NL9301222A - Elektromechanische positioneringsinrichting. - Google Patents

Description

Elektromechanische positioneringsinrichting.

De uitvinding betreft een elektromechanische positioneringsinrichting voorhet nauwkeurig positioneren van een object, alsmede een apparaat voorzien van eendergelijke positioneringsinrichting.

Een dergelijke positioneringsinrichting in de vorm van een piezomechani-sche inrichting voor het positioneren van een probe-tip in een scanning tunnellingmicroscoop is bekend uit Review Sci. Instr. 63(1), jan. 1992, blz. 263-264. In de daarinbeschreven inrichting is een drager met een te onderzoeken monster met wrijving in eenpiezobuis gemonteerd. Deze inrichtingen hebben het nadeel van een betrekkelijk inge¬wikkelde constructie, een betrekkelijk groot gewicht, een groot volume, en het gebruikvan twee verschillende verplaatsingswijzen voor grof- en fijn-positioneren.

De uitvinding beoogt ondermeer deze nadelen te reduceren en overeen¬komstig de uitvinding heeft een positioneringsinrichting van de beschreven soort hetkenmerk, dat een moving-tip verbonden is met een lichtgewicht-drager die met wrijvingverplaatsbaar gemonteerd is in een houder die voorzien is van middelen voor hetopwekken en aan de lichtgewicht-drager overdragen van elektrisch bestuurbare bewegin¬gen.

Aangezien de inrichting overeenkomstig de uitvinding een enkeleelektromechanische aandrijving voor zowel grof- als fijn-positioneren van de probebevat, kan de inrichting betrekkelijk klein, licht en eenvoudig elektrisch bestuurbaar zijndoordat het grof- en fijn-positioneren in een enkele operatie kan worden uitgevoerd metbehulp van slechts verschillende stuursignalen.

In een voorkeursuitvoering is de lichtgewicht-drager met zodanigewrijving in de wrijvingshouder gemonteerd dat, als gevolg van zijn gewicht, de dragerniet betrekkelijk snelle maar wel betrekkelijk langzame bewegingen van de frictiehoudervolgt. Een dergelijk uitvoeringsvoorbeeld maakt grof positioneren van de moving-tip tenopzichte van het object mogelijk, bij voorkeur met een stapsgewijze verplaatsing van demoving-tip als gevolg van de betrekkelijk langzame verplaatsing van de houder enafwisselend snelle verplaatsingen daarvan. Een met een vrij uiteinde van een cilindrisch deel van de houder verbonden tussenelement is bij voorkeur voorzien van een wrijvings-oppervlak.

Ten einde zuiver elektrisch gestuurde positionering te realiseren is eenvoorkeursuitvoering voorzien van een piezobuis met een binnenste en een buitenstestuurelectrode om verplaatsing van de lichtgewicht-drager in de lengterichting teverkrijgen. Een element van een niet-piezoactief materiaal dat verbonden is met een vrijuiteinde van de positionerings-piezobuis is bij voorkeur voorzien van een wrijvings-oppervlak. In een dergelijk uitvoeringsvoorbeeld kan door elektrische bekrachtiging vande piezobuis gemakkelijk een verplaatsing van de moving-tip in één richting wordenverkregen. Hiertoe zijn in een voorkeursuitvoeringsvoorbeeld de stuurelectrodenverbonden met een zaagtandgenerator. De drager kan de geleidelijke hellingen van dezaagtandimpulsen volgen, maar niet de steile hellingen. Hierdoor wordt bij allepositioneringsverplaatsingen in de lengterichting de afstand tussen de tip en het objectingesteld door slechts de uiterst lichte drager te verplaatsen. Het is niet nodig omverdere massa te verplaatsen.

Een verder uitvoeringsvoorbeeld is voorzien van middelen voor het inresponsie op een bepaald probe-tipsignaal sturen van de zaagtandimpulsen, waarbijgenoemd probe-tipsignaal daarna bij voorkeur wordt door middel van een regellusgestabiliseerd. Een dergelijke inrichting maakt het mogelijk de probe-tip in één operatiete positioneren doordat op een bepaalde afstand de bekrachtiging van de piezobuis wordtonderbroken en daarna fijn positionering rond de dan bereikte positie wordt uitgevoerddoor een aangepaste bekrachtiging van dezelfde piezobuis, bij voorkeur met behulp vaneen uit de positie van de probe-tip afgeleid signaal.

Het omschakelen van een eerste positioneringsbereik naar een verderbereik vindt plaats door middel van een in afhankelijkheid van de afstand tussen demoving-tip en het object opgewekt zaagtandstuursignaal. Vanuit een aldus bereiktesituatie is een verder positioneringsbereik beschikbaar, bijvoorbeeld tijdens het scannenin een scanning tunnelling elektronenmicroscoop.

In een voorkeursuitvoering is de piezobuis omgeven door een tweedepiezostructuur voor het aftasten van een lateraal ten opzichte van de tip te onderzoekenmonster. Bij voorkeur is deze tweede piezostructuur gevormd als een buis die coaxiaalten opzichte van de eerste piezobuis is opgesteld, tenminste nagenoeg dezelfde lengteheeft, en waarvan een tegenoverliggend uiteinde op een gemeenschappelijke drager gemonteerd is. Thermische uitzettingsproblemen zullen zich niet voordoen zolang degehele inrichting dezelfde temperatuur heeft; dit kan gemakkelijk worden bereikt, metname omdat er slechts sprake is van elektrische verbindingen.

Een piezomechanische inrichting overeenkomstig de uitvinding is zeernuttig voor toepassing in allerlei probe-scanning microscopen, zoals een scanningtunnelling microscoop, een atomic force microscoop, een magnetic force microscoopetc. De inrichting is tevens zeer geschikt voor een veldelektronenkanon waarin deprobe-tip fungeert als het elektronenemitterende element, en voor het exact positionerenvan een optisch element, zoals een spiegel, in een optisch apparaat, met name in eeninterferometer.

Hierna zullen enige uitvoeringsvoorbeelden overeenkomstig de uitvindingworden beschreven aan de hand van de bijgaande tekeningen. Daarin toont

Figuur 1 schematisch een piezomechanische inrichting overeenkomstig de uitvinding;

Figuur 2 enkele stuursignalen en de bijbehorende verplaatsingen in de inrichting,

Figuur 3 een elektronische schakeling voor het opwekken van de stuur¬signalen, en

Figuur 4 schematisch een alternatief uitvoeringsvoorbeeld van eenpiezomechanische inrichting overeenkomstig de uitvinding.

Een inrichting overeenkomstig de uitvinding zoals getoond in Figuur 1omvat een piezobuis 2 met twee stuurelektroden 4 en 6. De piezobuis 2 omsluit eenniet-piezobuis 8 die bij voorkeur bestaat uit glas of een keramisch materiaal en die dientals een montagebuis voor een draadvormige drager 10 die een moving-tip 12 draagt.

Het andere uiteinde 14 van de tipdrager steekt buiten de montagebuis uit. De licht¬gewicht draagdraad 10 is met een bepaalde wrijving in de montagebuis gemonteerd. Omde gewenste wrijving te verkrijgen kan de drager, de buis of beiden voorzien zijn vanknepen 11. De drager 10 heeft een lengte van bijvoorbeeld 15 mm en een doorsnedevan bijvoorbeeld 0.25 mm en kan gemaakt zijn van Pt-Ir, hetgeen een voorkeurs¬materiaal is voor een probe-tip in een scanning tunnelling microscoop. Voor het positio¬neren van de probe-tip moet de montagebuis 8, die door middel van bijvoorbeeld eenlijmverbinding 18 vast met de piezobuis verbonden is stijf zijn en voorzien zijn van eenvlak oppervlak om schuiven mogelijk te maken, en tevens moet zijn massa gering zijn om snelle verplaatsingen mogelijk te maken. Wanneer de drager met de juiste wrijvingis aangebracht, kunnen piezobewegingen worden gevolgd indien de versnelling nietgroter is dan bijvoorbeeld 103 m/s2, volgend uit een wrijvingskracht/draagmassaverhou-ding van ongeveer 15 mN/15 mg. Voor verplaatsing van de moving-tip in de richtingvan een monster 20 wordt aan de elektroden van de piezobuis een zaagtandspanningtoegevoerd. Tijdens de snelle contractie, of snelle uitzetting, van de piezobuis endaardoor van de montagebuis met een versnelling van bijvoorbeeld ongeveer 104 m/s2,blijft de draagdraad vanwege zijn traagheid op zijn plaats. Het moge duidelijk zijn datde zwaartekracht ten bedrage van 10 m/s2 geen wezenlijke invloed op de werking heeft.

Tijdens de langzame uitzetting of contractie als gevolg van de langzamehelling van de stuurzaagtand wordt de drager zodanig verplaatst, dat de probe-tipongeveer op een bepaalde afstand van het monster kan worden gebracht. Aldus vindt degrove positionering plaats, waarbij het zaagtandstuursignaal slechts geïnverteerd wordtom de afstand te vergroten of te verkleinen. Een bepaalde tunnellingstroom van deprobe-tip kan als stuurcriterium voor het benaderen van een operationele positie wordengebruikt. Vervolgens kan fijn-positioneren van een probe-tip plaatsvinden door middelvan elke bekende werkwijze die gebruik maakt van een standaard terugkoppelregelingzoals beschreven aan de hand van Figuur 3. Het monster 20 wordt bij voorkeurgedragen door een tweede piezobuis 22 die gemonteerd is op een grondplaat 24 die ookde eerste piezobuis draagt. De grondplaat 24 bestaat bij voorkeur uit een materiaal metthermomechanische eigenschappen die overeenkomen met die van het piezomateriaal.Aldus worden alle thermische invloeden op de probe-tip afstand vermeden υοογ zo langde gehele inrichting dezelfde temperatuur heeft. De tweede piezobuis is bij voorkeurvoorzien van bekende kwadrantstuurelektroden waardoor X-Y aftasting van het monsterten opzichte van de probe-tip kan plaatsvinden, zoals op zich bekend is uit Surface Sci.181, 1987, blz. 145-153. Voor goed gedefinieerd positioneren van het monster kan aande tweede piezobuis een draagring 26 worden bevestigd.

Figuur 2 toont duidelijkheidshalve de verplaatsingen van de probe-tip diedoor middel van het zaagtandstuursignaal worden verkregen, waarbij de tipverplaatsingvergelijkenderwijs als functie van tijd is aangegeven omdat een waarde 0 hier nietrelevant is. Bijvoorbeeld geeft een traject Pi 100 nm aan en een traject ti 10 ms. Tijdenseen tijdsinterval 30 veroorzaken geleidelijke hellingen van een zaagtandstuursignaalbetrekkelijk langzame bewegingen 34 van de glazen buis, terwijl steile hellingen van de zaagtandpuls snelle bewegingen 36 van de glazen buis veroorzaken. De houder volgtslechts de eerste bewegingen, waardoor de moving-tip volgens een lijn 35 in de richtingvan het monster 20 wordt verplaatst, terwijl de drager en daardoor de moving-tip tijdensde snelle bewegingen 36 stil blijven staan. Dit gaat door totdat een bepaalde afstand dbereikt is. Op dat moment wordt het zaagtandsignaal door middel van een met demoving-tip gecorreleerd signaal onderbroken, bijvoorbeeld een door een probe-tipgeleverd tunnel-stroomsignaal. Tijdens een tijdsinterval 40 wordt de positie van demoving-tip gestabiliseerd. De afstand d wordt dus gestabiliseerd, bijvoorbeeld tijdenshet aftasten van het monster, door middel van een bekende terugkqppelregellus. Eendergelijke regellus kan gemakkelijk een betrekkelijk grote variatie tijdens het aftastenopvangen en maakt tevens een snelle omschakeling naar een verder aftastveld mogelijk.

Bij het voltooien van het onderzoek van het monster wordt tijdens eentijdsinterval 42 de probe-tip verwijderd van het monster, waarbij gedurende genoemdtijdsinterval een geïnverteerd zaagtandregelsignaal optreedt waarvan neergaande flankenbewegingen 44 introduceren die door de drager worden gevolgd en opgaande flankensnelle bewegingen 46 veroorzaken die niet worden gevolgd door de houder. Hierdoorwordt de drager van het monster af verplaatst volgens een lijn 48 totdat een veiligeafstand voor het parkeren, bijvoorbeeld zoals vereist voor het wisselen van monster,bereikt is.

Figuur 3 toont een regelschakeling voor het grof- en fijn-positioneren vaneen moving-tip. Een terugkoppellus omvat een logaritmische versterker 50, an integrator52 met een toevoerregeling 54, en een tunnelstroomregeling 56 voor het instellen vaneen tunnelstroom tussen een monster 55 en een probe-tip 57. De terugkoppelregelingwordt gevolgd door twee Schmitt-triggerschakelingen 58 en 60 waaraan eventueel tran-sistoren 62 en 64 zijn toegevoegd voor stroomversterking. Een volger 66 en eeninverteur 68 verdubbelen het regelbereik voor de piezostructuur 72. Een voedingsbronvan bijvoorbeeld 18 V kan worden toegepast om problemen met hoge voedingsspan¬ningen te voorkomen. In de schakeling stelt SI een tunnelspanning in, stelt S2 detunnelstroom in die een positieve waarde heeft voor het naderen van de probe-tip en eennegatieve waarde voor het zich verwijderen van de probe-tip, en bepaalt S3 de band¬breedte van de lus en de naderingssnelheid van de tip.

Overeenkomstig Figuur 4 zijn in een alternatief uitvoeringsvoorbeeld destuurelektroden 4 en 6 elk gevormd als een cilindrische buis en zijn zij gelegen op de buitenwand respectievelijk de binnenwand van de piezobuis 2. Uitzetting of contractievan de piezobuis 2 wordt verkregen doordat aan de stuurelektroden 4 en 6 een zodanigespanning wordt toegevoerd, dat de wand van de piezobuis 2 in een radiale richtingkrimpt of uitzet. Vanwege behoud van volume wordt door contractie of expansie ingenoemde radiale richting expansie respectievelijk contractie veroorzaakt langs delengteas van de piezobuis 2.

Een inrichting overeenkomstig Figuur 1 kan zonder meer het hart van eenscanning tunnelling microscoop zoals beschreven in Appl. Phys. Lett. 40 (1982), p. 178vormen. De inrichting kan in een dewar worden geplaatst om een vaste temperatuur oftenminste dezelfde temperatuur voor alle betreffende elementen te verkrijgen; het isechter gebleken dat dit hier niet noodzakelijk is. De inrichting wordt via betrekkelijkdunne draden gevoed ten einde een betere temperatuurbeheersing te verkrijgen entrillingsproblemen te vermijden. Aangezien de laagste resonantiefrequentie van deinrichting ongeveer 10 kHz is, kan bij een frequentie van 1 Hz een demping over 150dB worden bereikt, waardoor de meetopstelling in hoge mate trillingsvrij wordt. Debandbreedte van de terugkoppellus wordt slechts beperkt door de eerste-orde longitudi¬nale resonantie van de binnenste piezobuisstructuur en kan ongeveer 100 kHz bereiken,waardoor een aftastsnelheid tot 100.000 beeldelementen per seconden ofwel vier framesmet 128 x 128 beeldelementen per seconde mogelijk is.

Een STM overeenkomstig de uitvinding combineert een hoge mechanischeen thermische stabiliteit met een hoge bedrijfssnelheid. Noch voor het mechanische nochvoor het elektronische systeem zijn precisieonderdelen nodig. De STM positionerings-inrichting bestaat uit slechts vijf onderdelen: een grondplaat, een X-Y scannerbuis, eenZ-piezobuis, een glazen buis, en een tipdrager. Onbegrensde X-Y en Z grof- positione¬ring is mogelijk door aan de piezobuizen zaagtandspanningen toe te voeren, gebruikmakende van het principe van wrijving en traagheidsverschuiving. Het elektronischesysteem maakt gebruik van goedkope standaard operationele versterkers, waarbijspanningen hoger dan 20 volt zijn vermeden. De eenvoudige en compacte constructievan de STM met slechts een gering aantal elektrische verbindingen maakt een grootaantal nieuwe toepassingen mogelijk, bijvoorbeeld STM bij lage temperaturen, STMmet een ultrahoog vacuüm, etc.

Een inrichting overeenkomstig de uitvinding is ook zeer geschikt voor hetpositioneren van een elektronenemitter in een veldelektronenkanon overeenkomstig US

3,864,572. Montage alsook instelling bij verloop van een dergelijke emitter kunnen zeergemakkelijk door middel van de positioneringsinrichting worden uitgevoerd. Regeling ismogelijk door middel van de gewenste elektronenstroom of door middel van een uitdeze elektronenstroom afgeleid signaal.

Een positioneringsinrichting overeenkomstig de uitvinding kan tevensworden toegepast voor het positioneren van bijvoorbeeld een spiegel of een willekeurigander optisch element in een precisieoptiek, bijvoorbeeld een interferometer zoalsbeschreven in EP 491,435. Een dergelijke inrichting, zonder de aftastmiddelen getoondin Figuur 1, kan gemakkelijk in een dergelijk optisch systeem worden gemonteerd entoegepast voor zowel de eindafstelling als golflengteregeling en montage.

Claims (10)

1. Elektromechanische positioneringsinrichting voor het nauwkeurigpositioneren van een object (20), met het kenmerk, dat een moving-tip (12) verbondenis met een lichtgewicht-drager (10) die met wrijving verplaatsbaar gemonteerd is in eenhouder (8) die voorzien is van middelen voor het opwekken en aan de lichtgewicht-drager overdragen van elektrisch bestuurbare bewegingen.

2. Positioneringsinrichting overeenkomstig conclusie 1, met het kenmerk, datde lichtgewicht-drager met zodanige wrijving in de wrijvingshouder is gemonteerd dat,als gevolg van zijn gewicht, de drager niet betrekkelijk snelle maar wel betrekkelijklangzame bewegingen Yan de frictiehouder volgt.

3. Positioneringsinrichting overeenkomstig conclusie 1 of 2, met hetkenmerk, dat een wrijvingsoppervlak deel uit maakt van met de houder verbondentussenelementen (11).

4. Positioneringsinrichting overeenkomstig conclusie 1, 2 of 3, met hetkenmerk, dat een piezobuis (2) die voorzien is van met een zaagtandgenerator verbon¬den elektroden (4, 6) deel uit maakt van de middelen voor het opwekken van bewegin¬gen, waarbij de lichtgewicht-drager reageert op langzame en niet op snelle bewegingenYan de frictiehouder.

5. Positioneringsinrichting overeenkomstig conclusie 4, met het kenmerk, datmiddelen zijn voorzien voor het regelen van de zaagtandpuls in responsie op eenvoorafbepaald signaal dat door de moving-tip wordt geleverd, waarna dit signaal doormiddel van een regellus, wordt gestabiliseerd.

6. Positioneringsinrichting overeenkomstig conclusie 5, met het kenmerk, datoverschakelen naar een volgend positioneringsbereik van de moving-tip plaatsvindt doormiddel van een in afhankelijkheid van een afstand tussen de moving-tip en het objectopgewekt zaagtandregelsignaal.

7. Positioneringsinrichting overeenkomstig één der voorgaande conclusies,met het kenmerk, dat een positionerings-piezobuis is omgeven door een verderepiezostructuur voor het in de dwarsrichting ten opzichte van de moving-tip aftasten vanhet object.

8. Scanning tunnelling elektronenmicroscoop voorzien van een positione¬ringsinrichting overeenkomstig één der voorgaande conclusies voor zowel grof- als fijn-positioneren van een probe-tip ten opzichte van een te onderzoeken monster.

9. Veldelektronenbron voorzien van een positioneringsinrichting overeen¬komstig één van de conclusies 1 tot en met 7 voor het positioneren van een elektronen-emitter ten opzichte van een stuurelektrode van de elektronenbron.

10. Optisch instrument waarin een nauwkeurig te positioneren optisch elementvoorzien is van een positioneringsinrichting overeenkomstig één van de conclusies 1 toten met 7.