Устройство для микроперемещений объекта
Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в сканирующих зондовых микроскопах и нанотехнологических установках для перемещения. Сущность: устройство содержит пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешним и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной. В пружине установлен подвижный держатель перемещаемого объекта. Для компенсации негативного действия силы трения в устройство введен дополнительный пьезоэлемент, размещенный внутри держателя. По крайней мере один конец этого пьезоэлемента жестко соединен с держателем. Технический результат: снижение уровня электромагнитных помех и выделений тепловой энергии. 1 ил.
Устройство относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в сканирующих зондовых микроскопах и нанотехнологических установках для перемещения образца.
Известно устройство микроперемещений объекта (пьезосканер), представляющее собой пьезотрубку со сплошным и распределенными электродами на наружной и внутренней поверхностях [Патент US 6215121, G 01 N 13/16, 2001]. Достоинство устройства - высокая точность перемещений. Основной недостаток устройства заключается в ограниченном диапазоне перемещения.
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, в котором заделана одним концом пьезоэлектрическая трубка. На другом конце трубки закреплены державка и цанговая пружина. Перемещаемый объект располагается на держателе, образующем с пружиной кинематическую пару трения. Внутри пьезотрубки трубки установлены магнит и магнитопроводы, сосредотачивающие его поле в цилиндрическом зазоре. В зазоре располагаются держатель и жестко связанная с ним катушка. Управление током в катушке позволяет осуществлять электродинамическое воздействие на держатель объекта и компенсировать негативное воздействие силы трения на точность позиционирования. Однако наличие в устройстве электродинамической системы приводит к нежелательному (в ряде случаев) увеличению уровня электромагнитных помех, создаваемых при управлении током в катушке, и повышенному тепловыделению.
Задачей изобретения являются снижение уровня электромагнитных помех и выделений тепловой энергии.
Задача решается тем, что в устройстве имеется вспомогательный пьезоэлемент, соединенный с перемещающимся держателем. Применение дополнительного пьезоэлемента (например, трубки или пластины) для воздействия на держатель позволяет компенсировать негативное действие силы трения, повысить точность микроперемещений объекта, не увеличивая при этом уровня электромагнитных помех и выделений тепловой энергии.
На чертеже представлено заявляемое устройство в разрезе.
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, обхватывающей держатель 6 объекта. Внутри держателя 6 размещен жестко соединенный с ним дополнительный пьезоэлемент 7.
Устройство работает следующим образом. Для осуществления перемещений на пьезотрубку 2 и пьезоэлемент 7 (например, трубка) подается несимметричный пилообразный сигнал. Под воздействием данного сигнала элементы 2 и 7 подвергаются деформации сжатия-растяжения, в результате которой пружина 5 и центр масс пьезоэлемента 7 смещаются в разных направлениях. Ускорение элементов 5, 6 и центра масс элемента 7 во время пологого фронта управляющего сигнала близко к нулю, поэтому воздействие перемещающегося центра масс элемента 7 на держатель 6 незначительное. В результате действующая между элементами 5 и 6 сила трения осуществляет их синхронное перемещение. При формировании крутого среза пилообразного сигнала пьезотрубка 2 и пьезоэлемент 7 возвращаются в недеформированное состояние, перемещая с большим ускорением в противоположных направлениях соответственно пружину 5 и центр масс элемента 7. При этом к держателю 6 приложены две противоложно направленные силы - сила трения Fтр, действующая со стороны пружины 5, и сила инерции Fин, действующая со стороны пьезоэлемента 7. Подбором конструктивных параметров (например, толщины или длины) пьезоэлемента 7 можно добиться того, что равнодействующая сил Fтр и Fин, приложенных к держателю во время действия крутого среза управляющего сигнала, будет близка к нулю. Это приводит к тому, что изменение координаты держателя 6 за счет компенсации силы трения будет также близко к нулю. В результате при использовании дополнительного пьезоэлемента 7 величина, на которую перемещается держатель 6 во время формирования среза управляющего сигнала, уменьшается, что повышает точность устройства.
Таким образом, при формировании фронта пилообразного сигнала пьезоэлемент 7 не оказывает воздействия на держатель 6, который под действием силы трения перемещается синхронно с пружиной 5. При формировании среза пилообразного сигнала сила трения оказывает негативное воздействие, поскольку приводит к неконтролируемому смещению держателя 6 из положения, достигнутого в результате формирования фронта сигнала. Компенсация этого негативного воздействия с помощью силы инерции перемещающегося с большим ускорением центра масс дополнительного пьезоэлемента 7 позволяет повысить точность устройства. При этом применение для компенсации пьезоэлемента вместо электродинамической системы (используемой в прототипе) снижает ток потребления, выделение тепловой энергии и уровень создаваемых устройством помех.
Устройство для микроперемещений объекта, содержащее пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешним и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной, с зажатым в ней подвижным держателем, отличающееся тем, что в него введен дополнительный пьезоэлемент, при этом по крайней мере один его конец жестко соединен с держателем.
