CN114629375B - 微力施加装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微力施加装置，该微力施加装置包括力传感器和微动平台，力传感器与微动平台的力传感器安装面刚性链接，通过微动平台带动力传感器进行微量移动；微动平台包括位移传感器组件、顶部封板、运动基体、底部封板和微动平台驱动结构，微动平台驱动结构包括驱动机构和安装在驱动机构中的压电陶瓷促动器。本发明利用压电陶瓷促动器的逆压电效应，通过电场的精确控制，能够使压电陶瓷促动器的膨胀尺度达到亚纳米尺度，能够对力传感器实现微力(mg级及以下)的施加，进而能够满足台阶仪在纳米尺度下定量和定性的检测材料表面形貌特征，以及在微力作用下材料的力学性质、物性测量等物理研究。

Description

微力施加装置
技术领域
本发明涉及检测仪器技术领域，特别是涉及一种微力施加装置。
背景技术
20世纪五十年代开始的第三次科技革命，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命，极大的推动了人类的科技发展进程。进入21世纪以来，芯片产业迎来了一个快速发展阶段，并带动了半导体产业和新材料产业的蓬勃发展，尤其是近几年的政策扶持，5G产业覆盖以及智能制造极大的推动了高端产业化进程，也让市场对微观尺度下的材料及物理等基础研究日益重视，而对应于此的高端设备也迎来了新潮。
台阶仪是一种可以用来完成材料表面形貌表征的检测仪器，主要用于检测微电子器件、半导体、电池、高亮度发光二管以及材料科学领域中元器件的表面轮廓状态。台阶仪通常包括探头和探针，探针夹持安装于探头上。当探针沿被测表面滑过时，被测表面上的微小峰谷可使探针在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动，即探针可相对探头伸缩运动；探针的运动情况就反映了被测表面的轮廓。
现有技术中的台阶仪不能很好的实现纳米尺度下定量和定性的检测材料表面形貌特征，以及在微力(mg级及以下)作用下材料的力学性质、物性测量等物理研究，主要原因是现有台阶仪中用于驱动探针运动的驱动装置，还无法实现微力(mg级及以下)的施加。
发明内容
为此，本发明的目的在于提出一种微力施加装置，以解决上述技术问题，满足台阶仪在纳米尺度下定量和定性的检测材料表面形貌特征，以及在微力(mg级及以下)作用下材料的力学性质、物性测量等物理研究。
本发明提供一种微力施加装置包括：力传感器和微动平台，所述力传感器与所述微动平台的力传感器安装面刚性链接，通过所述微动平台带动所述力传感器进行微量移动；
所述微动平台包括位移传感器组件、顶部封板、运动基体、底部封板和微动平台驱动结构，所述运动基体安装在所述顶部封板和所述底部封板之间，所述位移传感器组件安装在所述顶部封板上，所述微动平台驱动结构安装在所述运动基体上；
所述微动平台驱动结构包括驱动机构和安装在所述驱动机构中的压电陶瓷促动器，所述运动基体包括固定基座和微动主体，所述微动主体安装在所述固定基座上，所述驱动机构的驱动面与所述微动主体刚性连接，所述驱动机构的刚性基座与所述固定基座相连；
所述压电陶瓷促动器在通电过程中膨胀，以产生线性位移，进而通过所述驱动机构使所述驱动面形成放大的位移量，并通过所述驱动面带动所述运动基体的微动主体一起移动，最终通过所述力传感器安装面输出相应的位移。
作为一种可选的实施方式，所述驱动机构包括所述刚性基座和若干个第一导向梁，所述第一导向梁所在的平面与所述驱动面平行；所述刚性基座内设有若干个铰链，且若干个铰链分别设于所述压电陶瓷促动器的两侧，所述压电陶瓷促动器在通电过程中膨胀，产生线性位移，再通过所述铰链的运动放大，以使所述驱动面产生位移，且所述压电陶瓷促动器的线性位移方向与所述驱动面的位移方向垂直。
作为一种可选的实施方式，所述铰链的数量为八个，分别为第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链、第七铰链和第八铰链，其中，所述第一铰链、所述第二铰链、所述第三铰链、所述第四铰链位于所述压电陶瓷促动器的一侧，且所述第一铰链、所述第二铰链、所述第三铰链、所述第四铰链在所述刚性基座内依次连接；
所述第五铰链、所述第六铰链、所述第七铰链、所述第八铰链位于所述压电陶瓷促动器的另一侧，且所述第五铰链、所述第六铰链、所述第七铰链、所述第八铰链在所述刚性基座内依次连接。
作为一种可选的实施方式，所述第六铰链和所述第七铰链之间设有驱动块，所述驱动面位于所述驱动块上。
作为一种可选的实施方式，所述位移传感器组件包括第一位移传感器、栅尺和传感器座，所述第一位移传感器安装在所述传感器座上，所述传感器座与所述固定基座相连，所述栅尺固定在所述微动主体上的栅尺安装面上。
作为一种可选的实施方式，所述驱动机构内设有两个相对设置的卡槽，所述压电陶瓷促动器安装在两个所述卡槽内，以形成所述微动平台驱动结构。
作为一种可选的实施方式，所述微动主体的两侧设有若干个第二导向梁。
作为一种可选的实施方式，所述力传感器包括屏蔽壳体、锁紧件、灯珠、灯座、探针、第二位移传感器、弹簧组件和屏蔽板；
所述第二位移传感器安装在所述屏蔽壳体上，并通过所述锁紧件固定；所述探针安装在所述弹簧组件的安装孔里，且所述弹簧组件的安装基体与所述屏蔽壳体刚性连接，所述弹簧组件中感应电极的感应电极面与所述第二位移传感器相对，以实现位置的测量；所述灯珠安装在所述灯座上，所述灯座与所述屏蔽板刚性连接，所述屏蔽板安装在所述屏蔽壳体上。
作为一种可选的实施方式，所述弹簧组件包括所述安装基体以及设于所述安装基体上的若干个弹性平板，所述感应电极设于所述安装基体上，且所述感应电极位于相邻的两个所述弹性平板之间，所述安装基体上还设有限位卡槽，所述感应电极靠近所述限位卡槽的一面设有限位卡块，所述限位卡块设于所述限位卡槽中。
根据本发明提供的微力施加装置，利用压电陶瓷促动器的逆压电效应，压电陶瓷促动器在通电过程中膨胀，以产生线性位移，进而通过驱动机构使驱动面形成放大的位移量，并通过驱动面带动运动基体的微动主体一起移动，最终通过力传感器安装面输出相应的位移，通过电场的精确控制，能够使压电陶瓷促动器的膨胀尺度达到亚纳米尺度，能够对力传感器实现微力(mg级及以下)的施加，进而能够满足台阶仪在纳米尺度下定量和定性的检测材料表面形貌特征，以及在微力(mg级及以下)作用下材料的力学性质、物性测量等物理研究。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。
附图说明
本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一实施例提供的微力施加装置的结构示意图；
图2是微动平台的装配结构示意图；
图3是微动平台的剖视结构示意图；
图4是微动平台驱动结构的结构示意图；
图5是微动平台驱动结构的运动简图；
图6是运动基体的结构示意图；
图7是力传感器的装配结构示意图；
图8是力传感器的剖视结构示意图；
图9是弹簧组件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图3，本发明一实施例提供的微力施加装置，包括力传感器10和微动平台20，力传感器10与微动平台20的力传感器安装面201刚性链接，通过微动平台20带动力传感器10进行微量移动。其中，微动平台20包括位移传感器组件21、顶部封板22、运动基体23、底部封板24和微动平台驱动结构25。
运动基体23安装在顶部封板22和底部封板24之间，位移传感器组件21安装在顶部封板22上，微动平台驱动结构25安装在运动基体23上。
请结合图3和图6，运动基体23包括固定基座231和微动主体232，微动主体232安装在固定基座231上。顶部封板22和底部封板24分别与固定基座231相连。
位移传感器组件21(如图2所示)包括第一位移传感器211、栅尺212和传感器座213，第一位移传感器211安装在传感器座213上，传感器座213与固定基座231相连，栅尺212固定在所述微动主体232上的栅尺安装面2321上。
请结合图3至图4以及图6，微动平台驱动结构25包括驱动机构251和安装在驱动机构251中的压电陶瓷促动器252，驱动机构251的驱动面2510与微动主体232刚性连接，驱动机构251的刚性基座2511与固定基座231相连。
具体的，驱动机构251内设有两个相对设置的卡槽2501，压电陶瓷促动器252安装在两个卡槽2501内，以形成微动平台驱动结构25。
压电陶瓷促动器252在通电过程中膨胀，以产生线性位移，进而通过驱动机构251使驱动面2510形成放大的位移量，并通过驱动面2510带动运动基体23的微动主体232一起移动，最终通过力传感器安装面201输出相应的位移。
其中，驱动机构251包括刚性基座2511和若干个第一导向梁2512，本实施例中，具体有两个第一导向梁2512，第一导向梁2512所在的平面与驱动面2510平行。第一导向梁2512为固定运动体及运动导向的作用。
刚性基座2511内设有若干个铰链，且若干个铰链分别设于压电陶瓷促动器252的两侧，压电陶瓷促动器252在通电过程中膨胀，产生线性位移，再通过铰链的运动放大，以使驱动面2510产生位移，且压电陶瓷促动器252的线性位移方向与驱动面2510的位移方向垂直。铰链的数量为2n+2，n为大于等于1的自然数。
具体在本实施例中，铰链的数量为八个，分别为第一铰链261、第二铰链262、第三铰链263、第四铰链264、第五铰链265、第六铰链266、第七铰链267和第八铰链267，其中，第一铰链261、第二铰链262、第三铰链263、第四铰链264位于压电陶瓷促动器252的一侧，且第一铰链261、第二铰链262、第三铰链263、第四铰链264在刚性基座2511内依次连接。第一铰链261、第四铰链264分别与刚性基座2511连接。
第五铰链265、第六铰链266、第七铰链267、第八铰链268位于压电陶瓷促动器252的另一侧，且第五铰链265、第六铰链266、第七铰链267、第八铰链268在刚性基座2511内依次连接。第五铰链265、第八铰链268分别与刚性基座2511连接。
第六铰链266和第七铰链267之间设有驱动块270，驱动面2510位于所述驱动块270上。
具体的，请着重参阅图5，压电陶瓷促动器252在通电过程中膨胀，产生线性位移Δx，通过铰链的运动放大，驱动面2510的位置移动了y2-y1的距离。
此外，微动主体232的两侧设有若干个第二导向梁233。具体在本实施例中，第二导向梁233的数量为4个。第二导向梁233的作用为运动方向导向以及垂直运动方向的负载承重。
请结合图7至图9，力传感器10包括屏蔽壳体11、锁紧件12、灯珠13、灯座14、探针15、第二位移传感器16、弹簧组件17和屏蔽板18。
第二位移传感器16安装在屏蔽壳体11上，并通过锁紧件12固定，锁紧件12具体为螺钉，可实现第二位移传感器16的位置调节。
探针15安装在弹簧组件17的安装孔170里，且弹簧组件17的安装基体171与屏蔽壳体11刚性连接，弹簧组件17中感应电极19的感应电极面190与第二位移传感器16相对，以实现位置的测量；灯珠13安装在灯座14上，灯座14与屏蔽板18刚性连接，屏蔽板18安装在屏蔽壳体11上。
当探针15压到样品时，弹簧组件17中感应电极19的感应电极面190与第二位移传感器16的距离发生变化，此时根据距离变化并结合弹簧刚度值可计算出压力值，灯珠13的作用是为显微镜观察样品测量位置提供光源。
具体的，弹簧组件17包括安装基体171以及设于安装基体171上的若干个弹性平板172，本实施例中，弹性平板172的数量具体为4个，感应电极19设于安装基体171上，且感应电极19位于相邻的两个弹性平板172之间，安装基体171上还设有限位卡槽173，感应电极19靠近限位卡槽173的一面设有限位卡块174，限位卡块174设于限位卡槽173中。4个弹性平板172提供弹性力，并对感应电极面190的运动起到导向作用，限位卡块174在限位卡槽173内，起到限位作用，防止探针15在外力作用下，其位移量超出弹性平板172的弹性有效量程。
此外，本发明的另一实施例还提供一种检测仪器，该检测仪器包括上述的微力施加装置，该检测仪器例如是台阶仪或者压痕仪等。
综上，根据本发明提供的微力施加装置，利用压电陶瓷促动器的逆压电效应，压电陶瓷促动器在通电过程中膨胀，以产生线性位移，进而通过驱动机构使驱动面形成放大的位移量，并通过驱动面带动运动基体的微动主体一起移动，最终通过力传感器安装面输出相应的位移，通过电场的精确控制，能够使压电陶瓷促动器的膨胀尺度达到亚纳米尺度，能够对力传感器实现微力(mg级及以下)的施加，进而能够满足台阶仪在纳米尺度下定量和定性的检测材料表面形貌特征，以及在微力(mg级及以下)作用下材料的力学性质、物性测量等物理研究。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种微力施加装置，其特征在于，包括：力传感器和微动平台，所述力传感器与所述微动平台的力传感器安装面刚性链接，通过所述微动平台带动所述力传感器进行微量移动；
所述微动平台包括位移传感器组件、顶部封板、运动基体、底部封板和微动平台驱动结构，所述运动基体安装在所述顶部封板和所述底部封板之间，所述位移传感器组件安装在所述顶部封板上，所述微动平台驱动结构安装在所述运动基体上；
所述微动平台驱动结构包括驱动机构和安装在所述驱动机构中的压电陶瓷促动器，所述运动基体包括固定基座和微动主体，所述微动主体安装在所述固定基座上，所述驱动机构的驱动面与所述微动主体刚性连接，所述驱动机构的刚性基座与所述固定基座相连；
所述压电陶瓷促动器在通电过程中膨胀，以产生线性位移，进而通过所述驱动机构使所述驱动面形成放大的位移量，并通过所述驱动面带动所述运动基体的微动主体一起移动，最终通过所述力传感器安装面输出相应的位移；
所述驱动机构包括所述刚性基座和若干个第一导向梁，所述第一导向梁所在的平面与所述驱动面平行；所述刚性基座内设有若干个铰链，且若干个铰链分别设于所述压电陶瓷促动器的两侧，所述压电陶瓷促动器在通电过程中膨胀，产生线性位移，再通过所述铰链的运动放大，以使所述驱动面产生位移，且所述压电陶瓷促动器的线性位移方向与所述驱动面的位移方向垂直；
所述力传感器包括屏蔽壳体、锁紧件、灯珠、灯座、探针、第二位移传感器、弹簧组件和屏蔽板；
所述第二位移传感器安装在所述屏蔽壳体上，并通过所述锁紧件固定；所述探针安装在所述弹簧组件的安装孔里，且所述弹簧组件的安装基体与所述屏蔽壳体刚性连接，所述弹簧组件中感应电极的感应电极面与所述第二位移传感器相对，以实现位置的测量；所述灯珠安装在所述灯座上，所述灯座与所述屏蔽板刚性连接，所述屏蔽板安装在所述屏蔽壳体上。
2.根据权利要求1所述的微力施加装置，其特征在于，所述铰链的数量为八个，分别为第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链、第七铰链和第八铰链，其中，所述第一铰链、所述第二铰链、所述第三铰链、所述第四铰链位于所述压电陶瓷促动器的一侧，且所述第一铰链、所述第二铰链、所述第三铰链、所述第四铰链在所述刚性基座内依次连接；
所述第五铰链、所述第六铰链、所述第七铰链、所述第八铰链位于所述压电陶瓷促动器的另一侧，且所述第五铰链、所述第六铰链、所述第七铰链、所述第八铰链在所述刚性基座内依次连接。
3.根据权利要求2所述的微力施加装置，其特征在于，所述第六铰链和所述第七铰链之间设有驱动块，所述驱动面位于所述驱动块上。
4.根据权利要求1所述的微力施加装置，其特征在于，所述位移传感器组件包括第一位移传感器、栅尺和传感器座，所述第一位移传感器安装在所述传感器座上，所述传感器座与所述固定基座相连，所述栅尺固定在所述微动主体上的栅尺安装面上。
5.根据权利要求1所述的微力施加装置，其特征在于，所述驱动机构内设有两个相对设置的卡槽，所述压电陶瓷促动器安装在两个所述卡槽内，以形成所述微动平台驱动结构。
6.根据权利要求1所述的微力施加装置，其特征在于，所述微动主体的两侧设有若干个第二导向梁。
7.根据权利要求1所述的微力施加装置，其特征在于，所述弹簧组件包括所述安装基体以及设于所述安装基体上的若干个弹性平板，所述感应电极设于所述安装基体上，且所述感应电极位于相邻的两个所述弹性平板之间，所述安装基体上还设有限位卡槽，所述感应电极靠近所述限位卡槽的一面设有限位卡块，所述限位卡块设于所述限位卡槽中。
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