eng
Нанотехнология началась с создания сканирующего зондового микроскопа, история появления которого уже публиковалась в журнале. В статье прослеживается развитие технологии, на которую опирается сканирующая зондовая микроскопия, рассматриваются примеры ее патентования.
Теги: inventions patenting scanning probe microscopy изобретение патентование сканирующая зондовая микроскопия
В сканирующей зондовой микроскопии для управления сверхмалыми перемещениями зонда и исследуемого образца используется пьезоэлектрический эффект и соответствующие материалы. Кроме того, пьезоэффект дал толчок развитию большого числа других направлений, которые интересно рассмотреть с точки зрения патентования.
В 1880 г. братья Кюри обнаружили, что если к некоторым материалам (кварцу, турмалину, сегнетовой соли) прилагать силовые воздействия, на их поверхности возникают электрические заряды. Это явление получило название прямого пьезоэлектрического эффекта, или пьезоэффекта. В 1881 г. Г.Липман предположил, что если в образцах создавать электрическое поле, в них будут возникать механические напряжения, приводящие к деформации. Это явление было названо обратным пьезоэффектом.
Впервые пьезоэффект использовался на практике в 1917 г. для обнаружения подводных лодок. В дальнейшем пьезоэлементы получили распространение в микрофонах, телефонах, звукоснимателях, стабилизаторах частоты. Позже они стали применяться почти во всех отраслях промышленности. Важным этапом в этой области стало создание в СССР первого пьезокерамического материала – титаната бария (ВаTiO3), что послужило дополнительным толчком к развитию техники на основе пьезоэффекта.
С точки зрения патентования, сначала следует рассмотреть изобретения в приемопередающей технике с использованием пьезоэффекта. В частности, пьезоэлектрический микротелефон [2] был заявлен 10 июля 1947 г. В формуле изобретения объединялся пьезоэлектрический материал с модулем точной механики. Это позволило создать интересное решение. Однако существенный недостаток формулы изобретения заключался в конкретизации материала – сегнетовой соли, тогда как тремя годами ранее уже был синтезирован титанат бария. Таким образом, выход из-под действия этого авторского свидетельства стал возможен при замене материала. В пьезоэлектрическом телефоне [3] уже использовался титанат бария, однако конкретизация формулы изобретения снова облегчала выход из-под действия авторского свидетельства за счет применения новых материалов. Электрическая сигнальная установка для обнаружения рыбы [4] объединяла пьезоэффект и датчики движения, однако снова наблюдалась излишняя конкретизация формулы изобретения, хотя такую установку можно использовать для регистрации перемещения любых твердых объектов в различных жидкостях.
Пьезокерамика эффективно применяется в медицине. Например, прибор для определения упруго-вязких свойств мышц [5] обеспечивал фиксацию перемещения в них, но эту же конструкцию можно использовать для измерения частоты пульса, оценки эффективности имплантов и многого другого. Таким образом, формулы изобретений из-за отсутствия зонтичности не обеспечивали их надежную патентную защиту.
Далее следует рассмотреть патентование пьезоэлектрических устройств, используемых в качестве приводов. В двигателе (рис.1) на основе пьзокерамической трубки с наружными и внутренними электродами 3 она может менять размеры в зависимости от приложенных напряжений [6]. Двигатель ассоциируется с вращением, что обеспечивал один из первых отечественных пьезодвигателей. Вместе с тем, если бы формула изобретения была представлена в зонтичном виде, вместо конкретизации выполнения ротора 2 и статора 1 в первом пункте нужно было обозначить возможность перемещения торца трубки, во втором – добавить выделение фрагмента по ее длине для осевого перемещения, в третьем – оговорить дополнительные перемещения торца. В частном случаем можно использовать трубку в качестве источника вращения. Тогда патент защитил бы двигатель вращения и использование пьезотрубок в сканерах для СЗМ. Он мог бы защитить и устройства, подобные зонду [7], и даже многофункциональный пьезоэлектрический модуль [8].
Пьезотрубки стали активно использоваться в различных областях техники, причем очередной импульс был дан в 80-е гг. прошлого века после создания первого СЗМ. Однако вначале они рассматривались только как один из вариантов: также предлагались пьезосканеры на кубической сборке 12 линейных пьезоэлементов [9], на ортогональной сборке 17 прямоугольных элементов [10], на конической пьезотрубке [11], на пьезопакетах, сопряженных с однокоординатными каретками, подвешенными на упругих направляющих [12], с рычажными системами [13].
Трудно предугадать перспективы развития того или иного направления, однако любое новое решение лучше патентовать в зонтичном виде. Например, в микропозиционер [14] с рычажной системой с целью обеспечения зонтичности патента введены: вкладки, минимизирующие термодрейф кареток; тензодатчики, устраняющие нелинейность, гистерезис и крип пьезокерамики; емкостные и интерференционные датчики линейных перемещений, уменьшающие погрешность перемещения кареток.
Разрабатывались также достаточно экзотичные пьезосканеры и микропозиционеры на прямоугольных пьезобиморфах [15], однако они получили ограниченное распространение из-за недостаточной жесткости. Предлагались позиционеры на основе круглых пьезобиморфов [16], но они не получили развитие из-за небольших перемещений. Кроме того, отсутствие зависимых пунктов в формулах изобретений, в частности, описаний датчиков основного и нефункциональных перемещений, ограничивали возможности устройств.
Следует заметить, что использование датчиков измерения различных параметров полезно для улучшения характеристик многих устройств и повышения вероятности получения патентов. По оценке иностранных патентных юристов, основной недостаток российских заявок – в малом объеме так называемого "мяса". Идея и два-три отличительных признака могут быть прорывными, а зависимых пунктов в формуле изобретения обычно мало. Это часто не позволяет получать патенты на интересные решения, потому что эксперт будет находить ссылки на отдельные признаки формулы изобретения, что упрощается благодаря новым базам данных и совершенствованию патентного поиска.
Возвращаясь к трубчатым пьезосканерам, чаще других применяющимся в зондовой микроскопии и получивших основное развитие, следует отметить, что были запатентованы изделия, которые за счет сложных изгибов обеспечивали увеличенный диапазон перемещения и сохраняли его плоскопараллельность [17, 18]. Тем не менее, из-за их недостаточной зонтичности удалось получить патент [19], в котором применены оригинальные поляризация и соединение пьезотрубок, а также внешние магнитные приводы, расширяющие возможности устройства. Был также получен патент [20], где модуль осевого перемещения пьезосканера сопряжен с упругими направляющими, которые минимизируют его нефункциональные перемещения. Пьезокерамические сканеры были совмещены с известными механическими устройствами, что дало существенный технический эффект при минимальных затратах. Трубчатый трехкоординатный пьезосканер [21] был объединен с копиями своих функциональных модулей, имитирующих его перемещения отдельно по каждой координате. Эти имитаторы были снабжены датчиками и имели улучшенные характеристики, причем работа основного сканера корректировалась в зависимости от их функционирования.
Целесообразно также рассмотреть примеры выхода из-под первичного патента. В 1990-е гг. были разработан инерционный шаговый двигатель на пьезокерамическом пакете, сопряженном с массой и двумя направляющими [22], и устройство на его основе [23]. Этот двигатель (рис.2) содержал платформу 1, на которой устанавливалась каретка 2, поджатая к платформе накладкой 3 с пружиной 4.
На каретке 2 закреплялся пьезопакет 5, со-
единенный с массивным элементом 6, установленным на опорах 7 с возможностью проскальзывания относительно платформы 1. На пьезопакет 5 подавалось пилообразное напряжение 8. "Плавный" фронт 9 перемещал массивный элемент 6 по координате Х в положительном направлении. При этом каретка 2 за счет трения оставалась на месте. При скачке напряжения 10 ("резкий" фронт) каретка 2 проскальзывала по платформе 1 по координате Х также в положительном направлении. Этот принцип перемещения давно известен, тем не менее, патент [22] был получен за счет оптимизации конструкции и имел довольно широкий "зонтик". Обойти его удалось, поставив задачу по удалению остатков газа между трущимися поверхностями платформы 1 (рис.3) и каретки 2 [24].
При вакуумировании и заморозке уменьшилось низкотемпературное залипание каретки 2 на платформе 1. Кроме этого, каретка к платформе поджималась закрепленной на кронштейне 9 плоской пружиной 8, сопряженной с регулируемым поджимом 4 и стабилизирующей перемещение каретки за счет исключения нефункциональных перемещений накладки 3 по координате Х. (На пьезопакет 5 подавалось пилообразное напряжение). В патенте [25] в дополнение к несколько измененной системе плоских пружин и введению в него датчиков движения, был добавлен модуль запуска (на рис.3 не показаны), исключавший низкотемпературное залипание.
Анализ патентования технологий с применением пьезокерамики позволяет сделать вывод, что очень часто игнорируются основные принцип создания высокотехнологичных патентов, а именно: минимизация первого независимого пункта и зонтичность формулы изобретения. При этом возможен обход зонтичных патентов при постановке новой задачи.
Литература
Bykov V.A. Scanning probe microscopy and nanotechnology. – Molecular Manufacturing. New York and London.: Plenum Press, 1994, p.67-76.
А.с. СССР №73670. Пьезоэлектрический микротелефон. 10.06.1947.
А.с. СССР № 100946. Пьезоэлектрический телефон. 27.03.1953.
А.с. СССР №76186. Электрическая сигнальная установка для обнаружения хода рыбы. 13.10.1947.
А.с. СССР№150573. Прибор для определения упруго-вязкостных свойсв мышц. 11.02.1961.
А.с. СССР №775792. Пьезоэлектрический двигатель. 20.10.1978.
Пат. RU2300150. Зонд на основе пьезокерамической трубки для сканирующего зондового микроскопа. 08.11.2005.
Пат. US6734604 США. Multimode synthesized beam transduction apparatus. 05.07.2001.
Пат. US4651046. Piezoelektric scanning devise. 15.10.1984.
Пат. DE3732426 . In ein Electronemicroskop eingebautes Rastertunnelmicroskop. 26.09.1986.
Пат. US4871938. Position devise for a scanning microscope. 13.06.1988.
Пат. ЕР0499149. Driving apparatus and a recording and/or reproducing apparatus using the same. 06.02.1992.
Пат. US4506154. Planar biaxial micropositioning stage. 22.10.1982.
Пат. RU2306621. Двухкоординатный микропозиционер. 11.08.2006.
Пат. US4520570. Piezoelectric x-y-positioner. 13.12.1983.
Пат. RU2297078. Позиционер трехкоординатный. 08.11.2005.
Патент ЕР0790481. Non-tilting plate actuator for use in a micropositioning device. 09.02.1986.
Пат. US5200617. PMN translator and linearization system in scanning probe microscope. 13.08.1992.
Пат. RU2227363. Пьезосканер с трехкоординатным перемещением в плоскости объекта. 02.10.2002.
Пат. RU2231095. Устройство перемещения. 15.04.2002.
Пат. RU2249264. Сканирующий зондовый микроскоп с эквивалентом сканера. 03.10.2003.
Патент ЕР0823738. Inertial positioner. 21.07.1997.
Патент ЕР0864898. Near-field optical microscope. 12.03.1997.
Пат. RU2297072. Инерционный двигатель. 08.11.2005.
Пат. RU2347300. Инерционный шаговый двигатель. 04.05.2006.
В 1880 г. братья Кюри обнаружили, что если к некоторым материалам (кварцу, турмалину, сегнетовой соли) прилагать силовые воздействия, на их поверхности возникают электрические заряды. Это явление получило название прямого пьезоэлектрического эффекта, или пьезоэффекта. В 1881 г. Г.Липман предположил, что если в образцах создавать электрическое поле, в них будут возникать механические напряжения, приводящие к деформации. Это явление было названо обратным пьезоэффектом.
Впервые пьезоэффект использовался на практике в 1917 г. для обнаружения подводных лодок. В дальнейшем пьезоэлементы получили распространение в микрофонах, телефонах, звукоснимателях, стабилизаторах частоты. Позже они стали применяться почти во всех отраслях промышленности. Важным этапом в этой области стало создание в СССР первого пьезокерамического материала – титаната бария (ВаTiO3), что послужило дополнительным толчком к развитию техники на основе пьезоэффекта.
С точки зрения патентования, сначала следует рассмотреть изобретения в приемопередающей технике с использованием пьезоэффекта. В частности, пьезоэлектрический микротелефон [2] был заявлен 10 июля 1947 г. В формуле изобретения объединялся пьезоэлектрический материал с модулем точной механики. Это позволило создать интересное решение. Однако существенный недостаток формулы изобретения заключался в конкретизации материала – сегнетовой соли, тогда как тремя годами ранее уже был синтезирован титанат бария. Таким образом, выход из-под действия этого авторского свидетельства стал возможен при замене материала. В пьезоэлектрическом телефоне [3] уже использовался титанат бария, однако конкретизация формулы изобретения снова облегчала выход из-под действия авторского свидетельства за счет применения новых материалов. Электрическая сигнальная установка для обнаружения рыбы [4] объединяла пьезоэффект и датчики движения, однако снова наблюдалась излишняя конкретизация формулы изобретения, хотя такую установку можно использовать для регистрации перемещения любых твердых объектов в различных жидкостях.
Пьезокерамика эффективно применяется в медицине. Например, прибор для определения упруго-вязких свойств мышц [5] обеспечивал фиксацию перемещения в них, но эту же конструкцию можно использовать для измерения частоты пульса, оценки эффективности имплантов и многого другого. Таким образом, формулы изобретений из-за отсутствия зонтичности не обеспечивали их надежную патентную защиту.
Далее следует рассмотреть патентование пьезоэлектрических устройств, используемых в качестве приводов. В двигателе (рис.1) на основе пьзокерамической трубки с наружными и внутренними электродами 3 она может менять размеры в зависимости от приложенных напряжений [6]. Двигатель ассоциируется с вращением, что обеспечивал один из первых отечественных пьезодвигателей. Вместе с тем, если бы формула изобретения была представлена в зонтичном виде, вместо конкретизации выполнения ротора 2 и статора 1 в первом пункте нужно было обозначить возможность перемещения торца трубки, во втором – добавить выделение фрагмента по ее длине для осевого перемещения, в третьем – оговорить дополнительные перемещения торца. В частном случаем можно использовать трубку в качестве источника вращения. Тогда патент защитил бы двигатель вращения и использование пьезотрубок в сканерах для СЗМ. Он мог бы защитить и устройства, подобные зонду [7], и даже многофункциональный пьезоэлектрический модуль [8].
Пьезотрубки стали активно использоваться в различных областях техники, причем очередной импульс был дан в 80-е гг. прошлого века после создания первого СЗМ. Однако вначале они рассматривались только как один из вариантов: также предлагались пьезосканеры на кубической сборке 12 линейных пьезоэлементов [9], на ортогональной сборке 17 прямоугольных элементов [10], на конической пьезотрубке [11], на пьезопакетах, сопряженных с однокоординатными каретками, подвешенными на упругих направляющих [12], с рычажными системами [13].
Трудно предугадать перспективы развития того или иного направления, однако любое новое решение лучше патентовать в зонтичном виде. Например, в микропозиционер [14] с рычажной системой с целью обеспечения зонтичности патента введены: вкладки, минимизирующие термодрейф кареток; тензодатчики, устраняющие нелинейность, гистерезис и крип пьезокерамики; емкостные и интерференционные датчики линейных перемещений, уменьшающие погрешность перемещения кареток.
Разрабатывались также достаточно экзотичные пьезосканеры и микропозиционеры на прямоугольных пьезобиморфах [15], однако они получили ограниченное распространение из-за недостаточной жесткости. Предлагались позиционеры на основе круглых пьезобиморфов [16], но они не получили развитие из-за небольших перемещений. Кроме того, отсутствие зависимых пунктов в формулах изобретений, в частности, описаний датчиков основного и нефункциональных перемещений, ограничивали возможности устройств.
Следует заметить, что использование датчиков измерения различных параметров полезно для улучшения характеристик многих устройств и повышения вероятности получения патентов. По оценке иностранных патентных юристов, основной недостаток российских заявок – в малом объеме так называемого "мяса". Идея и два-три отличительных признака могут быть прорывными, а зависимых пунктов в формуле изобретения обычно мало. Это часто не позволяет получать патенты на интересные решения, потому что эксперт будет находить ссылки на отдельные признаки формулы изобретения, что упрощается благодаря новым базам данных и совершенствованию патентного поиска.
Возвращаясь к трубчатым пьезосканерам, чаще других применяющимся в зондовой микроскопии и получивших основное развитие, следует отметить, что были запатентованы изделия, которые за счет сложных изгибов обеспечивали увеличенный диапазон перемещения и сохраняли его плоскопараллельность [17, 18]. Тем не менее, из-за их недостаточной зонтичности удалось получить патент [19], в котором применены оригинальные поляризация и соединение пьезотрубок, а также внешние магнитные приводы, расширяющие возможности устройства. Был также получен патент [20], где модуль осевого перемещения пьезосканера сопряжен с упругими направляющими, которые минимизируют его нефункциональные перемещения. Пьезокерамические сканеры были совмещены с известными механическими устройствами, что дало существенный технический эффект при минимальных затратах. Трубчатый трехкоординатный пьезосканер [21] был объединен с копиями своих функциональных модулей, имитирующих его перемещения отдельно по каждой координате. Эти имитаторы были снабжены датчиками и имели улучшенные характеристики, причем работа основного сканера корректировалась в зависимости от их функционирования.
Целесообразно также рассмотреть примеры выхода из-под первичного патента. В 1990-е гг. были разработан инерционный шаговый двигатель на пьезокерамическом пакете, сопряженном с массой и двумя направляющими [22], и устройство на его основе [23]. Этот двигатель (рис.2) содержал платформу 1, на которой устанавливалась каретка 2, поджатая к платформе накладкой 3 с пружиной 4.
На каретке 2 закреплялся пьезопакет 5, со-
единенный с массивным элементом 6, установленным на опорах 7 с возможностью проскальзывания относительно платформы 1. На пьезопакет 5 подавалось пилообразное напряжение 8. "Плавный" фронт 9 перемещал массивный элемент 6 по координате Х в положительном направлении. При этом каретка 2 за счет трения оставалась на месте. При скачке напряжения 10 ("резкий" фронт) каретка 2 проскальзывала по платформе 1 по координате Х также в положительном направлении. Этот принцип перемещения давно известен, тем не менее, патент [22] был получен за счет оптимизации конструкции и имел довольно широкий "зонтик". Обойти его удалось, поставив задачу по удалению остатков газа между трущимися поверхностями платформы 1 (рис.3) и каретки 2 [24].
При вакуумировании и заморозке уменьшилось низкотемпературное залипание каретки 2 на платформе 1. Кроме этого, каретка к платформе поджималась закрепленной на кронштейне 9 плоской пружиной 8, сопряженной с регулируемым поджимом 4 и стабилизирующей перемещение каретки за счет исключения нефункциональных перемещений накладки 3 по координате Х. (На пьезопакет 5 подавалось пилообразное напряжение). В патенте [25] в дополнение к несколько измененной системе плоских пружин и введению в него датчиков движения, был добавлен модуль запуска (на рис.3 не показаны), исключавший низкотемпературное залипание.
Анализ патентования технологий с применением пьезокерамики позволяет сделать вывод, что очень часто игнорируются основные принцип создания высокотехнологичных патентов, а именно: минимизация первого независимого пункта и зонтичность формулы изобретения. При этом возможен обход зонтичных патентов при постановке новой задачи.
Литература
Bykov V.A. Scanning probe microscopy and nanotechnology. – Molecular Manufacturing. New York and London.: Plenum Press, 1994, p.67-76.
А.с. СССР №73670. Пьезоэлектрический микротелефон. 10.06.1947.
А.с. СССР № 100946. Пьезоэлектрический телефон. 27.03.1953.
А.с. СССР №76186. Электрическая сигнальная установка для обнаружения хода рыбы. 13.10.1947.
А.с. СССР№150573. Прибор для определения упруго-вязкостных свойсв мышц. 11.02.1961.
А.с. СССР №775792. Пьезоэлектрический двигатель. 20.10.1978.
Пат. RU2300150. Зонд на основе пьезокерамической трубки для сканирующего зондового микроскопа. 08.11.2005.
Пат. US6734604 США. Multimode synthesized beam transduction apparatus. 05.07.2001.
Пат. US4651046. Piezoelektric scanning devise. 15.10.1984.
Пат. DE3732426 . In ein Electronemicroskop eingebautes Rastertunnelmicroskop. 26.09.1986.
Пат. US4871938. Position devise for a scanning microscope. 13.06.1988.
Пат. ЕР0499149. Driving apparatus and a recording and/or reproducing apparatus using the same. 06.02.1992.
Пат. US4506154. Planar biaxial micropositioning stage. 22.10.1982.
Пат. RU2306621. Двухкоординатный микропозиционер. 11.08.2006.
Пат. US4520570. Piezoelectric x-y-positioner. 13.12.1983.
Пат. RU2297078. Позиционер трехкоординатный. 08.11.2005.
Патент ЕР0790481. Non-tilting plate actuator for use in a micropositioning device. 09.02.1986.
Пат. US5200617. PMN translator and linearization system in scanning probe microscope. 13.08.1992.
Пат. RU2227363. Пьезосканер с трехкоординатным перемещением в плоскости объекта. 02.10.2002.
Пат. RU2231095. Устройство перемещения. 15.04.2002.
Пат. RU2249264. Сканирующий зондовый микроскоп с эквивалентом сканера. 03.10.2003.
Патент ЕР0823738. Inertial positioner. 21.07.1997.
Патент ЕР0864898. Near-field optical microscope. 12.03.1997.
Пат. RU2297072. Инерционный двигатель. 08.11.2005.
Пат. RU2347300. Инерционный шаговый двигатель. 04.05.2006.
Отзывы читателей
