УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА Российский патент 2003 года по МПК H01L41/09 H02N2/02 

Описание патента на изобретение RU2205474C1

Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в устройствах для перемещения с микро- и наноскопическим шагом. Оно может применяться, в частности, в сканирующих зондовых микроскопах для перемещения образца или сканирующего зонда, а также в микронных и субмикронных технологиях.

Известно устройство [1], в котором перемещаемый объект расположен в центре защемленного по краю упругого диска. Перемещающее усилие создается винтом и передается к диску через пружину. В результате величина линейного перемещения центра диска во много раз меньше величины перемещения винта и составляет 2 мкм на один оборот винта.

Недостатком данного устройства является низкая точность перемещения, влияние на него люфтов в резьбовом соединении.

Известно устройство [2], состоящее из трех связанных пьезоэлектрических трубок, надетых на металлический стержень. Крайние трубки охватывают стержень без зазора, а средняя - с зазором. Для осуществления движения одна из крайних трубок под воздействием управляющего напряжения сжимается в радиальном направлении и плотно охватывает стержень. После этого на среднюю трубку подается потенциал, деформирующий ее в направлении оси движения и перемещающий вторую крайнюю трубку, которая затем, в свою очередь, плотно охватывает стержень. В завершение шага первая ослабляет охват стержня, а средняя принимает исходное положение.

Недостатками устройства являются необходимость высокой точности изготовления устройства, возможность нарушения охвата стержня вследствие температурных деформаций и усадки пьезоэлементов и, как следствие, нарушение непрерывности движения.

Задачей изобретения является уменьшение минимальной величины шага, увеличение точности позиционирования и скорости перемещений.

Задача решается тем, что в устройстве для микроперемещений объекта, содержащем пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешним и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной, введены магнит с магнитопроводами, катушка, устройство управления током в катушке, при этом катушка жестко связана с держателем и размещена в цилиндрическом магнитном зазоре магнитопроводов.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство в разрезе, на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит основание 1, в котором заделана одним концом пьезоэлектрическая трубка 2 с двумя сплошными внешним и внутренним электродами 3. На другом конце трубки закреплена державка 4 с цанговой пружиной 5. Перемещаемый объект располагается на полом цилиндрическом держателе 6, образующем с цанговой пружиной 5 кинематическую пару трения. Внутри трубки 2 установлены магнитопроводы 7, 8, которые сосредотачивают поле магнита 9 в цилиндрическом зазоре 10 между элементами 7 и 8. В зазоре располагается держатель 6 и жестко связанная с его внутренней поверхностью катушка 11, ток в которой формируется устройством управления 12.

Устройство работает следующим образом. В кинематической паре трения 5-6 со стороны пружин 5 на держатель действует сила трения Fтр (трения покоя или трения скольжения), величина которой определяется классом чистоты трущихся поверхностей, материалами, из которых изготовлены элементы 5 и 6, и силой прижатия их друг к другу. Ускорение, которое способна придать сила трения держателю 6, ограничено величиной а6≤Fтр/(m11+m6), где m6, m11 - массы держателя 6 с образцом и катушки 11 соответственно. В зависимости от величины а5 ускорения пружины 5, вызванного деформацией пьезоэлемента 2, сила трения перемещает держатель 6 с образцом синхронно с пружиной 5, если:
a6≥a5, (1)
и с проскальзыванием, если а65. Таким образом, при медленной деформации элемента 2 элемент 6 перемещается на то же расстояние, что и свободный конец 2, а при его быстрой деформации - на меньшее расстояние. При этом, чем а6 меньше а5, тем больше разница между абсолютным перемещением пружины 5 и держателя 6. В результате, управляя величиной a5, можно осуществлять массово-инерционный принцип перемещений, а дополнительное воздействие (со стороны магнитной системы) на держатель 6 через жестко связанную с ним катушку 11 позволяет улучшить характеристики движения: скорость, минимальную величину шага, точность позиционирования.

Рассмотрим работу устройства более подробно.

Перед началом перемещений от устройства управления 12 в катушку 11 подается электрический ток такой величины I0 и направления, что сила воздействия поля магнита 9 на катушку Fm по модулю равна, а по направлению противоположна силе тяжести Fg (фиг.2а), действующей на держатель 6 с объектом и связанную с ним катушку 10:
|Fm| = B•L•I0 = |Fg| = g•(m11+m6), (2)
где В - магнитная индукция в зазоре; L - длина провода катушки, расположенного в зазоре. В результате исключается влияние силы тяжести на величину шаговых перемещений при движении в разных направлениях.

Для перемещения объекта вдоль оси Z на электроды 3 подают импульсы несимметричного пилообразного напряжения (фиг.2б) различной в зависимости от направления движения полярности. В начале формирования пологого фронта напряжения на электродах 3 устройством 12 в катушке 11 формируется ток величиной I0+I1 при движении вверх и I0-I1 при движении вниз. В результате равнодействующая сил, приложенных в направлении движения к держателю 6, возрастает на величину BLI1 (фиг.2а), а ускорение держателя определяется выражением а6=(Fтр0+ВLI1)/(m11+m6), где Fтp0 - сила трения покоя в кинематической паре 5-6. Таким образом, можно увеличить ускорение свободного конца пьезоэлектрической трубки 2 с пружиной 5 на величину Δа5 (и общую скорость перемещений), обеспечив при этом синхронность его перемещения с перемещением держателя 6 согласно условию (1), за счет дополнительно приложенной к держателю 6 силы Fдоп=ВLI1=Δа5(m11+m6). Перед формированием крутого среза напряжения на электродах 3 устройством 12 в катушке 11 формируется ток величиной I0+I1 при движении вверх и I0-I1 при движении вниз. При этом величина и направление тока 12 выбирается так, чтобы величина дополнительного воздействия на держатель ВLI2 (фиг. 2а) компенсировала силу трения скольжения Fтрс, вызывающую перемещение держателя 6 с объектом в направлении, обратном требуемому. В результате (Fтрc-ВLI2)-->0, ускорение a6=(Fтpc-BLI2)/(m11+m6) снижается до минимума и перемещение держателя за короткое время формирования среза ΔLоб (величина обратного хода, фиг.2в) ничтожно и стремиться к нулю. Таким образом, можно уменьшить величину минимального шага (и повысить точность позиционирования) устройства микроперемещений, определяемую как минимальное положительное значение разности ΔLпp-ΔLоб, где ΔLпp - перемещение держателя 6, полученное им при формировании пологого фронта.

Предложенное устройство для микроперемещений объекта обеспечивает высокие скорость перемещений и точность позиционирования объекта, уменьшение минимального шага перемещений (по сравнению с прототипом ~ в 2 раза) за счет использования магнита с магнитопроводами, катушки и устройством управления током в катушке.

Источники информации
1. А.с. 1698914, Н 01 J 37/26. Сканирующий туннельный микроскоп. И.Б.Альтфедер, А.П.Володин, М.С.Хайкин.

2. Дж.У.Харди. Активная оптика. ТИИЭР, т. 66, 6, 1978, с.61-70.

Похожие патенты RU2205474C1

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2004
  • Гуляев П.В.
RU2247467C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2005
  • Липанов Алексей Матвеевич
  • Гуляев Павел Валентинович
  • Шелковников Евгений Юрьевич
  • Тюриков Александр Васильевич
  • Гудцов Денис Вячеславович
  • Панич Анатолий Евгеньевич
RU2284642C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2004
  • Гуляев П.В.
RU2257645C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2008
  • Липанов Алексей Матвеевич
  • Гуляев Павел Валентинович
  • Шелковников Юрий Константинович
  • Тюриков Александр Валерьевич
  • Кизнерцев Станислав Рафаилович
  • Гудцов Денис Вячеславович
  • Тарасов Михаил Владимирович
RU2359364C1
УСТРОЙСТВО МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ 2004
  • Липанов Алексей Матвеевич
  • Гуляев Павел Валентинович
  • Шелковников Евгений Юрьевич
  • Осипов Николай Иванович
  • Панич Анатолий Евгеньевич
RU2272350C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ 1993
  • Гайворонский А.А.
RU2082592C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СВЧ-ДВИГАТЕЛЬ 2001
  • Александров В.А.
  • Александрова Г.В.
RU2205494C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА КЛАСТЕРОВ ИЗ СВЕРХЗВУКОВОГО ПОТОКА 1998
  • Бесогонов А.П.
  • Липанов А.М.
RU2152604C1
КОМБИНИРОВАННЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП - РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП 1994
  • Липанов А.М.
  • Шелковников Ю.К.
  • Осипов Н.И.
  • Тарасов А.В.
  • Миронов С.В.
RU2089968C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА 1993
  • Гайворонский А.Т.
RU2091752C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 205 474 C1

Реферат патента 2003 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА

Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в устройствах для перемещения с микро- и наноскопическим шагом. Технический результат: уменьшение минимальной величины шага, увеличение точности позиционирования и скорости перемещений. Сущность: устройство содержит пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешними и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной, магнит с магнитопроводами, катушку, устройство управления током в катушке. Катушка жестко связана с держателем и размещена в цилиндрическом магнитном зазоре магнитопроводов. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 205 474 C1

Устройство для микроперемещений объекта, содержащее пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешними и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной, с установленным в них подвижным держателем образца, отличающееся тем, что введены магнит с магнитопроводами, катушка, устройство управления током в катушке, при этом катушка жестко связана с держателем и размещена в цилиндрическом магнитном зазоре магнитопроводов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2003 года RU2205474C1

СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП 1991
  • Альтфедер И.Б.
  • Володин А.П.
  • Хайкин М.С.
RU2018188C1
Сканирующий туннельный микроскоп 1989
  • Альтфедер Игорь Борисович
  • Володин Александр Петрович
  • Хайкин Моисей Семенович
SU1698914A1
US 6178813, 30.01.2001
US 5835251, 10.11.1998.

RU 2 205 474 C1

Авторы

Липанов А.М.

Гуляев П.В.

Шелковников Е.Ю.

Осипов Н.И.

Кизнерцев С.Р.

Тюриков А.В.

Коротаев М.Н.

Чухланцев К.А.

Даты

2003-05-27Публикация

2001-12-06Подача