【技术实现步骤摘要】
本公开总体上涉及精密工程领域。具体地，本公开涉及一种在周围条件和极端环境下具有可靠操作的纳米定位器。
技术介绍
1、纳米定位器由于其能够以纳米精度定位物体而成为许多科学和商业领域中的关键工具。纳米定位器在扫描探针显微镜、光学显微镜、生命科学仪器以及用于半导体和数据存储行业的其他装置中发挥着重要作用。大多数现有的纳米定位器都采用粘滑(stick-slip)机构运行，其中压电组件驱动动态平移器。平移器的运动是由压电元件的延伸和收缩致动的两个元件之间交替的滑动或粘滞动作引起的[1]、[2]。
2、在该操作中，轴被固定至底座并通过摩擦界面耦接至托架组件，该摩擦界面形成于轴的表面和托架的表面之间。构成轴的压电叠层和金属杆在施加电压时延伸或收缩。在较慢的速度下，惯性力小于最大静摩擦力，导致夹具随轴移动。然而，当压电元件快速延伸或收缩时，托架的惯性力超过静摩擦力，导致夹具和轴之间发生滑动。随后执行该“粘滑”机构有利于托架沿线性轴位移。
3、许多应用还需要使用“闭环”位置传感器来进行反馈和控制。迄今为止，经常采用压阻或薄膜型元件。虽然它们的集成具有成本效益，但这些类型的传感器提供的测量精度相对较低，并且会在操作过程中导致能量耗散。相比之下，电容传感器提供无与伦比的精度、长期稳定性和线性度，同时基本上没有能量耗散。这使得它们特别适用于极端条件下以及必须避免能量耗散的应用，例如低温环境。
4、粘滑运动的每步位移由多种因素决定，包括夹紧力、摩擦系数和负载重量，并且这些参数非常容易受到诸如温度和压力的环境条件的影响。
5、在真空和低温环境中操作粘滑驱动器带来了额外的挑战。压电致动器的性能在较低温度下会降低，需要增加驱动电压才能实现相同的线性位移。例如，在4k的低温下，压电致动器只能达到室温下的位移的5％。这会导致功率耗散增加(与驱动电压的平方成正比)以及潜在的有害的加热效应。热收缩会改变纳米定位器组件的空间尺寸，影响托架和底座之间在摩擦表面处的接触力。此外，如果没有空气和湿气的润滑作用，托架和底座之间的摩擦在真空中通常会增加。因此，在不同的环境条件下实现始终可靠的纳米定位器构成了重大挑战。
6、因此，材料选择在低温下变得特别关键。许多材料，尤其是氧化铝(al2o3)等电绝缘材料，在这些温度下导热性能较差，并且会阻止物体有效热化至环境温度，尤其是在低于1k的较低温度下。需要采取其他措施来实现高效传热，例如安装外部铜编织层。
7、现有的商业纳米定位器面临几个缺点。它们依赖于通过压电元件刚性连接到固定底座的氧化铝轴。当氧化铝轴的表面粗糙度未优化至纳米级粗糙度时，需要薄的表面涂层以减少摩擦。然而，这种涂层通常由石墨或二硫化钼制成，当表面吸附的水分冻结时，它们会吸收水分并抑制真空或低温条件下的可靠运动。
8、由于材料的热膨胀系数不匹配，商业纳米定位器不太适合在宽温度范围内运行。这会导致在低温下运行不可靠，特别是在低于1k的较低温度下。
9、基于电阻读出的现有位置读出机构消耗大量电力，限制了它们在低温条件下的使用。当包含读出机构时，市售纳米定位器的占用空间显著增加，可能排除其在空间受限的应用中的使用。
10、鉴于此，本领域需要一种纳米定位器，其提供在周围条件下和极端环境下的可靠操作、穿过定位装置的高效热传递、以及精确且无耗散的位置读出。此外，结合附图和本公开的
技术介绍
，从随后的详细描述和所附权利要求中，其他期望的特征和特性将变得显而易见。
技术实现思路
1、本文提供了一种在周围条件和极端环境下可靠操作的纳米定位器。
2、在本公开的某些方面，提供了一种能够以纳米级精度定位物体的纳米定位装置。纳米定位装置包括托架组件和耦接到托架组件的致动器，用于精确地控制托架组件相对于致动器的位置。托架组件包括前夹具和后夹具。致动器包括压电叠层和轴，该轴从压电叠层延伸以耦接到前夹具和后夹具，以粘滑驱动托架组件。轴包括多个陶瓷板。多个陶瓷板中的每个陶瓷板均被抛光并且由陶瓷材料制成。多个陶瓷板与前夹具和后夹具接触以实现用于驱动托架组件的摩擦界面。
3、在一个实施例中，多个陶瓷板粘性地附着至轴，用于减少粘滑运动中的耗散摩擦损失并增强导热性。
4、在一个实施例中，轴和托架组件由具有基本相同的热膨胀系数的材料制成，使得托架组件在多个陶瓷板和轴上的压力是与温度无关的。
5、在一个实施例中，多个陶瓷板为厚度≤250μm的平坦实心板。轴的直径为2mm至10mm，因此多个陶瓷板与轴之间的热膨胀系数的不匹配可以忽略不计，使得由托架组件与多个陶瓷板形成的摩擦界面的摩擦系数变得与温度无关。
6、在一个实施例中，多个陶瓷板、轴和托架组件由具有相当高的导热率的材料制成，以提供穿过纳米定位装置的高效热传递。
7、在一个实施例中，前夹具和后夹具各自包括多个内表面。多个内表面中的每个内表面是抛光金属表面，用于与多个陶瓷板接合以形成摩擦界面。
8、在一个实施例中，纳米定位装置还包括底座和用于执行位置反馈的一个或多个金属杆。底座包括一个或多个杆座以及电容传感器。前夹具和后夹具包括一个或多个通孔，通孔设置在与一个或多个杆座对齐的位置处，用于容纳一个或多个金属杆。电容传感器被配置成确定一个或多个金属杆与托架组件之间的几何电容，用于计算托架组件相对于底座的相对位置。
9、在一个实施例中，一个或多个金属杆中的每个金属杆是具有圆形或多边形横截面的垂直杆。
10、在实施例中，电容传感器是西格玛-德尔塔(σ-δ)电容数字转换器。
11、在一个实施例中，一个或多个金属杆通过绝缘板固定连接至一个或多个杆座，用于使一个或多个金属杆与底座或底板电绝缘。绝缘板是由氮化铝(aln)或蓝宝石制成的陶瓷隔离件。
12、在一实施例中，底座还包括底座本体和底板。压电叠层胶合或粘性地附着到底板。绝缘板在一个或多个杆座内粘性地附着到底座本体或底板。
13、在一个实施例中，底座本体还包括多个电缆槽，多个电缆槽被设置成用于将多根电缆连接至压电叠层。压电叠层被配置成接收锯齿电压信号。
14、在一个实施例中，托架组件被配置成当缓升或缓降电压信号被施加到所述压电叠层时跟随所述轴的移动。轴被配置成当快升或快降电压信号施加到所述压电叠层时滑动以引起所述托架组件相对于底座本体的粘滑运动。
15、在一个实施例中，轴还包括从轴的底端沿平行于轴的方向延伸的延伸部。延伸部为刚性连接至底板的薄金属片，以实现轴与底座之间的螺纹接合。
16、在一个实施例中，纳米定位装置还包括底座，该底座是放置在托架组件下方的支撑结构。托架组件、轴和底座由选自由钼(mo)、铍铜(becu)和磷青铜(phbr)组成的组的金属材料制成；并且其中陶瓷材料为aln或蓝宝石。
17、在一个实施例中，托架组件和轴之间的摩擦界面使用粘滑机构实现托架组件相对于底座的双向线性惯性运动。
18、在一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种能够以纳米级精度定位物体的纳米定位装置，包括：
2.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其中，所述多个陶瓷板粘性地附着至所述轴，用于减少粘滑运动中的耗散摩擦损失并增强导热性。
3.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述轴和所述托架组件由具有基本相同的热膨胀系数的材料制成，使得所述托架组件在所述多个陶瓷板和所述轴上的压力是与温度无关的。
4.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述多个陶瓷板为厚度≤250μm的平坦实心板；并且其中，所述轴的直径为2mm至10mm，因此所述多个陶瓷板与所述轴之间的热膨胀系数的不匹配能够忽略不计，使得由所述托架组件与所述多个陶瓷板形成的摩擦界面的摩擦系数变得与温度无关。
5.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述多个陶瓷板、所述轴和所述托架组件由具有相当高的导热率的材料制成，以提供穿过所述纳米定位装置的高效热传递。
6.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述前夹具和所述后夹具各自包括多个内表面，并且其中所述多个内表面中的每个内表面是抛光金属表面，用于与所述多个陶瓷板
7.根据权利要求1所述的纳米定位装置，还包括底座和用于执行位置反馈的一个或多个金属杆，其中：
8.根据权利要求7所述的纳米定位装置，其中，所述一个或多个金属杆中的每个金属杆为具有圆形或多边形横截面的垂直杆；并且其中，所述托架的相对位置是基于所述几何电容(CC-R)确定的，其计算如下：
9.根据权利要求7所述的纳米定位装置，其中，所述电容传感器是西格玛-德尔塔(Σ-Δ)电容数字转换器。
10.根据权利要求7所述的纳米定位装置，其中，所述一个或多个金属杆通过绝缘板固定连接至所述一个或多个杆座，用于使所述一个或多个金属杆与所述底座或底板电绝缘，并且其中所述绝缘板是由氮化铝(AlN)或蓝宝石制成的陶瓷隔离件。
11.根据权利要求10所述的纳米定位装置，其中，所述底座还包括底座本体和/或底板，并且其中所述压电叠层胶合或粘性地附着到所述底板；并且其中所述绝缘板在所述一个或多个杆座内粘性地附着到所述底座本体或底板。
12.根据权利要求11所述的纳米定位装置，其中，所述底座本体或所述底板还包括多个电缆槽，所述多个电缆槽被设置成用于将多根电缆连接至所述压电叠层；并且其中所述压电叠层被配置成接收锯齿电压信号。
13.根据权利要求12所述的纳米定位装置，其中，所述托架组件被配置成当缓升或缓降电压信号被施加到所述压电叠层时跟随所述轴的移动；并且其中所述轴被配置成当快升或快降电压信号施加到所述压电叠层时滑动以引起所述托架组件相对于所述底座本体或所述底板的粘滑运动。
14.根据权利要求11所述的纳米定位装置，其中，所述轴还包括从所述轴的底端沿平行于所述轴的方向延伸的延伸部，其中所述延伸部为刚性连接至所述底板的薄金属片，以实现所述轴与所述底座之间的螺纹接合。
15.根据权利要求1所述的纳米定位装置，还包括底座，所述底座是放置在所述托架组件下方的支撑结构，其中所述托架组件、所述轴和所述底座由选自由钼(Mo)、铍铜(BeCu)和磷青铜(PhBr)组成的组的金属材料制成；并且其中所述陶瓷材料为氮化铝(AlN)或蓝宝石。
16.根据权利要求15所述的纳米定位装置，其中，所述托架组件和所述轴之间的所述摩擦界面使用粘滑机构实现所述托架组件相对于所述底座的双向线性惯性运动。
17.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其中，所述轴为截面为矩形的长方体轴，且所述轴能够插入到当所述前夹具和所述后夹具相互抵靠时形成的矩形孔间隙中。
18.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其中，所述前夹具和所述后夹具各包括两个螺钉槽，并且其中所述前夹具和所述后夹具通过所述螺钉槽由两个弹簧加载螺钉可调节地连结，用于控制由所述托架组件施加的夹紧力。
19.一种能够以纳米级精度定位物体并且具有高导热率的纳米定位装置，包括：
20.根据权利要求19所述的纳米定位装置，还包括底座，所述底座是放置在所述托架组件下方的支撑结构，其中所述托架组件、所述轴和所述底座由选自由钼(Mo)、铍铜(BeCu)和磷青铜(PhBr)组成的组的金属材料制成；并且其中所述多个陶瓷板由氮化铝(AlN)或蓝宝石制成。
21.根据权利要求20所述的纳米定位装置，其中，所述轴还包括从所述轴的底端沿平行于所述轴的方向延伸的延伸部，其中所述延伸部是刚性连接至所述底座以实现所述轴与所述底座之间的螺纹接合的薄金属片。
22.根据权利要求19所述的纳米定...
【技术特征摘要】
1.一种能够以纳米级精度定位物体的纳米定位装置，包括：
2.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其中，所述多个陶瓷板粘性地附着至所述轴，用于减少粘滑运动中的耗散摩擦损失并增强导热性。
3.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述轴和所述托架组件由具有基本相同的热膨胀系数的材料制成，使得所述托架组件在所述多个陶瓷板和所述轴上的压力是与温度无关的。
4.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述多个陶瓷板为厚度≤250μm的平坦实心板；并且其中，所述轴的直径为2mm至10mm，因此所述多个陶瓷板与所述轴之间的热膨胀系数的不匹配能够忽略不计，使得由所述托架组件与所述多个陶瓷板形成的摩擦界面的摩擦系数变得与温度无关。
5.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述多个陶瓷板、所述轴和所述托架组件由具有相当高的导热率的材料制成，以提供穿过所述纳米定位装置的高效热传递。
6.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其中，所述前夹具和所述后夹具各自包括多个内表面，并且其中所述多个内表面中的每个内表面是抛光金属表面，用于与所述多个陶瓷板接合以形成所述摩擦界面。
7.根据权利要求1所述的纳米定位装置，还包括底座和用于执行位置反馈的一个或多个金属杆，其中：
8.根据权利要求7所述的纳米定位装置，其中，所述一个或多个金属杆中的每个金属杆为具有圆形或多边形横截面的垂直杆；并且其中，所述托架的相对位置是基于所述几何电容(cc-r)确定的，其计算如下：
9.根据权利要求7所述的纳米定位装置，其中，所述电容传感器是西格玛-德尔塔(σ-δ)电容数字转换器。
10.根据权利要求7所述的纳米定位装置，其中，所述一个或多个金属杆通过绝缘板固定连接至所述一个或多个杆座，用于使所述一个或多个金属杆与所述底座或底板电绝缘，并且其中所述绝缘板是由氮化铝(aln)或蓝宝石制成的陶瓷隔离件。
11.根据权利要求10所述的纳米定位装置，其中，所述底座还包括底座本体和/或底板，并且其中所述压电叠层胶合或粘性地附着到所述底板；并且其中所述绝缘板在所述一个或多个杆座内粘性地附着到所述底座本体或底板。
12.根据权利要求11所述的纳米定位装置，其中，所述底座本体或所述底板还包括多个电缆槽，所述多个电缆槽被设置成用于将多根电缆连接至所述压电叠层；并且其中所述压电叠层被配置成接收锯齿电压信号。
13.根据权利要求12所述的纳米定位装置，其中，所述托架组件被配置成当缓升或缓降电压信号被施加到所述压电叠层时跟随所述轴的移动；并且其中所述轴被配置成当快升或快降电压信号施加到所述压电叠层时滑动以引起所述托架组件相对于所述底座本体或所...
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