RU196011U1

RU196011U1 - Three-axis positioning device

Info

Publication number: RU196011U1
Application number: RU2019141266U
Authority: RU
Inventors: Илья Викторович Кубасов; Александр Михайлович Кислюк; Андрей Владимирович Турутин; Александр Анатольевич Темиров; Михаил Давыдович Малинкович; Юрий Николаевич Пархоменко; Андрей Андреевич Полисан
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Использование: для трехкоординатного точного позиционирования объектов с помощью пьезоэлектрических актюаторов. Сущность полезной модели заключается в том, что трехкоординатное устройство позиционирования состоит из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены три привода, представляющие собой гибкие толкатели с подвижным элементом и содержащие пьезоэлектрические элементы, работающие на изгибной деформации, в качестве пьезоэлектрического элемента, работающего на изгибной деформации, используют бидоменные монокристаллические сегнетоэлектрические пластины, соединенные по трем координатам попарно упругими толкателями. Технический результат: увеличение точности позиционирования и силы смещения, а также увеличение температурной и вибрационной стабильности. 3 ил.Usage: for three-coordinate accurate positioning of objects using piezoelectric actuators. The essence of the utility model is that the three-axis positioning device consists of an object holder and a housing on which three actuators are mounted, which are flexible pushers with a movable element and containing piezoelectric elements operating on bending deformation, as a piezoelectric element operating on bending deformation use bidomain single-crystal ferroelectric plates connected in three coordinates in pairs by elastic pushers. EFFECT: increased positioning accuracy and bias force, as well as increased temperature and vibration stability. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам точного позиционирования объектов в трехмерном пространстве с помощью пьезоэлектрических актюаторов.The utility model relates to devices for accurately positioning objects in three-dimensional space using piezoelectric actuators.

Непрерывное развитие технологий микроэлектроники, микро- и наноэлектромеханики, квантовой оптики и нанотехнологий выдвигает возрастающие требования к системам точного позиционирования объектов, в том числе наноразмерных.The continuous development of technologies of microelectronics, micro- and nanoelectromechanics, quantum optics and nanotechnology puts forward increasing demands on systems for the exact positioning of objects, including nanoscale ones.

Известно трехкоординатное позиционирующее устройство для туннельной микроскопии (авторское свидетельство SU 1453475 А1, опубликовано 23.01.1989), содержащее пары параллельных биморфных пьезоэлементов в виде дисков, связанные упругими стержнями таким образом, что деформация пьезоэлементов под действием приложенного электрического поля приводит к перемещению иглы туннельного микроскопа в горизонтальной плоскости вдоль одной из двух взаимно ортогональных координат X и Y, а установленный на пересечении упругих стержней цилиндрический пьезоблок при приложении управляющего электрического поля осуществляет перемещение вдоль вертикальной оси Z.A three-coordinate positioning device for tunneling microscopy is known (copyright certificate SU 1453475 A1, published January 23, 1989) containing pairs of parallel bimorph piezoelectric elements in the form of disks connected by elastic rods in such a way that deformation of the piezoelectric elements under the action of an applied electric field causes the tunnel microscope needle to move into horizontal plane along one of two mutually orthogonal coordinates X and Y, and a cylindrical piezoblock mounted at the intersection of elastic rods when applying a control electric field, it moves along the vertical axis Z.

Недостатками устройства является использование с целью увеличения амплитуды перемещений достаточно хрупких и вибронеустойчивых мембранных пьезокерамических биморфов и гибких стержней, а также смещение центра тяжести подвижной части конструкции вверх за счет установки для перемещения вдоль оси Z цилиндрического пьезоблока, что приводит к уменьшению разрешающей способности устройства, увеличения восприимчивости к случайным вибрациям, появлению механического гистерезиса.The disadvantages of the device are the use to increase the amplitude of displacement of sufficiently fragile and vibration-resistant membrane piezoelectric ceramic bimorphs and flexible rods, as well as the shift of the center of gravity of the moving part of the structure up due to the installation for moving along the Z axis of the cylindrical piezo block, which reduces the resolution of the device, increases the susceptibility random vibrations, the appearance of mechanical hysteresis.

Известен также трехкоординатный позиционер (патент RU 2297078 С1, опубликован 10.04.2007), в котором позиционирование вдоль трех взаимно ортогональным координатам X, Y и Z осуществляется отдельными биморфными пьезоэлементами, закрепленными на металлических мембранах и соединенными внутри корпуса устройства посредством гибких толкателей, приводящих в движение узел для удержания перемещаемого объекта.A three-coordinate positioner is also known (patent RU 2297078 C1, published April 10, 2007), in which positioning along three mutually orthogonal coordinates X, Y and Z is carried out by separate bimorph piezoelectric elements fixed on metal membranes and connected inside the device body by means of flexible pushers, which move node to hold the movable object.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостатками выбранного прототипа являются:The disadvantages of the selected prototype are:

а) асимметричность позиционера в направлениях X, Y и Z, проявляющаяся в использовании единичного биморфного элемента вдоль каждого из указанных направлений и приводящая к снижению максимального усилия, ухудшению точности позиционирования и возможному перекашиванию конструкции при неоднородном нагружении держателя;a) the asymmetry of the positioner in the X, Y and Z directions, manifested in the use of a single bimorph element along each of these directions and leading to a decrease in maximum force, deterioration in positioning accuracy and possible distortion of the structure during inhomogeneous loading of the holder;

б) использование в качестве пьезоэлектрических актюаторов пьезокерамических биморфов, представляющих собой слоистые склеенные композиты типа «пьезоэлектрик - металлическая мембрана», в которых вследствие наличия клеевого слоя и поликристаллической природы используемого пьезоэлектрического материала резко снижается точность позиционирования (особенно в случае перемещений значительной амплитуды), что проявляется в плохо предсказуемом нелинейном гистерезисном характере зависимости «электрическое напряжение - механическое перемещение», а также ухудшается температурная стабильность устройства в целом.b) the use of piezoelectric ceramic bimorphs as piezoelectric actuators, which are layered bonded composites of the “piezoelectric-metal membrane” type, in which, due to the presence of the adhesive layer and the polycrystalline nature of the used piezoelectric material, the positioning accuracy decreases sharply (especially in the case of movements of significant amplitude), which is manifested in the poorly predictable nonlinear hysteresis nature of the dependence "electrical voltage - mechanical ix "and worsens thermal stability of the whole device.

Цель полезной модели - осуществление сверхточных перемещений по трем взаимно ортогональным координатам, в том числе в устройствах зондовой микроскопии и прецизионной механики с линейной амплитудой порядка сотен микрометров при отсутствии гистерезиса, ползучести (крипа) в широком диапазоне температур и с высокой температурной стабильностью.The purpose of the utility model is to realize ultra-precise displacements along three mutually orthogonal coordinates, including in probe microscopy and precision mechanics with linear amplitudes of the order of hundreds of micrometers in the absence of hysteresis, creep (creep) over a wide temperature range and with high temperature stability.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение точности позиционирования и силы смещения, а также увеличение температурной и вибрационной стабильности трехкоординатного устройства позиционирования за счет использования в качестве актюаторов бидоменных сегнетоэлектрических кристаллов, попарно симметрично закрепленных на неподвижном корпусе и соединенных внутри последнего тонкими металлическими стержнями.The technical result of the proposed solution is to increase the accuracy of positioning and bias forces, as well as to increase the temperature and vibrational stability of a three-coordinate positioning device due to the use of bi-domain ferroelectric crystals as actuators, pairwise symmetrically mounted on a fixed case and connected inside the latter by thin metal rods.

Технический результат достигается тем, что в трехкоординатном устройстве позиционирования, состоящем из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены три привода, представляющие собой упругие толкатели с подвижным элементом и содержащие пьезоэлектрические элементы, работающие на изгибной деформации, в качестве пьезоэлектрического элемента, работающего на изгибной деформации, используют бидоменные монокристаллические сегнетоэлектрические пластины, соединенные по трем координатам попарно упругими толкателями.The technical result is achieved in that in a three-axis positioning device, consisting of an object holder and a housing on which three actuators are mounted, which are elastic pushers with a movable element and containing piezoelectric elements operating on bending deformation, as a piezoelectric element working on bending deformation use bidomain single-crystal ferroelectric plates connected in three coordinates in pairs by elastic pushers.

На фиг. 1-3 изображены варианты трехкоординатного устройства позиционирования.In FIG. 1-3 illustrate options for a three-coordinate positioning device.

Устройство содержит корпус 1, бидоменные сегнетоэлектрические монокристаллические пластины 2, держатель объекта 3, упругие толкатели 4, крестовина 5.The device comprises a housing 1, bi-domain ferroelectric single crystal plates 2, an object holder 3, elastic pushers 4, a cross 5.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На примере варианта фиг. 1 - при подаче управляющего напряжения на две соединенные через упругие толкатели 4 бидоменные сегнетоэлектрические пластины 2, на которые с двух сторон нанесены металлические электроды, происходит изгибная деформация сегнетоэлектрических пластин 2, причем таким образом, что толкатели 4 смещаются в одном направлении, перемещая при этом крестовину 5 и жестко связанный с ней держатель объекта 3. Таким же образом происходит перемещение держателя объекта по двум другим направлениям.Using the example of FIG. 1 - when a control voltage is applied to two bi-domain ferroelectric plates 2 connected through elastic pushers 4, on which metal electrodes are applied on both sides, bending deformation of the ferroelectric plates 2 occurs, in such a way that the pushers 4 are displaced in one direction, while moving the cross 5 and the object holder 3 rigidly connected to it. In the same way, the object holder moves in two other directions.

Бидоменные сегнетоэлектрические пластины изготовлены, например, из кристаллов ниобата лития у+128° повернутого кристаллографического среза или кристаллов танталата лития у+36° повернутого кристаллографического среза. В центральной части каждой из бидоменных монокристаллических пластин имеется отверстие для закрепления тонких упругих толкателей 4.Bi-domain ferroelectric plates are made, for example, of lithium niobate crystals at + 128 ° rotated crystallographic slice or lithium tantalate crystals at + 36 ° rotated crystallographic slice. In the central part of each of the bidomain single crystal plates there is an opening for fixing thin elastic pushers 4.

Толкатели могут закрепляться посредством винтовых, клеевых или паяных соединений, причем для получения минимальных гистерезисов и наилучшей температурной стабильности предпочтение отдается винтовым соединениям (например, поджим гайкой с внешней стороны бидоменной пластины).Pushers can be fixed by means of screw, adhesive or solder joints, with screw joints being preferred (for example, tightening the nut from the outside of the bidomain plate) to obtain the minimum hysteresis and the best temperature stability.

В варианте фиг. 1 перемещение по всем трем направлениям осуществляется одинаково расположенным в корпусе сегнетоэлектрическими бидоменными пластинами 2 с упругими толкателями 4; при этом для заданного перемещения по каждой координате X, Y или Z управляющее напряжение подается на все шесть бидоменных пластин 2.In the embodiment of FIG. 1, movement in all three directions is carried out by ferroelectric bidomain plates 2 equally located in the housing with elastic pushers 4; at the same time, for a given displacement along each coordinate X, Y, or Z, the control voltage is applied to all six bi-domain plates 2.

В варианте фиг. 2 перемещение по каждой координате осуществляется парой соединенных между собой упругими толкателями 4 бидоменных пластин 2 независимо от перемещения по другим координатам; величина перемещения при этом при одинаковых управляющих напряжениях и размерах бидоменных пластин 2 больше, чем в варианте фиг. 1, однако эта конфигурация обладает меньшей симметричностью, чем первый вариант.In the embodiment of FIG. 2, the movement along each coordinate is carried out by a pair of bi-domain plates 2 interconnected by elastic pushers 4, regardless of the movement along other coordinates; the amount of displacement at the same control voltages and sizes of the bidomain plates 2 is greater than in the embodiment of FIG. 1, however, this configuration has less symmetry than the first option.

В варианте фиг. 3 перемещение по координатам X-Y и Z разделены; такая конфигурация может быть предпочтительной в случае применения устройства в сканирующих зондовых микроскопах.In the embodiment of FIG. 3 moving along the coordinates X-Y and Z are separated; such a configuration may be preferred when the device is used in scanning probe microscopes.

Подача управляющего напряжения к одной из пар бидоменных пластин приводит к тому, что благодаря возникновению обратного пьезоэлектрического эффекта один из доменов удлиняется, а другой укорачивается, что приводит к изгибу пары бидоменных пластин в целом. Если направления электрического поля в каждой из пластин совпадают, то изгиб направлен в одну сторону.The supply of control voltage to one of the pairs of bidomenon plates leads to the fact that, due to the inverse piezoelectric effect, one of the domains is lengthened and the other is shortened, which leads to the bending of the pair of bidomenomic plates as a whole. If the directions of the electric field in each of the plates coincide, then the bend is directed in one direction.

Величину перемещения каждого из упругих толкателей 4 можно оценить по формуле [Smits J.G., Dalke S.I., Cooney Т.K. The constituent equations of piezoelectric bimorphs // Sensors and Actuators A: Physical. - 1991. - T. 28. - №. 1. - C. 41-61.]:The amount of movement of each of the elastic pushers 4 can be estimated by the formula [Smits J.G., Dalke S.I., Cooney T.K. The constituent equations of piezoelectric bimorphs // Sensors and Actuators A: Physical. - 1991. - T. 28. - No. 1. - C. 41-61.]:

где

- величина поперечного пьезомодуля для выбранного среза материала бидоменной монокристаллической сегнетоэлектрической пластины (индекс 2 соответствует в данном случае направлению приложенного электрического поля, индекс 3 - направлению, совпадающему с длиной пластины),Where

- the magnitude of the transverse piezoelectric module for the selected slice of the material of the bidomain single-crystal ferroelectric plate (index 2 in this case corresponds to the direction of the applied electric field, index 3 to the direction coinciding with the length of the plate),

V - приложенная к пластине электрическая разность потенциалов,V is the electric potential difference applied to the plate,

- длина свободной (незафиксированной) части пластины,

- the length of the free (unfixed) part of the plate,

t - толщина пластины.t is the plate thickness.

Фактическое перемещение отличается от оценки в меньшую сторону, зависит от жесткости конструкции и должна определяться экспериментально.Actual displacement differs from the estimate downward, depends on the rigidity of the structure and should be determined experimentally.

Посредством упругих тонких толкателей механическое перемещение передается на держатель позиционируемого объекта. Выбирая толкатели с достаточной упругостью, можно получить жесткую подвижную конструкцию, слабо восприимчивую ко внешним вибрациям и изменениям температуры, обладающую минимальным механически гистерезисом и ползучестью (крипом).By means of elastic thin pushers, mechanical movement is transmitted to the holder of the positioned object. Choosing pushers with sufficient elasticity, you can get a rigid movable structure, weakly susceptible to external vibrations and temperature changes, with minimal mechanical hysteresis and creep (creep).

В вариантах устройства фиг. 2 и фиг. 3 упругие толкатели могут выполняться в форме тонких металлических полос, что повышает жесткость конструкции в направлении, перпендикулярном направлению перемещения толкателей.In embodiments of the device of FIG. 2 and FIG. 3 elastic pushers can be made in the form of thin metal strips, which increases the rigidity of the structure in the direction perpendicular to the direction of movement of the pushers.

Экспериментально установлено, что при использовании бидоменных пластин с длиной свободной части, равной 35 мм и электрической разности потенциалов, равной 300 В, возможно получить механические перемещения с амплитудой до 5 мкм; общее перемещение при подачи двухполярного напряжения составляет 10 мкм.It was experimentally established that when using bidomenic plates with a free part length of 35 mm and an electric potential difference of 300 V, it is possible to obtain mechanical displacements with an amplitude of up to 5 μm; the total movement when applying a bipolar voltage is 10 μm.

Claims

A three-coordinate positioning device consisting of an object holder and a housing on which three actuators are mounted, which are elastic pushers with a movable element and containing piezoelectric elements working on bending deformation, characterized in that bidomaine are used as a piezoelectric element working on bending deformation single-crystal ferroelectric plates connected in three coordinates in pairs by elastic pushers.