具有自定位作用的多自由度样品杆制造技术

本发明专利技术公开了一种具有自定位作用的多自由度样品杆，包括外壳和转轴，外壳与转轴同轴，外壳具有内腔，转轴位于外壳的内腔，内腔中设有自定位机构。转轴无论怎么转动，由于自定位机构的作用，转轴的中心轴总能自动复位到原始位置，从而避免转轴中心移位而导致的样品的待观测区域脱离透射电镜观测视野。

Multi degree of freedom sample bar with self positioning function

【技术实现步骤摘要】
具有自定位作用的多自由度样品杆
本专利技术涉及电子显微镜、透射电镜下使用的样品杆。
技术介绍
透射电子显微镜（TEM）可以看到在普通光学显微镜下无法看清的小于0.2μm的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。1932年Ruska专利技术了以电子束为光源的透射电子显微镜，目前TEM的分辨力可达0.2nm。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，可以直观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。瑞典K.Svensson等人在2003年发表的文章《Compactdesignofatransmissionelectronmicroscope-scanningtunnelingmicroscopeholderwiththree-dimensionalcoarsemotion》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末端，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，压电陶瓷管作循环运动，样品夹持器通过柔性丝爪与小球之间的摩擦力被一步步甩动，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NanoEx3DSTM/EP系统和NanoEx3Dlndentor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。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，其可靠性和精度越来越低。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。而透射电镜中的观测视野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上的待观察区域偏离电镜的观测视野范围而无法观察；并且位置偏差的存在导致很难将样品的待观测区域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耦合运动，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有X/Y/Z三方向平移和X轴转动驱动能力的，且在重复使用中性能稳定的多自由度样品杆。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。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；弹性连接组件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节球静止。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，关节球复位时，压件保持原位、不跟随关节球复位，或者虽随关节球产生复位运动，但运动行程小于关节球复位行程。优选的，凹窝呈半球形，或者V形，或者圆锥形。优选的，压件为一体式的板体，凹陷部位于板体的中央。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。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，压件上设有样品夹持部。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。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。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。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。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。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，有利于弹簧推动第一压件。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，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，或破坏螺杆上的螺纹。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振动，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，则造成第一压件和样品掉落，损坏电镜。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设计制造要求。驱动件作为优选的方案，驱动件为压电陶瓷管，压电陶瓷管是呈中空的管体，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，压电陶瓷管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有自定位作用的多自由度样品杆，其特征在于：包括外壳和转轴，外壳与转轴同轴，外壳具有内腔，转轴位于外壳的内腔，内腔中设有自定位机构。/n

【技术特征摘要】
1.具有自定位作用的多自由度样品杆，其特征在于：包括外壳和转轴，外壳与转轴同轴，外壳具有内腔，转轴位于外壳的内腔，内腔中设有自定位机构。


2.如权利要求1所述的具有自定位作用的多自由度样品杆，其特征在于：自定位机构包括托块，托块具有对称的斜面，托块的斜面与转轴接触。


3.如权利要求2所述的具有自定位作用的多自由度样品杆，其特征在于：自定位机构包括压板，压板具有平板，平板两侧对称设有斜坡。


4.如权利要求3所述的具有自定位作用的多自由度样...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏涛，张奕志，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33