CN108828268A - 一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器 - Google Patents

一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，该扫描器包括有解耦合平台、二维定位平台、基板、高度补偿平台、试样台、X轴向位移组件、Y轴向位移组件、X轴向驱动组件和Y轴向驱动组件；X轴向位移组件与X轴向驱动组件相对放置固定在基板的两边；Y轴向位移组件与Y轴向驱动组件相对放置固定在基板的另两边；高度补偿平台固定在基板中间，高度补偿平台上固定有二维定位平台，二维定位平台的一支臂上固定有解耦合平台，试样台固定在二维定位平台的B连接块上。本发明设计的扫描器能够实现1mm以上的行程，并且能够使扫描精度达到纳米级。

Description

一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器
技术领域
本发明涉及一种扫描器，更特别地说，是指一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器。
背景技术
1986年，Binnig和Quate发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)。原子力显微镜是利用一个极细的针尖逐点探测样品表面，当针尖与样品表面的距离达到纳米级时，探针会受到样品对其产生的相互作用力，通过对这个作用力的检测获取样品的形貌信息。通过与多种现代技术的结合，原子力显微镜不仅成为世界上分辨率最高的显微镜之一，而且是可以在真空、大气和液态环境中对样品进行纳米级分辨率成像、具备纳米操纵与组装能力的、可以测量小到pN量级作用力的一种强有力的微观表面分析仪器。目前，原子力显微镜广泛应用于材料科学和生物技术等热点领域，在深空探测领域具有很大潜力。
传统的原子力显微镜采用压电陶瓷作为扫描器的驱动，扫描范围小，无法满足生物样品成像、半导体产业等对大范围、高分辨率成像的需求；同时，随着国家深空探测计划的实施，将原子力显微镜应用于深空物质的原位探测对于了解深空物质的形貌及性质具有重要意义，商业用显微镜体积大且采用的压电陶瓷扫描器需要高压驱动，无法直接应用到深空探测中去。因此需要对现有的原子力显微镜进行改变，以满足大范围、快速成像及深空探测的需求。
专利申请号CN201410060481.5，申请日，2014年02月23日，发明名称“一种基于石英音叉探针的原子力显微镜的成像系统”，该专利文献中公开了放样台的下方设置有扫描器。扫描器用来搭载样品，带动样品周期性扫描，配合探头实现样品的形貌扫描。
传统的AFM采用压电陶瓷管实现三维扫描，该扫描器将XYZ集成为一体，相互之间存在强烈的耦合，造成图像的畸变，随着扫描范围的增大，畸变将进一步恶化，已经很难满足纳米成像的需求和未来的发展趋势，因此着眼于xy与z分离的扫描方式，实现X轴、Y轴以及Z轴的解耦合。这种扫描方式中，进行XY轴扫描器的优化设计，实现XY轴的解耦合，最终将决定AFM的扫描精度、扫描速度、扫描范围及整体结构。
发明内容
本发明的目的是设计了一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，一方面采用柔性铰链运动平台与音圈电机的组合来保证本发明扫描器在实现大范围扫描的同时达到高精度，从而满足扫描探针显微术领域和生物医学领域对大范围高精度定位成像的要求。另一方面，根据音圈电机的最终输出特性和几何尺寸，配合XY两个方向的柔性铰链结构平台，优化样品扫描的静态性能和动态性能，实现样品大范围高精度的扫描。
本发明是一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其特征在于：大范围柔性结构扫描器包括有解耦合平台(1)、二维定位平台(2)、基板(3)、高度补偿平台(4)、试样台(5)、X轴向位移组件(6)、Y轴向位移组件(7)、X轴向驱动组件(8)和Y轴向驱动组件(9)；所述扫描器能够实现1mm以上的行程，并且能够使扫描精度达到纳米级。
解耦合平台组件由解耦合平台(1)、限位板(10A)和滚珠轴承组(10B)组成；限位板(10A)为L形结构件，限位板(10A)的A支臂(10A1)上设有A通孔(10A3)，通过螺钉穿过A通孔(10A3)后螺纹连接在解耦合平台(1)的X轴向支臂(1A)的A螺纹孔(1A2)中，实现限位板(10A)与解耦合平台(1)的X轴向支臂(1A)的固定；限位板(10A)的B支臂(10A2)的端面与解耦合平台(1)的X轴向支臂(1A)端部上的轴承柱(1A1)接触，用于阻止滚珠轴承组(10B)在运动时滑出；
滚珠轴承组(10B)中的每个滚珠轴承分别套接在X轴向支臂(1A)的轴承柱(1A1)上；
解耦合平台(1)是采用线切割一次加工成型的T形结构件；解耦合平台(1)上设有X轴向支臂(1A)、A固定块(1E)、A铰链(1B)、B铰链(1D)、B固定块(1F)；X轴向支臂(1A)的一端端部为A连接块(1C)，且A铰链(1B)与B铰链(1D)之间的是A连接块(1C)；X轴向支臂(1A)的另一端端部设有凹台(1A3)，凹台(1A3)上设有用于安装多个滚珠轴承的多个轴承柱(1A1)；其中，A铰链(1B)与B铰链(1D)的结构是相同的，均为三片式簧片薄板；
X轴向支臂(1A)上设有A螺纹孔(1A2)，X轴向支臂(1A)的端部设有凹台(1A3)，凹台(1A3)上设有多个轴承柱(1A1)，每个轴承柱(1A1)上套接有一滚珠轴承；
A固定块(1E)上设有B通孔(1E1)，一螺钉顺次穿过B通孔(1E1)、BA通孔(2A11)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DA螺纹孔(4D)中；
B固定块(1F)上设有C通孔(1F1)，一螺钉顺次穿过C通孔(1F1)、BB通孔(2A12)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DB螺纹孔(4D1)中；
A连接块(1C)上设有B螺纹孔(1C1)，采用H螺钉穿过GA通孔(8B21)后螺纹固定在解耦合平台(1)的A连接块(1C)的B螺纹孔(1C1)中；
解耦合平台(1)上除A固定块(1E)和B固定块(1F)与二维定位平台(2)的上面板固定外，解耦合平台(1)上设计的X轴向支臂(1A)、A铰链(1B)、A连接块(1C)、B铰链(1D)与二维定位平台(2)的上面板存在有B间隙(1G)；
二维定位平台(2)为两自由度的柔性机构，即实现沿X轴向和Y轴向的平移运动；二维定位平台(2)是采用线切割一次加工成型的结构件；
二维定位平台(2)的外部是U型架(2A)，内部是质量块(2B)，质量块(2B)的外壁与U型架(2A)之间设有结构相同的四片X轴向左铰链(2C)和四片X轴向右铰链(2D)，质量块(2B)的中心是B连接块(2E)，质量块(2B)的内壁与B连接块(2E)之间设有结构相同的双向三片Y轴向铰链(2F)；
B连接块(2E)上设有BA螺纹孔(2E1)，E螺钉顺次穿过试样台(5)上的EA通孔(5A1)后螺纹连接在BA螺纹孔(2E1)中，采用E螺钉实现试样台(5)固定在二维定位平台(2)的质量块(2B)上；
质量块(2B)的边梁上设有BB螺纹孔(2B-1)，F螺钉顺次穿过第二连接件(9B)上的GB通孔(9B21)后螺纹连接在BB螺纹孔(2B-1)中，采用F螺钉最终实现Y轴向驱动组件(9)与二维定位平台(2)的固定，以利于二维定位平台(2)接受Y轴向驱动组件(9)输出的Y轴方向的驱动力；
二维定位平台(2)上设计的X轴向左铰链(2C)、X轴向右铰链(2D)和Y轴向铰链(2F)，其底部与高度补偿平台(4)的上面板(4A)之间存在有A间隙(2G)；
二维定位平台(2)的U型架(2A)的一侧是左支臂(2A1)，另一侧是右支臂(2A3)；所述左支臂(2A1)上设有用于A螺钉穿过的BA通孔(2A11)和B螺钉穿过的BB通孔(2A12)；A螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的B通孔(1E1)、BA通孔(2A11)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DA螺纹孔(4A1)中；B螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的C通孔(1F1)、BB通孔(2A12)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DB螺纹孔(4A2)中；所述右支臂(2A3)上设有用于C螺钉穿过的BC通孔(2A31)和D螺钉穿过的BD通孔(2A32)；C螺钉穿过BC通孔(2A31)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DC螺纹孔(4A3)中；D螺钉穿过BD通孔(2A32)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DD螺纹孔(4A4)中；
高度补偿平台(4)的一侧采用切割技术获得一凹槽(4-1)，凹槽(4-1)处用于放置Y轴向驱动组件(9)；高度补偿平台(4)分为上面板(4A)、凹槽竖面板(4B)、左侧竖面板(4C)、右侧竖面板(4D)和后面板(4E)；在高度补偿平台(4)的上面板(4A)上设有DA通孔(4F)、DA螺纹孔(4A1)、DB螺纹孔(4A2)、DC螺纹孔(4A3)和DD螺纹孔(4A4)；所述DA通孔(4F)用于一螺钉穿过后螺纹连接在基板(3)上，实现高度补偿平台(4)与基板(3)的固定；
A螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的B通孔(1E1)、BA通孔(2A11)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DA螺纹孔(4A1)中；
B螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的C通孔(1F1)、BB通孔(2A12)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DB螺纹孔(4A2)中；
C螺钉穿过BC通孔(2A31)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DC螺纹孔(4A3)中；
D螺钉穿过BD通孔(2A32)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DD螺纹孔(4A4)中；
高度补偿平台(4)的上面板(4A)上方放置有二维定位平台(2)，且上面板(4A)与二维定位平台(2)的柔性铰链、质量块(2B)之间存在有A间隙(2G)；
试样台(5)上设有C连接块(5A)、X轴向L形悬臂(5B)和Y轴向L形悬臂(5C)；C连接块(5A)上设有EA通孔(5A1)，E螺钉穿过EA通孔(5A1)后螺纹连接在二维定位平台(2)的B连接块(2E)的BA螺纹孔(2E1)中；所述X轴向L形悬臂(5B)和Y轴向L形悬臂(5C)的末端处于激光位移传感器(11A、11B)的位移测量范围之内；
X轴向位移组件(6)包括有X轴向激光位移传感器(11A)和第一U形支撑件(6A)，X轴向激光位移传感器(11A)固定在第一U形支撑件(6A)上；第一U形支撑件(6A)固定在基板(3)上，且第一U形支撑件(6A)位于高度补偿平台(4)的右侧竖面板(4D)，不于右侧竖面板(4D)接触；
Y轴向位移组件(7)包括有Y轴向激光位移传感器(11B)和第二U形支撑件(7A)，Y轴向激光位移传感器(11B)固定在第二U形支撑件(7A)上；第二U形支撑件(7A)固定在基板(3)上，且第二U形支撑件(7A)位于高度补偿平台(4)的后面板(4E)，不于后面板(4E)接触；
X轴向驱动组件(8)包括有X轴向音圈电机(12A)、第一电机座(8A)和第一连接件(8B)；第一电机座(8A)的一面板固定在基板(3)上，第一电机座(8A)上安装有X轴向音圈电机(12A)；X轴向音圈电机(12A)输出的驱动力称为X轴推力，记为FX，即X轴推力FX；
第一连接件(8B)为T型结构件，第一连接件(8B)的A竖板(8B1)与X轴向音圈电机(12A)的动子固定，第一连接件(8B)的A横板(8B2)与解耦合平台(1)的A连接块(1C)通过螺钉固定；A竖板(8B1)上设有GA沉头孔(8B11)，采用I螺钉穿过GA沉头孔(8B11)后螺纹固定在X轴向音圈电机(12A)的动子的螺纹孔中；A横板(8B2)上设有GA通孔(8B21)，采用H螺钉穿过GA通孔(8B21)后螺纹固定在解耦合平台(1)的A连接块(1C)的B螺纹孔(1C1)中；
Y轴向驱动组件(9)包括有Y轴向音圈电机(12B)、第二电机座(9A)和第二连接件(9B)；第二电机座(9A)的一面板固定在基板(3)上，第二电机座(9A)上安装有Y轴向音圈电机(12B)；Y轴向音圈电机(12B)输出的驱动力称为Y轴推力，记为FY，即Y轴推力FY；
第二连接件(9B)为T型结构件，第二连接件(9B)的B竖板(9B1)与Y轴向音圈电机(12B)的动子固定，第二连接件(9B)的B横板(9B2)与二维定位平台(2)的质量块(2B)通过螺钉固定；B竖板(9B1)上设有GB沉头孔(9B11)，采用G螺钉穿过GB沉头孔(9B11)后螺纹固定在Y轴向音圈电机(12B)的动子的螺纹孔中；B横板(9B2)上设有GB通孔(9B21)，采用F螺钉穿过GB通孔(9B21)后螺纹固定在二维定位平台(2)的质量块(2B)的BB螺纹孔(2B-1)中。
本发明设计的一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其优点在于：
(1)采用音圈电机作为驱动电机，具有高能量利用率、行程大、推力大和加速度大等优点，能将扫描器的扫描范围增大到毫米级。
(2)选用合适的柔性铰链类型，大大增加了平台的使用寿命，并对铰链参数进行精确计算，能够配合音圈电机进行大范围扫描。
(3)设计串联和并联相结合的柔性平台结构(混联结构)，通过其中的解耦合平台实现x，y方向的运动解耦合，提高扫描精度。
(4)采用滚柱轴承作为运动传递部分的接触部件，使得接触面间的切向力为滚动摩擦力，大大降低了摩擦力，保证了接触面间力方向的单一性。
(5)设计限位装置，将x，y方向的运动范围限制在±1.5mm范围内，避免运动范围过大而导致柔性结构损坏，保证扫描平台的安全性。
(6)选用激光位移传感器作为位移检测器，可实现远距离高精度无接触式测量，且具有体积小、安装方便的优点。
(7)扫描器的驱动器、主体机械结构、激光位移传感器和控制器组成一体，使整体机械结构紧凑，同时具有高机械带宽。
附图说明
图1是本发明一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器的外部结构图。
图1A是本发明一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器的另一视角外部结构图。
图1B是本发明设计的大范围柔性结构扫描器的内部器件的结构图。
图1C是本发明设计的大范围柔性结构扫描器的内部器件的另一视角结构图。
图1D是图1C的A-A剖视图。
图1E是本发明设计的大范围柔性结构扫描器的分解图。
图2是本发明设计的大范围柔性结构扫描器中二维定位平台的结构图。
图2A是本发明设计的大范围柔性结构扫描器中二维定位平台的受力形变图。
图3是本发明设计的大范围柔性结构扫描器中解耦合平台组件的结构图。
图3A是本发明设计的大范围柔性结构扫描器中解耦合平台的受力形变图。
图4是本发明设计的大范围柔性结构扫描器中位移测量与驱动部分的结构图。
图4A是本发明设计的大范围柔性结构扫描器中位移测量与驱动部分的另一视角结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，本发明设计了一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其包括有解耦合平台1、二维定位平台2、基板3、高度补偿平台4、试样台5、X轴向位移组件6、Y轴向位移组件7、X轴向驱动组件8和Y轴向驱动组件9。
其中，X轴向位移组件6与Y轴向位移组件7的结构相同。
其中，X轴向驱动组件8与Y轴向驱动组件9的结构相同。
X轴向位移组件6与X轴向驱动组件8相对放置固定在基板3的两边；Y轴向位移组件7与Y轴向驱动组件9相对放置固定在基板3的另两边。高度补偿平台4固定在基板3中间。二维定位平台2固定在高度补偿平台4上，解耦合平台1固定在二维定位平台2的一支臂上，试样台5固定在二维定位平台2的B连接块2E上。本发明设计的扫描器能够实现1mm以上的行程，并且能够使扫描精度达到纳米级。
解耦合平台1
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图3所示，解耦合平台组件由解耦合平台1、限位板10A和滚珠轴承组10B组成。限位板10A为L形结构件，限位板10A的A支臂10A1上设有A通孔10A3，通过螺钉穿过A通孔10A3后螺纹连接在解耦合平台1的X轴向支臂1A的A螺纹孔1A2中，实现限位板10A与解耦合平台1的X轴向支臂1A的固定。限位板10A的B支臂10A2的端面与解耦合平台1的X轴向支臂1A端部上的轴承柱1A1接触，用于阻止滚珠轴承组10B在运动时滑出。
滚珠轴承组10B中的每个滚珠轴承分别套接在X轴向支臂1A的轴承柱1A1上。如图1E、图3所示，为了配合X轴向音圈电机12A的输出力FX能够以较佳的力度作用到试样台5上，滚珠轴承组10B中配置了5个滚珠轴承与试样台5的C连接块5A在推进时接触。
参见图1B、图1C、图1E、图3所示，解耦合平台1是采用线切割一次加工成型的T形结构件。解耦合平台1上设有X轴向支臂1A、A固定块1E、A铰链1B、B铰链1D、B固定块1F；X轴向支臂1A的一端端部为A连接块1C，且A铰链1B与B铰链1D之间的是A连接块1C；X轴向支臂1A的另一端端部设有凹台1A3，凹台1A3上设有用于安装多个滚珠轴承的多个轴承柱1A1。其中，A铰链1B与B铰链1D的结构是相同的，均为三片式簧片薄板。
参见图1E、图3所示，X轴向支臂1A上设有A螺纹孔1A2，X轴向支臂1A的端部设有凹台1A3，凹台1A3上设有多个轴承柱1A1，每个轴承柱1A1上套接有一滚珠轴承。
参见图1E所示，A固定块1E上设有B通孔1E1，一螺钉顺次穿过B通孔1E1、BA通孔2A11(二维定位平台2的左支臂2A1上)后螺纹连接在高度补偿平台4的DA螺纹孔4D中。
参见图1E所示，B固定块1F上设有C通孔1F1，一螺钉顺次穿过C通孔1F1、BB通孔2A12(二维定位平台2的左支臂2A1上)后螺纹连接在高度补偿平台4的DB螺纹孔4D1中。
参见图1E所示，A连接块1C上设有B螺纹孔1C1，采用H螺钉穿过GA通孔8B21后螺纹固定在解耦合平台1的A连接块1C的B螺纹孔1C1中，最终实现X轴向驱动组件8与解耦合平台1的固定，以利于解耦合平台1接受X轴向驱动组件8输出的X轴方向的驱动力。
在本发明中，解耦合平台1上除A固定块1E和B固定块1F与二维定位平台2的上面板固定外，解耦合平台1上设计的X轴向支臂1A、A铰链1B、A连接块1C、B铰链1D与二维定位平台2的上面板存在有B间隙1G，此B间隙1G一般为0.1～0.5厘米(如图1D所示)。
参见图3A所示，解耦合平台1的位移运动：在X轴向音圈电机12A的驱动下，电机的输出力FX作用到解耦合平台1的A连接块1C上，并通过滚珠轴承组1B传递至B连接块2E，使得B连接块2E和Y轴向铰链2F同时沿X轴平移一定距离，沿X轴平移的距离经X轴向激光位移传感器11A采集。
二维定位平台2
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图2所示，二维定位平台2为两自由度的柔性机构，即实现沿X轴向和Y轴向的平移运动。二维定位平台2是采用线切割一次加工成型的结构件。
二维定位平台2的外部是U型架2A，内部是质量块2B，质量块2B的外壁与U型架2A之间设有结构相同的四片X轴向左铰链2C和四片X轴向右铰链2D，质量块2B的中心是B连接块2E，质量块2B的内壁与B连接块2E之间设有结构相同的双向三片Y轴向铰链2F。
B连接块2E上设有BA螺纹孔2E1，E螺钉顺次穿过试样台5上的EA通孔5A1后螺纹连接在BA螺纹孔2E1中，采用E螺钉实现试样台5固定在二维定位平台2的质量块2B上。
质量块2B的边梁上设有BB螺纹孔2B-1(2个BB螺纹孔)，F螺钉顺次穿过第二连接件9B上的GB通孔9B21后螺纹连接在BB螺纹孔2B-1中，采用F螺钉最终实现Y轴向驱动组件9与二维定位平台2的固定，以利于二维定位平台2接受Y轴向驱动组件9输出的Y轴方向的驱动力。
在本发明中，二维定位平台2上设计的X轴向左铰链2C、X轴向右铰链2D和Y轴向铰链2F，其底部与高度补偿平台4的上面板4A之间存在有A间隙2G，此A间隙2G一般为0.2～0.5厘米(如图1D所示)。
参见图1E所示，二维定位平台2的U型架2A的一侧是左支臂2A1，另一侧是右支臂2A3；所述左支臂2A1上设有用于A螺钉穿过的BA通孔2A11和B螺钉穿过的BB通孔2A12；A螺钉顺次穿过解耦合平台1上的B通孔1E1、BA通孔2A11后螺纹连接在高度补偿平台4的DA螺纹孔4A1中；B螺钉顺次穿过解耦合平台1上的C通孔1F1、BB通孔2A12后螺纹连接在高度补偿平台4的DB螺纹孔4A2中；所述右支臂2A3上设有用于C螺钉穿过的BC通孔2A31和D螺钉穿过的BD通孔2A32；C螺钉穿过BC通孔2A31后螺纹连接在高度补偿平台4的DC螺纹孔4A3中；D螺钉穿过BD通孔2A32后螺纹连接在高度补偿平台4的DD螺纹孔4A4中。在本发明中，通过四颗螺钉(A螺钉、B螺钉、C螺钉、D螺钉)实现将解耦合平台1、二维定位平台2和高度补偿平台4固定在一起。
参见图2A所示，二维定位平台2的位移运动：在Y轴向音圈电机12B的驱动下，电机的输出力FY作用到质量块2B上，使得X轴向左铰链2C、质量块2B、Y轴向铰链2F、B连接块2E和X轴向右铰链2D同时沿Y轴平移一定距离，沿Y轴平移的距离经Y轴向激光位移传感器11B采集。
在X轴向音圈电机12A的驱动下，(如图3A)电机的输出力FX作用到解耦合平台1的A连接块1C上，并通过滚珠轴承组1B传递至B连接块2E，使得B连接块2E和Y轴向铰链2F同时沿X轴平移一定距离，该距离经X轴向激光位移传感器11A采集。
基板3
参见图1、图1A所示，基板3上设有多个装配孔，这些装配孔用于实现将高度补偿平台4、X轴向位移组件6、Y轴向位移组件7、X轴向驱动组件8和Y轴向驱动组件9固定在同一平面上。
高度补偿平台4
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，高度补偿平台4的一侧采用切割技术获得一凹槽4-1，凹槽4-1处用于放置Y轴向驱动组件9。高度补偿平台4分为上面板4A、凹槽竖面板4B、左侧竖面板4C、右侧竖面板4D和后面板4E。在高度补偿平台4的上面板4A上设有DA通孔4F(5个DA通孔)、DA螺纹孔4A1、DB螺纹孔4A2、DC螺纹孔4A3和DD螺纹孔4A4。所述DA通孔4F用于一螺钉穿过后螺纹连接在基板3上，实现高度补偿平台4与基板3的固定。
A螺钉顺次穿过解耦合平台1上的B通孔1E1、BA通孔2A11后螺纹连接在高度补偿平台4的DA螺纹孔4A1中。
B螺钉顺次穿过解耦合平台1上的C通孔1F1、BB通孔2A12后螺纹连接在高度补偿平台4的DB螺纹孔4A2中。
C螺钉穿过BC通孔2A31后螺纹连接在高度补偿平台4的DC螺纹孔4A3中。
D螺钉穿过BD通孔2A32后螺纹连接在高度补偿平台4的DD螺纹孔4A4中。
高度补偿平台4的上面板4A上方放置有二维定位平台2(如图1D所示)，且上面板4A与二维定位平台2的柔性铰链、质量块2B之间存在有A间隙2G。
在本发明中，应用高度补偿平台4一方面是为了配合音圈电机的安装高度；另一方面是为了保证X轴向音圈电机12A的X轴推力FX的作用点与解耦合平台1的中心重合，补偿了解耦合平台1与二维定位平台2在Z轴上的重叠高度；再一方面Y轴向音圈电机12B的输出力FY的作用点与二维定位平台2的中心重合，补偿了二维定位平台2在Z轴上的高度。
试样台5
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，试样台5上设有C连接块5A、X轴向L形悬臂5B和Y轴向L形悬臂5C；C连接块5A上设有EA通孔5A1，E螺钉穿过EA通孔5A1后螺纹连接在二维定位平台2的B连接块2E的BA螺纹孔2E1中。
在本发明中，试样台5上设有两个L型结构的悬臂(5B、5C)，其目的在于保证试样台5处于激光位移传感器(11A、11B)的位移测量范围之内(30mm±4mm)。
X轴向位移组件6与Y轴向位移组件7
参见图1、图1A、图4、图4A所示，X轴向位移组件6包括有X轴向激光位移传感器11A和第一U形支撑件6A，X轴向激光位移传感器11A固定在第一U形支撑件6A上。第一U形支撑件6A固定在基板3上，且第一U形支撑件6A位于高度补偿平台4的右侧竖面板4D，不于右侧竖面板4D接触。
Y轴向位移组件7包括有Y轴向激光位移传感器11B和第二U形支撑件7A，Y轴向激光位移传感器11B固定在第二U形支撑件7A上。第二U形支撑件7A固定在基板3上，且第二U形支撑件7A位于高度补偿平台4的后面板4E，不于后面板4E接触。
X轴向驱动组件8与Y轴向驱动组件9
参见图1、图1A、图4、图4A所示，X轴向驱动组件8包括有X轴向音圈电机12A、第一电机座8A和第一连接件8B；第一电机座8A的一面板固定在基板3上，第一电机座8A上安装有X轴向音圈电机12A。X轴向音圈电机12A输出的驱动力称为X轴推力，记为FX，即X轴推力FX。
第一连接件8B为T型结构件，第一连接件8B的A竖板8B1与X轴向音圈电机12A的动子固定，第一连接件8B的A横板8B2与解耦合平台1的A连接块1C通过螺钉固定。A竖板8B1上设有GA沉头孔8B11，采用I螺钉穿过GA沉头孔8B11后螺纹固定在X轴向音圈电机12A的动子的螺纹孔中。A横板8B2上设有GA通孔8B21，采用H螺钉穿过GA通孔8B21后螺纹固定在解耦合平台1的A连接块1C的B螺纹孔1C1中。
Y轴向驱动组件9包括有Y轴向音圈电机12B、第二电机座9A和第二连接件9B；第二电机座9A的一面板固定在基板3上，第二电机座9A上安装有Y轴向音圈电机12B。Y轴向音圈电机12B输出的驱动力称为Y轴推力，记为FY，即Y轴推力FY。
第二连接件9B为T型结构件，第二连接件9B的B竖板9B1与Y轴向音圈电机12B的动子固定，第二连接件9B的B横板9B2与二维定位平台2的质量块2B通过螺钉固定。B竖板9B1上设有GB沉头孔9B11，采用G螺钉穿过GB沉头孔9B11后螺纹固定在Y轴向音圈电机12B的动子的螺纹孔中。B横板9B2上设有GB通孔9B21，采用F螺钉穿过GB通孔9B21后螺纹固定在二维定位平台2的质量块2B的BB螺纹孔2B-1中。
在本发明中，音圈电机选用北京星微自动化科技有限公司生产的XVLC100-10-00N型号，持续推力32N，峰值推力96N，行程±5mm。
在本发明中，激光位移传感器选用Panasonic(松下)公司生产的HL-G103-S-J型号，检测中心距离30mm，检测范围±4mm，分辨率0.5μm。
本发明适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器的工作原理：
首先，在X轴向音圈电机12A输出的X轴推力FX下，解耦合平台1沿X轴向施加此推力；在X轴推力FX作用下，解耦合平台1中的A铰链1B和B铰链1D产生沿X轴向的形变，A连接块1C和X轴向支臂1A沿X轴向运动，X轴向支臂1A与试样台5通过滚珠轴承组10B接触，将X轴推力FX传递到试样台5上，试样台5与二维定位平台2中的连接块2E通过一螺钉固紧连接，于是二维定位平台2中的Y轴向铰链2F受X轴推力FX作用产生沿X轴向的形变，连接块2E和试样台5一起沿着X轴向运动一定距离(步长1μm，总位移1mm)，实现X轴向扫描。
之后，X轴向音圈电机12A对解耦合平台1施加沿X轴向反方向的拉力F-X，使解耦合平台1和试样台5沿着X轴向反方向运动，回到初始位置。发生形变的解耦合平台1中的A铰链1B和B铰链1D，以及二维定位平台2中的Y轴向铰链2F恢复原状。
此后，在Y轴向音圈电机12B输出的Y轴推力FY下，二维定位平台2中的质量块2B沿Y轴向施加此Y轴推力FY；在Y轴推力FY作用下，二维定位平台2中的左铰链2C和右铰链2D产生沿Y轴向的形变，质量块2B沿Y轴向运动一定的微小距离(1μm)，实现Y轴向扫描。
重复，X轴向音圈电机12A输出的X轴推力FX再次使解耦合平台1施加沿x轴向的X轴推力FX；X轴向音圈电机12A输出的X轴拉力F-X再次使解耦合平台1施加沿x轴反方向的X轴拉力F-X；Y轴向音圈电机12B输出的Y轴推力FY再次使二维定位平台2中的质量块2B施加沿Y轴向的Y轴推力FY；往复此操作完成对样品的形貌扫描。
由于解耦合平台1与试样台5之间通过滚珠轴承组10B接触，接触面间的切向力为滚动摩擦力，可忽略，因此，解耦合平台1与试样台5之间只存在法向推力，保证了接触面间力方向的单一性，从而实现了x方向运动和y方向运动的解耦合，最终实现二维扫描。
本发明设计的是一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，所要解决的是如何提高二维扫描下的样品形貌精度的技术问题，本扫描器通过柔性铰链运动平台(解耦合平台1与二维定位平台2)与音圈电机的组合，来实现X轴、Y轴的行程控制的技术手段，从而达到对样品形貌高精度采集的技术效果。

Claims (6)

1.一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其特征在于：大范围柔性结构扫描器包括有解耦合平台(1)、二维定位平台(2)、基板(3)、高度补偿平台(4)、试样台(5)、X轴向位移组件(6)、Y轴向位移组件(7)、X轴向驱动组件(8)和Y轴向驱动组件(9)；
解耦合平台组件由解耦合平台(1)、限位板(10A)和滚珠轴承组(10B)组成；限位板(10A)为L形结构件，限位板(10A)的A支臂(10A1)上设有A通孔(10A3)，通过螺钉穿过A通孔(10A3)后螺纹连接在解耦合平台(1)的X轴向支臂(1A)的A螺纹孔(1A2)中，实现限位板(10A)与解耦合平台(1)的X轴向支臂(1A)的固定；限位板(10A)的B支臂(10A2)的端面与解耦合平台(1)的X轴向支臂(1A)端部上的轴承柱(1A1)接触，用于阻止滚珠轴承组(10B)在运动时滑出；
滚珠轴承组(10B)中的每个滚珠轴承分别套接在X轴向支臂(1A)的轴承柱(1A1)上；
解耦合平台(1)是采用线切割一次加工成型的T形结构件；解耦合平台(1)上设有X轴向支臂(1A)、A固定块(1E)、A铰链(1B)、B铰链(1D)、B固定块(1F)；X轴向支臂(1A)的一端端部为A连接块(1C)，且A铰链(1B)与B铰链(1D)之间的是A连接块(1C)；X轴向支臂(1A)的另一端端部设有凹台(1A3)，凹台(1A3)上设有用于安装多个滚珠轴承的多个轴承柱(1A1)；其中，A铰链(1B)与B铰链(1D)的结构是相同的，均为三片式簧片薄板；
X轴向支臂(1A)上设有A螺纹孔(1A2)，X轴向支臂(1A)的端部设有凹台(1A3)，凹台(1A3)上设有多个轴承柱(1A1)，每个轴承柱(1A1)上套接有一滚珠轴承；
A固定块(1E)上设有B通孔(1E1)，一螺钉顺次穿过B通孔(1E1)、BA通孔(2A11)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DA螺纹孔(4D)中；
B固定块(1F)上设有C通孔(1F1)，一螺钉顺次穿过C通孔(1F1)、BB通孔(2A12)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DB螺纹孔(4D1)中；
A连接块(1C)上设有B螺纹孔(1C1)，采用H螺钉穿过GA通孔(8B21)后螺纹固定在解耦合平台(1)的A连接块(1C)的B螺纹孔(1C1)中；
解耦合平台(1)上除A固定块(1E)和B固定块(1F)与二维定位平台(2)的上面板固定外，解耦合平台(1)上设计的X轴向支臂(1A)、A铰链(1B)、A连接块(1C)、B铰链(1D)与二维定位平台(2)的上面板存在有B间隙(1G)；
二维定位平台(2)为两自由度的柔性机构，即实现沿X轴向和Y轴向的平移运动；二维定位平台(2)是采用线切割一次加工成型的结构件；
二维定位平台(2)的外部是U型架(2A)，内部是质量块(2B)，质量块(2B)的外壁与U型架(2A)之间设有结构相同的四片X轴向左铰链(2C)和四片X轴向右铰链(2D)，质量块(2B)的中心是B连接块(2E)，质量块(2B)的内壁与B连接块(2E)之间设有结构相同的双向三片Y轴向铰链(2F)；
B连接块(2E)上设有BA螺纹孔(2E1)，E螺钉顺次穿过试样台(5)上的EA通孔(5A1)后螺纹连接在BA螺纹孔(2E1)中，采用E螺钉实现试样台(5)固定在二维定位平台(2)的质量块(2B)上；
质量块(2B)的边梁上设有BB螺纹孔(2B-1)，F螺钉顺次穿过第二连接件(9B)上的GB通孔(9B21)后螺纹连接在BB螺纹孔(2B-1)中，采用F螺钉最终实现Y轴向驱动组件(9)与二维定位平台(2)的固定，以利于二维定位平台(2)接受Y轴向驱动组件(9)输出的Y轴方向的驱动力；
二维定位平台(2)上设计的X轴向左铰链(2C)、X轴向右铰链(2D)和Y轴向铰链(2F)，其底部与高度补偿平台(4)的上面板(4A)之间存在有A间隙(2G)；
二维定位平台(2)的U型架(2A)的一侧是左支臂(2A1)，另一侧是右支臂(2A3)；所述左支臂(2A1)上设有用于A螺钉穿过的BA通孔(2A11)和B螺钉穿过的BB通孔(2A12)；A螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的B通孔(1E1)、BA通孔(2A11)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DA螺纹孔(4A1)中；B螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的C通孔(1F1)、BB通孔(2A12)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DB螺纹孔(4A2)中；所述右支臂(2A3)上设有用于C螺钉穿过的BC通孔(2A31)和D螺钉穿过的BD通孔(2A32)；C螺钉穿过BC通孔(2A31)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DC螺纹孔(4A3)中；D螺钉穿过BD通孔(2A32)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DD螺纹孔(4A4)中；
高度补偿平台(4)的一侧采用切割技术获得一凹槽(4-1)，凹槽(4-1)处用于放置Y轴向驱动组件(9)；高度补偿平台(4)分为上面板(4A)、凹槽竖面板(4B)、左侧竖面板(4C)、右侧竖面板(4D)和后面板(4E)；在高度补偿平台(4)的上面板(4A)上设有DA通孔(4F)、DA螺纹孔(4A1)、DB螺纹孔(4A2)、DC螺纹孔(4A3)和DD螺纹孔(4A4)；所述DA通孔(4F)用于一螺钉穿过后螺纹连接在基板(3)上，实现高度补偿平台(4)与基板(3)的固定；
A螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的B通孔(1E1)、BA通孔(2A11)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DA螺纹孔(4A1)中；
B螺钉顺次穿过解耦合平台(1)上的C通孔(1F1)、BB通孔(2A12)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DB螺纹孔(4A2)中；
C螺钉穿过BC通孔(2A31)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DC螺纹孔(4A3)中；
D螺钉穿过BD通孔(2A32)后螺纹连接在高度补偿平台(4)的DD螺纹孔(4A4)中；
高度补偿平台(4)的上面板(4A)上方放置有二维定位平台(2)，且上面板(4A)与二维定位平台(2)的柔性铰链、质量块(2B)之间存在有A间隙(2G)；
试样台(5)上设有C连接块(5A)、X轴向L形悬臂(5B)和Y轴向L形悬臂(5C)；C连接块(5A)上设有EA通孔(5A1)，E螺钉穿过EA通孔(5A1)后螺纹连接在二维定位平台(2)的B连接块(2E)的BA螺纹孔(2E1)中；所述X轴向L形悬臂(5B)和Y轴向L形悬臂(5C)的末端处于激光位移传感器(11A、11B)的位移测量范围之内；
X轴向位移组件(6)包括有X轴向激光位移传感器(11A)和第一U形支撑件(6A)，X轴向激光位移传感器(11A)固定在第一U形支撑件(6A)上；第一U形支撑件(6A)固定在基板(3)上，且第一U形支撑件(6A)位于高度补偿平台(4)的右侧竖面板(4D)，不于右侧竖面板(4D)接触；
Y轴向位移组件(7)包括有Y轴向激光位移传感器(11B)和第二U形支撑件(7A)，Y轴向激光位移传感器(11B)固定在第二U形支撑件(7A)上；第二U形支撑件(7A)固定在基板(3)上，且第二U形支撑件(7A)位于高度补偿平台(4)的后面板(4E)，不于后面板(4E)接触；
X轴向驱动组件(8)包括有X轴向音圈电机(12A)、第一电机座(8A)和第一连接件(8B)；第一电机座(8A)的一面板固定在基板(3)上，第一电机座(8A)上安装有X轴向音圈电机(12A)；X轴向音圈电机(12A)输出的驱动力称为X轴推力，记为FX，即X轴推力FX；
第一连接件(8B)为T型结构件，第一连接件(8B)的A竖板(8B1)与X轴向音圈电机(12A)的动子固定，第一连接件(8B)的A横板(8B2)与解耦合平台(1)的A连接块(1C)通过螺钉固定；A竖板(8B1)上设有GA沉头孔(8B11)，采用I螺钉穿过GA沉头孔(8B11)后螺纹固定在X轴向音圈电机(12A)的动子的螺纹孔中；A横板(8B2)上设有GA通孔(8B21)，采用H螺钉穿过GA通孔(8B21)后螺纹固定在解耦合平台(1)的A连接块(1C)的B螺纹孔(1C1)中；
Y轴向驱动组件(9)包括有Y轴向音圈电机(12B)、第二电机座(9A)和第二连接件(9B)；第二电机座(9A)的一面板固定在基板(3)上，第二电机座(9A)上安装有Y轴向音圈电机(12B)；Y轴向音圈电机(12B)输出的驱动力称为Y轴推力，记为FY，即Y轴推力FY；
第二连接件(9B)为T型结构件，第二连接件(9B)的B竖板(9B1)与Y轴向音圈电机(12B)的动子固定，第二连接件(9B)的B横板(9B2)与二维定位平台(2)的质量块(2B)通过螺钉固定；B竖板(9B1)上设有GB沉头孔(9B11)，采用G螺钉穿过GB沉头孔(9B11)后螺纹固定在Y轴向音圈电机(12B)的动子的螺纹孔中；B横板(9B2)上设有GB通孔(9B21)，采用F螺钉穿过GB通孔(9B21)后螺纹固定在二维定位平台(2)的质量块(2B)的BB螺纹孔(2B-1)中。
2.根据权利要求1所述的一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其特征在于：所述扫描器的工作原理是；
首先，在X轴向音圈电机(12A)输出的X轴推力FX下，解耦合平台(1)沿X轴向施加此推力；在X轴推力FX作用下，解耦合平台(1)中的A铰链(1B)和B铰链(1D)产生沿X轴向的形变，A连接块(1C)和X轴向支臂(1A)沿X轴向运动，X轴向支臂(1A)与试样台(5)通过滚珠轴承组(10B)接触，将X轴推力FX传递到试样台(5)上，试样台(5)与二维定位平台(2)中的连接块(2E)通过一螺钉固紧连接，于是二维定位平台(2)中的Y轴向铰链(2F)受X轴推力FX作用产生沿X轴向的形变，连接块(2E)和试样台(5)一起沿着X轴向运动一定距离，实现X轴向扫描；
之后，X轴向音圈电机(12A)对解耦合平台(1)施加沿X轴向反方向的拉力F-X，使解耦合平台(1)和试样台(5)沿着X轴向反方向运动，回到初始位置；发生形变的解耦合平台(1)中的A铰链(1B)和B铰链(1D)，以及二维定位平台(2)中的Y轴向铰链(2F)恢复原状；
此后，在Y轴向音圈电机(12B)输出的Y轴推力FY下，二维定位平台(2)中的质量块(2B)沿Y轴向施加此Y轴推力FY；在Y轴推力FY作用下，二维定位平台(2)中的左铰链(2C)和右铰链(2D)产生沿Y轴向的形变，质量块(2B)沿Y轴向运动一定的微小距离，实现Y轴向扫描；
重复，X轴向音圈电机(12A)输出的X轴推力FX再次使解耦合平台(1)施加沿x轴向的X轴推力FX；X轴向音圈电机(12A)输出的X轴拉力F-X再次使解耦合平台(1)施加沿x轴反方向的X轴拉力F-X；Y轴向音圈电机(12B)输出的Y轴推力FY再次使二维定位平台(2)中的质量块(2B)施加沿Y轴向的Y轴推力FY；往复此操作完成对样品的形貌扫描。
3.根据权利要求1所述的一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其特征在于：A间隙(2G)为0.2～0.5厘米，B间隙(1G)为0.1～0.5厘米。
4.根据权利要求1所述的一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其特征在于：所述扫描器能够实现1mm以上的行程，并且能够使扫描精度达到纳米级。
5.根据权利要求1所述的一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其特征在于：激光位移传感器的检测范围±4mm，分辨率0.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器，其特征在于：音圈电机的持续推力32N，峰值推力96N，行程±5mm。
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