[發明專利]一種適用于納米材料操控的多自由度納米操作臺

有效

• 申請號: 201410118898.2
• 申請日: 2014-03-27
• 公開（公告）號: CN103903942A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 趙昊;劉曉軍;章明;雷自力
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01J37/20
• 分類號: H01J37/20;B82Y35/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬

1.一種適用于納米材料操控的多自由度納米操作臺，其特征在于，該多自由度納米操作臺安裝在掃描電子顯微鏡的真空腔內，并包括底座、Z向位移臺、XY向位移臺和納米操作臂，其中：

所述Z向位移臺沿著豎直方向設置在底座上，并包括通過滾珠導軌彼此連接的固定部件和移動部件，其中固定部件與底座保持相連，用于對整個操作臺進行支撐；移動部件上直接安裝有Z向直線驅動電機，且在該電機驅動下使移動部件沿著Z軸方向移動；此外，移動部件的頂部與固定部件的底部之間設置有復位彈簧，由此實現Z向位移臺在Z軸方向上的往復直線運動；

所述XY向位移臺通過L形連接板沿著水平方向設置在Z向位移臺的移動部件上，并包括通過滾珠導軌彼此并聯滑動連接的第一并聯部件、第二并聯部件和第三并聯部件，其中第一并聯部件與Z向位移臺的移動部件保持相連，用于對整個XY向位移臺進行支撐，并直接安裝有Y向直線驅動電機；第二并聯部件與Y向直線驅動電機的轉子直接相連，并直接安裝有X向直線驅動電機；第三并聯部件與X向直線驅動電機的轉子相連，并直接安裝有旋轉運動驅動電機，由此在X向、Y向直線驅動電機各自的驅動下，第二、第三并聯部件相對于第一并聯部件可同時沿X軸、Y軸方向運動，并在旋轉運動驅動電機的驅動下實現豎直平面內的旋轉運動；此外，所述第一、第二和第三并聯部件之間分別設置有復位彈簧，由此實現XY向位移臺在X軸和Y軸方向上的往復直線運動；

所述X向、Y向和Z向直線驅動電機的直線運動最小分辨率被設定為30nm，所述旋轉運動驅動電機的旋轉運動最小分辨率被設定為1mrad、最大運動速度為1.2毫米/分鐘，并且所有驅動電機均可在10^-6Pa的真空真空環境下工作；

所述納米操作臂設置在所述第三并聯部件上，由此實現X軸、Y軸和Z軸方向的直線運動；或者設置在所述旋轉運動驅動電機上，由此實現X軸、Y軸和Z軸方向的直線運動以及垂直平面內的旋轉運動。

2.如權利要求1所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所述XY向位移臺的臺面尺寸優選為25×25mm，行程為±3mm，并且移動精度包括以下參數：直線度0.002mm，直線移動俯仰角30″，直線移動左右擺動25″。

3.如權利要求2所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所述Z向位移臺的臺面尺寸優選為25×25mm，行程為±3mm，并且移動精度包括以下參數：直線度0.002mm，移動平行度0.02mm。

4.如權利要求1-3任意一項所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所有的驅動電機優選各自具有兩路控制信號輸入端，其中一路為接地端；此外，所有驅動電機的控制信號接地端被串聯為一路，旋轉運動驅動電機的兩路控制信號輸入端設計為排針排母式。

5.如權利要求1-4任意一項所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所述多自由度納米操作臺還配備有驅動器、上位機和控制盒，其中驅動器通過排線與各個驅動電機相連，并且它的控制信號輸出端與電機的控制信號輸入端相連；所述上位機通過RJ45接口與所述驅動器相連，所述控制盒通過USB接口與所述上位機相連。

6.如權利要求5所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所述控制盒集成所有對納米操作臺的控制功能，包括驅動電機的選擇、驅動電機速度、加速度的輸入以及電機運動方式的選擇等。

7.如權利要求1-6任意一項所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所述Z向位移臺和XY向位移臺均由不銹鋼材質構成，所有的滾珠導軌使用硅基真空潤滑脂進行潤滑。

8.如權利要求1或2所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所述旋轉運動驅動電機可拆卸地安裝在所述XY向位移臺的第三并聯部件上。

9.如權利要求1所述的多自由度納米操作臺，其特征在于，所述納米操作臂被設定為探針型、彎曲型或者鑷子型，并且其頂部尖端半徑被設定為200nm。