[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

技術領域

本發明屬于納米操作設備領域，更具體地，涉及一種適用于納米材料操控的多自由度納米操作臺。

背景技術

目前，納米技術高速發展，并對制造、信息、生物、醫學、能源、環境、宇航等高科技領域產生深遠的影響。納米材料操控，對于納米材料機電性能測試、基于納米材料的納米制造等具有重要意義。根據現有文獻資料，目前通常使用微納表征測量設備，例如原子力顯微鏡、半導體測量儀等來對納米材料執行擷取、放置、電性測量、組裝等多種操控。

然而，進一步的研究表明，上述微納表征測量設備在對納米材料進行操作時至少存在以下的缺陷或不足：第一、現有的表征測量設備只能對特定樣品進行部分參數表征測量，其對納米材料的操控應用范圍有限，不能同時實現多種操控動作，例如原子力顯微鏡可以測量微納結構的表面形狀參數，但不能對納米材料進行組裝；第二、表征測量設備的使用比較繁復，需要對使用人員進行專業培訓，有些甚至需要對樣品進行預先處理制備，例如半導體測量儀使用前需對樣品進行濺鍍或者蒸鍍導電電極等預處理；第三、不能實現視覺監控下的操作，效率很低；第四、表征測量設備的購買、維護費用昂貴，工作環境對溫度、濕度、震動等要求頗高，日常使用所需耗材所費巨大；而且盡管現在某些微納表征測量設備可以充當納米操作儀器，但是由于它們的設計功能并不在納米操作上，所以在工作效率、可實現功能等多個方面仍難以滿足實際需求。相應地，相關領域亟需開發出功能更為完善的納米材料操作臺，以便有效解決以上問題。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種適用于納米材料操控的多自由度納米操作臺，其中結合納米材料操控自身的應用特點，來對納米操作臺關鍵組件的構造及其設置方式進行設計，相應能夠有效克服現有技術中應用范圍窄、操作繁復和工作效率低下等問題，同時具備結構緊湊、多自由度靈活操作、高精度和功能強等優點。

為實現上述目的，按照本發明，提供了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。

作為進一步優選地，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″。

作為進一步優選地，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。

作為進一步優選地，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。