專利名稱：一種新型的掃描隧道顯微鏡體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種新型的掃描隧道顯微鏡體，它屬于一種測(cè)量表面形貌電子裝置。
現(xiàn)有的一種掃描隧道顯微鏡是由通過三個(gè)球支點(diǎn)結(jié)合在一起的上、下兩塊園塊組成。兩塊園塊用兩根拉伸彈簧固定，帶探針的壓電陶瓷管安裝在上園塊上，試樣安裝在下園塊上，探針與試樣的間距用螺桿改變球支點(diǎn)的高度來實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)球支點(diǎn)用作進(jìn)給粗調(diào)節(jié)，第三個(gè)球支點(diǎn)用作進(jìn)給細(xì)調(diào)節(jié)，細(xì)調(diào)節(jié)螺桿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)探針與試樣間一出現(xiàn)隧道電流，電機(jī)自動(dòng)停止。這種掃描隧道顯微鏡探針試樣的間隔調(diào)節(jié)精度低，鏡體抗振能力差，被測(cè)試樣移動(dòng)范圍小，因而限制了它的使用。
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)上述不足，研制了一種間隔調(diào)節(jié)精度高，被測(cè)試樣的移動(dòng)范圍大，抗外界振動(dòng)干擾能力強(qiáng)的掃描隧道顯微鏡體。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)裝配圖。
圖2是
圖1所示掃描隧道顯微鏡體沿A－A線剖視圖。
圖3為本實(shí)用新型的二級(jí)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖。
在
圖1和圖2中，1為基座，2為磁阻尼器，3為限位開關(guān)，4為微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪，5為微進(jìn)傳動(dòng)螺桿，6為微進(jìn)給螺母座，7為可動(dòng)托環(huán)，8為差動(dòng)彈簧組，9為微進(jìn)給滑動(dòng)支承，10為頂桿支承鋼球，11為懸吊立柱，12為可調(diào)懸吊彈簧支承，13為立柱緊定環(huán)，14為屏蔽鋁罩，15為壓電陶瓷固定板，16為壓電陶瓷管，17為試樣，18為可換試樣固定板，19為試樣支承，20為試樣固定基礎(chǔ)板，21為尼龍連結(jié)立柱，22為探針試樣間隙粗調(diào)旋紐，23為尼龍柱固定鋼圈，24為齒輪組固定座，25為多級(jí)減速齒輪組，26為步進(jìn)電機(jī)，27為電機(jī)固定圈，28為電機(jī)固定基礎(chǔ)板，29為O型密封圈。
在圖3中，30為時(shí)基電路，31為環(huán)形分配器，32為功率放大電路。
為了提高探針與試樣間的間隙的調(diào)節(jié)精度，其微調(diào)結(jié)構(gòu)是在原來杠桿減速的基礎(chǔ)上，再采用差動(dòng)壓縮彈簧8，多級(jí)減速齒輪組25和二級(jí)調(diào)速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；為了增強(qiáng)抗外界振動(dòng)干擾的能力，隔振采用彈簧懸吊平臺(tái)和排斥性磁組尼器2；為了增加被測(cè)試樣的移動(dòng)范圍，試樣支承19用移動(dòng)式結(jié)構(gòu)。微調(diào)機(jī)構(gòu)是通過步進(jìn)電機(jī)26啟動(dòng)后帶動(dòng)總減速比為115－50的多級(jí)減速齒輪組25減速后，由微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4，帶動(dòng)微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5在微進(jìn)給螺母座6內(nèi)低速旋轉(zhuǎn)，使倔強(qiáng)系數(shù)不同的差動(dòng)壓縮彈簧8受壓縮，微進(jìn)給滑動(dòng)支承9上升，使位于微進(jìn)給滑動(dòng)支承9上的一顆鋼球10向上頂壓電陶瓷固定板15孔內(nèi)的墊塊。由于微進(jìn)給支承9上的鋼球心位于兩個(gè)探針試樣間隙粗調(diào)旋紐22上的鋼球心連線的垂直平分線上，此時(shí)壓電陶瓷固定板15以試樣固定基礎(chǔ)板的探針試樣間隙粗調(diào)旋紐22上對(duì)稱分布的兩顆鋼球?yàn)橹c(diǎn)緩慢上升。與此同時(shí)，分布在壓電陶瓷固定板15上的3個(gè)孔內(nèi)的連接壓縮彈簧受彈力的作用，減緩壓電陶瓷固定板15上升。當(dāng)微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5反轉(zhuǎn)下降時(shí)，壓電陶瓷固定板15繞上述支點(diǎn)下降。為了控制微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5的上升與下降行程，在微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4下面的限位器座板上面安裝了限位開關(guān)3。微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5的一端端部安裝在微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4中心軸線通孔內(nèi)，并使其端面伸出孔外，于是它能與限位開關(guān)接觸。微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4通過螺釘固定在傳動(dòng)螺桿5上。微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4沿縱向軸線加工成兩段第一段為齒輪，與多級(jí)減速齒輪組的低速齒輪嚙合；另一段為柱形，在柱形表面沿徑向方向鉆一螺紋孔與沿中心軸線的通孔相通。微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5的外表面沿同一軸線加工成三段第一段為柱形，其端部表面有一螺紋孔，用于固定微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4；第二段是能在微進(jìn)給螺母座6內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的螺紋段；第三段為支托鋼球段，沿其端面中心線有一支托鋼球的錐形孔，鋼球的球心應(yīng)高出錐形孔的端面3－5mm。微進(jìn)給螺母座6與試樣固定基礎(chǔ)板20用螺紋連接。微進(jìn)給螺母座6沿縱向同一中心線為一通孔?？變?nèi)壁的一部分為螺紋段，用來與微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5配合。在微進(jìn)給螺母座6的孔內(nèi)，依次裝微進(jìn)傳動(dòng)螺桿的支托鋼球段、鋼球、差動(dòng)壓縮彈簧中的微動(dòng)彈簧8的彈簧座、一個(gè)差動(dòng)壓縮彈簧8和微進(jìn)給滑動(dòng)支承9。微進(jìn)給螺母座6的外表面沿縱向中心線分成四段第一段為螺紋段，與試樣固定基礎(chǔ)板20連接；第二段表面為柱形，該段的一部分裝入試樣固定基礎(chǔ)板20的孔內(nèi)；第三段和第四段表面均為柱形。第二段的外形尺寸應(yīng)比第一段的外形尺寸大，第三段的外形尺寸應(yīng)比第二段的外形尺寸大。在第四段的端部用螺釘固定有一微動(dòng)螺栓座帽。微進(jìn)給滑動(dòng)支承9加工成兩段柱形在第一段柱形端面的中心線上有一錐形孔用于支托鋼球10；第二段柱形裝在差動(dòng)彈簧組8中的一個(gè)根彈簧上。支托壓電陶瓷固定板15的鋼球10為三顆，分布在直徑為90mm的園周上。微進(jìn)給滑動(dòng)支承9上的那顆鋼球與另外兩顆鋼球所夾園心角均為131°，從而使得微進(jìn)給滑動(dòng)支承上的鋼球心與另外兩顆鋼球心連線的距離與探針尖到該連線距離之比為401。三個(gè)圈數(shù)和直徑均相同的連接壓縮彈簧，分別裝入壓電陶瓷固定板15的三個(gè)階梯形通孔內(nèi)，再用螺釘穿過彈簧和彈簧下面的通孔，與試樣固定基礎(chǔ)板20上相對(duì)應(yīng)的螺紋孔連接。壓電陶瓷固定板15上的三個(gè)裝彈簧的階梯形通孔和試樣固定基礎(chǔ)板20上與之相對(duì)應(yīng)的三個(gè)螺紋通孔分別同心，分布在以二板的中心為園心，直徑為130mm的園周上，它們所夾園心角與三顆鋼球所夾園心角相等且每顆鋼球心和與之相鄰的彈簧孔的中心連線在同一條徑向線上。試樣固定基礎(chǔ)板20以其中心為園心，直徑為90mm的園周上，加工三個(gè)螺紋孔，分別與微鏡給螺母座6和兩個(gè)探針試樣間隙粗調(diào)旋紐相配合。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由時(shí)基電路30，環(huán)形分配器31，功率放大電路32組成。控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)基電路是一個(gè)兩級(jí)可調(diào)的電頻率振蕩器，它由集成塊CD4060的1－7腳和13－15腳組成10檔可供選擇的頻率輸出，同時(shí)調(diào)節(jié)82K電位器還可改變每檔頻率的值。與環(huán)行分配器連接的開關(guān)用于改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。
鏡體的隔振除采用由3根懸吊立柱11和3根可調(diào)彈簧所組成的平臺(tái)以外，還采用了三對(duì)互成120°圓心角的磁阻尼器。每對(duì)磁阻尼器由極性相同的兩塊排斥磁體組成。每對(duì)磁阻尼器中一塊裝入盒中，安裝在基座1上，另一塊裝入盒中對(duì)應(yīng)地安裝在懸吊平臺(tái)的電機(jī)固定基礎(chǔ)板28上。
在壓電陶瓷固定板15上，沿兩個(gè)探針試樣間隙粗調(diào)旋紐22上的鋼球支點(diǎn)連線平分線方向，加工一以該垂直平分線為對(duì)稱軸且過板中心的方形槽，在方形槽靠板邊緣一側(cè)的對(duì)稱軸上再加工一個(gè)梯形的孔，安裝壓電陶瓷管16。與上述壓電陶瓷固定板15上的的方形槽相對(duì)應(yīng)，在試樣固定基礎(chǔ)板20上加工一個(gè)與上述方形槽同方位的另一個(gè)方形槽，在該槽與壓電陶瓷固定板上的壓電陶瓷管16對(duì)應(yīng)位置上加工一階梯形的通孔，用于固定試樣支承滑座，并在其上安裝能調(diào)整試樣位置的試樣支承19，在試樣支承上安裝可換試樣固定板18，試樣17置于可換試樣固定板18上，以達(dá)到增加被測(cè)試樣移動(dòng)范圍的目的。
選擇一臺(tái)最大靜轉(zhuǎn)矩為0.8Kg－cm，步矩為1.5°／3°常州微電機(jī)廠生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)26，多級(jí)減速齒輪組25共3對(duì)其總減速比約為116，3對(duì)齒輪的模數(shù)均為0.5，齒數(shù)分別為Z1＝17，Z2＝42，Z3＝17，Z4＝42，Z5＝17，Z6＝45；微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5總長(zhǎng)為100mm，桿上部直徑為11mm。螺紋段為M10×0.5，桿下部的直徑為8mm，差動(dòng)彈簧和連接壓簧的簧絲直徑均為1.2mm，彈簧外徑分別為10.8mm和9.4mm，差動(dòng)彈簧的有效圈數(shù)為10圈，連接壓簧為12圈；微進(jìn)給滑動(dòng)支承9的高度為15mm，上段圓柱高度為12mm，兩段直徑分別為11mm，8.2mm；微進(jìn)給螺母座長(zhǎng)為80，外形最大直徑為48mm，內(nèi)螺紋為M10×0.5，外螺紋為M24×1；每對(duì)磁阻尼器采用兩塊極性相同、直徑均為16mm的圓柱形磁鐵組成；壓電陶瓷固定板15下表面的方形槽和試樣固定基礎(chǔ)板20的方形槽寬度為40mm；三顆鋼球10的直徑為11.5mm；并按
圖1、圖2和圖3的位置結(jié)構(gòu)，制作的新型掃描隧道顯微鏡體微位移精度是當(dāng)差動(dòng)彈簧組8的傳動(dòng)位移比為31，步進(jìn)電機(jī)26步進(jìn)3°時(shí)，探針與試樣間的距離縮小約100A(即10－8cm)。
本實(shí)用新型的微調(diào)采用了差動(dòng)壓縮彈簧，多級(jí)齒輪減速，二級(jí)調(diào)速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；隔振采用彈簧懸掛式平臺(tái)和排斥性磁阻尼；試樣支承采用了可移動(dòng)式結(jié)構(gòu)。它具有調(diào)節(jié)間距精度高，抗振能力強(qiáng)和被測(cè)試樣移動(dòng)范圍大的特點(diǎn)，可以在機(jī)械、電子和生物工程等領(lǐng)域中作為微位移機(jī)構(gòu)使用。
權(quán)利要求1.一種新型的掃描隧道顯微鏡體，是由粗調(diào)裝置，微調(diào)裝置，隔振裝置，試樣支撐裝置及二級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路組成，其特征在于微調(diào)機(jī)構(gòu)是通過由時(shí)基電路30，環(huán)行分配器31，功率放大電路32組成二級(jí)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)總減速比為1∶15-50的多級(jí)減速齒輪組25減速后使微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5在微進(jìn)給螺母座6內(nèi)旋轉(zhuǎn)，差動(dòng)壓縮彈簧8受壓縮，微進(jìn)給滑動(dòng)支承9上升，位于微進(jìn)給滑動(dòng)支承9錐形孔上的一個(gè)鋼球10頂著壓電陶瓷固定板15上的墊塊，以試樣固定基礎(chǔ)板20的探針試樣間隙粗調(diào)旋紐上對(duì)稱分布的兩顆鋼球10為支點(diǎn)，支點(diǎn)連線兩側(cè)的支臂比為40∶1，從而使壓電陶瓷固定板15緩慢上升或下降；在微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4的下面，限位器座板上面安裝了限位開關(guān)3，限制微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5的行程；三對(duì)互成120°園心角且每對(duì)極性相同的磁阻尼器2分別安裝在基痤1和懸吊平臺(tái)的電機(jī)固定基礎(chǔ)板28上；在壓電陶瓷固定板15上，沿兩個(gè)探針試樣間隙粗調(diào)旋紐22上的鋼球支點(diǎn)連線的垂直平分線方向，加工一以該垂直平分線為對(duì)稱軸且過板中心的方形槽，槽內(nèi)有一孔用于安裝壓電陶瓷管；在試樣固定基礎(chǔ)板20上與上述方形槽相對(duì)應(yīng)的位置有另一方形槽，在槽內(nèi)與壓電陶瓷固定板上的壓電陶瓷管16對(duì)應(yīng)位置上加工一階梯形通孔，安裝試樣支承裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種新型掃描隧道顯微鏡體，其特征在于微進(jìn)給傳動(dòng)齒輪4沿其中心軸線加工一通孔，其外表面加工成兩段；一段為齒輪，另一段為柱形，在該柱形表面沿經(jīng)向方向鉆一螺紋孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型掃描隧道顯微鏡體，其特征在于微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5的外表面沿同一軸線加工成三段；第一段為柱形，其端部表面有一螺紋孔，第二段為螺紋段，第三段為支托鋼球段，其端面為一錐形孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型掃描隧道顯微鏡體，其特征在于微進(jìn)給螺母座6沿縱向同一中心線為一通孔，其中一部分為與微進(jìn)傳動(dòng)螺桿5配合的螺紋孔；另外，其外表面沿同一縱向中心線為四段第一段為螺紋，第二、第三和第四段為不同尺寸的柱形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型掃描隧道顯微鏡體，其特征在于在試樣固定基礎(chǔ)板20上，在以板中心為園心，直徑為90mm和130mm的兩個(gè)園周上各加工三個(gè)螺孔，其中小園周上的螺孔為通孔，分別與微進(jìn)給螺母座6和兩個(gè)探針試樣間隙粗調(diào)旋紐22相配合，而大園周上的螺孔與壓電陶瓷固定板15穿過的三根固定壓縮彈簧的螺桿相配合；大小園周上的各三個(gè)螺孔分別成對(duì)，位于這兩個(gè)同心園的同一半徑上；一個(gè)方形槽位于其中的兩條這樣的半徑夾角的正中間；方形槽上有一梯形孔，安裝試樣支承裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型掃描隧道顯微鏡體，其特征在于壓電陶瓷固定板15，在以板中心為園心，直徑為90mm和130mm的兩個(gè)園周上，各，加工三個(gè)梯形孔，其中小園周上的孔分別安裝三個(gè)鋼球10的支承，大園周上的孔分別安裝壓縮彈簧，這六個(gè)梯形孔與試樣固定基礎(chǔ)板20上的六個(gè)螺孔一一對(duì)應(yīng)；其下表面上的方形槽與試樣固定基礎(chǔ)板20上的方形槽相對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型掃描隧道顯微鏡體，其特征在于試樣支承裝置由安裝在試樣固定基礎(chǔ)板20的方形槽內(nèi)的試樣支承滑座，能在滑座上移動(dòng)試樣位置的支承和能在其上放置試樣17的可換試樣固定板18組成。
專利摘要一種新型的掃描隧道顯微鏡體，其微調(diào)采用差動(dòng)壓縮彈簧，多級(jí)齒輪減速和二級(jí)調(diào)速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，提高了調(diào)節(jié)精度。隔振除采用彈簧懸掛式平臺(tái)外，還采用了排斥性磁阻尼，增強(qiáng)了抗外界振動(dòng)干擾的能力。試樣支承采用了移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，增大了被測(cè)試樣的移動(dòng)范圍。它能在空氣和液體環(huán)境中工作，因此可在機(jī)械、電子和生物工程等領(lǐng)域中作為微位移機(jī)構(gòu)使用。
文檔編號(hào)H01J37/02GK2089208SQ91214028
公開日1991年11月20日 申請(qǐng)日期1990年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月29日
發(fā)明者舒啟清, 王云良, 鄭小林 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)