专利名称:微小型原子力显微镜的驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁力线圈驱动装置，更特别地说，是指一种用于微小型原子力显
微镜的电流线圈式大范围的扫描驱动装置。
技术背景
扫描力显微术是一个迅速发展的领域，在纳米技术里有着重要的应用。而在扫描 力显微镜里，针尖与样品的接近机理尤为重要，它必须具备能够控制悬臂、样品和检测系统 的相对粗略位置和相对精确位置的能力。对此人们研制了各式各样的驱动机构，在这些驱 动机构的精确控制方面，绝大多数是利用压电陶瓷管或陶瓷堆的压电效应，也有少量的是 利用压电陶瓷或音圈和柔性平台的结合。但是这些机构大多无法进行大范围(> 0.3mm) 的扫描，而且体积大、质量大。伴随着太空探索的深入、原位测量技术的需要，各国都在加紧 对体积和质量都很小的大范围扫描力显微镜的研制。
发明内容
本发明的目的是提供一种微小型原子力显微镜的驱动装置，通过在弹簧基板上采 用微雕技术刻出簧片构形，在磁力线圈的驱动下使簧片与圆柱磁体的一端接触，在电流的 作用下产生的力使T形架上的探针凸起实现扫描。本发明驱动装置是针对太空原位测量和 仪器微小型化的需要而提供的一种体积小、重量轻、扫描范围大的原子力显微镜的全新的 驱动机构。
本发明是一种微小型原子力显微镜的驱动装置，由弹簧基板、线圈基座、A隔板、B 隔板、C隔板和上盖板、下盖板组成；上盖板与下盖板之间从上至下设有A隔板、弹簧基板、B 隔板、C隔板、线圈基座。通过螺钉、通孔、螺母的配合将A隔板、弹簧基板、B隔板、C隔板、 线圈基座固定夹紧在上盖板、下盖板之间。弹簧基板采用聚酰亚胺材质，并在弹簧基板上采 用微雕技术镂空刻出"亚"字面形簧片构形。
本发明微小型原子力显微镜的驱动装置的优点在于(1)采用簿形弹簧基板作为 驱动的面板结构，其驱动范围大；(2)在弹簧基板一采用微雕技术镂空刻出"亚"字面形簧 片构形，使磁体作用在簧片上的十字簧接触产生的形变较大，同时使T形架产生运动；(3) 三个线圈与三个磁体的交递作用，使安装在T形架上的探针实现三维运动；(4)三个线圈、 三个磁体、T形架采用等距排列，保证了运动的可调性；(5)在聚酰亚胺弹簧基板上采用喷 涂工艺制备导电层，防止了静电对本发明驱动装置的驱动影响。
图1是本发明的外部结构图。
图2是本发明的隔板与弹簧基板的爆炸示意图。
图3A是本发明的弹簧基板的上视图。
图3B是本发明的弹簧基板的底视图。[0010] 图3C是本发明的B弹簧的放大示图。 图4A是本发明的线圈基座的底视图。 图4B是本发明的线圈基座的上视图。
图中
1.弹簧基板
101. A弹簧 102. B弹簧 103. C弹簧104.
T形架
105. B通孔 106. A圆柱磁体
107. B圆柱磁体
108. C圆柱磁体109.正
侧面
110.凹槽 lll.T形架A端
112.T形架B端
113.T形架C端121.十字
簧
122.右簧片
123.左簧片
2.A隔板 201.A方孔202.B方孔 203.
C方孔
204.凹槽 205. A通孔 206.正侧面3. B隔板 301. T形槽
302. C通孔 303.正侧面
4. C隔板401.T形槽
402. D通孔
403.正侧面
404.矩形凹槽
5.上盖板6.线圈基座
601. A线圈
602. B线圈 603. C线圈
604. E通孔605. E通孔 606.右侧面 607.出线槽 611.A线圈孔 612.B线圈 孔613.C线圈孔7.下盖板
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种微小型原子力显微镜的驱动装置，由弹簧基板1、线 圈基座6、三个隔板(A隔板2、 B隔板3、 C隔板4)和上盖板5、下盖板7组成；上盖板5与 下盖板7之间从上至下设有A隔板2、弹簧基板1、 B隔板3、 C隔板4、线圈基座6。本发明 驱动装置通过长螺钉的一端分别穿过A通孔205、 B通孔105、 C通孔302、 D通孔402、 E通 孔604后与螺母螺纹连接来实现将A隔板2、弹簧基板1、 B隔板3、 C隔板4、线圈基座6固 定夹紧在上盖板5与下盖板7之间。
在本发明中，弹簧基板1上A弹簧101、B弹簧102、 C弹簧103按三角形的分布且
与T形架104的T形架A端111、T形架B端112、T形架C端113相对应。
参见图2所示，A隔板2上呈三角形布局设有A方孔201、B方孔202、 C方孔203，
沿A隔板2的正侧面206开有凹槽204， A隔板2的四个角上分别设有A通孔205。
参见图2所示，在B隔板3的中心位置沿正侧面303开有T形槽301， B隔板3的
四个角上分别设有C通孔302。
参见图2所示，在C隔板4的中心位置沿正侧面403开有T形槽401， C隔板4底 部轴向上设有矩形凹槽404， C隔板4的四个角上分别设有D通孔402。 参见图3A、图3B、图3C所示，弹簧基板1的上部呈三角形设有A弹簧101、 B弹簧 102、 C弹簧103，沿弹簧基板1的正侧面109开有凹槽IIO，沿弹簧基板1的四个角上分别 设有B通孔105。弹簧基板1的底部悬挂有T形架104， T形架A端111设有供A圆柱磁体 106通过的孔，T形架B端112设有供B圆柱磁体107通过的孔，T形架C端113设有供C圆 柱磁体108通过的孔，A圆柱磁体106、B圆柱磁体107、C圆柱磁体108的一端分别粘接在A 弹簧101、B弹簧102、 C弹簧103的十字簧上。在本发明中，A弹簧101、B弹簧102和C弹 簧103结构相同，是在弹簧基板1上采用微雕技术镂空刻出"亚"字面形簧片构形。B弹簧 102的中心是十字簧121，十字簧121的两侧分别为左簧片123、右簧片122。 A弹簧101、 B 弹簧102、 C弹簧103按三角形的分布且与T形架104的T形架A端111、 T形架B端112、 T形架C端113相对应。弹簧基板1采用聚酰亚胺加工制作成厚度为0. 02 0. 2mm。弹簧基板上采用喷涂工艺制备有导电层(防磁和防静电设计)，导电层一般为铜、金材质，防止 了静电对本发明驱动装置的驱动影响。采用柔性的聚酰亚胺片状弹簧，克服了一般弹簧的 颤振的问题。
参见图4A、图4B所示，线圈基座6的上部呈三角形开设有A线圈孔611、B线圈孔 612、 C线圈孔613，呈矩形开设有四个E通孔604，线圈基座6的四个角上分别设有F通孔 605，沿线圈基座6的右侧面606开有出线槽607。在线圈基座6底部的A线圈孔611、B线 圈孔612、C线圈孔613中分别安装有A线圈601、B线圈602、C线圈603。 A线圈601、B线 圈602、 C线圈603结构相同，三个电流线圈采用的漆包线缠绕制作。本发明选取的电流线 圈解决了压电陶瓷驱动范围稍大时的球差，以由于采用电流调节方式，功率小，克服了压电 陶瓷驱动范围大时所需的高电压或多级供电等问题。
在本发明微小型原子力显微镜的驱动装置，安装在线圈基座6上的三个线圈所需 电压为士20V，扫描功率小于1瓦。整个驱动装置尺寸为30. 5mmX20. 5mmX12. 8mm，质量 15 50g。
本发明的驱动装置是一种体积小、重量轻、扫描范围大的原子力显微镜的全新的 驱动机构，当给A线圈601、 B线圈602、 C线圈603通电时，三个电流线圈的磁场和永磁体 (A圆柱磁体106、B圆柱磁体107、C圆柱磁体108)的磁场的将发生吸引或排斥作用而产生 振动运动，从而达到三维驱动的效果。本发明驱动装置可以与原子力显微镜的控制系统配 合使用，运用计算机程序控制，縮短时间，提高效率，而且操作方便，可靠性高。
权利要求
一种微小型原子力显微镜的驱动装置，其特征在于由弹簧基板(1)、线圈基座(6)、A隔板(2)、B隔板(3)、C隔板(4)和上盖板(5)、下盖板(7)组成；上盖板(5)与下盖板(7)之间从上至下设有A隔板(2)、弹簧基板(1)、B隔板(3)、C隔板(4)、线圈基座(6)；所述A隔板(2)上呈三角形布局设有A方孔(201)、B方孔(202)、C方孔(203)，沿A隔板(2)的正侧面(206)开有凹槽(204)，A隔板(2)的四个角分别设有A通孔(205)；所述B隔板(3)的中心位置沿正侧面(303)开有T形槽(301)，B隔板(3)的四个角分别设有C通孔(302)；所述C隔板(4)的中心位置沿正侧面(403)开有T形槽(401)，C隔板(4)底部轴向上设有矩形凹槽(404)，C隔板(4)的四个角分别设有D通孔(402)；所述弹簧基板(1)上呈三角形布局设有A弹簧(101)、B弹簧(102)和C弹簧(103)，该A弹簧(101)、B弹簧(102)和C弹簧(103)采用微雕技术镂空刻出“亚”字面形构形；沿弹簧基板(1)的正侧面(109)开有凹槽(110)，沿弹簧基板(1)的四个角分别设有B通孔(105)；弹簧基板(1)的底部悬挂有T形架(104)，T形架A端(111)设有供A圆柱磁体(106)通过的孔，T形架B端(112)设有供B圆柱磁体(107)通过的孔，T形架C端(113)设有供C圆柱磁体(108)通过的孔，A圆柱磁体(106)、B圆柱磁体(107)、C圆柱磁体(108)的一端分别粘接在A弹簧(101)、B弹簧(102)、C弹簧(103)的十字簧上；所述A弹簧(101)、B弹簧(102)和C弹簧(103)结构相同，其中，B弹簧(102)的中心是十字簧(121)，十字簧(121)的两侧分别为左簧片(123)、右簧片(122)；弹簧基板(1)上采用喷涂工艺制备有导电层；所述线圈基座(6)呈三角形布局设有A线圈孔(611)、B线圈孔(612)、C线圈孔(613)，呈矩形开设有四个E通孔(604)，线圈基座(6)的四个角分别设有F通孔(605)，沿线圈基座(6)的右侧面(606)开有出线槽(607)；在线圈基座(6)的A线圈孔(611)、B线圈孔(612)、C线圈孔(613)中分别安装有A线圈(601)、B线圈(602)、C线圈(603)；所述A线圈(601)、B线圈(602)、C线圈(603)结构相同。
2. 根据权利要求
l所述的微小型原子力显微镜的驱动装置，其特征在于弹簧基板(1) 上A弹簧(101)、B弹簧(102)、C弹簧(103)按三角形的分布且与T形架(104)的T形架A 端(111)、T形架B端(112)、T形架C端(113)相对应。
3. 根据权利要求
l所述的微小型原子力显微镜的驱动装置，其特征在于弹簧基板(1) 为采用聚酰亚胺加工制作成厚度为0. 02 0. 2mm的簿板。
4. 根据权利要求
l所述的微小型原子力显微镜的驱动装置，其特征在于弹簧基板(1) 上的导电层为铜、金材质。
5. 根据权利要求
1所述的微小型原子力显微镜的驱动装置，其特征在于A线圈 (601)、B线圈(602)、C线圈(603)所需电压为士20V。
6. 根据权利要求
1所述的微小型原子力显微镜的驱动装置，其特征在于整个驱动装 置尺寸为30. 5mmX 20. 5mmX 12. 8mm，质量15 50g。
专利摘要
本发明公开了一种微小型原子力显微镜的驱动装置，由弹簧基板、线圈基座、三个隔板和上下盖板组成；上盖板与下盖板之间从上至下设有A隔板、弹簧基板、B隔板、C隔板、线圈基座。本发明驱动装置通过长螺钉的一端分别穿过A通孔、B通孔、C通孔、D通孔、E通孔后与螺母螺纹连接来实现将A隔板、弹簧基板、B隔板、C隔板、线圈基座固定夹紧在上盖板与下盖板之间。本发明的驱动装置是一种体积小、重量轻、扫描范围大的原子力显微镜的全新的驱动机构，当给电流线圈通电时，电流线圈的磁场和永磁体的磁场的将发生吸引或排斥作用而产生振动运动，从而达到三维驱动的效果。
文档编号G01Q60/24GKCN101303903 B发布类型授权 专利申请号CN 200810116122
公开日2010年6月2日 申请日期2008年7月3日
发明者姚骏恩, 崔益民, 王荣明, 陈强 申请人:北京航空航天大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (3), 非专利引用 (1),