RU2249264C1 - Scanning probe microscope with an equivalent of scanner - Google Patents
Scanning probe microscope with an equivalent of scanner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2249264C1 RU2249264C1 RU2003129299/28A RU2003129299A RU2249264C1 RU 2249264 C1 RU2249264 C1 RU 2249264C1 RU 2003129299/28 A RU2003129299/28 A RU 2003129299/28A RU 2003129299 A RU2003129299 A RU 2003129299A RU 2249264 C1 RU2249264 C1 RU 2249264C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scanner
- equivalent
- elements
- control
- displacement
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к сканирующим зондовым микроскопам (СЗМ), а более конкретно к устройствам, обеспечивающим взаимные перемещения зонда и сканируемого образца по трем координатам.The invention relates to scanning probe microscopes (SPM), and more particularly to devices that provide mutual movement of the probe and the scanned sample in three coordinates.
Известен СЗМ, содержащий снабженный датчиками перемещений по Х и Y координатам сканер с трубчатым пьезоэлементом, на внутренней поверхности которого нанесен сплошной электрод, а на наружной - несколько групп электродов [1].Known SPM containing a scanner equipped with displacement sensors along the X and Y coordinates with a tubular piezoelectric element, on the inner surface of which a solid electrode is deposited, and on the outer - several groups of electrodes [1].
Одним из недостатков этого устройства является отсутствие датчика Z-перемещений, что существенно снижает точность получаемого сигнала и функциональные возможности (проведение наноманипуляций, нанолитографических операций).One of the disadvantages of this device is the lack of a Z-displacement sensor, which significantly reduces the accuracy of the received signal and functionality (conducting nanomanipulations, nanolithographic operations).
Известен СЗМ, сканер которого снабжен датчиками перемещений по всем трем координатам. [2]. Существенным недостатком такого СЗМ является недостаточная компактность и пониженная резонансная частота измерительного узла, приводящие к повышенным температурным дрейфам и повышенной чувствительности к механическим вибрациям, что в свою очередь приводит к снижению точности показаний датчиков. Недостаточная компактность также ограничивает применение такой конструкции в специальных СЗМ, в частности в высоковакуумных, низко- или, наоборот, высокотемпературных.The SPM is known, the scanner of which is equipped with displacement sensors in all three coordinates. [2]. A significant drawback of this SPM is the insufficient compactness and reduced resonant frequency of the measuring unit, leading to increased temperature drifts and increased sensitivity to mechanical vibrations, which in turn leads to a decrease in the accuracy of the sensor readings. The lack of compactness also limits the use of such a design in special SPMs, in particular in high vacuum, low or, conversely, high temperature ones.
В качестве прототипа выбран СЗМ, в котором контроль перемещений сканера осуществляют с помощью такого же сканера, выполненного из того же материала, расположенного отдельно, снабженного датчиками перемещений и используемого в качестве эквивалента, отражающего все существенные перемещения сканера [3].SPM was chosen as a prototype, in which the scanner movements are controlled using the same scanner made of the same material, located separately, equipped with displacement sensors and used as an equivalent, reflecting all significant scanner movements [3].
Такая конструкция обладает рядом недостатков. Прежде всего на практике каждый сканер обладает определенной индивидуальной неортогональностью осей, что может приводить к суммированию неортогональностей сканера и его эквивалента с результирующим ухудшением точности сканирования. Не снимается проблема временной стабильности измерений малых перемещений для датчиков на сканере с малыми (1-3 мкм) диапазонами перемещений. Для сканера с большими диапазонами перемещений остается актуальной проблема перекрестных искажений из-за нефункциональных перемещений отдельных элементов датчиков. Современные СЗМ обычно комплектуются набором сканеров с различными диапазонами сканирования для исследований различных типов образцов, использование при этом соответствующего набора эквивалентов сканеров существенно усложняет конструкцию прибора и удорожает его.This design has several disadvantages. First of all, in practice, each scanner has a certain individual non-orthogonality of the axes, which can lead to a summation of the non-orthogonality of the scanner and its equivalent with a resulting deterioration in scanning accuracy. The problem of temporary stability of measurements of small displacements for sensors on a scanner with small (1-3 μm) ranges of displacements is not removed. For a scanner with large ranges of displacements, the problem of crosstalk due to non-functional displacements of individual sensor elements remains relevant. Modern SPMs are usually equipped with a set of scanners with different scanning ranges for examining various types of samples, while using the corresponding set of scanner equivalents significantly complicates the design of the device and increases its cost.
Целью изобретения является создание СЗМ, позволяющего использовать его в зондовой микроскопии для сканирования объектов в широком диапазоне значений полей сканирования по трем координатам с повышенной точностью или скоростью, а также для обеспечения возможности использования сменных сканеров с различными диапазонами сканирования.The aim of the invention is the creation of SPM, allowing it to be used in probe microscopy for scanning objects in a wide range of scan field values in three coordinates with increased accuracy or speed, and also to enable the use of interchangeable scanners with different scan ranges.
Технический результат изобретения заключается в увеличении точности сканирования.The technical result of the invention is to increase the accuracy of scanning.
Указанная цель достигается тем, что в сканирующем зондовом микроскопе с эквивалентом сканера, содержащем сканер, выполненный в виде нескольких механически связанных и снабженных управляющими электродами элементов перемещений сканера по нескольким координатам, и эквивалент сканера, также выполненный в виде нескольких снабженных управляющими электродами элементов перемещений эквивалента, при этом по меньшей мере один из элементов перемещений эквивалента содержит по меньшей мере один датчик перемещений, соединенный с блоком управления и контроля, к которому подсоединены также и упомянутые выше управляющие электроды, эквивалент сканера выполнен в виде механически независимых элементов перемещений эквивалента.This goal is achieved by the fact that in a scanning probe microscope with a scanner equivalent containing a scanner, made in the form of several mechanically connected and equipped with control electrodes elements of movement of the scanner in several coordinates, and the equivalent of the scanner, also made in the form of several elements of movement of the equivalent equipped with control electrodes, wherein at least one of the equivalent displacement elements comprises at least one displacement sensor connected to the control unit I and control, which are connected as mentioned above and control electrodes, the equivalent of the scanner is designed as a mechanically independent elements equivalent displacements.
Одним из вариантов осуществления изобретения является выполнение эквивалента сканера в виде трех механически независимых элементов перемещений эквивалента сканера.One of the embodiments of the invention is the implementation of the equivalent of the scanner in the form of three mechanically independent elements of movement of the equivalent of the scanner.
Механически независимые элементы перемещений эквивалента, будучи выполненные из одинаковых с соответствующими элементами перемещений сканера материалов, при схожести общего характера поведения могут обладать отдельными параметрами, отличными от соответствующих параметров элементов сканера. Например, толщины механически независимых элементов перемещений эквивалента могут превышать толщины соответствующих элементов перемещений сканера, по меньшей мере один из размеров управляющих электродов элемента эквивалента сканера может превышать соответствующий размер управляющего электрода соответствующего элемента перемещений сканера.Mechanically independent elements of equivalent movements, being made of materials that are identical with the corresponding elements of movements of the scanner, with similarities in the general nature of behavior, may have separate parameters different from the corresponding parameters of scanner elements. For example, the thicknesses of mechanically independent equivalent displacement elements can exceed the thicknesses of the corresponding scanner displacements, at least one of the sizes of the control electrodes of the scanner equivalent element can exceed the corresponding size of the control electrode of the corresponding scanner displacements.
При выполнении элементов перемещений сканера в виде трубчатых элементов по меньшей мере один из механически независимых элементов перемещений эквивалента также может быть выполнен трубчатым с диаметром, превышающим диаметр соответствующего элемента перемещений сканера.When performing the scanner displacement elements in the form of tubular elements, at least one of the mechanically independent equivalent displacement elements can also be made tubular with a diameter exceeding the diameter of the corresponding scanner displacements element.
Материал, из которого выполнены сканер и эквивалент сканера, может быть выбран из ряда материалов - пьезоэлектрических или электрострикционных.The material from which the scanner is made and the equivalent of the scanner can be selected from a number of materials - piezoelectric or electrostrictive.
Блок управления и контроля может быть выполнен состоящим из двух частей, одна из которых содержит узлы управления эквивалентом сканера.The control and monitoring unit can be made up of two parts, one of which contains scanner equivalent control units.
Датчики положения эквивалента сканера могут быть выполнены различными - емкостными, индуктивными, интерферометрическими, выполненными в виде тензодатчиков.Scanner equivalent position sensors can be made different - capacitive, inductive, interferometric, made in the form of strain gauges.
На фиг.1 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений.Figure 1 shows the SPM with the equivalent of a scanner, consisting of three mechanically independent movement elements.
На фиг.2 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом толщина стенки элемента, соответствующего перемещениям по X-координате, превышает толщину стенки соответствующего элемента сканера.Figure 2 shows the SPM with a scanner equivalent consisting of three mechanically independent displacement elements, while the wall thickness of the element corresponding to the X-coordinate displacements exceeds the wall thickness of the corresponding scanner element.
На фиг.3 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом длина управляющего электрода элемента, соответствующего Z-перемещениям сканера выполнена большей, чем длина управляющего электрода Z-элемента сканера.Figure 3 shows the SPM with a scanner equivalent consisting of three mechanically independent displacement elements, while the length of the control electrode of the element corresponding to the Z-movements of the scanner is greater than the length of the control electrode of the Z-element of the scanner.
На фиг.4 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом диаметр элемента, соответствующего перемещениям по Х-координате, превышает диаметр соответствующего элемента сканера.Figure 4 shows the SPM with a scanner equivalent consisting of three mechanically independent displacement elements, while the diameter of the element corresponding to the X-coordinate displacements exceeds the diameter of the corresponding scanner element.
На фиг.5 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом блок управления и контроля выполнен состоящим из двух частей, одна из которых содержит узлы управления эквивалентом сканера.Figure 5 shows the SPM with a scanner equivalent consisting of three mechanically independent movement elements, while the control and monitoring unit is made up of two parts, one of which contains scanner equivalent control units.
Пример выполнения СЗМ с эквивалентом сканера в виде механически независимых элементов перемещений представлен на фиг.1, где изображены трубчатый сканер 1 и эквивалент сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 3 и 4, при этом эквивалент сканера содержит датчики перемещений 5 (Z-перемещения), 6 (X-перемещения) и 7 (Y-перемещения). Для общего управления и контроля сканер 1 и элементы перемещений эквивалента сканера 2, 3, 4 соединены с блоком управления и контроля 8. На внешней стороне сканера 1 расположены разделенные внешние управляющие X-электроды 9 и 10, разделенные внешние управляющие Y-электроды 11 и 12 (на фиг.1 виден лишь внешний Y-электрод 11, симметрично расположенный относительно оси сканера внешний Y-электрод 12 не виден), а также внешний управляющий Z-электрод 13. На внутренней стороне сканера 1 расположены внутренние управляющие электроды, на фиг.1 виден только внутренний управляющий Z-электрод 14 (внутренние управляющие X, Y электроды для простоты выполнены сплошными и объединенными друг с другом и с Z-электродом 14). Элемент 2 содержит внешний управляющий Z-электрод 15 и внутренний управляющий Z-электрод 16, элемент 3 содержит разделенные внешние управляющие X-электроды 17 и 18 и сплошной (для простоты) внутренний управляющий Х-электрод 19, а элемент 4 содержит разделенные внешние управляющие Y-электроды 20 и 21 и сплошной (также для простоты) внутренний управляющий Y-электрод 22. В рассматриваемом примере внутренние электроды 16, 19 и 22 полагаются заземленными. Точно так же заземлен внутренний управляющий Z-электрод 14 сканера 1. С целью упрощения графических материалов электрические связи блока управления и контроля с различными электродами заменены функциональными. Для наглядности механически независимый элемент перемещений эквивалента, соответствующий Y-перемещениям сканера, изображен в развернутом на 90° вокруг вертикальной оси виде.An example of performing an SPM with a scanner equivalent in the form of mechanically independent displacement elements is shown in Fig. 1, which shows a
В этом примере рассмотрены трубчатые элементы перемещений, однако они могут быть выполнены и в виде прямоугольных стержней, дисков и пр. (см. напр.[4]). В подавляющем большинстве случаев управляющие электроды параллельны либо концентричны друг другу, однако их взаиморасположение может быть и произвольным. Необходимо только, чтобы взаиморасположение управляющих электродов механически независимого элемента перемещений эквивалента сканера было подобно взаиморасположению управляющих электродов соответствующего элемента сканера. Это дает возможность путем пропорционального изменения величины управляющего сигнала (например, напряжения) обеспечить равенство структуры электрических полей в материалах элемента сканера и соответствующего элемента эквивалента сканера, а следовательно, и подобия их перемещений.In this example, tubular displacement elements are considered, but they can also be made in the form of rectangular rods, disks, etc. (see, for example, [4]). In the vast majority of cases, the control electrodes are parallel or concentric to each other, but their relative position can be arbitrary. It is only necessary that the relative position of the control electrodes of the mechanically independent displacement element of the scanner equivalent be similar to the relative position of the control electrodes of the corresponding scanner element. This makes it possible, by proportionally changing the magnitude of the control signal (for example, voltage), to ensure the equality of the structure of electric fields in the materials of the scanner element and the corresponding element of the scanner equivalent, and hence the similarity of their movements.
Пример выполнения СЗМ с увеличенной толщиной по меньшей мере одного из механически независимых элементов перемещений эквивалента сканера представлен на фиг.2, где изображены сканер с трубчатым сканером 1 и эквивалент сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 4 и 23, при этом толщина S’ (т.е. расстояние между внешними управляющими Х-электродами 24 и 25 и внутренним управляющим электродом 26) механически независимого элемента перемещений 23, соответствующего Х-перемещениям сканера 1, выполнено большим, чем толщина S (т.е. расстояние между внешними X-электродами 9 и 10 и внутренним электродом 14) сканера 1. Поскольку толщина элемента 23 превышает соответствующую толщину сканера 1, то во столько же раз величина управляющего сигнала, подаваемого на внешние электроды 24, 25 должна превышать величину управляющего сигнала, подаваемого на внешние электроды 9, 10. Это необходимо для обеспечения равенства электрических полей в материалах Х-элемента сканера 1 и соответствующего элемента 23 эквивалента сканера, поскольку только при этом условии, как известно, сохраняется подобие реакций на управляющие сигналы элемента сканера и соответствующего элемента эквивалента сканера [3]. Все эти рассуждения применимы и для случая выполнения элементов перемещений сканера и его эквивалента, например, на основе прямоугольных стержней или дисков.An example of performing SPM with an increased thickness of at least one of the mechanically independent displacement elements of the scanner equivalent is shown in FIG. 2, which shows a scanner with a
Пример выполнения СЗМ с увеличенным размером управляющего электрода по меньшей мере одного из независимых элементов перемещений эквивалента сканера представлен на фиг.3, где изображен СЗМ с трубчатым сканером 1 и эквивалентом сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 3, 4 и 27, при этом длина L’ соответствующего Z-перемещениям сканера 1 внешнего управляющего Z-электрода 28 механически независимого элемента перемещений 27, выполнена большей, чем длина L внешнего управляющего Z-электрода 13 сканера 1. Соответственно, длина управляющего внутреннего Z-электрода 29 выполнена не меньшей длины внешнего Z-электрода 28. Этот вариант (с увеличенной длиной элемента эквивалента сканера) в полной мере применим и к элементам перемещений, выполненных на основе прямоугольных стержней.An exemplary SPM with an increased size of the control electrode of at least one of the independent displacement elements of the scanner equivalent is shown in FIG. 3, which shows the SPM with the
Пример использования механически независимого элемента перемещений эквивалента с увеличенным диаметром представлен на фиг.4, где изображен пример выполнения СЗМ с трубчатым сканером 1 и эквивалентом сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 30 и 4, при этом диаметр D’, соответствующего Х-перемещениям сканера 1 механически независимого элемента перемещений эквивалента 30, снабженного внешними управляющими электродами 31, 32 и внутренним управляющим электродом 33, выполнен большим, чем диаметр D сканера 1.An example of the use of a mechanically independent element of displacement equivalent with an increased diameter is presented in figure 4, which shows an example of the SPM with a
Вариант с выполнением блока управления и контроля состоящим из двух частей представлен на фиг.5, где изображен пример выполнения СЗМ с трубчатым сканером 1 и эквивалентом сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 3 и 4, при этом блок управления и контроля выполнен состоящим из двух частей 34 и 35, при этом часть 35 содержит элементы управления и контроля элементов перемещений 2, 3 и 4 эквивалента сканера.A variant with the implementation of the control and monitoring unit consisting of two parts is presented in FIG. 5, which shows an example of the SPM with a
СЗМ с эквивалентом сканера (см. фиг.1), содержащим механически независимые элементы перемещений, работает следующим образом. Управляющие сигналы от блока управления и контроля 8 поступают на X, Y, Z-электроды сканера (позиции 9, 10, 11, 12, 13) и одновременно на X, Y, Z-электроды независимых элементов 2, 3, 4 эквивалента сканера (позиции 15, 17, 18, 20, 21). Соответствующие перемещениям сканера 1 X, Y, Z-перемещения элементов 2, 3, 4 регистрируются соответственно датчиками 6, 7, 5, сигналы от которых поступают на блок 8, где используются аналогично тому, как это происходит в СЗМ, использующих сканеры с датчиками перемещений [2]. В данном случае X, Y, Z-перемещения элементов 2, 3, 4 эквивалента сканера осуществляются независимо в отличие от прототипа, в котором остаточная неортогональность X, Y, Z-координат эквивалента сканера может вносить дополнительную ошибку, чего избегает представленная на фиг.1 конструкция.SPM with the equivalent of the scanner (see figure 1), containing mechanically independent elements of movement, works as follows. The control signals from the control and
Выполнение эквивалента сканера в виде механически независимых элементов помимо устранения ошибок, связанных с остаточной неортогональностью, позволяет получить дополнительные преимущества.The implementation of the equivalent scanner in the form of mechanically independent elements in addition to eliminating errors associated with residual non-orthogonality, allows you to get additional benefits.
В рассмотренном выше примере выполнения СЗМ с эквивалентом сканера управляющие сигналы, подаваемые на X, Y, Z-электроды сканера совпадали с сигналами, подаваемыми на X, Y, Z-управляющие электроды механически независимых элементов эквивалента сканера. При этом поскольку толщины стенок трубок сканера и элементов эквивалента сканера были равны, то равны были и напряженности соответствующих электрических полей в толще материалов сканера и его эквивалента. Это обуславливало аналогичность проявления гистерезиса и крипов в сканере и эквиваленте сканера. В ряде случаев, однако, толщины стенок сканера и по меньшей мере одного из элементов эквивалента сканера могут не совпадать, например, для обеспечения большей жесткости (и соответственно, большей резонансной частоты колебаний) элемента сканера. Это может быть необходимо для обеспечения повышенного быстродействия системы обратной связи, что в свою очередь обеспечит нормальную работу соответствующего Х-перемещениям сканера независимого элемента перемещений эквивалента сканера при повышенных скоростях сканирования по заданным точкам.In the above-described example of performing an SPM with a scanner equivalent, the control signals supplied to the X, Y, Z-electrodes of the scanner coincided with the signals supplied to the X, Y, Z-control electrodes of mechanically independent elements of the scanner equivalent. Moreover, since the wall thicknesses of the scanner tubes and the scanner equivalent elements were equal, the intensity of the corresponding electric fields in the thickness of the scanner materials and its equivalent were equal. This led to a similar manifestation of hysteresis and creeps in the scanner and the equivalent of the scanner. In some cases, however, the thickness of the walls of the scanner and at least one of the elements of the equivalent of the scanner may not coincide, for example, to provide greater rigidity (and, accordingly, a larger resonant frequency of oscillation) of the scanner element. This may be necessary to ensure increased speed of the feedback system, which, in turn, will ensure the normal operation of the independent X-movements of the scanner of the independent element of movements of the scanner equivalent at increased scanning speeds at specified points.
Соответствующий пример изображен на фиг.2, где толщина механически независимого элемента перемещений 23, соответствующего перемещениям сканера по Х-координате, превышает толщину сканера 1. Для того чтобы характер перемещений элемента 23 был аналогичен перемещениям сканера по Х-координате, т.е. чтобы напряженность электрического поля в элементе 23 между электродами 24, 25 с одной стороны и электродом 26 с другой совпадала с напряженностью электрического поля в Х секции сканера 1, т.е. между электродами 9, 10 и внутренним электродом 14, управляющий сигнал, подаваемый на X’ электроды 24, 25, во столько раз превышает величину сигнала, подаваемого на Х электроды 9, 10, во сколько раз толщина S’ элемента 23 превышает толщину S сканера 1.A corresponding example is shown in FIG. 2, where the thickness of the mechanically
Большое количество задач, решаемых с помощью СЗМ, связано с регистрацией малых перемещений, особенно это относится к перемещениям по Z-координате, при этом минимальный шаг перемещений сканера может лежать ниже уровня шумов датчика перемещений. В этом случае желательно, чтобы соответствующий механически независимый элемент эквивалента обладал большим диапазоном перемещений при сохранении их подобия перемещениям сканера, например Z-перемещениям.A large number of tasks solved with the help of SPM is associated with the registration of small movements, especially with regard to movements along the Z coordinate, and the minimum step of moving the scanner may lie below the noise level of the movement sensor. In this case, it is desirable that the corresponding mechanically independent equivalent element has a large range of movements while maintaining their similarity to the movements of the scanner, for example Z-movements.
Пример такого выполнения СЗМ представлен на фиг.3, где длины соответствующего Z-перемещениям сканера 1 элемента 2 и управляющего Z-электрода 11 выполнены большими, чем длина управляющего Z-электрода 10 сканера. Соответственно, большими будут и регистрируемые перемещения элемента 2 (но при этом пропорциональные Z-перемещениям сканера 1), что позволит повысить отношение сигнал-шум для датчика, регистрирующего соответствующие перемещения. Такой же прием может быть использован при необходимости и для Х-или Y-перемещений, причем это относится не только к трубчатым элементам перемещений, но и к элементам, выполненным на основе прямоугольных стержней.An example of such an SPM embodiment is shown in FIG. 3, where the lengths of the
Применительно к трубчатым элементам перемещений может быть использован и прием увеличения диаметра трубчатого элемента для увеличения его жесткости (и соответственно резонансной частоты) в поперечном направлении. На фиг.4 представлен соответствующий вариант выполнения СЗМ, в котором диаметр соответствующего X-перемещениям сканера 1 элемента 30 выполнен большим, чем диаметр сканера 1.With respect to the tubular displacement elements, the method of increasing the diameter of the tubular element to increase its rigidity (and accordingly the resonant frequency) in the transverse direction can also be used. Figure 4 presents the corresponding embodiment of the SPM, in which the diameter corresponding to the X-movements of the
Больший диаметр элемента перемещений 30 эквивалента сканера по сравнению с диаметром сканера 1 приводит к большей жесткости элемента 30 в перпендикулярном к оси трубки направлении, т.е. в направлении X-перемещений. Соответственно большей является и резонансная частота колебаний в направлении перемещения. Это позволяет повысить быстродействие системы обратной связи при сканировании по заданным точкам. При этом поскольку толщины стенок сканера 1 и элемента перемещений 30 равны, то при равных величинах управляющих сигналов Х-перемещений характер перемещений сканера 1 по Х-координате совпадает с характером перемещений элемента 30 эквивалента сканера.The larger diameter of the
Современные СЗМ в силу чрезвычайной широты применений (от исследований электронной структуры атомов до анализа шероховатостей поверхности металлических конструкций) представляют большое разнообразие компоновок, при этом бывает целесообразно, например, измерительную головку СЗМ с встроенным в нее сканером размещать достаточно далеко как от блока управления и контроля, так и от эквивалента сканера. Соответственно, и эквивалент сканера может размещаться достаточно далеко от блока управления и контроля. Это может приводить к нежелательным паразитным явлениям (связанными, например, с емкостными нагрузками кабелей и шумовыми наводками в них), обусловленными удаленностью высокочувствительных датчиков от блока управления и контроля, содержащего чувствительные электронные преобразователи и элементы системы обратной связи. Для устранения этих паразитных явлений часть электронных элементов, связанных с эквивалентом сканера, может содержаться в дополнительном блоке управления и контроля. Соответствующий пример выполнения СЗМ с эквивалентом сканера представлен на фиг.5, где изображен блок управления и контроля состоит из двух частей - 34 и 35, при этом часть 35 содержит узлы регистрации сигналов от датчиков перемещений, а также узлы, формирующие управляющие сигналы элементов эквивалента сканера.Due to the extreme breadth of applications (from studying the electronic structure of atoms to analyzing the surface roughness of metal structures), modern SPMs present a wide variety of layouts, while it may be advisable, for example, to place the SPM measuring head with an integrated scanner in it far from the control and monitoring unit, and from the equivalent of the scanner. Accordingly, the equivalent of the scanner can be located quite far from the control and monitoring unit. This can lead to unwanted parasitic phenomena (associated, for example, with capacitive loads of cables and noise interference in them) due to the remoteness of highly sensitive sensors from the control and monitoring unit containing sensitive electronic converters and elements of the feedback system. To eliminate these spurious phenomena, part of the electronic elements associated with the equivalent of the scanner may be contained in an additional control and monitoring unit. The corresponding example of the SPM with the scanner equivalent is shown in Fig. 5, where the control and monitoring unit is shown in two parts - 34 and 35, while
Датчики перемещений 4, 5, 6 могут быть выполнены, например, емкостными, индуктивными, интерферометрическими, в виде тензодатчиков [5].
Со свойствами наиболее часто используемой для создания СЗМ сканеров пьезокерамики можно ознакомиться в работе [6], а с работой сканеров и блоков управления в зондовых микроскопах более подробно можно ознакомиться, например, в [7, 8, 9, 10, 11].The properties of the piezoelectric ceramics most often used to create SPM scanners can be found in [6], and the work of scanners and control units in probe microscopes can be found in more detail, for example, in [7, 8, 9, 10, 11].
Выполнение эквивалента сканера в виде механически независимых элементов перемещений эквивалента позволяет избежать влияния остаточной неортогональности эквивалента сканера, выполненного в виде связанных элементов перемещений, которая может суммироваться с неортогональностью сканера и ухудшать его точностные характеристики сканирования. Выполнение эквивалента сканера в виде трех механически независимых элементов перемещений позволяет выделить отдельный независимый элемент перемещения на координату, что дает возможность оптимизировать динамические характеристики элемента, например, повысить резонансную частоту, уменьшить добротность, и, как следствие, повысить скорость отработки элемента эквивалента сканера при работе с обратной связью и повысить точность и скорость работы СЗМ в целом.The implementation of the scanner equivalent in the form of mechanically independent elements of the equivalent movements allows you to avoid the influence of residual non-orthogonality of the scanner equivalent, made in the form of associated elements of the movements, which can be added to the non-orthogonality of the scanner and impair its accuracy characteristics of the scan. The implementation of the scanner equivalent in the form of three mechanically independent displacement elements allows you to select a separate independent displacement element by coordinate, which makes it possible to optimize the dynamic characteristics of the element, for example, to increase the resonant frequency, reduce the quality factor, and, as a result, increase the speed of working out the element of the scanner equivalent when working with feedback and improve the accuracy and speed of the SPM as a whole.
Увеличение толщины механически независимого элемента эквивалента по сравнению с толщиной соответствующего элемента сканера как раз и позволяет повысить резонансную частоту элемента эквивалента сканера, повысив, соответственно, точность работы СЗМ.An increase in the thickness of a mechanically independent equivalent element compared to the thickness of the corresponding scanner element just allows you to increase the resonant frequency of the scanner equivalent element, increasing, accordingly, the accuracy of the SPM.
Другим способом повышения точности СЗМ является повышение отношения сигнал-шум датчика перемещения за счет увеличения диапазона перемещений механически независимого элемента эквивалента по сравнению с соответствующим элементом перемещений сканера. Это достигается путем увеличения размеров управляющих электродов механически независимого элемента эквивалента по сравнению с соответствующим элементом перемещений сканера, при этом при сохранении общего характера поведения элементов увеличивается диапазон перемещений (и соответственно выходной сигнал датчика перемещений) элемента эквивалента, что позволяет повысить точность работы СЗМ.Another way to increase the accuracy of the SPM is to increase the signal-to-noise ratio of the displacement sensor by increasing the range of displacements of a mechanically independent equivalent element as compared to the corresponding displacement element of the scanner. This is achieved by increasing the size of the control electrodes of a mechanically independent equivalent element compared to the corresponding scanner displacements element, while maintaining the general behavior of the elements, the range of displacements (and accordingly the output signal of the displacement sensor) of the equivalent element increases, which improves the accuracy of the SPM.
Упомянутое выше повышение точности работы СЗМ за счет повышения резонансной частоты механически независимого элемента эквивалента может быть реализовано для трубчатых элементов перемещений по Х-и/или Y-координате также и путем увеличения диаметра. При этом за счет увеличения поперечной жесткости повышается резонансная частота колебаний в направлении перемещения.The above-mentioned increase in the accuracy of the SPM by increasing the resonant frequency of the mechanically independent equivalent element can be realized for tubular displacement elements along the X and / or Y coordinate also by increasing the diameter. In this case, due to an increase in the transverse stiffness, the resonant frequency of oscillations in the direction of movement increases.
Использование пьезоэлектрических материалов позволяет обеспечить большие рабочие диапазоны перемещений сканера при обеспечении приемлемой точности сканирования.The use of piezoelectric materials allows you to provide large operating ranges of movement of the scanner while ensuring acceptable scanning accuracy.
Использование электрострикционных материалов позволяет уменьшить влияние гистерезисных эффектов на точность функционирования СЗМ.The use of electrostrictive materials makes it possible to reduce the influence of hysteresis effects on the accuracy of SPM functioning.
Выполнение блока управления и контроля в виде двух частей, одна из которых содержит узлы управления эквивалентом сканера, позволяет расположить узлы управления элементами перемещений эквивалента сканера и высокочувствительные узлы обработки сигналов датчиков перемещений в непосредственной близости к эквиваленту сканера, уменьшить влияние паразитных сигналов и за счет этого повысить точность функционирования СЗМ.The execution of the control and monitoring unit in two parts, one of which contains scanner equivalent control nodes, allows you to arrange the control equivalents of the scanner equivalent displacement elements and highly sensitive displacement sensor signal processing nodes in close proximity to the scanner equivalent, reduce the influence of spurious signals and thereby increase the accuracy of the SPM.
Использование емкостных датчиков для измерений перемещений элементов эквивалента сканера позволяет обеспечить низкий уровень собственных шумов датчика перемещений.The use of capacitive sensors for measuring the movements of elements of the scanner equivalent allows for a low level of intrinsic noise of the displacement sensor.
Использование индуктивных датчиков для измерений перемещений позволяет расширить диапазон перемещений элементов эквивалента сканера.The use of inductive sensors for measuring displacements allows you to expand the range of displacements of elements equivalent to the scanner.
Применение интерференционных датчиков перемещений упрощает калибровку датчиков за счет использования естественной измерительной меры - длины волны оптического излучения.The use of interference displacement sensors simplifies the calibration of sensors by using a natural measuring measure - the wavelength of optical radiation.
Выполнение датчиков перемещений в виде тензодатчиков обеспечивает простоту конструкции эквивалента сканера.The implementation of displacement sensors in the form of load cells provides the simplicity of the design of the equivalent of the scanner.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Патент США №5172002, G 01 J 001/20; G 01 N 023/00, 1992 г.1. US patent No. 5172002, G 01 J 001/20; G 01 N 023/00, 1992
2. Патент США №5526165, G 02 B 026/08, 1996.2. US Patent No. 5526165, G 02 B 026/08, 1996.
3. Патент Японии №7072928, G 05 D 3/00; H 01 L 41/09, 1995.3. Japan patent No. 7072928, G 05
4. О пьезокерамике и перспективах ее применения. С. Жуков. Компоненты и технологии, №1, 2001. (http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/01_01/stat-48.htm).4. On piezoceramics and the prospects for its application. S. Zhukov. Components and Technologies, No. 1, 2001. (http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/01_01/stat-48.htm).
5. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн.1. Ж. Аш с соавторами, Москва, “Мир”, 1992 г., 480 с.5. Sensors of measuring systems: In 2 books.
6. Пьезоэлектрическая керамика, Е.Г.Смажевская и др., “Советское радио”, 1971 г., 198 с.6. Piezoelectric ceramics, EG Smazhevskaya and others, “Soviet Radio”, 1971, 198 S.
7. A new ultra - high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies, G.E. Poirier and J.M. White, Rev. Scl. Instrum. 60 (10), October 1989.7. A new ultra - high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies, G.E. Poirier and J.M. White, Rev. Scl. Instrum. 60 (10), October 1989.
8. The use of a linear piezoelectric actuator for coarse motion in a vacuum compatible scanning tunneling microscope, Gary W. Stupian and Martin S. Leung, J. Vac. Sci. Technol. A 7 (4), Jul/Aug 1989.8. The use of a linear piezoelectric actuator for coarse motion in a vacuum compatible scanning tunneling microscope, Gary W. Stupian and Martin S. Leung, J. Vac. Sci. Technol. A 7 (4), Jul / Aug 1989.
9. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др., Сенсорные системы, т.12, №1, 1998 г., с.99-121.9. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al., Sensory Systems, vol. 12, No. 1, 1998, pp. 99-121.
10. Tunneling barrier height imaging and polycrystalline Si surface observations, S. Hosaka, K. Sagara, T. Hasegawa, K. Takata, and S. Hosoki, Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan/Feb 1990.10. Tunneling barrier height imaging and polycrystalline Si surface observations, S. Hosaka, K. Sagara, T. Hasegawa, K. Takata, and S. Hosoki, Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan / Feb 1990.
11. Scanning tunneling microscope instrumentation, Y. Kuk, P.J. Sulverman, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No.2, 165-180.11. Scanning tunneling microscope instrumentation, Y. Kuk, P.J. Sulverman, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No.2, 165-180.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003129299/28A RU2249264C1 (en) | 2003-10-03 | 2003-10-03 | Scanning probe microscope with an equivalent of scanner |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003129299/28A RU2249264C1 (en) | 2003-10-03 | 2003-10-03 | Scanning probe microscope with an equivalent of scanner |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2249264C1 true RU2249264C1 (en) | 2005-03-27 |
Family
ID=35560561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003129299/28A RU2249264C1 (en) | 2003-10-03 | 2003-10-03 | Scanning probe microscope with an equivalent of scanner |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2249264C1 (en) |
-
2003
- 2003-10-03 RU RU2003129299/28A patent/RU2249264C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7288762B2 (en) | Fine-adjustment mechanism for scanning probe microscopy | |
| Zhu et al. | A microelectromechanical load sensor for in situ electron and x-ray microscopy tensile testing of nanostructures | |
| US7555941B2 (en) | Scanner for probe microscopy | |
| US8489356B2 (en) | Variable density scanning | |
| US10337890B2 (en) | Integrated micro actuator and LVDT for high precision position measurements | |
| JP2002529743A (en) | Electrostatic force detector with cantilever and shield | |
| Angelov et al. | Six-axis AFM in SEM with self-sensing and self-transduced cantilever for high speed analysis and nanolithography | |
| KR20060016118A (en) | Scanning probe microscope using a surface drive actuator to position the scanning probe tip | |
| US6194813B1 (en) | Extended-range xyz linear piezo-mechanical scanner for scanning-probe and surface force applications | |
| RU2249264C1 (en) | Scanning probe microscope with an equivalent of scanner | |
| Tsunemi et al. | Development of multi-environment dual-probe atomic force microscopy system using optical beam deflection sensors with vertically incident laser beams | |
| JPH06258072A (en) | Piezoelectric element thin film evaluating apparatus, interatomic force microscope | |
| Li et al. | Development of a multi-functional multi-probe atomic force microscope system with optical beam deflection method | |
| KR101151136B1 (en) | Scanner for scanning probe microscope | |
| Peng et al. | A microelectromechanical system for nano-scale testing of one dimensional nanostructures | |
| Brukman et al. | Vibrations of the “beetle” scanning probe microscope: Identification of a new mode, generalized analysis, and characterization methodology | |
| JP2012203001A (en) | Micromachine configuration member having a cantilever beam, and integrated electric functional element | |
| JP3892184B2 (en) | Scanning probe microscope | |
| JP2691460B2 (en) | Tunnel current detector | |
| Maroufi et al. | MEMS in Nanopositioning | |
| Canel | A method of precise calibration for piezoelectrical actuators | |
| Moheimani et al. | A new piezoelectric tube scanner for simultaneous sensing and actuation | |
| Lebrasseur et al. | Microsystem for vertical profile measurement of high aspect-ratio microstructures | |
| RU2231095C2 (en) | Displacement aid | |
| Hafizovic et al. | Integrated cantilevers and atomic force microscopes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121004 |