Вдосконалення п’єзокерамічних сканерів для зондових наномікроскопів - Автореферат

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УДК 681.586 АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук ВДОСКОНАЛЕННЯ П’ЄЗОКЕРАМІЧНИХ СКАНЕРІВ ДЛЯ ЗОНДОВИХ НАНОМІКРОСКОПІВ 05.13.05 - комп’ютерні системи та компоненти ФІЛІМОНОВ СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ Черкаси - 2009 Дисертацією є рукопис. Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України. Науковий керівник: Шарапов Валерій Михайлович, Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри комп’ютеризованих та інформаційних технологій у приладобудуванні. Прогрес в нанотехнологіях стимулюється розвитком експериментальних методів досліджень, найбільш інформативними з яких є методи скануючої зондової мікроскопії. Основним елементом сканера являється актуатор. Проте основними їх недоліками є - взаємний вплив коливань при скануванні по координатам XYZ, зміна кута нахилу площини утримувача зонда (або зразка), а також недостатній діапазон сканування, що обмежує можливості наномікроскопа. Ці проблеми частково вирішені такими фірмами як nPoint, Inc, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co., Quesant Instrument Corporation, NT-MDT, VEECO, ОДО Микротестмашины. Вони у своїх розробках використовують п’єзокерамічні сканери на основі трубчатих та біморфних п’єзоелементів. Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні завдання: – проаналізувати особливості п’єзокерамічних сканерів, які використовуються в скануючих зондових мікроскопах, визначити вимоги і напрямок для покращення параметрів п’єзокерамічних сканерів, а також розробити конструкції сканерів з кращими технічними характеристиками; – побудувати і дослідити математичні моделі біморфного трубчатого п’єзокерамічного сканера, п’єзокерамічного сканера на основі планарних біморфних п’єзоелементів і п’єзокерамічного сканера на основі біморфного планарного камертона; – побудувати і дослідити комп’ютерні моделі для визначення коефіцієнта зв’язку між актуаторами по XYZ координатам біморфного трубчатого п’єзокерамічного сканера, п’єзокерамічного сканера на основі планарних біморфних п’єзоелементів і п’єзокерамічного сканера на основі біморфного планарного камертона; – побудувати комп’ютерну модель п’єзокерамічних сканерів для візуалізації переміщення актуаторів; – провести експериментальні дослідження розроблених п’єзокерамічних сканерів. За результатами досліджень опубліковано 25 робіт [1-4,7,8,10,12], в тому числі 9 патентів України. Рух розробленого п’єзокерамічного сканера по одній з координат Х або Y можна спрощено представити як систему двох зв’язаних маятників, переміщення яких описується диференційним рівнянням другого прядка: , (1) де m - маса сканера; ? - коефіцієнт дисипації; k1, k3 - жорсткість актуаторів 1 і 3; k2, k4 - жорсткість пружних пластин 6 і 8; F - сила прикладена до сканеру, (U - прикладена напруга, С - ємність між електродами п’єзоелемента, d31 - п’єзомодуль); - частота коливання сканера. 4,б показані амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) актуаторів (БПЕ 1, 2, 3, 5) при збуджені актуатора 1 (БПЕ-1), які отримані для еквівалентної електричної схеми в пакеті програми MicroCap 7.0. Рис. 4.