專利名稱：精密二維寬范圍彈性掃描工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于納諾技術(shù)中精密測(cè)量、加工技術(shù)，為一種用于高精密顯微鏡，如掃描隧道顯微鏡、掃描超聲顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及各種高精密加工設(shè)備等要求有二維較寬范圍運(yùn)動(dòng)的精密掃描工作臺(tái)。
由于微細(xì)加工、微電子技術(shù)、光電技術(shù)和納諾技術(shù)的發(fā)展，要求STM(或AFM)不單具有原子級(jí)的分辨率，而且要求有寬范圍的掃描測(cè)量性能。近年來，國內(nèi)外均對(duì)寬范圍STM技術(shù)開展了大量的研究，例如，日本林正和等研究的寬范圍STM采用雙層壓電晶片的結(jié)構(gòu)，其掃描范圍達(dá)60μm×200μm，其不足是雙層壓電晶片不宜驅(qū)動(dòng)大的負(fù)荷，美國馬里蘭洲國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)中心研究的一臺(tái)寬范圍STM，其掃描工作臺(tái)為二維工作臺(tái)，由彈性鉸支組成，掃描范圍為500μm×500μm，其不足之處是X－Y彈性工作臺(tái)為單點(diǎn)支承，其掃描頻率較低(約47Hz)，國內(nèi)研制的寬范圍STM用兩個(gè)壓電晶體驅(qū)動(dòng)探頭來實(shí)現(xiàn)掃描，其工作臺(tái)只用于尋找視場。例如華中理工大學(xué)研制的二維彈性工作臺(tái)由4筋支承，其掃描范圍達(dá)20μm×20μm，頻率響應(yīng)可達(dá)1KHz。
本實(shí)用新型的目的是為了保證在有足夠高的剛度條件下實(shí)現(xiàn)寬范圍掃描，以提高掃描的頻率和測(cè)量的效率及精度，防止剛性太低而引起的顫振，而設(shè)計(jì)一種高剛度的二維寬范圍彈性工作臺(tái)。
本實(shí)用新型采用柔性鉸支彈性傳動(dòng)原理，利用四支承筋的彈性工作臺(tái)剛性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上加上二級(jí)傳動(dòng)放大杠桿，由壓電微位移器驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無噪聲、無摩擦、無發(fā)熱的高剛度的范圍掃描。
本實(shí)用新型的構(gòu)成要點(diǎn)在于，在經(jīng)過處理的彈性材料板材1上加工出槽和縫，其槽和縫形成n級(jí)(n＝1，2，3……)杠桿和工作臺(tái)2，每一個(gè)杠桿均有彈性支承點(diǎn)a，力作用點(diǎn)b和端點(diǎn)c，并且每一級(jí)杠桿的端點(diǎn)c均與下一級(jí)力作用點(diǎn)b相連，為下一級(jí)杠桿提供作用力；在第一級(jí)杠桿的力作用點(diǎn)b上安置有一個(gè)作用力源3；在第n級(jí)杠桿的端點(diǎn)c處有由四支承筋A(yù)、B、C、D所支承的彈性工作臺(tái)2，在四支承筋A(yù)、B、C、D所支承的彈性工作臺(tái)2的兩邊，還可增設(shè)能保證傳遞工作臺(tái)2運(yùn)動(dòng)精度，提高柔性和保證平衡的彈性鉸支d、d′、e、e′、f、f′、g、g′。在X軸坐標(biāo)的工作臺(tái)2中，旋轉(zhuǎn)90°設(shè)置有依上述相同原理所構(gòu)成的Y軸n級(jí)杠桿成工作臺(tái)2，X軸、Y軸坐標(biāo)的杠桿及工作臺(tái)共同構(gòu)成二維彈性掃描工作臺(tái)。
利用本實(shí)用新型所說的技術(shù)，只要在制造時(shí)，適當(dāng)設(shè)計(jì)彈性支承點(diǎn)與力作用點(diǎn)以及端點(diǎn)之間的距離和所需的級(jí)數(shù)，就可方便地達(dá)到所需調(diào)節(jié)的范圍要求。其工作原理是利用第一級(jí)杠桿力作點(diǎn)b上安置的壓電微位移器作為作用力源3，通過杠桿逐級(jí)傳遞，從而起到調(diào)整某一坐標(biāo)系中的工作臺(tái)2的位移。工作臺(tái)2上的四支承筋鉸支d、d′、e、e′、f、f′、g、g′的設(shè)計(jì)可以良好地保證工作臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)精度，增強(qiáng)平衡，防止顫動(dòng)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于，由于采用了四支承筋的工作臺(tái)，大幅度地提高了剛性，從而可提高測(cè)量時(shí)掃描的頻率和效率，提高工作穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了高剛度的寬范圍掃描測(cè)量。
附

圖1精密二維寬范圍彈性掃描工作臺(tái)原理圖；附圖2支承點(diǎn)均在端部的精密二維寬范圍彈性掃描工作臺(tái)；
附圖3可用作任何一維的，支承點(diǎn)均在中部的二級(jí)杠桿寬范圍彈性掃描工作臺(tái)原理示意圖；附圖4可用作任何一維的，支承點(diǎn)在端部和中部的二級(jí)杠桿寬范圍彈性掃描工作原理示意圖。
利用本實(shí)用新型所述的原理，可實(shí)現(xiàn)n級(jí)(n＝1，2，3……)放大或縮小的精密寬范圍彈性掃描工作臺(tái)。附圖1給出的是X軸三級(jí)杠桿放大，Y軸兩級(jí)杠桿放大的彈性掃描工作臺(tái)的原理圖。附圖2a)、b)是本實(shí)用新型的某具體實(shí)施例，在每一坐標(biāo)的工作臺(tái)2的上下兩邊均有8個(gè)柔性鉸支構(gòu)成的支承筋A(yù)、B、C、D，Y坐標(biāo)系為X坐標(biāo)系翻轉(zhuǎn)90°并適當(dāng)縮小尺寸后安置于X軸的工作臺(tái)2之中，在每一坐標(biāo)系中的第一級(jí)力作用點(diǎn)b處均有力作用源3。附圖3和附圖4給出了支承點(diǎn)a位于力作用點(diǎn)b外，或力作用點(diǎn)b與端點(diǎn)c之間的，可用于本實(shí)用新型所說的技術(shù)中任一維坐標(biāo)的杠桿及工作臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖。
無論采用哪種結(jié)構(gòu)形式，其每一杠桿的各個(gè)力點(diǎn)或支承點(diǎn)，以及工作臺(tái)的各支點(diǎn)所用的彈性鉸支，最好被加工成圓弧切口形式。
權(quán)利要求1.一種精密二維寬范圍彈性掃描工作臺(tái)，主要由n級(jí)(n=1，2，3……)杠桿和工作臺(tái)組成，其特征在于，在一塊板材上依照杠桿原理加工出槽和縫，其槽和縫形成n級(jí)(n=1，2，3……)杠桿和工作臺(tái)，每一杠桿均有彈性支承點(diǎn)，力作用點(diǎn)和端點(diǎn)，每一級(jí)杠桿的端點(diǎn)均與下一級(jí)杠桿的力作用點(diǎn)相連，在第一級(jí)杠桿的力作用點(diǎn)的位置安置有一個(gè)力作有源，在第n級(jí)杠桿的端點(diǎn)處設(shè)置有由支承筋支承的彈性工作臺(tái)，以上構(gòu)成一維運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)；另一維運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，依照上述相同原理和構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)90°設(shè)置在前一維坐標(biāo)系的工作臺(tái)之中。
2.按照權(quán)要求1所說的工作臺(tái)，其特征在于，在所說的四支承筋所形成的彈性工作臺(tái)兩邊還可設(shè)置4個(gè)保證工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度，和提高柔性、保障平衡的彈性支點(diǎn)。
3.按照權(quán)利要求1或2所說的工作臺(tái)，其特征在于，所說的彈性支承點(diǎn)可位于力作用點(diǎn)外，與端點(diǎn)相對(duì)的杠桿另一端，也可以位于力作用點(diǎn)與端點(diǎn)之間。
4.按照權(quán)利要求3所說的工作臺(tái)，其特征在于，所說的彈性支承點(diǎn)、支點(diǎn)，可被加工成圓弧切口形成。
5.按照權(quán)利要求4所說的工作臺(tái)，其特征在于，X軸、Y軸坐標(biāo)系均為二級(jí)放大彈性掃描工作臺(tái)。
6.按照權(quán)利要求5所說的工作臺(tái)，其特征在于，在所說的每一坐標(biāo)系的第一級(jí)力作用點(diǎn)的位置均安置有力作用源。
專利摘要一種精密寬范圍彈性掃描工作臺(tái)，在一塊板材上依杠桿原理加工出X-Y坐標(biāo)二維n級(jí)杠桿彈性支承機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)，其中一坐標(biāo)的n級(jí)杠桿彈性支承機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)安置在另一坐標(biāo)系的工作臺(tái)之中，利用安置在每一坐標(biāo)系中第一級(jí)力作用點(diǎn)處的力作用源逐級(jí)驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)系工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型所述的技術(shù)，由于采用了4支承筋的工作臺(tái)，使剛性大幅度提高，從而提高了測(cè)量時(shí)掃描的頻率和效率，提高了工作穩(wěn)定性可實(shí)現(xiàn)高剛度的寬范圍掃描測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B9/04GK2158073SQ93215869
公開日1994年3月2日 申請(qǐng)日期1993年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月12日
發(fā)明者張鴻海, 李尚平, 孫桂靜, 謝良富, 朱峰, 張華書, 師漢民, 陳日曜, 江福祥 申請(qǐng)人:華中理工大學(xué)