RU196011U1 - Трехкоординатное устройство позиционирования - Google Patents
Трехкоординатное устройство позиционирования Download PDFInfo
- Publication number
- RU196011U1 RU196011U1 RU2019141266U RU2019141266U RU196011U1 RU 196011 U1 RU196011 U1 RU 196011U1 RU 2019141266 U RU2019141266 U RU 2019141266U RU 2019141266 U RU2019141266 U RU 2019141266U RU 196011 U1 RU196011 U1 RU 196011U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pushers
- piezoelectric
- bending deformation
- actuators
- positioning device
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
-
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
Abstract
Использование: для трехкоординатного точного позиционирования объектов с помощью пьезоэлектрических актюаторов. Сущность полезной модели заключается в том, что трехкоординатное устройство позиционирования состоит из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены три привода, представляющие собой гибкие толкатели с подвижным элементом и содержащие пьезоэлектрические элементы, работающие на изгибной деформации, в качестве пьезоэлектрического элемента, работающего на изгибной деформации, используют бидоменные монокристаллические сегнетоэлектрические пластины, соединенные по трем координатам попарно упругими толкателями. Технический результат: увеличение точности позиционирования и силы смещения, а также увеличение температурной и вибрационной стабильности. 3 ил.
Description
Полезная модель относится к устройствам точного позиционирования объектов в трехмерном пространстве с помощью пьезоэлектрических актюаторов.
Непрерывное развитие технологий микроэлектроники, микро- и наноэлектромеханики, квантовой оптики и нанотехнологий выдвигает возрастающие требования к системам точного позиционирования объектов, в том числе наноразмерных.
Известно трехкоординатное позиционирующее устройство для туннельной микроскопии (авторское свидетельство SU 1453475 А1, опубликовано 23.01.1989), содержащее пары параллельных биморфных пьезоэлементов в виде дисков, связанные упругими стержнями таким образом, что деформация пьезоэлементов под действием приложенного электрического поля приводит к перемещению иглы туннельного микроскопа в горизонтальной плоскости вдоль одной из двух взаимно ортогональных координат X и Y, а установленный на пересечении упругих стержней цилиндрический пьезоблок при приложении управляющего электрического поля осуществляет перемещение вдоль вертикальной оси Z.
Недостатками устройства является использование с целью увеличения амплитуды перемещений достаточно хрупких и вибронеустойчивых мембранных пьезокерамических биморфов и гибких стержней, а также смещение центра тяжести подвижной части конструкции вверх за счет установки для перемещения вдоль оси Z цилиндрического пьезоблока, что приводит к уменьшению разрешающей способности устройства, увеличения восприимчивости к случайным вибрациям, появлению механического гистерезиса.
Известен также трехкоординатный позиционер (патент RU 2297078 С1, опубликован 10.04.2007), в котором позиционирование вдоль трех взаимно ортогональным координатам X, Y и Z осуществляется отдельными биморфными пьезоэлементами, закрепленными на металлических мембранах и соединенными внутри корпуса устройства посредством гибких толкателей, приводящих в движение узел для удержания перемещаемого объекта.
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Недостатками выбранного прототипа являются:
а) асимметричность позиционера в направлениях X, Y и Z, проявляющаяся в использовании единичного биморфного элемента вдоль каждого из указанных направлений и приводящая к снижению максимального усилия, ухудшению точности позиционирования и возможному перекашиванию конструкции при неоднородном нагружении держателя;
б) использование в качестве пьезоэлектрических актюаторов пьезокерамических биморфов, представляющих собой слоистые склеенные композиты типа «пьезоэлектрик - металлическая мембрана», в которых вследствие наличия клеевого слоя и поликристаллической природы используемого пьезоэлектрического материала резко снижается точность позиционирования (особенно в случае перемещений значительной амплитуды), что проявляется в плохо предсказуемом нелинейном гистерезисном характере зависимости «электрическое напряжение - механическое перемещение», а также ухудшается температурная стабильность устройства в целом.
Цель полезной модели - осуществление сверхточных перемещений по трем взаимно ортогональным координатам, в том числе в устройствах зондовой микроскопии и прецизионной механики с линейной амплитудой порядка сотен микрометров при отсутствии гистерезиса, ползучести (крипа) в широком диапазоне температур и с высокой температурной стабильностью.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение точности позиционирования и силы смещения, а также увеличение температурной и вибрационной стабильности трехкоординатного устройства позиционирования за счет использования в качестве актюаторов бидоменных сегнетоэлектрических кристаллов, попарно симметрично закрепленных на неподвижном корпусе и соединенных внутри последнего тонкими металлическими стержнями.
Технический результат достигается тем, что в трехкоординатном устройстве позиционирования, состоящем из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены три привода, представляющие собой упругие толкатели с подвижным элементом и содержащие пьезоэлектрические элементы, работающие на изгибной деформации, в качестве пьезоэлектрического элемента, работающего на изгибной деформации, используют бидоменные монокристаллические сегнетоэлектрические пластины, соединенные по трем координатам попарно упругими толкателями.
На фиг. 1-3 изображены варианты трехкоординатного устройства позиционирования.
Устройство содержит корпус 1, бидоменные сегнетоэлектрические монокристаллические пластины 2, держатель объекта 3, упругие толкатели 4, крестовина 5.
Устройство работает следующим образом.
На примере варианта фиг. 1 - при подаче управляющего напряжения на две соединенные через упругие толкатели 4 бидоменные сегнетоэлектрические пластины 2, на которые с двух сторон нанесены металлические электроды, происходит изгибная деформация сегнетоэлектрических пластин 2, причем таким образом, что толкатели 4 смещаются в одном направлении, перемещая при этом крестовину 5 и жестко связанный с ней держатель объекта 3. Таким же образом происходит перемещение держателя объекта по двум другим направлениям.
Бидоменные сегнетоэлектрические пластины изготовлены, например, из кристаллов ниобата лития у+128° повернутого кристаллографического среза или кристаллов танталата лития у+36° повернутого кристаллографического среза. В центральной части каждой из бидоменных монокристаллических пластин имеется отверстие для закрепления тонких упругих толкателей 4.
Толкатели могут закрепляться посредством винтовых, клеевых или паяных соединений, причем для получения минимальных гистерезисов и наилучшей температурной стабильности предпочтение отдается винтовым соединениям (например, поджим гайкой с внешней стороны бидоменной пластины).
В варианте фиг. 1 перемещение по всем трем направлениям осуществляется одинаково расположенным в корпусе сегнетоэлектрическими бидоменными пластинами 2 с упругими толкателями 4; при этом для заданного перемещения по каждой координате X, Y или Z управляющее напряжение подается на все шесть бидоменных пластин 2.
В варианте фиг. 2 перемещение по каждой координате осуществляется парой соединенных между собой упругими толкателями 4 бидоменных пластин 2 независимо от перемещения по другим координатам; величина перемещения при этом при одинаковых управляющих напряжениях и размерах бидоменных пластин 2 больше, чем в варианте фиг. 1, однако эта конфигурация обладает меньшей симметричностью, чем первый вариант.
В варианте фиг. 3 перемещение по координатам X-Y и Z разделены; такая конфигурация может быть предпочтительной в случае применения устройства в сканирующих зондовых микроскопах.
Подача управляющего напряжения к одной из пар бидоменных пластин приводит к тому, что благодаря возникновению обратного пьезоэлектрического эффекта один из доменов удлиняется, а другой укорачивается, что приводит к изгибу пары бидоменных пластин в целом. Если направления электрического поля в каждой из пластин совпадают, то изгиб направлен в одну сторону.
Величину перемещения каждого из упругих толкателей 4 можно оценить по формуле [Smits J.G., Dalke S.I., Cooney Т.K. The constituent equations of piezoelectric bimorphs // Sensors and Actuators A: Physical. - 1991. - T. 28. - №. 1. - C. 41-61.]:
где - величина поперечного пьезомодуля для выбранного среза материала бидоменной монокристаллической сегнетоэлектрической пластины (индекс 2 соответствует в данном случае направлению приложенного электрического поля, индекс 3 - направлению, совпадающему с длиной пластины),
V - приложенная к пластине электрическая разность потенциалов,
t - толщина пластины.
Фактическое перемещение отличается от оценки в меньшую сторону, зависит от жесткости конструкции и должна определяться экспериментально.
Посредством упругих тонких толкателей механическое перемещение передается на держатель позиционируемого объекта. Выбирая толкатели с достаточной упругостью, можно получить жесткую подвижную конструкцию, слабо восприимчивую ко внешним вибрациям и изменениям температуры, обладающую минимальным механически гистерезисом и ползучестью (крипом).
В вариантах устройства фиг. 2 и фиг. 3 упругие толкатели могут выполняться в форме тонких металлических полос, что повышает жесткость конструкции в направлении, перпендикулярном направлению перемещения толкателей.
Экспериментально установлено, что при использовании бидоменных пластин с длиной свободной части, равной 35 мм и электрической разности потенциалов, равной 300 В, возможно получить механические перемещения с амплитудой до 5 мкм; общее перемещение при подачи двухполярного напряжения составляет 10 мкм.
Claims (1)
- Трехкоординатное устройство позиционирования, состоящее из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены три привода, представляющие собой упругие толкатели с подвижным элементом и содержащие пьезоэлектрические элементы, работающие на изгибной деформации, отличающееся тем, что в качестве пьезоэлектрического элемента, работающего на изгибной деформации, используют бидоменные монокристаллические сегнетоэлектрические пластины, соединенные по трем координатам попарно упругими толкателями.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141266U RU196011U1 (ru) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Трехкоординатное устройство позиционирования |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141266U RU196011U1 (ru) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Трехкоординатное устройство позиционирования |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU196011U1 true RU196011U1 (ru) | 2020-02-13 |
Family
ID=69626556
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019141266U RU196011U1 (ru) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Трехкоординатное устройство позиционирования |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU196011U1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1453475A1 (ru) * | 1987-03-06 | 1989-01-23 | Институт Физических Проблем Ан Ссср | Сканирующий туннельный микроскоп |
RU2239906C2 (ru) * | 2001-01-23 | 2004-11-10 | Государственное унитарное предприятие Центр внедрения новой техники и технологий "Транспорт" | Трехкоординатный привод |
RU2297078C1 (ru) * | 2005-11-08 | 2007-04-10 | ЗАО "Нанотехнология-МДТ" | Позиционер трехкоординатный |
US7652409B2 (en) * | 2004-02-20 | 2010-01-26 | Thorlabs, Inc. | Positioner device |
RU2566142C2 (ru) * | 2013-12-12 | 2015-10-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ формирования бидоменной структуры в пластинах монокристаллов сегнетоэлектриков |
-
2019
- 2019-12-13 RU RU2019141266U patent/RU196011U1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1453475A1 (ru) * | 1987-03-06 | 1989-01-23 | Институт Физических Проблем Ан Ссср | Сканирующий туннельный микроскоп |
RU2239906C2 (ru) * | 2001-01-23 | 2004-11-10 | Государственное унитарное предприятие Центр внедрения новой техники и технологий "Транспорт" | Трехкоординатный привод |
US7652409B2 (en) * | 2004-02-20 | 2010-01-26 | Thorlabs, Inc. | Positioner device |
RU2297078C1 (ru) * | 2005-11-08 | 2007-04-10 | ЗАО "Нанотехнология-МДТ" | Позиционер трехкоординатный |
RU2566142C2 (ru) * | 2013-12-12 | 2015-10-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ формирования бидоменной структуры в пластинах монокристаллов сегнетоэлектриков |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6650725B2 (ja) | 測長装置 | |
US20090293299A1 (en) | Measurement of micromovements | |
Robbins et al. | High-displacement piezoelectric actuator utilizing a meander-line geometry I. Experimental characterization | |
Zhang et al. | A 3-DOF piezoelectric micromanipulator based on symmetric and antisymmetric bending of a cross-shaped beam | |
RU196011U1 (ru) | Трехкоординатное устройство позиционирования | |
Kim et al. | Blocked force measurement of electro-active paper actuator by micro-balance | |
CN106646860B (zh) | 微动装置、显微镜扫描头及显微镜装置 | |
US9640751B2 (en) | Device for precision displacement | |
JPH039713B2 (ru) | ||
Bergander et al. | Development of miniature manipulators for applications in biology and nanotechnologies | |
Mazzalai et al. | Simultaneous piezoelectric and ferroelectric characterization of thin films for MEMS actuators | |
US8569932B2 (en) | Multi-axis actuating apparatus | |
EP1995737A1 (en) | Probe Module, Probe Array, and a Method of Assembling Probe Arrays | |
ES2851425T3 (es) | Disposición para el ensayo de materiales no destructivo | |
JP2007212331A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡装置、ナノピンセット装置および試料表面形状観察方法 | |
Kohyama et al. | Mems force and displacement sensor for measuring spring constant of hydrogel microparticles | |
Kubasov et al. | Cell stretcher based on single-crystal bimorph piezoelectric actuators | |
JPS6289483A (ja) | 微動装置 | |
JP2015194395A (ja) | プローバ付き原子間力顕微鏡 | |
RU2492283C2 (ru) | Способ формирования бидоменной структуры в пластинах монокристаллов | |
RU224439U1 (ru) | Исполнительное устройство угловых перемещений | |
Ferrara-Bello et al. | Design and 3D printed implementation of a microgripper actuated by a piezoelectric stack | |
Rupitsch et al. | Piezoelectric Positioning Systems and Motors | |
RU2713964C1 (ru) | Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений) | |
JP2006105744A (ja) | ナノワイヤ引張試験デバイス及びそれを用いた試験方法 |