CN112067850B - 一种二维纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维纳米定位平台，属于影像级原子力显微镜定位控制领域，包括：平台基身、运动平台和驱动装置，运动平台设置于平台基身的中心位置，用于在驱动信号的作用下在平台基身上进行位移运动；驱动装置分别与平台基身和运动平台连接，设有依次对应连接的四个方向的驱动器槽、四个方向的驱动支链、四个方向的连接支链和四个方向的传动支链组。驱动器槽中驱动器输出的驱动信号，经驱动支链、连接支链输出至传动支链组，并带动运动平台进行二维平移运动。本申请平台以运动平台为中心呈对称分布，各方向传动支链组采用三平行轴对称支链布局，能够有效降低耦合误差；一体化柔顺机构设计，具有高刚度无摩擦等特性，能够提高平台的固有频率。

Description

一种二维纳米定位平台

技术领域

本发明属于影像级原子力显微镜定位控制领域，更具体地，涉及一种二维纳米定位平台。

背景技术

在新一代信息技术产业领域中需开发一批精密、高速的基础制造装备，明确了纳米测量的重要性。AFM通过检测样品表面和微型力敏感元件之间的原子间相互作用力来获得纳米级分辨率的表面形貌。

自从AFM被发明以来，其探测技术被广泛应用到纳米测量、纳米印刷等行业中，已成为研究生物医学样品和生物大分子的主要工具之一。因此，未来AFM技术的发展趋势是实现高速的影像级扫描，而高速高精的纳米定位便成为关键之一。

然而，随着近年来实际应用对AFM定位速度的要求日益严苛，现有的商用AFM速度已经无法满足需求。例如，典型的高分辨率AFM图像需要几十秒扫描生成，这使得毫秒级的动态视觉效果观察变得不可能。一般的影像(如每秒12帧)扫描，现有的商用AFM的栅格扫描速度也难以达到。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维纳米定位平台，其目的在于依靠柔性铰链的刚度等特性及并联结构的对称性，实现二维纳米定位平台的高速、高带宽、无耦合的位移运动，由此解决应用于AFM中的二维纳米定位平台栅格扫描速率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二维纳米定位平台。

一种二维纳米定位平台，包括：

平台基身；

运动平台，设置于所述平台基身的上表面的中心位置，用于在驱动信号的作用下在所述平台基身上进行位移运动；

驱动装置，分别与所述平台基身和运动平台连接，设有：

四个方向的驱动器槽，设置于所述平台基身上，包括：X轴负向驱动器槽、X轴正向驱动器槽、Y轴负向驱动器槽和Y轴正向驱动器槽；每个方向的所述驱动器槽用于安装驱动器并接收所述驱动器输出的驱动信号；

四个方向的驱动支链，分别与四个方向的所述驱动器槽一一对应连接，每个所述驱动支链用于传输所属方向上对应的驱动信号；

四个方向的连接支链，与所述平台基身连接，且每个方向上的所述连接支链与所属方向上的所述驱动支链连接，用于传输所属方向上对应的驱动信号；

四个方向的传动支链组，每个方向传动支链分别与所述运动平台和所属方向的所述连接支链连接，每个方向传动支链组包括三个平行设置的传动支链，三个平行设置的传动支链均用于在所述驱动信号的作用下运动并带动所述运动平台进行所述位移运动。

在其中一个实施例中，每个方向上所述三个平行设置的传动支链分别是：第一传动支链，第二传动支链和第三传动支链，所述第一传动支链和所述第三传动支链关于所述第二传动支链轴对称。

在其中一个实施例中，所述第一传动支链的厚度与所述第三传动支链的厚度相同。

在其中一个实施例中，所述驱动装置还设有：

四个方向的预紧V型槽，设置于所述平台基身上，每个方向的所述预紧V型槽与对应方向的所述驱动器槽连接，用于调节对应方向的所述驱动器槽的长度。

在其中一个实施例中，所述运动平台的侧面设有测量面，所述测量面用于测量所述运动平台的位移数据。

在其中一个实施例中，所述平台基身上设有多个圆形螺孔，所述圆形螺孔用于在螺钉的作用下将所述平台基身固定在预设台面上。

在其中一个实施例中，各个方向对应的传动支链与连接支链之间夹角为90°，所述夹角对应处的圆角曲率半径为0.2mm。

在其中一个实施例中，所述二维纳米定位平台的基础频率大于15kHz，耦合误差小于1％。

在其中一个实施例中，所述运动平台在每个方向上最大位移达到10um。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于运动平台和平台基身利用柔性铰链的并联结构连接，基于柔性铰链的刚性特性和并联结构的对称性，能够取得下列有益效果：

(1)本发明采用对称性柔性支链连接，具有高强度、高精度等优势；

(2)本发明提供的二维纳米定位平台可作原子力显微镜中的扫描应用平台，可提升栅格扫描频率，实现高速的定位；

(3)本发明提供的低耦合高带宽的二维纳米定位平台在保证一定单轴位移量的同时，具有较高的基础谐振频率，能够消除耦合误差；

(4)本发明提供的二维纳米定位平台可以采用一体化加工技术制造，无需装配，具有无间隙、无摩擦等优点。

附图说明

图1是本申请一实施例中二维纳米定位平台的三维立体结构示意图；

图2是本申请一实施例中二维纳米定位平台的俯视图；

图3是本申请一实施例中二维纳米定位平台的侧视图；

图4是本申请一实施例中二维纳米定位平台中驱动装置的结构示意图。

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为运动平台；

2为平台基身；

3为运动平台上的测量面；

4为与预紧V型槽配合使用的预紧螺孔；

5为平台基身上的圆形螺孔；

6-1为X轴负向驱动器槽、6-2为X轴正向驱动器槽、6-3为Y轴负向驱动器槽、6-4为Y轴正向驱动器槽；

7-1为X轴负向驱动支链、7-2为X轴正向驱动支链、7-3为Y轴负向驱动支链、7-4为Y轴正向驱动支链；

8-1为X轴正向预紧V型槽；

9-1-1为X轴负向第一传动支链、9-1-2为X轴负向第二传动支链、9-1-3为X轴负向第三传动支链；9-2-1为X轴正向第一传动支链、9-2-2为X轴正向第二传动支链、9-2-3为X轴正向第三传动支链；9-3-1为Y轴负向第一传动支链、9-3-2为Y轴负向第二传动支链、9-3-3为Y轴负向第三传动支链；9-4-1为Y轴正向第一传动支链、9-4-2为Y轴正向第二传动支链、9-4-3为Y轴正向第三传动支链；

10-1为X轴负向连接支链、10-2为X轴正向连接支链、10-3为Y轴负向连接支链、10-4为Y轴正向连接支链。

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。

本申请实施例提供一种二维纳米定位平台，如图1所示，二维纳米定位平台包括运动平台1和平台基身2及驱动装置。其中，运动平台1设置于平台基身2的上表面的中心位置，用于在驱动信号的作用下在平台基身2上进行位移运动。驱动装置分别与平台基身2和运动平台1连接，驱动装置设有：依次对应连接的四个方向的驱动器槽、四个方向的驱动支链、四个方向的连接支链和四个方向的传动支链组。各个驱动器槽、驱动支链、连接支链与传动支链组对称分布在运动平台1的X轴负向、X轴正向、Y轴负向、Y轴正向四个平面坐标轴方向上。本申请中的二维纳米定位平台采用并联机构，基于并联结构的二维纳米定位平台，具有高刚度，惯性低等优点。其中并联结构是与串联机构对应的。并联机构可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。串联机构：是指若干个单自由度的基本机构顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入，若联接点设在前置机构中作简单运动的构件上，即形成所谓的串联式组合。

如图2-4所示，四个方向的驱动器槽设置于平台基身2上，包括：X轴负向驱动器槽6-1、X轴正向驱动器槽6-2、Y轴负向驱动器槽6-3和Y轴正向驱动器槽6-4；X轴负向驱动器槽6-1、X轴正向驱动器槽6-2、Y轴负向驱动器槽6-3和Y轴正向驱动器槽6-4各安装至少一个驱动器，每个方向的驱动器槽用于安装驱动器并接收驱动器输出的驱动信号。驱动器产生驱动信号，能够是驱动装置中的传动支链运动并带动与传动支链连接的运动平台进行运动。在其中一个实施例中，驱动装置还设有：四个方向的预紧V型槽8，设置于平台基身2上，每个方向的预紧V型槽8与对应方向的驱动器槽连接，用于调节对应方向的驱动器槽的尺寸，预紧V型槽8可由平台基身外侧表面的预紧螺孔4调节。具体的，预紧V型槽8可以用于调节对应方向的驱动器槽，如X轴负向驱动器槽6-1、X轴正向驱动器槽6-2、Y轴负向驱动器槽6-3和Y轴正向驱动器槽6-4的长度，以使各个驱动器槽的长度与队友的驱动器尺寸对应，从而将驱动器固定在各个驱动器槽内。以X轴正向驱动器槽6-2为例，其一端与X轴正向驱动支链7-2相连，另一端通过X轴正向预紧V型槽8与平台基身2柔性连接。

四个方向的驱动支链，分别与四个方向的驱动器槽一一对应连接，每个驱动支链用于传输所属方向上对应的驱动信号。由图4可以看出，四个驱动支链包括X轴负向驱动支链7-1、X轴正向驱动支链7-2、Y轴负向驱动支链7-3和Y轴正向驱动支链7-4；以X轴正向驱动支链7-2为例，其一端与X轴正向驱动器槽6-2相连，另一端通过X轴正向连接支链10-2与X轴正向传动支链组9-2-1、9-2-2、9-2-3相连；其他三个方向驱动支链相似，均与各自方向的连接支链和传动支链组相连。

四个方向的连接支链，与平台基身2连接，且每个方向上的连接支链与所属方向上的驱动支链连接，用于传输所属方向上对应的驱动信号。四个连接支链包括X轴负向连接支链10-1、X轴正向连接支链10-2、Y轴负向连接支链10-3、Y轴正向连接支链10-4。以X轴正向连接支链10-2为例，其连接X轴正向驱动支链7-2与X轴正向传动支链组9-2-1、9-2-2、9-2-3，并与平台基身2连接，X轴正向连接支链10-2厚度t2取为0.5mm；其他三个方向连接支链与此相同。

四个方向的传动支链组中每个方向传动支链分别与运动平台1和所属方向的连接支链连接，每个方向传动支链组包括三个平行设置的传动支链，三个平行设置的传动支链均用于在驱动信号的作用下运动并带动运动平台1进行位移运动。四个传动支链组包括：X轴负向传动支链组9-1-1、9-1-2、9-1-3、X轴正向传动支链组9-2-1、9-2-2、9-2-3、Y轴负向传动支链组9-3-1、9-3-2、9-3-3、Y轴正向传动支链组9-4-1、9-4-2、9-4-3。在其中一个实施例中，每个方向上三个平行设置的传动支链分别是：第一传动支链，第二传动支链和第三传动支链，第一传动支链和第三传动支链关于第二传动支链轴对称，如X轴正向传动支链组中第一传动支链9-2-1、第二传动支链9-2-2、第三传动支链9-2-3。在其中一个实施例中，第一传动支链的厚度与第三传动支链的厚度相同。其中，以X轴正向传动支链组为例，包括X轴正向第一传动支链9-2-1、X轴正向第二传动支链9-2-2和X轴正向第三传动支链9-2-3。三条传动支链平行轴对称分布且长度相同，均取值为2.5mm。X轴正向第一传动支链9-2-1厚度t1取为0.4mm，X轴正向第三传动支链9-2-3厚度t3取为0.4mm。X轴正向第二传动支链9-2-2厚度可以是0.5mm，也可以是0.3mm、0.4mm等数值，此处不做限定。X轴正向传动支链组与X轴正向连接支链10-2垂直相交，且交点处圆角曲率半径r取为0.2mm；其他三个方向传动支链组与此相同。

在其中一个实施例中，运动平台1的侧面设有测量面，测量面用于测量运动平台1的位移数据。由图3可以看出，测量面3为运动平台1的侧表面形成，用于测量运动平台1的位移变化。运动平台包括多个侧表面，则测量面也可以是多个，以提高测量精度。本申请中的测量面和运动平台相当于一个整体，可以是设置激光传感器检测测量面反射激光信号来获取运动平台的位移变化，也可以是利用电容式传感器测量位移变化。获取的位移数据可以进行***建模以及控制器设计。举例来说，给驱动器通电，运动平台产生位移，利用测量面采集位移数据，以此建立数学模型，之后根据模型特性设计控制器，最终使输出位移跟踪所需的波形。在原子力显微镜(AFM)应用中，扫描出的图像效果与设计的跟踪控制器有关，若模型不准确或者控制器较差会导致图形失真。

在其中一个实施例中，平台基身2上设有多个圆形螺孔，圆形螺孔用于在螺钉的作用下将平台基身2固定在预设台面上。

在其中一个实施例中，各个方向对应的传动支链与连接支链之间夹角为90°，夹角对应处的圆角曲率半径为0.2mm。在其中一个实施例中，二维纳米定位平台的基础频率大于15kHz，耦合误差小于1％。在其中一个实施例中，运动平台1在每个方向上最大位移达到10um。在实际应用中，本发明的二维纳米定位平台的基础频率可达到15kHz以上，单轴最大位移可达10um，耦合误差小于1％；本发明的解耦高带宽的二维纳米定位平台可用作原子力显微镜的扫描应用平台，提高栅格扫描速率。在实际的操作应用中，在保持相同或相似技术方案的情况下，可灵活改变装置参数及器件大小以满足实际需求。

本申请实施例中的二维纳米定位平台通过在X轴方向上，X轴正向驱动器槽6-2和X轴负向驱动器槽6-1处的驱动器分别施加力于X轴正向驱动支链7-2和X轴负向驱动支链7-1，经由X轴正向传动支链组内各个传动支链9-2-1、9-2-2、9-2-3和X轴负向传动支链组内各个传动支链9-1-1、9-1-2、9-1-3的传导使运动平台1朝X方向运动，运动的速度和位移量与驱动器输出的驱动信号相关。二维纳米定位平台还通过在在Y轴方向上，Y轴正向驱动器槽6-4和Y轴负向驱动器槽6-3处的驱动器分别施加力于Y轴正向驱动支链7-4和Y轴负向驱动支链7-3，经由Y轴正向传动支链组内各个传动支链9-4-1、9-4-2、9-4-3和Y轴负向传动支链组内各个传动支链9-3-1、9-3-2、9-3-3的传导使运动平台1朝Y方向运动，由此运动平台1可产生XY平面的二维运动。由于平台整体呈以运动平台为中心对称分布，故X轴方向与Y轴方向上的位移之间影响较小，有效降低耦合误差；各个方向上的传动支链组采用三平行轴对称支链布局，消除耦合误差；平台整体采用一体化柔顺机构设计，具有高刚度无摩擦等特性，提高平台的固有频率。

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 (6)

1.一种二维纳米定位平台，其特征在于，包括：

平台基身；

运动平台，设置于所述平台基身的上表面的中心位置，用于在驱动信号的作用下在所述平台基身上进行位移运动；

驱动装置，分别与所述平台基身和运动平台连接，设有：

四个方向的驱动器槽，设置于所述平台基身上，包括：X轴负向驱动器槽、X轴正向驱动器槽、Y轴负向驱动器槽和Y轴正向驱动器槽；每个方向的所述驱动器槽用于安装驱动器并接收所述驱动器输出的驱动信号；

四个方向的驱动支链，分别与四个方向的所述驱动器槽一一对应连接，每个方向上所述驱动支链用于传输所属方向上对应的驱动信号；

四个方向的连接支链，与所述平台基身连接，且每个方向上的所述连接支链与所属方向上的所述驱动支链连接，用于传输所属方向上对应的驱动信号；

四个方向的传动支链组，每个方向传动支链组分别与所述运动平台和所属方向的所述连接支链连接，每个方向传动支链组包括三个平行设置的传动支链，三个平行设置的传动支链均用于在所述驱动信号的作用下运动并带动所述运动平台进行所述位移运动；

所述驱动装置还设有：四个方向的预紧V型槽，设置于所述平台基身上，每个方向的所述预紧V型槽与对应方向的所述驱动器槽连接，用于调节对应方向的所述驱动器槽的长度；

所述二维纳米定位平台的基础频率大于15kHz，所述运动平台在每个方向上最大位移达到10um，耦合误差小于1％。

2.如权利要求1所述的二维纳米定位平台，其特征在于，每个方向上三个平行设置的传动支链分别是：第一传动支链、第二传动支链和第三传动支链，所述第一传动支链和所述第三传动支链关于所述第二传动支链轴对称。

3.如权利要求2所述的二维纳米定位平台，其特征在于，所述第一传动支链的厚度与所述第三传动支链的厚度相同。

4.如权利要求1所述的二维纳米定位平台，其特征在于，所述运动平台的侧面设有测量面，所述测量面用于测量所述运动平台的位移数据。

5.如权利要求1所述的二维纳米定位平台，其特征在于，所述平台基身上设有多个圆形螺孔，所述圆形螺孔用于在螺钉的作用下将所述平台基身固定在预设台面上。

6.如权利要求1-5任一项所述的二维纳米定位平台，其特征在于，各个方向对应的传动支链与连接支链之间夹角为90°，所述夹角对应处的圆角曲率半径为0.2mm。

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