Сканирующее устройство для сканирующей микроскопии
Полезная модель относится к технике и микроскопостроению и может быть использована в сканирующем зондовом микроскопе в качестве сканирующего устройства.
Предлагаемое устройство состоит из двух одинаковых устройств для позиционирования головок, одно из которых жестко закреплено на рабочем конце другого, причем рабочие концы расположены перпендикулярно друг к другу. Каждое из устройств имеет датчик и катушку перемещения. На рабочем конце верхнего устройства закреплен пьезокерамический трехкоординатный сканер с держателем объекта.
Полезная модель позволяет получить большой диапазон сканирования, характерный для механических устройств перемещения и одновременно получить высокую вибростабильность и точность перемещения, свойственную пьезокерамическим сканерам.
Полезная модель относится к технике и микроскопостроению и может быть использована в качестве сканирующего устройства при создании сканирующих микроскопов различного типа.
Известно сканирующее устройство для зондовой микроскопии (Бинниг Г., Смит Д. Трубчатый трехкоординатный пьезопреобразователь для растрового туннельного микроскопа/Шриборы для научных исследований. 1986, Т.57, №.8, с.152-153), представляющее собой пьезокерамический элемент в форме цилиндра, который позволяет перемещать объект в пространстве по трем координатам. Описанное устройство имеет малый диапазон перемещения до 60×60 мкм2 , что недостаточно для визуализации больших участков или поиска объекта для последующего исследования.
Известно сканирующее устройство для микроскопии (S.Hosaka, Y.Honda, t.Hasewaga et al. Ultrahigh vacuum atomic force microscope using a pantograph inchworm mechanism// Rev. Sci. Instrum. V.64, N12, 1993, p.3524-3529), состоящее из металлического корпуса цилиндрической формы, к боковой поверхности которого прикреплены пьезокерамические элементы, снабженные рычагами (типа пантографа) для увеличения диапазона перемещения. Внутри цилиндра закреплен стол-подставка, на котором крепится пьезоэлемент с держателем объекта для перемещения в вертикальной плоскости. Преимущество этого устройства состоит в том, что диапазон сканирования возрастает до 600×600 мкм 2
Однако, устройство с системой рычагов обладает низкой жесткостью и вибростабильностью и, кроме того, не позволяет увеличить диапазон сканирования до величин более 1×1 мм 2.
Известно механическое устройство (каталог "Opto-mechanics" ThorLabs Inc. V. 15,2003,450 с.) для перемещения объекта в пространстве по трем координатам, которое используется для вывода объекта в заданную точку. Устройство представляет собой три закрепленных один на другом механизма линейного перемещения с двигателями и датчиками расстояния. Механизм линейного перемещения представляет собой шлифованные направляющие, по которым на шариках скользит внутренний столик На столике первого механизма линейного перемещения закреплен второй механизм, а на его столике - третий, причем направления перемещения столиков перпендикулярны друг другу, что обеспечивает перемещение по трем координатам. Данное устройство позволяет перемещать объект на большие расстояния - десятки мм. Недостатком данной конструкции являются малая скорость и низкая точность
перемещения, которая не превышает 1 мкм, что не позволяет использовать его для сканирования объекта. Кроме того, механизм линейного перемещения не позволяет получить высокой точности перемещения, за счет того, что при движении в заданном направлении, происходит также нежелательные перемещения и развороты столика по двум остальным координатам (на десятые доли микрона), что вызвано невозможностью изготовления строго линейных направляющих.
Наиболее близким аналогом по выполняемой функции является поворотное устройство для позиционирования головок в магнитных накопителях информации ЭВМ типа «винчестер» (Р.Norton Inside IBM PC, 1986, McGrownHill, 186с.). Оно представляет собой рычаг, закрепленный на оси вращения посредством прецизионного подшипника, с возможностью вращения. На одном конце рычага закреплена катушка для вращения рычага, перемещающаяся в магнитном поле, создаваемом неподвижным постоянным магнитом, а на другом конце -рабочем установлены перемещаемые магнитные головки. Конструктивные элементы устройства позволяют перемещать головки на расстояния до нескольких десятков мм. За счет того, что прецизионный подшипник вращения имеет биения менее 0,1 мкм данное устройство имеет высокую точность перемещения, а также большой ресурс работы и малый вес, что приводит к высокой скорости перемещения. Кроме того, катушка для перемещения рычага позволяет получить более высокую точность перемещения -лучше 0,01 микрона.
Однако данное устройство предназначено для перемещения и позволяет перемещать объект только по одной координате. Кроме того, невозможно получить точность перемещениялучше 0,1 мкмза счет биений подшипников. Поворотное устройство для позиционирования головок не предназначено для сканирования.
Как показал проведенный анализ имеющейся научной и патентной информации, сведений о сканирующем устройстве, позволяющем сканировать объект на площади в несколько десятков мм2, не обнаружено.
Задачей полезной модели является разработка сканирующего устройства, имеющего диапазон сканирования свыше 10×10мм2 и высокое разрешение.
Поставленная задача выполняется благодаря тому, что заявляемое устройство состоит из двух устройств для позиционирования головок, причем перпендикулярно расположенных один на другом, что позволяет сканировать по двум координатам. Расположенные таким образом устройства позиционирования выполняют функцию обзорного механического сканера.
Высокое разрешение или точность сканирования обеспечивается пьезокерамическим трехкоординатным сканером, закрепленном на рабочей части верхнего устройства позиционирования головок.
Устройство поясняется чертежом. Сканирующее устройство состоит из двух одинаковых устройств для
позиционирования головок (1) одно из которых жестко закреплено на рабочем конце другого, причем рабочие концы расположены перпендикулярно друг к другу. Каждое из устройств имеет датчик (2) и катушку (3) перемещения и постоянный магнит (6). На рабочем конце верхнего устройства закреплен пьезокерамический трехкоординатный сканер (4) с держателем объекта (5). Устройство работает следующим образом.
В зависимости от размера участка сканирования и требуемой точности работает либо пьезосканер, либо механический. Для обзорного сканирования и поиска объекта исследования на больших площадях используется механический сканер 1, состоящий из двух перпендикулярно расположенных устройств для позиционирования головок. Он сканирует объект по двум координатам в плоскости на расстоянии в несколько десятков и позволяет получить изображение с разрешением не хуже 0,01 мкм. Для перемещения по одной координате на катушку 3 устройства позиционирования подается импульсное напряжение, что приводит к повороту соответствующего рычага. Импульсы подаются до тех пор, пока рычаг не займет требуемого положения. При этом положение объекта определяется с помощью датчика перемещения 2. Для перемещения по другой координате импульсы подаются на катушку устройства, установленного перпендикулярно первому. После выбора участка исследования на основании результатов обзорного сканирования, производится детальное, с высокой точностью сканирование данного участка с помощью пьезокерамического трехкоординатного сканера. Для этого на пьезокерамический сканер подаются напряжения, приводящие к его деформации и перемещению объекта в пространстве по трем координатам с высокой точностью, которая определяется типом сканера и составляет ангстремы. При этом механический сканер с большим полем сканирования отключен.
Попеременное использование механического и пьезокерамического сканера позволяет проводить сканирование поверхности по площади в несколько десятков мм 2 и проводить исследование отдельных участков с высоким разрешением -до единиц ангстрем, причем размер исследуемых участков определяется параметрами используемого пьезокерамического сканера.
При таком режиме работы значительно уменьшается взаимное механическое воздействие работы механического сканера на пьезокерамический и отпадает необходимость точного согласования величины шага обеих сканеров, которое трудно осуществить технически.
Предлагаемый сканер позволяет получить большой диапазон сканирования, характерный для механических устройств перемещения и одновременно получить высокую вибростабильность и точность перемещения, свойственную пьезокерамическим сканерам. При этом использование механического сканера не влияет на точностные и скоростные
характеристики пьезокерамического сканера, поскольку они используются не одновременно, а поочередно.
Устройство компактно, отсутствует необходимость специальных условий эксплуатации, что снижает требования к его применению и повышает эффективность работы.
В соответствии с сущностью полезной модели был изготовлен образец устройства. В настоящее время устройство используется в сканирующем зондовом микроскопе и сканирующем оптическом микроскопе.
Сканирующее устройство для сканирующей микроскопии, характеризующееся тем, что включает два устройства для позиционирования головок с установленным на каждом из них датчиком перемещения, одно из которых жестко закреплено на рабочем конце другого, причем рабочие концы расположены перпендикулярно друг к другу, а на рабочем конце верхнего устройства закреплен пьезокерамический трехкоординатный сканер.
