Позиционирующее устройство

 

Использование: в области нанотехнологии, в том числе для нужд сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Сущность изобретения: позиционирующее устройство выполнено в виде монолитной симметричной H-образной стержневой конструкции, состоящей из стержней с упругими цилиндрическими шарнирами на концах и в середине стержней, причем оси шарниров параллельны оси OZ (оси СТМ-острия). Боковые стержни ортогональны центральному стержню и жестко соединены с корпусом устройства через линейные пьезоэлектрические элементы. В середине центрального стержня закреплено звено, несущее рабочий орган (СТМ-острие) и оптическую шкалу датчика линейных перемещений. Устройство содержит также бесконтактный датчик силы, статор и ротор которого закреплены на корпусе и рабочем звене соответственно. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство относится к области электромеханики и может быть использовано в нанотехнологии, в том числе в технике сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). С помощью последней производится зондирование с атомарным разрешением, молекулярное "рисование" методами термической десорбции, десорбции в сильных электрических полях и т.п. Эти операции непосредственно осуществляются СТМ-острием с помощью точного пьезоэлектрического позиционера в диапазоне 0,1 x 0,1 мкм. Для работы в большей рабочей зоне (до 1 см²) необходим механизм грубого позиционера, осуществляющего перемещение зондирующего острия в этой области. При этом погрешности механизма грубого позиционера не должны превышать диапазон работы точного позиционера (менее 0,1 мкм по всем осям x, y, z), а жесткость конструкции обеспечивает функционирование СТМ-канала. (Наибольшая жесткость по оси OZ требует низшей резонансной частоты конструкции грубого позиционера ≈5 кГц).

Грубые позиционеры с названными параметрами являются необходимыми элементами для нанотехнических технологических комплектов; ЗУ архивного типа с емкостью 10¹² 10¹³ бит; технологических систем по созданию подложек с атомарной чистотой поверхности для нанотехнологий.

Известны многочисленные механизмы грубого позиционирования для СТМ-канала, основанные на рычажных конструкциях с дифференциальным винтом (Coombs, Pethica IBM J. Res. Develop, vol. 30 N 5, 1986, p 445 459), на рычажной конструкции с пьезодвигателями (экономич. патент ГДР N 227290, 1985; патент США N 4518887, 1983).

Основными недостатками этих устройств являются: большие габариты и, как следствие, малая жесткость конструкции; неравномерность движения рабочего органа из-за эффектов сухого трения, люфтов и т.п.

малая вибропрочность из-за немонолитности конструкции; возможность грубых перемещений только при отведенном СТМ-острие (в старт-стопном режиме) из-за больших шумовых перемещений по оси OZ (по сравнению с рабочим зазором СТМ-канала ≈10^-3 мкм).

Последний недостаток приводит к недопустимо большим временам сканирования всей рабочей зоны. (Например, при старт-стопном режиме время одного позиционирования на область 1 x 1 мкм² не менее 1 с, что при размерах рабочей зоны 10 x 10 мм² приводит к времени ее сканирования более 100 x 10³ x 10³ 10⁸ сек 3 лет). Кроме того, при отведенном СТМ-отсрие не работает СТМ-канал и поэтому на основе приведенных выше аналогов не могут быть построены сканирующие координатные столы для нанотехнологии.

Известны также грубые позиционеры на основе биморфных пьезоэлементов, принятые за прототип. Прототипом заявляемого решения является конструкция (статья Muralt, Pohl, Denk, IBM J. Res. Develop, 30, N 5, 1986, p 443 450) [1] Четыре биморфных стержневых пьезоэлемента образуют квадрат, две противоположные стороны которого крепятся центральной частью к основанию. Они обеспечивают перемещение рабочего органа в плоскости XY. Биморфный элемент для перемещения по оси Z закреплен между серединами свободных пьезоэлементов. Система имеет диапазон перемещений X, Y приблизительно ±7,8 мкм, Z ± 770 нм при максимальном напряжении ±120 B, резонансная частота по Z f_z≃ 100 Гц.. Конструкции с использованием бимофрных пьезоэлементов описаны также (в патентах СССР, авт. св. N 595811, кл. H 01 L 41/08; Японии, кл. H 01 L 41/08, заявка Японии N 60-21579, публ. 14.06.86).

Недостатками прототипа являются малый рабочий диапазон (не превышающий десятков мкм); малая жесткость конструкции (резонансная частота ≈100 Гц), являющаяся типичным недостатком конструкции с биоморфами, что затрудняет подавление вибраций системы и ограничивает быстродействие систем управления СТМ-каналом.

Предлагаемое изобретение направлено на решение следующих задач: увеличение диапазона рабочих перемещений (до 10 мм по X, Y);
увеличение жесткости конструкции до величин жесткостей точного позиционера СТМ-канала (резонансные частоты по Z ≈5 кГц);
увеличение скорости и точности перемещения рабочего звена.

Поставленные цели достигаются тем, что, во-первых, устройство дополнено монолитной симметричной стрежневой конструкцией, состоящей из стержней с упругими цилиндрическими шарнирами, оси которых параллельны по оси OZ, что позволяет достичь с одной стороны изменения геометрии в пл. OXY и с другой стороны высокой жесткости, особенно по оси OZ, а также высокой точности и плавности рабочих перемещений. Во-вторых, боковые стержни (стержни первой ступени редукции) и центральный стержень (вторая ступень редукции) взаимно ортогональны, что позволяет достичь больших рабочих перемещений при малых перемещениях концов боковых стержней. В третьих, устройство содержит пьезоэлектрические шайбы, жестко соединенные с корпусом и с боковыми стержнями позиционера, что позволяет синхронно с рабочими перемещениями изменять длину боковых стержней, добиваться высоких скоростей при отсутствии упругих деформаций конструкции.

Кроме того, в устройство введен бесконтактный датчик силы, которая приложена к рабочему звену, что обеспечивает высокую скорость и точность перемещений, а также стабилизацию углового положения рабочего звена вокруг оси OZ.

Для увеличения механической жесткости конструкции по горизонтальной координате, перпендикулярной рабочей оси, в конструкцию введены электромагнитные направляющие. Таким образом, исполнение устройства в виде монолитной симметричной стержневой конструкции с упругими шарнирами и пьезоэлектрическими шайбами на боковых стержнях, в которой боковые стержни ортогональны центральному стержню, а также введение в конструкцию бесконтактного датчика силы, которая приложена к рабочему звену, позволяет достичь высокой жесткости конструкции по нерабочим координатам, особенно по оси OZ, большего диапазона перемещений рабочего звена при малых изменениях длин пьезоэлектрических шайб, а также обеспечить высокую скорость и точность перемещений рабочего звена.

Дополнительное введение линейных электромагнитных направляющих позволяет увеличить жесткость конструкции по горизонтальной координате, перпендикулярной рабочему перемещению.

На фиг. 1 изображен вид сверху позиционирующего устройства; на фиг. 2 - вид сбоку устройства; на фиг. 3 две проекции упругого шарнира; на фиг. 4 - принципиальная кинематическая схема одного стержня конструкции.

Конструкция предлагаемого устройства состоит из однокоординатных направляющих и силового привода.

Направляющие представляют собой стержневую симметричную конструкцию H-образной формы, которая с помощью специальной технологии изготавливается из единой металлической заготовки и с помощью лазерной сварки сваривается через пьезокерамические шайбы 1 с корпусом позиционера 2 в общую монолитную конструкцию. Каждый из стержней (3, 4 и 5) представляют собой монолитную балку с отношением b/a>1, где b и a ширина балки в направлении Z и X(Y) соответственно. На концах и в середине стержней выполнены упругие шарниры 6 с направляющими, параллельными оси ОZ. Упругий шарнир 6 изображен на фиг. 3 и представляет собой монолитный безлюфтовой элемент конструкции, позволяющий жесткому стержню поворачиваться за счет упругих деформаций вокруг оси OZ в точке М. Жесткость стержня в Z-направлении определяется в основном отношением b/a и величиной b. Поскольку величина b практически неограничена, то и Z-жесткость стержней и позиционера может быть очень высокой. Перестройка стержневой конструкции направляющих в пл. XY осуществляется за счет изменения длины пьезоэлектрических шайб 1 и безлюфтовых разворотов стержней с помощью упругих шарниров 6. Изменение длины шайб 1 происходит при подаче на них напряжения за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Диапазон изменения длины y лежит в диапазоне 0 5 мкм. Стержни 3, 4 имеют начальный угол β_o относительно оси OY. На центральном шарнире 7 крепится рабочее звено 8, а также "оптическая шкала" 9 системы опто-электронного датчика линейных перемещений. Стержневая конструкция имеет одну поступательную степень свободы (перемещение по оси OY') и одну вращательную степень свободы (вокруг оси OZ), причем последняя имеет конечную (но малую) жесткость и является вредной. Жесткость рабочего звена вдоль оси OX' зависит от угла β и растет с увеличением b_o Вращение вокруг оси OZ с помощью силового центрирующего привода 10, 11 подавляется и таким образом обеспечивается только одно перемещение рабочего звена вдоль OY'. Для конструкции направляющих (фиг. 1) при L 75 мм, a 2, и b толщине стержней, равной 8 мм, расчетные резонансные частоты конструкции в зоне рабочего звена по Z более 3,5 кГц, по координате X' более 300 Гц. Толщина b стержней может быть увеличена до 25 мм и выше, что обеспечит резонансные частоты f > 5 кГц.

Перестройка геометрии позиционера осуществляется с помощью изменения длины пьезокерамических шайб 1 и малых разворотов вокруг шарниров на углы β с большой тангенциальной редукцией на увеличение. На фиг.4 пунктиром изображено начальное положение абсолютно жестких стержней ABC, а сплошными линиями A'B'C' положение стержней, характеризуемое входным перемещением Dy ≠ 0 и выходным Δx ≠ 0 причем эти перемещения ортогональны. Смысл тангенциальной редукции состоит в том, что Из фиг. 4 легко вычисляется выходное перемещение Δx в функции входного Δy для первой ступени (для стержней 3, 4):

Поскольку для второй ступени (стержни 5) является входным перемещением, то выходное перемещение аналогично (1) запишется в виде

Для осуществления выходного перемещения по формуле (2) необходимо, чтобы стержни 3, 4 первой ступени были ортогональны стержням 5 второй ступени редукции. Для конструкции (фиг. 1) значения L₁ L₂ 75 мм и Δy = 2 мкм и соответственно

Формулы (1) и (2) получены для абсолютно жестких стержней. Редукция в приведенной конструкции столь велика, что значительные (приблизительно 1 мм) перемещения рабочего звена возможны за счет упругих деформаций в стержнях. В этом случае конструкция позиционера будет без пьезоэлектрических шайб, но при этом уменьшается диапазон перемещений и усложняется управление датчиком силы, т. к. жесткость по рабочей координате становится нелинейной функцией X'.

Силовой привод позиционера состоит из бесконтактного (электромагнитного) датчика силы, статор 10 которого закреплен на корпусе позиционера, а якорь 11 на центральном узле стержневой конструкции. На якоре закреплена также оптическая шкала 9 датчика линейных перемещений, по сигналам которого в режиме следящей системы производится управление токами электромагнитов 10.

Поскольку жесткость конструкции вдоль рабочего направления OY' мала, то с помощью относительно малых усилий, развиваемых электромагнитами, достигается высокая скорость перемещения рабочего звена. Например, для приведенной на фиг. 1 конструкции при F_yʹ= 0,02 кг расчетное значение ускорения равно ≈2 м/сек², что обеспечивает перемещение рабочего звена в диапазоне 0 приблизительно 5 мм за время приблизительно 0,03 с. Высокая скорость позиционирования в предлагаемом устройстве достигается также тем, что перемещение рабочего звена по OY' из-за отсутствия люфтов и зазоров конструкции и из-за высокой жесткости ее по оси OZ сопровождается очень малыми шумовыми перемещениями по OZ (относительно корпуса). Эти шумовые Z- перемещения вызваны только технологическими погрешностями изготовления и остаточными вибрациями рабочего звена относительно корпуса. Расчеты показывают, что величина Z-перемещений может быть сделана < 0,1 мкм, что позволяет осуществлять перемещение рабочего звена без отведения СТМ-острия, т.е. осуществлять непрерывное высокоскоростное зондирование подложки.

Силовой привод содержит также систему стабилизации разворота центрального звена вокруг оси OZ. Эта система, совмещенная с датчиком силы, содержит, например 4 электромагнита статора. С помощью этой системы измеряется и стабилизируется угловое положение якоря вокруг оси OZ.

Позиционирующее устройство функционирует следующим образом. Системой управления вырабатывается цифровой код координаты y' заданного положения рабочего звена. Этот код сравнивается с кодом реального положения рабочего звена, вырабатываемого оптоэлектронным датчиком линейных перемещений, оптическая шкала 9 которого расположена на рабочем звене. Следящей системой вырабатывается управляющее напряжение ΔU пропорциональное подаваемое на электромагниты датчика силы, которые и производят перемещение рабочего звена в положение y'.

Одновременно с этим на пьезоэлектрические шайбы 1 поступают управляющие напряжения, пропорциональные Δyʹ (согласно формуле 2) и вызывающие соответствующее перемещение стержней 3,4 на Δy Эти перемещения обеспечивают свободные (без значительных упругих напряжений в стержнях позиционера) перемещения рабочего звена. Возможно также построение автономной следящей системы, осуществляющей автоматическое перемещение стержней 3, 4 на величину Δy. Для этого в позиционере предусмотрены по 2 пьезоэлектрических шайбы на каждый из концов стержней 3, 4. Одна из шайб является индикаторной и вырабатывает управляющий сигнал ΔU_и механических напряжений в стержнях позиционера (работает в режиме прямого пьезоэффекта). Вторая шайба работает в режиме обратного пьезоэффекта по сигналам ΔU_и Управление работой последней осуществляется следящей системой, функционирующей на достижение ΔU_и= 0. Одновременно с этим функционирует следящая система стабилизации углового положения рабочего звена позиционера вокруг оси OZ.

Формула изобретения

1. Позиционирующее устройство, содержащее корпус, рабочее перемещаемое звено, линейные пьезоэлектрические элементы, отличающееся тем, что оно дополнено монолитной симметричной Н-образной стержневой конструкцией, состоящей из стержней с упругими цилиндрическими шарнирами на концах и в середине стержней, причем оси шарниров перпендикулярны плоскости стержневой конструкции, а боковые стержни ортогональны центральному стержню, в центре которого закреплено рабочее звено, и с помощью пьезоэлектрических элементов соединены с корпусом, кроме того, введен бесконтактный датчик силы, статор и ротор которого закреплены на корпусе и рабочем звене соответственно.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит бесконтактные электромагнитные направляющие вдоль оси рабочего перемещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4