CN105171730A - 一种微纳操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳操作装置技术领域，特别涉及一种体积小、精度高、运动范围大的微纳操作装置。该装置通过X向压电陶瓷线性马达、Z向压电陶瓷线性马达和Y向压电陶瓷旋转马达的结合，可实现纳米级精度、纳米级到厘米级大范围的微纳操作，实现三自由度单独或同时操控，精度高，解决了微纳操作装置操作范围小、适用性单一的问题，可以用于电子显微镜、光学显微镜等的精细操作，进行对准、注入、施加电信号、切割等微纳操作，且装置结构简单、体积小。

Description

一种微纳操作装置

技术领域

本发明属于微纳操作装置技术领域，特别涉及一种体积小、精度高、运动范围大、适用性广的微纳操作装置。

背景技术

利用光学显微镜或电子显微镜可以观察到材料的表面形貌，其分辨率可达到微米、纳米级别。在研究材料表面形貌的同时，近年来材料研究者越来越关注对于所观察到的微纳米材料，利用微操作手进行操控和力学、电学性能等的测试和研究。

用于扫描电镜的微操作装置在国际上市场上只有几个公司的产品，KleindickKanorochnik，KlockeNanotechnik，Omiprobe和Zyvex等公司，其步长达到纳米级；国内也有研制，如兰州大学(CN201210045621.2)、苏州纳米所的纳米操控器等。在光学显微镜上的微操控器，其步长一般是微米级或亚微米级，生产和研制的厂家或用户较多，此类微操作器一般尺寸较大。

为实现微操控器的纳米操控，通常采用压电陶瓷驱动技术。早期的压电陶瓷驱动驱动结构复杂、体型较大、运动尺度大、漂移较大，现在压电陶瓷线性马达体积小、精度高、运动范围大，故采用压电陶瓷马达驱动的纳米操控器是实现纳米操控的最便捷方式。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种微纳操作装置。

该装置的X向压电陶瓷线性马达运动杆5，X向压电陶瓷线性马达6，第三连接件7，Z向压电陶瓷线性马达运动杆8，Z向压电陶瓷线性马达9，第四连接件10，Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘11、Y向压电陶瓷旋转马达12和固定件13从上到下依次布置，且相邻部件之间为刚性连接，延长杆3的一端通过第二连接件4与X向压电陶瓷线性马达运动杆5刚性连接，操作器1通过第一连接件2与延长杆3的另一端刚性连接；操作器1上连接操作器电源20；X向压电陶瓷线性马达6和X向驱动电源17之间连接X向压电陶瓷线性马达控制器16；Z向压电陶瓷线性马达9和Z向驱动电源18之间连接Z向压电陶瓷线性马达控制器15；Y向压电陶瓷旋转马达12和Y向驱动电源19之间连接Y向压电陶瓷旋转马达控制器14；X向压电陶瓷线性马达控制器16、Z向压电陶瓷线性马达控制器15和Y向压电陶瓷旋转马达控制器14分别连接至计算机控制系统21。

X向压电陶瓷线性马达6由X向压电陶瓷线性马达控制器16控制，驱动X向压电陶瓷线性马达运动杆5的运动，通过X向压电陶瓷线性马达运动杆5与操作器1之间的部件，带动操作器1发生X向步进移动；Z向压电陶瓷线性马达9由Z向压电陶瓷线性马达控制器15控制，驱动Z向压电陶瓷线性马达运动杆8的运动，通过Z向压电陶瓷线性马达运动杆8与操作器1之间的部件，带动操作器1发生Z向步进移动；Y向压电陶瓷旋转马达12由Y向压电陶瓷旋转马达控制器14控制，驱动Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘11的转动，通过Y向压电陶瓷旋转马达转盘11与操作器1之间的部件，带动操作器1发生Y向步进移动；实现操作器1的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时步进移动。

优选地，手动控制X向压电陶瓷线性马达控制器16、Z向压电陶瓷线性马达控制器15和Y向压电陶瓷旋转马达控制器14中的一个或多个，实现X向压电陶瓷线性马达运动杆5、Z向压电陶瓷线性马达运动杆8和Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘11中的一个或多个发生运动，实现操作器1的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时步进移动。

优选地，通过计算机控制系统21精准控制X向压电陶瓷线性马达控制器16、Z向压电陶瓷线性马达控制器15和Y向压电陶瓷旋转马达控制器14中的一个或多个，实现X向压电陶瓷线性马达运动杆5、Z向压电陶瓷线性马达运动杆8和Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘11中的一个或多个发生运动，实现操作器1的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时精准步进移动。

上述X向和Z向步进移动的范围是0.1nm～(5～10)mm，Y向步进移动的范围是1nm～(5～10)mm。

进一步地，通过改变X向压电陶瓷线性马达运动杆5、Z向压电陶瓷线性马达运动杆8或延长杆3的长度改变操作器1的空间运动范围。

所述操作器1为微纳探针，对材料进行探测；或所述操作器1为微纳注入针，对材料进行注入；或所述操作器1为电信号施加针，对材料施加电压、电流信号；或所述操作器1为微纳刀具，对材料进行微纳尺度切割。

所述微纳操作装置放置在真空室内或空气中进行工作。

本发明的有益效果为：

1.本发明通过一个压电陶瓷旋转马达和两个压电陶瓷线性马达的结合，可实现纳米级精度、纳米级到厘米级大范围的微纳操作，实现三自由度单独或同时操控，精度高，解决了微纳操作装置操作范围小、适用性单一的问题，可以用于电子显微镜、光学显微镜等的精细操作，进行对准、注入、切割等微纳操作，装置结构简单、体积小。还可以通过改变X向压电陶瓷线性马达运动杆、Z向压电陶瓷线性马达运动杆或延长杆的长度改变操作器的空间运动范围。

2.可以把操作器迅速移出材料，不影响显微镜等的其他工作，同时便于保护微纳操作装置。

3.可直接手动控制操作器空间上的运动，也可通过计算机控制系统进行操控，控制操作器空间上的精准位移，解决了操作便利性的问题。

附图说明

图1为本发明一种微纳操作装置结构示意图；

标号说明：1-操作器，2-第一连接件，3-延长杆，4-第二连接件，5-X向压电陶瓷线性马达运动杆，6-X向压电陶瓷线性马达，7-第三连接件，8-Z向压电陶瓷线性马达运动杆，9-Z向压电陶瓷线性马达，10-第四连接件，11-Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘，12-Y向压电陶瓷旋转马达，13-固定件，14-Y向压电陶瓷旋转马达控制器，15-Z向压电陶瓷线性马达控制器，16-X向压电陶瓷线性马达控制器，17-X向驱动电源，18-Z向驱动电源，19-Y向驱动电源，20-操作器电源，21-计算机控制系统

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施方式仅仅是示例性的，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明提供的一种微纳操作装置，其X向压电陶瓷线性马达运动杆5，X向压电陶瓷线性马达6，第三连接件7，Z向压电陶瓷线性马达运动杆8，Z向压电陶瓷线性马达9，第四连接件10，Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘11、Y向压电陶瓷旋转马达12和固定件13从上到下依次布置，且相邻部件之间为刚性连接，延长杆3的一端通过第二连接件4与X向压电陶瓷线性马达运动杆5刚性连接，操作器1通过第一连接件2与延长杆3的另一端刚性连接；操作器1上连接操作器电源20；X向压电陶瓷线性马达6和X向驱动电源17之间连接X向压电陶瓷线性马达控制器16；Z向压电陶瓷线性马达9和Z向驱动电源18之间连接Z向压电陶瓷线性马达控制器15；Y向压电陶瓷旋转马达12和Y向驱动电源19之间连接Y向压电陶瓷旋转马达控制器14；X向压电陶瓷线性马达控制器16、Z向压电陶瓷线性马达控制器15和Y向压电陶瓷旋转马达控制器14分别连接至计算机控制系统21。

实施例1

将微纳操作装置通过固定件13用螺栓固定在光学显微镜的样品基板上，其中，第一连接件2、第二连接件4、第三连接件7、第四连接件10和固定件13选用不锈钢材质。开启电源，手动控制X向压电陶瓷线性马达控制器16、Z向压电陶瓷线性马达控制器15和Y向压电陶瓷旋转马达控制器14中的一个或多个，实现X向压电陶瓷线性马达运动杆5、Z向压电陶瓷线性马达运动杆8和Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘11中的一个或多个发生运动，实现操作器1的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时步进运动，其中，X向和Z向步进移动的范围是0.1nm～(5～10)mm，Y向步进移动的范围是1nm～(5～10)mm。所述操作器1为微纳探针，完成对材料的探测。

不使用时，可以通过Y向压电陶瓷旋转马达12把探针旋转90°或180°，使其远离光学显微镜的工作区域，避免影响光学显微镜的其他正常工作。

实施例2

将微纳操作装置通过固定件13用螺栓固定在扫描电镜的样品台架上，其中，第一连接件2、第二连接件4、第三连接件7、第四连接件10和固定件13优选钛或钛合金材质。开启电源，通过计算机控制系统21精准控制X向压电陶瓷线性马达控制器16、Z向压电陶瓷线性马达控制器15和Y向压电陶瓷旋转马达控制器14中的一个或多个，实现X向压电陶瓷线性马达运动杆5、Z向压电陶瓷线性马达运动杆8或Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘11中的一个或多个发生运动，实现操作器1的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时精准步进运动，其中，X向和Z向精准步进移动的范围是0.1nm～(5～10)mm，Y向精准步进移动的范围是1nm～(5～10)mm。所述操作器1为电信号施加针，对材料施加电压、电流信号，完成对材料的扫描。

不使用时，可以通过Y向压电陶瓷旋转马达12把探针旋转90°，使其远离扫描电镜的工作区域，避免影响扫描电镜的其他正常工作。

Claims (7)

1.一种微纳操作装置，其特征在于，该装置的X向压电陶瓷线性马达运动杆(5)，X向压电陶瓷线性马达(6)，第三连接件(7)，Z向压电陶瓷线性马达运动杆(8)，Z向压电陶瓷线性马达(9)，第四连接件(10)，Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘(11)、Y向压电陶瓷旋转马达(12)和固定件(13)从上到下依次布置，且相邻部件之间为刚性连接，延长杆(3)的一端通过第二连接件(4)与X向压电陶瓷线性马达运动杆(5)刚性连接，操作器(1)通过第一连接件(2)与延长杆(3)的另一端刚性连接；操作器(1)上连接操作器电源(20)；X向压电陶瓷线性马达(6)和X向驱动电源(17)之间连接X向压电陶瓷线性马达控制器(16)；Z向压电陶瓷线性马达(9)和Z向驱动电源(18)之间连接Z向压电陶瓷线性马达控制器(15)；Y向压电陶瓷旋转马达(12)和Y向驱动电源(19)之间连接Y向压电陶瓷旋转马达控制器(14)；X向压电陶瓷线性马达控制器(16)、Z向压电陶瓷线性马达控制器(15)和Y向压电陶瓷旋转马达控制器(14)分别连接至计算机控制系统(21)。

2.根据权利要求1所述的一种微纳操作装置，其特征在于，X向压电陶瓷线性马达(6)由X向压电陶瓷线性马达控制器(16)控制，驱动X向压电陶瓷线性马达运动杆(5)的运动，通过X向压电陶瓷线性马达运动杆(5)与操作器(1)之间的部件，带动操作器(1)发生X向步进移动；Z向压电陶瓷线性马达(9)由Z向压电陶瓷线性马达控制器(15)控制，驱动Z向压电陶瓷线性马达运动杆(8)的运动，通过Z向压电陶瓷线性马达运动杆(8)与操作器(1)之间的部件，带动操作器(1)发生Z向步进移动；Y向压电陶瓷旋转马达(12)由Y向压电陶瓷旋转马达控制器(14)控制，驱动Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘(11)的转动，通过Y向压电陶瓷旋转马达转盘(11)与操作器(1)之间的部件，带动操作器(1)发生Y向步进移动；实现操作器(1)的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时步进移动。

3.根据权利要求1所述的一种微纳操作装置，其特征在于，手动控制X向压电陶瓷线性马达控制器(16)、Z向压电陶瓷线性马达控制器(15)和Y向压电陶瓷旋转马达控制器(14)中的一个或多个，实现X向压电陶瓷线性马达运动杆(5)、Z向压电陶瓷线性马达运动杆(8)和Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘(11)中的一个或多个发生运动，实现操作器(1)的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时步进移动。

4.根据权利要求1所述的一种微纳操作装置，其特征在于，通过计算机控制系统(21)精准控制X向压电陶瓷线性马达控制器(16)、Z向压电陶瓷线性马达控制器(15)和Y向压电陶瓷旋转马达控制器(14)中的一个或多个，实现X向压电陶瓷线性马达运动杆(5)、Z向压电陶瓷线性马达运动杆(8)和Y向压电陶瓷旋转马达旋转盘(11)中的一个或多个发生运动，实现操作器(1)的X向、Y向和Z向三自由度的单独或同时精准步进移动。

5.根据权利要求2-4任一权利要求所述的一种微纳操作装置，其特征在于，所述X向和Z向步进移动的范围是0.1nm～(5～10)mm，Y向步进移动的范围是1nm～(5～10)mm。

6.根据权利要求1所述的一种微纳操作装置，其特征在于，通过改变X向压电陶瓷线性马达运动杆(5)、Z向压电陶瓷线性马达运动杆(8)或延长杆(3)的长度改变操作器(1)的空间运动范围。

7.根据权利要求1所述的一种微纳操作装置，其特征在于，所述操作器(1)为微纳探针，对材料进行探测；或所述操作器(1)为微纳注入针，对材料进行注入；或所述操作器(1)为电信号施加针，对材料施加电压、电流信号；或所述操作器(1)为微纳刀具，对材料进行微纳尺度切割。