CN105869977A - 一种多自由度微动调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度微动调整装置，包括固定台、上下移动单元、水平移动单元和微动调整臂，其中上下移动单元沿着竖直方向设置在固定台上，其包括彼此连接的导向部和安装有上下驱动电机的移动部；水平移动单元沿着水平方向设置在上下移动单元的移动部上，并包括彼此滑动连接的第一关联部件、第二关联部件和第三关联部件，其中第一关联部件上安装有左右驱动电机，第二关联部件上安装有前后驱动电机，第三关联部件上安装有旋转运动电机，旋转运动电机上安装有微动调整臂。本发明通过对驱动电机与移动部的高精度控制，能够有效保证微动调整操作的精确性，同时具备运动精度高、调节灵活和结构紧凑的优点。

Description

一种多自由度微动调整装置

技术领域

本发明属于纳米操作设备领域，更具体地，涉及一种多自由度微动调整装置。

背景技术

目前，纳米技术高速发展，并对制造、信息、生物、医学、能源、环境、宇航等高科技领域产生深远的影响。纳米材料操控，对于纳米材料机电性能测试、基于纳米材料的纳米制造等具有重要意义。根据现有文献资料，目前通常使用微纳表征测量设备，例如原子力显微镜、半导体测量仪等来对纳米材料执行撷取、放置、电性测量、组装等多种操控。

然而，进一步的研究表明，上述微纳表征测量设备在对纳米材料进行操作时至少存在以下的缺陷或不足：第一、现有的表征测量设备只能对特定样品进行部分参数表征测量，其对纳米材料的操控应用范围有限，不能同时实现多种操控动作，例如原子力显微镜可以测量微纳结构的表面形状参数，但不能对纳米材料进行组装；第二、表征测量设备的使用比较繁复，需要对使用人员进行专业培训，有些甚至需要对样品进行预先处理制备，例如半导体测量仪使用前需对样品进行溅镀或者蒸镀导电电极等预处理；第三、不能实现视觉监控下的操作，效率很低；第四、表征测量设备的购买、维护费用昂贵，工作环境对温度、湿度、震动等要求颇高，日常使用所需耗材所费巨大；而且尽管现在某些微纳表征测量设备可以充当纳米操作仪器，但是由于它们的设计功能并不在纳米操作上，所以在工作效率、可实现功能等多个方面仍难以满足实际需求。相应地，相关领域亟需开发出功能更为完善的纳米材料操作台，以便有效解决以上问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种多自由度微动调整装置，其中结合纳米材料操控自身的应用特点，来对微动调整装置关键组件的构造及其设置方式进行设计，相应能够有效克服现有技术中应用范围窄、操作繁复和工作效率低下的问题，本发明装置结构紧凑、可多自由度灵活操作、精度高和功能强。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多自由度微动调整装置，其特征在于，该多自由度微动调整装置安装在扫描电子显微镜的真空腔内，并包括固定台、上下移动单元、水平移动单元和微动调整臂，其中：

所述上下移动单元沿着竖直方向设置在固定台上，并包括通过滚珠导轨彼此连接的导向部和移动部，其中导向部与固定台保持相连，用于对整个操作台进行支撑；移动部上直接安装有上下驱动电机，且在该电机驱动下使移动部沿着Z轴方向移动；此外，移动部的端部与导向部的底部之间设置有复位弹簧，由此实现上下移动单元在Z轴方向上的往复直线运动；

所述水平移动单元通过L形连接板沿着水平方向设置在上下移动单元的移动部上，并包括通过滚珠导轨彼此并联以滑动连接的第一关联部件、第二关联部件和第三关联部件，其中第一关联部件与上下移动单元的移动部保持相连，用于对整个水平移动单元进行支撑，第一关联部件上直接安装有左右驱动直线电机；第二关联部件与左右驱动直线电机的转子直接相连，并直接安装有前后直线驱动电机；第三关联部件与前后直线驱动电机的转子相连，并直接安装有旋转运动电机，由此在左右、前后直线驱动电机各自的驱动下，第二关联部件、第三关联部件可同时相对于第一关联部件可同时沿X轴、Y轴方向运动，并在旋转运动电机的驱动下实现竖直平面内的旋转运动；此外，所述第一关联部件和第二关联部件间设置有复位弹簧，所述第二关联部件和第三关联部件之间也设置有复位弹簧，在此两处设置复位弹簧能使水平移动单元在X轴方向和Y轴方向上往复运动；所述微动调整臂设置在所述旋转运动电机上，由此实现X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动以及垂直平面内的旋转运动。

以上发明构思中，所述左右、前后、上下直线驱动电机的直线运动最小分辨率被设定为10nm，所述旋转运动电机的旋转运动最小分辨率被设定为0.5mrad、最大运动速度为0.9毫米/分钟，并且所有驱动电机均可在10^-6Pa的真空真空环境下工作；

作为进一步优选地，所述水平移动单元的台面尺寸优选为50mm×50mm，行程为±5mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，直线移动俯仰角30″，直线移动左右摆动25″。

作为进一步优选地，所述上下移动单元的台面尺寸优选为50mm×50mm，行程为±5mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，移动平行度0.02mm。

作为进一步优选地，所述驱动电机优选各自具有两路控制信号输入端，且其中一路为接地端；此外，所有驱动电机的控制信号接地端被串联为一路，旋转运动电机的两路控制信号输入端设计为排针排母式。

作为进一步优选地，所述多自由度微动调整装置还配备有驱动器、上位机和控制盒，其中驱动器通过排线与各个驱动电机相连，并且它的控制信号输出端与电机的控制信号输入端相连；所述上位机通过RS485接口与所述驱动器相连，所述控制盒通过USB接口与所述上位机相连。

作为进一步优选地，所述控制盒集成所有对微动调整装置的控制功能，包括驱动电机的选择、驱动电机速度、加速度的输入以及电机运动方式的选择。

作为进一步优选的，所述微动调整臂被设定为探针型、弯曲型或者镊子型，并且其顶部尖端半径被设定为100nm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的多自由度微动调整装置通过对上下移动单元以及水平移动单元的结构和布置进行设计，并巧妙设置了上下、左右以及前后驱动电机，使得操作台能进行X向、Y向以及Z向的移动，进一步的在操作台上设置了旋转运动电机，在旋转驱动电机的输出轴上设置了微动调整臂，相应使得微动调整臂能同时进行三维运动以及旋转运动。本发明装置还结合了纳米材料操控自身的应用特点来设计台面的规格参数、各种电机的运动参数以及设计控制组件，相应能够使得本发明装置具有结构精细、便于操控和运动精度的优点，从而能实现纳米材料的多自由度调整安装。实际工程实践表明，本发明装置能够平稳实现多个自由度方向的位移和定位，尤其适用于高真空度的应用环境。

附图说明

图1是本发明实施例中多自由度微动调整装置的结构主视图；

图2是本发明实施例中多自由度微动调整装置的结构后视图；

图3是本发明实施例中多自由度微动调整装置的系统原理框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-上下移动单元11-导向部12-移动部2-水平移动单元21-第一关联部件22-第二关联部件23-第三关联部件3-前后驱动电机4-上下驱动电机5-旋转运动电机6-左右驱动电机7-微动调整臂

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的以下实施例涉及多自由度微动调整装置，尤其涉及可实现纳米结构机械操作、测量、纳米器件组装的多种操控功能的微动调整装置。图1为按照本发明优选实施例的多自由度微动调整装置的结构主视图，图2是图1中所示多自由度微动调整装置的结构后视图。如图1和图2中所示，该多自由度微动调整装置安装在扫描电子显微镜的真空腔内，其主要包括固定台、上下移动单元1和水平移动单元2。

具体而言，所述上下移动单元1沿着竖直方向设置在固定台上，并包括导向部11和移动部12，其中导向部11与固定台保持相连，用于对整个操作台进行支撑；移动部12上直接安装有上下驱动电机4，且在该上下驱动电机4驱动下使移动部12沿着Z轴方向移动，由此使得上下移动单元及安装其上的部件整体发生移动；上述导向部11和移动部12之间通过滚珠导轨彼此连接，以便保证运动的精确和平稳。此外，移动部12的顶部与导向部11的底部之间设置有复位弹簧，由此实现上下移动单元1在Z轴方向上的往复直线运动，也即通过上下驱动电机4和复位弹簧的配合使用来确保上下移动单元1在Z轴方向上实现直线往复运动。

所述水平移动单元2通过L形连接板沿着水平方向设置在上下移动单元1的移动部12上。所述水平移动单元2包括通过滚珠导轨彼此并联滑动的第一关联部件21、第二关联部件22和第三关联部件23。其中，第一关联部件21与上下移动单元1的移动部12保持相连，用于对整个水平移动单元2进行支撑，其上直接安装有左右驱动电机6；第二关联部件22与左右驱动电机6的转子直接相连，第二关联部件22上直接安装有前后驱动电机3；第三关联部件23与前后驱动电机3的转子相连，第三关联部件23直接安装有旋转运动电机5，由此在左右驱动电机6、前后驱动电机3各自的驱动下，第二关联部件22、第三关联部件23相对于第一关联部件21可同时沿X轴、Y轴方向运动，并在旋转运动电机5的驱动下实现操作台可在垂直平面内的旋转运动；此外，所述第一关联部件21、第二关联部件22和第三关联部件23之间分别设置有复位弹簧，由此实现水平移动单元2在X轴和Y轴方向上的往复直线运动。

通过以上结构，组成一个实现分别沿X向、Y向以及Z向三直线轴和一个旋转轴的多自由度微动调整装置，从而以结构紧凑、便于操控的方式实现三维空间内的位移和定位。

尤其是，所述前后直线驱动电机3、左右直线驱动电机6、上下直线驱动电机4以及旋转运动电机5均直接安装在移动部12上，并通过电机轴运动推动移动部运动；回程时，电机螺旋收缩，移动部12依靠与导向部11之间的复位弹簧回复，实现往复直线运动。

本发明装置的结构简单可靠，而且上下驱动电机4与移动部12之间没有连接机构，这两者是直接连接，能够最大程度地保证直线电机的运动精度传递给位移台，借此确保操作台的位移与定位精度。此外，所述微动调整臂7直接设置在旋转运动电机5的电机轴上，由此实现微动调整臂在X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动以及垂直平面内的旋转运动。

此外，考虑到本发明的多自由度微动调整装置安装在扫描电子显微镜的真空腔内，应用环境的特殊性使得按照本发明的微动调整装置还必需在工作规格、电机类型、组件材料选择、装配过程和清洁等方面进行充分考虑，以保证在应用过程中不破坏真空腔的真空度，同时保证整个操作的高精度。为此，在电机的选择方面，经过较多的对比测试，按照本发明的优选实施例将所述左右直线驱动电机6、前后直线驱动电机3和上下直线驱动电机4的直线运动最小分辨率设定为10nm，所述旋转运动电机的旋转运动最小分辨率被设定为0.5mrad、最大运动速度为0.9毫米/分钟，并且所有驱动电机均可在10^-6Pa的真空环境下工作。测试结果表明，在此超高真空环境下，此马达仍然既可以保证10nm的步距分辨率，又可以维持长行程下的运动输出稳定与良好的刚度。此外，当马达断电没有运动输出时还可以实现自锁，确保定位精度。

按照本发明的一个优选实施方式，所述水平移动单元2的台面尺寸被设定为50×50mm，行程设定为±5mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，直线移动俯仰角30″，直线移动左右摆动25″。所述上下移动单元1的台面尺寸被设计为50×50mm，行程为±5mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，移动平行度0.02mm。所述微动调整臂7被设定为探针型、弯曲型或者镊子型，顶部尖端半径设定为100nm。通过以上规格参数的设计，能够进一步提高整个水平移动单元的整体移动精度。微动调整臂的设定是本发明装置并尤其适用于纳米材料的操控应用场合。

此外，尽管在装配过程中存在安装误差等影响因素，但按照上述优选实施方式所选用的各种直线电机或者旋转电机具有极高的步距分辨率，同时位移台具有优异的刚性、直线型、定位性能，二者的配合使用时可以进一步保证位移台的定位精度。实际操作中，本发明使用的扫描电子显微镜的放大倍率可以达到×100,000，分辨率0.2nm，操作台的位移输出可以通过扫描电子显微镜的实时图像由操作人员判断调整。

图3是本发明的多自由度微动调整装置控制系统原理框图，如图3中所示，该系统除了作为控制对象的驱动电机之外，还可包括控制盒、上位机和驱动器。其中，控制盒与上位机可通过USB接口通信，上位机与驱动器可通过RS485接口通信，驱动器与驱动电机通过排线通信。在一个优选实施例中，将三个可实现三维直线运动的驱动电机与一个旋转运动电机编为一组，驱动器可以连接控制多组，配合使用。

上述系统的工作原理可解释如下：

由控制盒向上位机发送驱动位移信号，驱动位移信号包括驱动电机的选择、速度的输入、加速度的输入、运动方式(点动、长动)的选择。上位机在通过人机界面显示上述信号的同时打包发送给驱动器，驱动器根据信息包中的速度加速度数值以及运动方式驱动所选择的驱动电机。驱动电机推动所对应的位移台运动，微动调整装置输出位移。

按照本发明的多自由度微动调整装置能够顺利实现纳米结构的撷取、放置的机械操作，以及进行电性测量和纳米器件组装的纳米操作。

该操作台具有应用范围广、操作简便、工作效率高、成本低的特点，其直线运动最小分辨率10nm，旋转运动最小分辨率0.5mrad，最大运动速度0.9mm/min。测试表明，其能够平稳实现多个自由度方向的位移和定位，并尤其适用于高真空度的应用环境。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多自由度微动调整装置，其特征在于，该多自由度微动调整装置安装在扫描电子显微镜的真空腔内，其包括固定台、上下移动单元(1)、水平移动单元(2)和微动调整臂(7)，其中，

所述上下移动单元(1)沿着竖直方向设置在固定台上，其包括通过滚珠导轨彼此连接的导向部(11)和移动部(12)，

所述导向部(11)与固定台相连，导向部用于对设置其上的结构进行支撑，

所述移动部(12)上安装有上下驱动电机(4)，所述上下驱动电机(4)用于带动移动部(12)沿Z轴方向上下移动，所述移动部(12)的顶部与所述导向部(11)的底部之间设置有复位弹簧，

所述水平移动单元(2)通过连接板沿着水平方向设置在上下移动单元(1)的移动部(12)上，其包括第一关联部件(21)、第二关联部件(22)以及第三关联部件(23)，所述第一关联部件(21)和第二关联部件(22)通过滚珠导轨彼此滑动连接，所述第二关联部件(22)和第三关联部件(23)也通过滚珠导轨彼此滑动连接，

所述第一关联部件(21)与上下移动单元的移动部(12)保持相连，用于对水平移动单元(2)进行支撑，所述第一关联部件(21)上安装有左右驱动电机(6)，

所述第二关联部件(22)与左右驱动电机(6)的转子相连，第二关联部件(22)上安装有前后驱动电机(3)，

所述第三关联部件(23)与前后驱动电机(3)的转子相连，所述第三关联部件(23)上安装有旋转运动电机(5)，

所述第一关联部件(21)和第二关联部件(22)间设置有复位弹簧，所述第二关联部件(22)和第三关联部件(23)之间也设置有复位弹簧，在此两处设置复位弹簧能使水平移动单元(2)在X轴方向和Y轴方向上往复运动，

所述微动调整臂(7)设置在所述旋转运动电机(5)输出轴上。

2.如权利要求1所述的多自由度微动调整装置，其特征在于，所述水平移动单元的台面尺寸为50mm×50mm，行程为±5mm，

并且移动精度为：直线度0.002mm，直线移动俯仰角30″，直线移动左右摆动25″。

3.如权利要求2所述的多自由度微动调整装置，其特征在于，所述上下移动单元的台面尺寸为50mm×50mm，行程为±5mm，

并且移动精度为：直线度0.002mm，移动平行度0.02mm。

4.如权利要求1-3所述的多自由度微动调整装置，其特征在于，所述上下驱动电机、所述前后驱动电机以及所述左右驱动电机均具有两路控制信号输入端，且其中一路控制信号输入端为接地端，所述上下驱动电机、所述前后驱动电机以及所述左右驱动电机的接地端被串联为一路。

5.如权利要求4所述的多自由度微动调整装置，其特征在于，所述多自由度微动调整装置还配备有驱动器、上位机和控制盒，所述驱动器通过排线与所述上下驱动电机、所述前后驱动电机、所述左右驱动电机以及所述旋转运动电机相连，所述驱动器的控制信号输出端与各个电机的控制信号输入端相连；所述上位机通过RS485接口与所述驱动器相连，所述控制盒通过USB接口与所述上位机相连。

6.如权利要求1-3之一所述的多自由度微动调整装置，其特征在于，所述微动调整臂为探针型、弯曲型或者镊子型，并且其顶部尖端半径为100nm。