исполнительное устройство растрового микроскопа

Формула изобретения

Исполнительное устройство растрового микроскопа, содержащее монолитный пьезокерамический стержень с крестообразным поперечным сечением и управляющими электродами на боковых поверхностях, отличающееся тем, что стержень выполнен с поперечными пазами со стороны торцов так, что плоскости симметрии пазов со стороны первого торца совпадают с плоскостями симметрии стержня, плоскости симметрии пазов со стороны второго торца смещены относительно оси симметрии стержня на четверть ширины поперечного сечения последнего, а управляющие электроды нанесены также на внутренние боковые поверхности стержня, образованные пазами со стороны первого торца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ и предназначено для работы в качестве манипулятора рабочего органа растрового микроскопа, например туннельного.

Известен манипулятор острия растрового туннельного микроскопа [1], представляющий собой трубчатый пьезоэлемент с управляющими электродами на боковых поверхностях. Устройство обеспечивает перемещение острия по трем координатам. Однако, манипулятор обладает недостаточной чувствительностью и температурной стабильностью, что снижает точность получаемой информации о физических свойствах исследуемого вещества.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический манипулятор острия сканирующего туннельного микроскопа [2] , представляющий собой монолитный пьезокерамический стержень с крестообразным поперечным сечением. На боковые поверхности стержня нанесены управляющие электроды. Продольная и изгибная деформация стержня обеспечивает перемещение острия по трем координатам. Устройство обладает высоким быстродействием и температурной стабильностью в плоскости исследуемого образца.

Однако, при работе сканирующего микроскопа в широком интервале температур наблюдается температурный дрейф рабочего органа в направлении, перпендикулярном плоскости образца, что затрудняет обработку получаемой информации. Работа устройства в широком интервале температур сопровождается также изменением чувствительности и диапазона перемещения рабочего органа.

Заявляемое в качестве изобретения исполнительное устройство позволяет значительно расширить функциональные возможности растрового микроскопа при исследовании физических свойств веществ за счет повышения температурной стабильности, чувствительности и расширения диапазона перемещения рабочего органа микроскопа.

Указанный технический эффект достигается тем, что в исполнительном устройстве растрового микроскопа содержащем монолитный пьезокерамический стержень с крестообразным поперечным сечением и управляющими электродами на боковых поверхностях, стержень снабжен поперечными пазами со стороны торцов. Плоскости симметрии пазов со стороны первого торца совпадают с плоскостями симметрии стержня. Плоскости симметрии пазов со стороны второго торца смещены относительно плоскостей симметрии стержня на четверть ширины поперечного сечения. На боковые поверхности пазов со стороны первого торца нанесены управляющие электроды.

Создание исполнительного устройства растрового микроскопа стало возможным благодаря новой конструкции элементов устройства и новому принципу их взаимного расположения. При сохранении крестообразной формы поперечного сечения пьезокерамического стержня система взаимно перпендикулярных пазов, выполненных на торцовых поверхностях стержня, преобразует последний в складчатую структуру, состоящую из центральной и периферийной частей.

Такая конструкция стержня позволяет расположить в одной плоскости места внешних механических соединений устройства: прикрепления рабочего органа микроскопа к внутренней части устройства и закрепления периферийной части устройства в корпусе микроскопа. При этом тепловая деформация внутренней и периферийной частей в широком интервале температур не изменяет положения рабочего органа, что обеспечивает высокую температурную стабильность устройства - основной технический эффект изобретения.

При одинаковой с прототипом площади поперечного сечения стержня заявляемое устройство имеет меньшую толщину стенок стержня и, следовательно, большую напряженность электрического поля в пьезокерамике, что обеспечивает более высокую чувствительность устройства - еще один дополнительный технический эффект изобретения.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения: крестообразное поперечное сечение и система взаимно перпендикулярных пазов, - значительно расширяет функциональные возможности растрового микроскопа.

На фиг. 1 изображены проекции пьезокерамического стержня; на фиг. 2 - исполнительное устройство и его внешние соединения (электрические и механические) одного из четырех выступов крестообразного стержня.

Исполнительное устройство содержит (см. фиг. 1) монолитный пьезокерамический стержень 1 с крестообразным поперечным сечением. Со стороны торцов стержень 1 снабжен поперечными пазами: со стороны одного торца - пазы 2, плоскости симметрии которых совпадают с плоскостями симметрии стержня 1, со стороны второго торца - пазы 3, плоскости симметрии которых смещены на четверть ширины поперечного сечения относительно плоскостей симметрии стержня 1. На боковые поверхности стержня 1 нанесены управляющие электроды (см. фиг. 2): на наружные поверхности центральной части стержня 1 нанесены электроды 4, на наружные поверхности периферийной части нанесены электроды 5, на поверхности пазов 2 нанесены электроды 6.

Монолитный стержень 1 выполнен из пьезоэлектрической керамики на основе цирконата-титаната свинца, изготовленной методом горячего прессования. Механическая обработка стержня 1 выполнена шлифованием при помощи алмазных дисков. Управляющие электроды 4, 5 и 6 нанесены путем вжигания серебросодержащей пасты. Пьезокерамика стержня 1 поляризована в направлении толщины пластин, образующих складчатую структуру.

К центральной части исполнительного устройства в направлении продольной оси прикреплен рабочий орган растрового микроскопа, например, острие 7 сканирующего туннельного микроскопа. Периферийная часть исполнительного устройства соединена с корпусом 8. На фиг. 2 условно показано внешнее механическое соединение одного из четырех выступов стержня 1. Соединения других выступов аналогичны.

Управляющие электроды 4, 5 и 6 подключены к выходным усилителям 9, 10 системы управления (на фиг. 2 условно показаны электрические соединения двух каналов управления, расположенных на одном из четырех выступов. Соединения других каналов аналогичны).

Исполнительное устройство работает следующим образом.

С выхода усилителя 9 системы управления на управляющие электроды 4 соответствующего канала управления поступает сигнал, пропорциональный требуемому перемещению рабочего органа 7 растрового микроскопа. В результате электромеханического преобразования (за счет поперечного пьезоэффекта) в соответствующем выступе стержня 1 возникают механические напряжения, стремящиеся уменьшить длину выступа. Механические напряжения вызывают изгиб стержня 1 в направлении данного выступа. Таким образом происходит перемещение рабочего органа 7 в плоскости исследуемого образца. Для перемещения рабочего органа 7 перпендикулярно плоскости образца управляющий сигнал поступает одновременно на электроды 4 всех четырех выступов стержня 1 и происходит уменьшение центральной части стержня 1. При поступлении управляющего сигнала на электроды 5, с выхода усилителя 10, происходит уменьшение длины периферийной части стержня 1, что приводит к перемещению рабочего органа 7 в противоположном направлении. Таким образом, возможно реверсивное перемещение рабочего органа 7 по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

При изменении рабочей температуры происходит соответствующее изменение длины центральной и периферийной частей стержня 1. Величина и направление тепловой деформации относительно плоскости внешних механических соединений одинаковы у обеих частей стержня 1. Поэтому не происходит изменения положения рабочего органа 7 относительно корпуса 8 и поверхности образца, жестко связанного с корпусом 8. Таким образом осуществляется температурная стабилизация исполнительного устройства.

Предлагаемое исполнительное устройство позволяет существенно расширить функциональные возможности растровых микроскопов. Высокая температурная стабильность обеспечивает широкий интервал рабочих температур сканирующих туннельных микроскопов и растровых микроскопов, основанных на других физических принципах: атомно-силовых, магнитно-силовых и др. Высокая чувствительность позволяет исследовать атомную и субатомную структуру поверхности различных объектов при меньших значениях управляющего напряжения, что повышает помехоустойчивость и надежность приборов для научных исследований. Благодаря своим достоинствам, новое исполнительное устройство найдет также эффективное применение в системах нанотехнологии, для массопереноса на атомном уровне.