專利名稱：雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器與掃描探針顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電步進(jìn)器，特別涉及一種雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器以及用 其制成的掃描探針顯微鏡鏡體，屬于壓電定位器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
同時(shí)擁有納米級(jí)定位精度、毫米級(jí)大行程、從超低溫到高于室溫的大工作溫區(qū)、大驅(qū)動(dòng) 力、小尺寸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固和控制簡(jiǎn)單可靠的定位器是現(xiàn)今精密測(cè)量、納米器件加工、原子/ 分子操縱、乃至亞原子結(jié)構(gòu)成像所夢(mèng)寐以求的定位工具，特別是在超低溫和超強(qiáng)磁場(chǎng)等極端 物理?xiàng)l件下的納米科學(xué)研究領(lǐng)域就更離不開這樣的理想定位裝置。例如超低溫條件一般只 能在很小的空間內(nèi)獲得，該條件下的原子成像與操縱就必須使用微型的大工作溫區(qū)步進(jìn)器來 對(duì)探針或樣品定位。又如在商業(yè)有售的52毫米孔徑20特斯拉超強(qiáng)磁體中建造樣品能相對(duì)
于磁場(chǎng)方向做任意角度旋轉(zhuǎn)的掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,簡(jiǎn)稱STM) 就需要微型、結(jié)構(gòu)牢固且有大驅(qū)動(dòng)能力的步進(jìn)器，否則難以在小空間內(nèi)進(jìn)行全方位(特別是 在需要克服重力的垂直方向)探針-樣品粗逼近(coarse approach)。但真正的理想定位器尚 未面世，這也是為什么國(guó)際上至今尚無人能夠制造出可在52毫米孔徑20特斯拉超強(qiáng)磁體中 任意旋轉(zhuǎn)樣品的STM，雖然這種STM非常重要，能揭示出磁場(chǎng)方向、樣品晶格方向和電子自 旋方向之間的重要效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)上述理想定位器的最大難點(diǎn)在于尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、驅(qū) 動(dòng)力大和工作溫區(qū)大四者難以兼得。例如慣性壓電步進(jìn)器雖然體積小，工作溫區(qū)大，結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)不牢固，且驅(qū)動(dòng)力小，難以以任意角度驅(qū)動(dòng)較重樣品。
又如美國(guó)專利號(hào)3902084和3902085描述的尺蠖步進(jìn)器，原理是左、中、右三個(gè) 壓電體一字連接并有一軸桿從它們中間穿過。在各自信號(hào)的作用下，左壓電體先握緊軸桿而 右壓電體不握，接著中壓電體伸長(zhǎng)并推動(dòng)左壓電體連同其緊握的軸桿一起遠(yuǎn)離右壓電體，然 后右壓電體握緊軸桿而左壓電體不握，進(jìn)而中壓電體收縮將左、右壓電體拉近，軸桿相對(duì)于 中壓電體就向左移動(dòng)一步，如此往復(fù)可向左步進(jìn)。也可改變壓電體信號(hào)順序而反向推動(dòng)軸桿。 尺蠖步進(jìn)器的推進(jìn)要靠壓電體輪流握緊和不握軸桿，就不能在大溫區(qū)內(nèi)工作，因?yàn)檩S桿和壓 電體的熱脹冷縮不匹配且壓電體的伸縮范圍只有微米量級(jí)，致使壓電體在溫差大時(shí)會(huì)出現(xiàn)因 握力過小而打滑或過大而碎裂。此外，尺蠖步進(jìn)器每走一步需握緊、伸長(zhǎng)、不握、收縮四個(gè) 動(dòng)作，這至少需三塊壓電體和三個(gè)控制信號(hào)，故體積大且結(jié)構(gòu)和控制都復(fù)雜，價(jià)格也高，非 常不利于極端條件和微弱信號(hào)場(chǎng)合的應(yīng)用。國(guó)際專利號(hào)WO 93/19494描述的剪切壓電步進(jìn)器可解決尺蠖步進(jìn)器工作溫區(qū)窄的缺陷， 其原理為若干剪切壓電體被彈力壓靠在待移物體表面將其夾住。若某一剪切壓電體被通以 信號(hào)產(chǎn)生切向形變，它在待移物體上的接觸面就沿切向滑移，但不會(huì)移動(dòng)待移物體，因?yàn)閱?個(gè)壓電體產(chǎn)生的摩擦力不足以克服其余多個(gè)壓電體的總摩擦力。故可依次一個(gè)個(gè)地使所有剪 切壓電體朝同一方向滑離原接觸點(diǎn)，而待移物體仍保持原位。當(dāng)所有剪切壓電體上的信號(hào)同 時(shí)撤銷(形變復(fù)原)，就會(huì)對(duì)待移物體產(chǎn)生相同方向(形變復(fù)原方向)的摩擦力，使其沿該方 向移動(dòng)一步。如此往復(fù)可讓待移物體步進(jìn)。因剪切壓電體都通過長(zhǎng)作用范圍的彈力夾住待移 物體而非以應(yīng)力直接去夾，故在大溫差時(shí)也不會(huì)在壓電體和被夾物體間產(chǎn)生過大或過小的夾 力，壓電體不會(huì)碎裂。但剪切壓電步進(jìn)器也有重大缺陷需至少三個(gè)剪切壓電體才能推動(dòng)物 體，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴；且各壓電體是分開的，不利于一體化和小空間應(yīng)用；剪切壓電材 料的切向驅(qū)動(dòng)力一般較小，也難產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力。
本發(fā)明將提出一種較理想的定位器，能解決上述缺陷，并能實(shí)現(xiàn)在小空間中可任意旋轉(zhuǎn) 樣品的STM或其它掃種類的描探針顯微鏡。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有納米精度步進(jìn)器不能同時(shí)具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、驅(qū)動(dòng)力大和工作溫 區(qū)大的問題，提供一種雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器以及用其制成的能在小空間中工 作的掃描探針顯微鏡鏡體。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是
本發(fā)明雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力歩進(jìn)器，包括兩個(gè)壓電體、基座、滑桿，其特征是 所述兩壓電體按伸縮方向平行設(shè)置并排地固定站立于基座上，設(shè)置與兩壓電體在其伸縮方向 上為滑動(dòng)配合的滑桿，在垂直于兩壓電體伸縮方向上設(shè)置將滑桿與兩壓電體自由端相壓的正 壓力以及將滑桿與基座相壓的正壓力，在這三個(gè)正壓力對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力中，任一 個(gè)最大靜摩擦力小于其它兩個(gè)最大靜摩擦力之和。
本發(fā)明雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力歩進(jìn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于
所述滑桿通過滑桿彈性和/或基座彈性和/或增設(shè)彈性體與基座彈性相壓，所述滑桿通過 滑桿彈性和/或兩壓電體彈性和/或增設(shè)彈性體與兩壓電體的自由端彈性相壓。
所述兩壓電體為整體設(shè)置，或者所述兩壓電體與基座三者為整體設(shè)置。
所述兩壓電體皆呈沿管形體中軸線剖開的半管形狀，它們圍合起來固定站立于環(huán)形基座 上，構(gòu)成管形雙壓電體結(jié)構(gòu)。
滑桿置于所述管形雙壓電體結(jié)構(gòu)之內(nèi)，滑桿為管形或柱形，其兩端分別沿滑桿中軸線方 向向另一端切入但不完全切分離，滑桿兩端外壁以彈力分別與環(huán)形基座的內(nèi)側(cè)以及兩壓電體
4自由端的內(nèi)側(cè)相壓。
滑桿為管形并將所述管形雙壓電體結(jié)構(gòu)套于其內(nèi)，滑桿兩端分別沿滑桿中軸線方向向另 一端切入但不完全切分離，滑桿兩端內(nèi)壁以彈力分別與環(huán)形基座的外側(cè)以及兩壓電體自由端 的外側(cè)相壓。
在每個(gè)壓電體自由端與滑桿間增設(shè)固定于該壓電體自由端的傳力塊并以傳力塊對(duì)滑桿產(chǎn) 生所述正壓力。
在滑桿與基座之間和/或滑桿與兩傳力塊之間設(shè)置靜電力和/或磁力。
本發(fā)明由所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器制成掃描探針顯微鏡鏡體所采用的技 術(shù)方案是包括壓電掃描管和所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，所述壓電掃描管套 于所述步進(jìn)器之外，該壓電掃描管的一端固定于所述步進(jìn)器基座上。
本發(fā)明由所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器制成的掃描探針顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)也在于所述基座或壓電掃描管的外壁固定于單向轉(zhuǎn)輪上或萬向轉(zhuǎn)輪上。
本發(fā)明雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器的工作原理為
兩壓電體按伸縮方向平行設(shè)置并排地固定站立于基座上，在垂直于兩壓電體伸縮方向上 設(shè)置將滑桿與兩壓電體自由端相壓的正壓力以及將滑桿與基座相壓的正壓力，在這三個(gè)正壓 力對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力中，任一個(gè)最大靜摩擦力小于其它兩個(gè)最大靜摩擦力之和，參 見附圖1。工作時(shí)，可先將初態(tài)設(shè)置為兩壓電體皆為收縮狀態(tài)，接著，兩壓電體同時(shí)伸長(zhǎng)， 這將帶動(dòng)滑桿沿該伸長(zhǎng)方向移動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)兩壓電體自由端對(duì)滑桿產(chǎn)生的靜摩擦力都是拉著 滑桿往兩壓電體伸長(zhǎng)方向移動(dòng)，而基座對(duì)滑桿產(chǎn)生的靜摩擦力是阻止滑桿移動(dòng)的阻力。由于 基座對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力小于兩壓電體自由端對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力之和，所以 滑桿相對(duì)于基座步進(jìn)了一步，但相對(duì)于兩壓電體自由端都無滑動(dòng)(滑桿與基座沿壓電體伸長(zhǎng) 方向的形變須小于壓電體伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，下同此理)。接著，兩壓電體中的一個(gè)收縮(形變還原)， 另一個(gè)保持伸長(zhǎng)狀態(tài)不變，此時(shí)收縮壓電體的自由端會(huì)在滑桿上滑動(dòng)，而另一壓電體的自由 端以及基座在滑桿上都沒有滑動(dòng)，因?yàn)槭湛s壓電體自由端對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力小于另 一壓電體自由端和基座對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力之和。收縮壓電體就恢復(fù)了最初的收縮狀 態(tài)且沒有使滑桿相對(duì)于基座滑動(dòng)。再接著，還保持伸長(zhǎng)狀態(tài)的那個(gè)壓電體收縮，同理可知， 它也能恢復(fù)最初的收縮狀態(tài)且不使滑桿相對(duì)于基座滑動(dòng)。至此，滑桿己相對(duì)于基座步進(jìn)了一 步且兩壓電體都恢復(fù)到最初的收縮狀態(tài)。重復(fù)上述步驟可使滑桿相對(duì)于基座一步步地沿兩壓 電體伸長(zhǎng)方向步進(jìn)。
同理，如果讓初態(tài)皆為收縮狀態(tài)的上述兩壓電體按照 一個(gè)伸長(zhǎng)-另一個(gè)伸長(zhǎng)-同時(shí)收縮 的順序來重復(fù)進(jìn)行，可使滑桿相對(duì)于基座一步步地沿兩壓電體收縮方向步進(jìn)。上述將滑桿與兩壓電體自由端相壓的正壓力以及將滑桿與基座相壓的正壓力可通過彈性 體、磁性體和/或帶電體實(shí)現(xiàn)。這些彈性體、磁性體和/或帶電體可以和上述相壓雙方中的一 方固定，或者與雙方都不固定，或者干脆就是滑桿或基座或壓電體的一部分。
上述兩壓電體可以為一個(gè)完整壓電體的不同部分，兩壓電體也可以和基座三者為一個(gè)完 整壓電體的不同部分，只要兩壓電體的伸縮獨(dú)立可控即可。
上述兩壓電體可以為兩個(gè)半管形，它們圍合起來固定站立在環(huán)形基座上構(gòu)成管形雙壓電 體結(jié)構(gòu)，而滑桿也為管形，或者置于管形雙壓電體結(jié)構(gòu)之內(nèi)，或者套于其外?；瑮U也可為柱 形置于管形雙壓電體結(jié)構(gòu)之內(nèi)。
上述兩壓電體中每個(gè)壓電體自由端與滑桿間可增設(shè)固定于該壓電體自由端的傳力塊并以 傳力塊對(duì)滑桿產(chǎn)生所述正壓力。傳力塊的作用是(1)傳遞正壓力到滑桿上以避免壓電體直 接與滑桿摩擦而引起壓電體損壞(2)使得傳遞到滑桿上的正壓力不隨滑桿的行走而變(3) 定義所述正壓力的作用面積(4)改變對(duì)滑桿的摩擦系數(shù)。
在上述討論中，初態(tài)都是定為兩壓電體皆為收縮狀態(tài)，但同樣的原理可知，初態(tài)也可以 選為兩壓電體皆為伸長(zhǎng)狀態(tài)，或者一個(gè)伸長(zhǎng)一個(gè)收縮，因?yàn)樘幱谏扉L(zhǎng)狀態(tài)的壓電體可以通過 單個(gè)壓電體的收縮轉(zhuǎn)變到兩壓電體皆為收縮的狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)上，我們己在難度最大的豎直方向上(需要克服重力)成功實(shí)現(xiàn)所述雙壓電體并排 推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器的往復(fù)升降，重復(fù)性與穩(wěn)定性都很高。
上述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器可制成掃描探針顯微鏡鏡體增設(shè)壓電掃描管 并將其套于所述步進(jìn)器之外，該壓電掃描管的一端固定于所述步進(jìn)器的基座上。這樣，如果 在壓電掃描管的自由端與所述步進(jìn)器的滑桿上分別固定探針與樣品(或樣品與探針)且所述 探針指向樣品表面，所述步進(jìn)器就可實(shí)現(xiàn)探針與樣品間的粗逼近，而所述壓電掃描管可實(shí)現(xiàn) 探針與樣品間的掃描成像。將所述基座或壓電掃描管的外壁固定于單向轉(zhuǎn)輪上或萬向轉(zhuǎn)輪上 可實(shí)現(xiàn)相對(duì)于外磁場(chǎng)能任意角度旋轉(zhuǎn)樣品的掃描探針顯微鏡。
根據(jù)上述原理可以看出，與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在 (1)同時(shí)具有如下重要性能-
(a) 尺寸小因?yàn)閮蓧弘婓w為并排設(shè)置，比串聯(lián)設(shè)置尺寸減少了一倍，步進(jìn)器的長(zhǎng)度可
小于30毫米，從而能夠被置于商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的52毫米孔徑20特斯拉超強(qiáng)磁體中，制成 國(guó)際首個(gè)20特斯拉任意角度旋轉(zhuǎn)樣品型STM或其它種類的掃描探針顯微鏡。
(b) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固總共才兩個(gè)壓電體，每個(gè)壓電體的兩端均與滑桿兩端相互鉗住，這 是一個(gè)非常簡(jiǎn)單而牢固的結(jié)構(gòu)，不易受外界震動(dòng)的干擾。
(c) 工作溫區(qū)大由于作用在滑桿上的來自兩壓電體和基座的正壓力為彈性力或電磁力等長(zhǎng)程力，所以它們之間熱脹冷縮的不匹配不會(huì)對(duì)各正壓力產(chǎn)生明顯的變化，對(duì)加 工精度的要求也不高。這使得本發(fā)明可在超低溫至高于室溫的超大溫區(qū)內(nèi)都能工作， 特別適用于變溫方面與極低溫條件下的應(yīng)用。
(d) 驅(qū)動(dòng)力大驅(qū)動(dòng)力來自壓電體的伸縮應(yīng)力和摩擦力的合作用。因壓電體的伸縮應(yīng)力
可做得較大，如選用堆棧壓電體(piezo stack),其驅(qū)動(dòng)力更可高達(dá)噸量級(jí)，所以，驅(qū) 動(dòng)力可遠(yuǎn)大于利用角度形變(剪切壓電體)推動(dòng)的剪切壓電步進(jìn)器或慣性力推動(dòng)的 慣性壓電步進(jìn)器。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明在難度最大的豎直方向(需要克服重力)上下 均行走自如，步進(jìn)的重復(fù)性與穩(wěn)定性都很高。
(e) 納米級(jí)定位精度具有納米級(jí)定位精度，因?yàn)槭菈弘姸ㄎ弧?br> (f) 毫米級(jí)大行程具有毫米級(jí)大行程，因?yàn)榭芍貜?fù)步進(jìn)。行程僅受限于設(shè)計(jì)尺寸。
(g) 控制簡(jiǎn)單可靠因只需驅(qū)動(dòng)兩個(gè)壓電體，控制也就十分簡(jiǎn)單，這既能提高其工作的 穩(wěn)定性，又不對(duì)其周圍的其它電路與部件產(chǎn)生較大干擾。
(2) 可實(shí)現(xiàn)在小空間中能任意旋轉(zhuǎn)樣品的掃描探針顯微鏡因?yàn)槌叽缧?，且牢?可倒立)、 驅(qū)動(dòng)力大(可垂直升降)、溫區(qū)大(可工作于超低溫)。
(3) 成本大大降低因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與控制都十分簡(jiǎn)單，可直接通過切割商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的壓電管制成。
(4) 接近理想步進(jìn)器由于上述優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明就非常接近理想步進(jìn)器了。


圖1是本發(fā)明基本型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明含傳力塊的雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明管形雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明含傳力塊的管形雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明一體型雙壓電體的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是管形雙壓電體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力歩進(jìn)器制成的掃描探針顯微鏡鏡體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)l滑桿、2基座、2a基座對(duì)滑桿產(chǎn)生的正壓力、3兩壓電體之一、3a兩壓電體 之一的自由端對(duì)滑桿產(chǎn)生的正壓力、3b兩壓電體之一的伸縮方向、4兩壓電體之二、 4a兩壓 電體之二的自由端對(duì)滑桿產(chǎn)生的正壓力、4b兩壓電體之二的伸縮方向、5傳力塊、6管形雙 壓電體結(jié)構(gòu)、7壓電體電極間隙、8壓電體切縫、9壓電掃描管、IO支架。
以下通過具體實(shí)施方式
和結(jié)構(gòu)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩的描述。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:基本型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
參見附圖l，基本型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，包括兩個(gè)壓電體3和4，基座
2和滑桿1，所述兩壓電體以它們伸縮方向3b和4b平行的設(shè)置并排地固定站立于基座2上， 設(shè)置與兩壓電體在它們伸縮方向3b和4b上為滑動(dòng)配合的滑桿1，在垂直于兩壓電體伸縮方 向3b和4b上設(shè)置將滑桿1與兩壓電體自由端相壓的正壓力3a和4a以及將滑桿1與基座2 相壓的正壓力2a，在這三個(gè)正壓力2a、 3a和4a對(duì)滑桿1產(chǎn)生的最大靜摩擦力中，任一個(gè)最 大靜摩擦力小于其它兩個(gè)最大靜摩擦力之和。
工作時(shí)，將初態(tài)設(shè)置為兩壓電體3和4皆為收縮狀態(tài)，接著，兩壓電體同時(shí)伸長(zhǎng)，此時(shí) 兩壓電體自由端對(duì)滑桿1產(chǎn)生的靜摩擦力都是拉著滑桿1往兩壓電體伸長(zhǎng)方向移動(dòng)。基座2 對(duì)滑桿l的靜摩擦力是阻力，但不足以阻止滑桿1的移動(dòng)，因?yàn)榛?對(duì)滑桿1的最大靜摩 擦力小于兩壓電體自由端對(duì)滑桿1的最大靜摩擦力之和，所以滑桿1相對(duì)于基座2步進(jìn)一步， 但相對(duì)于兩壓電體自由端無滑動(dòng)。接著，兩壓電體中的一個(gè)收縮，另一個(gè)保持伸長(zhǎng)狀態(tài)。此 時(shí)收縮壓電體的自由端會(huì)在滑桿1上滑動(dòng)，而另一壓電體的自由端以及基座2在滑桿1上都 無滑動(dòng)，因?yàn)槭湛s壓電體自由端對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力小于另一壓電體自由端和基座2 對(duì)滑桿1產(chǎn)生的最大靜摩擦力之和，收縮壓電體就恢復(fù)了最初的收縮狀態(tài)且沒有使滑桿相對(duì) 于基座滑動(dòng)。再接著，還保持伸長(zhǎng)狀態(tài)的那個(gè)壓電體收縮，同理，它也能恢復(fù)最初的收縮狀 態(tài)且不使滑桿1相對(duì)于基座2滑動(dòng)。至此，滑桿1已相對(duì)于基座2步進(jìn)了一步且兩壓電體都 恢復(fù)到最初態(tài)。重復(fù)上述步驟可使滑桿1相對(duì)于基座2 —步步地沿兩壓電體伸長(zhǎng)方向步進(jìn)。
同理，如果讓初態(tài)皆為收縮狀態(tài)的上述兩壓電體按照 一個(gè)伸長(zhǎng)-另一個(gè)伸長(zhǎng)-同時(shí)收縮 的順序來重復(fù)進(jìn)行，可使滑桿1相對(duì)于基座2 —步步地沿兩壓電體收縮方向步進(jìn)。
在上述討論中，初態(tài)都是定為兩壓電體皆為收縮狀態(tài)，但同樣的原理可知，初態(tài)也可以 選為兩壓電體皆為伸長(zhǎng)狀態(tài)，或者一個(gè)伸長(zhǎng)一個(gè)收縮。因?yàn)樘幱谏扉L(zhǎng)狀態(tài)的壓電體可以通過 單個(gè)壓電體的收縮轉(zhuǎn)變到兩壓電體皆為收縮的狀態(tài)。
上述工作原理也揭示出本發(fā)明具有如下積極效果(1)尺寸小因?yàn)閮蓧弘婓w為并排設(shè) 置，比串聯(lián)設(shè)置尺寸減少了一倍；(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固總共才兩個(gè)壓電體，每個(gè)壓電體的兩 端均與滑桿兩端相互鉗住，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單而牢固的結(jié)構(gòu)，不易受外界震動(dòng)的干擾；(3) 工作溫區(qū)大由于作用在滑桿上的來自兩壓電體和基座的正壓力為彈性力或電磁力等長(zhǎng)程力， 所以它們之間熱脹冷縮的不匹配不會(huì)對(duì)各正壓力產(chǎn)生明顯的變化，對(duì)加工精度的要求也不高。 (4)驅(qū)動(dòng)力大驅(qū)動(dòng)力來自壓電體的伸縮應(yīng)力和摩擦力的合作用。因壓電體的伸縮應(yīng)力可做 得較大，堆棧壓電體的驅(qū)動(dòng)力更可高到噸量級(jí)。這就實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。實(shí)施例2:彈力型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
在實(shí)施例1中，將滑桿1與兩壓電體自由端相壓的正壓力以及將滑桿1與基座2相壓的 正壓力可通過彈性體實(shí)現(xiàn)。所述彈性體可以和上述相壓雙方中的一方固定，或者與雙方都不 固定(例如，在圖3的管形滑桿1內(nèi)放置將滑桿1兩端切開部分向外推的彈簧，以此對(duì)套于 滑桿1外的壓電體3和4以及基座2相壓，或者在滑桿與壓電體之間插入彈簧片)，或者干脆 就是滑桿1或基座2或兩壓電體本身的彈性(如圖1和圖3)。也就是說，滑桿1通過滑桿1 彈性和/或基座2彈性和/或增設(shè)彈性體與基座2彈性相壓，所述滑桿1通過滑桿1彈性和/ 或兩壓電體3和4彈性和/或增設(shè)彈性體與兩壓電體3和4的自由端彈性相壓。
實(shí)施例3: —體型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力歩進(jìn)器
上述實(shí)施例中的兩壓電體3和4可以為一個(gè)完整壓電體的不同部分，所述兩壓電體3和 4也可以和基座2三者為一個(gè)完整壓電體的不同部分，均可通過劃分電極和切割壓電體實(shí)現(xiàn)， 只要兩壓電體的伸縮獨(dú)立可控即可。例如，見附圖5， 一個(gè)完整管狀壓電體的外電極被電極 間隙7劃分成兩個(gè)半管形電極，沿壓電體電極間隙7切入壓電管但不完全切開，形成壓電體 切縫8，切開部分的兩片半管形壓電體構(gòu)成所述兩壓電體3和4，而未切部分可作為基座2。
實(shí)施例4:管形雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
上述實(shí)施例2中的兩壓電休3和4可以皆呈沿管形體中軸線剖開的半管形狀，它們圍合 起來并固定站立于環(huán)形基座2上，構(gòu)成管形雙壓電體結(jié)構(gòu)6，見圖6。
實(shí)施例5:管形或柱形滑桿的雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
在上述實(shí)施例4中，滑桿1置于所述管形雙壓電體結(jié)構(gòu)6內(nèi)，滑桿1為管形(空心)或 柱形(實(shí)心)，其兩端分別沿滑桿1中軸線方向向另一端切入但不完全切分離，滑桿1兩端外 壁以彈力分別與環(huán)形基座2的內(nèi)側(cè)以及兩壓電體自由端的內(nèi)側(cè)相壓，見圖3。
實(shí)施例6:滑桿套管型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
在上述實(shí)施例4中，所述管形雙壓電體結(jié)構(gòu)6置于管狀滑桿1之內(nèi)，滑桿1兩端分別沿 滑桿1中軸線方向向另一端切入但不完全切分離，滑桿1兩端內(nèi)壁以彈力分別與環(huán)形基座2 的外側(cè)以及兩壓電體自由端的外側(cè)相壓。
實(shí)施例7:傳力塊型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
在上述實(shí)施例1至6的兩壓電體3和4中，每個(gè)壓電體自由端與滑桿1間可增設(shè)固定于 該壓電體自由端的傳力塊5并以傳力塊5對(duì)滑桿1產(chǎn)生所需的正壓力，如圖2與圖4。傳力 塊5的作用是(1)傳遞正壓力到滑桿1上以避免壓電體直接與滑桿1摩擦而引起壓電體損 壞(2)使得傳遞到滑桿1上的正壓力不隨滑桿1的行走而變(3)定義所述正壓力的作用面積(4)改變對(duì)滑桿1的摩擦系數(shù)。
實(shí)施例8:電磁力型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
在上述實(shí)施例7中，將滑桿1與兩傳力塊5以及滑桿1與基座2相壓的正壓力可通過磁 性體或帶電體實(shí)現(xiàn)。這些磁性體或帶電體可以和上述相壓雙方中的一方固定，或者與雙方都 不固定，或者千脆就是滑桿1或基座2或傳力塊5的一部分。
實(shí)施例9:等摩擦力型雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器
在上述實(shí)施例1至8中，作用于滑桿1的三個(gè)正壓力對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力等值， 滿足任何一個(gè)最大靜摩擦力小于另兩個(gè)之和。
實(shí)施例10:雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器制成的掃描探針顯微鏡鏡體
上述實(shí)施例1至9中的雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器可制成掃描探針顯微鏡鏡體 增設(shè)壓電掃描管9并將其套于所述步進(jìn)器之外，該壓電掃描管9的一端固定于所述步進(jìn)器的 基座2上，見圖7。這樣，如果在壓電掃描管9的自由端上固定樣品，并在所述步進(jìn)器的滑 桿1上固定(通過支架10)探針(樣品和探針可對(duì)調(diào))，所述探針指向樣品表面，所述步進(jìn) 器就可實(shí)現(xiàn)探針與樣品間的粗逼近，而所述壓電掃描管9可實(shí)現(xiàn)探針與樣品間的掃描成像， 并且，該掃描探針顯微鏡的工作空間可以很小。
實(shí)施例ll:可旋轉(zhuǎn)的掃描探針顯微鏡鏡體
由于我們的實(shí)驗(yàn)已證實(shí)本發(fā)明雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器在難度最大的豎直方 向(需要克服重力)的上升與下降均行走自如，所以在上述實(shí)施例10中可將所述基座2或壓 電掃描管9的外壁固定于單向轉(zhuǎn)輪或萬向轉(zhuǎn)輪上，實(shí)現(xiàn)相對(duì)于外磁場(chǎng)能任意角度(包括豎直 方向)旋轉(zhuǎn)樣品或鏡體的掃描探針顯微鏡。
權(quán)利要求
1、一種雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，包括兩個(gè)壓電體、基座、滑桿，其特征是所述兩壓電體按伸縮方向平行設(shè)置并排地固定站立于基座上，設(shè)置與兩壓電體在其伸縮方向上為滑動(dòng)配合的滑桿，在垂直于兩壓電體伸縮方向上設(shè)置將滑桿與兩壓電體自由端相壓的正壓力以及將滑桿與基座相壓的正壓力，在這三個(gè)正壓力對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力中，任一個(gè)最大靜摩擦力小于其它兩個(gè)最大靜摩擦力之和。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，其特征是所述滑桿通過滑 桿彈性和/或基座彈性和/或增設(shè)彈性體與基座彈性相壓，所述滑桿通過滑桿彈性和/或兩壓電 體彈性和/或增設(shè)彈性體與兩壓電體的自由端彈性相壓。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，其特征是所述兩壓電體為 整體設(shè)置，或者所述兩壓電體與基座三者為整體設(shè)置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，其特征是所述兩壓電體皆 呈沿管形體中軸線剖開的半管形狀，它們圍合起來固定站立于環(huán)形基座上，構(gòu)成管形雙壓電 體結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，其特征是滑桿置于所述管 形雙壓電體結(jié)構(gòu)之內(nèi)，滑桿為管形或柱形，其兩端分別沿滑桿中軸線方向向另一端切入但不 完全切分離，滑桿兩端外壁以彈力分別與環(huán)形基座的內(nèi)側(cè)以及兩壓電體自由端的內(nèi)側(cè)相壓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，其特征是滑桿為管形并將 所述管形雙壓電體結(jié)構(gòu)套于其內(nèi)，滑桿兩端分別沿滑桿中軸線方向向另一端切入但不完全切 分離，滑桿兩端內(nèi)壁以彈力分別與環(huán)形基座的外側(cè)以及兩壓電體自由端的外側(cè)相壓。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，其 特征是在每個(gè)壓電體自由端與滑桿間增設(shè)固定于該壓電體自由端的傳力塊并以傳力塊對(duì)滑桿 產(chǎn)生所述正壓力。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，其特征是在滑桿與基座之 間和/或滑桿與兩傳力塊之間設(shè)置靜電力和/或磁力。
9、 一種權(quán)利要求1所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器制成的掃描探針顯微鏡鏡體， 其特征是包括壓電掃描管和所述雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器，壓電掃描管套于所述 步進(jìn)器之外，該壓電掃描管的一端固定于所述步進(jìn)器的基座上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是增設(shè)單向轉(zhuǎn)輪或萬向轉(zhuǎn)輪，所述 基座或壓電掃描管的外壁固定于所述單向轉(zhuǎn)輪或萬向轉(zhuǎn)輪上。
全文摘要
本發(fā)明雙壓電體并排推動(dòng)的三摩擦力步進(jìn)器與掃描探針顯微鏡涉及壓電定位器，包括兩個(gè)壓電體、基座、滑桿，兩壓電體以伸縮方向平行的設(shè)置并排地固定站立于基座上，設(shè)置與兩壓電體在其伸縮方向上為滑動(dòng)配合的滑桿，在垂直于兩壓電體伸縮方向上設(shè)置將滑桿與兩壓電體自由端以及滑桿與基座相壓的正壓力，在這三個(gè)正壓力對(duì)滑桿產(chǎn)生的最大靜摩擦力中，任一個(gè)最大靜摩擦力小于其它兩個(gè)之和，滑桿通過彈性力或電磁力與基座以及兩壓電體自由端相壓，兩壓電體可為整體設(shè)置，在所述步進(jìn)器之外套一個(gè)固定于基座上的壓電掃描管就構(gòu)成小空間可工作掃描探針顯微鏡鏡體。本發(fā)明尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、工作溫區(qū)大、驅(qū)動(dòng)力大，適于各種極端物理?xiàng)l件，接近理想步進(jìn)器。
文檔編號(hào)H01L41/09GK101521195SQ20091011649
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者琦 王, 陸輕鈾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)