Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов

Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Устройство предназначено для проведения зондовых измерений на объектах, имеющих сложную форму, например на трубах в нефтяной и атомной отраслях промышленности.

Известен сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, а также модуль сближения, содержащий три опорные стойки, одна из которых выполнена подвижной и соединена с приводом [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что его сложно использовать для исследования объектов сложных форм и размеров в широком их диапазоне.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, а также модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом, при этом измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа снабжена модулем крепления к объекту.

Существует вариант, в котором корпус сопряжен с двухкоординатным столом посредством стойки, закрепленной на двухкоординатном столе, и двух цилиндрических направляющих.

Существует также вариант, в котором корпус сопряжен с возвратным механизмом, который выполнен в виде кронштейна с двумя пружинными упорами, расположенными с возможностью сопряжения с корпусом, при этом возвратный механизм закреплен на двухкоординатном столе.

Существует также вариант, в котором двухкоординатный стол выполнен в виде первой и второй кареток, сопряженных соответственно с первым и вторым приводами, а модуль сближения выполнен в виде третьей каретки, установленной подвижно относительно корпуса и сопряженной с приводом измерительной головки.

Существует также вариант, в котором двухкоординатный стол содержит датчики перемещения.

На фиг.1 изображена компоновочная схема предложенного устройства - вид сбоку.

На фиг.2 изображена компоновочная схема предложенного устройства - вид снизу.

Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов содержит платформу 1 (фиг.1, фиг.2) с упорами 2 и модулями крепления 3 для фиксации ее на объекте 4. В качестве упоров 2 могут использоваться металлические шарики, неподвижно закрепленные в платформе 1, или винты со сферическими шляпками, имеющими возможность изменения высоты выступания из платформы 1 с последующей фиксацией их клеем или гайками (не показано). В качестве модулей крепления 3 можно использовать: для магнитных объектов - электромагниты, для труб - скобы или ременные захваты, охватывающие трубы, для плоских, немагнитных и гладких объектов - вакуумные захваты. На платформе 1 установлен двухкоординатный стол 5, сопряженный с первым и вторым (второй не показан) приводами (первым и вторым шаговыми двигателями) 6 (см., например, [2]). Двухкоординатный стол 5 показан условно, он может содержать первую и вторую каретки, установленные друг на друге посредством направляющих, при этом каждая каретка сопряжена со своим шаговым двигателем 6 (не показаны). При использовании шагового двигателя вращения на его валу может быть закреплен винт, сопряженный с гайкой, установленной на каретке (не показано). В качестве направляющих можно использовать V-образные направляющие, описанные в [3]. Следует заметить, что стол 5 может быть выполнен в виде одной каретки (как показано на фиг.1), сопряженной с первым (X) и вторым (Y) шаговыми двигателями 6 (второй по координате Y не показан), закрепленными на платформе 1. При этом двигатели 6 могут содержать возвратные механизмы и системы кинематической развязки (не показаны). Возвратные механизмы и системы кинематической развязки см. в [4]. В этом случае в двухкоординатном столе 5 могут быть закреплены три твердых (сталь ШХ 15) шарика, находящиеся во взаимодействии с тремя поликоровыми вставками, установленными в платформе 1 (не показано). Двухкоординатный стол 5 (или его каретки) могут содержать датчики перемещения, состоящие из активных элементов 7 и пассивных координатных элементов 8. В качестве этих датчиков можно использовать изделия, описанные в [5]. На платформе 1 закреплена стойка 9, в которой посредством подшипников 10 и цилиндрических направляющих 11 установлен корпус 12 с возможностью вращения относительно стойки 9. Корпус 12 может быть сопряжен с возвратным механизмом 13, состоящим из кронштейна 14 и двух пружинных упоров 15 с пружинами 16, опирающимися на поверхность корпуса 12 с двух сторон симметрично от направляющей 11 (на фиг.1 второй упор 15 не показан). Механизм 13 может быть закреплен как на стойке 9 (фиг.1), так и на двухкоординатном столе 5 (не показано). Возвратный механизм 13 может также иметь другое исполнение. Вместо упоров 15 могут использоваться магниты, сопряженные одноименными полюсами с такими же магнитами, закрепленными на корпусе 12 (не показано). Это могут быть пружины, закрепленные на корпусе 12 и сопряженные со стойкой 9 (не показано) и т.п. На корпусе 12 расположена третья каретка 17, сопряженная с приводом измерительной головки (третьим шаговым двигателем) 18. Элементы 17 и 18 представляют собой модуль сближения. Каретка 17 может содержать также направляющие (не показаны), описанные в [3]. В корпусе 12 установлена измерительная головка 19 с пьезосканером 20 и зондом 21. В качестве такой головки может быть использовано устройство с системой автоматического слежения за кантилевером, описанное в [6]. Дополнительно головка 19 может содержать шаровые опоры (опорные стойки) 22, сопряженные с V-образными ориентаторами 23, закрепленными на каретке 17, а также пружинные опоры 24 с пружинами 25, установленные во втулках 26. Следует заметить, что пружины 25 должны быть примерно на порядок более жесткими, чем пружины 16. Пружины 16 необходимы только для сохранения положения корпуса 12 в отсутствие объекта 4 и не должны мешать работе пружин 25. Опоры 24 могут быть изготовлены из капролона, фторопласта, содержать шарики, установленные в них с возможностью вращения или фторопластовые вкладыши (не показаны) в металлических основах. Измерительная головка 19 может быть закреплена на каретке 17 посредством крепежных элементов 27. Это могут быть винты, скобы и т.п. (показаны условно). Измерительная головка 19 соединена с блоком анализа и управления 30. С блоком 30 могут также быть соединены шаговые двигатели 6 и 18, активные элементы 7 датчиков перемещения, а также захваты 3, в случае их выполнения в виде электромагнитов. Устройство также снабжено видеокамерой 31, позволяющей наблюдать за зоной измерения (показано условно), которая может быть подключена к блоку 30.

Устройство работает следующим образом. Закрепляют платформу 1, используя упоры 2 и модули крепления 3, например, на трубе (объекте) 4 с характерным диаметром в нефтяной и атомной отраслях промышленности от 150 мм. Посредством каретки 17 и привода 18 производят сближение зонда 21 и объекта 4 по координате Z. На первом этапе сближения пружинные опоры 24 вступают во взаимодействие с объектом 4 и ориентируют каретку 17 посредством цилиндрических направляющих 11 таким образом, что ось пьезосканера 20 0-0 сохраняет перпендикулярность цилиндрической поверхности объекта 4 (то есть является продолжением ее радиуса), даже если труба 4 имеет неидеальную форму и упоры 2 расположены на участке большего диаметра. При этом также осуществляется кинематическое замыкание головки 19 на объект 4, что увеличивает жесткость системы зонд 21 - объект 4. После достижения зондом 21 рабочего зазора производят сканирование поверхности объекта 4 в плоскости X,Y и его исследование. Подробно работу СЗМ см. в [7]. Далее, используя двухкоординатный стол 5, перемещают измерительную головку 19 на новое место измерения, где исследования продолжаются. Перемещение может проводиться при зазоре зонд 21 - объект 4 в 1-2 мм, при этом опоры 24 могут не терять контакта с поверхностью объекта 4, а скользить по нему.

Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что в устройство введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом, при этом измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа - модули крепления к объекту - расширяют функциональные возможности устройства.

Введение в измерительную головку двух пружинных опор дополнительно повышает жесткость системы зонд - образец, что повышает точность измерения и соответственно расширяет возможный круг исследуемых объектов.

Сопряжение корпуса с двухкоординатным столом посредством стойки и двух цилиндрических направляющих обеспечивает работоспособность устройства на поверхностях сложной формы.

Введение возвратного механизма обеспечивает стабильное положение измерительной головки между установками ее на объект.

Выполнение двухкоординатного привода в виде первой и второй кареток позволяет при однотипных измерениях (вдоль трубы или поперек) использовать только один привод и одну каретку, что увеличивает ресурс работы устройства.

Выполнение модуля сближения в виде третьей каретки обеспечивает осевой подвод зонда к объекту, что улучшает работоспособность устройства на поверхностях сложной формы.

Датчики перемещения двухкоординатного стола обеспечивают состыковку изображений, полученных измерительной головкой, что расширяет функциональные возможности устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Солвер - Смена, www.ntmdt.com.

2. AMD 1220-V12-09. Каталог Фимы «Faulhaber».

3. SVS 1050-13Z. Каталог фирмы «Nippon bearing Co.».

4. Патент RU2255321.22.06.2005.

5. RGH25F. Каталог фирмы «RENISHAW».

6. Патент RU2227333. 20.04.2004.

7. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы, Т. 12, 1998. №1. с.99-121.

1. Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, а также модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, отличающийся тем, что в него введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом, при этом измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа - модули крепления к объекту.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус сопряжен с двухкоординатным столом посредством стойки, закрепленной на двухкоординатном столе, и двух цилиндрических направляющих.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус сопряжен с возвратным механизмом, закрепленным на двухкоординатном столе.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что возвратный механизм выполнен в виде кронштейна с двумя пружинными упорами, расположенными с возможностью сопряжения с корпусом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двухкоординатный стол выполнен в виде первой и второй кареток, сопряженных соответственно с первым и вторым приводами.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль сближения выполнен в виде третьей каретки, установленной подвижно относительно корпуса и сопряженной с приводом измерительной головки.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двухкоординатный стол содержит датчики перемещения.