用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定性傳感器的製作方法

2023-07-05 22:20:51 3

專利名稱：用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定性傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種定位傳感器，更具體地說，本實用新型涉及一種用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器。
背景技術：
目前，在掃描隧道顯微鏡(STM)上，粗進針步進電機的定位主要依靠壓電陶瓷作傳感器，利用壓電陶瓷的機理來實現的。這種電機主要由壓電陶瓷傳感器、信號放大系統、數據採集系統和微機軟體系統組成。由於用於這種傳感器的壓電陶瓷材料本身價格較高，且國內不能生產，傳感器製作安裝需要專門的技術，再加上精確的前置放大器和微機系統等，造成價格非常昂貴。儘管測量的精度較高，但由於需要專門的設計，許多場合併不適合。且壓電陶瓷本身由於存在退極化和老化等問題，如果使用不當，很容易損壞，而維修非常困難，費用很高。
進一步的，上述步進電機主要用於在宏觀尺度(例如毫米或更大尺度)上移動探針或樣品。在STM的檢測中，經常需要測試和比較多個相距幾十微米甚至幾毫米的特徵點的性質，這些點的典型尺寸一般是幾埃到幾納米。如何從毫米尺度移動探針或樣品，且保證試其定位在原子尺度的特徵點上，是目前一般STM所不具備的功能，由於這一缺陷，將在很大程度上限制了STM在科研中的應用領域。因為STM的掃描管可在幾百納米的範圍內精確定位探針，其精度可好於0.1，因此這個問題可歸結為如何使步進電機在幾毫米的範圍內精確定位，且精度達到幾十納米，從而使宏觀尺度的移動達到原子尺度的精確定位。

發明內容
本實用新型的目的在於現有技術的缺點和不足，可使掃描隧道顯微鏡上步進電機能精確定位，從而提供一種用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器。
為了實現上述目的，本實用新型提供一種用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，該傳感器為至少一個平板型電容器，所述至少一個的電容器包括平行布置的第一極板和第二極板，第一極板和第二極板之間可相對平行移動；所述至少一個電容器的第一極板和第二極板之間的平行移動引起電容值的變化，該電容值的變化與第一和第二極板之間的位移量對應。
所述傳感器包括多個並聯的平板型電容器。所述多個並聯的平板型電容器結構基本一致。所述多個並聯的平板型電容器等間隔布置。所述多個並聯的平板型電容器整體成形，為柵格式結構。
所述至少一個的平板型電容器的第一極板位於步進電機的底座的上表面，該電容器的第二極板位於步進電機的移動塊的下表面。所述的第一極板與步進電機的底座整體成形，所述的第二極板與步進電機的移動塊整體成形。
採用本實用新型的步進電機可通過測量容性定位傳感器的電容值來測量電機的位移量，並在幾毫米的範圍內達到納米尺度的精確定位。由於具備這一特點，能夠使STM從事許多新的極其重要的領域的研究。例如，半導體或金屬材料中的缺陷、雜質等局域態，對材料的性能影響很大，有時甚至決定了材料的輸運性質，象用於製作二極體三極體或集成電路的半導體材料，其輸運性質是由雜質態決定的。因此研究這些局域態的結構、性質極其相互作用以及對整個材料或器件性能的影響，是非常重要的，尤其在微觀尺度上的實驗研究，可直接獲得其微觀結構和相互作用的數據。遺憾的是，許多局域態相距在微米甚至毫米尺度，如何精確地重複觀測兩處，甚至多處局域態，是一般STM所無能為力的，採用本實用新型的步進電機可方便地解決這類問題。另外它還可以用於薄膜生長，可控地在納米尺度移動物體等諸多方面。同時它還具有結構緊湊、適於在低溫下工作的特點。


圖1是本實用新型的容性定位傳感器的結構示意圖；圖2是圖1的容性定位傳感器的側視圖；圖3是採用本實用新型的步進電機的部分結構示意圖；圖4是圖3所示步進電機的縱剖圖；圖5是步進電機控制系統的方框圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述。
在圖1中示出了本實用新型的容性定位傳感器10的結構示意圖，有上極板1和下極板2組成一個電容器，上極板1和下極板2之間可橫向的平行移動。在極板1和2的相對運動過程中，它們所組成的電容器的電容值會發生變化，並且電容值的變化量和極板1和2之間的相對位移量是一一對應的。通過一電子常規的電子測量系統(未示出)讀出該電容值，即可計算出該電容值所對應的極板之間位移量。
為了提高電容器感應的靈敏度，如圖1所示，該電容器可由多個並聯的子電容器組成。在圖1示出的實施例中，本實用新型的容性定位傳感器由八個結構相同的子電容器3組成，這些子電容器等間隔布置，並且子電容器的上下極板分別整體成形為柵格式結構的上極板1和下極板2。
在圖1的容性定位傳感器10的一個應用中，上極板1的長度L1為30毫米，高度H1為4毫米。子電容器3的極板寬度L2為2毫米，厚度H2為2毫米。上極板1和下極板2的間距d為0.4毫米。下極板2與上極板1具有相同的結構，並且相對布置。在圖2中，可進一步看出，該傳感器10具有一定的寬度，在一個應用中，其寬度W為20毫米。
在本實用新型的容性定位傳感器一個典型應用中，可安裝到掃瞄隧道顯微鏡(STM)的步進電機上，以實現步進電機的精確定位。如圖3所示，該步進電機20包括一U型底座4，底座4內設置一移動塊5，該移動塊5可沿著底座4內側壁上的導軌6在U型槽內平移。底座4的外側壁上設有彈簧螺絲7，用於調整移動塊5與底座4內側壁之間的壓力。在移動塊5和底座4的底部之間設有本實用新型的容性定位傳感器10。該傳感器10的結構與圖1所示結構基本相同，為平板型電容器。
該傳感器10的下極板2(圖1)設於步進電機的底座4底部的上表面，而上極板1(圖1)設於步進電機的移動塊5的下表面。作為一種優選的實施方式，下極板2最好與步進電機的底座4整體成形，而上極板1與步進電機的移動塊5整體成形。這一點在圖4中看得更清楚。
此外，如圖3所示，和常規的掃瞄隧道顯微鏡上的步進電機一樣，在移動塊5和底座4的內側壁之間還設有壓電陶瓷腿8，通過電壓信號激勵該壓電陶瓷腿8，從而驅動移動塊5。
移動塊5和底座4之間的相對運動導致本實用新型的容性定位傳感器10的電容值的變化。如圖5所示，操作時，操作者通過微機提供的人機界面向電子系統發送控制信號，這些信號包括，通知步進電機向那個方向走，走幾步及步長是多少，然後電子系統將該信號轉換為高壓驅動信號，通過壓電陶瓷驅動電機運動。同時電子系統通過數據採集模塊獲得移動塊5和底座4之間位移信號(在本實用新型中即為電容值)，並將該信號反饋到微機中，由微機處理該信號獲得位置信息，同時調整步幅以實現精確移動。
權利要求1.一種用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，其特徵在於，該傳感器為至少一個平板型電容器，所述至少一個的電容器包括平行布置的第一極板和第二極板，第一極板和第二極板之間可相對平行移動；所述至少一個電容器的第一極板和第二極板之間的平行移動引起電容值的變化，該電容值的變化與第一和第二極板之間的位移量對應。
2.根據權利要求1所述的用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，其特徵在於，所述傳感器包括多個並聯的平板型電容器。
3.根據權利要求2所述的用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，其特徵在於，所述多個並聯的平板型電容器結構基本一致。
4.根據權利要求2所述的用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，其特徵在於，所述多個並聯的平板型電容器等間隔布置。
5.根據權利要求1所述的用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，其特徵在於，所述多個並聯的平板型電容器整體成形，為柵格式結構。
6.根據權利要求1所述的用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，其特徵在於，所述至少一個的平板型電容器的第一極板位於步進電機的底座的上表面，該電容器的第二極板位於步進電機的移動塊的下表面。
7.根據權利要求6所述的用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器，其特徵在於，所述的第一極板與步進電機的底座整體成形，所述的第二極板與步進電機的移動塊整體成形。
專利摘要本實用新型公開了一種用於掃描隧道顯微鏡的步進電機的容性定位傳感器。該傳感器為至少一個平板型電容器，該至少一個的平板型電容器的第一極板位於步進電機的底座的上表面，該電容器的第二極板位於步進電機的移動塊的下表面。採用本實用新型的步進電機可通過測量容性定位傳感器的電容值來測量電機的位移量，並在幾毫米的範圍內達到納米尺度的精確定位。
文檔編號G01D5/24GK2709942SQ20032010312
公開日2005年7月13日 申請日期2003年11月7日 優先權日2003年11月7日
發明者梁學錦, 陳東敏, 薛其坤 申請人:中國科學院物理研究所