Лазерная адаптивная система измерения сверхмалых масс на основе резонансного микровзвешивания

Вестник ДВО РАН. 2014. № 6

УДК 535.417

ЮН. КУЛЬЧИН, Р.В. РОМАШКО, ТА. ЕФИМОВ

Лазерная адаптивная система измерения сверхмалых масс на основе резонансного микровзвешивания

Предложена лазерная адаптивная система измерения на основе резонансного микровзвешивания для регистрации и измерения массы микро- и нанообъектов. Чувствительным элементом системы является кантиле-вер. Выполнены экспериментальные исследования функционирования измерительной системы, определены ее рабочие характеристики. В процессе экспериментальной апробации зарегистрировано изменение массы канти-левера в 4,1 х 10-9 г, при этом практический порог измерения массы, ограниченный шумами системы, составил 3,9 х 10-12 г.

Ключевые слова: микроосциллятор, микровзвешивание, адаптивный интерферометр, динамическая голограмма.

Laser adaptive microweighing system for measurement ultrasmall masses. Yu.N. KULCHIN, R.V. ROMASHKO (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Far-Eastern Federal University, Vladivostok), T.A. EFIMOV (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).

Laser adaptive microweighing system for measuring the ultrasmall masses based on the principles of resonance microweighing for registration and measurement of micro- and nanoobjects. Sensitive element of the system is a cantilever. Research tests of measuring system have been made and its performance has been determined. During the research test the detected variation in mass of cantilever amounted to 4.1 х 10-9 g, the measurement error restricted by the system's noise being 3.9 х 10-12 g.

Key words: microoscillator, microweighing, adaptive interferometer, dynamic hologram.

Для определения массы микро- и нанообъектов чаще всего используется резонансное микровзвешивание, которое заключается в измерении частоты собственных колебаний самих микро- и нанообъектов либо колебательных систем (микроосцилляторов), к которым эти объекты присоединяются. Детектирование колебаний осуществляется в основном оптическими методами [2, 3, 5], из которых наиболее чувствительны интер-ферометрические методы, позволяющие детектировать колебания порядка нескольких ангстрем. Вместе с тем высокая чувствительность любого интерферометра делает его в значительной степени подверженным влиянию внешних факторов, что влечет за собой появление шумов и, как следствие, повышает порог детектирования массы. Применение электронных систем стабилизации существенно усложняет измерительную систему и

КУЛЬЧИН Юрий Николаевич - академик, профессор, директор, РОМАШКО Роман Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), *ЕФИМОВ Тимофей Александрович - аспирант, младший научный сотрудник (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток), *Е-таП: tim2vl@yandex.ru

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-02-90455) и Министерства образования и науки Российской Федерации (постановление П218, договор № 02.G25.31.0116 от 14.08.2014 г. между Открытым акционерным обществом «Центр судоремонта "Дальзавод"» и Министерством образования и науки Российской Федерации).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения сверхмалых масс. 1 - фотоприемник; 2 - кантилевер; 3 - лазерный импульс (длина волны 532 нм, длительность 7 нс, энергия 0,5 мДж); RW - опорная волна; OW -объектная волна; PRC - фоторефрактивный кристалл; У4 - четвертьволновая пластинка

вносит дополнительные шумы [4]. Другая проблема связана с тем, что увеличение чувствительности систем на основе резонансного микровзвешивания требует сокращения размеров микроосциллятора, а это приводит к сильным искажениям фронта зондирующей волны интерферометра и значительному падению его чувствительности. Кроме того, поверхность микроосцилляторов в силу технологических особенностей не всегда можно сделать зеркальной, что также вносит дополнительные искажения в волновой фронт и снижает точность определения массы.

Комплексное решение указанных проблем, по всей видимости, заключается в использовании при создании систем измерения сверхмалых масс принципов адаптивной интерферометрии [1, 6]. Ключевым элементом адаптивного интерферометра являются динамические голограммы, формируемые в фоторефрактивном кристалле (ФРК). Голографический принцип объединения волн в кристалле обеспечивает точное согласование произвольных волновых фронтов опорного и зондирующего световых пучков, а адаптивные свойства динамической голограммы позволяют стабилизировать рабочую точку интерферометра в области его максимальной чувствительности (квадратурные условия) [1]. В этой связи целью настоящей работы стали создание и апробация системы измерения сверхмалых масс на основе резонансного микровзвешивания с использованием принципов адаптивной го-лографической интерферометрии.

Схема системы для измерения сверхмалых масс представлена на рис. 1. В качестве чувствительного элемента (микроосциллятора) используется кантилевер прямоугольной формы размером 233 х 40 х 15 мкм. В ходе измерений собственные колебания кантиле-вера возбуждались лазерными импульсами с длиной волны 532 нм, длительностью 7 нс, энергией 0,5 мДж. Детектирование собственных колебаний кантилевера осуществлялось с помощью адаптивного интерферометра.

В адаптивном интерферометре использован непрерывный лазер с длиной волны излучения 1064 нм, мощностью 20 мВт. Излучение лазера делилось на объектный и опорный пучки в отношении 1 : 5. Объектный пучок фокусировался линзой на свободном конце кантилевера. Пучок, отраженный от кантилевера, попадал в ФРК, где взаимодействовал с опорной волной. Адаптивный интерферометр обеспечивал преобразование изменений фазы отраженной волны, вызванных колебаниями кантилевера, в изменения

интенсивности, которые детектировались фотоприемником [1].

Частота собственных колебаний канти-левсьа(Г)ощитевяетсянго геомерэией, фв-зическими параметрами, массой присоединенных объектов и может быть рассчитана тсемощьюс ледующего выражения [3]:

fo =

п21

E

Рис. 2. Изображение кантилевера с поперечными срезами I

2П2 ^ 12p

где у - отношение измеряемой массы объекта m, присоединенного к кантилеверу, к массе кантилевера mo; р - плотность материала кантилевера; l, t - длина и толщина кантилевера соответственно; E - модуль Юнга материала, из которого изготовлен кантилевер; п - безразмерный параметр, зависящий от у как n(Y) = 1,875/(1 + 4у).

Для экспериментальной апробации работы измерительной системы использован кантилевер, масса которого была изменена путем уменьшения его длины с 250 до 233 мкм, а затем и до 222 мкм. Изменение геометрии производилось в системе ионного травления HITACHI IM4000. Изменение длины кантилевера с 233 до 222 мкм дает разницу в массе кантилевера, равную 5 нг. Разница в массе кантилевера без поперечного среза и с поперечным срезом I (рис. 2) не оценивалась ввиду сложности определения геометрии удаляемого зонда и его массы.

Собственная частота колебаний кантилевера c поперечными срезами I и II составила 215,85 и 234,82 кГц соответственно. Изменение массы кантилевера, рассчитанное исходя из изменения частотыколебанийс использованиемвыражения(1),составило 4,1нг.

Из выражения (1) можно также установить связь между погрешностью измерения частоты 5/ и погрешностью определения массы 5m:

бтп^У-. 2

/

Выражение (2) фактически устанавливает порог измерения массы объектов, присоединяемых к кантилеверу, который определяется относительной погрешностью измерения частоты. Рис. 3 отражает экспериментально полученный статистический разброс значений частоты собственных колебаний кантилевера размером 250 х 40 х 15 мкм при двух

различных температурах окружающего воздуха. При изменении температуры на 3,6 °С частота колебаний кантилевера изменилась на 27,3 Гц. Погрешность измерения частоты колебаний при температуре 21,3 °С составила 6,2 Гц, что соответствует погрешности в измерении массы в 3,9 пг.

Таким образом, в настоящей работе предложена и экспериментально апробирована лазерная адаптивная система измерения сверхмалых масс на основе резонансного микровзвешивания. Экс-

Рис. 3. Частота собственных колебаний кантилевера при периментально измерено изменение

разной температуре массы микроосциллятора

1/2

в 4,1 нг. Определен порог детектирования системы (3,9 пг). Применение адаптивной интерферометрии для измерения сверхмалых масс расширило возможности систем на основе резонансного микровзвешивания: увеличилась стабильность работы, упростилась настройка, исчезла необходимость юстировки оптических элементов. Кроме того, у измерительной системы появился потенциал увеличения чувствительности за счет использования кантилеверов меньших размеров и с более высокой частотой собственных колебаний. Полученные результаты могут стать основой для создания нового типа метрологических систем, предназначенных для измерения сверхмалых масс широкого класса микро- и нанообъектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Girolamo di S., Kamshilin A.A., Romashko R.V., Kulchin Y.N., Launay J.-C. Fast adaptive interferometer on dynamic reflection hologram in CdTe:V // Opt. Express. 2007. Vol. 15. P. 545-555.

2. Gupta S.V. Nano-technology for detection of small mass difference // J. Metrol. Soc. India. 2008. Vol. 23, N 3. P. 177-192.

3. Salehi-Khojin A., Bashash S., Jalili N. Nanomechanical cantilever active probes for ultrasmall mass detection // J. Appl. Phys. 2009. Vol. 105. P. 013506.

4. Shi C.-H., Chen J.-P., Wu G.-L., Li X.-W., Zhou J.-H., Ou F. Stable dynamic detection scheme for magnetostrictive fiber-optic interferometric sensors // Opt. Express. 2006. Vol. 14, N 12. P. 5098-5102.

5. Singamaneni S., LeMieux M.C., Lang H.P., Gerber C., Lam Y., Zauscher S., Datskos P.G., Lavrik N.V., Jiang H., Naik R.R., Bunning T.J., Tsukruk V.V. Bimaterial microcantilevers as a hybrid sensing platform // Advanced Materials. 2008. Vol. 20. P. 653-680.

6. Stepanov S.I. Adaptive interferometry: a new area of applications of photorefractive crystals // International Trends in Optics / ed. J.W. Goodman. N.Y.; L.: Acad. Press, 1991. Ch. 9. P. 125-140.