RU2284464C2 - Precision displacement device - Google Patents
Precision displacement device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2284464C2 RU2284464C2 RU2004138236/28A RU2004138236A RU2284464C2 RU 2284464 C2 RU2284464 C2 RU 2284464C2 RU 2004138236/28 A RU2004138236/28 A RU 2004138236/28A RU 2004138236 A RU2004138236 A RU 2004138236A RU 2284464 C2 RU2284464 C2 RU 2284464C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- plate
- voltage source
- mark
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q40/00—Calibration, e.g. of probes
- G01Q40/02—Calibration standards and methods of fabrication thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/206—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using only longitudinal or thickness displacement, e.g. d33 or d31 type devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/208—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using shear or torsion displacement, e.g. d15 type devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
- Adornments (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в качестве эталона для определения перемещений и линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used as a reference for determining the displacements and linear dimensions of objects in the nanometer range.
Известно устройство для прецизионных перемещений, позволяющее обеспечивать линейное смещение в нанометровом диапазоне (US 4787148 /1/). Известное устройство по своей сущности является усовершенствованием известного микрометра, снабженного двухступенчатым механическим редуктором с соответствующим передаточным числом.A device for precision movements is known, which allows for linear displacement in the nanometer range (US 4787148/1 /). The known device in essence is an improvement of the known micrometer equipped with a two-stage mechanical gearbox with an appropriate gear ratio.
Недостатком известного устройства является относительно невысокая точность задаваемого смещения и невысокая воспроизводимость результатов, что присуще любому механизму, имеющему подвижные узлы и детали.A disadvantage of the known device is the relatively low accuracy of the specified bias and low reproducibility of the results, which is inherent in any mechanism that has moving parts and components.
Известно эталонное устройство, которое используется для тестирования профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Устройство представляет собой монокристаллическую пластину, в которой методами микроэлектронных технологий выполнены ступенчатые углубления с одинаковой фиксированной высотой каждой из ступеней (US 6028008 /2/).A reference device is known which is used for testing profilometers and scanning probe microscopes. The device is a single-crystal plate in which stepped recesses with the same fixed height of each of the steps are made by the methods of microelectronic technologies (US 6028008/2 /).
Передача линейного размера с помощью такого устройства может производиться только при проведении многократных измерений в различных областях поверхности и с последующей математической обработкой результатов измерений.Linear size transmission using such a device can only be carried out when conducting multiple measurements in various areas of the surface and followed by mathematical processing of the measurement results.
Этому устройству присущи определенные недостатки. С помощью него можно измерять линейные смещения только в одном направлении - в глубину. Кроме того, поскольку для изготовления используется метод травления, то точность изготовления высоты ступени может составить несколько атомных слоев, а учитывая, что параметр кристаллической решетки для кремния равен 5,43 Å, то точность высоты ступеней будет отличаться одна от другой на 5-7 нм, что для ряда применений является недопустимым.This device has certain drawbacks. With it, you can measure linear displacements in only one direction - in depth. In addition, since the etching method is used for manufacturing, the accuracy of manufacturing the step height can be several atomic layers, and taking into account that the crystal lattice parameter for silicon is 5.43 Å, the accuracy of the step height will differ from 5 to 7 nm from one another that for a number of applications is unacceptable.
Известно фотоэлектрическое устройство для определения смещения (GB 1063060 /3/). Устройство содержит источник коллимированного светового пучка, фотоприемник и расположенные между источником и фотоприемником две дифракционные решетки с различными периодами и коэффициентами заполнения. При смещении одной решетки относительно другой происходит периодическое перекрытие (или открытие) поперечного сечения светового пучка, что фиксируется фотоприемником.Known photovoltaic device for determining the displacement (GB 1063060/3 /). The device comprises a collimated light beam source, a photodetector, and two diffraction gratings located between the source and the photodetector with different periods and fill factors. When one lattice is shifted relative to another, periodic cross-section (or opening) of the cross section of the light beam occurs, which is detected by the photodetector.
Недостатком известного устройства является то, что измеряется смещение одного объекта относительно другого и каждый из них должен быть снабжен дифракционной решеткой, изготовление которой всегда осуществляется с некоторой погрешностью.A disadvantage of the known device is that the displacement of one object relative to another is measured and each of them must be equipped with a diffraction grating, the manufacture of which is always carried out with some error.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для прецизионного измерения расстояний, которое включает два секционированных электрода, размещенных оппозитно один другому с возможностью перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов. Секции в первом и втором секционированных электродах выполнены одинаковой длины, при этом секции первого из электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения. Второй секционированный электрод выполнен с электрически изолированными одна от другой секциями, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций этого секционированного электрода. Еще один вход упомянутой системы соединен со вторым выходом генератора переменного напряжения, а длина любой из секций первого секционированного электрода выполнена отличной от длины любой из секций второго секционированного электрода на величину, равную заданной разрешающей способности устройства. Технический результат - повышение разрешающей способности устройства до нанометрового диапазона при технологически допустимых ограничениях на выполнение секций электродов по длине (RU 2221217 /4/).Closest to the claimed is a device for precision measurement of distances, which includes two sectioned electrodes placed opposite each other with the ability to move in the direction of changing the area of their mutual overlap while maintaining a constant gap between the reciprocal surfaces of the sections of the said electrodes. The sections in the first and second sectioned electrodes are made of the same length, while the sections of the first of the electrodes are electrically connected to each other and connected to the first output of the alternating voltage generator. The second sectioned electrode is made with sections electrically isolated from one another, each of which is connected to the corresponding input of the system for determining the moment of difference in currents passing through zero in the circuits of two adjacent sections of this sectioned electrode. Another input of the said system is connected to the second output of the alternating voltage generator, and the length of any of the sections of the first sectioned electrode is different from the length of any of the sections of the second sectioned electrode by an amount equal to the specified resolution of the device. The technical result is an increase in the resolution of the device to the nanometer range with technologically permissible restrictions on the execution of the sections of the electrodes along the length (RU 2221217/4 /).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и технологии изготовления, поскольку требуется высокая точность (до одного нанометра) изготовления электродов. Кроме того, из-за необходимости определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций секционированного электрода, возрастают требования к регистрирующей аппаратуре, которая будет вносить недопустимые погрешности в измерениях.A disadvantage of the known device is the complexity of the design and manufacturing technology, because it requires high accuracy (up to one nanometer) of the manufacture of electrodes. In addition, due to the need to determine the moment when the difference between the currents passes through zero in the circuits of two adjacent sections of the sectioned electrode, the requirements for recording equipment increase, which will introduce unacceptable errors in the measurements.
В основу настоящего изобретения была положена задача создания простого устройства, которое позволяло бы осуществлять малые заданные (до долей нанометра) смещения или производить их измерение с такой же точностью в горизонтальной и в вертикальной плоскостях.The basis of the present invention was the task of creating a simple device that would allow small specified (up to fractions of a nanometer) displacement or to measure them with the same accuracy in horizontal and vertical planes.
Это достигается тем, что устройство для прецизионных перемещений содержит пластину из пьезоэлектрического материала с малым гистерезисом с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения.This is achieved by the fact that the device for precision movements contains a plate of piezoelectric material with a small hysteresis with electrodes deposited on its two opposite sides connected to a voltage source.
Наиболее целесообразно выполнять пластину монокристаллической. В зависимости от направления перемещения пластину выполняют с ориентацией кристаллографических осей, обеспечивающей при подаче напряжения на электроды изменение размеров пластины в направлении, параллельном плоскости электродов, или пластину выполняют с ориентацией кристаллографических осей, обеспечивающей при подаче напряжения на электроды изменение размеров пластины в направлении, перпендикулярном плоскости электродов.It is most advisable to perform a single-crystal plate. Depending on the direction of movement, the plate is made with the orientation of the crystallographic axes, which ensures that when the voltage is applied to the electrodes, the plate is resized in the direction parallel to the plane of the electrodes, or the plate is performed with the orientation of the crystallographic axes, which ensures that when the voltage is applied to the electrodes, the plate is changed in the direction perpendicular to the plane electrodes.
Предпочтительно выполнять электроды из материала, стойкого к окислению, и наносить, по крайней мере, на одном из электродов, по крайней мере, одну метку, которая может иметь размеры от одного атома вещества до нескольких сот нанометров. В частных случаях реализации целесообразно наносить поверх электродов защитные слои. В этом случае метку следует наносить на упомянутый защитный слой. При этом защитные слои могут быть выполнены из различных материалов, стойких к механическим воздействиям, например из алмазоподобной пленки или сапфира. В частных случаях реализации целесообразно поверх упомянутых защитных слоев наносить слой электропроводного материала и соединять его с источником напряжения. В этом случае метку следует наносить поверх упомянутого электропроводного слоя.It is preferable to make the electrodes of the material resistant to oxidation, and apply at least one of the electrodes, at least one mark, which can have a size from one atom of the substance to several hundred nanometers. In special cases of implementation, it is advisable to apply protective layers over the electrodes. In this case, the label should be applied to said protective layer. In this case, the protective layers can be made of various materials resistant to mechanical stresses, for example, diamond-like film or sapphire. In particular cases of implementation, it is advisable to apply a layer of electrically conductive material over the protective layers mentioned above and connect it to a voltage source. In this case, the label should be applied over said electrically conductive layer.
В частных случаях реализации могут быть использованы либо источник постоянного напряжения, либо источник импульсного напряжения.In special cases of implementation, either a constant voltage source or a pulse voltage source can be used.
Выполнение устройства для прецизионных перемещений в виде пластины из пьезоэлектрического материала с малым гистерезисом с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения, позволяет при подаче напряжения на электроды обеспечить сверхмалые изменения размеров пьезоэлектрической пластины, а значит и ее смещение. Выполнение пластины из материала с малым гистерезисом позволяет обеспечить возвращение пластины в исходные размеры и положение после снятия напряжения, а следовательно, обеспечить воспроизводимость и высокую точность повторных смещений (измерений). Естественно, чем меньше гистерезис пьезоэлектрического материала, тем выше воспроизводимость перемещений и точность измерений. Соответственно, задавшись желаемой точностью измерений, можно подобрать и материал, имеющий гистерезис, ее обеспечивающий.The implementation of the device for precision displacements in the form of a plate of piezoelectric material with a small hysteresis with electrodes deposited on two opposite sides of it and connected to a voltage source makes it possible to provide ultra-small changes in the size of the piezoelectric plate when voltage is applied to the electrodes, and hence its displacement. The implementation of the plate from a material with a small hysteresis makes it possible to return the plate to its original size and position after stress relief, and therefore, ensure reproducibility and high accuracy of repeated displacements (measurements). Naturally, the smaller the hysteresis of the piezoelectric material, the higher the reproducibility of the movements and the accuracy of the measurements. Accordingly, having asked the desired measurement accuracy, it is possible to select a material having a hysteresis that provides it.
Наименьшим гистерезисом при обратном пьезоэлектрическом эффекте обладают монокристаллы, поэтому наиболее целесообразно выполнять пластину из монокристаллического пьезоэлектрического материала.Single crystals have the smallest hysteresis in the inverse piezoelectric effect; therefore, it is most expedient to make a plate from a single-crystal piezoelectric material.
При этом можно подобрать ориентацию кристаллографических осей монокристалла таким образом, что изменение размеров пластины (смещение ее поверхности) будет происходить преимущественно в одном направлении.In this case, it is possible to select the orientation of the crystallographic axes of the single crystal in such a way that a change in the size of the plate (displacement of its surface) will occur mainly in one direction.
Например, в частном случае реализации можно вырезать пластину из монокристалла таким образом, что при подаче напряжения на электроды, если пластина закреплена неподвижно на одной из своих поверхностей, снабженных электродом, вторая, свободная поверхность, сместится в направлении, параллельном плоскости электродов.For example, in the particular case of implementation, it is possible to cut a plate from a single crystal in such a way that when voltage is applied to the electrodes, if the plate is fixed motionless on one of its surfaces provided with an electrode, the second, free surface will shift in a direction parallel to the plane of the electrodes.
В другом варианте реализации можно вырезать пластину так, что будет происходить изменение ее размеров (и соответственно смещение) в направлении, перпендикулярном плоскости электродов. Для того чтобы обеспечить длительную эксплуатацию устройства на воздухе и в агрессивных газовых средах, целесообразно выполнять электроды из материала, стойкого к окислению, например из золота, серебра, металлов платиновой группы.In another embodiment, the plate can be cut so that there will be a change in its size (and, accordingly, displacement) in the direction perpendicular to the plane of the electrodes. In order to ensure long-term operation of the device in air and in aggressive gas environments, it is advisable to make the electrodes from a material resistant to oxidation, for example, from gold, silver, platinum group metals.
Величину смещения можно определять, привязавшись к какому-либо дефекту на поверхности, которая подвергается смещению при подаче напряжения на электроды, поскольку любая поверхность имеет дефекты, размер которых может колебаться от одного атома до нескольких сот нанометров. Для удобства использования целесообразно поместить на смещаемой поверхности контрастную, легко обнаруживаемую метку. Например, это может быть посаженный с помощью зондового микроскопа атом вещества, отличного от вещества электрода и вещества кристалла или группа атомов. Метка может быть напылена через маску или может быть нанесена линейка меток, расположенных на равном или различном расстоянии друг от друга (например, линейная или логарифмическая шкалы) и их размер может достигать нескольких сот нанометров.The magnitude of the displacement can be determined by binding to any defect on the surface that undergoes displacement when voltage is applied to the electrodes, since any surface has defects whose size can range from one atom to several hundred nanometers. For ease of use, it is advisable to place a contrasting, easily detectable mark on the displaced surface. For example, it can be an atom of a substance other than the substance of the electrode and the substance of the crystal, or a group of atoms, planted using a probe microscope. A mark can be sprayed through a mask or a line of marks can be applied that are located at equal or different distances from each other (for example, a linear or logarithmic scale) and their size can reach several hundred nanometers.
Введение дополнительного защитного слоя позволяет обеспечить механическую защиту поверхности устройства, покрытой электродом, и избежать повреждений монокристаллической пластины. Нанесение электропроводного материала поверх защитного слоя и его соединение с источником напряжения расширяет функциональные возможности устройства, обеспечивая независимость подачи напряжения на электроды, размещенные на монокристаллической пластине (для обеспечения заданного перемещения), и напряжения на упомянутый электропроводящий слой для создания заданной разности потенциалов между зондом и поверхностью эталона.The introduction of an additional protective layer allows providing mechanical protection of the surface of the device coated with the electrode and avoiding damage to the single-crystal plate. The application of an electrically conductive material on top of the protective layer and its connection with a voltage source expands the functionality of the device, ensuring the independence of applying voltage to the electrodes placed on the single crystal plate (to ensure a given movement) and voltage on the said electrically conductive layer to create a given potential difference between the probe and the surface reference.
Использование импульсного источника напряжения позволяет расширить функциональные возможности устройства, в частности с его помощью становится возможным определять быстродействие системы стабилизации зазора зондового микроскопа, обеспечивающей постоянство зазора между вершиной зонда и поверхностью устройства. Действительно, если на электроды устройства, обеспечивающего перемещение в направлении, перпендикулярном плоскости электродов, подать импульс напряжения с фронтом нарастания порядка 10-6 сек, то, учитывая малую толщину устройства (1 мм), за время меньшее 10-5 сек произойдет смещение метки и изменится величина зазора. А если следящая система настроена удерживать заданное расстояние от поверхности устройства до зонда, то можно измерить время, когда зонд вернется на это расстояние.Using a pulsed voltage source allows you to expand the functionality of the device, in particular with it it becomes possible to determine the performance of the stabilization system of the probe microscope gap, ensuring a constant gap between the tip of the probe and the surface of the device. Indeed, if a voltage pulse with a rise front of the order of 10 -6 sec is applied to the electrodes of the device providing movement in the direction perpendicular to the plane of the electrodes, then, given the small thickness of the device (1 mm), a mark will shift in a time less than 10 -5 sec and the gap will change. And if the tracking system is configured to maintain a predetermined distance from the surface of the device to the probe, then you can measure the time when the probe returns to this distance.
Сущность заявляемого устройства для прецизионных перемещений поясняется примерами реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:The essence of the claimed device for precision movements is illustrated by examples of implementation and the accompanying drawings, in which:
- Фиг.1 - изображает общий вид устройства;- Figure 1 - depicts a General view of the device;
- Фиг.2 - изображает фазы работы устройства при смещении в направлении, параллельном плоскости электродов;- Figure 2 - depicts the phases of the device when displaced in a direction parallel to the plane of the electrodes;
- Фиг.3 - изображает фазы работы устройства при смещении в направлении, перпендикулярном плоскости электродов;- Figure 3 - depicts the phases of the device when displaced in a direction perpendicular to the plane of the electrodes;
- Фиг.4а и 4b - изображают варианты реализации устройства с защитным слоем и с защитным слоем и дополнительным электропроводным слоем.- Figa and 4b - depict embodiments of the device with a protective layer and with a protective layer and an additional conductive layer.
Пример 1. Устройство для прецизионных перемещений содержит пластину 1 из пьезоэлектрического материала с малым гистерезисом. В качестве такого материала могут быть использованы монокристаллы ниобата лития, танталата лития, ниобата бария-стронция, ниобата бария-натрия и других, обладающих пьезоэффектом. На две противоположные стороны пластины 1 известными методами (например, напылением в вакууме или осаждением из газовой фазы) наносят электроды 2 из золота, серебра или других электропроводных материалов, стойких к окислению. На поверхность одного из электродов наносят одну (или несколько) меток 3. При использовании устройства его закрепляют на основании 4 или обрабатываемом объекте, или размещают в тестируемом измерительном устройстве. Электроды известным образом подключают к источнику напряжения (не показан), который может быть выбран из числа известных. В частных случаях реализации поверх электрода наносят защитный слой 5 из сапфира или выполняют его из алмазоподобного материала. Еще в одном частном случае реализации поверх защитного слоя наносят электропроводный слой по той же технологии и из тех же материалов, что и электроды 2.Example 1. A device for precision movements contains a plate 1 of a piezoelectric material with a small hysteresis. As such material, single crystals of lithium niobate, lithium tantalate, barium-strontium niobate, barium-sodium niobate and others with a piezoelectric effect can be used.
Устройство используется следующим образом.The device is used as follows.
Сначала измеряют зависимость изменения размеров пьезоэлектрической пластины от прикладываемого к электродам напряжения, т.е. строят градуировочный график. Построение градуировочного графика производится путем подачи на электроды устройства фиксированного напряжения и измерения соответствующего перемещения поверхности пьезоэлектрической пластины.First, the dependence of the size change of the piezoelectric plate on the voltage applied to the electrodes is measured, i.e. build a calibration schedule. The calibration graph is constructed by applying a fixed voltage to the electrodes of the device and measuring the corresponding displacement of the surface of the piezoelectric plate.
Измерение перемещения производится известными методами с помощью эталонной 3D лазерной интерферометрической системы измерения наноперемещений (на основе атомно-силового микроскопа и 3-х лазерных интерферометров).The measurement of displacement is carried out by known methods using a reference 3D laser interferometric system for measuring nanoscale displacements (based on an atomic force microscope and 3 laser interferometers).
Для измерения перемещения перпендикулярно поверхности электродов размещают устройство, обеспечивающее перемещение в направлении, перпендикулярном плоскости электродов в системе измерения наноперемещений, подводят к поверхности устройства зонд микроскопа на расстояние, при котором работает система стабилизации зазора, подают напряжение на устройство и измеряют расстояние, на которое переместилась поверхность устройства при подаче напряжения. Далее изменяют величину подаваемого напряжения и снова производят измерение величины перемещения поверхности устройства.To measure the displacement perpendicular to the surface of the electrodes, a device is arranged that provides displacement in the direction perpendicular to the plane of the electrodes in the nanoscale measuring system, a microscope probe is brought to the surface of the device at a distance at which the gap stabilization system operates, voltage is applied to the device, and the distance that the surface has moved is measured devices when voltage is applied. Next, change the magnitude of the applied voltage and again measure the magnitude of the displacement of the surface of the device.
В результате многократных измерений перемещений, выполненных при различных значениях напряжения, составляется таблица результатов экспериментальных измерений, на основе которой строится градуировочный график зависимости величины перемещения поверхности устройства в направлении, перпендикулярном плоскости электродов, от величины приложенного напряжения.As a result of multiple measurements of displacements performed at different voltage values, a table of experimental measurements is compiled, based on which a calibration graph is plotted against the magnitude of the displacement of the surface of the device in the direction perpendicular to the plane of the electrodes on the value of the applied voltage.
При измерении перемещения параллельно плоскости электродов измерения производятся путем размещения устройства, обеспечивающего перемещение в направлении, параллельном плоскости электродов, подвода зонда микроскопа на расстояние, при котором работает система стабилизации зазора, к поверхности метки, сканирования поверхности в области расположения метки, подачи напряжения на устройство, повторного сканирования поверхности в том же режиме и измерения расстояния, на которое переместилась метка при подаче напряжения. Далее изменяют величину подаваемого напряжения и снова производят измерение величины перемещения метки на поверхности устройства. В результате многократных измерений перемещений, выполненных при различных значениях напряжения, составляется таблица результатов экспериментальных измерений, на основе которой строится градуировочный график зависимости величины перемещения метки на поверхности устройства в направлении, параллельном плоскости электродов, от величины приложенного напряжения.When measuring the movement parallel to the plane of the electrodes, measurements are made by placing a device that provides movement in a direction parallel to the plane of the electrodes, supplying the microscope probe to the distance at which the gap stabilization system works to the mark surface, scanning the surface in the mark location area, applying voltage to the device, re-scanning the surface in the same mode and measuring the distance that the mark moved when voltage was applied. Next, change the magnitude of the applied voltage and again measure the amount of movement of the mark on the surface of the device. As a result of multiple measurements of displacements performed at different voltage values, a table of experimental measurements is compiled, based on which a calibration graph is constructed of the magnitude of the movement of the mark on the surface of the device in a direction parallel to the plane of the electrodes on the magnitude of the applied voltage.
С помощью предлагаемого устройства, используемого в качестве эталона, можно градуировать различную измерительную аппаратуру, которая должна обеспечивать измерения в двух взаимноперпендикулярных направлениях.Using the proposed device used as a reference, it is possible to graduate various measuring equipment, which should provide measurements in two mutually perpendicular directions.
Для градуировки какого-либо прибора (например, зондового микроскопа) по нормали или горизонтали к исследуемой поверхности предлагаемое устройство для прецизионных перемещений (обеспечивающее перемещение по нормали или по горизонтали к плоскости электродов соответственно) размещается в нем. Например, если нужно проградуировать сканирующий зондовый микроскоп, то устройство размещают на предметном столике сканирующего зондового микроскопа и подводят к поверхности устройства с меткой зонд на расстояние зазора (порядка 0.5 нм) между вершиной зонда и поверхностью устройства, при котором работает система стабилизации. Стабилизация зазора может осуществляться путем стабилизации туннельного тока (при работе в режиме туннельной микроскопии) или путем стабилизации величины силы, воздействующей на зонд (при работе в режиме атомно-силовой микроскопии). Стабилизация зазора осуществляется электронной системой управления, осуществляющей сравнение сигналов с измерительных устройств с заданными величинами и вырабатывающей управляющие сигналы на исполнительные устройства.To calibrate a device (for example, a probe microscope) along the normal or horizontal to the investigated surface, the proposed device for precision movements (providing movement along the normal or horizontal to the plane of the electrodes, respectively) is placed in it. For example, if you want to calibrate a scanning probe microscope, the device is placed on the stage of a scanning probe microscope and brought to the surface of the device with a probe mark at a gap distance (of the order of 0.5 nm) between the tip of the probe and the surface of the device at which the stabilization system operates. The stabilization of the gap can be achieved by stabilizing the tunneling current (when operating in tunnel microscopy mode) or by stabilizing the magnitude of the force acting on the probe (when operating in atomic force microscopy mode). The gap is stabilized by an electronic control system that compares the signals from the measuring devices with the given values and generates control signals to the actuators.
При градуировке тестируемого измерительного устройства по вертикали, на устройство для прецизионных перемещений, обеспечивающее перемещение по вертикали, на электроды подается фиксированное напряжение. При этом поверхность устройства перемещается на расстояние, величина которого определяется по градуировочной таблице. Система стабилизации зазора обеспечивает соответствующее перемещение зонда на то же расстояние, на которое перемещается поверхность образца. Величина перемещения зонда измеряется измерительными устройствами зондового микроскопа. Таким способом величине показаний измерительных приборов зондового микроскопа, измеряющих расстояние, на которое перемещается зонд, ставится в соответствие величина расстояния, известная из градуировочной кривой, на которое перемещается поверхность устройства. Далее напряжение, подаваемое на устройство, изменяется и процесс измерения повторяется. В результате проведения ряда измерений при различных значениях напряжения составляется таблица соответствия величины перемещения устройства и показаний устройств зондового микроскопа, измеряющих перемещение зонда.When calibrating the tested measuring device vertically, a fixed voltage is applied to the electrodes to the device for precision movements, providing vertical movement, to the electrodes. In this case, the surface of the device moves a distance, the value of which is determined by the calibration table. The gap stabilization system ensures that the probe moves appropriately at the same distance that the sample surface moves. The amount of probe movement is measured by the measuring devices of the probe microscope. In this way, the magnitude of the readings known from the calibration curve by which the surface of the device is associated with the value of the readings of the measuring instruments of the probe microscope, measuring the distance over which the probe moves. Further, the voltage supplied to the device changes and the measurement process is repeated. As a result of a series of measurements at various voltage values, a table is compiled of the correspondence of the displacement of the device and the readings of the probe microscope devices that measure the displacement of the probe.
При градуировке измеряемого устройства по горизонтали в плоскости, параллельной плоскости электродов, зонд микроскопа подводится к метке, производится сканирование поверхности в области расположения метки и на устройство для прецизионных перемещений, обеспечивающее перемещение по горизонтали к плоскости электродов, подается фиксированное напряжение. При этом поверхность устройства перемещается на расстояние, величина которого определяется по градуировочной таблице.When calibrating the measured device horizontally in a plane parallel to the plane of the electrodes, the microscope probe is brought to the mark, the surface is scanned in the area of the mark and the device for precision movements, which provides horizontal movement to the plane of the electrodes, is supplied with a fixed voltage. In this case, the surface of the device moves a distance, the value of which is determined by the calibration table.
Повторное сканирование зондом микроскопа по поверхности устройства с меткой и сравнение результатов повторного сканирования с предыдущими позволяет произвести измерение ее перемещения измерительными приборами зондового микроскопа.Repeated scanning by a probe of a microscope over the surface of the device with a mark and comparing the results of repeated scanning with the previous ones makes it possible to measure its displacement with measuring instruments of a probe microscope.
Таким способом величине показаний измерительных приборов зондового микроскопа, измеряющих расстояние, на которое переместилась метка, ставится в соответствие величина перемещения метки, известная из градуировочной кривой. Далее напряжение, подаваемое на устройство, изменяется и процесс измерения повторяется. В результате проведения ряда измерений при различных значениях напряжения составляется таблица соответствия величины перемещения метки и показаний приборов зондового микроскопа, измеряющих ее перемещение.In this way, the magnitude of the readings of the measuring instruments of the probe microscope, measuring the distance by which the mark has moved, is associated with the magnitude of the movement of the mark, known from the calibration curve. Further, the voltage supplied to the device changes and the measurement process is repeated. As a result of a series of measurements at various voltage values, a table is compiled of the correspondence between the magnitude of the displacement of the mark and the readings of the probe microscope instruments measuring its displacement.
Пример 2. Изготовленное устройство для прецизионных измерений представляет собой пластину 1 из монокристалла ниобата лития размером 10×10×1 мм. В зависимости от назначения - перемещения по вертикали или по нормали к плоскости электродов использовались пластины с соответствующей ориентацией кристаллографических осей. На две противоположные поверхности 10×10 мм были нанесены методом магнетронного распыления электроды 2 из золота толщиной 0.1 мкм. Устройство было закреплено на основании 4, представляющем собой параллелепипед из электроизолятора типа поликор размером 30 × 30 мм × 2 мм. На электроде, обращенном наружу, была нанесена проводящая алмазоподобная пленка 5 толщиной 10 нм с нанесенной на нее углеродной меткой 3 с размером 3×3×1 нм, которая наносилась методом локального осаждения из газовой фазы в зондовой нанотехнологической установке. Поскольку алмазоподобная пленка и углеродная метка являлись электропроводными, дополнительный слой электропроводного материала не наносился.Example 2. The manufactured device for precision measurements is a plate 1 of a single crystal of lithium niobate 10 × 10 × 1 mm in size. Depending on the purpose — vertical or normal displacement to the plane of the electrodes, plates with the corresponding orientation of the crystallographic axes were used. On two opposite surfaces 10 × 10 mm were applied by
К поверхности устройства для прецизионных перемещений, закрепленного на предметном столе, подводился зонд сканирующего зондового микроскопа. При градуировке тестируемого зондового микроскопа по вертикали на устройство, обеспечивающее перемещение по вертикали в плоскости электродов, подавалось напряжение 100 В и производилось измерение вертикального перемещения зонда микроскопа. Данная величина приравнивалась к величине перемещения устройства при напряжении в 100 вольт, взятой из градуировочного графика данного устройства.A probe probe microscope was connected to the surface of the device for precision displacements mounted on the object table. When calibrating the tested probe microscope vertically, a voltage of 100 V was applied to the device that provided vertical movement in the plane of the electrodes and the vertical movement of the microscope probe was measured. This value was equal to the amount of movement of the device at a voltage of 100 volts, taken from the calibration graph of this device.
При градуировке тестируемого зондового микроскопа по горизонтали к устройству, обеспечивающему перемещение по горизонтали в плоскости электродов, подводился зонд микроскопа и осуществлялось сканирование в диапазоне 100×100 нм. На наблюдаемой картине определялось местоположение метки, как наиболее характерного объекта с максимально резкими границами, и на ней компьютерным образом измерялось положение характерной точки. Далее на устройство подавалось управляющее напряжение в 100 вольт и производилось дополнительное сканирование поверхности (в том же режиме, что и ранее). В результате наблюдалось смещение картины и соответствующей характерной точки. Величина измеренного в микроскопе перемещения характерной точки (метки) приравнивалась к величине горизонтального перемещения метки, взятой из градуировочного графика данного устройства.When calibrating the tested probe microscope horizontally, a microscope probe was supplied to the device that provided horizontal movement in the plane of the electrodes and scanning was performed in the range 100 × 100 nm. In the observed pattern, the location of the mark was determined as the most characteristic object with the sharpest boundaries, and on it the position of the characteristic point was measured in a computer way. Next, a control voltage of 100 volts was applied to the device and an additional surface scan was performed (in the same mode as before). As a result, a shift in the pattern and the corresponding characteristic point was observed. The magnitude of the displacement of the characteristic point (mark) measured in the microscope was equal to the horizontal displacement of the mark taken from the calibration graph of this device.
Пример 3. Устройство для прецизионных измерений, обеспечивающее перемещение по вертикали к поверхности электродов, описанное в примере 2, устанавливалось вместе со своим основанием на предметный столик сканирующего зондового микроскопа и подключалось к источнику импульсного напряжения, позволяющему формировать импульсы напряжения квазипрямоугольной формы величиной до 100 вольт, длительностью 1 мс, фронтом нарастания импульса в 1 мкс, со скважностью до 1000. При проведении экспериментов на электроды устройства подавалось напряжение 50 В с периодом 0.1 с. В результате изменения положения поверхности устройства система стабилизации зазора зондового микроскопа изменяла положение зонда за время, равное времени реакции следящей системы, составившем 200 мкс.Example 3. The device for precision measurements, providing vertical movement to the surface of the electrodes described in example 2, was installed together with its base on the stage of a scanning probe microscope and connected to a pulse voltage source, which allows the formation of voltage pulses of quasi-rectangular shape up to 100 volts, with a duration of 1 ms, a pulse rise front of 1 μs, with a duty cycle of up to 1000. During experiments, a voltage of 50 V s With a period of 0.1 s. As a result of changing the position of the surface of the device, the stabilization system of the probe microscope gap changed the position of the probe in a time equal to the reaction time of the tracking system, which amounted to 200 μs.
Claims (12)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004138236/28A RU2284464C2 (en) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | Precision displacement device |
| PCT/RU2005/000417 WO2006083191A1 (en) | 2004-12-28 | 2005-08-15 | Accurately displacing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004138236/28A RU2284464C2 (en) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | Precision displacement device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004138236A RU2004138236A (en) | 2006-06-10 |
| RU2284464C2 true RU2284464C2 (en) | 2006-09-27 |
Family
ID=36712377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004138236/28A RU2284464C2 (en) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | Precision displacement device |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2284464C2 (en) |
| WO (1) | WO2006083191A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140152151A1 (en) * | 2011-06-01 | 2014-06-05 | Alexander Potemkin | Device for Precision Displacement |
| RU2538024C1 (en) * | 2013-07-03 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Центр перспективных технологий" | Calibration standard for profile meters and scanning probe microscopes |
| RU2626024C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-07-21 | Владимир Александрович Жаботинский | Precision movements device |
| RU2626194C1 (en) * | 2016-04-21 | 2017-07-24 | Владимир Александрович Жаботинский | Standard for calibrating optical devices |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU547795A1 (en) * | 1975-10-17 | 1977-02-25 | Light Valve Indicator | |
| SU957322A1 (en) * | 1981-02-23 | 1982-09-07 | Предприятие П/Я В-8657 | Device for base orientation |
| RU2035252C1 (en) * | 1991-01-10 | 1995-05-20 | Федоров Евгений Александрович | Manufacture technique of metal copies of post stamps |
| RU2001969C1 (en) * | 1991-03-25 | 1993-10-30 | Сергей Алексеевич Воронов | Method of application of protective coating in vacuum |
| RU2022433C1 (en) * | 1991-06-03 | 1994-10-30 | Сергей Михайлович Малинин | Method of controlling optical radiation modulator |
| US5679952A (en) * | 1994-05-23 | 1997-10-21 | Hitachi, Ltd. | Scanning probe microscope |
| RU2233354C1 (en) * | 2003-07-22 | 2004-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт стали и сплавов" (технологический университет) | Process for making piezoelectric multidomain -structure monocrystals for precise positioning devices |
-
2004
- 2004-12-28 RU RU2004138236/28A patent/RU2284464C2/en not_active IP Right Cessation
-
2005
- 2005-08-15 WO PCT/RU2005/000417 patent/WO2006083191A1/en active Application Filing
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| КУРТ С. ЛИОН. Приборы для научных исследований. Электрические входные преобразователи. - М.: Машиностроение, 1964, с.72-80. /Под ред. П.В.НОВИЦКОГО. Электрические измерения неэлектрических величин. - Л.: Энергия, 1975, с.272-276. * |
| МЕЛЬНИКОВ В.Е. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА БАЗЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140152151A1 (en) * | 2011-06-01 | 2014-06-05 | Alexander Potemkin | Device for Precision Displacement |
| US9640751B2 (en) * | 2011-06-01 | 2017-05-02 | Alexander Potemkin | Device for precision displacement |
| RU2538024C1 (en) * | 2013-07-03 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Центр перспективных технологий" | Calibration standard for profile meters and scanning probe microscopes |
| RU2626024C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-07-21 | Владимир Александрович Жаботинский | Precision movements device |
| RU2626194C1 (en) * | 2016-04-21 | 2017-07-24 | Владимир Александрович Жаботинский | Standard for calibrating optical devices |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004138236A (en) | 2006-06-10 |
| WO2006083191A1 (en) | 2006-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5321977A (en) | Integrated tip strain sensor for use in combination with a single axis atomic force microscope | |
| EP1032828B1 (en) | Electrostatic force detector with cantilever for an electrostatic force microscope | |
| US5920067A (en) | Monocrystalline test and reference structures, and use for calibrating instruments | |
| JP2008070373A (en) | Multi-dimensional capacitive transducer | |
| EP1135691B1 (en) | Electrostatic force detector with cantilever and shield | |
| KR100367535B1 (en) | Integrated circuit manufacturing method | |
| IT1090530B (en) | MICROMETRIC SCALE FOR ELECTRONIC SCANNING MICROSCOPE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE | |
| WO2006083191A1 (en) | Accurately displacing device | |
| US20170236992A1 (en) | Device for Precision Displacement | |
| KR20010073134A (en) | Measurements using tunneling current between elongate conductors | |
| JP3675406B2 (en) | Micromaterial testing apparatus and mechanical property evaluation method using the same | |
| JP2001296229A (en) | Scanning probe microscope | |
| RU164856U1 (en) | STANDARD OF PRECISION MOVEMENTS | |
| RU2626194C1 (en) | Standard for calibrating optical devices | |
| RU2626024C1 (en) | Precision movements device | |
| JPH06258072A (en) | Piezoelectric element thin film evaluating apparatus, interatomic force microscope | |
| Lin et al. | Calibration of standards for precision pitch measurement in the nanometre region by combined scanning tunnelling microscopy and x-ray interferometry | |
| Babij et al. | MEMS displacement generator for atomic force microscopy metrology | |
| RU163173U1 (en) | DEVICE FOR CALIBRATION OF OPTICAL INSTRUMENTS | |
| JP2006226975A (en) | Minute force measuring instrument, minute force measuring method, and palpation device | |
| JP2005201908A (en) | Micro material testing apparatus | |
| Sawanta et al. | Design and Development of an Experimental Setup for Characterization of Piezoelectric Actuators for Scanning Tunneling Microscope | |
| JP2694783B2 (en) | Atomic force microscope | |
| Bowen | Calibration of linear transducers by x-ray interferometry | |
| JPH04361110A (en) | Interatomic force microscope/scanning type tunnel microscope and controlling method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20061229 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141229 |