ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАНИПУЛЯТОР ДЛЯ ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА Российский патент 1996 года по МПК H02N2/02 H01L41/09 

Изобретение относится к точной механике, в частности к конструкции устройств для перемещения объектов, и может быть использовано при изготовлении туннельных микроскопов.

Известно устройство для перемещения объекта по двум координатам и вращения вокруг оси, перпендикулярной к плоскости перемещения которое может быть использовано в качестве предметного столика или механизма юстировки [1] Устройство содержит основание с установленной на нем с возможностью перемещения с помощью подпружиненных винтов предметной плитой, в которой выполнена кольцевая проточка. В ней размещен упругий элемент, концы которого установлены с возможностью перемещения в пазах направляющих планок, размещенных между основанием и дополнительно введенной пластиной, выполненной со сквозными отверстиями.

В конструкции использовано силовое замыкание одной пружиной всех взаимно-перемещающихся элементов, что позволяет исключить появление зазоров между трущимися поверхностями.

Однако это устройство рассчитано на работу в диапазоне микронных перемещений и не может быть использовано в туннельных микроскопах, так как не обеспечивает необходимого шага и достаточной стабильности перемещений.

В последнее время наблюдается значительный прогресс в области разработки и изготовления различных шагающих манипуляторов. Для шагового перемещения требуется система из двух или более опор, каждая из которых имеет возможность перемещения в пространстве и фиксации относительно поверхности неподвижного основания. Известна конструкция манипулятора [2] содержащего пьезоэлектрическую пластину, опирающуюся на три ножки, нижние поверхности которых изолированы диэлектрическими шайбами от стола, по которому он перемещается. Взаимное расположение ножек меняется путем приложения напряжения и электродам, расположенным на пьезоэлектрической пластине. Подавая напряжение на соответствующую ножку, ее можно выборочно фиксировать относительно стола. При этом используются электростатические силы, действующие через диэлектрические шайбы, расположенные между основанием ножки и столом.

Недостатком известной конструкции является нестабильность величины шага, связанная с малой величиной электростатической силы фиксации опор и с ее сильной зависимостью от загрязнений и чистоты обработки соприкасающихся поверхностей опор и стола, по которому движется манипулятор. Кроме того подвод управляющих напряжений к пьезоэлектрической пластине и электростатическим фиксаторам опор может вызвать значительные ошибки в перемещении, связанные с жесткостью подключающих проводников или других устройств, выполняющих эту функцию.

Известна конструкция манипулятора с пьезоэлектрическим приводом и магнитным механизмом фиксации опор [3] Манипулятор содержит предметный столик, жестко связанный с шагающим устройством, которое представляет собой трубчатый пьезоэлемент с приклеенными к его концам опорными железными дисками. Изменение расстояния между опорными дисками осуществляется путем приложения напряжения к электродам пьезоэлемента. Шагающее устройство перемещается по верхней поверхности четырех электромагнитов, соединенных попарно и установленных на плоскую магнитную плиту. Одна пара электромагнитов используется для прижатия при пропускании тока передней опоры шагающего устройства, другая для задней. Каждая пара электромагнитов установлена с небольшим зазором, над которым на поверхности электромагнитов размещены опорные диски. Фиксация опорного диска осуществляется за счет прижимающей силы, возникающей благодаря захвату опорным диском линий магнитного потока из зазора. При неправильном подборе материала магнитопровода и опорных дисков захваченный магнитный поток может остаться в них после включения тока через электромагниты, что сделает невозможным перемещение шагающего устройства. Поэтому магнитопровод и опорные диски сделаны из чистого железа, ввиду чего остаточный магнитный поток отсутствует. Для обеспечения перемещения в перпендикулярном направлении внешний электрод вдоль пьезоэлемента разделен на две равные части.

Достоинством этого устройства, связанным с применением магнитной фиксации опор, является снижение требований к гладкости соприкасающихся поверхностей и точности механической обработки других элементов конструкции.

Недостатком известной конструкции является то, что для обеспечения надежной фиксации перемещаемого объекта требуется постоянное пропускание тока через обмотки электромагнитов. Трудности возникают в том случае, когда требуется сохранить фиксацию объекта в выключенном состоянии прибора, в котором используется описанный манипулятор. Кроме того наличие проводников, подключенных к шагающему устройству и предназначенных для управления пьезоэлементом, увеличивает погрешности перемещения ввиду наличия упругих сил деформации проводников при перемещении шагающего устройства.

Цель изобретения создание надежного пьезоэлектрического манипулятора, обеспечивающего расширение функциональных возможностей, повышение точности и стабильности перемещения, необходимого для туннельного микроскопа.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит четыре электромагнита, соединенных попарно и установленных на основании, и размещенные над ними пьезоэлементы, опоры закреплены на основании и размещены внутри обмоток электромагнитов, а пьезоэлементы закреплены между соседними опорами, поддерживающими предметный столик.

Каждая опора выполнена за одно целое с основанием и имеет отверстие, внутри которого размещен изолированный контактный ввод со сферической гладкой поверхностью для подвода напряжения к предметному столику.

Предметный столик выполнен из трех скрепленных пластин, причем верхняя пластина изолирована от двух параллельно расположенных в горизонтальной плоскости и изолированных между собой пластин, установленных на соответствующих парах опор.

В манипуляторе основание, опоры и предметный столик выполнены из ферромагнитного материала с остаточной магнитной индукцией.

В предложенной конструкции обеспечивается необходимый шаг и достаточная стабильность перемещения подвижной части за счет поочередной фиксации одной пары опор относительно предметного столика и размагничивания другой пары опор, обеспечивающего их проскальзывание относительно предметного столика, при изменении расстояния между обеими парами опор, вызванном поочередным растяжением и сжатием пьезоэлементов.

Преимущество конструкции манипулятора в том, что она позволяет поочередным включением цепи пьезоэлементов и электромагнитов осуществлять поворот предметного столика в любом направлении вокруг требуемой точки. Выполнение магнитопровода из ферромагнитного материала с остаточной магнитной индукцией обеспечивает статическую фиксацию при выключенном токе питания обмоток электромагнита.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический манипулятор; на фиг. 2 то же, вид сверху со снятым предметным столиком; на фиг. 3 конструкция основных узлов манипулятора; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 схема управления электромагнитом; на фиг. 6 схема принципа фиксации опор.

Манипулятор (фиг. 1) содержит основание 1, изготовленное из ферромагнитного материала, например конструкционной стали 45, на котором жестко закреплены четыре опоры 2-5, расположенные в вершинах квадрата. Верхние концы опор имеет гладкую сферическую поверхность, на которой размещен предметный столик 6. Опоры 2-5 и предметный столик 6 изготовлены из того же материала, что и основание 1. На каждую из опор 2-5 надеты обмотки 7-10 электромагнитов. Над обмотками установлены пьезоэлементы 11-14, жестко закрепленные между ближайшими соседними опорами 2-5. Каждый пьезоэлемент (фиг. 3, 4) выполнен из двух кубических вставок, включенных навстречу друг другу с общим электродом 15. Управляющее напряжение U_упр прикладывают между общим электродом 15 и основанием 1. Конструкция опоры обеспечивает электрическую изоляцию предметного столика 6 от основания 1 и допускает подвод потенциала к перемещаемому образцу. Опора выполнена за одно целое с основанием и имеет отверстие, внутри которого закреплена изолирующая втулка 16 с контактным вводом, имеющим гладкую сферическую поверхность 17, для подвода напряжения к предметному столику 6.

Столик выполнен из трех скрепленных пластин. Основой столика служит пластина 18, к которой через изоляционную прокладку 19 прикреплены изолированные друг от друга пластины 20, 21. Они образуют плоскую и гладкую нижнюю поверхность предметного столика, устанавливаемую на опоры 2-5. В процессе работы манипулятора пластины 20, 21 опираются на свою пару опор, к которым подведены разные потенциалы U₁ и U₂. Для подвода потенциала непосредственно к объекту 22 используются его элементы 23, 24 крепления на столике, проходящие сквозь отверстия в пластине 18 и имеющие контакт с пластинами 20, 21.

Манипулятор работает следующим образом.

Направление токов в обмотках 7-10 электромагнитов выбирают таким, чтобы двум соседним опорам соответствовали разноименные магнитные полюса. Питание осуществляется от двух источников 25, 26 (фиг. 5) постоянного напряжения, имеющих разные полярности и подключаемых к обмотке электромагнита с помощью ключей 27 и 28. Величины токов, пропускаемых через обмотку электромагнита, определяются напряжением подключаемого источника, величиной балластного сопротивления и активным сопротивлением обмотки. Балластные сопротивления 29 и 30 выбираются таким образом, чтобы замыканию ключа 27 соответствовал ток активной фиксации опоры I₁, а замыканию ключа 28 ток размагничивания магнитопровода I₂.

В момент пропускания тока I₁, через обмотки электромагнитов две соседние опоры фиксируются относительно предметного столика и магнитная цепь замыкается. Величина индукции магнитопровода (фиг. 6) B1, обеспечивает значительное усилие фиксации опор манипулятора. Состояние материала магнитопровода характеризуется точкой A. При этом перемещаемая с помощью пьезоэлементов пара фиксированных опор будет увлекать за собой объектный стол.

При выключении тока фиксации I₁ материал магнитопровода перейдет в состояние, характеризующееся точкой C на фиг. 6, в котором фиксация опор манипулятора обеспечивается остаточной индукцией B_r. При этом манипулятор не потребляет энергии это состояние пассивной фиксацией опор.

Одним из условий надежной работы шагающего манипулятора является снижение силы фиксации пар опор, обеспечивающее возможность их проскальзывания относительно предметного столика, увлекаемого другой парой фиксированных опор. Для этого требуется по возможности полностью размагнитить магнитопровод, что достигается пропусканием, через обмотки электромагнитов размагничивающего тока I₂, (фиг. 5), создающего в магнитопроводе напряженность магнитного поля, равную значению коэрцитивной силы H_с материала магнитопровода. При этом материал магнитопровода переходит в размагниченное состояние, отмеченное точкой D на фиг. 6, в котором усилие фиксации опор минимально и становится возможным их проскальзывание относительно столика, необходимое для выполнения манипулятором очередного шага.

Рассмотрим алгоритмы управления манипулятором, обеспечивающие линейное поступательное и вращательное перемещение предметного стола (фиг. 2). Исходному состоянию соответствует пассивная фиксация опор стола и неудлиненное состояние пьезоэлементов. Перемещение предметного стола 6 в направлении +Х начинается с того, что опоры 2,5 переводятся в состояние активной фиксации, а опоры 3, 4 размагничиваются. На пьезоэлементы 11, 13 подают напряжение U_упр, вызывающее их удлинение и увеличение расстояния между фиксированными и размагниченными опорами на Δ L. При этом предметный столик 6, увлекаемый опорами 2, 5 и проскальзывающий относительно опор 3, 4, перемещается в направлении +X на величину Δ L/2. Потом производится фиксация опор 3, 4 последующим размагничиванием опор 2, 5. Затем выключают высокое напряжение с пьезоэлементов 11, 13, что приводит к восстановлению исходного расстояния между опорами, сопровождаемому проскальзыванием столика относительно опор 2, 5. К этому моменту столик манипулятора переместился относительно исходного положения на величину Δ L в направлении +X. Перемещение столика завершается активной фиксацией всех опор с последующим переводом их в состояние пассивной фиксации.

Поворот предметного столика 6 на один шаг против часовой стрелки начинается с фиксации опор 3, 4 и размагничивания опор 2, 5, Затем на пьезоэлемент 11 подают напряжение, приводящее к увеличению расстояния между опорами 2, 3 на Δ L. При этом прямая, проходящая через соседние опоры 3 и 4, разворачивается относительно своего первоначального положения на угол α/2=arstg(Δ L/2L) против часовой стрелки относительно неподвижной опоры 4, тогда как прямая, проходящая через опоры 2 и 5, разворачивается на такой же угол в противоположном направлении относительно опоры 5. Таким образом опоры 3, 4 увлекают за собой столик, приводя к его развороту на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 4. После этого производятся фиксация опор 2, 5, размагничивание опор 3, 4 и выключение управляющего напряжения на пьезоэлементе 11. При этом восстанавливается исходное расстояние между опорами 2 3, а столик 6, увлекаемый опорами 2, 5, поворачивается на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 5. Результатом выполненных операций будет поворот столика против часовой стрелки на угол α с центром поворота, лежащим на середине отрезка, соединяющего опоры 4 и 5. Если такое положение центра вращения является допустимым, то процесс поворота заканчивается активной фиксацией всех опор с последующим переводом их в состояние пассивной фиксации. Возможен иной вариант поворота столика. Производится фиксация опор 2, 5, размагничиваются опоры 3, 4 и на пьезоэлемент 13 подают управляющее напряжение. При этом столик разворачивается на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 2. Затем фиксируют опоры 3, 4, размагничивают опоры 2, 5 и включают напряжение на пьезоэлементе 13. Эта последовательность приводит к повороту столика на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 3, после чего все опоры переводятся в состояние пассивной фиксации. Результатом всех выше приведенных операций является поворот столика 6 на угол 2 α против часовой стрелки относительно центра симметрии расположения опор.

Таким образом разработанная конструкция пьезоэлектрического манипулятора обеспечивает шаг линейного перемещения 100 ±5 нм, величину шага поворота 0,001 угл. град. Диапазон линейных перемещений предметного столика составлял 5х5 мм, предельная скорость перемещения не менее 10 шаг/с. Конструкция позволяет осуществлять подачу потенциала на исследуемый объект через опоры, что дает возможность исключить проводники, повысить надежность конструкции и обеспечить быструю смену столика и исследуемого объекта.

Использование: в точной механике, в частности в конструкциях устройств для перемещения объектов. Пьезоэлектрический манипулятор с магнитной фиксацией опор содержит четыре электромагнита, соединенные попарно, размещенные над ними пьезоэлементы, предметный столик и опоры. Опоры, поддерживающие предметный столик, жестко соединены с основанием и размещены внутри обмотки электомагнитов. Пьезоэлементы закреплены между соседними опорами. Основание, опоры и предметный столик выполнены из ферромагнитного материала с остаточной магнитной индукцией. Опора может быть выполнена за одно целое с основанием и снабжена отверстием, внутри которого установлен изолированный контактный ввод со сферической поверхностью для подвода напряжения к предметному столику. Предметный столик может быть выполнен в виде трех скрепленных пластин, причем верхняя пластина изолирована от двух параллельно расположенных в горизонтальной плоскости и изолированных между собой пластин, установленных на соответствующие пары опор. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Пьезоэлектрический манипулятор для туннельного микроскопа, содержащий установленные на основании четыре электромагнита, соединенные попарно, размещенные над ними пьезоэлементы, предметный столик и опоры, отличающийся тем, что опоры, поддерживающие предметный столик, жестко соединены с основанием и размещены внутри обмоток электромагнитов, а пьезоэлементы закреплены между соседними опорами, причем основание, опоры и предметный столик выполнены из ферромагнитного материала с остаточной магнитной индукцией. 2. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что каждая опора выполнена за одно целое с основанием и снабжена отверстием, внутри которого установлен изолированный контактный ввод со сферической поверхностью для подвода напряжения к предметному столику. 3. Манипулятор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что предметный столик выполнен в виде трех скрепленных пластин, причем верхняя пластина изолирована от двух параллельно расположенных в горизонтальной плоскости и изолированных между собой пластин, установленных на соответствующие пары опор.