Устройство для ультразвуковой очистки нанокалориметрических сенсоров

Полезная модель относится к научному приборостроению и представляет собой устройство для ультразвуковой очистки активной области нанокалориметрических сенсоров без повреждения прилегающих областей. В заявляемом решении реализованы конструкционные особенности, позволяющие использовать источник ультразвуковых колебаний малой мощности для направленной очистки поверхности с микронными габаритами (500×500 мкм и меньше). Устройство совместимо с любыми стереоскопическими микроскопами с большим фокусным расстоянием (более 20 мм) и может применяться для очистки любых нанокалориметрических сенсоров.
Из уровня техники известны устройства, описанные в патентах US 5151084 «Ультразвуковая игла с рукояткой и дефлектором" и RU 235781 «Способ очистки с использованием ультразвуковой энергии различной частоты». Также известен патент CN 103692648 А «Устройство для ультразвуковой сварки микро-нано размерных объектов", в котором описано наиболее близкое решение к заявляемому устройству.
В патенте RU 235781 (Способ очистки с использованием ультразвуковой энергии различной частоты) описывается ультразвуковая очистка предметов от различных загрязнений в жидких моющих средствах, в частности, сложного профиля и с глубокими сквозными каналами и может быть использовано в различных отраслях промышленности и сферах услуг. Способ включает погружение подлежащих очистке предметов в ванну с моющим раствором и воздействие на него ультразвуковых преобразователей, размещенных на прилегающей к ванне вибрационной диафрагме и разбитых на несколько групп, излучающих ультразвуковую энергию в диапазоне частот. Места излучения выбраны на определенном расстоянии одно от другого, обеспечивающем направление в ванну потока ультразвуковых колебаний с разными длинами волн от всех ультразвуковых преобразователей и отсутствием неблагоприятной границы раздела. Использование такого устройства не способно избежать возможного повреждения частей чипов нанокалориметра за счет ультразвука, кроме того, моющая жидкость воздействует на все поле чипа, что в определенных условиях может привести к необратимым повреждениям.
В патенте US 5151084 «Ультразвуковая игла с рукояткой и дефлектором" описано устройство, которое может быть использовано в медицинских целях. Достоинством данного устройства является его использование совместно с подачей дополнительных соединений, необходимых для определенных целей. Недостатком является достаточно большая площадь ультразвукового потока, которая создается иглой.
Из уровня техники известно изобретение «Устройство для ультразвуковой сварки микро-нано размерных объектов", (патент CN 103692648), выбранное в качестве прототипа. Устройство для ультразвуковой сварки содержит ультразвуковой генератор, регулятор мощности, модуль ультразвукового обнаружения в режиме онлайн, модуль обработки сигналов, ультразвуковой преобразователь, головку ультразвукового инструмента, узел управления движением, узел вспомогательных датчиков, выравнивающую подложку и систему управления, которая соединена с ультразвуковым преобразователем через регулятор мощности и ультразвуковой датчик. Прототип может быть использован для ультразвуковых работ на микроразмерных объектах.
Однако прототип имеет ряд недостатков, один из которых - невозможность подачи в рабочую область установки вспомогательных соединений, например, растворителей, использование которых существенно ускоряет процессы очистки. Кроме того, прибор работает с использование режима нагрева, что требует дополнительных мер защиты для оператора.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью является разработка устройства, способного очищать сверхмалую массу вещества (несколько нано- или пикограммов) с поверхности тонкой мембраны из нитрида кремния, не разрушая саму мембрану и прилегающие элементы микроэлектроники. В настоящее время нанокалориметрические сенсоры в большинстве случаев являются одноразовыми, исключение составляют сенсоры, на которые было нанесено вещество с отсутствующей адгезией к мембране из нитрида кремния. Метод нанокалориметрии в основном применяется для исследования свойств полимеров, большая часть которых имеет высокую адгезию к активной области сенсора, из-за чего образец после проведения эксперимента не удается удалить, а, следовательно, повторное использование сенсора для исследования свойств другого вещества становится невозможным. Попытка отмыть сенсор с использованием стандартных методов, таких как очистка, в УЗ ванне, приводит к повреждению чувствительных элементов датчика и выходу его из строя.
Техническим результатом является улучшение ультразвуковой очистки путем создания устройства с направленным действием для очистки непосредственно активной области нанокалориметрического сенсора колебаниями малой амплитуды, с непрерывной подачей растворяющей жидкости.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для ультразвуковой очистки нанокалориметрических сенсоров, включает микроманипулятор (6), систему подачи растворителя (12), состоящую из насоса и капилляра, источник ультразвуковых колебаний (2), излучатель УЗ колебаний (5), соединенный с щупом (13), на конце которого располагается зонд (15), коннектор для подключения нанокалориметрического сенсора (14) к контроллеру (4), который состоит из электронной платы (3) с пружинными контактами и разъема d-sub.
Излучатель УЗ колебаний выполнен в виде цилиндрического магнитострикционного или пьезокерамического излучателя (11) со встроенным щупом (13), на конце которого жестко закреплена тонкая проволока длинной около 1 мм, выполняющая роль чистящего зонда (15) (жесткость крепления может обеспечиваться сваркой, а толщина проволоки определяется размерами активной области сенсора). Источник УЗ колебаний (2) должен обеспечивать стабильный сигнал с малой амплитудой для исключения возможности повреждения чувствительных элементов нанокалориметрического сенсора.
Система подачи растворителя выполнена в виде тонкого изогнутого капилляра (10), один конец которого находится в непосредственной близости к зонду (15) УЗ щупа (13), а через другой конец производится подача жидкости. Поток растворителя может задаваться как вручную, например, с помощью шприца, так и автоматически, с помощью прецизионного линейного актуатора или перистальтического насоса.
В частности, электронная плата (3) с пружинными контактами представляет собой пластину, изготовленную из двустороннего фольгированного стеклотекстолита с пружинными контактами и проводящими дорожками.
Возможный вариант использования устройства: нанокалориметрический сенсор может подключаться к контроллеру (4) нанокалориметра с помощью коннектора, который представляет собой электронную плату (3) с пружинными контактами, соединенную проводами с разъемом d-sub (7). Микроскоп (1) располагается над сенсором (14) и сфокусирован на активную область датчика, где производится очистка от остатков образца (19). Область очистки представляет собой поверхность мембраны из нитрида кремния (18), зафиксированную на кремниевой подложке (17), которая приклеена к керамическому основанию сенсора (16).
Заявляемое устройство имеет ряд преимуществ перед прототипом, из которых наиболее важным является возможность использования данного способа очистки чипов с одновременной обработкой растворителем. Это особенно актуально в связи с использованием небольших энергий ультразвука, которым обрабатывается поверхность. Применение только ультразвука может быть недостаточно для полноценной очистки рабочей области нанокалориметрического чипа. В тоже время, использование растворителя в комбинации с ультразвуком небольшой энергии способно сделать очистку качественной, без разрушения рабочего поля сенсора. Кроме того, прототип имеет статическую систему подачи ультразвукового потока перпендикулярно образцу, движение которой осуществляется через систему управления. В устройстве настоящего патента осуществлена возможность ручного управления оборудованием.
Заявляемое устройство является универсальным, его конструкция позволяет использовать прибор не только для очистки нанокалориметрических сенсоров, но и для чистки любых чувствительных к разрушению поверхностей, где требуется высокое качество очистки без повреждения прилегающих элементов.
Полезная модель поясняется чертежами:
На фиг. 1 представлен общий вид устройства со всеми элементами.
На фиг. 2 изображен общий вид УЗ головки с системой подачи растворителя и столик с размещенным нанокалориметрическим сенсором и электронной платой.
На фиг. 3 схематически представлена процедура очистки сенсора.
На фиг. 4 представлен вид нанокалориметрического сенсора с образцом в разрезе.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - микроскоп, 2 - источник УЗ колебаний, 3 -электронная плата с пружинными контактами, 4 - контроллер нанокалориметра, 5 - модуль УЗ очистки, 6 - микроманипулятор, 7 - разъем d-sub, 8 - столик с подогревом, 9 - провод подключения УЗ излучателя к источнику колебаний, 10 - капилляр для подвода растворителя, 11 - УЗ излучатель, 12 - насос для подачи растворителя, 13 - щуп УЗ головки, 14 - нанокалориметрический сенсор, 15 - зонд для УЗ очистки, 16 - керамическое основание нанокалориметрического сенсора, 17 - кремниевая подложка, 18 - мембрана из нитрида кремния, 19 - образец.
Ниже представлено более подробное описание заявляемого устройства, не ограничивающее сущность, представленную в независимом пункте формулы, а лишь демонстрирующее возможность реализации назначения с достижением заявленного технического результата.
Нанокалориметрический сенсор (14) располагается на столике (8), после чего требуется подключить сенсор к контроллеру нанокалориметра (4) с помощью коннектора, для этого электронную плату с пружинными контактами (3) нужно расположить поверх сенсора и прижать к датчику, разъем d-sub (7) подключается к контроллеру (4). Далее производится настройка микроскопа (1), требуется сфокусироваться на очищаемой поверхности (18). После этого, с помощью четырехкоординатного микроманипулятора (6) производится подвод зонда (15) к образцу (19), который необходимо удалить с поверхности мембраны (18). Данные манипуляции контролируются визуально через микроскоп (1). Затем, при помощи провода (9) через источник УЗ колебаний (2) подается сигнал на излучатель (11), который передает колебания на щуп (13) и далее на зонд (15). После этого на конце капилляра (10) с помощью насоса (12) формируется капля растворителя, размер которой поддерживается постоянным за счет обеспечения постоянного потока. Далее производится нагрев очищаемой поверхности. Нагрев можно осуществить с использованием столика (8) или, если зона очистки располагается непосредственно на активной области сенсора, при помощи нагревателей, встроенных в сенсор, подавая на них сигнал через контроллер нанокалориметра (4). Растворитель из капилляра приводится в контакт с образцом (19) и с зондом (15), который также находится в контакте с образцом, после чего производятся поступательные перемещения модуля очистки (5) при помощи микроманипулятора (6) до полной очистки поверхности (18) от остатков образца (19). Процесс очистки контролируется визуально через микроскоп (1).