CN103872943B - 双滑块高精度惯性压电马达及控制法与扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明双滑块高精度惯性压电马达，包括压电体、主导轨、主滑块，其特征是还包括副导轨、副滑块，目标架，主导轨与副导轨分别固定于压电体形变的两端，主滑块与副滑块分别设置于主导轨与副导轨上，目标架固定于副导轨上，主导轨与副导轨的导向方向均与压电体的形变方向一致，主滑块与主导轨间的最大静摩擦力大于副滑块与副导轨之间的最大静摩擦力，各部件的配合为：压电体向着目标架的缓慢形变推动主导轨连同其上的主滑块一同无滑动地向目标架移动，并由主滑块推着副滑块在副导轨上向目标架移动。工作时主滑块先缓慢推副滑块前移精确的一步，主滑块再向前甩出惯性的一步，提高了定位精度，主滑块也可与副滑块分离，提高了副滑块的稳定性。

Description

双滑块高精度惯性压电马达及控制法与扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及一种压电马达，特别涉及一种双滑块高精度惯性压电马达及其控制法与用其制成的扫描探针显微镜，属于压电马达与扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

压电马达是一种能够对外产生一步的步进并回到初态，从而能够重复产生累加位移的步进器件。其重要性在于同时拥有宏观大位移的定位行程和纳米级的极高定位精度，所以是现今精密加工、微纳器件加工、DNA分子或基因提取与操纵、原子/分子调控、乃至原子甚至亚原子分辨率成像等前沿科技与应用领域必不可缺少的定位工具。在现今的主流压电马达产品中，惯性压电马达是特别重要的一类，因为其结构与控制均十分简单：单个压电体驱动其上固定的导轨作强变速运动，以此产生惯性力来作用于导轨上设置的滑块；当该惯性力足够大，大到能够克服导轨与滑块之间的最大静摩擦阻力时，滑块便在导轨上滑移（步进）一步。

但是，惯性压电马达也有两个重大缺点：

问题一、当滑块快要步进到目标时，其最后一步由于是通过惯性甩动产生的，其步长D不是精确可控，导致最后一步之后滑块距离目标可能较远，但再甩一步就会撞上去了。这在高精度的应用，如原子分辨率的扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等的应用中是一个重大问题，将导致不得不使用高电压才能驱动扫描结构中的压电体把探针送到样品处。而电子学质量差的高电压将会带来高噪声、高漏电流、高漂移等一系列特别影响原子分辨率成像质量的严重问题，而且制造成本还大大增加。

问题二、此外，压电体本身也具有一定的不稳定性，主要源自其自身的热漂移、爬移效应（creepingeffect）、滞后效应（hysteresis）、热涨落、电子学噪音引起的压电形变扰动等等；这些不稳定性会传给滑块，造成滑块与目标间相对位置的不确定性，降低了滑块与目标间的定位精度。

为了解决这两个关系到原子分辨率成像质量的重要问题，本发明中我们提出在原来的导轨（称为主导轨）和滑块（称为主滑块）的基础上，增设副导轨、副滑块和目标架，而让主滑块在向着目标架甩出一步之前，先用主滑块缓慢推动副导轨上的副滑块向着目标架移动一段精确可控的距离d（因为d不是靠惯性甩出的，而是压电形变缓慢推出的，所以具有原子分辨率的定位精度），然后主滑块再向同一方向甩出一步步长D小于等于d的低精度步进。这样就可在到达目标前最后甩出的一步之后，用主滑块把副滑块精确地推送到目标前（副滑块与目标间的间距可非常小，小至原子间距），从而提高了定位精度，解决了上述问题一。之后，压电体还可控制主滑块稍稍回撤一点，使得主滑块与副滑块脱离，从而使得主滑块的不稳定性（来自压电体的不稳定性）不会传到副滑块上，提高了副滑块和目标之间的稳定性，定位精度和抗干扰能力，从而解决了上述问题二。

发明内容

为了解决现有惯性压电马达的步进定位精度低和稳定性差的问题，提供一种双滑块高精度惯性压电马达及其控制法与用其制成的扫描探针显微镜。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明双滑块高精度惯性压电马达，包括压电体、主导轨、主滑块，其特征在于还包括副导轨、副滑块，目标架，所述主导轨与副导轨分别固定于压电体形变的两端，所述主滑块与副滑块分别设置于主导轨与副导轨上，所述目标架固定于副导轨上，所述主导轨与副导轨的导向方向均与所述压电体的形变方向一致，所述主滑块与主导轨之间的最大静摩擦力大于副滑块与副导轨之间的最大静摩擦力，所述压电体、主导轨、主滑块、副导轨、副滑块和目标架之间的配合为：压电体向着目标架的缓慢形变推动主导轨连同其上的主滑块一同无滑动地向目标架移动，并由主滑块推着副滑块在副导轨上向目标架移动。

本发明的结构特点也在于：

所述主滑块与副滑块之间相互钩住或套住。

所述主滑块与副滑块之间以软绳或链子相连。

增设副压电体，所述副压电体固定于所述副滑块上并且其形变方向指向所述目标架。

增设副压电体，所述副压电体固定于所述目标架上并且其形变方向指向所述副滑块。

所述主滑块设置于主导轨上是通过：主滑块的重力和/或弹力，

和/或主导轨的弹力，

和/或主滑块与主导轨之间的电磁力，

和/或主滑块与主导轨之间增设的弹性体来实现的；

所述副滑块设置于副导轨上是通过：副滑块的重力和/或弹力，

和/或副导轨的弹力，

和/或副滑块与副导轨之间的电磁力，

和/或副滑块与副导轨之间增设的弹性体来实现的。

所述压电体为管形,其形变方向或者与重力方向一致或者与重力方向垂直。

所述压电体为压电片叠堆或切向形变压电体。

本发明双滑块高精度惯性压电马达控制方法的特点是以如下步骤控制所述双滑块高精度惯性压电马达，完成一步的步进：

（a）控制压电体缓慢形变，推动主导轨连同其上的主滑块一同无滑动地向所述目标架移动，并由主滑块推着副滑块向所述目标架移动，推移距离为d；

（b）接着，控制压电体驱动主滑块在主导轨上产生一步向着目标架的惯性滑动,其步长D小于等于上述推移距离d。

本发明双滑块高精度惯性压电马达构成的扫描探针显微镜，其特征在于：包括所述双滑块高精度惯性压电马达，增设XYZ三维压电扫描器，所述XYZ三维压电扫描器固定于所述目标架上或者所述副滑块上。

本发明双滑块高精度惯性压电马达的工作原理为：

所述主导轨与副导轨分别固定于压电体形变的两端，所述主滑块与副滑块分别设置于主导轨与副导轨上，所述目标架固定于副导轨上，所述主导轨与副导轨的导向方向均与所述压电体的形变方向一致，所述主滑块与主导轨之间的最大静摩擦力大于副滑块与副导轨之间的最大静摩擦力，压电体向着目标架的缓慢形变推动主导轨连同其上的主滑块一同无滑动地向目标架移动，并由主滑块推着副滑块在副导轨上向目标架移动。这样，压电体、主导轨和主滑块构成的惯性压电马达虽然每甩一步的步长D依然是不连续、不精确的，但它在靠惯性甩出一步之前可以先缓慢地推动主滑块，并由主滑块推着副滑块向目标架移动一段距离d，而这一段推移距离d由于是缓慢推出的，不是惯性甩出的，所以是精确可控的，可达原子分辨率精度。接着，压电体可以将主滑块向着目标架甩出惯性的一步，步长为D。只要惯性步进的步长D小于d，或者虽甩出一步时过猛，但没能把副滑块撞的严重到能克服其最大静摩擦力而前移的地步，此时D等于d，则副滑块就是安全的，不会让副滑块和目标架相碰。而且，在副滑块快要逼近到目标架的最后一步，可以通过主滑块对副滑块的缓慢推移d来使得副滑块非常接近目标架，之后，主滑块可以缓慢回撤一小段距离使主滑块与副滑块完全分离，主滑块就不会把自己的不稳定性（来自压电体）传入到副滑块中，这使得副滑块与目标架之间保持高度的稳定性。这就实现了本发明的目的：提高了定位精度和定位稳定性，且还保持了高度的安全性和抗干扰能力。

上述副滑块一旦被推出，就不能回撤了。为解决这一问题，主、副滑块之间可以相互钩住或套住（有间隙），或以软绳或链子相连，从而主滑块不仅依然可以从副滑块分离（不与之相碰，或与之仅通过软绳或链子等弱连接相连，以阻止主滑块的不稳定性传入副滑块），而且在主滑块往回惯性步进回撤时，可以通过主滑块的“缓慢回拉”与“回甩一步”相结合的方法，把副滑块拉离目标架，实现副滑块的回撤。

由于副滑块可以被送至距离目标架近至原子尺度，所以，可以借助副滑块把一个超小扫描结构（超小XYZ三维压电定位器，包括上面的探针）送至距离固定在目标架上的样品非常近（原子尺度）（注：这里的探针与样品可以互换位置），这样，超小扫描结构仅需低电压控制就能进一步把探针-样品逼近到产生成像数据的间距，避免了高电压在成像控制中的出现。使用超小扫描结构来成像且能避免高电压的使用是扫描探针显微镜的最理想情况，这可以大大减少漂移、干扰、电子学噪音等问题，也大大降低了成本。

上述工作原理也解释了本发明的控制方法为以如下步骤控制所述双滑块高精度惯性压电马达，完成一步的步进：（a）控制所述压电体缓慢形变，推动主导轨连同其上的主滑块一同无滑动地向所述目标架移动，并由主滑块推着副滑块向所述目标架移动，推移距离为d；（b）接着，控制压电体驱动主滑块在主导轨上产生一步向着目标架4的惯性滑动,其步长D小于等于上述推移距离d。

根据上述讨论，可以看出本发明与传统的单滑块惯性压电马达相比，具有如下重要的有益效果：

1.定位精度大大提高：因为副滑块与目标架之间的定位是通过缓慢的压电形变实现的，而非定位精度较差的惯性甩动；最终的副滑块-目标架间距可以控制到非常小，达到原子尺度。

2.稳定性和抗干扰能力大大提高：副滑块与目标架间距逼近到原子尺度后，主滑块可以缓慢回撤一点，从而与副滑块完全分离，不会把自身的不稳定性传入到副滑块，最终的副滑块-目标架逼近结构是高度稳定的。

3.实现最理想的扫描探针显微镜：能够实现之前没有实现过的超小扫描结构的全低电压成像。只要借助副滑块把该超小扫描结构（超小XYZ三维压电定位器）上的探针（或样品）送至距离目标架上的样品（或探针）近至原子尺度，这样超小扫描结构仅需低电压就能进一步把探针-样品逼近到产生成像数据的更小间距，避免了高电压的使用，从而大大减少了漂移、干扰、电子噪音等问题，也大大降低了成本。

附图说明

图1是本发明基本型双滑块高精度惯性压电马达的结构示意图。

图2a是本发明副滑块可回撤型双滑块高精度惯性压电马达的结构示意图（主滑块与副滑块相互钩住）。

图2b是本发明副滑块可回撤型双滑块高精度惯性压电马达的结构示意图（主滑块与副滑块相互套住）。

图2c是本发明副滑块可回撤型双滑块高精度惯性压电马达的局部示意图（主滑块与副滑块通过软绳连接）。

图2d是本发明副滑块可回撤型双滑块高精度惯性压电马达的局部示意图（主滑块与副滑块通过链子连接）。

图3是本发明增设副压电体型双滑块高精度惯性压电马达的结构示意图。

图4是本发明主、副滑块在主、副导轨上的设置类型示意图。

图5是本发明增设XYZ三维压电扫描器型双滑块高精度惯性压电马达的结构示意图。

图中标号：1a压电体、1b压电体形变方向、2a主导轨、2b主滑块、3a副导轨、3b副滑块、4目标架、5a主滑块与副滑块之间相互钩住、5b主滑块与副滑块之间相互套住、5c主滑块与副滑块之间的软绳连接、5d主滑块与副滑块之间的链子连接、6a副压电体、6b副压电体形变方向、7弹性体、8XYZ三维压电扫描器。

以下通过具体实施方式、结构附图和控制方法附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明详细说明如下。

实施例1：基本型双滑块高精度惯性压电马达。

如图1所示，基本型双滑块高精度惯性压电马达，包括压电体1a、主导轨2a、主滑块2b，其特征在于还包括副导轨3a、副滑块3b，目标架4，主导轨2a与副导轨3a分别固定于压电体1a形变的两端，主滑块2b与副滑块3b分别设置于主导轨2a与副导轨3a上，目标架4固定于副导轨3a上，主导轨2a与副导轨3a的导向方向均与压电体1a的形变方向1b一致，主滑块2b与主导轨2a之间的最大静摩擦力大于副滑块3b与副导轨3a之间的最大静摩擦力，压电体1a、主导轨2a、主滑块2b、副导轨3a、副滑块3b和目标架4之间的配合为：压电体1a向着目标架4的缓慢形变推动主导轨2a连同其上的主滑块2b一同无滑动地向目标架4移动，并由主滑块2b推着副滑块3b在副导轨3a上向目标架4移动。

其工作原理为：压电体1a和主导轨2a、主滑块2b构成的惯性压电马达虽然每甩一步的步长D依然是不连续、不精确的，但它在向着目标架4甩一步之前可以先缓慢地推动主滑块2b，并由主滑块2b推着副滑块3b向目标架4移动一段距离d，而这一段推移距离d由于是缓慢推出的，不是惯性甩出的，所以是精确可控的，可达原子分辨率精度，从而提高了定位精度。接着，压电体1a可以将主滑块2b向着目标架4甩出惯性的一步，步长为D。只要惯性步进的步长D小于d，或者虽甩地过猛，但没能把副滑块3b撞的严重到能克服其最大静摩擦力而前移的地步，此时D等于d，则副滑块3b就是安全的，不会让副滑块3b和目标架4相碰。而且，在副滑块3b快要逼近到目标架4的最后一步，可以通过主滑块2b对副滑块3b的缓慢推移d来使得副滑块3b非常接近目标架4，之后，主滑块2b可以缓慢回撤一小段距离，主滑块2b与副滑块3b完全分离，主滑块2b不会把自己的不稳定性（来自压电体1a）传入副滑块3b中，使得副滑块3b与目标架4之间保持高度的稳定性。这就实现了本发明的提高定位精度和提高定位稳定性的目的。

实施例2：副滑块可回撤型双滑块高精度惯性压电马达。

在实施例1中，副滑块3b一旦被推出，就不能回撤了。为解决这一问题，在本实施例中，或者主滑块2b与副滑块3b之间相互钩住5a（如图2a所示）或套住5b（如图2b所示），或者主滑块2b与副滑块3b之间以软绳5c（如图2c所示）或链子5d（如图2d所示）相连。

其工作原理为：若主滑块2b与副滑块3b之间相互钩住5a或套住5b（意味着中间有间隙），则主滑块2b回撤时，可以通过压电体1a的缓慢回拉形变，使得主滑块2b钩着或套着副滑块3b回撤一段距离之后，再使主滑块2b回甩一步，如此重复，可以拖着副滑块3b一步步地回撤。由于主滑块2b是钩住或套住副滑块3b的，中间是有间隙的，所以，压电体1a可以随时让主滑块2b缓慢回移而使之与副滑块3b完全分离（相互不触碰），从而阻止主滑块2b的不稳定性传入副滑块3b，实现了提高副滑块3b与目标架4之间的稳定性的目的。

若主滑块2b与副滑块3b之间通过软绳5c或链子5d相连，则主滑块2b回撤时，可以通过压电体1a的缓慢回拉形变，使得主滑块2b以软绳5c或链子5d拖着副滑块3b回撤一段距离之后，再使主滑块2b回甩一步，如此重复，可以拖着副滑块3b一步步地回撤。由于主滑块2b与副滑块3b之间的连接为软绳5c或链子5d等弱连接，所以，压电体1a可以随时让主滑块2b缓慢回移而使主滑块2b与副滑块3b间的软绳5c或链子5d松弛下来，主滑块2b与副滑块3b间就不能传递振动、漂移、热涨落等干扰，实现阻止主滑块2b的不稳定性传入副滑块3b的抗干扰目的。

实施例3：增设副压电体型双滑块高精度惯性压电马达。

在上述实施例中，增设副压电体6a，如图3所示，副压电体6a或者固定于副滑块3b上并且其形变方向6b指向目标架4，或者固定于目标架4上并且其形变方向6b指向副滑块3b。增设副压电体6a的目的是为了在副滑块3b与目标架4之间实现更细致的探针-样品间距调节或测量探针-样品作用谱等扫描探针显微镜功能。

实施例4：主、副滑块在主、副导轨上的设置类型。

在上述实施例中，主滑块2b设置于主导轨2a上是通过：主滑块2b的重力（如图1所示）和/或弹力，和/或主导轨2a的弹力，和/或主滑块2b与主导轨2a之间的电磁力，和/或主滑块2b与主导轨2a之间增设的弹性体7（如图4所示）来实现的；

副滑块3b设置于副导轨3a上是通过：副滑块3b的重力（如图1所示）和/或弹力，和/或副导轨3a的弹力，和/或副滑块3b与副导轨3a之间的电磁力，和/或副滑块3b与副导轨3a之间增设的弹性体7来实现的（如图4所示）。

上述弹性体7（如图4所示）若与主滑块2b为一体的，则可认为主滑块2b设置于主导轨2a上是通过主滑块2b的弹力实现的；上述弹性体7（如图4所示）若与副滑块3b为一体的，则可认为副滑块3b设置于副导轨3a上是通过副滑块3b的弹力实现的；上述弹性体7若与主导轨2a为一体的，则可认为主滑块2b设置于主导轨2a上是通过主导轨2a的弹力实现的；上述弹性体7若与副导轨3a为一体的，则可认为副滑块3b设置于副导轨3a上是通过副导轨3a的弹力实现的；上述弹性体7若处于主滑块2b与主导轨2a之间，则可认为主滑块2b设置于主导轨2a上是通过增设弹性体7实现的；上述弹性体7若处于副滑块3b与副导轨3a之间，则可认为副滑块3b设置于副导轨3a上是通过增设弹性体7实现的。

实施例5：管形压电体驱动的双滑块高精度惯性压电马达。

在上述实施例中，压电体1a为管形,其形变方向1b或者与重力方向一致（如图4所示）或者与重力方向垂直（如图1所示）。

实施例6：片状压电体驱动的双滑块高精度惯性压电马达。

在上述实施例中，压电体1a为压电片叠堆或切向形变（即：剪切形变，shearpiezo）压电体。

实施例7：双滑块高精度惯性压电马达的控制方法。

在上述实施例中，是以如下步骤控制双滑块高精度惯性压电马达：

（a）控制压电体1a缓慢形变，推动主导轨2a连同其上的主滑块2b一同无滑动地向目标架4移动，并由主滑块2b推着副滑块3b向目标架4移动，推移距离为d；

（b）接着，控制压电体1a驱动主滑块2b在主导轨2a上产生一步向着目标架4的惯性滑动,其步长D小于等于上述推移距离d。

实施例8：本发明双滑块高精度惯性压电马达构成的扫描探针显微镜。

上述双滑块高精度惯性压电马达可以构成扫描探针显微镜，该扫描探针显微镜包括双滑块高精度惯性压电马达，增设XYZ三维压电扫描器8，XYZ三维压电扫描器8固定于目标架4上或者副滑块3b上（如图5所示）。

增设XYZ三维压电扫描器8的目的是为了在副滑块3b与目标架4之间实现探针相对于样品的扫描成像等扫描探针显微镜功能。由于主滑块2b能够缓慢精确地推动副滑块3b,从而把副滑块3b上的XYZ三维压电扫描器8精确地送至目标架4前，使得分别固定于XYZ三维压电扫描器8扫描端与目标架4上的探针与样品（二者位置可对调）能够逼近到原子尺度。这样，XYZ三维压电扫描器8可以做得很小，且用低电压控制，就能使得探针与样品逼近到原子分辨率作用区，实现超小扫描结构全低电压成像的理想扫描探针显微镜。此处，XYZ三维压电扫描器8固定于目标架4上的效果与固定于副滑块3b上的效果是一样的，都能使得探针相对于样品相互逼近和扫描成像。

虽然本发明是结合以上实施例进行描述的，但本发明并不限定于上述实施例，而只受所附权利要求的限定，本领域普通技术人员能够容易地对其进行修改和变化，但并不离开本发明的实质构思和范围。

Claims (10)

1.一种双滑块高精度惯性压电马达，包括压电体、主导轨、主滑块，其特征在于还包括副导轨、副滑块，目标架，所述主导轨与副导轨分别固定于压电体形变的两端，所述主滑块与副滑块分别设置于主导轨与副导轨上，所述目标架固定于副导轨上，所述主导轨与副导轨的导向方向均与所述压电体的形变方向一致，所述主滑块与主导轨之间的最大静摩擦力大于副滑块与副导轨之间的最大静摩擦力，所述压电体、主导轨、主滑块、副导轨、副滑块和目标架之间的配合为：压电体向着目标架的缓慢形变推动主导轨连同其上的主滑块一同无滑动地向目标架移动，并由主滑块推着副滑块在副导轨上向目标架移动。

2.根据权利要求1所述的双滑块高精度惯性压电马达，其特征是所述主滑块与副滑块之间相互钩住或套住。

3.根据权利要求1所述的双滑块高精度惯性压电马达，其特征是所述主滑块与副滑块之间以软绳或链子相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的双滑块高精度惯性压电马达，其特征是增设副压电体，所述副压电体固定于所述副滑块上并且其形变方向指向所述目标架。

5.根据权利要求1或2或3所述的双滑块高精度惯性压电马达，其特征是增设副压电体，所述副压电体固定于所述目标架上并且其形变方向指向所述副滑块。

6.根据权利要求1或2或3所述的双滑块高精度惯性压电马达，其特征是，所述主滑块设置于主导轨上是通过：主滑块的重力和/或弹力，

和/或主导轨的弹力，

和/或主滑块与主导轨之间的电磁力，

和/或主滑块与主导轨之间增设的弹性体来实现的；

所述副滑块设置于副导轨上是通过：副滑块的重力和/或弹力，

和/或副导轨的弹力，

和/或副滑块与副导轨之间的电磁力，

和/或副滑块与副导轨之间增设的弹性体来实现的。

7.根据权利要求1或2或3所述的双滑块高精度惯性压电马达，其特征是所述压电体为管形,其形变方向或者与重力方向一致或者与重力方向垂直。

8.根据权利要求1或2或3所述的双滑块高精度惯性压电马达，其特征是所述压电体为压电片叠堆或切向形变压电体。

9.一种对权利要求1至8任一项所述双滑块高精度惯性压电马达的控制方法，其特征是以如下步骤控制所述双滑块高精度惯性压电马达：

(a)控制压电体缓慢形变，推动主导轨连同其上的主滑块一同无滑动地向所述目标架移动，并由主滑块推着副滑块向所述目标架移动，推移距离为d；

(b)接着，控制压电体驱动主滑块在主导轨上产生一步向着目标架的惯性滑动,其步长D小于等于上述推移距离d。

10.一种扫描探针显微镜，其特征是包括如权利要求1至8任一项所述双滑块高精度惯性压电马达，增设XYZ三维压电扫描器，所述XYZ三维压电扫描器固定于所述目标架上或者所述副滑块上。