CN105990079B - 透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆 - Google Patents

Abstract

透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆，主要包括手握柄，样品杆杆身，样品杆头端和用于装载样品的样品杯，样品杯与轴固定，轴与样品杆头端可转动连接；样品杆头端设置驱动轴步进式转动的驱动件，驱动件与轴紧密接触，驱动件从第一位置运动到第二位置时，轴步进一个角度行程；驱动件从第二位置复位到第一位置时，轴固定；驱动件从第一位置运动到第二位置和从第二位置复位到第一位置组成一个运动周期，轴的转动角度=N*，其中N为运动周期的个数。本发明具有驱动样品杆绕轴转动的装置体积小，且能使倾转角度超过30 ^o的优点。

Description

透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆

技术领域

本发明涉及透射电子显微镜的部件，特别是一种透射电子显微镜用的双轴倾转样品杆。

技术背景

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，以下简称TEM）是一种用于材料微观结构表征的大型实验装置，可以同时分析材料微区的组织形态、晶体结构、组成元素等。其成像原理是高能电子束穿透样品，透射电子束经过聚焦和放大，采用探测器收集信号并成像。现代高分辨透射电子显微镜通常可以做到原子级分辨率，尤其是近五年迅速发展的球差矫正技术使TEM的极限分辨率达到50 pm。然而实际测试中往往难以达到仪器的极限分辨率。主要原因在于实验结果不仅受制于TEM本身性能，更重要的是取决于样品情况。其中一个重要条件是样品相对于入射电子束的晶体取向。对于TEM高分辨成像而言，只有当电子束沿着样品某一晶体方向入射才能显示出相应的原子周期排列的投影，从而获得原子点阵排列图像，也即原子级分辨率。如何使入射电子束能够与样品晶体方向平行是实现TEM高分辨成像的基本前提。通常有两种途径：第一，固定样品不动，倾动电子束入射角度，使电子束与样品的某一晶体方向平行；第二，固定电子束，倾动样品，使得样品某一晶体方向平行电子束。第一种途径由于涉及对TEM电子光学线路的系统改造且电子束倾动范围有限而较少应用。目前常用技术路线主要采用第二种途径，这就要求装载样品的装置具有倾转功能。

装载样品的装置通常包括两部分，一部分为TEM的样品舱，也称为测角台；另一部分为样品杆。TEM样品固定在样品杆头部，样品杆插入测角台。TEM的测角台通常具备绕样品杆轴向旋转的功能，也即所谓的轴或X轴倾转。这样能通过测角台的倾转实现样品的轴倾转。然而对于空间取向而言，一个方向的倾转往往无法实现样品某一晶体方向与电子束平行。还需要具备样品围绕垂直于轴的轴倾转功能。该部分功能只能通过样品杆来实现。也即样品杆必须设置一些转动装置实现样品在轴的倾转。图1示意了TEM样品杆的倾转原理。通过纵穿整个样品杆杆体A的转轴带动头部的偏心曲轴或连杆，将绕样品杆轴心的转动转变为样品杯B的仰俯运动，从而实现样品绕轴C的倾转。

中国专利201110145305.8号披露了一种透射电镜用双轴倾转的原位力、电性能综合测试样品杆（如图2所示），主要包括手握柄，样品杆，样品头前端3’，传感器载台4’通过位于样品头前端3’两内侧的两个支撑轴5’固定在样品头前端3’上，绕支撑轴5’在垂直于样品头的平面内倾转（即绕着Y轴旋转30 ^o），在样品头前端3两侧的壁上，对称分布有从电镜外部通过样品杆引入的导线I6’，并与分布在样品头前端3’两侧壁上的队列电极I7’相连，导线I6’的另一端连接在手握柄上的电极接口上，通过电极接口与电镜外部设备相连。队列电极I7’的位置为以支撑轴5’为中心线对称分布在样品头前端3’的两侧壁上。传感器载台4’的旋转是通过位于其尾部的Y轴倾转驱动器9’驱动。在传感器载台4’上以支撑轴5’为中心线制作一个凹槽10’，凹槽10’为一个通孔，下部有支撑沿来支撑传感器，传感器的厚度设计成使得其放入凹槽10’后上表面所在平面与TEM电子书聚焦中心位于同一平面内，使TEM电子束通过传感器上的缝隙和凹槽10’并聚焦在位于传感器上表面的样品上。

这种样品杆的缺点在于：通过设置于传感器载台尾部的Y轴倾转驱动器来驱动传感器载台绕Y轴的旋转，Y轴倾转驱动器包括转轴，转动块和连接传感器载台的连杆，转轴和转动块旋转时，连杆升高或者降低，从而带动传感器载台一端升高或降低，实现传感器载台绕Y轴的倾转，这种驱动方式存在驱动机构的体积大，传动部件数量多，且倾转最大角度难以超过30 ^o的缺点，这造成许多时候感兴趣样品的某一晶体方向无法与电子束平行，从而无法获得原子级高分辨图像。

发明内容

为了克服现有技术的样品杆绕轴转动的驱动装置存在体积大，倾转角度难以超过30 ^o的缺点，本发明提供了一种驱动样品杆绕轴转动的装置体积小，且能使倾转角度超过30 ^o的透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆。

透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆，主要包括手握柄，样品杆杆身，样品杆头端和用于装载样品的样品杯，样品杯与轴固定，轴可转动地安装于样品杆头端；

其特征在于：样品杆头端设置驱动轴步进式转动的驱动件，驱动件与轴紧密接触，驱动件从第一位置运动到第二位置时，轴步进一个角度行程；驱动件从第二位置复位到第一位置时，轴固定；驱动件从第一位置运动到第二位置和从第二位置复位到第一位置组成一个运动周期，轴的转动角度=N*，其中N为运动周期的个数。

进一步，驱动件从第一位置运动到第二位置时，驱动件与轴之间产生滑动摩擦力使轴跟随驱动件转动；驱动件从第二位置复位到第一位置的速度使驱动件复位时轴的动量接近不变。

进一步，驱动件通过压紧机构压紧于轴，压紧机构包括压片、固定螺丝和弹簧，固定螺丝穿过压片与样品杆头端固定，固定螺丝有多个，每个固定螺丝上套接一个弹簧，弹簧位于样品杆头端与压片之间，驱动件固定于压片上，压片使驱动件压紧于轴。

进一步，驱动件主要包括驱动信号发生装置和压电陶瓷片或者磁致伸缩材料。

本发明的优点在于：

1、每次使轴转动一个固定的小角度行程，如单位角度，利用步进式累积效果来达到使轴达到大转动行程的目的，每次轴所需转动的角度小，从而使得驱动件每个周期的驱动行程短，从而使驱动件体积能够足够小而有被放入透射电子显微镜的微小空间中的可能性。

2、利用压电陶瓷片或者磁致伸缩材料作为驱动件，通过控制驱动件的上电时间和失电时间即可控制驱动件从第一位置运动到第二位置的时间和从第二位置复位到第一位置的时间，且驱动件响应迅速；只需用导线连通驱动件与外部的驱动信号发生装置即可，驱动件的体积小，结构简单，能够被放入透射电子显微镜的微小空间中。

附图说明

图1是现有技术中TEM样品杆倾转的原理图。

图2是中国专利201110145305.8号的样品头前端的示意图。

图3是本发明的示意图。

图4是样品杆头端的倾转部位侧视图。

具体实施方式

如图3所示，透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆，主要包括手握柄5，样品杆杆身4，样品杆头端1和用于装载样品的样品杯2，样品杯2与轴9固定，轴9可转动地安装于样品杆头端1。样品杆4的信号连接口设置于手握柄5上。样品杯2安装于样品杆头端1的样品杆头端支架3上。

样品杆头端1设置驱动轴9步进式转动的驱动件10，驱动件10与轴9紧密接触，驱动件10从第一位置运动到第二位置时，轴9步进一个角度行程；驱动件10从第二位置复位到第一位置时，轴9固定；驱动件10从第一位置运动到第二位置和从第二位置复位到第一位置组成一个运动周期，轴9的转动角度=N*，其中N为运动周期的个数。

驱动件10从第一位置运动到第二位置时，驱动件10与轴9之间产生滑动摩擦力使轴9跟随驱动件10转动；驱动件10从第二位置复位到第一位置的速度使驱动件10复位时轴9的动量接近不变。

如图4所示，驱动件10通过压紧机构压紧于轴9，压紧机构包括压片11、固定螺丝8和弹簧7，固定螺丝8穿过压片11与样品杆头端1固定，固定螺丝8有多个，每个固定螺丝8上套接一个弹簧7，弹簧7位于样品杆头端1与压片11之间，驱动件10固定于压片11上，压片11使驱动件10压紧于轴9。

驱动件10主要包括驱动信号发生装置和压电陶瓷片或者磁致伸缩材料。驱动件10也可以是压电陶瓷片或者磁致伸缩材料固定连接推动杆，由推动杆推动轴9转动。驱动信号发生装置发出的驱动信号是通过手握柄5上的信号连接口和导线输入压电陶瓷片或者磁致伸缩材料。

本发明的优点在于：

1、每次使轴转动一个固定的小角度行程，如单位角度，利用步进式累积效果来达到使轴达到大转动行程的目的，每次轴所需转动的角度小，从而使得驱动件每个周期的驱动行程短，从而使驱动件体积能够足够小而有被放入透射电子显微镜的微小空间中的可能性。

2、利用压电陶瓷片或者磁致伸缩材料作为驱动件，通过控制驱动件的上电时间和失电时间即可控制驱动件从第一位置运动到第二位置的时间和从第二位置复位到第一位置的时间，且驱动件响应迅速；只需用导线连通驱动件与外部的驱动信号发生装置即可，驱动件的体积小，结构简单，能够被放入透射电子显微镜的微小空间中。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆，主要包括手握柄，样品杆杆身，样品杆头端和用于装载样品的样品杯，样品杯与β轴固定，β轴可转动地安装于样品杆头端；其特征在于：样品杆头端设置驱动β轴步进式转动的驱动件，驱动件与β轴紧密接触，驱动件从第一位置运动到第二位置时，β轴步进一个角度行程θ°；驱动件从第二位置复位到第一位置时，β轴固定；驱动件从第一位置运动到第二位置和从第二位置复位到第一位置组成一个运动周期，β轴的转动角度＝N*θ°，其中N为运动周期的个数；

驱动件通过压紧机构压紧于β轴，压紧机构包括压片、固定螺丝和弹簧，固定螺丝穿过压片与样品杆头端固定，固定螺丝有多个，每个固定螺丝上套接一个弹簧，弹簧位于样品杆头端与压片之间，驱动件固定于压片上，压片使驱动件压紧于β轴。

2.如权利要求1所述的透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆，其特征在于：驱动件从第一位置运动到第二位置时，驱动件与β轴之间产生华东摩擦力使β轴跟随驱动件转动；驱动件从第二位置复位到第一位置的速度使驱动件复位时β轴的动量接近不变。

3.如权利要求2所述的透射电子显微镜用压电驱动式双轴倾转样品杆，其特征在于：驱动件主要包括驱动信号发生装置和压电陶瓷片或磁致伸缩材料。