[发明专利]三或四压电体并行推进的步进器及其扫描探针显微镜镜体

说明书

技术领域

本发明涉及压电步进器，特别涉及一种由三或四压电体并行推进的步进器以及用其制成的扫描探针显微镜镜体，属于压电定位器技术领域。

背景技术

同时拥有纳米级定位精度、毫米级大行程、从超低温到高于室温的大工作温区、大驱动力、小尺寸、结构简单牢固和控制简单可靠的定位器是现今精密测量、纳米器件加工、原子/分子操纵、乃至亚原子结构成像所梦寐以求的定位工具，特别是在超低温和超强磁场等极端物理条件下的纳米科学研究领域就更离不开这样的理想定位装置。例如：超低温条件一般只能在很小的空间内获得，该条件下的原子成像与操纵就必须使用微型的大工作温区步进器来对探针或样品定位。又如：在商业有售的52毫米孔径20特斯拉超强磁体中建造样品能相对于磁场方向做任意角度旋转的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，简称STM)就需要微型、结构牢固且有大驱动能力的步进器，否则难以在小空间内进行全方位(特别是在需要克服重力的垂直方向)探针-样品粗逼近(coarse approach)。但真正的理想定位器尚未面世，这也是为什么国际上至今尚无人能够制造出可在52毫米孔径20特斯拉超强磁体中任意旋转样品的STM，虽然这种STM非常重要，能揭示出磁场方向与样品晶格方向间的重要效应。实现上述理想定位器的最大难点在于：尺寸小、结构简单牢固、驱动力大和工作温区大四者难以兼得。例如：惯性压电步进器虽然体积小，工作温区大，结构简单，但结构不牢固，且驱动力小，难以以任意角度驱动较重样品。

又如：美国专利号3902084和3902085描述的尺蠖步进器，原理是：左、中、右三个压电体一字连接并有一轴杆从它们中间穿过。在各自信号的作用下，左压电体先握紧轴杆而右压电体不握，接着中压电体伸长并推动左压电体连同其紧握的轴杆一起远离右压电体，然后右压电体握紧轴杆而左压电体不握，进而中压电体收缩将左、右压电体拉近，轴杆相对于中压电体就向左移动一步，如此往复可向左步进。也可改变压电体信号顺序而反向推动轴杆。尺蠖步进器的推进要靠压电体轮流握紧和不握轴杆，就不能在大温区内工作，因为轴杆和压电体的热胀冷缩不匹配且压电体的伸缩范围只有微米量级，致使压电体在温差大时会出现因握力过小而打滑或过大而碎裂。此外，所述三压电体的一字排列也使得其尺寸增加，非常不利于极端条件和微弱信号场合的应用。

国际专利号WO 93/19494描述的剪切压电步进器可解决尺蠖步进器工作温区窄的缺陷，其原理为：若干剪切压电体被弹力压靠在待移物体表面将其夹住。若某一剪切压电体被通以信号产生切向形变，它在待移物体上的接触面就沿切向滑移，但不会移动待移物体，因为单个压电体产生的摩擦力不足以克服其余多个压电体的总摩擦力。故可依次一个个地使所有剪切压电体朝同一方向滑离原接触点，而待移物体仍保持原位。当所有剪切压电体上的信号同时撤销(形变复原)，就会对待移物体产生相同方向(形变复原方向)的摩擦力，使其沿该方向移动一步。如此往复可让待移物体步进。因剪切压电体都通过长作用范围的弹力夹住待移物体而非以应力直接去夹，故在大温差时也不会在压电体和被夹物体间产生过大或过小的夹力，压电体不会碎裂。但剪切压电步进器也有重大缺陷：各压电体是分开的，不利于一体化和小空间应用；剪切压电材料的切向驱动力一般较小，也难产生较大的移力。

本发明将提出一种较理想的定位器，能解决上述缺陷，并能实现在小空间中可任意旋转样品的STM。

发明内容

为了解决现有纳米精度步进器不能同时具有尺寸小、结构简单牢固、驱动力大和工作温区大的问题，提供一种三或四压电体并行推进的步进器以及用其制成的能在小空间中工作的扫描探针显微镜镜体。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明一种三压电体并行推进的步进器，其结构特点在于：包括三个压电体、基座、滑块，其特征是所述三个压电体以三角形排布和伸缩方向平行的设置固定站立于基座上，设置与三个压电体在伸缩方向上为滑动配合的滑块，在垂直于三个压电体伸缩方向上设置将三个压电体的自由端与滑块相压的正压力，在这三个正压力对滑块产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。

本发明三压电体并行推进的步进器的结构特点也在于：

所述滑块通过滑块自身的弹性和/或三个压电体的弹性和/或增设弹性体与三个压电体自由端相压。

所述三个压电体皆呈沿圆管轴向剖开的三分之一圆管形，它们围合成一个圆管形固定站于圆环形基座上，构成圆管三压电体结构。

所述三个压电体为整体设置，或所述三个压电体和基座四者为整体设置。