专利名称：用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定性传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种定位传感器，更具体地说，本实用新型涉及一种用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器。
背景技术：
目前，在扫描隧道显微镜(STM)上，粗进针步进电机的定位主要依靠压电陶瓷作传感器，利用压电陶瓷的机理来实现的。这种电机主要由压电陶瓷传感器、信号放大系统、数据采集系统和微机软件系统组成。由于用于这种传感器的压电陶瓷材料本身价格较高，且国内不能生产，传感器制作安装需要专门的技术，再加上精确的前置放大器和微机系统等，造成价格非常昂贵。尽管测量的精度较高，但由于需要专门的设计，许多场合并不适合。且压电陶瓷本身由于存在退极化和老化等问题，如果使用不当，很容易损坏，而维修非常困难，费用很高。
进一步的，上述步进电机主要用于在宏观尺度(例如毫米或更大尺度)上移动探针或样品。在STM的检测中，经常需要测试和比较多个相距几十微米甚至几毫米的特征点的性质，这些点的典型尺寸一般是几埃到几纳米。如何从毫米尺度移动探针或样品，且保证试其定位在原子尺度的特征点上，是目前一般STM所不具备的功能，由于这一缺陷，将在很大程度上限制了STM在科研中的应用领域。因为STM的扫描管可在几百纳米的范围内精确定位探针，其精度可好于0.1，因此这个问题可归结为如何使步进电机在几毫米的范围内精确定位，且精度达到几十纳米，从而使宏观尺度的移动达到原子尺度的精确定位。
发明内容
本实用新型的目的在于现有技术的缺点和不足，可使扫描隧道显微镜上步进电机能精确定位，从而提供一种用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，该传感器为至少一个平板型电容器，所述至少一个的电容器包括平行布置的第一极板和第二极板，第一极板和第二极板之间可相对平行移动；所述至少一个电容器的第一极板和第二极板之间的平行移动引起电容值的变化，该电容值的变化与第一和第二极板之间的位移量对应。
所述传感器包括多个并联的平板型电容器。所述多个并联的平板型电容器结构基本一致。所述多个并联的平板型电容器等间隔布置。所述多个并联的平板型电容器整体成形，为栅格式结构。
所述至少一个的平板型电容器的第一极板位于步进电机的底座的上表面，该电容器的第二极板位于步进电机的移动块的下表面。所述的第一极板与步进电机的底座整体成形，所述的第二极板与步进电机的移动块整体成形。
采用本实用新型的步进电机可通过测量容性定位传感器的电容值来测量电机的位移量，并在几毫米的范围内达到纳米尺度的精确定位。由于具备这一特点，能够使STM从事许多新的极其重要的领域的研究。例如，半导体或金属材料中的缺陷、杂质等局域态，对材料的性能影响很大，有时甚至决定了材料的输运性质，象用于制作二极管三极管或集成电路的半导体材料，其输运性质是由杂质态决定的。因此研究这些局域态的结构、性质极其相互作用以及对整个材料或器件性能的影响，是非常重要的，尤其在微观尺度上的实验研究，可直接获得其微观结构和相互作用的数据。遗憾的是，许多局域态相距在微米甚至毫米尺度，如何精确地重复观测两处，甚至多处局域态，是一般STM所无能为力的，采用本实用新型的步进电机可方便地解决这类问题。另外它还可以用于薄膜生长，可控地在纳米尺度移动物体等诸多方面。同时它还具有结构紧凑、适于在低温下工作的特点。
图1是本实用新型的容性定位传感器的结构示意图；图2是图1的容性定位传感器的侧视图；图3是采用本实用新型的步进电机的部分结构示意图；图4是图3所示步进电机的纵剖图；图5是步进电机控制系统的方框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述。
在图1中示出了本实用新型的容性定位传感器10的结构示意图，有上极板1和下极板2组成一个电容器，上极板1和下极板2之间可横向的平行移动。在极板1和2的相对运动过程中，它们所组成的电容器的电容值会发生变化，并且电容值的变化量和极板1和2之间的相对位移量是一一对应的。通过一电子常规的电子测量系统(未示出)读出该电容值，即可计算出该电容值所对应的极板之间位移量。
为了提高电容器感应的灵敏度，如图1所示，该电容器可由多个并联的子电容器组成。在图1示出的实施例中，本实用新型的容性定位传感器由八个结构相同的子电容器3组成，这些子电容器等间隔布置，并且子电容器的上下极板分别整体成形为栅格式结构的上极板1和下极板2。
在图1的容性定位传感器10的一个应用中，上极板1的长度L1为30毫米，高度H1为4毫米。子电容器3的极板宽度L2为2毫米，厚度H2为2毫米。上极板1和下极板2的间距d为0.4毫米。下极板2与上极板1具有相同的结构，并且相对布置。在图2中，可进一步看出，该传感器10具有一定的宽度，在一个应用中，其宽度W为20毫米。
在本实用新型的容性定位传感器一个典型应用中，可安装到扫瞄隧道显微镜(STM)的步进电机上，以实现步进电机的精确定位。如图3所示，该步进电机20包括一U型底座4，底座4内设置一移动块5，该移动块5可沿着底座4内侧壁上的导轨6在U型槽内平移。底座4的外侧壁上设有弹簧螺丝7，用于调整移动块5与底座4内侧壁之间的压力。在移动块5和底座4的底部之间设有本实用新型的容性定位传感器10。该传感器10的结构与图1所示结构基本相同，为平板型电容器。
该传感器10的下极板2(图1)设于步进电机的底座4底部的上表面，而上极板1(图1)设于步进电机的移动块5的下表面。作为一种优选的实施方式，下极板2最好与步进电机的底座4整体成形，而上极板1与步进电机的移动块5整体成形。这一点在图4中看得更清楚。
此外，如图3所示，和常规的扫瞄隧道显微镜上的步进电机一样，在移动块5和底座4的内侧壁之间还设有压电陶瓷腿8，通过电压信号激励该压电陶瓷腿8，从而驱动移动块5。
移动块5和底座4之间的相对运动导致本实用新型的容性定位传感器10的电容值的变化。如图5所示，操作时，操作者通过微机提供的人机界面向电子系统发送控制信号，这些信号包括，通知步进电机向那个方向走，走几步及步长是多少，然后电子系统将该信号转换为高压驱动信号，通过压电陶瓷驱动电机运动。同时电子系统通过数据采集模块获得移动块5和底座4之间位移信号(在本实用新型中即为电容值)，并将该信号反馈到微机中，由微机处理该信号获得位置信息，同时调整步幅以实现精确移动。
权利要求1.一种用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，其特征在于，该传感器为至少一个平板型电容器，所述至少一个的电容器包括平行布置的第一极板和第二极板，第一极板和第二极板之间可相对平行移动；所述至少一个电容器的第一极板和第二极板之间的平行移动引起电容值的变化，该电容值的变化与第一和第二极板之间的位移量对应。
2.根据权利要求1所述的用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，其特征在于，所述传感器包括多个并联的平板型电容器。
3.根据权利要求2所述的用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，其特征在于，所述多个并联的平板型电容器结构基本一致。
4.根据权利要求2所述的用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，其特征在于，所述多个并联的平板型电容器等间隔布置。
5.根据权利要求1所述的用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，其特征在于，所述多个并联的平板型电容器整体成形，为栅格式结构。
6.根据权利要求1所述的用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，其特征在于，所述至少一个的平板型电容器的第一极板位于步进电机的底座的上表面，该电容器的第二极板位于步进电机的移动块的下表面。
7.根据权利要求6所述的用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器，其特征在于，所述的第一极板与步进电机的底座整体成形，所述的第二极板与步进电机的移动块整体成形。
专利摘要本实用新型公开了一种用于扫描隧道显微镜的步进电机的容性定位传感器。该传感器为至少一个平板型电容器，该至少一个的平板型电容器的第一极板位于步进电机的底座的上表面，该电容器的第二极板位于步进电机的移动块的下表面。采用本实用新型的步进电机可通过测量容性定位传感器的电容值来测量电机的位移量，并在几毫米的范围内达到纳米尺度的精确定位。
文档编号G01D5/24GK2709942SQ20032010312
公开日2005年7月13日 申请日期2003年11月7日 优先权日2003年11月7日
发明者梁学锦, 陈东敏, 薛其坤 申请人:中国科学院物理研究所