RU2778525C1 - Система управления устройством с эффектом памяти формы для манипулирования микро- и нанообъектами - Google Patents
Система управления устройством с эффектом памяти формы для манипулирования микро- и нанообъектами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778525C1 RU2778525C1 RU2021136745A RU2021136745A RU2778525C1 RU 2778525 C1 RU2778525 C1 RU 2778525C1 RU 2021136745 A RU2021136745 A RU 2021136745A RU 2021136745 A RU2021136745 A RU 2021136745A RU 2778525 C1 RU2778525 C1 RU 2778525C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwire
- nano
- control system
- objects
- sme
- Prior art date
Links
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 title claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 14
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000007725 thermal activation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 18
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 4
- 229910003322 NiCu Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910001285 shape-memory alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018106 Ni—C Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052803 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Inorganic materials [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000002441 reversible Effects 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к системе управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами. Система содержит микропроволоку с основанием и концом, выполненным коническим и заточенным путем электрохимического травления, на котором закреплено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, рабочее поле с манипулируемым объектом и источник подогрева, при этом основание микропроволоки укреплено на нанопозиционере, причем источник подогрева выполнен в виде малоразмерного резистивного нагревающего элемента, расположенного в тепловом контакте с микропроволокой, и электронную систему питания и управления током, протекающим через резистивный элемент, подводящие провода, соединяющие резистивный элемент с электронной системой питания и управления током, причем конец микропроволоки выполнен с переменным профилем в виде комбинации геометрических фигур - усеченного конуса, цилиндра с диаметром меньшим, чем диаметр основания проволоки, и конуса, на острие которого закреплено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, а нагревательный элемент расположен на поверхности цилиндра с меньшим диаметром. Технический результат заключается в повышении качества и технологичности процесса наноманипулирования за счет минимизации теплового дрейфа устройства манипулирования (нанопинцета) при его термической активации, что приводит к уменьшению погрешности процесса манипулирования, а также снижению потребляемого тока и повышению его быстродействия и производительности в целом. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 12 ил.
Description
Изобретение относится к области приборостроения, микросистемной техники и наномеханики, в частности, к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) для манипулирования микро- и нанообъектами и может найти применение в радиоэлектронике, машиностроении, нанотехнологии, электронной микроскопии, медицине, биологии.
Известно техническое решение (аналог) - микромеханическое устройство с ЭПФ, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами, представленное в патенте [1].
Микромеханическое устройство для захвата и манипулирования микро и нанообъектов (нанопинцет), согласно аналога, включает два плоских элемента, из которых, по крайней мере, один выполнен термочувствительным, состоящим из двух слоев, из которых один изготовлен из предварительно псевдопластически растянутого сплава с ЭПФ, а другой из упругого материала, причем слои прочно соединены между собой, а элементы соединены с одного конца, а с другого конца сформирован захват для удержания объекта манипулирования, причем в термочувствительном элементе упругий слой выполнен в виде пленки металла, нанесенной на слой сплава с ЭПФ с внешней стороны устройства, а захват для удержания объекта сформирован в сплаве с памятью формы. Для достижения раскрытия нанопинцета при нагреве, упругий слой расположен с внутренней стороны микропинцета.
Способ изготовления устройства для захвата и манипулирования микро и нанообъектов (нанопинцета), согласно аналога, включает операцию изготовления слоя материала с ЭПФ с псевдопластической деформацией растяжения, изготовление слоя упругого материала и операцию механически прочного соединения этих слоев между собой плоскими сторонами, а также операцию формирования захвата манипулируемого объекта, причем предварительно производят операцию формирования слоя с ЭПФ и внесения в него деформации псевдопластического растяжения, а затем операции создания упругого слоя и соединения слов для получения термочувствительного элемента, проводят путем напыления на поверхность слоя сплава с ЭПФ слоя упругого материала, а затем формируют захват манипулируемого объекта на слое с ЭПФ. при этом операцию нанесения упругого слоя производят при температуре материала с ЭПФ ниже температуры переход мартенсит - аустенит сплава.
Система манипулирования микрообъектами на основе микромеханического устройства, согласно аналога, включает микромеханическое устройство, закрепленное на конце микропроволоки, рабочее поле с манипулируемым объектом и источник подогрева, причем другой конец микропроволоки укреплен на нанопозиционере, а система подогрева выполнена в виде лазерного источника нагрева, состоящего из полупроводникового инжекционного лазера с оптической системой фокусировки его излучения на рабочем поле системы манипулирования, включая конец микропроволоки с нанопинцетом.
К недостаткам аналога относится низкая технологичность, и низкая экономичность (энергоэффективность) системы нагрева устройства для захвата и манипулирования микро и нанообъектов (нанопинцета) с ЭПФ при помощи лазерного источника нагрева, состоящего из полупроводникового инжекционного лазера с оптической системой фокусировки его излучения на рабочем поле системы манипулирования, включая конец микропроволоки с нанопинцетом, а также большие размеры лазерной системы и системы фокусировки, которую необходимо разместить в вакуумной камере электронного или ионного микроскопа.
Прототипом предлагаемого технического решения является система управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами [2]. Известная система управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, включает микропроволку, на ее конце, который выполнен коническим, заточка которого осуществляется методами электро-химического травления, закреплено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, а также рабочее поле с манипулируемым объектом и источник подогрева, а основание микропроволоки укреплено на нанопозиционере, причем источник подогрева, выполнен в виде малоразмерного резистивного нагревающего элемента, расположенного в тепловом контакте с микропроволокой вблизи ее конца, и электронную систему питания и управления током, протекающим через резистивный элемент, а также подводящие провода, соединяющие резистивный элемент с электронной системой питания и управления током.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую технологичность и низкое качество манипулирования, обусловленные тем, что при активации тепловым воздействием устройства с ЭПФ для манипулирования нанообъектами, происходит тепловой дрейф устройства из-за теплового расширения микропроволоки, на коническом конце которой укреплено устройство.
Цель предполагаемого изобретения: повышение качества и технологичности процесса наноманипулирования за счет минимизации теплового дрейфа устройства манипулирования (нанопинцета) при его термической активации, что приводит к уменьшению погрешности процесса манипулирования, а также снижение потребляемого тока и повышение его быстродействия и производительности в целом.
Поставленные цели достигаются тем, что в системе управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, которая включает микропроволку, на ее конце, который выполнен коническим, заточка которого осуществляется методами электро-химического травления, закреплено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, а также рабочее поле с манипулируемым объектом и источник подогрева, а основание микропроволоки укреплено на нанопозиционере, причем источник подогрева, выполнен в виде малоразмерного резистивного нагревающего элемента, расположенного в тепловом контакте с микропроволокой вблизи ее конца, и электронную систему питания и управления током, протекающим через резистивный элемент, а также подводящие провода, соединяющие резистивный элемент с электронной системой питания и управления током, конец микропроволоки имеет переменный профиль, который является комбинацией геометрических фигур - усеченный конус, цилиндр с диаметром меньшим, чем диаметр проволоки у ее основания и конус, на острие которого расположено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, причем, нагревательный элемент располагается на поверхности цилиндра с меньшим диаметром в непосредственной близости к конусу.
Поставленные цели достигаются также тем, что в системе управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами цилиндрическая часть микропроволоки на ее конце имеет диаметр преимущественно в 5-10 раз меньше, чем микропроволока у ее основания.
В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется в связи с рисунками.
На фиг.1 показана микрофотография, выполненная в сканирующем электронном микроскопе, демонстрирующая общий вид устройства для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета) с ЭПФ согласно аналогу [1].
На фиг.2 показана схема системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета), включающая в себя микропроволоку (1), заостренный конец микропроволоки (2), резистивный нагревательный элемент (3) и устройство для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцет) с ЭПФ (4) согласно прототипу [2].
На фиг.3 показана схема системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета) с ЭПФ, включающая в себя микропроволоку (1), усеченный конус (5), цилиндр меньшего диаметра, чем диаметр микропроволоки (6), резистивный нагревательный элемент (3), конусовидный конец микропроволоки (7) и устройство для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцет) с ЭПФ (4) согласно предлагаемому техническому решению.
На фиг.4 показана фотография системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета), включающая в себя подводящие провода (8), микропроволоку (1), усеченный конус (5), цилиндр меньшего диаметра, чем диаметр микропроволоки (6), резистивный нагревательный элемент (3), конусовидный конец микропроволоки (7) и устройство для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцет) с ЭПФ (4) согласно предлагаемому техническому решению.
На фиг.5 показана микрофотография, выполненная в сканирующем электронном микроскопе, демонстрирующая систему управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета), включающая в себя резистивный нагревательный элемент (3), цилиндр меньшего диаметра, чем диаметр микропроволоки (6), конусовидный конец микропроволоки (7) и устройство для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцет) с ЭПФ (4) согласно предлагаемому техническому решению.
На фиг.6 показан график зависимости температуры микропроволоки в зависимости от времени и координаты, полученный в результате численного моделирования, при условии постоянства температуры в основании микропроволоки.
На фиг.7 трехмерная модель структуры системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета) примятая для численного моделирования процесса продольного нагрева микропроволоки вблизи ее кончика, при условии постоянства температуры в основании микропроволоки (усеченный конус (5), цилиндр меньшего диаметра, чем диаметр микропроволоки (6), резистивный нагревательный элемент (3), конусовидный конец микропроволоки (7), теплопроводящий клей, с помощью которого резистивный нагревательный элемент прикреплен к микропроволоке.
На фиг.8 показан график зависимости термического расширения микропроволоки с различными значениями диаметра (200, 100, 50 мкм) цилиндра (6) меньшего диаметра чем диаметр проволоки от времени, полученный в результате численного моделирования, при условии постоянства температуры в основании микропроволоки.
На фиг, 9 показан график зависимости термического расширения микропроволоки от значения диаметра (200, 100, 50 мкм) цилиндра (6) меньшего диаметра, чем диаметр проволоки, в диапазоне температур 40-60°С, полученный в результате численного моделирования, при условии постоянства температуры в основании микропроволоки.
На фиг.10 показана микрофотография, выполненная в сканирующем электронном микроскопе, демонстрирующая тепловой дрейф системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета) в диапазоне температур 40-65°С согласно прототипу.
На фиг.11 показана микрофотография, выполненная в сканирующем электронном микроскопе, демонстрирующая тепловой дрейф системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета) в диапазоне температур 40-65°С согласно предлагаемому техническому решению по примеру 1.
На фиг.12 показана микрофотография, выполненная в сканирующем электронном микроскопе, демонстрирующая тепловой дрейф системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета) в диапазоне температур 40-65°С согласно предлагаемому техническому решению по примеру 2.
Новым в предложенном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что конец микропроволоки имеет переменный профиль, который является комбинацией геометрических фигур - усеченный конус, цилиндр с диаметром меньшим, чем диаметр проволоки у ее основания и конус, на острие которого расположено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, причем, нагревательный элемент располагается на поверхности цилиндра с меньшим диаметром в непосредственной близости к конусу. Такая геометрия конца микропроволоки позволяет лимитировать распространение теплового потока вглубь микропроволоки, снижает неизбежный тепловой дрейф нанопинцета, а также снижает количество потребляемой энергии, необходимой для нагрева устройства с ЭПФ, что в конечном итоге значительно уменьшает тепловой дрейф системы управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета), а как следствие повышает скорость, энергоэффективность и точность наноманипулирования.
Снижение потребляемой мощности и увеличение быстродействия обусловлено уменьшенным, по сравнению с прототипом, объемом вещества проволоки, который необходимо нагреть для активации ЭФП в устройстве для манипулирования микро- и нанобъектами. Это связано с тем, что уменьшение диаметра микропроволоки на конце вызывает увеличение ее теплового сопротивления. Обратно пропорционально тепловому сопротивлению уменьшается тепловой поток, необходимый для поддержания температуры нанопинцета.
Система управления устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами (нанопинцета) функционирует на принципе термической активации ЭПФ в сплаве с термоупругим мартенситным переходом, например, T2NiCu. Принцип активации нанопинцета заключается в его нагреве и охлаждении, соответственно выше и ниже, температуры завершения обратного (от мартенситиой фазы к аустенитной) (Af) и прямого (от аустенитной фазы к мартенситной) - (Mf). При фазовом мартенситном термоупругом переходе происходит изменение кристаллографической симметрии сплава. При температуре Т > Af сплав находится в кубической аустенитной фазе. При охлаждении ниже Mf, он переходит в низкосимметричную орторомбическую мартенситную фазу [3]. Переход сплава из аустенитной в мартенситную фазу сопровождается появлением двойников мартенситиой фазы. Механическое воздействие в момент перехода через температуру перехода снимает вырождение между двойниками и вызывает макроскопическое изменение формы образца сплава в целом. Последующий нагрев выше Af возвращает фазовое состояние в кубическую, симметричную фазу. Двойники исчезают и образец возвращается к первоначальной форме. Этот эффект и получил название «односторонний эффект памяти формы». Например, для сплава Ti2NiCu характерные температуры начала и конца прямого и обратного мартенситного перехода равны, соответственно, Ms = 54, Mf = 52, As = 63, Af = 67°C. Таким образом, для этого сплава необходимый для проявления ЭПФ интервал температур нагрева/охлаждения составляет не менее Af - Mf = 13°С.
При применении нанопинцетов из предварительно напряженных биметаллических композитов с ЭПФ [1] интервал температур нагрева/охлаждения для обратимого срабатывания нанопницета - еще выше, так как при внешней механической нагрузке интервал фазового термоупругого перехода расширяется. Пример практической конструкции композитного нанопинцета с ЭПФ показан на фиг.1.
В прототипе, схематически изображенном на фиг.2, нагрев, необходимый для активации нанопинцета, установленного на кончике микропроволоки (1), которой придана форма конуса (2) осуществляется с помощью точно контролируемого изменения величины электрического тока, протекающего через резистивный элемент (3), закрепленный с помощью теплопроводящего клея вблизи конца микропроволоки с нанопинцетом (4). Охлаждение для восстановления формы микроинструмента осуществляется за счет теплоотвода из микропроволоки в массивные элементы системы нанопозиционирования, которые находятся при комнатной температуре.
Конструкция системы подогрева согласно предлагаемому техническому решению показана на фиг.3. Простая коническая форма согласно прототипу изменена на более сложную: цилиндрическая проволока (1) посредством участка (5) в форме усеченного конуса, переходит в участок циллиндрической формы меньшего диаметра (6), чем проволока у ее основания (1). Затем этот участок переходит в конический (7), на конце которого закреплен нанопинцет (4).
В предлагаемой схеме устройства резистивный нагреватель размещен на циллиндре меньшего радиуса (6), вблизи конуса (7) с нанопинцетом (4) на конце. На резистивный элемент (3) с помощью системы контроля подаваемого на него электрического тока устанавливается такое значение величины электрического тока, которое обеспечивает нелинейное стационарное распределение температуры в микропроволоке, при котором на конце конуса фиксируется температура Т > Af для сжатия нанопинцета и Т < Mf для восстановления формы и раскрытия нанопинцета. Внешний вид экспериментального образца системы управления в оптический микроскоп показан на фиг.4. Видно, что роль двух контактных проводников, необходимых для подключения нагревателя 7 к источнику тока, выполняет сама проволока (1) и изолированный проводник (8). Фото на фиг.5, выполненное в сканирующем электронном микроскопе, демонстрирует нанопинцет с ЭПФ (4), закрепленный методом фокусированного ионного пучка (ФИГ!) непосредственно на острие микропроволоки.
В предлагаемом техническом решении путем подбора оптимальной геометрии конца микропроволоки удалось существенно снизить тепловой дрейф и мощность резистивного нагревательного элемента, необходимую для достижения требуемой температуры микроинструмента с ЭПФ (4). Достижение цели изобретения доказано теоретически и экспериментально. Результаты численных расчетов проиллюстрированы на графиках, представленных на фиг.6-9, где показано семейство графиков температуры в сечении микропроволоки в зависимости от координаты и времени для случаев, когда длина микропроволоки L = 40 мм, диаметр поперечного сечения микропроволоки D = 0.5 мм, длина усеченного конуса а = 0.5 мм, диаметр узкого цилиндрического участка микропроволоки d = 200, 100 и 50 мкм, длина узкого цилиндрического участка 1 = 6.5 мм, длина конического кончика микропроволоки b = 1 мм и диаметр острия этого конуса dend = 1 мкм, а основание поддерживается при комнатной температуре 295 К (см. обозначения принятых в расчетной модели величин на фиг.7). Из фиг.6 видно, что основное изменение температуры сконцентрировано в коротком, узком участке проволоки. Этот эффект обусловил результат, показанный на фиг.8 графиком зависимости результирующего теплового дрейфа микропроволоки (1) с нанопинцетом (4) в зависимости от времени для различных значений диаметра узкой цилиндрической части (d) микропроволоки. Уменьшение параметра d приводит к резкому уменьшению теплового дрейфа при одних и тех же заданных температурах сжатия (Т = 65°С) и раскрытия (Т = 40°С) нанопинцета.
Фиг. 9 демонстрирует график, на котором в зависимости от диаметра цилиндрического участка d отложен тепловой дрейф (погрешность наноманипулирования), имеющий место в диапазоне температур 40-65°С согласно прототипу и согласно предложенному техническому решению. Показано существенное преимущество по сравнению с прототипом (простой конический кончик иглы).
Технический эффект от применения предлагаемого решения может заключаться, в повышении эффективности процесса манипулирования микро- и нанообъектами за счет повышения качества, удобства, скорости и точности перемещения индивидуальных нанообъектов, а также повышение эффективности и расширении функциональных возможностей устройства и повышении технологичности, за счет снижение энергопотребления и повышения скорости процесса манипулирования при сохранении совместимости с большим количеством известных систем наблюдения микро- и нанообъектов, такими как электронные и ионные микроскопы.
Пример 1. В качестве конкретного примера реализации предлагаемого технического решения рассмотрим систему управления микромеханическим устройством с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами согласно прототипу, фото которого представлено на фиг.1. Микропинцет изготовлен методом ионно-селективного травления (ФИП) в установке FEI-Strata 201 FIB. Микропинцет выполнен из быстрозакаленной ленты сплава с памятью формы Ti2NiCu толщиной 30 мкм, шириной 3 мм. Температуры начала и конца прямого, и обратного мартенситного перехода Ms = 54, Mf = 52, As = 63, Af = 67 С. Ленту псевдопластически растягивали, нагружая весом около 10 Н, при охлаждении от 80°С до комнатной температуры, а затем помещали в установку ионного травления фирмы FEI "Strata 200". На ленте формировали ножку пинцета, зазор и захват объекта, как показано на фиг.1. Затем наносили слой упругого металла - платины толщиной 700 им, в этой же установке. После изготовления нанопинцет укрепляли методом ионно-стимулированного осаждения платины в той же установке к кончику вольфрамовой микропроволоки (1), заточенной электрохимическим способом. Микропроволока погружается в водный раствор КОН на 1 см. Через микропроворолоку пропускается постоянный электрический ток 0.6 А в течении 1.5 минут, затем проволока плавно извлекается из раствора, не выключая ток. Во всех случаях полученный травлением кончик вольфрамовой микропроволоки имел коническую форму, однако согласно прототипу (см. фиг.2), конус (2) имеет в основании толщину проволоки - 0,5 мм, а в случае предлагаемого техническою решения конфигурация кончика имеет участок усеченного конуса (5), циллиндрическую часть толщиной менее толщины проволоки (6), и коническую часть (7). Вблизи конической части (7) закреплен теплоповодящим клеем нагреватель (3). В качестве нагревателя использован бескорпусной кремниевый диод. На фиг.10 показан тепловой дрейф при срабатывании нанопинцета по прототипу, который равен Δх = 6,5 мкм, при этом величина мощности, необходимой для закрытия и открытия нанопинцета, составляет P1 = 18 мВт и Р2 = 30 мВт, соответственно, или в перерасчете на силу тока, подаваемую на резистивный нагреватель, используя формулу I = P/U, где U падение напряжения на диоде равное 0.6 В, 30 мА и 50 мА соответственно. На фиг.11 показан тепловой дрейф при срабатывании нанопинцета по предлагаемому решению при d = 100 мкм, Δх = 1,2 мкм, P1 = 6.8 мВт, Р2 = 11 мВт, соответственно, или в перерасчете на силу тока, подаваемую на резистивный нагреватель, используя формулу I=P/U, где U падение напряжения на диоде равное 0.6 В, тогда I1 = 11.3 мА и I2 = 18.3 мА соответственно.
Пример 2. То же, что и в примере 1, но толщина цилиндрической части кончика вольфрамовой иглы составляет 50 мкм. На фиг.11 показан дрейф при срабатывании нанопинцета по предлагаемому решению при d = 50 мкм, Δх = 286 нм, P1 = 2.03 мВт, Р2 = 3.3 мВт, соответственно, или в перерасчете на силу тока, подаваемую на резистивный нагреватель, используя формулу I=P/U, где U падение напряжения на диоде равное 0.6 В, тогда I1 = 3.4 мА и I2 = 5.5 мА соответственно.
Пример 3. То же, что и в примерах 2, но проволока выполнена из сплава инвар. Так как вольфрам имеет коэффициент линейного теплового расширения равный 4.5⋅10-6 (1/К), а коэффициент теплового расширения инвара ~1,2⋅10-6/°С в интервале температур от -20 до 100°С, у очень чистого сплава 36Н (с содержанием кобальта менее 0,1%) коэффициент теплового расширения еще меньше 0,62 - 0,65⋅10-6/°С, то использование инвара в качестве материала микропроволоки снижает тепловой дрейф в 4-7 раз, до 72 и 40 нм соответственно, по сравнению с примером 2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афонина B.C., Захаров Д.И., Иржак А.В., Коледов В.В., Лега П.В., Маширов А.В., Пихгин Н.А., Ситников Н.Н., Тарасов И.С, Шавров В.Г., Шеляков А.В. Микромеханическое устройство, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами. Патент №2458002, подача заявки: 05.08.2010, публикация патента: 10.08.2012.
2. Лега П.В. Орлов А.П., Фролов А.В., Жихарев A.M.. Кучин Д.С, Иржак А.В., Коледов В.В., Шеляков А.В. Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами, способ его изготовления и система управления. Патент РФ №2 698 570. Дата подачи заявки: 26.06.2018. Опубликовано: 28.08.2019 Бюл. №25.
3. P.L. Potapov, A.V. Shelyakov, D. Schryvers. On the crystal structure of Ti-Ni-C martensite. Scripta mater. 44 (2001) 1-7.
Claims (3)
1. Система управления устройством с эффектом памяти формы (ЭПФ) для манипулирования микро- и нанообъектами, содержащая микропроволоку с основанием и концом, выполненным коническим и заточенным путем электрохимического травления, на котором закреплено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, рабочее поле с манипулируемым объектом и источник подогрева, при этом основание микропроволоки укреплено на нанопозиционере, причем источник подогрева выполнен в виде малоразмерного резистивного нагревающего элемента, расположенного в тепловом контакте с микропроволокой, и электронную систему питания и управления током, протекающим через резистивный элемент, подводящие провода, соединяющие резистивный элемент с электронной системой питания и управления током, отличающаяся тем, что конец микропроволоки выполнен с переменным профилем в виде комбинации геометрических фигур - усеченного конуса, цилиндра с диаметром меньшим, чем диаметр основания проволоки, и конуса, на острие которого закреплено устройство с ЭПФ для манипулирования микро- и нанообъектами, причем нагревательный элемент расположен на поверхности цилиндра с меньшим диаметром.
2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что цилиндр имеет диаметр, преимущественно в 5-10 раз меньше, чем микропроволока у ее основания.
3. Система управления по п.2, отличающаяся тем, что проволока выполнена из сплава инвар.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778525C1 true RU2778525C1 (ru) | 2022-08-22 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001170900A (ja) * | 1999-12-20 | 2001-06-26 | Minolta Co Ltd | アクチュエータおよびマニピュレータ |
RU2458002C2 (ru) * | 2010-08-05 | 2012-08-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Микромеханическое устройство, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами |
RU2698570C1 (ru) * | 2018-06-26 | 2019-08-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Наноактюатор" | Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами, способ его изготовления и система управления |
CN110407154A (zh) * | 2018-04-28 | 2019-11-05 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | Mems微执行器、原位单轴拉伸器件及其制作方法 |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001170900A (ja) * | 1999-12-20 | 2001-06-26 | Minolta Co Ltd | アクチュエータおよびマニピュレータ |
RU2458002C2 (ru) * | 2010-08-05 | 2012-08-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Микромеханическое устройство, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами |
CN110407154A (zh) * | 2018-04-28 | 2019-11-05 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | Mems微执行器、原位单轴拉伸器件及其制作方法 |
RU2698570C1 (ru) * | 2018-06-26 | 2019-08-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Наноактюатор" | Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами, способ его изготовления и система управления |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В. С. АФОНИНА и др. Двухслойный композит на основе материала с эффектом памяти формы, полученный при помощи направленной аморфизации ионным пучком. ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Журнал радиоэлектроники, N1, 2015. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lega et al. | Composite Materials Based on Shape‐Memory Ti2NiCu Alloy for Frontier Micro‐and Nanomechanical Applications | |
Quandt et al. | Sputter deposition of TiNi, TiNiPd and TiPd films displaying the two-way shape-memory effect | |
Shelyakov et al. | Nanostructured thin ribbons of a shape memory TiNiCu alloy | |
Hong et al. | On the stability of cold drawn, two-phase wires | |
Gutzmann et al. | Ion-Beam-Induced Surface Instability of Glassy F e 40 N i 40 B 20 | |
Zheng et al. | Mechanical and magnetic behavior of oligocrystalline Ni–Mn–Ga microwires | |
WO1996039547A2 (en) | Multiple source deposition of shape-memory alloy thin films | |
RU2778525C1 (ru) | Система управления устройством с эффектом памяти формы для манипулирования микро- и нанообъектами | |
Irzhak et al. | Shape memory effect in nanosized Ti 2 NiCu alloy-based composites | |
RU2010132879A (ru) | Микромеханическое устройство, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами | |
Fu et al. | Microactuators of free-standing TiNiCu films | |
RU2790934C1 (ru) | Система управления устройством с эффектом памяти формы для манипулирования микро- и нанообъектами | |
Dughaish | Effect of proton irradiation on some physical properties of nitinol (NiTi) shape memory alloy: a review | |
Musabirov et al. | Crystallographic texture and the preferential orientation of a martensite in the polycrystalline Ni2. 08Mn0. 96Ga0. 96 alloy | |
Lega et al. | High speed operation of the composite shape memory effect microactuator: computer modelling and experiment | |
CN113436946B (zh) | 一种金属碳化物针尖及其制备方法和应用、电子枪 | |
Davami et al. | In situ observation of morphological change in CdTe nano-and submicron wires | |
WO2008104961A2 (es) | Hilos ferromagnéticos con memoria de forma, su procedimiento de obtención y sus aplicaciones | |
RU2678699C1 (ru) | Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения | |
RU2698570C1 (ru) | Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами, способ его изготовления и система управления | |
Dilmieva et al. | Rapidly quenched ferromagnetic ribbons with shape memory for magnetically controlled micromechanic devices | |
Shelyakov et al. | Formation of two-way shape memory effect in rapid-quenched TiNiCu alloys | |
Kuribayashi | Micro SMA actuator and motion control | |
RU2713527C2 (ru) | Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами | |
Shelyakov et al. | Microtweezers on the basis of two-way shape memory alloy ribbon |