Дмитрий Соколов - Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий

Для решения ограниченного круга проблем была поставлена задача сконструировать СЗМ, работающий при температурах жидкого азота. Одним из основных узлов СЗМ является система предварительного сближения зонда и образца. На момент постановки задачи существовали в основном две группы систем этого сближения: пьезоинерционные и механические с внешними приводами от шаговых двигателей вращения. Пьезоинерционные еще не были до конца адаптированы под низкие температуры, работали ненадежно из-за смерзания движущихся частей и уменьшения пьезоотклика на напряжение. Следовательно, предпочтительным решением оставалось использовать шаговые двигатели вращения. Вторая особенность устройства связана с тем, что наиболее оптимальным решением достижения низких температур является использование стандартных криостатов 1 (рис. 11.1), серийно выпускаемых промышленностью в различных модификациях для решения широкого круга задач.

Эти криостаты имеют похожее конструктивное исполнение: горловину 2 с отверстием 3, имеющим диаметр порядка 50 мм, и расстояние L от этого отверстия до рабочей зоны 4 порядка 1 м. Теперь, если эти ограничения наложить на конструктивное исполнение СЗМ, то получится, что шаговый двигатель 5 будет закреплен на фланце 6, который устанавливается на горловину 2.

Рис. 11.1.Низкотемпературный СЗМ: 1 – криостат; 2 – горловина; 3 – отверстие; 4 – рабочая зона; 5 – шаговый двигатель; 6 – фланец; 7 – механизм сближения; 8 – привод; 9 – тонкостенная трубка; 10 – СЗМ; 11 – опоры

Вращение к механизму сближения 7 зонда и образца будет передаваться приводом 8, установленным на тонкостенной трубке 9, обеспечивающей минимизацию подвода тепла в зону измерения. Сам СЗМ 10 должен быть закреплен на тонкостенных опорах 11 и иметь вертикальное исполнение, так как сканирующее устройство в СЗМ – обычно пьезотрубка длиной порядка 30 мм и вместе с объектом в отверстие 50 мм ее горизонтально не вставить. Кроме этого большинство сканирующих зондовых микроскопов обычно защищают от вибраций и в данном случае это скорее всего будут длинные пружины 12, на которых висит СЗМ 10. Кроме этого, для обеспечения подвода зонда к образцу (не показаны) необходимо жесткое механическое замыкание привода 8 и механизма сближения 7. Данные ограничения привели к тому, что разработанный прибор чуть ли не во всех деталях повторил уже запатентованную конструкцию [1]. Дело в том, что патентный поиск на начальной стадии разработки не обнаружил это решение, а выявил его на стадии начала изготовления прибора. Пришлось известное решение брать за прототип и его дорабатывать. Возможности доработки нашлись в механизме сближения 7, где не было таких жестких ограничений. Выполнение этого механизма рычажным, а также доработки системы теплозащиты позволили получить патент [2] на частное техническое решение.

Второй пример касается СЗМ, совмещенного с жидкостной ячейкой. В приборах такого рода есть ограничения на условия функционирования, связанные с тем, что зонд и образец должны перемещаться друг относительно друга, но при этом зона измерения должна быть защищена от окружающей среды. Почти единственное решение заключается в использовании эластичной мембраны 1 (рис. 11.2), соединенной с ячейкой 2 и держателем образца 5. Мембрана 1 позволяет осуществлять сближение зонда 4 и образца 5 (механизм сближения условно не показан) и их взаимное сканирование.

Рис. 11.2.СЗМ, совмещенный с жидкостной (электрохимической) ячейкой: 1 – эластичная мембрана; 2 – ячейка; 3 – держатель зонда; 4 – зонд; 5 – образец; 6 – зуб; 7 – прокладка; 8 – пьезосканер

Здесь повторилась та же ситуация и разработанное решение почти полностью повторило запатентованную конструкцию [3]. В этом случае также пришлось дорабатывать конструкцию в мелочах и получать патент на частное техническое решение, отличающееся условиями закрепления мембраны 1 между зубом 6 и эластичной прокладкой 7, выполнением мембраны 1 двухслойной, конфигурацией пьезосканера 8 и формой рабочего объема ячейки [4]. В одном из вариантов этого решения держатель образца 3 осуществлял сканирование, а мембрана 1 была закреплена на нем (не показано).

Следующая разработка уже электрохимической ячейки учла эту ситуацию и для обеспечения новизны вместо мембраны был использован сильфон 1 (рис. 11.3), соединяющий держатель 2 зонда 3 и ячейку 4, на которой установлен держатель 6 образца 7. Изобретательский уровень определили многовариантное соединение сильфона 1 с держателем 2, в том числе посредством аэростатического подшипника 5, быстросъемное соединение держателя 6 с ячейки 4, а также специальный подбор материалов [5].

Следующий пример связан с решением задачи виброразвязки СЗМ в условиях высокого вакуума. Известно, что при отсутствии внешнего сопротивления добротность колебательной системы возрастает. То есть объект, подвешенный на пружинах, будет долго сохранять колебательный режим перемещения, а если этот объект СЗМ, то, пока он будет сохраняться, нельзя приступать к работе. Для решения этой проблемы возможно использования эффекта токов Фуко, которые возникают в проводнике при пересечении им магнитных силовых линий и, взаимодействуя с ними, тормозят перемещающийся проводник. На момент создания устройства виброразвязки применение этого явления уже давно было описано в разнообразных источниках и патентование изделия разработчиком не планировалось.

Аналогичное запатентованное и поддерживаемое техническое решение было найдено случайно [6] и для того чтобы выйти из под него, пришлось магниты 1 и 2 (рис. 11.4), закрепленные на основании (не показано), расположить таким образом, чтобы замкнуть магнитные линии соседних пар магнитов, благодаря чему проводник 3 с СЗМ 4, подвешенный на пружинах 5, будет более эффективно тормозиться в магнитном поле, что и было запатентовано в [7].

Вывод, который напрашивается при производстве приборов узкоспециального назначения, заключается в необходимости проведения особо тщательного патентного поиска на более ранних стадиях разработки.

Следует заметить, что помимо изложенного подхода к патентованию специальных устройств можно идти и другим путем. Можно модернизировать средства, которыми решается основная задача. Например, фирма Attocube разработала инерционные шаговые двигатели [8], способные работать при низких температурах. Благодаря их малым размерам они подошли под азотные криостаты и была разработана серия приборов на их основе [9].