МНОГОЗОНДОВЫЙ ДАТЧИК КОНТУРНОГО ТИПА ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА Российский патент 2005 года по МПК G01B5/28 G12B21/20 

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, измерение и модификацию поверхности объектов.

Известны разные типы многозондовых кантилеверов для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), содержащие консоли с зондами на концах [1, 2].

Недостаток указанных устройств заключается в том, что при их использовании усложнена процедура замены кантилеверов, что приводит к уменьшению их функциональных возможностей.

Известен также кантилевер для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание к которому прикреплены несколько балок с иглами, причем балки выполнены разной длины и толщины, а также балки закреплены на одном краю основания или по краю отверстия, расположенного внутри основания с отрицательными значениями угла между собой [3]. Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Основным недостатком такого устройства является длительность и сложность процедуры замены кантилевера в случае затупления или поломки зондов, или в случае проведения других измерений, например, электромагнитных сил в той же области образца. Такая процедура требует снятия измерительной головки, ручной установки нового кантилевера. Кроме этого возникают проблемы попадания (совмещения) зондов кантилевера в одну и ту же область сканирования на образце.

Технический результат предложенного изобретения заключается в упрощении процедуры замены кантилевера и расширении функциональных возможностей прибора.

Указанный технический результат достигается тем, что в многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание, на котором закреплены консоли с зондами на концах, введена платформа, основание выполнено в виде плоского тела, на котором по контуру расположены консоли с зондами на концах, а углы между продольными осями консолей отличны от 0° и имеют положительные значения, причем основание соединено с платформой с возможностью вращения и фиксации относительно нее.

Существует вариант, в котором основание выполнено в виде диска, центр вращения которого совпадает с его геометрическим центром.

Существует также вариант, в котором консоли расположены под одинаковыми углами друг к другу, а зонды на консолях расположены на одинаковом расстоянии от центра вращения основания.

Кроме этого возможно использование консолей, содержащих гибкие части, либо жесткие и гибкие части, причем жесткие части закреплены на основании.

Возможно также формирование на консолях реперных контактных площадок и установка между платформой и основанием привода вращения.

Целесообразно также формирование на поверхностях консолей функциональных слоев, соединенных с контактными площадками.

На фиг.1 изображен многозондовый датчик контурного типа с консолями, содержащими жесткие и гибкие части, причем жесткие части закреплены на основании.

На фиг.2 - фрагмент многозондового датчика контурного типа, представленного на фиг.1.

На фиг.3 - фрагмент многозондового датчика контурного типа, представленного на фиг.1 вид сбоку.

На фиг.4 - многозондовый датчик контурного типа с консолями, содержащими гибкие части.

На фиг.5 - фрагмент многозондового датчика контурного типа, представленного на фиг.4.

На фиг.6 - многозондовый датчик контурного типа в составе СЗМ.

Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа содержит основание 1 (фиг.1), выполненное в виде плоского тела, например диска, на котором по контуру закреплены консоли 2, имеющие жесткие части 3 и гибкие части 4 с зондами 5 (см., также, фиг.2, фиг.3). Зонды 5 при этом расположены на одинаковом расстоянии от центра вращения датчика. На поверхностях консолей 2 могут быть сформированы различные функциональные слои 6, соединенные с первыми контактными площадками 7, расположенными концентрично к центру вращения основания 1. Соответственно первые контактные площадки 7 при установке консолей 2 на основание 1 соединяются со вторыми контактными площадками 8 основания 1 при помощи пружин 9 и проводящих слоев 10. Возможность изготовления и использования функциональных слоев описана в [3]. Пружины 9 могут быть закреплены на основании 1 через изоляторы 11 и 12.

Во втором варианте многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа содержит основание 13 (фиг.4) в виде центрированного плоского тела, на котором по контуру расположены консоли, имеющие гибкие части 14 (балки) с зондами 15. На поверхностях консолей сформированы функциональные слои 16 (фиг.5), соединяющиеся с третьими контактными площадками 17 с помощью проводящих слоев 18.

Многозондовый датчик контурного типа 19 (фиг.6) закреплен на платформе 20 посредством элемента вращения 21. Кроме этого, на платформе 20 через стойку 22 закреплены скользящие пружинные контакты 23 с возможностью взаимодействия с контактными площадками 8. Круговое перемещение многозондового датчика контурного типа 19 может осуществляться с применением ручного и механизированного вариантов. В ручном варианте элемент 21 может быть выполнен в виде втулки, закрепленной на основании 1 и установленной с возможностью фрикционной подвижки на стойке 22. В механизированном варианте элемент 21 является приводом вращения [4, 5], закрепленным на платформе 20 и сопряженным с основанием 1. Платформа 20, в свою очередь, установлена на держателе платформы 24. Держатель платформы 24 сопряжен со СЗМ 25. Управление СЗМ производится блоком управления 26. Гибкая часть 14 датчика 19 оптически сопряжена с лазером 27 и фотоприемником 28, а зонд 29 расположен с возможностью взаимодействия с объектом 30. Объект 30, в свою очередь закреплен на держателе объекта 31, сопряженном с СЗМ. Подробно состав СЗМ изложен в [6, 7]. Следует заметить, что в ручном варианте поворота датчика его возможно размещать на пьезосканере СЗМ. В автоматизированном варианте датчик 19 с приводом 21 целесообразно располагать стационарно, а держатель 31 на пьезосканере СЗМ.

Устройство работает следующим образом. На основании датчика выбирают одну из консолей 2 и при помощи, например, привода вращения 21 устанавливают ее в рабочую точку. Далее осуществляется подвод многозондового датчика контурного типа к объекту исследования 30 как описано в [6, 7]. При сканировании поверхности объекта 30 зонд 5 консоли 2 может сломаться или затупиться. Для быстрой замены или выбора нужного зонда 5 в данном устройстве необходимо с помощью привода вращения или вручную осуществить установку другой консоли с зондом в рабочую точку. Далее работа осуществляется в той же последовательности, как и с первой консолью многозондового датчика контурного типа. Аналогично поступают при проведении измерений одной и той же области объекта зондами с разной жесткостью гибких частей 4 консолей 2, зондами с магнитным или проводящим покрытием и т.д. Остановку выбранного зонда в рабочем положении можно осуществить, например, по отраженному от консоли излучению лазера, детектируемому секционированным фотодиодом. Второй вариант остановки зонда может использовать скользящие пружинные контакты 23, один или два из которых могут при попадании на контактные площадки 8 фиксировать определенное положение датчика 19. При этом одна или две контактные площадки 8 используются как реперные контактные площадки.

Возможность вращения многозондового датчика контурного типа для сканирующего зондового микроскопа упрощает процедуру замены консолей и расширяет функциональные возможности прибора.

Выполнение основания многозондового датчика контурного типа в виде диска позволяет расположить зонды концентрично к центру вращения, который совпадает с геометрическим центром.

Расположение консолей многозондового датчика контурного типа для СЗМ под одинаковыми углами друг к другу автоматизирует процедуру установки консолей с зондами в рабочую точку, что расширяет функциональные возможности прибора.

Так как зонды расположены на одинаковом расстоянии от оси вращения, это позволяет автоматизировать установку консолей с зондами в рабочую точку.

Реперные контактные площадки позволяют фиксировать определенное рабочее положение многозондового датчика контурного типа.

Установка привода вращения между платформой и основанием многозондового датчика позволяет автоматизировать процесс кругового перемещения датчика.

Использование на поверхностях консолей сформированных функциональных слоев позволяет использовать различные режимы и расширяет функциональные возможности прибора.

ЛИТЕРАТУРА

1. N.Blanc, J.Brugger and N.F. de Rooij “Scanning force microscopy in the dynamic mode using microfabricated capacitive sensors” J. Vacuum Science Technology В 14 (2), Mar/Apr 1996, p.901-905.

2. S.C.Minne, S.R.Manalis and C.F.Quate “Parallel atomic force microscopy using cantilevers with integrated piezoresistive sensors and integrated piezoelectric actuators”. Applied Phys. Letters. Vol.67, N 26, 1995, p.3918-3920.

3. Патент РФ № 2124251, 1998.

4. Каталог фирмы PRINCETON PESEARCT INSTRUMENTS, с. 2.

5. Каталог фирмы MITSUMI ELECTRICCD., LTD.

6. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т.12, № 1, 1998, с.99-121.

7. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И., Успехи химии, 64 (8), 1995, с.818-833.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, измерение и модификацию поверхности объектов. Сущность изобретения заключается в том, что в многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание, на котором закреплены консоли с зондами на концах, введена платформа, основание выполнено в виде плоского тела, на котором по контуру расположены консоли с зондами на концах, а углы между продольными осями консолей отличны от 0° и имеют положительные значения, причем основание соединено с платформой с возможностью вращения и фиксации относительно нее. Технический результат: упрощение процедуры замены кантилевера и расширение функциональных возможностей прибора. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание, на котором закреплены консоли с зондами на концах, отличающийся тем, что в него введена платформа, основание выполнено в виде плоского тела, на котором по контуру расположены консоли с зондами на концах, а углы между продольными осями консолей отличны от 0° и имеют положительные значения, причем основание соединено с платформой с возможностью вращения и фиксации относительно нее.2. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что основание выполнено в виде диска.3. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по пп.1 и 2, отличающийся тем, что центр вращения диска совпадает с его геометрическим центром.4. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что консоли расположены под одинаковыми углами друг к другу.5. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что зонды на консолях расположены на одинаковом расстоянии от центра вращения.6. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что консоли содержат жесткие и гибкие части, причем жесткие части закреплены на основании.7. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что консоли содержат гибкие части.8. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что на консолях сформированы реперные контактные площадки.9. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что между платформой и основанием установлен привод вращения.10. Многозондовый датчик контурного типа для сканирующего зондового микроскопа по п.1, отличающийся тем, что на поверхностях консолей сформированы функциональные слои, соединенные с контактными площадками, расположенными концентрично к центру вращения плоского тела.