Устройство компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа

Авторы патента:

G01Q60/24 - Измерение (счет G06M); испытание

Владельцы патента RU 2703607:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к технике сканирующего зонда, а именно к мониторингу положения зонда с помощью оптических средств и может быть использовано в туннельной, атомно-силовой, емкостной и других видах сканирующей зондовой микроскопии. Устройство компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа содержит генератор сигнала частоты собственных колебаний иглы, закрепленной на свободном конце нижней поверхности консоли, верхняя поверхность которой расположена в активной зоне датчика положения консоли. Входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y, а также входы сумматоров сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходам датчика положения консоли. Управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходу генератора сигнала частоты колебаний иглы. Выход синхронного детектора сигнала координаты Х через сумматор сигнала координаты Х связан со входом X устройства перемещения образца, а выход синхронного детектора сигнала координаты Y через сумматор сигнала координаты Y связан с входом Y устройства перемещения образца. Технический результат, наблюдаемый при реализации заявленного решения заключается в создании устройства, позволяющего компенсировать в реальном времени X и Y составляющие сигнала измерения, вносимые собственными колебаниями иглы зонда, не связанными с колебаниями консоли. 1 ил.

Известна система обнаружения для динамического зонда [RU 2518859 C2, МПК G01Q20/02 (2010.01), опубл. 10.06.2014], содержащая источник света, чтобы создать луч для подсветки колебательного зонда, который периодически приближается к поверхности образца. Зонд содержит консоль (кантилевер) с основанием и свободными концами. Свободный конец консоли поддерживает острую иглу. Интерферометр выполнен с возможностью обнаружения разности хода между отраженным от зонда светом и опорным лучом высоты, и вывода сигнала высоты, указывающего эту разность хода. Устройство обработки сигнала выполнено с возможностью отслеживания сигнала высоты и извлечения данных из положения в пределах каждого цикла колебаний, который удовлетворяет заданным критериям измерения. Извлеченные данные используются для получения измерения для каждого цикла колебаний, которое указывает высоту зонда. Система обнаружения может также включать в себя механизм обратной связи, который действует для поддержания среднего значения параметра обратной связи на заданном уровне.

Известно устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера в сканирующем силовом микроскопе [RU 50340 U1, МПК G01В7/34 (2000.01), опубл. 27.12.2005], содержащее электрически связанные фотодетектор, блок предварительных усилителей и блок сумматора. Вход блока обработки сигналов через блок предварительных усилителей подключен к входу фотодетектора. Выход блока обработки сигналов подключен к блоку сумматора, что позволяет производить усиление полезных сигналов и снизить уровень шума в выходном сигнале, вычитая шумы из сигналов, поступающих на блок сумматора, и таким образом улучшить точность микроскопа.

Известно устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера [RU 2313141 C2, МПК G12В21/08 (2006.01), опубл. 20.12.2007], содержащего множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, и расположенных группами по радиусам от спирального основания. Устройство содержит средство для одновременного возбуждения собственных колебаний кантилеверов постоянным световым возбуждением и интерферометр для измерения колебаний. Данное устройство обнаруживает взаимодействие между образцом и зондом для самовозбуждения собственных частот кантилеверов.

Известно устройство компенсации колебаний консоли зонда атомно-силового микроскопа [RU2456622 C1, МПК G01Q60/24 (2010.01), опубл. 20.07.2012],содержащее датчик положения консоли, генератор колебаний консоли, а также датчик определения резонансной компоненты сигнала, которые используются для компенсации резонансной частоты колебаний в масштабе реального времени для получения лучшего изображения.

В атомно-силовом микроскопе исследуемый образец устанавливают на столике, который перемещается в плоскости XY, а сканирование осуществляют в режиме постоянной силы, когда оптический датчик положения консоли и датчик определения резонансной компоненты сигнала оценивают значение частоту колебаний консоли при действии неравномерностей поверхности. Данные, связанные с перемещением зонда по Z координате используют для отображения профиля поверхности. Наилучшие условия реализации измерения создают регулировкой зазора между остриём иглы и поверхностью с помощью генератора колебаний консоли. В процессе сканирования поверхности образца консоль (кантилевер) с иглой на конце одновременно перемещается и колеблется. Изгиб консоли пропорционален силе, действующей со стороны поверхности на иглу. Частота, амплитуда и фаза колебаний зонда зависят от силового взаимодействия с поверхностью. При изменении параметров взаимодействия игла может смещаться относительно поверхности по любой из координат в плоскости XY. При этом собственные колебания иглы в двумерной плоскости сканирования XY являются высокочастотными, ввиду малого размера иглы и сильно отличаются от частоты одномерных (по вертикальной оси Z) колебаний консоли.

Отсутствие контроля колебаний иглы и их компенсации в процессе сканированияне только вызывает размытие сигнала измерения, и, как следствие, ухудшение качества изображения поверхности образца, и даже к жёсткому контакту иглы с поверхностью в плоскости XY, что ведёт к износу или повреждению иглы и необходимости её замены, что является дорогостоящей операцией. Кроме того, износ или повреждение иглы зонда влияет на её размер (длину и массу), а вместе с ним и массу консоли, внося значительную погрешность в определение координат расположения неравномерности на двумерной плоскости сканирования (XY) иглой зонда и в итоге снижает достоверность результата измерения и надёжность зонда.

Техническим результатом предложенного изобретения является создание устройства, позволяющего компенсировать в реальном времени X и Y составляющие сигнала измерения, вносимые собственными колебаниями иглы зонда, не связанными с колебаниями консоли.

Устройство компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа, также как в прототипе, содержит генератор колебаний.

Согласно изобретению в качестве генератора колебаний выбран генератор сигнала частоты собственных колебаний иглы, закрепленной на свободном конце нижней поверхности консоли, верхняя поверхность которой расположена в активной зоне датчика положения консоли. Входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y, а также входы сумматоров сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходам датчика положения консоли. Управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходу генератора сигнала частоты колебаний иглы. Выход синхронного детектора сигнала координаты Х через сумматор сигнала координаты Х связан со входом X устройства перемещения образца, а выход синхронного детектора сигнала координаты Y через сумматор сигнала координаты Y связан с входом Y устройства перемещения образца.

Устройство позволяет контролировать состояние иглы и обеспечивает формирование сигнала, в котором из общего сигнала датчика положения консоли исключены собственные колебания иглы по координатам Х и Y, то есть реализует возможность синхронного исключения ошибок измерения по координатам X и Y, возникающих из-за пространственной осцилляции кончика иглы зонда, вызванной действием собственных резонансных колебаний иглы с одновременным измерением характеристик сигнала зонда в любой точке поверхности образца без влияния на соседние участки сканирования. Такая компенсация сигнала собственных колебаний иглы, обусловленного прецессией иглы относительно положения её равновесия, позволяет варьировать в более широком диапазоне зазор «игла–поверхность», устанавливая в реальном времени необходимое значение зазора с учётом положения иглы, тем самым уменьшить размытие изображения поверхности и исключать её жесткий контакт с поверхностью. Совокупным результатом является повышение точности измерения неравномерности поверхности и надёжности зонда.

Таким образом, в отличие от прототипа, предложенное устройство снижает ошибки измерения неравномерности поверхности, улучшает точность и достоверность измерения рельефа поверхности образца сканирующим микроскопом путём компенсации составляющей размытия сигнала зонда, чем повышает надёжность зонда атомно-силового микроскопа.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа.

Устройство компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа содержит генератор сигнала частоты собственных колебаний 1 (ГСК) иглы 2,жёстко закрепленной на свободном конце нижней поверхности консоли3 зонда. Консоль3расположенаверхней поверхностью к активной зоне датчика положения 4консоли 3. К выходам X и Y датчика положения 4 консоли 3 подключены соответствующие им сигнальные входы синхронного детектора сигнала координаты Х 5 (СД_X) и синхронного детектора сигнала координаты Y 6 (СД_Y), а также входы сумматора сигнала координаты Х 7 (С_X) и сумматора сигнала координаты Y8 (С_Y). Управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты Х 5 (СД_X) и сигнала координаты Y6 (СД_Y), подключены к выходу генератора сигнала частоты колебаний 1 (ГСК) иглы 2.Выход синхронного детектора сигнала координаты Х 5(СД_X) через сумматор сигнала координаты Х 7 (С_X) связан с входом X устройства перемещения 9 образца 10.Синхронный детектор сигнала координаты Y6 (СД_Y), через сумматор сигнала координаты Y8 (С_Y) связан с входом устройства перемещения 9 образца 10.

Например, для атомно-силового микроскопа Park Systems консоль 3, изготовлена из нитрида кремния (Si₃N₄), датчик положения4 консоли 3 является зондовым датчиком PSF00,а в качестве генератора сигнала частоты собственных колебаний 1 (ГСК) иглы 2может быть использован генератор, выполненный на элементах АГ3интегральной микросхемы серии 533, собранных по схеме мультивибратора (ОСТ11 340.917-84;черт.202). Синхронные детекторы сигнала координаты X5 (СД_X),координаты Y6 (СД_Y) и сумматоры сигнала координаты Х 7 (С_X) и координаты Y8 (С_Y) выполнены на операционных усилителях УД1(2) серии 544.

Устройство компенсации влияния собственных колебаний иглы зонда работает следующим образом.

В начале работы вручную или электронной системой сканирующего микроскопа консоль 3 с жёстко закрепленной на его конце иглой 2 подводят к поверхности образца 10 для начала взаимодействия. При этом сближении датчик положения 4консоли 3непрерывно отслеживает изменение положения консоли 3 относительно поверхности образца 10 и формирует сигналы Х_с и Y_с, отражающие колебания консоли 3 по соответствующим осям координат Х и Y. Параметры сигнала, снимаемого с датчика положения 4 консоли 3, определяются типом зондового микроскопа. Данные положенияконсоли3 по координатам X и Y отдатчика положения 4консоли 3, поступают в виде электрических сигналов на сигнальные входы синхронных детекторов сигнала координаты X 5 (СД_X) и координаты Y 6 (СД_Y), а также на прямые входы сумматоров сигнала координаты Х 7 (С_X) и сигнала координаты Y 8 (С_Y). Одновременно на вторые инверсные входы сумматоров сигнала координаты Х 7 (С_X) и координаты Y 8 (С_Y) поступают сигналы Х_d и Y_dс одноименных выходов синхронных детекторов сигнала координаты X 5(СД_X) и координаты Y 6 (СД_Y), работа которых синхронизирована сигналами Х_t и Y_tгенератора сигнала частоты собственных колебаний 1 (ГСК) иглы 2, подаваемых на вторые управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты X5 (СД_X) и сигнала координаты Y 6 (СД_Y). Таким образом, сумматоры сигналов координаты Х 7 (С_X) и координаты Y 8 (СД_Y) выполняют арифметическую операцию вычитания сигналов синхронных детекторов сигнала координаты X5(СД_X) и сигнала координаты Y 6 (СД_Y) из соответствующих сигналов координат X и Y положения консоли 3, формируемых датчиком положения 4 консоли 3.Вычитание выходных сигналов синхронных детекторов сигналов координат X5 (СД_X) и координаты Y 6 (СД_Y) производится для исключения влияния на сигнал зонда осцилляций частоты собственных колебаний иглы 2 в активной зоне действия сил межатомного или молекулярного взаимодействия иглы 2 с поверхностью образца 10. При этом учитываются параметры осцилляции иглы 2,и данные, полученные при исходной юстировке консоли 3 с иглой2, а также текущие значения сигналов координат X и Y датчика положения 4 консоли 3 в реальном времени, определяющие координаты положения X и Y свободного конца консоли 3,на котором закреплена игла 2. Формирование результирующего сигнала Х_с-координаты X датчика положения 4 консоли 3 с исключённой частью сигнала, соответствующей собственным колебаниям иглы 2 по координате X, выполняет сумматор сигнала координаты Х 7 (С_X), а формирование результирующего сигнала Y_с-координаты Y датчика положения 4 консоли 3 с исключённой частью сигнала, соответствующей собственным колебаниям иглы 2 по координате Y – сумматор сигнала координаты Y 8 (С_Y).

Далее результирующие сигналы Х_с-и Y_с-, соответствующие координатам X и Y реального положения иглы 2, снимаемые с выходов сумматоров сигнала координаты Х 7 (С_X) и координаты Y 8 (С_Y) передаются на входы устройства перемещения 9 образца 10соответствующих координатам X и Y сканирующего микроскопа. Эти сигналы координат X и Y с исключённой погрешностью, вносимой осцилляцией иглы 1 относительно её положения равновесия, служат основой построения карты высот в сканирующем микроскопе.

Предлагаемое устройство может быть использовано в системах сканирующей микроскопии для сканирования и коррекции искажений координат сигнала изображения поверхности, формируемого иглой зонда, в широком диапазоне изменения длин, скоростей и износа иглы в реальном времени. Регулировкой зазора между остриёмиглы1и поверхностью образца 10 создаются наилучшие условия реализации измерения.

Практическое использование предлагаемого устройства возможно во всех типах зондовой микроскопии ,в том числе, туннельной, атомно-силовой, емкостной, а также в автономных средствах измерения рельефа поверхностей и приборах неразрушающего контроля поверхностей; его применение повышает точность измерения и достоверность получаемых результатов, обеспечивая более высокую стабильность параметров микроскопов.

Устройство компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа, содержащее генератор колебаний, отличающееся тем, что в качестве генератора колебаний выбран генератор сигнала частоты собственных колебаний иглы, закрепленной на свободном конце нижней поверхности консоли, верхняя поверхность которой расположена в активной зоне датчика положения консоли, входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y, а также входы сумматоров сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходам датчика положения консоли, управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходу генератора сигнала частоты колебаний иглы, выход синхронного детектора сигнала координаты Х через сумматор сигнала координаты Х связан со входом X устройства перемещения образца, а выход синхронного детектора сигнала координаты Y через сумматор сигнала координаты Y связан с входом Y устройства перемещения образца.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, преимущественно к атомно-силовой микроскопии. Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования изображения в сканирующей зондовой микроскопии, включающем построчное сканирование поверхности образца в прямом и обратном направлениях и регистрацию сигналов Sƒ и Sb, соответствующих сигналу S при сканировании каждой строки в прямом и обратном направлениях, значениям которого соответствуют две матрицы чисел Sƒi,j и Sbi,j, являющиеся матрицами изображений и описывающие попиксельно изображение, как минимум одну строку матрицы изображения Si,j сигнала S формируют последовательностью процедур, включающих сдвиг элементов как минимум одной из матриц сигнала S вдоль направления сканирования, относительно элементов другой матрицы, на величину ΔХ, при котором по меньшей мере на части по меньшей мере одной строки происходит совмещение сигналов Sƒ и Sb, измеренных при движении в прямом и обратном направлениях, и вычисление по меньшей мере одной строки матрицы изображения Si,j по формуле: где Sƒi,j, Sbi,j - матрицы изображений сигнала S, измеренного соответственно в прямом и обратном направлениях сканирования, F(Sƒi,j, Sbi,j) - функция сигналов Sƒ, Sb, вид которой определяется типом сигнала S.

Атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов // 2695759

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике. Технический результат изобретения заключается в появлении возможности у АСМ, использующего кантилеверы с флуоресцентными квантовыми точками на острие зонда кантилевера, измерять антигруппировку фотонов.

Сканирующий зондовый микроскоп с устройством для функционирования многозондового датчика // 2695517

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования образцов в зондовых режимах. Сканирующий зондовый микроскоп с устройством для функционирования многозондового датчика включает платформу 1, держатель образца 2 с образцом 3, установленные на сканирующем устройстве 4, сопряженном с блоком сближения 5, установленном на платформе 1, систему регистрации 6, состоящую из источника излучения 7 и фотоприемника 8, многозондовый датчик контурного типа 9, содержащий основание 10 с гибкими консолями 15, остриями 16, 17, сопряженный с приводом вращения 21, включающим пьезомодуль 22, соединенным с корпусом 31, а также блок управления 30.

Способ детектирования ближнепольного оптического отклика для сканирующего зондового микроскопа // 2695027

Изобретение относится к оптическим методам высокого пространственного разрешения на основе методов зондовой микроскопии. Сущность изобретения заключается в том, что в способе детектирования ближнепольного оптического отклика для сканирующего зондового микроскопа, включающем сближение осциллирующего на частоте Ω зондового датчика с образцом, фокусирование на острие зондового датчика оптического излучения с длиной волны λ в диапазоне от 0.4 до 500 мкм источника излучения посредством фокусирующего элемента, измерение ближнепольного оптического отклика первым синхронным детектором посредством детектирования сигнала оптического детектора на высшей гармонике осцилляций зондового датчика nΩ, где n - порядок высшей гармоники, с использованием схемы интерферометра Майкельсона, в которой модуль подвижки устанавливает зеркало опорного плеча в заданные положения, используя систему обратной связи, изменяют положение зеркала опорного плеча посредством модуля подвижки таким образом, чтобы разница фаз ближнепольного оптического отклика и излучения, отраженного от зеркала опорного плеча, поддерживалась постоянной.

Нанозонд сканирующего микроскопа // 2687180

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к устройствам, обеспечивающим получение информации о топологии и других свойствах поверхности объекта. Нанозонд сканирующего микроскопа состоит из последовательно соединенных рабочего элемента нанозонда, консоли, держателя, датчика частоты собственных колебаний консоли и оптического датчика движения консоли, оптически связанного с консолью, а также привода рабочего элемента и блока формирования сигнала рассогласования положения рабочего элемента, входы которого подключены к выходам оптического датчика движения консоли и датчика частоты собственных колебаний консоли.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка // 2681258

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что сканирующий зонд содержит кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, которая продета и жестко закреплена в одной из сквозных нанопор стеклянной сферы большего диаметра с квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а вершина зондирующей иглы, выходящая из стеклянной сферы большего диаметра, подвижно соединена с помощью двух вложенных углеродных нанотрубок с отделяемой и автономно функционирующей стеклянной сферой малого диаметра со сквозными нанопорами, заполненными квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковой ориентацией полюсов структуры ядро-оболочка.

Способ исследования трехмерных структур посредством сканирующей оптической зондовой нанотомографии // 2680726

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для исследования образцов, например биоматериалов и изделий медицинского назначения, методами сканирующей зондовой микроскопии.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка // 2675202

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что магнитопрозрачный кантилевер соединен с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой, вершина которой подвижно соединена с помощью двух вложенных углеродных нанотрубок с магнитопрозрачной отделяемой и автономно функционирующей стеклянной сферой со сквозными нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковой ориентацией полюсов структуры ядро-оболочка.

Способ повышения надежности биометрической идентификации личности по отпечатку пальца // 2673978

Предлагаемый способ относится к области информационной безопасности, конкретно к системам биометрической идентификации на основе папиллярного узора пальца. Техническим результатом является повышение надежности биометрической аутентификации личности человека посредством повышения стойкости защиты устройств к атакам подбора, за счет анализа локального взаимодействия зонда с поверхностью пальца, что позволит системе безопасности отличить истинный папиллярный узор от его графического изображения или слепка.

Устройство подвижки // 2664783

Устройство подвижки относится к точной механике и может быть использовано для перемещения образцов по двум или трем координатам, например, в зондовой микроскопии. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве подвижки каретка 10 упруго сопряжена с переходным элементом 9 по координате Z, перпендикулярной плоскости координат X, Y.