DE9412112U1

DE9412112U1 - Linearly movable sample table

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Publication number: DE9412112U1
Application number: DE9412112U
Authority: DE
Original assignee: CRAMER LUDGER; Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: CRAMER LUDGER; Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2004-07-28

Description

H.-P. Rust/L. CramerH.-P. Rust/L. Cramer

Linear verschiebbarer ProbentischLinearly movable sample table

1. Beschreibung1. Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur exakt linearen Abstandsänderung zwischen einem Probentisch und einer Grundplatte, wie sie typischerweise für die Annäherung zwischen der Spitze und der Probe eines Rastertunnelmikroskops bis zum Einsetzen des Tunnelstroms benötigt wird.The invention relates to a device for the exact linear change in distance between a sample table and a base plate, as is typically required for the approach between the tip and the sample of a scanning tunneling microscope until the onset of the tunneling current.

Für die mechanischen Systeme zur Vorpositionierung piezokeramischer Elemente gegenüber den Probentischen in Rastertunnelmikroskopen werden bereits sehr kleine und präzise Bewegungen gebraucht, bei denen Reibung und Haften auf ein Minimum reduziert oder ganz eliminiert sind. Die Starrheit der gesamten Anordnung muß die Beobachtung von Entfernungsänderungen im Bereich von Picometern zulassen.The mechanical systems for pre-positioning piezoceramic elements relative to the sample tables in scanning tunneling microscopes require very small and precise movements in which friction and sticking are reduced to a minimum or eliminated entirely. The rigidity of the entire arrangement must allow the observation of distance changes in the range of picometers.

Die Verwendung von Kugel- oder Kreuzrollenlagern in linearer Anordnung zur Führung der beweglichen Komponente scheidet wegen unvermeidbarer Unebenheiten an den Kugeln bzw. Rollen und Rollschienen, sowie geometrischer Fehler in der Führungsanordnung aus. Auch verbietet sich der Einsatz von Schmiermitteln, da diese selbst durch die Aufnahme kleinster Staub- und Metallteile die Bewegung hemmen können und zudem für die Anwendung des Positioniersystems iin Ultrahochvakuum (UHV) aufgrund des hohen Dampfdrucks nicht in Frage kommen.The use of ball or cross roller bearings in a linear arrangement to guide the moving component is not possible due to unavoidable unevenness on the balls or rollers and roller rails, as well as geometric errors in the guide arrangement. The use of lubricants is also prohibited, as these can inhibit movement by picking up even the smallest dust and metal parts and are also not suitable for use with the positioning system in ultra-high vacuum (UHV) due to the high vapor pressure.

Schiebetische, die biegsame Federn statt rollender oder gleitender Oberflächen als Führungen verwenden, sind zur Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe besser geeignet. Marktgängige Lösungen verwenden Federn in Parallelogrammanordnung. Das hat jedoch den Nachteil, daß bereits bei kleinen Verschiebungen in der gewünschten Richtung, unerwünschte Verschiebungen in einer anderen Raumrichtung auftreten. Nach dem Stand der Technik kann dieser Nebeneffekt durch aufwendige Doppelparallelogrammanordnungen vermieden werden (z.B. DE 40 27 673 Al).Sliding tables that use flexible springs instead of rolling or sliding surfaces as guides are better suited to solving the underlying problem. Commercially available solutions use springs in a parallelogram arrangement. However, this has the disadvantage that even small displacements in the desired direction can result in undesirable displacements in another spatial direction. According to the state of the art, this side effect can be avoided by using complex double parallelogram arrangements (e.g. DE 40 27 673 Al).

Die an den eigentlichen Antrieb solcher Art geführter Positioniersysteme gestellten Anforderungen werden in der Regel mit Piezomotoren (Inchwurm) mit Schritten im Nanometerbereich erfüllt. Diese Antriebsart versagt jedoch bei Kühlung auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff oder Helium.The requirements placed on the actual drive of this type of guided positioning system are usually met with piezo motors (inchworm) with steps in the nanometer range. However, this type of drive fails when cooled to the temperature of liquid nitrogen or helium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinreichend starre Anordnung zu schaffen, die eine exakt linear verlaufende Abstandsänderung zwischen einer Grundplatte und einem beweglichen Tisch ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The invention is based on the object of creating a sufficiently rigid arrangement that enables a precisely linear change in distance between a base plate and a movable table. This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Die Anordnung der abgewandelten Dezimalwaage erlaubt eine solche Abstandsänderung in exakt einer Dimension. Die erfindungsgemäße AnordnungThe arrangement of the modified decimal scale allows such a change in distance in exactly one dimension. The arrangement according to the invention

des Hebelwerkes ermöglicht auß'erdem die spielfreie Untersetzung des die Vorichtung antreibenden mechanischen Vorschubs.The lever mechanism also enables the play-free reduction of the mechanical feed that drives the device.

Spezielle Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Special embodiments and further developments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung sei nun anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in detail using an embodiment shown in the accompanying drawings. They show:

Fig. 1 eine Schemazeichnung zur Erläuterung des Prinzips der DezimalwaageFig. 1 a schematic drawing to explain the principle of the decimal scale

Fig. 2 eine Schemazeichung zur Erläuterung des Hebelwerks des AusführungsbeispielsFig. 2 a schematic drawing to explain the lever mechanism of the embodiment

Fig. 3 a Aufsicht des Ausführungsbeispiels in der Vorschubrichtung und in Schnittdarstellung (Fig. 3b)Fig. 3 a Top view of the embodiment in the feed direction and in sectional view (Fig. 3b)

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel im Schnitt
Fig. 5 wie Fig. 4 jedoch nach VorschubFig. 4 an embodiment in section
Fig. 5 as Fig. 4 but after feed

Das Prinzip der Dezimalwaage nach Fig. 1 ist zum Beispiel beschrieben in "Das neue Buch der Erfindungen, Gewerbe und Industrien", Berlin und Leipzig, 1877, S.71 ff. Die Last 1 ruht mit ihrer Unterlage einerseits bei der Schneide 2 auf dem einseitigen Hebelarm GF und andererseits über ein Gestänge 3 auf dem Hebelarm LN. Der Zweck der Anordung war-es, auch bei extrem ungleichmäßiger Verteilung der Last auf der Platte 4, nur eine exakt vertikale Bewegung der Last zu zu lassen. Dies wird erreicht, indem die Hebellängen so gewählt werden, daß das Verhaltens der Längen EF : GF genau gleich dem von KM: LM ist.The principle of the decimal balance according to Fig. 1 is described, for example, in "The new book of inventions, trades and industries", Berlin and Leipzig, 1877, p.71 ff. The load 1 rests with its base on the one hand at the cutting edge 2 on the one-sided lever arm GF and on the other hand via a rod 3 on the lever arm LN. The purpose of the arrangement was to allow only an exactly vertical movement of the load, even with an extremely uneven distribution of the load on the plate 4. This is achieved by choosing the lever lengths so that the behavior of the lengths EF : GF is exactly the same as that of KM : LM.

In der Fig . 2 zeigt die Übertragung des Prinzips der Dezimalwaage auf eine Vorschubvorrichtung, bei der vorgenanntes Verhältnis 1: 4 beträgt. Das Verhältnis der Hebelarmlängen NM:KM regelt die zusätzliche Untersetzung des am Punkt N angreifenden Vorschubs auf die Platte 4. Ein Piezoelement mit Tunnelspitze 7 ist schematisch wiedergegeben.Fig. 2 shows the transfer of the principle of the decimal scale to a feed device in which the aforementioned ratio is 1: 4. The ratio of the lever arm lengths NM:KM regulates the additional reduction of the feed acting at point N on the plate 4. A piezo element with tunnel tip 7 is shown schematically.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausformung des Hebelwerks aus Fig.2 in der Aufsicht. Die Hebel sind als Bügel ausgebildet. Die schraffierten Flächen sind fest mit einer Grundplatte 4 verbunden. Entlang der gestrichelten Linien ist das Material der Konstruktion als schmaler Steg 8 ausgeprägt.Fig. 3 shows an advantageous design of the lever mechanism from Fig. 2 in top view. The levers are designed as brackets. The hatched areas are firmly connected to a base plate 4. Along the dashed lines, the material of the construction is defined as a narrow web 8.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen das Ausführungsbeispiel im Schnitt bei verschiedenen Vorschüben. Der durch Drehen der Rändelmutter 5 erzeugte Vorschub wird ohne bewegliche oder gelagerte Teile um den Faktor des Längenverhältnisses NM:KM untersetzt und in einen exakt linearen Vorschub umgewandelt. Ungleichmäßigkeiten des Gewindes der Rändelmutter und ihrer Auflagefläche werden um den gleichen Faktor abgeschwächt.Fig. 4 and Fig. 5 show the embodiment in section at different feed rates. The feed rate generated by turning the knurled nut 5 is reduced by the factor of the length ratio NM:KM without any moving or bearing parts and converted into an exactly linear feed rate. Irregularities in the thread of the knurled nut and its support surface are reduced by the same factor.

Die beschriebene Vorschubvorrichtung nach dem Prinzip der abgewandelten Dezimalwaage ist wegen seiner großen Steifigkeit besonders geeignet für die Annäherung von Probe und Nadel in Rastertunnel- und ähnlichen Ultramikroskopen. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Antriebs ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei Kühlung der direkte Vorschub mit Piezomotoren nicht möglich ist.The described feed device based on the principle of the modified decimal balance is particularly suitable for bringing the sample and needle closer together in scanning tunneling and similar ultramicroscopes due to its high rigidity. The use of the drive according to the invention is particularly advantageous when direct feed with piezo motors is not possible when cooling is required.

Claims

Utility model reference G 94 12 112.5 Protection claims

1. Arrangement for exact linear approach, consisting of a base plate and a sample table, characterized in that the feed supplied by means of a knurled screw is reduced solely by the elastic deformation of narrow webs in a freely selectable length ratio, and in that the length ratios of the acting levers are selected so that the feed generated is exactly parallel.

2. An arrangement according to claim 1, in which all the adjusting levers are formed from a single workpiece and are located in one plane in the zero position.

3. Supplying the external feed to the arrangement according to claim 1 -2 via a spindle directly driven by a stepper motor.