CN103903942B - 一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台，包括底座、Z向位移台、XY向位移台和纳米操作臂，其中Z向位移台沿着竖直方向设置在底座上，包括彼此连接的固定部件和安装有Z向直线驱动电机的移动部件；XY向位移台沿着水平方向设置在Z向位移台的移动部件上，并包括彼此并联滑动连接的第一至第三并联部件，其中第一并联部件上安装有Y向直线驱动电机，第二并联部件上安装有X向直线驱动电机，第三并联部件上安装有旋转运动驱动电机和纳米操作臂。本发明通过对驱动电机与位移台的高精度控制以及主要工作规格参数的设计，能够有效保证纳米操作的准确与稳定，同时具备运动精度高、运动范围大、调节灵活和结构紧凑等优点。

Description

一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台

技术领域

本发明属于纳米操作设备领域，更具体地，涉及一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台。

背景技术

目前，纳米技术高速发展，并对制造、信息、生物、医学、能源、环境、宇航等高科技领域产生深远的影响。纳米材料操控，对于纳米材料机电性能测试、基于纳米材料的纳米制造等具有重要意义。根据现有文献资料，目前通常使用微纳表征测量设备，例如原子力显微镜、半导体测量仪等来对纳米材料执行撷取、放置、电性测量、组装等多种操控。

然而，进一步的研究表明，上述微纳表征测量设备在对纳米材料进行操作时至少存在以下的缺陷或不足：第一、现有的表征测量设备只能对特定样品进行部分参数表征测量，其对纳米材料的操控应用范围有限，不能同时实现多种操控动作，例如原子力显微镜可以测量微纳结构的表面形状参数，但不能对纳米材料进行组装；第二、表征测量设备的使用比较繁复，需要对使用人员进行专业培训，有些甚至需要对样品进行预先处理制备，例如半导体测量仪使用前需对样品进行溅镀或者蒸镀导电电极等预处理；第三、不能实现视觉监控下的操作，效率很低；第四、表征测量设备的购买、维护费用昂贵，工作环境对温度、湿度、震动等要求颇高，日常使用所需耗材所费巨大；而且尽管现在某些微纳表征测量设备可以充当纳米操作仪器，但是由于它们的设计功能并不在纳米操作上，所以在工作效率、可实现功能等多个方面仍难以满足实际需求。相应地，相关领域亟需开发出功能更为完善的纳米材料操作台，以便有效解决以上问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台，其中结合纳米材料操控自身的应用特点，来对纳米操作台关键组件的构造及其设置方式进行设计，相应能够有效克服现有技术中应用范围窄、操作繁复和工作效率低下等问题，同时具备结构紧凑、多自由度灵活操作、高精度和功能强等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台，其特征在于，该多自由度纳米操作台安装在扫描电子显微镜的真空腔内，并包括底座、Z向位移台、XY向位移台和纳米操作臂，其中：

所述Z向位移台沿着竖直方向设置在底座上，并包括通过滚珠导轨彼此连接的固定部件和移动部件，其中该固定部件与所述底座保持相连，用于对整个操作台进行支撑；该移动部件上直接安装有Z向直线驱动电机，且在该Z向直线驱动电机的驱动下使所述移动部件沿着Z轴方向移动；此外，该移动部件的顶部与所述固定部件的底部之间设置有复位弹簧，由此实现Z向位移台在Z轴方向上的往复直线运动；

所述XY向位移台通过L形连接板沿着水平方向设置在所述Z向位移台的移动部件上，并包括通过滚珠导轨彼此并联滑动连接的第一并联部件、第二并联部件和第三并联部件，其中：该第一并联部件与所述Z向位移台的移动部件保持相连，用于对整个XY向位移台进行支撑，并直接安装有Y向直线驱动电机；该第二并联部件与所述Y向直线驱动电机的转子直接相连，使得该第二并联部件相对于所述第一并联部件沿着Y轴方向位移，并且该第二并联部件直接安装有X向直线驱动电机；该第三并联部件与所述X向直线驱动电机的转子相连，使得该第三并联部件相对于所述第二并联部件沿着X轴方向位移，并且该第三并联部件直接安装有旋转运动驱动电机；此外，所述第一并联部件、第二并联部件和第三并联部件之间分别设置有复位弹簧，由此实现XY向位移台在X轴和Y轴方向上的往复直线运动；

所述纳米操作臂直接设置在所述第三并联部件的所述旋转运动驱动电机上，由此实现X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动以及竖直平面内的旋转运动；

所述X向直线驱动电机、Y向直线驱动电机和Z向直线驱动电机的直线运动最小分辨率被设定为30nm，所述旋转运动驱动电机的旋转运动最小分辨率被设定为1mrad、最大运动速度为1.2毫米/分钟，并且所有驱动电机均可在10^-6Pa的真空环境下工作。

作为进一步优选地，所述XY向位移台的台面尺寸优选为25mm×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，直线移动俯仰角30″，直线移动左右摆动25″。

作为进一步优选地，所述Z向位移台的台面尺寸优选为25mm×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，移动平行度0.02mm。

作为进一步优选地，所有的驱动电机优选各自具有两路控制信号输入端，其中一路为接地端；此外，所有驱动电机的控制信号接地端被串联为一路，其中旋转运动驱动电机的两路控制信号输入端设计为排针排母式。

作为进一步优选地，所述多自由度纳米操作台还配备有驱动器、上位机和控制盒，其中驱动器通过排线与各个所述驱动电机相连，并且它的控制信号输出端与这些电机的所述控制信号输入端相连；所述上位机通过RJ45接口与所述驱动器相连，所述控制盒通过USB接口与所述上位机相连。

作为进一步优选地，所述控制盒集成所有对纳米操作台的控制功能，包括驱动电机的选择、驱动电机速度、加速度的输入以及电机运动方式的选择。

作为进一步优选地，所述Z向位移台和XY向位移台均由不锈钢材质构成，所有的滚珠导轨使用硅基真空润滑脂进行润滑。

作为进一步优选地，所述旋转运动驱动电机可拆卸地安装在所述XY向位移台的第三并联部件上。

作为进一步优选的，所述纳米操作臂被设定为探针型、弯曲型或者镊子型，并且其顶部尖端半径被设定为200nm。

总体而言，本发明所构思的多自由度纳米操作台通过对其关键组件例如移动机构和驱动电机的构造及其设置方式进行优选，结合纳米材料操控自身的应用特点,来设计其规格参数及控制组件，相应能够以结构紧凑、便于操控和高精度的方式实现纳米材料的多自由度操控。测试表明其能够平稳实现多个自由度方向的位移和定位，并尤其适用于高真空度的应用环境。

附图说明

图1为按照本发明优选实施例的多自由度纳米操作台的结构正视图；

图2是图1中所示多自由度纳米操作台的结构后视图；

图3是本发明的多自由度纳米操作台的***原理框图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-旋转运动驱动电机2-Z轴直线驱动电机3-Y轴直线驱动电机4-XY轴向位移台5-X轴直线驱动电机6-Z轴向位移台7-纳米操作臂61-固定部件62-移动部件41-第一并联部件42-第二并联部件43-第三并联部件

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的以下实施例涉及多轴纳米操作台，尤其涉及可实现纳米结构机械操作、测量、纳米器件组装等多种操控功能的纳米操作台。图1为按照本发明优选实施例的多自由度纳米操作台的结构正视图，图2是图1中所示多自由度纳米操作台的结构后视图。如图1和图2中所示，该操作台安装在扫描电子显微镜的真空腔内，主要包括底座、Z向位移台6和XY向位移台4。

具体而言，所述Z向位移台6沿着竖直方向设置在底座上，并包括固定部件61和移动部件62，其中固定部件61与底座保持相连，用于对整个操作台进行支撑；移动部件62上直接安装有Z向直线驱动电机2，且在该电机2所输出的螺旋线运动驱动下使移动部件62沿着Z轴方向移动，由此使得Z向位移台及安装其上的部件整体发生移动；上述固定部件61和移动部件62之间通过滚珠导轨彼此连接，以便保证运动的精确和平稳。此外，移动部件62的顶部与固定部件61的底部之间设置有复位弹簧，由此实现Z向位移台6在Z轴方向上的往复直线运动，也即通过驱动电机和弹簧的配合使用来确保Z向位移台在Z轴方向上实现直线往复运动。

所述XY向位移台4譬如通过L形连接板沿着水平方向设置在Z向位移台的移动部件62上，并包括通过滚珠导轨彼此并联滚动连接、并且可选择一体加工的第一并联部件41、第二并联部件42和第三并联部件43。其中第一并联部件41与Z向位移台的移动部件62保持相连，用于对整个XY向位移台4进行支撑，并直接安装有Y向直线驱动电机3；第二并联部件42与Y向直线驱动电机3的转子直接相连，使得第二并联驱动部件42相对于第一并联驱动部件41沿着Y轴方向位移，并直接安装有X向直线驱动电机5；第三并联部件43与X向直线驱动电机5的转子相连，使得第三并联部件43相对于第二并联部件42沿着X轴方向位移，并直接安装有旋转运动驱动电机1；此外，所述第一、第二和第三并联部件之间分别设置有复位弹簧，由此实现XY向位移台在X轴和Y轴方向上的往复直线运动。此外，所述纳米操作臂7设置在第三并联部件43上，由此实现X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动，或者直接设置在所述旋转运动驱动电机1上，由此实现X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动以及竖直平面内的旋转运动。

通过以上构造，可组成一个实现XYZ三直线轴和一个旋转轴的多自由度纳米操作台，从而以结构紧凑、便于操控的方式实现三维空间内的位移和定位。尤其是，上述直线驱动电机均直接安装在位移台移动部件上，并通过电机输出的螺旋线运动推动移动部件运动；回程时，电机螺旋收缩，移动部件依靠与固定部件之间的弹簧回复，实现往复直线运动。此设计结构简单可靠，而且电机与移动部件之间没有连接机构，能够最大成对地保证电机的运动精度传递给位移台，借此确保操作台的位移与定位精度。

此外，考虑到本发明的多自由度纳米操作台安装在扫描电子显微镜的真空腔内，应用环境的特殊性使得按照本发明的纳米操作台还必需在工作规格、电机类型、组件材料选择、装配过程和清洁等方面进行充分考虑，以保证在应用过程中不破坏真空腔的真空度，同时保证整个操作的高精度。为此，在电机的选择方面，经过较多的对比测试，按照本发明的优选实施例将所述X向、Y向和Z向直线驱动电机的直线运动最小分辨率被设定为30nm，所述旋转运动驱动电机的旋转运动最小分辨率被设定为1mrad、最大运动速度为1.2毫米/分钟，并且所有驱动电机均可在10^-6Pa的真空环境下工作。测试结果表明，在此超高真空环境下，此马达仍然既可以保证30nm的步距分辨率，又可以维持长行程下的运动输出稳定与良好的刚度。此外，当马达断电没有运动输出时还可以实现自锁，确保定位精度。

按照本发明的一个优选实施方式，所述XY向位移台的台面尺寸被设定为25×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，直线移动俯仰角30″，直线移动左右摆动25″。所述Z向位移台的台面尺寸被设计为25×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，移动平行度0.02mm。所述纳米操作臂被设定为探针型、弯曲型或者镊子型，顶部尖端半径设定为200nm。通过以上规格参数的设计，能够进一步提高整个XY向位移台的整体移动精度控制，并尤其纳米操作臂的设定，适用于纳米材料的操控应用场合。

按照本发明的另一优选实施方式，所述Z向位移台和XY向位移台均具有高刚性、高承载能力、优异的直线型和精密定位性能。位移台的加工材料选择不锈钢，与一般钢材或者铝材相比，不锈钢强度好，经久耐用，抗冲击，耐磨损，更为重要的是不会生锈，即不会污染真空腔，破坏真空度。滚珠导轨使用硅基真空润滑脂进行润滑，位移台表面可不做任何处理，加工完成后使用超声波震荡仪清洗，弹簧使用国家标准件不锈钢圆柱弹簧，以上设计均保证位移台适用于高真空度的环境。

此外，尽管在装配过程中存在安装误差等影响因素，但按照上述优选实施方式所选用的电机具有极高的步距分辨率，同时位移台具有优异的刚性、直线型、定位性能，二者的配合使用时可以进一步保证位移台的定位精度，实际操作中，本发明使用的扫描电子显微镜的放大倍率可以达到×100,000，分辨率0.2nm，操作台的位移输出可以通过扫描电子显微镜的实时图像由操作人员判断调整。

图3是按照本发明的多自由度纳米操作台的***原理框图。如图3中所示，该***除了作为控制对象的驱动电机及纳米操作台之外，还可包括控制盒、上位机和驱动器等。其中控制盒与上位机可通过USB接口通信，上位机与驱动器可通过RJ45接口通信，驱动器与驱动电机通过排线通信。并且在一个优选实施例中，将三个可实现三维直线运动的驱动电机与一个旋转运动驱动电机编为一组，驱动器可以连接控制多组，配合使用。

上述***的工作原理可解释如下：由控制盒向上位机发送驱动位移信号，驱动信号包括驱动电机的选择、速度加速度的输入、运动方式(点动、长动)的选择。上位机在通过人机界面显示上述信号的同时打包发送给驱动器，驱动器根据信息包中的速度加速度数值以及运动方式驱动所选择的驱动电机。驱动电机推动所对应的位移台运动，纳米操作台输出位移。

综上，按照本发明的多自由度纳米操作台能够顺利实现纳米结构的撷取、放置等机械操作，电性测量，纳米器件组装等纳米操作，同时填补了国内在多轴纳米操作台制造上的空白。该操作台具有应用范围广、操作简便、工作效率高、成本低等特点，其运动行程可达到8×8×10mm×360°，直线运动最小分辨率30nm，旋转运动最小分辨率1mrad，最大运动速度1.2mm/min。测试表明其能够平稳实现多个自由度方向的位移和定位，并尤其适用于高真空度的应用环境。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台，其特征在于，该多自由度纳米操作台安装在扫描电子显微镜的真空腔内，并包括底座、Z向位移台、XY向位移台和纳米操作臂，其中：

所述Z向位移台沿着竖直方向设置在底座上，并包括通过滚珠导轨彼此连接的固定部件和移动部件，其中该固定部件与所述底座保持相连，用于对整个操作台进行支撑；该移动部件上直接安装有Z向直线驱动电机，且在该Z向直线驱动电机的驱动下使所述移动部件沿着Z轴方向移动；此外，该移动部件的顶部与该固定部件的底部之间设置有复位弹簧，由此实现Z向位移台在Z轴方向上的往复直线运动；

所述XY向位移台通过L形连接板沿着水平方向设置在所述Z向位移台的移动部件上，并包括通过滚珠导轨彼此并联滑动连接的第一并联部件、第二并联部件和第三并联部件，其中：该第一并联部件与所述Z向位移台的移动部件保持相连，用于对整个XY向位移台进行支撑，并直接安装有Y向直线驱动电机；该第二并联部件与所述Y向直线驱动电机的转子直接相连，使得该第二并联部件相对于所述第一并联部件沿着Y轴方向位移，并且该第二并联部件直接安装有X向直线驱动电机；该第三并联部件与所述X向直线驱动电机的转子相连，使得该第三并联部件相对于所述第二并联部件沿着X轴方向位移，并且该第三并联部件直接安装有旋转运动驱动电机；此外，所述第一并联部件、第二并联部件和第三并联部件之间分别设置有复位弹簧，由此实现XY向位移台在X轴和Y轴方向上的往复直线运动；

所述纳米操作臂直接设置在所述第三并联部件的所述旋转运动驱动电机上，由此实现X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动以及竖直平面内的旋转运动；

所述X向直线驱动电机、Y向直线驱动电机和Z向直线驱动电机的直线运动最小分辨率被设定为30nm，所述旋转运动驱动电机的旋转运动最小分辨率被设定为1mrad、最大运动速度为1.2毫米/分钟，并且上述所有驱动电机均可在10^-6Pa的真空环境下工作。

2.如权利要求1所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所述XY向位移台的台面尺寸为25mm×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，直线移动俯仰角30″，直线移动左右摆动25″。

3.如权利要求2所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所述Z向位移台的台面尺寸为25mm×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，移动平行度0.02mm。

4.如权利要求1所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所有的驱动电机各自具有两路控制信号输入端，其中一路为接地端；此外，所有驱动电机的控制信号接地端被串联为一路，其中旋转运动驱动电机的两路控制信号输入端设计为排针排母式。

5.如权利要求4所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所述多自由度纳米操作台还配备有驱动器、上位机和控制盒，其中所述驱动器通过排线与各个所述驱动电机相连，并且它的控制信号输出端与这些电机的所述控制信号输入端相连；所述上位机通过RJ45接口与所述驱动器相连，所述控制盒通过USB接口与所述上位机相连。

6.如权利要求5所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所述控制盒集成所有对纳米操作台的控制功能，包括驱动电机的选择、驱动电机速度、加速度的输入以及电机运动方式的选择。

7.如权利要求1所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所述Z向位移台和XY向位移台均由不锈钢材质构成，所有的滚珠导轨使用硅基真空润滑脂进行润滑。

8.如权利要求1所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所述旋转运动驱动电机可拆卸地安装在所述XY向位移台的第三并联部件上。

9.如权利要求1所述的多自由度纳米操作台，其特征在于，所述纳米操作臂被设定为探针型、弯曲型或者镊子型，并且其顶部尖端半径被设定为200nm。