Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа

Изобретение относится к нанотехнологии, более конкретно к устройствам, обеспечивающим получение информации о состоянии поверхности с использованием сканирующей зондовой микроскопии. Сущность изобретения заключается в том, что в зондовом датчике на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащем платформу с закрепленным на ней кварцевым резонатором с основанием, на платформе последовательно закреплены плоская пьезокерамическая пластина с первым и вторым электродами, изолятор и экран, а также установлен захват, при этом кварцевый резонатор электрическими выводами закреплен в захвате с возможностью разъединения с ним и силового взаимодействия основанием с экраном. Технический результат - повышение разрешения устройства, расширение функциональных возможностей. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим получение информации о состоянии поверхности с использованием сканирующей зондовой микроскопии.

Известен зонд для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), содержащий кварцевый резонатор с иглой, закрепленной на одном из его плеч, причем другое плечо установлено на платформе [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что в нем невозможно использовать второе плечо для расширения функциональных возможностей устройства.

Известен также зондовый датчик, содержащий кварцевый резонатор с зондом, закрепленный на платформе, на которой установлены блок возбуждения колебаний и блок съема информации [2].

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого устройства заключается в том, что датчик представляет собой единый неразъемный блок с возможностью использования только одного плеча кварцевого резонатора, что снижает его функциональные возможности.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в зондовом датчике на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащем платформу с закрепленным на ней кварцевым резонатором с основанием, на платформе последовательно закреплены плоская пьезокерамическая пластина с первым и вторым электродами, изолятор и экран, а также установлен захват, при этом кварцевый резонатор электрическими выводами закреплен в захвате с возможностью разъединения с ним и силового взаимодействия основанием с экраном.

Существует вариант, в котором экран выполнен в виде слоя металла, размещенного на изоляторе, со стороны, противоположной пьезокерамической пластине, причем изолятор с экраном в плоскости превышает размеры пьезокерамической пластины.

Существуют также варианты, в которых захват выполнен из двух пластин изолятора, между которыми закреплены электрические выводы кварцевого резонатора, или содержит два электрически изолированных разъема, в которых закреплены электрические выводы кварцевого резонатора, при этом на захвате установлена плоская пружина с возможностью взаимодействия с основанием кварцевого резонатора.

Возможны также варианты, где как минимум на одном плече кварцевого резонатора закреплена игла или закреплена первым концом гибкая консоль с иглой на втором конце, при этом гибкая консоль может быть расположена вдоль плеча кварцевого резонатора или расположена поперек плеча кварцевого резонатора.

На фиг.1 изображен общий вид зондового датчика.

На фиг.2, 3 - варианты выполнения разъемов.

На фиг.4 - кварцевый резонатор с металлическими иглами.

На фиг.5, 6, 7 - кварцевый резонатор с кремниевыми иглами.

Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа содержит платформу 1, на которой посредством, например, первого клеевого шва 2 закреплена плоская пьезокерамическая пластина 3 с первым 4 и вторым 5 электродами. Первый электрод 4 соединен с первым выводящим проводом 6, например, посредством пайки 7, закрепленной в отверстии 8 клеевой пробкой 9. Второй электрод 5 соединен со вторым выводящим проводом 10, например, за счет размещения его внутри второго клеевого шва 11 между вторым электродом 5 и изолятором 12. Надежный электрический контакт при этом обеспечивается за счет склейки под давлением порядка 1 Н/мм². На изоляторе 12 сформирован, например, посредством напыления металлический экран 13, который может быть соединен, например, посредством пайки 14 с дополнительным экраном 15, размещенным вторым концом между платформой 1 и захватом 16. Следует заметить, что экран 13 может быть выполнен также в виде металлической пластины либо в виде продолжения дополнительного экрана 15 (не показано). На захвате 16 может быть установлена плоская пружина 17 посредством кронштейна 18, который соединен с платформой 1 винтами 19 и закрепляет на ней последовательно дополнительный экран 15, захват 16 и плоскую пружину 17. На платформе 1 установлен кварцевый резонатор 20 путем закрепления его электрическими выводами 21 в захвате 16 и силового взаимодействия основания 22 с экраном 13, которое обеспечивается смещением А осей выводов 21 относительно их ввода в захват 16 порядка 0,5-1 мм. За счет этого смещения плечи кварцевого резонатора оказываются под углом к плоскости Б платформы 1. Это необходимо для того, чтобы уменьшить вероятность касания элементов конструкции зондового датчика измеряемой поверхности объекта. На первом плече 23 кварцевого резонатора 20 закреплен зонд 24. Следует заметить, что на втором плече 25 также может быть закреплен зонд (не показан). Третий 26 и четвертый 27 выводящие провода электрически соединены с выводами 21 и закреплены в первой колодке 28. Первый 6 и второй 10 провода закреплены соответственно во второй колодке 29. Выводящие провода 6, 10, 26 и 27 соответственно имеют изоляцию 30 и витыми парами заключены в экранирующие оплетки 31 и 32. Каждая витая пара заканчивается индивидуальным разъемом 33 и 34.

Захват 16 может быть выполнен в виде двух, например, поликоровых пластин 35 и 36 (фиг.2) с пазами 37, в которых закреплены выводы 21, соединенные быстросъемными контактами (не показаны) или пайкой с выводящими проводами 26 и 27 (фиг.1).

Второй вариант захвата 16 (фиг.3) может содержать два электрически изолированных разъема 38 и 39, в которые вставляют электрические выводы 21 и которые, например, пайкой с другой стороны соединены с третьим и четвертым выводящими проводами 26 и 27 (не показаны). В качестве зондов на плечах 23 и 25 кварцевого резонатора могут быть закреплены иглы 40 и 41 (фиг.4). Например, из вольфрама или платино-родиевого сплава. Технология изготовления таких игл описана в [3, 4, 5]. Кроме этого, в качестве зондов могут использоваться кремниевые иглы 42 и 43 (фиг.5) от кантилеверов, фрагментами гибких консолей 44 и 45 приклеенные к плечам 23 и 25 кварцевого резонатора. При этом целесообразно смещение игл на величину Е относительно оси кварцевого резонатора. Можно также использовать кремниевые иглы 46 и 47 (фиг.6), гибкими консолями 48 и 49 приклеенные вдоль плеч кварцевого резонатора, или кремниевые иглы 50 и 51 (фиг.7), гибкими консолями 52 и 53 приклеенные поперек плеч кварцевого резонатора. В этом случае, как и в варианте на фиг.5, ось симметрии кварцевого резонатора 0-0 целесообразно располагать к плоскости Б платформы 1 под углом β и γ в диапазоне 3-7°. Для обеспечения установки кварцевых резонаторов под углами β и γ возможен подгиб его электрических выводов перед установкой либо размещение гнезд в захвате 16 под углом 3-7° к плоскости Б платформы 1. Так как высота кремниевых игл порядка 10 мкм, а ширина плеч кварцевого резонатора - 100-300 мкм необходимо выдерживать углы β и γ в указанных пределах для того, чтобы исключить краевое касание плеч кварцевого резонатора углами 54 и 55 поверхности измеряемого объекта при сканировании.

Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа работает следующим образом. Платформу 1 с кварцевым резонатором 20 закрепляют в сканирующий зондовый микроскоп, производят сближение с объектом и осуществляют сканирование его поверхности. В процессе сканирования возбуждают пьезокерамическую пластину 3 и через нее вызывают резонансные колебания плеч 23 и 25 кварцевого резонатора. При движении кварцевого резонатора 20 над измеряемой поверхностью в результате силового взаимодействия зонда 24 с выступами и впадинами этой поверхности происходит изменение амплитуды и фазы колебаний кварцевого резонатора, что фиксируется путем съема электрического сигнала с выводов 26 и 27. Таким образом строится топография измеряемой поверхности объекта. Подробнее процесс измерения описан в [6, 7, 8, 9, 10].

Использование пьезокерамической пластины, а также установка кварцевого резонатора в захват с возможностью разъединения с ним и силового взаимодействия основания с экраном обеспечивает оперативный съем кварцевого резонатора с платформы и расширяет функциональные возможности устройства.

Применение экрана уменьшает наведенные электрические шумы в кварцевом резонаторе и повышает разрешение устройства.

Использование захвата в виде двух пластин изолятора и плоской пружины повышает надежность закрепления кварцевого резонатора и повышает стабильность работы устройства. Повышение разрешения и стабильности устройства также повышает его функциональные возможности за счет более широкого круга исследуемых объектов.

Использование металлических игл, кремниевых игл, игл, закрепленных на консолях, позволяет исследовать широкий круг объектов. Металлические и кремниевые иглы позволяют исследовать твердые объекты (металлы, полупроводники и т.п.). Иглы, закрепленные на консолях, позволяют исследовать "мягкие" биологические объекты. Это расширяет функциональные возможности устройства.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Franz J.Giessibi, High - speed force sensor for force microscopy and profilometry utilizing a quartz fork., Applied Physics Letters, Volume 73, № 26, 28, December, 1998 г.

2. Патент RU 2208763, 2003 г.

3. Патент Японии № 04203903 А, G 01 B 7/34, 1990 г.

4. Патент Японии № 02066402, G 01 B 7/34, 1988 г.

5. Патент Японии № 04344403, G 01 B 7/34, 1991 г.

6. Franz J.Giessibi, Atomic resolution on Si (111)-(7×7) by noncontact atomic force microscopy with a force sensor based on a quartz tuning fork., Applied Physics Letters, Volume 76, № 11, 13, March, 2000.

7. W.H.J.Rensen and N.F. van Hulst, A.G.T.Ruiter and P.E.West, Atomic steps with huning-fork-base noncontact atomic force microscopy., Applied Physics Letters, Volume 75, № 11, 13, September, 1999.

8. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы т.12, № 1, 1998 г., с.99-121.

9. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электохимии поверхности. А.И.Данилов, Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.

10. Патент RU 2208763, G 01 B 7/34, 2003 г.

1. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащий платформу с закрепленным на ней кварцевым резонатором с основанием, отличающийся тем, что на платформе последовательно закреплены плоская пьезокерамическая пластина с первым и вторым электродами, изолятор и экран, а также установлен захват, при этом кварцевый резонатор электрическими выводами закреплен в захвате с возможностью разъединения с ним и силового взаимодействия основанием с экраном.

2. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что экран выполнен в виде слоя металла, размещенного на изоляторе, со стороны, противоположной пьезокерамической пластине, причем изолятор с экраном в плоскости превышает размеры пьезокерамической пластины.

3. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что захват выполнен из двух пластин изолятора, между которыми закреплены электрические выводы кварцевого резонатора.

4. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что захват содержит два электрически изолированных разъема, в которых закреплены электрические выводы кварцевого резонатора.

5. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что на захвате установлена плоская пружина с возможностью взаимодействия с основанием кварцевого резонатора.

6. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что как минимум на одном плече кварцевого резонатора закреплена игла.

7. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что как минимум на одном плече кварцевого резонатора закреплена первым концом гибкая консоль с иглой на втором конце.

8. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.7, отличающийся тем, что гибкая консоль расположена вдоль плеча кварцевого резонатора.

9. Зондовый датчик на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа по п.7, отличающийся тем, что гибкая консоль расположена поперек плеча кварцевого резонатора.