精密扫描隧道显微技术微进给及定位机构制造技术

本实用新型专利技术为精密扫描隧道显微技术微进给及定位机构。在支架上安有一套螺纹副作为第一级粗调定位，在螺杆中心位置安置由精密调整驱动器，弹簧和双层板弹簧作为第二级半精密微进给机构，与双层板弹簧相接有第三或第四级微位移进给机构，所说的第三级压电微位移器利用柔性铰支控制弹性变形元件工作面的位移，第四级由压电陶瓷管调节探针的精确位移。本机构具有结构较简单、调整方便、调节精度高和可实现防碰针地自动反馈进入所需隧道间隙的调整。（*该技术在2003年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于纳诺技术中精密测量、加工仪器设备中的微进给及定位机构。在用扫描隧道显微技术(以下简称“STM”)进行A或纳米(nm)级测量时，要求亚纳米级精度的精密可靠的微进给和定位装置，并要求能方便地将探针与试件间的间隙精确、稳定地调整到所需的亚纳米级的隧道间隙内。现有技术中，日本采用的宽范围STM微进给定位装置是安装在悬臂架上，用三级精密丝杆滑块来作粗调和半精调，最后用叠层压电晶体进行精调，此法的不足之处在于丝杆、滑块间隙所造成的误差较难于消除，且最精密一级的丝杆要求有μm级的加工精度和调整精度。美国采用三颗精密螺丝钉来进行调整，虽较简单，但不易保证nm级的定位精度。我国也有采用三颗螺钉精调，再用叠层进行微进给，此方法较简单，但也存在从μm级到nm级的间隙不易调整的问题。本技术的目的在于设计一种能用较简便的方法实现方便、快速地调整遂道间隙的亚纳米级STM微进给及定位装置。本技术所说的微进给定位机构由三级或四级组成。第一级为粗调定位机构，由安置在支架8上的精密螺纹副，即螺套3和螺杆7，以及旋钮2、压盖4、轴向推力轴承5等部件来实现。在螺杆7上开有键槽，用销钉限制其周向转动，通过旋动固定在螺套3上的旋钮，使实现螺杆7的上下移动，当调整到探针18与试件样品台6接近相差为十几个微米时，将粗调螺杆7用定位螺钉锁紧。第二级为半精调机构，由精密调整驱动器1、调整弹簧15、双层板弹簧9组成，在螺杆7下安置有双层板弹簧9，在螺杆7的中间有一通孔，安置有调节弹簧15，调节弹簧15的两端与精密调整驱动器1和双层板弹簧9相接触。调整驱动器1压缩调节弹簧15，使双层板弹簧9发生位移。第三级为精密微进给机构，由压电微位移器12和弹性变形元件11组成，弹性变形元件11安置在底板13上的工作台14上，压电微位器12安置在弹性变形元件11内，在压电微位移器12的上下两面可以有垫片16，垫片16的作用是使弹性变形元件的工作面19能平行位移，在下面的垫片16外可以有可调节压电微位移器12上下位移的调节螺丝17，在弹性变形元件12的工作面19与弹性变形元件11主体之间依靠柔性铰支20连接，试件样品台6安置在弹性变形元件的工作面19上。第四级亦为精密微进给机构，由压电陶瓷管10安置在双层板弹簧9下构成，探针18安置在压电陶瓷管10下方，本级用于扫描时反馈微位移的调整。本技术的优点是结构较为简单，调整方便、省时，可实现防碰针地自动反馈进入所需隧道间隙的调整。调节精度可达到A级，其第一级的调整范围可达5～25毫米，调节精度为几个μm；第二级的调整范围为几～十几μm，分辨率为纳米级；第三级的调整范围可达0.3μm～5μm左右，精度达每伏6纳米；第四级的调整范围可达0.1～0.5μm，精度达A级。附附图说明图1由四级组成的STM微进给及定位机构之一种；附图2由三级组成的STM微进给及定位机构之一种。以下结合附图和实施例作进一步的说明与描述。附图1给出由四级组成的STM微机给及定位机构实施例之一种结构示意图。在支架8上安置有一套精密螺纹副，其螺套3与支架8之间依靠推力轴承5成可活动方式组合，在螺套3的上端有调节旋钮2，在支架8上可有固定轴承5和螺套3的压盖4，在螺杆7上有可用销钉(未画出)限制其周向转动的键槽(未画出)；螺杆7的中间可有一个通孔，通孔内安置有调节弹簧15，在螺杆7的上方安置有与调节弹簧15上端相结合的精密调整驱动器1，在螺杆7的下面安置有与调节弹簧15下端相结合的双层板弹簧9，在双层板弹簧9的下面安置有压电陶瓷管10，探针安置在压电陶瓷管10的下方；底板13与支架8相结合。在底板13上安置工作台14，工作台14上安置有弹性变形元件11，在弹性变形元件11内安置压电微位移器12，在压电微位移器12的上面与弹性变形元件11工作面19之间和压电微位移器12的下面可以加有垫片16，在下面的垫片16外可有调节螺丝17，弹性变形元件工作面19与弹件变形元件11主体之间有柔性铰支20。除了上述结构之外，也可以将附图1中的第二级半精调机构取消，而将第三级精密微进给机构，即弹性变形元件11和压电微位移器12为主要构成部份颠倒安置在所说的螺杆7和压电陶瓷管10之间，将试件样品台6直接安置于工作台14上。也可以在工作台上仍然按照图1中所示的方式再安置与上述相同的弹性变形元件11，和压电微位移器12，将试件样品台6安置在弹性变形元件工作面19上，构成一种四级精密微进给机构。值得进一步说明的是，所说的精密调整驱动器1可以是步进马达也可以是外径千分尺，依靠它们驱动调整弹簧15，并控制双层板弹簧9的位移。附图2是依据本技术的专利技术构思所设计的一种三级STM微进给及定位装置。它与前例的区别在于省去第二级半精调机构，这种情况的实施方案可有两种一种是将压电陶瓷管10直接安置在螺杆7的下方，即省去附图1中的双层板弹簧9和精密调整驱动器1、调整弹簧15；另一种是将所说的第三级精密微进给机构即弹性变形元件11和压电微位移器12整个上下颠倒后安置于螺杆7的下面，然后将所说的第四级精密微进给机构，压电陶瓷管10安置在弹性变形元件的工作面19上，在压电陶瓷管10的下方安置探针18，所说的试件样品台6可直接安置在工作台6上。这种三级STM微进给及定位机构与四级相比较，除了调节范围略小之外，其精度均可达到本技术中所述的技术标准。权利要求1.一种精密扫描隧道显微技术微进给及定位机构，其特征在于，在支架上安置有一套精密螺纹副，其螺套与支架之间依靠推力轴承成可活动方式组合，在螺套的上端有调节旋钮，在支架上可有固定轴承和螺套的压盖，在螺杆上开有可用销钉限制其周向转动的键槽；螺杆的中间可有一个通孔，以在通孔内安置有调节弹簧，在螺杆的上方安置有与调节弹簧上端相结合的精密调整驱动器，在螺杆的下面安置有与调节弹簧下端相结合的双层板弹簧，在双层板弹的下面安置有压电陶瓷管，探针安置在压电陶瓷管下方；弹性变形元件安置在底板上的工作台上，在弹性变形元件内安置有压电微位移器，在压电微位移器的上面与弹性变形元件工作面之间和下面可以加有垫片，在下面的垫片外可有调节螺丝，弹性变形元件工作面与弹性变形元件主体之间有柔性铰支。2.根据权利要求1所说的机构，其特征在于，所说的精密调整驱动器可以是步进马达，也可以是千分尺。3.一种精密扫描隧道显微技术微进给定位机构，其特征在于，在支架上安置有一套精密螺纹副，其螺套与支架之间依靠推力轴承成可活动方式组合，在螺套的上端有调节旋钮，在支架上可有固定轴承和螺套的压盖，在螺杆上开有可用销钉限制其周向转动的键槽；在螺杆的下面安置有弹性变形元件，在弹性变形元件内安置有压电微位移器，在压电微位移器的上下两面可以加有垫片，弹性变形元件工作面与弹性变形元件主体之间有柔性铰支，在弹性变形元件的下面安置有压电陶瓷管，探针安置在压电陶瓷管下方；在与支架相连接的底板上有工作台。4.按根据权利要求3所说的机构，其特征在于，在所说的工作台上安置有弹性变形元件，在弹性变形元件内安置有压电微位移器，在压电微位移器的上面与弹性变形工作面之间和下面可以加有垫片，在下面的垫片处可有调节螺丝，弹性变形元件工作面与弹性变形元件主体之间有柔性铰支。5.根据权利要求3、4所说的机构，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精密扫描隧道显微技术微进给及定位机构，其特征在于，在支架上安置有一套精密螺纹副，其螺套与支架之间依靠推力轴承成可活动方式组合，在螺套的上端有调节旋钮，在支架上可有固定轴承和螺套的压盖，在螺杆上开有可用销钉限制其周向转动的键槽；螺杆的中间可有一个通孔，以在通孔内安置有调节弹簧，在螺杆的上方安置有与调节弹簧上端相结合的精密调整驱动器，在螺杆的下面安置有与调节弹簧下端相结合的双层板弹簧，在双层板弹的下面安置有压电陶瓷管，探针安置在压电陶瓷管下方；弹性变形元件安置在底板上的工作台上，在弹性变形元件内安置有压电微位移器，在压电微位移器的上面与弹性变形元件工作面之间和下面可以加有垫片，在下面的垫片外可有调节螺丝，弹性变形元件工作面与弹性变形元件主体之间有柔性铰支。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：师汉民，张鸿海，李尚平，孙桂静，谢良富，熊良山，陈日曜，江福祥，
申请(专利权)人：华中理工大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]