一種透射電子顯微鏡用雙軸傾轉樣品桿的制作方法
【專利摘要】一種透射電子顯微鏡用雙軸傾轉樣品桿，包括樣品桿桿身主體、前端傾轉臺、驅動桿、連桿、傾轉軸、旋轉軸、驅動桿固定軸和樣品載臺。前端傾轉臺留有軸孔,通過傾轉軸與樣品桿桿身主體相連接。通過旋轉軸使連桿、凸臺卡槽和驅動桿卡槽相連接。樣品桿桿身前端兩側位置設計對稱的兩個貫通的運動導槽，通過驅動桿固定軸固定驅動桿，約束驅動桿在桿身主體后端的直線步進電機驅動下，進行往復式直線運動，進而使樣品臺繞傾轉軸旋轉。本裝置可通過高精度直線步進電機精確控制樣品載臺傾轉角度。本裝置可通過前端傾轉臺下表面凸臺與水平方向上的夾角和運動導槽的長度來調節(jié)樣品臺的最大傾轉角度。本裝置可以與常規(guī)的透射電子顯微鏡配合使用，通用性廣。
【專利說明】
一種透射電子顯微鏡用雙軸傾轉樣品桿
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種透射電子顯微鏡用具有新型雙軸傾轉方式的樣品桿，通過該樣品桿，可實現(xiàn)在原子點陣分辨率下對材料顯微結構的觀測，本實用新型屬于透射電子顯微鏡配件領域。
【背景技術】
[0002]材料的科學理論、制備及加工水平已成為一個國家科技進步的制約要素。材料的宏觀性能取決于材料的微觀結構。透射電子顯微鏡(TEM)是表征材料微觀結構的重要設備，作為TEM的重要組件之一，樣品桿起到承載樣品，并對樣品施加多物理場如力、熱、電、光等的作用。目前，材料科學研究的深入對透射電子顯微鏡及其原位(In-situ)技術提出了更高的要求，如何對材料施加外場作用的同時，實現(xiàn)TEM原位雙傾觀測，成為研究的熱點。
[0003]根據(jù)傾轉的方式，目前商業(yè)化的TEM樣品桿可分為單軸傾轉和雙軸傾轉兩種。沿桿軸的旋轉為X軸旋轉，垂直于桿軸和電子束入射方向的旋轉為Y軸旋轉。通常，X軸旋轉由透射電子顯微鏡的測角臺來實現(xiàn)，而Y軸的旋轉需要在樣品桿上通過旋轉樣品載臺來實現(xiàn)。目前商品化的樣品桿，如:Gatan公司的613型、628型和643型以及FEI公司的SH30和SH70型單傾樣品桿，僅能沿X軸旋轉，一般用于材料衍射襯度的觀測。同時，部分商業(yè)化單傾桿可以實現(xiàn)加熱、制冷以及力學測試(拉伸或壓縮)等功能，例如Hysitron公司的PI 95單傾力桿。雖然PI 95可以進行TEM原位力學實驗并得到精確的力學參數(shù)，但單傾功能不能保證電子束沿樣品低指數(shù)晶面入射，因此不能隨時得到清晰的電子衍射花樣和高質量的高分辨圖像。雙傾樣品桿(X、Y方向同時傾轉一定角度)可以在兩個維度靈活地轉動樣品，可方便地觀測晶體結構物質的表面形貌和衍射花樣，表征樣品的晶體結構。通常，Y軸傾轉主要通過兩種方式實現(xiàn):(I)偏心曲軸驅動的Y軸旋轉:在偏心曲軸前端鑲嵌有陶瓷小球，小球卡在樣品傾轉臺卡槽中心，通過后端步進電機轉動帶動曲柄和小球轉動推動傾轉臺在Y軸方向實現(xiàn)± 30°傾轉。Gatan公司的646型和652型樣品桿均采用此方式。但該方式采用的機械結構和裝配復雜，前端鑲嵌寶石小球極易損壞;且該傾轉方式使得整體轉動裝置占用了幾乎整個樣品桿桿內空間，無法加裝額外的測量裝置;另外，由于加工結構較為復雜通常在大角度傾轉時容易出現(xiàn)機械卡死現(xiàn)象。(2)推桿和斜面驅動的Y軸傾轉:Rodrigo A.Bernal等人在《Double-tiltin situ TEM holder with multiple electrical contacts and its applicat1nin MEMS-based mechanical testing of nanomaterials》設計了一種雙軸傾轉透射樣品桿，利用步進電機連接推動桿前后運動推動前端傾轉臺斜面，使傾轉臺繞中心傾轉軸旋轉，實現(xiàn)Y軸傾轉。該方式增大了樣品桿前段可用空間，適合與多種MEMS芯片的搭配，但Y軸傾轉的角度受到了較大限制，在實際的TEM中，樣品的Y軸傾轉角度最大只能在±15°以內。并且推桿和斜面間存在較大摩擦力加大其機械損耗程度，影響其使用壽命。(3)推桿彈簧機構驅動的Y軸傾轉:如青島大學王乙潛等人發(fā)明的TEM原位雙傾樣品桿。Y軸傾轉通過步進馬達或外部轉動裝置帶動水平傳動桿沿水平方向移動，推動方向轉換桿的右端向下運動，進而驅動樣品杯逆時針轉動，在彈簧的反向推力下實現(xiàn)Y軸正負傾轉。此雙傾樣品桿可引入光纖和電極系統(tǒng)，但其雙傾推桿和彈簧亦占據(jù)了前端較大體積，不便于其他裝置的引入，彈簧的穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生傾轉誤差。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現(xiàn)有技術存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種透射電子顯微鏡雙軸傾轉樣品臺，其機械結構設計簡單、加工方便、前端傾轉臺使用面積大、便于配合各種尺寸MEMS芯片、便于裝配、傾轉角度可精確控制且成本低。TEM樣品桿采用金屬材料為主體，通過機械加工的方法制得。與透射電鏡配合使用，可以在亞埃、原子、納米尺度下研究材料的顯微結構，并得到選區(qū)電子衍射花樣和高質量高分辨圖像。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型是通過如下技術方案實現(xiàn):
[0006]—種透射電子顯微鏡用雙軸傾轉樣品桿，其特征在于包括樣品桿桿身主體、前端傾轉臺、驅動桿、連桿、傾轉軸、旋轉軸、驅動桿固定軸和樣品載臺；樣品桿桿身分為三個部分，后端放置直線電機，中段及前端分別為中空圓柱體；
[0007]傾轉臺整體為左右對稱結構，為U型結構和凸臺的組合，所述凸臺為左右對稱結構，包括水平部分和與水平部分成Θ角的傾斜部分，Θ角為30-45度;在傾斜部分末端設有旋轉軸軸孔;凸臺水平部分一端開有凸臺卡槽，且中間開有便于電子束透過的通孔;凸臺的水平部分嵌在U形結構之間，連桿一端為驅動桿固定軸，另一端為旋轉軸，通過旋轉軸和連桿讓凸臺卡槽和驅動桿卡槽相連接;樣品桿桿身前端開有對應的傾轉軸連接孔，前端傾轉臺開有與傾轉軸配合的連接孔，樣品桿桿身前端兩側位置設計對稱的兩個貫通的運動導槽，運動導槽內設有驅動桿固定軸來固定驅動桿，約束驅動桿在直線步進電機驅動下，進行前后往復式直線運動，進而使傾轉臺繞傾轉軸旋轉。
[0008]當驅動桿固定軸在導槽的中心位置時，傾轉臺在水平位置，電機帶動驅動桿向前運動時，樣品臺向一側傾轉，電機帶動驅動軸向后運動過中心位置繼續(xù)往后運動時，樣品臺向另一側傾轉。
[0009]進一步，所述的旋轉軸為剛性軸，前端傾轉臺下表面凸臺與水平方向成Θ夾角(Θ=45°，可以實現(xiàn)Y軸最大傾轉角)。
[0010]進一步樣品桿桿身前端開有對應的傾轉軸連接孔，前端傾轉臺開有與傾轉軸配合的連接孔，連桿、凸臺和驅動桿前端分別開有與旋轉軸配合的連接孔。樣品桿桿身主體前端開有運動導槽。驅動桿與直線步進電機之間通過插拔膠封連接，前端傾轉臺與樣品桿身主體通過傾轉軸連接，連桿、凸臺和驅動桿前端分別與旋轉軸連接，驅動桿前端與運動導槽通過驅動桿固定軸連接。傾轉軸、旋轉軸和驅動桿固定軸與各連接部件的固定連接均采用焊接的方式。
[0011]進一步，前端旋轉臺與運動導槽成Θ角，當驅動桿固定軸在導槽的中心位置時，傾轉臺在水平位置，電機帶動驅動桿向前運動時，樣品臺向一側傾轉，電機帶動驅動軸向后運動過中心位置繼續(xù)往后運動時，樣品臺向另一側傾轉。
[0012]進一步，用于TEM樣品搭載或原位MEMS裝置搭載的樣品載臺通過螺釘與前端傾轉臺相連接。
[0013]進一步，所述樣品桿桿身的中間開有與驅動軸相配合的通孔，電機固定在桿上，桿身的末端設有能夠保證真空的同軸電纜。
[0014]本實用新型的優(yōu)勢在于機械結構設計簡單，加工方便，成本低，前端雙傾臺使用面積大，可配合不同尺寸與功能的原位MEMS裝置。通過改變直線步進電機步進值，可以精確控制傾轉角度，并可以實現(xiàn)大角度傾轉。前端設計有驅動桿固定軸，保證驅動桿在直線方向的準確位移，增加了傾轉精度的可靠性，放置機械卡死現(xiàn)象的發(fā)生。本裝置可用于通用透射電子顯微鏡上，通用性廣。
【附圖說明】
[0015]圖1為透射電子顯微鏡雙傾樣品桿整體結構示意圖；
[0016]圖2為雙傾樣品桿桿身前端與前端傾轉臺放大結構示意圖；
[0017]圖3為前端傾轉臺傾轉一定正角度(上圖)或負角度(下圖)示意圖。
[0018]圖4前段及凸臺放大結構示意圖；
[0019]圖5樣品載臺結構放大示意圖。
[0020]圖畫中畫面說明如下:
[0021]I前端傾轉臺2樣品桿桿身前端3連桿4驅動桿5驅動桿固定軸6樣品載臺7旋轉軸8傾轉軸9樣品桿桿身10直線步進電機11凸臺12凸臺卡槽13運動導槽14旋轉軸孔15傾轉軸孔16電子束透過孔
【具體實施方式】
[0022]下面，參考附圖，對本實用新型進行進一步說明，附圖中示意出本實用新型的示例性實施例。
[0023]樣品桿桿身9的中心開有與驅動桿4尺寸相適配的通孔，直線步進電機10固定在樣品桿后端上，電機引線通過樣品桿桿身9末端設置的真空密封接口引出樣品桿，驅動桿4與直線步進電機10通過插拔膠封的方式連接，前端傾轉臺I通過剛性傾轉軸8與樣品桿桿身前端2連接在一起，前端傾轉臺下表面凸臺11通過旋轉軸7與連桿3連接在一起，連桿3通過剛性驅動桿固定軸5與驅動桿4連接在一起，驅動桿固定軸5固定在樣品桿桿身前端運動導槽13中并可沿運動導槽13前后直線運動，樣品載臺6通過螺釘固定在前端傾轉臺上。旋轉軸7插入旋轉軸孔14中，旋轉軸7—端使用焊接的方式固定。傾轉軸8插入傾轉軸孔15，傾轉軸8一端使用焊接的方式固定。
[0024]驅動桿4與直線步進電機10相連作為驅動部件，通過驅動桿固定軸5與運動導槽在豎直方向上的約束作用，做直線運動，同時推動與之相連接的連桿3，并帶動前端傾轉臺I發(fā)生以傾轉軸8為中心的旋轉。
[0025]由于傾轉軸8和驅動桿固定軸5始終處在同一水平面，且在樣品桿桿身9中心軸線的延長線上，當驅動桿固定軸5在運動導槽13中的某一位置時，前端傾轉臺下表面凸臺11與連桿成90°夾角時，前端傾轉臺I保持水平即Y軸傾轉角為0°。由于驅動桿4與后端直線步進電機1相連接，當直線步進電機1帶動驅動桿4向前運動時，與驅動桿4相連接的連桿3推動前端傾轉臺I下表面凸臺11繞傾轉軸8逆時針旋轉，使前端傾轉臺I向負角度方向傾轉(附圖3)。當直線步進電機10帶動驅動桿4向后運動時，與驅動桿4相連接的連桿3推動前端傾轉臺I下表面凸臺11繞傾轉軸8順時針旋轉，使前端傾轉臺I向正角度方向傾轉(附圖3)。傾轉的角度大小由運動導槽長度11和直線步進電機10運動的距離嚴格控制。
【主權項】
1.一種透射電子顯微鏡用雙軸傾轉樣品桿，其特征在于包括樣品桿桿身主體、前端傾轉臺、驅動桿、連桿、傾轉軸、旋轉軸、驅動桿固定軸和樣品載臺；樣品桿桿身分為三個部分，后端放置直線電機，中段及前端分別為中空圓柱體； 傾轉臺整體為左右對稱結構，為U型結構和凸臺的組合，所述凸臺為左右對稱結構，包括水平部分和與水平部分成Θ角的傾斜部分，Θ角為30-45度;在傾斜部分末端設有旋轉軸軸孔;凸臺水平部分一端開有凸臺卡槽，且中間開有便于電子束透過的通孔;凸臺的水平部分嵌在U形結構之間，連桿一端為驅動桿固定軸，另一端為旋轉軸，通過旋轉軸和連桿讓凸臺卡槽和驅動桿卡槽相連接;樣品桿桿身前端開有對應的傾轉軸連接孔，前端傾轉臺開有與傾轉軸配合的連接孔，樣品桿桿身前端兩側位置設計對稱的兩個貫通的運動導槽，運動導槽內設有驅動桿固定軸來固定驅動桿，約束驅動桿在直線步進電機驅動下，進行前后往復式直線運動，進而使傾轉臺繞傾轉軸旋轉。
【文檔編號】G01N23/04GK205581031SQ201620321337
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月17日
【發(fā)明人】韓曉東, 張劍飛, 毛圣成, 翟亞迪, 王曉冬, 李志鵬, 栗曉辰, 張韜楠, 馬東鋒, 張澤
【申請人】北京工業(yè)大學