SE515985C2 - Anordning för mikropositionering av objekt genom användning av mekanisk tröghet - Google Patents

Description

-..,. 10 15 20 25 30 35 inre röret nyttjas för scanning av spetsen och det yttre röret nyttjas för tröghetsförflyttning av provet. Kon- struktionen uppvisar även en positioneringsenhet innefat- tande tvà delar, en första del som är fast förbunden med det yttre röret och en andra del som fasthàller provet.

Nämnda andra del är glidbart anbringad på nämnda första del, varvid glidytan är belägen i ett plan som ej är vin- kelrätt mot mätspetsen. Vid applicering av exempelvis en sàgtandsformig vägform pä det piezoelektriska elementet sker förskjutningar mellan nämnda tvâ delar när accelera- tionen överstiger gränsen för den statiska friktionen mellan nämnda delar. De tvà delarna är sä anordnade att då de glider mot varandra i nämnda glidyta förflyttas det pà den andra delen anordnade provet, så att det kommer närmare eller längre ifràn spetsen, samtidigt som själva provytan konstant är hàllen vinkelrätt mot spetsen. Denna konstruktion är mycket kompakt, och uppvisar en rad önsk- värda egenskaper, exempelvis en làg brusnivà. Konstruk- tionen är dock komplicerad och innefattar tvà piezoelekt- riska element. En mikropositioneringsanordning med en enklare konstruktion är därför önskvärd, vilken uppvisar en kort mekanisk loop, för att minska det mekaniska bru- set i form av vibrationer i systemet. En enklare utform- ning av systemet bidrar dessutom till att reducera risken för att smuts och andra yttre störningar minskar eller helt eliminerar tröghetsmotorns funktion. Dessutom är ovanstående kända konstruktion speciellt anpassad för sveptunnelmikroskopi (STM), och en mer generell anord- ning, för användning vid exempelvis svepsondmikroskopi (SPM) och andra applikationer är önskvärd.

Upbfinningens ändamål Ändamålet med denna uppfinning är således att åstad- komma en mikropositioneringsanordning som uppvisar en en- kel konstruktion, och som är anpassningsbar för använd- ning inom ett flertal applikationer, exempelvis inom svepsondmikroskopi. ...v Sammanfattning av uppfinningen Dessa och andra ändamål uppnås enligt uppfinningen igenom att den i anordningen innefattade positioneringsen- 5 heten innefattar åtminstone två klämelement, mellan vilka objektet är avsett att hållas enbart medelst klämkraften och friktionskraften från nämnda klämelement. Följaktli- gen är objektet förflyttbart relativt klämelementen me- delst mekanisk tröghet, när den accelerations-/ retarda- 10 tionskraft som erhålles på klämelementen från det därtill förbundna accelerationselementet överstiger nämnda kläm- och friktionskrafter mellan objektet och klämelementet.

Lämpligen innefattar klämelementen fjädrande tungor, vilka är direkt förbundna med accelerationsorganet och är 15 riktade i accelerationsorganets längdriktning, mellan vilka tungor objektet är anordnat. Detta medger en enkel konstruktion, och en enkel fastsåttning av objektet mel- lan de fjädrande tungorna. I Enligt en föredragen utföringsform är nämnda objekt 20 sfäriskt, vilket, i samverkan med lämpligt anordnade ac- celerationsorgan, medelst separat accelerations-/ retar- dationsstyrning av respektive klämelement, inte enbart medger förflyttning av objektet fràn och mot accelera- tionselementet (i z~led), utan även rotation av det sfä- 25 riska objektet i två led (upp och ned, samt i sidled re- lativt klämelementen).

Enligt en annan utföringsform är objektet cylind- riskt, vilket medger en ökad mekanisk stabilitet. Ordet cylinder skall här tolkas som i sin matematiska defini- _--_ 30 tion, dvs en kropp som begränsas av en yta, som erhålles kši genom parallellförflyttning av en rät linje utefter en 3:. - sluten kurva.

~%. Längdriktningen hos nämnda cylinderformiga objekt är .ÅÜ enligt en utföringsform väsentligen parallell med accele- äïï 35 rationsorganets längdriktning, dvs att cylindern förflyt- tas i sin längdriktning vid förflyttning av objektet i riktning från och mot accelerationselementet. Härvid ...v åstadkommes en stabil rörelse i z-led, på grund av en jämförelsevis stor anliggningsyta mellan cylindern och klämelementen.

Lämpligen uppvisar nämnda cylinder ett väsentligen 5 cirkulärt tvärsnitt, vilket medger enkel, vinkeloberoende placering av cylindern mellan klämelementen.

Enligt ytterligare en alternativ utföringsform inne- fattar nämnda positioneringsenhet tvà U-formiga organ, med skänklar av plattmaterial, vilka är så sammanfogade 10 att deras respektive öppna ändar är motriktade varandra, varvid det första U-formiga organets skänklar utgör nämn- da klämelement för bildandet av en glidyta mot nämnda ob- jekt, och det andra U-formiga objektets skänklar utgör glidytor avsedda för direkt anliggning och högfriktions- 15 glidning mot accelerationsorganet. Denna konstruktion medger enkelt utbyte av positioneringsenheten, exempelvis vid nötning av de fjädrande elementen eller dess glid- ytor. Dessutom kan vid behov olika positioneringsenheter användas med samma piezoelektriska element. Lämpligen är 20 objektet i denna utföringsform cylinderformigt, med ett cirkulärt tvärsnitt och dess längsgående axel är väsent- ligen vinkelrät mot accelerationsenhetens längdriktning.

Detta medger en stabil infästning i såväl objektets längdriktning, mellan det första U-formiga organets fjäd- 25 rande element och det cylinderformiga objektets mantel- yta, samt i z-led, mellan det andra U-formiga organets fjädrande element och piezorörets mantelyta, i båda fal- un: len på grund av en större anliggningsyta än i det sfäris- ka fallet. Nämnda glidytor innefattar företrädesvis mot 30 objektet respektive accelerationsorganet riktade, på Eg. skänkelytan anordnade, glidelement, företrädesvis grafit- 3:: stänger. Dessa stänger medger, förutom god glidförmåga, --ä. även en styrning av objektet i önskad riktning. ..Ü' Accelerationsorganet innefattar vidare företrädesvis ax: 35 ett rör av piezoelektriskt material, vilket tillhandahål- ÅÉÉ ler en enkel och väl utprovad mekanism för erhållande av ff: nämnda hastiga accelerations- och retardationsrörelser. ...v 1- CN ...A Uï \Q O QN Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är klämelementen anordnade inuti röret av piezoelektriskt material, vilket medger en mycket kompakt och utrymmesef- fektiv konstruktion. 5 Slutligen är lämpligen en provhàllare anordnad på objektet, vilken provhàllare är anordnad pà den sida av objektet som är väsentligen riktad bort från accelera- tionsorganet. Detta medger att provhàllaren kan vara ut- formad separat fràn objektet, och således ha en för pro- lO vet lämplig form, oberoende av objektets form. Detta med- ger omvänt att objektet kan vara utformat för ideala in- ställningsmöjligheter.

Kort beskrivning av ritningarna 15 Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmare, med hänvisning till föredragna utföringsformer, vilka avbil- das i bifogade ritning.

Fig 1 är en schematisk perspektivvy som visar en första utföringsform av uppfinningen, för mikropositione- 20 ring av ett sfärformigt objekt.

Fig 2 är en schematisk perspektivvy av en andra ut- föringsform av uppfinningen, för mikropositionering av ett cylinderformigt objekt.

Fig 3 är en perspektivvy av en tredje utföringsform 25 av uppfinningen, där mikropositionering sker genom tvà samverkande objekt, ett sfärformigt och ett cylinderfor- migt. un: Fig 4 är en perspektivvy av en fjärde utföringsform, för mikropositionering av ett cylinderformigt objekt. .. 30 š;: Beskrivning av föredragna utföringsformer 32' Den i fig 1 visade utföringsformen av uppfinningen ~%' innefattar ett rör 1 av ett piezoelektriskt material, .Åï vilket bildar ett accelerationsorgan. Rörets l yttre man- zïg 35 telyta är uppdelad i fyra elektriskt åtskilda segment la- Qil ld (ld ej visat), vilka har en utsträckning i rörets 1 ff: längdriktning och vardera upptar ett vinkelsegment av rö- 13 w ...v o o a o 4 o n . nu .' _' - ' _ 15 9 85 §II=fII§š_ _š'-I'.§=II§. =II§ 6 rets 1 mantelyta motsvarande 25% av den totala utsträck- ningen. Vardera segmentet är medelst elektriska kopp- lingsdon 2 anslutna till en väggenerator, varvid segmen- ten la, 1b, lc resp. ld kan styras oberoende av varandra. 5 Vid det piezoelektriska rörets ena mynning är två fjäd- rande tungor 3a, 3b anordnade, vilka utskjuter från pie- zoröret 1, i piezorörets 1 längdriktning. Dessa tungor 3a, 3b är anordnade på motstäende sidor om rörets 1 myn- ning och är fast förbundna med rörets 1 insida. Ett sfä- 10 riskt objekt 4 är anordnat mellan nämnda fjädrande ele-1 ment 3a, 3b. Objektet 4 är enbart fäst medelst klämverkan och friktion, och objektet är fritt rörligt under kraft- påverkan, dvs är förskjutbart mot och från det piezoe- lektriska röret 1 samt roterbart i samtliga riktningar. 15 Vidare är en provhållare 5 anordnad pà det sfäriska ob- jektet 4, på den sida av objektet 5 som är riktad från det piezoelektriska röret 1. Provhållaren 5 kan ha en rad olika utformningar, och är ej väsentlig för uppfinningen, varför den här ej beskrivs närmare. 20 Vid drift matas segmenten pà det piezoelektriska elementet med en elektrisk väg, lämpligen en cykloidlik- nande elektrisk väg, eftersom denna enbart producerar hög acceleration i en riktning, men även sàgtandformiga vågor och andra typer av elektriska vågor är användbara. Kurv- 25 formen hos drivspänningen som exciterar piezoröret är mo- duleringsbar, för àstadkommande av önskad förflyttning av objektet 5. Lämpliga andra moduleringsparametrar är amp- un: litud och frekvens. Beroende av önskad rörelse hos piezo- röret 1 kan samtliga segment la-ld matas med identiska ;-3 30 vågor, för åstadkommande av en enhetlig förlängning av :;: piezoröret 1, eller matas med olika vågor, för åstadkom- nz' - mande av en böjningsrörelse hos piezoröret 1, eller mer “¶' konkret en förlängning av rörets ena sida under oföränd- fæ. rad längd hos rörets andra sida. Vid förflyttning av pro- :hf 35 vet i z-led, från det piezoelektriska röret, sker först en förlängning av elementet, följt av återgång till ut- I gångslängden. Genom att göra denna övergång sådan att pi- ...v - Q Q c a s» 7 ezoröret hastigt övergår från en förhållandevis stor för- längningshastighet till en förhållandevis stor återgàngs- hastighet, dvs att göra övergången från förlängning till återgång så hastig att accelerationskraften tillfälligt 5 överstiger den sammanlagda friktions- och fjäderkraften mellan objektet och de fjädrande tungorna, sker en för- skjutning av objektet relativt tungorna, på grund av ett mekaniskt tröghetsmoment på objektet. Genom användning av en cykloidpuls förhindras dessutom en motriktad rörelse 10 av objektet vid övergången mellan återgång och förläng- ning av piezoröret, eftersom den totala accelerationen då är mycket mindre. Genom matning av det piezoelektriska elementet med en inverterad cykloidvåg, àstadkommes mot- satt rörelse, dvs en rörelse av objektet mot det piezoe- 15 lektriska röret. För att åstadkomma en vridning av objek- tet relativt de fjädrande tungorna 3a, 3b matas ett seg- ment, vid vilket ett fjädrande element 3a är anordnat, exempelvis la, med motsvarande cykloidvåg, medan de övri- ga segmenten lämnas oexciterade. Således sker en förläng- 20 ning av piezorörets ena sida, relativt den andra sidan, vilket resulterar i nämnda böjning av piezoröret. Vid återgång till oexciterat läge kommer således accelera- tionskraften att överstiga friktions- och klåmkraften en- bart på objektets 5 ena sida, i detta fall mellan objek- 25 tet 5 och den fjädrande tungan 3a, vilket resulterar i en vridning av objektet 5 relativt tungorna 3a, 3b vid åter- gången. För åstadkommande av en vridning av objektet i ~~3 ett plan som väsentligen är parallellt med de plan som definieras av de fjädrande tungornas 3a, 3b utbredning, 3 30 exciteras ett segment, vid vilket ingen tunga är anord- nad, exempelvis lb, medan de övrig segmenten lämnas oex- 'zj citerade. Vid excitering kommer således objektet att er- 'if hålla en vinkelförskjutning relativt piezorörets oexcite- fâ? rade längdaxel, vilken vinkelförskjutning på grund av me- Än: 35 kanisk tröghet i systemet kommer att kvarstå vid hastig '03 återgång till ursprungsläget. Objektet i denna utförings- form år således rörligt och styrbart i tre dimensioner. > I ø' ä; i f 1 91 ...v I' LW ...å- LH D GQ Um Den i fig 2 visade utföringsformen är identisk med den i fig 1 visade utföringsformen, med undantaget att det sfäriska objektet 4 är utbytt mot ett cylindriskt ob- jekt 14. Detta medför en bättre stabilitet för rörelse i 5 z-led (piezorörets längdriktning), tack vare en större anliggningsyta mellan de fjädrande tungorna l3a, 13b och objektet 15, men medför samtidigt att objektet är begrän- sat till rörelse i en dimension. För att underlätta denna rörelse kan glidelement, i detta utföringsexempel grafit~ 10 stänger 18, vara parvis anordnade på de mot varandra rik- tade sidorna av de fjädrande elementen l3a, l3b, mellan vilka stänger det cylindriska objektet 14 är glidbart an- ordnat. Detta medger bättre och stabilare friktionsegen- skaper. Motsvarande element kan även vara anordnade i 15 konstruktionen som visas i fig 1.

I fig 3 visas en utföringsform som är en kombination av konstruktionerna som visas i fig 1 och fig 2. Ett cy- lindriskt objekt 34 är glidbart anordnat mellan tvà fjäd- rande objekt 33a, 33b, vilka är fast förbundna med ett 20 piezoelektriskt rör 31. På det cylindriska objektets 34 fràn piezorörets 31 vända kortsida är ytterligare två tungor anordnade 36a, 36b, mellan vilka en sfärisk kropp 37 är anbringad. En provhällare 35 är i sin tur placerad på det sfäriska objektet 37, på motsvarande sätt som i 25 fig 1. Det sfäriska objektet 37 är medelst glidstänger 38 förhindrat att förskjutas i 2-led relativt tungorna. I denna utföringsform är således den tredimensionella rö- unz relsen uppdelad i tvà steg, z-rörelsen sker medelst det cylindriska objektet 34, pà samma sätt som i den i fig 2 - 30 visade utföringsformen, och rörelse i övriga två led sker medelst rotation av det sfäriska objektet 37, i enlighet az. med beskrivningen av den utföringsform, som visas i fig få? Den i fig 4 visade utföringsformen har en nàgot an- ïfl: 35 norlunda grundutformning än de i fig 1-3 visade utfö- Ä53 ringsformerna, men uppvisar funktionellt stora likheter fy! med de övriga utföringsformerna. I denna utföringsform ...v innefattar positioneringsenheten två u-formiga bleck, vilka är sammanfogade med varandra i livet, på så sätt att deras respektive öppna ändar, som definieras av re- spektive skänkelpar 23c, 23 d respektive 23a, 23b, är 5 riktade ät motsatta håll. Dessa skänklar bildar fjädrande tungor. I detta utföringsexempel är de båda U-formiga blecken även så sammanfogade att det första skänkelparet 23a, 23b är vridna 90 grader, relativt det andra skänkel- paret 23c, 23d. Skänklarna i det andra skänkelparet 23c, 10 23d, är avpassade att bilda fjädrande tungor vilka är äm- nade att vara glidbart anbringade direkt mot piezorörets 21 utsida, för tillhandahållande av rörelsemöjlighet för anordningen i z-led. Mellan skänklarna i det första skän- kelparet 23a resp. 23b är ett cylindriskt objekt 24 glid- 15 bart anordnat, vars längdaxel väsentligen bildar en vin- kel på 90 grader, relativt piezorörets 21 oexciterade längdaxel. Detta cylindriska objekt 24 är alltså för- skjutbart relativt skänklarna 23a, 23b längs objektets längsgående axel samt roterbart runt samma axel, vid 20 lämplig rörelse av piezoröret, på sådant vis som beskri- vits ovan, i samband med övriga utföringsformer. På det cylindriska objektets 24 mantelyta, på den sida som är riktad från piezoröret är en provhållare 25 anordnad på samma vis som i den i fig 1 visade utföringsformen, Även 25 i denna utföringsform, precis som i den i fig 3 visade utföringsformen, är objektets rörlighet uppdelad i två delar, en del som sköter rörelse i z-led, och en del som nn; sköter rörelse i övriga led. Även i denna utföringsform ; är glidelement 28 anordnade, för att underlätta förskjut- ¿ï_ 30 ning av objektet. gp: Ovanstående utföringsformer är enbart givna i exemp- nz' lifierande syfte och är ej ämnade att begränsa skyddets us' omfång. En mängd modifieringar och för fackmannen närlig- .:Ü' gande konstruktiva förändringar kan givetvis göras, utan :ik 35 att den grundläggande uppfinningstanken, såsom den defi- äêï nieras av efterföljande patentkrav 1, fràngås. Exempelvis ff: kan nämnas att glidelement av det slag som diskuteras i ...v f- ~ _ 515 grå 10 samband med fig 2, exempelvis grafitstänger, men även andra typer, givetvis kan vara anordnade i samtliga glid» ytor, för att underlätta och styra upp friktionsverkan i nämnda glidytor. Vidare kan ett antal inbördes samverkan- 5 de sfäriska och cylindriska kroppar vara anordnade för àstadkommande av en mer exakt styrning i vissa led. Utfö- ringsformen i fig 3 är enbart ett exempel på en sådan kombination. Vidare kan piezoröret, som nyttjas i de ovan beskrivna utförandena ersättas med exempelvis en stegmo- 10 tor, eller valfritt annat element som kan åstadkomma en tillräckligt hög acceleration hos positioneringsenheten.

Nämnda positioneringsenhet kan vara fastsatt pà piezorö- rets insida eller utsida, som i fig 1, men även vara glidbart anordnad på piezoröret som i fig 4. Antalet 15 klämelement eller fjädrande tungor är ej heller begränsat till tvâ, utan kan vara tvà eller flera. Objektets form är inte heller väsentlig för uppfinningen, även om ett antal föredragna former beskrivits ovan. Exempelvis kan cylindern i fig 2 ha formen av ett rätblock. Även om 20 samtliga klämelement som beskrivits ovan är av fjädrande slag, är det möjligt att nyttja ett antal pà avstånd från varandra placerade icke fjädrande element, mellan vilka objektet är anordnat.

Claims (12)

~~~W 4 * 1 u. u. u u u n u nu sv. :- J nu n , ß u ßf . 5É5 9g5%fiÄÄPfi%ÜÉ¥äÄ@fi° 1 l PATENTKRAV

1. Anordning för mikropositionering av objekt (4; 14; 24; 34), exempelvis vid mikroskopi, vilken anordning 5 innefattar ett accelerationsorgan (1; 11; 21; 31) och en med accelerationsorganet förbunden positioneringsenhet (3; 13; 23; 33), vilken i sin tur står i förbindelse med objektet (4; 14; 24; 34), varvid objektets läge relativt positioneringsenheten (3; 13; 23; 33) är förändringsbart 10 vid kraftig acceleration eller retardation av accelera- tionsorganet (1; 11; 21; 31), på grund av mekanisk trög- het hos objektet (4; 14; 24; 34), k ä n n e t e c k n a d av att nämnda positioneringsenhet (3; 13; 23; 33)innefattar åtminstone två klämelement (3a, 3b; 13a, 15 l3b; 23a, 23b; 33a, 33b), mellan vilka objektet är avsett att hållas enbart medelst klämkraften och friktionskraf- ten från nämnda klämelement.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att klämelementen (3a, 3b; 13a, l3b; 23a, 23b; 33a, 20 33b) innefattar fjädrande tungor, vilka är direkt för- bundna med accelerationsorganet (l; 11; 21; 31) och är riktade i dess längdriktning, mellan vilka tungor objek- tet (4, 14, 24, 34) är anordnat.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - 25 t e c k n a d av att nämnda objekt (4, 14, 24, 34) är vä- sentligen sfäriskt.

4. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - ¿.¿ t e c k n a d av att nämnda objekt (4, 14, 24, 34) är vä-

5. E sentligen cylinderformigt. -Ä_ 30 5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d :;: av att den längsgående axeln hos nämnda cylinderformiga nï' - objekt (4, 14, 24, 34) är väsentligen parallell med acce- “:ï lerationsorganets (1, 11, 21, 31) längdriktning. nä'

6. Anordning enligt något av kraven 4 eller 5, Ä.3 35 V k ä n n e t e c k n a d av att nämnda cylinderformiga ob- 1 jekt (4, 14, 24, 34) har ett väsentligen cirkulärt tvär- ff: snitt. 10 15 20 25 30

7. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n_a d av att positioneringsenheten (23) innefattar två U- formiga organ, med skänklar (23a, 23b; 23c, 23d) av plattmaterial, vilka organ är så sammanfogade att deras respektive öppna ändar är motriktade varandra, varvid det första U-formiga organets skänklar (23a, 23b) utgör nämn- da klämelement för bildandet av en glidyta mot nämnda ob- jekt (24), och det andra U-formiga objektets skänklar (23c, 23d) utgör glidytor avsedda för direkt anliggning och högfriktionsglidning mot accelerationsorganet (21).

8. Anordning enligt krav 7, k å n n e t e c k n a d av att objektet lärt tvärsnitt och av att den längsgående axeln hos nämn- da cylinderformiga objekt (24) år väsentligen vinkelrät (24) är cylinderformigt, med ett cirku- mot accelerationsenhetens (21) längdriktning.

9. Anordning enligt krav 7 eller 8, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda glidytor innefattar mot ob- jektet (24) respektive accelerationsorganet (21) riktade, på skänkelytan fastsatta, glidstånger (18, 28, 38), före- trädesvis av grafit.

10. Anordning enlig något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att accelerationsorganet (l; 11; 21; 31) al. innefattar ett rör av piezoelektriskt materi-

11. Anordning enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d 3b; l3a, l3b; 23a, 23b; 33a, 33b) är anordnade inuti röret av piezoelektriskt materi- al. av att klämelementen (3a,

12. Anordning enligt något av föregående krav, k å n n e t e c k n a d av att en provhållare (5; 15; 25; 35) är anordnad på objektet (4, 14, 24, 34), vilken prov- hållare är anordnad på den sida av objektet som är vå- sentligen riktad bort från accelerationsorganet (l; ll; 21; 31).