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CN113719704B - 一种大行程二维纳米定位平台 - Google Patents

一种大行程二维纳米定位平台 Download PDF

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CN113719704B CN202110913075.9A CN202110913075A CN113719704B CN 113719704 B CN113719704 B CN 113719704B CN 202110913075 A CN202110913075 A CN 202110913075A CN 113719704 B CN113719704 B CN 113719704B
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Abstract

本发明公开了一种大行程二维纳米定位平台，采用关于运动平台成中心对称的方式设置了多个结构相同的矩形杠杆放大单元锯齿杠杆放大单元，采用两级运动位移放大单元，以矩形放大杠杆为一级结构，放大XY方向位移，以锯齿杠杆放大单元为二级结构，对矩形杠杆放大单元的内部形变进行二次放大，利用柔性铰链的微小形变传递位移和完成解耦，大幅度提高了运动平台定位的精确性；相比于传统杠杆放大单元，有着更大的放大比，该平台在定位时高速准确、行动行程大，能够完成二维平面轨迹的精确追踪任务，可用于大行程的影像级原子力显微镜的设计。

Description

一种大行程二维纳米定位平台
技术领域
本发明属于精密定位领域，更具体地，涉及一种大行程二维纳米定位平台。
背景技术
近年来，我国以生物医学工程、半导体、纳米功能材料，芯片制造等领域对自主研发的高端、精密仪器的需求日益迫切。原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)为代表的高速，高精度测量仪器是高端精密制造中很重要的一部分，而这些高精度仪器的精度和性能在很大程度上依赖于其背后的纳米定位平台的精度和性能，研究高精度纳米定位平台对于高精度测量仪器的研发有着极其重要的意义。
现如今，随着生物医疗技术的发展，人们对纳米影像扫描结果的要求也由静态照片，变为了动态影像。为了达成这样的要求，则需要AFM在具备高分辨率的同时，能够达到很高的扫描速度，现有的商用AFM扫描速度已经无法满足要求。除了对扫描速度提出了更高的要求外，对扫描面积也有了更高的要求，这就需要AFM具备足够大的行程，传统的大行程纳米定位平台定位速度低，XY间耦合作用很大，均无法支持影像级原子力显微镜的实现。基于现有技术的不足，研制一种具有新型机械结构和控制方法的同时兼备高速、高精度、大行程、易解耦的纳米定位系统有着重要的理论意义和工程实践价值。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大行程二维纳米定位平台，由此解决传统的大行程纳米定位平台定位速度低、XY间耦合作用大的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大行程二维纳米定位平台，包括：基座、设置于基座中心的运动平台、四个结构相同且关于运动平台成中心对称设置于基座的驱动器槽、矩形杠杆放大单元和锯齿杠杆放大单元；
所述矩形杠杆放大单元包括两条连接铰链和四条缓冲铰链；其中，所述两条连接铰链为矩形的一组对边，所述四条缓冲铰链两两相互铰接形成两个缓冲铰链组并作为矩形的另一组对边，且其中一个缓冲铰链组与驱动器槽、运动平台依次连接，另一个与基座连接；
所述锯齿杠杆放大单元包括两条支臂，所述两条支臂分别与相邻的两个矩形杠杆放大单元的其中一个连接铰链连接；每条支臂包括多条依次连接、且两两互相垂直的缓冲铰链。
优选地，所述其中一个缓冲铰链组与驱动器槽的夹角为90°±10°；所述缓冲铰链组与连接铰链的夹角为90°±10°。
优选地，所述两条连接铰链的长度相同，所述四条缓冲铰链的长度相同，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的长度不同；
且所述四条缓冲铰链的长度大于所述两条连接铰链的长度，所述两条连接铰链的长度的大于所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的长度。
优选地，所述两条连接铰链的宽度相同，所述四条缓冲铰链的宽度相同，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度相同；
且所述两条连接铰链的宽度大于所述四条缓冲铰链的宽度，所述四条缓冲铰链的宽度大于所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度。
优选地，所述大行程二维纳米定位平台还包括四个结构相同且关于运动平台成中心对称设置于基座的S型弹簧解耦单元，所述S型弹簧解耦单元包括多条依次连接、且两两互相垂直的缓冲铰链；所述S型弹簧解耦单元的一端与运动平台连接。
优选地，所述S型弹簧解耦单元的首尾两段缓冲铰链的长度相同，分别与运动平台和基座连接，且与XY轴的夹角均为45°。
优选地，所述S型弹簧解耦单元中除首尾两段缓冲铰链之外的缓冲铰链的长度不同，且与首尾两段缓冲铰链的方向相同的缓冲铰链的长度小于与首尾两段缓冲铰链的方向垂直的缓冲铰链。
优选地，所述S型弹簧解耦单元的缓冲铰链的宽度相同，且与所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度相同。
优选地，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链和所述S型弹簧解耦单元的缓冲铰链的连接处均通过倒圆角进行圆滑处理。
优选地，所述基座设有多个螺孔，分别用于固定所述矩形杠杆放大单元的连接铰链、对所述锯齿杠杆放大单元和S型弹簧解耦单元进行加固。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的大行程二维纳米定位平台，采用关于运动平台成中心对称的方式设置了多个结构相同的矩形杠杆放大单元锯齿杠杆放大单元，采用两级运动位移放大单元，以矩形放大杠杆为一级结构，放大XY方向位移，以锯齿杠杆放大单元为二级结构，对矩形杠杆放大单元的内部形变进行二次放大，利用柔性铰链的微小形变传递位移和完成解耦，大幅度提高了运动平台定位的精确性；相比于传统杠杆放大单元，有着更大的放大比，该平台在定位时高速准确、行动行程大，能够完成二维平面轨迹的精确追踪任务，可用于大行程的影像级原子力显微镜的设计。
2、本发明提供的大行程二维纳米定位平台，采用对称设计的矩形杠杆放大单元，通过设计缓冲铰链和连接铰链不同的长度和宽度，控制不同的一级放大比；缓冲式的杠杆结构设计能提升整个平台的柔顺性，更容易实现快速定位；采用双锯齿臂设计的锯齿杠杆放大单元在具有和矩形放大杠杆相同的增益的同时，可以用降低矩形一级放大杠杆的XY耦合影响。
3、本发明提供的大行程二维纳米定位平台，采用S型弹簧解耦单元，可以有效消除运动平台在XY两个方向的交叉耦合，弹簧式的柔性设计，相比于传统的十字解耦单元，可以增大解耦效率，提升平台柔顺性；整个纳米定位平台采用柔顺并联、中心对称的结构设计，并有多个缓冲式、弹簧式的设计结构，保证了整个平台的柔顺性，使得装置内部元件间彼此受力均匀，起到保护作用，延长整个装置的使用寿命。
4、本发明提供的大行程二维纳米定位平台，矩形杠杆放大单元进行一次放大运动位移，与之相连的锯齿放大单元在二次放大位移的同时，辅助S型弹簧解耦单元降低XY耦合影响。整个定位平台都采用柔顺结构设计，通过多条对称的柔性铰链，采用杠杆和弹簧式的设计结构，通过微小形变来放大位移，完成XY解耦，保证了整体装置结构的高刚度和高固有频率，在大幅度提升了纳米定位平台行程的同时，还能保证很高的定位速度。
5、本发明提供的大行程二维纳米定位平台可以同时满足固有频率大于2kHz，每个方向上最大位移达到100um，XY间耦合误差小于1％。可用作原子力显微镜的扫描应用平台，在保持较高扫描频率的情况下，实现大行程测量需求，预计在此平台上的栅格扫描频率可以达到200Hz以上。
6、本发明提供的大行程二维纳米定位平台，采用多方位多位置的螺孔固定方式，保证了平台基身和设计结构间连接的可靠性，在杠杆结构、解耦单元与平台基身处的加固螺孔设计，能够有效的保证结构内部微小形变带来的增效效果。
附图说明
图1为本发明提供的大行程二维纳米定位平台的三维立体结构示意图；
图2为本发明提供的大行程二维纳米定位平台的俯视图；
图3为本发明提供的大行程二维纳米定位平台的中矩形杠杆放大单元的局部视图；
图4为本发明提供的大行程二维纳米定位平台的中锯齿杠杆放大单元的局部视图；
图5为本发明提供的大行程二维纳米定位平台中S型弹簧解耦单元的局部视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种大行程二维纳米定位平台，如图1所示，包括：基座2、设置于基座中心的运动平台1、四个结构相同且关于运动平台成中心对称设置于基座的驱动器槽5、矩形杠杆放大单元6和锯齿杠杆放大单元8；
所述矩形杠杆放大单元包括两条连接铰链和四条缓冲铰链；其中，所述两条连接铰链为矩形的一组对边，所述四条缓冲铰链两两相互铰接形成两个缓冲铰链组并作为矩形的另一组对边，且其中一个缓冲铰链组与驱动器槽、运动平台依次连接，另一个与基座连接；
所述锯齿杠杆放大单元包括两条支臂，所述两条支臂分别与相邻的两个矩形杠杆放大单元的其中一个连接铰链连接；每条支臂包括多条依次连接、且两两互相垂直的缓冲铰链。
具体地，基座2即平台基身，运动平台1设置于平台基身的上表面的中心位置，在垂直方向上，运动平台1固定在平台基身上；水平方向上，运动平台1在驱动信号的作用下，在平台基身表面上进行二维位移运动。
运动平台1的侧面设有四个测量面，测量面用于测量运动平台1的位移数据。本发明中的测量面和运动平台相当于一个整体，通过激光传感器检测测量面反射激光信号来获取运动平台的位移变化，也可以通过添加辅助装置利用电容式传感器测量位移变化。也即运动平台的四个侧面为激光反射面，用于配合激光干涉仪测量运动位移大小。
XY轴方向上，运动平台通过压电陶瓷驱动装置，矩形杠杆放大单元与所述平台基身相连；XY中间方向上，锯齿杠杆放大单元和S型XY弹簧解耦单元的一端分别与矩形杠杆放大单元和运动平台相连，另一端均固定在平台基身上。所述XY轴四个方向上的压电驱动装置完全相同，放置于四个驱动器槽中。四个矩形杠杆放大单元的结构完全相同，在平台基身上关于运动平台呈中心对称分布；所述XY四个中间方向上的锯齿杠杆放大单元的结构相同，关于运动平台呈中心对称分布，用于降低XY方向耦合和避免平台因不均匀受力而变形。
驱动装置分别与运动平台1和矩形杠杆放大单元6连接，驱动装置设有：依次对应连接的四个方向的驱动器槽5、四个方向的驱动铰链4。各个驱动器槽5、驱动铰链4相对于运动平台1呈中心对称分布，处于XY坐标轴的四个方向上，四个驱动器槽5分布在四个坐标轴间的中间方向上。四个驱动器槽嵌于平台基身中，位于XY的四个方向上，与运动平台相连，驱动器槽内部装有压电陶瓷，用于驱动XY运动平台的二维运动。矩形杠杆放大单元6的一端与驱动器槽5相连，另一端通过固定铰链7与平台基身相连；锯齿杠杆放大单元8的一端固定在平台基身上，另一端与矩形杠杆放大单元6中的连接铰链相连，四个锯齿杠杆放大单元8的位置关于运动平台1呈中心对称分布，处于四个XY中间方向上。
固定铰链7包括X轴正向固定铰链7-1、Y轴正向固定铰链7-2、X轴负向固定铰链7-3、Y轴负向固定铰链7-4。
如图2-3所示，Y轴正向驱动器槽5-2的一端通过Y轴正向驱动铰链4-2与运动平台1的一个测量面垂直相连，它的另一端与Y轴正向缓冲槽6-2相连，Y轴正向缓冲槽6-2通过Y轴正向固定铰链7-2与平台基身相连，第二象限锯齿杠杆放大单元的支臂C8-2-1的一端与Y轴正向矩形杠杆放大单元第一连接铰链6-2-3相连接，另一端与平台基身相连，第二象限S型弹簧解耦单元9-2的一端与运动平台1的一角相连，另一端与平台基身相连。在该实施例下，其他各方向的缓冲装置连接和排布方式与之相同。
如图2所示，驱动器槽5设置于平台基身上，包括：X轴正向驱动器槽5-1、Y轴正向驱动器槽5-2、X轴负向驱动器槽5-3和Y轴负向驱动器槽5-4；驱动器槽5安装至少一个驱动器，驱动器产生驱动信号，带动与传动支链连接的运动平台进行运动。以X轴正向矩形杠杆放大单元5-2为例，一端与X轴正向驱动铰链4-2相连，另一端同时与X轴正向矩形杠杆放大单元的第三缓冲铰链6-2-4和第四缓冲铰链6-2-5相连，其他的三个方向的驱动器槽5的连接方式相似。
如图2所示，四个方向的驱动铰链，分别与四个方向的驱动器槽5一一对应连接，每个驱动铰链用于传输所属方向上对应的驱动信号。四个驱动铰链包括X轴正向驱动铰链4-1、Y轴正向驱动铰链4-2、X轴负向驱动铰链4-3和Y轴负向驱动铰链4-4；以X轴正向驱动铰链4-1为例，其一端与X轴正向驱动器槽5-1相连，另一端与运动平台1相连；其他三个方向的驱动铰链4的连接方式相似。
XY轴四个方向上的矩形杠杆放大单元，矩形杠杆放大单元的一端与驱动器槽相连接，另一端通过一个固定铰链固定在平台基身上。所述矩形杠杆放大单元由四个完全相同的缓冲铰链和两个完全相同的连接铰链组成，构成长方形状结构，四条缓冲铰链和两条连接铰链共同构成矩形槽。其中，每两个缓冲铰链直接相连，构成两个缓冲铰链组，铰链组的中间连接处分别驱动装置和平台基身相连，两条连接铰链将两个铰链组连接在一起，构成整个矩形杠杆放大单元，连接铰链上端开有螺孔，用于通过螺钉进行压紧，保证矩形杠杆放大单元整体上得到固定。
矩形杠杆放大单元本身关于X或Y轴完全对称，缓冲铰链组中的缓冲铰链关于X或Y轴两两对称，连接铰链关于X或Y轴两两对称。
如图2所示，四个方向的矩形杠杆放大单元，分别与四个方向的驱动器槽一一对应连接，矩形杠杆放大单元6用来放大驱动器的运动位移，增大该方向上的行程。四个矩形杠杆放大单元包括X轴正向矩形杠杆放大单元6-1，Y轴正向矩形杠杆放大单元槽6-2，X轴负向矩形杠杆放大单元6-3和Y轴负向矩形杠杆放大单元6-4。如图3所示，每个矩形杠杆放大单元由四个缓冲铰链和两个连接铰链组成，以Y轴正向矩形杠杆放大单元为例，四个缓冲铰链分别是第一缓冲铰链6-2-1、第二缓冲铰链6-2-2、第三缓冲铰链6-2-4、第四缓冲铰链6-2-5，两个连接铰链分别是第一连接铰链6-2-3、第二连接铰链6-2-6，其中四条缓冲铰链在水平方向上与驱动器槽保持接近于90°的夹角，四条缓冲铰链随着运动平台的移动发生位移，起到放大作用，与驱动器槽间的夹角也不断变化，但由于运动平台本身的位移很小，夹角的变化也非常小，肉眼不可见。矩形杠杆放大单元中的第三缓冲铰链6-2-4和第四缓冲铰链6-2-5同时与驱动槽5-2相连，第一连接铰链6-2-3和第二连接铰链6-2-6的一端分别与第三缓冲铰链6-2-4和第四缓冲铰链6-2-5相连，另一端分别于第二缓冲铰链6-2-2和第一缓冲铰链6-2-1相连，而这两条缓冲铰链的另一端与固定铰链7-2同时相连。
本发明提供的大行程二维纳米定位平台，通过多个不同类型的多级杠杆放大单元，实现纳米定位平台的大行程，通过柔性弹簧式设计，保证纳米定位平台的高速与准确，并设计柔性解耦单元有效降低XY间的耦合影响。
进一步地，所述其中一个缓冲铰链组与驱动器槽的夹角为90°±10°；所述缓冲铰链组与连接铰链的夹角为90°±10°。
进一步地，所述两条连接铰链的长度相同，所述四条缓冲铰链的长度相同，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的长度不同；
且所述四条缓冲铰链的长度大于所述两条连接铰链的长度，所述两条连接铰链的长度的大于所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的长度。
具体地，四条缓冲铰链长度相同，两条连接铰链长度相同，缓冲铰链的长度明显大于连接铰链的长度，从而起到放大位移的作用。
进一步地，所述两条连接铰链的宽度相同，所述四条缓冲铰链的宽度相同，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度相同；
且所述两条连接铰链的宽度大于所述四条缓冲铰链的宽度，所述四条缓冲铰链的宽度大于所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度。
具体地，四条缓冲铰链宽度相同，两条连接铰链宽度相同，连接铰链的宽度明显大于缓冲铰链的宽度，两种铰链的宽度比取决于定位平台的设计行程。
进一步地，矩形杠杆放大单元中，缓冲铰链与压电驱动装置夹角为90°左右，缓冲铰链和连接铰链夹角为90°左右，驱动装置在X或Y方向产生位移后，上述夹角会发生细微变化，但变化不会超过10°。
缓冲铰链与固定铰链，缓冲铰链与驱动器槽，缓冲铰链和连接铰链之间的夹角都近似于90°，误差范围为±10°；四条缓冲铰链的彼此长度相同，宽度相同，两条连接铰链彼此之间长度相同，宽度相同，整体上来，缓冲铰链的长度大于连接铰链，宽度小于连接铰链。
优选地，四条缓冲铰链的宽度均取为1.4mm，长度均取为16mm；两条连接铰链的宽度均取为3.5mm，长度均取为9.2mm。其他的三个矩形杠杆放大单元及内部结构与此相同。
如图2所示，处于四个对角线方向上的锯齿杠杆放大单元8，分别与各方向矩形杠杆放大单元6中的连接铰链相连，驱动器槽5带动运动平台1移动时，矩形杠杆放大单元作为平台的一级位移放大单元，随驱动器槽的移动发生形变，于是矩形杠杆放大单元内部的连接铰链也发生移动，此时与连接铰链相连的锯齿杠杆放大单元作为二级位移放大结构，对连接铰链的移动位移进行放大，同时也可以消除矩形杠杆放大单元在XY轴方向上的耦合作用。
锯齿杠杆放大单元位于XY四个中间方向上，所述的锯齿杠杆放大单元由两个关于XY中心方向对称的锯齿臂构成，臂的一端与矩形杠杆放大槽的连接铰链相连，另一端固定在平台基身上；每个锯齿臂由多段柔性铰链构成，柔性铰链之间依次相连，互相垂直，组成类似于弹簧式的结构，用于辅助矩形杠杆放大单元放大位移。该装置属于矩形杠杆放大单元下的二次结构，用于辅助矩形杠杆放大单元放大位移。同时，由于每个结构中两个锯齿臂关于XY中心方向的对称设计，可以降低矩形杠杆放大单元在XY轴间的耦合影响，辅助降低运动平台XY两个方向上的耦合作用。出于锯齿臂的柔性设计，柔性铰链间连接处均通过倒圆角进行圆滑处理。
进一步地，柔性铰链间连接处均通过倒圆角进行圆滑处理。
所述多段柔性铰链的长度不完全相同，彼此之间存在不同偏差，整体上小于矩形杠杆放大单元中的连接铰链和缓冲铰链，起到二级辅助放大作用。
所述多段短缓冲铰链宽度相同，整体上小于矩形杠杆放大单元中的连接铰链和缓冲铰链。最后一段缓冲铰链固定在平台基身上，并设有螺丝孔，用于加紧固定锯齿杠杆放大单元，保证锯齿微小形变的起到的增效效果。
四个方向上的八个锯齿杠杆放大单元包括：第一象限锯齿杠杆放大单元支臂A 8-1-1、第一象限锯齿杠杆放大单元支臂B 8-1-2、第二象限锯齿杠杆放大单元支臂C 8-2-1、第二象限锯齿杠杆放大单元支臂D 8-2-2、第三象限锯齿杠杆放大单元支臂E 8-3-1、第三象限锯齿杠杆放大单元支臂F 8-3-2、第四象限锯齿杠杆放大单元支臂G 8-4-1、第四象限锯齿杠杆放大单元支臂H 8-4-2。
一个锯齿杠杆放大单元支臂由若干段依次连接，两两相互垂直的缓冲铰链组成，缓冲铰链长度不同，宽度相近，矩形杠杆放大单元中的连接铰链水平移动后，若干段缓冲铰链起到“弹簧”作用，根据连接铰链形变力的大小和方向的不同，发生不同的形变，与力方向垂直的缓冲铰链形变更大，设计长度也应更长，与力方向相同的缓冲铰链则正好相反。
如图4所示，第四象限锯齿杠杆放大单元支臂G 8-4-1由八段缓冲铰链组成，第四象限锯齿杠杆放大单元支臂G 8-4-1包括缓冲铰链a 8-4-1-1、缓冲铰链b 8-4-1-2、缓冲铰链c 8-4-1-3、缓冲铰链d 8-4-1-4、缓冲铰链e 8-4-1-5、缓冲铰链f 8-4-1-6、缓冲铰链g8-4-1-7、缓冲铰链h 8-4-1-8，各缓冲铰链彼此垂直，且交点处的圆周曲率为0.2m。
类似地，第四象限锯齿杠杆放大单元支臂H 8-4-2包括缓冲铰链a`8-4-2-1、缓冲铰链b`8-4-2-2、缓冲铰链c`8-4-2-3、缓冲铰链d`8-4-2-4、缓冲铰链e`8-4-2-5、缓冲铰链f`8-4-2-6、缓冲铰链g`8-4-2-7、缓冲铰链h`8-4-2-8
优选地，第四象限锯齿杠杆放大单元支臂G的八段铰链的宽度均取为0.4mm，缓冲铰链a 8-4-1-1长度取为1.7mm，缓冲铰链b 8-4-1-2长度取为1.6mm，缓冲铰链c 8-4-1-3长度取为0.9mm，缓冲铰链d 8-4-1-4长度取为0.8mm，缓冲铰链e 8-4-1-5长度取为0.9mm，缓冲铰链f 8-4-1-6长度取为2.3mm，缓冲铰链g 8-4-1-7长度取为0.9mm，缓冲铰链h 8-4-1-8长度取为0.9mm。第四象限锯齿杠杆放大单元支臂H 8-4-2的结构与之相同，其他三个方向上的锯齿杠杆放大单元也与之相同。
进一步地，所述平台还包括四个结构相同且关于运动平台成中心对称设置于基座的S型弹簧解耦单元，所述S型弹簧解耦单元包括多条依次连接、且两两互相垂直的缓冲铰链；所述S型弹簧解耦单元的一端与运动平台连接。
具体地，XY四个中间方向上的S型弹簧解耦单元由多段柔性铰链构成，柔性铰链之间依次连接，互相垂直，呈弹簧状，连接处均通过倒圆角进行圆滑处理。解耦单元一端与方形运动平台的四个角相连，另一端固定在平台基身上。
进一步地，所述S型弹簧解耦单元的首尾两段缓冲铰链的长度相同，分别与运动平台和基座连接，且与XY轴的夹角均为45°。
具体地，第一段和最后一段柔性铰链长度相同，这两段铰链严格处于XY中间方向上，与X、Y轴均成45°夹角，分别与运动平台和平台基身相连固定。运动平台在XY方向上位移时，S型柔性铰链根据运动平台位置的不同，发生柔性形变，从而降低XY方向间的耦合作用。
出于和锯齿杠杆放大单元相同的原因，平台基身上设有用于二次加固的螺孔。中间的多段柔性铰链彼此长度不同，构成S型结构。由于柔性解耦的设计需要，与首末段柔性铰链同向的多段铰链长度较短，与之垂直的多段铰链长度偏长。
如图2所示，处于四个对角线方向上的S型弹簧解耦单元9分别与运动平台1的一角和平台基身相连，运动平台在XY方向上位移时，S型弹簧解耦单元9内部的柔性铰链根据运动平台位置的不同，发生柔性形变，从而降低XY方向间的耦合作用。四个方向上的S型缓冲链组包括：第一象限S型弹簧解耦单元9-1、第二象限S型弹簧解耦单元9-2、第三象限S型弹簧解耦单元9-3、第四象限S型弹簧解耦单元9-4。
如图5所示，第一段缓冲铰链i 9-3-1和最后一段缓冲铰链长度o 9-3-7相同，第一段缓冲铰链i 9-3-1与运动平台1相连，最后一段缓冲铰链o 9-3-7与平台基身相连，两段缓冲铰链都在对角线方向上。中间的多段缓冲铰链彼此长度不同，构成S型结构，与首段和末段缓冲铰链同方向的缓冲铰链长度偏短，与之垂直的缓冲铰链长度偏长。
S型弹簧解耦单元以“弹簧”缓冲的方式，通过不同缓冲铰链在不同方向上的不同形变起到缓冲作用，且位于XY中间方向上，从而完成XY方向上的柔性解耦。
本发明提供的大行程二维纳米定位平台，设计模式关于运动平台呈中心对称结构，XY的四个方向上，嵌有完全相同的四个驱动器槽、矩形杠杆放大单元，XY方向上的柔顺机构(包括驱动铰链、驱动器槽、矩形杠杆放大单元和固定铰链)本身也关于X或Y轴对称；XY间的四个方向上，嵌有完全相同的四个锯齿杠杆放大单元，四个S型弹簧解耦单元，结构本身也关于XY的中间方向对称。
进一步地，所述S型弹簧解耦单元中除首尾两段缓冲铰链之外的缓冲铰链的长度不同，且与首尾两段缓冲铰链的方向相同的缓冲铰链的长度小于与首尾两段缓冲铰链的方向垂直的缓冲铰链。
进一步地，所述S型弹簧解耦单元的缓冲铰链的宽度相同，且与所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度相同。
具体地，多段柔性铰链的宽度相同，与锯齿杠杆放大单元的锯齿臂柔性铰链一致。
优选地，如图5所示，第三象限S型弹簧解耦单元9-3由七段缓冲铰链组成，第三象限S型弹簧解耦单元支链包括第一段缓冲铰链i 9-3-1，缓冲铰链j 9-3-2，缓冲铰链k 9-3-3，缓冲铰链p 9-3-4，缓冲铰链m 9-3-5，缓冲铰链n 9-3-6，最后一段缓冲铰链o 9-3-7，各缓冲铰链彼此之间呈90°夹角，且交点处的圆周曲率为0.2m。这七条缓冲铰链的宽度都取为0.4mm，第一段缓冲铰链I 9-3-1的长度取为6.0mm，缓冲铰链j 9-3-2的长度取为2.9mm，缓冲铰链k 9-3-3的长度取为1.2mm，缓冲铰链p 9-3-4的长度取为5.8mm，缓冲铰链m 9-3-5的长度取为1.2mm，缓冲铰链n 9-3-6的长度取为2.9mm，缓冲铰链o 9-3-7的长度取为6.0mm。其他三个方向上的S型弹簧解耦单元也与之相同。
进一步地，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链和所述S型弹簧解耦单元的缓冲铰链的连接处均通过倒圆角进行圆滑处理。
进一步地，所述基座设有多个螺孔，分别用于固定所述矩形杠杆放大单元的连接铰链、对所述锯齿杠杆放大单元和S型弹簧解耦单元进行加固。
具体地，如图2所示，基座即平台基身上设有多个圆形螺孔3，圆形螺孔用于在螺钉的作用下将平台基身固定在预设台面上。
为了提高纳米定位平台的可靠性，纳米平台基身上设有多个圆形螺孔用于加固预紧的螺孔，包括：平台基身外围起整体固定作用的螺孔、缓冲槽中固定连接铰链的螺孔、锯齿杠杆放大单元与平台基身连接处的加固螺孔、S性弹簧解耦单元与平台基身连接处的加固螺孔。
优选地，平台基身上共有24个圆形螺孔，在螺钉的作用下将平台基身固定于预设台面上。外围的8个螺孔起整体固定作用，缓冲槽中的8个螺孔起固定八条连接铰链的作用，锯齿链处的4个螺孔加固锯齿杠杆放大单元与平台基身的连接端，内部的4个螺孔加固S型弹簧解耦单元与平台基身的连接端。
本发明提供的大行程二维纳米定位平台的基础频率大于2kHz，运动平台在XY方向上最大位移均达到100um，同时耦合误差小于1％。可用作原子力显微镜的扫描应用平台，在保持较高扫描频率的情况下，实现大行程测量需求，预计在此平台上的栅格扫描频率可以达到200Hz以上。在实际的操作中，在保持技术方案相同或相似的情况下，可灵活改变结构形式和器件参数以满足实际需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大行程二维纳米定位平台，其特征在于，包括：基座、设置于基座中心的运动平台、四个结构相同且关于运动平台成中心对称设置于基座的驱动器槽、矩形杠杆放大单元和锯齿杠杆放大单元；
所述矩形杠杆放大单元包括两条连接铰链和四条缓冲铰链；其中，所述两条连接铰链为矩形的一组对边，所述四条缓冲铰链两两相互铰接形成两个缓冲铰链组并作为矩形的另一组对边，且其中一个缓冲铰链组与驱动器槽、运动平台依次连接，另一个通过固定铰链与基座连接；
所述锯齿杠杆放大单元包括两条支臂，所述两条支臂分别与相邻的两个矩形杠杆放大单元的其中一个连接铰链连接；每条支臂包括多条依次连接、且两两互相垂直的缓冲铰链；
所述驱动器槽的一端通过驱动铰链与所述运动平台的测量面垂直相连。
2.如权利要求1所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述其中一个缓冲铰链组与驱动器槽的夹角为90°±10°；所述缓冲铰链组与连接铰链的夹角为90°±10°。
3.如权利要求1所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述两条连接铰链的长度相同，所述四条缓冲铰链的长度相同，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的长度不同；
且所述四条缓冲铰链的长度大于所述两条连接铰链的长度，所述两条连接铰链的长度大于所述锯齿杠杆放大单元各缓冲铰链的长度。
4.如权利要求1所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述两条连接铰链的宽度相同，所述四条缓冲铰链的宽度相同，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度相同；
且所述两条连接铰链的宽度大于所述四条缓冲铰链的宽度，所述四条缓冲铰链的宽度大于所述锯齿杠杆放大单元各缓冲铰链的宽度。
5.如权利要求1-4任一项所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述大行程二维纳米定位平台还包括四个结构相同且关于运动平台成中心对称设置于基座的S型弹簧解耦单元，所述S型弹簧解耦单元包括多条依次连接、且两两互相垂直的缓冲铰链；所述S型弹簧解耦单元的一端与运动平台连接。
6.如权利要求5所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述S型弹簧解耦单元的首尾两段缓冲铰链的长度相同，分别与运动平台和基座连接，且与XY轴的夹角均为45°。
7.如权利要求5所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述S型弹簧解耦单元中除首尾两段缓冲铰链之外的缓冲铰链的长度不同，且与首尾两段缓冲铰链的方向相同的缓冲铰链的长度小于与首尾两段缓冲铰链的方向垂直的缓冲铰链。
8.如权利要求5所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述S型弹簧解耦单元的缓冲铰链的宽度相同，且与所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链的宽度相同。
9.如权利要求5所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述锯齿杠杆放大单元的缓冲铰链和所述S型弹簧解耦单元的缓冲铰链的连接处均通过倒圆角进行圆滑处理。
10.如权利要求5所述的大行程二维纳米定位平台，其特征在于，所述基座设有多个螺孔，分别用于固定所述矩形杠杆放大单元的连接铰链、对所述锯齿杠杆放大单元和S型弹簧解耦单元进行加固。
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