TWI667565B - 用以致動負載件的致動器模組 - Google Patents

Abstract

本揭露有關一種用以作動一負載件的致動器模組。該致動器模組包含一可變形框及一致動器連接於該可變形框。一依時間改變的力分布耦合於該可變形框之一本徵模式的一激發狀態。該力分布以及該可變形框之一硬度分布及/或質量分布係被調適成會使該可變形框的靜態波節點與模式波節點重合。該等波節點重合的位置能被用來將該致動器模組連接於一座框，以減少傳送至該座框及傳回的振動，否則其可能會不佳地影響由致動器至負載件的移轉功能。本揭露亦有關一種用於設計及/或製造該致動器模組的方法。

Description

用以致動負載件的致動器模組 發明領域

本揭露有關於一種致動器模組，包含該致動器模組的致動器系統，例如供用於一原子力顯微(AFM)系統者。本揭露亦有關於一種用以設計一致動器模組之電腦執行方法，一種電腦可讀的儲存媒體，及一種用以製造一致動器模組的方法。

發明背景

一致動器模組能被用來致動一負載件，例如，造成該負載件之一振動動作。例如在一原子力顯微鏡中，一致動器模組可被用作一掃描頭，其會致動一探針尖端用以掃描一樣品表面。

一般而言，最好在一所施加的致動力(輸入)與一作動表面或探針的位移(輸出)之間的動力移轉功能或頻率反應功能應盡可能滑順，例如沒有干擾共振等。但是，當該致動器模組係以一傳統方式連接於一座框時，該致動器模組的動作可能會激發座框振動。此等致生的振動可能影響該移轉或反應功能，而劣化該致動器系統的性能。

因此，有需要提供一種致動器模組可連接於一座框，其中一由該致動器模組至該座框的振動移轉會被減少。

發明概要

本揭露之一第一態樣提供一種用以作動一負載件的致動器模組。該致動器模組包含一可變形的框，及一致動器連接於該可變形框。該可變形框具有一硬度分布和質量分布，會決定該可變形框的振動本徵模式。該可變形框之一介面包含多個模式波節點，被定義為當該可變形框在該等本徵模式之一者的一激發狀態之模態變形時係為固定的點。該致動器係連接於該可變形框，且被設成能透過該可變形框與該致動器間之一連接處來施加一依時改變的力分布於該可變形框上。該可變形框之該介面包含多數個靜態波節點，被定義為當該力分布被該致動器在靜態或準靜態情況下施加時，於該可變形框之靜態變形期間係為固定的點。該依時改變的力分布，在使用時，耦合於該本徵模式的該激發狀態。該可變形框包含一作動表面，在使用時，由該可變形框之結合的模態和靜態變形所造成的振盪可作動接觸及/或連接於該作動表面的負載件。該力分布、硬度分布，及質量分布係被調適成使該等靜態波節點會與該等模式波節點重合，或至少是盡可能的靠近在一起。

不拘限於理論，本發明係基於以下的察知。在一方面，一可變形框具有振動本徵模式等取決於該可變形框之一硬度分布和質量分布。當一依時改變的力分布係被安 排成耦合於該等本徵模式之一者的一激發狀態時，例如接近該相耦合的本徵頻率並沿如該本徵模式的類似變形方向，則該可變形框會開始以該本徵模式來共振。此係被稱為該框的模態變形，且可被認為即使該外力被移除該變形亦可能發生。當(純)模態變形時，即沒有致動力時，其可被觀察到該框的某些點，稱為“模式波節點”者(例如在一穿過該框之一各別的波節線上之點)，會在該本徵模式振動期間保持固定。換言之，該等模式波節點不會在該模態變形的影響下相對於該可變框之一質量中心移位。另一方面，藉著施加一力於該可變形框上，該框會依該框之一硬度分布及施於該框上的力之一分布而變形。當該力係在靜態或準靜態情況下施加時，此乃稱為該框的“靜態變形”。其可被觀察到該框的某些點，稱為“靜態波節點”者，在當該靜態力之一量值緩慢地改變時會保持固定。換言之，此等靜態波節點於該所施力的準靜態振動時不會相對於該可變形框之一質量中心移位。靜態或準靜態情況係可例如在遠低於該框之最低本徵頻率的頻率獲得，即當該模態變形的影響能被忽略時。例如，靜態波節點可被視為當一靜態力被施加時相較於沒有力被施加時會保留在相同位置的點。

應請瞭解因為波節點顯現最小的或完全沒有位移，故它們會提供一用以將該致動器模組連接於該座框的有利位置。因在該等點處會有最小的或沒有相對平移，故經由該點的振動移轉會最小。但是，在一未理想化的致動器模組中，該等波節點之一位置可能依該作動力之一頻率 而改變。因此，對該框之一特定點的連接，其在一頻率時是固定的，但在另一頻率時可能不是固定的。此行為已發現會被如下事實造成，即在一傳統的致動器模組中，該等模式波節點和靜態波節點並不重合。因此，在一傳統的致動器模組中該等有效波節點(即會保持固定的點)之一位置可取決於該等靜態和模態變形的相對貢獻，此等貢獻又可取決於該致動力的頻率。

目前已知藉著調適該致動器模組，而使該等靜態波節點與該等模式波節點重合，則該等波節點之一位置的頻率依賴性會減低。例如，該等靜態波節點之一位置可藉該致動器施於該框上的力分布，及/或該框的硬度分布之一選擇來被調適。且該等模式波節點之一位置可藉該框的質量分布，及/或該框的硬度分布之一選擇來被調適。因此，該力分布、硬度分布及質量分布等之一或多者能被調適來使該等靜態波節點與該等模式波節點重合。最後，藉著在該等重合波節點的位置將一座框連接於該致動器模組，則由該致動器模組對座框之一振動移轉會減少。特別是，該移轉之一頻率依賴性會減少，而造成一更滑順的動力移轉功能或頻率反應功能。

為提供一良好結果，已發現較好是該等靜態波節點會盡可能靠近在一起地與該等模式波節點重合，例如在一小於該可變形框的介面或表面之一維向尺寸(如長度或寬度或最大截面直徑)的1%之容差或距離內，於該介面對該座框的連接物會被施用，較好更靠近，例如小於0.5%，更 好是小於0.1%，最好是完全地重合至少在一可測量的誤差界限內。該兩種波節點愈靠近在一起，則振動移轉的減少會愈佳。假使有任何的小距離，已發現最好是將該等連接物定心設在該各別的靜態波節點與近旁的對應模式波節點處(例如在該框尺寸的1%內)。

藉著提供該可變形框多數個框連接物，該致動器模組能被更容易地連接於一座框。藉著將該等框連接物設在該可變形框之介面而定心於該等重合的波節點上，則該模組中由該致動器所造成的振動可對該等框連接物有最小的影響，例如因該等組合的靜態和模態變形之結果而作用在該等框連接物上的力可為最小。例如，一框連接物包含一各別的凹部及/或凸部定心在該等重合的波節點上。以此方式該等波節點的位置能被容易地辨認，且該可變形框能藉由該凹部及/或凸部而被固持，例如藉一設在該座框上之對應結構，其會與該各別的凹部及/或凸部配接。藉著在該致動器模組與該座框之間提供連接處，其係可繞各別的重合波節點自由旋轉，則該框繞該等點的扭轉可能在模態及/或靜態變形未被傳送至該座框時發生。藉著在該致動器模組與該座框之間提供至少三個連接點，該位置可被有利地決定。

如上所述，當模態變形時，該可變形框的某些部份可保持固定，即該等模式波節點。相反地，該可變形框在該等模式波節點之間的其它部份，可能展現最大的模態變形。此係被稱為模式反波節。已發現藉著將該致動器與 可變框之間的連接處定心在該可變框之一模式反波節上，則該等靜態波節點和模式波節點會變成較容易地形成重合。應請瞭解，若施力於模態變形最大之處，則對該對應的本徵模式之一更強的連結可被建立。

該致動器模組的可變形框可有各種不同的形狀具有適當的波節。例如，已發現較好能提供一種O型框，其中該可變形框包含一封閉的環圈包圍著該致動器。以此方式該致動器能被置於該環圈內，並在該環圈的任一側施加相反的力。為改良對稱性，該可變形框亦可包含二互連的封閉環圈，即，一8型框，其中每一環圈會包圍一各別的致動器。

藉著提供該可變形框一鏡像對稱結構，其能更容易來辨認該等波節點。例如若一波節點出現在該鏡像平面的一側，則另一個可被預期會在另一側。藉著施加一相等但相反的力分布於該鏡像對稱結構的任一側，則該等力分布可造成該鏡像對稱結構之一相等但相反的變形。例如，該力可藉在該等鏡像兩側之間置設一或多個致動器來被施加。對稱性亦可藉提供一偶數的致動器，例如二個，在相反方向操作，而被改善。例如，當該兩個致動器係相對於彼此為鏡像對稱的，則該系統中的對稱性能被改良。該等致動器能施加相同但相反方向的力分布於該可變形框的任一側。應可瞭解，改良該系統的對稱性能對最小化移轉至一座框的振動提供更多的利益。特別是，在一對稱振動的可變形框中，某些點能繞該框的質量中心周圍保持固定。

一致動器系統可包含一座框固持著一如前所述的致動器模組。藉著最小化該可變形框上的接觸面積，該等重合的波節點能被較佳地標定。例如，當該致動器模組係藉由多數個銷連接於該座框時，該接觸面積可為最小的。

該致動器系統可在該座框與一固定座之間包含一平移及/或旋轉系統，用以控制該座框相對於該固定座的平移及/或旋轉。應可瞭解因為該致動器模組只會移轉最小的振動至該座框，故對於該系統的其餘部份之減震和穩定性的要求可為較不嚴苛。例如，該系統之其餘部份的正常模式不會被該致動器模組激發，故不會影響它，且反之亦然。因為該致動器模組對該致動器系統之其餘部份的影響係最小化，故該座框能被連接於多數個致動器框組，而它們互相只會最小地影響。

應可瞭解於此所述的致動器模組能對需要良好振動穩定性和控制的系統提供利益。例如，一包含一所述的致動器模組之原子力顯微系統能展現增升的性能和可預知性。該作動表面能被安排成可以一受控的方式來作動一探針尖端以掃描一樣品表面，而具有一盡可能滑順及可預知的頻率反應功能。

本揭露之一第二態樣提供一種用以設計一致動器模組的方法。該方法包含模擬一具有一硬度分布和質量分布的可變形框。該方法更包含模擬在準靜態情況下施加一力分布於該可變形框上。該方法更包含算出靜態波節點的位置，它們係當該可變形框在準靜態情況下之靜態變形 時為固定的。該方法更包含算出該可變形框之一振動本徵模式，其當該力分布之一量值係時間性振盪時會耦合於該力分布。該方法更包含算出在該可變形框之一介面上的模式波節點之位置，它們係當該可變形框在該本徵模式之一激發狀態的模態變形時為固定的。該方法更包含算出該等靜態波節點與模式波節點間之一距離，及改變該力分布、硬度分布及/或質量分布等之一或多者，直到該等靜態波節點與模式波節點重合。此等步驟能被例如重覆地進行，直到該等靜態波節點與模式波節點間之一距離係最小化為止。例如，該方法能在一或多台電腦上被實施。典型地，該方法能被體現為一非暫時性電腦可讀的儲存媒體，而具有程式指令等，其當在一或多台電腦上運作時，會使該一或多台電腦來執行該方法。

當一致動器模組之一設計被如此地獲得時，其中該力分布、硬度分布及質量分布係調適成能使該等靜態波節點會與模式波節點重合，據此該致動器模組能被製成。在一製造方法中，一可變形框係具有依據該設計的硬度分布和質量分布。且，一致動器係連接於該可變形框，並被設成可透過該可變形框與該致動器間之一連接處來施加一依時間改變的力分布於該可變形框上。該力分布係依據該設計來被安排，例如，該力分布至少在準靜態情況下會與依據該設計的力分布符合一致。

1‧‧‧可變形框

1a、1b‧‧‧框兩側

1s‧‧‧介面

2、2a、2b‧‧‧致動器

3‧‧‧框連接物

3b‧‧‧球

3p‧‧‧凸部

3r、23r‧‧‧凹部

10、10a、10b、10c‧‧‧致動器模組

11a‧‧‧模式反波節

11c‧‧‧質量中心

11m‧‧‧模式波節點

11s‧‧‧靜態波節點

12、12’、30‧‧‧連接處

12a、12b‧‧‧框兩側

13、13’‧‧‧作動表面

14、14’‧‧‧負載件

15‧‧‧樣品

20‧‧‧座框

20a、20b‧‧‧座板

20c‧‧‧底板

22‧‧‧平移及/或旋轉系統

23‧‧‧銷

23a、23b、23c‧‧‧連接物

25‧‧‧固定座

81、82‧‧‧頻率移轉功能

81r‧‧‧共振

100‧‧‧致動器系統

dx、dy‧‧‧距離

D‧‧‧直徑

Dx、Dy‧‧‧部份寬度

F、F’‧‧‧力分布

K‧‧‧硬度分布

M‧‧‧質量分布

PS‧‧‧對稱平面

V‧‧‧振動本徵模式

V0‧‧‧激發狀態

W‧‧‧寬度

X、Y‧‧‧框尺寸

本揭露的裝置、系統及方法之這些及其它的特 徵、態樣和優點等，將可由以下的說明，所附申請專利範圍，及所附圖式而得更佳地瞭解，其中：圖1示出一用以作動一負載件的致動器模組之一實施例的截面示意圖；圖2A示出一包含一類似圖1中所示之致動器模組的致動器系統之一實施例的立體示意圖；圖2B示出圖2A的實施例之一側視圖；圖3A示出一可變形框的另一實施例之一截面示意圖；圖3B示出一包含圖3A之可變形框的致動器系統之一實施例的立體示意圖；圖4A示出一致動器系統的另一實施例之一側視示意圖；圖4B示出一致動器系統的又另一實施例之一側視示意圖；圖5A~C示出一實施例的例示圖，其中該等波節點的位置是不同的；圖6A示出一可變形框1的另一實施例；圖6B示出一可變形框1的又另一實施例；圖7A示出一模擬的可變形框之一圖表；圖7B示出靜態波節點和模式波節點之相對位置的計算；圖8示出頻率反應功能的圖表；圖9A示出該致動器模組與座框間之一連接處的一實施例之一截面示意圖； 圖9B示出該致動器模組與座框間之一連接處的另一實施例之一截面示意圖；圖10A示出另一實施例的致動器系統包含一座框固持著一致動器模組；圖10B示出一用以將該座框附接於該致動器模組的實施例之一放大圖。

較佳實施例之詳細說明

除非另有其它不同的定義，否則被用於此的全部用語(包括技術性及科學上用語)皆具有如一般精習於本發明所屬之技術者在讀入本說明和圖式的內容時所共同瞭解的相同意義。又請瞭解，譬如在一般使用的字典中所定義的用語，應被釋為具有一意義係與其在相關技術的內容中之意義相符合，而不應被以一理想化或超乎正常的方式來被釋義，除非於此明白地如此定義。在某些情況下，甚為習知的裝置和方法之詳細說明可能被省略，俾免模糊本發明之系統和方法的說明。用以描述特定實施例的技術用語並非意要作為本發明的限制。如被用於此，單數形式的“一”、“一個”和“該”係意為亦要包括複數形式，除非文中有清楚地不同指示。該“及/或”用語包括相關的所列示物之一或多者之任何和全部的組合。應請瞭解該等“包含”及/或“含有”之用語指出所述特徵的存在，但並不排除有一或更多其它特徵的存在或附加。又請瞭解，當一方法之一特定步驟係被稱為後續於另一步驟時，其可直接地後隨該另一步 驟，或在進行該特定步驟之前有一或更多個中間步驟可能被進行，除非另有不同的指明。同樣地應可瞭解，當有結構物或部件間之一連接被描述時，此連接可被直接地建立，或透過中間結構物或部件來建立，除非另有不同的指明。

本發明會參照所附圖式更完整地說明於後，在各圖中本發明的實施例係被示出。但，本發明可被以許多不同的形式來體現，且不應被視為限制於所述的該等實施例。而是，該等實施例係被提供以使本揭露成為徹底且完整的，並會將本發明的範圍完全地傳達給精習於該技術者。該等實施例的說明係要參照所附圖式來被閱讀，該等圖式係要被視為整個所寫說明的一部份。在該等圖式中，各種系統、部件、層及區域的絕對和相對大小可能為了清楚而被誇大。實施例可能參照本發明之可能理想化的實施例和中間結構物之示意及/或截面圖來被描述。在該等說明和圖式中，相似的編號皆指相似的元件。相對用語及其衍生用語應被視為係指嗣會被描述的定向，或正在論述之該圖中所示的定向。此等相對用語係為了說明的方便，而不需要該系統被以一特定的定向構建或操作，除非另有陳明。

圖1示出一用以作動一負載件14，例如一要被作動的負載、實體或物件的致動器模組10之一實施例的截面示意圖。

該致動器模組10包含一可變形框1。該可變形框1具有一硬度分布K和質量分布M。該硬度分布K和質量分布 M會決定該可變形框1的振動本徵模式V。該可變形框1之一介面或表面1s包含多數個模式波節點11m。該等模式波節點11m係為當該可變形框1之模態變形時會固定不動的點。模態變形係為當該可變形框1之一特定的本徵模式V被激發時，例如呈一激發狀態V0時，會發生的變形。

該致動器模組10包含一致動器2連接於該可變形框1。該致動器2係被安排成可施加一依時間變化的力分布F於該可變形框1上，例如，一依時間振盪的力分布其中該力分布之一量值會如一時間的函數而週期性地改變，典型以一正弦波的形式。該力分布F係透過該可變形框1與該致動器2之間的一連接處12來施加。該連接處12係例如以該致動器2和可變形框1連接的延伸範圍來決定。該可變形框1的介面1s包含多數個靜態波節點11s。靜態變形為當該致動器所施的力分布係在準靜態情況下施加時會發生的變形，即在該力分布的依時間變化係以遠低於該框的最低本徵頻率之頻率來施用的情況下。該等靜態波節點11s為當正常由該致動器2在依時逐變情況下所施的力分布F係在準靜態情況下施用時，於該可變形框1之靜態變形期間會固定不動的點。

該可變形框1包含一作動表面13。該作動表面13可被用以作動一接觸及/或連接於該作動表面13的負載件14。在使用時，該作動表面13會振盪，乃因該致動器2所造成之該可變形框1的靜態變形，以及該依時逐變的力分布F之耦合於該各別的本徵模式V所造成之任何模態變形所致。較有利的是，該力分布F、硬度分布K，及/或質量分布 M係被調適成使該等靜態波節點11s會盡可能靠近該等模式波節點11m，較好是重合。以此方式，該靜態和模態變形的相對貢獻可對該有效波節，即固定點之一位置具有一較低的影響。請瞭解在一三維的結構物中，譬如該可變形框，典型地一波節線可被辨認出橫越該框。該等波節點可被視為該波節線會達到該可變形框之該表面的位置，即會與該可變形框之介面或表面相交處，典型在該可變型框的兩側邊。

在一實施例中，該力分布F係被調適成使一本徵模式會被主要地激發於一頻率範圍，而該範圍是該致動器模組10被設定要操作者。換言之，在該操作範圍內該致動器2的能量較好係主要地移轉成一本徵模式。例如，多於50%的該能量會形成該本徵模式，較好為多於80%，甚至更好為多於90%，或甚至全部的能量。另擇或附加地，在一實施例中，該作動力分布主要地耦合於多數個本徵模式，其中每一該等本徵模式包含一各別的多個模式波節點，其中不同的模式之模式波節點係被設成彼此互相及/或與各別的靜態波節點會盡可能靠近地重合，例如在一小於該框之一尺寸X(比如該連接物3要被附接的表面1s之寬度)的1%之距離內。

在一實施例中，該可變形框1包含多數個框連接物3用以將該致動器模組連接於一座框20。在一實施例中，該等框連接物3係列設在該可變形框1的介面1s，而定心於該等重合的波節點11m、11s上。雖將該等框連接物設成定 心在重合的波節點處，最好至少定心在該等靜態波節點處，係被認為是有利的，但另擇地將該等框連接物定位成靠近於該等重合的波節點或至少靠近於該等靜態波節點，亦可足以獲得一所需的充分低之振動移轉效果，例如將該等框連接物置設靠近該等重合的波節點，比如在該框表面或介面1s之一尺寸(如高度及/或寬度)的5%、2%、1%、0.5%或0.1%之距離內。在一實施例中，各框連接物3包含一各別的凹部及/或凸部定心於該等重合的波節點11m、11s上，用以藉由該凹部及/或凸部來固持該可變形框1。在一實施例中，該可變形框1在該可變形框1的兩側1a、1b各包含三個連接物3。

在一實施例中，該致動器2和可變形框1之間的連接處12係定心於該可變形框1之一模式反波節11a上。該反波節是該可變形框1之一表面上的一位置，於該處該可變形框1的模態變形在該本徵模式V之激發狀態V0時是最大的。典型地，其會在二波節之間。

在一實施例中，該可變形框1包含一封閉環圈包圍著該致動器2，其中該致動器2會施加相反的力F、F’於該環圈的兩側12、12’。在另一或又一實施例中，該可變形框1包含一鏡像對稱結構，其中一相等但相反的力分布F會被其間之一或多個致動器2施加於該鏡像對稱結構的兩側12、12’。此力分布F可造成該鏡像對稱結構之一相等但相反的變形。

在一實施例中，該致動器模組10係被用於一原子 力顯微鏡(AFM)。典型地，一AFM包含一懸臂具有一尖銳端(探針)在其末端，其係用來掃描該樣品表面。該懸臂典型是矽或氮化矽，具有一尖端曲率半徑在奈米的等級。當該尖端被帶入一樣品表面附近時，該尖端與該樣品之間的力會導致該懸臂之一彎曲。在一實施例中，該致動器模組10係包含於一AFM中，其中該負載件14包含一AFM尖端固持件連接於該可變形框1的作動表面13。在使用時，例如輕敲模式時，該懸臂會被該作動表面13驅動而上下振盪接近其共振頻率。此振盪的振幅係典型在10~1000nm之間，較好在50~500nm之間，更好在100~200nm之間。當該尖端靠近於該表面時作用在該懸臂上之力的交互作用可能會影響此振盪的振幅，例如若該尖端更靠近於該樣品時則會減小。典型地，該懸臂的彎曲會被使用一由該懸臂的頂部表面反射例如至一光電二極體陣列中的雷射來測量。其它的方法可包含光干涉測量法，電容式感測或壓電電阻式AFM懸臂。藉該懸臂之行為的測量，一樣品表面之一影像能被重建於該AFM尖端底下。該致動器模組10亦可在其它需要精確控制作動的系統中找到用途。

在一實施例中，該致動器模組10包含或耦接於一虛設負載件14’會被一第二作動表面13’作動。以此方式該系統的對稱性能被更加改良。

圖2A示出一致動器系統100之一實施例的立體示意圖。圖2B示出該實施例之一側視圖。

在一實施例中，該致動器系統100包含一座框20 固持一如前所述的致動器模組10。在一實施例中，該致動器模組10係被該座框20懸吊。在一實施例中，該致動器模組10係藉由多數個銷23連接於該座框20，該等銷銜接著該可變形框1之介面1s上的各別框連接物3。在所示實施例中，該等銷是錐形而其尖端朝向該致動器模組10。又其它的連接物亦有可能，例如參照圖9A和9B而被描述於後者。較好是，該等銷23具有尖端以最小化其與該致動器模組10，特別是該可變形框1的介面1s之一接觸面積。較好是，該接觸面積係小於1mm²，較好小於0.1mm²，或甚至小於例如大約0.01mm²。該接觸面積越小，則該波節點可被越佳地定位。

在一實施例中，該可變形框1在該可變形框1之兩側的每一側各包含二或更多個框連接物3。各組的框連接物3係被設在該座框20上之對應的連接物23銜接。在一實施例中，該致動器模組10係被固持於二座板20a、20b之間。該等座板20a、20b本身可被連接於組成該座框20的另外結構物。例如，在所示的實施例中，該等座板20a、20b係連接於一底板20c。

圖3A示出一可變形框1之一實施例的截面示意圖。較好是，該力分布、硬度分布和質量分布係被調適成能使該等靜態波節點11s與模式波節點11m重合。較好是，該等靜態波節點11s會與模式波節點11m重合在一距離dx或dy內，其係小於橫過該可變形框1的介面1s之一尺寸X或Y的1%。例如在本實施例中，該框1的高度或長度Y係大於其 寬度X。例如，該等波節點之間的較佳最大相對距離，可被表示為該框之最大尺寸，在本例中為Y的1%。橫過各維向的較佳最大容差亦可相對於該框表面1s在該維向的最大尺寸來被表示，例如分別小於該尺寸X或Y的1%。例如，在本實施例中，該容差“dy”可為該容差“dx”的二倍大，因為該框1的長度“Y”係為其寬度“X”的二倍大。當然此應被視為一拇指定律(經驗法則)，且其仍是更好要使該各別的靜態波節點與模式波節點之間的距離盡可能地小。該等框連接物3較好係位在一或多個該等波節點11m及/或11s處，最好是位在或靠近至少該等靜態波節點11s處。該標號11c表示該框之一質量中心。應請瞭解若該框對稱地振動，則該質量中心能保持固定且亦會作用如一波節點。

圖3B示出一包含該可變形框1的致動器系統100之一實施例的立體示意圖。在一實施例中，該可變形框1包含二互相連接的封閉環圈1a、1b。在一實施例中，各環圈包圍著一各別的致動器2a、2b。在另一或又一實施例中，該致動器模組10包含至少二致動器2a、2b以相反方向運作，而可施加相等但相反的力分布F、-F於該可變形框1的不同兩側12a、12b上。較好是，該可變形框1為對稱的，例如，包含一對稱平面PS。

圖4A示出一致動器系統100之一側視示意圖。該致動器系統100包含一座框20固持一如前所述的致動器模組10。在一實施例中，該致動器系統100包含一平移及/或旋轉系統22在該座框20與一固定座25之間。此能容許該座 框20相對於該固定座25之受控的平移及/或旋轉。

在一實施例中，該致動器模組10的可變形框會作用如一掃描頭，其會例如在一表面上掃描。在一實施例中，一原子力顯微系統包含一如前所述的致動器模組10及/或致動器系統100。在一實施例中，該作動表面13係被設成能作動一探針尖端14用以掃描一樣品15的表面。在一實施例中，該系統包含一控制器(未示出)其會控制該平移及/或旋轉系統22，例如用以移動該作動表面及/或負載件14。

圖4B為另一致動器系統100之一側視示意圖。在一實施例中，該座框20係連接多數個致動器模組10a、10b、10c等。每個致動器模組可藉由其自己的該組連接物23a、23b、23c被連接於該座框20。

圖5A~C示出一實施例之一例示圖，其中該等靜態和模式波節點11s、11m的位置係重疊的。如所示，該模式波節點11m係被視為獨立於該作動器力F，而該等靜態波節點11s可依在一寬度W上的力分布F而移位。應可瞭解，藉著在一較大的寬度W上施加該力，則該等靜態波節點11s能被向外移動。

在一實施例中，該力分布F之一寬度係至少部分地由一或多個致動器與該可變形框1之間的連接處來被決定。在一實施例中，一致動器包含一作動表面，其寬度係被調整成能施加在一特定寬度W上的力分布F於該可變形框1。另擇或附加地，在一實施例中，該致動器模組包含多數個致動器並排列設，各會施加一各別的力於該可變形框1 上，而該多數個致動器會合作來施加該力分布F於一特定寬度W上。該等致動器能被沿所示之一寬度W的維向列設。另擇或附加地，致動器可被排列在該框之一深度維向中。

圖6A示出一可變形框1之一實施例，其中該框與該致動器2接觸的部份之寬度Dy係小於該框平行於該作動方向的部份之一寬度Dx。改變該框之一寬度能影響其質量分布M及硬度分布K。

圖6B示出一可變形框1的另一實施例，具有類似的寬度Dx、Dy。但是，在此實施例中，該可變形框1包含一局部凹陷，其在該位置可能會減低該硬度分布K。應請瞭解藉該形狀的變化，一所需的硬度和質量分布之組合可被獲得而來影響該可變形框1之一正常模式和頻率。

在一實施例中，該可變形框1於一該致動器2會作動該可變形框1的方向比在一垂直於它的方向具有一較低硬度。此會有一優點，即該可變形框1的某些部份會保持更為固定，特別是，該等較厚的部份Dy可比該等較薄的部份Dy更不可撓彎。

請瞭解一結構物的硬度或剛性係為其會回應於一所施之力而阻抗變形的程度。硬度可被視為該結構物，例如固體之一廣泛的性質，乃視其材料、形狀、和周邊條件而定。該構成材料本身的行為亦可被以其彈性模數來描述。該硬度能在該結構物的範圍上改變，例如，某些部份可為比其它部份更易撓曲。雖該硬度可能影響該模態變形和靜態變形，但該影響不一定相同。因此，該等模式波節 點和靜態波節點的相對位置仍會被該硬度分布影響。

該硬度分布可相關於該質量分布，雖其不一定相同。例如，在該結構設有較多質量的位置，該結構典型亦可能較硬。但是，例如硬度會被該結構物之一特定形狀局部地影響，而其質量是不變的。又，例如，質量能被集中在一結構上而不會可觀地影響該硬度，例如，藉添加該質量於該可變形框在一垂直於該致動器動作的方向。該質量分布典型會影響該等模態變形和模式波節點，而該靜態變形係相對較不受影響。因此，該等模式波節點和靜態波節點的相對位置會被質量的重分布所影響，然而其亦可能影響該硬度分布如前所述。

由以上應可瞭解，要影響該等靜態波節點相對於模式波節點的相對位置之一較容易的方式，係藉由該力分布的變化，因為此參數能被較獨立地調變。一般而言，該等靜態和模式波節點於當該靜態變形更接近地匹配該模態變形時可較佳地重合。

圖7A示出一模擬的可變形框1之一圖表以座標(x,y)示出的正視圖。該等圓圈表示用於計算該樑元件模型的波節，而該等虛線表示該等框樑之一範圍。模擬之力F會被施於該框1的環圈之間遍佈一所示的寬度W。

圖7B示出該等靜態波節點11s與模式波節點11m之相對位置的計算結果。在圖7B左邊的圖表示出波節點的位置X為該寬度W之一函數，該力係在該寬度上分布於該框，如圖7A中所示。又如參照圖5A~C所述，藉著增加該 寬度W，例如增加該致動器與可變形框1之間的接觸面積，則該靜態波節點11s能被移動，而該模式波節點11m係不受影響。應可瞭解該靜態波節點11s與模式波節點11m間之一距離dx遂能被減小。

在圖7B右邊的圖表示出波節點的位置X為施加在所施力之波節處的質量Ma之一函數。藉由增加該質量，該模式波節點11m能被移向該等靜態波節點11s，故能減小其間的距離dx。

該等圖式一起示出一用以設計一致動器模組的電腦執行方法之一實施例。該方法包含模擬一可變形框1具有一硬度分布K質量分布M。該方法更包含模擬施加一力分布於該可變形框1上。該力係被模擬在靜態或準靜態情況下，例如，一以該所施力造成的靜態變形會被相較於一模擬狀況，其中沒有力或一不同大小的力係被施加。在另一定義中，準靜態情況可施用在一遠低於該可變形框之任何本徵頻率的頻率，例如，施以一具有一低於1Hz之頻率的依時逐變之力。該方法更包含算出靜態波節點11s的位置，其在該可變形框1於所述情況下之靜態變形時係為固定的。該方法更包含算出該可變形框1的振動本徵模式。詳言之，一本徵模式係被計算或選擇成當該力分布F之一量值係依時振盪的時其會耦合於該力分布F，因為此模式可影響該固定點的位置。該方法更包含算出模式波節點11m在該可變形框1之一介面1s上的位置，其當該可變形框1在上述本徵模式V之一激發狀態V0的模態變形時是固定不動的。該方 法更包含算出該等靜態波節點11s和模式波節點11m之間的一距離dx。該方法更包含改變該力分布F、硬度分布K、及/或質量分布M之一或多者，直到該等靜態波節點11s與模式波節點11m重合在例如一臨界值距離內為止。

在一實施例中，該方法係儲存在一具有程式指令的電腦可讀之儲存媒體中，該等指令當在一或多台電腦上運作時，會使該一或多台電腦能執行該方法。

應請瞭解一所述的致動器模組能夠依據設計規格來被製成，其中該等靜態波節點11s會與模式波節點11m重合，例如以上述的方法所獲得。又，在一實施例中，該致動器模組係藉提供一可變形框1來製成，該框具有依據該設計的硬度分布K和質量分布M。又，一實施例包含提供一致動器2連接於該可變形框1，並設成能經由該可變形框1與該致動器2間之一連接處12來施加一依時改變的力分布F於該可變形框1上，其中該力分布F至少在準靜態情況下係依據該設計來被安排。

圖8示出頻率移轉功能81和82之一圖表。該等頻率移轉功能81對應於一連接器模組和座框間之一傳統的連接處。其可看出移轉功能81包含若干個共振81r，由該座框中的共振所造成。另一方面，該等頻率移轉功能82對應於一依據本揭露來被最佳化的致動器模組。應可瞭解該移轉功能係更為滑順，且不會受困於該等共振81r。因此，其行為能夠更可預知，故其能被更容易地控制及/或校準。

圖9A示出該致動器模組1和座框20之間的一連 接處30之一實施例的截面示意圖。在該實施例中，該致動器模組10的可變形框1包含一凸部3p定心於該重合的波節點或線11m、11s上。該座框20包含一對應的凹部23r，其會銜接該凸部3p來固持該致動器模組10。

圖9B示出該致動器模組10與座框20間之一連接處30的另一實施例之一截面示意圖。在該實施例中，該致動器模組10的可變形框1包含一凹部3r定心於該重合的波節點或線11m、11s上。該座框20亦包含凹部23r。該二凹部3r和23r可透過一球3b而互相銜接來固持該致動器模組10。

已知在實務上，該可變形框1與座框20間之一實際的點接觸會是很難達成。為能接近一點接觸，較好是提供一(圓形)接觸點具有一中心對應於所要的懸浮點。雖該框繞該中心的運動不必為0，但其可至少部份地消除。且，當該二表面之間的摩擦係最小化時，移轉至該座框的運動能被最小化。此可更進一步防止該座框被激發時的振動。

又，雖該等波節點11m、11s係被選成能至少相對於側向平移為固定的，但該模態及/或靜態變形仍可能繞該等波節點造成該框之一(小)扭轉。因此，在一較佳實施例中，該致動器模組10與座框20之間的連接處30會容許繞各別的重合波節點11m、11s之扣持。此可阻止旋轉振動經由該致動器模組10與座框20之間的連接處30被傳送。

在一實施例中，該致動器模組10與座框20之間的連接處30包含一抗摩擦層，例如鐵氟龍(teflon聚四氟乙烯)或一陶瓷頂層。在一實施例中，該連接處30包含一鋼球。 有利的是當該溝槽、凹部及/或球之一或多者包含一相對較硬材料時，一接觸表面能被減小。在一實施例中，該連接處30包含一溝狀凹槽在該座框20的一側。較有利的是，例如在該可變形框1的一側上之一凸體仍可於該溝槽的方向平移；以此方式內部應力能被避免。因此，在一實施例中，該致動器模組10與座框20之間的連接處30係被設成能容許在該連接處30之一方向的平移，即以一該虛點波節線的方向橫交於該表面1。此可防止橫交於該致動器(未示出於此)之作動方向的振動經由該致動器模組10與座框20之間的連接處30被傳送。

在該等實施例中，該旋轉軸線係圍繞該固定點定心，且沿此旋轉的摩擦會最小化。此乃可近似地模仿懸吊在一絕佳點上。又，該等尺寸較好係被選成盡可能地小。較好是，該可變形框1和座框20之間的銜接區域之直徑“D”係小於1mm，或甚至小於0.1mm。

圖10A示出一致動器系統100的另一實施例，包含一座框20固持著一如任何先前請求的致動器模組10，其中該致動器模組10係藉銜接該可變形框1之介面1s上的各別框連接物3來連接於該座框20。在該實施例中，該力分布係可沿該框1之一維向Z改變，其係橫交於該等框連接物3銜接的介面1s之二維向X、Y。例如，多數個致動器2會被沿該框的深度維向Z置設來提供一各別的力F1、F2、F3。例如，三個聲音線圈致動器係被沿該可變形框的深度置設，且該等聲音線圈上的力分布係被用來控制該靜態變形。在 一實施例中，該力分布F1、F2、F3係沿一橫交於該介面1s的維向被調適成能使該等靜態波節點與模式波節點重合(未示出)。

圖10B示出一用以將該座框20附接於該致動器模組10之一實施例的放大圖。在該實施例中，一小銷3係在該波節點的位置螺合於該可變形框1內，嗣並在該座框的側邊被夾住。於該實施例中，該致動器模組的介面1s包含多數個凹槽用以測試該銷3配設在不同位置的效果，而來找出最佳者，例如位在或接近該等波節點處。

為能清楚且簡明地說明，某些特徵於此係被描述為相同或不同實施例的一部份，但是，應請瞭解本發明的範圍可包括具有全部或一些所述特徵之組合的實施例。例如，雖某些實施例係被示出致動器模組具有特定的框形狀，但擇變的框亦可被得到本揭露之利益的精習於該技術者想出，用以達到一類似的功能和效果。例如，機械及/或電的部件可被組合或分開成一或多個擇變的部件。該等實施例如所述並示出的各種元件會提供某些優點，譬如可最小化傳至一支撐框的振動移轉。當然，可以瞭解上述實施例或方法程序的任一者可被與一或更多其它的實施例或程序結合，而在尋找及匹配各設計和優點時能提供更佳的改良。應可瞭解本揭露會對原子力顯微鏡提供特別的優點，且一般能被適用於一致動器需要具有一改良的頻率移轉功能且對該支撐座框有較小影響的任何用途。

雖本發明的系統及方法已參照其之特定實施例 特別詳細地說明，但請瞭解許多修正和擇變實施例亦可被一般精習於該技術者想出，而不超出本揭露的範圍。例如，某些實施例中的裝置或系統係被揭露會被安排及/或構設成能執行一特定的方法或功能，本然地會揭露該等方法或功能，及/或與其它所揭的方法或系統之實施例結合。又，方法的實施例係被視為本然地會揭露其在各別硬體中的實施，且可能與其它所揭的方法或系統之實施例結合。又，能被體現為例如在一非暫時性電腦可讀的儲存媒體上之程式指令的方法，係被視為本然地揭露該實施例。

最後，以上所述係僅要作為本發明之系統及/或方法的舉例說明，而不應被認為將所附的申請專利範圍限制於任何特定實施例或實施例的組群。因此該等說明書和圖式要以一舉例方式來被論視，而非要限制所附申請專利範圍的範圍。在解讀所附申請專利範圍時，應請瞭解該“包含”乙詞並不排除有列示在一指定請求項中者以外之其它元件或行為的存在；在一元件之前的“一”或“一個”等用語並不排除多數個該元件的存在；在該等請求項中之任何標號並不限制它們的範圍；一些“裝置”可被以相同或不同的名稱或被實施的結構或功能來表示；任何所揭的裝置或其之某些部份可被結合在一起或分開成更多部份，除非有明確地另外陳述。某些測量值被載述於不同的請求項中之事實，並不表示該等測量值之一組合不能被用來獲得利益。特別是，該等請求項的全部可用組合皆被視為本然地揭露。

Claims (15)

1. 一種用以作動一負載件的致動器模組，該致動器模組包含：一可變形框，其具有一硬度分布和質量分布用以決定該可變形框之一振動本徵模式，其中由該可變形框之一表面所形成的一介面係包含多數個模式波節點，該等模式波節點在該可變形框在該本徵模式之一激發狀態的模態變形期間，是固定不動的；及一致動器，其連接於該可變形框，且被配設成能經由該可變形框與該致動器間之一連接處來施加一依時間改變的力分布於該可變形框上，其中該可變形框之該介面包含多數個靜態波節點，當該致動器所施之依時間改變的力分布係在準靜態情況下施加時，該等靜態波節點在該可變形框之靜態變形期間是固定不動的；其中該依時間改變的力分布係被安排成耦合於該本徵模式的激發狀態，且該可變形框包含一作動表面，在使用時，該作動表面會由於該可變形框中經結合的模態和靜態變形而振盪，用以作動該接觸於及/或連接於該作動表面的負載件；及其中該力分布、硬度分布及/或質量分布係被調適成能使該等靜態波節點與該等模式波節點重合在一容差距離內，該容差距離為小於一橫跨該可變形框之該介面的尺寸之1%。
2. 如請求項1之致動器模組，其中該可變形框包含多數個框連接物，用以將該致動器模組連接於一座框，其中該等框連接物係配設在該可變形框之該介面而定心於該等靜態波節點及/或模式波節點上。
3. 如請求項2之致動器模組，其中各框連接物包含一個別的凹部及/或凸部定心於該等靜態波節點及/或模式波節點上，用以藉由該凹部及/或凸部來固持該可變形框。
4. 如請求項2或3之致動器模組，其中該等框連接物係繞該等靜態波節點及/或模式波節點為旋轉對稱的。
5. 如請求項1~3中之任一項的致動器模組，其中該致動器與可變形框之間的連接處係定心在該可變形框之一模式反波節上，該模式反波節為該可變形框之一表面上的一位置，而於該位置處的在該本徵模式之激發狀態下的該可變形框的模態變形是最大的。
6. 如請求項1~3中之任一項的致動器模組，其中該可變形框包含一鏡像對稱結構，其中一相等但相反的力分布會被其間之一或更多個致動器施加於該鏡像對稱結構的任一側上，該力分布會造成該鏡像對稱結構之一相等但相反的變形。
7. 如請求項1~3中之任一項的致動器模組，包含至少二個致動器在相反方向操作，用以施加相等但相反的力分布於該可變形框的不同側上。
8. 一種致動器系統，包含一座框，該座框固持著一如請求項1~7中之任一項的致動器模組，其中該致動器模組係藉銜接該可變形框之該介面上的個別框連接物而被連接於該座框。
9. 如請求項8之致動器系統，其中該致動器模組與座框之間之一連接處係可繞著一個別的靜態波節點及/或模式波節點自由旋轉。
10. 如請求項8或9之致動器系統，包含一平移及/或旋轉系統於該座框與一固定座之間，用以控制該座框相對於該固定座的平移及/或旋轉。
11. 如請求項8或9之致動器系統，其中該座框係連接多數個致動器模組。
12. 一種原子力顯微(AFM)系統，包含一如請求項8~11中之任一項的致動器系統，其中該作動表面係配設成用以作動一探針尖端，該探針尖端用以掃描一樣品表面。
13. 一種用於設計一致動器模組之電腦執行的方法，該方法包含：模擬一可變形框，該可變形框具有一硬度分布及質量分布；模擬在準靜態情況下施加一力分布於該可變形框上；計算靜態波節點的位置，該等位置在該可變形框在準靜態情況下之靜態變形期間是固定不動的；計算該可變形框之一振動本徴模式，該振動本徴模式在該力分布之一量值是依時間振盪時係耦合於該力分布；計算模式波節點在一由該可變形框之一表面所形成的介面上之位置，該等位置在該可變形框在該本徵模式之一激發狀態的模態變形期間是固定不動的；計算該等靜態波節點與該等模式波節點之間的一距離，以及改變該力分布、硬度分布及/或質量分布之一者或更多者，直到該等靜態波節點與該等模式波節點重合在一容差距離內，該容差距離為小於一橫跨該可變形框之該介面的尺寸之1%。
14. 一種具有程式指令之非暫時性電腦可讀儲存媒體，，其當在一或更多的電腦上運作時會使該一或更多的電腦能執行請求項13的方法。
15. 一種用以製造一致動器模組的方法，包含：依據請求項13來設計一致動器模組，其中該力分布、硬度分布及質量分布係被調適成能使該等靜態波節點與該等模式波節點重合；提供一可變形框，該可變形框具有依據該設計的硬度分布和質量分布；提供一致動器，該致動器連接於該可變形框並且配設成用以經由該可變形框與該致動器間之一連接處施加一依時間改變的力分布於該可變形框上，其中該力分布至少在準靜態情況下係依據該設計來安排。