具体实施方式

本发明的压电纳米位移台属于精密定位与扫描技术领域，可用于扫描探针显微镜等精密仪器中移动与扫描样品。

具体的，本发明公开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。

其中，所述水平位移台包括内圈和外圈，水平位移台的工作方式为内圈固定，外圈相对内圈移动；内圈中含有四个M2螺丝孔，外圈中含有四个M2螺丝孔通孔，用于固定和连接。

其中，所述内圈中有两个长方形空位用于放置压电陶瓷堆，内圈的中心部分通过两个M3螺丝和外圈相连，将内圈中心部分x方向的位移传递给外圈；内圈相应的一侧开有两个孔，供两个M3螺丝穿过。

其中，所述水平位移台总共三对弹簧片，用于连接内圈和外圈，提高稳定性，提高水平位移台的共振频率。

其中，所述水平位移台的外圈上分布有圆形的孔洞，使水平位移台的总质量降低，从而提高位移台的共振频率。

其中，所述水平位移台通过电容位移传感器实现闭环控制，从而达到亚纳米级的精度；

所述水平位移台总共有四个圆柱形的空间，用于嵌入z方向位移管。

其中，所述压电陶瓷管内部套着陶瓷加工的光滑绝缘管；绝缘管内壁三个互成60°的平面上各粘有蓝宝石片；弹簧片弯曲后卡在升降柱的凹槽内；弯曲弹簧片和一个蓝宝石片相切，另外两个蓝宝石片和升降柱相切；通过摩擦力，升降柱被三个蓝宝石片夹持。

其中，直接在所述压电陶瓷管上施加电压使压电陶瓷管沿z方向伸长或沿水平方向剪切形变，剪切形变用于原子级精度的扫描。

其中，所述位移台外壳的顶面与水平位移台内圈固定，水平位移台连接器分别与上层水平位移台的外圈和下层水平位移台的内圈固定，下层水平位移台的外圈与绝缘连接器固定；4个z方向位移管固定在绝缘连接器上，并穿过两个水平位移台和外壳上相应的孔洞；z方向位移管的顶部通过升降柱上的螺丝孔与样品盘固定。

其中，所述上样品盘和中样品盘分别包括xy相互正交的导向槽，下样品盘和中样品盘的上表面分别固定有三个半球蓝宝石珠，形成一个正三角形；其中两个半球蓝宝石珠嵌入导向槽中，另一个半球蓝宝石起支撑作用；前端带有半球蓝宝石珠的弹簧片固定在下样品盘，受压平台固定在上样品盘，样品盘弹簧片通过半球蓝宝石珠对受压平台施加压力，提高上中下样品盘的稳定性。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种压电纳米位移台，其包括以下零件：①一种集成电容传感器的闭环水平位移台，综合了大扫描范围和高共振频率两个特点；②一种z方向位移管的设计，可步进移动；③组装z方向位移管和水平位移台的连接零件；④可水平滑动的样品盘。参考图1.1-图1.2。

其中，水平位移台的主要设计思想是：采用大推力堆栈压电陶瓷并增大回复弹簧刚性以实现高共振频率；同时，采用以对顶旋转型柔性铰链为核心的机械放大结构，尽可能减少非期望形变，充分发挥有压电陶瓷的驱动能力。另外，位移台嵌套低电容、低热耗散的压电陶瓷管，用于高频惯性驱动样品台，实现xyz三个方向的大范围样品定位。同时压电陶瓷管具有原子级精细扫描功能。从而，通过发挥堆栈压电陶瓷的高推力和压电陶瓷管的高频驱动能力与原子级别精度，在xyz方向上步进实现低热耗散毫米级大范围样品定位，在水平方向上实现大范围亚纳米精细扫描和局部原子级精细扫描。

下面分别介绍水平位移台、z方向扫描管、两者的连接零件、样品盘的技术内容。

(一)水平位移台

水平位移台由两个纵向伸长的压电陶瓷叠堆、电容传感器、和机械放大结构构成。单个位移台只能在一个方向扫描，两个位移台可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。

下面假设水平扫描台的位移方向为x轴正方向。水平位移台关于x轴对称。

水平位移台可以分为内圈和外圈两个部分。水平位移台的工作方式为内圈固定，外圈相对内圈移动。内圈中含有四个M2螺丝孔，外圈中含有四个M2螺丝孔通孔，用于固定和连接。

内圈中有两个长方形空位用于放置压电陶瓷叠堆。如图2.1，压电陶瓷叠堆的伸长方向(沿图2.1中相应位置处的虚线方向)和y轴成一个很小的角度θ。当两个压电陶瓷叠堆伸长时，内圈中的两对柔性铰链的变形将压电陶瓷的伸长量放大并转为内圈中心部分(即两个压电陶瓷叠堆对顶的部分)x方向的位移。如图2.3所示，在理想情况下，当压电陶瓷伸长ΔL时，竖直方向移动ΔL/θ，放大倍数为1/θ。

内圈的中心部分通过两个M3螺丝和外圈相连，将内圈中心部分x方向的位移传递给外圈。内圈相应的一侧开有两个孔，供两个M3螺丝穿过。

水平位移台总共三对弹簧片，用于连接内圈和外圈，提高稳定性，提高水平位移台的共振频率。

水平位移台的外圈上分布有圆形的孔洞，使水平位移台的总质量降低，从而提高位移台的共振频率。

水平位移台通过电容位移传感器实现闭环控制，从而达到亚纳米级的精度。电容传感器为差分型的，即含有三个平行极板构成两个电容，前后两个极板间距不变，中间极板相对前后两个极板移动时，两个电容发生变化。电容传感器的前后两个极板固定在内圈的延伸部分，中间极板固定在外圈。

水平位移台总共有四个圆柱形的空间，可嵌入z方向位移管。

(二)z方向位移管

Z方向位移管由压电陶瓷管、绝缘管、升降柱、弯曲弹簧片、和蓝宝石片构成。压电陶瓷管内部套着陶瓷加工的光滑绝缘管。绝缘管内壁三个互成60°的平面上各粘有蓝宝石片。弹簧片弯曲后卡在升降柱的凹槽内。弯曲弹簧片和一个蓝宝石片相切，另外两个蓝宝石片和升降柱相切。通过摩擦力，升降柱被三个蓝宝石片夹持。

下面介绍步进上升的过程。首先，压电陶瓷管加正电压伸长，通过静摩擦力带动升降柱升高。然后，迅速去除压电陶瓷管上的电压使它们迅速回复，由于滑动摩擦力的作用，升降柱略微下降。以上两步为步进的一个周期，升降柱相对压电陶瓷管有一定净上升。步进下降的过程与上述过程相反。

直接在压电陶瓷管上施加电压可使压电陶瓷管沿z方向伸长或沿水平方向剪切形变，此形变可用于原子级精度的扫描。

(三)连接零件

连接零件包括绝缘连接器、水平位移台连接器、位移台外壳。从上到下：外壳的顶面与水平位移台内圈固定，水平位移台连接器分别与上层水平位移台的外圈和下层水平位移台的内圈固定，下层水平位移台的外圈与绝缘连接器固定。4个Z方向位移管通过环氧树脂胶水固定在绝缘连接器上，并穿过两个水平位移台和外壳上相应的孔洞。Z方向位移管的顶部通过升降柱上的螺丝孔与样品盘固定。

(四)样品盘

样品盘包括上样品盘、中样品盘、下样品盘、半球蓝宝石珠、样品盘弹簧片以及受压平台构成。上盘和中盘分别由xy相互正交的导向槽，下盘和中盘的上表面各粘有三个半球蓝宝石珠，形成一个正三角形。其中两个半球蓝宝石珠嵌入导向槽中，另一个半球蓝宝石起支撑作用。前端带有半球蓝宝石珠的弹簧片固定在下盘，受压平台固定在上盘，弹簧片通过半球蓝宝石珠对受压平台施加压力，提高上中下盘的稳定性。下盘与四个z方向位移管固定。

Z方向步进上升的一个周期内，支撑样品盘的四个位移管同时升高，轮流迅速回复(回复阶段中间的升降柱高度几乎变)。四个扫描管轮流回复可保证样品盘上升的平稳。Z方向步进下降与上述过程相反。

中盘和上盘可以沿着各自导向槽的方向水平滑动实现水平方向步进。细节如下：四个z方向位移管带动下样品盘同时向某一水平方向渐块运动，达到一定速度后突然回缩，上盘和下盘依靠惯性继续移动，重复此过程达到步进的效果。

下面结合一个优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的描述。

首先介绍水平位移台3的实施方案。参考图2.1-图2.4。

采用纯钛制造水平位移台和连接所需的螺丝。整个位移台采用慢走丝线切割的方法加工。

水平位移台的尺寸优选为直径45mm，高为10mm的圆柱体。位移台的性能对内圈中的两对柔性铰链13的尺寸敏感，优选为0.4mm*0.4mm。位移台的性能对压电陶瓷叠堆14的轴线和y轴所成的夹角敏感，优选为3°。水平位移台的三类弹簧片101112的厚度对共振频率和最大扫描范围有影响，优选为0.3mm。

上文所述的连接内外圈的M3螺丝需要特殊处理：需要将此螺丝通过内圈壁的部分的螺纹磨去，避免螺丝和内圈壁接触。

由于加工精度的限制，压电陶瓷叠堆无法刚好嵌入内圈的空位中，解决方法是使空位的尺寸略大于压电陶瓷叠堆的长度，并额外加工合适厚度的垫片，和压电陶瓷一起塞入空位中。本例中使用的压电陶瓷叠堆为9mm*10mm*10mm，预留空位轴向宽度9.9mm，则垫片厚度约为0.9mm。垫片厚度应依照加工实际情况而定，垫片应能够给压电陶瓷提供合适的预应力。垫片材料可以选择热膨胀系数略小于钛的材料，比如蓝宝石片，从而在降温后给压电陶瓷叠堆提供足够的预应力。

电容传感器安装支架7与水平位移台分开加工，同样采用线切割加工以确保精度。电容传感器的中间极板9通过外圈中的缝隙嵌入，使用真空胶固定。电容传感器的两侧极板8也通过真空胶粘连在电容传感器安装支架上。安装过程中，相邻两个极板之间塞入一个薄片，比如一张纸，确保极板之间不会接触。电容传感器极板采用陶瓷基电路板制成。支架和内圈延伸部分也采用真空胶粘连。

电容传感器的输出电压和位移具有线性关系，利用电容传感器实现闭环控制，使水平位移台具有亚纳米级的精度。

下面介绍z方向位移管的实施方案。参考图3.1-图3.4。

绝缘管22使用陶瓷加工并保证光滑。升降柱21和弯曲弹簧片24采用铍铜加工，并抛光处理保证光滑。Z方向位移管的结构如图3.1-图3.2所示。

如图3.3，一个压电陶瓷管23实际上由四个四分之一环形圆柱拼成，依次编号为A、B、C、D区，每一个分区可以独立地加电压。当四个分区同加相同的正电压时，压电陶瓷管向上伸长。当四个分区所加电压不同时，压电陶瓷管发生剪切形变，产生水平位移。

进行z方向步进时，压电陶瓷管的四个分区加上相同的电压，四个z方向位移管的压电陶瓷管所加的电压波形如图3.4所示。图3.4波形实现四个压电压电陶瓷管同时伸长，依次降低恢复。

进行水平方向毫米级步进扫描时，压电陶瓷管四个分区所加的电压不同，但四个压电陶瓷管相同分区所加的电压相同。当A、B区加正电压，C、D区加负电压时，样品盘向左步进；当A、D区加正电压，B、C区加负电压时，样品盘向下步进；当A区加正电压，C区加负电压，B、D区电压为0时，样品盘向斜右上方步进。其他方向的步进类似。所加电压波形的如图3.5所示：首先，压电陶瓷管带动下样品盘加速，由于静摩擦力另外中盘和上盘保持相对静止；然后，在转折点压电陶瓷管带动下样品盘的运动瞬间反向，上样品盘和中样品盘由于惯性相对下样品盘在滑动摩擦力的作用下减速滑动一段距离，完成步进的一个周期。

只依靠压电陶瓷管也可进行原子级精细扫描，所加电压与扫描方向的关系与上边的相同。

如图4.1所示，为水平位移台连接器4两个角度的示意图，如图4.2所示，为绝缘连接器6的一个角度的示意图。

下面介绍样品盘1的实施方案。参考图5.1-图5.2。

样品盘材料优选纯钛，弹簧片31材料优选为铍铜，受压平台30材料优选为玻璃。受压平台通过胶水固定在上样品盘底面25，半球蓝宝石珠29也通过胶水固定在相应位置。样品盘弹簧片通过某一连接z方向位移管和下样品盘27的螺丝固定在两者之间。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。