专利名称：一种扫描探针显微镜探针驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种驱动装置，尤其涉及一种安装在电子显微镜中的扫描探针显微镜探针驱动装置。
背景技术：
人们采用新近发明的扫描探针显微镜技术来测量材料微区的表面结构和表面物理、化学和力学等性质，扫描探针显微镜通常包括机械和电子学两部分，机械部分控制扫描探针显微镜探针的移动，电子学部分负责各种信号的加载和对探测到的数据信号进行处理。近几年，随着纳米技术的不断发展，人们投入大量的人力、物力对纳米结构和物性表征的新方法新技术进行研究，但由于纳米材料结构的微观化，如何操纵纳米材料并进行原位结构和物性的表征，成为摆在研究人员面前的一个难题。现有的可直接观察微观结构的设备是电子显微镜，将其与扫描探针显微镜联合使解决上述难题成为可能，而电子显微镜的样品传输和操作空间非常有限，在现有技术中，无法在如此之小的操作空间内在三维方向上大范围地精确驱动扫描探针显微镜的探针。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可在小空间内实现扫描探针显微镜的探针(或样品)位置在三维方向上大范围高精度地调节的驱动装置。
为实现上述目的，本发明扫描探针显微镜探针驱动装置包括固定槽、夹紧套层、滑块、剪切晶体和压电陶瓷管，滑块通过固定在其外表面相对两侧的两对剪切晶体设置在夹紧套层内，与矩形套层夹紧并可沿其内壁滑动，夹紧套层通过固定在其外壁相对两侧的两对剪切晶体设置在固定槽内，与固定槽夹紧并可沿与所述滑块上剪切晶体驱动方向垂直的方向横向滑动，压电陶瓷管与滑块轴向固定，与滑块连接的压电陶瓷管负责纵向移动，另一压电陶瓷管负责三维方向位置的细调。
进一步地，所述固定槽的外表面呈圆弧形，其内表面呈与夹紧套层相配的阶梯状。
进一步地，所述夹紧套层为一矩形套筒。
进一步地，所述滑块呈长方体状。
进一步地，所述剪切晶体的位置靠近滑块、夹紧套层的两端，其厚度与安装间隙相配。
进一步地，所述压电陶瓷管为两个，两压电陶瓷管对接后安装在滑块的一端。
进一步地，所述压电陶瓷管为两个，也可分别安装在滑块的两端。
进一步地，所述负责三维方向位置细调的压电陶瓷管的顶端设置有探针安装座。
进一步地，所述压电陶瓷管、探针安装座、滑块之间采用绝缘材料连接，连接处用真空绝缘树脂胶进行固化。
进一步地，所述剪切晶体与矩形套层、固定槽之间设有绝缘层，该绝缘层可为薄的宝石片。
本发明通过四对剪切晶体和与滑块固定的第一压电陶瓷管分别来控制探针在横向和纵向上的移动，再通过与探针粘接的第二压电陶瓷管完成三维方向上位置的细调，由于剪切晶体和压电陶瓷管的高精度驱动功能，使得本发明在三维方向的粗调范围在1mm以上，细调精度在0.1nm。
图1为在滑块上固定剪切晶体的结构示意图；图2为滑块与夹紧套层相固定的结构示意图；图3为夹紧套层安装在固定槽内的结构示意图；图4为夹紧套层安装在固定槽内的立体示意图；图5为压电陶瓷管的连接示意图；图6为本发明的整体结构示意图；图7为压电陶瓷管分别设置在滑块两端的结构示意图；图8为剪切晶体上的电极设置示意图；图9为安装有金属管的压电陶瓷管的电极设置示意图；图10为安装在滑块上的压电陶瓷管的电极设置示意图。
具体实施例方式如图1所示，滑块1呈长方体状，其外表面相对两侧固定有两对剪切晶体2。
如图2所示，选用材质硬、质量轻的材料来制作滑块1，滑块1通过剪切晶体2固定在夹紧套层3内，与夹紧套层3夹紧并可沿其内壁滑动，夹紧套层3为一矩形套筒，在夹紧套层3的内壁与剪切晶体2之间设置有薄的宝石片，既起到很好的绝缘作用，又光滑耐磨，剪切晶体的面积大于与之粘结的宝石片的面积，以便留出空间来粘贴导线，当然，滑块也可制成具有其他截面形状的长条形，如截面为平行四边形，只要粘结剪切晶体的两个对边互相平行、能实现探针的横向移动即可，但是在有限的安装空间内，移动的距离和效率都将减小；夹紧套层3外壁相对两侧固定有两对剪切晶体4，固定剪切晶体4的外壁与滑块1上固定剪切晶体的外表面相垂直。
如图3、图4所示，固定槽5的外表面呈圆弧形，其内表面呈与夹紧套层3相配的阶梯状，装有滑块1的夹紧套层3通过其外壁相对两侧的两对剪切晶体4设置在固定槽5内，固定槽5的内壁上开有与剪切晶体4相配的安装槽6，夹紧套层3与固定槽5夹紧并可沿与滑块1上剪切晶体驱动方向垂直的方向横向滑动。
如图5所示，压电陶瓷管6和压电陶瓷管7之间用绝缘材料做成的连接头连接，连接头中间粗，两侧细，细端插入压电陶瓷管，探针的安装座为金属管9，压电陶瓷管7和细金属管9之间用绝缘堵头8连接，绝缘堵头8中心钻有一个细孔，用于插入细金属管9。
如图6所示，压电陶瓷管6和滑块1之间也是用绝缘材料连接，所用的绝缘连接材料选用硬质且少放气的材料，绝缘材料做成一端细，插入压电陶瓷管，另一端粗，与滑块1粘接，所有粘接和可能松动的地方都用真空绝缘树脂胶固化牢固。压电陶瓷管的设置也可采用如图7所示的方式，压电陶瓷管6粘接在滑块的一端，压电陶瓷管7粘接在滑块的另一端。
如图8所示每组剪切晶体有两个电极，负责驱动电压的加载；如图9所示，与安装探针的金属管9相固定的压电陶瓷管7有5个电极，分别负责横向(4个电极)和纵向(1个电极)移动的驱动电压的加载；如图10所示，与滑块连接的压电陶瓷管2有两个电极，加载驱动电压使陶瓷管伸缩，通过伸缩速度的不同，引起探针纵向移动。
剪切晶体与连接在一起的滑块是否绝缘均可，如果绝缘(滑块采用绝缘材料制成)，则需要的引线增多，需要将剪切晶体与滑块接触一侧的电极引线并在一起接地，如果不绝缘(滑块由金属材料制成)，只需将滑块接地即可，滑块和矩形套层上每两对剪切晶体的导线串连在一起，以便同时加电压，使它们剪切移动方向和幅度一致，完成某一横向方向的移动。
权利要求
1.一种扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，包括固定槽、夹紧套层、滑块、剪切晶体和压电陶瓷管，滑块通过固定在其外表面相对两侧的两对剪切晶体设置在夹紧套层内，与矩形套层夹紧并可沿其内壁滑动，夹紧套层通过固定在其外壁相对两侧的两对剪切晶体设置在固定槽内，与固定槽夹紧并可沿与所述滑块上剪切晶体驱动方向垂直的方向横向滑动，压电陶瓷管与滑块轴向固定，与滑块连接的压电陶瓷管负责纵向移动，另一压电陶瓷管负责三维方向位置的细调。
2.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述固定槽的外表面呈圆弧形，其内表面呈与夹紧套层相配的阶梯状。
3.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于所述夹紧套层为一矩形套筒。
4.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述滑块呈长方体状。
5.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述剪切晶体的位置靠近滑块、夹紧套层的两端，其厚度与安装间隙相配。
6.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述压电陶瓷管为两个，两压电陶瓷管对接后安装在滑块的一端。
7.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述压电陶瓷管为两个，也可分别安装在滑块的两端。
8.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述负责三维方向位置细调的压电陶瓷管的顶端设置有探针安装座。
9.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述压电陶瓷管、探针安装座、滑块之间采用绝缘材料连接，连接处用真空绝缘树脂胶进行固化。
10.如权利要求1所述的扫描探针显微镜探针驱动装置，其特征在于，所述剪切晶体与矩形套层、固定槽之间设有绝缘层，该绝缘层可为薄的宝石片。
全文摘要
本发明公开了一种扫描探针显微镜的探针驱动装置，包括固定槽、夹紧套层、滑块、剪切晶体和压电陶瓷管，滑块通过固定在其外表面相对两侧的两对剪切晶体设置在夹紧套层内，与矩形套层夹紧并可沿其内壁滑动，夹紧套层通过固定在其外壁相对两侧的两对剪切晶体设置在固定槽内，与固定槽夹紧并可沿与所述滑块上剪切晶体驱动方向垂直的方向横向滑动，压电陶瓷管与滑块轴向固定，与滑块连接的压电陶瓷管负责探针纵向移动，与探针连接的压电陶瓷管负责三维方向上位置的细调。该装置可在非常有限的小空间内实现扫描探针显微镜的探针(或样品)位置在三维方向上大范围地高精度调节。
文档编号G12B21/00GK1588558SQ20041007000
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月30日 优先权日2004年7月30日
发明者白雪冬, 梁学锦, 陈东敏, 王恩哥, 薛其坤 申请人:中国科学院物理研究所