3 ” Ò × X N Ëõ m Ç • ¤ç g ËT Ž Ò ÞX ê sV 8 ý < gX c l õ m Í — ¤V R Ë

3 ” Ò × X N Ëõ m Ç • ¤ç g ËT Ž Ò ÞX ê sV 8 ý < gX c l õ m Í — ¤V R Ë

™ »¬ £ G ž B ·  ™ »: c0 å 

ô

 Dz D G õ † < Æl Õ ü t" é ¶  o† < Æõ , @ /„   305-701

¦

  ÷ 7 B ^∗

ô

 Dz D G ³ ðï  r õ † < ƃ  ½ ¨" é ¶, @ /„   305-600

(2009¸   7 Z 4 9{ 9  ~ à Î6 £ §, þ j7 á x à º& ñ ‘ : r 2009¸   8 Z 4 7{ 9  ~ à Î6 £ §)

· ú

š„  È ÓÚ Ô 3> h\  ¦ s 6   x # Œ Besocke-Wilm+ þ A_  & ñ x 9 s 1 l x  © œu \  ¦ ] j Œ •Ù þ ¡ . · ú š„  È ÓÚ Ô_  z-» ¡ ¤ \  –30 V _

 > é ß –d ”  „  · ú š`  ¦   % 3 `  ¦ M : 11 µsÊ ê\   { Œ •õ   o  b  # Q& ’ Ü ¼ 9 15 µs1 l x î ß – b  # Q”    © œI  > 5 Å q ÷ &

%

3  . Õ ª 1 l x î ß –\  xy-~ ½ ӆ ¾ Ó_  Ï ã Lj Ë µ`  ¦ Å Ò# Q" f ³ ð€  õ _   ¹ 1 Ïs  \ O s  s 1 l x   H ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð  Ž >  % i  . · ú š

„

 È ÓÚ Ô\    # QŠҍ  H „  · ú š\     ô  Ç   6 £ § { © œ 1 µm s  _  ’  ø @$ í Z  }“ É r à º¨ î s 1 l x`  ¦ ˜ Ð% i “ ¦ 10 mm   o

_  „  ”  õ  Ê ê”  \ " f š ¸  0.5 mm s  _  Z  }“ É r F ‰ & ³$ í `  ¦ ˜ Ð% i  . ³ ð€  s  B   H ô  Ç z  ´o – B H J ?s (  0

A\ " f  H 6

s ? /_   â  \ " f p ã ¼ Qt t  · ú §“ ¦ „  ”  Ù þ ¡ . 2 " é ¶ xy-¨ î €  \ " f  Ä »\  v >  ¹ ¡ §f ” e ” `  ¦ ] j

#

Q½ + É Ã º e ”   H s  & ñ x 9  s 1 l x  © œu   H $ “ : r6   x STM z  ´+ « > 1 p x \  ’  ø @$ í Z  } >   6   x| ¨ c à º e ”  .

PACS numbers: 06.60.Sx, 68.37.Ef

Keywords: Å Ò ' V , a A ‰ & ³p  â , & ñ x 9 s 1 l x  © œu , · ú š„  È ÓÚ Ô, n t _ O  ] j# Q

I. " e  ] Ø

s

1 l x& ñ x 9 • ¸ µm s  _  # 3 0 A\ " f ’  ø @$ í Z  } >  ¹ ¡ §f ”  s

  H s 1 l x  © œu   H # Œ Q t  6   x • ¸– Ð  6   x ½ + É Ã º e ”  . : £ ¤ y , scanning tunneling microscope (STM) \ " f % ƒ6 £ § \   H mm Ã

ºï  r _  €    o \  0 Au Ù þ ¡~   „ à Ðg Ë >`  ¦ r « ѳ ð€  \  µm à ºï  r



t  { 9  & h Ü ¼– Ð ] X   H r v   H X < ì ø Í× ¼r  € 9 כ ¹ô  Ç כ ¹™ è .

œ

íl _  STM\ " f Binnig 1 p x“ É r Louse    H  © œu \  ¦  6   xÙ þ ¡

“

¦ [1], s Ê ê\    É r / B M \ " f  ° 5l # Q
  s ß ¼– Ð — ¸'  1 p x`  ¦ s

6   x   H  â Ä º• ¸ e ” % 3 “ ¦  © œ\ O & h Ü ¼– Ð > hµ 1 Ï  ) a Inchworm`  ¦ q

2 Ÿ © # Œ Û ¼9 \ œ— ¸'  1 p x`  ¦ s 6   x l • ¸ Ù þ ¡ . Õ ª Q
 $ “ : r z 

´+ « >õ  ° ú  “ É r : £ ¤ à ºô  Ç ¨ 8 Š â \ " f  H l > & h  \ P & h Ü ¼– Ð ü @Â Ò ü

< ¢ - a„  y    o   ) a  © œI – Ð 1 l x  Œ • 0 p x ô  Ç  © œu  € 9 כ ¹ > 

÷

&# Q Besocke   H · ú š„  ™ è \  ¦ s 6   x # Œ stick-slip _  › ' a

$ í

§ 4 Ü ¼– Ð  Œ •1 l x   H ç ß –é ß – “ ¦ — É r— É r ô  Ç s 1 l x  © œu \  ¦ > hµ 1 ÏÙ þ ¡



 [2]. “ ¦& ñ  ) a 0 Au \ " f  Œ •1 l x   H Besocke  © œu ü <  H ² ú ˜ o

 Pohl1 p x“ É r mm à ºï  r _  |    o _  s 1 l x s  0 p x ô  Ç › ' a$ í + þ

A p ã ¼ Qf ”  s 1 l x  © œu \  ¦ ] j Œ •Ù þ ¡  H X < [3] s   H 6.5

p ë ß – _

  â  €  \ " f• ¸ à º¨ î s 1 l x s  0 p x “ ¦  Œ •“ É r ß ¼l \  q  K

 ×  æ s   H  â Ä º\  @ /K " f• ¸ µm s  _  & ñ x 9 • ¸– Ð Ã º mm\  ¦ ¹ ¡ §f ” { 9  à º e ” % 3  . ¢ ¸ Pan1 p x“ É r à ºf ” ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð ¹ ¡ § f ”

s   H s 1 l x  © œu \  ¦ ë ß –[ þ t l • ¸ Ù þ ¡  [4].

∗

E-mail: [email protected]

œ

íl _  Besocke + þ A“ É r à º¨ î Ü ¼– Ð Z  ~ # Œe ”   H r « Ñó ø Í`  ¦ ~ à Πu

“ ¦ e ”   H 3 > h_  “ ¦& ñ  ) a · ú š„  È ÓÚ Ô stick-slip î  r1 l x \  _  K

" f xy-~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð nm <  ʓ É r µm à ºï  r _  & ñ x 9 • ¸– Ð r « Ñó ø Í

`

 ¦ ¹ ¡ §f ” s >  ô  Ç  כ s  . s  Ê ê Schulz 1 p x s  s \  ¦   + þ A 

#

Œ · ú š„  È ÓÚ Ô ~ à Îu   H r « Ñó ø Í_  Ñ ü t Y U\   â  \  ¦ Å Ò# Q" f 3×  æ
‚   ½ ¨› ¸\  ¦ ° ú >  † < ÊÜ ¼– Ð+ ‹  â  \  ¦    ¹ ¡ §f ” s • ¸2 Ÿ ¤

# Œ xy-~ ½ ӆ ¾ Ó_  à º¨ î s 1 l x÷  r ë ß –  m  ,  r„  î  r1 l x`  ¦ Å Ò# Q z- ~ ½ ӆ ¾ Ó_  ] X   H`  ¦ 0 p x >  % i   [5]. Wilm1 p x“ É r s  Q ô

 Ç ] X   H ~ ½ ÓZ O õ   H ì ø Í@ /– Ð r « Ñó ø Í`  ¦ x 9 \  ¿ º“ ¦, s 1 l x  © œu 

 s  ¨ î ¨ î ô  Ç r « Ñó ø Í 0 A\ " f stick-slip î  r1 l x \  _ K  { 9 7 á x _

 p ã ¼ Qf ”  î  r1 l x Ü ¼– Ð „  Ê ê (±x) x 9  ý aÄ º (±y) ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð

¹

¡ §f ” s • ¸2 Ÿ ¤ Ù þ ¡  [6]. Besocke-Wilm + þ A s 1 l x  © œu _   â Ä

º é ß –& h Ü ¼– Ѝ  H ³ ð€  _   } 9 l \     s 1 l x  o \  % ò † ¾ Ó

`

 ¦ ×  ¦ à º e ”    H & h `  ¦ [ þ t à º e ”   [7]. # Œl " f  H µm s   _

 s 1 l x& ñ x 9 • ¸\  ¦ t €  " f, e ” _ _  ~ ½ ӆ ¾ Ó (±x, ±y,  r„  ) Ü

¼– Ð mm s  © œ_ |    o \  ¦ ¹ ¡ §f ” s  9  Ä »s 1 l x`  ¦ ½ + É Ã º e ”

• ¸2 Ÿ ¤ Besocke-Wilm + þ A`  ¦   + þ A # Œ ] j Œ • % i  . ¢ ¸ô  Ç s

 Qô  Ç ¹ ¡ §f ” e ” “ É r s 1 l x  © œu  ¹ ¡ §f ” s   H ³ ð€  _   } 9 l \ 



 y Œ ™ l  M :ë  H \  ³ ð€    } 9 l \  % ò † ¾ Ó`  ¦ W =  ~ à Ε ¸2 Ÿ ¤ ¹ ¡ §f ”  e ”

_  " é ¶ o \  ¦ > h‚  Ù þ ¡ . ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f  H F ‰ & ³$ í õ  ’  ø @$ í s

 Z  }“ É r & ñ x 9  à º¨ î s 1 l x  © œu \  @ /K  # Œ Q t  ] j# Q› ¸|  õ

 Õ ª : £ ¤$ í `  ¦ ¶ ú ˜( R þ j& h  î  r1 l x › ¸| `  ¦ t   H › ¸| `  ¦ › ¸  Ù þ

¡ .

-264-

Fig. 1. (a) Dividing the outer electrode of the PZT tube into ±x and ±y. (b) The Al foot for the PZT tube. An electrical wire is attached to the foot through the hole to monitor contact between the foot and the metallic bottom surface.

II.  Œ  º

· ú

š„  Ó ü t| 9 “ É r ü @ Ò\ " f   # QŠҍ  H „  · ú š\  _ K  ü @+ þ As     ô

 Ç . · ú š„  Ó ü t| 9 – Ð · û ª“ É r È ÓÚ Ô\  ¦ ë ß –[ þ t “ ¦ î ß –A á ¤ õ   ¾ ú  A á ¤ \ 

„

 F G`  ¦ { 9 ˜ 2 ³ Ê ê ì  rF G`  ¦ r v “ ¦ „  · ú š`  ¦   # QŠҀ   „  · ú š_ 

~

½ ӆ ¾ Óõ  ß ¼l \     U  ´s      9 s  כ `  ¦ s 6   x €   nm s

 _  & ñ x 9 • ¸ t  ~ 1 >  ] j# Q½ + É Ã º e ”   H  © œu \  ¦ ë ß –[ þ t à º e ”

 .

Ä

ºo   6   x ô  Ç PZT È ÓÚ Ô  H Staveley NDT Tech. \ 

"

f  © œ\ O & h Ü ¼– Ð ] j/ B N   H EBL#2 ] j¾ ¡ §“   PZT-5A– Ð U  ´s  0.5

, ü @ â 0.125

, ? / â 0.085

(<  ʓ É r ¿ ºa  0.020

) s  9,

· ú

š„   > à º  © œ“ : r \ " f d

=–1.73, d

=3.80, $ “ : r“   4 K

\

" f  H d

=–0.31, d

=0.69  . s  · ú š„  È ÓÚ Ô_  î ß –A á ¤ õ   

¾ ú

 A á ¤ _  „  F G`  ¦ Fig. 1(a) ü < ° ú  s  4A á ¤ Ü ¼– Ð ì  r o  # Œ à º¨ î s

1 l x \   6   x ½ + É ±x, ±y – Ð Ù þ ¡“ ¦ î ß –A á ¤ „  F G \  / B N: Ÿ x _  „  

· ú

š`  ¦   # Q" f z-» ¡ ¤ ~ ½ ӆ ¾ Ó_  U  ´s     o\  ¦ ë ß –[ þ t • ¸2 Ÿ ¤ Ù þ ¡ .

s

X O >  „  F G`  ¦ ì  r o ô  Ç · ú š„   È ÓÚ Ô 3> h\  Fig. 1(b)ü < ° ú   s

 ] j Œ •ô  Ç F K5 Å q µ 1 Ï`  ¦ · ¡ ­“   Ê ê Fig. 2ü < ° ú  s  / B N ) a Û ¼_ …“   Y

UÛ ¼ ó ø Í\  à ºf ” Ü ¼– Ð [ j0 >" f · ¡ ­“   . s 1 l x  © œu  (walker)  H 3

l

u ^ ‰\  ¦ · û ª“ É r " é ¶ ó ø Í+ þ AÜ ¼– Ð ë ß –[ þ t “ ¦ 120

ç ß –  Ü ¼– Ð ½ ¨" í `  ¦ ë

ß –[ þ t% 3  . ] X ½ + ˓ É r œ í“ ¦”  / B N6   x \ ; Ÿ ¤ r \  ¦  6   xÙ þ ¡Ü ¼ 9 150

◦

C \ " f 1r ç ß – 1 l x î ß – \ P  â  o\  ¦ r &  œ í“ ¦”  / B N \ " f  6   x s 

0 p x • ¸2 Ÿ ¤ Ù þ ¡ . F K5 Å q µ 1 Ï`  ¦  6   x ô  Ç s Ä »  H s  s 1 l x  © œu  _

 1 l x& h : £ ¤$ í `  ¦ › ¸ ½ + É M : F K5 Å q  { Œ •€  õ _  ] X 8 ú ¤`  ¦ „  l 

&

h Ü ¼– Ð ~ 1 >  8 £ ¤& ñ l  0 AK " f . 3> h_   o – Ð s À Ò# Q”   s

1 l x  © œu \ " f y Œ •  o    5> hm ”  8 ú x 15 > h_  „  ‚  s  ƒ    

÷

& 9 s \  ¦ : Ÿ x K  „  · ú š`  ¦ · ú š„  ™ è   o _  K { © œ „  F G \    

Fig. 2. Main body of the walker made of stainless steel 304. (a), (b), and (c) represent the side, top, and bottom views, respectively. Three PZT legs are glued vertically into three large holes and electrical wires pass through small holes denoted by 2.

#

Qº ¡ § Ü ¼– Ð+ ‹ · ú š„    o _  U  ´s    o x 9  xy-~ ½ ӆ ¾ Ó_  Ï ã Lj Ë µ`  ¦ ë

ß –[ þ t >   ) a  .

III. Ž Ò ÞX c l Ì ¦ RP 

s

1 l x  © œu _  µ 1 Ï`  ¦ s À ҍ  H 3 > h_  · ú š„  È ÓÚ Ô[ þ t“ É r î ß –A á ¤ õ 



¾ ú  A á ¤ €  s  “ É r s 
 m Ö 0 q– Ð • ¸F K s  ÷ &# Q e ” “ ¦ î ß –\ " f µ 1 Ú _

 ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð ì  rF G s  ÷ &# Q e ” # Q" f s [ þ t  s \  „  · ú š`  ¦   

€

  · ú š„  ´ òõ \  _ K  — ¸€ ª œ   o s À Ò# Q”   . È ÓÚ Ô_  ü @ Â

Òü < ? / Ò\  · ú š„  Ó ü t| 9 _  ì  rF G õ  ° ú  “ É r í  H ~ ½ ӆ ¾ Ó_  „  · ú š 

\

 ¦   # QŠҀ   È ÓÚ Ô  H U  ´s   ú ª ”    [7]. ¢ ¸ô  Ç · ú š„  È ÓÚ Ô _

 ü @ ҄  F G`  ¦ Fig. 1 õ  ° ú  s  41 p xì  r # Œ " f– Ð ] X ƒ  s  ÷ &

>

 “ ¦ +x, –x  H ] X t  Ê ê +y\  +„  · ú š`  ¦   “ ¦ –y\  ì ø Í

@

/ „  · ú š`  ¦   # Q y ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð Ï ã L >  ½ + É Ã º e ”  . s X O >  z-~ ½ Ó

†

¾ Ó » ¡ ¤ ™ èü < y-~ ½ ӆ ¾ Ó Ï ã Lj Ë µ_  ¿ º t  1 l x  Œ •`  ¦ › ¸½ + Ë # Œ y Œ •   o

\  ¦ ½ ©g Ë :$ í e ” >  ¹ ¡ §f ” s “ ¦ s 1 l x  © œu  „  ^ ‰_  & ñ x 9  à º¨ î s

1 l x`  ¦ ë ß –[ þ t # Q è ­ q à º e ”  .

s

  © œu \  ¦ › ' a$ í `  ¦ s 6   x # Œ  { Œ • 0 A\  ¦ p ã ¼ Qt >  ë ß – [

þ

t à º• ¸ e ” Ü ¼
  { Œ •õ _   ¹ 1 ϧ 4 _  s \     s 1 l x   o

 ² ú ˜ | 9  à º e ” Ü ¼Ù ¼– Ð # Œl " f  H p ã ¼ Qf ” s   m   µ

1 Ï`  ¦ [ þ t # Q" f   # Q  H + þ AI – Ð # Œ  { Œ •s  # Q‹ "  F « і Ð



7  8 • ¸ Õ ª % ò † ¾ Ó`  ¦ þ j™ è– Ð ×  ¦{ 9  à º e ” • ¸2 Ÿ ¤ ô  Ç . 3> h _

 µ 1 Ï`  ¦ ”   s   © œu _  ¹ ¡ §f ” e ” `  ¦ Fig. 3 \  • ¸d ” & h Ü ¼– Ð

 Í Ç x .

Figure 3(a)  H ¹ ¡ §f ” s l  „   œ íl   © œI _  — ¸€ ª œs  . 3> h _

 µ 1 Ïs  — ¸¿ º  ú ª t l  „  _   © œI \  e ” “ ¦ Ï ã Lj Ë µ• ¸ \ O  .

%

ƒ6 £ § é ß –>   H Fig. 3(b) ü < ° ú  s   © œ š ¸ É rA á ¤ \  e ”   H  o 

\

 z „  · ú š`  ¦   # Q" f  o _  U  ´s \  ¦ ×  ¦“   . s  M :  o _ 

Fig. 3. The working principle of the 3-legged walker.

3 l

u ^ ‰  H ß ¼“ ¦ Á º î  r Û ¼_ …“  Y UÛ ¼– Ð ÷ &# Q e ” “ ¦ PZTÈ ÓÚ Ô _

  o [ þ t“ É r  Œ •“ ¦ ! 9î  r · ú š„  ™ è – Ð ÷ &# Q e ” Ü ¼Ù ¼– Ð   o

_  U  ´s   ú ª t €   í  H ç ß –& h Ü ¼– Ð 3 l u ^ ‰  H Õ ª  o \  e ” 

“

¦  o ë ß – 0 A– Ð [ þ t  9" f Fig. 3(b)ü < ° ú  s   { Œ •õ   o _  l

> & h “   ] X 8 ú ¤ s  = å S # Q”   .  Œ ™r  Ê ê\   H ×  æ§ 4 _  % ò † ¾ ÓÜ ¼

–

Ð   ² D G 3 l u ^ ‰  A – Ð b  # Qt “ ¦  o ü <  { Œ •s   r  ] X  8

ú

¤ >   ) a  . # Œl " f s 1 l x  © œu _  \ P Ü ¼– Ð_  ¹ ¡ §f ” e ” “ É r  Œ ™ r

 1 l x î ß – ” > r F    H  o ü <  { Œ •_  ] X 8 ú ¤ é ß –] X `  ¦ s 6   x ô  Ç .

Figure 3(b) _   © œI \ " f · ú š„  È ÓÚ Ô_  y-» ¡ ¤ „  F G \  „  · ú š

`

 ¦   # Q  o \  ¦ Ï ã L y €    o   H  { Œ •õ  b  # Q4 R e ” Ü ¼Ù ¼– Ð



{ Œ •õ   ¹ 1 Ï t  · ú §“ ¦ Fig. 3(c)ü < ° ú  s  Ï ã L  H  . Õ ªo “ ¦

\ O

 _  r ç ß –s  t 
€   ×  æ§ 4 \  _  # Œ s 1 l x  © œu _  3 l u ^ ‰

 Fig. 3(d)ü < ° ú  s   A – Ð ? / 9ü <" f é ß –» ¡ ¤ ÷ &“ ¦ Ï ã L“ É r   o

_  µ 1 Ïs   { Œ •õ  ² ú ¢  H  .
 Qt  2> h_   o \  @ /K " f

•

¸ · ú ¡\ " fü < ° ú  “ É r ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð €  $   o _  U  ´s \  ¦ é ß –» ¡ ¤ 

#

Œ  { Œ •õ _  l > & h  ] X 8 ú ¤`  ¦ = å S“ É r Ê ê  – Ð · ú ¡A á ¤ Ü ¼– Ð Ï ã L ) € s

1 l x r v “ ¦ l   9" f 3 l u ^ ‰  A – Ð ? / 9ü <  { Œ •õ  ] X  8

ú

¤ • ¸2 Ÿ ¤ ô  Ç . Õ ª   õ  Fig. 3(e)ü < ° ú  “ É r — ¸€ ª œÜ ¼– Ð   o

 3> h — ¸¿ º  ú ª t “ ¦ · ú ¡ ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð Ï ã L“ É r  © œI  . Õ ª   6

£ § 3 > h  o _  y-„  F G \     2 ; „  · ú š`  ¦ 1 l x r \  …  ;…  ;y  Û  ¦

#

Q" f " é ¶  © œI – Ð [  t o €   Ï ã L“ É r  o   H — ¸¿ º  – Ð " f>  ÷ &“ ¦ Õ

ª — ¸€ ª œ“ É r Fig. 3(f) ü < ° ú   .  t } Œ •Ü ¼– Ð 3> h  o _  z-„   F

G \     2 ; „  · ú š`  ¦ " é ¶  © œI – Ð …  ;…  ;y  [  t o €    r  " é ¶ A _ 

—

¸€ ª œ“   Fig. 3(a)– Ð [  t  ç ß – . s  M : s 1 l x  © œu _   © œI   H

%

ƒ6 £ § õ  ° ú  “ ¦  ë ß – 0 Au   H š ¸ É rA á ¤ Ü ¼– Ð €  •ç ß – s 1 l x K  e ”  .

s

X O >  # Œ ô  Ç   6 £ § _  1 l x  Œ •s  = å Q è ß – . s  1 l x  Œ •[ þ t`  ¦ ì ø Í 4

Ÿ

¤ # Œ s 1 l x  © œu  " é ¶   H  o ë ß –
p u š ¸ É rA á ¤ Ü ¼– Ð   # Q

•

¸2 Ÿ ¤ ô  Ç .

· ú

š„  È ÓÚ Ô_  ] j# Q\  ¦ 0 Aô  Ç „  l ’    ñ  H ( Ž É Ó' \  ƒ     ) a digital-to-analog converter (DAC)\  ¦ s 6   x # Œ  1 l x Ü ¼– Ð

¹

¡ §f ” e ” `  ¦ ] j# Q • ¸2 Ÿ ¤ ô  Ç . # Œl " f  6   x ô  Ç DAC\ " f


š

¸  H þ j@ /„  · ú š# 3 0 A –10 V\ " f +10 V  s s Ù ¼– Ð ±40 V  t  0 p x • ¸2 Ÿ ¤ „  · ú š7 £ x; Ÿ ¤ l \  ¦ : Ÿ x õ r & " f  6   x ô  Ç .

Fig. 4. The control logic for y- and z-electrodes of the walker.

$

_  DAC\ " f
š ¸  H „  · ú š“ É r 5 Å q • ¸  Ø Ôt  · ú § " f s

[ þ t`  ¦ f ” ] X  · ú š„  È ÓÚ Ô\  ¦ ] j# Q   H X <  6   x l   H  Ò& h { © œ

 . ¢ ¸ô  Ç 3> h_   o \  ¦ ¹ ¡ §f ” s   H X < DAC\ " f
š ¸  H

„

 · ú š`  ¦ f ” ] X   6   x ô  Ç €   þ j™ è 9> h_  DAC Ø  ¦§ 4 s  € 9 כ ¹

# Œ q  â ] j& h s  .   " f # Œl " f  H analog switch\  ¦ s  6

x # Œ DAC\ " f
š ¸  H „  · ú š`  ¦ / B N6   x Ü ¼– Ð  6   x # Œ q  6

x`  ¦ ×  ¦ s • ¸2 Ÿ ¤ ô  Ç . ¢ ¸ analog switch  H DAC \  q K  B  Ä

º 5 Å q • ¸  Ø ÔÙ ¼– Ð $ í 0 p x  © œÜ ¼– Е ¸ Ä »o   .

Figure 4 ü < ° ú  s  analog switch\  ¦ s 6   x # Œ ] j# Q r– Ð

\

 ¦ ½ ¨$ í €   DAC  H x, y, z „  F G`  ¦ 0 Aô  Ç 3> h_  Ø  ¦§ 4 ë ß –Ü ¼

–

Ð Ø  æì  r  . # Œl \ " f z Ø  ¦§ 4 “ É r PZT È ÓÚ Ô_  U  ´s \  ¦   



or v   H X <  6   x “ ¦ y Ø  ¦§ 4 “ É r PZT È ÓÚ Ô\  ¦ y- ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð Ï

ã

L y   H X <  6   x ô  Ç . ¢ ¸ô  Ç –y Ø  ¦§ 4 “ É r y Ø  ¦§ 4 õ  ß ¼l  ° ú  

“

¦ ~ ½ ӆ ¾ Óë ß – ì ø Í@ / ÷ &Ù ¼– Ð OP 7 £ x; Ÿ ¤ l \  ¦ s 6   x # Œ „  · ú šs  ì

ø Í@ / Ҡ ñ\  ¦ t • ¸2 Ÿ ¤ ë ß –[ þ t # Q / B N6   x Ü ¼– Ð  6   x ô  Ç .

IV. ÷ m Ç] M ö õ m Í + s ÇÊ Ý

 © œ €  $  € 9 כ ¹ô  Ç  כ “ É r s 1 l x  © œu _  : £ ¤$ í `  ¦ · ú ˜l  0 AK 

"

f PZT È ÓÚ Ô_  „  · ú š\  @ /ô  Ç   s \  ¦ 8 £ ¤& ñ   H  כ s  . s 

\

 ¦ 0 AK  Linear Variable Differential Transducer (LVDT)

\

 ¦ s 6   x # Œ PZT È ÓÚ Ô_  y Œ • ~ ½ ӆ ¾ Ó_  y Œ ™• ¸\  ¦ 8 £ ¤& ñ Ù þ ¡ .

Fig. 5. (a) The 13 Hz step voltage applied to the z- electrode of the PZT tube. (b)–(e) show the disconnec- tion of the foot from the bottom surface by the step voltage of –38 V, –30 V, –20 V, –15 V.

LVDT  H Brown & Sharpe Co. _  ] j¾ ¡ § Ü ¼– Ð 8 £ ¤& ñ & ñ x 9 • ¸



 H 10 nm – Ð ÷ &# Q e ”  . Ø  æì  r ô  Ç U  ´s     o\  ¦ › ' a ¹ 1 Ï l  0

AK  † < Êà ºµ 1 ÏÒ q tl \ " f 0.1 Hz_  Ö ¼ 2 ; sine _  „  · ú š`  ¦ 0

∼ 10 V – Ð    o r v €  " f 8 £ ¤& ñ % i  . LVDTü < PZT È Ó Ú

Ô\  ¦ ] X 8 ú ¤ r v “ ¦ † < Êà ºµ 1 ÏÒ q tl \ " f
š ¸  H „  · ú š_     o\ 



  PZT È ÓÚ Ô U  ´s     o\  ¦ ½ + É M : LVDT_  Ø  ¦§ 4 ° ú כ`  ¦ { 9

% 3  . Õ ª   õ  0.1 Hz_  „  · ú š\  @ / # Œ z-~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð 4 nm/V & ñ • ¸_  y Œ ™• ¸\  ¦ ˜ Ð% i  .

Ã

º¨ î s 1 l x  © œu _  PZT È ÓÚ Ô\  z-„  · ú š`  ¦   # Q" f  o 

Ã

º» ¡ ¤ ½ + É  â Ä º { 9 ì ø Í  • 2 ; ³ ð€  _   { Œ • 0 A\ " f \ O  _  r ç ß – 1

l

x î ß – b  # Q4 R e ”   H t  · ú ˜ ˜ Ðl  0 AK  z  ´+ « >`  ¦ Ù þ ¡ . ç ß –é ß – ô

 Ç „  l  r– Ð\  ¦ s 6   x # Œ PZT  o   { Œ •õ  b  # Qt   H

 כ

`  ¦  Ž Ø  ¦   H „  · ú š’    ñ  H n t _ O  š ¸z  ´– ÐÛ ¼ ïá Ԗ Ð 8 £ ¤& ñ Ù þ

¡ . PZT È ÓÚ Ô_   ¾ ú  A á ¤ „  F G 4 > h\  ¦ ] X t r v “ ¦ î ß –A á ¤ z-„  F G \  –38 V, –30 V, –20 V, –15 V_  > é ß –d ”  „  · ú š`  ¦

 

“ ¦ Õ ª ì ø Í6 £ x`  ¦ 8 £ ¤& ñ ô  Ç  כ s  Fig. 5\ 
 
 e ”  .

Figure 5(a)  H z „  F G \    # QŠҍ  H > é ß –d ”  „  · ú š_  r ç ß –

\

 @ /ô  Ç    o\  ¦
  · p . s  © œ& h “   > é ß –d ”  „  · ú šs   m  Ù

¼– Ð þ j@ /„  · ú š\  • ¸² ú ˜½ + É M : t  3-4 µs& ñ • ¸_  r ç ß –t ƒ   s

 e ”  . Fig. 5(b)–(e)_  ’    ñ[ þ t“ É r PZT  o   { Œ •õ 

·

¡

­  
 b  # Q4 R e ”   H  © œI \  ¦
  · p . # Œl " f  H ± ú “ É r „  

· ú

š{ 9  M : ] X 8 ú ¤`  ¦
 ? /“ ¦ Z  }“ É r „  · ú š{ 9  M :  H  o    {

Œ

•õ  b  # Q4 R e ”   H  © œI \  ¦
  · p . Õ ªa Ë >\ " f · ú ˜ à º e ” 



 H  כ õ  ° ú  s  z „  F G \  „  · ú šs  K ”   Ê ê  o   { Œ •\ 

"

f b  # Qt   H r ç ß –  s \   H „  · ú š_  ß ¼l \          H

€



•ç ß –_  r ç ß –t ƒ  s  Ò q t|   . 7 £ ¤, PZT È ÓÚ Ô\    # QŠҍ  H „  

· ú

šs  ß ¼€    o  À 1 Ïo   { Œ •\ " f b  # Qt “ ¦ „  · ú šs   Œ •Ü ¼

€

  0 p y >  b  # Q”   . „  · ú šs  –38 V{ 9   â Ä º 7.5 µsÊ ê\    o

  { Œ •\ " f b  # Qt l  r  Œ •Ù þ ¡“ ¦ „  · ú šs  –15 V{ 9   â Ä º

11.2 µs Ê ê\   o  b  # Q& ’  . s ˜ Ð   8  Œ •“ É r „  · ú š\ " f



 H  o   { Œ •õ  b  # Qt   H ‰ & ³ © œs  " î S X ‰ >  › ' a ¹ 1 Ï÷ &t 

· ú

§€ Œ ¤ .   " f  o \  ¦ \ P Ü ¼– Ð Ï ã L y   H 1 l x  Œ •“ É r „  · ú š`  ¦ |  Ê

ê & h # Q• ¸ 11 µsÊ ê\  z  ´' Ÿ K    { Œ •õ _   ¹ 1 Ï`  ¦ x ½ + É Ã º e ”

 .

Õ

ª  6 £ § _  : £ ¤f ç “ É r PZT È ÓÚ Ô\  20 V s  _   Œ •“ É r „  

· ú

š`  ¦ ½ + É  â Ä º  o   { Œ •õ  b  # Qt   H  rà º 1  “   X

< q K  30 V˜ Ð   H „  · ú š`  ¦ ½ + É  â Ä º # Œ Q   _  ƒ à Ý ^ ” 

‰

&

³ © œs  ˜ Ðs   H  כ s  . s  כ “ É r  { Œ •õ  PZT È ÓÚ Ô_  µ 1 Ïs 

—

¸¿ º F K5 Å q Ü ¼– Ð ÷ &# Q e ” # Q" f Z  }“ É r / B M \ " f b  # Qt €   ò ø Í$ í

\

 _ K  # Œ Q Y V ƒ à Ý l   H ‰ & ³ © œÜ ¼– Ð ˜ Ðs  9  r > \ " f

•

¸ q 5 p w ô  Ç ‰ & ³ © œ`  ¦ ~ 1 >  ^  ¦ à º e ”  . PZT È ÓÚ Ô\  –38 V_ 

>

é ß –d ”  „  · ú š`  ¦   # QŠҀ   % ƒ6 £ § 3 l u ^ ‰  H Õ ª@ /– Г   G   o 

 à º» ¡ ¤`  ¦ r  Œ • # Œ 7.5 µsÊ ê\   { Œ •\ " f b  # Qt “ ¦ ×  æ§ 4 

\

 _ K  3 l u ^ ‰ „  ^ ‰ ? / 9ü <" f  r   { Œ •\  ² ú ¢`  ¦ M : t  21.3 µs _  r ç ß –s     2 ; .  { Œ •\  ² ú ¢“ É r µ 1 ϓ É r t “ ¦ e ” ~   î

 r1 l x \  -t \  _ K    + þ A`  ¦  5 g 15 µs1 l x î ß – ] X 8 ú ¤`  ¦ Ä »t 

“ ¦ ò ø Í$ í \  -t \  _ K  s   \   H „  ^ ‰ 3 l u: Ÿ x s   r  4 A

#

Q `  ¦  " f 14 µs1 l x î ß – / B N×  æ \  QÁ º É r  . Õ ªo “ ¦  r  ? /

9ü <" f  { Œ •õ  Ø  æ[  t # Œ 10 µs1 l x î ß – ] X 8 ú ¤ ô  Ç Ê ê  r  4 A# Q

`

 ¦   11 µs1 l x î ß – / B N×  æ \  QÁ º É r Ê ê  { Œ •õ  Ø  æ[  t ô  Ç . s  Ê

ê\   H  8 s  © œ_  4 A# Q š ¸Ø ԍ  H ‰ & ³ © œ“ É r › ' a ¹ 1 Ï÷ &t  · ú §€ Œ ¤ .

15 V s  _  „  · ú š`  ¦   # Q×  ¦  â Ä º  H  o ü <  { Œ •_  ì  r o

‰ & ³ © œs  › ' a ¹ 1 Ï÷ &t  · ú §€ Œ ¤ .   " f s  M :  H  o \  ¦ y- ~ ½ Ó

†

¾ ÓÜ ¼– Ð Ï ã L y €   € 9 ƒ  & h Ü ¼– Ð  { Œ •³ ð€  õ _   ¹ 1 Ïs  Ò q tl > 

÷

&“ ¦  { Œ •_   } 9 l  & ñ • ¸\     ”  ' Ÿ    H  o  s 

 ± ú ˜ à º e ”  . # Œl " f  H † ½ Ó © œ þ j™ è 15 V s  © œ_  „  · ú š`  ¦

 

# Q" f ¢ - a„  y   o   { Œ •õ  b  # Qt   H › ¸| \ " f s 1 l x

• ¸2 Ÿ ¤ ô  Ç .

PZT È ÓÚ Ô_   o \    # QŠҍ  H „  · ú š_  r ç ß –C u   H Fig.

6 õ  ° ú  s  & ñ K ï  r  .



o  3> h\  ¦ ¹ ¡ §f ” s   H X < € 9 כ ¹ô  Ç DAC_  Ø  ¦§ 4 “ É r y- ~ ½ ӆ ¾ Ó õ

 z-~ ½ ӆ ¾ Ó`  ¦ 0 Aô  Ç 2> hë ß –`  ¦  6   x “ ¦ analog switchü < n  t

_ O  I/O\  ¦ s 6   x # Œ # Œ Q > h_  „  F G \  ´ òÖ  ¦& h Ü ¼– Ð  Ö ¸ 6

x ô  Ç . DAC\  ¦ f ” ] X  ] j# Q   H  כ ˜ Ð  analog switchü <

n

t _ O  I/O\  ¦  6   x   H  כ s   Ø Ô“ ¦ ° ú כ• ¸  s `›   ± ú l  M : ë

 H \  s  ~ ½ ÓZ O s  Ä »o   .

Figure 6 \ " f DIO0, DIO2, DIO4  H PZT È ÓÚ Ô 3> h_  z

„

 F G \  / B N/ å L ÷ &  H „  · ú š_  é ß –| à Ì`  ¦ ] j# Q “ ¦ DIO1, DIO3, DIO5  H ±y „  F G \  / B N/ å L ÷ &  H „  · ú š_  é ß –| à Ì`  ¦ 0 AK   6   x

 )

a  . 0 A_  Fig. 5\ " f ˜ Ð1 p w s  z „  F G \  15 V & ñ • ¸_  ± ú 

“ É

r „  · ú š`  ¦ / B N/ å L ½ + É  â Ä º  o   { Œ •\ " f b  # Q| 9  M : t  11 µs s  © œ l   9  Ù ¼– Ð DIO0 õ  DIO1“ É r 11 µs _  r  ç

ß – 
• ¸2 Ÿ ¤ C u   9   É r 2 > h_   o \  @ /K " f• ¸ z

„

 F G õ  y „  F G \    # QŠҍ  H „  · ú š\  @ /K  ° ú  “ É r r ç ß – \  ¦

Fig. 6. Timing relation between digital control signals from DIO Port and the analog voltages from DAC chan- nels.

[ O

& ñ ô  Ç . y Œ •  o _  ¹ ¡ §f ” e ” “ É r 100 µs Ê ê\   H Ø  æì  r y  î ß –

&

ñ s  ÷ &“ ¦  8 s  © œ_     o  H \ O Ü ¼Ù ¼– Ð ô  Ç  o \  ¦ ¹ ¡ §f ” “   Ê

ê   É r  o \  ¦ ¹ ¡ §f ” { 9  M :  H 100 µs1 l x î ß – l   2 ; Ê ê\  r  '

Ÿ  €    ) a  . s X O >  3> h_   o \  ¦ ¹ ¡ §f ” “   Ê ê\   H Fig.

1(e) _   © œI   ) a  . Õ ª  6 £ § DAC1 _  ° ú כ`  ¦ …  ;…  ;y  " é ¶ 0 A u

– Ð [  t o €   3> h_   o _  Ï ã Lj Ë µs  1 l x r \  Û  ¦  9" f Fig.

1(f) _   © œI  ÷ &“ ¦ DAC0_  ° ú כ`  ¦ …  ;…  ;y  " é ¶ 0 Au – Ð [  t o 

€

  3> h_  PZT  o _  U  ´s   r  " é ¶ A _   © œI – Ð [  t  

" f ¢ - a„  ô  Ç ô  Ç   6 £ § _  s 1 l x s  s À Ò# Q”   . ô  Ç   6 £ § _   Œ • 1

l

x Ü ¼– Ð ¹ ¡ §f ” s   H  o   H  o _  Ï ã Lj Ë µ& ñ • ¸\       & ñ

÷

&“ ¦ s  כ “ É r  r  PZT  o _  y „  F G \    o   H „  · ú š_  ß

¼l \  _ K    & ñ ÷ &Ù ¼– Ð ~ 1 >  › ¸& ñ ½ + É Ã º e ”  .

Figure 7(a)  H y Œ •  o [ þ t  s _  r ç ß – t ƒ  \    É r „  

· ú

š{ © œ s 1 l x  o (sensitivity)\  ¦
 Í Ç x . s 1 l x  © œu _  1 l x  Œ • r

 zü < y „  F G \    # QŠҍ  H „  · ú š_  r ç ß – \  ¦ 11 µs – Ð “ ¦

&

ñ “ ¦ y Œ •  o   s _  1 l x  Œ •_  t ƒ  r ç ß –`  ¦ 11 µs \ " f à º ms  t     or v €  " f 1  6 £ § \ " f_  „  · ú š{ © œ s 1 l x  o \  ¦ 8

£ ¤& ñ Ù þ ¡ . Õ ª   õ  y Œ •  o   s _  r ç ß –t ƒ  s  113 µss 



© œs  ÷ &€   „  · ú š{ © œ s 1 l x  o  { 9 & ñ Ù þ ¡Ü ¼ 9 Õ ª s  \ " f



 H ×  ¦% 3  . s  כ “ É r 113 µs s  _  r ç ß –t ƒ  \ " f  H €  $ 

¹

¡ §f ” “    o  î ß –& ñ ÷ &l  „  \  ¢ ¸   É r  o  ¹ ¡ §f ” s Ù ¼

–

Ð 2> h_   o  — É r— É r >  ~ à Î5 gÅ Òt  3 l w “ ¦ €  •ç ß –_  p ã ¼

Qf ” s  e ”  “ ¦ K $ 3 ½ + É Ã º e ”  .   " f Ä ºo  ë ß –Ž  H s  1

l

x  © œu \ " f  H y Œ •  o   s _  1 l x  Œ •\  & h # Q• ¸ 113 µss  © œ _

 r ç ß –t ƒ  `  ¦ ¿ º  H  כ s  a % ~  “ ¦ ^  ¦ à º e ”  .

Figure 7(b) \ " f  H y Œ •  o   s _  1 l x  Œ • r ç ß –t ƒ  `  ¦ (a) \ " f S X ‰ “  ô  Ç þ j™ è› ¸| “  113 µs– Ð “ ¦& ñ r v “ ¦ z ü < y– Ð

„

 · ú š`  ¦   # QŠҍ  H r ç ß – \  ¦ 11 µs \ " f 7 £ x r v €  " f „  · ú š {

© œ s 1 l x  o \  ¦ › ¸ Ù þ ¡ . s   â Ä º\ " f  H z ~ ½ ӆ ¾ Ó Ã º» ¡ ¤ _  ß

¼l \     ³ ð€  _  % ò † ¾ Ó`  ¦ ~ à ΍  H & ñ • ¸  Ø ÔÙ ¼– Ð yü <

–y „  F G \  10 V ü < –10 V\  ¦   # QŠғ ¦ z „  F G \   H –10 V, –15 V, –20 V _  3t   â Ä º\  r + « >`  ¦ Ù þ ¡ . –20 V_   â

Ä

º 11 µs\ " f 20 µs% ò % i \ " f  H  o \  ¦ Ï ã L n = M : # QÖ ¼ & ñ

•

¸ Ø  æì  r y   o \  ¦ [ þ t # QÅ Ò# Q" f  { Œ •³ ð€  õ _   ¹ 1 Ïs  \ O  s

 ¸ ú ˜ s 1 l x   H › ¸| s  “ ¦ ^  ¦ à º e ”  . Õ ª Q
 30 µss 



© œ_  r ç ß –t ƒ  s  e ” Ü ¼€   „  · ú š{ © œ s 1 l x  o   _  ì ø ÍÜ ¼

–

Ð ×  ¦ # Q× ¼  H  כ `  ¦ ^  ¦ à º e ”  . r ç ß –t ƒ  s   8¹ ¡ ¤ Z þ t # Q


"

f 100 µs& ñ • ¸ ÷ &€   „  · ú š{ © œ s 1 l x  o  þ j™ è ÷ & 9 Õ

ª Ê ê\   H ¢ ¸ Z þ t # Qè ß – .  H r ç ß –t ƒ  \  _ K  „  · ú š{ © œ s  1

l

x  o  Z þ t # Q
  H  כ “ É r   É r  o \  ¦ ¹ ¡ §f ” s l  0 AK  113 µs s Ê ê  r  „  l ’    ñ\  ¦ ŠҀ   s 1 l x  © œu  „  ^ ‰\  ”  1 l x s 

š

¸Ù ¼– Ð  { Œ •õ _   ¹ 1 Ïs  ×  ¦ l  M :ë  H s  . · ú ¡_  Fig. 5\ 

"

f ˜ Ѝ  H  ü < ° ú  s   o ü <  { Œ •õ _   ¹ 1 Ïs  \ O s  s 1 l x  l

 0 AK " f  H  o   { Œ •\ " f Ø  æì  r ô  Ç r ç ß – b  # Q4 R e ” # Q



 “ ¦ Õ ª 1 l x î ß –\   o \  ¦ Ï ã L y   H 1 l x  Œ •`  ¦ ¢ - a « ÑK   ô  Ç .

s

\  ¦ 0 AK " f  H z „  F G \  –20 V à ºï  r _  Ø  æì  r ô  Ç „  · ú š`  ¦   

#

Q" f  o   { Œ •Ü ¼– РÒ'  Ø  æì  r ô  Ç r ç ß – b  # Q4 R e ” • ¸2 Ÿ ¤

“ ¦ Õ ª 1 l x î ß –\  y „  F G \  „  · ú š`  ¦   # Q" f Ï ã L y   H 1 l x  Œ •`  ¦

¢ -

a « ÑK   ô  Ç . ¢ ¸ y Œ •  o [ þ t _  ¹ ¡ §f ” e ”   s \   H ç ß –[ O s 

\ O

• ¸2 Ÿ ¤ 110 µs s  © œ_  Ø  æì  r ô  Ç r ç ß –`  ¦ l   9  ô  Ç .

s

1 l x  © œu _  ‚  + þ A$ í `  ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 AK  ³ ð€    } 9 l  1.2 µm à ºï  r Ü ¼– Ð ƒ   Œ •ô  Ç Û ¼_ …“  Y UÛ ¼ y © œÜ ¼– Ð  ) a  { Œ • 0 A\ " f 10 mm s  © œ_  à º¨ î s 1 l x`  ¦ z  ´r Ù þ ¡ .  { Œ •³ ð€  õ   o  _

  ¹ 1 Ï`  ¦ ×  ¦ s “ ¦ Ô  ¦ ½ ©g Ë :$ í `  ¦ ×  ¦ s l  0 AK  z „  F G \  –30 V _  Ø  æì  r y   H „  · ú š`  ¦   # Q Å Ò% 3  . Fig. 8\ 
  · p  כ õ

 ° ú  s  10 mm s  © œ_  |   s 1 l x  o \    5 g" f ‚  + þ A$ í “ É r B

Ä º a % ~ Ü ¼ 9 y „  F G \    # QŠҍ  H „  · ú š\     ô  Ç   6 £ § { © œ s

1 l x  o \  ¦ › ¸] X ½ + É Ã º e ” 6 £ §`  ¦ · ú ˜ à º e ”  .  o \  ¦ Ï ã L y 



 H y „  F G \  30 V _  „  · ú š`  ¦   % 3 `  ¦  â Ä º ô  Ç   6 £ § { © œ s 1 l x

o   H €  • 1 µm& ñ • ¸% i “ ¦ 20 V\  ¦   % 3 `  ¦  â Ä º €  • 0.8 µm Ã

ºï  r s  ÷ &% 3  . „  ”  õ  Ê ê”  \ " f €  •ç ß –_   o  s  e ” 



 H  כ “ É r  { Œ •_  l Ö  ¦ l  1 p x \  _ K  „  ^ ‰& h “   ¹ ¡ §f ” e ” s  % ò

†

¾ Ó`  ¦ ~ Ã Îl  M :ë  H s  . Õ ª Q
 „  ^ ‰& h Ü ¼– Ð 10 mm\  ¦ s 1 l x Ù þ

¡`  ¦ M : s   H 0.5 mm s  % i  .

#

Œl " f ] j Œ •ô  Ç Ã º¨ î s 1 l x  © œu _  F ‰ & ³$ í s  Z  } “ ¦ î ß –& ñ ô  Ç



Œ

•1 l x › ¸| `  ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 AK   o \  ¦ [ þ t “ ¦  Ž   H s 1 l x ~ ½ ÓZ O  õ

  o \  ¦ [ þ t t  · ú §“ ¦ é ß –í  H y  ³ ð€   0 A\  ¦ p ã ¼ Qt   H ¿ º

t  ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð r + « >`  ¦ Ù þ ¡ . Fig. 9\ " f ˜ Ðs   H  כ õ  ° ú   s

  o \  ¦ [ þ t “ ¦  Ž   H + þ AI \ " f  H y „  F G \    o   H „  · ú š s

 11 V s  © œ\ " f  H { 9 & ñ ô  Ç „  · ú š{ © œ s 1 l x  o  › ' a ¹ 1 Ï÷ &

%

3  . Õ ª Q
  o \  ¦ [ þ t t  · ú §“ ¦ p ã ¼ Qt   H ¹ ¡ §f ” e ” \ " f



 H 17 V s  © œs  ÷ &# Q  { 9 & ñ ô  Ç „  · ú š{ © œ s 1 l x  o _  ¹ ¡ §f ”  e ”

s 
 z Œ ¤Ü ¼ 9 Õ ª s  _  „  · ú š\ " f  H ô  Ç   6 £ § { © œ ¹ ¡ §f ”  s

  H  o  / å L   >  ×  ¦ # Q[ þ t% 3  . ë ß –€  •  { Œ •³ ð€  õ  F K 5

Å

q Ü ¼– Ð  ) a µ 1 Ï_   } 9 l  0s  | ¨ c & ñ • ¸– Ð B   H  €   y „   F

G \    o   H „  · ú šs   Œ • • ¸   # QŠҍ  H „  · ú š\  @ /K  ô  Ç    6

£

§ { © œ ¹ ¡ §f ” s   H  o  { 9 & ñ ½ + É Ã º e ” Ü ¼
 # Œl " f  6   x ) a

Fig. 7. The sensitivity of the walker with respect to temporal parameters.

Fig. 8. The distance traveled by the walker shows good linearity and reproducibility. The forward and backward step sizes are 845 nm and 816 nm, respectively.



{ Œ •_  ³ ð€    } 9 l   H 1.2 µm à ºï  r s Ù ¼– Ð  o _   -Á º



Œ

•“ É r Ï ã Lj Ë µÜ ¼– Ѝ  H ] j@ /– Ð „  ”  ½ + É Ã º \ O  . ¢ ¸ p ã ¼ Qt   H

Fig. 9. The sensitivity of the walker in the two walking modes.

î

 r1 l x Ü ¼– Е ¸ y „  F G \  Ø  æì  r ô  Ç „  · ú š`  ¦   €   { 9 & ñ ô  Ç  o  _

 s 1 l x s  l @ /÷ &t ë ß – š ¸A   6   x €    { Œ •s  / å T y   H 1 p x _

 ë  H ] j[ þ t s  µ 1 ÏÒ q t½ + É  כ Ü ¼– Ð \ V © œ  ) a  .   " f # Œl " f ] j



Œ

•ô  Ç Ã º¨ î s 1 l x  © œu _   6   x › ¸| “ É r  o \  ¦ [ þ t # Q" f  Ž   H

~

½ ÓZ O Ü ¼– Ð s 1 l x “ ¦ xy-„  F G \     H „  · ú š“ É r 12 V s  © œ`  ¦

 

# Q" f  6   x €   a % ~“ É r F ‰ & ³$ í `  ¦ | 9  à º e ”  . s  M : ô  Ç

 

6 £ § { © œ s 1 l x  o   H y „  F G \    o   H „  · ú š 1 V { © œ €  • 40 nm  ÷ & 9 § î y „  F G \  20 V\  ¦   % 3 `  ¦  â Ä º ô  Ç   6 £ § {

© œ 800 nm\  ¦ ”  ' Ÿ ô  Ç .

s

 à º¨ î s 1 l x  © œu   â  ”   €  \ " f # Qb  G>  s 1 l x   H t  8

£ ¤& ñ Ù þ ¡ .  { Œ •€  “ É r z  ´o – B H J ?s ( ü <  } 9 l  1.2 µm– Ð

ƒ

  ô  Ç Û ¼_ …“  Y UÛ ¼ y © œ 2t – Ð Ù þ ¡“ ¦  â  • ¸ 0.5

\ " f 6.2

 t  l Ö  ¦ l \  ¦ Å Ò% 3 `  ¦ M : l Ö  ¦ l \    É r s 1 l x  o 

\

 ¦ ½ ¨Ù þ ¡ . Ä º‚   y „  F G \    o   H „  · ú š`  ¦ 30 V – Ð “ ¦& ñ 

“

¦ z „  F G \    # QŠҍ  H „  · ú š`  ¦ 0–30 V  t   Ë ¨€  " f s  1

l

x  © œu  # QÖ ¼ & ñ • ¸_  l Ö  ¦ l  t  „  ”  ~ ½ ӆ ¾ Ó_  ¹ ¡ §f ” e ” `  ¦

>

5 Å q ½ + É Ã º e ”   H t  › ¸ Ù þ ¡ .

Õ

ªa Ë >\ " f · ú ˜ à º e ”   H  כ “ É r  â  \  ¦    ? / 9° ú ˜ M : s  1

l

x  o   s `›   U  ´   H  כ s  9 s  כ “ É r Ó ü t : r ~ 1 >  \ V8 £ ¤ ÷ &



 H  כ s  . ¢ ¸ô  Ç s 1 l x ½ + É M : z „  F G \   H „  · ú š`  ¦   # Q" f   o

\  ¦ Z  } >  [ þ t€   s 1 l x  © œu \  ”  1 l x`  ¦ Šғ ¦ t t \  ¦ Ô  ¦ î ß –& ñ

>  # Œ  â  _   A  ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð €  •ç ß –m ”  p ã ¼ Qf ” s  Ò q t

| 

   H  כ `  ¦ · ú ˜ à º e ”  .  o \  ¦ [ þ t t  · ú §“ ¦ p ã ¼ Qt   H + þ

AI – Ð s 1 l x ½ + É  â Ä º  â  • ¸ 6

 t   H `  ¦  ° ú ˜ à º e ” % 3 



. Õ ª Q
  â  • ¸ 2

s  – Ð ¢ - a ë ß –½ + É  â Ä º\   H  o 

\

 ¦ [ þ t # Q" f s 1 l x   H ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Е ¸  H s  \ O s  F ‰ & ³$ í Z

 } >  s 1 l x ½ + É Ã º e ” % 3  .

ƒ

  ô  Ç Û ¼_ …“  Y UÛ ¼ y © œ_   { Œ •\  q K  ³ ð€   } 9 l 

nm à ºï  r Ü ¼– Ð ¨ î ¨ î ô  Ç z  ´o – B H J ?s ( \  ¦  { Œ •Ü ¼– Ð  6   xÙ þ ¡

`

 ¦ M :  8  H l Ö  ¦ l _   â  \  ¦ p ã ¼ Qt t  · ú §“ ¦ `  ¦   ° ú ˜ Ã

º e ” % 3  . s   â Ä º  H µ 1 Ïõ   { Œ •ó ø Íõ _  ] X 8 ú ¤€  & h s  V , # Q

"

f  ¹ 1 Ï`  ¦  8 ß ¼>    H  כ Ü ¼– Ð Ò q ty Œ • | ¨ c à º e ”  .

Fig. 10. The sensitivity of the walker on the surfaces of (a) the commercial silicon wafer and (b) the stainless steel polished with 1.2 µm roughness.

V. + s Ç Â ] Ø

3 > h_  PZT  o – Ð ë ß –[ þ t # Q”   & ñ x 9  à º¨ î s 1 l x  © œu \  ¦ ] j



Œ

• “ ¦ : £ ¤$ í `  ¦ r + « >Ù þ ¡ . ± ú “ É r   `  ¦ Ä »t  “ ¦   É r î  r 1

l

x: £ ¤$ í `  ¦ 0 AK  DAC Ø  ¦§ 4 “ É r x, y, z „  F G`  ¦ 0 AK  y Œ • 1> hm ”  s

6   xÙ þ ¡“ ¦ analog switchü < n t _ O  Ø  ¦§ 4 `  ¦ s 6   x # Œ 3> h _

 PZT  o \  / B N1 l x Ü ¼– Ð  6   xÙ þ ¡ . s 1 l x  © œu   H  o \  ¦ [

þ

t # Q" f  { Œ •³ ð€  õ _   ¹ 1 Ïs  \ O `  ¦ M : · ú ¡A á ¤ Ü ¼– Ð Ï ã L ) €


  H ~ ½ ÓZ O `  ¦  6   x # Œ  { Œ •³ ð€  _  % ò † ¾ Ó`  ¦ þ j@ /ô  Ç ×  ¦% i 



.  { Œ •€  _  l Ö  ¦ l  þ j@ / 6

 t  š ¸Ø Ô} Œ •`  ¦ `  ¦  ° ú ˜ à º e ”

% 3 Ü ¼ 9 ½ ¨1 l x„  · ú š 20 V \  ¦  6   x # Œ 10 mm s  © œ_    o

\  ¦ Z  }“ É r ‚  + þ A$ í õ  F ‰ & ³$ í Ü ¼– Ð ¹ ¡ §f ” { 9  à º e ” % 3  . ³ ð€  

} 9 l \  @ /K " f, z –20 V& ñ • ¸s “ ¦, +y €  • 15 V

÷

&€   ô  Ç   6 £ § { © œ ¹ ¡ §f ” s   H  o  { 9 & ñ K 4 R" f s 1 l x  © œ u

_  ô  Ç   6 £ § { © œ ¹ ¡ §f ” s   H  o  y„  F G \    # QŠҍ  H „  

· ú

š\  ‚  + þ A& h Ü ¼– Ð 7 £ x    H ½ ¨ç ß –s 
 z Œ ™`  ¦ S X ‰ “   % i 

“

¦, s  ½ ¨ç ß –\ " f s 1 l x  © œu \  ¦ 1 l x  Œ •r &  ’  ø @$ í e ”   H ¹ ¡ §f ”  e ”

`  ¦ ˜ Ðe ” `  ¦ S X ‰ “   % i  . l Ö  ¦ l  & ñ • ¸\  @ /K " f  H ³ ð€  

} 9 l \     s   H e ” t ë ß – 2–2.5

 t   H l Ö  ¦ l \  q  Y

V # Œ š ¸Ø Ô} Œ •/? /o } Œ • ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð_  ô  Ç   6 £ § { © œ s 1 l x  o 

 @ /g A& h Ü ¼– Ð 7 £ x , <  ʓ É r y Œ ™™ èÙ þ ¡ . ¢ ¸ô  Ç  • 2 ; ³ ð€  _ 

 â

Ä º l Ö  ¦ l  3

& ñ • ¸\ " f „  ”   t  3 l w “ ¦ p ã ¼ Q4 R

!

Qo   H X < ì ø ÍK  B   H ô  Ç z  ´o – B H ³ ð€  _   â Ä º þ j@ / 6.2

& ñ

•

¸_  l Ö  ¦ l \ " f• ¸ „  ”  s  0 p x % i  . s  37 á ¤ s 1 l x  © œu 



 H l ” > r _  Besocke-Wilm + þ A_  " é ¶ o \  ¦   + þ A # Œ s 1 l x  © œ u

\  ƒ     ) a „  " é ¶‚  [ þ t`  ¦ Ø  æì  r y  U  ´>  # Œ 10 mms  © œ _

 €    o \  ¦ > 5 Å q ¹ ¡ §f ” { 9  à º e ” > Ù þ ¡“ ¦, 20 V p ë ß –_  ± ú 

“ É

r „  · ú š\ " f ’  ø @$ í Z  } >  ô  Ç   6 £ § { © œ µm s  _  s 1 l x   o

– Ð ¹ ¡ §f ” s • ¸2 Ÿ ¤ ] j Œ •  ) a  כ Ü ¼– Ð s 1 l x  © œu   ^ ‰_  : £ ¤$ í z 

´+ « >`  ¦ : Ÿ x K  þ j& h  î  r1 l x`  ¦ ½ + É Ã º e ” • ¸2 Ÿ ¤ Ù þ ¡ .

P

c p 8 ý ò k >

‘

: r ƒ  ½ ¨  H ‚ ½ Ó_ & h ƒ  ½ ¨”  < É ª  \ O `  ¦ : Ÿ x K  õ † < Æl Õ ü t  Җ Ð Â

Ò'  t " é ¶ ~ à Î  à º' Ÿ ÷ &% 3 6 £ §.

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] C. J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Mi- croscopy, (Oxford Univ. Press. 1993)

[2] K. Besocke, Surf. Sci. 181, 145 (1987).

[3] D. W. Pohl, Rev. Sci. Instrum. 58, 54 (1987).

[4] S. H. Pan, E. W. Hudson, and J. C. Davis, Rev. Sci.

Instrum. 70, 1459(1999).

[5] R. R. Schulz and C. Rossel, Rev. Sci. Instrum. 65, 1918 (1994).

[6] M. Wilms, M. Schmidt, G. Germes and K. Wandelt, Rev. Sci. Instrum, 69, 2696 (1998).

[7] J. M. MacLeod, Antje Moffat, J. A. Miwa, A. G.

Mark, G. K. Mullins, R. H. J. Dumont, G. E. Con-

stant and A. B. McLean, Rev. Sci. Instrum, 74, 2429

(2003).

Characteristics of a Three-legged Precision Walker

Soo-Il Kim and Sehun Kim

Department of Chemistry, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701

Ja-Yong Koo

Korea Research Institute of Standards and Science, Daejeon 305-600 (Received 9 July 2009, in final form 7 August 2009)

We built a three-legged precision walker of the Besocke-Wilm type by using three piezo-electric tubes. When a step voltage of –30 V was applied to the z-electrode of a leg, the leg was separated from the bottom surface after 11 µs, and the separation continued for 15 µs. By bending the leg within this time duration by applying an electric field to the x- or the y-electrode, we could move the walker without mechanical friction between the leg and the bottom surface. The walker could move reliably on the two-dimensional xy-surface with a sub-µm resolution. When the walker moved 10 mm in the forward and the backward directions, the difference was less than 0.5 mm. This walker could ascend the polished surface of a commercial silicon wafer with a slope of 6

.

PACS numbers: 06.60.Sx, 68.37.Ef

Keywords: Scanning tunneling microscopy, Precision walker, PZT tube, Digital control

∗

E-mail: [email protected]