CN106770156A - 一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台 - Google Patents

一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，包括基座以及扫描台主体，扫描台主体包括层叠设置的载物台、X方向扫描平台、Y方向扫描平台以及Z方向扫描平台，其中载物台设于顶层；X、Y和Z方向扫描平台分别包括固定平台以及运动平台，运动平台设置于固定平台上，固定平台固定于基座或其他方向运动平台上，各运动平台分别设有压电陶瓷，并分别通过压电陶瓷驱动载物台沿X、Y和Z轴方向运动，从而实现三维运动。本发明的纳米扫描台体积小，控制简单精确，扫描范围大。

Description

一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台
技术领域
本发明涉及纳米扫描台，特别是涉及一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台。
背景技术
近年来，随着针尖增强拉曼光谱(TERS)的深入研究和广泛应用，其对精度的要求越来越高。对于TERS精度影响最大的器件就是扫描隧道显微镜，而扫描台作为扫描隧道显微镜的核心部件，其精度直接决定了整个系统的精度。因此，研制一台适用于TERS的简单、易用、精度高的纳米扫描台具有重要意义。
现在市场上也有一些商用的扫描隧道显微镜，其中的扫描台存在以下几个问题：第一，扫描范围太小，有些扫描台的扫描范围最大只能到0.5μm，不能满足较大范围的测量场合；第二，这些平台都是连续扫描的，而不能定点扫描，这不满足TERS的使用要求；第三，大部分的扫描台都是使用开环控制的，精度不好保证。
发明内容
基于背景技术中提到的情况，本发明提出了一种新型的适用于TERS的纳米扫描台。其具有体积小、扫描范围大、控制简单等特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，包括基座以及设置于基座之内的扫描台主体；所述扫描台主体包括层叠设置的载物台、X方向扫描平台、Y方向扫描平台以及Z方向扫描平台，其中载物台设于顶层；
所述X、Y和Z方向扫描平台分别包括固定平台以及运动平台，运动平台设置于固定平台上，固定平台固定于基座或其他方向运动平台上；各运动平台上分别设有压电陶瓷、动块、铰链以及位移传感器，压电陶瓷一端与固定平台固定，另一端连接动块，动块与固定平台之间通过铰链连接，位移传感器固定于动块上；X、Y、Z方向扫描平台的压电陶瓷在电驱动下通过铰链带动动块分别沿X、Y、Z方向移动，从而实现载物台的三维移动。
优选的，所述运动平台还包括固定框，固定框固定于相应的所述固定平台上，所述压电陶瓷、动块以及铰链设置于固定框之内；所述铰链连接于所述动块和所述固定框之间。
优选的，所述X、Y方向扫描平台分别还包括安装块，所述安装块固定于固定块上；所述压电陶瓷分别沿X、Y方向设置，且一端固定于安装块上，另一端抵接所述动块；所述动块相对所述压电陶瓷一端与所述铰链连接。
优选的，所述安装块与所述固定框通过螺丝旋接固定，且两者之间具有0.5～2mm的间隙。
优选的，所述Z方向扫描平台的压电陶瓷竖直安装，一端嵌入所述固定平台中，另一端嵌入所述动块中。
优选的，所述Z方向扫描平台的动块和固定平台之间具有0.5～2mm的间隙。
优选的，还包括控制系统、驱动电路以及信号采集电路，控制系统控制驱动电路以施加电压至所述压电陶瓷，所述位移传感器检测到的位移量经由信号采集电路反馈至控制系统。
相较于现有技术，本发明的纳米扫描台结构简单，体积小(50mm×50mm×50mm)，易于封装；增加了位移传感器构成闭环控制，使控制更加简单精确；采用殷钢作为整体材料，热变形小；扫描范围大(20μm×20μm×5μm，通过微小的修改还可以获得更大的扫描范围)。由于采用堆叠的方式搭建而成，所以能够消除各个方向之间运动的耦合，提高扫描结果的准确性，同时，由于各个方向之间相互独立，因此可以根据需要快速搭建出X、XY、XZ等一维或者二维扫描平台。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的扫描台主体结构示意图；
图3是本发明的X方向扫描平台结构示意图；
图4是本发明的Z方向扫描平台结构示意图；
图5是本发明的Z方向扫描平台的截面图。
具体实施方式
本发明的整体外观如图1所示，包括扫描台基座1和扫描台主体2两部分，整体材料选用殷钢进行加工。
移除扫描台基座后的扫描台主体2结构如图2所示。本发明采用堆叠结构组成，每层实现特定的功能。其中，载物台21用于放置待扫描的样品，其上表面根据不同夹具要求可以加工相应的定位、固定孔；Z方向扫描平台22用于实现样品的竖直方向运动；X方向扫描平台23用于实现样品的水平一个方向运动，其与Y方向扫描平台24相互垂直安装，实现样品整个水平方向上的扫描。整个扫描台主体部分由以上四个部分构成，从而实现载物台上样品的三维扫描。
X方向扫描平台23和Y方向扫描平台24的机械结构相同，两者相互垂直安装。以下以X方向扫描平台23的结构为例进行说明。如图3所示，X方向扫描平台23由两层构成，分别是运动平台和固定平台231，运动平台包括固定框232、压电陶瓷233、安装块234、动块235、铰链236以及位移传感器237。固定框232固定在固定平台231上，固定平台231通过其上面的孔固定在基座1或者是其他运动平台上。压电陶瓷233是整个运动平台的驱动器，能够提供纳米级别的位移变化，并且具有很大的驱动力。安装块234用于固定压电陶瓷233，压电陶瓷233沿X方向设置，通过胶水将压电陶瓷233的一个端面固定在安装块234上，另一端抵在动块235上，然后通过螺丝将安装块234固定在运动平台的固定框232上，安装块234与固定框232之间存在1mm的间隙，用于调整压电陶瓷233的预紧力。动块235和固定框232之间通过铰链236连接，铰链236两侧对称，铰链236的厚度与数量需要根据所选的压电陶瓷233出力特性而定。位移传感器237固定在运动平台动块235上，用于检测运动平台动块235与固定框232之间微位移量，构成反馈。
Z方向扫描平台22的机械结构如图4所示，由两层构成，分别是运动平台和固定平台221。运动平台包括固定框222、压电陶瓷223、动块225、铰链226以及位移传感器227。运动平台通过边缘的孔将其固定框222固定在固定平台221上，固定平台221通过其上面的孔固定在基座1或者是其他运动平台上。压电陶瓷223是整个运动平台的驱动器，该压电陶瓷223竖直安装，一部分嵌入到固定平台221中，另一部分嵌入到运动平台动块225中，安装上压电陶瓷223后，固定平台221与动块225之间在初始状态下会有1mm的间隙，用于调整压电陶瓷223的预紧力。运动平台的动块225和固定框222之间通过铰链226连接，铰链226中心对称，铰链226的厚度需要根据所选的压电陶瓷223出力特性而定。位移传感器227固定在运动平台动块225上，用于检测运动平台动块225与固定框222之间微位移量，构成反馈。
在一实施例中，整个扫描台主体由2组水平扫描平台，1组竖直扫描平台和1组载物台组成，第一个水平扫描平台(例如X方向扫描平台23)通过其固定平台固定在扫描台基座1上，第二个水平扫描平台(例如Y方向扫描平台24)通过其固定平台固定在X方向扫描平台23的动块上，Z方向扫描平台22通过其固定平台固定在Y方向扫描平台24的动块上，最后是载物台通过上面的定位孔固定在Z方向扫描平台22的动块上。此外，X、Y、Z方向扫描平台亦可以说其他层叠关系，并不对此进行限制。
参照图1、图2，按照上述发明内容所涉及的机械结构使用2组水平扫描平台，1组竖直扫描平台和1组载物台搭建好扫描台，将压电陶瓷接到压电陶瓷驱动电路中，将位移传感器接到信号采集电路中，将待扫描样品固定在载物台上，将整个系统通电预热30分钟。
给X方向扫描平台23的压电陶瓷233适当的电压，压电陶瓷233将会伸长。由于压电陶瓷233两端压紧在动块235和安装块234之间，因此压电陶瓷233会给这两者一个很大的推力，又因为安装块234固定在固定框232上，因此压电陶瓷233的力将会作用在固定框232和动块235上。在这个作用力下，动块235和固定框232之间连接的铰链236将会产生微量的变形，使动块235与固定框232之间产生相对位移。由于固定框232是通过固定在底下的固定平台231间接地固定在扫描台基座1上的，因此固定框232将不会运动，所以动块235将会产生微位移，带动固定在其上的Y方向扫描平台24、固定在Y方向扫描平台24上的Z方向扫描平台22以及固定在Z方向扫描平台22上的载物台21沿着X轴方向运动，而运动的距离将通过X轴上的位移传感器237采集，经信号处理后返回到控制系统。
Y方向扫描平台24与X方向扫描平台23的工作原理相同，只是这两层的安装位置相互垂直，通过给Y方向扫描平台24的压电陶瓷电压后，动块会产生微位移，带动固定在其上的Z方向扫描平台22以及固定在Z方向扫描平台22动块上的载物台21沿垂直于X方向(即Y方向)运动。通过X轴和Y轴的配合，即可实现样品在水平方向上的扫描。
给Z方向扫描平台22的压电陶瓷223适当的电压，压电陶瓷223将会伸长。由于压电陶瓷223两端压紧在动块225和固定平台221之间，因此压电陶瓷223会给这两者一个很大的推力，又因为固定平台221与固定框222固定在一起，因此压电陶瓷223的力将会作用在固定框222和动块225上。在这个作用力下，动块225和固定框222之间连接的铰链226将会产生微量的变形，使动块225与固定框222之间产生相对位移。由于固定框222是通过固定在底下的固定平台221间接地固定在Y方向扫描平台24的动块上的，因此固定框222将不会运动，所以动块225将会产生微位移，带动固定在其上的载物台21沿着Z轴方向运动，而运动的距离将通过Z轴上的位移传感器227采集，经信号处理后返回到控制系统。
如果不需要三维扫描的情况下，只需要单独使用一个水平扫描平台配上一个载物台即可构成一个一维扫描台；一个水平扫描平台配上另一个水平扫描平台或者一个竖直扫描平台，然后再配上一个载物台即可构成二维扫描台，具体实施过程与三维扫描台相同。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，其特征在于：包括基座以及设置于基座之内的扫描台主体；所述扫描台主体包括层叠设置的载物台、X方向扫描平台、Y方向扫描平台以及Z方向扫描平台，其中载物台设于顶层；
所述X、Y和Z方向扫描平台分别包括固定平台以及运动平台，运动平台设置于固定平台上，固定平台固定于基座或其他方向运动平台上；各运动平台上分别设有压电陶瓷、动块、铰链以及位移传感器，压电陶瓷一端与固定平台固定，另一端连接动块，动块与固定平台之间通过铰链连接，位移传感器固定于动块上；X、Y、Z方向扫描平台的压电陶瓷在电驱动下通过铰链带动动块分别沿X、Y、Z方向移动，从而实现载物台的三维移动。
2.根据权利要求1所述的适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，其特征在于：所述运动平台还包括固定框，固定框固定于相应的所述固定平台上，所述压电陶瓷、动块以及铰链设置于固定框之内；所述铰链连接于所述动块和所述固定框之间。
3.根据权利要求2所述的适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，其特征在于：所述X、Y方向扫描平台分别还包括安装块，所述安装块固定于固定块上；所述压电陶瓷分别沿X、Y方向设置，且一端固定于安装块上，另一端抵接所述动块；所述动块相对所述压电陶瓷一端与所述铰链连接。
4.根据权利要求3所述的适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，其特征在于：所述安装块与所述固定框通过螺丝旋接固定，且两者之间具有0.5～2mm的间隙。
5.根据权利要求2所述的适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，其特征在于：所述Z方向扫描平台的压电陶瓷竖直安装，一端嵌入所述固定平台中，另一端嵌入所述动块中。
6.根据权利要求5所述的适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，其特征在于：所述Z方向扫描平台的动块和固定平台之间具有0.5～2mm的间隙。
7.根据权利要求1所述的适用于针尖增强拉曼光谱的纳米扫描台，其特征在于：还包括控制系统、驱动电路以及信号采集电路，控制系统控制驱动电路以施加电压至所述压电陶瓷，所述位移传感器检测到的位移量经由信号采集电路反馈至控制系统。
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