RU2061295C1

RU2061295C1 - Piezoelectric manipulator for tunnel microscope

Info

Publication number: RU2061295C1
Application number: RU93030196A
Authority: RU
Inventors: В.А. Бессольцев
Original assignee: Московский институт электронной техники; Бессольцев Владимир Алексеевич
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: precision mechanics; displacement of objects. SUBSTANCE: piezoelectric manipulator with magnetic locking of supports has four electromagnets joined in pairs, piezoids arranged above them, stage, and supports. Stage supports are rigidly fixed with base and placed inside electromagnet winding. Piezoids are secured between adjacent supports. Base, supports, and stage are made of ferromagnetic material with residual flux density. Support may be built integral with base and provided with hole receiving spherical-surface contact lead-in supply voltage to stage. The latter may be made in the form of three plates fixed together, upper one being insulated from two remaining plates arranged in parallel in horizontal plane, insulated from each other, and mounted on respective pairs of supports. EFFECT: improved design. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к точной механике, в частности к конструкции устройств для перемещения объектов, и может быть использовано при изготовлении туннельных микроскопов. The invention relates to precise mechanics, in particular to the design of devices for moving objects, and can be used in the manufacture of tunneling microscopes.

Известно устройство для перемещения объекта по двум координатам и вращения вокруг оси, перпендикулярной к плоскости перемещения которое может быть использовано в качестве предметного столика или механизма юстировки [1] Устройство содержит основание с установленной на нем с возможностью перемещения с помощью подпружиненных винтов предметной плитой, в которой выполнена кольцевая проточка. В ней размещен упругий элемент, концы которого установлены с возможностью перемещения в пазах направляющих планок, размещенных между основанием и дополнительно введенной пластиной, выполненной со сквозными отверстиями. A device for moving an object in two coordinates and rotating around an axis perpendicular to the plane of movement that can be used as a stage or adjustment mechanism [1] The device contains a base mounted on it with the ability to move with spring screws a plate in which an annular groove is made. An elastic element is placed in it, the ends of which are installed with the possibility of movement in the grooves of the guide strips placed between the base and an additionally inserted plate made with through holes.

В конструкции использовано силовое замыкание одной пружиной всех взаимно-перемещающихся элементов, что позволяет исключить появление зазоров между трущимися поверхностями. The design used a force circuit with a single spring of all mutually moving elements, which eliminates the appearance of gaps between the rubbing surfaces.

Однако это устройство рассчитано на работу в диапазоне микронных перемещений и не может быть использовано в туннельных микроскопах, так как не обеспечивает необходимого шага и достаточной стабильности перемещений. However, this device is designed to operate in the range of micron displacements and cannot be used in tunneling microscopes, since it does not provide the necessary step and sufficient stability of displacements.

В последнее время наблюдается значительный прогресс в области разработки и изготовления различных шагающих манипуляторов. Для шагового перемещения требуется система из двух или более опор, каждая из которых имеет возможность перемещения в пространстве и фиксации относительно поверхности неподвижного основания. Известна конструкция манипулятора [2] содержащего пьезоэлектрическую пластину, опирающуюся на три ножки, нижние поверхности которых изолированы диэлектрическими шайбами от стола, по которому он перемещается. Взаимное расположение ножек меняется путем приложения напряжения и электродам, расположенным на пьезоэлектрической пластине. Подавая напряжение на соответствующую ножку, ее можно выборочно фиксировать относительно стола. При этом используются электростатические силы, действующие через диэлектрические шайбы, расположенные между основанием ножки и столом. Recently, significant progress has been observed in the development and manufacture of various walking manipulators. For step-by-step movement, a system of two or more supports is required, each of which has the ability to move in space and be fixed relative to the surface of the fixed base. A known design of the manipulator [2] containing a piezoelectric plate resting on three legs, the lower surfaces of which are insulated with dielectric washers from the table on which it moves. The relative position of the legs is changed by applying voltage to the electrodes located on the piezoelectric plate. By applying voltage to the corresponding leg, it can be selectively fixed relative to the table. This uses electrostatic forces acting through dielectric washers located between the base of the legs and the table.

Недостатком известной конструкции является нестабильность величины шага, связанная с малой величиной электростатической силы фиксации опор и с ее сильной зависимостью от загрязнений и чистоты обработки соприкасающихся поверхностей опор и стола, по которому движется манипулятор. Кроме того подвод управляющих напряжений к пьезоэлектрической пластине и электростатическим фиксаторам опор может вызвать значительные ошибки в перемещении, связанные с жесткостью подключающих проводников или других устройств, выполняющих эту функцию. A disadvantage of the known design is the instability of the step size associated with the small magnitude of the electrostatic force of fixation of the supports and its strong dependence on pollution and the cleanliness of the contact surfaces of the supports and the table on which the manipulator moves. In addition, the supply of control voltages to the piezoelectric plate and electrostatic clamps of the supports can cause significant errors in the movement associated with the stiffness of the connecting conductors or other devices that perform this function.

Известна конструкция манипулятора с пьезоэлектрическим приводом и магнитным механизмом фиксации опор [3] Манипулятор содержит предметный столик, жестко связанный с шагающим устройством, которое представляет собой трубчатый пьезоэлемент с приклеенными к его концам опорными железными дисками. Изменение расстояния между опорными дисками осуществляется путем приложения напряжения к электродам пьезоэлемента. Шагающее устройство перемещается по верхней поверхности четырех электромагнитов, соединенных попарно и установленных на плоскую магнитную плиту. Одна пара электромагнитов используется для прижатия при пропускании тока передней опоры шагающего устройства, другая для задней. Каждая пара электромагнитов установлена с небольшим зазором, над которым на поверхности электромагнитов размещены опорные диски. Фиксация опорного диска осуществляется за счет прижимающей силы, возникающей благодаря захвату опорным диском линий магнитного потока из зазора. При неправильном подборе материала магнитопровода и опорных дисков захваченный магнитный поток может остаться в них после включения тока через электромагниты, что сделает невозможным перемещение шагающего устройства. Поэтому магнитопровод и опорные диски сделаны из чистого железа, ввиду чего остаточный магнитный поток отсутствует. Для обеспечения перемещения в перпендикулярном направлении внешний электрод вдоль пьезоэлемента разделен на две равные части. A known design of a manipulator with a piezoelectric drive and a magnetic mechanism for fixing the supports [3] The manipulator contains a stage, rigidly connected with a walking device, which is a tubular piezoelectric element with supporting iron disks glued to its ends. The distance between the supporting disks is changed by applying a voltage to the electrodes of the piezoelectric element. A walking device moves along the upper surface of four electromagnets connected in pairs and mounted on a flat magnetic plate. One pair of electromagnets is used to press while passing the current of the front support of the walking device, the other for the back. Each pair of electromagnets is installed with a small gap above which supporting disks are placed on the surface of the electromagnets. The support disk is fixed due to the pressing force arising due to the capture of the magnetic flux lines from the gap by the support disk. If the material of the magnetic circuit and the support disks are incorrectly selected, the captured magnetic flux may remain in them after turning on the current through the electromagnets, which will make it impossible to move the walking device. Therefore, the magnetic circuit and support disks are made of pure iron, so that there is no residual magnetic flux. To ensure movement in the perpendicular direction, the external electrode along the piezoelectric element is divided into two equal parts.

Достоинством этого устройства, связанным с применением магнитной фиксации опор, является снижение требований к гладкости соприкасающихся поверхностей и точности механической обработки других элементов конструкции. The advantage of this device, associated with the use of magnetic fixation of supports, is the reduction of requirements for the smoothness of contacting surfaces and the accuracy of machining of other structural elements.

Недостатком известной конструкции является то, что для обеспечения надежной фиксации перемещаемого объекта требуется постоянное пропускание тока через обмотки электромагнитов. Трудности возникают в том случае, когда требуется сохранить фиксацию объекта в выключенном состоянии прибора, в котором используется описанный манипулятор. Кроме того наличие проводников, подключенных к шагающему устройству и предназначенных для управления пьезоэлементом, увеличивает погрешности перемещения ввиду наличия упругих сил деформации проводников при перемещении шагающего устройства. A disadvantage of the known design is that to ensure reliable fixation of the moving object requires constant transmission of current through the windings of the electromagnets. Difficulties arise when it is required to maintain the fixation of an object in the off state of the device in which the described manipulator is used. In addition, the presence of conductors connected to a walking device and designed to control the piezoelectric element increases the error of movement due to the presence of elastic deformation forces of the conductors when moving the walking device.

Цель изобретения создание надежного пьезоэлектрического манипулятора, обеспечивающего расширение функциональных возможностей, повышение точности и стабильности перемещения, необходимого для туннельного микроскопа. The purpose of the invention is the creation of a reliable piezoelectric manipulator, providing enhanced functionality, increasing the accuracy and stability of movement required for a tunneling microscope.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит четыре электромагнита, соединенных попарно и установленных на основании, и размещенные над ними пьезоэлементы, опоры закреплены на основании и размещены внутри обмоток электромагнитов, а пьезоэлементы закреплены между соседними опорами, поддерживающими предметный столик. The essence of the invention lies in the fact that the device contains four electromagnets connected in pairs and installed on the base, and piezoelectric elements placed above them, supports are fixed on the base and placed inside the windings of electromagnets, and piezoelectric elements are fixed between adjacent supports supporting the stage.

Каждая опора выполнена за одно целое с основанием и имеет отверстие, внутри которого размещен изолированный контактный ввод со сферической гладкой поверхностью для подвода напряжения к предметному столику. Each support is made in one piece with the base and has a hole inside which an insulated contact lead with a spherical smooth surface is placed to supply voltage to the stage.

Предметный столик выполнен из трех скрепленных пластин, причем верхняя пластина изолирована от двух параллельно расположенных в горизонтальной плоскости и изолированных между собой пластин, установленных на соответствующих парах опор. The object stage is made of three fastened plates, the upper plate being isolated from two plates parallel to each other in a horizontal plane and isolated from one another, mounted on respective pairs of supports.

В манипуляторе основание, опоры и предметный столик выполнены из ферромагнитного материала с остаточной магнитной индукцией. In the manipulator, the base, supports and stage are made of ferromagnetic material with residual magnetic induction.

В предложенной конструкции обеспечивается необходимый шаг и достаточная стабильность перемещения подвижной части за счет поочередной фиксации одной пары опор относительно предметного столика и размагничивания другой пары опор, обеспечивающего их проскальзывание относительно предметного столика, при изменении расстояния между обеими парами опор, вызванном поочередным растяжением и сжатием пьезоэлементов. The proposed design provides the necessary step and sufficient stability of moving the movable part due to the alternate fixing of one pair of supports relative to the stage and demagnetization of another pair of supports, ensuring their slippage relative to the stage, when the distance between the two pairs of supports is caused by alternately stretching and compressing the piezoelectric elements.

Преимущество конструкции манипулятора в том, что она позволяет поочередным включением цепи пьезоэлементов и электромагнитов осуществлять поворот предметного столика в любом направлении вокруг требуемой точки. Выполнение магнитопровода из ферромагнитного материала с остаточной магнитной индукцией обеспечивает статическую фиксацию при выключенном токе питания обмоток электромагнита. The advantage of the design of the manipulator is that it allows the inclusion of a chain of piezoelectric elements and electromagnets to rotate the stage in any direction around the desired point. The implementation of the magnetic circuit of a ferromagnetic material with residual magnetic induction provides static fixation when the power supply current of the electromagnet windings is off.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический манипулятор; на фиг. 2 то же, вид сверху со снятым предметным столиком; на фиг. 3 конструкция основных узлов манипулятора; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 схема управления электромагнитом; на фиг. 6 схема принципа фиксации опор. In FIG. 1 shows a piezoelectric manipulator; in FIG. 2 the same, top view with the object stage removed; in FIG. 3 design of the main nodes of the manipulator; in FIG. 4, section AA in FIG. 3; in FIG. 5 control circuit of an electromagnet; in FIG. 6 diagram of the principle of fixing the supports.

Манипулятор (фиг. 1) содержит основание 1, изготовленное из ферромагнитного материала, например конструкционной стали 45, на котором жестко закреплены четыре опоры 2-5, расположенные в вершинах квадрата. Верхние концы опор имеет гладкую сферическую поверхность, на которой размещен предметный столик 6. Опоры 2-5 и предметный столик 6 изготовлены из того же материала, что и основание 1. На каждую из опор 2-5 надеты обмотки 7-10 электромагнитов. Над обмотками установлены пьезоэлементы 11-14, жестко закрепленные между ближайшими соседними опорами 2-5. Каждый пьезоэлемент (фиг. 3, 4) выполнен из двух кубических вставок, включенных навстречу друг другу с общим электродом 15. Управляющее напряжение U_упр прикладывают между общим электродом 15 и основанием 1. Конструкция опоры обеспечивает электрическую изоляцию предметного столика 6 от основания 1 и допускает подвод потенциала к перемещаемому образцу. Опора выполнена за одно целое с основанием и имеет отверстие, внутри которого закреплена изолирующая втулка 16 с контактным вводом, имеющим гладкую сферическую поверхность 17, для подвода напряжения к предметному столику 6.The manipulator (Fig. 1) contains a base 1 made of a ferromagnetic material, for example structural steel 45, on which four supports 2-5 located at the vertices of the square are rigidly fixed. The upper ends of the supports have a smooth spherical surface on which the stage 6 is placed. The supports 2-5 and the stage 6 are made of the same material as the base 1. The windings 7-10 of the electromagnets are worn on each of the supports 2-5. Piezoelectric elements 11-14 are mounted above the windings, rigidly fixed between the nearest adjacent supports 2-5. Each piezoelectric element (Fig. 3, 4) is made of two cubic inserts connected towards each other with a common electrode 15. A control voltage U _{ctn is} applied between the common electrode 15 and the base 1. The support structure provides electrical isolation of the stage 6 from the base 1 and allows supply of potential to the moved sample. The support is made in one piece with the base and has a hole inside of which an insulating sleeve 16 is fixed with a contact input having a smooth spherical surface 17 for supplying voltage to the stage 6.

Столик выполнен из трех скрепленных пластин. Основой столика служит пластина 18, к которой через изоляционную прокладку 19 прикреплены изолированные друг от друга пластины 20, 21. Они образуют плоскую и гладкую нижнюю поверхность предметного столика, устанавливаемую на опоры 2-5. В процессе работы манипулятора пластины 20, 21 опираются на свою пару опор, к которым подведены разные потенциалы U₁ и U₂. Для подвода потенциала непосредственно к объекту 22 используются его элементы 23, 24 крепления на столике, проходящие сквозь отверстия в пластине 18 и имеющие контакт с пластинами 20, 21.The table is made of three fastened plates. The basis of the table is a plate 18, to which plates 20, 21, isolated from each other, are attached through an insulating gasket 19. They form a flat and smooth lower surface of the stage, mounted on supports 2-5. In the process of operation of the manipulator, the plates 20, 21 rely on their own pair of supports, to which different potentials U ₁ and U _{2 are} connected. To supply potential directly to the object 22, its mounting elements 23, 24 are used on the table, passing through the holes in the plate 18 and having contact with the plates 20, 21.

Манипулятор работает следующим образом. The manipulator works as follows.

Направление токов в обмотках 7-10 электромагнитов выбирают таким, чтобы двум соседним опорам соответствовали разноименные магнитные полюса. Питание осуществляется от двух источников 25, 26 (фиг. 5) постоянного напряжения, имеющих разные полярности и подключаемых к обмотке электромагнита с помощью ключей 27 и 28. Величины токов, пропускаемых через обмотку электромагнита, определяются напряжением подключаемого источника, величиной балластного сопротивления и активным сопротивлением обмотки. Балластные сопротивления 29 и 30 выбираются таким образом, чтобы замыканию ключа 27 соответствовал ток активной фиксации опоры I₁, а замыканию ключа 28 ток размагничивания магнитопровода I₂.The direction of the currents in the windings of 7-10 electromagnets is chosen so that the opposite magnetic poles correspond to two adjacent supports. Power is supplied from two sources 25, 26 (Fig. 5) of constant voltage, having different polarities and connected to the electromagnet winding using keys 27 and 28. The magnitudes of the currents passed through the electromagnet winding are determined by the voltage of the connected source, the value of ballast resistance and active resistance windings. The ballast resistances 29 and 30 are selected so that the closure of the key 27 corresponds to the current of the active fixing of the support I ₁ , and the closure of the key 28 corresponds to the demagnetization current of the magnetic circuit I ₂ .

В момент пропускания тока I₁, через обмотки электромагнитов две соседние опоры фиксируются относительно предметного столика и магнитная цепь замыкается. Величина индукции магнитопровода (фиг. 6) B1, обеспечивает значительное усилие фиксации опор манипулятора. Состояние материала магнитопровода характеризуется точкой A. При этом перемещаемая с помощью пьезоэлементов пара фиксированных опор будет увлекать за собой объектный стол.At the moment of passing the current I ₁ , through the windings of the electromagnets, two adjacent supports are fixed relative to the stage and the magnetic circuit is closed. The magnitude of the induction of the magnetic circuit (Fig. 6) B1, provides a significant force of fixation of the supports of the manipulator. The state of the material of the magnetic circuit is characterized by point A. In this case, a pair of fixed supports moved with the help of piezoelectric elements will entrain an object table.

При выключении тока фиксации I₁ материал магнитопровода перейдет в состояние, характеризующееся точкой C на фиг. 6, в котором фиксация опор манипулятора обеспечивается остаточной индукцией B_r. При этом манипулятор не потребляет энергии это состояние пассивной фиксацией опор.When the fixation current I _{1 is} turned off, the material of the magnetic circuit will switch to the state characterized by point C in FIG. 6, in which the fixation of the supports of the manipulator is provided by residual induction B _r . At the same time, the manipulator does not consume energy; this state is the passive fixation of the supports.

Одним из условий надежной работы шагающего манипулятора является снижение силы фиксации пар опор, обеспечивающее возможность их проскальзывания относительно предметного столика, увлекаемого другой парой фиксированных опор. Для этого требуется по возможности полностью размагнитить магнитопровод, что достигается пропусканием, через обмотки электромагнитов размагничивающего тока I₂, (фиг. 5), создающего в магнитопроводе напряженность магнитного поля, равную значению коэрцитивной силы H_с материала магнитопровода. При этом материал магнитопровода переходит в размагниченное состояние, отмеченное точкой D на фиг. 6, в котором усилие фиксации опор минимально и становится возможным их проскальзывание относительно столика, необходимое для выполнения манипулятором очередного шага.One of the conditions for reliable operation of a walking manipulator is to reduce the fixing force of pairs of supports, providing the possibility of their slipping relative to the stage, carried away by another pair of fixed supports. This requires, if possible, to completely demagnetize the magnetic circuit, which is achieved by passing through the windings of the electromagnets a demagnetizing current I ₂ (Fig. 5), which creates a magnetic field in the magnetic circuit equal to the value of the coercive force H _{from the} material of the magnetic circuit. In this case, the material of the magnetic circuit passes into the demagnetized state, indicated by point D in FIG. 6, in which the force of fixing the supports is minimal and it becomes possible to slip relative to the table, necessary for the next step to be performed by the manipulator.

Рассмотрим алгоритмы управления манипулятором, обеспечивающие линейное поступательное и вращательное перемещение предметного стола (фиг. 2). Исходному состоянию соответствует пассивная фиксация опор стола и неудлиненное состояние пьезоэлементов. Перемещение предметного стола 6 в направлении +Х начинается с того, что опоры 2,5 переводятся в состояние активной фиксации, а опоры 3, 4 размагничиваются. На пьезоэлементы 11, 13 подают напряжение U_упр, вызывающее их удлинение и увеличение расстояния между фиксированными и размагниченными опорами на Δ L. При этом предметный столик 6, увлекаемый опорами 2, 5 и проскальзывающий относительно опор 3, 4, перемещается в направлении +X на величину Δ L/2. Потом производится фиксация опор 3, 4 последующим размагничиванием опор 2, 5. Затем выключают высокое напряжение с пьезоэлементов 11, 13, что приводит к восстановлению исходного расстояния между опорами, сопровождаемому проскальзыванием столика относительно опор 2, 5. К этому моменту столик манипулятора переместился относительно исходного положения на величину Δ L в направлении +X. Перемещение столика завершается активной фиксацией всех опор с последующим переводом их в состояние пассивной фиксации.Consider the manipulator control algorithms that provide linear translational and rotational movement of the subject table (Fig. 2). The initial state corresponds to the passive fixation of the table supports and the non-elongated state of the piezoelectric elements. The movement of the stage 6 in the + X direction begins with the fact that the supports 2.5 are transferred to the active fixation state, and the supports 3, 4 are demagnetized. The piezoelectric elements 11, 13 are supplied with a voltage U _control , causing them to elongate and increase the distance between the fixed and demagnetized supports by Δ L. In this case, the stage 6, carried away by the supports 2, 5 and slipping relative to the supports 3, 4, moves in the + X direction the value of Δ L / 2. Then, the supports 3, 4 are fixed, followed by the demagnetization of the supports 2, 5. Then the high voltage is turned off from the piezoelectric elements 11, 13, which leads to the restoration of the initial distance between the supports, accompanied by the slipping of the table relative to the supports 2, 5. By this moment, the manipulator table has moved relative to the original position by Δ L in the + X direction. The movement of the table ends with the active fixation of all the supports with their subsequent transfer to the state of passive fixation.

Поворот предметного столика 6 на один шаг против часовой стрелки начинается с фиксации опор 3, 4 и размагничивания опор 2, 5, Затем на пьезоэлемент 11 подают напряжение, приводящее к увеличению расстояния между опорами 2, 3 на Δ L. При этом прямая, проходящая через соседние опоры 3 и 4, разворачивается относительно своего первоначального положения на угол α/2=arstg(Δ L/2L) против часовой стрелки относительно неподвижной опоры 4, тогда как прямая, проходящая через опоры 2 и 5, разворачивается на такой же угол в противоположном направлении относительно опоры 5. Таким образом опоры 3, 4 увлекают за собой столик, приводя к его развороту на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 4. После этого производятся фиксация опор 2, 5, размагничивание опор 3, 4 и выключение управляющего напряжения на пьезоэлементе 11. При этом восстанавливается исходное расстояние между опорами 2 3, а столик 6, увлекаемый опорами 2, 5, поворачивается на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 5. Результатом выполненных операций будет поворот столика против часовой стрелки на угол α с центром поворота, лежащим на середине отрезка, соединяющего опоры 4 и 5. Если такое положение центра вращения является допустимым, то процесс поворота заканчивается активной фиксацией всех опор с последующим переводом их в состояние пассивной фиксации. Возможен иной вариант поворота столика. Производится фиксация опор 2, 5, размагничиваются опоры 3, 4 и на пьезоэлемент 13 подают управляющее напряжение. При этом столик разворачивается на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 2. Затем фиксируют опоры 3, 4, размагничивают опоры 2, 5 и включают напряжение на пьезоэлементе 13. Эта последовательность приводит к повороту столика на угол α /2 против часовой стрелки относительно опоры 3, после чего все опоры переводятся в состояние пассивной фиксации. Результатом всех выше приведенных операций является поворот столика 6 на угол 2 α против часовой стрелки относительно центра симметрии расположения опор. Turning the stage 6 one step counterclockwise begins with fixing the supports 3, 4 and demagnetizing the supports 2, 5. Then, a voltage is applied to the piezoelectric element 11, which leads to an increase in the distance between the supports 2, 3 by Δ L. The straight line passing through adjacent supports 3 and 4, is rotated relative to its original position by an angle α / 2 = arstg (Δ L / 2L) counterclockwise relative to the fixed support 4, while a straight line passing through supports 2 and 5 is rotated at the same angle in the opposite direction relative to the supports 5. Thus, the supports 3, 4 carry the table behind them, leading to its rotation by an angle α / 2 counterclockwise relative to the support 4. After that, the supports 2, 5 are fixed, the supports 3, 4 are demagnetized and the control voltage is turned off on the piezoelectric element 11. In this case, the original distance between the supports 2 3 is restored, and the table 6, carried away by the supports 2, 5, rotates an angle α / 2 counterclockwise relative to the support 5. The result of the operations performed will turn the table counterclockwise by an angle α with the rotation center lying on and in the middle of the segment connecting the supports 4 and 5. If this position of the center of rotation is acceptable, the rotation process ends with the active fixation of all the supports with their subsequent transfer to the state of passive fixation. There is another option for turning the table. The supports 2, 5 are fixed, the supports 3, 4 are demagnetized and a control voltage is applied to the piezoelectric element 13. In this case, the table rotates at an angle α / 2 counterclockwise relative to the support 2. Then fix the supports 3, 4, demagnetize the supports 2, 5 and turn on the voltage on the piezoelectric element 13. This sequence leads to the rotation of the table at an angle α / 2 counterclockwise relative to supports 3, after which all supports are transferred to the state of passive fixation. The result of all the above operations is the rotation of the stage 6 by an angle of 2 α counterclockwise relative to the center of symmetry of the location of the supports.

Таким образом разработанная конструкция пьезоэлектрического манипулятора обеспечивает шаг линейного перемещения 100 ±5 нм, величину шага поворота 0,001 угл. град. Диапазон линейных перемещений предметного столика составлял 5х5 мм, предельная скорость перемещения не менее 10 шаг/с. Конструкция позволяет осуществлять подачу потенциала на исследуемый объект через опоры, что дает возможность исключить проводники, повысить надежность конструкции и обеспечить быструю смену столика и исследуемого объекта. Thus, the developed design of the piezoelectric manipulator provides a linear displacement step of 100 ± 5 nm, a rotation step value of 0.001 angle. hail. The range of linear movements of the stage was 5x5 mm, the maximum speed of movement of at least 10 steps / s. The design allows the supply of potential to the object under study through the supports, which makes it possible to exclude conductors, increase the reliability of the structure and provide a quick change of the stage and the object under study.

Claims

1. A piezoelectric manipulator for a tunneling microscope containing four electromagnets mounted on the base, connected in pairs, piezoelectric elements placed above them, a stage and supports, characterized in that the supports supporting the stage are rigidly connected to the base and placed inside the electromagnet windings, and the piezoelectric elements fixed between adjacent supports, and the base, supports and the stage are made of ferromagnetic material with residual magnetic induction.

2. The manipulator according to claim 1, characterized in that each support is made in one piece with the base and is equipped with a hole inside which an insulated contact lead with a spherical surface is installed to supply voltage to the stage.

3. The manipulator according to claim 1 or 2, characterized in that the stage is made in the form of three fastened plates, and the upper plate is isolated from two plates parallel to each other in a horizontal plane and insulated between themselves, mounted on the corresponding pairs of supports.