CN105092896A - 单扫描管驱动的多维压电马达及可搜索扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明单扫描管驱动的多维压电马达，包括XZ压电扫描管、中空滑杆、弹簧片、内套管、滑片、弹簧，内套管平行地套于XZ压电扫描管内，内套管与XZ压电扫描管的一端固定，中空滑杆平行地套于内套管内，弹簧片置于中空滑杆外壁与内套管内壁之间将二者弹性相压，随着XZ压电扫描管的X形变，中空滑杆位移大的一端称为大位移端，另一端称为小位移端，滑片被穿过中空滑杆的弹簧弹性地压于中空滑杆大位移端端口，弹簧的另一端与中空滑杆小位移端固定。当XZ压电扫描管换成XYZ压电扫描管时可实现三维步进。本发明仅用单个压电管即可实现两或三维步进，结构特别简单，且对称性高，漂移小，还能实现小范围的连续扫描定位，特别适合于制作可搜索扫描探针显微镜。

Description

单扫描管驱动的多维压电马达及可搜索扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及一种两个或三个维度方向步进的多维压电步进器以及用其制成的扫描探针显微镜，特别涉及一种单扫描管驱动的多维压电马达及可搜索扫描探针显微镜，属于压电定位器和扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

压电马达是一种能够同时实现纳米甚至亚纳米量级的高定位精度和毫米甚至厘米以上宏观行程的压电定位器。它通常是利用重复的压电形变来产生累加的位移而实现的，具有小体积和高定位精度的优点，所以被广泛地应用于精密仪器控制、原子分辨率扫描探针显微镜、微电子制造乃至航空航天、生物医学等诸多重要的领域，已成为现代尖端科学研究和工业生产的重要工具。

两个或三个维度方向步进的压电马达属于多维压电马达。其结构通常比较复杂，需要多个压电体分别驱动不同维度方向的步进才能实现，这对其定位精度、可靠性、成本非常不利。例如著名的AttoCube压电马达，其实现两维步进的方法就是使用两个一维的压电马达组合而成。

本发明提出一种简单到仅仅使用单个XZ压电扫描管或XYZ压电扫描管，即可实现两维或三维步进的多维压电马达，并提出用后者制成相应的大范围可搜索扫描探针显微镜(镜体)的技术方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的多维步进压电马达结构复杂，需要多个压电体才能实现的问题，提出一种仅仅使用单个XZ压电扫描管或XYZ压电扫描管，即可实现两维或三维方向步进的单扫描管驱动的多维压电马达及可搜索扫描探针显微镜。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明单扫描管驱动的多维压电马达，包括：XZ压电扫描管、中空滑杆、弹簧片，内套管，其特征是还包括滑片、弹簧，所述内套管套于XZ压电扫描管之内，二者的轴平行，并且内套管与XZ压电扫描管的一端相固定，该端称为XZ压电扫描管的自由端，XZ压电扫描管的另一端称为其固定端，

所述中空滑杆套于所述内套管之内，二者的轴平行，所述弹簧片置于中空滑杆外壁与内套管内壁之间的缝隙中，将二者弹性相压，随着XZ压电扫描管的X形变，中空滑杆位移大的一端称为大位移端，另一端称为小位移端，

所述滑片被穿过中空滑杆的弹簧弹性地压于中空滑杆的大位移端端口，该弹簧的另一端与中空滑杆的小位移端固定。

所述弹簧为压簧。

所述中空滑杆的大位移端端口与滑片之间增设沿X方向的导轨。

所述的内套管为圆管形，所述的中空滑杆为方管形，其大位移端端口为喇叭口。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案也可以是：

本发明单扫描管驱动的多维压电马达，包括：XYZ压电扫描管、中空滑杆、弹簧片，内套管，其特征是还包括滑片、弹簧，所述内套管套于XYZ压电扫描管之内，二者的轴平行，并且内套管与XYZ压电扫描管的一端相固定，该端称为XYZ压电扫描管的自由端，XYZ压电扫描管的另一端称为其固定端，

所述中空滑杆套于所述内套管之内，二者的轴平行，所述弹簧片置于中空滑杆外壁与内套管内壁之间的缝隙中，将二者弹性相压，随着XYZ压电扫描管的XY形变，中空滑杆位移大的一端称为大位移端，另一端称为小位移端，

所述滑片被穿过中空滑杆的弹簧弹性地压于中空滑杆的大位移端端口，该弹簧的另一端与中空滑杆的小位移端固定。

所述弹簧为压簧。

所述的内套管为圆管形，所述的中空滑杆为方管形，其大位移端端口为喇叭口。

用本发明单扫描管驱动的多维压电马达制成的可搜索扫描探针显微镜，其特征是增设支架，该支架固定于XYZ压电扫描管的固定端，该支架的一部分沿所述中空滑杆的轴向正对着滑片。

本发明单扫描管驱动的多维压电马达的工作原理如下：

XZ压电扫描管是指自由端能够进行一维横向(X方向)和纵向(轴向，也称为Z方向)形变的两维定位压电管。本发明的核心是在X和Z两个方向上都能产生惯性甩动，即步进。当XZ压电扫描管沿横向，即X方向进行惯性甩动时，滑片就在X方向上克服摩擦力进行一维的惯性步进。当XZ压电扫描管沿轴向进行惯性甩动时，中空滑杆就沿轴向，即Z方向，克服摩擦阻力，推动滑片进行另一维的惯性步进，总共就实现了滑片的两维压电步进，从而实现了本发明的目的。

所述弹簧的目的是把滑片弹性地压于中空滑杆的大位移端，所以弹簧可以是拉簧，也可以是压簧。是压簧时，弹簧在中空滑杆中的穿过可以通过丝线实现，这样就可以把中空滑杆设计为有一轴向小孔的杆子，所述压簧通过穿过中空滑杆的丝线将所述滑片弹性地压于中空滑杆的大位移端端口。所述中空滑杆的大位移端端口与滑片之间可增设沿X方向的导轨，使得X方向的步进更加顺畅。所述的内套管可为圆管形，所述的中空滑杆可为方管形，其大位移端端口为喇叭口，这样，以方管形滑杆的两条平行棱与圆管形内套管的内壁相压时，具有导轨作用，马达Z方向步进时的滑动摩擦力比较稳定，Z方向的步进比较顺畅，另外，所述中空滑杆的大位移端端口为喇叭口时，滑片与其弹性相压时更加稳固。

上述XZ压电扫描管也可以换成XYZ压电扫描管。XYZ压电扫描管是指自由端能够进行两维横向(XY方向)和纵向(轴向，也称为Z方向)形变的三维定位压电管。这样，XYZ压电扫描管就能在X、Y和Z三个方向上都能产生惯性甩动，即三维步进，也可实现本发明的目的。此时，可以用这样的单扫描管驱动的多维压电马达制成可搜索扫描探针显微镜(镜体)，其特征是增设支架，该支架固定于XYZ压电扫描管的固定端，该支架的一部分沿所述中空滑杆的轴向正对着滑片。这样，当探针固定于滑片上并指向固定于支架上的样品时(探针与样品的位置可以互换)，可以通过马达的Z步进实现探针-样品间的粗逼近，之后，再由XYZ压电扫描管实现探针-样品间的XY成像扫描(XY连续扫描)和XY步进搜索(滑片的XY惯性步进)。

根据上述原理，本发明具有如下优秀性能(所以实现了本发明的目的)：

(1)结构特别简单：仅需要一个XY压电扫描管或XYZ压电扫描管即可实现两个或三个维度方向的步进驱动。

(2)对称性高：是高度轴对称的，所以漂移小。

(3)在X、Z两个维度上或X、Y、Z三个维度上，既能够进行大范围步进，又能够实现小范围的连续扫描定位，所以定位的位置连续可调，定位特别精确。

(4)用本发明单扫描管驱动的三维压电马达制成的可搜索扫描探针显微镜，具有探针与样品间的大范围搜索成像功能，即：探针沿样品表面进行大范围XY移动(XY步进)和成像(XYZ压电扫描管的XY扫描)，以寻找感兴趣的特征、特性。

附图说明

图1是本发明基本型单扫描管驱动的多维压电马达的结构示意图。

图2是本发明压簧型单扫描管驱动的多维压电马达的结构示意图。

图3是用本发明单扫描管驱动的多维压电马达制成的可搜索扫描探针显微镜(镜体)的结构示意图。

图中标号：1XZ压电扫描管、1AXZ压电扫描管的自由端、1BXZ压电扫描管的固定端、2内套管、3中空滑杆、3A中空滑杆的大位移端、3B中空滑杆的小位移端、4滑片、5弹簧片、6弹簧、7XYZ压电扫描管、7AXYZ压电扫描管的自由端、7BXYZ压电扫描管的固定端、8支架、9探针、10样品。

以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

实施例1：基本型单扫描管驱动的多维压电马达

参见附图1，本发明基本型单扫描管驱动的多维压电马达，包括：XZ压电扫描管1、中空滑杆3、弹簧片5，内套管2，其特征是还包括滑片4、弹簧6，所述内套管2套于XZ压电扫描管1之内，二者的轴平行，并且内套管2与XZ压电扫描管1的一端相固定，该端称为XZ压电扫描管1的自由端1A，XZ压电扫描管1的另一端称为其固定端1B，

所述中空滑杆3套于所述内套管2之内，二者的轴平行，所述弹簧片5置于中空滑杆3外壁与内套管2内壁之间的缝隙中，将二者弹性相压，随着XZ压电扫描管1的X形变，中空滑杆3位移大的一端称为大位移端3A，另一端称为小位移端3B，

所述滑片4被穿过中空滑杆3的弹簧6弹性地压于中空滑杆3的大位移端3A端口，该弹簧6的另一端与中空滑杆3的小位移端3B固定。

其工作原理是：当XZ压电扫描管1沿一维横向，即X方向进行惯性甩动时，滑片4就在X方向克服摩擦力进行一维的惯性步进。当XZ压电扫描管1沿轴向进行惯性甩动时，中空滑杆3就沿轴向，即Z方向，克服摩擦阻力，推动滑片4进行另一维的惯性步进，总共就实现了滑片4的两维(属于多维)压电步进，从而实现了本发明的目的。

实施例2：压簧型单扫描管驱动的多维压电马达

在上述实施例中，弹簧6可为压簧，参见附图2。这时，弹簧6在中空滑杆3中的穿过可以通过丝线实现，这样就可以把中空滑杆3设计为有一轴向小孔的杆子，所述压簧通过穿过中空滑杆3的丝线将所述滑片4弹性地压于中空滑杆3的大位移端3A端口。

实施例3：特殊内套管、中空滑杆和滑片的单扫描管驱动的多维压电马达

在上述实施例中，所述中空滑杆3的大位移端3A端口与滑片4之间可增设沿X方向的导轨，使得X方向的步进更加顺畅。所述的内套管2可为圆管形，所述的中空滑杆3可为方管形，其大位移端端口为喇叭口，这样，以方管形滑杆3的两条平行棱与圆管形内套管2的内壁相压时，具有导轨作用，马达Z方向步进时的滑动摩擦力比较稳定，Z方向的步进比较顺畅，另外，中空滑杆3的大位移端3A端口为喇叭口时，滑片4与其弹性相压时更加稳固。

实施例4：XYZ压电扫描管型单扫描管驱动的多维压电马达

上述实施例中的XZ压电扫描管1可以换成XYZ压电扫描管7。这样，XYZ压电扫描管7就能在X、Y和Z三个方向上都能产生惯性甩动，即三维步进，也可实现本发明的目的。

实施例5：特殊内套管和中空滑杆的三维单扫描管驱动的多维压电马达

在上述实施例4中，所述内套管2可为圆管形，所述中空滑杆3可为方管形，其大位移端3A端口为喇叭口，这样，以方管形滑杆3的两条平行棱与圆管形内套管2的内壁相压时，具有导轨作用，马达Z方向步进时的滑动摩擦力比较稳定，Z方向的步进比较顺畅，另外，中空滑杆3的大位移端3A端口为喇叭口时，滑片4与其弹性相压时更加稳固。

实施例6：用单扫描管驱动的多维压电马达制成的可搜索扫描探针显微镜(镜体)

参见附图3，用上述实施例4中的XYZ压电扫描管型单扫描管驱动的多维压电马达，可制成可搜索扫描探针显微镜，其特征是增设支架8，该支架8固定于XYZ压电扫描管7的固定端7B，该支架8的一部分沿所述中空滑杆3的轴向正对着滑片4。这样，当探针9固定于滑片4上并指向固定于支架8上的样品10时(探针9与样品10的位置可以互换)，可以通过马达的Z步进实现探针9-样品10间的粗逼近，之后，再由XYZ压电扫描管7实现探针9-样品10间的成像扫描。

这样制成的扫描探针显微镜(镜体)具有探针9与样品10间的大范围搜索成像功能，即：探针9沿样品10表面进行大范围XY移动(XY步进)、成像(XYZ压电扫描管7的XY扫描)，以寻找感兴趣的特征、特性。

Claims (8)

1.一种单扫描管驱动的多维压电马达，包括：XZ压电扫描管、中空滑杆、弹簧片，内套管，其特征是还包括滑片、弹簧，所述内套管套于XZ压电扫描管之内，二者的轴平行，并且内套管与XZ压电扫描管的一端相固定，该端称为XZ压电扫描管的自由端，XZ压电扫描管的另一端称为其固定端，

所述中空滑杆套于所述内套管之内，二者的轴平行，所述弹簧片置于中空滑杆外壁与内套管内壁之间的缝隙中，将二者弹性相压，随着XZ压电扫描管的X形变，中空滑杆位移大的一端称为大位移端，另一端称为小位移端，

所述滑片被穿过中空滑杆的弹簧弹性地压于中空滑杆的大位移端端口，该弹簧的另一端与中空滑杆的小位移端固定。

2.根据权利要求1所述的单扫描管驱动的多维压电马达，其特征是所述弹簧为压簧。

3.根据权利要求1所述的单扫描管驱动的多维压电马达，其特征是所述中空滑杆的大位移端端口与滑片之间增设沿X方向的导轨。

4.根据权利要求1所述的单扫描管驱动的多维压电马达，其特征是所述的内套管为圆管形，所述的中空滑杆为方管形，其大位移端端口为喇叭口。

5.一种单扫描管驱动的多维压电马达，包括：XYZ压电扫描管、中空滑杆、弹簧片，内套管，其特征是还包括滑片、弹簧，所述内套管套于XYZ压电扫描管之内，二者的轴平行，并且内套管与XYZ压电扫描管的一端相固定，该端称为XYZ压电扫描管的自由端，XYZ压电扫描管的另一端称为其固定端，

所述中空滑杆套于所述内套管之内，二者的轴平行，所述弹簧片置于中空滑杆外壁与内套管内壁之间的缝隙中，将二者弹性相压，随着XYZ压电扫描管的XY形变，中空滑杆位移大的一端称为大位移端，另一端称为小位移端，

所述滑片被穿过中空滑杆的弹簧弹性地压于中空滑杆的大位移端端口，该弹簧的另一端与中空滑杆的小位移端固定。

6.根据权利要求5所述的单扫描管驱动的多维压电马达，其特征是所述弹簧为压簧。

7.根据权利要求5所述的单扫描管驱动的多维压电马达，其特征是所述的内套管为圆管形，所述的中空滑杆为方管形，其大位移端端口为喇叭口。

8.一种权利要求5所述单扫描管驱动的多维压电马达制成的可搜索扫描探针显微镜，其特征是增设支架，该支架固定于XYZ压电扫描管的固定端，该支架的一部分沿所述中空滑杆的轴向正对着滑片。