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1、置於S E M 腔髓内的奈米操作移勤装置 臻威政、潘善髓、姚斌藏 ( 工棠技衡研究院量测技衡酸展中心，台潼新竹。3 0 0 ) 摘要 一小型化的兰轴移勤装置可架噩捞商棠化的捕描鼍子颞微镜的腔谴内由外部以程式疆 勤使其在捅描筏子颞微镜的真空系统下操作。X 、Y 轴是利用惯性力作用东疆勤方奎脲波2 0 0 V 操 作下最小移勤位移量5n m 。Z 轴是由i n c h w o r m 东曩勤。最小位移量0 Ir i m 。此三轴移勤装置 可用於奈米碳管舆A F M 、S T M 等探针的黏接及奈米生物檬本的捻测。 1 引雷 奈米物髓的操控是奈米尺度工程舆科罩的一瑁挑戥，目前已有多獯蹄魇於探针捕瞄式
2、 颢衍( S P M ) 的俄器，如原子力颓微镜、捕瞄穿隧颢微衍、磁力探针颓微衍、鼋化擎探针颓微 筑等臆用於各领域的研究及虑用。本文鼗展一微小化的三轴向定位装厦可安匿於蔺用的捕 描鼋子颢徼筑的腔髓内，利用遭獯彀针可以在捕描鼋子颞徼镜的真空系兢下疆勤提供奈 米碳管於奈米爽爪、址M 、S T M 等探针的黏接功能，系统的疆勤横棒也可以逵到三稚尺寸 奈米极的移勤量，以提供奈米靓测舆榆测用的精密致勤系统。 2 奈米移勤装置 本文所我种的奈米操控三轴奈米移勤装噩，主要粗成有雨部分：第部分由x 、Y 轴向 的逼勤由惯性力移勤台( i n e r t i a lw a l k e r ) 孰行第二部分z 轴
3、的遁勤由一蓠用的蠖式横槽 ( i n c h w o r m ) 孰行【1 】。惯性力移勤台由雨倜猢立的金属移勤台粗成【2 】【3 】，每一移勤台於移勤 方向的一端黏附著一支雁鼋致勤器( p i e z o ) ，由於匿鼋致勤器的伸糖勤作可使舆其相连的 移勤台惯性力克服所受的摩擦力便可作前後不同速率的移勤，雨倜致勤器互成垂直安迢。 本毅舌十疆勤器的安避方式如圃1 所示，X 、Y 轴移勤台正下方的基座上方加工二倜平行的 矩形凹槽，凹槽安置有载玻片，载玻片的目的属充作低摩擦( f r i c t i o n l e s s ) 的平面。位於下 屠的Y 轴移勤台底部黏附有三倜金魇球，接髑方式属黠接桶
4、，以逵有效降低摩擦； I J 力的功 能，移勤台藉由金属球舆载玻片接蝎作滑勤。上屉的X 轴移勤台底部亦黏附著三倜金属球 ；娶下厨的Y 轴移勤台接髑，但上下屠平台固的2 倜金屡球是座落於V 型凹槽中可礁保移勤 1 3 9 - 的棣性度，男一金屑球落於矩型凹槽中。I n c h w o r m 固定成垂直方向作z 轴移勤。I n c h w o r m 顶端舆x 平台上是用於安置檬品、探针或是其他的末端的作用装置，可随不同用途更置不 同灾治具，灾治具舆x 平台之固以T e f l o n 糨粽。 圊1 奈米移勤装避示意圊 3 奈米移勤装犀的疆勤 本研究驱勤I n c h w o r m 虚生Z 方
5、向的遣勤，乃封”i n c h w o r m ”匿鼋陶瓷外板外加三覆不 同的迪横鼋麈波形，其鼋魇峰值p p ) 构5 0V ，偏移构2 0V 。可尊致”i n c h w o r m ”有如矗般的 移勤。以上的麈鼋陶瓷之瞩勤鼋匿皆由高赝放大器输出寅骏中所加的鼋麈在2 0 0 4 0 0V 同。所需的波形由L a b V I E W 程式控制倜人鼋腾中的资料撷取卡( D a t aA c q u i s i t i o nB o a r d ， D A Q ) 输出而得，如圃2 所示，所加的鼋蜃频率在1 0 0 - 4 kH z 蠲。 驱勤x Y 移勤台的逗勤须封匿鼋陶瓷管壁施於颓似抛物腺函敷
6、的非撩眭鼋匿波形。 系统最大警虑频率受限於匿鼋陶瓷的共振频率，其值构5 0k H z 。有敷獯鼋匿波形可以使移 勤台在某一方向的暹勤有足麴的加速度，但在反方向的加速度卸很低不足以麈生有效的逼 勤。寅骏中所使用的抛物腺鼋匿波形函敷足以使x y 移勤台麈生前遘舆後退逼勤，前逢舆後 退的波形恰巧是畸圊轴上的封映函敷。前遭波形如圜4 所示，其波形梭慢上升使移勤台因 燕法突破最大静摩擦力而保持其位置固定不勤，而快速的下降淳致一倜很大的加速度，此 加速度足以使移勤台克服最大静零擦力，移勤台阴始滑行且最辂彦生了浮位移。滑勤刚阴 始畴，鼋匿舆移勤台系统参敷的相封丽傈如公式( 1 ) 所示。 A V ( 1 +
7、 堕) g S c 0 2 0 ( 1 ) 肌2 其中，Ay 是我们所外加的鼋匿波形m l 是匿鼋致勤器的赏量，m 2 是移勤台的赏量， 厂。是静摩擦保敷，g 是重力常数，S 是避霭陶瓷露敏度，纰是系统最低横械共振频率。程 种算通後我们的系统AV 构1 0 0 2 0 0V - 道蹄因於很低的( o 。若胳平台尺寸微小化舍提舁 系统最低械械共振频率，便不需要高匿放大器所输出的高波形。 - 1 4 0 圈2i n c h w o r m 鼋屡输入波形 Q 弓 ， ：2 Z 量 一 T i m e 圄3 匿雹陶瓷管壁的外加鼋屡波形 4 寅骏桔果舆_ 君寸谕 Z 轴”i n c h w o r m
8、”的位移解析度是藉由鼋子式腺性位移差勤器( L i n e a rV a r i a b l e D i f f e r e n t i a lT r a n s d u c e LL V D T ) 量测而得，於外加波形V p p 杓5 0V 峙的位移解析度构0 1 n m ，”i n c h w o r m ”的最大逼勤速度构0 7m m s 。 x 轴、Y 轴移勤台寅骏逛行前，须清洗金属球舆玻璃的表面，有助於寅黢桔果的可靠度。 寅黢中估种步迤距滩的方式是外加6 0 0 0 0 次波形後量取穗位移距雕，求得平均步造距雕 由圆4 中，颗示x 釉、Y 轴移勤台逼勤的晦限鼋屋构2 0 0V ，於
9、外加鼋匿2 5 0V 畴，真空下 的步道距雕鞍大氟瑕境下豹小於5 10n m , 可能原因是金餍球舆玻璃蔺的水膜屠合影警步造 距雒，在真空绦件下，水膜厚度舆大氟瑕境下相比畿乎是可以忽略，也静水膜屠的润滑作 用降低了其简的静肇擦力。下屠Y 轴移勤台的罩步大小比上屠x 轴移勤台构小2 - 2 0n m ，造 成上下屠移勤台移勤距滩的差距原因在於负载的不同，下靥移勤台因属承载上屠移勤台之 故，载重焉上屠移勤台的2 倍。圄5 颓示奈米移勤装置寅隙安装於S E M 腔内，画6 使用 奈米移勤装疆於S E M 真空腔中道行奈米碳管舆探针的烧秸。 嘲4 上下居移勤台於大氯舆真空中的步逛距稚 一1 4 l 一
10、 圆5 奈米移勤装厦安装於S E M 圈6 移勤装鼹逛行奈米碳管舆探针的烧秸 5 秸萧 本文自裂的三稚奈米定位楼棒，可以提供奈米等级的定位解析度，可更换灾治具做多 方面的用途。目前可以安装在茼用S E M 腔内而不必须大幅修改，已程成功的将碳管黏接於 测鲥上，接精的的工作除了改逛移勤装置的移勤棣性度，也将遣行奈米碳管舆S T M 探针、 A F M 探针的黏秸及测弑其虑用。 参考文献 【l 】“I n c h w o r m “，B u r l e i g hI n s t r u m e n t sI n c 2 】K a t s u s h iF u r u t a n i ，N a o
11、t a k eM o h r ia n dT o s h i r oH i g u c h i ，“Ab u i l t - i nd i s p l a c e m e n ts e n s o rf o r a ni m p a c td r i v em e c h a n i s m , “ M e a s S c i T e c h n 0 1 1 0 ，P P 6 3 6 6 ，1 9 9 9 【3 】Y u t a k aY a m a g a t a ，T o s h i r oH i g u c h i ，AM i c r o p o s i t i o n i n gD e v i c ef o rP r e c i s i o nA u t o m a t i c A s s e m b l yu s i n gI m p a c tF o r c eo fP i e z o e l e c t r i cE l e m e n t s I E E EI n t e r n a t i o n a lC D 刀尼旭玎c Po n R o b o t i c sa n d A u t o m a t i o n ，P P 6 6 6 - 6 6 9 ，19 9 6 - 一1 4 2
