本發(fā)明涉及超精密設備技術領域，具體涉及一種基于柔性鉸鏈的三維納米工作臺。

背景技術：

目前，納米工作臺廣泛應用于半導體、航空航天、光學、激光與光電子、生物顯微、計量技術等領域中，例如在半導體光刻工藝中，用于對掩模或者晶圓進行精密定位和調整；在藍寶石基底led晶片切割中，用于對小焦深物鏡鏡頭進行高速隨動調焦；在空間衛(wèi)星通信中，用于對超遠距離衛(wèi)星間的掃描發(fā)現和精確對準；在光學材料表面測量用，用于驅動白光干涉系統的參考鏡或者樣品，以獲得超高分辨率表面形貌數據；在遠距離光學成像中，用于成像光束的伺服穩(wěn)定，以對抗來自基座的干擾或者大氣的擾動；在超高分辨生物光學成像中，用于控制聚焦點的位移，以實現對樣品的分層測量成像等。

納米工作臺主要采用柔性鉸鏈結構，柔性鉸鏈主要靠變形來實現機構的運動、力和能量的傳遞和轉換，沒有或大大減少了機構中的間隙、摩擦、磨損及潤滑等復雜問題，從而可以提高機構精度、增加可靠性、減少維護等。

專利文獻cn105006255a公開了一種三自由度微定位工作臺，其包括基座、動平臺、三個壓電陶瓷驅動器和實現運動傳遞的三條支鏈；在基座的上部安裝兩個壓電陶瓷驅動器，在基座的底部安裝一個壓電陶瓷驅動器，每個壓電陶瓷驅動器末端均通過鎖緊螺栓固定在基座上，其頂部均通過螺紋連接球形觸頭；三條支鏈分布在基座與動平臺之間，其中第一，第二支鏈均包括驅動環(huán)節(jié)、剛性移動塊和并聯球形柔性鉸鏈組；其中剛性移動塊四周連接并聯球形柔性鉸鏈組，剛性移動塊左右兩側的并聯球形柔性鉸鏈組與基座相連，上側的并聯球形柔性鉸鏈組與動平臺相連，下側的與驅動環(huán)節(jié)相連；的三條支鏈中各驅動環(huán)節(jié)一個側面中部均和球形觸頭頂部相接觸。上述結構可以實現工作臺的三個方向的移動，結構比較復雜。

技術實現要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于柔性鉸鏈的三維納米工作臺，以解決現有技術中三維工作臺結構復雜的問題。

為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種基于柔性鉸鏈的三維納米工作臺，包括：柔性鉸鏈底座，包括依次嵌套并通過柔性鉸鏈連接的外框、中框及內框；第一驅動器，連接在中框和內框之間以驅動內框沿x向移動；第二驅動器，連接在外框和中框之間以驅動中框沿y向移動；第三驅動器，設置在內框上；載物臺，設置在第三驅動器上，在第三驅動器的作用下，載物臺沿z向移動。

進一步地，內框的內部為中空結構。

進一步地，三維納米工作臺還包括具有用于放置載玻片的放置腔且用在倒置式顯微鏡上使用的載物籃，載物籃的底部位于中空結構中且具有第一透光孔，載物籃的頂部安裝在載物臺上，載物臺具有與載物籃的開口對應的第一避讓孔。

進一步地，第三驅動器為兩個，兩個第三驅動器相對于內框的中心對稱設置并支撐載物臺。

進一步地，三維納米工作臺還包括第一位移傳感器，第一位移傳感器設置在中框上以測量內框的位移，和/或，三維納米工作臺還包括第二位移傳感器，第二位移傳感器設置在外框上以測量中框的位移，和/或，三維納米工作臺還包括第三位移傳感器，第三位移傳感器設置在內框上以測量載物臺的位移。

進一步地，三維納米工作臺還包括：下蓋板，安裝在柔性鉸鏈底座的底部并具有第二透光孔；封裝框，設置在外框的頂部；上蓋板，蓋設在封裝框上并具有避讓載物籃的第二避讓孔，載物臺位于上蓋板的上方且載物臺的四周遮擋第二避讓孔。

進一步地，中框成型有用于安裝第一驅動器的第一安裝凹槽；外框上成型有用于安裝第二驅動器的第二安裝凹槽。

進一步地，外框的部分向外側拱起彎曲形成凹陷結構，中框的部分向外凸出形成伸入凹陷結構的第一凸出結構，第一安裝凹槽成型在第一凸出結構上。

進一步地，外框的部分向外凸出形成第二凸出結構，第二安裝凹槽成型在第二凸出結構上。

進一步地，第一驅動器、第二驅動器及第三驅動器均為壓電陶瓷驅動器。

本發(fā)明技術方案，具有如下優(yōu)點：通過三個框體依次嵌套設置，內框在第一驅動器的推動下執(zhí)行x方向的位移，中框在第二驅動器的推動下相對外框執(zhí)行y方向的位移，載物臺在第三驅動器的直接推動下執(zhí)行z方向的位移，上述結構實現了工作臺的三個方向的移動，結構簡單，降低制造成本。并且在x軸運動時，y軸不會出現位移；在y軸運動時，x軸也不會出現位移，即沒有耦合誤差，。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：

圖1示出了根據本發(fā)明的基于柔性鉸鏈的三維納米工作臺的實施例的立體示意圖；

圖2示出了圖1的三維納米工作臺的部分結構示意圖；

圖3示出了圖1的三維納米工作臺的分解示意圖；

圖4示出了圖1的三維納米工作臺的立體示意圖；

圖5示出了圖4的柔性鉸鏈底座的俯視示意圖；

圖6示出了圖1的三維納米工作臺的載物籃的立體結構示意圖。

其中，上述附圖中的附圖標記為：

10、柔性鉸鏈底座；11、外框；111、第二安裝凹槽；112、第二凸出結構；12、中框；121、第一安裝凹槽；122、第一凸出結構；13、內框；21、第一驅動器；22、第二驅動器；23、第三驅動器；30、載物臺；40、載物籃；41、第一透光孔；51、第一位移傳感器；52、第二位移傳感器；53、第三位移傳感器；61、下蓋板；62、封裝框；63、上蓋板。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1和圖2所示，本實施例的基于柔性鉸鏈的三維納米工作臺包括：柔性鉸鏈底座10、第一驅動器21、第二驅動器22、第三驅動器23和載物臺30，柔性鉸鏈底座10，包括依次嵌套并通過柔性鉸鏈連接的外框11、中框12及內框13；第一驅動器21連接在中框12和內框13之間以驅動內框13沿x向移動；第二驅動器22連接在外框11和中框12之間以驅動中框12沿y向移動；第三驅動器23設置在內框13上；載物臺30設置在第三驅動器23上，在第三驅動器23的作用下，載物臺30沿z向移動。其中，第一驅動器21、第二驅動器22及第三驅動器23均為壓電陶瓷驅動器。通過三個框體依次嵌套設置，內框13在壓電陶瓷驅動器的推動下執(zhí)行x方向的位移，中框12在壓電陶瓷驅動器的推動下相對外框11執(zhí)行y方向的位移，載物臺30在壓電陶瓷驅動器的直接推動下執(zhí)行z方向的位移，上述結構實現了工作臺的三個方向的移動，結構簡單，降低制造成本。同時，在x軸運動時，y軸不會出現位移；在y軸運動時，x軸也不會出現位移，即沒有耦合誤差。并且，柔性鉸鏈和傳統機構不一樣，整個行程只有30微米，水平xy方向通過壓電陶瓷驅動柔性鉸鏈，壓電陶瓷通電伸長，柔性鉸鏈變形移動，實現工作臺的位移，采用柔性鉸鏈底座沒有間隙、摩擦和磨損，不需要潤滑及維護，從而提高了位移精度和可靠性。

在本實施例中，內框13的內部為中空結構。采用中空的結構能夠保證尺寸為76.2mm×25.4mm的載玻片能夠完整放入。如圖3和圖6所示，三維納米工作臺還包括具有用于放置載玻片的放置腔且用在倒置式顯微鏡上使用的載物籃40，載物籃40的底部位于中空結構中且具有第一透光孔41，載物籃40的頂部安裝在載物臺30上，載物臺30具有與載物籃40的開口對應的第一避讓孔。采用下沉式的載物籃可以適應超分辨倒置式顯微系統，減小物鏡和物體的距離。載物籃的相對的兩側具有向外凸出的凸耳，凸耳懸掛在第一避讓孔的外側并通過螺釘固定在載物臺上。

在本實施例中，如圖2所示，第三驅動器23為兩個，兩個第三驅動器23相對于內框13的中心對稱設置并支撐載物臺30，并且兩個第三驅動器23位于中空結構的兩側，兩個第三驅動器23直接與載物臺連接，直接驅動載物臺實現z軸位移。

在本實施例中，如圖2所示，三維納米工作臺還包括第一位移傳感器51、第二位移傳感器52和第三位移傳感器53，第一位移傳感器51放置在中框12上測量內框13的位移，第二位移傳感器52放置在外框11上測量中框12的位移，第三位移傳感器53通過墊塊水平安裝在內框13上測量載物臺30的位移。其中，第一位移傳感器51、第二位移傳感器52及第三位移傳感器53均為電容位移傳感器，測量精度高，可大大提高該工作臺位移精度和靈敏度。

在本實施例中，如圖3所示，三維納米工作臺還包括：下蓋板61、封裝框62和上蓋板63，下蓋板61安裝在柔性鉸鏈底座10的底部并具有第二透光孔；封裝框62設置在外框11的頂部；上蓋板63蓋設在封裝框62上并具有避讓載物籃40的第二避讓孔，載物臺30位于上蓋板63的上方且載物臺30的四周遮擋第二避讓孔。下蓋板61、封裝框62和上蓋板63起到防塵作用。

在本實施例中，如圖4和圖5所示，外框11的部分向外側拱起彎曲形成凹陷結構，中框12的部分向外凸出形成伸入凹陷結構的第一凸出結構122，第一凸出結構122上成型有用于安裝第一驅動器21的第一安裝凹槽121。外框11的部分向外凸出形成第二凸出結構112，第二凸出結構112成型有用于安裝第二驅動器22的第二安裝凹槽111。上述柔性鉸鏈底座的結構便于安裝壓電陶瓷驅動器，也減輕了底座的體積和重量。

下面結合圖1和圖6對三維納米工作臺的使用過程進行說明，在正置式顯微鏡下使用上述工作臺時，將載玻片放置在載物臺上，xy方向采用單個壓電陶瓷驅動器驅動柔性鉸鏈實現微位移，z向驅動采用雙壓電陶瓷驅動器并聯直驅載物臺方式，電容位移傳感器檢測工作臺三個方向的位移；在倒置式顯微鏡下使用上述工作臺時，需要將載玻片放置在載物藍上，其他的驅動過程與上述相同，在此不再詳細贅述。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。