загрузка...
загрузка...
На головну

Архітектура Кантільоверниє датчиків і системи контролю за становищем консолей

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Важливим елементом Кантільоверниє перетворювачів, визначальним технічні

характеристики систем аналізу, є схема вимірювання деформацій консолей.

Якщо поверхня, що відбиває кантільовери не менше ніж 1.1 мкм2, то для визначення

ступеня його деформацій можливе використання поширеної оптичної схеми,

наявної в більшості атомно-силових мікроскопів і функціонально складається з

лазера, промінь якого спрямований на поверхню, що відбиває кантільовери, і

позиційного чотирьохсегментних фотодіода, на який потрапляє промінь лазера,

відбитий від кантільовери (рис. 1.6.).

Мал. 1.6. Принципова схема оптичної системи контролю за

становищем кантільовери (зліва), атомно-силовий мікроскоп

ФемтоСкан з лазерно-оптичної системою реєстрації сигналу

(Праворуч) [169].

Оптична ___________ система є досить простий і найбільш ефективною для

більшості сенсорних пристроїв, так як дозволяє визначати зміщення кантільовери

величиною до 10-4 ? [6]. Нормований електричний сигнал зсуву по вертикалі

відбитого лазерного променя, що виробляється фотодиодом, можна записати у вигляді

де VA, VB, VC і VD - сигнали від кожної з чотирьох секцій фотодіода.

У загальному випадку у кантільовери можуть бути як нормальні (вертикальні)

деформації, так і торсіонні, скручують балку щодо її головної осі.

Торсіонні деформації можливі під час сканування кантільовери поверхні

зразка на АСМ в режимі тертя [24], в безконтактних сенсорних системах такі

деформації використовуються вкрай рідко [25, 125].

Не дивлячись на свою поширеність, оптичний метод має обмеження, так

як для цього методу необхідна прозорість середовища і розміри кантільовери повинні

бути не менше, ніж довжина хвилі лазерного джерела. Крім того, частотна смуга

пропускання фотодетектора в більшості випадків не перевищує 1 МГц [6], що

ускладнює його використання спільно з високочастотними резонансними

кантільоверамі. При роботі з такими кантільоверамі застосовується метод модуляції

інтенсивності на швидкодіючому точковому фотодетектором з використанням

часткового перекривання відбитого світла непрозорою напівплощиною. метод

модуляції інтенсивності дозволяє збільшити частоту зчитування до кількох

гігагерц [37].

До оптичним методам контролю положення зонда відноситься

інтерферометричні [26,72] і дифракційні [49] методи. У дифракційної системі

зчитування кантилевер має вигляд складної решітки, при деформаціях якої

дифракційна картина від світла, що проходить через кантилевер, зазнає змін.

Для обробки інформації, що надходить одночасно з великого масиву

консолей (рис. 1.12) зручно використовувати цифрові матриці [56], відеоінформація

з яких обробляється програмними засобами.

Більш сучасні схеми контролю деформацій знаходяться всередині самих

консолей [38] (рис. 1.7), окремим типом яких є кантілевери зі

вбудованими шарами п'єзоелектричних елементів. Подібні датчики здатні

передавати інформацію про ступінь власної деформації у вигляді електричного

сигналу. Пьезокантілевер є балкою з нітриду кремнію з нанесеним

шаром ZnO [39] або пьезокераміки [40], з зовні якого напилюється електроди для

зняття різниці потенціалів, що виникає при п'єзоефекті в результаті деформацій

кантільовери.

Мал. 1.7. Мікрофотографія пьезокантілевера [38].

Відзначити, що прототипом пьезокантілевера є кварцові резонатори,

мають аналогічні п'єзоелектричні властивості, які також застосовуються в

атомно-силової мікроскопії [41]. Перевагою пьезокантілеверов є

компактність системи зчитування і низькі теплові втрати, в результаті чого такі

кантілевери використовуються в низькотемпературної мікроскопії. До їх недоліків можна

віднести винесені електричні контакти, що не дозволяють працювати в провідних

середовищах. Крім того, для досягнення необхідного електричного відгуку, товщина

пьезослоя повинна, співмірна товщині балки, що істотно позначається на

механічні характеристики консолей. Для досягнення необхідного

електричного відгуку, товщина пьезослоя повинна бути співмірна товщині балки, що

істотно погіршує механічні характеристики консолей і, крім того, він

повинен працювати в режимі великих амплітуд вигину, що для сенсорів, заснованих на

статичних деформаціях, значно знижує чутливість [6].

На даний момент перспективними є п'єзорезистивного кантілевери,

викликаного зовнішніми напруженнями. При вигині такого кантільовери відбувається

зміна його провідності [42]. Як правило, п'єзорезистивного шар складається з

кремнію, допированного іонами бору [62], який знаходиться в певній галузі

балки кантільовери, частіше ближче до її основи.

Мал. 1.8. мікрофотографія пари

п'єзорезистивних консолей 2 і 3,

включених в міст Уїнстона 1, і 4 -

опорні опору моста [43].

П'єзорезистивного кантилевер зазвичай включають в міст Уїнстона (рис. 1.8).

Чутливість до вигину консолі в даній системі записується у вигляді

де K є фактором п'єзорезистивного кремнієвого опору (К = 120) [43], l і

t - довжина і товщина кантільовери, ? - довжина резистора.

Перевагою п'єзорезистивного системи контролю положення кантільовери

є її компактність. В останні два роки в зв'язку з розробкою п'єзорезистивного

кантільовери, що представляє собою одночасно нагрівальний і чутливий

елемент, став доступний метод мікротермогравіметріческого аналізу речовини, який

дозволяє побудувати термограмми з точністю до 1нг втрати маси [44]. недолік

п'єзорезистивного системи полягає в тому, що опір допированного шару в

значній мірі залежить від температури. Постійний струм, що проходить через

п'єзорезистивного шар, нагріває його, і при контакті з зовнішнім середовищем виникає

градієнт температур, що призводить до дрейфу і нерідко до неінтерпретіруемим

результатами [6].

Ємнісні датчики на базі кантільовери часто використовуються в інтегрованих

чіпах, вироблених по компліментарної метало-оксидно напівпровідникової

(КМОП) технології [45,68]. Проводить кантилевер поміщається поруч з провідником

так, щоб між ними утворився мікроскопічний зазор. Дана система

являє собою плоский конденсатор, ємність якого залежить від найменших

зсувів кантільовери зворотньопропорційну величиною зазору (рис 1.9).

Мал. 1.8. мікрофотографія пари

п'єзорезистивних консолей 2 і 3,

включених в міст Уїнстона 1, і 4 -

опорні опору моста [43].

Ємнісні системи контролю практично не накладають обмежень на величину

власної частоти кантільовери і можуть працювати на радіочастотах [6]. недоліком

системи є неможливість роботи в провідних середовищах, крім того, найменші

зміни величини діелектричної проникності середовища впливають на величину

ліченого сигналу.

Високочутливим способом детектування субнанометрових переміщень

є метод електронного тунелювання (рис. 1.10). Система контролю тунельного

струму по аналогії з ємнісний складається з провідника і кантільовери, тільки в даному

випадку розмір зазору між ними зберігається досить малим відповідно до

формулою щільності тунельного струму, справедливою для наближення плоских

металевих електродів і вакуумного туннелірованія46:

де e - заряд електрона, h - постійна Планка, s - відстань зонд-зразок, Ut - різниця

потенціалів на тунельному контакті, k0 - константа загасання хвильових функцій

електронів в контакті,

m - маса електрона, ? - ефективна висота потенційного бар'єру.

Мал. 1.9. Світлина

мікроемкостной системи

зчитування відхилень

кантільовери, виконаної за

технології КМОП [45].

Так як тунельний струм експоненціально наростає зі зменшенням зазору між

кантільовери і провідником, то така система контролю механічних деформацій [48]

дозволяє вимірювати зміщення кантільовери до значень 10-3?. при деформаціях

кантільовери великих 1 нм тунельний ефект пропадає і система контролю перестає

працювати. Тому метод тунельного контролю має обмеження, загальні для всіх

електромеханічних методів, що вимагають протікання заряду через елемент

механічного перетворювача.

У системах консолей, призначених для вимірювання статичних

деформацій крім корисних сигналів виникають шуми і дрейф, пов'язані з

нестабільністю фізичних параметрів середовища, в якій знаходиться сенсор, таких як

температура, оптична щільність, pH, гідродинамічні флуктуації та ін. Тільки в

високостабільних системах для вимірювань можна використовувати один

мікромеханічних датчик [55]. Для швидкого підведення речовини до поверхні сенсора

кантилевер зазвичай поміщають в мікрожідкостную проточну систему, яка

характеризується значними флуктуаціями тиску і температури,

интерферирующими з аналітичним сигналом і роблять його непридатним для

подальшої інтерпретації. У таких системах використовують поєднану пару консолей,

знаходяться поруч один з одним [43,92]. Одна з них виступає в якості

контрольного, на якому відображаються зміни фізичних умов в процесі циклу

вимірювань (рис. 1.7), а інша вимірює корисний сигнал на тлі шуму [6]. одночасно

виробляється віднімання різниці сигналів, що надходять з контрольного і сенсорногоА

консолей. Таким чином виділяється корисний сигнал.

Для розширення функціональності і продуктивності мікрокантілеверних

систем використовуються одномірні і двовимірні масиви консолей. хімічні

Мал. 1.10. мікрофотографія

кантільовери з тунельною

системою контролю його

відхилень [47], який міститься

між двома електродами

(Джерелом і стоком).

сенсори на основі декількох консолей мають властивості людського носа, в

якому є кілька рецепторів. Такі кантілевери модифікування

різними низькомолекулярними речовинами або біополімерними плівками,

виробляють власний відгук на зміну фізико-хімічних властивостей середовища.

На малюнку 1.11 представлений масив з восьми консолей, виготовлених в

дослідної лабораторії IBM [63] для створення штучного носа.

Мал. 1.11. Масив з восьми кремнієвих

консолей, використовуваних для сенсорних

додатків [63].

Дослідження певних реакцій на поверхні кантільовери вимагають

відтворюваності і статистичного аналізу. Проведення високопропускними проб

генного аналізу, заснованих на гібридизації ДНК на поверхні консолей, було

продемонстровано Мін Ю і. ін. [56] на двовимірному масиві з 500 консолей (рис.

1.12).

Мал. 1.12. (А) Кремнієвий чіп,

що містить 500 консолей. (Б)

Схематичне зображення одного

реакційного мікроколодца. (В)

Фотографія з електронного

мікроскопа реакційної ємності

(Стрілками відзначені отвори,

великі для надходження розчину і

малі для виходу повітря). (Г)

збільшене зображення

консолей, покритих золотою

плівкою.

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

Растровиий едектронний мікроскоп

MEMS-дисплеї

Глядачеві відчуття

модулятори

пропріоцептори

Вимірювальна частина СКВИДа

Плівки Ленгмюра-Блоджет (ЛБ - плівки) добре видно в атомно-силовий мікроскоп

Фізичні основи електронної мікроскопії Електронний мікроскоп

Дослідження хімічних і біологічних процесів на поверхні кантільовери. Хемосорбція низькомолекулярних речовин і поверхневі хімічні реакції

електромеханічна пам'ять

Використання штучних нейронних мереж для отримання, передачі та обробки вимірювальної інформації

Принципи побудови і особливості функціонування електромеханічних квантових коливальних систем

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua