一种极低温兼容的高稳定性压电扫描-位移台

本发明涉及精密定位与扫描装置，尤其涉及的是一种极低温兼容的高稳定性压电扫描-位移台。

背景技术：

1、扫描探针显微镜是一系列利用不同探针与样品之间产生的各种相互作用探测样品各点的物理性质并扫描成像的显微镜的总称，其中包括：扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜等。扫描探针显微镜可用于量子器件的原子级精度构筑，例如：单电子晶体管、纳米线、电子波导等。极低温扫描探针显微镜可对量子材料的量子性质及量子器件的量子态进行扫描成像。

2、在扫描探针显微镜中，既需要有毫米级以上的行程及纳米级定位分辨率的用于样品精密定位的位移台，也需要有几十微米至几百微米扫描范围及亚纳米定位精度的扫描台。现有的扫描探针显微镜中，位移台和扫描台为相互独立的两个部件，通过位移台实现毫米级以上的长距离的位移行程，通过扫描台实现几十微米至几百微米扫描范围内的扫描运动。位移台和扫描台是扫描探针显微镜的核心运动控制部件。

3、常用的一类扫描台是利用放大机构放大压电致动器进行大范围扫描，这一类的压电扫描台可以实现几十微米至几百微米扫描范围内的精确控制，但是输出力较小，无法实现和位移台一样的长程步进移动。因而，通常不能在一个结构设计部件中同时实现机构放大压电扫描台的扫描功能和位移台的位移功能，需要两种独立的部件分别实现单一功能。

4、扫描探针显微镜一般是在位移台上再放置扫描台，这样的组合方式需要较多的部件，导致整体结构不紧凑，稳定性差，降低了整个扫描探针显微镜的共振频率，影响扫描结果，并且成本较高。

5、目前，达到极低温环境的一种常用手段是利用无液氦干式制冷机进行制冷。相比湿式制冷机，干式制冷机由于其无液氦消耗、操作较为自动化等优势，越来越成为主流的制冷手段。然而，干式制冷机需要使用脉冲管低温冷却器或gifford-mcmahon低温冷却器进行预冷，脉冲管低温冷却器或gifford-mcmahon低温冷却器的巨大机械振动严重影响极低温扫描探针显微镜的扫描成像。因此，在具有高振动环境因素的极低温扫描探针显微镜中，系统共振频率低容易与机械振动相耦合，使得显微镜无法同时满足大范围、高精度、高稳定性、低热耗散等要求，成为目前限制极低温扫描探针显微镜技术发展的主要因素之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种极低温兼容的高稳定性压电扫描-位移台，将扫描探针显微镜中需要的扫描台和位移台合二为一，既能作为扫描台使用。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种极低温兼容的高稳定性压电扫描-位移台，包括上下分布的滑动平台和基座；

4、所述基座上开有活动仓，基座的活动仓内设置有运动件，运动件的外端通过若干弹性件与基座的活动仓侧壁实现活动连接，运动件上固定设置有多个导向球；

5、滑动平台底部设有沿前后方向依次排列的多个滑槽，每个滑槽沿左右方向延伸，滑动平台底部的多个滑槽与运动件上的多个导向球一一对应的滑动配合，并通过弹性压紧部件将滑动平台的多个滑槽弹性压紧在运动件的多个导向球上；

6、基座的活动仓内还设有用于驱动运动件左右移动的驱动组件，所述驱动组件包括至少一个压电陶瓷致动器，压电陶瓷致动器的两端分别通过柔性铰链与运动件和基座的活动仓侧壁相连接；

7、通过控制施加在压电陶瓷致动器上的电压大小的不同，从而控制压电陶瓷致动器产生不同大小的形变，压电陶瓷致动器的不同大小的形变经杠杆放大结构放大后对运动件产生沿左右方向上不同大小的位移，进而使得滑动平台与运动件之间相对静止或间歇性地发生相对移动：

8、当滑动平台与运动件之间相对静止时，滑动平台与运动件的位移一致，完成扫描动作；

9、当滑动平台与运动件间歇性地发生相对移动时，完成步进位移动作。

10、作为上述压电扫描-位移台的优选方案，所述驱动组件包括前后对称设置的两个第一压电陶瓷致动器，两个第一压电陶瓷致动器分别位于运动件的前后两侧，每个第一压电陶瓷致动器的形变方向沿着第一压电陶瓷致动器的长边延伸方向，在两个第一压电陶瓷致动器均不通电压的情况下，每个第一压电陶瓷致动器的长边与基座的前后方向之间呈一个倾斜夹角，两个倾斜的第一压电陶瓷致动器对运动件形成对顶式的驱动结构，对顶式的驱动结构形成所述杠杆放大结构。

11、作为上述压电扫描-位移台的优选方案，所述基座位于活动仓外围的部分为基座外框，所述基座外框、各个第一弹性件、运动件以及各个柔性铰链采用比模量不低于gpa/(g/cm)的材料一体加工成型，第一弹性件和柔性铰链均为细长的条状结构，在第一压电陶瓷致动器不通电压的情况下，第一弹性件沿前后方向延伸，柔性铰链的延伸方向与第一压电陶瓷致动器的形变方向相平行。

12、作为上述压电扫描-位移台的优选方案，所述运动件由相垂直的主杆和副杆形成t字形结构，主杆沿左右方向延伸，副杆设置在主杆一端且沿前后方向延伸，运动件的主杆通过四个第一弹性件与基座的活动仓前后侧壁连为一体，主杆前端通过两个第一第一弹性件与基座的活动仓前侧壁相连接，主杆后端通过两个第一弹性件与基座的活动仓后侧壁相连接，前侧的两个第一弹性件与后侧的两个第一弹性件呈前后对称分布，第一压电陶瓷致动器位于对应侧的两个第一弹性件之间。

13、作为上述压电扫描-位移台的优选方案，所述基座外框、各个第一弹性件、运动件以及各个柔性铰链的材质采用紫外熔融石英、铍铜、钛、铍、镁锂合金、镁铍合金、铝铍合金、钛铍合金中的任一种。

14、作为上述压电扫描-位移台的优选方案，在基座外框固定的情况下，所述基座外框、各个第一弹性件、运动件、各个柔性铰链以及第一压电陶瓷致动器的整体共振频率大于khz。

15、作为上述压电扫描-位移台的优选方案，所述驱动组件包括前后方向并排设置的两个第二压电陶瓷致动器，两个第二压电陶瓷致动器均位于运动件左右方向上的同一侧，每个第二压电陶瓷致动器的形变方向沿着第二压电陶瓷致动器的长边延伸方向，在两个第二压电陶瓷致动器均不通电压的情况下，每个第二压电陶瓷致动器的长边与基座的前后方向之间呈一个倾斜夹角，两个第二压电陶瓷致动器平行设置，两个平行的第二压电陶瓷致动器对运动件形成单边驱动结构，单边驱动结构形成所述杠杆放大结构。

16、作为上述压电扫描-位移台的优选方案，所述运动件通过多个第二弹性件与基座的活动仓左右侧壁连为一体。

17、本发明相比现有技术具有以下优点：

18、本发明提供的一种极低温兼容的高稳定性压电扫描-位移台，其包括相滑动配合的基座和滑动平台，滑动平台安装在基座活动仓中的运动件上，电压控制的压电陶瓷致动器的形变经杠杆放大结构放大后对运动件产生位移，通过控制不同的电压模式，从而可以实现滑动平台与运动件之间相对静止或间歇性地发生相对移动，从而选择性的实现扫描台功能或位移台功能，将扫描台和位移台合二为一，降低了成本；可以在更低驱动电压与驱动频率下实现大范围位移，有效降低了热耗散；部件数量少，使得扫描探针显微镜整体结构布局紧凑，节省了空间，显著提高了显微镜系统的共振频率，适用于高振动、极低温的恶劣环境，使得扫描探针显微镜同时满足了大范围、高精度、高稳定性、低热耗散等要求。