专利名称：用于电-机械定位的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电-机械定位的装置和方法。
背景技术：
这类装置用于使探针以纳米范围定位，例如在光栅探针显微中定位。它们将电的输入参数(电压)转换成机械的输出参数(位置)。在此例如控制管状的压电元件，用于使在压电元件内部运动的游标、起到探针功能的导线相对于管状摩擦表面利用惯性驱动装置运动。为了影响这个运动，可以使管状压电元件以锯齿形压电曲线加载。使电压这样施加在压电元件的内部电极与外部电极之间，使压电曲线导致游标在压电元件里面交替地停止和滑动。游标在锯齿脉冲的扁平侧面期间停止在压电元件内部的摩擦表面上并且在其陡斜侧面期间滑动。缺陷是，在锯齿脉冲期间在压电元件上的快速运动可能导致压电元件或运动的目标本身的底座的不期望抖动。例如由WO 94/06160 Al给出的驱动装置包括压电元件。游标能以直到纳米范围的精度运动。所述游标由导线组成。使游标顶压摩擦表面的力对于惯性驱动装置的功能是苛刻的。通过导线本身的弯曲影响对于导线或游标的作用力。准确的力必需试验地通过导线的不同弯曲匹配。其缺陷是费时且困难的方法步骤。导线端部在光栅隧道显微期间形成扫描尖端或探针。在尖端每次扫描时缺陷是必需变换整个游标并且重新匹配用于更换的游标的作用力。在真空中更换游标几乎是不可能的，因为针形游标没有用于从管状摩擦表面中取出的装置。由文献DE 44 40 758 Al已知一个由质量单元包括弯曲元件组成的游标，由此可以通过弯曲元件的弯曲调节摩擦力大小。由此也可以定位沉重的目标。这个定位装置的缺陷是，只存在非常小的空间用于操纵装置。存在很小的空间，因为要尽可能小地构造定位单元，用于在实现装置在运行中的尽可能最大的稳定性和高的固有频率。不利的是，质量单元(由质量单元端部定位)相对于管状摩擦面和管状压电元件倾斜。这不利地导致，质量单元不轴向对准摩擦面和压电元件管。另一方面质量单元的倾斜布置意味着不准确的导向和摩擦特性的无意变化。摩擦特性的变化对惯性驱动装置的功能产生不利影响并且可能导致定位单元失效，因为游标可能卡死。所述惯性驱动装置本身也存在缺陷。在惯性驱动装置中压电元件的质量和游标的质量以高加速度运动。这不利的后果是，加速度以抖动和振动的形式传递到固定在游标上的目标上。此外这些作用力在压电元件上按照牛顿第三定律也传递到底座。因此抖动运动也可能传递到底板上，在其上固定纳米定位器。因此由US 4，874，979给出另一定位装置，具有另一驱动方法。在此内部的圆柱体作为游标交替地由三个压电传动的卡子固定。卡子的距离通过压电元件的膨胀或压缩调整并且导致内部圆柱体的调整运动。这个纳米操纵器有利地避免惯性驱动装置的快速的加速度。但是缺陷是，为了固定内部圆柱体，至少一个卡子必需总是处于高压下。通过卡子固定圆柱体是驱动这个也称为“缓慢蠕虫(inchmirm)”的定位单元的必需前提。在“缓慢蠕虫” 中也必需总是施加电压在压电的卡子上，用于固定游标。但是在光栅隧道显微中使用定位单元时这个用于卡紧游标的电压不利地传递电干扰到测得的隧道电流上。为了避免这一点，这个高压只能具有非常低的噪声，例如<lmV。这意味着附加的费用和成本，用以建立稳定的电压供给。
发明内容
本发明的目的是，提供一个用于游标的电-机械的定位装置，它可以小巧和良好地操纵并且还能够使游标在管状压电元件内部与所选择的驱动装置无关地精确导向。此外，本发明的目的是，给出一种用于控制这种装置的方法，它与公知的惯性驱动装置不同无抖动地工作。这个目的通过权利要求1和7的装置以及附属权利要求的方法得以实现。从属权利要求给出有利的扩展结构。所述装置具有至少一个管状的压电元件，用于在压电元件内部电-机械的定位游标。该压电元件具有电极和用于控制的接头。所述装置具有至少一个与压电元件连接的弹性机构，用于施加法向力在压电元件内部中的游标上。这个弹性机构具有摩擦面。这个摩擦面是弹性机构与游标之间的接触面。所述弹性机构在本发明的扩展结构中由导电的材料、例如由铜-铍组成。通过导电性可以使通过扫描尖端导出的隧道电流直接通过所述机构导出和控制。所述弹性机构为了施加法向力可以弯曲。按照本发明的机构例如可以是电缆连接，它能够利用弯曲的内部部件在游标上施加作为法向力的弹性力。所述弹性机构也可以是板簧。每个弹性机构有利地在游标上施加恒定的、持久的法向力。作为用于所述机构的材料的铜-铍有利地具有高弹性。这种材料相对较硬并且可以良好地加工，用以构成弯曲的弹性的机构。这一点可以通过例如管状机构的切口实现。此外这种材料是导电的。可以使用具有类似特性的其它材料。除了弹性机构以外也可以使用静止摩擦机构，它们直接或间接地与压电元件连接，用以导引游标和承受法向力。所述静止的机构具有摩擦面。这个摩擦面是静止机构与游标之间的接触面。所述静止摩擦机构的可能扩展结构是蓝宝石半球。下面将静止摩擦机构和弹性摩擦机构统称为摩擦机构。固定在压电元件轴向位置的摩擦机构构成一组摩擦机构。因此一组包括至少一个唯一的摩擦机构。在压电元件轴向膨胀或收缩时一组摩擦机构同步地运动。所述摩擦机构可以直接与压电元件连接。最好也可以间接地通过连接部件与压电元件连接。作为连接部件例如是或短或长的小管和盘，它们与压电元件的端部连接。短的连接部件也称为端部的盘。该盘具有开孔。最好由陶瓷制成盘。在端部盘或其开孔里面导引或定位游标。长的管状连接部件也称为同轴的固定体，并且起到使多个摩擦机构同步运动的作用。这种连接部件在导引游标时不接触游标，而是只接触设置在连接部件上的摩擦机构。在连接部件的内表面上设置摩擦机构。所述连接部件作为小管和盘具有开孔，在其中轴向导引游标。因为摩擦机构基于其施加的力对准压电元件内部，因此穿过连接部件的开孔实现游标的轴向定位。所述摩擦机构例如通过粘接剂与连接部件连接并且与压电元件内表面连接。所述摩擦机构可以固定在端部的盘上并且也固定在同轴的作为连接部件的固定体上，并且通过这个固定体与压电元件连接。所述同轴固定体是，同轴地在压电元件的几乎整个长度上设置在压电元件里面。在同轴的固定体里面特别有利地非常稳定地导引游标。 同轴的固定体可以一体地构成。它仅仅在一端与压电元件连接。同轴的固定体可以利用端部的盘作为连接部件在一端上与压电元件连接。同轴的固定体的另一端在压电元件的内部游离，即，不固定。在同轴固定体的纵向上可以设置其它摩擦机构。在本发明的扩展结构中由位于同轴固定体里面的摩擦机构导引游标。因此在一端固定在底板上的压电元件偏转时所有摩擦机构同步地运动。为了定位游标以公知的方式通过惯性驱动装置以锯齿形电压使压电元件偏转。在锯齿信号的扁平侧面期间所有摩擦面是静摩擦，并且所述游标与压电运动一起导引。在锯齿信号的陡斜侧面期间所述摩擦面过渡到滑动摩擦。所述游标由于其惯性不与摩擦机构、同轴的固定体和压电元件的运动一起导引。所述同轴固定体在压电元件上的端部固定起到完全传递压电元件的偏转到在同轴固定体里面导引的游标上的作用。所述端部的盘作为连接部件特别有利地也用于，使可能作为标准部件制成的压电元件和与其并联设置的管状同轴固定体在其内径和外径上相互匹配。用于施加法向力在游标上的弹性机构最好通过粘接在连接部件、盘和同轴的固定体上与压电元件连接。所述摩擦机构可以在一个、两个或多个轴向的不同位置上在同轴固定体的长度上与固定体连接。最好将摩擦部件均勻地分布在同轴固定体的整个长度上。有利地在同轴固定体的至少两个轴向位置上设置五个或更多的摩擦机构。由此特别稳定地固定和导引游标。至少五个摩擦机构中必需至少一个是弹性机构，最好在同轴固定体的中间。例如可以使靠近端部的盘和在对置的一侧上端部设置在同轴固定体上的摩擦机构是静止摩擦机构。在同轴固定体的中间可以设置唯一的用于施加法向力的弹性机构。 当然可以通过弹性摩擦机构替换两个端部的静止摩擦机构。设置在轴向位置的摩擦机构相互间最好在方位上均勻地分布。设置在不同轴向位置的摩擦机构同样要相互间在方位上均勻地分布。由此有利地保证游标在压电元件中并且穿过连接部件的开孔轴向导引。非常有利地使用于导线的插接连接用于导弓I和轴向定位游标。这些插接连接在本发明的有利扩展结构中例如通过一个或多个切口具有弹性的具有摩擦面的弹性部件。同时所述插接连接也具有静止的或其它弹性的、最好弯曲的摩擦面，在其中可以导引游标。向内弯曲的切口作为弹性的弹簧使游标顶压连接的这个导向面。重要的是，使同轴固定体上和盘上的摩擦机构相互间这样设置，使游标精确地导引，不会卡死或滑移。这保证摩擦机构在方位上的布置。所述装置有利地适合于，也定位非圆柱形的游标。所使用的游标也可以具有不同于圆形的横截面。非圆形的游标例如可以沿着其轴向纵向切口，用以防止游标在轴向平移运动期间在方位上的旋转。所述游标的横截面也可以在轴向上变化，由此例如使锥形的游标定位。这一点例如可以用于使速度在两个轴向上“向前和返回”不同地构成。在本发明的特别有利的扩展结构中所述装置具有至少两个相互间电绝缘连接的压电元件。两个压电元件并联或前后地设置并且共同具有至少三组摩擦机构，它们固定在压电元件上的轴向不同位置。其中至少一组包括至少一个弹性摩擦机构。这个摩擦机构在游标上施加法向力。所述压电元件相互连接，例如利用绝缘胶或利用绝缘的连接部件，例如端部的具有开孔的盘，例如由陶瓷制成。同样可以设有静止的、非弹性的摩擦机构，用于承受施加在游标上的法向力。固定在压电元件轴向位置上的摩擦机构又构成一组摩擦机构。这个摩擦机构组要相互间且与其它摩擦机构组最好在方位上设置。对于用于定位游标的方法一方面可以使用如下所述的管状压电元件，另一方面对于这种方法也可以使用其它形式的压电元件。两个压电元件有利地在端部具有连接部件，它具有开孔。有利地在这个连接部件上安置至少一个用于导引游标的摩擦机构。这个装置包括三组轴向设置在压电元件长度上的摩擦机构。通过一组表示一个或多个摩擦机构，它们直接或间接地固定在压电元件上的确定轴向位置上。一组的所有摩擦机构同步地运动。在本发明的这个扩展结构中两组摩擦机构分别在端部设置在压电元件上并且第三组设置在连接部位。两个压电元件最好通过具有开孔的盘相互连接，在其上设置或固定至少一个固定在其上的向内伸出的摩擦机构。这个盘的开孔轴向设置在一排另两个对置的端部的盘的开孔里面。由此保证游标在连接部件的所有三个开孔里面轴向导引。通过这种方式可以使两个前后设置的压电元件通过连接部件相互连接。也可以使两个嵌套设置的具有不同外径和不同长度的压电元件通过连接部件连接。所述相互连接的压电元件的端部固定在底板上。由此使固定在这个端部上的摩擦机构组总是保持静止。按照本发明的包括两个这种压电元件的装置有利地保证在选择驱动装置时的更多自由度。可以在两个压电元件的电极上施加电压，它们保证游标的运动，没有如同在锯齿电压和惯性驱动装置中那样的冲击式运动。这特别有利地起到使游标比通过惯性驱动装置明显无干扰定位的作用。—种用于使游标定位在这种具有两个前后设置的或嵌套设置的压电元件的装置里面的方法规定，将一个压电曲线施加在两个压电元件的电极上，其中压电元件的收缩或膨胀导致游标的轴向定位。在该方法的另一步骤中两组活动的摩擦机构中的一组轴向运动并且在这个运动期间使游标由其它两个摩擦机构组固定。在第二步骤中两个摩擦机构组的另一组单独运动。在压电曲线的另一步骤中使两个活动的摩擦机构组同时运动并且一起导引游标。通过同时、同步地影响三组中的两组使游标运动，因为这两组的法向力总和大于单个组的法向力。所述方法与现有技术相比是有利的，因为三组摩擦机构持久地夹紧游标，而无需对此施加电压。具有两个嵌套的或前后连接的压电元件的装置最好包括至少5个摩擦机构。这种用于定位游标的方法涉在游标与三组摩擦机构之间的摩擦面上建立静摩擦和滑动摩擦的交互作用。在两组摩擦机构同步运动时摩擦机构保持与游标静摩擦。在只一组运动时静摩擦过渡到滑动摩擦。通过这种方法控制的定位装置是更少费事的并且小于“缓慢蠕虫”。按照本发明的定位装置配合到具有3毫米外径的管状压电元件里面，而“缓慢蠕虫”一般具有IOmm的外径。按照本发明的定位装置也具有更少且更简单构造的压电元件，即代替在“缓慢蠕虫”中三个压电元件只有两个压电元件并因此也具有更简单的控制。附加地通过按照本发明的装置和按照本发明的方法也得到新的定位装置与惯性驱动装置相比更大的优点。按照本发明的驱动装置与游标的质量无关。在惯性驱动装置中通过游标质量和一个从静摩擦过渡到滑动摩擦时的重要参数给出游标惯性。只有在对于游标质量狭窄的部位“静摩擦”的惯性驱动装置才完好地发挥功能。有利地可以使运动在按照本发明的方法期间以任意缓慢的速度实现，而不会对工作原理产生不利影响。除了在这里所述的纳米定位器模式以外也可以有利地无需改造地在惯性平移模式中运行，如果期望这种模式的时候。在按照惯性平移原理工作的纳米定位器中平移步骤的准确间隔经常难以重复并且存在大的散射。在按照本发明的纳米定位器中运动周期的步宽总是相同大小并且等于压电元件的行程。在以惯性平移工作的纳米定位器中固定游标的夹紧力相对较小。通过游标的质量确定惯性力。这个惯性力在期望小结构尺寸时同样是小的。因此在惯性平移时只能使用小的夹紧力。在大夹紧力时游标不滑移。在按照本发明的纳米定位器中可以使用更大的夹紧力，这有利地导致纳米定位器防止振动的更高稳定性。此外这个措施在纳米定位时允许施加更大的力。在所有按照本发明的装置中有利地保证，使游标作为刚性单元完全准确地轴向支承。在游标与摩擦机构之间的接触面是非常均勻的并且最好基本在方位上定义每组摩擦机构并且必要时也上下地构成。因此总是由弹性机构施加均勻的、确定的力在游标上。有利的是，可以特别容易地更换游标。按照本发明的在压电元件上具有弹性机构的定位单元作为光栅探针显微的核心部分使用。按照本发明的纳米定位器为了定位可以以非常小的、直到纳米范围的步骤使用。 通过压电元件沿着纵轴线的四倍分段能够实现在Xy向的连续运动(Γι μ m)。
下面借助于几个实施例和附图详细解释本发明。这些具有两个压电元件的装置可以有利地设置在另一更大的压电元件里面或上面或者与其连接。较大的压电元件通过压电元件上的连续电压起到在xyz方向上连续精细运动的作用，而两个嵌套或前后设置的两个压电元件负责在ζ向上的步进式的粗驱动。附图中
图1示出装置Pi的第一实施例，具有一个弯曲的、弹性结构1 和四个静止的摩擦机构15，
图2示出装置P2的第二实施例，具有两个插接连接，具有弯曲的弹性机构2 ，2 和半圆形的弹性导向面25a',25b',
图3示出如图2 —样的装置P3的第三实施例，但是增加质量单元37， 图4示出在光栅探针显微中使用按照图2的装置P2，
图5示出两个前后设置的、相互间电绝缘的管状压电元件(上图)，用于构成装置P3以及压电曲线(下图)，用于没有抖动地特别均勻地定位游标，
图6示出两个嵌套设置的、相互间电绝缘的管状压电元件(上图)，用于构成装置P4，以及压电曲线(下图)，用于没有抖动地特别均勻地定位游标，
图7示出具有两个前后设置的管状压电元件的装置P3，如同在图5中所示的那样，它们设置在用于分辨图像的管状压电元件78内部，
图8示出具有两个嵌套设置的管状压电元件的装置P4，如同在图6中所示的那样，它们设置在具有相同外径的用于分辨图像的管状压电元件88上。
具体实施例方式图1，2，5和6以纵向截面图简示出按照本发明的装置Pl和P2以及P3和P4的四个实施例。其余附图3，4，7和8示出应用示例。在图1至4中未示出用于通过锯齿脉冲控制各管状压电元件上的电极的结构。在压电元件缓慢收缩或膨胀时游标一起导引(静摩擦)，在快速收缩或膨胀时游标通过其惯性保留在其位置(滑动摩擦)。在图1至6中作为管状压电元件11，21，31，41，51a和51b，61a和61b使用德国 Lederhose公司PI Ceramic GmbH的压电元件，具有12mm的总长度。在图1至4的用于电-机械定位游标的装置中分别通过管状压电元件11，21，31,41提供用于惯性运动的驱动装置。在图5和6中介绍另一驱动装置。所述游标14，24，34，44，54，64，74和84是圆柱形的并且由约0. 5mm直径的钨丝组
成。它用于导出隧道电流并且沿着双箭头运动。图1至6的装置P1，P2，P3和P4在压电元件端部上局部地具有作为连接部件的陶瓷盘13，23，33，43，53a和53c以及63a和63c，后者具有开孔。所述盘粘接在压电元件端部上。作为盘使用氧化铝陶瓷。端部的盘的开孔内径为1.2mm，厚度为1mm，直径为3mm。在伸入到装置Pl，P2内部的盘部件的下部上与压电元件内部和游标平行地粘接管状的同轴的固定体12，22，32，42。这个固定体由铝或陶瓷制成。同轴固定体12，22，32，42 具有IOmm的总长度。内径同样为1.2mm。固定体12，22，32，42通过丙烯酸盐基的粘接剂分别粘接在套13，23，33,43里面。第一实施例(图1):
图1的截面图在上部和下部的轴向位置中只示出两个弹性摩擦机构15的一个摩擦机构。实际上在两个轴向位置分别设置两个静止的摩擦机构。一个轴向位置的两个摩擦机构仍然分别在方位上均勻地相对于中间轴向位置的弹性摩擦机构1 设置，用以起到精确轴向导引游标的作用。所有5个摩擦机构在一个轴向位置通过连接部件13固定在压电元件上并由此构成唯一的摩擦机构组。弹性摩擦机构1 在图1中轴向粘接在同轴固定体12的中间。附加的、不可运动的静止摩擦机构间接地通过同轴的固定体12并通过盘13与管状的压电元件11连接。摩擦机构由粘接的蓝宝石半球15组成。为了在轴向上稳定地导引游标14，总共使用五个摩擦机构，其中四个静止摩擦机构15设置在同轴固定体的两个不同的轴向位置。在此只两个摩擦机构在图左侧配有标记符号15。但是不言而喻，由于所选择的截面图在上部和下部的蓝宝石半球15的平面里面分别设置另一蓝宝石半球，它们都分别在方位上均勻地相对于摩擦机构1 设置。所述装置Pl保证压电元件的全部偏转传递到游标14上。
第二实施例(图2):
在实施例2中在上部轴向位置存在两个弹性机构2 和25a’并且在下部轴向位置存在另两个弹性机构2 和25b，，用于在游标M上施加法向力。这些弹性机构2 和25a， 通过用于导线的插接连接构成。这个插接连接具有弹性的弹簧25a，2 和弹性的半圆形摩擦面25a’，2 ’，游标在运行中通过弹性力顶压在弹簧和摩擦面上。插接连接体25a，25a，在端部靠近盘23并通过盘与压电元件21连接。连接体25b， 25b’固定在管状同轴固定体22的自由端上并且通过固定体与压电元件21连接。所有4个摩擦机构在轴向位置通过连接部件23固定在压电元件上并由此形成唯一的摩擦机构组。所述装置P2保证压电元件的所有偏转都传递到游标M上并且非常好地轴向导引游标。在这个实施例中游标可以特别好地防止偏离轴向运动方向地稳定化。装置P2的应用1 (图3)
在图3中示出图2的装置P2应用在具有轴向不同横截面的游标34上的情况。在这里较大的横截面37在游标34的中间作为停止器起作用，用于限制游标在轴向上的运动。通过这个在机构35a与35b的接触点之间的附加质量37和与此相关的更大惯性力可以在定位时施加更大的力并且例如定位更大的质量。在这种游标的位置上也可以使用非圆柱形的游标，它沿着轴向切口，用以防止游标在轴向平移运动期间在方位上旋转。也可以在游标的位置上运动锥形游标。这个游标例如可以用于使在向前和返回的两个轴向上的速度不同地构成。装置P2的应用2 (图4)
上述的图2的定位单元P2可以作为光栅探针显微的核心部分，如同在图4中所示的那样。目标0设置在游标44尖端S以上。为此将目标固定体H与目标0旋入到圆柱体 Z里面。圆柱体Z包围装置P2与管状压电元件41。不仅圆柱体Z而且装置P2都粘接在基板46上。利用锯齿电压和管状压电元件41的收缩以及膨胀实现扫描探针S接近试样0。 探针S在试样上的xy运动以公知的方法通过管状压电元件41与分成四个分段的外电极实现。通过这个结构描述一个非常小的且稳定的光栅探针显微。扫描探针S和游标44有利地是两个独立的部件。扫描探针S可以特别容易地更换，无需更换游标44。中间体48容纳尖端固定体。所述的电-机械定位单元P2也能以相反的方式如下运行使游标44在至少一个端部与大的基板质量连接。然后使现在不与基板连接的压电元件相对于静止的游标运动。备选地可以在另两个实施例中在装置P2的位置上分别使用图1的装置Pl。在图5和图6中所示的两个装置P3和P4描述了不同于目前所示的惯性驱动装置的方法。在图5中两个压电元件51a和51b前后地通过端部的具有开孔的盘5 作为连接部件相互连接。而在图6中两个具有不同直径和长度的压电元件通过端部的盘6 作为连接部件相互连接。图7和8示出按照图5和6的用于光栅探针显微的应用。如果没有特别指出，对于图2中的装置P2的各零部件的所使用的尺寸和材料与图 5和6的装置P3和P4所使用的尺寸和材料一致。实施例3 (图5):图5在上部示出装置P3并在其下面示出用于运行该装置的按照本发明的方法。P3包括两个利用连接部件5 轴向前后连接的压电元件51a和51b。该装置的两个压电元件51a和51b在其外部的、对置的端部上分别配有端部的盘作为连接部件53a和53c。管状压电元件还通过另一盘5 轴向相互连接。一个管状压电元件51a在其自由端上固定在底座56上，而第二压电元件的对置端部不固定。游标M轴向沿着双箭头定位。游标通过三组摩擦机构5 ，a，，55b，b，和55c，C， 固定、导引和运动。摩擦机构组5 和55a’由插接连接构成并且包括两个在连接部件53a 上对置的弹性部件。摩擦机构组55b，b’包括两个在连接部件5 上对置的弹性部件。摩擦机构组55c， c’包括两个在连接部件53c上对置的弹性部件。两组摩擦机构55a，a’以及55c，C’固定在两个连接的管状压电元件51a和51b的两个外部端部上。弹性部件5 和55a’组也可以选择直接固定在基板56上。为了使圆柱形游标M相对于底座56运动，使摩擦机构组55b，b，或55c，C，借助于压电元件51a和51b相对于另两组运动，它们仍然相互间处于相对静止。在此相互间不相对运动的两组使圆柱体通过其静摩擦力固定。相对于另两组相对运动的第三组的静摩擦力比另两组的静摩擦力总和更弱。因此这个组与游标的接触过渡到滑动。与按照US 4，874，979 Al的现有技术不同，在现有技术中两个卡子主动地与压电的驱动装置夹紧和松开，而按照本发明是被动夹紧。为了在两组摩擦机构相对于第三组同步运动时游标一起移动，一起运动的组的静摩擦力的总和必需总是大于单个组的静摩擦力。与游标M的接触在单个组上过渡到滑动摩擦，而单个组的作用力不足以获得另两个一起运动组的极限静摩擦力。如果F_i是必需施加的最小力，用以使一个摩擦结构组i滑动，则对于三个摩擦机构组 55a，a，以及 55b，b，以及 55c，c，必需使:F_i+F_j>F_k，其中 i，j，k=55a，a，，55b，b，， 55c, c，并且i乒j乒k。下面描述在压电元件51a和51b上的压电曲线的周期，压电元件导致游标在图面中向右移动(见图5)。在此前提是，在各压电元件上的正电压导致其沿着圆柱体轴线的膨胀并且负电压导致收缩。在两个压电元件51a和51b无电压的静止状态中开始运动周期。在压电曲线的分段(a)(见图5，下面的附图)中第一压电元件51a压缩(负电压)而第二压电元件51b膨胀(正电压)。这导致中间的组55b，b’向左滑动摩擦。右边的组55c， c’不改变其位置，因为压电元件51a缩短而压电元件51b延长，由此在右边的组55c，c’相对于底板的位置中总体上没有变化，同样少地与左边的组阳3，a’ 一样，它绝不相对于底板 56运动。两个不运动的组固定游标M，而第三中间组55b，b’过渡到相对于游标的滑动摩擦并且向左运动。在图5的压电曲线的第二分段(b)中左边的压电元件51a的膨胀保持不变，即收缩。由此使左边的组55a，a’和中间的组55b，b’不相对于纳米操纵器的基板56运动并因此使游标讨由于例如双倍的静摩擦力而固定。在右边的压电元件51b从最大膨胀到最大收缩期间，右边的组^c，c’相对于游标M向左滑动，游标由两个左边的组55a，a’和55c， c’固定。
在第三分段(c)里面压电元件51膨胀。由此使两个右边的组55b，b’和55c，c’ 一起向右运动并且一起导引游标Μ。在左边的组55a，a’上与游标M的接触过渡到滑动摩擦。在这个分段中游标向右运动。第四分段(d)与第一分段类似。第一压电元件51a收缩并且第二压电元件51b膨胀。这导致中间组55b，b’向左滑动摩擦，直到两个压电元件又位于无电压的初始状态。运动图形能够概括如下首先中间的组55b，b’和右边的组55c，C’单独向左运动。 在此游标M不运动。它总是由另两个组固定。然后两个右边的组55b，b’和55c，c’ 一起向右运动并且使游标M —起向右运动。在一个运动周期以内纳米定位器的游标以那个行程向右运动，该行程等于压电元件从最大电压到最小电压的行程。向左运动以反转的压电曲线实现。不同的压电长度可以通过相应匹配的电压振幅这样补偿，使摩擦机构55b，b ’的行程与摩擦机构^c，C’的行程相同。第四实施例(图6):
图6在上部示出装置P4并在其下面示出用于运行这个装置的按照本发明方法的压电曲线。P4包括两个利用连接部件63轴向嵌套设置的压电元件61a，6lb。压电元件61a 具有6mm的较大外径和13mm的长度，由此它可以在自身里面容纳压电元件61b。该装置P4的两个压电元件61a和61b在其外部一致取向的端部上配有连接部件 63a和63c，其中盘的开孔轴向直接上下地设置，由此可以使游标64轴向在其中运动。管状压电元件61a和61b通过连接部件例如盘6 作为连接部件在其端部上向着纳米定位器的底板相互连接。两个管状压电元件61a和61b在这个端部上固定在定位器的底板66上，而压电元件的各对置端部不固定并且对准目标(未示出)。游标64轴向沿着双箭头定位。游标通过三组弹性部件65a，a，以及65b，b，以及 65c, c，固定，导引和运动。三个盘63a，6;3b和63c的开孔轴向上下地设置，由此可以使游标在这个盘中轴向定位。两个这样的组65a，a，以及65c，C，设置在组合的压电元件61a和61b的外端部上，而第三组65b，b’更远离另两个组安置在连接部件6 上，它使两个压电元件相互连接。为了使圆柱形游标64相对于底座66运动，利用压电元件61a和61b使一组65a， a’或65c，c’相对于另两组相互间仍然处于相对静止的摩擦机构运动。在此另两组不相互间相对运动的摩擦机构通过静摩擦力固定圆柱体。相对于另两组相对运动的第三组的静摩擦更弱。因此这个组与游标的接触过渡到滑动摩擦。在此仍然涉及被动的夹紧。为了在两组相对于第三组同步运动时一起导引游标， 必需使一起运动的组的静摩擦力总和总是大于单个组的静摩擦力。然后使与游标64的接触在各单个组上过渡到滑动摩擦，而单个组的力不足以获得另两个一起运动组的极限静摩擦力。如果F_i是必需施加的最小力，用以使一个摩擦结构组i滑动，则对于三个摩擦机构组 65a，a，以及 65b，b，以及 65c，c，必需使F_i+F_j>F_k，其中 i，j，k=65a，a，，65b，b，， 65c, c，并且i乒j乒k。
下面描述在压电元件61a和61b上的压电曲线的周期，压电元件导致游标在图面中向上移动(见图6)。在此前提是，在各压电元件61a和61b上的正电压导致其沿着圆柱体轴线的膨胀并且负电压导致收缩。在两个压电元件61a和61b无电压的静止状态中开始运动周期。在压电曲线的分段(a)(见图6，下面的附图)中外部压电元件61a和内部压电元件 61b膨胀(分别正电压)。这导致中间的组65c，c，和上面的组65a，65a，的静摩擦，而两个压电元件61a和61c向上膨胀。下面的组65b，b’用于在基板66上的定位不改变其位置。 在弹性部件6 和65b’与游标之间的摩擦面上游标过渡到滑动摩擦并且相对于底板66向上运动。两个活动组固定游标64，而游标过渡到相对于第三下面组65b，b’的滑动摩擦。在图6的压电曲线的第二分段(b)中外部的压电元件61a的膨胀保持不变。内部的压电元件61b由于负的压电曲线收缩。由此使组65a，a’过渡到滑动摩擦并且向下运动， 而上面的组65a，a’和下面的组65b，b’不相对于底板66运动并因此使游标64由于例如双倍的静摩擦力而固定。在内部的压电元件61b从最大膨胀旋转到最大收缩期间，组65c，C’ 相对于游标64向下滑动，游标由两个组65a，a’和65c，c’固定。在第三分段(c)里面外部的压电元件61收缩。由此使组65a，a’仅仅转移到滑动摩擦，相对于游标向下运动。游标由于在另两组65b，b’和65c，c’上的更高作用力绝对保留在其ζ坐标上。在上面的组65a，a’上与游标64的接触过渡到滑动摩擦。在这个分段里面游标不运动。第四分段(d)与第一分段类似。两个压电元件61a和61b由于正的压电曲线膨胀。 这导致游标64同步向上。下面的组65b，b’由于在基板66上的定位不改变其位置。在弹性部件6 和65b’与游标之间的摩擦面上游标过渡到滑动摩擦并且相对于基板66向上运动。运动图形能够概括如下首先两个上面的组65a，a’和65c，C’从每两个弹性的弯曲部件一起向上运动。在此游标64—起运动。然后这两个组前后地单独向下运动，其中游标64 不变化地静止。在一个运动周期以内纳米定位器的游标以那个行程向上运动，该行程等于压电元件从最大电压到最小电压的行程。不同的压电长度可以通过相应匹配的电压振幅这样补偿，使摩擦机构65a，a’的行程与摩擦机构65c，C’的行程相同。装置P3的应用1 (图7)
上述的图5的定位单元P3可以作为光栅探针显微的核心部分使用。在此图5的装置 P3固定在具有较大直径的管状压电元件78内部，该压电元件装配在底板76上。在此装置 P3通过固定体73d固定在外部的压电元件78的端部上。然后可以在游标74的上端部上安置扫描探针并且使试样定位在扫描探针以上。通过压电元件78沿着纵轴线的四倍分段实现在xy向上的连续运动。也可以利用压电元件78上的连续电压变化实现压电元件78在ζ向上的精细运动。图6的装置P4的应用1 (图8)
上述的图6的定位单元P4可以作为光栅探针显微的核心部分使用。在此图6的装置 P4固定在具有一致直径的管状压电元件88上，该压电元件装配在底板86上。在此装置P4 通过固定体83固定在压电元件88的端部上。在游标84的上端部上安置扫描探针并且使试样定位在扫描探针以上。通过压电元件88沿着纵轴线的四倍分段实现在xy向上的连续运动。也可以利用压电元件88上的连续电压变化实现压电元件88在ζ向上的精细运动。每个装置Pl至P4同样可以仅仅是光栅探针显微的核心部分。在此通过在压电元件上施加连续的电压可以实现在xy向且也在ζ向上的精细运动。
权利要求
1.一种装置，它具有至少一个管状的压电元件，用于在压电元件内部电-机械的定位游标，其特征在于至少一个与压电元件连接的、用于在游标上施加法向力的弹性摩擦机构。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于至少一个与压电元件连接的静止的、非弹性的摩擦机构，用于承受施加在游标上的法向力。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述摩擦机构被固定在压电元件的轴向位置上， 构成一组摩擦机构。
4.如权利要求1至3所述的装置，其特征在于至少一个连接部件，它使弹性的或静止的摩擦机构与压电元件连接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于一个具有开孔的盘作为连接部件，该盘在端部上与压电元件连接并且在其上固定至少一个摩擦机构。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于至少一个同轴的、管状的固定体作为连接部件，该固定体在端部上与压电元件连接并且在其上固定至少一个摩擦机构。
7.一种装置，它具有两个管状的压电元件，用于在压电元件内部电-机械的定位游标， 其特征在于两个前后或嵌套的、相互间电绝缘设置的压电元件和至少三组摩擦机构，它们固定在压电元件上的轴向不同位置，其中固定在压电元件轴向位置上的摩擦机构构成摩擦机构组。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，至少一组、最好轴向中间的组包括弹性摩擦机构。
9.一种用于通过如权利要求7或8所述的装置定位游标的方法，其中压电曲线被施加在两个压电元件的电极上，其中压电元件的收缩或膨胀导致游标的轴向定位，其中在部分压电曲线中分别使一组摩擦机构运动到轴向位置，在这个运动期间由另两个摩擦机构组固定游标，在压电曲线的另一段中这两个摩擦机构组同时运动并且一起导引游标。
全文摘要
本发明涉及一种装置，具有至少一个管状的压电元件，用于在压电元件内部电-机械的定位游标。这个装置的特征在于至少一个与压电元件连接的、用于在游标上施加法向力的弹性摩擦机构。本发明公开了一种用于控制该装置的方法。
文档编号H01L41/09GK102356325SQ201080012310
公开日2012年2月15日 申请日期2010年3月6日 优先权日2009年3月18日
发明者福格特伦德 B., 克嫩 P., 切雷帕诺夫 V. 申请人:于利奇研究中心有限公司