Координатный стол

Изобретение относится к устройствам для микроперемещения объекта в плоскости по двум координатам, в частности для перемещения образцов, держателей образцов и других элементов в сканирующей зондовой микроскопии. Координатный стол содержит платформу, на которой установлена каретка с основанием, закреплены первый и второй приводы соответственно по первой и второй координатам, а также первый и второй пружинные упоры, расположенные напротив соответствующих приводов, при этом приводы и пружинные упоры сопряжены с кареткой. Первый и второй приводы выполнены в виде первого и второго микровинтов, содержащих шаровые толкатели, и сопряженных с первой и второй гайками, закрепленными на платформе. Первый пружинный упор содержит скрепленные между собой первый и второй корпуса со сферической упорной поверхностью каждый. Второй пружинный упор содержит третий корпус, также со сферической упорной поверхностью. Первый и второй пружинные упоры установлены на платформе с возможностью прижима к каретке. Каретка расположена на платформе с возможностью двукоординатного перемещения по ней и с возможностью взаимодействия с шаровыми толкателями первого и второго приводов и со сферическими упорными поверхностями первого и второго пружинных упоров. Места взаимодействия каретки с шаровыми толкателями первого и второго приводов и сферическими упорными поверхностями первого и второго пружинных упоров выполнены в виде гладких поверхностей, расположенных под углами меньшими 90° к основанию каретки. Изобретение обеспечивает перемещение образцов в широком диапазоне по двум координатам с возможностью быстрой замены образцов при жестком креплении их к каретке. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим микроперемещения объекта в плоскости по двум координатам (X, Y). Например, устройство может быть использовано для перемещения образцов, держателей образцов и других элементов в сканирующей зондовой микроскопии.

Известен координатный стол, состоящий из основания, каретки и направляющих с роликами, расположенных вдоль координат X, Y [1].

Первый недостаток указанного устройства заключается в невозможности быстрого снятия каретки с платформы, что затрудняет замену образца. Второй недостаток связан со сложностью конструкции направляющих с роликами, что не позволяет создать компактное устройство.

Известен координатный стол, где платформа и каретка выполнены в виде одной детали, а направляющими являются тонкие перемычки в виде плоских пружин [2].

Недостатками указанного устройства являются невозможность снятия каретки с платформы и малый ход координатного стола.

Известен также координатный стол, содержащий платформу, на которой посредством четырех плоских пружин закреплена первая каретка с возможностью перемещения по координате X. Внутри первой каретки, также с помощью четырех плоских пружин, закреплена вторая каретка, с возможностью перемещения по координате Y, перпендикулярной координате X. Первая и вторая каретки расположены с возможностью взаимодействия с первым и вторым пьезоприводами, закрепленными на платформе координатного стола. Положения кареток зафиксированы первым и вторым пружинными упорами, также закрепленными на платформе [3].

Первым недостатком указанного устройства является малый ход кареток координатного стола, связанный с использованием пьезоприводов. Второй недостаток заключается в невозможности снятия кареток, например, для замены образца, что бывает необходимым при использовании координатного стола в сложных технологических устройствах, например, в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ).

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Задачей изобретения является создание координатного стола, позволяющего использовать его, например, в зондовой микроскопии для перемещения образцов в широком диапазоне по двум координатам, с возможностью быстрой замены образцов при жестком креплении их к каретке.

Технический результат изобретения заключается в увеличении диапазона координатного стола.

Указанный технический результат достигается в координатном столе, содержащем платформу, на которой установлена каретка с основанием, закреплены первый и второй приводы соответственно по первой и второй координатам, а также первый и второй пружинные упоры, расположенные напротив соответствующих приводов, сопряженные с кареткой, первый и второй приводы выполнены в виде первого и второго микровинтов, содержащих шаровые толкатели и сопряженных с первой и второй гайками, закрепленными на платформе, первый пружинный упор содержит скрепленные между собой первый и второй корпуса со сферической упорной поверхностью каждый, второй пружинный упор содержит третий корпус также со сферической упорной поверхностью, при этом первый и второй пружинные упоры установлены на платформе с возможностью прижима к каретке, каретка расположена на платформе с возможностью двухкоординатного перемещения по ней и с возможностью взаимодействия с шаровыми толкателями первого и второго приводов и со сферическими упорными поверхностями первого и второго пружинных упоров, места взаимодействия каретки с шаровыми толкателями первого и второго приводов и сферическими упорными поверхностями первого и второго пружинных упоров выполнены в виде гладких поверхностей, расположенных под углами, меньшими 90° к основанию каретки.

Существует вариант, в котором первый и второй корпуса первого пружинного упора выполнены в виде первого и второго рычагов, третий корпус второго пружинного упора выполнен в виде третьего рычага, при этом рычаги установлены с возможностью вращения относительно платформы, откидывания и освобождения каретки.

Существует также вариант, где в основании каретки закреплены три сферические опоры, на которые она установлена на платформе.

Существуют также варианты, в которых гладкие поверхности каретки образованы накладками из твердого материала, а углы α гладких поверхностей каретки в местах их взаимодействия со сферическими поверхностями первого и второго пружинных упоров меньше углов β в местах их взаимодействия с шаровыми толкателями первого и второго приводов.

В некоторых случаях, для особо прецизионного перемещения образцов, например, в зондовой микроскопии, целесообразно выполнение микровинтов и гаек первого и второго приводов с разнонаправленной резьбой.

На фиг.1 и 2 изображены вид координатного стола сбоку и сверху. На фиг. 3 изображен вариант использования координатного стола в составе СЗМ.

Координатный стол содержит платформу 1, на которой закреплены первый 2 и второй 3 приводы, соответственно по первой (X) и второй (Y) координатам, перпендикулярным друг другу. Приводы 2 и 3 выполнены в виде первого 4 и второго 5 микровинтов, содержащих шаровые толкатели 6 и сопряженных с первой 7 и второй 8 гайками, закрепленными на платформе 1. Также на платформе 1 закреплены первый 9 и второй 10 пружинные упоры, расположенные напротив соответствующих приводов. Первый пружинный упор 9 содержит скрепленные между собой первый 11 и второй 12 корпуса со сферической упорной поверхностью 13 каждый. Корпуса 11 и 12 могут быть скреплены штангой 14, как это показано на фиг.2. Второй пружинный упор 10 содержит третий корпус 15 со сферической упорной поверхностью 13. Сферические упорные поверхности 13, а также шаровые толкатели 6 могут быть изготовлены из твердого сплава, например, ШХ15. В том случае, если нетехнологично изготавливать из твердого сплава целиком, микровинты и упоры целесообразно запрессовывать в них твердосплавные шарики. На фиг. 1, 2 изображен вариант исполнения корпусов 11, 12 и 15 пружинных упоров 9, 10 в виде рычагов с возможностью вращения относительно платформы и откидывания.

Кроме этого, на платформе 1 установлена каретка 16 с основанием 17, в котором, например, могут быть закреплены три опоры 18 виде запрессованных шариков. Платформа 1 в местах соприкосновения с опорами 18 содержит твердые гладкие поверхности, которые могут быть образованы вставками 19 из твердого материала, как это показано на фиг.1. Вставки могут быть изготовлены, например, из поликора или сплава ШХ15 и приклеены к платформе 1 эпоксидным клеем, приварены, припаяны и т.п. Следует заметить, что возможен вариант, в котором опоры 18 закреплены на платформе 1, а вставки 19 установлены на основании 17 каретки 16 (не показано). Возможен также вариант, в котором на каретке 16, изготовленной из твердого материала, в качестве опор 18 выполнены выступы. Каретка 16 расположена на платформе 1 с возможностью двукоординатного перемещения по ней и с возможностью взаимодействия с шаровыми толкателями 6 первого 2 и второго 3 приводов и со сферическими упорными поверхностями 13 первого 9 и второго 10 пружинных упоров. Места взаимодействия каретки 16 со сферическими упорными поверхностями 13 и шаровыми толкателями 6 выполнены в виде гладких поверхностей, расположенных под углами α и β, меньшими 90° к основанию 17 каретки 16. Причем углы α гладких поверхностей каретки в местах их взаимодействия со сферическими поверхностями 13 пружинных упоров 9 и 10 меньше углов β в местах взаимодействия гладких поверхностей каретки с шаровыми толкателями 6 приводов 2 и 3. На фиг.1, 2 изображен вариант, где гладкие поверхности каретки образованы накладками 20 из твердого материала, например, поликора или стали ШХ15. Накладки 20 могут быть приклеены к каретке 10 эпоксидным клеем, припаяны, приварены и т.п.

На каретку 16 установлен держатель образца 21 (на фиг.2 не показан), который может быть изготовлен из магнитного материала. При этом в каретку 16 могут быть вмонтированы, например, магниты для его закрепления (не показаны). Кроме этого держатель 21 может крепиться на каретке 16 с использованием винтов и резьбовых отверстий 22.

Образец 23 может быть закреплен на держателе 21 с использованием винтов, плоских пружин, клея и т.п. (не показано).

На фиг.1, 2 изображен вариант, в котором первый 9 и второй 10 пружинные упоры сопряжены с витыми пружинами 24, которые расположены также с возможностью взаимодействия с платформой 1. При этом полки 25 взаимодействуют с корпусами 11, 12, 15, а концы 26 - с платформой 1. В этом случае возможно также использование плоских или витых пружин другой формы (не показаны).

Существует также вариант исполнения координатного стола, в котором микровинты 4, 5 и гайки 7, 8 первого и второго приводов 2, 3 выполнены с однонаправленной или разнонаправленной резьбами.

При использовании координатного стола 27 в составе СЗМ 28 координатный стол 27 устанавливают на плиту 29. СЗМ 28 при этом содержит пьезосканер 30 с зондом 31. Подробно СЗМ и принципы его работы, см. в [4, 5].

Устройство работает следующим образом. Держатель образца 21 с образцом 23 устанавливают на каретку 16. После этого, используя приводы 2 и 3, перемещают каретку 16 в нужное положение. При использовании координатного стола 27 в составе СЗМ 28 (фиг.3) для установки образца 23 требуется снять каретку 16 с координатного стола 27. Для этого пружинные упоры 9 и 10 отводят от каретки 16 и вынимают ее из измерительного комплекса. После замены образца 23 каретку 16 вновь устанавливают на координатный стол 27, для чего отводят пружинные упоры 9 и 10, ставят каретку 16 с образцом 23 на платформу 1 и отпускают пружинные упоры 9 и 10. Пружинные упоры 9 и 10 прижимают каретку 16 к шаровым толкателям 6 микровинтов 4 и 5. С помощью микровинтов 4 и 5 каретку 16 с закрепленным на ней образцом 23 перемещают по координатам Х и Y. При перемещении каретки 16 по координате X первый пружинный упор 9 вращается относительно платформы, а сферическая упорная поверхность 13 второго пружинного упора 10 и шаровой толкатель 6 второго микровинта 5 проскальзывают вдоль граней каретки 16. При перемещении каретки 16 по координате Y второй пружинный упор 10 вращается относительно платформы, а сферическая упорная поверхность 13 первого пружинного упора 9 и шаровой толкатель 6 первого микровинта 4 проскальзывает вдоль грани каретки.

При использовании микровинтов 4, 5 с разнонаправленной резьбой перемещение по направлениям +Х, +Y и -X, -Y (направления А) будет всегда предпочтительнее перпендикулярным перемещениям. Это происходит из-за того, что в этих направлениях совпадают направления перемещения накладок 20 и шаровых толкателей 6. То есть грубую установку каретки 16 целесообразно осуществлять по направлениям +Х, -Y и -X, +Y (направления В), а точную - по направлениям А.

Выполнение первого и второго приводов в виде первого и второго микровинтов, содержащих шаровые толкатели и сопряженных с первой и второй гайками, закрепленными на платформе, и первого пружинного упора в виде скрепленных между собой первым и вторым корпусами со сферической упорной поверхностью каждый, а также второго пружинного упора в виде третьего корпуса со сферической упорной поверхностью, при том, что первый и второй пружинные упоры установлены на платформе с возможностью прижима к каретке, увеличивает диапазон перемещения каретки координатного стола.

Выполнение первого и второго корпусов первого пружинного упора скрепленными между собой повышает точность двухкоординатного плоскопараллельного перемещения каретки на всем диапазоне.

Расположение каретки на платформе с возможностью двукоординатного перемещения по ней и с возможностью взаимодействия с шаровыми толкателями первого и второго приводов и со сферическими упорными поверхностями первого и второго пружинных упоров увеличивает диапазон перемещения каретки координатного стола. Это связано с тем, что в качестве направляющих используют гладкие плоские поверхности, а не упругие направляющие, как у прототипа.

Выполнение мест взаимодействия каретки с шаровыми толкателями первого и второго приводов и сферическими упорными поверхностями первого и второго пружинных упоров в виде гладких поверхностей, расположенных под углами меньшими 90° к основанию каретки, обеспечивает прижим каретки к платформе и уменьшает нефункциональные перемещения каретки по координате Z на всем диапазоне ее перемещения.

Выполнение первого и второго корпусов первого пружинного упора в виде первого и второго рычагов и третьего корпуса второго пружинного упора в виде третьего рычага, и установка рычагов с возможностью вращения относительно платформы, откидывания и освобождения каретки упрощает эксплуатацию координатного стола.

Закрепление трех сферических опор в основание каретки для установки ее на платформу, повышает точность плоскопараллельного перемещения каретки за счет уменьшения влияния сил трения.

Выполнение гладких поверхностей каретки в виде накладок из твердого материала позволяет снизить требования к материалу изготовления каретки, что уменьшает трудоемкость и стоимость при ее изготовлении, и увеличивает срок эксплуатации, т.к. при повреждении гладких поверхностей потребуется только заменить накладки, а не саму каретку.

Выполнение углов α гладких поверхностей каретки в местах их взаимодействия со сферическими поверхностями первого и второго пружинных упоров меньшими углов β в местах их взаимодействия с шаровыми толкателями первого и второго приводов предотвращает вертикальное смещение каретки при перемещении ее микровинтами. Это связано с тем, что сферические упорные поверхности перемещаются по накладкам и формируют вертикальные силы отрыва каретки от платформы. Для их компенсации целесообразно уменьшать угол α, увеличивая вертикальные составляющие сил прижима.

Выполнение микровинтов и гаек первого и второго приводов с однонаправленной резьбой, например стандартной правой, обеспечивает удобство эксплуатации устройства.

Выполнение микровинтов и гаек первого и второго приводов с разнонаправленной резьбой позволяет осуществлять более точное перемещение каретки при использовании координатного стола в СЗМ и повышает долговечность гладких поверхностей каретки.

Литература

1. X-Y stage and charged particle beam exposure apparatus. Patent USA 5,561,299. Patent USA 5,051,594/

2. Fine positioning device, as for the stage of a scanning tunneling microscope.

3. Dual quad flexure scanner. Patent USA 5,360,974-прототип.

4. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т. 12, № 1, 1998 г., с.99-121.

5. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов, Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.

1. Координатный стол, содержащий платформу, на которой установлена каретка с основанием, закреплены первый и второй приводы соответственно по первой и второй координатам, а также первый и второй пружинные упоры, расположенные напротив соответствующих приводов, при этом приводы и пружинные упоры сопряжены с кареткой, отличающийся тем, что первый и второй приводы выполнены в виде первого и второго микровинтов, содержащих шаровые толкатели, и сопряженных с первой и второй гайками, закрепленными на платформе, первый пружинный упор содержит скрепленные между собой первый и второй корпуса со сферической упорной поверхностью каждый, второй пружинный упор содержит третий корпус, также со сферической упорной поверхностью, при этом первый и второй пружинные упоры установлены на платформе с возможностью прижима к каретке, каретка расположена на платформе с возможностью двухкоординатного перемещения по ней и с возможностью взаимодействия с шаровыми толкателями первого и второго приводов и со сферическими упорными поверхностями первого и второго пружиненных упоров, места взаимодействия каретки с шаровыми толкателями первого и второго приводов и сферическими упорными поверхностями первого и второго пружинных упоров выполнены в виде гладких поверхностей, расположенных под углами меньше 90° к основанию каретки.

2. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что первый и второй корпуса первого пружиненного упора выполнены в виде первого и второго рычагов, третий корпус второго пружинного упора выполнен в виде третьего рычага, при этом рычаги установлены с возможностью вращения относительно платформы, откидывания и освобождения каретки.

3. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что в основании каретки закреплены три сферические опоры, на которых она установлена на платформе.

4. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что гладкие поверхности каретки образованы накладками из твердого материала.

5. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что углы α гладких поверхностей каретки в местах их взаимодействия со сферическими поверхностями первого и второго пружинных упоров меньше углов β в местах их взаимодействия с шаровыми толкателями первого и второго приводов.

6. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что микровинты и гайки первого и второго приводов выполнены с однонаправленной резьбой.

7. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что микровинты и гайки первого и второго приводов выполнены с разнонаправленной резьбой.