[специалистам] пьезокерамика

http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/01_01/stat-48.htm

Вроде как не надо быть специалистом. Погуглил по слову "пьезоэлектричество":
http://www.oval.ru/enc/58901.html

Непонятно только насчёт нулевого напряжения при постоянном усилии. Остальное вроде как верно.

>> В то же время если подключить к этой пищалке осцилограф, то будет виден скачек напряжения при приложении усилия, но напряжение будет равно нулю в при любом постоянном усилии?

А что понимается под "постоянным усилием"? Если имеется в виду что-то типа "сжать и удерживать" то напряжение будет нулевое. Иначе можно было бы положить на пьезоэлемент какой-нибудь груз и непрерывно получать с него электричество =).

Углубившись в тему применения пьезокерамики нашел вот такое: http://www.geocities.com/spm_stm/Project.html

По ссылке - конструкция сканирующего туннельного микроскопа из всякого хлама. Особенно интересно решение со сканирующей головкой из той самой пищалки (хотя такая конструкция и не сильно удачна в плане точности позиционирования).

Полученные результать тоже впечатляют.

В универе довелось поиграться с СТМ от NT-MDT. Довольно забавно, хотя атомарного разрешения не получить даже на калибровочных графитовых образцах, а к атомно-силовому микроскопу нас не поускали. Ну в общем оно и понятно, там одна игла с кантилевером $100 стоит и по идее ее нужно менять после каждого сканирования :)

>(хотя такая конструкция и не сильно удачна в плане точности позиционирования)

Калибровкой можно исправить? Интересная идея

Не думаю, будут сложные зависомости отклонений по XY от величины отклонения по Z (при максимуме Z по XY вообще не будет отклонения). в инете попадаются и другие конструкции, где для отклонений по z используют отдельный элемент.

В NT-MTD-шном 3 пьезоэлемента по 3 осям. Вероятно из простых пищалок тоже можно что-то такое сотворить.

Самое забавное во всем этом, что "тупые американские студенты", в отличае от наших делают руками очень много интересных вещей. У них потрясающее образование дающее не просто знания, а возможность почувствовать технику. Я бы даже не подумал, например, что перемещения от пищалки будет достаточно (и оно будет достаточно точное).

> Ну в общем оно и понятно, там одна игла с кантилевером $100 стоит и по идее ее нужно менять после каждого сканирования :)

А разве не достаточно откалывания куска стержня?

>при максимуме Z по XY вообще не будет отклонения

Ну это я уже понял из конструкции. Я думал будут какие-то неточности из-за неоднородности пьезокристалла и тд

Для атомно-силового микроскопа (во всяком случае того что стоял в лабораторной) кантеливер - это пластинка размером 2*10 мм, толшиной 0.5 мм, и у нее ближе к одному из концов находится игла (на самом деле вырост, получаемый эрозией) высотой не более 0.5 мм. Другим концом она вставляется в сам микроскоп. Откалывать тут просто нечего :) Правда я сейчас вспоминаю, $100 это набор то-ли из 3-х, то-ли из 5 игл. Но все-равно цена не для потоков студентов, хотя он умеет делать забавные вещи типа манипулирования отдельными атомами :)

А для тунельных микроскопов игла сделана из вольфрама вроде, она точится при помощи специальной точилки. Точилка тоже весьма интересна - это колечко диаметром 10 мм, для точения на нем делается пленка из какого-то щелочного раствора и в нее аккуратно утыкается игла. через кольцо и иглу пропускают ток, из-за эррозии, опять-же заточка :)

Вот в этом я точно не специалист :) может и будут, особенно если на 4 части просто проскрябыванием керамики делить. По идее все эти искажения буду видны на калибровочных материалах, но нужно атомарное разрешение, которго с такой конструкцией точно не получить.

>Калибровкой можно исправить? Интересная идея

У пьезоматериалов есть ряд неприятных свойств, благодаря которым проще поставить датчик перемещения в обратную связь, а не ковырятся с самим пьезокристаллом.

Правда самодельный микроскоп с датчиком перемещения на расстояния порядка хотябы 1А (да еще по 3-м осям) не впишется в бюджет $100, если конечно какой-нибудь другой студент не придумает чего-нибудь :)

По поводу цены на иглу для АСМ --- http://ntmdt-tips.com/catalog/poly/products.html

В учебных АСМ-микроскопах от той же НТМДТ используется та же вольфрамовая проволока в качестве иглы, но там в самом микроскопе стоит нечто типа камертона из пьезоматериала.

Датчик перемещения на такие расстояния --- это лазерная указка плюс секционный фотодиод или линейка из фотодиодов.

В общем читайте первоисточники: http://www.nano.nnov.ru/documents/lectures/Mironov/SPM.Book.pdf

Ну тот был не совсем уже учебный. $300 за 15 игл - $20 игла, ну да, где-то так они и стоят.

> Датчик перемещения на такие расстояния --- это лазерная указка плюс секционный фотодиод или линейка из фотодиодов.

Теоретически - да. Практически, диаметр пятна от лазерной указки не в какие ворота не лезет, значит нужна еще система фокусировки луча, что уже не делается на коленке, если конечно не пробывать что-то типа головки от CD-ROM-ов.

> В общем читайте первоисточники: http://www.nano.nnov.ru/documents/lectures/Mironov/SPM.Book.pdf

Эту книгу я читал года 2 назад. Но теория - это одно, практика другое.

Кантелевер на самом деле достаточно долго живёт, хотя изначальную остроту в 10 нм теряет буквально за десяток сканов.

Сходи на кухню и открой для себя пьезозажигалку для газовой плиты.

У тонкого листа рабочий ход того, что двигаем, при том же напряжении сильно больше, чем у цельного бруска.

Но в микроскопах (настоящих :)) используют именно бруски (часто трубки), причем довольно толстые.

Пьезотрубка не шибко толстая.

Трубки в диаметре большие, но тонкостенные (пока гуглил конкретные цифры, нашел вот чего: http://www.ntmdt.ru/certificates/view/87080 — одним махом и ход по Z увеличили, и по X-Y). Собственно, в таких сканерах используется поперечный пьезоэффект — сканирование по X-Y осуществляется за счет изгиба трубки. Такой изгиб можно получить, если на трубку нанести 4 "лепестка"-электрода по кругу с одной стороны (например, снаружи), сплошной кольцевой контакт ("общий") — с другой (внутри, например), и подавать на лепестки относительно "общего" контакта разные напряжения. Тогда под разными лепестками трубка будет рашриряться (или сжиматься — зависит от полярности) по-разному, что и вызовет изгиб. Если трубка будет слишком толстостенной, для ее изгиба придется прикладывать слишком большие напряжения (те же контроллеры той же НТ-МДТ выдают до +-300 В).

А, да… За перемещение по Z обычно отвечает отдельная пара колец металлизации на пьезотрубке. Тогда при подаче на них напряжения трубка целиком вытягивается/втягивается. При такой схеме, во-первых, проще заводить обратную связь, а во-вторых, размеры области сканирования по X-Y не зависят от вытяжения пьезотрубки.

Про систему сканирования столом пока ничего не знаю.

Все верно, дело в том что при деформировании пьезоэлемента на его обкладках появляется небольшой заряд разного знака и, соответственно, разность потенциалов, но как только Вы подключите к пьезоэлементу любой обычный вольтметр или осцилограф с входным сопротивлением порядка 1-10 МОм так Вы сразу и разрядите этои пьезоэлемент. Для этих целей надо использовать электроскоп или усилитель заряда. Прочитать об этом можно, например, Харкевича А.А. (Избранный труды,том 1, Теория электроакустических преобразователей), можно также в Маленькой энциклопедии по ультразвуку под. ред. Голяминой И.П. (разделы - пьезопреобразователи, пьезоэффект, пьезоматериалы). Но чтобы лучше все это прочуствовать надо просто провести прикидочные расчеты по приводимым в этих книгах уравнениям прямого и обратного пьезоэффекта).В пищалках используют обычно керамику ЦТС (цирконат титаната свинца или в латинской абревиатуре - PZT. Значения всех пьезоконстант легко можно найти и в интернете. С уважением, Сергей К. sek@bmstu.ru