多自由度样品杆
阅读：836发布：2020-05-12
专利汇可以提供多自由度样品杆专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且多 自由度 样品杆，样品杆上设有纳米 定位 器，纳米定位器包括驱动件、关节球和压件组件，关节球与驱动件固定，压件组件包括至少两个压件和弹性连接组件，弹性连接组件连接相邻的压件，压件组件抱住关节球，压件与关节球之间具有预紧 力 。本 发明 具有具有X轴平移、Y轴平移和Z轴转动的三自由度，且在重复使用中性能稳定的优点。，下面是多自由度样品杆专利的具体信息内容。
1.多自由度样品杆，其特征在于：样品杆上设有纳米定位器，纳米定位器包括驱动件、关节球和压件组件，关节球与驱动件固定，压件组件包括至少两个压件和弹性连接组件，弹性连接组件连接相邻的压件，压件组件抱住关节球，压件与关节球之间具有预紧力。
2.如权利要求1所述的多自由度样品杆，其特征在于：每个压件分别具有凹陷部和连接部，弹性连接组件设于相邻压件的连接部之间，所有压件的凹陷部组成与关节球配合的凹窝。
3.如权利要求2所述的多自由度样品杆，其特征在于：凹窝呈半球形，或者V形，或者圆锥形。
4.如权利要求2所述的多自由度样品杆，其特征在于：压件为一体式的板体，凹陷部位于板体的中央。
5.如权利要求1所述的多自由度样品杆，其特征在于：压件位于关节球的外侧。
6.如权利要求1所述的多自由度样品杆，其特征在于：每个压件上分别设有样品夹持部，所有样品夹持部组成样品夹具。
7.如权利要求1所述的多自由度样品杆，其特征在于：压件包括第一压件和第二压件，第一压件的凹陷部和第二压件的凹陷部周围分别均匀分布多个安装位，每个安装位对应一个弹性连接组件，第一压件的安装位与第二压件的安装位对位，第一压件和第二压件分别位于关节球两侧；或者，第一压件在上，第二压件在下，第二压件的凹窝为通孔。
8.如权利要求7所述的多自由度样品杆，其特征在于：第一压件的凹窝表面有耐磨层，或者，第二压件的凹窝表面有耐磨层。
9.如权利要求1所述的多自由度样品杆，其特征在于：弹性连接组件为弹簧或弹性材料制成的弹性柱，弹性连接组件一端与第一压件固定，另一端与第二压件固定。
10.如权利要求1所述的多自由度样品杆，其特征在于：弹性连接组件由螺杆和弹簧组成，弹簧套装于螺杆，弹簧位于螺杆和第一压件之间，第二压件的安装位是跟螺杆啮合的螺孔,
或者，第一压件的安装位是通孔，通孔与螺杆间隙配合；或者，螺杆伸出第二压件的安装孔，或者螺杆与第二压件之间有固定部。
多自由度样品杆
技术领域
背景技术
[0002] 原位观察技术在透射电子显微学研究中有着悠久的历史。通过在样品上施加各种物理作用，利用透射电子显微镜（透射电镜）来观察材料的微观结构和化学状态的变化，可以直接地研究材料或器件在实际使用过程中的性能表现，对于材料性能的研究有着重要的实际意义。透射电镜中的原位技术其难度在于不但要将物理作用准确地施加在样品上，同时还要满足一系列苛刻的条件，比如要维持电镜系统的超高真空度，保证样品台极高的稳定度，且不能干扰成像光路，整个结构必须紧凑以适用于透射电镜狭小的样品室等。因此，原位电镜技术的难点主要体现在原位样品杆的研究和制作上。
[0003] 瑞典Svensson, K.等人在2003年发表的文章《Compact design of a transmission electron microscope-scanning tunneling microscope holder with three-dimensional coarse motion》公开了一种三维压电探针，这种三维压电探针是透射电镜样品杆的一部分，压电探针包括一根压电陶瓷管和一颗小球，小球固定于压电陶瓷管，小球上装有通过柔性丝爪抓住小球的样品夹持器，压电陶瓷管控制小球作“缓慢移动、快速撤回”的微小幅度（压电陶瓷管轴向方向2.5微米以下、其余两个方向30微米以下）的循环运动。柔性丝爪通过摩擦力抓紧小球，压电陶瓷管做循环运动，样品夹持器通过柔性丝爪与小球之间的摩擦力被连续甩动，由此产生行程较大、步长较大的位移控制（粗调）。结合压电陶瓷管本身产生的行程较小、连续可调的位移控制（精调），可以在狭小空间内累积实现三个自由度（轴向平移一个自由度、以及绕小球旋转两个自由度）的较大行程（约3mm）的精确的位移控制。这种三维压电探针己运用于美国FEl公司的NanoEx 3D STM/EP系统和NanoEx 3D lndentor 系统，实现透射电子显微镜下的原位STM 、原位压痕和电气探查。
[0004] 这种三维探针的缺点在于：1、柔性丝爪易变形，为了保持它与小球之间的摩擦力，需要经常调整柔性丝爪的形状，但柔性丝爪有多根，无法保证每根柔性丝爪的一致性，从而造成三维探针随着使用的时间和次数，其精度越来越低。2、柔性丝爪的长度使样品夹持器与小球之间有间隙，小球循环运动时，使样品夹持器顺着丝爪远离小球或者靠近小球，从而实现样品的轴向位移，但样品夹持器通过柔性丝爪悬挂在小球上，样品夹持器及其上的样品受重力作用会向下坠，位置精度不高。而透射电镜中的视域范围是纳米和微米级，样品受重力作用的位置偏差很可能导致样品偏离电镜的视域范围而无法观察；并且位置偏差的存在导致很难将样品调整到适合观察的位置和角度。3、探针夹持装置沿压电陶瓷管轴向方向前后运动时，柔性丝爪的形状与上述摩擦力之间的关系复杂，调整其形状难以保证该摩擦力始终合适。加上探针夹持装置受重力的影响，使得在粗调时容易产生相合运动，难以准确控制探针；甚至由于柔性丝爪的形状调整不当，不能抓住小球，可能使探针夹持装置掉落到设备内部，造成设备损坏。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种具有X轴平移、Y轴平移和Z轴转动的三自由度，且在重复使用中性能稳定的多自由度样品杆。
[0006] 多自由度样品杆，其特征在于：样品杆上设有纳米定位器，纳米定位器包括驱动件、关节球和压件组件，关节球与驱动件固定，压件组件包括至少两个压件和弹性连接组件，弹性连接组件连接相邻的压件，压件组件抱住关节球，压件与关节球之间具有预紧力。比如压电陶瓷管作为驱动件。
[0007] 压件作为优选的方案，每个压件分别具有凹陷部和连接部，弹性连接组件设于相邻压件的连接部之间，所有压件的凹陷部组成与关节球配合的凹窝。凹窝与关节球线接触或者面接触或者点接触；弹性连接部使压件与关节球之间具有预紧力，当关节球静止、或者驱动件带着关节球缓慢运动时，关节球与压件之间的静摩擦力使压件相对关机球静止。当驱动件带着关节球快速复位时，关节球和压件之间产生滑动摩擦力，关节球复位压件保持原位、不跟随关节球复位。
[0008] 优选的，凹窝呈半球形，或者V形，或者圆锥形。
[0009] 优选的，压件为一体式的板体，凹陷部位于板体的中央。
[0010] 优选的，压件位于关节球的外侧。样品杆直立放置时，纳米定位器朝上，两侧是以样品杆直立放置时、左右前后为外侧。优选的，每个压件上分别设有样品夹持部，所有样品夹持部组成样品夹具。当所有压件装配到位时，样品夹持部组合成一个样品夹具，样品夹具用于安装样品。安装时，用压件从关节球的两侧抱住关节球，弹性连接组件提供压件与关节球之间的预紧力。
[0011] 作为优选的方案，压件包括第一压件和第二压件，第一压件的凹陷部和第二压件的凹陷部周围分别均匀分布多个安装位，每个安装位对应一个弹性连接组件，第一压件的安装位与第二压件的安装位对位。如此，弹性连接组件一端安装于第一压件的安装位，另一端安装于第二压件的安装位，弹性连接组件的弹性力处于一条直线上，不产生扭矩。
[0012] 优选的，第一压件和第二压件分别位于关节球两侧。或者，第一压件在上，第二压件在下，第二压件的凹窝为通孔。通孔的内壁呈半球形、V形或圆锥形等。优选的，第一压件设有样品夹具。
[0013] 作为优选的方案，第一压件的凹窝表面有耐磨层。优选的，第二压件的凹窝表面有耐磨层。
[0014] 弹性连接组件作为优选的方案，弹性连接组件为弹簧或弹性材料制成的弹性柱（如硅胶柱、橡胶柱等），弹性连接组件一端与第一压件固定，另一端与第二压件固定。两个压件抱住关节球后，弹性连接组件处于形变状态，弹性连接组件的回复力提供两个压件与关节球之间的预紧力。
[0015] 或者，弹性连接组件由螺杆和弹簧组成，弹簧套装于螺杆，弹簧位于螺杆和第一压件之间，第二压件的安装位是跟螺杆啮合的螺孔。螺杆与第二压件的安装位啮合后，弹簧处于被压缩状态，弹簧将第一压件向第二压件推，弹簧提供第一压件、第二压件跟关节球之间的预紧力。
[0016] 优选的，第一压件的安装位是通孔，通孔与螺杆间隙配合。通孔与螺杆之间无摩擦，有利于弹簧的推动第一压件。
[0017] 优选的，螺杆伸出第二压件的安装孔，或者螺杆与第二压件之间有固定部。比如，比如第二压件安装到位后，将螺杆和第二压件焊接固定、或粘接固定等。这是因为，关节球循环运动而带动第一压件和第二压件位移时，第一压件和第二压件甩动会造成螺杆与第二压件之间的冲击，造成螺杆松动甚至脱离第二压件；螺杆松动将影响位置的精确控制；螺杆脱离第二压件，则造成两个压件和样品掉落，损坏电镜。
[0018] 用螺杆和弹簧的方式，通过螺杆旋紧的程度来调整压件与关节球之间的预紧力，降低了对弹性本身的制造要求。
[0019] 驱动件作为优选的方案，驱动件为压电陶瓷管，压电陶瓷管的呈中空的管体，压电陶瓷管一端与关节球固定，另一端安装于样品杆；压电陶瓷管具有内表面和外表面，压电陶瓷管的一个表面上设置多个导电区域组，每个导电区域组包括两个对称的导电区域，所有导电区域相互独立，每个导电区域有导电线；压电陶瓷管的另一个表面为整区域导电部。整区域导电部是指导电涂层完全覆盖另一个表面的所有导电区域。
[0020] 优选的，导电区域组设于压电陶瓷管的外表面，整区域导电部设于压电陶瓷管的内表面。或者，导电区域组设于压电陶瓷管的内表面，整区域导电部设于压电陶瓷管的外表面。如，导电区域组沿压电陶瓷管的外（内）表面均匀分布，则整区域导电部覆盖内（外）表面，且整区域导电部的轴向长度与单个导电区域的轴向长度相等，或整区域导电部的轴向长度比单个导电区域的轴向长度长。
[0021] 优选的，相邻的导电区域之间有绝缘涂层。
[0023] 作为优选的方案，关节球通过球座与压电陶瓷管相连，球座包括与关节球固定的连接杆和与压电陶瓷管固定的连接座，连接杆比关节球小，连接座与压电陶瓷管的横截面等尺寸。安装时，先将连接管穿过下压件的凹窝通孔，下压件的凹窝与关节球接触，在将连接管与连接座固定。
[0025] 本发明的优点在于：1、用弹性连接组件提供压件与关节球之间的预紧力，使压件与关节球之间有稳定的静摩擦力和动摩擦力，用静摩擦力支撑样品和样品夹持器、压件，去除重力对样品的影响，提高位移控制精度。2、纳米定位器包含的部件数量少，且连接关系简洁明了，易于生产、易于调整校准。3、凹窝与关节球匹配，压件与关节球之间的位置稳定，压件之间的连接关系稳固，避免纳米定位器脱落。附图说明
[0026] 图1是本发明使用的压电陶瓷管的示意图。
[0028] 图3是第一种样品夹具的示意图。
[0029] 图4是第二种样品夹具的示意图。
[0030] 图5是第三种样品夹具的示意图。
[0031] 图6是本发明在透射电镜下观察样品的效果图，其中a.b.c为使用较大的锯齿波峰-峰值驱动下的单步的大步长运动，d.e.f为使用较小的锯齿波峰-峰值驱动下的单步的小步长运动。
具体实施方式
[0032] 如图2所示，多自由度样品杆，样品杆上设有纳米定位器，纳米定位器包括驱动件1、关节球3和压件组件，关节球3与驱动件1固定，压件组件包括至少两个压件和弹性连接组件4，弹性连接组件4连接相邻的压件，压件组件抱住关节球3，压件与关节球3之间具有预紧力。比如压电陶瓷管作为驱动件1。
[0033] 压件在一些实施例中，每个压件分别具有凹陷部81和连接部82，弹性连接组件4设于相邻压件的连接部82之间，所有压件的凹陷部81组成与关节球3配合的凹窝。凹窝与关节球3线接触或者面接触或者点接触；弹性连接部82使压件与关节球3之间具有预紧力，当关节球3静止、或者驱动件1带着关节球3缓慢运动时，关节球3与压件之间的静摩擦力使压件相对关机球静止。当驱动件1带着关节球3快速复位时，关节球3和压件之间产生滑动摩擦力，关节球3复位压件保持原位、不跟随关节球3复位。
[0034] 凹窝呈半球形，或者V形，或者圆锥形。
[0035] 压件为一体式的板体，凹陷部81位于板体的中央。
[0036] 压件位于关节球3的外侧。样品杆直立放置时，纳米定位器朝上，两侧是以样品杆直立放置时、左右前后为外侧。优选的，每个压件上分别设有样品夹持部，所有样品夹持部组成样品夹具8。当所有压件装配到位时，样品夹持部组合成一个样品夹具8，样品夹具8用于安装样品。安装时，用压件从关节球3的两侧抱住关节球3，弹性连接组件4提供压件与关节球3之间的预紧力。
[0037] 如图2所示，在一些实施例中，压件包括第一压件8和第二压件9，第一压件8的凹陷部81和第二压件9的凹陷部91周围分别均匀分布多个安装位，每个安装位对应一个弹性连接组件4，第一压件8的安装位与第二压件9的安装位对位。如此，弹性连接组件4一端安装于第一压件8的安装位，另一端安装于第二压件9的安装位，弹性连接组件4的弹性力处于一条直线上，不产生扭矩。第一压件8在上，第二压件9在下，第二压件9的凹窝为通孔。通孔的内壁呈半球形、V形或圆锥形等。第一压件8设有样品夹具8。
[0038] 或者，第一压件8和第二压件9分别位于关节球3两侧。
[0039] 第一压件8的凹陷部表面有耐磨层。第二压件9的凹陷部表面有耐磨层。耐磨层有利于保持摩擦力的稳定。关节球3表面有耐磨层，或者关节球由耐磨材料制成。比如用铝或铝合金制作，并用阳极氧化处理凹陷部的表面和、或关节球表面。
[0040] 驱动件左侧（或右侧、前侧、后侧）摆动时，通过摩擦力使纳米定位器向该侧移动，进而使样品向该侧移动。样品的移动距离与向上述两片导电涂层施加的相反的恒定电压的电压值成正比。反复观察样品的位置，并据此调整电压值，使样品移动到需要的位置。
[0041] 弹性连接组件如图2-4所示，在一些实施例中，弹性连接组件4为弹簧或弹性材料制成的弹性柱（如硅胶柱、橡胶柱等），弹性连接组件4一端与第一压件8固定，另一端与第二压件9固定。两个压件抱住关节球3后，弹性连接组件4处于形变状态，弹性连接组件4的回复力提供两个压件与关节球3之间的预紧力。
[0042] 或者，弹性连接组件由螺杆41和弹簧42组成，弹簧42套装于螺杆41，弹簧42位于螺杆41和第一压件8之间，第二压件9的安装位是跟螺杆41啮合的螺孔。螺杆41与第二压件9的安装位啮合后，弹簧42处于被压缩状态，弹簧42将第一压件8向第二压件9推，弹簧42提供第一压件8、第二压件9跟关节球3之间的预紧力。第一压件8的安装位是通孔，通孔与螺杆41间隙配合。通孔与螺杆41之间无摩擦，有利于弹簧42的推动第一压件8。
[0043] 在一些实施例中，螺杆41伸出第二压件9的安装孔92，或者螺杆41与第二压件9之间有固定部；或者螺杆41依次穿过第一压件8、第二压件9与螺母啮合。比如，比如第二压件9安装到位后，将螺杆41和第二压件9焊接固定、或粘接固定等。这是因为，关节球3循环运动而带动第一压件8和第二压件9位移时，第一压件8和第二压件9甩动会造成螺杆41与第二压件9之间的冲击，造成螺杆41松动甚至脱离第二压件9；螺杆41松动将影响位置的精确控制；螺杆41脱离第二压件9，则造成两个压件和样品掉落，损坏电镜。将螺杆和第二压件固定，或者设置螺母、预留冗余段螺纹的目的是缓冲或抵抗纳米定位器甩动时的冲击，避免螺杆脱离第二压件9造成纳米定位器和样品脱落，保持压件与关节球之间的稳定连接。
[0044] 用螺杆41和弹簧42的方式，通过螺杆41旋紧的程度来调整压件与关节球3之间的预紧力，降低了对弹性本身的制造要求。弹性连接组件4为压件和关节球之间提供持续、稳定的压力，从而使压件和关节球之间存在稳定的摩擦力。
[0045] 驱动件如图1所示，在一些实施例中，驱动件1为压电陶瓷管，压电陶瓷管的呈中空的管体，压电陶瓷管一端与关节球3固定，另一端安装于样品杆；压电陶瓷管具有内表面和外表面，压电陶瓷管的一个表面上设置多个导电区域组，每个导电区域组包括两个对称的导电区域
13，所有导电区域13相互独立，每个导电区域13有导电线；压电陶瓷管的另一个表面为整区域导电部12。整区域导电部12是指导电涂层完全覆盖另一个表面的所有导电区域13。
13，所有导电区域13相互独立，每个导电区域13有导电线；压电陶瓷管的另一个表面为整区域导电部12。整区域导电部12是指导电涂层完全覆盖另一个表面的所有导电区域13。
[0046] 如图1所示，导电区域13组设于压电陶瓷管的外表面，整区域导电部12设于压电陶瓷管的内表面。或者，导电区域13组设于压电陶瓷管的内表面，整区域导电部12设于压电陶瓷管的外表面。如，导电区域13组沿压电陶瓷管的外（内）表面均匀分布，则整区域导电部12覆盖内（外）表面，且整区域导电部12的轴向长度与单个导电区域13的轴向长度相等，或整区域导电部12的轴向长度比单个导电区域13的轴向长度长。相邻的导电区域13之间有绝缘涂层。每个导电区域13组的两个导电区域13的电压方向相反，每次只有一个导电区域13组通电，或者每次有多个导电区域13组通电。
[0047] 在一些实施例中，关节球3通过球座2与压电陶瓷管相连，球座2包括与关节球3固定的连接杆和与压电陶瓷管固定的连接座，连接杆比关节球小，连接座与压电陶瓷管的横截面等尺寸。安装时，先将连接管穿过下压件的凹窝通孔，下压件的凹窝与关节球3接触，在将连接管与连接座固定。
[0048] 将压电陶瓷管1的底端固定，用一根导线焊接到压电陶瓷管1的内侧面的导电涂层并保持接地，将四根导线分别焊接到压电陶瓷管1外侧面的四片导电涂层上，另一端接到电压放大器的各个输出端，然后将电压放大器的各个输入端接到函数信号发生器上。该样品杆的两个自由度可以分别驱动。驱动样品杆任意自由度，使样品在该自由度上移动到需要的位置的办法为：通过导线向压电陶瓷管1外侧面上对称的两片导电涂层施加正负相反的锯齿波。该锯齿波可以是连续的，也可以是分脉冲的，如图3所示。导电区域13越多，关节球3可能的运动方向越多。
[0049] 对连续的锯齿波，优选的参数为峰-峰值100V，频率100Hz以下，压摆率100V/μs以上。适当降低峰-峰值可以减小运动步长，但峰-峰值过低（在一些案例中，低于40V）会使运动步长急剧降到零，原因可能与摩擦面的微观结构有关。峰-峰值高于100V时会击穿压电陶瓷，破坏压电陶瓷管1。频率高于100HZ时会激发压电陶瓷管1或整体装置结构的本征振动，使关节球3的运动不再是平面内的“缓慢、快速”运动，纳米定位器的驱动原理不能满足，样品不能运动。降低频率可以降低单位时间内产生的运动步数，控制样品的运动速度。压摆率低于100V/μs时会使得滑动阶段关节球3运动加速度过小，摩擦力能保持运动部件跟随关节球3运动而不产生滑动，样品不能通过累积各步来产生长行程运动。
[0050] 通过其它观测设备（如光学显微镜、电子显微镜等）观察样品的所在位置，当样品运动到目标位置附近时，向上述对称的导电区域施加相反的恒定电压，使压电陶瓷管1的一侧发生伸长，另一侧发生缩短，总体表现为弯曲，进而使固定于压电陶瓷管1一端的关节球3向一侧移动。
[0052] 如图3所示，样品夹具为套管，套管6与上压件8一体，套管6壁上贯穿安装有紧固螺钉7。将棒状或管状样品插入套管6内，用紧固螺钉7压紧样品，则完成样品的装夹。
[0054] 如图5所示样品夹具的另一种形式，样品夹具包括基体62，垫片621和紧固螺钉622；基体62分为连接部和夹持部，连接部为与上压板固定的圆柱体，夹持部为切制有平面的不完整圆柱体，垫片621通过紧固螺钉622紧固于夹持部，夹持部的平面与垫片621之间用于装夹样品623。
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