一種掃描電鏡原位觀察的全柔性三平移混聯微動裝置的製作方法

2023-12-11 17:55:12 2

專利名稱：一種掃描電鏡原位觀察的全柔性三平移混聯微動裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用全柔性混聯機構組合壓電陶瓷微驅動系統的用於 掃描電鏡原位觀察的三平移微動裝置，屬於材料結構與性能原位測試領域。
背景技術：
在工程材料領域，高性能微納磁性材料和磁性信息記錄材料等的研究一直 是熱點，使用掃描電鏡觀察材料被劃痕處理後的斷裂性能、摩擦性能等的技術 是研究材料常用手段之一。但目前掃描電鏡只能觀察到材料裂紋擴展後或材料 相互摩擦後的靜態顯微景像，比如可以看到材料裂紋沿晶界擴展後的顯微景 像，材料相互摩擦後的摩擦面，而對材料劃痕過程的動態性能變化，比如材料 的相變(一些材料的相變過程很快，易被氧化)、裂紋在相中的擴展等動態過程， 卻無法觀察，最根本的原因是掃描電鏡存放材料樣品的真空試樣室太小， 一般
只有025mm——050ram左右，無法將普通的劃痕系統放置其中，只有在外面劃 痕處理後，再靜態放置在掃描電鏡中，很多劃痕過程中產生的動態信息產生流 失。對於一些高性能磁性材料，比如微納磁性材料、磁性信息記錄材料等， 劃痕時產生的動態相變過程是記錄其對力及電信號反應的關鍵性能之一，只有 在劃痕過程中原位觀察。因此，研究工程材料領域中掃描電鏡真空試樣室用的 能夠實現材料原位觀察的微動機械系統具有十分重要的研究意義及工程應用前 景。材料原位觀察的微動機械系統是一種典型的高精度微動機構，在電鏡室中 要實現金剛石顯微壓頭在材料試樣表面至少兩個方向或多個方向的微量移動， 與此同時通過高倍目鏡觀察記錄材料的顯微動態性能變化，因而材料原位觀察 的微動機械系統是一種多自由度運動輸出的微動機構。由於掃描電鏡存放材料樣品的試樣室是真空的，這種多自由度微動機械系統若利用傳統機械平臺進行 微小化來處理，由於傳統機械由大量零件組成，相互運動的零件間需要潤滑，
普通潤滑劑易在真空環境揮發產生汙染，這是不允許的；即使利用傳統機械平
臺進行微小化來獲得此種微動機械系統高精密運動、動力輸出，由於傳統機械
自身的固有缺陷(比如傳統機械是多種大量零件的安裝組合，不可避免的產 生各種誤差的積累，其誤差的量級已經超出了高精密微細運動的精度量級，甚 至運動範圍。)，已不能滿足如此的高精密要求。 發明內容
本實用新型的目的是提供一種掃描電鏡原位觀察的全柔性三平移混聯微動 裝置，能夠解決現有技術中潤滑劑產生汙染以及不能滿足高精密要求的技術缺 陷。
本實用新型所要解決的技術問題是通過如下技術方案實現的它包括底座、 樣品臺、顯微壓頭支架以及壓電陶瓷微驅動器，顯微壓頭支架位於樣品臺上方， 所述的全柔性三平移混聯微動裝置由二自由度的全柔性平面並聯機構與單自由 度的全柔性機構串聯一起組成混聯機構，二自由度的全柔性平面並聯機構為X、 y向微動平移結構，單自由度的全柔性機構為Z向微動平移結構。
本實用新型所述的x、 y向微動平移結構由x、 y向底座、樣品臺、壓電陶 瓷微驅動器以及柔性杆組成，四個柔性杆連接樣品臺與x、 y向底座，在樣品臺 與x、 y向底座之間設有兩個可以分別x、 y向微動的壓電陶瓷微驅動器；所述 的z向微動平移結構由z向底座、動平臺、壓電陶瓷微驅動器以及具有柔性鉸 鏈的柔性支鏈組成，四個具有柔性鉸鏈的柔性支鏈連接動平臺與z向底座，在 動平臺與z向底座之間設有一個可以z向微動的壓電陶瓷微驅動器；x、 y向微動平移結構的x、 y向底座與Z向微動平移結構的動平臺剛性連接。
本實用新型採用柔性機構(械)加串並聯機構來解決高精密三平移運動要 求。柔性機構是一種通過構件或柔性運動副的彈性變形(柔性)來輸出的全部 或部分運動或力的機構。柔性機構中由於沒有剛性運動副，靠構件自身的柔性 (彈性變形)來實現運動，因而可以無需潤滑，不會引入潤滑劑揮發產生的汙 染，滿足了材料原位觀察的微動機械系統試樣室的苛刻要求，還可避免振動衝 擊、摩擦磨損等缺陷；另外，該微動裝置由於擯棄了傳統機械多種大量零件的 安裝組合方式，避免了測試過程各種誤差的積累，能夠滿足高精密要求。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明

圖1所示為本實用新型的主視圖 圖2所示為本實用新型的俯視圖
圖3所示為本實用新型的左視圖
圖4所示為本實用新型中x、 y向微動平移結構的主視圖 圖5所示為本實用新型中x、 y向微動平移結構的俯視圖 圖6所示為本實用新型中z向微動平移結構的主視圖 圖7所示為本實用新型中z向微動平移結構的俯視圖具體實施方式
如圖所示，本實用新型包括底座1、 2、樣品臺3、顯微壓頭支架4以及壓 電陶瓷微驅動器5a、 5b、 5c，顯微壓頭支架4位於樣品臺3上方，可以緊固安 裝在底座1上，如圖螺釘7將顯微壓頭支架4安裝在底座1上，顯微壓頭可以採用金剛石顯微壓頭。所述的全柔性三平移混聯微動裝置由二自由度的全柔性 平面並聯機構與單自由度的全柔性機構串聯一起組成混聯機構，二自由度的全
柔性平面並聯機構為x、 y向微動平移結構，單自由度的全柔性機構為Z向微動 平移結構。所述的x、 y向微動平移結構由x、 y向底座2、樣品臺3、壓電陶瓷 微驅動器5a、 5b以及柔性杆8組成，四個柔性杆8連接樣品臺3與x、 y向底 座2，在樣品臺3與x、 y向底座2之間設有兩個可以分別x、 y向微動的壓電陶 瓷微驅動器5a、 5b;所述的z向微動平移結構由z向底座l、動平臺9、壓電陶 瓷微驅動器5c以及具有柔性鉸鏈的柔性支鏈10組成，四個具有柔性鉸鏈的柔 性支鏈10連接動平臺9與z向底座1，在動平臺9與z向底座1之間設有一個 可以z向微動的壓電陶瓷微驅動器5c; x、 y向微動平移結構的x、 y向底座2 與z向微動平移結構的動平臺9剛性連接，可以採用如圖螺釘6的剛性連接方 式。
圖4、圖5所示為x、 y向微動平移結構。其樣品臺3的平面運動靠四個柔 性杆8在兩個壓電陶瓷驅動器5a、 5b的驅動下的彈性變形來實現。兩個壓電陶 瓷驅動器5a、 5b各自驅動樣品臺3實現x向、y向微動移動。
圖6、圖7為z向微動平移結構。其動平臺9通過四個柔性支鏈10兩端的 柔性鉸鏈的微運動實現z向微動。x、 y向微動平移結構的x、 y向底座2與z 向微動平移結構的動平臺9剛性連接，從而可以使樣品臺3也實現z向微動。
這樣樣品臺3就具有X、 Y、 Z三個方向微動移動功能。若將顯微壓頭支架 4壓在樣品臺3上的樣品上，通過驅動三壓電陶瓷驅動器5a、 5b、 5c，即可在 樣品上實現三平移的微劃痕。將整個系統放置在掃描電鏡樣品室中，即可實現 材料試樣的原位觀察。在本實用新型中，對柔性杆以及具有柔性鉸鏈的柔性支鏈數目的變化，都 應被認為落入了本實用新型的保護範圍。
權利要求1、一種掃描電鏡原位觀察的全柔性三平移混聯微動裝置，包括底座、樣品臺、顯微壓頭支架以及壓電陶瓷微驅動裝置，顯微壓頭支架位於樣品臺上方，其特徵在於所述的全柔性三平移混聯微動裝置由二自由度的全柔性平面並聯機構與單自由度的全柔性機構串聯一起組成混聯機構，二自由度的全柔性平面並聯機構為x、y向微動平移結構，單自由度的全柔性機構為z向微動平移結構。
2、 根據權利要求1所述的一種掃描電鏡原位觀察的全柔性三平移混聯微動裝置， 其特徵在於所述的x、 y向微動平移結構由x、 y向底座、樣品臺、壓電陶瓷 微驅動器以及柔性杆組成，四個柔性杆連接樣品臺與x、 y向底座，在樣品臺 與x、 y向底座之間設有兩個可以分別x、 y向微動的壓電陶瓷微驅動器；所 述的z向微動平移結構由z向底座、動平臺、壓電陶瓷微驅動器以及具有柔性 鉸鏈的柔性支鏈組成，四個具有柔性鉸鏈的柔性支鏈連接動平臺與z向底座， 在動平臺與z向底座之間設有一個可以z向微動的壓電陶瓷微驅動器；x、 y 向微動平移結構的x、 y向底座與z向微動平移結構的動平臺剛性連接。
專利摘要本實用新型公開了一種掃描電鏡原位觀察的全柔性三平移混聯微動裝置。它包括底座(1、2)、樣品臺(3)、顯微壓頭支架(4)以及壓電陶瓷微驅動器(5a、5b、5c)，顯微壓頭支架(4)位於樣品臺(3)上方，所述的全柔性三平移混聯微動裝置由二自由度的全柔性平面並聯機構與單自由度的全柔性機構串聯一起組成混聯機構，二自由度的全柔性平面並聯機構為x、y向微動平移結構，單自由度的全柔性機構為z向微動平移結構。採用上述結構的實用新型，不會引入潤滑劑揮發產生的汙染，還可避免振動衝擊、摩擦磨損等缺陷；另外，避免了測試過程各種誤差的積累，能夠滿足高精密要求。
文檔編號G01N19/00GK201373852SQ20082021755
公開日2009年12月30日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者尹小琴, 楊啟志, 楊海波, 馬履中 申請人:江蘇大學