УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК H02N2/02 H01L41/09 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в качестве привода или исполнительного механизма в различных приборах, например в растровых микроскопах.

Известно пьезоэлектрическое позиционирующее устройство, обеспечивающее прецизионное перемещение рабочего органа по трем координатам, выполненное в виде трех взаимно перпендикулярных стержней, одни концы которых сходятся в одной точке, а другие соединены с массивными опорами (см. описание к патенту США N 4678955, НКИ 310-328, МКИ H 01 L 41/08, 1987 - [1]). Недостатком известного устройства является его недостаточная механическая жесткость, обусловленная наличием стержней.

Известно устройство для трехкоординатных перемещений, используемое в растровом туннельном микроскопе, обеспечивающее прецизионное перемещение зонда в трех координатах (см. описание к патенту США N 4798989, НКИ 310-328, МКИ H 01 L 41/08, 1989 -[2]). Устройство представляет собой установленный на опорах набор взаимно перпендикулярных элементов из пьезоэлектрического материала. Недостатком известного устройства является его недостаточная жесткость конструкции, что снижает его возможности по прецизионному позиционированию.

Наиболее близким по своей технической сущности является известное устройство для трехкоординатных перемещений, использующееся в качестве исполнительного механизма в растровом микроскопе (см. описание к патенту РФ N 2114493, H 01 L 41/08, 1998 - [3]). Устройство представляет собой электромеханический преобразователь, выполненный в виде многогранника из материала, деформируемого под воздействием электрического напряжения (например, пьезоэлектрика), с нанесенными на грани электродами. Электроды соединены электрически с блоком управления.

Недостатком известного устройства является его недостаточная жесткость, обусловленная наличием пазов в многограннике, что в свою очередь снижает точность позиционирования.

Заявляемое в качестве изобретения устройство для трехкоординатных перемещений направлено на повышение жесткости конструкции и точности позиционирования.

Указанный результат достигается тем, что устройство для трехкоординатных перемещений, содержащее блок управления и электромеханический преобразователь, выполненный из деформируемого воздействием электрического напряжения материала с нанесенными электродами, при этом преобразователь выполнен в виде многогранного угла, на внешних гранях которого выполнен общий сплошной электрод, а на внутренних гранях нанесены управляющие электроды, не менее одного на каждой грани.

Указанный результат, а также упрощение системы управления достигается тем, что управляющие электроды нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла.

Упрощение системы управления может быть достигнуто также тем, что каждый из управляющих электродов нанесен симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла.

Упрощение управления устройством и повышение эффективности его работы может быть достигнуто также тем, что управляющие электроды нанесены так, что через каждый из них проходит ребро многогранного угла, являющееся осью симметрии для электрода, а также тем, что управляющие электроды выполнены в виде равнобедренных треугольников, вершины которых обращены к вершине многогранного угла.

Отличительными признаками заявленного устройства является следующее:
- преобразователь выполнен в виде многогранного угла;
- общий электрод выполнен сплошным, охватывающим все внешние грани;
- управляющие электроды выполнены на внутренних гранях;
- управляющие электроды нанесены в количестве не менее одного на каждой грани;
- управляющие электроды нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла;
- каждый из управляющих электродов нанесен симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла;
- управляющие электроды нанесены так, что через каждый из них проходит ребро многогранного угла, являющееся осью симметрии для электрода;
- управляющие электроды выполнены в виде равнобедренных треугольников, вершины которых обращены к вершине многогранного угла.

Выполнение преобразователя в виде многогранного угла обеспечивает повышение жесткости конструкции по сравнению с прототипом и, соответственно, повышение точности позиционирования, что обусловлено свойствами многогранного угла. Кроме того, в частных случаях реализации предлагаемое конструктивное решение преобразователя обеспечит жесткость конструкции в многозондовом варианте растрового туннельного микроскопа, поскольку многогранники с трех-, четырех- и шестиугольным основанием заполняют пространство без промежутков и их можно размещать вплотную друг к другу.

Выполнение общего электрода сплошным, охватывающим все внешние грани многогранного угла, также позволяет повысить точность позиционирования рабочего органа (например, зонда в растровом микроскопе), т.к. устраняются паразитные емкостные наводки, вносящие погрешности в коэффициент электромеханической связи преобразователя, т.е. когда величина деформации преобразователя становится непропорциональной приложенному электрическому напряжению. Этому же способствует размещение управляющих электродов на внутренних гранях преобразователя.

Для обеспечения работоспособности устройства в принципе необходимо, чтобы на каждой внутренней грани был нанесен хотя бы один управляющий электрод. При этом, независимо от числа электродов (один или несколько), их формы (она может быть произвольной) и места расположения на внутренних гранях, устройство будет работоспособным в любом случае и будет обеспечиваться заявленный технический результат, поскольку жесткость конструкции обеспечивается формой самого преобразователя. Единственным ограничением будет являться то, что в зависимости от числа, формы и места расположения электродов будет усложняться или упрощаться электрическая схема блока управления и несколько повышаться точность позиционирования.

Например, если в частных случаях реализации, управляющие электроды будут нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла, то система управления электромеханическим преобразователем упрощается и повышается точность позиционирования рабочего органа, приводом которого он является.

При этом, еще более высокий результат будет достигнут, если симметрия электродов будет соблюдаться еще и относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла или относительно ребра многогранного угла, являющегося осью симметрии для электрода.

Но наиболее высокий результат будет достигнут, если электроды будут выполнены в виде равнобедренных треугольников, вершины которых обращены к вершине многогранного угла, и при этом будут симметрично относительно него, а также либо относительно оси симметрии, проходящей через грань и вершину многогранного угла, либо относительно ребра, являющегося осью симметрии электрода.

Сущность изобретения поясняется примерами реализации и чертежами. На фиг. 1 представлен вариант реализации устройства с электромеханическим преобразователем в виде четырехгранного угла (вид сбоку и сверху) с произвольно нанесенными управляющими электродами произвольной формы; на фиг. 2 представлен вариант реализации преобразователя в виде трехгранного угла (вид сбоку и сверху) с управляющими электродами, нанесенными симметрично относительно вершины угла; на фиг.3 представлен вариант реализации преобразователя в виде шестигранного угла (вид сбоку и сверху) с управляющими электродами, нанесенными симметрично относительно оси вершины угла, и при этом каждый из электродов расположен на грани симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла; на фиг. 4 представлен вариант реализации преобразователя в виде трехгранного угла (вид сверху и сбоку) с управляющими электродами, нанесенными симметрично относительно вершины угла и симметрично относительно ребер; на фиг. 5 представлены варианты реализации преобразователя (вид сверху), когда управляющие электроды выполнены в виде равнобедренных треугольников, обращенных вершинами к вершине многогранного угла и размещены либо симметрично относительно ребер, либо относительно осей симметрии граней, как это предусмотрено п.5 формулы изобретения; на фиг. 6 представлен в аксонометрии частный случай реализации устройства в виде двухгранного угла с управляющими электродами в виде равнобедренных треугольников, обращенных вершинами навстречу друг другу и расположенных симметрично относительно ребра и осей симметрии граней, перпендикулярных ребру; на фиг. 7 представлен частный вариант выполнения преобразователя в виде многогранного угла с усеченной вершиной.

В общем случае устройство для трехкоординатных перемещений содержит блок управления, который может быть выбран из числа известных, например, используемый в прототипе (на чертеже не показан, как не относящийся к сущности изобретения). Электромеханический преобразователь 1 в виде многогранного угла выполняется из материала, деформируемого воздействием электрического поля (напряжения). В качестве такого могут быть использованы пьезоэлектрики, электрострикционные материалы или новый класс материалов, разработанный в Физико-техническом институте РАН, представляющий собой электрострикционную керамику из окислов свинца, магния и ниобия. Толщина стенок многогранника (граней) выбирается в пределах от 0,1 мм до 1 мм. На внешних гранях многогранного угла выполнен общий сплошной электрод 2, а на внутренних гранях - управляющие электроды 3, не менее одного на каждую грань. Электроды известным образом соединены электрически с блоком управления (на чертеже не показано).

На вершине многогранного угла закрепляется известным образом рабочий орган (например, зонд растрового микроскопа), перемещение (позиционирование) которого необходимо обеспечить. (На чертеже не показан, как не относящийся к сущности изобретения). В частных случаях реализации многогранный угол может быть выполнен усеченным, как это показано на фиг. 7 с образованием сквозного отверстия, соединяющего внутреннюю полость многогранного угла с окружающей средой. Это даст возможность обеспечить подачу технологических сред (газов или жидкостей), необходимость в которых возникает при осуществлении некоторых процессов, используемых в нанотехнологии.

Устройство работает следующим образом. От блока управления на электроды 2 и 3 подается соответствующее напряжение, требуемая величина которого определяется расчетно или экспериментально. В результате электромеханического преобразования, под воздействием электрического напряжения в многограннике 1 возникают деформации, приводящие к перемещению рабочего органа. Путем выбора тех или иных управляющих электродов, на которые подается напряжение, обеспечивается деформация многогранника 1, а следовательно, и перемещение рабочего органа по трем взаимно перпендикулярным осям и рабочий орган может позиционироваться в любой точке трехмерного пространства в технологической зоне.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в качестве привода или исполнительного механизма в различных приборах, например в растровых микроскопах. Изобретение направлено на повышение жесткости конструкции и точности позиционирования. Сущность изобретения: устройство для трехкоординатных перемещений содержит блок управления и электромеханический преобразователь, выполненный в виде многогранного угла, на внешних гранях которого выполнен общий сплошной электрод, а на внутренних гранях нанесены управляющие электроды, не менее одного на каждой грани. Управляющие электроды могут быть нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла или каждый из управляющих электродов может быть нанесен симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для трехкоординатных перемещений, содержащее блок управления и электромеханический преобразователь, выполненный из деформируемого воздействием электрического напряжения материала с нанесенными электродами, отличающееся тем, что электромеханический преобразователь выполнен в виде многогранного угла, на внешних гранях которого выполнен общий сплошной электрод, а на внутренних гранях нанесены управляющие электроды, не менее одного на каждой грани. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющие электроды нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каждый из управляющих электродов нанесен симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что управляющие электроды нанесены так, что через каждый из них проходит ребро многогранного угла, являющееся осью симметрии для электрода. 5. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что управляющие электроды выполнены в виде равнобедренных треугольников, вершины которых обращены к вершине многогранного угла.