RU2150169C1

RU2150169C1 - Three-coordinate displacement device

Info

Publication number: RU2150169C1
Application number: RU99106368/28A
Authority: RU
Inventors: н М.А. Анан; М.А. Ананян; П.Н. Лускинович
Original assignee: Автономная некоммерческая организация "Институт нанотехнологий" Международного фонда конверсии; Ананян Михаил Арсенович; Лускинович Петр Николаевич
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-05-27

Abstract

FIELD: engineering physics; driving or actuating mechanisms for various devices such as raster microscopes. SUBSTANCE: device has control unit and electromechanical transducer made in the form of polyhedral angle piece whose external faces carry common solid electrode and internal faces carry gate electrodes, at least one on each face. Gate electrodes can be symmetrically arranged relative to apex of hexahedral angle or each electrode may be applied symmetrically relative to center line of each face crossing apex of polygonal angle. EFFECT: improved rigidity of construction and precision of positioning. 5 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в качестве привода или исполнительного механизма в различных приборах, например в растровых микроскопах. The invention relates to technical physics and can be used as a drive or actuator in various devices, for example, in scanning microscopes.

Известно пьезоэлектрическое позиционирующее устройство, обеспечивающее прецизионное перемещение рабочего органа по трем координатам, выполненное в виде трех взаимно перпендикулярных стержней, одни концы которых сходятся в одной точке, а другие соединены с массивными опорами (см. описание к патенту США N 4678955, НКИ 310-328, МКИ H 01 L 41/08, 1987 - [1]). Недостатком известного устройства является его недостаточная механическая жесткость, обусловленная наличием стержней. A piezoelectric positioning device is known that provides precise movement of the working body in three coordinates, made in the form of three mutually perpendicular rods, some ends of which converge at one point, and the other are connected to massive supports (see description of US patent N 4678955, NKI 310-328 MKI H 01 L 41/08, 1987 - [1]). A disadvantage of the known device is its lack of mechanical rigidity due to the presence of rods.

Известно устройство для трехкоординатных перемещений, используемое в растровом туннельном микроскопе, обеспечивающее прецизионное перемещение зонда в трех координатах (см. описание к патенту США N 4798989, НКИ 310-328, МКИ H 01 L 41/08, 1989 -[2]). Устройство представляет собой установленный на опорах набор взаимно перпендикулярных элементов из пьезоэлектрического материала. Недостатком известного устройства является его недостаточная жесткость конструкции, что снижает его возможности по прецизионному позиционированию. A device for three-coordinate movements is known, used in a scanning tunneling microscope, which provides precision probe movement in three coordinates (see the description of US patent N 4798989, NKI 310-328, MKI H 01 L 41/08, 1989 - [2]). The device is a set of mutually perpendicular elements made of piezoelectric material mounted on supports. A disadvantage of the known device is its lack of rigidity, which reduces its ability for precision positioning.

Наиболее близким по своей технической сущности является известное устройство для трехкоординатных перемещений, использующееся в качестве исполнительного механизма в растровом микроскопе (см. описание к патенту РФ N 2114493, H 01 L 41/08, 1998 - [3]). Устройство представляет собой электромеханический преобразователь, выполненный в виде многогранника из материала, деформируемого под воздействием электрического напряжения (например, пьезоэлектрика), с нанесенными на грани электродами. Электроды соединены электрически с блоком управления. The closest in its technical essence is the known device for three-coordinate movements, used as an actuator in a scanning microscope (see the description of the patent of the Russian Federation N 2114493, H 01 L 41/08, 1998 - [3]). The device is an electromechanical converter made in the form of a polyhedron made of a material deformed under the influence of an electric voltage (for example, a piezoelectric), with electrodes deposited on the face. The electrodes are electrically connected to the control unit.

Недостатком известного устройства является его недостаточная жесткость, обусловленная наличием пазов в многограннике, что в свою очередь снижает точность позиционирования. A disadvantage of the known device is its lack of rigidity due to the presence of grooves in the polyhedron, which in turn reduces the accuracy of positioning.

Заявляемое в качестве изобретения устройство для трехкоординатных перемещений направлено на повышение жесткости конструкции и точности позиционирования. The inventive device for three-axis movements is aimed at increasing the rigidity of the structure and the accuracy of positioning.

Указанный результат достигается тем, что устройство для трехкоординатных перемещений, содержащее блок управления и электромеханический преобразователь, выполненный из деформируемого воздействием электрического напряжения материала с нанесенными электродами, при этом преобразователь выполнен в виде многогранного угла, на внешних гранях которого выполнен общий сплошной электрод, а на внутренних гранях нанесены управляющие электроды, не менее одного на каждой грани. This result is achieved by the fact that the device for three-coordinate movements containing a control unit and an electromechanical transducer made of a material deformed by the applied electrodes, the transducer is made in the form of a multifaceted angle, on the outer faces of which a common solid electrode is made, and on the inner faces applied control electrodes, at least one on each face.

Указанный результат, а также упрощение системы управления достигается тем, что управляющие электроды нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла. The indicated result, as well as the simplification of the control system, is achieved by the fact that the control electrodes are applied symmetrically with respect to the vertices of the polyhedral angle.

Упрощение системы управления может быть достигнуто также тем, что каждый из управляющих электродов нанесен симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла. Simplification of the control system can also be achieved by the fact that each of the control electrodes is applied symmetrically with respect to the axis of symmetry of each face passing through the vertex of the polyhedral angle.

Упрощение управления устройством и повышение эффективности его работы может быть достигнуто также тем, что управляющие электроды нанесены так, что через каждый из них проходит ребро многогранного угла, являющееся осью симметрии для электрода, а также тем, что управляющие электроды выполнены в виде равнобедренных треугольников, вершины которых обращены к вершине многогранного угла. Simplification of control of the device and increase of its operation efficiency can also be achieved by the fact that the control electrodes are applied so that a polyhedral angle edge, which is the axis of symmetry for the electrode, passes through each of them, and that the control electrodes are made in the form of isosceles triangles, vertices which are facing the top of the polyhedral angle.

Отличительными признаками заявленного устройства является следующее:
- преобразователь выполнен в виде многогранного угла;
- общий электрод выполнен сплошным, охватывающим все внешние грани;
- управляющие электроды выполнены на внутренних гранях;
- управляющие электроды нанесены в количестве не менее одного на каждой грани;
- управляющие электроды нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла;
- каждый из управляющих электродов нанесен симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла;
- управляющие электроды нанесены так, что через каждый из них проходит ребро многогранного угла, являющееся осью симметрии для электрода;
- управляющие электроды выполнены в виде равнобедренных треугольников, вершины которых обращены к вершине многогранного угла.Distinctive features of the claimed device is the following:
- the converter is made in the form of a polyhedral angle;
- the common electrode is made continuous, covering all external faces;
- control electrodes are made on the inner faces;
- control electrodes are applied in an amount of at least one on each face;
- control electrodes are applied symmetrically to the top of the polyhedral angle;
- each of the control electrodes is applied symmetrically with respect to the axis of symmetry of each face passing through the vertex of the polyhedral angle;
- control electrodes are applied in such a way that a polyhedral angle edge passes through each of them, which is the axis of symmetry for the electrode;
- the control electrodes are made in the form of isosceles triangles, the vertices of which are facing the vertex of the polyhedral angle.

Выполнение преобразователя в виде многогранного угла обеспечивает повышение жесткости конструкции по сравнению с прототипом и, соответственно, повышение точности позиционирования, что обусловлено свойствами многогранного угла. Кроме того, в частных случаях реализации предлагаемое конструктивное решение преобразователя обеспечит жесткость конструкции в многозондовом варианте растрового туннельного микроскопа, поскольку многогранники с трех-, четырех- и шестиугольным основанием заполняют пространство без промежутков и их можно размещать вплотную друг к другу. The implementation of the Converter in the form of a multifaceted angle provides increased structural rigidity compared to the prototype and, accordingly, increased positioning accuracy, which is due to the properties of the multifaceted angle. In addition, in special cases of implementation, the proposed design solution of the converter will provide structural rigidity in the multi-probe version of a scanning tunneling microscope, since polyhedra with a tri-, quadrilateral, and hexagonal base fill the space without gaps and can be placed close to each other.

Выполнение общего электрода сплошным, охватывающим все внешние грани многогранного угла, также позволяет повысить точность позиционирования рабочего органа (например, зонда в растровом микроскопе), т.к. устраняются паразитные емкостные наводки, вносящие погрешности в коэффициент электромеханической связи преобразователя, т.е. когда величина деформации преобразователя становится непропорциональной приложенному электрическому напряжению. Этому же способствует размещение управляющих электродов на внутренних гранях преобразователя. The execution of the common electrode continuous, covering all the external faces of the polyhedral angle, also improves the accuracy of positioning of the working body (for example, a probe in a scanning microscope), because parasitic capacitive pickups introducing errors into the coefficient of the electromechanical coupling of the converter, i.e. when the strain amount of the converter becomes disproportionate to the applied voltage. The same contributes to the placement of the control electrodes on the inner faces of the Converter.

Для обеспечения работоспособности устройства в принципе необходимо, чтобы на каждой внутренней грани был нанесен хотя бы один управляющий электрод. При этом, независимо от числа электродов (один или несколько), их формы (она может быть произвольной) и места расположения на внутренних гранях, устройство будет работоспособным в любом случае и будет обеспечиваться заявленный технический результат, поскольку жесткость конструкции обеспечивается формой самого преобразователя. Единственным ограничением будет являться то, что в зависимости от числа, формы и места расположения электродов будет усложняться или упрощаться электрическая схема блока управления и несколько повышаться точность позиционирования. To ensure the operability of the device, in principle, it is necessary that at least one control electrode is applied to each inner face. At the same time, regardless of the number of electrodes (one or several), their shape (it can be arbitrary) and the location on the inner faces, the device will be workable in any case and the claimed technical result will be ensured, since the structural rigidity is ensured by the shape of the converter itself. The only limitation will be that, depending on the number, shape and location of the electrodes, the electrical circuit of the control unit will become more complicated or simplified and the positioning accuracy will be slightly increased.

Например, если в частных случаях реализации, управляющие электроды будут нанесены симметрично относительно вершины многогранного угла, то система управления электромеханическим преобразователем упрощается и повышается точность позиционирования рабочего органа, приводом которого он является. For example, if in special cases of implementation, the control electrodes will be applied symmetrically with respect to the top of the polyhedral angle, then the control system of the electromechanical converter is simplified and the accuracy of positioning of the working body, of which it is a drive, is increased.

При этом, еще более высокий результат будет достигнут, если симметрия электродов будет соблюдаться еще и относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла или относительно ребра многогранного угла, являющегося осью симметрии для электрода. Moreover, an even higher result will be achieved if the symmetry of the electrodes is also observed with respect to the axis of symmetry of each face passing through the vertex of the polyhedral angle or relative to the edge of the polyhedral angle, which is the axis of symmetry for the electrode.

Но наиболее высокий результат будет достигнут, если электроды будут выполнены в виде равнобедренных треугольников, вершины которых обращены к вершине многогранного угла, и при этом будут симметрично относительно него, а также либо относительно оси симметрии, проходящей через грань и вершину многогранного угла, либо относительно ребра, являющегося осью симметрии электрода. But the highest result will be achieved if the electrodes are made in the form of isosceles triangles, the vertices of which face the vertex of the polyhedral angle, and at the same time are symmetrical about it, and also either about the axis of symmetry passing through the face and vertex of the polyhedral angle, or relative to the edge being the axis of symmetry of the electrode.

Сущность изобретения поясняется примерами реализации и чертежами. На фиг. 1 представлен вариант реализации устройства с электромеханическим преобразователем в виде четырехгранного угла (вид сбоку и сверху) с произвольно нанесенными управляющими электродами произвольной формы; на фиг. 2 представлен вариант реализации преобразователя в виде трехгранного угла (вид сбоку и сверху) с управляющими электродами, нанесенными симметрично относительно вершины угла; на фиг.3 представлен вариант реализации преобразователя в виде шестигранного угла (вид сбоку и сверху) с управляющими электродами, нанесенными симметрично относительно оси вершины угла, и при этом каждый из электродов расположен на грани симметрично относительно оси симметрии каждой грани, проходящей через вершину многогранного угла; на фиг. 4 представлен вариант реализации преобразователя в виде трехгранного угла (вид сверху и сбоку) с управляющими электродами, нанесенными симметрично относительно вершины угла и симметрично относительно ребер; на фиг. 5 представлены варианты реализации преобразователя (вид сверху), когда управляющие электроды выполнены в виде равнобедренных треугольников, обращенных вершинами к вершине многогранного угла и размещены либо симметрично относительно ребер, либо относительно осей симметрии граней, как это предусмотрено п.5 формулы изобретения; на фиг. 6 представлен в аксонометрии частный случай реализации устройства в виде двухгранного угла с управляющими электродами в виде равнобедренных треугольников, обращенных вершинами навстречу друг другу и расположенных симметрично относительно ребра и осей симметрии граней, перпендикулярных ребру; на фиг. 7 представлен частный вариант выполнения преобразователя в виде многогранного угла с усеченной вершиной. The invention is illustrated by examples of implementation and drawings. In FIG. 1 shows an embodiment of a device with an electromechanical converter in the form of a tetrahedral angle (side and top view) with arbitrarily applied control electrodes of arbitrary shape; in FIG. 2 shows an embodiment of a converter in the form of a trihedral angle (side and top view) with control electrodes applied symmetrically with respect to the apex of the angle; figure 3 presents an embodiment of the converter in the form of a hexagonal angle (side and top view) with control electrodes applied symmetrically with respect to the axis of the angle apex, and each of the electrodes is located on a face symmetrically with respect to the axis of symmetry of each face passing through the vertex of the polyhedral angle ; in FIG. 4 shows an embodiment of a transducer in the form of a trihedral angle (top and side views) with control electrodes applied symmetrically to the apex of the angle and symmetrically to the ribs; in FIG. 5 shows embodiments of the converter (top view) when the control electrodes are made in the form of isosceles triangles facing the vertices of the polyhedral angle and placed either symmetrically relative to the edges or relative to the axis of symmetry of the faces, as provided for in paragraph 5 of the claims; in FIG. 6 is a perspective view of a particular case of a device in the form of a dihedral angle with control electrodes in the form of isosceles triangles facing with their vertices facing each other and located symmetrically relative to the edge and the axis of symmetry of the faces perpendicular to the edge; in FIG. 7 shows a particular embodiment of the transducer in the form of a polyhedral angle with a truncated vertex.

В общем случае устройство для трехкоординатных перемещений содержит блок управления, который может быть выбран из числа известных, например, используемый в прототипе (на чертеже не показан, как не относящийся к сущности изобретения). Электромеханический преобразователь 1 в виде многогранного угла выполняется из материала, деформируемого воздействием электрического поля (напряжения). В качестве такого могут быть использованы пьезоэлектрики, электрострикционные материалы или новый класс материалов, разработанный в Физико-техническом институте РАН, представляющий собой электрострикционную керамику из окислов свинца, магния и ниобия. Толщина стенок многогранника (граней) выбирается в пределах от 0,1 мм до 1 мм. На внешних гранях многогранного угла выполнен общий сплошной электрод 2, а на внутренних гранях - управляющие электроды 3, не менее одного на каждую грань. Электроды известным образом соединены электрически с блоком управления (на чертеже не показано). In the General case, the device for three-coordinate movements contains a control unit, which can be selected from among the known, for example, used in the prototype (not shown in the drawing, as not related to the essence of the invention). The electromechanical converter 1 in the form of a polyhedral angle is made of a material deformed by the action of an electric field (voltage). As such, piezoelectrics, electrostrictive materials, or a new class of materials developed at the Physicotechnical Institute of the Russian Academy of Sciences, which is an electrostrictive ceramic made of lead, magnesium, and niobium oxides, can be used. The thickness of the walls of the polyhedron (faces) is selected in the range from 0.1 mm to 1 mm. A common solid electrode 2 is made on the outer faces of the polyhedral angle, and control electrodes 3, at least one on each face, are made on the inner faces. The electrodes are in a known manner electrically connected to a control unit (not shown in the drawing).

На вершине многогранного угла закрепляется известным образом рабочий орган (например, зонд растрового микроскопа), перемещение (позиционирование) которого необходимо обеспечить. (На чертеже не показан, как не относящийся к сущности изобретения). В частных случаях реализации многогранный угол может быть выполнен усеченным, как это показано на фиг. 7 с образованием сквозного отверстия, соединяющего внутреннюю полость многогранного угла с окружающей средой. Это даст возможность обеспечить подачу технологических сред (газов или жидкостей), необходимость в которых возникает при осуществлении некоторых процессов, используемых в нанотехнологии. At the apex of the multifaceted angle, a working body (for example, a probe of a scanning microscope) is fixed in a known manner, the movement (positioning) of which must be ensured. (The drawing is not shown as not relevant to the invention). In particular cases of implementation, the polyhedral angle can be truncated, as shown in FIG. 7 with the formation of a through hole connecting the internal cavity of the polyhedral angle with the environment. This will make it possible to provide the supply of technological media (gases or liquids), the need for which arises in the implementation of certain processes used in nanotechnology.

Устройство работает следующим образом. От блока управления на электроды 2 и 3 подается соответствующее напряжение, требуемая величина которого определяется расчетно или экспериментально. В результате электромеханического преобразования, под воздействием электрического напряжения в многограннике 1 возникают деформации, приводящие к перемещению рабочего органа. Путем выбора тех или иных управляющих электродов, на которые подается напряжение, обеспечивается деформация многогранника 1, а следовательно, и перемещение рабочего органа по трем взаимно перпендикулярным осям и рабочий орган может позиционироваться в любой точке трехмерного пространства в технологической зоне. The device operates as follows. The corresponding voltage is supplied from the control unit to the electrodes 2 and 3, the required value of which is determined by calculation or experimentally. As a result of the electromechanical transformation, under the influence of electrical voltage in the polyhedron 1, deformations occur, leading to the displacement of the working body. By selecting one or another control electrodes to which voltage is applied, deformation of the polyhedron 1 is ensured, and consequently, the movement of the working body along three mutually perpendicular axes and the working body can be positioned at any point in three-dimensional space in the technological zone.

Claims

1. A device for three-coordinate movements, comprising a control unit and an electromechanical converter made of a material deformed by electrodes applied by electrodes, characterized in that the electromechanical converter is made in the form of a polyhedral angle, on the outer faces of which a common solid electrode is made, and on the inner faces applied control electrodes, at least one on each face.

2. The device according to claim 1, characterized in that the control electrodes are applied symmetrically to the top of the polyhedral angle.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that each of the control electrodes is applied symmetrically with respect to the axis of symmetry of each face passing through the vertex of the polyhedral angle.

4. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the control electrodes are applied so that through each of them passes an edge of a polyhedral angle, which is the axis of symmetry for the electrode.

5. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, characterized in that the control electrodes are made in the form of isosceles triangles, the vertices of which face the vertex of the polyhedral angle.