пьезоэлектрическое устройство для идентификации образца по участку его поверхности

Формула изобретения

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБРАЗЦА ПО УЧАСТКУ ЕГО ПОВЕРХНОСТИ, содержащее пьезоэлектрическое устройство сканирования, размещенное в корпусе, держатель образца, выполненный в виде грубого и тонкого позиционирующего устройств, и устройства управления и обработки информации, отличающееся тем, что устройство грубого позиционирования содержит размещенные в корпусе направляющую проставку, выполненную с возможностью скользящей посадки в ней образца, и устройство торцевого прижима образца, а устройство тонкого позиционирования неподвижно закреплено на корпусе устройства сканирования и состоит из приемной муфты, выполненной с возможностью скользящей посадки в ней корпуса устройства грубого позиционирования, и направляющей части, выполненной с возможностью скользящей посадки в ней образца с фиксацией его углового положения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пьезоэлектрическим приборам, позволяющим изучать поверхность образцов на субмикронном и атомном уровне, получать топографические изображения поверхности, и может быть использовано для металлографического анализа и систем защиты, разработанных по принципу ключ-замок.

Известны пьезоэлектрические устройства для изучения топографии поверхности металлических образцов с разрешением на атомном уровне сканирующие туннельные микроскопы (СТМ), содержащие пьезоэлектрические устройства сканирования поверхности образца на основе трехкоординатного пьезопривода, держатель образца с механизмом грубого и тонкого регулирования положения образца, устройство управления и обработки информации [1,2] Известные устройства позволяют получать изображения участков поверхности образца на атомном и субмикронном уровне, выявлять дефекты, следить за изменениями, происходящими на участке поверхности образца, установленного в прибор. Однако специфика проводимых научных исследований или не позволяет извлечь образец из сканирующего устройства между проводимыми измерениями [1] или, в том случае, если такое извлечение возможно, не позволяет повторно установить образец в сканирующем устройстве с микронной точностью [2]

Наиболее близким к заявляемому является пьезоэлектрическое устройство для исследования участка поверхности образца, содержащее пьезоэлектрическое устройство сканирования, размещенное в корпусе, держатель образца с устройствами грубого и точного позиционирования и устройства управления и обработки информации [3]

Известное устройство позволяет многократно устанавливать и извлекать исследуемый образец, а также позиционировать образец при его повторных установках в устройстве сканирования с микронной точностью относительно первоначальной установки. В качестве позиционирующего устройства в приборе использован шаговый инерционный пьезопривод. Данное известное техническое решение имеет ряд существенных недостатков, затрудняющих его использование.

Во-первых, для контроля точности положения образца при позиционировании необходимо использование оптического микроскопа и оператора, что сильно увеличивает время установки образца и вносит в установку образца субъективный фактор.

Во-вторых, позиционирование образца осуществляется плоскопараллельным перемещением образца в плоскости сканирования, при этом остается значительный произвол в угловом положении образца, что приводит к усложнению устройства обработки информации.

Целью изобретения является создание устройства, позволяющего произвести многократное измерение топограммы заданного участка поверхности образца и идентификацию образца по снятой топограмме, при этом должна быть обеспечена возможность быстрого и удобного извлечения образца из устройства и установка его в то же положение с микронной точностью.

Сущность изобретения заключается в том, что в пьезоэлектрическом устройстве для идентификации образца по участку его поверхности применен держатель образца, позволяющий быстро и удобно, многократно, с микронной точностью производить смену образцов и их установку в рабочее положение.

В предлагаемом устройстве держатель образца, включающий устройства грубого и точного позиционирования, выполнен разъемным, при этом устройство точного позиционирования неподвижно закреплено на корпусе сканирующего устройства и выполнено с возможностью фиксации углового положения образца, устройство грубого позиционирования, совмещенное с устройством прижима образца, выполнено съемным и служит одновременно контейнеpом для хранения образца. Такое выполнение позволяет многократно и быстро производить смену образца, защищает поверхность образца от механических воздействий.

На фиг. 1 изображено пьезоэлектрическое сканирующее устройство с закрепленной на его корпусе направляющей частью устройства точного позиционирования с установленным в нем образцом; на фиг.2 устройство грубого позиционирования; на фиг. 3 образец, поперечный разрез; на фиг.4 пьезоэлектрическое устройство для идентификации образца в сборе с установленным в нем образцом; на фиг.5 блок-схема управления устройством и алгоритма идентификации образца.

Пьезоэлектрическое устройство для идентификации образца из заданного набора по участку его поверхности содержит сканирующее устройство 1 на основе трехкоординатного пьезопривода, установленное в корпусе 2. На корпусе 2 неподвижно закреплено устройство 3 тонкого позиционирования, содержащее направляющую часть 4 с подпружиненными шариками 5 и приемную муфту 6.

Устройство 7 грубого позиционирования содержит корпус 8 и установленные в нем направляющую проставку 9, кнопку 10, подающую пружину 11, возвращающую пружину 12, упорные шайбы 13, 14. Направляющая проставка 9 выполнена с возможностью скользящей посадки в ней образца 15, содержащего направляющий паз 16. Приемная муфта 6 выполнена с возможностью скользящей посадки в ней корпуса 8 устройства грубого позиционирования.

Пьезоэлектрическое устройство для идентификации образца работает следующим образом.

Для размещения участка поверхности идентифицируемого образца в поле сканирования устройства 1 устройство 7 грубого позиционирования с установленным в нем образцом 15 помещается в приемную муфту 6 устройства 3 точного позиционирования путем скользящей посадки в ней корпуса 8. Нажимом кнопки 10 образец 15 подается в направляющую часть 4 устройства 3 тонкого позиционирования до упора в корпус 2 сканирующего устройства 1. Угловое положение образца 15 задается при этом установкой подпружиненных шариков 5 в направляющем пазу 16 образца 15. Фиксация положения образца 15 осуществляется фиксатором 17, который удерживает кнопку 10 в нажатом состоянии. После фиксации положения образца 15 в устройстве оно готово к считыванию топограммы участка поверхности образца 15, расположенного против острия пьезоэлектрического сканирующего устройства 1.

При включении электронной схемы управления сканирующее устройство 1 под действием выходного напряжения высоковольтного Z-усилителя 18 перемещает острие к поверхности образца 15 до возникновения в цепи острие образец туннельного электрического тока, равного заданному, порядка 1 нА.

Поскольку туннельный ток, протекающий между электродами, разделенными вакуумным промежутком, экспоненциально зависит от расстояния между ними, заданное значение туннельного тока определяет исходное расстояние между острием сканирующего устройства 1 и точкой поверхности образца, расположенной непосредственно под острием.

После этого сканирующее устройство 1 под действием выходного напряжения высоковольтных Х- и Y-усилителей 19 и 20, управляемых ЭВМ 21, перемещает острие над поверхностью образца 15 (процедура сканирования). Наличие рельефа на поверхности образца приводит к изменению расстояния между острием и поверхностью образца при сканировании и, следовательно, к отклонению туннельного тока от заданного значения. Схема управления с помощью предусилителя 22 и компаратора 23 регистрирует отклонение туннельного тока в процессе сканирования и через схему 24 обратной связи и высоковольтный Z-усилитель 18 генерирует на сканирующем устройстве напряжение, восстанавливающее исходное расстояние между острием и образцом.

Компьютерный мониторинг этого напряжения при сканировании позволяет фактически произвести измерение топограммы участка поверхности образца. Полученный таким образом результат может быть записан, например, в виде рабочего массива 25, в память ЭВМ. Идентификация образца производится по результатам компьютерного сравнения измеренного массива 25 с уже имеющимся в базе 26 данных ЭВМ 21.