RU2282258C2 - Displacement device - Google Patents
Displacement device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2282258C2 RU2282258C2 RU2004126980/28A RU2004126980A RU2282258C2 RU 2282258 C2 RU2282258 C2 RU 2282258C2 RU 2004126980/28 A RU2004126980/28 A RU 2004126980/28A RU 2004126980 A RU2004126980 A RU 2004126980A RU 2282258 C2 RU2282258 C2 RU 2282258C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stops
- movement
- displacement
- gap
- thrust
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам перемещения по трем координатам. Например, устройство перемещения может быть использовано в качестве сканера в зондовой микроскопии.The invention relates to nanotechnology, and more particularly to devices for moving along three coordinates. For example, a moving device can be used as a scanner in probe microscopy.
Известно устройство перемещения (пьезосканер) по трем координатам, состоящее из основания с закрепленным на нем одним концом блоком перемещения по одной координате (Z), на другом конце которого посредством соединительного элемента закреплен блок перемещения по двум взаимно перпендикулярным координатам (X, Y) в плоскости, перпендикулярной координате Z, с держателем объекта на свободном конце [1].A device for moving (piezoscanner) in three coordinates is known, consisting of a base with a movement block moving along one coordinate (Z) at one end, and a movement block along two mutually perpendicular coordinates (X, Y) in the plane is fixed via a connecting element perpendicular to the Z coordinate, with an object holder on the free end [1].
Недостаток данного устройства заключается в том, что конструкция с последовательно расположенными блоками перемещения по координате Z и по координатам X, Y образует протяженный рычаг с закрепленным одним и свободным другим концами. При случайном неконтролируемом воздействии на свободный конец такого рычага могут происходить поломки пьезосканера, особенно при воздействиях в направлениях, перпендикулярных его оси. Учитывая хрупкость пьезокерамических элементов, используемых в пьезосканерах, такие поломки становятся практически неизбежными.The disadvantage of this device is that the design with successively arranged blocks of movement in the Z coordinate and in the X, Y coordinates forms an extended arm with one fixed and the other free ends. In case of accidental uncontrolled exposure to the free end of such a lever, breakdowns of the piezoscanner can occur, especially when exposed in directions perpendicular to its axis. Given the fragility of the piezoceramic elements used in piezoscanners, such breakdowns become almost inevitable.
Известно также устройство перемещения, в котором дополнительно введены направляющие по координате Z, сопряженные с основанием и с соединительным элементом по его краям [2]. В этом устройстве длина рычага, образуемого конструкцией, уменьшена и равна длине блока перемещения по координатам (X, Y), что увеличивает прочность конструкции, однако не гарантирует ее защищенность от поломок. В этом устройстве случайные воздействия также могут вызывать деформации и отклонения по осям Z, Х или Y, превышающие предел прочности, и приводить к разрушению пьезосканера.It is also known a moving device in which guides along the Z coordinate are additionally introduced, conjugated with the base and with the connecting element along its edges [2]. In this device, the length of the lever formed by the structure is reduced and equal to the length of the displacement block along the coordinates (X, Y), which increases the strength of the structure, but does not guarantee its protection against breakdowns. In this device, accidental influences can also cause deformations and deviations along the Z, X or Y axes, exceeding the tensile strength, and lead to the destruction of the piezoscanner.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении возможности поломок устройства, повышении его надежности, а также в возможности повышения скорости перемещений и придании устройству перемещения метрологических качеств.The technical result of the invention is to reduce the possibility of damage to the device, increase its reliability, as well as the possibility of increasing the speed of movement and giving the device movement metrological qualities.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве перемещения, состоящем из основания с закрепленным на нем одним концом совмещенным узлом блока перемещения по одной координате (Z) и блока перемещений по двум взаимно перпендикулярным координатам (X, Y), другим свободным концом совмещенного узла вместе с расположенным на нем держателем объекта на упомянутом основании введены упоры, размещенные через зазоры напротив упомянутых свободного конца совмещенного узла и держателя объекта, а величины зазоров превышают величины функциональных перемещений конца совмещенного узла и держателя объекта в направлении соответствующих упоров, но меньше, чем предельно допустимые по прочности совмещенного узла отклонения в тех же направлениях.This result is achieved by the fact that in the movement device, consisting of a base with one end fixed to it, a combined node of the movement block in one coordinate (Z) and a movement block in two mutually perpendicular coordinates (X, Y), the other free end of the combined node together with on it, the holder of the object placed on the said base introduces stops placed through the gaps opposite the mentioned free end of the combined unit and the holder of the object, and the gaps exceed the functional displacements of the end of the combined unit and the holder of the object in the direction of the respective stops, but less than the maximum allowable deviations in the strength of the combined unit in the same directions.
Одним из вариантов осуществления изобретения является расположение упоров по осям (Z, X, Y) перемещений. Предпочтительным является попарное расположение упоров, по два упора на каждом направлении напротив друг друга. Возможен вариант, в котором каждому упору на основании соответствует упорная площадка на свободном конце совмещенного узла или держателе объекта. Возможен также вариант, в котором упор и упорная площадка в своих основаниях выполнены из диэлектрического материала и заканчиваются плоскопараллельными электродами, являющимися обкладками конденсатора емкостного датчика перемещений устройства. Существует вариант, в котором для придания демпфирующих свойств упомянутый зазор заполнен вязкой жидкостью.One of the embodiments of the invention is the location of the stops along the axes (Z, X, Y) of movements. Preferred is the pairwise arrangement of the stops, two stops in each direction opposite each other. A variant is possible in which each stop on the base corresponds to a thrust pad at the free end of the combined unit or object holder. A variant is also possible in which the emphasis and thrust pad are made of dielectric material at their bases and end with plane-parallel electrodes, which are plates of the capacitor of the capacitive displacement sensor of the device. There is an option in which to impart damping properties, said gap is filled with a viscous liquid.
На фиг.1 изображено устройство перемещения с упорами в общем виде.Figure 1 shows a moving device with stops in general.
На фиг.2 - вариант попарного расположения упоров по осям координат.Figure 2 - option pairwise arrangement of the stops along the coordinate axes.
На фиг.3 - вариант выполнения устройства с упорами и упорными площадками.Figure 3 is an embodiment of a device with stops and thrust pads.
На фиг.4 - вариант выполнения упоров и упорных площадок в виде составных частей емкостного датчика перемещений.Figure 4 is an embodiment of the stops and thrust pads in the form of components of a capacitive displacement sensor.
На фиг.5 - вариант выполнения упоров и упорных площадок с заполнением зазора вязкой жидкостью.Figure 5 is an embodiment of the stops and thrust pads with filling the gap with a viscous liquid.
На фиг.6 - комбинированный вариант исполнения упоров и упорных площадок.Figure 6 is a combined embodiment of the stops and thrust pads.
На фиг.7 представлена блок-схема устройства перемещения.7 is a block diagram of a moving device.
Устройство перемещения содержит основание 1 с закрепленным на нем одним концом совмещенным узлом 2 блока перемещения 3 по одной координате (Z) и блока перемещений 4 по двум взаимно перпендикулярным координатам (X, Y) с другим свободным концом совмещенного узла, оканчивающимся держателем объекта 5. Следует отметить, что взаимное расположение блоков 3 и 4 может быть обратным, в частном случае эти блоки могут быть выполнены из пьезокерамических трубок. Случай использования устройства перемещений в качестве пьезосканера в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) и конкретные варианты исполнения известных устройств перемещения приведены в [3, 4].The moving device comprises a
Согласно изобретению, в устройство введены упоры 6, 7, которые отделены зазорами от свободного конца совмещенного узла 2 и держателя объекта 5. Величина зазоров устанавливается большей, чем величина функциональных перемещений свободного конца совмещенного узла 2 и держателя объекта 5, в направлении соответствующих упоров, но меньшей, чем предельно допустимые по прочности совмещенного узла отклонения в тех же направлениях. В предпочтительном исполнении упоры 6, 7 установлены попарно (фиг.2) напротив друг друга, ограничивая перемещения во взаимно противоположных направлениях. Возможен вариант, в котором каждому упору 6, 7 на основании соответствуют упорные площадки 8 (фиг.3) на свободном конце совмещенного узла 2 и держателя объекта 5. Такой вариант предпочтителен в том случае, когда упоры 6 и 7 расположены напротив хрупких частей устройства, например пьезокерамических элементов сопряженного узла 2 либо микромеханических элементов держателя объекта 5 (не показано).According to the invention,
Возможен также вариант, в котором упоры и упорные площадки в своих основаниях 9 и 10 (фиг.4) выполнены из диэлектрического материала и заканчиваются плоскопараллельными электродами 11, 12, являющимися обкладками конденсатора емкостного датчика перемещений устройства, с перпендикуляром к плоскости электрода, направленным вдоль соответствующего упора и соответствующей оси перемещения (X, Y или Z). Существует вариант, в котором зазор между упором и упорной площадкой заполнен вязкой жидкостью 13 (фиг.5), удерживаемой по периметру зазора силами поверхностного натяжения жидкости, а по периметру сопряженных частей упора и упорной площадки выполнено кольцевое обнижение 14, расширяющее внешнюю часть зазора. Более предпочтительным вариантом является исполнение устройства, в котором осуществлена комбинация вариантов исполнения упоров и в виде упоров с упорными площадками и в виде элементов емкостного датчика и в виде компонентов демпфера. В этом исполнении электроды 15 имеют диаметр меньший, чем диаметры диэлектрических оснований 16, так что образующийся уступ 17 между электродом и диэлектрическим основанием выполняет функцию обнижения 14.A variant is also possible in which the stops and thrust pads in their
Устройство перемещения работает следующим образом. От блока управления 18 падают управляющие сигналы на сопряженный узел 2. Алгоритмы управления устройством перемещения, используемого в качестве пьезосканера в СЗМ, приведены в [3]. Свободный конец совмещенного узла перемещений 2 с держателем объекта 5 совершает заданные перемещения, при этом упоры 6, 7 не препятствуют этим перемещениям, поскольку зазоры достаточно велики. При различных манипуляциях с устройством перемещения, например при установке на держатель объекта 5 образца или зонда (не показаны), возникают нештатные ситуации: удары, приложение чрезмерных усилий, таких, что в обычной конструкции вызвало бы отклонение свободного конца совмещенного узла, большего предельно допустимого по прочности. Согласно данному изобретению, в описанной нештатной ситуации упоры 6, 7 или их варианты исполнения с упорными площадками 8 составных частей 9, 10, 11, 12, 15, 16 емкостных датчиков препятствуют совершению предельно допустимых отклонений и разрушению устройства. Кроме основной функции упоров - защиты от недопустимых перемещений, в другом исполнении они образуют конденсаторы емкостных датчиков перемещений, что вместе с соответствующим блоком управления устройства перемещения придает ему метрологические качества.The movement device operates as follows. From the
Исполнение упоров с вариантом заполнения зазора вязкой жидкостью обеспечивает выполнение ими демпфирующих функций, что увеличивает помехозащищенность устройства перемещения и позволяет повысить регулируемую блоком управления 18 скорость перемещения без возбуждения паразитных механических колебаний совмещенного узла 2. В демпфирующем исполнении по периметру упоров и упорных площадок выполняют обнижение 14, расширяющее внешнюю часть зазора с целью образования в этой части буферного объема для вязкой жидкости, обеспечивающего гарантированное заполнение жидкостью основной узкой рабочей части зазора при всех функциональных перемещениях совмещенного узла 2 и держателя объекта 5.The execution of the stops with the option of filling the gap with a viscous liquid ensures that they perform damping functions, which increases the noise immunity of the moving device and makes it possible to increase the speed of movement controlled by the
Наиболее предпочтительным вариантом является исполнение упоров, в котором осуществлена комбинация их функций и как упоров, и как емкостных датчиков, и как демпферов, при этом вязкая жидкость должна обладать свойствами диэлектрика и гарантированно заполнять пространство между электродами 15. В качестве вязкой жидкости для заполнения зазора предпочтительно использовать соединения с минимальным давлением паров, ограничивающим испарение жидкости и сохранение ее объема, с наибольшей стойкостью к окислению на воздухе, обеспечивающей максимальный срок функционирования. Из известных соединений наиболее подходящими являются кремнийорганические соединения, например, полиметил- или мелиэтилсилоксановые жидкости.The most preferred option is the execution of the stops, in which a combination of their functions and as stops, and as capacitive sensors, and as dampers, the viscous liquid must have the properties of a dielectric and guaranteed to fill the space between the
Выполнение устройства требует создание в упоре зазора определенной величины, а в варианте с плоскопараллельными окончаниями упоров и упорных площадок, как в варианте с емкостными датчиками, еще и параллельности соответствующих элементов, образующих зазор. Такой зазор обеспечивают, предварительно помещая между сопрягаемыми элементами калибровочную пленку заданной толщины, поджимая друг к другу и фиксируя в таком положении сопрягаемые изначально свободные для взаимного перемещения упоры 6, 7 и упорные площадки 8 (или их варианты). Затем калибровочную пленку удаляют.The implementation of the device requires the creation of an emphasis of the gap of a certain size, and in the embodiment with plane-parallel ends of the stops and thrust pads, as in the embodiment with capacitive sensors, also parallelism of the corresponding elements forming the gap. Such a gap is provided by first placing a calibration film of a given thickness between the mating elements, pressing against each other and fixing in this position the mating stops 6, 7 and the stop plates 8 (or their variants) that are initially free for mutual movement. Then the calibration film is removed.
Таким образом, введение упоров в конструкцию устройства перемещения позволяет повысить его надежность, устранив почти неизбежную возможность поломки в известном устройстве, особенно при использовании в нем хрупких пьезокерамических элементов.Thus, the introduction of stops in the design of the moving device can increase its reliability by eliminating the almost inevitable possibility of breakage in the known device, especially when using fragile piezoceramic elements in it.
Это предохранительное свойство упоров обеспечивается выбором величины зазоров между упорами и противолежащими им частями совмещенного узла перемещений и держателя объекта. Величина этих зазоров должна быть такой, чтобы не препятствовать перемещениям совмещенного узла вместе с держателем объекта и в то же время не допускать перемещений, больших, критических. Такое исполнение зазоров в упорах не ограничивает выполнение устройства основных функций, а именно функций перемещения, и в то же время, наделяет упоры защитными свойствами.This safety feature of the stops is ensured by the choice of the size of the gaps between the stops and the opposite parts of the combined displacement unit and the object holder. The size of these gaps should be such as not to impede the movement of the combined unit together with the holder of the object and at the same time to prevent large, critical movements. This design of the gaps in the stops does not limit the performance of the device basic functions, namely the functions of movement, and at the same time, endows the stops with protective properties.
Попарное расположение упоров напротив друг друга осуществляет защиту от чрезмерных деформаций совмещенного узла перемещений и держателя объекта во взаимно-противоположных направлениях воздействия, дополнительно улучшая защитные функции упоров.The pairwise arrangement of the stops opposite each other protects against excessive deformations of the combined displacement unit and the object holder in mutually opposite directions of impact, further improving the protective functions of the stops.
Введение упорных площадок напротив каждого из упоров дает дополнительную защиту хрупких элементов устройства перемещения, например, таких, как пьезокерамические элементы совмещенного узла перемещений или тонкостенные части держателя объекта.The introduction of thrust pads opposite each of the stops provides additional protection for the fragile elements of the displacement device, for example, such as piezoceramic elements of the combined displacement unit or thin-walled parts of the object holder.
Предпочтительное расположение упоров по осям перемещений X, Y, Z устройства позволяет гарантированно предохранять его от повреждений для всех возможных направлений неконтролируемого воздействия, а в исполнении, совмещающем выполнение упорами еще и функций емкостных датчиков перемещений, обеспечивает измерение перемещений именно по осям координат функциональных перемещений устройства. В то же время, в нижеописанном исполнении, совмещающем выполнение упорами еще и демпфирующих функций, такое расположение упоров позволяет осуществлять взаимно-независимое демпфирование перемещений по направлению осей ортогональной системы координат.The preferred arrangement of the stops along the axes of movement X, Y, Z of the device allows you to guarantee protection from damage for all possible directions of uncontrolled impact, and in the version that combines the execution of the stops by the functions of capacitive displacement sensors, it provides measurement of displacements precisely along the coordinate axes of the device's functional movements. At the same time, in the execution described below, combining the execution of stops with damping functions, this arrangement of the stops allows mutually independent damping of movements in the direction of the axes of the orthogonal coordinate system.
Исполнение упоров и упорных площадок из диэлектрических материалов, покрытых плоскими электродами с определенной ориентацией относительно осей координат, позволяет совместить их основное защитное назначение с дополнительной функцией, функцией емкостного датчика перемещений, необходимых при проведении метрологических измерений с использованием устройства перемещений.The execution of stops and thrust pads made of dielectric materials coated with flat electrodes with a certain orientation with respect to the coordinate axes allows their main protective purpose to be combined with an additional function, the function of a capacitive displacement sensor, necessary when performing metrological measurements using a displacement device.
Конфигурация обращенных друг к другу частей упоров и упорных площадок, имеющая расширение периферийной части зазора между ними и обеспечивающая создание буферного объема для вязкой жидкости, заполняющей зазор в этом варианте устройства, имеет целью выполнение упорами еще одной функции, а именно функции демпфера. Демпфирующие качества позволяют подавлять возможность возбуждения паразитных колебаний устройства перемещений при увеличении скорости перемещения и приближении ее к резонансной частоте механических колебаний узла перемещений. Следовательно, демпфирующие свойства упоров в этом специальном исполнении позволяют увеличить скорость перемещений устройства.The configuration of the parts of the stops and thrust pads facing each other, having an extension of the peripheral part of the gap between them and providing a buffer volume for the viscous liquid filling the gap in this embodiment of the device, aims to perform one more function of the stops, namely, the function of the damper. The damping qualities make it possible to suppress the possibility of excitation of spurious oscillations of the displacement device with an increase in the displacement speed and its approach to the resonant frequency of the mechanical vibrations of the displacement unit. Therefore, the damping properties of the stops in this special design can increase the speed of movement of the device.
Наиболее предпочтительным исполнением в отдельных случаях применения предлагаемого устройства является такое, в котором совмещены функции упоров как таковых с функциями демпфера и емкостного датчика перемещений.The most preferred embodiment in some cases of application of the proposed device is one in which the functions of the stops as such are combined with the functions of a damper and a capacitive displacement sensor.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Патент США №5173605, G 01 №23/00, 1992.1. US patent No. 5173605, G 01 No. 23/00, 1992.
2. Патент России (прототип), №2231095 С2, 20.06.2004.2. Patent of Russia (prototype), No. 2231095 C2, 06/20/2004.
3. В.А.Быков и др. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. Сенсорные системы. Т.12, №1, 1998, с.99-121.3. V. A. Bykov et al. Probe microscopy for biology and medicine. Sensory systems. T.12, No. 1, 1998, pp. 99-121.
4. A new ultra-high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies. G.E.Poirier and J.M.White. Rev.Sci. Instrum., GO (10), October, 1989.4. A new ultra-high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies. G.E. Poirier and J.M. White. Rev. Sci. Instrum., GO (10), October, 1989.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004126980/28A RU2282258C2 (en) | 2004-09-09 | 2004-09-09 | Displacement device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004126980/28A RU2282258C2 (en) | 2004-09-09 | 2004-09-09 | Displacement device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004126980A RU2004126980A (en) | 2006-02-27 |
RU2282258C2 true RU2282258C2 (en) | 2006-08-20 |
Family
ID=36114148
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004126980/28A RU2282258C2 (en) | 2004-09-09 | 2004-09-09 | Displacement device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2282258C2 (en) |
-
2004
- 2004-09-09 RU RU2004126980/28A patent/RU2282258C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004126980A (en) | 2006-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8705185B2 (en) | Optical element | |
Chang et al. | Development of a novel two-DOF piezo-driven fast steering mirror with high stiffness and good decoupling characteristic | |
US8297121B2 (en) | Micro-machined accelerometer | |
US20140007685A1 (en) | Inertial Sensor | |
US20100199764A1 (en) | Micromechanical rate-of-rotation sensor | |
US20150308828A1 (en) | Gyro sensor and composite sensor comprising gyro sensor | |
TWI644080B (en) | Improved ring gyroscope structure and gyroscope | |
KR20050121223A (en) | Bending beam accelerometer with differential capacitive pickoff | |
US11125632B2 (en) | Piezoresistive detection resonant device in particular with large vibration amplitude | |
US10962367B2 (en) | Mobile mass suspension system comprising means of connecting the mobile mass with optimised linearity | |
US20210140992A1 (en) | Resonator including one or more mechanical beams with added mass | |
RU2282258C2 (en) | Displacement device | |
KR101461277B1 (en) | Micro Electro Mechanical Systems Component | |
US20200357601A1 (en) | Charged particle beam device | |
KR101482400B1 (en) | Micro Electro Mechanical Systems Component | |
EP4060305A1 (en) | Sensor chip and force sensor apparatus | |
JP6623767B2 (en) | Gyro element and angular velocity sensor using the same | |
JP6958533B2 (en) | Vibration type sensor device | |
JP4716222B2 (en) | Anti-vibration mount | |
JP2004233080A (en) | Semiconductor acceleration sensor | |
TWI834624B (en) | Z-position motion stage for use in a scanning probe microscopy system, scan head and method of manufacturing | |
Sidobre et al. | Calibrated measurement of the behaviour of mechanical junctions from micrometre to subnanometre scale: the friction force scanner | |
JP2016046340A (en) | Charged particle beam device and vibration damping mechanism | |
KR20220161907A (en) | A flexible mechanism for realizing out-of-plane 3 degrees of freedom precision motion | |
US20230257255A1 (en) | A scanning mems mirror device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120910 |