CN2403016Y - 高精密五维微调样品架 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高精密五维微调样品夹持装置。由真空机械转轴、三维运动组件、陶瓷封接器件、低温冷却器、样品杆组件和样品夹持件组成,其真空机械转轴穿过三维运动组件、低温冷却器安装至样品杆组件处,陶瓷封接器件安装在三维运动组件支座上,低温冷却器设置在三维运动组件下方,于样品杆组件上,与样品夹持件相连,样品杆组件通过支架安装在真空机械转轴底端,样品夹持件固定在样品杆组件的支架上,并与陶瓷封接器件电连接。它具有五维微调、成本低、应用广泛的特点。

Description

高精密五维微调样品架

本实用新型涉及大型表面分析仪器，具体地说是一种应用在大型表面分析仪器上的高精密五维微调样品夹持装置。

随着科学与高新技术的不断发展，特别是超高真空技术的出现，推动了表面科学的飞速发展，70年代以来，从事这种表面物理与表面科学研究的手段也应运而生，诸如反射式高能电子衍射仪(RHEED)；低能电子衍射仪(LEED)；化学用光电子能谱仪(ESCA)；扫描隧道显微镜(STM)；场离子显微镜(FIM)以及大型超高真空分子束外延设备(MBE)等，这些大型表面分析仪器或设备要完成在超高真空环境下对样品表面的形貌、化学组份、表面结构的原位分析，必须采用一个夹持样品的机构，目前我国还没有自己的可适应于大型表面分析仪器的高精密微调样品架。

为了克服上述不足，本实用新型的目的是提供一种成本低、应用广泛的高精密五维微调样品架。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：由真控机械转轴、三维运动组件、陶瓷封接器件、低温冷却器、样品杆组件和样品夹持件组成，其中真空机械转轴穿过三维运动组件、低温冷却器安装至样品杆组件处，陶瓷封接器件安装在三维运动组件的支座上，低温冷却器设置在三维运动组件下方，于样品杆组件上，与样品夹持件用铜辨子相连，样品杆组件通过支架安装在真空机械转轴底端，样品夹持件固定在样品杆组件的支架上，并与陶瓷封接器件电连接；所述三维运动组件支座以下部分置于真空室中；

所述真空机械转轴由自转头、公转头、波纹管A、B、钢珠、导杆A、B组成，其中自转头轴向12°倾斜从上部安装在公转头里，自转头下端体内设置的波纹管A与公转头中波纹管B接触，自转头中的导杆A穿过波纹管A通过钢珠顶在公转头中导杆B上，公转头通过与其焊接的轴承座用法兰支架安装在三维运动组件顶部Y向螺旋测微器的法兰上，导杆B另一端至样品杆组件中的传动杆；所述三维运动组件由X向螺旋测微器、Y向螺旋测微器、Z向传动器件、X向滚珠定导轨、X向滚珠动导轨、Y向滚珠定导轨、Y向滚珠动导轨、导轨座、支座、丝杠、光杠和压簧组成，其中X向螺旋测微器通过其操作杆与X向滚珠动导轨固连，X向滚珠定导轨位于X向滚珠动导轨下面，固定安装在导轨座上；Y向螺旋测微器通过其操作杆用法兰固连在Y向滚珠动导轨上，Y向滚珠定导轨与Y向滚珠动导轨相向置放，并且与下面的X向滚珠动导轨固连；Z向传动器件为丝杠副结构，所述丝杠安装在支座上，通过丝母与导轨座相连，在丝杠两侧设有导向用光杠，在丝杠下面两侧、于支座上装有压簧；所述样品杆组件由传动杆、支架、拔叉、齿条、旋转轴、接线板和齿轮组成，所述传动杆通过其上的支杆固定在底端带有接线板的支架上，所述传动杆底端与拔叉相连，所述拔叉位于支架狭长孔上部，其下部与一齿条啮合，齿条啮合于支架底端旋转的旋转轴上的齿轮；所述样品夹持件由钼衬底托、夹持器、陶瓷板、加热器组成，在夹持器前面装有钼衬底托，里面置有加热器，后面通过绝缘的陶瓷板，用螺钉安装在样品杆组件中的支架上，所述加热器有两个接线端，其中一个接线端用铜辨子接低温冷却器，另一接线端通过接线板用导线接至陶瓷封接器件；所述低温冷却器为两支蛇形不锈钢毛细管并排缠绕在传动杆外的支杆外，并固定在样品杆组件的支架上，另一端接到设在支架上的液氮储箱内；所述波纹管A为焊接波纹管，所述波纹管B为液压波纹管；所述X、Y向滚珠动、定导轨为V型结构。

本实用新型具有如下优点：

1.具有高精度。本实用新型具有高精密的超高真空参数特性，在超高真空环境下，可自由移动或转动样品，其复位精度和分辨均适应表面科学与表面分析技术发展的需要，是一高精密的机械结构。

2.应用范围广。本实用新型在超高真空环境下，可对样品加热又可对样品实施液氮低温冷冻处理，适应于不同表面分析仪器对样品在不同温度环境下分析的需要，可应用于分子束外延设备(MBE)、电子衍射仪(LEED，RHEED)、俄歇电子谱仪(AES)、化学用光电子能谱仪(ESCA)、二次离子谱仪(SIMS)、场离子显微镜(FIM)、扫描隧道显微镜(STM)等。

3.结构合理，价格低廉。本实用新型采用精密螺旋传动及滚珠V型导轨结构，其位移、转角、分辨及复位精度高，且送进轻快、转动灵活；加之X、Y、Z三维运动组件、特殊设计的千分尺自转头及公转头精密螺旋传动加入了超高真空金属波纹管密封结构，使本实用新型具有五维方向的自由度；另外除封接部分采用焊接不锈钢结构之外，其余均采用铝合金材质，经阳极化处理，结构重量轻，造价低廉。

附图说明：

图1为本实用新型结构示意图。

图2为图1中三维运动组件纵向剖视图。

图3为图1中三维运动组件横向剖视图。

图4为图1中真空机械转轴结构剖视图。

图5为图1中样品杆组件结构剖视图。

图6为图1中样品夹持件结构剖视图。

下面结合附图对本实用新型的结构及工作原理作进一步详细说明。

如图1、2、3、4、5、6所示，由真空机械转轴1、三维运动组件2、陶瓷封接器件3、低温冷却器4、样品杆组件5和样品夹持件6组成，其中真空机械转轴1穿过三维运动组件2、低温冷却器4安装至样品杆组件5处，陶瓷封接器件3安装在三维运动组件2的支座上，低温冷却器4设置在三维运动组件2下方，于样品杆组件5上，与样品夹持件6用铜辨子相连，样品杆组件5通过支架安装在真空机械转轴1底端，样品夹持件6固定在样品杆组件5的支架上，并与陶瓷封接器件3电连接；所述三维运动组件2支座以下部分置于真空室中。

如图4所示，所述真空机械转轴1由自转头11、公转头12、波纹管A13、B14、钢珠15、导杆A16、B17组成，其中自转头11轴向12°倾斜从上部安装在公转头12里，自转头11下端体内设置的波纹管A13与公转头12中波纹管B14接触，自转头11中的导杆A16穿过波纹管A13通过钢珠15顶在公转头12中导杆B17上，公转头12通过与其焊接的轴承座19用法兰支架18安装在三维运动组件2顶部Y向螺旋测微器的法兰上，导杆B17另一端至样品杆组件5中的传动杆51；所述波纹管A13为焊接波纹管，所述波纹管B14为液压波纹管；所述X向滚珠动、定导轨24’、24和Y向滚珠动、定导轨25’、25为V型结构。

如图2、3所示，所述三维运动组件2由X向螺旋测微器21、Y向螺旋测微器22、Z向传动器件23、X向滚珠定导轨24、X向滚珠动导轨24’、Y向滚珠定导轨25、Y向滚珠动导轨25’、导轨座26、支座27、丝杠28、光杠29和压簧20组成，其中X向螺旋测微器21通过其操作杆与X向滚珠动导轨24’固连，X向滚珠定导轨24位于X向滚珠动导轨24’下面，固定安装在导轨座26上；Y向螺旋测微器22通过其操作杆用法兰固连在Y向滚珠动导轨25’上，Y向滚珠定导轨25与Y向滚珠动导轨25’相向置放，并且与下面的X向滚珠动导轨24’固连；Z向传动器件23为丝杠副结构，所述丝杠28安装在支座27上，通过丝母与导轨座26相连，在丝杠28两侧设有导向用光杠29，在丝杠28下面两侧、于支座27上装有压簧20。

如图5所示，所述样品杆组件5由传动杆51、支架52、拔叉53、齿条54、旋转轴55、接线板56和齿轮57组成，所述传动杆51通过其上的支杆固定在底端带有接线板56的支架52上，所述传动杆51底端与拔叉53相连，所述拔叉53位于支架52狭长孔上部，其下部与一齿条54啮合，齿条54啮合于支架52底端旋转的旋转轴55上的齿轮57。

如图1所示，所述低温冷却器4为两支蛇形不锈钢毛细管并排缠绕在传动杆51外的支杆外，并固定在样品杆组件5的支架52上，另一端接到设在支架52上的液氮储箱41内。

如图6所示，所述样品夹持件6由钼衬底托61、夹持器62、陶瓷板63、加热器64组成，在夹持器62前面装有钼衬底托61，里面置有加热器64，后面通过绝缘的陶瓷板63，用螺钉安装在样品杆组件5中的支架52上，所述加热器64有两个接线端，其中一个接线端用铜辨子接低温冷却器4，另一接线端通过接线板56用导线接至陶瓷封接器件3。

本实用新型主要技术性能指标如下：

X方向位移量：20(±10)mm，复位精度：±0.01mm，分辨：±0.005mm

Y方向位移量：20(±10)mm，复位精度：±0.01mm，分辨：±0.005mm

Z方向位移量；50(±25)mm，复位精度：±0.01mm，分辨：±0.005mm

样品绕Z轴转角：±180°，角分辨：±0.1°，复位精度：±0.1°

样品自转角θ＝0°～110°，轴向移动：10～12mm

样品加热温度：800℃±0.5℃，样品低温冷冻：-130℃～-110℃

漏率：＜1×10^-10托·升/秒

工作真空度1×10^-10托(1.3×10^-8Pa)

烘烤温度：250℃

本实用新型的工作原理为：

本实用新型在X、Y向采用两对互相垂直的滚珠导轨来导向，用精密的螺旋测微器来传递运动，在Z向上采用一对精加工的光杠29导向，而用一支精加工的丝杠副来传递Z向运动，并在Z轴下面两侧各安装一支压簧20，用来消除丝杠28、丝母传动间隙，保证Z向位移动运动精度，完成三个自由度，三个方向移运动的超高真空密封是靠金属波纹管的形变来保证的，另外其超高真空密封的真空机械转轴1在大气中的转动部分与真空转动部分不相通，所述样品杆组件5与真空机械转轴1组合在一起，传递直线运动，通过传动杆51驱动直齿齿条54，再通过与之啮合的齿轮57将其直线运动转变成旋转动作，共同完成另外两个自由度。

Claims (8)

1.一种高精密五维微调样品架，其特征在于：由真空机械转轴(1)、三维运动组件(2)、陶瓷封接器件(3)、低温冷却器(4)、样品杆组件(5)和样品夹持件(6)组成，其中真空机械转轴(1)穿过三维运动组件(2)、低温冷却器(4)安装至样品杆组件(5)处，陶瓷封接器件(3)安装在三维运动组件(2)的支座上，低温冷却器(4)设置在三维运动组件(2)下方，于样品杆组件(5)上，与样品夹持件(6)用铜辨子相连，样品杆组件(5)通过支架安装在真空机械转轴(1)底端，样品夹持件(6)固定在样品杆组件(5)的支架上，并与陶瓷封接器件(3)电连接；所述三维运动组件(2)支座以下部分置于真空室中。

2.按照权利要求1所述高精密五维微调样品架，其特征在于：所述真空机械转轴(1)由自转头(11)、公转头(12)、波纹管A、B(13、14)、钢珠(15)、导杆A、B(16、17)组成，其中自转头(11)轴向12°倾斜从上部安装在公转头(12)里，自转头(11)下端体内设置的波纹管A(13)与公转头(12)中波纹管B(14)接触，自转头(11)中的导杆A(16)穿过波纹管A(13)通过钢珠(15)顶在公转头(12)中导杆B(17)上，公转头(12)通过与其焊接的轴承座(19)用法兰支架(18)安装在三维运动组件(2)顶部Y向螺旋测微器的法兰上，导杆B(17)另一端至样品杆组件(5)中的传动杆(51)。

3.按照权利要求1所述高精密五维微调样品架，其特征在于：所述三维运动组件(2)由X向螺旋测微器(21)、Y向螺旋测微器(22)、Z向传动器件(23)、X向滚珠定导轨(24)、X向滚珠动导轨(24’)、Y向滚珠定导轨(25)、Y向滚珠动导轨(25’)、导轨座(26)、支座(27)、丝杠(28)、光杠(29)和压簧(20)组成，其中X向螺旋测微器(21)通过其操作杆与X向滚珠动导轨(24’)固连，X向滚珠定导轨(24)位于X向滚珠动导轨(24’)下面，固定安装在导轨座(26)上；Y向螺旋测微器(22)通过其操作杆用法兰固连在Y向滚珠动导轨(25’)上，Y向滚珠定导轨(25)与Y向滚珠动导轨(25’)相向置放，并且与下面的X向滚珠动导轨(24’)固连；Z向传动器件(23)为丝杠副结构，所述丝杠(28)安装在支座(27)上，通过丝母与导轨座(26)相连，在丝杠(28)两侧设有导向用光杠(29)，在丝杠(28)下面两侧、于支座(27)上装有压簧(20)。

4.按照权利要求1所述高精密五维微调样品架，其特征在于：所述样品杆组件(5)由传动杆(51)、支架(52)、拔叉(53)、齿条(54)、旋转轴(55)、接线板(56)和齿轮(57)组成，所述传动杆(51)通过其上的支杆固定在底端带有接线板(56)的支架(52)上，所述传动杆(51)底端与拔叉(53)相连，所述拔叉(53)位于支架(52)狭长孔上部，其下部与一齿条(54)啮合，齿条(54)啮合于支架(52)底端旋转的旋转轴(55)上的齿轮(57)。

5.按照权利要求1所述高精密五维微调样品架，其特征在于：所述样品夹持件(6)由钼衬底托(61)、夹持器(62)、陶瓷板(63)、加热器(64)组成，在夹持器(62)前面装有钼衬底托(61)，里面置有加热器(64)，后面通过绝缘的陶瓷板(63)，用螺钉安装在样品杆组件(5)中的支架(52)上，所述加热器(64)有两个接线端，其中一个接线端用铜辨子接低温冷却器(4)，另一接线端通过接线板(56)用导线接至陶瓷封接器件(3)。

6.按照权利要求1所述高精密五维微调样品架，其特征在于：所述低温冷却器(4)为两支蛇形不锈钢毛细管并排缠绕在传动杆(51)外的支杆外，并固定在样品杆组件(5)的支架(52)上，另一端接到设在支架(52)上的液氮储箱(41)内。

7.按照权利要求2所述高精密五维微调样品架，其特征在于：所述波纹管A(13)为焊接波纹管，所述波纹管B(14)为液压波纹管。

8.按照权利要求1、2所述高精密五维微调样品架，其特征在于：所述X、Y向滚珠动、定导轨(24’、24、25’、25)为V型结构。

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