ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ШАГАЮЩИЙ РОБОТ-НАНОПОЗИЦИОНЕР

Полезная модель относится к области сканирующей зондовой микроскопии, микромеханике, робототехнике и нанотехнологии. Инерционный шагающий робот-нанопозиционер предназначен для прецизионного позиционирования зондовых головок для исследования и модификации объектов с возможностью визуального контроля положения наконечника зонда при помощи оптической или электронной микроскопии.
Уровень техники
Существуют устройства прецизионного позиционирования зондов, которые могут использоваться для исследования поверхности в режиме сканирующей зондовой микроскопии (атомно-силовая, туннельная, магнитно-силовая, ближнепольная микроскопия), в статическом (точечном) режиме для измерения различных физических параметров (температуры, электрических и оптических характеристик), наноразмерных объектов и электронных схем, а также в качестве манипуляторов для захвата и перемещения микро и нанообъектов, доставки инъекций в заданное координатное положение. Позиционирование, как правило, представляет собой относительное перемещение зонда и столика объектов в нужную позицию в автоматическом, полуавтоматическом или ручном режимах. Подобные устройства обладают развитыми системами линейно наноперемещения по 3-м осям X, Y, Z тем не менее, к недостаткам такого принципа позиционирования можно отнести малую универсальность и ограниченную мобильность, по сути стационарных измерительных станций [1, 2, 3], что становится очевидным при исследовании объектов сложных конфигураций, в том числе при подведении нескольких зондов одновременно.
Существуют малоразмерные мобильные роботы-нанопозиционеры, обладающие нанометровым разрешением и возможностью экипировки различными измерительными зондовыми головками. Такие зондовые системы обладают рядом преимуществ перед традиционными, среди которых можно отметить более простую масштабируемость количества измеряемых параметров (достигаемую за счет увеличения числа роботов, имеющих специализированные зондовые головки), возможность быстрой подстройки пространственной конфигурации измерительной системы под форму объекта исследования (за счет мобильности и малого размера каждого робота), увеличенный размер рабочего поля без уменьшения разрешающей способности позиционирования (за счет способности перемещения роботов по поверхности столика). Основным отличием от стационарных систем является то, что каждый робот обладает способностью перемещаться по ровной горизонтальной поверхности (например, полированному металлическому или стеклянному предметному столику) на значительные расстояния, в то время как диапазон вертикального передвижения ограничен размерами робота и определяется дистанцией между положениями наконечника зонда в максимально опущенном и поднятом состояниях.
Большинство способов линейного передвижения (колесное, червячное, шаговое) обусловлено использованием сил взаимного трения. При этом каждый тип движения в комбинации двух двигателей по ортогональным осям (X, Y) позволяет собрать робота, способного двигаться по горизонтальной плоскости. Среди прочих шаговое передвижение обладает наибольшей точностью позиционирования от единиц до десятков нанометров [4, 5]. Шаговых роботов, в свою очередь, можно разделить на истинно шагающих роботов (с поочередным подъемом и переносом опор) [4, 6], и инерциальных шагающих [5, 7, 8] с одновременным или попеременным перемещением двигательных опор. Для истинно шагающих роботов требуется относительно большое (не менее 4) количество опор с возможностью одновременного управления каждой, что увеличивает количество каналов управления и сложность конструкции. Для инерциальных шагающих роботов для сохранения устойчивости требуется три опоры, при этом количество каналов управления может быть уменьшено из-за отсутствия необходимости подъема опоры при движении. Большинство шагающих роботов имеют инерциальный тип движения с одновременным перемещением всех ног [5, 7, 8], при этом основное отличие заключается в способе передвижения зонда по вертикальной оси (Z-двигатель).
Известно устройство серии роботов NanoWalker [7] и NanoRunner [8], имеющих три пьезокерамических опоры для горизонтального перемещения и зондовую головку. В качестве Z-двигателя, для вертикального перемещения зондовой головки, использовалась пьезотрубка, длина хода которой ограничена сотнями нанометров, что значительно увеличивает вероятность повреждения зонда в случае передвижения над рельефной поверхностью. Кроме того, пьезотрубка с зондовой головкой крепится с нижней стороны корпуса робота, что усложняет использование микроскопа для визуального контроля позиционирования и снижает его точность.
Существует устройство истинно шагающего робота, который реализован в устройстве MINIMAN [6]. Устройство включает три пьезокерамических опоры для горизонтального перемещения и зондовую головку. Z-двигатель для вертикального перемещения зондовой головки представляет собой рычаг, который соединен с шаром, располагаемым в верхней части робота. Шар может вращаться верхними пьезокерамическими опорами в большом диапазоне углов. Недостатком устройства является отсутствие целостности конструкции, поскольку шар с держателем зонда не закреплен к конструкции, а также погрешность позиционирования в горизонтальной плоскости XY за счет латерального смещения зонда при его опускании на исследуемую поверхность. Последний эффект особенно заметен при наблюдении за положением зонда в оптический или электронный микроскоп, когда координаты зонда X и Y значительно отличаются в максимально поднятом и опущенном по оси Z состояниях.
Также известно устройство истинно шагающего робота-нанопозиционера RU 2540283 [9] предназначенного для прецизионного перемещения зонда содержащего перемещаемую платформу и более трех шагающих опор. В опору робота-нанопозиционера встроена упругая микроконсоль с зондом, которая при установке выступа опоры на поверхность упирается в нее зондом, изгибается и, при необходимости, размещается спрятанной в защитной нише. Недостатки данного устройства связаны со сложностями системы для обеспечения истинного шагания и фиксирования положения на сложной шероховатой поверхности, а также отсутствия как такового Z-двигателя, при этом в момент контакта, координата и сила нажима зонда с поверхностью осуществляются неуправляемо с большой погрешностью.
Наиболее широко востребованными являются инерционные шагающие роботы с использованием рабочей поверхности, на которой могут быть закреплены образцы и наличием Z-двигателя. Наиболее распространенным является устройство инерциального шагающего по поверхности робота, в котором вертикальное движение зонда (Z-двигатель) осуществляется за счет вращения диска с рычагом, на конце которого располагается зонд, при этом вращающийся диск закреплен внутри корпуса робота [5]. Вращение диска с рычагом достигается посредством передвижения пьезокерамических опор по диску, обеспечивая перемещение зонда по вертикальной оси Z, в то время как угловое вращение в горизонтальной плоскости XY обеспечивается посредством разворота корпуса робота. Однако, в устройстве существует проблема латерального смещения зонда при вертикальном движении по оси Z зонд, что вносит погрешность в позиционирование и требует дополнительной корректировки.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели изобретению и выбранным за прототип является устройство инерциально шагающего робота miBot™ [10], имеющего три пьезокерамических опоры для горизонтального перемещения и зондовую головку, в котором держатель зонда установлен на Z-двигатель в виде рычага на вращающемся диске.
Инерциальный шагающий робот-нанопозиционер свободно перемещается по рабочей поверхности, на которой размещается исследуемый образец, при этом робот передвигается в двух режимах, обеспечивая микро-и нанометровое разрешение позиционирования. В режиме инерционного передвижения пьезоэлектрические приводы работают с пилообразным напряжением, позволяя перемещаться на значительные расстояния с разрешением до 40 нм. В режиме сканирования постоянное напряжение подается на приводы и поддерживается с амплитудой, определяющей величину смещения. Предельный диапазон реализуемых смещений до нескольких сотен нанометров с разрешением ~1.5 нм по горизонтали и ~3.5 нм по вертикали. Перемещение по вертикальной оси (Z-двигатель) происходит за счет поворота рычага на угол до 42 градусов на конце которого находится держатель зондовой головки. Механизм держателя позволяет быструю замену зонда, согласно патенту [11].
Основными недостатками данного устройства являются:
1. движение зонда по вертикали происходит по дуге, что создает латеральное смещение зонда в горизонтальной плоскости и погрешность в позиционировании.
2. наличие вибрации зонда (как минимум величиной ~0.05 нм) при стационарном позиционировании, обусловленное влиянием шума постоянного управляющего напряжения прилагаемого в режиме сканирования, что ограничивает разрешение робота до 1.5 нм по горизонтали и до 3.5 нм по вертикали, а также вносит погрешности в измеряемые характеристики.
Позиционирование зонда робота, как правило, происходит с использованием микроскопа (оптического, электронного или ионного), вектор наблюдения которого расположен по нормали к поверхности, на которой располагается исследуемый объект. Латеральное смещение зонда в горизонтальной плоскости при вертикальном перемещении вносит погрешность в координату контакта зонда и поверхности, и требует ее последующей корректировки, с учетом величины вертикального перемещения и радиуса рычага.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности позиционирования зондовой головки за счет устранения ее латерального смещения в горизонтальной плоскости при вертикальном перемещении, а также за счет снижения вибрации зондовой головки при ее стационарном позиционировании.
Достигается технический результат за счет того, что зондовая головка закреплена на каретке, расположенной между вращающимся прижимным подшипником, обеспечивающим статическое положение каретки, и четырьмя пьезокерамическими опорами для вертикального перемещения каретки, с регулируемым шагом в диапазоне 1 - 500 нм, причем каретка снабжена вертикально расположенной линейной направляющей обеспечивающей фиксацию в горизонтальной плоскости.
Перечень фигур
Фиг. 1 Устройство инерционного шагающего робота-нанопозиционера с вертикальным перемещением зонда, вид сбоку. На Фиг. 2 показан вид устройства сверху.
1, 2, 3 - пьезокерамические опоры для перемещения по поверхности; 4 -каретка для вертикального перемещения зонда; 5, 6, 7, 8 - пьезокерамические опоры для вертикального перемещения каретки; 9 - линейная направляющая каретки; 10 - прижимной подшипник; 11 - зондовая головка; 12 - стойка крепления пьезокерамических опор 5, 6, 7, 8; 13 - крепление прижимного подшипника 10.
В конструкции инерционно шагающего робота-нанопозиционера, для перемещения в горизонтальной плоскости XY используется классическая компоновка с тремя опорами в виде пьезокерамических трубок 1, 2, 3 с закрепленными на торце корундовыми шариками. Перемещение в горизонтальной плоскости, осуществляется за счет поочередного передвижения трех пьезокерамических опор 1, 2, 3 по несущей поверхности.
Для дальнего и прецизионного позиционирования по трем осям X, Y, Z используются горизонтальные 1, 2, 3 и вертикальные 5, 6, 7, 8 пьезокерамические опоры, обеспечивающие шаг в широком диапазоне 1 -500 нм со сбросом до нуля управляющих напряжений в точке стационарного позиционирования. Регулируемый шаг управления опорами позволяет проводить позиционирование зонда с точностью до 1 нм по трем осям X, Y, Z, а также проводить угловое перемещение в горизонтальной плоскости XY с точностью ~1 угловой секунды.
Для вертикального перемещения по оси Z, зондовая головка 11 крепится к каретке 4, перемещающейся строго вертикально в пределах 4 мм с управляемым шагом в диапазоне 1-100 нм. Каретка 4 зажимается между вращающимся подшипником 10 и парами пьезокерамических опор 5, 6, 7, 8. На одной из сторон каретки имеется линейная направляющая 9, которая обеспечивает фиксацию каретки в горизонтальной плоскости XY и ее строго вертикальное, без латерального смещения, движение. Вертикальное перемещение каретки 4 обеспечивается способом поочередного передвижения пьезокерамических опор 5, 6, 7, 8 по телу каретки 4. При достижении координаты стационарного позиционирования происходит сброс до нуля управляющих напряжений на всех опорах, что обеспечивает подавление вибрации как минимум до уровня смещения ~ 1 пм.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Petersen С, Quaade U., Nielsen P., Grey F., Boggild P., Nano-drive for high resolution positioning and for positioning of a multi-point probe, US Patent No. 20020153909 Al, 24.10.2002.
2. Pan S.P., Chang W.C., Yao B.C., Long-stroke, high-resolution nanopositioning mechanism, US 7307370 B2, 11.12.2007.
3. Dyer M.J., Yu M.F., Bray K., Manipulation system for manipulating a sample under study with a microscope", US 6967335 Bl, 22.11.2005.
4. Fatikow S., Seyfried J., Fahbusch S., Burkle A. and Schmoeckel F., A Flexible Microrobot-Based Microassembly Station, Journal of Intelligent and Robotic Systems, 27, 135-169, 2000.
5. Canales C, Kaegi F., Groux C, Breguet J.M., Meyer C, Zbinden U., Steinecker A., A nanomanipulation platform for semiautomated manipulation of nano-sized objects using mobile microrobots inside a Scanning Electron Microscope, Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea, July 6-11,2008.
6. Simu U. and Johansson S., Evaluation of a monolithic piezoelectric drive unit for a miniature robot, Sensors and Actuators A: Physical, 101, 1-2, 175-184, 2002.
7. Martel S. et al., Three-legged wireless miniature robots for mass-scale operations at the sub-atomic scale, Proceedings of the 2001 IEEE International Conferenceon Robotics & Automation, Seoul, Korea, May 21 - 26, 2001.
8. Martel S. et al., NanoRunner: a very small wireless robot with three piezo-actuated legssuited for design experimentations and validations through pre-programmed behaviors", Proc. SPIE 4194, Microrobotics and Microassembly II, 2000.
9. Лапшин P. В.? Шагающий робот-нанопозиционер и способ управления его передвижением, РФ патент No 2540283, 10.02.2015.
http://www.imina.ch/sites/default/files/product_pdf/iminatechnologies_mibot_technicals pecifications_en_web.pdf
10. Technical Specifications miBot™ ВТ-14 [Электронный ресурс], URL:  (дата обращения: 20.10.2017).
11. Eugster P., Tache F., Boetsch G., Electromechanical tool holder assembly for mobile manipulation apparatus, WO Patent No 2013113557 Al, 08.08.2013.