ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП Российский патент 1996 года по МПК H01J37/285 

Изобретение относится к электронной технике, к частности к микрозондовым приборам, предназначенным для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка размеров атома.

Известен туннельный микроскоп [1] включающий основание с двумя опорными плитами и подвижный узел скольжения, объектодержатель, закрепленный на подвижном узле посредством пьезоэлементов, сканирующий узел, закрепленный на одной из опорных плит, и микрометрический механизм перемещения подвижного узла, закрепленный на второй опорной плите.

Недостатки такого микроскопа сложность, большие размеры и масса, жесткая связь между механизмом перемещения, корпусом и объектодержателем. Жесткая связь всех элементов устройства и его большие размеры и масса снижают собственную резонансную частоту устройства, в результате чего снижаются частота сканирования и точность измерений.

Известен туннельный микроскоп [2] содержащий основание с закрепленным на нем объектодержателем и подвижный относительно основания корпус с закрепленным в нем узлом сканирования, выполненным в виде пьезоэлемента и иглы.

Недостатком такого микроскопа является то, что в процессе измерения узел сканирования связан с массивным основанием, что приводит к снижению собственной резонансной частоты устройства, в результате чего снижаются частота сканирования и точность измерения. Другим недостатком является ненадежное соединение узла сканирования с объектодержателем через подвижно установленный на основании корпус без закрепления, вследствие чего в результате какого-либо воздействия может нарушиться позиционирование иглы относительно объектодержателя. В другом варианте этого микроскопа узел сканирования имеет упругую связь с объектодержателем, что снижает вибростабильность туннельного промежутка и, соответственно, точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа туннельный микроскоп [3] содержащий основание, опорную пьезоэлектрическую плиту, установленный на ней узел сканирования, выполненный в виде пьезоэлектрической треноги и иглы, объектодержатель, закрепленный на пьезоэлектрической стойке, которая закреплена на опорной плите посредством регулируемого зажима с возможностью скольжения, и микрометрический механизм перемещения объектодержателя, включающий вертикальный толкатель.

Недостатком устройства является то, что в процессе измерения объектодержатель и узел сканирования жестко связаны с основанием и опорной плитой, а основание, в свою очередь, жестко соединено с механизмом перемещения. Жесткая связь этих массивных узлов и элементов влияет на собственную резонансную частоту устройства, снижая ее, в результате чего не удается получить высокую частоту сканирования и точность измерения. Другой недостаток устройства заключается в том, что толкатель механизма перемещения отводится от объектодержателя под действием силы тяжести. Это снижает надежность устройства и позволяет использовать его только при вертикальном положении толкателя, ограничивая условия его эксплуатации.

Цель изобретения повышение точности измерений и частоты сканирования путем снижения размеров и массы элементов, непосредственно участвующих в процессе измерения.

Для достижения цели предложен туннельный микроскоп, содержащий корпус, объектодержатель, узел сканирования, включающий пьезоэлемент с иглой, и механизм перемещения объектодержателя, включающий толкатель.

Новым в предложенном микроскопе является то, что он снабжен муфтой, соединяющей узел сканирования с объектодержателем с возможностью их взаимного позиционирования, муфта упруго соединена с корпусом, а корпус имеет упор, предназначенный для предотвращения перемещения узла сканирования при сближении с ним объектодержателя. Толкатель механизма перемещения может быть упруго соединен с корпусом. Соединения муфты и толкателя с корпусом могут быть выполнены в виде резиновых прокладок.

Суть предложенного изобретения заключается в том, что узел сканирования соединен с объектодержателем посредством муфты в самостоятельный компактный измерительный узел, не имеющий при измерении жесткой силовой связи с корпусом. Упругая связь измерительного узла с корпусом, выполненная, например, в виде резиновых прокладок, является в данном случае виброизолятором. В результате такого выполнения значительно снижаются размеры и масса измерительного узла, повышается собственная резонансная частота измерительного узла, что позволяет повысить частоту сканирования и точность измерений. Упругое соединение толкателя с корпусом обеспечивает надежный отвод толкателя от объектодержателя при снятии с него нагрузки и позволяет эксплуатировать микроскоп не только при вертикальном положении толкателя.

На чертеже изображен микроскоп, общий вид.

Туннельный микроскоп содержит корпус 1, муфту 2, закрепленные в ней объектодержатель 3 и пьезоэлемент 4 с иглой 5, образующие измерительный узел, механизм 6 перемещения объектодержателя 3, включающий микрометрический винт 7, клин 8 и толкатель 9. Толкатель 9 упруго соединен с корпусом 1, например, посредством резиновых прокладок 10 с возможностью перемещения в направлении, параллельном оси объектодержателя 3. Возможны другие варианты соединения толкателя 9 с корпусом 1, например посредством пружин (на чертеже не показано). Муфта 2 также имеет с корпусом 1 упругое соединение, например посредством резиновых прокладок 11. Корпус 1 имеет упор 12, предназначенный для взаимодействия с измерительным узлом.

Микроскоп работает следующим образом.

Микрометрическим винтом 7 перемещают клин 8, который передает усилие на толкатель 9 и перемещает его в направлении к объектодержателю 3. Толкатель 9 вступает в контакт с объектодержателем 3 и перемещает его вместе с муфтой 2, пьезоэлементом 4 и иглой 5 до упора 12, который останавливает перемещение измерительного узла. Соединение объектодержателя 3 с муфтой 2 выполнено с возможностью сближения его с иглой 5 под воздействием усилия со стороны толкателя 9 при застопоренном положении измерительного узла. Это достигается за счет регулируемого скольжения объектодержателя 3 в муфте 2.

При достижении заданного рабочего промежутка между исследуемым объектом и иглой 5 винтом 7 отводят клин 8 в нейтральное положение. Толкатель 9 под воздействием упругой подвески 10 отходит от объектодержателя 3, а муфта 2 с объектодержателем 3, пьезоэлементом 4 и иглой 5 под воздействием упругой подвески 11 отходит от упора 12, в результате чего прекращается жесткая связь измерительного узла с корпусом 1 и толкателем 9. После этого переходят к режиму сканирования. Благодаря упругой подвеске измерительного узла корпус и механизм перемещения не влияют на возникающие при сканировании колебания, что позволяет повысить частоту сканирования и точность измерений.

Использование: изобретение относится к электронной технике и предназначено для исследования физических свойств поверхностей твердых тел. Цель изобретения - повышение точности измерений и частоты сканирования. Сущность изобретения: туннельный микроскоп содержит корпус, объектодержатель, узел сканирования, включающий пьезоэлемент с иглой, и механизм перемещения объектодержателя. Узел сканирования и объектодержатель соединены посредством муфты с возможностью взаимного позиционирования под воздействием толкателя. Муфта упруго соединена с корпусом. Корпус имеет упор, предназначенный для предотвращения перемещения узла сканирования при сближении с ним объектодержателя. Толкатель упруго соединен с корпусом. Соединение муфты и толкателя с корпусом могут быть выполнены в виде резиновых прокладок. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП, содержащий корпус, объектодержатель, узел сканирования, включающий пьезоэлемент с иглой, и механизм перемещения объектодержателя, включающий толкатель, выполненный с возможностью возврата в исходное положение с образованием промежутка с объектодержателем, отличающийся тем, что он снабжен муфтой, соединяющей узел сканирования с объектодержателем с возможностью их взаимного позиционирования, а муфта упруго соединена с корпусом, имеющим упор для предотвращения перемещения узла сканирования при сближении с ним объектодержателя, с возможностью отхода от упора в рабочем состоянии до прекращения жесткой связи узла сканирования с корпусом и объектодержателя с толкателем. 2. Микроскоп по п.1, отличающийся тем, что толкатель упруго соединен с корпусом. 3. Микроскоп по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что соединения муфты и толкателя с корпусом выполнены в виде резиновых прокладок.