一种三维解耦超声纳米振动台的制作方法

本发明涉及一种超声纳米振动台。特别是涉及一种三维解耦超声纳米振动台。

背景技术：

随着纳米器件在航空航天、生物医疗、半导体等领域的广泛应用，对纳米加工的能力也提出了更高的要求。在纳米加工领域，光刻加工、电子束加工、聚集离子束加工等加工方法，由于仪器成本、加工环境的限制，更适合于产品的大批量生产。而基于原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,afm)探针的纳米刻划加工方法，由于其原理简单、简单易行、仪器成本低、且可在实验室环境中实现的优势，更适合进行小批量的样件的加工。但原子力显微镜是作为表面的测量表征设备，直接将其用于纳米加工时，存在一些固有的局限性，比如加工精细度有限，仅在数十纳米级别；加工深度有限，在刻划较硬材料时，最深不超过几十纳米；加工速度低等。所以，基于原子力显微镜探针的纳米加工方法在加工能力上的局限性限制了它的加工效率和应用范围。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有结构紧凑、运动解耦、振动频率可调、高一阶固有频率特性的三维解耦超声纳米振动台。

本发明所采用的技术方案是：一种三维解耦超声纳米振动台，包括基座，所述的基座上设置有超声振动台，所述超声振动台的底部与所述的基座为镶嵌式连接，所述超声振动台内沿超声振动台的x、y方向分别设置有用于对超声振动台的主振动台进行x、y方向超声振动驱动的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构，所述超声振动台的底端沿超声振动台的z方向设置有用于对超声振动台的主振动台进行z方向超声振动驱动的第三超声振动驱动机构，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构之间为相互垂直设置。

所述超声振动台包括有中空的振动台基体，所述主振动台位于所述振动台基体的中心，并且，所述主振动台通过四个对称设置的簧片型柔性铰链与所述振动台基体一体柔性连接，每两个所述簧片型柔性铰链之间均形成有一个侧安装槽，形成的四个所述的侧安装槽为十字对称，所述第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别安装在相邻的两个侧安装槽内，所述主振动台的底端与所述的基座之间形成有用于安装所述第三超声振动驱动机构的下安装槽。

所述的振动台基体位于周边处设置有若干个用于连接外部设备的安装孔。

所述的第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构结构相同，均包括有由超声振动台中的主振动台侧边至振动台基体的内周面依次设置、或由超声振动台中的主振动台底端至基座依次设置的平面陶瓷垫片、球面陶瓷垫片、压电陶瓷片和预紧垫片，其中，所述球面陶瓷垫片的平面端与所述压电陶瓷片为面接触连接，所述球面陶瓷垫片的球面与所述平面陶瓷垫片为点接触连接，所述振动台基体的侧壁上对应所述的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别形成有水平贯通螺孔，所述水平贯通螺孔内设置有用于对第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别与主振动台的接触连接进行调节性预紧的水平预紧螺栓，所述基座上对应所述的第三超声振动驱动机构结构形成有垂直贯通螺孔，所述垂直贯通螺孔内设置有用于对第三超声振动驱动机构结构与主振动台的接触连接进行调节性预紧的垂直预紧螺栓。

本发明的一种三维解耦超声纳米振动台，超声振动台采用整体设计，结构简单、紧凑，能够有效提高超声振动台的一阶固有频率，从而保证超声纳米振动平台辅助加工的可调频率范围；采用空间正交布置的三个压电陶瓷片对超声振动台进行x/y/z方向的驱动，可为超声振动台的提供多种可调的一维、二维、甚至三维的高频(最大可达数mhz)的振动形式，适应不同材料、不同机理的加工需求；压电陶瓷片与超声振动台之间采用球面陶瓷垫片和平面陶瓷垫片连接，可以有效消除由加工或装配误差导致的对压电陶瓷片的弯矩，防止压电陶瓷片在工作过程中发生破坏，并提高连接处的硬度和耐磨性。

附图说明

图1是本发明一种三维解耦超声纳米振动台的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的剖视图；

图4是本发明中超声振动台的整体结构示意图。

图中

1：基座2：超声振动台

21：振动台基体22：侧安装槽

23：簧片型柔性铰链24：主振动台

25：下安装槽26：安装孔

27：水平预紧螺栓28：垂直预紧螺栓

8、4、12：预紧垫片9、5、13：球面陶瓷垫片

10、6、14：平面陶瓷垫片7、12、11：压电陶瓷片

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种三维解耦超声纳米振动台做出详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的一种三维解耦超声纳米振动台，包括基座1，所述的基座1上设置有超声振动台2，所述超声振动台2的底部与所述的基座1为镶嵌式连接，所述超声振动台2内沿超声振动台2的x、y方向分别设置有用于对超声振动台2的主振动台24进行x、y方向超声振动驱动的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构，所述超声振动台2的底端沿超声振动台2的z方向设置有用于对超声振动台2的主振动台24进行z方向超声振动驱动的第三超声振动驱动机构，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构之间为相互垂直设置。在超声振动台2工作过程中，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构分别对超声振动台2的三个方向上的振动单独或配合地提供振动输入，从而实现一维/二维/三维振型的超声振动的输出。

如图4所示，所述超声振动台2包括有中空的振动台基体21，所述主振动台24位于所述振动台基体21的中心，并且，所述主振动台24通过四个对称设置的簧片型柔性铰链23与所述振动台基体21一体柔性连接，每两个所述簧片型柔性铰链23之间均形成有一个侧安装槽22，形成的四个所述的侧安装槽22为十字对称，所述第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别安装在相邻的两个侧安装槽22内，所述主振动台24的底端与所述的基座1之间形成有用于安装所述第三超声振动驱动机构的下安装槽25。所述的振动台基体21位于周边处设置有若干个用于连接外部设备的安装孔26。本发明将所述的超声振动台2采用整体设计，可有效提高超声振动台的一阶固有频率，及超声纳米振动平台辅助加工的可调频率范围。

如图2、图3所示，所述的第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构结构相同，均包括有由超声振动台2中的主振动台24侧边至振动台基体21的内周面依次设置、或由超声振动台2中的主振动台24底端至基座1依次设置的平面陶瓷垫片10、6、14、球面陶瓷垫片9、5、13、压电陶瓷片7、12、11和预紧垫片8、4、12，其中，所述球面陶瓷垫片9、5、13的平面端与所述压电陶瓷片7、12、11为面接触连接，所述球面陶瓷垫片9、5、13的球面与所述平面陶瓷垫片10、6、14为点接触连接，从而实现压电陶瓷片7、12、11与主振动台24之间的点接触，消除由于加工或装配误差导致的对压电陶瓷片7、12、11的弯矩，并对三个方向上的输入振动进行解耦，且陶瓷材料可提供很高的硬度和耐磨性。所述振动台基体21的侧壁上对应所述的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别形成有水平贯通螺孔，所述水平贯通螺孔内设置有用于对第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别与主振动台24的接触连接进行调节性预紧的水平预紧螺栓27，所述基座1上对应所述的第三超声振动驱动机构结构形成有垂直贯通螺孔，所述垂直贯通螺孔内设置有用于对第三超声振动驱动机构结构与主振动台24的接触连接进行调节性预紧的垂直预紧螺栓28。

本发明的一种三维解耦超声纳米振动台，能够提供高精度、高频率的三维超声纳米振动，具有结构紧凑、运动解耦、振动频率可调、高一阶固有频率的特性。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。