Работа 9. Измерение управляемого перемещения в нанометровом диапазоне материалов с обратным пьезоэффектом

1.Цель работы: Измерение зависимости величины перемещения наноэталона на основе материала с обратным пьезоэффектом под воздействием управляющего напряжения.

2. Состав оборудования:

В лабораторной работе используются:

• Наноэталон на основе материала с обратным пьезоэффектом.

• Оптический интерферометр Майкельсона.

• Электронный блок питания с регулируемым напряжением.

• Цифровой вольтметр.

• Электронная схема управления лазером

• Персональный компьютер

• Специализированное программное обеспечение.

Блок схема лабораторной установки приведена на рис.40.

Контрольные вопросы

1.Типы пьезоэффектов, физика процессов в пьезоматериалах.

2.Типы пьезоматериалов используемых в технике и их краткое сравнение.

3.Характеристики зависимости величины перемещения от управляющего напряжения, описание гистерезиса и крипа в пьезоматериалах.

4.Максимальный диапазон перемещения пьезоманипуляторов, перечисление факторов ограничивающих его.

5.Измерительные устройства нанометрового диапазона, интерферометр, электронный микроскоп, сканирующий зондовый микроскоп, сравнительная характеристика.

6.Принцип измерения перемещений с помощью интерферометра Майкельсона, основные факторы влияющие на точность измерений в нанометровом диапазоне.

7.Обработка результатов измерений полученных в интерферометре, способ повышения отношения сигнал/шум.

8.Типы линейных мер используемых для калибровки в нанометровом диапазоне и их сравнение.

9.Влияние скорости проведения измерений на точность калибровки.

10.Калибровка с помощью динамических нанокалибров, описание метода и его сравнение с калибровкой на основе статических линейных мер.

Работа различных приборов пьезоэлектроники основана на пьезоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1880 г. французскими учеными братьями П. Кюри и Ж. Кюри. Слово "пьезоэлектричество" означает "электричество от давления". Прямой пьезоэлектрический эффект или просто пьезоэффект состоит в том, что при давлении на некоторые кристаллические тела, называемые пьезоэлектриками, на противоположных гранях этих тел возникают равные по величине, но разные по знаку электрические заряды. Если изменить направление деформации, т. е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный.

К пьезоэлектрикам относятся некоторые естественные или искусственные кристаллы, например, кварц или сегнетова соль, а также специальные пьезоэлектрические материалы, например, титанат бария. Кроме прямого пьезоэффекта применяется также и обратный пьезоэффект, который состоит в том, что под действием электрического поля пьезоэлектрик сжимается или расширяется в зависимости от направления вектора напряженности поля. У кристаллических пьезоэлектриков интенсивность прямого и обратного пьезоэффекта зависит от того, как направлена относительно осей кристалла механическая сила или напряженность электрического поля. Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Из кристаллов такие пьезоэлементы вырезают определенным образом, соблюдая при этом ориентировку относительно осей кристалла. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом, получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика.

Рис. 42. Блок-схема лабораторной установки

Если к такому пьезоэлементу подвести напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта в зависимости от полярности напряжения будет сжиматься и расширяться. Данный эффект используется в кварцевых резонаторах, применяемых для стабилизации частоты, высокоточных пьезоманипуляторах.

Относительное изменение размеров пьезоэлементов на основе пьезокерамики при подаче максимально допустимого напряжения составляет 10^-4 -10^-3 , на основе монокристаллов - 10^-5 -10^-4 Перемещение различных пьезоэлектрических материалов на основе на основе пьезокерамики характеризуется рядом недостатков типа нелинейности и гистерезиса. Пьезоматериалы на основе монокристаллических материалов типа кварца, ниобата лития и других обеспечивают высокоточное перемещение без нелинейности и гистерезиса.

Передача линейного размера от эталона в измерительный прибор производится путем управляемого перемещения поверхности эталона на заданное расстояние и измерения данного перемещения в аттестуемой установке. Определение динамических характеристик выполняется при подаче импульсного управляющего напряжения на эталон и измерении переходной характеристики измеряющей системы(рис.43).

Рис.43. Фотография лабораторной установки в составе ноутбука, цифрового вольтметра, блока питания с регулируемым выходным напряжением, линейного оптического интерферометра с субнанометровым разрешением

Наноэталон предназначен для передачи линейных размеров в нанометровом диапазоне с разрешающей способностью в сотые, вплоть до тысячных долей нанометра (пикометров) и измерения быстродействия следящих систем сканирующих зондовых микроскопов и интерферометров.

Основные области применения: зондовая и электронная микроскопия, оптическая интерферометрия, химометрия, наноэлектроника, нанооптика, наномеханика, - для проведения высокоточных измерений в нанометровом диапазоне и создания устройств на основе квантоворазмерных эффектов, тестирования динамических характеристик систем стабилизации положения зондов и измерительных систем на основе интерферометров.

Рис 44. Конструкция и внешний вид наноэталона.

Рис.45.Применение наноэталонов в интерферометре а, б – передача линейных размеров по оси Z

Эталон обеспечивает высокую устойчивость к внешним воздействиям и может использоваться в обычных лабораторных условиях.

Эталон представляет собой образец, закрепляемый в тестируемом оборудовании.

Выпускаются эталоны 2-х типов - обеспечивающие перемещение по нормали и по горизонтали к поверхности.

Управление перемещением наноэталона осуществляется от электронного блока с регулируемым напряжением (рис 45).

Рис.46.Электронный блок с регулируемым напряжением

Он обеспечивает:

- плавную регулировку напряжения от 0 до 1000В (контроль осуществляется внешним вольтметром);

- переключение полярности;

- автоматическое управление выходным напряжением при включении режима генерации прямоугольного импульса.

Питание блока осуществляется от USB источника(рис.47).

Рис.47.Блок питания с регулируемым выходным напряжением

Результаты измерений перемещения отображаются с помощью специализированного программного обеспечения на экране компьютера рис.48.

Рис. 48. Вид экрана компьютера