CN101231932B - 用于旋转和平移样品支架的操纵器 - Google Patents

Abstract

本发明说明了一种用于例如透射电子显微镜(TEM)中的操纵器，所述操纵器能够旋转和平移样品支架(4)。该操纵器将圆形样品支架扣紧在两个元件(3A、3B)之间，所述元件被安装到执行器(2A、2B)上。在相同方向内移动执行器导致样品支架的平移，而同时在相反方向内移动执行器导致样品支架的旋转。

Description

用于旋转和平移样品支架的操纵器

本文中所说明及主张权利的发明，是部分运用美国能源部按序号为DE-AC02-05CH11231的协议而供给的基金而作出的。政府在本发明中有一定的权利。

技术领域

本发明涉及用于绕旋转轴线旋转样品支架、并沿平移轴线将所述样品支架平移的一种操纵器，所述样品支架示出至少一个部分地绕旋转轴线具旋转对称性的外表面、即所谓的从动表面，该操纵器包括基座和多个元件，每个元件示出表面、即所谓的驱动表面，每个驱动表面可以沿平移轴线相对于该基座运动，且执行器相对于该基座移动元件。

本发明也涉及一台架，其包括这样的操纵器、和包括了这样的操纵器的装置。

背景技术

这样的操纵器由序号为US6,849,989B2的美国专利可知。

这样的操纵器被用于一种装置，其需要非常精确的操作，诸如扫描探针显微镜(SPM)或透射电子显微镜(TEM)。

该已知的操纵器被用于平移和/或旋转圆柱体，例如样品支架。

该操纵器包括围绕该样品支架的基座、以及两组的三件压电执行器、每个执行器从基座向内指，每个执行器示出表面、即所述的驱动表面，其接触该样品支架。每组的三个表面绕该样品支架布置，例如彼此分开120度，且这些表面扣紧它们之间的样品支架。由此该样品支架被固定在这些表面之间。执行器能够沿着平移轴线、以及在垂直于平移轴线的方向内相对于基座平移驱动表面。

通过沿平移轴线移动驱动表面，该样品支架被平移，且通过移动垂直于平移轴线的驱动表面，该样品支架可以被绕该旋转轴线而旋转。

应注意到，该旋转轴线和平移轴线重合，而执行器被配置成沿着两轴线运动：一个平行于平移轴线且一个垂直于平移轴线。

在操作时(仅为该样品支架翻过该驱动表面发生时)，该操纵器没有示出任何在轴承中的滑移，且因此可以实现非常小的运动、而在运动中没有保持/滑移作用及相关的不规则。

在驱动表面中的至少一个必须与样品支架断开接触之前，该操纵器仅有有限的行程。尽管按比例缩放该操纵器的尺寸可以沿该平移轴线缩放该行程，该旋转行程是非常有限的，例如小于+/-1度。

已知的专利文献说明了，该已知的操纵器可以通过在一个方向缓慢移动执行器而增加行程，由此在驱动表面和样品支架之间的静摩擦将驱动表面保持在样品支架上的相同位置上，且随后在相反方向内快速移动执行器。该快速移动的结果是，该驱动表面滑过样品支架，且该驱动表面因此相对于该样品支架被重新定位。

发明内容

本发明旨在提供一种备选的操纵器。

为此，根据本发明的该操纵器的特征在于：

·该执行器是线性执行器，其被配置成导致沿平移轴线的运动，

·至少两个驱动表面彼此相对，和

·这些驱动表面被配置成扣紧介于它们之间的从动表面。

结果是，当在两个相反的方向内沿该平移轴线将至少两个驱动表面移过相等的距离时，该样品支架绕该旋转轴线旋转；和当在相同方向内沿该平移轴线将这些驱动表面移过相等的距离时，该样品支架平行于该平移轴线而被平移；且其结果是，旋转轴线和平移轴线相互垂直。

因为旋转行程现在是由相对于从动表面的周长而彼此相关的驱动表面的相对行程所规定的，当驱动表面的相对运动超过从动表面的周长时，该旋转行程可以是超过360度的，而不需要将驱动表面相对于从动表面重新定位。

元件可以例如采取两个平行圆柱体的形式，介于它们之间夹持了样品支架。通过使这些圆柱体相对于基座位移，实现相对于基座的平移和/或旋转。

驱动表面可以是大致平行的，但是也可以形成为：使得至少在驱动表面的行程的端部处，这些表面是非平行的，从而使得该从动表面不能从该驱动表面滑移，该滑移可能导致样品支架的损伤。

应注意到序号为US6,388,262B1的美国专利也说明了能够旋转超过360度的操纵器。此操纵器包括由金属带驱动的圆形样品支架、和若干小轴承。零件总数相当巨大。因为此类操纵器的尺寸相当小(通常大约为5毫米宽)，该组合结构非常易碎且易于损坏。

还应注意到，根据本发明的操纵器的另一优点是，样品支架是从至少一侧可自由拆卸的。这使得能将样品支架容易地***或抽出操纵器。

在根据本发明的操纵器的一实施例中，当从动表面被扣紧在驱动表面之间时，驱动表面大致相互平行。

在根据本发明的操纵器的另一实施例中，驱动表面的数目是偶数，每个驱动表面面对另一驱动表面，彼此面对的每组驱动表面被配置成扣紧到介于它们之间的从动表面。

在根据本发明的操纵器的又一实施例中，驱动表面的数目等于2。

这是可用的驱动表面的最小数目，而且因此其提供了最简易的构造。通过形成元件例如两个长圆柱体、和给从动表面配备圆形凹槽，可以将该样品支架保持在该两个长圆柱体之间。该旋转轴线在此实施例中沿着样品支架的旋转对称轴线。

在根据本发明的操纵器的另一实施例中，驱动表面的数目等于4，且其中该样品支架具有两个突出的样品支架轮轴，所述样品支架轮轴彼此对齐成一直线，每个样品支架轮轴被扣紧在该四个驱动表面中的两个之间。

在此实施例中，该旋转轴线沿着样品支架轮轴的轴线。

在根据本发明的操纵器的还有另一个实施例中，各元件采取统一圆柱体的形式。

应该注意到统一圆柱体可以具有圆形横截面，但该横截面也可以是椭圆形或任何其它规定的曲线形。

在根据本发明的操纵器的又一实施例中，这些圆柱体是尖锥形圆柱体，这些尖锥形圆柱体的侧面则面对着比临近该样品支架的尖锥形圆柱体侧面的横截面尺寸更大的基座。

发明人发现了，当元件是笔直圆柱体时，该操纵器可以示出对振动的高灵敏度。这是由于伴随该圆柱体形状产生的高Q值弯曲模量。当示出高Q值的这样一个圆柱体被暴露到各种频率的振动(也被称为白噪声)形式的激励下时，这导致该圆柱体的具有高峰-峰幅值的振荡运动。通过将锥形形状赋与该圆柱体，该发明人发现，可以实现更高的谐振频率和更低的Q值，当暴露于白噪声时其导致具有较低降-峰幅值的运动。

在根据本发明的操纵器的一实施例中，线性执行器是压电线性执行器。

这些压电线性执行器被公知为可利用其小步长及长行程，使它们适于作为执行器用于根据本发明的操纵器。这样的执行器的例子是例如由德国亚琛的Dr.Volker Klocke Nanotechnik所制造的“纳米马达”。

在根据本发明的操纵器的另一个实施例中，该操纵器被配置成在真空中操作。

如所述的操纵器不需要使用润滑剂或其它不适于真空的材料。这使该操纵器适于作为在粒子-光学装置中的操纵器，粒子-光学装置诸如透射电子显微镜(TEM)，其为一种原来已知的装置。

应注意到，样品所存在于TEM中的区域处，通常被排空到10^-6毫巴(mbar)或更少的压力。许多种润滑剂以及例如合成材料不适于该压力。

在根据本发明的操纵器的还有另一个实施例中，驱动表面被构形为与从动表面的形状相协作，协同运作的形状是在驱动表面上的凹入构造和在样品支架上的凸出构造。

为将样品支架保持在驱动表面之间，有必要形成相互协作的驱动和从动表面，从而使得样品支架不能从操纵器滑移或落下。通过形成具有相互协作的凸出及凹入表面的若干表面，而将其实现。

在根据本发明的操纵器的又一实施例中，驱动表面被构形为与从动表面的形状相协同，协同运作的形状是在驱动表面上的凸出构造和在样品支架上的凹入构造。

在根据本发明的操纵器的再有另一个实施例中，凹入构造是凹槽且凸出构造是边缘。

在根据本发明的操纵器的另一个实施例中，该操纵器被安装在镜台上，该镜台示出用于将该镜台安装到一装置上的凸缘、且该镜台示出该操纵器的基座被安装到其上的安装基座，该镜台能够将该安装基座相对于凸缘移动。

通过将该操纵器安装到镜台(stage)上，诸如用在TEM中的常规镜台，该操纵器包括额外的自由度(DoF’s)，使得能够将该样品支架更加易变的定位。

在根据本发明的操纵器的又一实施例中，该操纵器安装到其一镜台上，该镜台的安装基座沿着至少两个平移轴线、并绕一个旋转轴线而相对于镜台凸缘运动，所述轴线不与操纵器的轴线重合，由此导致镜台被配置成相对于凸缘以五自由度操纵样品支架。

根据本发明的操纵器示出了两自由度(DoF’s)：一个旋转自由度及一个平移自由度。许多应用需要样品支架可被定位为具有较多自由度。通过将操纵器的基座安装到常规镜台上，样品支架可以被定位为具有多于两个自由度。

在根据本发明的操纵器的还有另一个实施例，该操纵器被安装到其一镜台上，该镜台的安装基座沿着至少两个平移轴线、并绕至少一个旋转轴线而相对于镜台的凸缘运动，操纵器的一平移轴线不与镜台的一平移轴线重合。

在此实施例中，该操纵器的基座被安装到常规镜台上。该操纵器的平移可以被用作例如该方向内的样品支架位置的精密调整，而同时该常规镜台在该方向内的平移可被用作粗动。

在还有另一实施例中，装置配备有根据本发明的操纵器。

在此实施例中，该操纵器被安装到一装置上，诸如扫描探针显微镜(SPM)。SPM是用于一组仪器的通称，包括：原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)。所有这些仪器可以以纳米分辨率或更佳分辨率分析样品，并使用将样品或样品支架以纳米精度定位的操纵器/镜台。

附图说明

现在将在示意图基础上进一步说明本发明，其中相应的零件被相同的附图标记标示。为此：

图1A示出了根据本发明的带样品支架的操纵器。

图1B示出了沿线AA’的图1A的操纵器的横截面。

图1C示出了图1A的带备选样品支架的操纵器的沿线AA’的横截面。

图2A示出了根据本发明的带样品支架的备选操纵器。

图2B示出了沿线AA’的图2A的操纵器的横截面。

图3A示出了一操纵器，其中具有两个突出轮轴的样品支架被夹持在四个驱动表面之间。

图3B示出了沿线AA’的图3A的操纵器的横截面。

图4示出了根据本发明的备选操纵器。

具体实施方式

图1A示出了根据本发明的带样品支架的操纵器。基座1被连接到两个执行器2A和2B。采取两个锥形圆柱体3A和3B形式的两个元件被附接到执行器。

这些执行器被配置成将这些元件沿轴线8布置。这些执行器可以是压电执行器、但是也可以是电机、或可以例如在热膨胀和收缩时操作。

介于元件3A和3B之间扣紧了样品支架4。每个元件示出一驱动表面，该处元件可以是与该样品支架相接触，而同时样品支架示出一从动表面，该处样品支架可以是与该驱动表面相接触。

样品支架示出了栅格6，在该栅格上放置了样品5。样品支架4示出栅格(或至少一个示出至少局部透明的表面)以允许例如用在TEM中的带电粒子通过而至少局部穿过该栅格。然而，配备有薄膜的样品支架也是所公知将用于TEM中。其它应用，诸如X射线显微镜检查法，可以导致其他的对样品支架的要求，从而导致例如不同形式的样品支架。

当执行器2A、2B导致元件3A、3B在相同方向移过相同距离时，样品载体4沿着执行器运动的方向被平移。

当执行器导致元件在相反的两方向内(和越过相同距离)运动时，该样品载体4旋转。

明显地，当元件3A、3B所移过的距离不相同时，产生了样品载体4的组合旋转及平移。

应注意到，如前面所述，元件3A、3B最好被构形为锥形圆柱体，以避免高Q值振动灵敏度，但也可以使用圆柱体。

图1B示出了沿线AA’的图1A的操纵器的横截面。

此处清晰示出了，元件3A和3B示出了圆形横截面，其与样品支架中的凹槽协同运作。样品载体由此可以翻过元件的驱动表面，而同时样品载体被保持在由两个元件所限定的平面内。因此不存在样品支架从两个元件脱离的风险。从动表面滚过驱动元件，导致无摩擦或几乎无摩擦的运动、并避免了与其中发生了摩擦的运动相关联的滑移/保持作用以及不规则运动。

应注意到，尽管示出了带有圆形横截面的元件，本领域的熟练技术人员将易于认识到具有其它横截面的元件，诸如可以使用正方形横截面。

图1C示出了具有备选样品支架的、图1A的操纵器的沿着线AA’的横截面。

所示出的样品支架提供与标准样品栅格的。该栅格6被***样品载体、并用圆形弹簧7紧固以防止其脱离。

应注意到，在此实施例中，旋转轴线垂直于栅格6所在平面并因此安装样品5。

图2A示出根据本发明的具有样品支架的备选操纵器。

图2A可以由图1A得出。然而此处元件3A、3B示出凹槽，且样品载体示出协同工作的缘部。

图2B示出了沿线AA’的图2A的操纵器的横截面。

图3A示出了其中具有两个突出轮轴的样品支架被夹持于四个驱动表面之间的操纵器。

图3A示出了其上安装了两个执行器2A、2B的基座1。示为带阴影线的执行器2B在该图中略长于执行器2A。每个执行器2A、2B连接一个元件。元件30被连接到执行器2A且元件32(示为带阴影线)被连接到执行器2B。元件30具有两个末端31A和31B，且元件32具有两个末端33A和33B(示为带阴影线)。

样品支架21示出了沿公共轴线布置的两个轮轴20A和20B。栅格6被安装到样品支架上。栅格6被安装到其上放置有样品6的样品支架21上。

样品支架21的轮轴20A被扣紧在末端31A和33A之间，而同时样品支架的轮轴20B被扣紧在末端31B和33B之间。

图3B示出了沿线AA’的横截面。其示出了其间扣紧了轮轴20A的末端31A和33B，以及其间扣紧了轮轴20B的末端31B和33B。

如图所示栅格6通过圆形弹簧7被固定到位。

通过在一方向内移动执行器2A、及在另一方向内移动执行器2B经过相等的长度(相对于基座1)，末端31A和31B将在一方向内相对于样品支架运动、且末端33A和33B在相反方向内运动。产生了轮轴20A和20B相对于基座的旋转，并因此产生样品支架的旋转。

通过在相同方向内(经过相同长度)相对于基座1移动该两个执行器，发生了样品支架(相对于基座)的平移。

应注意到，在此实施例中，旋转轴线是沿栅格6和样品5的平面的。

应进一步注意到，在此实施例中，末端31A、31B、33A和33B的驱动表面被示为平坦表面，且这些末端具有矩形横截面。本领域的熟练技术人员将认识到根据本发明的操纵器不需要被局限于此形式，但是也可以使用具有例如圆形或椭圆形横截面的末端。

图4示出了根据本发明的备选操纵器。

图4示出了其上安装了线性执行器11的基座1。该执行器11可以移动子基座10。在该子基座10上安装了齿轮12，该齿轮作为用于元件3A和3B的执行器。由此该执行器11的平移导致样品支架4的平移，而同时齿轮12的旋转导致样品支架的旋转。

元件3A中的细部(thinning)作为组合的铰链和弹簧，使得能用由弹簧的预加载施加的受控力来夹持住样品支架。

应注意到，本领域的熟练技术人员将认识到，元件的预加载也可以在没有诸如铰链的情况下实现。

通过将操纵器的基座安装到常规镜台上，可以制成例如像用于TEM中的镜台、具有较多自由度的镜台。这样的镜台随后可用于粒子-光学装置，诸如在TEM中。

尽管在各实施例中，仅提及了TEM，本领域的熟练技术人员将认识到，除了TEM，本发明也可以被用作扫描电子显微镜(SEM)的镜台、聚焦离子束(FIB仪器)及类似物的镜台。同样为了用于扫描探针显微镜(SPM)中，可以使用根据本发明的操纵器，所述SPM是一族仪器的通称，包括：扫描隧道显微镜(STM’s)、扫描近场光学显微镜(SNOM’s)、及类似物。

Claims (18)

1.用于绕旋转轴线旋转样品支架(4)、并沿平移轴线平移所述样品支架的操纵器，所述样品支架示出了至少一个具有绕该旋转轴线的旋转对称性的外表面，即所谓的从动表面，该操纵器包括：

●基座(1)，

●多个元件(3A、3B、30、32)，每个元件示出表面，即所谓的驱动表面，每个驱动表面可以沿该平移轴线相对于该基座运动，和

●执行器(2A、2B、11、12)相对于该基座移动元件，

其特征在于：

●该执行器是线性执行器，其被配置成导致沿平移轴线的运动，

●至少两个驱动表面彼此相对，和

●这些驱动表面被配置成扣紧介于它们之间的至少一个从动表面，

●驱动表面相对于从动表面不发生滑移，

结果是，当在两个相反的方向内沿该平移轴线将至少两个驱动表面移过相等的距离时，该样品支架绕该旋转轴线旋转，和当在相同方向内沿该平移轴线将这些驱动表面移过相等的距离时，该样品支架平行于该平移轴线而被平移，且其结果是，旋转轴线和平移轴线相互垂直。

2.如权利要求1所述的操纵器，其特征在于，当从动表面被扣紧在驱动表面之间时，驱动表面是大致相互平行的。

3.如权利要求1或2所述的操纵器，其特征在于，驱动表面的数目是偶数，每个驱动表面面对另一驱动表面，彼此面对的每组驱动表面被配置成扣紧到介于它们之间的从动表面。

4.如权利要求3所述的操纵器，其特征在于，驱动表面的数目等于2。

5.如权利要求3所述的操纵器，其特征在于，驱动表面的数目等于4，且其中该样品支架(4)具有两个突出的样品支架轮轴(20A、20B)，所述样品支架轮轴彼此对齐成一直线，每个样品支架轮轴被扣紧在该四个驱动表面中的两个之间。

6.如权利要求1所述的操纵器，其特征在于，各元件(3A、3B、30、32)采取统一圆柱体的形式。

7.如权利要求6所述的操纵器，其特征在于，这些统一圆柱体是尖锥形圆柱体，这些尖锥形圆柱体的侧面面对着基座(1)，基座(1)的横截面尺寸比临近该样品支架(4)的尖锥形圆柱体侧面的横截面尺寸更大。

8.如权利要求1所述的操纵器，其特征在于，线性执行器(2A、2B、11)是压电线性执行器。

9.如权利要求1所述的操纵器，其被配置成在真空中操作。

10.如权利要求1所述的操纵器，其特征在于，驱动表面被构形为与从动表面的形状相协作，且其中协同运作的形状是在驱动表面上的凹入构造和在样品支架(4)上的凸出构造。

11.如权利要求1所述的操纵器，其特征在于，驱动表面被构形为与从动表面的形状相协作，且其中协同运作的形状是在驱动表面上的凸出构造和在样品支架(4)上的凹入构造。

12.如权利要求10或11所述的操纵器，其特征在于凹入构造是凹槽且凸出构造是边缘。

13.如权利要求1所述的操纵器，其特征在于，该操纵器被安装在镜台上，该镜台示出用于将该镜台安装到一装置上的凸缘、且该镜台示出该操纵器的基座(1)被安装到其上的安装基座，该镜台能够将该安装基座相对于凸缘移动。

14.如权利要求13所述的操纵器，其特征在于，该镜台的安装基座沿着至少两个平移轴线并绕一个旋转轴线而相对于凸缘运动，每个平移轴线垂直于其它平移轴线、且每个旋转轴线大致垂直于其它旋转轴线，导致该操纵器被配置成相对于该凸缘以五自由度操纵样品支架。

15.如权利要求13所述的操纵器，其特征在于，该镜台的安装基座沿着至少两个平移轴线并绕至少一个旋转轴线而相对于凸缘运动，该操纵器的至少其中一个平移轴线与该镜台的其中一个平移轴线重合。

16.配备有如前述权利要求中任一所述的操纵器的装置。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，该装置包括真空腔、且其中操纵器定位于所述真空腔中。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，该真空腔是粒子-光学装置的一部分。

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