УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИН ПРОГИБА И РАЗВОРОТА КАНТИЛЕВЕРА В СКАНИРУЮЩЕМ СИЛОВОМ МИКРОСКОПЕ

Полезная модель относится к механике, в частности к микроскопостроению и может быть использована для измерения рельефа и свойств исследуемой поверхности с помощью сканирующего силового микроскопа.
Известны устройства для измерения прогиба кантилевера (на основе туннельного эффекта, емкостные, тензорезиситивные и др) (J. Vac. Science and Technology В 1991, V.9 р. 950-954). Однако данные устройства имеют малый диапазон измерения величин прогибов, значительный уровень паразитных шумов и наводок, невозможность одновременного измерения прогиба и разворота кантилевера и для их работы возникает необходимость в использовании специализированных кантилеверов с встроенным тензодатчиком.
Известно устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера в сканирующей силовой микроскопии (Быков В. А. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхности. Диссертация док. тех. наук. /В.А.Быков; (Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В.Лукина), - Москва, 2000. - 297с.), состоящее из 4-х квадрантного фотодетектора электрически соединенного с предварительными усилителями и усилителями вырабатывающими необходимый разностный сигнал. Данная схема позволяет регистрировать прогиб и разворот кантилевера зондового микроскопа и таким образом получать изображение исследуемой поверхности. Использование разностного сигнала позволяет увеличить чувствительность схемы и снизить уровень шума в выходных данных. Это вызвано тем, что электронные шумы и наводки, присутствующие во всех входных сигналах вычитаются друг из друга и таким образом происходит снижение уровня помех в выходном сигнале.
Основными недостатками этого устройства являются наличие шума в выходном сигнале величиной около 0,5-1%, вызванного неравностью коэффициентов усиления различных предварительных усилителей, что в свою очередь связано с технологическим разбросом в номиналах резисторов определяющих коэффициент усиления, которое в лучшем случае составляет 0,5-1%.
Технический результат предложенной полезной модели заключается в снижении уровня шума в полезном сигнале более чем в 50 раз и повышении разрешающей способности микроскопа в исследовании рельефа поверхности на такую же величину.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера в сканирующем силовом микроскопе, содержащее фотодетектор, блок предварительных усилителей, и блок сумматора-вычитателя, дополнительно снабжено блоком обработки сигналов. Блок обработки сигналов может содержать подстроечные резисторы. Подстроечные резисторы предназначены для точной регулировки коэффициентов усиления.
Предлагаемое устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера в сканирующем силовом микроскопе включает фотодетектор (1), блок предварительных усилителей (2), блок обработки сигналов (3) и блок сумматора-вычитателя (4). Блок обработки сигналов включает подстроечные резисторы (5). Вход блока обработки сигналов подключен через блок предварительных усилителей к входу фотодетектора, а выход к блоку сумматора-вычитателя.
Возможен вариант устройства, при котором блок обработки сигналов содержит последовательно соединенные подстроечные резисторы и дополнительные усилители. Входы подстроечных резисторов подключены через предварительные усилители с фотодетектором, а выходы соединены через дополнительные усилители со входами блока сумматора-вычитателя.
По второму варианту устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера в сканирующем силовом микроскопе включает фотодетектор (1), блок предварительных усилителей (2), блок обработки сигналов (3), блок сумматора-вычитателя (4), причем блок обработки сигналов состоит из подстроечных резисторов (5) и дополнительных усилителей (6).
Блок дополнительных усилителей позволяет в случае слабых входных сигналов, исходящих от фотодетектора, произвести их дополнительное усиление и таким образом увеличить разрешающую способность микроскопа.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства для регистрации сигнала в сканирующем силовом микроскопе, а на фиг.2 - изображена схема возможного варианта устройства.
Устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера фотодетектора в сканирующей силовой микроскопии работает следующим образом.
Сигнал с фотодетектора (1), содержащий информацию о прогибе и развороте консоли микроскопа, который определяет рельеф исследуемой микроскопом поверхности, усиленный предварительными усилителями БПУ (2) поступает на блок обработки сигналов БОС (3), в котором подстроечными резисторами (5), а при необходимости дополнительными усилителями (6), регулируется коэффициент усиления. Сигнал с
выхода блока обработки сигналов БОС (3) поступает на блок сумматора-вычитателя С/В (4). Операция вычитания выполняется блоком сумматора-вычитателя, который вычитает сигналы с противоположных сегментов фотодетектора и таким образом выделяет полезный сигнал о прогибе и развороте консоли а, следовательно, и информацию о рельефе исследуемой микроскопом поверхности.
Во входном сигнале содержится шум, обусловленный шумами самого фотодетектора, электрическими наводками на электронные компоненты и соединительные провода. Поскольку данный шум содержится во всех сигналах, поступающих на блок сумматора-вычитателя, при вычитании одного сигнала из другого, шум, содержащийся во входных сигналах, вычитается, что приводит к снижению величины результирующего шума на выходе устройства. При точном равенстве значений коэффициентов усилений предварительных усилителей, величины шумового сигнала практически одинаковые, и в данном случае величина шума на выходе будет минимальной - практически равной нулю. Поскольку серийно выпускаемые резисторы, задающие значение коэффициента усиления предварительных усилителей, имеют разброс в пределах 1-10%, значения шумовой составляющей в сигналах с выходов предварительных усилителей также различается на 1-10%. Поэтому при вычислении разностного сигнала в нем остается шумовая составляющая величиной до 1-10%. Путем регулировки коэффициентов усиления с помощью подстроечных резисторов (5) и при необходимости дополнительными усилителями (6) можно уровнять величины сигналов с точностью до 0,01-0,05%, что приведет к снижению уровня шума в выходном сигнале до величин того же порядка.
С помощью ручной регулировки подстроечных резисторов добиваются точного совпадения величин усиленных сигналов. Величины сигналов контролируются с помощью цифрового вольтметра. Данный процесс выполняется однократно при настройке микроскопа в процессе его производства или после починки узла регистрации входного сигнала с фотодетектора. Точность установки величин усиленных сигналов определяется имеющимся измерительным оборудованием и может доходить до 0,01%. Таким образом, в результате регулировки уровень шума также снижается до 0,01%.
В соответствии с сущностью полезной модели был изготовлен образец устройства. В настоящее время устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера фотодетектора используется для измерения величин прогиба и разворота кантилевера в сканирующем силовом микроскопе.