Дмитрий Соколов - Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий

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

Рис. 9.4. Термозащищенный пьезосканер: 1 – спираль; 2 – хладопровод; 3 – пьезотрубка; 4 – образец; 5 – фланец

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.

Рис. 9.5. Пьезосканер с повышенной надежностью: 1 – ограничитель перемещения; 2 – основание; 3 – датчик перемещения; 4 – демпфер; 5 – пьезосканер

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.

Рис. 9.6. Пьзосканер с поворотом вокруг своей оси: 1– пьезотрубка; 2 – сквозной паз; 3 – фрагмент пьезотрубки; 4 – внутренний электрод; 5 – наружный электрод

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.

Рис. 9.7. Плоскопараллельный пьезосканер: 1 – первая пьезотрубка; 2 – вторая пьезотрубка; 3 – фланец; 4 – торец

Рис. 9.8. Пьезосканер на основе дисковых пьезобиморфов в обучающем комплексе Нано Эдьюкатор: 1 – первый пьезобиморф; 2 – второй пьезобиморф; 3 – корпус; 4, 5 – упругие торсионы; 6 – подвижный элемент

При этом наклоны их торцов компенсировались, в результате чего суммарное перемещение торца 4 осуществлялось плоскопараллельно [8].

Другой подход при разработке и патентовании основных блоков новых систем может заключаться в использовании сложно-составных решений. В патентах [9, 10] вместо пьезотрубки использовались пьезобиморфы 1 и 2 (рис. 9.8) ввиде дисков, закрепленных по периферии в корпусе 3. Центры дисков упругими торсионами 4 и 5 соединялись с подвижным элементом 6. Когда к пьезобиморфам 1 и 2 прикладывали напряжения, они принимали выпуклую форму и перемещали элемент 6 по двум координатам.

Технический эффект по сравнению с пьезотрубкой у такого пьезосканера был в увеличении диапазона перемещения.

Рис. 9.9. Схема двойного сканирования в нанолаборатории Integra: 1 —первый пьезосканер; 2 – образец; 3 – второй пьзосканер; 4 – зонд; 5,6 – плоскости торцов пьезосканеров

Второе составное решение при сканировании было осуществлено благодаря использованию первого пьезосканера 1 (рис. 9.9) с образцом 2 и второго пьезосканера 3 с зондом 4, расположенных друг напротив друга [11].

При одновременном сканировании в противофазе увеличивался диапазон сканирования. Помимо этого плоскости торцов 5 и 6 оставались параллельными друг другу.

Также сложно-составное решение было найдено при создании активного зонда на основе пьезотрубки. В нем игла 1 (рис. 9.10) была закреплена не на кварцевом резонаторе (традиционное решение), а внутри пьезотрубки 2, которая, как и кварцевый резонатор формировала колебательный режим иглы. Благодаря этому расширились функциональные возможности зонда за счет простоты смены вышедшей из строя иглы.

Рис. 9.10. Зонд на основе пьезотрубки, изготовленный электрохимическим методом с помощью автоматического устройства травления с кольцевым электродом: 1 – игла; 2 – пьезотрубка; 3 – устройство травления; 4 – кольцевой электрод

Пьзотрубка 2 помимо обеспечения колебательного режима зонда дополнительно могла его перемещать за счет своего изгиба, что расширяло функциональные возможности зонда в патенте [12].

При заточке иглу 1 устанавливали в устройство травления 3, которое обеспечивало автоматические перемещения иглы 1 в кольцевом электроде 4. Необходимость оперативной вторичной заточки игл позволила дополнительно получить патент [13] на устройство травления благодаря автоматическому режиму работы, необходимому для его использования в лабораторных условиях.

Еще более кардинальное решение по изготовлению зондов было найдено в патенте [14], где зонды 1 (рис. 9.11) были закреплены на диске 2, установленном на основании 3 с возможностью вращения относительно центра О.

Не менее оригинальное решение было найдено в патенте [15], где зонды 1 (рис. 9.12) закреплялись на плоских пружинах 2 в корпусе 3. Подъем зондов 1 осуществлялся в момент их контактов с толкателем 4, закрепленным на вращающемся диске 5.

Рис. 9.11. Дисковый зонд: 1 – зонд; 2 – вращающийся диск; 3 – основание

Рис. 9.12. Веерный зонд: 1 – зонд; 2 – плоская пружина; 3 – корпус; 4 – толкатель; 5 – вращающийся диск

В обоих случаях смена зондов могла осуществляться автоматически, что важно для их использования в экстремальных условиях (высоком вакууме, низких температурах и т. п.). Из приведенных примеров следует вывод, что выход из под блокирующих патентов осуществим в том случае, если есть возможность постановки новой задачи и, соответственно, ее решения при существенной модернизации известного блока высокотехнологичного комплекса. То же можно отнести и к устройствам, предназначенным для самостоятельного использования.