RU2199171C2

RU2199171C2 - Piezoelectric scanner

Info

Publication number: RU2199171C2
Application number: RU2001109730A
Authority: RU
Inventors: В.А. Быков; В.К. Иванов; С.А. Саунин
Original assignee: Зао "Нт-Мдт"
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2003-02-20

Abstract

FIELD: nanotechnology; devices affording microdisplacement in three coordinates. SUBSTANCE: piezoelectric scanner has set of n equal-diameter piezotubes with parallel butt-ends and solid electrodes on outer and inner surfaces coaxially interconnected at n - 1 butt-end by means of junction members and connected to first and second bases at free butt-ends; at least one piezotube whose outer diameter is smaller than inner diameter of n piezotubes, with four separated electrodes on outer surface and four ones on inner surface; at least one piezotube whose outer diameter is smaller than inner diameter of n piezotubes with electrodes on outer and inner surfaces; elongating member. One butt-end of piezotube with separated electrodes is connected to second base. Piezotube having electrodes on its inner and outer surfaces is connected through its first free end by means of junction member to free end of piezotube having separated electrodes and through second one, to elongating member. The latter is made of material whose specific mass is lower and modulus of elasticity is higher than those of piezoceramics of piezotubes. EFFECT: enlarged functional capabilities. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим микроперемещения по трем координатам. Например, пьезопривод может быть использован в качестве пьезосканера в зондовой микроскопии. The invention relates to nanotechnology, and more particularly to devices that provide micromotion in three coordinates. For example, a piezoelectric drive can be used as a piezoscanner in probe microscopy.

Известен пьезопривод, содержащий держатель с цилиндрическим пьезоэлементом, на внутренней поверхности которого нанесен сплошной электрод, а на наружной - несколько групп электродов [1]. A known piezodrive containing a holder with a cylindrical piezoelectric element, on the inner surface of which is applied a solid electrode, and on the outer - several groups of electrodes [1].

Недостаток указанного устройства заключается в невозможности выбора требуемого диапазона перемещений, что снижает его функциональные возможности. The disadvantage of this device is the inability to select the desired range of movements, which reduces its functionality.

Известен пьезопривод (пьезосканер), состоящий из набора пьезотрубок одного диаметра с параллельными торцами и сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях, соединенных соосно друг с другом по торцам соединительными элементами и с первым и вторым основаниями свободными торцами [2] . Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения. Known piezoelectric drive (piezoscanner), consisting of a set of piezotubes of the same diameter with parallel ends and solid electrodes on the outer and inner surfaces connected coaxially to each other at the ends of the connecting elements and with the first and second bases free ends [2]. The specified device is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостаток указанного устройства заключается в отсутствии у указанного привода возможности перемещения в плоскости, перпендикулярной оси пьезотрубок, что сужает его функциональные возможности и не позволяет использовать в качестве пьезосканера. Второй недостаток заключается в уменьшении резонансной частоты пьезопривода в плоскости, перпендикулярной его продольной оси, что приводит к увеличению амплитуды колебаний и увеличивает погрешность измерений. The disadvantage of this device lies in the absence of the specified drive the ability to move in a plane perpendicular to the axis of the piezotubes, which narrows its functionality and does not allow use as a piezoscanner. The second drawback is the decrease in the resonant frequency of the piezoelectric drive in a plane perpendicular to its longitudinal axis, which leads to an increase in the amplitude of oscillations and increases the measurement error.

Известен также пьезосканер со сплошным и распределенными электродами на наружной и внутренней поверхностях пьезотрубки [3]. Also known piezoscanner with solid and distributed electrodes on the outer and inner surfaces of the piezotube [3].

Основной недостаток указанного устройства заключается в ограниченном диапазоне перемещения. The main disadvantage of this device is the limited range of movement.

Задачей изобретения является создание пьезосканера, позволяющего использовать его в зондовой микроскопии для сканирования объектов в широком диапазоне по трем координатам. The objective of the invention is the creation of a piezoscanner that allows you to use it in probe microscopy to scan objects in a wide range in three coordinates.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей. The technical result of the invention is to expand the functionality.

Указанная задача достигается тем, что пьезосканер содержит набор внешних n пьезотрубок одного диаметра с параллельными торцами и сплошными электродами на наружной (электроды Z) и внутренней (электроды Z') поверхностях, соединенных соосно друг с другом по n-1 торцу соединительными элементами и с первым и вторым основаниями свободными торцами, как минимум одну внутреннюю пьезотрубку с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра внешних n пьезотрубок, с четырьмя разделенными электродами (электроды X₁, Х₂, Y₁, Y₂) на наружной поверхности и четырьмя разделенными электродами (электроды X₁', Х₂', Y₁', Y₂') на внутренней поверхности, расположенными напротив соответствующих электродов X₁, Х₂, Y₁, Y₂, как минимум одну внутреннюю пьезотрубку с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра внешних n пьезотрубок, со сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях, а также удлинительный элемент, выполненный из материала с меньшим удельным весом и большим модулем упругости, чем у пьезотрубок, причем торец внутренней пьезотрубки с разделенными электродами соединен со вторым основанием, а сама внутренняя пьезотрубка расположена внутри внешних n пьезотрубок, а внутренняя пьезотрубка со сплошными электродами на наружной и внутренней поверхностях соединена первым свободным торцом посредством соединительного элемента со свободным торцом внутренней пьезотрубки с разделенными электродами, а вторым - с удлинительным элементом.This task is achieved in that the piezoscanner contains a set of external n piezotubes of the same diameter with parallel ends and solid electrodes on the outer (electrodes Z) and inner (electrodes Z ') surfaces connected coaxially to each other at the n-1 end by connecting elements and with the first and the second base with free ends, at least one inner piezotube with an outer diameter smaller than the inner diameter of the outer n piezotubes, with four separated electrodes (electrodes X ₁ , X ₂ , Y ₁ , Y ₂ ) on the outer surface and four separated electrodes (electrodes X ₁ ', X ₂ ', Y ₁ ', Y ₂ ') on the inner surface, opposite the corresponding electrodes X ₁ , X ₂ , Y ₁ , Y ₂ , at least one inner piezo tube with an outer diameter, smaller than the inner diameter of the outer n piezotubes, with solid electrodes on the outer and inner surfaces, as well as an extension element made of a material with a lower specific gravity and a large modulus of elasticity than the piezotubes, and the end face of the inner piezotube with separated electrodes is connected to w eyebolt base itself and the inner piezo-tube disposed within the outer n piezoelectric tubes, and the inner piezo-tube with the continuous electrodes on the outer and inner surfaces of the first free end is connected via a connecting element to the free end face of the inner piezo-tube with split electrodes, and the second - with an extension element.

Одним из вариантов осуществления изобретения является установка соединительных элементов, оснований и удлинительного элемента на пьезотрубках без зазоров с наружными и внутренними поверхностями пьезотрубок. При этом клеевые швы заполняют полости между соединительными элементами и пьезотрубками. One of the embodiments of the invention is the installation of connecting elements, bases and extension element on piezotubes without gaps with the outer and inner surfaces of the piezotubes. In this case, adhesive seams fill the cavity between the connecting elements and the piezotubes.

Возможно также использование клеевых швов в полостях между ними и пьезотрубками, имеющих контролируемую усадку при затвердевании. It is also possible to use adhesive joints in the cavities between them and piezotubes having controlled shrinkage during solidification.

Целесообразно также выбирать площадь электродов тем меньше, чем тоньше фрагмент стенки пьезотрубки, расположенный между электродами. It is also advisable to choose the area of the electrodes the smaller, the thinner the fragment of the wall of the piezotube located between the electrodes.

На фиг.1 изображен пьезосканер. Figure 1 shows a piezoscanner.

На фиг.2 изображена пьезотрубка в разрезе. Figure 2 shows a piezotube in section.

На фиг. 3 изображено место крепления пьезотрубки с соединительным элементом. In FIG. 3 shows the mounting location of the piezotube with a connecting element.

На фиг. 4 изображена пьезотрубка в разрезе с эксцентриситетом (условно увеличенным) внутренней и наружной поверхности. In FIG. 4 shows a piezotube in a section with an eccentricity (conditionally increased) of the inner and outer surfaces.

На фиг. 5 изображен вариант подключения электродов пьезопривода к блоку управления. In FIG. 5 shows a variant of connecting the piezodrive electrodes to the control unit.

Пьезосканер (фиг. 1) содержит первое основание 1, на котором закреплен набор внешних пьезотрубок 2 и 3 с электродами 4 и 5 (электроды Z) на наружных и электродами 6 и 7 (электроды Z') на внутренних поверхностях посредством соединительного элемента 8. На свободном конце пьезотрубки 3 закреплено второе основание 9, на котором в свою очередь закреплена внутренняя пьезотрубка 10 с четырьмя разделенными электродами (электроды X₁ - 11, Х₂ - 12, Y₁ - 13, Y₂ - 14; см. также фиг.2) на наружной поверхности и четырьмя разделенными электродами (X₁' - 15, X₂' - 16, Y₁' - 17, Y₂' - 18) на внутренней поверхности. Вместо одной пьезотрубки 10 может быть также установлен их набор. Следует заметить, что пьезопривод сохраняет работоспособность при едином внутреннем электроде, равно как и при электрическом замыкании электродов 15-18.The piezoscanner (Fig. 1) contains the first base 1, on which is fixed a set of external piezotubes 2 and 3 with electrodes 4 and 5 (electrodes Z) on the outer and electrodes 6 and 7 (electrodes Z ') on the inner surfaces through the connecting element 8. On the free end of the piezotube 3 is fixed to the second base 9, on which, in turn, is fixed the inner piezotube 10 with four separated electrodes (electrodes X ₁ - 11, X ₂ - 12, Y ₁ - 13, Y ₂ - 14; see also figure 2 ) on the outer surface and four separated electrodes (X ₁ '- 15, X ₂ ' - 16, Y ₁ '- 17, Y ₂ ' - 18) on morning surface. Instead of one piezotube 10, a set of them may also be installed. It should be noted that the piezoelectric actuator remains operable with a single internal electrode, as well as with the electric circuit of electrodes 15-18.

Теоретически возможен также вариант единого наружного и разделенных внутренних электродов, но первый вариант предпочтительнее, т.к. проще разделить электроды наружной поверхности пьезотрубок. Theoretically, a variant of a single external and separated internal electrodes is also possible, but the first option is preferable, because it is easier to separate the electrodes of the outer surface of the piezotubes.

Формирование разделенных электродов может происходить как в процессе формирования электродов (через трафарет), так и после, путем нанесения защитных масок с последующим травлением электродов. The formation of separated electrodes can occur both during the formation of the electrodes (through a stencil) and after, by applying protective masks with subsequent etching of the electrodes.

На пьезотрубке 10 посредством соединительного элемента 19 закреплена внутренняя пьезотрубка 20 с электродами Z - 21 и Z' - 22. Вместо одной пьезотрубки 20 может быть установлен их набор. An internal piezotube 20 with electrodes Z - 21 and Z '- 22 is fixed to the piezotube 10 by means of a connecting element 19. Instead of one piezotube 20, a set of them can be installed.

На торце пьезотрубки 20 закреплен удлинительный элемент 23, выполненный из материала с меньшим удельным весом и большим модулем упругости (например, из титана), чем у пьезокерамики пьезотрубок. (Элементы 1, 8, 9, 19, 23 для упрощения можно объединить термином - соединительный элемент.)
Место крепления пьезотрубки 20 и удлинительного элемента 23 (фиг.3) может быть организовано, например, посредством двух посадок без зазоров по поверхностям 24 и 25. Тоже относится к остальным пьезотрубкам, скрепленным с соединительными элементами и основаниями.At the end of the piezotube 20, an extension element 23 is fixed, made of a material with a lower specific gravity and a large elastic modulus (for example, titanium) than piezoelectric ceramics of piezotubes. (Elements 1, 8, 9, 19, 23, for simplicity, can be combined with the term - connecting element.)
The attachment point of the piezotube 20 and the extension element 23 (FIG. 3) can be arranged, for example, by two landings without gaps on surfaces 24 and 25. The same applies to the rest of the piezotubes fastened to the connecting elements and bases.

Клеевые швы 26 и 27 могут быть сформированы, например, предварительно вакуумированной эпоксидной смолой и располагаться в полостях как указано на фиг. 3, а также в микрополостях непосредственно между поверхностями 24 и 25. (Вакуумирование обезгаживает смолу, что приводит к уменьшению числа пор и соответственно уменьшает усадку при затвердевании.) Аналогично могут быть закреплены на пьезотрубках соединительные элементы и основания. Adhesive joints 26 and 27 can be formed, for example, by pre-evacuated epoxy resin and arranged in cavities as indicated in FIG. 3, as well as in microcavities directly between surfaces 24 and 25. (Vacuum degasses the resin, which leads to a decrease in the number of pores and, accordingly, reduces shrinkage during solidification.) Connecting elements and bases can be similarly fixed on piezotubes.

Следует заметить, что реальные пьезотрубки имеют несоосность внутренних и наружных поверхностей, что приводит к различной толщине фрагментов стенок, различной напряженности поля в пьезокерамике и соответственно погрешности перемещения. Для ее компенсации целесообразно подбирать площадь соответствующих электродов тем меньше, чем тоньше толщина фрагмента стенки пьезокерамики. It should be noted that real piezotubes have a misalignment of the inner and outer surfaces, which leads to different thicknesses of wall fragments, different field strengths in piezoceramics and, accordingly, movement errors. To compensate for it, it is advisable to select the area of the corresponding electrodes the smaller, the thinner the thickness of the piezoceramic wall fragment.

Изменение площади электродов (фиг.4) можно проводить как после измерения эксцентриситета А наружной 28 и внутренней 29 поверхностей пьезотрубки 30, так и после контрольных измерений. В простейшем случае это может быть стравливание краев 31 и 32 электродов. The change in the area of the electrodes (Fig. 4) can be carried out both after measuring the eccentricity A of the outer 28 and inner 29 surfaces of the piezotube 30, and after the control measurements. In the simplest case, this may be the etching of the edges 31 and 32 of the electrodes.

При этом уменьшают рабочую зону 33 пьезотрубки, что компенсирует увеличение перемещения по соответствующей координате, возникающее за счет увеличения напряженности поля более тонкой зоны 33. At the same time, the working area 33 of the piezotube is reduced, which compensates for the increase in displacement along the corresponding coordinate, which arises due to an increase in the field strength of the thinner zone 33.

Следует заметить, что варианты изменения площади электродов могут быть различны. Например, это могут быть штрихи, равномерно распределенные по площади дорабатываемого электрода, выборки в электродах, расположенные с торцов пьезотрубок. Возможно также формирование электродов требуемой площади после измерения эксцентриситета и т.п. It should be noted that variations in the area of the electrodes can be different. For example, it can be strokes evenly distributed over the area of the electrode under development, samples in the electrodes located at the ends of the piezotubes. It is also possible the formation of electrodes of the required area after measuring the eccentricity, etc.

В варианте подключения электродов пьезотрубок к блоку управления 34 (фиг.5) электроды соединены попарно друг с другом, причем наружные соединены с внутренними, расположенными на противоположных сторонах пьезотрубок. Пары соответственно подключены к выходам 35, 36, 37, 38, 39 и 40 блока управления. In the embodiment of connecting the electrodes of the piezotubes to the control unit 34 (Fig. 5), the electrodes are connected in pairs with each other, the outer ones being connected to the internal ones located on opposite sides of the piezotubes. The pairs are respectively connected to the outputs 35, 36, 37, 38, 39 and 40 of the control unit.

Пьезосканер работает следующим образом. От блока управления 34 (фиг.5) подают управляющее напряжение на электроды пьезопривода, между которыми возникает электрическое поле, которое в свою очередь приводит к изменению размеров пьезокерамики и соответственно перемещению удлинительного элемента. На пары выходов блока управления 35-36, 37-38, 39-40 подают при этом противоположные потенциалы, величина которых соответственно определяет величину перемещения. The piezoscanner works as follows. From the control unit 34 (Fig. 5), a control voltage is supplied to the electrodes of the piezoelectric drive, between which an electric field arises, which in turn leads to a change in the size of the piezoceramics and, accordingly, to the movement of the extension element. In this case, opposite potentials are supplied to the pairs of outputs of the control unit 35-36, 37-38, 39-40, the value of which respectively determines the amount of displacement.

Более подробно принципы работы изделий из пьезокерамики описаны в [4]. С работой пьезосканеров в зондовых микроскопах более подробно можно ознакомиться, например, в [5, 6, 7, 8, 9]. The principles of operation of products made of piezoceramics are described in more detail in [4]. The work of piezoscanners in probe microscopes can be found in more detail, for example, in [5, 6, 7, 8, 9].

Использование двух наборов пьезотрубок различного диаметра, расположенных соосно одна в другой, позволяет при одинаковом их количестве увеличить резонансную частоту пьезопривода, уменьшить амплитуду колебаний и уменьшить соответственно погрешность перемещений. The use of two sets of piezotubes of different diameters, arranged coaxially in one another, allows for the same amount to increase the resonant frequency of the piezoelectric drive, reduce the amplitude of the oscillations and reduce the corresponding error of movement.

Кроме этого, в данной конструкции использование удлинителя в совокупности с закреплением пьезотрубки с разделенными электродами на втором основании (в начале второго набора пьезотрубок) позволяет увеличить диапазон перемещения в плоскости, что также расширяет функциональные возможности пьезосканера. In addition, in this design, the use of an extension cord in combination with fixing a piezotube with separated electrodes on a second base (at the beginning of the second set of piezotubes) allows you to increase the range of movement in the plane, which also extends the functionality of the piezoscanner.

Установка пьезотрубок без зазоров в соединительных элементах с контактом по наружной и внутренней поверхности позволяет увеличивать надежность соединения, а также за счет увеличения жесткости конструкции увеличивает резонансную частоту и соответственно (см. выше) уменьшает погрешность перемещения. The installation of piezotubes without gaps in the connecting elements with the contact on the outer and inner surfaces allows to increase the reliability of the connection, and also by increasing the rigidity of the structure increases the resonant frequency and accordingly (see above) reduces the error of movement.

Контролируемая усадка при затвердевании позволяет регулировать величину остаточных напряжений после затвердевания, что важно при увеличении суммарной длины пьезопривода для увеличения жесткости соединения (за счет увеличения усадки) пьезотрубка - соединительный элемент с целью уменьшения резонансной частоты и погрешности перемещения. Controlled shrinkage during solidification allows you to adjust the value of residual stresses after solidification, which is important when increasing the total length of the piezo drive to increase the stiffness of the connection (by increasing shrinkage), the piezotube is a connecting element in order to reduce the resonant frequency and the error of movement.

При уменьшении суммарной длины пьезосканера целесообразно уменьшение усадки с целью уменьшения остаточных напряжений и увеличения надежности соединения пьезотрубок. Следует заметить, что выбор величины усадок, а соответственно и остаточных напряжений целесообразно проводить экспериментально. When reducing the total length of the piezoscanner, it is advisable to reduce shrinkage in order to reduce residual stresses and increase the reliability of the connection of piezotubes. It should be noted that the choice of the value of shrinkage, and, accordingly, of the residual stresses, is advisable to carry out experimentally.

Использование изменяемой площади электродов пьезотрубок позволяет подобрать ее в соответствии с погрешностью перемещений, тем самым ее уменьшая. The use of a variable area of the electrodes of the piezotubes allows you to choose it in accordance with the error of movement, thereby reducing it.

Выполнение удлинительного элемента с меньшим удельным весом и большим модулем упругости, чем у пьезокерамики позволяет уменьшать резонансные частоты и соответственно повышать разрешение. The implementation of the extension element with a lower specific gravity and a greater modulus of elasticity than piezoceramics can reduce the resonant frequencies and, accordingly, increase the resolution.

Литература
1. Патент США 4945235, H 01 J 37/00, 1990 г.Literature
1. US patent 4945235, H 01 J 37/00, 1990

2. Рекламный проспект V/О ELECTRONINTORG, пьезоприводы ППУ-9 - ППУ-14. 2. Advertising brochure V / О ELECTRONINTORG, piezo-actuators PPU-9 - PPU-14.

3. Патент US 6215121, G 01 N 13/16, 2001. 3. Patent US 6215121, G 01 N 13/16, 2001.

4. Пьезоэлектрическая керамика, Е.Г. Смажевская и др., "Советское радио", 1971 г., 198 с. 4. Piezoelectric ceramics, EG Smazhevskaya et al., "Soviet Radio", 1971, 198 p.

5. A new ultra-high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies, G.E. Poirier and J.M. White, Rev. Scl. Instrum. 60 (10), October 1989. 5. A new ultra-high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies, G.E. Poirier and J.M. White, Rev. Scl. Instrum. 60 (10), October 1989.

6. The use of a linear piezoelectric actuator for coarse motion in a vacuum compatible scanning tunneling microscope, Gary W. Stupian and Martin S. Leung, J. Vac. Sci. Technol. A 7 (4), Jul/Aug 1989. 6. The use of a linear piezoelectric actuator for coarse motion in a vacuum compatible scanning tunneling microscope, Gary W. Stupian and Martin S. Leung, J. Vac. Sci. Technol. A 7 (4), Jul / Aug 1989.

7. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др., Сенсорные системы, т. 12, 1, 1998 г., с.99-121. 7. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al., Sensory Systems, vol. 12, 1, 1998, pp. 99-121.

8. Tunneling barrier height imaging and polycrystalline Si surface observations, S. Hosaka, K. Sagara, T. Hasegawa, K. Takata and S. Hosoki, Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan/Feb 1990. 8. Tunneling barrier height imaging and polycrystalline Si surface observations, S. Hosaka, K. Sagara, T. Hasegawa, K. Takata and S. Hosoki, Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan / Feb 1990.

9. Scanning tunneling microscope instrumentation, Y. Kuk, P.J. Sulverman, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), 2, 165-180. 9. Scanning tunneling microscope instrumentation, Y. Kuk, P.J. Sulverman, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), 2, 165-180.

Claims

1. A piezoscanner containing a set of external n piezotubes of the same diameter with parallel ends and solid electrodes on the outer (electrodes Z) and inner (electrodes Z ') surfaces connected coaxially to each other on the n-1 end by connecting elements and with the first and second bases the free ends of at least one inner piezo-tube with an outer diameter smaller than the inner diameter of the outer n piezoelectric tubes, with four divided electrodes (electrodes X _1, X _2, Y _1, Y ₂₎ on the outer surface and the four divided electrode and (electrodes X _'1, X' _2, Y _'1, Y' ₂₎ on the inner surface located opposite the respective electrodes X _1, X _2, Y _1, Y _2, at least one inner piezo-tube having an outer diameter smaller than the inner diameter external n piezotubes, with solid electrodes on the outer and inner surfaces, as well as an extension element made of a material with a lower specific gravity and a higher elastic modulus than piezotubes, with the end face of the inner piezotube with separated electrodes connected to the second base, the inner the end tube is located inside the outer n piezotubes, and the inner piezotube with solid electrodes on the outer and inner surfaces is connected by the first free end via a connecting element to the free end of the inner piezotube with separated electrodes, and the second by an extension element.

2. The piezoscanner according to claim 1, characterized in that the connecting elements, the bases and the extension element are mounted on the piezotubes without gaps with the outer and inner surfaces of the piezotubes, and the adhesive seams are located in the cavities between them and the piezotubes.

3. The piezoscanner according to claim 2, characterized in that the adhesive seams in the cavities between the connecting elements and the piezotubes have a controlled shrinkage during solidification.

4. The piezoscanner according to claim 1, characterized in that the area of the electrodes on one or more piezotubes is the smaller, the thinner the fragment of the wall of the piezotube located between the electrodes.