микроманипулятор для позиционирования зонда

Формула изобретения

1. МИКРОМАНИПУЛЯТОР ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЗОНДА, содержащий пластину, располагающуюся горизонтально, по крайней мере три пьезоэлектрических кинематических элемента, первыми концами жестко прикрепленных к пластине, вторыми концами опирающихся на горизонтальную поверхность, способных деформироваться под воздействием определенным образом приложенных к ним напряжений так, чтобы осуществлять смещение вторых незакрепленных концов относительно пластины в трех взаимно перпендикулярных направлениях, по крайней мере один сканирующий пьезоэлектрический элемент, первыи концом жестко прикрепленный к пластине и способный деформироваться под воздействием определенным образом приложенных к нему напряжений так, чтобы осуществлять смещение второго незакрепленного конца относительно горизонтальной поверхности в трех взаимно перпендикулярных направлениях, отличающийся тем, что у всех пьезоэлектрических кинематических элементов центр тяжести смещен по направлению к горизонтальной поверхности так, чтобы при резком уменьшении длины пьезоэлектрических кинематических элементов вдоль вертикальной оси не происходило отрыва концов кинематических элементов от горизонтальной поверхности, к сканирующему пьезоэлектрическому элементу прикреплено опорно-прижимное устройство, удерживающее держатель зонда так, что при приложении к держателю соответствующего усилия он может проскальзывать в вертикальном направлении относительно опор опорно-прижимного устройства.

2. Микроманипулятор по п.1, отличающийся тем, что каждый пьезоэлектрический кинематический элемент выполнен в виде трубчатого пьезоэлемента, жестко соединенного с утяжеленным основанием, суммарная масса утяжеленных оснований должна более чем в 2 раза превышать массу остальной части микроманипулятора.

3. Микроманипулятор по п.1, отличающийся тем, что опорно-прижимное устройство содержит по крайней мере четыре шарообразные опоры, на которых с помощью прижимного механизма удерживается держатель зонда, выполненный в форме цилиндра.

4. Микроманипулятор по п.1, отличающийся тем, что к торцу держателя зонда прикреплен манипуляционный столик, содержащий пластину с завинченными в нее винтами, к концам которых прижимается шайба с помощью закрепленных на пластине пружин, и пьезоэлемент, жестко прикрепленный к пластине, к шайбе крепится оптическое волокно интерферометрического или электрод емкостного датчиков, миниатюрный механический резонатор устанавливается на пьезоэлементе.

5. Микроманипулятор по п.1, отличающийся тем, что электроды каждого пьезоэлектрического кинематического элемента соединены со схемой управления, обеспечивающей раздельное управление пьезоэлектрическими кинематическими элементами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для точного дистанционного позиционирования зонда и может быть использовано в приборах для локального анализа поверхностей, например в туннельном или атомно-силовом микроскопах.

Известен позиционер [1] содержащий горизонтальное основание, четыре пьезоэлектрических кинематических элемента, выполненных в виде трубок, размещенных параллельно и симметрично относительно вертикальной оси основания, каретку с объектодержателем, установленную со стороны подвижной части кинематических элементов с возможностью проскальзывания относительно поверхности направляющего элемента, выполненного в виде пластины, жестко закрепленной на подвижных концах пьезоэлектрических трубок.

Конструктивное решение позиционера не позволяет осуществлять позиционирование в вертикальном направлении, и размер исследуемых образцов ограничен его габаритами.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является микроманипулятор [2] содержащий по крайней мере один служащий опорой для образца или его держателя или опирающийся на них пьезоэлектрический кинематический элемент, жестко прикрепленный к горизонтальному основанию, предназначенный для выполнения перемещений в плоскости образца, а также сканирующий элемент.

Прототип не приспособлен для выполнения позиционирования зонда в вертикальном направлении, а также требует повышенной точности юстировки горизонтальной поверхности, на которой держится образец.

Изобретение решает задачу создания микроманипулятора для позиционирования зонда не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальном направлении без ухудшения параметров устройства, а также задачу уменьшения жесткости требований, предъявляемых к юстировке горизонтальной поверхности.

В предлагаемом микроманипуляторе, содержащем пластину, располагающуюся горизонтально, по крайней мере три пьезоэлектрических кинематических элемента, первыми концами жестко прикрепленных к пластине, вторыми концами опирающихся на горизонтальную поверхность, способных деформироваться под воздействием определенным образом приложенных к ним напряжений так, чтобы осуществлять смещение вторых незакрепленных концов относительно горизонтальной пластины в трех взаимно перпендикулярных направлениях, по крайней мере один сканирующий пьезоэлектрический элемент, первым концом жестко прикрепленный к пластине и способный деформироваться под воздействием определенным образом приложенных к нему напряжений так, чтобы осуществлять смещение второго незакрепленного конца относительно горизонтальной поверхности в трех взаимно перпендикулярных направлениях, эта задача решается за счет того, что у всех пьезоэлектрических кинематических элементов центр тяжести смещен по направлению к горизонтальной поверхности так, чтобы при деформации пьезоэлектрических кинематических элементов вдоль вертикальной оси смещение центра тяжести микроманипулятора, опирающегося на горизонтальную неподвижную поверхность, вдоль этой оси было незначительно по сравнению с изменением размера пьезоэлектрического кинематического элемента вдоль вертикальной оси, к сканирующему пьезоэлектрическому элементу прикреплено опорно-прижимное устройство, удерживающее держатель зонда так, что при приложении к держателю соответствующего усилия он может проскальзывать в вертикальном направлении относительно опор опорно-прижимного устройства.

В частных случаях реализации микроманипулятора каждый пьезоэлектрический кинематический элемент может быть выполнен в виде трубчатого пьезоэлемента, жестко соединенного с утяжеленным по сравнению с ним основанием, опорно-прижимное устройство может содержать по крайней мере четыре шарообразные опоры, на которых с помощью прижимного механизма удерживается держатель зонда, выполненный в форме цилиндра, к торцу держателя зонда может быть прикреплен манипуляционный столик, содержащий пластину с завинченными в нее винтами, к концам которых прижимается шайба с помощью закрепленных на пластине пружин, и пьезоэлемент, жестко прикрепленный к пластине, к шайбе крепится оптическое волокно интерферометрического или плоский электрод емкостного датчиков, миниатюрный механический резонатор устанавливается на пьезоэлементе, а также электроды каждого пьезоэлектрического кинематического элемента могут быть соединены со схемой управления, обеспечивающей раздельное управление пьезоэлектрическими кинематическими элементами.

За счет того, что в предлагаемом устройстве держатель зонда не жестко крепится на специальных опорах, что позволяет ему осуществлять инерционное движение в вертикальном направлении, позиционирование зонда может осуществляться в вертикальном направлении и при этом благодаря переносу центра тяжести устройства в нижние (подвижные) концы пьезоэлектрических кинематических элементов вся конструкция остается неподвижной, что приводит к расширению эксплуатационных возможностей микроманипулятора. Помимо этого, возможность поочередного перемещения оснований пьезоэлектрических кинематических элементов при движении по горизонтальной поверхности и смещение центра тяжести устройства по направлению к подвижным концам пьезоэлектрических кинематических элементов позволяют снизить требования к юстировке горизонтальной поверхности, по которой осуществляется движение микроманипулятора. Кроме того, предложенное устройство позволяет устанавливать в держатель зонда как зонд туннельного микроскопа, так и зонд атомно-силового микроскопа.

На фиг.1 изображен микроманипулятор, общий вид; на фиг.2 и 3 один из вариантов пьезоэлектрического кинематического элемента; на фиг.4 и 5 сканирующий пьезоэлектрический элемент с опорно-прижимным устройством и держателем зонда; на фиг.6 манипуляционный столик зонда при использовании микроманипулятора в составе атомно-силового микроскопа с интерферометрическим зондом; на фиг. 7 манипуляционный столик при использовании микроманипулятора в составе атомно-силового микроскопа с емкостным зондом; на фиг.8 показана диаграмма перемещений оснований пьезоэлектрических кинематических элементов относительно горизонтальной пластины при пошаговом движении вдоль горизонтальной плоскости; на фиг.9 диаграмма изменения длины пьезоэлектрических кинематических элементов при шаговом движении в вертикальном направлении.

Микроманипулятор содержит пластину 1, к которой жестко прикреплены три пьезоэлектрических кинематических элемента 2 и сканирующий пьезоэлектрический элемент 3, к которому жестко прикреплено опорно-прижимное устройство 4 с держателем 5 зонда, и устанавливается на горизонтальной поверхности 6, являющейся поверхностью исследуемого образца в случае гладкого плоского образца больших размеров, например кремниевой пластины или жесткого магнитного диска, или поверхностью, на которой закреплен держатель 7 образца, либо поверхностью плоской подставки, устанавливаемой на исследуемую шероховатую поверхность, к которой подводится зонд через сделанное в этой подставке отверстие.

Каждый пьезоэлектрический кинематический элемент 2 (фиг.2 и 3) выполнен в виде трубчатого пьезоэлемента 8 с нанесенными на него внутренним 9 и внешним 10 электродами, соединенного с утяжеленным по сравнению с массой трубчатого пьезоэлемента 8 основанием 11, имеющим форму конуса с закругленной вершиной. Один из электродов (на фиг. 2 это внешний электрод 10) разделен на изолированные друг от друга четыре симметрично расположенные относительно вертикальной оси части.

Сканирующий пьезоэлектрический элемент 3 (фиг.4 и 5) выполнен в виде трубчатого пьезоэлемента 8, и к нему прикреплено опорно-прижимное устройство 4. Опорно-прижимное устройство 4 выполнено в виде кольца 12 с прикрепленной к нему подставкой 13, к которой прикреплены четыре шаровые опоры 14, на которых удерживается держатель 5 зонда, имеющий форму цилиндра. Держатель зонда удерживается на опорах 14 за счет того, что опорно-прижимное устройство 4 снабжено прижимным механизмом 15, прикрепленным к подставке 13, выполненным в виде постоянного магнита (в этом случае держатель зонда изготавливается, например, из стали). В случае недопустимости магнитных полей вблизи зонда вместо постоянного магнита может устанавливаться специальный пружинный механизм.

Когда микроманипулятор используется в составе сканирующего туннельного микроскопа в качестве зонда в держатель 5 устанавливается туннельная игла.

В случае использования микроманипулятора в составе атомно-силового микроскопа к держателю 5 зонда прикреплен манипуляционный столик 16, предназначенный для точного подвода и юстировки торца оптического волокна или электрода емкостного датчика к миниатюрному механическому резонатору. Манипуляционный столик 16 содержит пластину 17 с завинченными в нее винтами 18, концы которых опираются на шайбу 19, прижатую к ним с помощью закрепленных на пластине 17 пружин, и пьезоэлемент 21, закрепленный на пластине 17. На пьезоэлементе 21 устанавливается миниатюрный механический резонатор 22, а к шайбе 19 крепится оптическое волокно 23 интерферометрического датчика или плоский электрод 24 емкостного датчика. Винты 18 служат для регулировки положения торца оптического волокна или электрода относительно механического резонатора 22 при настройке системы детектирования колебаний резонатора 22, являющейся частью атомно-силового микроскопа.

Микроманипулятор работает следующим образом.

Микроманипулятор обеспечивает шаговое перемещение зонда относительно исследуемой поверхности во взаимно перпендикулярных направлениях осей X, Y, Z (оси Х и Y лежат в плоскости исследуемой поверхности, а ось Z перпендикулярна ей). Причем перемещение во всех трех направлениях может происходить независимо. В направлениях осей Х и Y расстояния, на которые могут производиться перемещения, ограничиваются только размером поверхности 6, по которой движется микроманипулятор. Вдоль оси Z расстояние, на которое может быть произведено перемещение зонда, ограничивается размером держателя 5 зонда и обычно составляет несколько миллиметров.

Шаговое движение в плоскости осей X, Y осуществляется посредством подачи пилообразных импульсов напряжения на электроды 10 относительно электродов 9 пьезоэлектрических кинематических элементов 2. При шаговом движении микроманипулятора вдоль оси Х диаграмма перемещений нижних точек оснований 11 пьезоэлектрических кинематических элементов 2 относительно пластины 1 вдоль оси Х приведена на фиг.8. При этом перемещение основания 11 каждого пьезоэлектрического кинематического элемента 2 вызывается подачей напряжения равной амплитуды, но разных знаков на соответствующую движению вдоль оси Х пару изолированных друг от друга противоположных частей электрода 10 относительно электрода 9.

В момент Т(0) все три пьезоэлектрических кинематических элемента 2 находятся в начальном положении относительно пластины 1. За время с Т(0) по Т"(0) все три пьезоэлектрических кинематических элемента 2 перемещают свои основания 11 относительно пластины 1 вдоль оси Х. При этом основания 11 остаются неподвижными относительно поверхности 6, в то время как пластина 1 плавно смещается относительно поверхности 6. Далее в момент времени Т(1) первый пьезоэлектрический кинематический элемент 2 резко смещает свое основание 11 в начальное положение относительно пластины 1, при этом его основание 11 проскальзывает относительно поверхности 6 вдоль оси Х. Такое проскальзывание основания 11 пьезоэлектрического кинематического элемента 2 относительно поверхности 6 обусловлено тем, что масса одного пьезоэлектрического кинематического элемента 2 более чем в 2 раза меньше массы остальной части микроманипулятора, которая поэтому более инерционна, а также удерживается большей силой трения. В момент Т(2) аналогично происходит проскальзывание основания 11 второго пьезоэлектрического кинематического элемента 2, а в момент Т(3) третьего. Таким образом, за время Т*, Т* Т(3) Т(0) происходит перемещение микроманипулятора относительно поверхности 6 на один шаг вдоль оси Х.

Перемещение вдоль оси Y происходит аналогично. Важно отметить, что поочередное импульсное перемещение оснований 11 при шагании позволяет понизить требования к горизонтальности расположения поверхности 6 по сравнению со случаем одновременного импульсного перемещения оснований. Это объясняется тем, что при поочередном перемещении силы трения в неподвижных опорах препятствуют перемещению микроманипулятора в направлении наклона поверхности 6 под действием силы скатывания.

Шаговое движение держателя 5 зонда вдоль оси Z относительно опорно-прижимного устройства 4 осуществляется путем подачи пилообразных импульсов напряжения одинаковой амплитуды и одной полярности на электроды 10 относительно электродов 9 пьезоэлектрических кинематических элементов 2 одновременно. На фиг.9 приведена диаграмма изменения длины каждого пьезоэлектрического кинематического элемента 2. За время T" T"(0) T(0) происходит плавное изменение длины всех пьезоэлектрических кинематических элементов 2, и держатель 5 зонда вместе с опорно-прижимным устройством 4 перемещается относительно поверхности 6 вдоль оси Z. Затем происходит резкий спад напряжения на электродах 10 всех пьезоэлектрических кинематических элементов 2 и соответственно резкое изменение их длины, что приводит к резкому смещению опорно-прижимного устройства относительно поверхности 6, и держатель 5 зонда проскальзывает относительно опор 14 опорно-прижимного устройства 4 за счет силы инерции так, что в момент времени T(f) держатель 5 зонда смещается относительно своего первоначального положения в момент времени Т(0) вдоль оси Z. Направление перемещения зонда вверх или вниз зависит от полярности подаваемых на электроды 10 напряжений.

Масса оснований 11 пьезоэлектрических кинематических элементов 2 выбирается такой, чтобы она превышала массу остальной части микроманипулятора более чем в 2 раза. При резком сокращении длины пьезоэлектрических кинематических элементов 2, требуемом для проскальзывания держателя 5 зонда вдоль вертикальной оси, такое соотношение масс обеспечивает сохранение касания опор микроманипулятора поверхности 6 и его неподвижность в горизонтальной плоскости.

После шагового подвода зонда достаточно близко к исследуемой поверхности 6 можно осуществлять сканирование положения зонда в плоскости XY и регулировать его положение по вертикали путем подачи напряжений на электроды 9, 10 сканирующего пьезоэлектрического элемента 3. Для обзора максимально больших участков поверхности при сканировании используются также пьезоэлектрические кинематические элементы 2. При использовании одинаковых трубчатых пьезоэлементов 8 это более чем в 2 раза повышает размер окна сканирования.