Позиционер трехкоординатный
Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам преобразования электрического напряжения в механическое перемещение и может быть использовано в сканирующей зондовой микроскопии. Сущность: позиционер состоит из держателя объекта и корпуса. На корпусе закреплены три привода, содержащие по меньшей мере один биморфный элемент, соединенный посредством первого гибкого толкателя с подвижным элементом. В качестве биморфных элементов используют пакеты, каждый из которых содержит пьезоэлектрический диск, соединенный по плоскости с металлической мембраной. Держатель объекта установлен на подвижном элементе. Держатель объекта может быть установлен на подвижном элементе посредством рычага. Толкатели имеют различную жесткость. Пьезоэлектрические диски и металлические мембраны имеют отверстия в зоне соединения их с гибкими толкателями. Технический результат: увеличение диапазона сканирования и повышение надежности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам преобразования электрического напряжения в механическое перемещение и может быть использовано в сканирующей зондовой микроскопии.
Известен позиционер (сканер), например, для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) с полем сканирования до 100×100×10 мкм3, построенные на основе пьезотрубок [1].
Недостатком этого устройства является малый диапазон перемещения, особенно по координате (Z), по сравнению с перемещением в плоскости (XY).
Известен также позиционер трехкоординатный, содержащий корпус, на котором установлены пьезобиморфы перемещения по координатам Х и Y, а также пьезотрубка для перемещения по координате Z, соединенные упругими стержнями с перемещаемым сердечником. Объект при этом закреплен на пьезотрубке [2].
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Первый недостаток этого устройства заключается в том, что диапазон его перемещений по координатам X, Y, Z не превышает 30×30×5 мкм3.
Второй недостаток - это низкая надежность, связанная с хрупкостью пьезокерамики, особенно в местах соединения с металлическими элементами конструкции.
Третий недостаток - использование дополнительно пьезотрубки для движения по координате Z, что усложняет конструкцию и также уменьшает ее надежность.
Технический результат предложенного решения заключается в увеличении диапазона сканирования и повышении надежности устройства.
Сущность изобретения заключается в том, что в позиционере трехкоординатном, состоящем из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены первый привод по первой координате, содержащий, по меньшей мере, один первый биморфный элемент, соединенный посредством первого гибкого толкателя с подвижным элементом, второй привод по второй координате, содержащий, по меньшей мере, один второй биморфный элемент, при этом третий привод по третьей координате соединен третьим гибким толкателем с подвижным элементом, в качестве первого и второго биморфного элементов используют пакеты, каждый из которых содержит пьезоэлектрический диск (первый и второй), соединенный по плоскости с металлической мембраной (первой и второй), при этом третий привод выполнен в виде пакета, содержащего третий пьезоэлектрический диск, соединенный по плоскости с третьей металлической мембраной, и закрепленной на корпусе, причем держатель объекта установлен на подвижном элементе.
Существует вариант, в котором держатель объекта установлен на подвижном элементе посредством рычага.
Возможен вариант, в котором толкатели имеют различную жесткость.
Существует также вариант, в котором пьезоэлектрические диски и металлические мембраны имеют отверстия в зоне соединения их с гибкими толкателями, а металлические мембраны закреплены на корпусе накидными фланцами.
На фиг.1 изображен позиционер трехкоординатный.
На фиг.2 изображен позиционер трехкоординатный в составе сканирующего зондового микроскопа.
Позиционер трехкоординатный содержит корпус 1, на котором закреплены первый 2, второй 3 и третий 4 приводы соответственно по первой X, второй Y и третьей Z координатам. Каждый привод выполнен в виде пакета (биморфного элемента), состоящего из пьезокерамического диска (первого 5, второго 6 и третьего 7), соединенного по плоскости с первой 8, второй 9 и третьей 10 металлическими мембранами. В качестве материалов мембран можно использовать бронзу или, например, нержавеющую сталь. Диски 5, 6, 7 с мембранами 8, 9, 10 могут быть соединены посредством клея, например «UHUplus endfest 300», а мембраны 8, 9, 10 с корпусом 1 - с использованием пайки, точечной сварки или накидных фланцев (на фиг.1 не показаны).
В дисках 5, 6 и 7 могут быть выполнены отверстия 11, а на мембранах 8, 9 и 10 закреплены переходники 12, 13 и 14, например, посредством пайки, точечной сварки или крепежных винтов (не показаны). В мембранах 8, 9 и 10 также могут быть выполнены отверстия (условно не показаны) для закрепления в них переходников. Переходники 12, 13 и 14 соединены с первым 15, вторым 16 и третьим 17 упругими толкателями, изготовленными из пружинного материала. Следует заметить, что, по меньшей мере, один толкатель может содержать упругие шарниры 18 и 19 для подбора оптимальной жесткости. На толкателях 15, 16 и 17 закреплен подвижный элемент 20, на котором, например, посредством рычага 21 установлен держатель 22 объекта 23. Детали 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 и 22 могут быть соединены посредством прессовых посадок, сварки, пайки, клея и т.п.
Следует заметить, что для выполнения точных характеристик позиционера необходимо соблюдать определенные соотношения жесткостных характеристик его подвижных элементов.
Обозначим изгибную жесткость пакетов (пьезоэлектрический диск - металлическая мембрана) для осей X, Y и Z - как К1, изгибную жесткость толкателей 15 и/или 16 соответственно по координатам Х и Y обозначим К2 (считаем их одинаковыми), изгибную жесткость толкателя 17 по координате Z обозначим К3, а продольную жесткость толкателей 15 и 16 обозначим К2*, К3* соответственно. Тогда для обеспечения перемещения, например, вдоль координаты Z необходимо, чтобы выполнялось соотношение
А для перемещения вдоль оси Х или Y необходимо, чтобы
В последнем случае толкатель 17 не изгибается, а изгибается привод 4 (пакет), на котором установлен толкатель 17, при этом точка его соединения с приводом 4 играет роль шарнира, вокруг которого поворачивается толкатель 17. В описываемой конструкции должно быть обеспечено соотношение
Это сделано для того, чтобы при резких перемещениях по координате Z при работе в СЗМ уменьшить неконтролируемые смещения в плоскости X, Y. Действительно, при условии, что толкатели 15 и 16 не изменяют своей длины, толкатель 17 должен был бы изгибаться под действием силы привода 4. Однако при выполнении условия (3) толкатель 17 не изгибается, а заставляет выгибаться приводы 2 и 3, двигаясь при этом прямолинейно.
Позиционер трехкоординатный 24 (фиг.2) может быть использован в составе сканирующего зондового микроскопа, содержащего систему предварительного сближения 25, блок управления 26 с держателем 27 зонда 28 и образец 29, закрепленный на держателе 22. Возможен вариант, в котором на держателе 22 может быть закреплен зонд, а на держателе 27 - образец (не показано). Кроме этого на корпусе 1 с целью крепления мембран могут быть установлены накидные фланцы 30 и 31.
Устройство работает следующим образом. При подаче управляющего напряжения на один из пьезокерамических дисков, например 5, он изменяет свои размеры, и мембрана 8 прогибается под действием сил с его стороны, двигая прикрепленный к ней толкатель 15. При этом толкатели 16 и 17 изгибаются и не препятствуют этому движению. Кроме того, мембраны 9 и 10 также слегка изгибаются, образуя гибкие безлюфтовые шарниры. Подвижный элемент 20 совершает сложное движение по координате X, близкое к прямолинейному. При подаче напряжений на другие диски соответствующие толкатели перемещаются пропорционально приложенным напряжениям независимо друг от друга, и элемент 20 совершает перемещение по координатам Y, Z. Перемещаемый держатель 22 движется вместе с концом рычага 21. При этом перемещение в горизонтальной плоскости больше, чем по вертикали, вследствие эффекта рычага. Одно плечо рычага это толкатель 17, другое плечо рычага - элемент 21.
В составе СЗМ (фиг.2) позиционер 24 перемещает образец 29 относительно зонда 28, благодаря чему можно осуществлять анализ поверхности образца и локальное воздействие на нее (подробнее работу СЗМ см. в [3, 4, 5]).
Использование пакетов, состоящих из пьезокерамических дисков и металлических мембран, увеличивает диапазон перемещения устройства при тех же его размерах (порядка 40 мм в диаметре) до 150×150×30 мкм2 и его надежность за счет присутствия в пакете металла. Кроме этого закрепление металлических мембран на корпусе, а также соединение их с переходниками более надежно, чем в прототипе, у которого это соединение осуществлено через хрупкую керамику.
Использование в устройстве по одному пакету по каждой координате увеличивает линейность позиционирования за счет исключения несогласованности перемещений пар пьезобиморфов как в прототипе.
Использование рычага в приводе увеличивает диапазон перемещения объекта и позволяет его регулировать.
Применение толкателей с различной жесткостью позволяет повысить точность перемещения при больших значениях за счет оптимизации взаимовлияния толкателей.
Выполнение отверстий в пьезоэлектрических дисках и металлических мембранах повышает надежность устройства за счет уменьшения их силового взаимодействия в процессе длительной эксплуатации, возникающего в результате пластической деформации дисков и мембран.
Использование накидных фланцев обеспечивает электробезопасность и снижает электрические наводки от пьезоэлектрических дисков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент RU 2199171, 2003.
2. А.С. SU № 1453475, 1989.
3. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др., Сенсорные системы, т.12, № 1, 1998 г., с.99-121.
4. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И., Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.
5. Scanning tunneling microscope instrumentation. Y. Kyk, P. Sulverman. Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No.2, 165-180.
1. Позиционер трехкоординатный, состоящий из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены первый привод по первой координате, содержащий по меньшей мере один первый биморфный элемент, соединенный посредством первого гибкого толкателя с подвижным элементом, второй привод по второй координате, содержащий по меньшей мере один второй биморфный элемент, при этом третий привод по третьей координате соединен третьим гибким толкателем с подвижным элементом, отличающийся тем, что в качестве первого и второго биморфного элементов используют пакеты, каждый из которых содержит пьезоэлектрический диск (первый и второй), соединенный по плоскости с металлической мембраной (первой и второй), при этом третий привод выполнен в виде пакета, содержащего третий пьезоэлектрический диск, соединенный по плоскости с третьей металлической мембраной и закрепленной на корпусе, причем держатель объекта установлен на подвижном элементе.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель объекта установлен на подвижном элементе посредством рычага.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатели имеют различную жесткость.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пьезоэлектрические диски и металлические мембраны имеют отверстия в зоне соединения их с гибкими толкателями, а металлические мембраны закреплены на корпусе накидными фланцами.
