Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
 Скачать 8.65 Mb.
|
8.Устройства наноперемещений8.1.Требования к устройствам наноперемещенийВажнейшей составляющей оборудования для наноизмерений и нанообработки (обработки с нанопогрешностью, т.е. не более 10 нм) являются устройства наноперемещений, позволяющие осуществлять перемещения с погрешностью позиционирования, лежащей в наноразмерном диапазоне. Анализ технических требований к устройствам наноперемещений (суперпрецизионным приводам) позволяет сформулировать основные технические требования, которым они должны удовлетворять:
Рассмотрим основные типы приводов наноперемещений. 8.2.Основные типы приводов наноперемещенийПриводы с рычажными редукторами. В этих приводах грубому перемещению исходного движителя соответствует тонкое перемещение смещаемого объекта. Редукция величины перемещения осуществляется за счет разницы длины плеч рычагов. Схема рычажного редуктора приведена на рис. 8 .83.  Рисунок 8.83 Схема рычажного редуктора перемещений Механический рычаг позволяет получать редукцию перемещения с коэффициентом  (8.31)Упруго-силовой привод. Принцип действия основан на использовании потенциальной энергии упругой деформации (см. рис. 8 .84) [79].  Рисунок 8.84 Упруго-силовой двигатель: 1 — исполнительный упругий элемент, 2 — перемещаемый объект Исполнительный элемент упруго-силового двигателя изменяет свои размеры под действием внешней силы F, согласно закону Гука  (8.32)где E — модуль упругости Юнга; S — площадь поперечного сечения исполнительного элемента. Для малых перемещений (не более 10 мкм) обычно оказывается достаточной деформация стержня, балки. Для больших перемещений (порядка нескольких миллиметров) используют специальные исполнительные элементы. В частности, для получения наноперемещений также можно использовать механические редукторы, в которых редукция перемещений достигается за счет разницы коэффициентов жесткости двух последовательно соединенных упругих элементов (рис. 8 .85) [80].  Рисунок 8.85 Схема пружинного редуктора перемещений Конструкция состоит из жесткого основания, пружины и упругой балки. Жесткости пружины k и упругой балки K подбирают таким образом, чтобы выполнялось условие:  .Из условия равновесия следует, что сила упругости  (8.33)где  и  — смещения пружины и упругой балки. В этом случае коэффициент редукции равен отношению коэффициентов жесткости упругих элементов:Таким образом, чем больше отношение жесткости балки к жесткости пружины, тем точнее можно контролировать смещение рабочего элемента (например, зонда). Термодинамический привод. В качестве двигателя используется тепловой элемент (рис. 8 .86), температурные деформации которого без дополнительных кинематических звеньев создают перемещение объекта позиционирования в диапазоне 1 ÷ 100 мкм [Error: Reference source not found].  Рисунок 8.86 Термодинамический двигатель: 1 — исполнительный упругий элемент, 2 — нагревательный элемент; 3 — перемещаемый объект Исполнительный элемент при нагревании удлиняется на величину  (8.34)где  — коэффициент линейного расширения;  — изменение температуры.Существенным недостатком термодинамического привода является большая инерционность (свыше 30 с), невозможность реверса соседних узлов позиционировании, что ухудшает точностные показатели привода. Магнитострикционный привод. Для осуществления микроперемещений используется магнитострикционный двигатель (рис. 8 .87) [Error: Reference source not found]. Исполнительный элемент привода изменяет свои размеры под действием магнитного поля катушки. Коэффициент магнитострикции  характеризует относительное удлинение под действием магнитного поля.В качестве материала для исполнительных элементов магнитострикционных приводов получили распространение материалы с гигантской магнитострикцией (GMM), в частности, материалы группы «редкоземельное железо». Среди них шире всего используется компактированный Tb0.3Dy0.7Fe1.9, называемый Terfenol-D. Этот материал обеспечивает большое магнитострикционное растяжение (0,18%, что в несколько раз больше, чем у пьезокерамики) при сравнительно слабом магнитном поле (50–200 кА/м). Применяемый в оптико-механическом оборудовании магнитострикционный привод обеспечивает погрешность 200 нм в диапазоне 1000 – 5000 нм при силе сопротивления 15 Н и перемещении массы 40 кг со скоростью 4000 нм/с. Для увеличения диапазона перемещения применяется магнитострикционный двигатель с перехватами. Магнитострикционный стержень помещается внутри электромагнитной катушки, фиксаторы располагаются у концов стержня. Автоматическое включение фиксаторов и электромагнитной катушки обеспечивает направленное перемещение магнитострикционного стержня. Существенными недостатками магнитострикционного привода являются:
 Рисунок 8.87 Магнитострикционный двигатель: 1 — исполнительный магнитострикционный элемент, 2 — электромагнитная катушка; 3 — перемещаемый объект Пьезоэлектрические приводы. Наиболее перспективными для обеспечения наноперемещений являются пьезоэлектрические приводы с исполнительными пьезодвигателями. Пьезоэлектрический двигатель — пьезопреобразователь, работающий на основе обратного пьезоэффекта, в котором эффект перемещения достигается за счет деформации пьезоэлемента при приложении внешнего электрического напряжения. Пьезодвигатель имеет следующие преимущества:
К пьезоэлектрическим материалам относятся кварц, турмалин, сегнетова соль, дигидрофосфат аммония, сульфат лития, титанат бария, сегнетокерамика и др. Из большого числа пьезоэлементов наиболее широко используется пьезокерамика, представляющая собой сегнетоэлектрическую керамику. Пьезоэлектрический эффект в сегнетокерамике появляется после ее поляризации сильным постоянным полем. Самое большое распространение получила пьезокерамика на основе цирконата и титаната свинца (ЦТС). Самым распространенным составом ЦТС является пьезокерамика ЦТС-19 Pb0,95Sr0,05(Zr0,53Ti0,47)O3 + Nb2O5 (параметры см. табл. 8 .15). Таблица 8.15 Параметры ЦТС-19
Известные виды пьезодвигателей для нано- и микроперемещений можно разделить по принципу действия на четыре основных класса [Error: Reference source not found]:
Выбор пьезодвигателя, принадлежащего тому или иному классу, определяется требуемым диапазоном перемещения, допустимой погрешностью позиционирования, нагрузочной способностью и требуемым быстродействием привода. Вибрационные пьезодвигатели просты технологически и конструктивно, имеют большой диапазон перемещения (несколько десятком миллиметров) и высокую точность (погрешность до 100 нм). Биморфные пьезодвигатели также имеют простую конструкцию и технологичны в изготовлении. Диапазон перемещения составляет несколько сотен микрометров. К числу существенных недостатков следует отнести малую жесткость биморфных пьезодвигателей — нагрузочная способность менее 10 Н. Шаговые пьезодвигатели имеют диапазон перемещения несколько десятков миллиметров, погрешность — до нескольких нанометров, нагрузочную способность — более 100 Н. К числу недостатков шаговых пьезодвигателей следует отнести узкую полосу пропускания (единицы Гц) и сложность изготовления, связанную с наличием в устройстве фиксаторов. Важным достоинством является отсутствие необходимости в смазке и способность работать в вакууме. Для технологий нанообработки именно шаговые пьезодвигатели, обладающие одновременно высокой точностью, близкой к точности силовых пьезодвигателей, и достаточно большим диапазоном перемещений, представляются наиболее перспективными. Одна из конструкций шагового инерционного пьезодвигателя приведена на рис. 8 .88 [Error: Reference source not found]. Данное устройство содержит основание (1), на котором закреплена пьезоэлектрическая трубка (2). Трубка имеет электроды (3) на внешней и внутренней поверхностях. На конце трубки укреплена разрезная пружина (4), представляющая собой цилиндр с отдельными пружинящими лепестками. В пружине установлен держатель объекта (5) — достаточно массивный цилиндр с полированной поверхностью. Перемещаемый объект может крепиться к держателю с помощью пружины или накидной гайки, что позволяет устройству работать при любой ориентации в пространстве. Устройство работает следующим образом. Для перемещения держателя объекта в направлении оси Z к электродам пьезотрубки прикладывается импульсное напряжение пилообразной формы.  Рисунок 8.88 Шаговый пьезодвигатель: 1 — основание, 2 — пьезоэлектрическая трубка, 3 — электроды, 4 — разрезная пружина, 5 — цилиндрический держатель объекта На пологом фронте пилообразного напряжения трубка плавно удлиняется или сжимается в зависимости от полярности напряжения, и ее конец вместе с пружиной и держателем объекта смещается на расстояние, пропорциональное напряжению. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве. |
Н/м2 и пределами прочности на сжатие 
= 3×108 Н/м2 и на растяжение 
= 3× 107 Н/м2;