Трехкоординатное устройство позиционирования

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,
- длина свободной (незафиксированной) части пластины,
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.