Устройство для микроперемещений объекта
Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в устройствах двухкоординатного перемещения объектов с микро- и наноскопическим шагом. Устройство содержит основание, пьезотрубку с электродами. Один конец пьезотрубки закреплен на основании, а другой снабжен опорой и пружиной, прижимающей столик с перемещаемым объектом к опоре. В устройство также введены держатель, измеритель емкости, первая и вторая печатные платы. При этом первая печатная плата соединена со столиком, вторая печатная плата связана с основанием. Форма проводников первой и второй печатных плат обеспечивает наличие между ними зон перекрытия. Емкость между проводниками первой и второй печатных плат в зонах перекрытия имеет однозначную зависимость от координат столика. Технический результат - возможность определения координат перемещаемого объекта в процессе работы устройства. 5 ил.
Устройство относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в устройствах двухкоординатного перемещения объектов с микро- и наноскопическим шагом. Оно может применяться, в частности, в сканирующих зондовых микроскопах и в нанотехнологических установках для перемещения образца.
Известно устройство [Быков В.А., Иванов В.К., Саунин С.А. Пьезосканер. Патент РФ 2199171 H 01 L 41/09, H 02 N 2/02], которое содержит первое основание с закрепленным на нем набором внешних пьезотрубок и второе основание (установлено на свободном конце внешних пьезотрубок) с закрепленной на нем внутренней пьезотрубкой. Достоинством устройства является то, что оно позволяет контролировать положение (координаты) перемещаемого объекта (острия) по величине напряжения, поданного на электроды. Недостаток устройства - ограниченный диапазон перемещений.
Наиболее близким к заявляемому является устройство [Патент РФ №2205474 МПК 7 H 01 L 41/09. Устройство микроперемещений. Липанов А.М., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др.], содержащее основание, электромагнитную систему и пьезоэлектрическую трубку, закрепленную одним концом на основании, а на другом снабженную державкой и цанговой пружиной. В пружине зажат подвижный держатель перемещаемого объекта с жестко связанной с ним катушкой, на которую действует поле электромагнитной системы, позволяя воздействовать на перемещаемый держатель с целью увеличения точности перемещений. Недостаток устройства - невозможность определения реальных координат объекта.
Задачей изобретения является обеспечение возможности определения положения перемещаемого по двум координатам объекта.
Задача решается тем, что в устройстве на перемещаемом объекте и неподвижном основании закреплены две печатные платы. При этом небольшая величина зазора между платами и топология печатных проводников позволяют определять координаты объекта посредством измерения емкости, образованной в зонах перекрытия проводников первой и второй плат.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство в разрезе, на фиг.2 - топология проводников первой печатной платы, на фиг.3 - топология проводников второй печатной платы, на фиг.4 и фиг.5 - зоны перекрытия проводников печатных плат в двух крайних положениях столика.
Устройство содержит основание 1 (фиг.1), в котором заделана одним концом пьезотрубка 2, имеющая один сплошной внутренний 3 и четыре внешних 4 электрода. На другом конце пьезотрубки 2 закреплена опора 5 с прижимной пружиной 6. Перемещаемый объект 7 прикреплен к подвижному дискообразному столику 8, прижатому к опоре 5 с помощью пружины 6. К столику прикреплена первая печатная плата 9. Вторая печатная плата 10 расположена на небольшом расстоянии параллельно первой и соединена с основанием 1 посредством держателя 11. Между проводниками первой и второй плат 9, 10 имеются зоны перекрытия, площадь которых зависит от местоположения столика 8 и может быть определена с помощью измерителя емкости 12.
Устройство работает следующим образом. Для осуществления перемещений на электроды 4 пьезотрубки 2 подается несимметричный пилообразный сигнал. Под воздействием полого фронта этого сигнала пьезотрубка 2 подвергается деформации изгиба, перемещая опору 5 и пружину 6. Скорость движения элементов 5 и 6 при этом невысокая и действующая на столик 8 сила трения перемещает его синхронно с ними. Под воздействием крутого среза пилообразного сигнала пьезотрубка возвращается в недеформированное состояние, при этом столик 8 проскальзывает относительно опоры 5 и пружины 6. При этом сила трения оказывает негативное воздействие, поскольку приводит к неконтролируемому смещению столика 8 из точки, достигнутой в результате формирования фронта пилообразного сигнала. В результате ошибки позиционирования, величина которой изменяется в процессе перемещений, становится затруднительным контроль координат перемещаемого объекта. С целью осуществления такого контроля в устройство введены две печатные платы 9, 10 и держатель 11. Первая плата 9 закреплена на столике 8, а вторая плата 10 расположена на держателе 11 таким образом, что платы располагаются параллельно друг другу, а между ними имеется небольшой (доли - единицы мкм) зазор, который можно регулировать посредством подачи на внутренний электрод 3 напряжения, вызывающего продольную деформацию пьезотрубки 2. Проводники разных печатных плат в зонах перекрытия представляют собой обкладки конденсатора. Если эти проводники выполнить, например, так, как показано на фиг.2 и фиг.3, то определение емкости перекрытия позволит установить координаты столика и, соответственно, перемещаемого объекта. Так, например, на фиг.4, фиг.5 изображено расположение проводников печатных плат и зон их перекрытия, которые показывают, что площадь перекрытия различна в двух крайних положениях столика. Наличие нескольких областей перекрытия, электрически не связанных друг с другом, позволяет определять две координаты столика. При этом взаимно противоположные зоны перекрытия, дублирующие друг друга, необходимы для увеличения емкости перекрытия и повышения точности ее измерения.
Устройство для микроперемещений объекта, содержащее основание, пьезотрубку с электродами, один конец которой закреплен на основании, а другой снабжен опорой и пружиной, прижимающей столик с перемещаемым объектом к опоре, отличающееся тем, что в него введены держатель, измеритель емкости, первая и вторая печатные платы, при этом первая печатная плата соединена со столиком, вторая печатная плата связана с основанием, при этом форма проводников первой и второй печатных плат обеспечивает наличие между ними зон перекрытия, причем емкость между проводниками первой и второй печатных плат в зонах перекрытия имеет однозначную зависимость от координат столика.
