Диссертация (1091101), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Верхний и нижние электроды разделены на независимые правую илевую секции, а также узкий центральный проводник, завершающийся наконечником зонда СТМ. Диэлектрические слои из нитрида кремния, выполненногоPECVD-методом (осаждением из газовой фазы), позволяют уменьшить утечки иповысить напряжение пробоя [67, с.
577].а)б)Рисунок 1.16 – Конструкция микромеханического СТМ: а) – общий вид устройства; б) – схема поперечного сеченияНа рисунке 1.17 представлены четыре вида движения пьезоэлектрическогобиморфного актюатора (кантилевера) с четырьмя секциями.47Рисунок 1.17 – Схема движений биморфного пьезоактюатораЗдесь показано: а) – приложение одинакового поля ко всем четырем пьезоэлектрическим секциям вызывает продольное расширение или сокращение; б) –приложение электрических полей разных знаков к левой и правой частям конструкции вызывает изгиб в горизонтальной плоскости; в) – приложение полейразных знаков к верхней и нижней частям вызывает изгиб кантилевера в вертикальной плоскости; г) – приложение полей разных знаков к элементам, находящимся по диагонали друг от друга вызывает кручение кантилевера [67].Размеры устройства достаточно малы и составляют 1000х200х8 мкм, обеспечивая превосходное сопротивление температурным и вибрационным возмущениям [67].Поскольку изготовление устройства совместимо с интегральными технологиями, управляющая электроника может быть размещена на одной подложке скантилевером.
Например, для сканирующего биморфного кантилевера, движущегося над поверхностью образца со слабой силой отталкивания, биморф можетбыть использован для обнаружения отклонений кантилевера, таким образом, являясь интегрированным АСМ датчиком. Изготовление массива близкорасполо-48женных миниатюрных СЗМ-модулей поможет решить проблему ограниченнойскорости чтения/записи в устройствах СЗМ [67].В патенте США US 5524354 [79] описан пьезоэлектрический сканер, осуществляющий трехкоординатное перемещение: диапазон перемещений в плоскости XY составляет 100 мкм, в осевом Z направлении – 10 мкм.Одними из наиболее распространенных и перспективных являются пьезосканеры на основе трубчатых пьезоэлементов.Пьезоэлектрические трубчатые сканеры широко применяются в современных зондовых микроскопах.Достоинствами данного вида пьезоэлементов является более высокая посравнению с аналогами скорость и точность, большие величины коэффициентовпреобразования и более высокие резонансные частоты, а также меньшие размеры,упрощающие виброизоляцию устройства.Недостатками являются: возникновение механических колебаний при сканировании, гистерезис, ползучесть и температурный дрейф.В патенте США US 2005/0269915 A1 [80] предложена конструкция трубчатого пьезопреобразователя.
Данное изобретение относится к нанопозиционирующим устройствам с большим ходом, включающим: пьезоэлектрическую трубку,кварцевый стержень, два зафиксированных крепления, расположенных на концахпьезотрубки и пьезоэлектрический актюатор.В работе [81] использован трубчатый пьезосканер из PZT-5H с четырьмявнешними электродами и одним внутренним, длиной 51 мм, внешним диаметром6,35 мм и толщиной стенки 0,51 мм (фирма Stanley Sensors). Максимальный диапазон сканирования (при напряжении +/– 200 В на внешних электродах) примерно 160 мкм при температуре 293 К. Трубка сканера расположена внутри отверстияв цилиндрическом основании из материала с низким ТКЛР.В работе [82] рассмотрен трубчатый пьезосканер с четырьмя внешнимиэлектродами и одним внутренним электродом (EBL-3, длина 50,8 мм, внешнийдиаметр трубки 6,4 мм, толщина стенки 0,5 мм).
На внешние электроды приложено напряжение 200 В, максимальный диапазон сканирования 160 мкм (при Т =49293 К), 50 мкм при Т = 77 К и 30 мкм при Т = 4,2 К. Пьезосканер приклеен эпоксидной смолой на основу из стеклокерамики, закрепленную в держателе сканера.На основе трубчатых пьезоэлементов разработаны пьезосканеры конструкции Пэна (Pan) [80], жучкового типа («Вeetle type») [83] и аналогичные, работающие на инерционном принципе. В системах грубого перемещения используютсяпьезодвигатели «шагающего» и «ползункового» типов («Walker», «Inchworm»,«Сoala-drive» и т.п.), а также электромеханические приводы других типов.В настоящее время на рынке представлено множество коммерческих серийно производимых СТМ фирм Digital Instruments, Quesant, Veeco Instruments, NTMDT, AIST и др.В работе [84] представлен СТМ для работы в условиях низких температур,высокого вакуума и сильных магнитных полей (рисунок 1.18).Рисунок 1.18 – Схема головки СТМ (не в масштабе), держатель образца непоказан: а) – вид сверху; б) – вид в сечении, показанном пунктирной линией:1 – корпус из макора; 2 – сдвиговые пьезостеки; 3 – алюминиевые контакты;4 – сапфировая призма; 5 – вставка из макора в сканирующем модуле; 6 – трубчатый пьезосканер; 7 – упругая пластина из сплава Be-Cu; 8 – сапфировый шарик.Для компенсации нежелательных шумов была использована модифицированная конструкция Пэна (Pan) [80].
В данной конструкции в качестве механизма50грубого позиционирования использован скачкообразный «slip-stick» двигатель,использующий трение между контактирующими деталями.Головка СТМ состоит из основания (1) (материал – Macor), шести пьезостеков (2) (материал – EBL-2, толщина 1 мм) с пластинчатыми контактами из оксида алюминия (3), сапфировую призму (4) с закрепленным внутри нее сканирующим модулем и упругой пластины из сплава Be-Cu (7). Сканирующий модуль состоит из вставки (5) (материал – Macor), трубчатого пьезосканера (6) (размерытрубки: длина 15,2 мм; внешний диаметр 3 мм; толщина стенки 0,5 мм; материалEBL-2 (тип PZT-5A) , d31 = -1,73 Å/В; d33 = 3,8 Å/В; ε = 1725; Е = 63000 МПа, ТК =350°С; ρ = 7500 кг/м3; Q = 100; ν = 0,31) и металлического держателя иглы.
Иглавыполнена из платино-иридиевого сплава.Металлический держатель иглы закреплен в центре трубчатого пьезосканера. Сканер склеен с вставкой из макора при помощи эпоксидного клея (марки TorrSeal).Вставка из макора плотно посажена в центральное отверстие сапфировойпризмы, и сканирующий модуль заблокирован внутри сапфира с помощью винтови эпоксидного клея Torr Seal. При нажатии вниз сапфирового шарика (8) диаметром 3,2 мм (8) напротив верхней части основания (1), упругая пластина из сплаваBe-Cu (7) фиксирует сапфировую призму между шестью пьезостеками. Все материалы являются немагнитными и совместимыми с высоким вакуумом. Общие габариты головки СТМ составляют около 37 мм в диаметре и 51 мм в высоту.Для перемещения сапфирового элемента на шаг вперед необходимо последовательно прикладывать к каждому из шести пьезостеков напряжение пилообразной формы.
Подача напряжения на один пьезоэлемент приводит к резкому сокращению его длины, в то же время, призма остается в неподвижном состоянии засчет действия сил трения от остальных элементов. После того, как каждый пьезоэлемент сместится вниз, напряжение снимается и пьезоэлементы восстанавливаютисходную форму, перемещая сапфировый элемент вверх на один шаг. Длина шагаопределяется сдвиговым пьезомодулем (800 пм/В при комнатной температуре(293 К) и 150 пм/В при температуре 4,2 К), величиной приложенного напряжения51и количеством пьезоэлементов в стеке. Обычно, при комнатной температуре,один шаг грубого позиционирования составляет примерно 0,4-0,8 мкм при приложении напряжения от 150 до 300 В, в то время как диапазон перемещения ввертикальном направлении пьезотрубки составляет около 1 мкм, что больше, чемразмер шага грубого позиционирования.Основная проблема при использовании трубчатых пьезосканеров – сканирование по сферической поверхности (погрешность Аббе) [85].ПогрешностьсмещенияАббе[86]происходитиз-заизгибаZ-пьезоманипулятора в процессе сканирования и некоторой, в зависимости от того,чем производят сканирование образцом или иглой, толщины образца или длиныиглы.
Например, абсолютная погрешность смещения Аббе для иглы длиной 5 ммпри перемещении от одного края к другому на поле 7×7 мкм2 точного манипулятора с длиной трубки 32 мм составляет около 1,1 мкм. Ни толщина образца, нидлина иглы заранее, как правило, точно неизвестны [86]. При этом пьезотрубка сзондом-иглой располагается в метрологическом боксе, который изготавливаетсяиз материалов с малым коэффициентом теплового расширения, таких как инвар (α= 0,1·10-6 K-1), плавленый кварц (α = 0,6 10-6 K-1), Церодур (Zerodur, α = 0,05·10-6K-1) [86].Одним из вариантов улучшения характеристик трубчатых пьезосканеровявляется разделение внешней секционных электродов трубки на две части подлине [87, 88].В настоящей работе в главе 3 рассматривается многослойная пьезотрубка вроли пьезопривода, разделенная на ряд секторов и несколько участков вдоль длины и представлены условия плоскопараллельного движения её торцевого сеченияс зондом вдоль исследуемой поверхности.521.2.5.
МикронасосыПьезоэлектрические микронасосы – устройства для перекачки жидкостейобъемом менее 100 миллилитров в минуту (100 см3/мин), работа которых основана на принципе обратного пьезоэффекта [17, 89].Пьезоэлектрические микронасосы можно разделить на клапанные и бесклапанные, в частности, перистальтические. Клапанные насосы обладают большейпроизводительностью, но имеют недостатки – износ, усталостные разрушения, засорения клапанов [17].
Основное достоинство перистальтических насосов – точность и непрерывность подачи жидкости или газа. Производительность клапанных насосов – десятки (до сотни и выше) мл/мин, перистальтических – десятыедоли и единицы мл/мин, что определяет область их применения в медицине, химии, микро- и наноэлектронике. В двух последних областях пьезонасосы используются в системах охлаждения, топливных элементах на основе метанола и др.областях, где требуется прецизионная (до десятых долей мкл) подача жидкостиили газа в рабочую область.Производительность перистальтических насосов указана при нулевом обратном давлении. Зависимость производительности от частоты возбуждения носит экстремальный характер – при низких частотах производительность мала изза малой скорости прокачки, затем, при частотах от десятков Гц (для мембранныхнасосов) до десятков кГц (для ультразвуковых насосов) происходит возрастаниепроизводительности до максимума, а затем снижение, вызванное инерцией жидкости в насосе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
