Дмитрий Соколов - Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий

Горизонтальная транспортная система в конкретном исполнении для зондовой микроскопии должна обеспечивать загрузку зондов и образцов в сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ). Специфика использования такого комплекса заключается в том, что зонды представляют собой иголки длиной 2–3 мм, имеющие диаметр 200–300 мкм, или кантилеверы в виде кремниевых чипов близких размеров. Для таких однородных по размерам объектов может использоваться один и тот же носитель. Образец же в зондовой микроскопии обычно более 10 мм в поперечнике и, соответственно, носитель для него будет иметь свое исполнение. Вторая специфика такой системы часто заключается в том, что один и тот же манипулятор необходимо использовать с одним и тем же пассивным захватом. Эти особенности и определили новизну и изобретательский уровень разработанной транспортной системы. Суть этой системы заключается в том, что первый штырь 1 и второй штырь 2 (рис. 10.1) захвата 3, предназначенного для перемещения носителя 4 образца 5, имеют зацепы 6 и 7, необходимые для извлечения носителя 4 и малогабаритного носителя 8 из рабочих позиций. При этом штырь 1 имеет плоское (в сечении) исполнение для отдельной транспортировки и ориентации малогабаритного носителя 8 зонда 9. Для наглядности на рис. 10.1 носители 4 и 8 повернуты на 90° относительно своего рабочего положения.

Транспортировка носителя 4 осуществляется, когда штыри 1 и 2 вставлены в первые отверстия 10, а транспортировка носителя 8, когда штырь 1 находится во втором отверстии 11, имеющем продолговатую форму. Более подробно работа этой транспортной системы описана в [1]. Новизна этого технического решения была обеспечена благодаря использованию одного манипулятора с минимальным набором степеней свободы для транспортировки разных объектов.

Вторая транспортная система должна передавать зонд и образец внутрь вакуумного криостата, причем манипулятор при линейном перемещении должен иметь активный захват, но без использования специального привода. Криостат при этом должен иметь вертикальное исполнение. Данная специфика также определила оригинальное решение транспортной системы, в которой активизация захвата была осуществлена благодаря использованию одной линейной степени свободы манипулятора.

Рис. 10.1.Горизонтальная транспортная система: 1– первый штырь; 2 – второй штырь; 3 – захват; 4 – носитель образца; 5 – образец; 6,7 – фиксаторы; 8 – носитель зонда; 9 – зонд; 10 – первые отверстия; 11 – второе отверстие

Рис. 10.2.Вертикальная транспортная система: 1– лапки захвата; 2 – захват; 3 – манипулятор; 4 – нерабочие концы лапок; 5 – возвратный механизм; 6 – зацепы; 7 – канавки носителя; 8 – носитель зондов и образцов

Это удалось сделать, используя сближение лапок 1 (рис. 10.2) захвата 2 при линейном перемещении манипулятора 3 вверх и взаимодействии нерабочих концов 4 лапок 1 с возвратным механизмом 5, неподвижно закрепленным на стенке вакуумного криостата (не показан). Это необходимо, чтобы лапки 1 вернуть в исходное положение (для последующего захвата носителя 8), так как их раздвижка (для освобождения носителя) происходит при движении захвата 2 вниз и взаимодействии зацепов 6 с канавками 7 носителя 8. Новизна и изобретательский уровень в этой системе [2] были обеспечены помимо использования возвратного механизма еще и средствами, обеспечивающими точную ориентацию носителей 8 в зоне измерения за счет канавок 7.

Третья транспортная система имела специфику силового закрепления носителя образца в зоне измерения, связанную с возможностью его нагрева или охлаждения. Силовое закрепление необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта между носителем образца и модулем тепло-подвода (теплоотвода). В результате возникло оригинальное решение, которое связано с использованием сильных пружин для фиксации носителя образца и возможностью его извлечения.

Для фиксации носителя 1 образца 2 (рис. 10.3) на нагревателе (холодильнике) 3 был использован первый зацеп 4, сопряженный с выборкой 5.

При этом высокая жесткость манипулятора 6 на кручение обеспечила выгрузку носителя 1. Это осуществлялось следующим образом. Манипулятор 6 поворачивали по часовой стрелке, пружина 7 поднималась (вид А), выборка 5 размыкалась с первым зацепом 4, второй зацеп 8 взаимодействовал с краем отверстия 9 и снимал носитель 1 с нагревателя 3.

В данном случае новизна и изобретательский уровень помимо использования описанных элементов были достигнуты еще и благодаря обеспечению тепловых контактов в широком диапазоне температур, и за счет измерения температуры рабочей поверхности образца, и за счет применения специальных материалов (подробно см. в [3]).

Рис. 10.3.Силовая транспортная система: 1 – носитель образца; 2 – образец; 3 – нагреватель (холодильник); 4 – первый зацеп; 5 – выборка; 6 – манипулятор; 7 – пружина; 8 – второй зацеп; 9 – отверстие носителя (на виде А показана верхняя часть пружины 7)

Следующим вспомогательным элементом почти каждого высокотехнологичного комплекса является двигатель для перемещения объектов. В одном из вариантов специфика использования инерционного шагового двигателя для высокоточной системы измерения заключалась в минимизации его нефункциональных перемещений, которые необходимы при работе с нанообъектами. Данная специфика была учтена и реализована благодаря применению упругих плоских пружин 1 (рис. 10.4), соединяющих первую 2 и вторую 3 подвижные каретки, установленные на направляющей 4 с возможностью перемещения, например, по координате X, что и явилось основным отличительным признаком от известного технического решения.

Использование пружин 1 обеспечило стабильное положение кареток 2 и 3 (относительно друг друга) при перемещении их по трущимся поверхностям 5 и 6 направляющей 4 и стабилизацию усилия между ними, что дополнительно повысило надежность работы двигателя [4].

В другом варианте шагового двигателя (см. рис. 10.4) новизна была достигнута за счет треугольной в сечении формы направляющей 4 и формирования микроканавок на ней [5].

Довольно часто в качестве вспомогательных устройств высокотехнологичных комплексов используются координатные столы.

Координатный стол (рис. 10.5) одновременно объединяет и адаптацию вспомогательного устройства под задачи высокотехнологичного комплекса, и постановку новой задачи, характерной для основных блоков, описанных в главе 9.