CN102608359A

CN102608359A - 纳米操纵器

Info

Publication number: CN102608359A
Application number: CN2012100456212A
Authority: CN
Inventors: 彭勇; 张军伟; 金斌玲; 谢凤珍; 张宏; 马鸿斌; 齐阔; 马传生; 张俊丽; 薛德胜
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2012-02-25
Filing date: 2012-02-25
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-02-25
Also published as: CN102608359B

Abstract

本发明属于纳米操纵器领域，特别涉及一种通过压电陶瓷驱动的纳米操纵器。该操纵器包括定位装置及执行机构，所述的定位装置包括运动轨道、压电陶瓷、运动台，压电陶瓷安装在运动轨道内，加脉冲电压于压电陶瓷上，驱动运动台摩擦接触的沿运动轨道运动；执行机构与运动台连接，所述的执行机构为操纵手。本发明结构对称布置，平衡性好，尺寸紧凑，直线运动，在一定的程度上还减小了内应力和抵消温度引起的形变，可广泛应用于精确操控、剪裁和组装纳米单体及精确测量纳米单体物理性质。

Description

纳米操纵器

技术领域

本发明属于纳米操纵器领域，特别涉及一种通过压电陶瓷驱动的纳米操纵器。

背景技术

近年来，电子显微镜原位纳米操纵器在材料科学特别是纳米科学技术上的应用日益重要，使其研发受到了极大的关注。电子显微镜原位纳米操纵器主要用于微米/纳米尺度下纳米单体操纵、剪裁、拼接，和纳米单体电镜原位物性测量。为了能够让纳米操纵器稳定且高效的工作，需要的技术构成有制动、测量、系统设计和制造、定标、控制、信号传输和人-机交流等方面。电子显微镜原位纳米操纵器主要包括扫描电子显微镜原位纳米操纵器（简称扫描电镜原位纳米操纵器）和透射电子显微镜原位纳米操纵器（简称透射电镜原位纳米操纵器）。扫描电镜原位纳米操纵器控制材料运动的精度最高可达0.4纳米。Kleindiek Nanotechnik, Klocke Nanotechnik, Omiprobe和Zyvex公司等研究的扫描电镜用纳米操纵器已商用。透射电镜原位纳米操纵器的精度可达到0.05纳。透射电镜原位纳米操纵器能够用于研究单个原子精确操纵，撕裂原子层。但需要工作在高真空条件下、留给纳米操纵器安装和运动空间狭小、技术门槛要求高。目前，Nanofactory和Hummingbird是仅有的两家提供商业化透射电镜原位纳米操纵器产品的公司，NanoLAB的纳米操纵器很快就能在市场推出。

目前纳米操纵器主要采取压电陶瓷驱动技术，压电陶瓷驱动具有迟滞/非线性特性缺点，其位移输出与输入电压和所加电压的转折点有关。现有的基于压电陶瓷驱动技术的纳米操纵器存在结构复杂、体型相对较大、运动尺度小、漂移较大，并且不能够真正的做到直线运动等缺点。故针对上述缺点研究小体型、高精度驱动的基于压电陶瓷驱动技术的新型纳米操纵器是一个重要方向，目前国内此类研究还是空白。

发明内容

鉴于现有技术中存在的以上问题，本发明的目的是提供纳米操纵器，其结构对称布置，平衡性好，尺寸紧凑，直线运动，在一定的程度上还减小了内应力和抵消温度引起的形变。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的。

纳米操纵器，包括定位装置及执行机构，所述的定位装置包括运动轨道、压电陶瓷、运动台，压电陶瓷安装在运动轨道内，加脉冲电压于压电陶瓷上，驱动运动台摩擦接触的沿运动轨道运动；执行机构与运动台连接，所述的执行机构为操纵手。

所述脉冲电压的脉冲周期和压电陶瓷的伸缩周期相等。

三个上述定位装置垂直组合在一起，分别为X轴定位装置、Y轴定位装置、Z轴定位装置。

所述的运动轨道内有三氧化二铝薄片。

运动轨道内设小型轨道；所述的小型轨道表面有刚玉球。

在X轴定位装置、Y轴定位装置、Z轴定位装置任意其中一个运动台连接有精细定位装置，所述的精细定位装置由电致伸缩材料、伸缩管构成，所述的操纵手安装在伸缩管上；电致伸缩材料为四电极压电陶瓷。

在X轴定位装置的运动台连接有精细定位装置，所述的精细定位装置由电致伸缩材料、伸缩管构成，所述的操纵手安装在伸缩管上；电致伸缩材料为四电极压电陶瓷。

本发明具有下述优点：

1、本发明采用单向运动的方式和脉冲电压补偿驱动的方法，极好的提高定位装置的运动精度，减小了漂移。

2、本发明采用粗精两种调节方式，完美的实现了大尺度、高精度的运动，使得纳米、微米和厘米尺度运动档可调，最大运动距离3厘米，最小运动精度达到原子级别，小于5埃，空间旋转角度每步小于5度。

3、本发明设计简单，缩小了定位装置的体积，简化定位装置的操作步骤，增大定位装置的运动范围，能够实现对定位装置全方位的操纵和测量。

4、三氧化二铝薄片具有表面平整和较大的弹性模量的特点，刚玉球能够减小接触面积，小型轨道能够防止漂移，因此本发明的定位装置能够很好控制摩擦力、惯性力和平整度，进而可以控制运动轨道的运动。

5、本发明中的精细定位中采用四电极压电陶瓷，四电极压电陶瓷具有伸长范围小、能够发生偏转的特点。本发明通过四电极压电陶瓷驱动伸缩铜管在很小的范围运动，伸缩管的运动带动操纵手的运动，最终会使得操纵手与样品很好的接触，应用操纵手来操纵样品。

6、本发明中的伸缩管为伸缩铜管，而且该铜管是可以换取的。

7、本发明中操纵手是指能够操纵各种微/纳米物质的工具，如探针、钳子等操纵工具，能够简单快速的对操纵手进行改换。

附图说明

图1是本发明权利要求10纳米操纵器的立体剖视图。

其中：1-Z轴压电陶瓷；2-Z轴运动轨道；3-三氧化二铝薄片；4-Y轴压电陶瓷；5-X轴运动台；6-操纵手；7-伸缩管；8-四电极压电陶瓷；9-X轴运动轨道；10-小型轨道；11-Y轴运动轨道。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。

如图1 所示，纳米操纵器，包括定位装置及执行机构，所述的定位装置包括运动轨道、压电陶瓷、运动台，压电陶瓷安装在运动轨道内，加脉冲电压于压电陶瓷上，驱动运动台摩擦接触的沿运动轨道运动；执行机构与运动台连接，所述的执行机构为操纵手；所述脉冲电压的脉冲周期和压电陶瓷的伸缩周期相等；三个上述定位装置垂直组合在一起，分别为X轴定位装置、Y轴定位装置、Z轴定位装置；所述的运动轨道内有三氧化二铝薄片；运动轨道内设小型轨道；所述的小型轨道表面有刚玉球；在X轴定位装置的运动台连接有精细定位装置，所述的精细定位装置由电致伸缩材料、伸缩管构成，所述的操纵手安装在伸缩管上；电致伸缩材料为四电极压电陶瓷。

本发明中的操作机构手动、自动控制均可以。

本发明的工作流程如下：

将本发明的纳米操纵器固定在扫描电镜样品台的周围，然后给纳米操纵器的压电陶瓷加上脉冲电压，为了提高定位装置的运动精度，脉冲电压的脉冲周期和压电陶瓷的伸缩周期刚好符合，推动运动台在运动轨道中单向运动进行定位，如按照Y轴-Z轴-X轴依次定位，Y轴定位装置，在Y轴压电陶瓷加脉冲电压，其沿着Y轴运动轨道的方向伸长，它的伸长会给位于Y轴运动轨道上部的运动台一个惯性力，如果此时惯性力大于摩擦力，使得运动台沿着Y轴运动轨道运行，进行Y轴方向定位，Y轴运动台为Z轴定位装置和X轴定位装置。Z轴定位装置和X轴定位装置与Y轴定位装置的工作原理相同，Z轴定位装置的运动台为X轴定位装置。

以上的运动相当于一个宏观运动，进行初步的立体空间定位，并不能精确定位。为此，申请人设计宏微相结合的运动模式，通过精细定位装置进行精确定位，在四电极压电陶瓷上加脉冲电压，驱动伸缩管在很小的范围运动，伸缩管的运动会带动操纵手的进行直线和偏转运动，从而实现立体空间的精细定位，最终会使得操纵手与样品很好的接触，应用操纵手来操纵样品。

以上说明本发明的实施方式，但本发明不限于以上实施方式。

Claims

1.纳米操纵器，包括定位装置及执行机构，其特征在于：所述的定位装置包括运动轨道、压电陶瓷、运动台，压电陶瓷安装在运动轨道内，加脉冲电压于压电陶瓷上，驱动运动台摩擦接触的沿运动轨道运动；执行机构与运动台连接，所述的执行机构为操纵手。

2.如权利要求1所述的纳米操纵器，其特征在于：所述脉冲电压的脉冲周期和压电陶瓷的伸缩周期相等。

3.如权利要求2所述的纳米操纵器，其特征在于：三个上述定位装置垂直组合在一起，分别为X轴定位装置、Y轴定位装置、Z轴定位装置。

4.如权利要求1-3任一权利要求所述的纳米操纵器，其特征在于：所述的运动轨道内有三氧化二铝薄片。

5.如权利要求4所述的纳米操纵器，其特征在于：运动轨道内设小型轨道。

6.如权利要求5所述的一种纳米操纵器，其特征在于：所述的小型轨道表面有刚玉球。

7.如权利要求3或6所述的纳米操纵器，其特征在于：在X轴定位装置、Y轴定位装置、Z轴定位装置任意其中一个运动台连接有精细定位装置，所述的精细定位装置由电致伸缩材料、伸缩管构成，所述的操纵手安装在伸缩管上。

8.如权利要求3或6所述的纳米操纵器，其特征在于：在X轴定位装置的运动台连接有精细定位装置，所述的精细定位装置由电致伸缩材料、伸缩管构成，所述的操纵手安装在伸缩管上。

9.如权利要求7所述的纳米操纵器，其特征在于：电致伸缩材料为四电极压电陶瓷。

10.如权利要求8所述的纳米操纵器，其特征在于：电致伸缩材料为四电极压电陶瓷。