[发明专利]一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台

说明书

技术领域

本发明属于纳米操作设备领域，更具体地，涉及一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台。

背景技术

目前，纳米技术高速发展，并对制造、信息、生物、医学、能源、环境、宇航等高科技领域产生深远的影响。纳米材料操控，对于纳米材料机电性能测试、基于纳米材料的纳米制造等具有重要意义。根据现有文献资料，目前通常使用微纳表征测量设备，例如原子力显微镜、半导体测量仪等来对纳米材料执行撷取、放置、电性测量、组装等多种操控。

然而，进一步的研究表明，上述微纳表征测量设备在对纳米材料进行操作时至少存在以下的缺陷或不足：第一、现有的表征测量设备只能对特定样品进行部分参数表征测量，其对纳米材料的操控应用范围有限，不能同时实现多种操控动作，例如原子力显微镜可以测量微纳结构的表面形状参数，但不能对纳米材料进行组装；第二、表征测量设备的使用比较繁复，需要对使用人员进行专业培训，有些甚至需要对样品进行预先处理制备，例如半导体测量仪使用前需对样品进行溅镀或者蒸镀导电电极等预处理；第三、不能实现视觉监控下的操作，效率很低；第四、表征测量设备的购买、维护费用昂贵，工作环境对温度、湿度、震动等要求颇高，日常使用所需耗材所费巨大；而且尽管现在某些微纳表征测量设备可以充当纳米操作仪器，但是由于它们的设计功能并不在纳米操作上，所以在工作效率、可实现功能等多个方面仍难以满足实际需求。相应地，相关领域亟需开发出功能更为完善的纳米材料操作台，以便有效解决以上问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台，其中结合纳米材料操控自身的应用特点，来对纳米操作台关键组件的构造及其设置方式进行设计，相应能够有效克服现有技术中应用范围窄、操作繁复和工作效率低下等问题，同时具备结构紧凑、多自由度灵活操作、高精度和功能强等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适用于纳米材料操控的多自由度纳米操作台，其特征在于，该多自由度纳米操作台安装在扫描电子显微镜的真空腔内，并包括底座、Z向位移台、XY向位移台和纳米操作臂，其中：

所述Z向位移台沿着竖直方向设置在底座上，并包括通过滚珠导轨彼此连接的固定部件和移动部件，其中固定部件与底座保持相连，用于对整个操作台进行支撑；移动部件上直接安装有Z向直线驱动电机，且在该电机驱动下使移动部件沿着Z轴方向移动；此外，移动部件的顶部与固定部件的底部之间设置有复位弹簧，由此实现Z向位移台在Z轴方向上的往复直线运动；

所述XY向位移台通过L形连接板沿着水平方向设置在Z向位移台的移动部件上，并包括通过滚珠导轨彼此并联滑动连接的第一并联部件、第二并联部件和第三并联部件，其中第一并联部件与Z向位移台的移动部件保持相连，用于对整个XY向位移台进行支撑，并直接安装有Y向直线驱动电机；第二并联部件与Y向直线驱动电机的转子直接相连，并直接安装有X向直线驱动电机；第三并联部件与X向直线驱动电机的转子相连，并直接安装有旋转运动驱动电机，由此在X向、Y向直线驱动电机各自的驱动下，第二、第三并联部件相对于第一并联部件可同时沿X轴、Y轴方向运动，并在旋转运动驱动电机的驱动下实现竖直平面内的旋转运动；此外，所述第一、第二和第三并联部件之间分别设置有复位弹簧，由此实现XY向位移台在X轴和Y轴方向上的往复直线运动；

所述X向、Y向和Z向直线驱动电机的直线运动最小分辨率被设定为30nm，所述旋转运动驱动电机的旋转运动最小分辨率被设定为1mrad、最大运动速度为1.2毫米/分钟，并且所有驱动电机均可在10^-6Pa的真空真空环境下工作；

所述纳米操作臂设置在所述第三并联部件上，由此实现X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动；或者设置在所述旋转运动驱动电机上，由此实现X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动以及垂直平面内的旋转运动。

作为进一步优选地，所述XY向位移台的台面尺寸优选为25×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，直线移动俯仰角30″，直线移动左右摆动25″。

作为进一步优选地，所述Z向位移台的台面尺寸优选为25×25mm，行程为±3mm，并且移动精度包括以下参数：直线度0.002mm，移动平行度0.02mm。

作为进一步优选地，所有的驱动电机优选各自具有两路控制信号输入端，其中一路为接地端；此外，所有驱动电机的控制信号接地端被串联为一路，旋转运动驱动电机的两路控制信号输入端设计为排针排母式。