СЗМ (1027633), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Важным преимуществом шаговыхэлектродвигателей является то, что они обеспечивают однозначную зависимостьположения ротора от входных импульсов тока, так что угол поворота ротораопределяется числом управляющих импульсов. В ШЭД вращающий момент создаетсямагнитными потоками, создаваемыми полюсами статора и ротора, которыесоответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статоризготавливается из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколькополюсов. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны изотдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора.
Вращающий моментпропорционален величине магнитного поля, которая определяется током в обмотках иколичеством витков. Если одна из обмоток шагового электродвигателя запитана, то19ротор принимает определенное положение. Выключая ток в данной обмотке и включаяток в другой, можно перевести ротор в следующее положение и т.д. Таким образом,управляя током обмоток, можно осуществлять вращение ротора ШЭД в шаговомрежиме. Он будет находиться в этом положении до тех пор, пока внешнийприложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментомудержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно изследующих положений равновесия.Наиболее простую конструкцию имеют двигатели с постоянными магнитами.Они состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянныемагниты.Нарис.
14представленаупрощеннаяконструкцияшаговогоэлектродвигателя. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму ирасположены параллельно оси двигателя. Показанный на рисунке двигатель имеет3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимыеобмотки, каждая из которых намотана на два противоположные полюса статора.Показанный на рис. 14 двигатель имеет величину шага 30 град. При включении тока водной из обмоток ротор стремится занять такое положение, при котором разноименныеполюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществлениянепрерывного вращения нужно включать обмотки попеременно.Полюса статораОбмотки статора12230ºПолюса ротора1Рис. 14.
Шаговый электродвигатель с постоянными магнитамиНа практике применяются шаговые электродвигатели, имеющие более сложнуюконструкцию и обеспечивающие от 100 до 400 шагов на один оборот ротора (уголшага 3.6 – 0.9 град.). Если такой двигатель работает в паре с резьбовым соединением,то при шаге резьбы порядка 0.1 мм обеспечивается точность позиционированияобъекта порядка 0.25 - 1 мкм.
Для увеличения точности применяются дополнительные20Глава 1. Техника сканирующей зондовой микроскопиимеханические редукторы. Возможность электрического управления позволяетэффективно использовать ШЭД в автоматизированных системах сближения зонда иобразца сканирующих зондовых микроскопов.Шаговые пьезодвигателиТребования хорошей изоляции приборов от внешних вибраций и необходимостьработы зондовых микроскопов в условиях вакуума накладывают серьезныеограничения на применение чисто механических устройств для перемещений зонда иобразца. В связи с этим широкое распространение в зондовых микроскопах получилиустройства на основе пьезоэлектрических преобразователей, позволяющихосуществлять дистанционное управление перемещением объектов.Одна из конструкций шагового инерционного пьезодвигателя приведенана рис.
15. Данное устройство содержит основание (1), на котором закрепленапьезоэлектрическая трубка (2). Трубка имеет электроды (3) на внешней и внутреннейповерхностях. На конце трубки укреплена разрезная пружина (4), представляющаясобой цилиндр с отдельными пружинящими лепестками. В пружине установлендержатель объекта (5) - достаточно массивный цилиндр с полированной поверхностью.Перемещаемый объект может крепиться к держателю с помощью пружины илинакидной гайки, что позволяет устройству работать при любой ориентации впространстве.54На рисунке обозначены:31 – основание;2 – пьезоэлектрическая трубка;3 – электроды;24 – разрезная пружина;5 – цилиндрический держатель объекта.1Рис.
15. Шаговый пьезодвигатель21Устройство работает следующим образом. Для перемещения держателя объектав направлении оси Z к электродам пьезотрубки прикладывается импульсноенапряжение пилообразной формы. Характерная форма импульса управляющегонапряжения приведена на рис. 16.UtРис. 16. Форма импульса управляющего напряжения шагового инерционного пьезодвигателяНа пологом фронте пилообразного напряжения трубка плавно удлиняется илисжимается в зависимости от полярности напряжения, и ее конец вместе с пружиной идержателем объекта смещается на расстояниеl∆l = d 31 U .hВ момент сброса пилообразного напряжения трубка возвращается в исходноеположение с ускорением a , имеющим вначале максимальную величину :a = ∆lω 2 ,гдеусловияω - резонансная частота продольных колебаний трубки.
При выполненииFтр < ma( m - масса держателя объекта, Fтр - сила трения между держателем объекта иразрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзываетотносительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается нанекоторый шагK ∆lотносительно исходного положения. КоэффициентKопределяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезнойпружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходитизменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразныенапряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещатьобъект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующемзондовом микроскопе.22Глава 1.
Техника сканирующей зондовой микроскопии1.4. Защита зондовых микроскопов от внешних воздействийЗащита от вибрацийЛюбая конструкция сканирующего зондового микроскопа представляет собойколебательную систему, имеющую целый набор собственных резонансных частот ω k .Внешние механические воздействия на частотах, совпадающих сω k , вызываютявления резонанса в конструкции измерительных головок, что приводит к колебаниямзонда относительно образца и воспринимается как паразитный периодический шум,искажающий и размывающий СЗМ изображения поверхности образцов. С цельюуменьшения влияния внешних вибраций измерительные головки изготавливают измассивных металлических деталей, имеющих высокие (более 100 кГц) частоты.Наименьшими резонансными частотами обладают сканирующие элементы зондовыхмикроскопов.
В конструкциях современных микроскопов приходится идти накомпромисс между величиной максимального поля обзора сканирующего элемента иего резонансной частотой. Типичными для сканеров являются резонансные частоты вдиапазоне 10 - 100 кГц.Для защиты приборов от внешних вибраций применяются различные типывиброизолирующих систем. Условно виброизолирующие системы можно разделить напассивные и активные. Основная идея, заложенная в пассивные виброизолирующиесистемы, заключается в следующем.
Амплитуда вынужденных колебаниймеханической системы быстро спадает при увеличении разницы между частотойвозбуждающейсилыисобственнойрезонанснойчастотойсистемы(типичная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) колебательной системыприведена на рис. 17).АА0ωω0ωвРис. 17. Схематическое изображение АЧХ колебательной системы.Красным цветом показан спектр внешних вибрацийПоэтому внешние воздействия с частотамиω В >> ω 0 практически неоказывают заметного влияния на колебательную систему. Следовательно, еслипоместить измерительную головку зондового микроскопа на виброизолирующую23платформу или на упругий подвес (рис.
18), то на корпус микроскопа пройдут лишьвнешние колебания с частотами, близкими к резонансной частоте виброизолирующейсистемы. Поскольку собственные частоты головок СЗМ составляют 10 - 100 кГц, то,выбирая резонансную частоту виброизолирующей системы достаточно низкой(порядка 5 - 10 Гц), можно весьма эффективно защитить прибор от внешних вибраций.С целью гашения колебаний на собственных резонансных частотах ввиброизолирующие системы вводят диссипативные элементы с вязким трением.Рис. 18.
Пассивные виброизолирующие системыТаким образом, для обеспечения эффективной защиты необходимо, чтобырезонансная частота виброизолирующей системы была как можно меньше. Однако напрактике реализовать очень низкие частоты трудно. Для пружинных платформ иупругих подвесов резонансная частота равнаω0 =k,mгде k – жесткость пружины (или упругого подвеса), m - массавиброизолирующей платформы вместе с СЗМ головкой. Оценим параметрывиброизолирующей системы, обеспечивающей подавление высокочастотных вибраций.Из условия равновесия следует, чтоmg = k∆l ,где ∆l - удлинение (или сжатие) упругого элемента, g - ускорение свободногопадения. Тогда для величины удлинения получаем:∆l =gmggм( Гц ) 20.25= 2 =≅⋅.kω p (2πν )2ν224Глава 1. Техника сканирующей зондовой микроскопииТаким образом, для получения резонансной частоты виброизолирующейсистемы порядка 1 Гц необходимо, чтобы удлинение (или сжатие) упругого элементасоставляло 25 см. Проще всего такие удлинения можно реализовать с помощьюпружинных или резиновых подвесов.
Учитывая, что растяжение пружин можетдостигать 100%, для реализации резонансной частоты подвеса в 1 Гц длина упругогоэлемента должна составлять также 25 см, а, следовательно, общий размервиброизолирующей системы составит 50 см. Если же немного снизить требования крезонансной частоте, то можно добиться существенного уменьшения размероввиброизолирующей системы. Так, для реализации частоты 10 Гц сжатие упругогоэлемента должно составлять всего 2,5 мм. Такое сжатие достаточно легкоосуществляется на практике с помощью стопки металлических пластин с резиновымипрокладками, что значительно снижает габариты виброизолирующей системы.Для защиты головок СЗМ успешно применяются также активные системыподавлениявнешнихвибраций.Такиеустройствапредставляютсобойэлектромеханические системы с отрицательной обратной связью, которая обеспечиваетстабильное положение виброизолирующей платформы в пространстве (рис.
19).Датчик вибрацийСЗМПлатформаПьезоэлектрическиеопорыСОСОснованиеРис. 19. Схема активной виброизолирующей системыПринцип работы активных систем можно рассмотреть на следующем простомпримере. На платформе располагается датчик вибраций (акселерометр) – устройство,реагирующее на ускорение, испытываемое платформой. Сигнал с датчика поступает всистему обратной связи (СОС), где он усиливается и в противофазе подается напьезоэлектрические опоры, которые, смещаясь в противоположную сторону, гасятускорение, испытываемое платформой.
Это так называемое пропорциональноерегулирование. Действительно, пусть под действием внешней силы платформаколеблется на частоте ω, так что ее смещениеu = u 0 Sin( ωt ) .Тогда ускорение, испытываемое платформой, будет равноu&& = −ω 2 u 0 Sin( ωt ) .25Система обратной связи в этом случае подает на опоры противофазный сигнал, врезультате чего смещение платформы будет представлять собой суперпозицию двухсмещений:u = u 0 Sin( ωt ) − aSin( ωt ) = ( u 0 − a )Sin( ωt ) .При этом система обратной связи будет увеличивать амплитуду сигнала а до техпор, пока не станет равным нулю ускорение платформы:u&& = −ω 2 ( u 0 − a )Sin( ωt ) .Полоса рабочих частот активных систем определяется полосой частотустойчивой работы электромеханической системы обратной связи.
В случаенегармонических вибраций u = u( t ) сигнал с акселерометра два раза интегрируетсяаппаратными средствами и в противофазе подается на пьезоэлектрические опоры, такчто амплитуда колебаний платформы стремится к нулю:u = u( t ) − α ∫∫ u&&( t )dt ⇒ 0 .На практике применяются многоступенчатые конструкции виброизолирующихсистем различного типа, позволяющие существенно повысить степень защитыприборов от внешних вибраций.Защита от акустических шумовЕще одним источником вибраций элементов конструкциимикроскопов являются акустические шумы различной природы.Рис. 20.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
