一种热双金属拉压一体式驱动器及其制备方法与流程

本发明涉及基于透射电镜的纳米材料原位表征技术领域，尤其涉及一种热双金属拉压一体式驱动器及其制备方法。

背景技术：

力学性能是表征材料性能的重要指标。材料在使役过程中多会受到主动或被动的应力作用。研究材料在应力作用下的弹塑性变形过程可以为失效分析、结构设计、材料改性、新材料开发等提供理论和实验依据。随着材料科学的不断发展和各行各业对材料力学性能要求的日益提升，研究工作也不断深入。透射电子显微镜(tem)以其纳米-原子尺度的分辨能力成为材料研究的有力工具。tem原位力学作为tem技术的重要分支，在动态揭示材料显微结构-力学性能关系方面具有巨大的优势。tem原位力学是指在tem中对样品施加力学载荷，从纳米、原子尺度实时观察、记录样品上同一区域的结构和性能的动态演化过程，进而揭示材料在特定应力场下结构-性能关系。tem原位力学实验在过去几十年中不断发展，逐渐拓宽应用材料范围，增加加载类型，提升信号输入和采集能力，取得了突出的研究成果。

目前，世界各地的课题组和仪器公司以tem样品杆为依托，先后研发了多种tem原位力学实验平台(以下简称原位平台)。由于该类研究需要向样品施加载荷，原位平台的重要组成部分就是驱动器。按照尺寸和位置不同，原位平台的驱动器可以分为以下几类：1、大型三维驱动器，如bruker公司的pi95纳米压痕仪和nanofactory公司的tem纳米压痕仪所采用的驱动器。该类实验仪通过贯穿于样品杆的精密三维移动系统，驱动探针靠近固定于样品杆前端的样品并施加压力；2、微型一维驱动器，如韩晓东课题组在《amemsdeviceforquantitativeinsitumechanicaltestinginelectronmicroscope》中开发的定量化力学平台，使用微型压电陶瓷为微机电系统(mems)力学芯片提供驱动力和位移；3、mems电信号驱动器，如chang等人在《amicroelectromechanicalsystemforthermomechanicaltestingofnanostructures》中、garcia等人在《in-situtransmissionelectronmicroscopehightemperaturebehaviorinnanocrystallineplatinumthinfilms》中所采用的驱动器，在驱动过程中，需要向该类驱动器施加电场，以实现电热、静电、压电等驱动输出；4、热双金属驱动器，其中，热双金属是将两种热膨胀系数不同的材料牢固结合在一起形成的条状结构，韩晓东课题组在申请号为200610144031.x的专利文件“一种热双金属片驱动的透射电子显微镜载网”中公开了一种热双金属驱动器，该热双金属驱动器是将两根双金属片间隔一定距离反向平行粘接于一个承载环上，温度变化时，两个双金属片由于两层膨胀系数不同而反向弯曲，从而为搭载在两片之间的样品提供驱动力和位移。

tem原位力学需要将精密稳定的力学加载与透射电镜的超高分辨率结合，力求从纳米、原子尺度实时动态观察样品在应力作用下的变形过程。对于晶体材料，tem图像揭示出的信息量与特定区域晶粒与电子束之间的取向关系密切相关。tem样品杆的双轴倾转功能就是针对上述需求，将样品倾转至最佳衍射条件，从而获得更多的纳米、原子尺度结构和缺陷信息。tem样品杆通常是沿α轴、β轴这两个正交轴来实现对样品的双轴倾转功能，其中，α轴表示tem样品杆的长轴方向，β轴表示在tem样品杆前端且垂直于电子束和长轴的方向。α轴倾转可通过透射电镜测角台带动tem样品杆沿轴向旋转实现，而β轴倾转则需要通过tem样品杆内置的双轴倾转机构驱动前端部分结构沿β轴旋转。在tem中，可沿β轴倾转的部分位于上下物镜极靴之间的狭窄空间内，β轴倾转角度的大小基本上取决于该部分的长度。目前各类tem样品杆均可沿α轴倾转约±30°，但受到不同结构限制，β轴倾转能力差别较大，因而，将tem样品倾转至最佳衍射条件的能力相差悬殊。

上述各类驱动方式的力学平台对β轴倾转的影响各不相同：第一类—大型三维驱动器：该类驱动器通常贯穿于样品杆长轴方向，无法沿β轴旋转；第二类—微型一维驱动器：如韩晓东课题组设计的方案，将mems力学芯片与微型压电陶瓷沿样品杆长轴方向排列，实验时共同沿β轴倾转，这一部分具有一定长度，对β轴倾转有一定影响，但仍能实现约±20°的倾转；第三类—mems电信号驱动器：该类平台β轴倾转能力取决于所用mems力学芯片的长度，而部分使用复杂结构长芯片的样品杆无法沿β轴倾转，随芯片长度减小，β轴倾转角度逐渐增大；第四类—热双金属驱动器：该类驱动器尺寸最小，呈直径为3mm的圆盘状，适配于普通双轴倾转样品杆，对β轴倾转能力无影响。因而，相比较而言，使用热双金属驱动器时样品双轴倾转能力最大，最易获得高信息质量的tem图像，从而优选热双金属驱动器来实现tem样品杆的双轴倾转功能。

除此之外，热双金属驱动器还具有其它优势：该驱动器适用于多种样品制备方式，如可直接粘接切割下的双喷、离子减薄样品薄区，可直接搭载与基底分离的薄膜材料，也可使用常规聚焦离子束块体取样技术制备样品；与此同时，该驱动器为温度驱动，不需设计专用tem样品杆，也不需通入电信号，可直接与加热样品杆(如gatan公司生产的652型样品杆)配合使用，实验时将热双金属加热即可实现驱动；此外，热双金属成本低廉，可有效降低tem原位研究的成本。在过去十几年中，经过不断改进，热双金属驱动器的性能逐步提升，应用材料领域也逐渐扩大，产生了大量优秀的研究成果。

现有的热双金属驱动器主要为上述韩晓东课题组所提出的热双金属驱动器。但是，这种热双金属驱动器结构复杂，制备繁琐，在制备过程中涉及大量手工操作，包括将双金属片磨抛至合适厚度，切割成合适长度并磨平端面，粘接至承载环上等，这些操作不仅耗时，而且制备效率和效果又依赖于操作者的经验和熟练程度；并且，手工制作的方式也无法做到批量化生产，这大大限制了热双金属驱动器的推广使用；与此同时，在制备过程中需要用树脂胶连接双金属片与承载环，而胶水工作温度较低，这导致热双金属驱动器无法在较高温度工作，只能用于低温tem原位力学实验。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的之一是提供一种热双金属拉压一体式驱动器，用以解决现有的热双金属驱动器结构复杂、制备繁琐，只能用于低温tem原位力学实验的问题。

本发明的目的之二是提供一种制备上述热双金属拉压一体式驱动器的制备方法，用以解决现有的热双金属驱动器难以实现批量化生产的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热双金属拉压一体式驱动器，包括本体和所述本体上开设的第一开口、第二开口；

所述本体包括主动区和设置在所述主动区两侧的被动区，所述主动区所采用的材料的热膨胀系数大于所述被动区所采用的材料的热膨胀系数；

所述主动区上开设所述第一开口，其中一个所述被动区上开设所述第二开口，所述第一开口与所述被动区之间的连接部设为第一搭载梁，所述第二开口与所述主动区之间的连接部设为第二搭载梁，且所述第一搭载梁与所述第二搭载梁并行连接；

所述第一搭载梁与所述第一开口上相对所述第一搭载梁的侧壁之间构成拉伸驱动位置，所述第二搭载梁与所述第二开口上相对所述第二搭载梁的侧壁之间构成压缩驱动位置。

优选的，本发明中所述本体呈圆形片或半圆形片结构，所述第一开口与所述第二开口均呈条形结构，且所述第一开口与所述第二开口相互平行布置。

优选的，本发明中所述主动区设有一个所述第一开口，在其中一个所述被动区设有一个所述第二开口。

优选的，本发明中所述第一开口上相对所述第一搭载梁中部的侧壁上设有第一搭载端；所述第二开口上相对所述第二搭载梁中部的侧壁上设有第二搭载端。

优选的，本发明中所述第一开口与所述第二开口的同一侧端通过连接通道相连通，且所述第一开口、所述第二开口分别与所述连接通道相垂直；所述第一开口的侧壁上设有相对所述第一搭载梁布置的第三搭载端，所述第二开口的侧壁上设有相对所述第二搭载梁布置的第四搭载端，且所述第三搭载端与所述第四搭载端分别靠近所述连接通道的两端布置。

优选的，本发明在所述第一开口内设有第三搭载梁和第五搭载端、第六搭载端；所述第三搭载梁为横向搭载梁和纵向搭载梁构成的“t”形结构，且所述第五搭载端与所述第六搭载端相对布置在所述纵向搭载梁的两侧，所述纵向搭载梁与所述第一搭载梁的中部垂直连接。

优选的，本发明还提供了一种热双金属拉压一体式驱动器的制备方法，包括：

s1，制备热膨胀系数不相同的第一板料和第二板料；

s2，将第一板料与第二板料沿竖直方向进行交替叠放，并使各层板料相互间结合为一体，构成中间料样模组；

s3，对所述中间料样模组沿着竖直方向进行切割，以得到双金属料板，其中，双金属料板由所述主动区和所述被动区交替布置而成；

s4，在所述双金属料板上排版与所述热双金属拉压一体式驱动器结构相对应的加工版图，沿着所述加工版图进行剪切加工，得到所述热双金属拉压一体式驱动器。

优选的，本发明中所述第一板料与所述第二板料均采用非磁性材料。

优选的，本发明在步骤s2中，还包括对所述第一板料与所述第二板料进行表面处理，在完成对所述第一板料与所述第二板料的叠放操作后，采用轧制或扩散焊方法将各层板料相互结合为一体；在步骤s3中，还包括对双金属料板沿竖直方向的两侧边进行砂纸打磨，并对双金属料板的切割端面进行表面处理；在步骤s4中，还包括采用激光切割、离子束刻蚀或等离子体刻蚀加工的方式沿着所述加工版图进行剪切加工。

优选的，本发明中所述双金属料板的厚度为50～200μm；由步骤s1-s4制备得到的热双金属拉压一体式驱动器的本体直径为2.5～3.5mm。

(三)技术效果

本发明提供的热双金属拉压一体式驱动器，采用了在双金属料板上批量制备的本体，本体具有一体式结构，且本体上的主动区与被动区分别对应双金属料板上两种热膨胀系数的板料，当在主动区及其相邻的被动区分别开设第一开口、第二开口时，即可在本体上形成并行布置的第一搭载梁与第二搭载梁，由于第一搭载梁的热膨胀系数大于第二搭载梁的热膨胀系数，在对热双金属拉压一体式驱动器进行加热时，第一搭载梁与第二搭载梁会共同朝向第二搭载梁的一侧弯曲，从而在第一搭载梁与第一开口上相对第一搭载梁的一侧构成拉伸驱动位置，在第二搭载梁与第二开口上相对第二搭载梁的一侧构成压缩驱动位置，进而可分别在拉伸驱动位置和压缩驱动位置搭载样品。

与此同时，基于热双金属拉压一体式驱动器的上述特性，还可对本体上的第一开口、第二开口的数量及其布置位置进行其它设置，以满足不同的驱动需求，在将热双金属拉压一体式驱动器装入加热样品杆，并放入透射电镜中后，即可在热场环境下根据热双金属拉压一体式驱动器自身的受热形变特性，实现对搭载样品的拉伸实验和压缩，并基于透射电镜实时观察搭载样品的形变过程。

由上可知，本发明结构简单、制备方便，可根据需要灵活设计驱动器的结构，并在双金属料板上进行批量制备，不仅利于满足不同的驱动需求，实现了批量化生产，而且由于制备得到的双金属驱动器为一体式结构，在制备过程中无需粘胶，克服了当前的热双金属驱动器只适用于低温tem原位力学实验的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所示的固支式拉压一体驱动器的结构示意图；

图2为本发明实施例2所示的悬臂式拉压一体驱动器的结构示意图；

图3为本发明实施例3所示的固支/悬臂式拉压弯一体驱动器的结构示意图；

图4为本发明实施例4所示的步骤s1中第一板料和第二板料的结构示意图；

图5为本发明实施例4所示的步骤s2中中间料样模组的结构示意图；

图6为本发明实施例4所示的步骤s3中双金属料板的结构示意图；

图7为本发明实施例4所示的步骤s4中加工版图排版的结构示意图；

图8本发明实施例4制备得到的热双金属驱动器的结构示意图。

图中：1-本体，2-第一开口，3-第二开口，4-主动区，5-被动区，6-第一搭载梁，7-第二搭载梁，8-拉伸驱动位置，9-压缩驱动位置，10-弯曲驱动位置，11-连接通道，12-第一搭载端，13-第二搭载端，14-第三搭载端，15-第四搭载端，16-第三搭载梁，17-第五搭载端，18-第六搭载端，19-第一板料，20-第二板料，21-中间料样模组，22-双金属料板，23-加工版图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1，

参见图1，本实施例提供了一种热双金属拉压一体式驱动器，包括片状本体1和所述本体1上开设的第一开口2、第二开口3；

所述本体1包括主动区4和设置在主动区4两侧的被动区5，主动区4所采用的材料的热膨胀系数大于被动区5所采用的材料的热膨胀系数；

所述主动区4开设有一个第一开口2，其中一个被动区5开设有一个第二开口3；所述第一开口2与被动区5之间的连接部设为第一搭载梁6，所述第二开口3与主动区4之间的连接部设为第二搭载梁7，且第一搭载梁6与第二搭载7梁之间相并行连接。

基于上述结构，所述本体1为一体式结构，在本体1上设有并行连接的一根第一搭载梁6和一根第二搭载梁7，由于第一搭载梁6、第二搭载梁7的两端均固定连接，则本实施例所述的热双金属拉压一体式驱动器可称之为固支式拉压一体驱动器。

由于第一搭载梁6所用材料的热膨胀系数大于第二搭载梁7所用材料的热膨胀系数，当对热双金属拉压一体式驱动器进行加热时，第一搭载梁6与第二搭载梁7会共同朝向第二搭载梁7的一侧弯曲，并且在第一搭载梁6与第二搭载梁7的中部弯曲的幅度最大，从而在第一搭载梁6与第一开口2上相对所述第一搭载梁6的侧壁之间构成一个拉伸驱动位置8，在第二搭载梁7与第二开口3上相对第二搭载梁7的侧壁之间构成一个压缩驱动位置9；因而，可在拉伸驱动位置8搭载样品进行样品的拉伸实验，也可在压缩驱动位置9搭载样品进行样品的压缩实验。

在将热双金属拉压一体式驱动器装入加热样品杆并放入透射电镜中后，即可在热场环境下根据热双金属拉压一体式驱动器自身的受热形变特性，实现对搭载的样品进行拉伸/压缩实验，并基于透射电镜进行实时观察样品的力学特性。

与此同时，本实施例所述的热双金属拉压一体式驱动器的本体1为一体式结构，可实现在双金属料板上进行批量制备，制备方便，并且成本低廉，在制备过程中无需胶粘，可用于较高温度，同时安装至加热样品杆上时不易变形，这样不会对搭载的样品造成损坏。

进一步的，为了实现热双金属拉压一体式驱动器基于透射电镜具有较好的双轴倾转功能，本实施例中将本体1设计呈圆形片结构(也可设计呈半圆形片结构)；为了确保第一搭载梁6与第二搭载梁7在受热的情况下实现较好的弯曲形变，将第一开口2与第二开口3均设计呈条形结构，且将第一开口2与第二开口3相互平行布置。

进一步的，为了便于在拉伸驱动位置8和压缩驱动位置9分别实现对样品的搭载，本实施例在第一开口2上相对第一搭载梁6中部的侧壁上设有第一搭载端12，在第二开口3上相对第二搭载梁7中部的侧壁上设有第二搭载端13；另外，由于在第一搭载梁6和第二搭载梁7的中部均具有最大的弯曲幅度，从而本实施例在第一搭载梁6的中部与第一搭载端12之间搭载样品并进行拉伸实验时，能够获得最大的拉伸位移，同时在第二搭载梁7的中部与第二搭载端13之间搭载样品并进行压缩实验时，能够获得最大的压缩位移。

实施例2，

参见图2，本实施例基于实施例1，其区别之处在于，本实施例中第一开口2与第二开口3的其中一个同侧端通过连接通道11相连通，且第一开口2、第二开口3分别与连接通道11相垂直；在第一开口2的侧壁上设有相对第一搭载梁6布置的第三搭载端14，在第二开口3的侧壁上设有相对第二搭载梁7布置的第四搭载端15，且第三搭载端14与第四搭载端15分别靠近连接通道11的两端布置。

由图2可知，本实施例中所述本体1呈圆形片结构，设置在本体1内的连接通道11，将第一搭载梁6与第二搭载梁7均设为悬臂式结构，其中，第一搭载梁6与第二搭载梁7远离各自的固定侧的一端设为悬持端；由于第一搭载梁6的热膨胀系数大于第二搭载梁7的热膨胀系数，当第一搭载梁6与第二搭载梁7在受热时，会共同朝向第二搭载梁7的一侧弯曲，从而在第一搭载梁6的悬持端与第三搭载端14之间构成一个拉伸驱动位置8，在第二搭载梁7的悬持端与第四搭载端15之间构成一个压缩驱动位置9，从而本实施例所述的热双金属拉压一体式驱动器可称之为悬臂式拉压一体驱动器。

另外，由于第一搭载梁6与第二搭载梁7均设为悬臂式结构，则本实施例相对于实施例1而言，在其拉伸驱动位置8和压缩驱动位置9分别可获得较大的拉伸位移与压缩位移。

实施例3，

参见图3，本实施例基于实施例1，其区别之处在于，在第一开口2内设有第三搭载梁16和第五搭载端17、第六搭载端18；第三搭载梁16为横向搭载梁和纵向搭载梁构成的“t”形结构，且第五搭载端17与第六搭载端18相对布置在所述纵向搭载梁的两侧，所述纵向搭载梁与第一搭载梁6的中部垂直连接。

由图3可知，本实施例所述的本体1呈圆形片结构，所述的第一搭载梁6、第二搭载梁7的两端均固定连接，并且由于第一搭载梁6的热膨胀系数大于第二搭载梁7的热膨胀系数，当对热双金属拉压一体式驱动器进行加热时，第一搭载梁6与第二搭载梁7会共同朝向第二搭载梁7的一侧弯曲，并在第一搭载梁6与第二搭载梁7的中部弯曲的幅度最大。

由于第三搭载梁16的纵向搭载梁与第一搭载梁6的中部垂直连接，则此时第三搭载梁16会随着第一搭载梁6一起向着第二搭载梁7的一侧移动，从而第一搭载梁6相对于第五搭载端17、第六搭载端18均会发生远离，即在第五搭载端17、第六搭载端18与第一搭载梁6之间分别可设置一个拉伸驱动位置8；

与此同时，第三搭载梁16上横向搭载梁的两端均会靠近第五搭载端17、第六搭载端18，则第五搭载端17、第六搭载端18与横向搭载梁的两端均可设置一个压缩驱动位置9；

另外，第三搭载梁16上的纵向搭载梁在垂直于第五搭载端17、第六搭载端18的连线方向会发生朝向第二搭载梁7的移动，即第五搭载端17、第六搭载端18与第三搭载梁16的纵向搭载梁之间均可设置一个弯曲驱动位置10。

由上可知，本实施例所述的热双金属拉压一体式驱动器具有两个拉伸驱动位置、两个压缩驱动位置和两个弯曲驱动位置，并且本实施例所述的第一搭载梁6和第二搭载梁7的两端均为固定式结构，而第三搭载梁16上横向搭载梁的两端均设为悬臂式结构，从而本实施例所述的热双金属拉压一体式驱动器构成了一个固支/悬臂式拉压弯一体驱动器。

实施例4，

本实施例基于上述实施例1-3，具体提供了一种热双金属拉压一体式驱动器的制备方法，包括：

s1，制备第一板料19和第二板料20，其中，第一板料19和第二板料20结构相同，且均为方形板，第一板料19和第二板料20的厚度根据实际需求进行设定，第一板料19所用材料的热膨胀系数大于第二板料20所用材料的热膨胀系数，参见图4；

s2，对第一板料19与第二板料20分别进行表面处理，将经过表面处理后的第一板料19与第二板料20沿竖直方向进行交替叠放，并采用轧制或扩散焊方法使各层板料相互间结合为一体，构成中间料样模组21，参见图5，应当指出的是，该步骤应保证各层板料间的结合强度足以承受s3-s4的切割、刻蚀和应用时的升温，同时应尽量保持各层板料的平直，以方便后续尺寸测量和切割/刻蚀加工版图的绘制；

s3，对所述中间料样模组21沿着竖直方向进行切割，以得到双金属料板22，参见图6，双金属料板22由主动区4和被动区5交替布置而成；由于任何切割方式均会降低切面附近的结合强度，在选择切片厚度时应将两侧受影响区考虑在内，预留出足够未影响区，从而在切割完成后需要对双金属料板22沿竖直方向的两侧边进行砂纸打磨，以消除受影响区，并对双金属料板22的切割端面(未影响区)进行表面处理(抛光)；

s4，在所述双金属料板22上排版与所述热双金属拉压一体式驱动器结构相对应的加工版图23，参见图7；通过采用激光切割、离子束刻蚀或等离子体刻蚀加工的方式沿着所述加工版图23进行剪切加工，切割精度≤±20μm并以此批量释放得到热双金属拉压一体式驱动器，参见图8；其中，图8所示的结构为本发明实施例1所描述的固支式拉压一体驱动器。

进一步的，本实施例中第一板料19与第二板料20均采用非磁性材料，以便成品在实验中不会对透射电镜电子束造成影响；另外，应当指出的是，第一板料19与第二板料20的选择不限于单体金属或合金材料，只要第一板料19与第二板料20制备的双金属料板22满足本发明产品的功能需求(热膨胀特性及其力学特性)即可，为了便于介绍本发明所述的方案，在本发明中仍沿用热双金属拉压一体式驱动器这一概念。

进一步的，本实施例中所述双金属料板22的厚度为50～200μm，以便在tem原位力学实验中与tem样品杆相配合；由步骤s1-s4制备得到的热双金属拉压一体式驱动器的本体直径为2.5～3.5mm。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。