РЕЗОНАНСНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА
RESONANCE DEVICE BASED ON QUARTZ RESONATOR FOR SCANNING PROBE MICROSCOPE

Изобретение относится к нанотехнологии и сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к устройствам, позволяющим получать информации о топографической структуре образца, локальной жесткости, трении, а также об оптических свойствах поверхности в режиме близкопольного оптического микроскопа.
Известно резонансное устройство данного типа для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) [1], в котором используют кварцевый резонатор в виде камертона с приклеенной к нему иглой либо оптическим волокном, закрепленным в держателе. Механическое возбуждение кварцевого резонатора происходит при помощи пьзопластины, а детектирование электромеханического отклика - по электрическим характеристикам, снимаемых с разъемов кварцевого резонатора. Рабочей резонансной частотой приведенного устройства является основная мода колебаний на частоте 32768 Гц.
Главными недостатками данного устройства является разделение кварцевого резонатора и иглы на две составляющие: кварцевый резонатор приклеен к держателю и не подлежит замене, каждый раз при смене иглы ее удаляют с поверхности кварцевого резонатора различными методами, зачищают поверхность кварцевого резонатора и приклеивают новую иглу. При этом со временем резонансные качества кварцевого резонатора деградируют: уменьшается его добротность (Q) и смещается резонансная частота (f). Установка иглы, либо заостренного оптоволокна, в данном случае представляет собой трудоемкий и достаточно длительный по времени процесс. Другим недостатком является использование данной системы на частоте 32768 Гц, так как время релаксации t=Q/f (Q порядка 500 после приклейки иглы) колебаний составляет величину порядка 10 мс, в результате чего приходится сканировать с малыми скоростями, что приводит к ухудшению качества получаемых изображений при достаточно сильном дрейфе образца.
Известно также сканирующее устройство на основе кварцевого резонатора, который крепят непосредственно на сканирующую пьезотрубку [2]. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения. В данном устройстве кварцевый резонатор при помощи клея одним плечом закреплен непосредственно на пьезосканнер, а другим - соединен с иглой.
Первый недостаток данной конструкции состоит в том, что крепление кварцевого резонатора непосредственно на систему сканирования ухудшает его резонансные характеристики, а соответственно и чувствительность вследствие воздействия высокого напряжения, порядка 100В, на электромеханическую колебательную систему, которой является кварцевый резонатор.
Второй недостаток заключается в способе крепления кварцевого резонатора, при котором происходит постоянный сдвиг резонансной частоты, и как следствие - нестабильность в работе. Это происходит из-за того, что кварцевый резонатор приклеен к системе сканирования непосредственно одним своим плечом. При этом на колебания кварцевого резонатора влияет ряд факторов: состав клея, способ приклейки, а также качество самого кварцевого резонатора. Кроме этого меняются резонансные характеристики кварцевого резонатора в худшую сторону: например, уменьшается его добротность (Q), что снижает его чувствительность к малым изменениям свойств измеряемой поверхности.
Третьим недостатком является невозможность работы системы на второй моде колебаний кварцевого резонатора (190 кГц), вследствие фактической фиксации одного из его плеч.
Технический результат предложенного решения заключается в повышении чувствительности устройства и расширении его функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что резонансное устройство, на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащее держатель кварцевого резонатора, кварцевый резонатор с двумя плечами, с электрическими выводами и закрепленной на нем иглой, пьезосканнер, держатель образца с образцом, систему грубого подвода кварцевого резонатора с иглой к образцу и пьезопластину, соединенную с держателем кварцевого резонатора, снабжено базой и что кварцевый резонатор закреплен на держателе кварцевого резонатора за базовый элемент, состоящий из базы и электрических выводов.
Существуют также варианты, в которых кварцевый резонатор закреплен на держателе кварцевого резонатора за базу или за электрические выводы через пластину при помощи прижимной планки с пружиной, закрепленной на держателе, при этом пластина зафиксирована на держателе кварцевого резонатора при помощи клея.
Возможен вариант, в котором кварцевый резонатор закреплен за базу при помощи клея, а между держателем кварцевого резонатора и пьзопластиной введена прокладка.
Существует также вариант, в котором введена монтажная плата с дорожками для радиомонтажа, закрепленная в держателе кварцевого резонатора, а кварцевый резонатор закреплен за электрические выводы на монтажной плате, при этом пьезопластина также закреплена на дорожках для радиомонтажа.
Фиксация иглы на кварцевом резонаторе может быть в двух точках при помощи клея, причем первая точка будет расположена на одном его плече, вторая - на его базе.
На фиг.1 изображено резонансное устройство на основе кварцевого резонатора в составе сканирующего зондового микроскопа.
На фиг.2, 3, 4, 5 изображены варианты крепления кварцевого резонатора.
На фиг.6, 7, 8 изображены варианты крепления иглы к кварцевому резонатору.
На фиг.9, 10, 11 изображены функциональные схемы работы устройства.
Резонансное устройство на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа (Фиг.1.) в общем виде состоит из платформы сканирующей системы 1, на которой закреплены XYZ пьезосканнер 2, обеспечивающий сканирование в плоскости XY и точное перемещение иглы 3 по Z-направлению, а также устройства 4 грубого подвода по Z-направлению. Кроме этого в резонансное устройство входит держатель кварцевого резонатора 5, состыкованный с XYZ пьезосканнером 2. К держателю кварцевого резонатора 5 подсоединены пьезопластина 6 и кварцевый резонатор 7. Платформа 1 установлена на основание 8, содержащее держатель 9 образца 10. Генератор 11, блок управления сканирования 12 и усилитель напряжения выходного сигнала 13 подключены соответственно к возбуждающей пьезопластине 6, XYZ пьезосканеру 2, кварцевому резонатору. Более подробно устройство СЗМ см. в [4, 5].
Держатель кварцевого резонатора может быть разных типов (Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4, Фиг.5).
На Фиг.2 держатель кварцевого резонатора представляет собой Г-образное основание 14, которое содержит прижимную планку 15, установленную с возможностью вращения и взаимодействующую с пружиной 16, а также, например, поликоровую пластину 17, на которую помещают кварцевый резонатор 18 таким образом, чтобы его база 19 оказалось зажатой между прижимной планкой 15 и пластиной 17. Возбуждающая пьезопластина 20 закреплена на противоположной стороне держателя кварцевого резонатора. Крепление пластин 17 и 20 может быть осуществлено с использованием клея.
На Фиг.3 кварцевый резонатор 21с базой 22 закреплен за электрические выводы 23. Возбуждающая пьезопластина 24 закреплена на держателе 25 через, например, поликоровую прокладку 26, например посредством клея. База 22 в совокупности с электрическими выводами 23 представляет собой базовый элемент.
На Фиг.4 кварцевый резонатор 27 зафиксирован на поликоровой пластине 29 в держателе 28 при помощи клея, сварки и т.п.
На Фиг.5 держатель кварцевого резонатора представляет собой монтажную плату 30, на которой сделаны дорожки 31 для монтажа. На монтажной плате 30 при помощи пайки монтируют кварцевый резонатор 32 и возбуждающую пьезопластину 33. В этом случае сменным блоком являются монтажная плата 30, кварцевый резонатор 32 и возбуждающая пьезопластина 33. Они составляют единое целое и при замене кварцевого резонатора монтажную плату 30 вставляют в разъем 34 и вынимают из него.
Зонд состоит из двух частей (Фиг.6): кварцевого резонатора 35 с базой 36 и приклеенного к ним точечно заостренного оптоволокна 37 (в случае использования данного устройства для близкопольного сканирующего микроскопа (БСМ)). Таким образом, при смене зонда меняется весь блок целиком, то есть кварцевый резонатор 35 и оптоволокно 37. Перед установкой электрическим выводам кварцевого резонатора 35 придают Z-образную форму, которая показана на Фиг.6.
Вместо заостренного оптоволокна (Фиг.7) на кварцевом резонаторе 38 может быть закреплена игла 39, в том числе и металлическая.
Заостренное оптоволокно 40 (Фиг.8) может также крепиться к кварцевому резонатору 44 путем приклейки по всей длине к его плечу и базе.
Возможен вариант, в котором клей, используемый для склейки иглы и кварцевого резонатора, имеет коэффициент смачивания такой, что происходит смачивание только одной грани плеча кварцевого резонатора, на которой зафиксирована игла.
Резонансное устройство на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа работает следующим образом. Генератор 42 (Фиг.9) подает напряжение на пьезопластину 43 на частоте резонанса кварцевого резонатора 44, механические колебания через держатель 45 возбуждают механический резонанс на кварцевом резонаторе 44, который вырабатывает электрический отклик, подаваемый на 46.
Во втором случае напряжение с генератора 47 (Фиг.10) подают на цепочку кварцевый резонатор 48 - резистор нагрузки 50 на резонансной частоте кварцевого резонатора 48, а напряжение с кварцевого резонатора 48 подается на усилитель 49. Таким образом, на выходе усилителя 50 образуется напряжение, пропорциональное току, текущему через кварцевый резонатор 48.
На Фиг.11 представлена так называемая динамическая мода или схема с использованием самовозбуждения цепочки кварцевый резонатор 51 -возбуждающая пьезопластина 52. При этом будет сформирована цепь положительной обратной связи: возбуждающая пьезопластина 52 - ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) 53 - частотный детектор 54 - кварцевый резонатор 51. Данная схема при определенном сдвиге фазы на ФАПЧ 53 приходит в состояние самовозбуждения на резонансной частоте кварцевого резонатора 51, при этом частотный детектор 54 вырабатывает сигнал, пропорциональный частоте колебаний, который затем усиливается усилителем 55. Более подробную информацию о работе подобных устройств см. в [3].
Все выше приведенные схемы могут работать как на стандартной частоте кварцевого резонатора 33 кГц, так и на частоте, соответствующей второй моде колебаний - 190 кГц.
Закрепление кварцевого резонатора в держателе кварцевого резонатора за базовый элемент, состоящий из базы и электрических выводов, позволяет получать повторяемые резонансные кривые на 32 кГц и 190 кГц.
Закрепление кварцевого резонатора за базу при помощи прижимной планки с пружиной, закрепленной на держателе кварцевого резонатора приводит к возможности работы на второй моде колебаний кварцевого резонатора на частоте 190 кГц, при работе на данной частоте значительно (более чем в 6 раз) уменьшается релаксация колебания, что значительно улучшает качество получаемых изображений, позволяет сканировать с большой скоростью и уменьшает влияние электрических шумов и наводок, что позволяет сканировать с лучшим отношением сигнал/ шум.
Закрепление кварцевого резонатора за электрические выводы при помощи прижимной планки с пружиной, закрепленной на держателе кварцевого резонатора приводит к более надежной фиксации кварцевого резонатора, упрощает его замену.
Использование прокладки между держателем кварцевого резонатора и пьзопластиной приводит к тому, что пьзопластина вырабатывает более стабильные механические колебания, что приводит к более стабильной работе устройства.
Закрепление кварцевого резонатора за базу при помощи клея приводит к упрощению конструкции держателя и более стабильной работе устройства.
Использование монтажной платы с дорожками для радиомонтажа, закрепленной в держателе, закрепление кварцевого резонатора за электрические выводы на монтажной плате, а также закрепление пьезопластины на монтажной плате при помощи пайки приводит к более стабильным резонансным характеристикам кварцевого резонатора, простоте использования и уменьшению габаритных размеров устройства.
Использование поликоровой пластины и закрепление кварцевого резонатора таким образом, что его электрические контакты расположены на поликоровой пластине, которая зафиксирована на держателе кварцевого резонатора при помощи клея, приводит к повышению коэффициента передачи механических колебаний от возбуждающего пьезоэлемента к кварцевому резонатору, - позволяет уменьшить амплитуду напряжения генератора, что в, свою очередь, уменьшает уровень электрических наводок на кварцевый резонатор, улучшает его резонансные характеристики.
Фиксация иглы на кварцевом резонаторе в двух точках при помощи клея таким образом что, первая точка расположена на плече, вторая - на его базе, приводит к меньшей деградации резонансных характеристик кварцевого резонатора.
Литература
1. Ph.D. Victor A.Bykov, Ph.D Sergey A.Saunin, Igor V.Dushkin, Alexey V.Mezin, "Second mode (190 kHz) of the vibration of the turning fork application in shear-force measurements", thesis of international conference "STM-02", Vancouver, Canada 2002, p.145-147.
2. Патент DE 19633546.
3. Near-Field Optical Microscopy. Towards the Molecular Scale. ISBN 90-3650976-9, Chapter 3.
4. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы т.12, №1, 1998 г., с.99-121.
5. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов, Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.