Дмитрий Соколов - Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий

Варианты постановки новых задач рассмотрим на примере использования пьезосканеров в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ). Пьезосканер является одним из основных узлов СЗМ. Он обеспечивает взаимное точное перемещение зонда и образца и представляет собой чаще всего трубку 1 (рис. 9.1), выполненную из пьезокерамики, – материала, который меняет свои размеры при изменении электрического поля внутри него.

Рис. 9.1.Трубочный пьезосканер: 1– пьезокерамическая трубка; 2 —внутренний электрод; 3 – внешний электрод; 4 – первая выборка; 5 – вторая выборка; 6 – первая часть трубки; 7 – вторая часть трубки; 8 – осевая выборка

Для этого на пьезотрубку 1 наносят внутренний 2 и внешний 3 электроды, в которых по диаметру делают первую 4 и вторую 5 выборки, разделив пьезотрубку 1 тем самым на первую 6 и вторую 7 части. Одновременно в первой части 6 делают четыре осевые выборки 8 во внутреннем электроде 2 и расположенные напротив них четыре осевые выборки во внешнем электроде 3 (не показаны). В результате этого первая часть 6 пьзотрубки делится на четыре фрагмента. Теперь, если подавать напряжения на электроды таким образом, чтобы противоположные фрагменты пьезотрубки изменяли свои размеры в противоположных направлениях (один фрагмент удлинялся, а другой укорачивался), то торец первой части 6 будет перемещаться в своей плоскости относительно торца второй части 7.

Если закрепить один торец пьезотрубки 1 и задействовать все ее фрагменты, то можно осуществлять двухкоординатное сканирование второго ее торца. А если еще использовать вторую часть 7 пьезотрубки 1, то можно дополнительно осуществлять осевое перемещение второго торца.

Варианты однотрубочных пьезосканеров, сборок из нескольких пьезосканеров соединенными фланцами и т. п. были разработаны и запатентованы в самом начале развития сканирующей зондовой микроскопии [1,2].

Первый путь, по которому можно пойти для выхода из-под действия этих патентов, заключатся в том, чтобы вносить незначительные изменения в конструкцию с улучшением не основных ее характеристик. В патенте [3] были улучшены условия соединения пьезотрубок 1, 2 (рис. 9.2) с металлическим фланцем 3 за счет использования специальных клеевых составов и специальных форм зон соединения 4.

В патенте [4] были уменьшены нефункциональные перемещения пьезосканера за счет использования плоских пружин 1 (рис. 9.3), соединяющих металлический фланец 2 и базовое основание 3.

При этом первая пьезотрубка 4 имеет осевое перемещение, а вторая пьезотрубка 5 – перемещения в плоскости своего торца 6. Плоские пружины 1 разрешают осевое перемещение и запрещают все другие. Благодаря этому уменьшаются нефункциональные перемещения первой пьзотрубки 4 и, соответственно, улучшаются точностные характеристики пьезосканера.

Рис. 9.2.Многотрубочный пьезосканер: 1– первая пьезотрубка; 2 – вторая пьезотрубка; 3 – фланец; 4 – зона соединения

Рис. 9.3.Пьезосканер с плоскими пружинами: 1– плоская пружина; 2 – фланец; 3 – основание; 4 – первая пьезотрубка; 5 – вторая пьезотрубка; 6 – торец второй пьезотрубки

В патенте [5] были разработаны меры, обеспечивающие работу пьезосканера в условиях высокотемпературных воздействий на образец. Это было достигнуто за счет экранирования спирали 1 (рис. 9.4) специальным хладопроводом 2, который защищал пьезотрубку 3 от перегрева. Хладопровод 2 присоединялся к криостату (не показан). При этом образец 4, расположенный на фланце 5, можно было нагревать до нужных температур.

В патенте [6] были введены ограничители перемещения 1 (рис. 9.5), закрепленные, например, на основании 2 и сопряженные с датчиками перемещения 3 и демпферами 4, установленными на пьезосканере 5. Следует заметить, что возможен вариант, в котором ограничители 1 могут быть установлены на пьезосканере 5, а датчики 3 – на основании 2, также может быть смешанный вариант.

Ограничители 1 предохраняют пьезосканер 5 от разрушения при увеличении его перемещения в плоскости своего торца больше допустимого, а демпферы 4 уменьшают его добротность, а значит и продолжительность его нефункциональных колебаний. Это приводит к уменьшению неконтролируемых перемещений пьезосканера 5 и, соответственно, к повышению точности его перемещений.

Хоть эти решения и позволяли получать патенты, однако часто использовали все признаки независимого пункта формул изобретения прототипов. То есть, не нарушая патента, разработчик в этом случае попадал под риск выплаты авторам прототипа вознаграждения за использование его технического решения.

Другой путь при разработке заключается в постановке принципиально новой дополнительной задачи известному модулю. Пусть даже эта задача в настоящее время является недостаточно востребованной. Одной из таких задач для пьезосканера является вращение его торца вокруг своей оси при сохранении двухкоординатного X– и Y-перемещения. Это может пригодиться при работе с линейкой или матрицей зондов для их углового совмещения с массивом элементов. Такое решение было найдено за счет того, что пьезотрубка 1 (рис. 9.6) была разделена четырьмя сквозными пазами 2.

При этом на каждом фрагменте 3 было сформировано по два внутренних электрода 4 и по два наружных электрода 5. В этом случае каждый фрагмент 3 приобретал возможность дополнительного изгиба в плоскости, близкой к его цилиндрической поверхности. При одинаковом включении всех четырех фрагментов 3 они осуществляли синхронный изгиб, а торец пьезотрубки 1 – поворот вокруг своей оси [7].

Следует заметить, что традиционный изгиб пьезотрубки 1 для перемещения в плоскости XYсохранился, более того, это перемещение еще и увеличилось за счет уменьшения влияния соседних пар фрагментов 3 друг на друга. То есть помимо нового эффекта (поворота) произошло улучшение и основных характеристик всего устройства (увеличение диапазонах– и Y-перемещения).

Вторая нетрадиционная задача для пьезосканера заключалась в обеспечении плоскопараллельного перемещения его торца. Это необходимо в том случае, если на пьезосканере, как и в предыдущем случае, закреплена линейка или матрица зондов и необходимо в процессе сканирования обеспечить постоянный зазор между ними и образцом. Решение этой проблемы нашлось благодаря использованию принципа ТРИЗа «наоборот». Первая 1 и вторая 2 (рис. 9.7) пьезотрубки, соединенные фланцем 3, управлялись таким образом, что их изгибы происходили в противофазе.