动器的外形均为横截面为正方形的长方体，所述的箝制脚均为正方体结构，所述的磁性柱均为圆柱型。
7.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述工作平面是铁磁性材料。
8.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述磁性柱的下表面与相应的箝制脚的下表面平齐。
9.根据权利要求1所述的推挽式二维微移动装置，其特征在于：所述驱动器端面的中心和箝制脚侧面的中心处在一个与工作平面平行的平面内，驱动器的上下两个表面分别与工作平面平行，五个箝制脚置于工作平面上。
Priority Applications (1)
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| CN201210033870XA CN102565458A (zh) | 2012-02-15 | 2012-02-15 | 一种推挽式二维微移动/定位装置 |
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| CN (1) | CN102565458A (zh) |
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