Устройство микроперемещений

Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано в сканирующих зондовых микроскопах и нанотехнологических установках для микроперемещений объекта. Устройство микроперемещений содержит основание, пьезотрубку с электродами, один конец которой закреплен на основании, а другой снабжен первой опорой. Вторая опора соединена с основанием и расположена внутри пьезотрубки под перемещаемым объектом. Перемещаемый объект располагается либо на одной из двух опор, либо на обеих опорах сразу. Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение точности позиционирования. 4 ил.

 

Устройство относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в устройствах перемещения объектов с микро- и наноскопическим шагом.

Известно устройство микроперемещений объекта (пьезосканер), в котором пьезоэлемент, выполненный на основе пьезотрубки, имеет сплошной и разделенные электроды на наружной и внутренней поверхностях [Патент US 6215121, G 01 N 13/16, 2001]. Достоинства устройства - возможность перемещать объект с высокой точностью по трем координатам. Недостаток устройства - ограниченный диапазон перемещений.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [Патент РФ №2205474, МПК 7 H 01 L 41/09. Устройство микроперемещений. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др.], содержащее основание, пьезоэлектрическую трубку, державку, цанговую пружину, держатель объекта, катушку, магнит и магнипроводы. Пьезотрубка закреплена одним концом на основании, а на другом снабжена державкой и цанговой пружиной, в которой зажат подвижный держатель перемещаемого объекта. Магнитная система, образованная жестко связанной с держателем катушкой, магнитом и магнитопроводами, позволяет воздействовать на перемещаемый держатель объекта с целью увеличения точности перемещений.

Недостатками устройства являются:

- перемещение объекта только по одной координате;

- перемещаемый объект имеет механическую связь с пьезоэлементом, поэтому помехи в схеме управления пьезоэлементом оказывают влияние на положение объекта.

Сущность заявляемого устройства заключается в следующем. В устройстве имеются две опоры, на которых может располагаться перемещаемый объект. Первая опора расположена на свободном конце пьезотрубки, а вторая соединена с неподвижным основанием, в котором закреплен другой конец пьезотрубки. Изгибные деформации пьезотрубки под действием несимметричных пилообразных сигналов позволяют осуществлять инерционное перемещение объекта. При этом за счет продольной деформации пьезотрубки объект может приводиться в соприкосновение с одной из двух опор либо с двумя опорами сразу.

Задачей изобретения является повышение точности перемещений по двум координатам, а также обеспечение механической развязки пьезоэлемента и перемещаемого объекта на период его покоя.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство в разрезе, на фиг.2, 3, 4 - принцип работы устройства.

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. Перемещаемый объект 6 может располагаться на опоре 5 как под собственным весом, так и прижиматься к ней с помощью пружины 7. Внутри пьезотрубки 2 под перемещаемым объектом размещена вторая опора 8, жестко соединенная с основанием.

Устройство работает следующим образом. В случае произвольной пространственной ориентации устройства для удержания объекта 6 используется прижимная пружина 6. В исходном состоянии пьезотрубка не имеет продольной деформации и между объектом 6 и опорой 8 имеется небольшой зазор 9. Для осуществления перемещений на электроды 4 пьезотрубки 2 подается пилообразный сигнал. Под воздействием фронта этого сигнала пьезотрубка 2 подвергается деформации изгиба, перемещая опору 5 и объект 6. На объект 6 при этом действует сила трения F_тp1 (фиг.2), направленная в соответствии с вектором скорости v движения опоры 5 и перемещающая объект 6 синхронно с этой опорой. Затем непосредственно перед формированием среза пилообразного сигнала трубка подвергается деформации сжатия, в результате которой перемещаемый объект 6 приводится в соприкосновение со второй опорой 8. При этом в месте контакта появляется сила трения покоя F_тp2 (фиг.3). При формировании среза пилообразного сигнала сила покоя F_тp2 направлена противоположно силе трения скольжения F_тp1. Подбирая величину деформации сжатия пьезотрубки 2, можно добиться того, что величина F_тр2 будет превосходить F_тp1: F_тр2≥F_тp1. Это позволит исключить негативное действие силы трения скольжения F_тp1 на точность позиционирования и сохранить координату перемещаемого объекта в процессе формирования среза пилообразного сигнала неизмененной. После окончания действия пилообразного сигнала пьезотрубка 2 приводится в недеформированное состояние.

При вертикальной ориентации устройства оно может использоваться без пружины 7. Тогда при формировании фронта пилообразного сигнала перемещаемый объект 6 имеет контакт только с первой опорой 5, и сила трения F_тp1 смещает объект на расстояние, равное изгибной деформации пьезотрубки 2. Перед формированием среза пилообразного сигнала пьезотрубка 2 подвергается деформации сжатия, в результате которой объект приводится в соприкосновение с опорой 8, а контакт с опорой 5 теряется. Далее формируется срез пилообразного сигнала, в процессе которого координата объекта 6 не изменяется, поскольку он механически развязан с источником движения - пьезотрубкой 2. Для дальнейшего перемещения объекта пьезотрубка 2 приводится в недеформированное состояние и весь цикл перемещения объекта 6 повторяется. Если необходимости в перемещении объекта 6 нет, то он оставляется в соприкосновении только с опорой 8. Это обеспечивает его развязку с пьезотрубкой 2.

Устройство микроперемещений, содержащее основание, пьезотрубку с электродами, один конец которой закреплен на основании, а другой снабжен первой опорой, отличающееся тем, что в него введена вторая опора, вторая опора размещена внутри пьезотрубки, при этом один конец второй опоры жестко закреплен на основании, а второй расположен под перемещаемым объектом.