[实用新型]精密二维宽范围弹性扫描工作台

说明书

本实用新型属于纳诺技术中精密测量、加工技术，为一种用于高精密显微镜，如扫描隧道显微镜、扫描超声显微镜、扫描电子显微镜以及各种高精密加工设备等要求有二维较宽范围运动的精密扫描工作台。

由于微细加工、微电子技术、光电技术和纳诺技术的发展，要求STM（或AFM）不单具有原子级的分辨率，而且要求有宽范围的扫描测量性能。近年来，国内外均对宽范围STM技术开展了大量的研究，例如，日本林正和等研究的宽范围STM采用双层压电晶片的结构，其扫描范围达60μm×200μm，其不足是双层压电晶片不宜驱动大的负荷，美国马里兰洲国家标准技术中心研究的一台宽范围STM，其扫描工作台为二维工作台，由弹性铰支组成，扫描范围为500μm×500μm，其不足之处是X－Y弹性工作台为单点支承，其扫描频率较低（约47Hz），国内研制的宽范围STM用两个压电晶体驱动探头来实现扫描，其工作台只用于寻找视场。例如华中理工大学研制的二维弹性工作台由4筋支承，其扫描范围达20μm×20μm，频率响应可达1KHz。

本实用新型的目的是为了保证在有足够高的刚度条件下实现宽范围扫描，以提高扫描的频率和测量的效率及精度，防止刚性太低而引起的颤振，而设计一种高刚度的二维宽范围弹性工作台。

本实用新型采用柔性铰支弹性传动原理，利用四支承筋的弹性工作台刚性强的优点，在此基础上加上二级传动放大杠杆，由压电微位移器驱动，从而实现无噪声、无摩擦、无发热的高刚度的范围扫描。

本实用新型的构成要点在于，在经过处理的弹性材料板材1上加工出槽和缝，其槽和缝形成n级（n＝1，2，3……）杠杆和工作台2，每一个杠杆均有弹性支承点a，力作用点b和端点c，并且每一级杠杆的端点c均与下一级力作用点b相连，为下一级杠杆提供作用力；在第一级杠杆的力作用点b上安置有一个作用力源3；在第n级杠杆的端点c处有由四支承筋A、B、C、D所支承的弹性工作台2，在四支承筋A、B、C、D所支承的弹性工作台2的两边，还可增设能保证传递工作台2运动精度，提高柔性和保证平衡的弹性铰支d、d′、e、e′、f、f′、g、g′。在X轴坐标的工作台2中，旋转90°设置有依上述相同原理所构成的Y轴n级杠杆成工作台2，X轴、Y轴坐标的杠杆及工作台共同构成二维弹性扫描工作台。

利用本实用新型所说的技术，只要在制造时，适当设计弹性支承点与力作用点以及端点之间的距离和所需的级数，就可方便地达到所需调节的范围要求。其工作原理是利用第一级杠杆力作点b上安置的压电微位移器作为作用力源3，通过杠杆逐级传递，从而起到调整某一坐标系中的工作台2的位移。工作台2上的四支承筋铰支d、d′、e、e′、f、f′、g、g′的设计可以良好地保证工作台2的运动精度，增强平衡，防止颤动。

本实用新型的优点在于，由于采用了四支承筋的工作台，大幅度地提高了刚性，从而可提高测量时扫描的频率和效率，提高工作稳定性，实现了高刚度的宽范围扫描测量。

附图1：精密二维宽范围弹性扫描工作台原理图；

附图2：支承点均在端部的精密二维宽范围弹性扫描工作台；

附图3：可用作任何一维的，支承点均在中部的二级杠杆宽范围弹性扫描工作台原理示意图；

附图4：可用作任何一维的，支承点在端部和中部的二级杠杆宽范围弹性扫描工作原理示意图。

利用本实用新型所述的原理，可实现n级（n＝1，2，3……）放大或缩小的精密宽范围弹性扫描工作台。附图1给出的是X轴三级杠杆放大，Y轴两级杠杆放大的弹性扫描工作台的原理图。附图2a）、b）是本实用新型的某具体实施例，在每一坐标的工作台2的上下两边均有8个柔性铰支构成的支承筋A、B、C、D，Y坐标系为X坐标系翻转90°并适当缩小尺寸后安置于X轴的工作台2之中，在每一坐标系中的第一级力作用点b处均有力作用源3。附图3和附图4给出了支承点a位于力作用点b外，或力作用点b与端点c之间的，可用于本实用新型所说的技术中任一维坐标的杠杆及工作台设计原理图。

无论采用哪种结构形式，其每一杠杆的各个力点或支承点，以及工作台的各支点所用的弹性铰支，最好被加工成圆弧切口形式。