сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов

Классы МПК:G01Q10/00 Устройства сканирования или позиционирования, те устройства для активного управления движением или положением зонда
B82Y35/00 Способы или устройства для измерения или анализа нано-структур
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Закрытое акционерное общество "Нанотех-Актив" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2010-07-01
публикация патента:

Устройство предназначено для проведения зондовых измерений на объектах, имеющих сложную форму, например на трубах в нефтяной и атомной отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что в сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, дополнительно введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом. Измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа - модули крепления к объекту. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 6 з. п. ф-лы, 2 ил. сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных   объектов, патент № 2515731

сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных   объектов, патент № 2515731 сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных   объектов, патент № 2515731

Формула изобретения

1. Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, а также модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, отличающийся тем, что в него введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом, при этом измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа - модули крепления к объекту.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус сопряжен с двухкоординатным столом посредством стойки, закрепленной на двухкоординатном столе, и двух цилиндрических направляющих.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус сопряжен с возвратным механизмом, закрепленным на двухкоординатном столе.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что возвратный механизм выполнен в виде кронштейна с двумя пружинными упорами, расположенными с возможностью сопряжения с корпусом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двухкоординатный стол выполнен в виде первой и второй кареток, сопряженных соответственно с первым и вторым приводами.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль сближения выполнен в виде третьей каретки, установленной подвижно относительно корпуса и сопряженной с приводом измерительной головки.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двухкоординатный стол содержит датчики перемещения.

Описание изобретения к патенту

Устройство предназначено для проведения зондовых измерений на объектах, имеющих сложную форму, например на трубах в нефтяной и атомной отраслях промышленности.

Известен сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, а также модуль сближения, содержащий три опорные стойки, одна из которых выполнена подвижной и соединена с приводом [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что его сложно использовать для исследования объектов сложных форм и размеров в широком их диапазоне.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, а также модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом, при этом измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа снабжена модулем крепления к объекту.

Существует вариант, в котором корпус сопряжен с двухкоординатным столом посредством стойки, закрепленной на двухкоординатном столе, и двух цилиндрических направляющих.

Существует также вариант, в котором корпус сопряжен с возвратным механизмом, который выполнен в виде кронштейна с двумя пружинными упорами, расположенными с возможностью сопряжения с корпусом, при этом возвратный механизм закреплен на двухкоординатном столе.

Существует также вариант, в котором двухкоординатный стол выполнен в виде первой и второй кареток, сопряженных соответственно с первым и вторым приводами, а модуль сближения выполнен в виде третьей каретки, установленной подвижно относительно корпуса и сопряженной с приводом измерительной головки.

Существует также вариант, в котором двухкоординатный стол содержит датчики перемещения.

На фиг.1 изображена компоновочная схема предложенного устройства - вид сбоку.

На фиг.2 изображена компоновочная схема предложенного устройства - вид снизу.

Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов содержит платформу 1 (фиг.1, фиг.2) с упорами 2 и модулями крепления 3 для фиксации ее на объекте 4. В качестве упоров 2 могут использоваться металлические шарики, неподвижно закрепленные в платформе 1, или винты со сферическими шляпками, имеющими возможность изменения высоты выступания из платформы 1 с последующей фиксацией их клеем или гайками (не показано). В качестве модулей крепления 3 можно использовать: для магнитных объектов - электромагниты, для труб - скобы или ременные захваты, охватывающие трубы, для плоских, немагнитных и гладких объектов - вакуумные захваты. На платформе 1 установлен двухкоординатный стол 5, сопряженный с первым и вторым (второй не показан) приводами (первым и вторым шаговыми двигателями) 6 (см., например, [2]). Двухкоординатный стол 5 показан условно, он может содержать первую и вторую каретки, установленные друг на друге посредством направляющих, при этом каждая каретка сопряжена со своим шаговым двигателем 6 (не показаны). При использовании шагового двигателя вращения на его валу может быть закреплен винт, сопряженный с гайкой, установленной на каретке (не показано). В качестве направляющих можно использовать V-образные направляющие, описанные в [3]. Следует заметить, что стол 5 может быть выполнен в виде одной каретки (как показано на фиг.1), сопряженной с первым (X) и вторым (Y) шаговыми двигателями 6 (второй по координате Y не показан), закрепленными на платформе 1. При этом двигатели 6 могут содержать возвратные механизмы и системы кинематической развязки (не показаны). Возвратные механизмы и системы кинематической развязки см. в [4]. В этом случае в двухкоординатном столе 5 могут быть закреплены три твердых (сталь ШХ 15) шарика, находящиеся во взаимодействии с тремя поликоровыми вставками, установленными в платформе 1 (не показано). Двухкоординатный стол 5 (или его каретки) могут содержать датчики перемещения, состоящие из активных элементов 7 и пассивных координатных элементов 8. В качестве этих датчиков можно использовать изделия, описанные в [5]. На платформе 1 закреплена стойка 9, в которой посредством подшипников 10 и цилиндрических направляющих 11 установлен корпус 12 с возможностью вращения относительно стойки 9. Корпус 12 может быть сопряжен с возвратным механизмом 13, состоящим из кронштейна 14 и двух пружинных упоров 15 с пружинами 16, опирающимися на поверхность корпуса 12 с двух сторон симметрично от направляющей 11 (на фиг.1 второй упор 15 не показан). Механизм 13 может быть закреплен как на стойке 9 (фиг.1), так и на двухкоординатном столе 5 (не показано). Возвратный механизм 13 может также иметь другое исполнение. Вместо упоров 15 могут использоваться магниты, сопряженные одноименными полюсами с такими же магнитами, закрепленными на корпусе 12 (не показано). Это могут быть пружины, закрепленные на корпусе 12 и сопряженные со стойкой 9 (не показано) и т.п. На корпусе 12 расположена третья каретка 17, сопряженная с приводом измерительной головки (третьим шаговым двигателем) 18. Элементы 17 и 18 представляют собой модуль сближения. Каретка 17 может содержать также направляющие (не показаны), описанные в [3]. В корпусе 12 установлена измерительная головка 19 с пьезосканером 20 и зондом 21. В качестве такой головки может быть использовано устройство с системой автоматического слежения за кантилевером, описанное в [6]. Дополнительно головка 19 может содержать шаровые опоры (опорные стойки) 22, сопряженные с V-образными ориентаторами 23, закрепленными на каретке 17, а также пружинные опоры 24 с пружинами 25, установленные во втулках 26. Следует заметить, что пружины 25 должны быть примерно на порядок более жесткими, чем пружины 16. Пружины 16 необходимы только для сохранения положения корпуса 12 в отсутствие объекта 4 и не должны мешать работе пружин 25. Опоры 24 могут быть изготовлены из капролона, фторопласта, содержать шарики, установленные в них с возможностью вращения или фторопластовые вкладыши (не показаны) в металлических основах. Измерительная головка 19 может быть закреплена на каретке 17 посредством крепежных элементов 27. Это могут быть винты, скобы и т.п. (показаны условно). Измерительная головка 19 соединена с блоком анализа и управления 30. С блоком 30 могут также быть соединены шаговые двигатели 6 и 18, активные элементы 7 датчиков перемещения, а также захваты 3, в случае их выполнения в виде электромагнитов. Устройство также снабжено видеокамерой 31, позволяющей наблюдать за зоной измерения (показано условно), которая может быть подключена к блоку 30.

Устройство работает следующим образом. Закрепляют платформу 1, используя упоры 2 и модули крепления 3, например, на трубе (объекте) 4 с характерным диаметром в нефтяной и атомной отраслях промышленности от 150 мм. Посредством каретки 17 и привода 18 производят сближение зонда 21 и объекта 4 по координате Z. На первом этапе сближения пружинные опоры 24 вступают во взаимодействие с объектом 4 и ориентируют каретку 17 посредством цилиндрических направляющих 11 таким образом, что ось пьезосканера 20 0-0 сохраняет перпендикулярность цилиндрической поверхности объекта 4 (то есть является продолжением ее радиуса), даже если труба 4 имеет неидеальную форму и упоры 2 расположены на участке большего диаметра. При этом также осуществляется кинематическое замыкание головки 19 на объект 4, что увеличивает жесткость системы зонд 21 - объект 4. После достижения зондом 21 рабочего зазора производят сканирование поверхности объекта 4 в плоскости X,Y и его исследование. Подробно работу СЗМ см. в [7]. Далее, используя двухкоординатный стол 5, перемещают измерительную головку 19 на новое место измерения, где исследования продолжаются. Перемещение может проводиться при зазоре зонд 21 - объект 4 в 1-2 мм, при этом опоры 24 могут не терять контакта с поверхностью объекта 4, а скользить по нему.

Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что в устройство введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом, при этом измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа - модули крепления к объекту - расширяют функциональные возможности устройства.

Введение в измерительную головку двух пружинных опор дополнительно повышает жесткость системы зонд - образец, что повышает точность измерения и соответственно расширяет возможный круг исследуемых объектов.

Сопряжение корпуса с двухкоординатным столом посредством стойки и двух цилиндрических направляющих обеспечивает работоспособность устройства на поверхностях сложной формы.

Введение возвратного механизма обеспечивает стабильное положение измерительной головки между установками ее на объект.

Выполнение двухкоординатного привода в виде первой и второй кареток позволяет при однотипных измерениях (вдоль трубы или поперек) использовать только один привод и одну каретку, что увеличивает ресурс работы устройства.

Выполнение модуля сближения в виде третьей каретки обеспечивает осевой подвод зонда к объекту, что улучшает работоспособность устройства на поверхностях сложной формы.

Датчики перемещения двухкоординатного стола обеспечивают состыковку изображений, полученных измерительной головкой, что расширяет функциональные возможности устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Солвер - Смена, www.ntmdt.com.

2. AMD 1220-V12-09. Каталог Фимы «Faulhaber».

3. SVS 1050-13Z. Каталог фирмы «Nippon bearing Co.».

4. Патент RU2255321.22.06.2005.

5. RGH25F. Каталог фирмы «RENISHAW».

6. Патент RU2227333. 20.04.2004.

7. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы, Т. 12, 1998. № 1. с.99-121.

Класс G01Q10/00 Устройства сканирования или позиционирования, те устройства для активного управления движением или положением зонда

сканирующий зондовый микроскоп и способ выявления близости его зондов -  патент 2526295 (20.08.2014)
система обнаружения зонда -  патент 2512674 (10.04.2014)
способ подвода зонда к образцу для сканирующего зондового микроскопа -  патент 2497134 (27.10.2013)
сканирующий зондовый микроскоп -  патент 2461839 (20.09.2012)
способ ускорения измерения рельефа поверхности для сканирующего зондового микроскопа -  патент 2428655 (10.09.2011)
сканирующий зондовый микроскоп с нанотомом -  патент 2427846 (27.08.2011)
способ повышения достоверности результатов исследования поверхности твердого тела методом атомно-силовой микроскопии -  патент 2415444 (27.03.2011)
сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством модификации поверхности объекта -  патент 2389032 (10.05.2010)
устройство позиционирования с компенсацией термического дрейфа образца в системе с ионным или электронным источником -  патент 2388116 (27.04.2010)

Класс B82Y35/00 Способы или устройства для измерения или анализа нано-структур

сканирующий зондовый микроскоп и способ выявления близости его зондов -  патент 2526295 (20.08.2014)
способ диагностики дефектов на металлических поверхностях -  патент 2522709 (20.07.2014)
способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза -  патент 2522596 (20.07.2014)
тестовый объект для калибровки микроскопов в микрометровом и нанометровом диапазонах -  патент 2519826 (20.06.2014)
система обнаружения для динамического зонда -  патент 2518859 (10.06.2014)
система обнаружения зонда -  патент 2512674 (10.04.2014)
тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующего зондового микроскопа -  патент 2511025 (10.04.2014)
экспертно-криминалистический видеокомплекс -  патент 2510965 (10.04.2014)
оптическая измерительная система и способ измерения критического размера -  патент 2509718 (20.03.2014)
кантилевер с одноэлектронным транзистором для целей зондовой микроскопии -  патент 2505823 (27.01.2014)