專利名稱:納米操縱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米操縱器領(lǐng)域，特別涉及一種通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的納米操縱器。
背景技術(shù)：
近年來，電子顯微鏡原位納米操縱器在材料科學(xué)特別是納米科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用日益重要，使其研發(fā)受到了極大的關(guān)注。電子顯微鏡原位納米操縱器主要用于微米/納米尺度下納米單體操縱、剪裁、拼接，和納米單體電鏡原位物性測(cè)量。為了能夠讓納米操縱器穩(wěn)定且高效的工作，需要的技術(shù)構(gòu)成有制動(dòng)、測(cè)量、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造、定標(biāo)、控制、信號(hào)傳輸和人-機(jī)交流等方面。電子顯微鏡原位納米操縱器主要包括掃描電子顯微鏡原位納米操縱器(簡(jiǎn)稱掃描電鏡原位納米操縱器)和透射電子顯微鏡原位納米操縱器(簡(jiǎn)稱透射電鏡原位納米操縱器)。掃描電鏡原位納米操縱器控制材料運(yùn)動(dòng)的精度最高可達(dá)0.4納米。KleindiekNanotechnik, Klocke Nanotechnik, Omiprobe和Zyvex公司等研究的掃描電鏡用納米操縱器已商用。透射電鏡原位納米操縱器的精度可達(dá)到0.05納。透射電鏡原位納米操縱器能夠用于研究單個(gè)原子精確操縱，撕裂原子層。但需要工作在高真空條件下、留給納米操縱器安裝和運(yùn)動(dòng)空間狹小、技術(shù)門濫要求高。目前,Nanofactory和Hummingbird是僅有的兩家提供商業(yè)化透射電鏡原位納米操縱器產(chǎn)品的公司，NanoLAB的納米操縱器很快就能在市場(chǎng)推出。
目前納米操縱器主要采取壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)具有遲滯/非線性特性缺點(diǎn)，其位移輸出與輸入電壓和所加電壓的轉(zhuǎn)折點(diǎn)有關(guān)?，F(xiàn)有的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)的納米操縱器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型相對(duì)較大、運(yùn)動(dòng)尺度小、漂移較大，并且不能夠真正的做到直線運(yùn)動(dòng)等缺點(diǎn)。故針對(duì)上述缺點(diǎn)研究小體型、高精度驅(qū)動(dòng)的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新型納米操縱器是一個(gè)重要方向，目前國(guó)內(nèi)此類研究還是空白。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，本發(fā)明的目的是提供納米操縱器，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，平衡性好，尺寸緊湊，直線運(yùn)動(dòng)，在一定的程度上還減小了內(nèi)應(yīng)力和抵消溫度引起的形變。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
納米操縱器，包括定位裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述的定位裝置包括運(yùn)動(dòng)軌道、壓電陶瓷、運(yùn)動(dòng)臺(tái)，壓電陶瓷安裝在運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)，加脈沖電壓于壓電陶瓷上，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)摩擦接觸的沿運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接，所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為操縱手。
所述脈沖電壓的脈沖周期和壓電陶瓷的伸縮周期相等。
三個(gè)上述定位裝置垂直組合在一起，分別為X軸定位裝置、Y軸定位裝置、Z軸定位
>J-U ρ α裝直。
所述的運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)有三氧化二鋁薄片。
運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)設(shè)小型軌道；所述的小型軌道表面有剛玉球。[0011]在X軸定位裝置、Y軸定位裝置、Z軸定位裝置任意其中一個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接有精細(xì)定位裝置，所述的精細(xì)定位裝置由電致伸縮材料、伸縮管構(gòu)成，所述的操縱手安裝在伸縮管上；電致伸縮材料為四電極壓電陶瓷。
在X軸定位裝置的運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接有精細(xì)定位裝置，所述的精細(xì)定位裝置由電致伸縮材料、伸縮管構(gòu)成，所述的操縱手安裝在伸縮管上；電致伸縮材料為四電極壓電陶瓷。
本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明采用單向運(yùn)動(dòng)的方式和脈沖電壓補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)的方法，極好的提高定位裝置的運(yùn)動(dòng)精度，減小了漂移。
2、本發(fā)明采用粗精兩種調(diào)節(jié)方式，完美的實(shí)現(xiàn)了大尺度、高精度的運(yùn)動(dòng)，使得納米、微米和厘米尺度運(yùn)動(dòng)檔可調(diào)，最大運(yùn)動(dòng)距離3厘米，最小運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到原子級(jí)別，小于5埃，空間旋轉(zhuǎn)角度每步小于5度。
3、本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，縮小了定位裝置的體積，簡(jiǎn)化定位裝置的操作步驟，增大定位裝置的運(yùn)動(dòng)范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)定位裝置全方位的操縱和測(cè)量。
4、三氧化二鋁薄片具有表面平整和較大的彈性模量的特點(diǎn)，剛玉球能夠減小接觸面積，小型軌道能夠防止漂移，因此本發(fā)明的定位裝置能夠很好控制摩擦力、慣性力和平整度，進(jìn)而可以控制運(yùn)動(dòng)軌道的運(yùn)動(dòng)。
5、本發(fā)明中的精細(xì)定位中采用四電極壓電陶瓷，四電極壓電陶瓷具有伸長(zhǎng)范圍小、能夠發(fā)生偏轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。本發(fā)明通過四電極壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)伸縮銅管在很小的范圍運(yùn)動(dòng)，伸縮管的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)操縱手的運(yùn)動(dòng)，最終會(huì)使得操縱手與樣品很好的接觸，應(yīng)用操縱手來操縱樣品。
6、本發(fā)明中的伸縮管為伸縮銅管，而且該銅管是可以換取的。
7、本發(fā)明中操縱手是指能夠操縱各種微/納米物質(zhì)的工具，如探針、鉗子等操縱工具，能夠簡(jiǎn)單快速的對(duì)操縱手進(jìn)行改換。


圖1是本發(fā)明權(quán)利要求
10納米操縱器的立體剖視圖。
其中:1-Z軸壓電陶瓷；2-Z軸運(yùn)動(dòng)軌道；3_三氧化二鋁薄片；4-Y軸壓電陶瓷；5_Χ軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)；6_操縱手；7_伸縮管；8_四電極壓電陶瓷；9-Χ軸運(yùn)動(dòng)軌道；10_小型軌道；11-Υ軸運(yùn)動(dòng)軌道。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，納米操縱器，包括定位裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述的定位裝置包括運(yùn)動(dòng)軌道、壓電陶瓷、運(yùn)動(dòng)臺(tái)，壓電陶瓷安裝在運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)，加脈沖電壓于壓電陶瓷上，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)摩擦接觸的沿運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接，所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為操縱手；所述脈沖電壓的脈沖周期和壓電陶瓷的伸縮周期相等；三個(gè)上述定位裝置垂直組合在一起，分別為X軸定位裝置、Y軸定位裝置、Z軸定位裝置；所述的運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)有三氧化二鋁薄片；運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)設(shè)小型軌道；所述的小型軌道表面有剛玉球；在X軸定位裝置的運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接有精細(xì)定位裝置，所述的精細(xì)定位裝置由電致伸縮材料、伸縮管構(gòu)成，所述的操縱手安裝在伸縮管上；電致伸縮材料為四電極壓電陶瓷。
本發(fā)明中的操作機(jī)構(gòu)手動(dòng)、自動(dòng)控制均可以。
本發(fā)明的工作流程如下:
將本發(fā)明的納米操縱器固定在掃描電鏡樣品臺(tái)的周圍，然后給納米操縱器的壓電陶瓷加上脈沖電壓，為了提高定位裝置的運(yùn)動(dòng)精度，脈沖電壓的脈沖周期和壓電陶瓷的伸縮周期剛好符合，推動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)軌道中單向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定位，如按照Y軸-Z軸-X軸依次定位，Y軸定位裝置，在Y軸壓電陶瓷加脈沖電壓，其沿著Y軸運(yùn)動(dòng)軌道的方向伸長(zhǎng)，它的伸長(zhǎng)會(huì)給位于Y軸運(yùn)動(dòng)軌道上部的運(yùn)動(dòng)臺(tái)一個(gè)慣性力，如果此時(shí)慣性力大于摩擦力，使得運(yùn)動(dòng)臺(tái)沿著Y軸運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)行，進(jìn)行Y軸方向定位，Y軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)為Z軸定位裝置和X軸定位裝置。Z軸定位裝置和X軸定位裝置與Y軸定位裝置的工作原理相同，Z軸定位裝置的運(yùn)動(dòng)臺(tái)為X軸定位裝置。
以上的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)宏觀運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行初步的立體空間定位，并不能精確定位。為此，申請(qǐng)人設(shè)計(jì)宏微相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)模式，通過精細(xì)定位裝置進(jìn)行精確定位，在四電極壓電陶瓷上加脈沖電壓，驅(qū)動(dòng)伸縮管在很小的范圍運(yùn)動(dòng)，伸縮管的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)操縱手的進(jìn)行直線和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)立體空間的精細(xì)定位，最終會(huì)使得操縱手與樣品很好的接觸，應(yīng)用操縱手來操縱樣品。
以上說明本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明不限于以上實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.納米操縱器，包括定位裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述的定位裝置包括運(yùn)動(dòng)軌道、壓電陶瓷、運(yùn)動(dòng)臺(tái)，壓電陶瓷安裝在運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)，加脈沖電壓于壓電陶瓷上，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)摩擦接觸的沿運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接，所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為操縱手，所述脈沖電壓的脈沖周期和壓電陶瓷的伸縮周期相等；三個(gè)上述定位裝置垂直組合在一起，分別為X軸定位裝置、Y軸定位裝置、Z軸定位裝置；在X軸定位裝置、Y軸定位裝置、Z軸定位裝置任意其中一個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接有精細(xì)定位裝置，所述的精細(xì)定位裝置由電致伸縮材料、伸縮管構(gòu)成，所述的操縱手安裝在伸縮管上。
2.如權(quán)利要求
1所述的納米操縱器，其特征在于:電致伸縮材料為四電極壓電陶瓷。
專利摘要
本發(fā)明屬于納米操縱器領(lǐng)域，特別涉及一種通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的納米操縱器。該操縱器包括定位裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述的定位裝置包括運(yùn)動(dòng)軌道、壓電陶瓷、運(yùn)動(dòng)臺(tái)，壓電陶瓷安裝在運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)，加脈沖電壓于壓電陶瓷上，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)摩擦接觸的沿運(yùn)動(dòng)軌道運(yùn)動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)連接，所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為操縱手。本發(fā)明結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，平衡性好，尺寸緊湊，直線運(yùn)動(dòng)，在一定的程度上還減小了內(nèi)應(yīng)力和抵消溫度引起的形變，可廣泛應(yīng)用于精確操控、剪裁和組裝納米單體及精確測(cè)量納米單體物理性質(zhì)。
文檔編號(hào)G01Q10/00GKCN102608359SQ201210045621
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年2月25日
發(fā)明者彭勇, 張軍偉, 金斌玲, 謝鳳珍, 張宏, 馬鴻斌, 齊闊, 馬傳生, 張俊麗, 薛德勝 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3),