пьезосканер

Формула изобретения

1. Пьезосканер, содержащий набор внешних n пьезотрубок одного диаметра с параллельными торцами и сплошными электродами на наружной (электроды Z) и внутренней (электроды Z") поверхностях, соединенных соосно друг с другом по n-1 торцу соединительными элементами и с первым и вторым основаниями свободными торцами, как минимум одну внутреннюю пьезотрубку с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра внешних n пьезотрубок, с четырьмя разделенными электродами (электроды Х₁, Х₂, Y₁, Y₂) на наружной поверхности и четырьмя разделенными электродами (электроды Х"₁, Х"₂, Y"₁, Y"₂) на внутренней поверхности, расположенными напротив соответствующих электродов Х₁, Х₂, Y₁, Y₂, как минимум одну внутреннюю пьезотрубку с наружным диаметром меньше внутреннего диаметра внешних n пьезотрубок, со сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях, а также удлинительный элемент, выполненный из материала с меньшим удельным весом и большим модулем упругости, чем у пьезотрубок, причем торец внутренней пьезотрубки с разделенными электродами соединен со вторым основанием, сама внутренняя пьезотрубка расположена внутри внешних n пьезотрубок, а внутренняя пьезотрубка со сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях соединена первым свободным торцом посредством соединительного элемента со свободным торцом внутренней пьезотрубки с разделенными электродами, а вторыми - c удлинительным элементом.

2. Пьезосканер по п.1, отличающийся тем, что соединительные элементы, основания и удлинительный элемент установлены на пьезотрубках без зазоров с наружными и внутренними поверхностями пьезотрубок, а клеевые швы расположены в полостях между ними и пьезотрубками.

3. Пьезосканер по п.2, отличающийся тем, что клеевые швы в полостях между соединительными элементами и пьезотрубками имеют контролируемую усадку при затвердевании.

4. Пьезосканер по п.1, отличающийся тем, что площадь электродов на одной или нескольких пьезотрубках тем меньше, чем тоньше фрагмент стенки пьезотрубки, расположенный между электродами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим микроперемещения по трем координатам. Например, пьезопривод может быть использован в качестве пьезосканера в зондовой микроскопии.

Известен пьезопривод, содержащий держатель с цилиндрическим пьезоэлементом, на внутренней поверхности которого нанесен сплошной электрод, а на наружной - несколько групп электродов [1].

Недостаток указанного устройства заключается в невозможности выбора требуемого диапазона перемещений, что снижает его функциональные возможности.

Известен пьезопривод (пьезосканер), состоящий из набора пьезотрубок одного диаметра с параллельными торцами и сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях, соединенных соосно друг с другом по торцам соединительными элементами и с первым и вторым основаниями свободными торцами [2] . Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток указанного устройства заключается в отсутствии у указанного привода возможности перемещения в плоскости, перпендикулярной оси пьезотрубок, что сужает его функциональные возможности и не позволяет использовать в качестве пьезосканера. Второй недостаток заключается в уменьшении резонансной частоты пьезопривода в плоскости, перпендикулярной его продольной оси, что приводит к увеличению амплитуды колебаний и увеличивает погрешность измерений.

Известен также пьезосканер со сплошным и распределенными электродами на наружной и внутренней поверхностях пьезотрубки [3].

Основной недостаток указанного устройства заключается в ограниченном диапазоне перемещения.

Задачей изобретения является создание пьезосканера, позволяющего использовать его в зондовой микроскопии для сканирования объектов в широком диапазоне по трем координатам.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей.

Указанная задача достигается тем, что пьезосканер содержит набор внешних n пьезотрубок одного диаметра с параллельными торцами и сплошными электродами на наружной (электроды Z) и внутренней (электроды Z") поверхностях, соединенных соосно друг с другом по n-1 торцу соединительными элементами и с первым и вторым основаниями свободными торцами, как минимум одну внутреннюю пьезотрубку с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра внешних n пьезотрубок, с четырьмя разделенными электродами (электроды X₁, Х₂, Y₁, Y₂) на наружной поверхности и четырьмя разделенными электродами (электроды X₁", Х₂", Y₁", Y₂") на внутренней поверхности, расположенными напротив соответствующих электродов X₁, Х₂, Y₁, Y₂, как минимум одну внутреннюю пьезотрубку с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра внешних n пьезотрубок, со сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях, а также удлинительный элемент, выполненный из материала с меньшим удельным весом и большим модулем упругости, чем у пьезотрубок, причем торец внутренней пьезотрубки с разделенными электродами соединен со вторым основанием, а сама внутренняя пьезотрубка расположена внутри внешних n пьезотрубок, а внутренняя пьезотрубка со сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях соединена первым свободным торцом посредством соединительного элемента со свободным торцом внутренней пьезотрубки с разделенными электродами, а вторым - с удлинительным элементом.

Одним из вариантов осуществления изобретения является установка соединительных элементов, оснований и удлинительного элемента на пьезотрубках без зазоров с наружными и внутренними поверхностями пьезотрубок. При этом клеевые швы заполняют полости между соединительными элементами и пьезотрубками.

Возможно также использование клеевых швов в полостях между ними и пьезотрубками, имеющих контролируемую усадку при затвердевании.

Целесообразно также выбирать площадь электродов тем меньше, чем тоньше фрагмент стенки пьезотрубки, расположенный между электродами.

На фиг.1 изображен пьезосканер.

На фиг.2 изображена пьезотрубка в разрезе.

На фиг. 3 изображено место крепления пьезотрубки с соединительным элементом.

На фиг. 4 изображена пьезотрубка в разрезе с эксцентриситетом (условно увеличенным) внутренней и наружной поверхности.

На фиг. 5 изображен вариант подключения электродов пьезопривода к блоку управления.

Пьезосканер (фиг. 1) содержит первое основание 1, на котором закреплен набор внешних пьезотрубок 2 и 3 с электродами 4 и 5 (электроды Z) на наружных и электродами 6 и 7 (электроды Z") на внутренних поверхностях посредством соединительного элемента 8. На свободном конце пьезотрубки 3 закреплено второе основание 9, на котором в свою очередь закреплена внутренняя пьезотрубка 10 с четырьмя разделенными электродами (электроды X₁ - 11, Х₂ - 12, Y₁ - 13, Y₂ - 14; см. также фиг.2) на наружной поверхности и четырьмя разделенными электродами (X₁" - 15, X₂" - 16, Y₁" - 17, Y₂" - 18) на внутренней поверхности. Вместо одной пьезотрубки 10 может быть также установлен их набор. Следует заметить, что пьезопривод сохраняет работоспособность при едином внутреннем электроде, равно как и при электрическом замыкании электродов 15-18.

Теоретически возможен также вариант единого наружного и разделенных внутренних электродов, но первый вариант предпочтительнее, т.к. проще разделить электроды наружной поверхности пьезотрубок.

Формирование разделенных электродов может происходить как в процессе формирования электродов (через трафарет), так и после, путем нанесения защитных масок с последующим травлением электродов.

На пьезотрубке 10 посредством соединительного элемента 19 закреплена внутренняя пьезотрубка 20 с электродами Z - 21 и Z" - 22. Вместо одной пьезотрубки 20 может быть установлен их набор.

На торце пьезотрубки 20 закреплен удлинительный элемент 23, выполненный из материала с меньшим удельным весом и большим модулем упругости (например, из титана), чем у пьезокерамики пьезотрубок. (Элементы 1, 8, 9, 19, 23 для упрощения можно объединить термином - соединительный элемент.)

Место крепления пьезотрубки 20 и удлинительного элемента 23 (фиг.3) может быть организовано, например, посредством двух посадок без зазоров по поверхностям 24 и 25. Тоже относится к остальным пьезотрубкам, скрепленным с соединительными элементами и основаниями.

Клеевые швы 26 и 27 могут быть сформированы, например, предварительно вакуумированной эпоксидной смолой и располагаться в полостях как указано на фиг. 3, а также в микрополостях непосредственно между поверхностями 24 и 25. (Вакуумирование обезгаживает смолу, что приводит к уменьшению числа пор и соответственно уменьшает усадку при затвердевании.) Аналогично могут быть закреплены на пьезотрубках соединительные элементы и основания.

Следует заметить, что реальные пьезотрубки имеют несоосность внутренних и наружных поверхностей, что приводит к различной толщине фрагментов стенок, различной напряженности поля в пьезокерамике и соответственно погрешности перемещения. Для ее компенсации целесообразно подбирать площадь соответствующих электродов тем меньше, чем тоньше толщина фрагмента стенки пьезокерамики.

Изменение площади электродов (фиг.4) можно проводить как после измерения эксцентриситета А наружной 28 и внутренней 29 поверхностей пьезотрубки 30, так и после контрольных измерений. В простейшем случае это может быть стравливание краев 31 и 32 электродов.

При этом уменьшают рабочую зону 33 пьезотрубки, что компенсирует увеличение перемещения по соответствующей координате, возникающее за счет увеличения напряженности поля более тонкой зоны 33.

Следует заметить, что варианты изменения площади электродов могут быть различны. Например, это могут быть штрихи, равномерно распределенные по площади дорабатываемого электрода, выборки в электродах, расположенные с торцов пьезотрубок. Возможно также формирование электродов требуемой площади после измерения эксцентриситета и т.п.

В варианте подключения электродов пьезотрубок к блоку управления 34 (фиг.5) электроды соединены попарно друг с другом, причем наружные соединены с внутренними, расположенными на противоположных сторонах пьезотрубок. Пары соответственно подключены к выходам 35, 36, 37, 38, 39 и 40 блока управления.

Пьезосканер работает следующим образом. От блока управления 34 (фиг.5) подают управляющее напряжение на электроды пьезопривода, между которыми возникает электрическое поле, которое в свою очередь приводит к изменению размеров пьезокерамики и соответственно перемещению удлинительного элемента. На пары выходов блока управления 35-36, 37-38, 39-40 подают при этом противоположные потенциалы, величина которых соответственно определяет величину перемещения.

Более подробно принципы работы изделий из пьезокерамики описаны в [4]. С работой пьезосканеров в зондовых микроскопах более подробно можно ознакомиться, например, в [5, 6, 7, 8, 9].

Использование двух наборов пьезотрубок различного диаметра, расположенных соосно одна в другой, позволяет при одинаковом их количестве увеличить резонансную частоту пьезопривода, уменьшить амплитуду колебаний и уменьшить соответственно погрешность перемещений.

Кроме этого, в данной конструкции использование удлинителя в совокупности с закреплением пьезотрубки с разделенными электродами на втором основании (в начале второго набора пьезотрубок) позволяет увеличить диапазон перемещения в плоскости, что также расширяет функциональные возможности пьезосканера.

Установка пьезотрубок без зазоров в соединительных элементах с контактом по наружной и внутренней поверхности позволяет увеличивать надежность соединения, а также за счет увеличения жесткости конструкции увеличивает резонансную частоту и соответственно (см. выше) уменьшает погрешность перемещения.

Контролируемая усадка при затвердевании позволяет регулировать величину остаточных напряжений после затвердевания, что важно при увеличении суммарной длины пьезопривода для увеличения жесткости соединения (за счет увеличения усадки) пьезотрубка - соединительный элемент с целью уменьшения резонансной частоты и погрешности перемещения.

При уменьшении суммарной длины пьезосканера целесообразно уменьшение усадки с целью уменьшения остаточных напряжений и увеличения надежности соединения пьезотрубок. Следует заметить, что выбор величины усадок, а соответственно и остаточных напряжений целесообразно проводить экспериментально.

Использование изменяемой площади электродов пьезотрубок позволяет подобрать ее в соответствии с погрешностью перемещений, тем самым ее уменьшая.

Выполнение удлинительного элемента с меньшим удельным весом и большим модулем упругости, чем у пьезокерамики позволяет уменьшать резонансные частоты и соответственно повышать разрешение.

Литература

1. Патент США 4945235, H 01 J 37/00, 1990 г.

2. Рекламный проспект V/О ELECTRONINTORG, пьезоприводы ППУ-9 - ППУ-14.

3. Патент US 6215121, G 01 N 13/16, 2001.

4. Пьезоэлектрическая керамика, Е.Г. Смажевская и др., "Советское радио", 1971 г., 198 с.

5. A new ultra-high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies, G.E. Poirier and J.M. White, Rev. Scl. Instrum. 60 (10), October 1989.

6. The use of a linear piezoelectric actuator for coarse motion in a vacuum compatible scanning tunneling microscope, Gary W. Stupian and Martin S. Leung, J. Vac. Sci. Technol. A 7 (4), Jul/Aug 1989.

7. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др., Сенсорные системы, т. 12, 1, 1998 г., с.99-121.

8. Tunneling barrier height imaging and polycrystalline Si surface observations, S. Hosaka, K. Sagara, T. Hasegawa, K. Takata and S. Hosoki, Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan/Feb 1990.

9. Scanning tunneling microscope instrumentation, Y. Kuk, P.J. Sulverman, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), 2, 165-180.