|
|
Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
8.3.Устройства наноперемещений 8.3.1.Наноактюаторы
Актюаторы (актуаторы, исполнительные устройства) — устройства, передающие воздействие с управляющего устройства на объект управления, в нанотехнологиях строятся, главным образом, на базе пьезоэлементов. В наноиндустрии наиболее распространенным названием данных устройств является «наноактюатор».
Пьезокерамические актюаторы преобразуют электрическое напряжение или другой электрический сигнал в точно управляемое перемещение рабочей части актюатора.
Рисунок 8.89 Типы пьезоактюаторов: пакетный (a), пластинчатый (б), трубчатый (в)
Суперпрецизионные пьезокерамические актюаторы бывают трех основных типов (см. рис. 8 .89): пакетные, пластинчатые (прямоугольные) и трубчатые (кольцевые).
Пакетные актюаторы. Действующая часть позиционирующего элемента состоит из пакета керамических дисков, разделенных тонкими металлическими электродами. Максимальное используемое напряжение пропорционально толщине дисков. Наиболее высоковольтные актюаторы состоят из керамических слоев толщиной 0,4–1 мм. Низковольтные пакетные актюаторы имеют слои толщиной 25–100 мкм.
Смещение пакетного пьезоактюатора определяется следующим выражением:
 (8.35)
где  — смещение (м),  — коэффициент деформации (м/В); n — число керамических слоев; U — прикладываемое напряжение.
Примерами пакетных пьезоактюаторов является модели P-842, P-843, P-844 (рис. 8 .90), P-845 производства компании PI (Physik Instruments, США).
Пластинчатые актюаторы. Действующий материал в пластинчатых актюаторах состоит из тонких пластинчатых керамических полос. Смещение, используемое в этих устройствах, перпендикулярно направлению поляризации и приложенному электрическому полю. Когда напряжение повышается, полосы контактируют. Коэффициент пьезодеформации  (отрицательный) определяет относительное изменение в длине. Абсолютное значение составляет порядка 50% от .
Максимальное перемещение — функция длины полос, в то время как число полос, помещенных параллельно определяет жесткость и силу, создаваемую элементом.
Рисунок 8.90 Пьезоактюатор P-844
Рисунок 8.91 Нанопозиционер P-280
Смещение, обусловленное сжатием пьезоактюатора:
 (8.36)
где — смещение (м); — коэффициент деформации (по нормали к направлению поляризации) (м/В); L — длина пьезокерамики в направлении электрического поля (м);
U — используемое напряжение (В); d — толщина слоя керамики (м).
Пластинчатые пьезокерамические актюаторы используются в нанопозиционных системах P-280 (рис. 8 .91) и P-282 производства компании PI.
Трубчатые пьезоактюаторы. Еще одним типом пьезоактюаторов являются монолитные керамические трубки. Трубки серебрят изнутри и снаружи для реализации поперечного пьезоэффекта. Когда электрическое напряжение приложено между внешним и внутренним диаметром тонкостенной трубки, трубка сокращается по оси и радиально. Осевое сокращение может быть оценено следующим уравнением:
 (8.37)
где — коэффициент деформации (по нормали к направлению поляризации) (м/В);
L — длина пьезокерамической трубки (м); U — управляющее напряжение (В); d — толщина стенки (м).
Радиальное смещение в результате суперпозиции увеличения толщины стенок
 (8.38)
где r — радиус трубки.
Тангенциальное сжатие:
 (8.39)
где  — изменение толщины стенки (м); — коэффициент деформации (поле и смещение в направлении поляризации) (м/В); U — приложенное напряжение.
Трубочные актюаторы не могут создавать или воспринимать большие усилия. Это накладывает ограничения на их применение. В качестве примера применения можно привести модели нанопозиционеров PT120, PT130, PT140 производства компании PI, использующие трубчатые пьезокерамические трубки (рис. 8 .92).
Рисунок 8.92 Пьезокерамические трубки
Магнитострикционные актюаторы по своим возможностям незначительно уступают пьезоэлектрическим, а по ряду характеристик имеют даже преимущества.
Теоретические исследования показывают, что магнитострикционные актюаторы вполне способны конкурировать с пьезокерамическими по своим потребительским характеристикам. К числу достоинств магнитострикционных преобразователей относятся работа при намного более низких напряжениях, возможность создания больших сил и др. Главным недостатком являются существенно большие затраты энергии (низкое КПД).
Несмотря на конкурентоспособность магнитострикционных наноактюаторов в настоящее время они промышленно не производятся. Главным образом это связано с тем, что наноиндустрия находится на стадии становления и большинство производств в ней не имеют и десятилетней истории. В последние годы интерес к созданию суперпрецизионных наноактюаторов заметно вырос. Наибольший интерес к практическому освоению производства суперпрецизионных магнитнострикционных наноактюаторов проявляет французская корпорация CEDRAT Group (г. Мейлан) — один из мировых лидеров в производстве актюаторов.
8.3.2.Нанопозиционеры
Нанопозиционирование — одна из ключевых технологий, определяющих развитие нанотехнологий. Задача нанопозиционирования (вкупе с наноизмерениями) заключается в обеспечении максимальной точности, скорости и гибкости управления различными технологическими системами.
Рисунок 8.93 Нанопозиционер серии P-752.11C
Среди ведущих мировых производителей актюаторов (и нанопозиционеров) доминируют американские компании: PI — Physik Instruments (г. Обурн, Массачусетс), MCL — Mad City Labs, Inc. (г. Мэдисон, Висконсин), DTI-Nanotech (г. Саратога, Флорида), ThorLabs Inc. (г. Ньютон, Нью-Джерси).
Точность и надежность устройств нанопозиционирования (нанопозиционеров) ведущих мировых фирм достаточно высокие. Наибольшее развитие в настоящее время получили системы позиционирования с диапазоном перемещения порядка 100 мкм. При этом удается достичь достаточно высокой точности позиционирования. В частности, нанопозиционирующий предметный стол серии P-752 (см. рис. 8 .93) производства PI обеспечивает перемещение по оси х в диапазоне 30 мкм с дискретностью 0,1 нм.
В настоящее время выпускаются нанопозиционеры с различным число осей (до 6) в зависимости от предполагаемого использования устройства. В качестве примера можно привести нанопозиционирующий (сканирующий) стол с пьезоприводом и 6-осевыми цифровым контроллером (рис. 8 .94). Диапазон линейных перемещений 800×800×200 мкм, диапазон вращательных движений 3×3×10 мрад, погрешность позиционирования определяется используемым пьезоэлектрическим контроллером.
Рисунок 8.94 Нанопозиционер серии P-587
В последнее время все большее распространение получает создание интегрированных систем, работающих с наноразмерной погрешностью в пределах области в десятки и сотни миллиметров. Одним из наиболее перспективных направлений одно время считалось использование шаговых пьезоприводов. Однако их точность резко снижается при увеличении диапазона перемещения. Обычно погрешность нанопозиционирования посредством шаговых пьезоприводов при перемещении на 10–100 мм не менее 0,1 мкм. Кроме того, наблюдается большой дрейф показаний — примерно на 1–2 мкм/час.
Возможным решением задачи увеличения диапазона перемещения в нанопозиционерах является использование в одном устройстве микрометрической (грубой) и нанометрической (тонкой) настройки. В качестве примера можно привести двухосевой микро/нанопозиционер серии Nano-View/M 100-2 производства MCL (рис. 8 .95). Позиционер имеет диапазон микропозиционирования (по XY) — 25 мм, диапазон нанопозиционирования (по XY) — 100 мкм, разрешение — 0,2 нм.
Принципиальным решением задачи повышения диапазона перемещения нанопозиционеров является отказ от использования в системе опор трения. Наиболее предпочтительно использование различных гибких направляющих. В этом случае удается совместить высокую точность позиционирования и значительный диапазон перемещения.
Рисунок 8.95 Микро/нанопозиционер Nano-View/M 100-2
Рисунок 8.96 Нанопозиционер NTC-10
Например, нанопозиционеры NTC-10 (рис. 8 .96), NTC-25 и NTC-100 производства DTI обеспечивают позиционирование в диапазоне 10–100 мм с разрешением около 5 нм. Дрейф положения при 20ºC не превышает 2 нм/час. Эффективность данных нанопозиционеров также обусловлена применением высокоточных систем оптического кодирования, позволяющих отслеживать перемещение за большое число перемещений отсчетного устройства. Получаемая в результате система позиционирования по принципу действия близка к шаговому приводу, однако обладает намного большей точностью.
Использование гибких направляющих повышает точность позиционарования и при малых перемещениях. Поэтому большинство выпускаемых нанопозиционеров, даже имеющих малый диапазон перемещения (например, нанопозиционеры P-752, см. рис. 8 .93), созданы без использования пар трения.
Некоторые нанопозиционеры могут быть использованы в качестве актюаторов. Например, модель P-753.11C LISA (linear stage & actuator — линейный позиционер и актюатор) фирмы PI (рис. 8 .97).
Рисунок 8.97 P-753.11C LISA — нанопозиционер (слева) / наноактуатор (справа)
8.3.3.Наноманипуляторы
Термин «наноманипулятор» в настоящее время используется для устройств, весьма различных по своему назначению и конструкции. Можно выделить два основных типа наноманипуляторов.
Наноманипуляторы первого типа представляют собой устройства для манипуляций с нанообъектами — наночастицами, молекулами и отдельными атомами.
Наиболее известной практической реализацией таких наноманипуляторов являются наноманипуляторы на базе сканирующих зондовых микроскопов, главным образом, атомно-силовых (АСМ-наноманипуляторы). Такие наноманипуляторы позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.
В качестве примера можно привести АСМ-наноманипулятор, разработанный в Институте механики металлополимерных систем им. В. А. Белого НАН Беларуси для экспериментов по манипулированию атомами.
АСМ-манипулятор (рис. 8 .98) [81] оснащен сканером на пакетных пьезоэлементах. Для контроля перемещения используются емкостные датчики. В работе применялся зонд NSC14 (Micromash) с жесткостью консоли  = 5 Н/м. Перемещение частиц осуществлялось при амплитуде колебаний 50–100 нм, а их визуализация — при амплитуде 2–10 нм. Фазовый сдвиг служил индикатором преобладающего влияния сил отталкивания (в случае перемещения частиц) или сил притяжения (в случае визуализации положения частиц на поверхности) между зондом и образцом. Объектом манипулирования в проведенных экспериментах явились серебряные наночастицы, покрытые полимером, с диаметром порядка 800 нм, осажденные на кремниевую подложку, покрытую слоем OTS толщиной 2 нм.
Рисунок 8.98 ACM-наноманипулятор
Наряду с наноманипуляторами на базе сканирующих зондовых микроскопов, в последние годы получили распространение и другие устройства, позволяющие манипулировать нанообъектами. В частности, в настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов «нанопинцета».
Рисунок 8.99 Нанопинцет (Korea Advanced Institute of Science and Technology)
Сотрудники Korea Advanced Institute of Science and Technology изготовили нанопинцет (рис. 8 .99) с монтажом углеродных нанотрубок (УНТ) на двух отдельных ножках пинцета. Длину нанотрубок регулировали электрохимическим травлением. Ножки пинцета изготовлены из вольфрамовых стержней диаметром 500 мкм, заточенных электрохимическим травлением до диаметра 1 мкм. Многостенные УНТ растили из паровой фазы на алундовой подложке до среднего диаметра 100 нм, затем очищали ультразвуком (600 Вт) в течение 120 мин в изопропиловом спирте. Каплю раствора c УНТ наносили на стеклянную пластину, после испарения спирта УНТ наносили на концы вольфрамовых ножек пинцета, покрытых клейкой краской вручную при 2000-кратном увеличении. Затем УНТ укорачивали до нужной длины электрохимическим травлением. Сближение ножек пинцета для захвата микрообъектов проводили электростатической манипуляцией. Расстояние сближения регулировали изменением приложенного напряжения, а раздвижение — внешним макроактюатором. Изготовленные нанопинцеты с УНТ диаметром
100 нм и длиной 6,5 мкм на каждой их двух ножек использовали для захвата наноразмерных объектов.
Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, возможно перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. Лазерный (или оптический) пинцет представляет собой устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов. Вблизи точки фокусировки лазерного луча возникает область притяжения.
Существуют две причины возникающего притяжения.
Первая причина заключается в том, что величина и градиент напряженности электрического поля вблизи фокуса очень велики. Большой градиент напряженности электрического поля вызывает поляризацию частиц (из диэлектрика). В результате поляризованные частицы втягиваются в электрическое поле, т.е. движутся по направлению к фокусу.
Вторая причина заключается в том, что преломление света удерживает частицу в центре луча. Если диаметр частицы гораздо больше длины волны света, то для такой частицы становятся справедливы законы геометрической оптики, а именно, частица может преломлять свет, т.е. изменять его направление. В то же время, согласно закону сохранения импульса сумма импульсов света (фотонов) и частицы должна оставаться постоянной. Другими словами, если частица преломляет свет, например, направо, то сама она должна двигаться налево.
Следует отметить, что интенсивность света в лазерном луче максимальна вдоль его оси и постепенно падает при удалении от неё. Поэтому, если частица находится на оси светового пучка, то число фотонов, отклоняемых ею налево и направо, одинаково. В результате, частица остаётся на оси. В случае, когда частица смещена относительно оси светового луча, число фотонов, отклоняемых налево и направо, оказывается неодинаковым. В результате возникает сила, направленная к оси луча. Под ее действием частица перемещается в направлении фокуса.
Обязательным условием реализации оптического пинцета является то, чтобы диэлектрическая постоянная среды, в которой находится частица, была больше диэлектрической постоянной вещества частицы. В противном случае частица будет стремиться «убежать» из области фокуса. Так, например, ведут себя воздушные пузырьки, плавающие в глицерине.
Сила, с которой свет действует на окружающие объекты, невелика, но ее оказывается достаточно, чтобы «ловить» наночастицы в фокус лазерного луча. Как только частица оказалась в фокусе, ее можно двигать вместе с лазерным лучом. С помощью оптического пинцета можно передвигать частицы размером от 10 нм до 10 мкм и собирать из них различные структуры. По мнению экспертов, в дальнейшем лазерный пинцет может стать одним из важнейших инструментов нанотехнологий.
Наноманипуляторы второго типа представляют собой нанопозиционеры с большим числом степеней подвижности, оснащенные для работы с инструментами.
Примером такого наноманипулятора является трехосный наноманипулятор NM3D фирмы DTI. Диапазон (XYZ) перемещений данного наноманипулятора составляет 10 мм, разрешение 0,4 нм. Температурный дрейф при 20ºС составляет менее 2 нм/час. В основе устройства наноманипулятора пьезоэлектрический мотор, управляемый через процессор командами с джойстика. Время реакции (в зависимости от скорости) — до 0,3 мкс, время отклика — 10 мкс. При отключенном питании такой мотор фиксирует сдвиг и не создает дрейфа или люфта. Регулируемая скорость перемещения от 0,5 нм/с до 500 мкм/с.
Рисунок 8.100 NM3D-наноманипулятор
Рабочий инструмент (датчик, микроэлектрод и т.д.) зажимается в универсальный держатель, крепящийся на манипулятор. Зажим удерживает инструмент с размерами от 3 до 15 мм, а также вращается по вертикали (вручную) на 90 градусов. NM3D устанавливается на вращающуюся подставку, обеспечивающую горизонтальное вращение на 360 градусов. Крепления в основании манипулятора совместимы с множеством подставок, столиков и диаметров винтов.
Управление осуществляется джойстиком. Скорость и направление движения пропорциональны степени отклонения ручки джойстика. Максимальное отклонение ручки джойстика соответствует наибольшей скорости сдвига 500 мкм/с. Джойстик может управлять всеми тремя осями раздельно или одновременно.
Работа NM3D основана на преобразовании вращения особого пьезоэлектрического моторчика (своего для каждой оси) в линейное смещение. Точность позиционирования определяется шагом поворота пьезоэлектрического мотора, который может быть от 5 мкрад/с до 60 оборотов/мин. Конструкция предусматривает исключение рассеивания тепла, использование неметаллических и немагнитных компонентов, низкий электромагнитный шум и низкое энергопотребление (12 В), что позволяет применять NM3D в очень чувствительных экспериментах.
|
|
|
Скачать 8.65 Mb.