CN110896018B - 具备双机械手的扫描电子显微镜样品台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，包括样品杯，在所述样品杯中对称设置有两个纳米操作机械手，两个纳米操作机械手可协同配合实现多种操作。本发明适用于Phenom桌上型电镜，可以实现电镜下的多触点的电学测量、材料表征检测、纳米级多点位同时精确定位等多种复杂动作与功能。其结构紧凑，设计巧妙，在功能多样化、微小空间样品台设计、机械手稳定性以及定位精度等方面均有突破。

Description

具备双机械手的扫描电子显微镜样品台

技术领域

本发明涉及扫描电子显微镜技术领域，具体涉及一种具备双机械手的扫描电子显微镜样品台。

背景技术

扫描电子显微镜被人们所广泛运用于材料科学、电子、医疗和物理学等领域，成为人们观察和研究细小物体的重要工具。它利用电子束呈像的原理，可以观测到传统光学显微镜所不能看到的微小物体。于此同时，如何设计出简单使用，方便快捷的扫描电子显微镜成为行业发展的问题。

欧洲专利号为EP2024750B1的专利公开了一种紧凑型扫描电子显微镜，其便携、操作简单。这种紧凑型扫描电子显微镜利用一个特别设计的样品台，样品台形状像一个杯子。样品被放置在杯子里，然后空气被抽离杯子，为电子成像创造一个真空环境。由于气泵功率有限，为了更好、更快速的排出空气，样品台通常要求体积比较小，减少使用者因更换样品及等待抽真空的时间。

Phenom桌上型电镜提供了各种各样的样品台。它能够对不同形状、大小和性质的样品进行成像。功能仅限于纯粹的成像和分析(如EDX)。与传统大型扫面电子显微镜上的附件相比，台式SEM由于其严格的空间限制而在功能上受到限制。可随着人们对样品各式各样的信息需求不断增加，人们不仅仅满足于静态或单个画面的样品信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其功能多样，结构紧凑，节约空间。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，包括样品杯，所述样品杯中对称设置有两个纳米操作机械手。

作为优选的，单个所述纳米操作机械手包括位于顶部的第一直线驱动组件，所述第一直线驱动组件包括X方向宏动直线驱动模块和Y方向宏动直线驱动模块。

作为优选的，所述X方向宏动直线驱动模块位于Y方向宏动直线驱动模块上侧或者所述Y方向宏动直线驱动模块位于X方向宏动直线驱动模块上侧。

作为优选的，还包括第二直线驱动组件，所述第二直线驱动组件位于第一直线驱动组件下侧；所述第二直线驱动组件包括在竖直方向串联叠放的Z方向宏动驱动模块、X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块和Z方向微动驱动模块。

作为优选的，所述X方向宏动直线驱动模块、Y方向宏动直线驱动模块和Z方向宏动驱动模块皆包括具有粘滑驱动的宏动直线导轨驱动器。

作为优选的，所述X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块和Z方向微动驱动模块皆包括由压电陶瓷驱动的微动直线驱动器。

作为优选的，所述纳米操作机械手为多自由度机械手。

作为优选的，还包括对样品进行操作的机械爪组件，所述机械爪组件与纳米操作机械手可拆卸连接。

作为优选的，所述纳米操作机械手上设置有多引脚插座，所述机械爪组件设置有与插座配合的多引脚插头。

作为优选的，所述机械爪组件为探针、设置传感器的探头或机械夹爪。

本发明的有益效果：

本发明在样品杯中对称设置有两个纳米操作机械手，一方面，可通过两个纳米机械手协同配合动作，实现微纳米物体的拾取和放置；再则，在纳米操作机械手上安装2个探针以与样品进行电接触，从而实现实现电测量；或者，也可在纳米操作机械手上安装机械爪，从而拉伸纳米材料，诸如此类的高难度动作，都可使用本发明中双机械手协同动作才能实现。如此，桌上型电镜的功能不再仅限于纯粹的成像和分析，可满足各式各样的需求，功能多样，且由于两个纳米操作机械手对称设置，其结构更加紧凑，节约空间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为去除样品杯的结构示意图。

图中标号说明：10、样品杯；11、壳盖；20、平台；21、滑块；22、弹簧柱塞；30、驱动电路板；40、Y方向宏动直线驱动模块；41、X方向宏动直线驱动模块；42、Z方向微动直线驱动模块；43、Y向微动直线驱动模块；44、X向微动直线驱动模块；45、Z方向宏动直线驱动模块；50、机械爪组件；51、插座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明公开了一种具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，包括样品杯，样品杯中对称设置有两个纳米操作机械手。本发明中的样品杯适用于背景技术中的Phenom桌上型电镜，其样品杯为Phenom样品杯，该样品杯呈细长杯状，外径仅有44mm。本发明在样品杯中对称设置有两个纳米操作机械手，一方面，可通过两个纳米机械手协同配合动作，实现微纳米物体的拾取和放置；再则，在纳米操作机械手上安装2个探针以与样品进行电接触，从而实现实现电测量；或者，也可在纳米操作机械手上安装机械爪，从而拉伸纳米材料。诸如此类的高难度动作，都可使用本发明中双机械手协同动作才能实现。如此，桌上型电镜的功能不再仅限于纯粹的成像和分析，可满足各式各样的需求。且由于两个纳米操作机械手对称设置，其结构更加紧凑，节约空间。

众所周知，现有的扫描电子显微镜(SEM)对样品的放置及工作环境有着与普通空气环境完全不同的要求。其通过电子束呈像而区别于光学显微镜，我们需要将样品放置在一个真空无磁的腔体中，避免磁场或空气等其他介质对电子束的运动产生干扰。因此，当人们想要在SEM中加入可运动的机械手，就需要对机械手的设计做出与平常相比较大的改变。这些改变包括需要摒弃传统机械手的设计：置于真空的机械手不可具有磁性，我们不可以使用任何平常机器人或机械手所使用的电机等驱动方式，因为电机的驱动原理包含了磁场和线圈；所有材料都需要真空兼容，因而我们不可以使用平常机器人或机械手所使用的钢、铁带磁性材料。显而易见，这样的改变导致了SEM中集成机械手成为一个全新的问题，涉及到的应该是一个区别于普通机械手的全新领域。这样的机械手不单单是平常机械手的“迷你版”，更多的是一种具有新的驱动以及制作材料的机械手或机器人。而我们所提出的一种双机械手结构的紧凑型扫描电子显微镜样品台恰恰完全是在这个全新的领域提出的。我们采用的是压电陶瓷作为驱动源，所有材料均真空兼容。

由于导轨具有的磁性会影响电子束的运动，从而影响SEM的呈像，所以人们在设计纳米操作机时，会将具有磁性的直线导轨驱动器尽可能的远离样品，远离呈像区域。市面上我们能找到的，被人们所熟知的已经做成产品的纳米操作机有如下四家，我们发现他们一致遵循了上述原理，而且这样的原理和设计方式被人们所熟知，与此同时也固化了人们对机械手的设计。Thermo Fisher公司设计的纳米操作机采用宏微驱动，他们将宏动直线导轨驱动器放在机械手远离样品的下方，从而避免了磁性对SEM呈像的影响；Toronto nanoinstrumentation公司设计的纳米操作机同样采用宏微驱动，与Thermo Fisher公司的设计相似，宏动直线导轨驱动器放在机械手的最底层；SmarAct提出的纳米操作机，仅采用宏动，他们将所有的宏动直线导轨驱动器设计在离样品都比较远的位置，来避免干扰。最后一家Kleindiek与SmarAct相似，仅有宏动，而且与上述所有公司一样，都需要将导轨驱动器远离样品台摆放。这样的设计虽然导致机械手的体积较大，但是由于SEM呈像的局限性，人们不得不这样设计。

但是，我们发现，Phenom的桌上型电镜，因为采用的是具有较高能量的背散射电子呈像方式，与传统的SEM采用的能量较弱二次电子呈像方式不同，具有更高的抗磁场干扰性，经过实验测试，我们验证了这个特性，验证了Phenom桌上型电镜受到宏动直线导轨驱动器的干扰相对较小，可以忽略不计，SEM可正常呈像使用。因而，我们不再局限与以往机械手的设计，改变驱动器的叠放位置，从而设计出更加小的机械手。

在本发明中，单个纳米操作机械手包括位于顶部的第一直线驱动组件，第一直线驱动组件包括X方向宏动直线驱动模块和Y方向宏动直线驱动模块。其中，X方向和Y方向垂直设置，X方向与Y方向所在平面为水平面。Z方向竖直设置。由于第一直线驱动组件位于纳米操作机械手的最顶部，即粗定位在最上面，其他所有驱动级放在下面。这种结构最大限度地减少了径向空间的使用，因而允许2个机械手集成在电镜的简易样品杯中。本领域技术人员公知，机械手在运动过程中，我们不能让机械手与其余位置碰撞，为了不干涉运动，不可避免的我们需要提前模拟运动轨迹，将运动范围内的可能会碰到机械手的“障碍物”移开。因此，通常我们看到的机械手会有很大的安全运动范围，预留很大的空间来保证运动的安全性。而我们在经过一系列的研究，发现很多情况下的“预留空间”是不必要的。如何通过机械设计在不改变机械手行程的前提下，尽可能少的减少“预留空间”，我们为之努力了很长时间。最终本发明中的纳米操作机械手，将对径向空间需求影响最大的XY方向的导轨安装在了机械手最末端，前端的其余部分尽可能的将两个机械手对称叠放，让下部尽可能减少XY方向的运动行程，就可以很有效的减小XY平面内所需的预留空间，因此放置机械手的样品杯就可以做的很“细”。而且，这种设计有其独一无二的特点。这是因为，人们通常不会把粗动的XY方向导轨放在最顶端，因为这会直线导轨驱动器的磁性会影响扫描电镜的呈像。我们在发现大部分phenom桌上型电镜采用的检测信号是背散射点电子(BSD)，相较于二次电子呈像(SED)，其具有更高的能量，因此抗拒磁场干扰能力更强。因此，针对这种背散射电子呈像的phenom桌上型电镜，在保证安装后可以满足需求的前提下，做出了这样的大胆设计。因此顶部的XY运动部分置于被顶，便可以留出相当大的空间，让机械手的运动范围足够大。因此，本发明突破性的解决了因空间太小无法放置多个机械手的问题。

X方向宏动直线驱动模块红和Y方向宏动直线驱动模块的上下叠放顺序可根据工作需求设计。X方向宏动直线驱动模块位于Y方向宏动直线驱动模块上侧，或者Y方向宏动直线驱动模块位于X方向宏动直线驱动模块上侧。

本发明还包括第二直线驱动组件，第二直线驱动组件位于第一直线驱动组件下侧；第二直线驱动组件包括在竖直方向串联叠放的Z方向宏动驱动模块、X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块和Z方向微动驱动模块。而Z方向宏动驱动模块、X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块和Z方向微动驱动模块的叠放顺序可调整。

在本发明的一个实施例中，将X方向宏动直线驱动模块和Y方向宏动直线驱动模块安装在了机械手最末端，其余XYZ的微动以及Z的宏动部分都设计在其下方。让下方部分尽可能减少XY方向的运动行程，就可以很有效的减小XY平面内所需的预留空间，极大程度得减小了因为除XY宏动外其余4个驱动过程干涉而导致的XY平面内的大预留空间设计，减小了所需的空间。与此同时，本发明将Z方向宏动驱动模块设计在最下方，保证了质量最大的Z方向宏动驱动模块在相对最低即最“稳定”的位置，有效的减少不必要的震动干扰。同时，两个机械手对称叠放，这样可以最大程度的减少同时安放两个机械手的空间。

X方向宏动直线驱动模块、Y方向宏动直线驱动模块和Z方向宏动驱动模块皆包括具有粘滑驱动的宏动直线导轨驱动器。X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块和Z方向微动驱动模块皆包括由压电陶瓷驱动的微动直线驱动器。本发明发明包含了宏微驱动的原理，再将上述的结构紧凑的特点结合起来。这里所谓的宏微驱动思想是指，我们将每个方向的驱动分为宏动和微动。宏微驱动在SEM中的纳米操作具有非常重大的作用。这里所谓的宏动，是指粘滑驱动的直线导轨驱动器控制的大范围远距离运动，它由压电陶瓷驱动，压电陶瓷的快速瞬间增长以及产生的巨大驱动力，在瞬间超过导轨与摩擦片的粘结力，从而使得表面产生相对滑动，而后又因表面再次粘结而停止相对运动。压电陶瓷的高频振动，将每一次的相对滑动叠加，得到较大的相对运动，我们将其定义为宏动。这里所谓的微动，则是指由压电陶瓷在一次膨胀过程中，通过精确控制加载在压电陶瓷两端的电压，使得压电陶瓷驱动的铰链获得重复性非常好小位移。这样的小位移无摩擦，重复性好，定位精度高，我们称其为微动。传统的纳米操作机械手不采用宏微驱动的原理，其保证机械手的运动行程，只能是采用形成较大宏动驱动方式。这样的机械手，正在移动的过程中会有一个致命的问题——机械手的末端抖动。这是由宏动导轨直线驱动器的粘滑驱动特性导致的。在SEM中我们可以清晰的看到这样的“抖动”，所以，我们在移动机械手时，很容易让机械手无法抓取纳米材料，甚至会损坏一些周围的东西。因此，采用宏微驱动非常有必要，本发明中纳米操作机械手稳定性更好。

纳米操作机械手为多自由度机械手。

本发明还包括对样品进行操作的机械爪组件，机械爪组件与纳米操作机械手可拆卸连接。在另一实施例中，纳米操作机械手上设置有多引脚插座，机械爪组件设置有与插座配合的多引脚插头，如此，即可实现纳米操作机械手与机械爪组件的可拆卸连接，方便更换机械爪组件以实现不同操作。多引脚插座可使用6引脚输出插座。

在另一实施例中，机械爪组件为探针，如此便可以自由的，超大范围的运动到芯片的不同电极处，来对我们的样品芯片之类的做多触电的电学测量。

在另一实施例中，机械爪组件为设置传感器的探头或AFM探针，如此，可对样品的表面厚度等各种特性进行表征。

在另一实施例中，机械爪组件为钨针，如此便可以像筷子一样对我们的样品进行抓取。

在另一实施例中，机械爪组件为机械夹爪，便可以在SEM中，观察样品的拉伸、挤压或扭曲等各种动作，这些就好像人的双手，显然我们都知道双手比单手方便很多，灵活很多，可以实现更多的动作。

参照图1-图2所示，为具备双机械手的扫描电子显微镜平台20，包括样品杯10和位于样品杯10内部的两个纳米操作机械手。纳米操作机械手包括X方向宏动直线驱动模块41、Y方向宏动直线驱动模块40和Z方向宏动驱动模块、X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块、Z方向微动驱动模块、驱动电路板30和插座。51驱动电路板30通过螺钉固定在样品杯10内的底部对应凹槽处，为整个驱动部分做定位基准。将Z方向宏动驱动模块安装在底部以减小磁场对检测电子束的干扰。将Y方向微动直线驱动模块平行安装在Z方向宏动驱动模块上；将X方向微动直线驱动模块与Y方向微动直线驱动模块连接；将Z方向微动驱动模块与X方向微动直线驱动模块连接；这里的XYZ三个方向的微动也可以调整顺序，不局限于此。最后再将X方向宏动直线驱动模块41和Y方向宏动直线驱动模块40安装在最顶层的Z方向微动驱动模块上。另一个机械手安装方式相同，并以对称方式安装。参照图1所示，对其各个直线驱动模块竖直叠放处圈出，通过这种竖直方向串联的方式，可保证了整个机械手的运动行程的前提下，合理有效地减小了机械手所占用的空间。

此外，插座设置在纳米操作机械手最顶端的宏动直线驱动模块上。而对应可设置机械爪组件50，机械爪组件50与纳米操作机械手可拆卸连接。机械爪组件50插拔安装在输出插座上。使用时，将样品粘在平台20上，将带有样品的平台20轻轻***辅助安装的滑块21。将辅助安装的滑块21轻轻放在样品杯10对应滑槽处，并小心推动辅助安装的滑块21直至碰到铰链组的一端。然后将带有样品的平台20从辅助安装滑块21推至铰链组的一端并利用弹簧柱塞22卡紧。铰链组能够驱动平台20上下移动以实现样品移动。此处对于扫描电镜平台20的安装为现有技术，不做详细介绍。之后，在纳米操作机械手上装上机械爪组件50，如探针或机械夹爪，最后旋上壳盖11，即完成平台20安装。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其适用于Phenom桌上型电镜，其特征在于，包括样品杯，所述样品杯中对称设置有两个纳米操作机械手；

单个所述纳米操作机械手包括位于顶部的第一直线驱动组件，所述第一直线驱动组件包括X方向宏动直线驱动模块和Y方向宏动直线驱动模块；

所述X方向宏动直线驱动模块位于Y方向宏动直线驱动模块上侧或者所述Y方向宏动直线驱动模块位于X方向宏动直线驱动模块上侧；

还包括第二直线驱动组件，所述第二直线驱动组件位于第一直线驱动组件下侧；所述第二直线驱动组件包括在竖直方向串联叠放的Z方向宏动驱动模块、X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块和Z方向微动驱动模块。

2.根据权利要求1所述的具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其特征在于：所述X方向宏动直线驱动模块、Y方向宏动直线驱动模块和Z方向宏动驱动模块皆包括具有粘滑驱动的宏动直线导轨驱动器。

3.根据权利要求1所述的具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其特征在于：所述X方向微动直线驱动模块、Y方向微动直线驱动模块和Z方向微动驱动模块皆包括由压电陶瓷驱动的微动直线驱动器。

4.根据权利要求1所述的具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其特征在于：所述纳米操作机械手为多自由度机械手。

5.根据权利要求1所述的具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其特征在于：还包括对样品进行操作的机械爪组件，所述机械爪组件与纳米操作机械手可拆卸连接。

6.根据权利要求5所述的具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其特征在于：所述纳米操作机械手上设置有多引脚插座，所述机械爪组件设置有与插座配合的多引脚插头。

7.根据权利要求5所述的具备双机械手的扫描电子显微镜样品台，其特征在于：所述机械爪组件为探针、设置传感器的探头或机械夹爪。

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