[发明专利]三种工作模式的低温兼容压电纳米位移台

说明书

一种压电纳米位移台，包括水平位移台、z方向位移管、连接零件和样品盘；其中：水平位移台，包括两个压电陶瓷堆、电容传感器和机械放大结构，两个水平位移台通过中间连接板连接，从而具备水平x、y两个方向的扫描能力；z方向位移管，包括压电陶瓷管、绝缘管、升降柱、弯曲弹簧片和蓝宝石片，用于实现所述升降柱的步进上升和步进下降；连接零件，包括绝缘连接器、水平位移台连接器和位移台外壳，用于组装连接z方向位移管和水平位移台；样品盘，包括上样品盘、中样品盘、下样品盘、半球蓝宝石珠、样品盘弹簧片和受压平台；通过这些结构部分的相互连接及相互配合实现样品盘沿z方向的步进上升与步进下降。

技术领域

本发明涉及精密定位与扫描技术领域，尤其涉及一种三种工作模式的低温兼容压电纳米位移台。

背景技术

在扫描探针显微镜中一般采用压电陶瓷驱动的位移台来移动与扫描样品。样品沿xyz方向毫米级的移动可以通过步进的方式实现，即通过位移台“位移-迅速回复”的周期运动使样品依靠自身惯性向目标方向移动。这样的移动方式只适用于样品定位和粗略的大范围扫描。

亚纳米级的高精度局部样品扫描取决于位移台的最大移动范围。在低温环境中，空间狭小，压电陶瓷的压电系数一般降至室温的10％，这两个因素限制了低温位移台的扫描范围。为了扩大局部扫描范围，位移台一般具有包含柔性铰链的机械放大结构，通过柔性铰链的变形放大压电陶瓷的伸长量。柔性铰链的变形包含期望变形和非期望变形，非期望变形会造成压电陶瓷伸长量的浪费，降低扫描范围。

位移台的稳定性是扫描台的另一个重要指标。位移台稳定性的降低会导致显微镜容易受外界振动影响而导致分辨率的降低。提高稳定性需要增大位移台的共振频率，即增大位移台扫描方向的劲度系数，增大扫描方向位移的阻力。这会导致柔性铰链的期望变形减少，非期望变形增多。因此，机械放大结构的放大倍数和稳定性相互制约，一方面的提高总是以另一方面的降低为代价。现有技术中公开了位移台的扫描范围和共振频率相互制约的关系，也公开了两种常见的机械放大结构：杠杆型和桥型。通过有限元模拟这两种结构，发现位移输出方向的阻力增大时，这两种结构的放大率显著降低，压电陶瓷的伸长量有相当的一部分浪费在了铰链的非期望形变上。如何设计机械放大结构以尽量降低柔性铰链的非期望形变，是本专利要解决的问题之一。

原子级扫描有着更高的精度要求。机械放大结构在扩大扫描范围的同时也会扩大由电学噪声带来的影响。因此，原子级扫描一般无法使用机械放大结构，从而只有较小的扫描范围。

传统的位移台一般只具有毫米级定位、亚纳米级扫描、原子级扫描三种工作模式之一。为了同时实现三种工作模式，需要将司职不同功能的位移台叠在一起，但这种组合方式降低了整个系统的共振频率且会占据较大的空间，进而无法同时达到大范围、高精度、高稳定性、低热耗散的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三种工作模式的低温兼容压电纳米位移台，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种压电纳米位移台，包括水平位移台、z方向位移管、连接零件和样品盘；其中：

水平位移台，包括两个压电陶瓷堆、电容传感器和机械放大结构，两个水平位移台通过中间连接板连接，从而具备水平x、y两个方向的扫描能力，其中，水平扫描台的位移方向为x方向，与x方向垂直的在同一水平面内的方向为y方向；

z方向位移管，包括压电陶瓷管、绝缘管、升降柱、弯曲弹簧片和蓝宝石片，用于实现所述升降柱的步进上升和步进下降；

连接零件，包括绝缘连接器、水平位移台连接器和位移台外壳，用于组装连接z方向位移管和水平位移台；

样品盘，包括上样品盘、中样品盘、下样品盘、半球蓝宝石珠、样品盘弹簧片和受压平台；通过这些结构部分的相互连接及相互配合实现样品盘沿z方向的步进上升与步进下降。