УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
PRECISION MOVEMENTS DEVICE

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в качестве эталона для определения перемещений и линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне и для калибровки конфокальных микроскопов и оптических интерферометров.
Известно устройство для прецизионных перемещений, позволяющее обеспечивать линейное смещение в нанометровом диапазоне (US 4787148 /1/). Известное устройство по своей сущности является усовершенствованием известного микрометра, снабженного двухступенчатым механическим редуктором с соответствующим передаточным числом.
Недостатком известного устройства является относительно невысокая точность задаваемого смещения и невысокая воспроизводимость результатов, что присуще любому механизму, имеющему подвижные узлы и детали.
Известно эталонное устройство, которое используется для тестирования профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Устройство представляет собой монокристаллическую пластину, в которой методами микроэлектронных технологий выполнены ступенчатые углубления с одинаковой фиксированной высотой каждой из ступеней (US 6028008 /2/).
Передача линейного размера с помощью такого устройства может производиться только при проведении многократных измерений в различных областях поверхности и с последующей математической обработкой результатов измерений.
Этому устройству присущи определенные недостатки. С помощью него можно измерять линейные смещения только в одном направлении - в глубину. Кроме того, поскольку для изготовления используется метод травления, то точность изготовления высоты ступени может составить несколько атомных слоев, а учитывая, что параметр кристаллической решетки для кремния равен 5,43  то точность высоты ступеней будет отличаться одна от другой на 5-7 нм, что для ряда применений является недопустимым.
Известно фотоэлектрическое устройство для определения смещения (GB 1063060 /3/). Устройство содержит источник коллимированного светового пучка, фотоприемник и расположенные между источником и фотоприемником две дифракционные решетки с различными периодами и коэффициентами заполнения. При смещении одной решетки относительно другой происходит периодическое перекрытие (или открытие) поперечного сечения светового пучка, что фиксируется фотоприемником.
Недостатком известного устройства является то, что измеряется смещение одного объекта относительно другого и каждый из них должен быть снабжен дифракционной решеткой, изготовление которой всегда осуществляется с некоторой погрешностью.
Известно устройство для прецизионного измерения расстояний, которое включает два секционированных электрода, размещенных оппозитно один другому с возможностью перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов. Секции в первом и втором секционированных электродах выполнены одинаковой длины, при этом секции первого из электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения. Второй секционированный электрод выполнен с электрически изолированными одна от другой секциями, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций этого секционированного электрода. Еще один вход упомянутой системы соединен со вторым выходом генератора переменного напряжения, а длина любой из секций первого секционированного электрода выполнена отличной от длины любой из секций второго секционированного электрода на величину, равную заданной разрешающей способности устройства. Технический результат - повышение разрешающей способности устройства до нанометрового диапазона при технологически допустимых ограничениях на выполнение секций электродов по длине (RU 2221217 /4/).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и технологии изготовления, поскольку требуется высокая точность (до одного нанометра) изготовления электродов. Кроме того, из-за необходимости определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций секционированного электрода возрастают требования к регистрирующей аппаратуре, которая будет вносить недопустимые погрешности в измерениях.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для прецизионных перемещений, которое может быть использовано в качестве эталона для определения перемещений и линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне и включает пластину из пьезоэлектрического материала с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения (RU 2284464 [5]). Устройство позволяет управляемо перемещать отсчетную поверхность с пространственной разрешающей способностью в доли нанометров.
Однако для существующих промышленно выпускаемых конфокальных и интерференционных микроскопов данные устройства неприменимы поскольку аппаратно-программное обеспечение современных промышленно выпускаемых конфокальных и интерферометрических микроскопов не позволяет измерить величину перемещения отсчетной поверхности монокристалла, осуществляемого в различные моменты времени. В результате данной особенности программного обеспечения, если на поверхности ничего не происходит (например, она целиком без изменений только перемещается перпендикулярно основанию), то программное обеспечение покажет, что форма поверхности какой была, такой и осталась (а перемещение в измерительном приборе не отображается). Поэтому измерение величины перемещения отсчетной поверхности одиночного кристалла не производится.
Заявляемое устройство направлено на обеспечение калибровки современных используемых в промышленности конфокальных микроскопов и оптических интерферометров.
Указанный результат достигается тем, что устройство для прецизионных перемещений, содержит элемент из пьезоэлектрического материала с обратным пьезоэффектом с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения. При этом оно дополнено вторым элементом из пьезоэлектрического материала с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику, при этом элементы установлены на общем основании с общим для обоих элементов электродом и выполнены так, что при одинаковой полярности управляющего напряжения векторы направления их деформации коллинеарны и противоположно направлены.
При этом элементы могут быть выполнены как монокристаллическими, так и из поляризованной пьезокерамики.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются:
- дополнение устройства вторым элементом из пьезоэлектрического материала с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику;
- элементы установлены на общем основании с общим для обоих элементов электродом;
- элементы выполнены так, что при одинаковой полярности управляющего напряжения векторы направления их деформации коллинеарны и противоположно направлены.
Если поставить два элемента из пьезоэлектрического материала рядом, чтобы они были видны в один объектив, то измерение разницы перемещений их отсчетных поверхностей становится возможным, если их поверхности будут перемещаться относительно друг друга. Разница перемещений отсчетных поверхностей составляет единицы и десятки нанометров, поэтому для повышения точности перемещения расстояния между отсчетными поверхностями должны быть соизмеримы с единицами и десятками микрон. При увеличении данного расстояния точность измерения перемещения уменьшается. В принципе можно установить рядом два элемента из пьезоэлектрического материала и подавать управляющее электрическое напряжение противоположного направления для обеспечения перемещения видимых в объектив поверхностей относительно друг друга. Однако максимально допустимое напряжение ограничивается величиной электрического пробоя между элементами. Ограничение максимально подаваемого напряжения приводит к уменьшению величины относительного перемещения отсчетных поверхностей. Например, при расстоянии между отсчетными поверхностями в 0,1 мм максимальное напряжение ограниченное пробоем в воздухе составляет 0,3 кВ. Следовательно, для надежной работы разрешено будет подавать напряжение не более 0,1 кВ. Данная величина в 20 раз меньше, чем максимальная величина напряжения, подаваемого на одиночный элемент. В результате ограничения максимально допустимого напряжения диапазон перемещения элемента из монокристалла ниобата лития составит всего несколько нанометров, что в десятки раз меньше требуемой величины в 100 нанометров, являющейся верхней границей нанометрового диапазона.
В предлагаемом устройстве мера перемещения состоит из двух элементов из пьезоэлектрического материала с противоположной ориентацией кристаллографических осей (если использовать монокристаллический материал), или различным направлением поляризации (если использовать пьезоэлектрические элементы из поляризованной пьезокерамики), расположенных на общем основании. Электроды элементов на основании и на верхних поверхностях элементов подсоединены к источнику напряжения. При подаче управляющего напряжения на элементы их отсчетные поверхности перемещаются в противоположных направлениях. Несмотря на близость расположения элементов, между рядом расположенными боковыми поверхностями элементов нет разницы напряжений. В то же время в результате применения пар элементов с взаимно противоположным направлением кристаллографических осей или направлением поляризации перемещение их отсчетных поверхностей равно (при идентичности элементов) и противоположно направлено.
В результате возможно максимально близкое расположение элементов, подача на них максимально допустимого управляющего напряжения для достижения максимальных перемещений элементов.
Сущность предлагаемого устройства поясняется примером реализации и чертежом, на котором представлена его принципиальная схема.
Устройство содержит общее основание 1 для обоих элементов из пьезоэлектрического материала 2 и 3 (т.е. первой и второй меры перемещения), общего электрода 4, расположенного на поверхности общего основания и соединенного проводом 5 с регулируемым источником напряжения (на чертеже не показан и может быть выбран из числа известных).
На верхних торцах обеих элементов из пьезоэлектрического материала нанесены индивидуальные электроды 6 и 7, подсоединенные общим проводом 8 к источнику напряжения. Поверх электродов 6 и 7 закреплены пластинки 9 и 10 с отсчетными поверхностями.
Работа устройства производится следующим образом. От источника напряжения электрические сигналы поступают на общий электрод 4 и на электрически соединенные электроды 5 и 7. Под воздействием управляющего напряжения происходит изменение размеров элементов из пьезоэлектрического материала 2 и 3 и перемещение отсчетных поверхностей пластинок 9 и 10. В зависимости от ориентации кристаллографических осей монокристаллов или поляризации пьезокерамики, меры перемещения и электрического поля в межэлектродном пространстве происходит перемещение отсчетных поверхностей мер в соответствующих направлениях:
- Перпендикулярно от основания.
- Перпендикулярно к основанию.
- Параллельно основанию влево (относительно плоскости рисунка).
- Параллельно основанию вправо (относительно плоскости рисунка).
- Параллельно основанию и перпендикулярно к плоскости рисунка (к зрителю).
- Параллельно основанию и перпендикулярно от плоскости рисунка (от зрителя).
При ориентации Ζ кристалла ниобата лития, противоположном расположении кристаллографических осей двух мер перемещения, под воздействием электрического напряжения деформация кристалла приведет к перемещению отсчетных поверхностей перпендикулярно основанию. От основания в одной мере (элементе) и к основанию в другой мере (элементе).
Величина изменения разновысотности отсчетных поверхностей будет прямо пропорциональная величине управляющего напряжения. Вследствие эквипотенциальности боковых близлежащих сторон кристаллов мер перемещения между ними нет напряженности электрического поля, что позволяет прикладывать максимально возможные электрические поля в монокристаллах для обеспечения максимально возможного перемещения. Результат перемещения рядом расположенных отсчетных поверхностей регистрируется измерительным прибором типа конфокального или интерференционного микроскопа в виде статического смещения интерференционных полос, которое обрабатывается существующим программным обеспечением.
Таким образом, осуществляя калиброванные перемещения близко расположенных участков поверхности и измеряя их конфокальным или интерференционными микроскопами, осуществляют их калибровку.