BG66958B1

BG66958B1 - Micro console sensors for combined microscopy

Info

Publication number: BG66958B1
Application number: BG112337A
Authority: BG
Inventors: Владимир СТАВРОВ; Трифонов Ставров Владимир
Original assignee: Трифонов Ставров Владимир; "Амг Технолоджи" Оод
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2019-09-16
Also published as: WO2018015835A1; BG112337A

Abstract

The invention relates to micro console sensors for atomic force microscopy, which are particularly suitable for use in combined systems using both an atomic force microscope and an optical, electronic or other type of microscopy or a local micro / nanoprocessing method. For this purpose, the micro console sensor of the invention, consisting of a body with a micro console extending therein and comprising of elastic main and probe parts, as in its probe it has an opening with symmetrical surrounding connecting elastic elements. To ensure visibility through the opening towards the probe's interface and its tip, the probe base ends in the opening, and the dimensions of the radius r of the base and the height h of the probe satisfy the ratio: arctg (r / h) <a, where a is the angle of inclination of the plane of the sensor in relation to the plane of the sample examined. The sensors of the invention may also be additionally provided with sensing elements for detecting bending of the micro console as being sensitive to mechanical stress, bimorphic actuation elements of the micro console, etc.

Description

Област на техникатаField of technology

Това изобретение се отнася до микроконзолни сензори за атомно силова микроскопия. В частност, то се отнася до микроконзолни сензори, особено подходящи за използване в комбинирани системи, при които се използват едновременно както атомно силов микроскоп, така и оптическа, електронна или друг вид микроскопия, или метод за локална микро/нанообработка. В допълнение, сензори от настоящото изобретение могат да намерят приложение във всички варианти на изпълнение на метода на сканиращата сондова микроскопия.This invention relates to microconsole sensors for atomic force microscopy. In particular, it relates to microconsole sensors, particularly suitable for use in combined systems in which both an atomic force microscope and optical, electron or other microscopy or a local micro / nanoprocessing method are used. In addition, sensors of the present invention can find application in all embodiments of the scanning probe microscopy method.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Методът на сканиращата сондова микроскопия (ССМ), в частност, сканиращата атомно силова микроскопия (АСМ), е основен за изследването на морфологията на повърхността на разнообразни образци е много висока точност и разделителна способност по оста Z, която е перпендикулярна на изследваната повърхност. Другите известни на специалистите в областта микроскопски методи, като оптическа и електронна микроскопии, притежават висока точност и разделителна способност в равнината XY, но имат незадоволителни параметри по оста Z. Затова, комбинирани системи, включващи, както атомно-силов, така и друг микроскоп, са особено полезни и желани от изследователите.The method of scanning probe microscopy (SCM), in particular scanning atomic force microscopy (AFM), is fundamental to the study of the surface morphology of various samples is very high accuracy and resolution along the Z axis, which is perpendicular to the studied surface. Other microscopic methods known to those skilled in the art, such as optical and electron microscopy, have high accuracy and resolution in the XY plane, but have unsatisfactory parameters along the Z axis. Therefore, combined systems, including both atomic force and other microscopes, are particularly useful and desired by researchers.

За АСМ се използва специализиран консуматив - микроконзолни сензори 1, които обичайно се състоят от тяло 2 и разпростираща се от тялото микроконзола 3, както е показано на примерите от фиг. 1 а-1 е. От практиката са известни две предпочитани форми на микроконзолата - правоъгълна (известна също като single beam) и триъгълна (известна също като V-shape). В свободния край на еластичната микроконзола 3 е разположена сонда 4, чиито връх е с минимален радиус на кривината. Когато микроконзолата 3 е от правоъгълния тип, за осигуряване на достъп на сондата 4 до образеца 5, свободния край на микроконзолата около сондата е стеснен. При изпълнението на анализ с АСМ, микроконзолата е наклонена на специфичен, апаратно зададен от производителя ъгъл а спрямо повърхността на образеца 5, която повърхност се обхожда по зададена мрежа от точки. Във всяка точка се записва реакцията (промяната на огъването) на еластичната микроконзола 3 в резултат от локалното взаимодействие на атомите на сондата 4 е атомите на образеца 5. При детектиране на това взаимодействие, микроконзолите е по-малка стойност на пружинната константа к осигуряват по-голяма амплитуда на огъване и, съответно, по-висока чувствителност. В практиката, огъването на микроконзолата 3 се регистрира по два предпочитани начина - оптически (лазерен) и пиезорезистивен. С оглед конструкцията на микроконзолата 3, съществува важна разлика между двата начина за детекция на огъването - за лазерната детекция трябва да има плътен участък в близост до сондата 4, от който да се отразява лазерния сноп, докато пиезорезистивната детекция се осъществява в участъка на свързване на микроконзолата 3 е тялото 2, който е максимално отдалечен от сондата.A specialized consumable is used for AFM - microconsole sensors 1, which usually consist of a body 2 and a microconsole extending from the body 3, as shown in the examples of fig. 1 a-1 f. Two preferred shapes of the microconsole are known from practice - rectangular (also known as single beam) and triangular (also known as V-shape). At the free end of the elastic microconsole 3 is located a probe 4, the tip of which has a minimum radius of curvature. When the microconsole 3 is of the rectangular type, to allow access of the probe 4 to the sample 5, the free end of the microconsole around the probe is narrowed. When performing analysis with AFM, the microconsole is inclined at a specific, hardware-set angle a to the surface of the sample 5, which surface is traversed by a given network of points. At each point the reaction (change of bending) of the elastic microconsole 3 is recorded as a result of the local interaction of the atoms of the probe 4 is the atoms of the sample 5. When detecting this interaction, the microconsole is a smaller value of the spring constant k provide more large bending amplitude and, accordingly, higher sensitivity. In practice, the bending of the microconsole 3 is registered in two preferred ways - optical (laser) and piezoresistive. In view of the design of the microconsole 3, there is an important difference between the two ways of bending detection - for laser detection there must be a dense area near the probe 4 from which to reflect the laser beam, while piezoresistive detection is performed in the connection area of the beam. the microconsole 3 is the body 2 that is as far away from the probe as possible.

Начинът на извършване на измерване е АСМ е лазерен метод на детекция е показан схематично на фиг. 1а. При него, сноп светлина от неподвижен източник 6 се отразява от задната повърхност на микроконзолата 3 и попада в неподвижен позиционно- чувствителен фотодетектор 7. При това, повърхността на образеца 5 се обхожда по осите X и Y чрез движение на образеца, а посредством контролирано движение на целия сензор 1 само по оста Z, се осигурява постоянен сигнал от отразения сноп светлина от задната страна на микроконзолата 3, както е илюстрирано на фигурата.The method of measurement is AFM is a laser detection method is shown schematically in fig. 1a. In this case, a beam of light from a stationary source 6 is reflected from the rear surface of the microconsole 3 and falls into a stationary position-sensitive photodetector 7. In this case, the surface of the sample 5 is traversed along the X and Y axes by movement of the sample and by controlled movement of the entire sensor 1 only along the Z axis, a constant signal is provided by the reflected beam of light from the rear of the microconsole 3, as illustrated in the figure.

На фиг. 16 е показан един широко разпространен вариант на реализация на сензор за АСМ е обща дължина L, дебелина t и ширина w на микроконзолата, която е постоянна е изключение на участъка на сондата 4, който е стеснен. Въпреки наличието на стеснен участък, е прието такива микроконзоли да бъдат наричани „правоъгълни”. Надлъжен разрез на такъв сензор по оста на симетрия е показан на фиг. 1в. Коравото тяло 2 на сензора 1 е е дебелина в диапазона от около 50 мкм до около 500 мкм, а микроконзолата Зее дебелина в диапазона от около 0.5 мкм до около 10 мкм. Височината h на сондата 4 се избира в съответствие със спецификата на повърхността на изследвания образец, като обичайно сондите на сензорите са пирамидални, е върхове е триъгълна или четириъгълна форма на сечението.In FIG. 16 shows a common embodiment of an AFM sensor is a total length L, a thickness t and a width w of the microconsole that is constant except for the probe portion 4, which is narrowed. Despite the presence of a narrow section, it is customary to call such microconsoles "rectangular". A longitudinal section of such a sensor along the axis of symmetry is shown in FIG. 1c. The rigid body 2 of the sensor 1 is a thickness in the range from about 50 μm to about 500 μm, and the Zee microconsole thickness is in the range from about 0.5 μm to about 10 μm. The height h of the probe 4 is chosen in accordance with the specifics of the surface of the sample under study, as the probes of the sensors are usually pyramidal, the vertices are triangular or quadrangular in cross section.

Описания на издадени патенти за изобретения № 10.1/15.10.2019Descriptions of issued patents for inventions № 10.1 / 15.10.2019

Малка част от сензорите за АСМ са с конична форма на сондата и кръгло сечение на върха.A small part of the AFM sensors have a conical shape of the probe and a round cross section at the top.

Тъй като споменатото отражение на снопа светлина е от обратната страна на микроконзолата в областта на сондата 4 и микроконзолата 3 е плътна, през нея нито може да се наблюдава директно областта, в която сондата взаимодейства с образеца, нито има видимост към върха на сондата. Липсата на директна видимост е показана схематично на фиг. 1а, като това обстоятелство създава неудобства, напр. при изследване на образци с периодични повърхности. Когато няма директна видимост към върха на сондата, точността, с която е известна предварително позицията на върха, ограничава точността, с която може да бъде се измервана позицията на елементите на образеца. Така, обичайно при извършване на измервания с АСМ, се получава информация за разстоянието между елементите, но не може да бъде определена тяхната позиция. За такова определяне, е необходимо извършване на допълнително калибриращо измерване със същия сензор, което е затрудняващо и ограничаващо.Since said reflection of the light beam is on the reverse side of the microconsole in the area of the probe 4 and the microconsole 3 is dense, neither the area in which the probe interacts with the sample nor the visibility to the tip of the probe can be directly observed through it. The lack of direct visibility is shown schematically in fig. 1a, as this circumstance creates inconveniences, e.g. when examining samples with periodic surfaces. When there is no direct visibility to the tip of the probe, the accuracy with which the position of the tip is known in advance limits the accuracy with which the position of the sample elements can be measured. Thus, usually when performing measurements with AFM, information is obtained about the distance between the elements, but their position cannot be determined. For such determination, it is necessary to perform an additional calibration measurement with the same sensor, which is difficult and limiting.

Друг основен, присъщ проблем на АСМ е свързан с голямото време за получаване на изображение на анализираната повърхност. За намаляване на това време е необходимо създаването на бързи микроскопи, които използват бързи микроконзолни сензори с висока резонансна честота f Тъй като обичайно сензорите за АСМ са с хомогенна дебелина 1, бързите сензори притежават и висока стойност на параметъра пружинна константа к. Това прави подобни сензори неподходящи за изследване на особено важната група на меките материали, каквито са напр. биологичните. Така, при микроконзоли с хомогенна дебелина, за постигане едновременно на висока резонансна честота f и малка стойност на пружинната константа к, е наложително използването на микроконзоли с малки стойности на размерите L, w и 1. Това от своя страна създава нови затруднения и неудобства, известни на специалистите в областта.Another major, inherent problem of AFM is related to the long time to obtain an image of the analyzed surface. To reduce this time, it is necessary to create fast microscopes that use fast microconsole sensors with high resonant frequency f Since AFM sensors are usually of homogeneous thickness 1, fast sensors also have a high value of the spring constant parameter k. This makes such sensors unsuitable for examining a particularly important group of soft materials, such as e.g. biological. Thus, in microconsoles with homogeneous thickness, in order to achieve both a high resonant frequency f and a small value of the spring constant k, it is necessary to use microconsoles with small values of sizes L, w and 1. This in turn creates new difficulties and inconveniences, known to those skilled in the art.

Друг разпространен вариант на реализация на сензор 1 за АСМ с лазерна детекция и триъгълна форма на микроконзолата 3 е показан на фиг. 1г. Обичайно, в такава микроконзола 3 е оформен трапецовиден отвор 8. Въпреки отвора, поради необходимостта от отражение на светлината, участъкът непосредствено до сондата 4 е плътен и няма видимост към областта на нейното взаимодействие с образеца 5.Another common embodiment of an AFM sensor 1 with laser detection and a triangular shape of the microconsole 3 is shown in FIG. 1 year Typically, a trapezoidal opening 8 is formed in such a microconsole 3. Despite the opening, due to the need to reflect light, the area adjacent to the probe 4 is dense and there is no visibility to the area of its interaction with the sample 5.

Сензор с отвор е разкрит в Европейски патент № ЕР 0472342 В1, където е описано средство за обработка на информация, което включва и микроконзолен сензор за детекция на микропремествания. Сензорът се състои от тяло, първа еластична част, единият край на която е неподвижно свързан с тялото; и втора еластична част, единият край на която е неподвижно свързан с първата част. При това, резонансната честота на втората част е по-голяма от резонансната честота на първата, която е определяща за режима на работа на сензора. Въпреки, че в един вариант, показан на фиг. 7а от споменатия патент, е разкрит сензор за АСМ с отвор във втората част, функцията на отвора не е описана, нито е разкрито някакво негово предназначение.An aperture sensor is disclosed in European Patent № EP 0472342 B1, which describes a means for processing information, which also includes a microconsole sensor for detecting micro-displacements. The sensor consists of a body, a first elastic part, one end of which is fixedly connected to the body; and a second elastic portion, one end of which is fixedly connected to the first portion. In this case, the resonant frequency of the second part is higher than the resonant frequency of the first, which is decisive for the mode of operation of the sensor. Although in one embodiment shown in FIG. 7a of said patent, a AFM sensor with an aperture in the second part is disclosed, the function of the aperture is not described, nor is any purpose thereof disclosed.

Микроконзолен сензор с отвор е разкрит и в статията A. D. Slattery et al., Atomic force microscope cantilever calibration using afocused ion beam, Nanotechnology, Volume 23, Number 28. В статията е описан метод за калибриране на пружинната константа на микроконзола чрез точно контролирано отнемане на част от нейната маса с използването на фокусиран йонен сноп, при което се формира отвор, в област близо до сондата, но извън участъка за лазерна детекция. В тази статия не се разглежда възможността за друго използване на отвора, вкл. за наблюдение на образеца през него.A hole microconsole sensor is also disclosed in AD Slattery et al., Atomic force microscope cantilever calibration using afocused ion beam, Nanotechnology, Volume 23, Number 28. The article describes a method for calibrating the spring constant of a microconsole by precisely controlled subtraction. part of its mass using a focused ion beam to form an aperture in an area close to the probe but outside the laser detection area. This article does not consider the possibility of other use of the hole, incl. to observe the sample through it.

Другата група микроконзолни сензори за АСМ - тези с пиезорезистивна детекция, са разкрити първоначално в публикациите: М. Tortonese et al. ,.Atomic force Microscopy Using A Piezoresistive Cantilever“ by G. L. Report No. 4821; Transducers, 91 (Mar. 1991) и M. Tortonese et al., Atomic resolution with an atomic force microscope using piezoresistive detection, Appl. Phys. Lett. 62, 834 (1993), както и в патент на САЩ № US 5444244. В тях са описани сензори, включващи пиезорезистори за детекция на огъването на микроконзолата и сонда с малък радиус на кривината. В посочения патент, въпреки, че е даден вариант с формиран отвор в микроконзолата, не е разкрито използването на този отвор за наблюдение на образеца, нито се дискутира подходящо за целта модифициране на формите на отвора и сондата.The other group of microconsole sensors for AFM, those with piezoresistive detection, were initially disclosed in the publications: M. Tortonese et al. , .Atomic force Microscopy Using A Piezoresistive Cantilever “by G. L. Report No. 4821; Transducers, 91 (Mar. 1991) and M. Tortonese et al., Atomic resolution with an atomic force microscope using piezoresistive detection, Appl. Phys. Lett. 62, 834 (1993), and U.S. Pat. No. 5,444,244. They describe sensors including piezoresistors for detecting the bending of the microconsole and a probe with a small radius of curvature. In the said patent, although a variant with a hole formed in the microconsole is given, the use of this hole for monitoring the sample is not disclosed, nor is a suitable modification of the shapes of the hole and the probe discussed for this purpose.

В патент на САЩ № US 5386720 е разкрит сензор за АСМ с пиезорезистивна детекция, състоящ се от две микроконзоли, разпростиращи се от тялото на сензора. Краищата на микроконзолите са свързани посредством формиран общ свободен край с триъгълна форма и в него е оформена сонда с остър връх.U.S. Pat. No. 5,388,620 discloses a piezoresistive detection AFM sensor consisting of two microconsoles extending from the sensor body. The ends of the microconsoles are connected by means of a formed common free end with a triangular shape and a probe with a sharp tip is formed in it.

Въпреки, че по същество е разкрит микроконзолен сензор е формиран отвор, в този патент нито се предполага използването на този отвор за наблюдение на областта на взаимодействие, нито формата на сондата и отвора са подбрани така, че да позволява такова наблюдение.Although an essentially disclosed microconsole sensor has formed an aperture, this patent neither assumes the use of this aperture for monitoring the interaction area, nor the shape of the probe and the aperture are selected to allow such observation.

При използване на микроконзолни сензори е пиезорезисторна детекция на огъването, може да няма неподвижни външни елементи, като източник на светлина 6 и фото-детектор 7. Затова, е такива сензори могат да се анализират както подвижни, така и неподвижни образци. Ето защо, пиезорезистивните микроконзолни сензори са предпочитани в системи за комбинирано едновременно прилагане е други методи, както сканиращ електронен микроскоп (СЕМ), трансмисионен електронен микроскоп (ТЕМ), работа във вакуум и мътни течности, при ниски температури и др., известни на специалистите в областта.When using microconsole sensors is piezoresistor bending detection, there may be no fixed external elements, such as light source 6 and photo-detector 7. Therefore, such sensors can be analyzed both moving and stationary samples. Therefore, piezoresistive microconsole sensors are preferred in combined simultaneous application systems and other methods such as scanning electron microscope (CEM), transmission electron microscope (TEM), operation in vacuum and turbid liquids, at low temperatures, etc., are known to those skilled in the art in the area.

На фиг. 1д е показан един известен от нивото на техниката сензор 1 за АСМ е правоъгълна форма и пиезорезистивна детекция на огъването на микроконзолата, която има дължина L, ширина w и дебелина t. Обичайно, детектиращите резистори 9 са два, ориентирани по оста на микроконзолата 3 и са разположени в нейната основа, а е помощта на метални връзки, непоказани на фигурата, те са свързани в пълна мостова схема е два други, допълнителни пасивни резистора 9'. Надлъжен разрез на такъв сензор 1 по линията АА' е показан на фиг. 1е. Аналогично на примера за микроконзолен сензор е оптична детекция, параметрите на тялото и микроконзолата е пиезорезистивна детекция, са подобни. Допълнително, за осигуряване на висока чувствителност на сензорите, за дебелините: х. на детектиращите пиезорезистори 9 и t на микроконзолата 3, е необходимо да е в сила отношението:In FIG. 1e shows a prior art sensor 1 for AFM is a rectangular shape and piezoresistive detection of the bending of the microconsole, which has length L, width w and thickness t. Typically, the detecting resistors 9 are two, oriented along the axis of the microconsole 3 and are located at its base, and with the help of metal connections not shown in the figure, they are connected in a complete bridge circuit is two other, additional passive resistors 9 '. A longitudinal section of such a sensor 1 along the line AA 'is shown in FIG. 1e. Similar to the example of a microconsole sensor is optical detection, the parameters of the body and the microconsole is piezoresistive detection are similar. Additionally, to ensure high sensitivity of the sensors, for thicknesses: x. of the detecting piezoresistors 9 and t of the microconsole 3, it is necessary to have the relation:

х. <l/3.t (1)x. <l / 3.t (1)

Така, наличието на пиезорезистори е дебелина х. за детекция на огъването, ограничава намаляването на дебелината t на микроконзолите, защото при нарушаване на отношението (1) се намалява чувствителността на сензорния сигнал. Това затруднява получаването на сензори за АСМ е пиезорезистивна детекция, притежаващи малка пружинна константа к, необходими за анализ на меки материали.Thus, the presence of piezoresistors is thickness x. for bending detection, limits the reduction of the thickness t of the microconsoles, because when the relation (1) is violated, the sensitivity of the sensor signal is reduced. This makes it difficult to obtain sensors for AFM is piezoresistive detection, having a small spring constant k, necessary for the analysis of soft materials.

Ето защо, има необходимост от създаването на микроконзолни сензори за АСМ е директна видимост към областта на взаимодействие на сондата е образеца, тъй като такава видимост ще даде възможност както за непосредствено определяне на позицията на върха на сондата, което понастоящем съвременните сензори не позволяват, така и за едновременното извършване на допълващ локален микроскопски анализ или обработка. Такива допълващи методи за анализ са оптическа, електронна, или конфокална микроскопии, локален елементен анализ и др. подобни. Към групата на методите за обработка, които ще могат да се прилагат едновременно е АСМ, са напр. микрообработки е фокусирани електронни, йонни и лазерни снопове, вкл. локално отлагане, израстване или извършване на фазов преход, прилагане на микродиспенсери, микропринтери и др. способи за локално въздействие.Therefore, there is a need to create microconsole sensors for AFM is direct visibility to the area of interaction of the probe is the sample, as such visibility will allow both direct determination of the position of the tip of the probe, which currently sensors do not allow. and for the simultaneous performance of complementary local microscopic analysis or processing. Such complementary methods of analysis are optical, electron, or confocal microscopy, local elemental analysis, and others. similar. To the group of processing methods that can be applied simultaneously is AFM, are e.g. micromachining is focused electronic, ionic and laser beams, incl. local deposition, growth or phase transition, application of microdispensers, microprinters, etc. ways of local impact.

За целта, микроконзолните сензори за АСМ трябва да са снабдени е подходящ отвор в микроконзолата, осигуряващ необходимата пряка видимост към върха и областта на взаимодействие на сондата е образеца. Тази микроконзола трябва да е е обичайни размери и да отговаря същевременно и на съвременните изисквания за висока чувствителност и разделителна способност при детекция на нейното огъване, висока резонансна честота f и малък пружинен коефициент k на елементите, носещи сондата.For this purpose, the microconsole sensors for the AFM must be equipped with a suitable opening in the microconsole, providing the necessary direct visibility to the top and the area of interaction of the probe is the sample. This microconsole must be of normal size and at the same time meet the modern requirements for high sensitivity and resolution in detecting its bending, high resonant frequency f and low spring coefficient k of the elements bearing the probe.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Изобретението се отнася до микроконзолен сензор за използване в сканираща сондова микроскопия е наклон на равнината на сензора спрямо равнината на образеца, който е апаратно зададен под ъгъл а, и който сензор се състои от тяло, от което се разпростира микроконзола е дължина L и ширина w, съставена от основна и сондова части. Единият край на основната част е неподвижно свързан е тялото, а другият край е свързан със сондовата част, като основната част на микроконзолата и сондовата част са еластични и имат различни резонансни честоти, при което резонансната честота на сондовата част е по-голяма от резонансната честота на основната част. Също така, в сондовата част е оформен отвор със симетрични околни свързващи еластични елементи, а за осигуряване на видимост към областта на взаимодействие на сондата е образеца и към нейния връх, основата на сондата завършва в отвора и размерите на радиуса г на основата и височината h на сондата удовлетворяват отношението: arctg(r/h) < а.The invention relates to a microconsole sensor for use in scanning probe microscopy is the inclination of the plane of the sensor relative to the plane of the sample, which is hardware set at an angle a, and which sensor consists of a body from which extends the microconsole is length L and width w , composed of main and probe parts. One end of the main part is fixedly connected to the body and the other end is connected to the probe part, as the main part of the microconsole and the probe part are elastic and have different resonant frequencies, where the resonant frequency of the probe part is higher than the resonant frequency. of the main part. Also, in the probe is formed a hole with symmetrical surrounding connecting elastic elements, and to ensure visibility to the area of interaction of the probe is the sample and its tip, the base of the probe ends in the hole and the dimensions of the radius d of the base and height h of the probe satisfy the relation: arctg (r / h) <a.

Пружинните константи на основната и сондовата части на микроконзолата варират по желание и са постигнати чрез избор на параметрите на споменатите части: дължина / и дебелина d на основната част, проектирани дължини а и Ь, ширини и g и дебелина t на еластичните елементи на сондовата част.The spring constants of the main and probe parts of the microconsole vary as desired and are achieved by choosing the parameters of said parts: length / s and thickness d of the main part, designed lengths a and b, widths and g and thickness t of the elastic elements of the probe .

В един вариант на изобретението, за осигуряване на висока разделителна способност на сензора, върхът на сондата е със симетрична конична форма.In one embodiment of the invention, to provide a high resolution sensor, the tip of the probe has a symmetrical conical shape.

В друг вариант на изобретението, основата на сондата е със симетрична конична форма с височина h_b и плосък горен участък, а върхът й е с височина ly. като за височините 1уи фи радиуса г на основата на сондата са в сила отношенията:In another embodiment of the invention, the base of the probe has a symmetrical conical shape with a height h _b and a flat upper section, and its tip is a height ly. as for the heights 1y and fi of the radius d on the basis of the probe the relations are in force:

h + h>h= r /tg a.x + x> x = r / tg a.

В следващ вариант на изобретението, височината h_b на основата, дебелината d на основната част и дебелината t на сондовата част, удовлетворяват отношението:In another embodiment of the invention, the height h _b of the base, the thickness d of the main part and the thickness t of the probe part satisfy the ratio:

h_b = d-t.h _b = dt.

Във вариант на изобретението, абсолютната стойност на височината 1у на върха е в диапазона от 0 до 0.5 мкм, за предпочитане от 20 нм до 100 нм.In an embodiment of the invention, the absolute value of the height 1y at the tip is in the range from 0 to 0.5 μm, preferably from 20 nm to 100 nm.

В друг вариант на изобретението, върхът е разположен по, или на контролирано отстояние δ от оста на симетрия на основата, а материалът на върха на сондата е хомогенен или различен от материала на нейната основа.In another embodiment of the invention, the tip is located at or at a controlled distance δ from the axis of symmetry of the base, and the material of the tip of the probe is homogeneous or different from the material of its base.

Във вариант на изобретението, сондата съдържа елемент с цилиндрична форма и коничен връх, формиращ върха, който елемент е поместен във вдлъбната част в основата на сондата.In an embodiment of the invention, the probe comprises a cylindrical element and a conical tip forming the tip, which element is housed in the concave portion at the base of the probe.

В друг вариант на изобретението, в основната част на микроконзолата за увеличаване на чувствителността на сензора е формиран поне един допълнителен отвор.In another embodiment of the invention, at least one additional opening is formed in the main part of the microconsole to increase the sensitivity of the sensor.

В още един друг вариант на изобретението, допълнителните отвори са два или три.In yet another embodiment of the invention, the additional openings are two or three.

В следващ вариант на изобретението, върху повърхността на микроконзолата допълнително са формирани елементи за галванично свързване на сондата с външни средства за измерване.In another embodiment of the invention, elements for galvanically connecting the probe to external measuring means are further formed on the surface of the microconsole.

В още един вариант на изобретението, върху повърхността на основната част на микроконзолата допълнително са формирани елементи за биморфно актюиране на микроконзолата.In another embodiment of the invention, elements for bimorph actuation of the microconsole are further formed on the surface of the main part of the microconsole.

В един друг вариант на изобретението, сензорът допълнително съдържа сензорни елементи за детекция на огъването на микроконзолата, чувствителни към механичните напрежения в неподвижния край на основната част на микроконзолата. Споменатите сензорни елементи са пиезорезистори, пиезоелектрически, тънкослойни метални тензосензори, тънки метални слоеве с прекъсната структура, тънкослойни резистори от поливинилиденфлуорид, графен или молибденов дисулфид.In another embodiment of the invention, the sensor further comprises sensor elements for detecting the bending of the microconsole, sensitive to the mechanical stresses at the fixed end of the main part of the microconsole. Said sensor elements are piezoresistors, piezoelectric, thin-film metal strain gauges, thin metal layers with a broken structure, thin-film resistors of polyvinylidene fluoride, graphene or molybdenum disulfide.

В още един друг вариант на изобретението, сондовата част съдържа допълнително плътен участък, способен да отразява сноп светлина с ширина w, равна на ширината на микроконзолата и дължина а, която превъзхожда 3η пъти максималния размер λ на сечението на светлинния сноп, използван за детекция на огъването на микроконзолата. В случая η е безразмерна апаратна функция в диапазона от 1.0 до 3.0, за предпочитане от 1.3 до 2.5.In yet another embodiment of the invention, the probe portion further comprises a dense portion capable of reflecting a beam of light with a width w equal to the width of the microconsole and a length a that exceeds 3η times the maximum cross-sectional size λ of the light beam used to detect bending the microconsole. In this case, η is a dimensionless hardware function in the range from 1.0 to 3.0, preferably from 1.3 to 2.5.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Фигура 1а показва страничен вид на микроконзолен сензор за АСМ с лазерна детекция в работно положение, известен от нивото на техниката.Figure 1a shows a side view of a microconsole sensor for AFM with laser detection in the operating position, known in the art.

Фигура 16 е поглед отгоре на обичаен правоъгълен микроконзолен сензор за АСМ.Figure 16 is a top view of a conventional rectangular microconsole sensor for AFM.

На фигура 1в е показан надлъжен разрез на обичаен микроконзолен сензор за АСМ.Figure 1c shows a longitudinal section of a conventional microconsole sensor for AFM.

Фигура 1г показва обичаен за нивото на техниката микроконзолен сензор за АСМ с триъгълна форма.Figure 1d shows a prior art microconsole sensor for a triangular-shaped AFM.

Фигура 1д е поглед отгоре на микроконзолен сензор за АСМ с правоъгълна форма и вградени пиезорезистори, известен от нивото на техниката.Figure 1e is a top view of a rectangular microconsole sensor for AFM and built-in piezoresistors known in the art.

На фигура lee показан надлъжен разрез на микроконзолния МЕМС прибор с вградени пиезорезистори за детекция на огъването, известен от нивото на техниката.Figure lee shows a longitudinal section of a microconsole MEMS device with built-in piezoresistors for bending detection, known in the art.

Фигура 2а показва поглед отгоре на хоризонтално разположен микроконзолен сензор за АСМ съгласно изобретението, с отвор за наблюдение на областта на взаимодействие на сондата и образеца и вградени пиезорезистори.Figure 2a shows a top view of a horizontally arranged microconsole sensor for AFM according to the invention, with an opening for monitoring the area of interaction of the probe and the sample and built-in piezoresistors.

На фигура 26 е показан надлъжен разрез на микроконзолен сензор по линията АА' от фиг. 2а, с различни дебелини на основната и на сондовата части.Figure 26 shows a longitudinal section of a microconsole sensor along the line AA 'of fig. 2a, with different thicknesses of the main and the probe parts.

На фигура 2в е показан надлъжен разрез на микроконзолен сензор по линията АА' от фиг. 2а, с еднаква дебелина на основната и на сондовата части.Figure 2c shows a longitudinal section of a microconsole sensor along the line AA 'of fig. 2a, with equal thickness of the main and the probe parts.

Фигура 2г показва поглед отстрани в работно положение на пиезорезистивен микроконзолен сензор за АСМ с отвор за наблюдение на областта на взаимодействие на сондата и образеца.Figure 2d shows a side view in working position of a piezoresistive microconsole sensor for AFM with an opening for monitoring the area of interaction of the probe and the sample.

На фигура За е показан поглед отгоре на микроконзолен сензор за АСМ в работно положение, с петоъгълен отвор за наблюдение на образеца и върха на сондата.Figure 3a shows a top view of a microconsole sensor for AFM in the operating position, with a pentagonal hole for monitoring the sample and the tip of the probe.

Фигура 36 показва поглед отстрани на надлъжен разрез на микроконзола в работно положение, с отвор за наблюдение на образеца и хомогенна симетрична сонда.Figure 36 shows a side view of a longitudinal section of a microconsole in an operating position, with a sample observation hole and a homogeneous symmetrical probe.

На фигура Зв е показан поглед отстрани на надлъжен разрез на микроконзола с нехомогенна симетрична сонда и връх, разположен по оста на симетрия на основата.Figure 3b shows a side view of a longitudinal section of a microconsole with an inhomogeneous symmetrical probe and a tip located along the axis of symmetry of the base.

На фигура Зг е показан поглед отстрани на надлъжен разрез на микроконзола с нехомогенна сонда и връх, разположен с отместване от оста на симетрия на основата.Figure 3d shows a side view of a longitudinal section of a microconsole with an inhomogeneous probe and a tip located offset from the axis of symmetry of the base.

Фигура Зд показва аксонометричен вид на сонда със сглобен връх.Figure 3d shows an axonometric view of a probe with an assembled tip.

Фигура 4а е схематичен поглед отстрани на сонда със симетричен връх и образец, притежаващ анализиран и смущаващ елемент.Figure 4a is a schematic side view of a probe with a symmetrical tip and a sample having an analyzed and disturbing element.

Фигура 46 е схематично представяне на влиянието на смущаващо взаимодействие между връх на сонда с триъгълно сечение и периодично разположени симетрични смущаващи елементи.Figure 46 is a schematic representation of the effect of the interfering interaction between the tip of a probe with a triangular cross-section and periodically arranged symmetrical interfering elements.

На фигура 4в е представено схематично влиянието на смущаващо взаимодействие между връх на сонда с четириъгълно сечение и периодично разположени симетрични смущаващи елементи.Figure 4c shows schematically the effect of the interfering interaction between the tip of a probe with a quadrangular cross-section and periodically arranged symmetrical interfering elements.

Фигура 4г е схематично представяне на влиянието на смущаващо взаимодействие между сонда с връх с кръгло сечение и периодично разположени симетрични смущаващи елементи.Figure 4d is a schematic representation of the effect of an interfering interaction between a probe with a circular tip and periodically arranged symmetrical interfering elements.

Фигура 4д е схематично представяне на влиянието на смущаващо взаимодействие между сонда с връх с кръгло сечение и периодично разположени асиметрични смущаващи елементи.Figure 4e is a schematic representation of the effect of an interfering interaction between a probe with a circular tip and periodically arranged asymmetric interfering elements.

Фигура 5а е поглед отгоре на вариант на хоризонтално разположен микроконзолен сензор за АСМ, снабден с отвор за наблюдение на образеца и един допълнителен отвор в основната част.Figure 5a is a top view of a variant of a horizontally arranged microconsole sensor for AFM provided with a sample observation hole and an additional hole in the main part.

Фигура 56 показва поглед отгоре на вариант на хоризонтално разположен микроконзолен сензор за АСМ, снабден с отвор в сондовата част и два допълнителни отвора в основната част.Figure 56 shows a top view of a variant of a horizontally positioned microconsole sensor for AFM provided with an opening in the probe portion and two additional openings in the main portion.

Фигура 5в е поглед отгоре на вариант на хоризонтално разположен микроконзолен сензор за АСМ, с отвор в сондовата част за наблюдение на образеца и три допълнителни отвора в основната част.Figure 5c is a top view of a variant of a horizontally located microconsole sensor for AFM, with an opening in the probe for monitoring the sample and three additional holes in the main part.

Фигура 6а е поглед отгоре на микроконзолен сензор за АСМ с вградени пиезорезистори, с триъгълен отвор за наблюдение на образеца, три отвора в основната част и електропроводяща връзка между сондата и външен измерителен уред.Figure 6a is a top view of a microconsole sensor for AFM with built-in piezoresistors, with a triangular sample observation hole, three holes in the main part and an electrically conductive connection between the probe and an external meter.

На фигура 66 е показан вид отгоре на микроконзолен сензор за АСМ с вградени детектори за огъването на микроконзолата, с триъгълен отвор за наблюдение на образеца, три допълнителни отвора и биморфен термо актюатор.Figure 66 shows a top view of a microconsole sensor for AFM with built-in microconsole bending detectors, with a triangular pattern observation hole, three additional holes, and a bimorphic thermal actuator.

Фигура 7а е поглед отгоре на хоризонтално разположен микроконзолен сензор за АСМ с лазерна детекция и триъгълен отвор за наблюдение.Figure 7a is a top view of a horizontally positioned microconsole sensor for AFM with laser detection and a triangular viewing hole.

На фигура 76 е показан надлъжен разрез на хоризонтално разположен микроконзолен сензор с лазерна детекция на огъването, с различни дебелини на основната и на сондовата част.Figure 76 shows a longitudinal section of a horizontally arranged microconsole sensor with laser bending detection, with different thicknesses of the main and the probe part.

Фигура 7в показва поглед отстрани в работно положение на микроконзолен сензор за АСМ за лазерна детекция с отвор за наблюдение на областта на взаимодействие на сондата и образеца.Figure 7c shows a side view in working position of a microconsole sensor for AFM for laser detection with an aperture for monitoring the area of interaction of the probe and the sample.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention

Пример 1.Example 1.

Един вариант на изпълнение на микроконзолен сензор съгласно настоящото изобретение, е показан на фиг. 2а, и в разрез по линията АА', на фиг. 26. Фигура 2а представлява поглед отгоре на хоризонтално разположен микроконзолен сензор 1, състоящ се от тяло 2 и симетрична спрямо надлъжната ос микроконзола 3 с дължина L и ширина w. За предпочитане, дължината L е в диапазона от около 20An embodiment of a microconsole sensor according to the present invention is shown in FIG. 2a, and in section along the line AA ', in FIG. 26. Figure 2a is a plan view of a horizontally arranged microconsole sensor 1 consisting of a body 2 and symmetrical to the longitudinal axis of the microconsole 3 with a length L and a width w. Preferably, the length L is in the range of about 20

Описания на издадени патенти за изобретения № 10.1/15.10.2019 мкм до около 500 мкм, по-предпочитано от 50 мкм до 425 мкм, а ширината w е в диапазона от около 5 мкм до около 150 мкм, по-предпочитано от 20 мкм до 120 мкм. Обичайно, параметрите L и w на микроконзолата се избират съобразно приложението й, по начин известен на специалистите в областта. В този пример, дължината L е 100 мкм, а ширината w е 40 мкм. Микроконзолата 3 има две обособени еластични части - основна 10 и сондова 11. Единият край на основната част 10 е неподвижно свързан е тялото 2, а към другия е присъединена сондовата част 11. В свободния край на сондовата част 11 на микроконзолата 3 е разположена сонда 4 е конична форма, а непосредствено до сондата 4 е оформен отвор 12 е околни еластични свързващи елементи 13. Формата на отвора 12 е симетрична, представляваща логическа разлика на симетричен многоъгълник е нечетен брой върхове, в случая пет, и фигурата на основата 4' на сондата 4, при което основата 4' завършва в отвора 12. Така, през отвора 12 има пряка видимост към изследвания образец 5 и може да се наблюдава околността на областта, в която става взаимодействието между образеца 5 и сондата 4. Когато сондата 4 е със симетрична конична форма, съответно сечението на основата 4' е е формата на кръг, координатите на върха 14 на сондата 4 в равнината XY се пресмятат, като средноаритметична стойност на координатите на произволно избрана двойка диаметрално разположени точки от периферията на основата 4', видими от задната страна на микроконзолата, за предпочитане, двойката точки са разположени по оста на симетрия на микроконзолата. Ето защо, видимостта на част от периферията на основата 4' е достатъчна чрез пресмятане точно да се определи позицията на върха 14 на сондата 4 и съответно, позицията на областта на взаимодействие на сондата 4 е образеца 5, дори когато върхът 14 не се вижда директно от задната страна на сензора.Descriptions of issued patents for inventions № 10.1 / 15.10.2019 μm to about 500 μm, more preferably from 50 μm to 425 μm, and the width w is in the range from about 5 μm to about 150 μm, more preferably from 20 μm to 120 μm. Typically, the microconsole parameters L and w are selected according to its application, in a manner known to those skilled in the art. In this example, the length L is 100 μm and the width w is 40 μm. The microconsole 3 has two separate elastic parts - main 10 and probe 11. One end of the main part 10 is fixedly connected to the body 2, and the other is connected to the probe part 11. In the free end of the probe part 11 of the microconsole 3 is a probe 4 is a conical shape, and next to the probe 4 is formed a hole 12 is the surrounding elastic connecting elements 13. The shape of the hole 12 is symmetrical, representing a logical difference of a symmetrical polygon is an odd number of vertices, in this case five, and the base figure 4 'of the probe 4, wherein the base 4 'terminates in the opening 12. Thus, through the opening 12 there is a direct view to the sample 5 and the vicinity of the area in which the interaction between the sample 5 and the probe 4 can be observed. When the probe 4 is symmetrical conical shape, respectively the cross section of the base 4 'is the shape of a circle, the coordinates of the tip 14 of the probe 4 in the XY plane are calculated as the arithmetic mean of the coordinates of the product A selected pair of diametrically located points on the periphery of the base 4 'visible from the rear of the microconsole, preferably the pair of points are located on the axis of symmetry of the microconsole. Therefore, the visibility of part of the periphery of the base 4 'is sufficient by calculation to accurately determine the position of the tip 14 of the probe 4 and, accordingly, the position of the interaction area of the probe 4 is the sample 5, even when the tip 14 is not directly visible. on the back of the sensor.

Така описаният сензор 1 може да бъде използван за АСМ чрез лазерна детекция на огъването на микроконзолата. По желание, той също така може да бъде снабден допълнително със сензорни елементи 9, разположени на горната повърхност в неподвижния край на основната част 10 на микроконзолата 3, в непосредствена близост до участъка й на свързване е тялото 2. Сензорните елементи 9 са избрани от някои от известните на специалистите в областта типове: пиезорезистивни, тънкослойни метални елементи е прекъсната структура, нано-гранулатни тунелни резистори, пиезоелектрически, тънкослойни метални тензосензори, тънкослойни резистори от поливинилиденфлуорид (PVDF), двумерни материали като графен, молибденов дисулфид и др. подобни; в този пример сензорните елементи са пиезорезистори. Те са свързани в мостова схема е помощта на електропроводящи метални връзки, непоказани на фигурата, със спомагателни елементи 9', които са еднотипни по конструкция и параметри със сензорните елементи 9, но са разположени на повърхността на недеформируемото тяло 2. Така свързаните сензорни елементи 9 генерират напрежителен сензорен сигнал, съответстващ на огъването на микроконзолите. Най-предпочитани са пиезорезисторите, които, както е показано в примера на фигура 2а, са е дължина /., която е по-малка от дължината / (/.</) на основната част 10.The sensor 1 thus described can be used for AFM by laser detection of the bending of the microconsole. If desired, it can also be additionally provided with sensor elements 9 located on the upper surface at the fixed end of the main part 10 of the microconsole 3, in close proximity to its connection section is the body 2. The sensor elements 9 are selected from some of the types known to those skilled in the art: piezoresistive, thin-film metallic elements is a broken structure, nano-granular tunnel resistors, piezoelectric, thin-film metal strain gauges, thin-film resistors of polyvinylidene fluoride and other materials (PVDF). similar; in this example the sensor elements are piezoresistors. They are connected in a bridge circuit by means of electrically conductive metal connections, not shown in the figure, with auxiliary elements 9 ', which are identical in construction and parameters with the sensor elements 9, but are located on the surface of the non-deformable body 2. Thus connected sensor elements 9 generate a voltage sensor signal corresponding to the bending of the microconsoles. Most preferred are piezoresistors which, as shown in the example of Figure 2a, have a length (.) Which is less than the length (/.</) of the main part 10.

Във варианта на изпълнение на изобретението, показан на фиг. 2а, фигурата петоъгълник на симетричния отвор 12, в която завършва основата 4', представлява логическата сума (обединението) на два участъка: правоъгълен е дължина а и участък, е формата на равнобедрен триъгълник е проектирана дължина b и ширини на участъците на околните еластични свързващи елементи 13 респективно g₍ Hg_;. Показаната на фиг. 26 дебелина на тялото 2 е обичайна за областта и е в диапазона от около 50 мкм до около 500 мкм, в този пример дебелината е 270 мкм. Дебелината на основната част d на микроконзолата 3 е в диапазона от 0.5 мкм до 10 мкм, като в този пример е 5 мкм и е различна от дебелината на сондовата част 1, която в този пример е 1 мкм. В това изпълнение на изобретението е в сила отношението: d > t (2)In the embodiment of the invention shown in FIG. 2a, the pentagon figure of the symmetrical hole 12, in which the base 4 'ends, represents the logical sum (union) of two sections: a rectangle is length a and a section, is the shape of an isosceles triangle is designed length b and widths of the sections of the surrounding elastic connectors elements 13 or g ₍ Hg _;. The thickness of the body 2 shown in Fig. 26 is normal for the region and is in the range from about 50 μm to about 500 μm, in this example the thickness is 270 μm. The thickness of the main part d of the microconsole 3 is in the range from 0.5 μm to 10 μm, in this example being 5 μm and different from the thickness of the probe part 1, which in this example is 1 μm In this embodiment of the invention the ratio is valid: d> t (2 )

При фиксирани стойности на параметрите L и w, посредством избора на параметрите /, d, 1, а, Ь, gj и g₂ на съответните части, могат да бъдат реализирани множество различни сензори, притежаващи желана резонансна честота и разлика в пружинните константи на двете части: основна 10 и сондова 11. Във всички случаи от това изобретение, резонансната честота на сондовата част lie по-голяма от резонансната честота на основната част 10, като работната честота на микроконзолния сензор се определя от по-ниската честота. При това, е възможно да бъде реализирана сондова част lie намалена стойност на пружинната константа, без това да е обвързано е намаляване на чувствителността на пиезорезисторните сензори 9 и на резонансната честота f които се определят основно от дебелинатаAt fixed values of the parameters L and w, by selecting the parameters /, d, 1, a, b, gj and g ₂ of the respective parts, many different sensors can be realized, having the desired resonant frequency and difference in the spring constants of the two parts: main 10 and probe 11. In all cases of this invention, the resonant frequency of the probe lie is greater than the resonant frequency of the main part 10, the operating frequency of the microconsole sensor being determined by the lower frequency. In this case, it is possible to realize a probe part lie reduced value of the spring constant, without this being associated with a decrease in the sensitivity of the piezoresistor sensors 9 and the resonant frequency f which are determined mainly by the thickness

Описания на издадени патенти за изобретения № 10.1/15.10.2019 d на основната част 10.Descriptions of issued patents for inventions № 10.1 / 15.10.2019 d of the main part 10.

На фиг. 2в е показан надлъжен разрез на друг вариант на изпълнение на микроконзолния сензор 1 по линията АА'. В това изпълнение на изобретението, за дебелината d на основната част 10 на микроконзолата 3 и дебелината t на сондовата част 11, е в сила отношението:In FIG. 2c shows a longitudinal section of another embodiment of the microconsole sensor 1 along the line AA '. In this embodiment of the invention, for the thickness d of the main part 10 of the microconsole 3 and the thickness t of the probe part 11, the relation:

d = t (3)d = t (3)

Така, пружинната константа на основната част 10 се определя от споменатите еднакви дебелини, както и от нейните дължина / и ширина w. Докато пружинната константа на сондовата част 11 се определя от проектираните дължини а и b на еластичните свързващи елементи 13, както и от техните ширини gj и g Ето как, дори при еднакви дебелини d и t на двете части и фиксирани стойности на параметрите L и w, посредством подбор на параметрите /, a, b, g и g може да бъде постигнато избрано съотношение на резонансните честоти и пружинните константи на двете части на микроконзолата 3 основна 10 и сондова 11. Това осигурява кумулативно свойствата: висока резонансна честота f висока чувствителност и „мека” сондова част 11, която не уврежда изследвания образец, без да е необходимо микроконзолите да са с малки геометрични размери L, w и t.Thus, the spring constant of the main part 10 is determined by said equal thicknesses as well as by its length / and width w. While the spring constant of the probe part 11 is determined by the designed lengths a and b of the elastic connecting elements 13, as well as by their widths gj and g Here is how, even at equal thicknesses d and t of both parts and fixed values of parameters L and w , by selecting the parameters /, a, b, g and g a selected ratio of resonant frequencies and spring constants of the two parts of the microconsole 3 main 10 and probe 11 can be achieved. This provides cumulative properties: high resonant frequency f high sensitivity and "Soft" probe part 11, which does not damage the test specimen, without the need for the microconsoles to have small geometric dimensions L, w and t.

Сензорът съгласно примера от настоящото изобретение се използва по начина, показан на фиг. 2г. В работно положение микроконзолният сензор 1 е наклонен на апаратно зададен ъгъл а спрямо повърхността на образеца 5, чието обхождане може да бъде, по избор, чрез движение на образеца 5 по осите X и Y, условно обозначено на фигурата със символите Х(о) и Y(o). При това, посредством контролирано движение на сензора 1 по оста Ζ, се осигурява постоянен сигнал от свързаните в мост пиезорезистори 9 и 9'.The sensor according to the example of the present invention is used in the manner shown in FIG. 2y. In the operating position, the microconsole sensor 1 is inclined at a hardware set angle a to the surface of the sample 5, the traversal of which can be, optionally, by moving the sample 5 along the X and Y axes, conventionally indicated in the figure by the symbols X (o) and Y (o). In this case, by means of a controlled movement of the sensor 1 along the axis Ζ, a constant signal is provided by the piezoresistors 9 and 9 'connected in a bridge.

Възможно е също така, образецът да е неподвижен, като неговата повърхност се обхожда чрез движение на микроконзолния сензор 1 с вградени пиезорезистори 9 и 9' по осите X и Υ. Аналогично, чрез контролирано движение на сензора 1 и по оста Ζ, се осигурява постоянен сигнал от свързаните в мост пиезорезистори 9 и 9', при обхождането на образеца 5. Известно е, че когато образецът 5 е неподвижен, позицията на неговите елементи е постоянна и може да бъде регистрирана предварително, напр. от допълващ инструмент.It is also possible for the sample to be stationary, its surface being traversed by the movement of the microconsole sensor 1 with integrated piezoresistors 9 and 9 'along the X and о axes. Similarly, by controlled movement of the sensor 1 and along the axis Ζ, a constant signal is provided by the piezoresistors 9 and 9 'connected in the bridge, when traversing the sample 5. It is known that when the sample 5 is stationary, the position of its elements is constant and can be pre-registered, e.g. from a complementary tool.

При наличие на отвор 12, осигуряващ видимост към част от основата 4' на сондата 4, когато тя е със симетрична форма, чрез пресмятане както е посочено по-горе, може да бъде определена точно позицията на върха 14. Така, освен че може да бъде наблюдавана областта на взаимодействие на сондата 4 с образеца 5, с АСМ може да се определят и координатите (позицията) на всеки от елементите на изследваната повърхност.In the presence of an opening 12 providing visibility to part of the base 4 'of the probe 4, when it is symmetrical in shape, by calculation as indicated above, the exact position of the tip 14 can be determined. Thus, in addition to being able to the area of interaction of the probe 4 with the sample 5 is observed, the coordinates (position) of each of the elements of the examined surface can be determined with the AFM.

На фиг. За е показан вид отгоре в работно положение на микроконзолен сензор 1 с отвор 12, съгласно примерите от настоящото изобретение. По-специално, на фигурата е показан вариант, когато ширината g₂ на еластичния елемент 13 е по-малка от диаметъра (g₂ < 2г) на кръглата основа 4', чиито център се намира в пресечната точка на средните линии на елементите 13. Това е достатъчно условие точките на основата 4', които са по оста на симетрия на микроконзолата, да са видими при наблюдение от задната страна. При това, микроконзолата е наклонена на апаратно зададения ъгъл а спрямо равнината на образеца 5 и върхът 14 на сондата 4 се вижда директно през отвора 12, както е показано на фиг. За. Така е възможно едновременното извършване на два микроскопски анализа в областта на взаимодействие на сондата с образеца - АСМ и допълваща микроскопия, като например оптическа, сканираща електронна и др.In FIG. A top view in working position of a microconsole sensor 1 with an aperture 12 according to the examples of the present invention is shown. In particular, the figure shows a variant when the width g ₂ of the elastic element 13 is less than the diameter (g ₂ <2d) of the circular base 4 ', the center of which is at the intersection of the midlines of the elements 13. This is a sufficient condition that the points of the base 4 ', which are on the axis of symmetry of the microconsole, are visible when viewed from the rear. In this case, the microconsole is inclined at the hardware set angle a with respect to the plane of the sample 5 and the tip 14 of the probe 4 is visible directly through the opening 12, as shown in FIG. For. Thus, it is possible to simultaneously perform two microscopic analyzes in the field of interaction of the probe with the sample - AFM and complementary microscopy, such as optical, scanning electron and others.

В показания на фиг. 36 детайлен страничен вид на надлъжен разрез на областта на сондата 4 в работно положение, сондата е с цилиндрично-симетрична форма, височина h, а радиусът на основата й е г. Установено бе, че при фиксиран наклон а, в този пример а = 13°, върхът 14 на сондата 4 се вижда директно през отвора 12, само когато е изпълнено условието:In the indications of FIG. 36 detailed side view of a longitudinal section of the area of the probe 4 in working position, the probe has a cylindrical-symmetrical shape, height h, and the radius of its base is d. It was found that at a fixed slope a, in this example a = 13 °, the tip 14 of the probe 4 is visible directly through the hole 12 only when the condition is fulfilled:

arctg(r/h) < а (4)arctg (r / h) <a (4)

За специалистите в областта е ясно, че при апаратно зададен ъгъл на наклона а и предварително избран размер на радиуса г на основата на сондата 4, отношението (4) може да бъде удовлетворено, когато височината h е по-голяма от праговата височина h определена от условието:It will be apparent to those skilled in the art that at a hardware predetermined angle of inclination a and a predetermined size of the radius d based on the probe 4, the ratio (4) can be satisfied when the height h is greater than the threshold height h determined by the condition:

/г_й = r/tg а (5)/ r _j = r / tg a (5)

В този пример, условието (5) дава 11, ,-4 ^1/3. г. Подобни стойности на параметъра h се постигат чрез подбор на условията на процес на плазмено ецване, както е обичайно за областта.In this example, condition (5) gives 11,, -4 ^1/3 . d. Similar values of the parameter h are achieved by selecting the conditions of the plasma etching process, as is usual for the field.

В един вариант на изпълнение на изобретението сондата 4 е хомогенна, двата елемента - основата 4' и върхът 14, са изградени от еднороден материал, например силиций, а сеченията им са подобни фигури, напр. кръгове. За целта, обичайно споменатите елементи се формират едновременно.In one embodiment of the invention, the probe 4 is homogeneous, the two elements - the base 4 'and the tip 14, are made of a homogeneous material, for example silicon, and their cross sections are similar figures, e.g. circles. For this purpose, the elements usually mentioned are formed simultaneously.

Друг вариант на изпълнение на настоящото изобретение, в който елементите на сондата 4 са формирани последователно, е показан на фиг. Зв. В този вариант сондата 4 е с цилиндрична симетрия и се състои от основа 4' с височина h_b, която основа има горна повърхност с плосък участък, и връх 14 с височина 1у и възможно най-малък радиус на кривината, разположен в центъра на плоския участък. При това, височината h_b на основата 4' е в диапазона от 1 мкм до около 15 мкм, за предпочитане от 2 до 5 мкм, в този пример височината е 4 мкм. Размерът на плоската повърхност е от 10 до 100 нм, за предпочитане от 15 до 50 нм, в този пример е кръг с диаметър 25 нм. Освен това, височината 1у е в диапазона от 10 до 500 нм, за предпочитане от 20 до 100 нм, в примера е 60 нм, а височината h на сондата е равна на сумата на двете споменати височини h_b и 1у. За да има директна видимост в работно положение през отвора 12 към върха 14, сумата от споменатите височини е по-голяма или равна на праговата височина h съгласно отношението:Another embodiment of the present invention, in which the elements of the probe 4 are formed in series, is shown in FIG. Vol. In this embodiment, the probe 4 has a cylindrical symmetry and consists of a base 4 'with a height h _b , which base has an upper surface with a flat section, and a vertex 14 with a height of 1y and the smallest possible radius of curvature located in the center of the flat section. In this case, the height h _b of the base 4 'is in the range from 1 μm to about 15 μm, preferably from 2 to 5 μm, in this example the height is 4 μm. The size of the flat surface is from 10 to 100 nm, preferably from 15 to 50 nm, in this example a circle with a diameter of 25 nm. Furthermore, the height 1y is in the range from 10 to 500 nm, preferably from 20 to 100 nm, in the example 60 nm, and the height h of the probe is equal to the sum of the two mentioned heights h _b and 1y. In order to have direct visibility in working position through the opening 12 to the tip 14, the sum of said heights is greater than or equal to the threshold height h according to the ratio:

^hb^+h^^h0 (⁶)· ^h b ^{+ h} ^ ^h 0 ( ⁶ ) ·

В настоящото изобретение, абсолютната стойност на височината 1у също е в диапазона от 10 до 500 нм, за предпочитане от 20 до 100 нм.In the present invention, the absolute value of the height 1y is also in the range from 10 to 500 nm, preferably from 20 to 100 nm.

В едно предпочитано изпълнение, когато материалът на върха 14 е хомогенен с материала на основата 4', върхът 14 е оформен от основата 4' на сондата с височина h_b, чрез контролирано локално отстраняване на част от материала от плоската повърхност, което за предпочитане е чрез анизотропен процес, до получаване на желания радиус на кривината, в този пример радиусът е 3 нм. Така за това изпълнение, относително спрямо първоначалната височина h_b, знакът на височината 1у е отрицателен (1у < 0), като в този пример 1у = -30 нм. За специалистите в областта е ясно, че в това изпълнение върхът на сондата 14 може да бъде оформен, напр. чрез локално отнемане на материал с микро-/нанообработка, като локално анизотропно сухо ецване, йонно разпрашаване, високотемпературно окисление с последващо селективно ецване на силициев диоксид или друга обичайна обработка.In a preferred embodiment, when the tip material 14 is homogeneous with the base material 4 ', the tip 14 is formed by the base 4' of the probe with a height h _b , by controlled local removal of part of the material from the flat surface, which is preferably by an anisotropic process, to obtain the desired radius of curvature, in this example the radius is 3 nm. Thus, for this embodiment, relative to the initial height h _b , the sign of the height 1y is negative (1y <0), and in this example 1y = -30 nm. It will be apparent to those skilled in the art that in this embodiment the tip of the probe 14 may be shaped, e.g. by local removal of material by micro- / nanoprocessing, such as local anisotropic dry etching, ion sputtering, high temperature oxidation followed by selective etching of silica or other conventional treatment.

В друго предпочитано изпълнение на това изобретение, върху плоския участък, чрез добавяне на материал, обичайно различен от материала на основата 4', по оста на симетрия на основата 4', е оформен връх 14 с желаната височина 1у, форма и радиус на кривината, в този пример височината 1у е 60 нм, формата е на прав конус, а радиусът на кривината е 5 нм. Това може да стане, напр. чрез локално отлагане на материал от газова фаза чрез разлагане, стимулирано от електронен, йонен или лазерен сноп, локално израстване на евтектична сплав или извършване на фазов преход, микро-принтиране, по избор, с последващо локално отнемане с процес като йонно ецване и др. локални микро-/нанообработки, известни на специалистите в областта.In another preferred embodiment of this invention, on the flat section, by adding a material, usually different from the base material 4 ', along the axis of symmetry of the base 4', a tip 14 is formed with the desired height 1y, shape and radius of curvature, in this example the height 1y is 60 nm, the shape is a straight cone and the radius of curvature is 5 nm. This can happen, e.g. by local deposition of gas phase material by decomposition stimulated by an electron, ionic or laser beam, local growth of an eutectic alloy or phase transition, micro-printing, optionally, followed by local removal by a process such as ionic etching, etc. local micro- / nanoprocessings known to those skilled in the art.

Когато от върха 14, получен в описаните по-горе изпълнения на изобретението, най-изпъкналата част на сондата, в случая основата с радиус г, се вижда под ъгъл β, удовлетворяващ условието:When from the tip 14 obtained in the above-described embodiments of the invention, the most convex part of the probe, in this case the base with radius d, is seen at an angle β satisfying the condition:

β < 2а, (7) в работно положение върхът 14 се вижда през описания отвор 12 в микроконзолата 3.β <2a, (7) in the operating position the tip 14 is visible through the described opening 12 in the microconsole 3.

В едно друго предпочитано изпълнение, показано на фиг. Зг, отново чрез добавяне на материал, върхът 14 с желаната форма и височина 1у. е разположен този път на контролируемо отстояние δ от оста на симетрия на основата 4', в този пример отместването δ е 5 нм по оста на симетрия на микроконзолата, с отдалечаване от тялото 2. В този случай, върхът 14 се вижда през описания отвор 12 в микроконзолата 3, когато за ъгъла β/2, под който коригираният радиус r* = г - δ, се вижда от върха 14, е изпълнено условието (7). Освен това, известното отстояние δ и посока на отместване на върха 14 от оста на симетрия на основата 4', е достатъчно условие чрез пресмятане, за точно определяне позицията по осите X и Υ на областта на взаимодействие на сондата 4 с образеца 5, дори когато върхът 14 не се вижда директно от задната страна на сензора.In another preferred embodiment shown in FIG. 3r, again by adding material, the tip 14 with the desired shape and height 1y. is located this time at a controllable distance δ from the axis of symmetry of the base 4 ', in this example the offset δ is 5 nm along the axis of symmetry of the microconsole, away from the body 2. In this case, the tip 14 is visible through the described hole 12 in the microconsole 3, when for the angle β / 2, at which the corrected radius r * = r - δ is visible from the vertex 14, condition (7) is fulfilled. Furthermore, the known distance δ and direction of displacement of the tip 14 from the axis of symmetry of the base 4 'is a sufficient condition by calculation to accurately determine the position along the X and о axes of the area of interaction of the probe 4 with the sample 5, even when the tip 14 is not visible directly from the back of the sensor.

Следващ вариант за подходящо оформяне на основата 4' на сондата 4, е показан на фиг. Зд. ФиAnother variant for suitable shaping of the base 4 'of the probe 4 is shown in fig. Zd. Phi

Описания на издадени патенти за изобретения № 10.1/15.10.2019 гурата е аксонометричен вид на сонда 4 е основа 4' е височина h_b и формирана вдлъбната част 4“, в случая канавка. Предварително изготвен елемент 14', състоящ се от участък е цилиндрична форма и коничен връх, който служи за връх на сондата 14, е така микропозициониран и фиксиран в канавката 4“, че върхът 14 е разположен на височина 11_? над основата 4'. Когато ъгълът β, под който се вижда най-изпъкналата част на основата 4' от върха 14, удовлетворява условието (7), в работно положение през отвора 12 има пряка видимост към върха 14.Descriptions of issued patents for inventions № 10.1 / 15.10.2019 gura is an axonometric type of probe 4 is the base 4 'is the height h _b and formed the concave part 4 ", in this case a ditch. A prefabricated element 14 'consisting of a section is cylindrical in shape and a conical tip, which serves as the tip of the probe 14, is so micro-positioned and fixed in the groove 4' that the tip 14 is located at a height 11 _? above the base 4 '. When the angle β at which the most convex part of the base 4 'of the tip 14 is visible satisfies condition (7), in the operating position through the opening 12 there is a direct view to the tip 14.

В най-предпочитаното изпълнение на вариантите на изобретението, каквито са примерите, показани на фиг. Зв - Зд, за височината h на основата 4' и дебелините d и t, е в сила отношението:In the most preferred embodiment of the embodiments of the invention, such as the examples shown in FIG. 3 - 3, for the height h of the base 4 'and the thicknesses d and t, the relation is in force:

h_b= d-t (8)h _b = dt (8)

В този вариант на изпълнение на изобретението, основата 4' на сондата 4 може да бъде оформена, напр. със селективно отнемане на материал от горната повърхност на микроконзолата 3 е дебелина d, до достигане на желаната дебелина t на сондовата част 11. Тези варианти са особено подходящи, когато се изисква да бъде направен корелативен in-situ анализ е повече от един микроскопски метод на неподвижен образец. Те са особено подходящи и когато се изисква да бъде направен анализ е висока пространствена разделителна способност на деликатни образци, които в хода на анализа променят свойствата си, или при анализ на in-situ синтезирани структури.In this embodiment of the invention, the base 4 'of the probe 4 can be formed, e.g. with selective removal of material from the upper surface of the microconsole 3 is thickness d, until the desired thickness t of the probe part is reached 11. These variants are particularly suitable when correlative in-situ analysis is required to be performed by more than one microscopic method. fixed sample. They are particularly suitable and when analysis is required to perform high spatial resolution of delicate samples, which change their properties during the analysis, or in the analysis of in-situ synthesized structures.

Пример 2.Example 2.

Установено бе от изобретателя на настоящата заявка, че формата на върха 14 на сондата 4 влияе върху разделителната способност и точността на анализа е АСМ. Както е показано на фиг. 4а, върху точността на измерването на взаимодействието между върха 14 на сондата 4 е елемента 15 от образеца 5, оказват смущаващо въздействие намиращите се около елемента 15 други близко разположени елементи 15'. Такива смущения влошават разделителната способност и точността на анализа е АСМ, но те могат да бъдат намалени при правилен подбор на формата на върха 14 на сондата 4. Например, на фиг. 46 е показана мрежата за обхождане на неподвижен образец 5 от сензор със сонда 4 е връх 14, притежаващ хоризонтално сечение е отбелязаната на фигурата триъгълна форма, характерна за голяма част от използваните в практиката сензори. Сонда е такава форма на върха се получава, напр. при използване на анизотропно мокро ецване на монокристален силиций през маска е ръбове, които са ориентирани по избрани кристалографски направления. Когато атомите на върха 14 са в непосредствена близост до, и взаимодействат е, атомите на елемента 15 на образеца 5, се регистрира също така и смущението от всеки от елементите 15¹ (i = 1, ..., k, в примера k = 4), които в този пример са със симетрична форма. Дори при периодични образци, каквито са известни напр. от съвременните микроелектронни интегрални схеми, или образци е кристална структура, вкл. двумерни кристали и др. подобни, при които образци елементите 15¹ са със симетрично разположение спрямо елемента 15, положението на центъра 16 на общото резултатно смущаващо взаимодействие, отбелязан на фигурата е кръст, е отместено от положението на елемента 15, поради специфичната форма на върха 14. Така, при използването на сонда 4 е връх 14 е форма без цилиндрична симетрия, се променя амплитудата и позицията на центъра 16 на резултатното взаимодействие, което води до характерни неточности при измерването на елемента 15 на образеца 5, по всяка от осите X, Y и Z.It has been found by the inventor of the present application that the shape of the tip 14 of the probe 4 affects the resolution and the accuracy of the analysis is AFM. As shown in FIG. 4a, the accuracy of measuring the interaction between the tip 14 of the probe 4 is the element 15 of the sample 5, is disturbed by other close elements 15 'located around the element 15. Such disturbances degrade the resolution and the accuracy of the analysis is AFM, but they can be reduced by properly selecting the shape of the tip 14 of the probe 4. For example, in FIG. 46 shows the network for traversing a fixed sample 5 of a sensor with a probe 4 is a tip 14, having a horizontal section is the triangular shape marked in the figure, characteristic of most of the sensors used in practice. The probe is such a tip shape is obtained, e.g. when using anisotropic wet etching of monocrystalline silicon through a mask is edges that are oriented in selected crystallographic directions. When the atoms of the vertex 14 are in close proximity to, and interact with, the atoms of the element 15 of the sample 5, the disturbance of each of the elements 15 ¹ is also registered (i = 1, ..., k, in the example k = 4), which in this example are symmetrical in shape. Even for batch samples, such as those known e.g. of modern microelectronic integrated circuits, or samples is a crystal structure, incl. two-dimensional crystals, etc. similar, in which the sample elements 15 ¹ are symmetrically arranged with respect to the element 15, the position of the center 16 of the total resultant interfering interaction indicated in the figure is a cross is shifted from the position of the element 15 due to the specific shape of the tip 14. the use of probe 4 is a peak 14 is a shape without cylindrical symmetry, changes the amplitude and position of the center 16 of the resulting interaction, which leads to characteristic inaccuracies in measuring the element 15 of the sample 5, on each of the axes X, Y and Z.

Аналогично в примера, показан на фиг. 4в, върхът 14 на сондата 4 е е отбелязаната на фигурата четириъгълна форма, характерна за друга голяма част от използваните в практиката сензори. Както и при 46, и в този случай са налице посочените по-горе неточности при измерването, дължащи се на формата на върха 14.Similarly to the example shown in FIG. 4c, the tip 14 of the probe 4 is the rectangular shape marked in the figure, characteristic of another large part of the sensors used in practice. As with 46, the above-mentioned measurement inaccuracies are present due to the shape of the tip 14.

Следващ пример е показан на фиг. 4г, където образецът 5 се обхожда със сонда 4 е връх 14 е кръгло сечение, схематично обозначен със светъл кръг. Сонда е такава форма на върха се получава, напр. при използване на плазмено ецване през маска е кръгла форма и размер, определящ радиуса г на основата на сондата 4. В този пример, върхът 14 на сондата 4 се намира в непосредствена близост до елемента на образеца 5. Когато около елемента 15 са разположени периодично и симетрично смущаващи елементи 15¹ (i = 1, ..., k, в примера k = 4), всеки от тях със симетрична форма, положението на центъра на генерираното от тях общо смущение, съвпада е положението на елемента 15. Ето защо, въпреки че всеки от елементите 15¹ смущава и променя амплитудата на взаимодействието, което е регистрира-Another example is shown in fig. 4d, where the sample 5 is traversed by a probe 4 is a peak 14 is a circular section, schematically indicated by a light circle. The probe is such a tip shape is obtained, e.g. when using plasma etching through a mask is a round shape and size determining the radius d at the base of the probe 4. In this example, the tip 14 of the probe 4 is located next to the element of the sample 5. When around the element 15 are located periodically and symmetrically interfering elements 15 ¹ (i = 1, ..., k, in the example k = 4), each of them with a symmetrical shape, the position of the center of the total interference generated by them coincides with the position of the element 15. Therefore, although each of the elements 15 ¹ disturbs and changes the amplitude of the interaction that is registered

Описания на издадени патенти за изобретения № 10.1/15.10.2019 но от върха 14 на микроконзолата 4, позицията на резултатното взаимодействие не се променя. Така, използването на сонда 4 с връх 14 с кръгло сечение осигурява запазване на точността и разделителната способност по осите X и Y, но не осигурява точност по оста Z.Descriptions of issued patents for inventions № 10.1 / 15.10.2019 but from the top 14 of the microconsole 4, the position of the resulting interaction does not change. Thus, the use of a probe 4 with a tip 14 with a circular cross-section ensures the preservation of accuracy and resolution along the X and Y axes, but does not provide accuracy along the Z axis.

По подобен начин, на фиг. 4д е показана мрежата за обхождане на образеца 5, във възлите на която се регистрира взаимодействието на сонда 4 с връх 14 с кръгло сечение, схематично обозначен със светъл кръг. В този вариант, смущаващите елементи 15¹ (i = 1,..., k, k = 4) на образеца 5 са без цилиндрична симетрия. При периодично и симетрично разполагане на елементите 15¹ спрямо елемента 15, положението на центъра 16 на сумарното смущение е с малко несъвпадение и е обозначено на фигурата с кръст. Така, при наличие на близки смущаващи елементи 15¹ с форма без цилиндрична симетрия, използването на сонда 4 с връх 14 с кръгло сечение, осигурява малка загуба на точност и разделителна способност по осите X и Y.Similarly, in FIG. 4e shows the sample traversing network 5, in the nodes of which the interaction of the probe 4 with the tip 14 with a circular cross-section, schematically indicated by a light circle, is registered. In this embodiment, the interfering elements 15 ¹ (i = 1, ..., k, k = 4) of the sample 5 are without cylindrical symmetry. In the periodic and symmetrical arrangement of the elements 15 ¹ relative to the element 15, the position of the center 16 of the total disturbance is slightly mismatched and is indicated in the figure by a cross. Thus, in the presence of close interfering elements 15 ¹ with a shape without cylindrical symmetry, the use of a probe 4 with a tip 14 with a circular cross-section, provides a small loss of accuracy and resolution along the X and Y axes.

Когато центърът 16 на резултатното въздействие на елементите 15¹, отстои от елемента 15 на разстояние, което е по-малко от разделителната способност на системата, която сканира по осите XY, споменатото отстояние не се регистрира. Когато резултатното влияние на околните смущаващи елементи 15¹ върху магнитуда на огъване на микроконзолата 3 по оста Z, е по-малко от разделителната способност на системата, която регистрира това огъване, споменатото смущаващо влияние не се регистрира.When the center 16 of the resultant impact of the elements 15 ¹ is at a distance from the element 15 that is less than the resolution of the system that scans along the XY axes, said distance is not registered. When the resulting influence of the surrounding disturbing elements 15 ¹ on the bending magnitude of the microconsole 3 along the Z axis is less than the resolution of the system that registers this bending, said disturbing influence is not registered.

Ето защо, при анализ с АСМ на образец 5 с елемент 15 и при наличие на смущаващи елементи 15¹, кръглото сечение на върха 14 на сондата 4 е необходимо условие за постигане на висока разделителна способност. Затова, този вариант на изобретението е предпочитан, в сравнение с вариантите на използване на връх 14 с форма без цилиндрична симетрия. Това изискване е особено важно, когато разделителните способности на системите за АСМ, използващи споменатите сензори, не са известни предварително. В частност, това се отнася за сензорите предназначени да бъдат използвани като неспецифичен (за обща употреба) консуматив за АСМ.Therefore, in the AFM analysis of a sample 5 with an element 15 and in the presence of interfering elements 15 ¹ , the circular cross-section of the tip 14 of the probe 4 is a necessary condition for achieving high resolution. Therefore, this variant of the invention is preferred, in comparison with the variants of using a tip 14 with a shape without cylindrical symmetry. This requirement is particularly important when the resolutions of the AFM systems using said sensors are not known in advance. In particular, this applies to sensors intended to be used as non-specific (general use) consumables for AFM.

Пример 3.Example 3.

Едно предпочитано изпълнение съгласно настоящото изобретение, на хоризонтално разположен микроконзолен сензор с пиезорезистивна детекция, е показано на фиг. 5 а. Фигурата показва поглед отгоре на микроконзолен сензор 1, състоящ се, подобно на сензора от фиг. 2а, от тяло 2 и симетрична спрямо надлъжната ос микроконзола 3 с дължина L и ширина w, и две обособени части - основна 10 и сондова 11, с оформен симетрично разположен отвор 12, в който завършва основата 4' на сондата 4.A preferred embodiment according to the present invention, of a horizontally positioned microconsole sensor with piezoresistive detection, is shown in FIG. 5 a. The figure shows a top view of a microconsole sensor 1 consisting, similar to the sensor of fig. 2a, of body 2 and symmetrical to the longitudinal axis of the microconsole 3 with length L and width w, and two separate parts - main 10 and probe 11, with a symmetrically located hole 12, in which the base 4 'of the probe 4 ends.

Основната част 10 е с дължина 1 и ширина w, и е снабдена с пиезорезистивните сензорни елементи 9 с дължина 1, разположени в горната повърхност на основната част 10, в непосредствена близост до участъка на свързване на микроконзолата 3 с тялото 2. Освен това, в основната част 10 е формиран допълнителен правоъгълен отвор 17 със съответни свързващи еластични елементи 18, като дължината / на отвора 17 е избрана да бъде равна на дължината / на пиезорезисторите 9. При това, пиезорезисторите 9 са разположени периферно, от външните страни на отвора 17 в областта на свързващите елементи 18. В това изпълнение на изобретението се получава концентрация на механичните напрежения в областите на разполагане на пиезорезисторите 9, което води до получаване на сензор с много висока чувствителност. В този вариант, положението на свързващите еластични елементи 18 определя ширината w на микроконзолата 3 и тя има запазена стабилност срещу огъване в равнината на горната й повърхност.The main part 10 is of length 1 and width w, and is provided with piezoresistive sensor elements 9 of length 1 located in the upper surface of the main part 10, in close proximity to the connection section of the microconsole 3 with the body 2. In addition, in the main part 10 is formed by an additional rectangular hole 17 with corresponding connecting elastic elements 18, the length / of the hole 17 being chosen to be equal to the length / of the piezoresistors 9. In this case, the piezoresistors 9 are located peripherally, on the outer sides of the hole 17 in the region of the connecting elements 18. In this embodiment of the invention, a concentration of mechanical stresses is obtained in the regions of arrangement of the piezoresistors 9, which results in a very high sensitivity sensor. In this embodiment, the position of the connecting elastic elements 18 determines the width w of the microconsole 3 and it has preserved anti-bending stability in the plane of its upper surface.

В този случай, дебелината d на основната част 10 на микроконзолата 3 и дебелината t на сондовата част 11, са различни и при това е изпълнено условието (2). Така, става възможно да се получат оптимални стойности на параметрите на микроконзолата - пружинна константа k и резонансната честота f без това да води до намаляване на дебелината d на основната част 10 и зависещата от нея чувствителност на пиезорезисторите 9.In this case, the thickness d of the main part 10 of the microconsole 3 and the thickness t of the probe part 11 are different and condition (2) is fulfilled. Thus, it becomes possible to obtain optimal values of the parameters of the microconsole - spring constant k and the resonant frequency f without reducing the thickness d of the main part 10 and the dependent sensitivity of the piezoresistors 9.

Друго предпочитано изпълнение на микроконзолен сензор с пиезорезистивна детекция съгласно настоящото изобретение, е показано на фиг. 56. При него, в основната част 10 са формирани два допълнителни правоъгълни отвора 17, чиято дължина / е избрана да е равна на дължината / на пиезорезисторите 9, които са разположени в областта 19, между споменатите допълнителни отвори 17. В това изпълнение на изобретението се получава възможност за особено голяма концентрация на механичните напрежения в областите на разполагане на пиезорезисторите 9, което води до особено висока чувстви48Another preferred embodiment of a piezoresistive detection microconsole sensor according to the present invention is shown in FIG. 56. In it, two additional rectangular holes 17 are formed in the main part 10, the length of which is chosen to be equal to the length of the piezoresistors 9, which are located in the region 19, between said additional holes 17. In this embodiment of the invention it is possible for a particularly high concentration of mechanical stresses in the areas of placement of the piezoresistors 9, which leads to a particularly high sensitivity48

Описания на издадени патенти за изобретения № 10.1/15.10.2019 телност на микроконзолния сензор 1.Descriptions of issued patents for inventions № 10.1 / 15.10.2019 microconsole sensor 1.

Още едно предпочитано изпълнение на микроконзолен сензор е пиезорезистивна детекция съгласно настоящото изобретение, е показано на фиг. 5в. При него, в основната част 10 са формирани три допълнителни правоъгълни отвора: един централно разположен 17' и два симетрично разположени отвора 17, като пиезорезисторите 9 са поместени между споменатите допълнителни отвори 17 и 17'. В това изпълнение на изобретението се получава максимално голямо концентриране на механичните напрежения в областите на разполагане на пиезорезисторите 9, което води до максимално висока чувствителност на микроконзолния сензор 1, при запазена стабилност на микроконзолата срещу огъване в равнината на нейното разполагане. При това разполагане на пиезорезисторите е възможно постигането на максимално висока степен на еднаквост и възпроизводимост на параметрите им. Освен това, в конструкцията на микроконзолните сензори 1, ширините на трите отвора 17 и 17' могат да варират, което позволява реализирането на различни варианти е оптимизиране на специфични характеристики на сензорите.Another preferred embodiment of a microconsole sensor is piezoresistive detection according to the present invention, shown in FIG. 5c. In it, three additional rectangular openings are formed in the main part 10: one centrally located 17 'and two symmetrically arranged openings 17, the piezoresistors 9 being placed between said additional openings 17 and 17'. In this embodiment of the invention, a maximum concentration of mechanical stresses is obtained in the areas of placement of the piezoresistors 9, which leads to a maximum sensitivity of the microconsole sensor 1, while maintaining the stability of the microconsole against bending in the plane of its location. With this arrangement of the piezoresistors it is possible to achieve the highest degree of uniformity and reproducibility of their parameters. Furthermore, in the design of the microconsole sensors 1, the widths of the three openings 17 and 17 'can vary, which allows the realization of different variants of optimizing the specific characteristics of the sensors.

За специалистите в областта е ясно, че така описаните допълнителни отвори 17 и 17' в основната част 10, са приложими и за постигане на желаните стойности на резонансните честоти и пружинните константи на микроконзолни сензори 1 е лазерна детекция, както е описано по-долу и ще стане ясно от следващите примери.It will be apparent to those skilled in the art that the additional apertures 17 and 17 'thus described in the main body 10 are also applicable to achieve the desired values of the resonant frequencies and spring constants of the microconsole sensors 1 is laser detection as described below and will become clear from the following examples.

Пример 4.Example 4.

Фиг. 6а показва следващо предпочитано изпълнение на микроконзолен сензор 1 е пиезорезистивна детекция и е отвор 12 за наблюдение на образеца 5 през микроконзолата 3, в който отвор завършва основата 4' на сондата 4, по подобие на Пример 1, като петоъгълникът е заменен е триъгълник. В допълнение, сензорът на фиг. 6а е снабден и е електропроводящи връзки 20, осигуряващи галваничен контакт на сондата е външни измерителни уреди. В това изпълнение, отворите 17 осигуряват намалена капацитивна връзка между проводящите връзки 20 и пиезорезисторите 9.FIG. 6a shows another preferred embodiment of a microconsole sensor 1 is piezoresistive detection and is an opening 12 for observing the sample 5 through the microconsole 3, in which an opening terminates the base 4 'of the probe 4, similar to Example 1, the pentagon being replaced by a triangle. In addition, the sensor of FIG. 6a is provided and has electrically conductive connections 20 providing galvanic contact of the probe and external measuring instruments. In this embodiment, the openings 17 provide a reduced capacitive connection between the conductive connections 20 and the piezoresistors 9.

Аналогично, фиг. 66 показва друг вариант на микроконзолен сензор 1 е пиезорезистивна детекция и триъгълен отвор 12 за наблюдение на образеца 5 през микроконзолата 3, в който отвор завършва основата 4' на сондата 4. Основната част 10 на микроконзолата съдържа и проводящи връзки 21, които в този случай са от проводящ материал е такъв температурен коефициент на разширение, че осигуряват биморфно термоактюиране на микроконзолата 3, известно на специалистите в областта.Similarly, FIG. 66 shows another variant of the microconsole sensor 1 is a piezoresistive detection and a triangular hole 12 for observing the sample 5 through the microconsole 3, in which an opening terminates the base 4 'of the probe 4. The main part 10 of the microconsole also contains conductive connections 21, which in this case are of conductive material has such a temperature coefficient of expansion that they provide bimorphic thermal actuation of the microconsole 3 known to those skilled in the art.

В този случай отворите 17 осигуряват термична изолация между участъците на термо-актюатора е повишена температура и областите на разполагане на пиезорезисторите 9, както и позволяват допълнително конвективно охлаждане на целия прибор.In this case, the openings 17 provide thermal insulation between the sections of the thermo-actuator at elevated temperature and the areas of placement of the piezoresistors 9, as well as allow additional convective cooling of the entire device.

Тези варианти са особено подходящи, когато се изисква да бъде направен корелативен анализ при използване на сигнали, алтернативни на породените от атомните сили на взаимодействие на между сондата и образеца като например електропроводимост, електростатични сили и др., известни на специалистите в областта, или при локално нагряване, както и когато се изисква интегриране на актюиращ елемент на микроконзолата в екстремно малък обем.These variants are particularly suitable when a correlative analysis is required using signals alternative to the atomic forces generated by the interaction between the probe and the sample, such as electrical conductivity, electrostatic forces, etc., known to those skilled in the art, or local heating, as well as when the integration of an actuating element of the microconsole in an extremely small volume is required.

Пример 5.Example 5.

Един друг вариант на изпълнение на микроконзолен сензор е лазерна детекция съгласно настоящото изобретение, е показан на фиг. 7а. Фигурата представлява поглед отгоре на хоризонтално разположен микроконзолен сензор 1, аналогичен на описания в Пример 1, е тази разлика, че в отвора 12, в който завършва основата 4' на сондата, петоъгълникът е заменен е триъгълник. Отворът 12 е е проектирана дължина b, а ширината на околните еластични свързващи елементи 13 е g, за предпочитане, тази ширина е по-малка от диаметъра 2г на основата 4' на сондата 4.Another embodiment of a microconsole sensor is laser detection according to the present invention, shown in FIG. 7a. The figure is a top view of a horizontally positioned microconsole sensor 1, analogous to that described in Example 1, except that in the hole 12 in which the base 4 'of the probe terminates, the pentagon is replaced by a triangle. The hole 12 is designed length b, and the width of the surrounding elastic connecting elements 13 is g, preferably, this width is less than the diameter 2d of the base 4 'of the probe 4.

За постигане на висока чувствителност на сензора при детектиране на огъването на микроконзолата 3 в този вариант, лазерният сноп се отразява от плътния участък на сондовата част lie дължина а и ширина w. Тя е разположена непосредствено до отвора 12 към тялото 2 и е отбелязана на фигурата със защриховане. За предпочитане е, отражението да става от най-близката до отвора част е дължинаTo achieve a high sensitivity of the sensor when detecting the bending of the microconsole 3 in this embodiment, the laser beam is reflected by the dense section of the probe lie length a and width w. It is located next to the opening 12 to the body 2 and is marked on the figure with shading. Preferably, the reflection is from the part closest to the opening is of length

1/3 а, ограничена на фигурата от пунктираната линия. Споменатата дължина а се избира така, че да удовлетворява условието:1/3 a, limited to the figure by the dotted line. Said length a is chosen so as to satisfy the condition:

а = 3η . λ (9)a = 3η. λ (9)

Описания на издадени патенти за изобретения № 10.1/15.10.2019 където λ е надлъжният размер на сечението на лазерен сноп, а η е безразмерна апаратна функция в диапазона от 1.0 до 3.0, за предпочитане от 1.3 до 2.5. Областта е правоъгълна форма е дължина 1/3 а и ширина w е най-отдалечена от тялото 2 и се отклонява е най-голям магнитуд от неутрално положение при огъването на микроконзолата 3. Това осигурява висока чувствителност на сензора.Descriptions of patents issued for inventions № 10.1 / 15.10.2019 where λ is the longitudinal sectional size of the laser beam and η is a dimensionless hardware function in the range from 1.0 to 3.0, preferably from 1.3 to 2.5. The area is rectangular in shape is 1/3 a in length and width w is furthest from the body 2 and deviates is the largest magnitude from the neutral position when bending the microconsole 3. This ensures high sensitivity of the sensor.

На фиг. 76 е показан надлъжен разрез на микроконзолния сензор 1 по линията АА' от фиг. 7а. Аналогично на Пример 1, дебелината на тялото 2 е обичайна за областта и е в диапазона от около 50 мкм до около 500 мкм, в примера дебелината е 270 мкм. Дебелината на основната част d на микроконзолата 3 е в диапазона от 0.5 мкм до 10 мкм, в примера е 4 мкм, и е различна от дебелината на сондовата част 1, която в примера е 1 мкм. В това изпълнение на изобретението е в сила отношението (2). Пружинната константа на основната част 10 се определя от споменатата дебелина d, както и от нейните дължина / и ширина w. Докато пружинната константа на сондовата част 11 се определя от дебелината 1, от ширината g и проектираната дължина b на еластичните свързващи елементи 13. Така, при фиксирани стойности на параметрите L и w, които в примера са съответно 100 мкм и 40 мкм, и различни дебелини d и t на двете части, посредством подбор на параметрите b и g, може да се постигне избрано съотношение на пружинните константи и резонансните честоти на двете части на микроконзолата 3 - основна 10 и сондова11.In FIG. 76 shows a longitudinal section of the microconsole sensor 1 along the line AA 'of FIG. 7a. Analogously to Example 1, the thickness of the body 2 is common to the region and ranges from about 50 μm to about 500 μm, in the example the thickness is 270 μm. The thickness of the main part d of the microconsole 3 is in the range from 0.5 μm to 10 μm, in the example it is 4 μm, and is different from the thickness of the probe part 1, which in the example is 1 μm. In this embodiment of the invention, relation (2) is valid. The spring constant of the main part 10 is determined by said thickness d as well as by its length (s) and width w. While the spring constant of the probe part 11 is determined by the thickness 1, the width g and the designed length b of the elastic connecting elements 13. Thus, at fixed values of the parameters L and w, which in the example are 100 μm and 40 μm, respectively, and different thicknesses d and t of the two parts, by selecting the parameters b and g, a selected ratio of the spring constants and the resonant frequencies of the two parts of the microconsole 3 - main 10 and probe11 can be achieved.

Така, непланирано и неочаквано, освен възможността да бъде определена визуално областта на взаимодействие на сондата 4 е образеца, посредством избор на размерите b и g, се постига желаната ниска стойност на пружинната константа k на сондовата част 11, при висока стойност на резонансната честота f за основната част 10. При подходящ избор на параметрите d, t, b и g по начин, известен на специалистите в областта, микроконзолен сензор 1 със сонда 4 съгласно настоящото изобретение, притежава, едновременно свойствата: висока рсзонансна честота f. висока чувствителност и разделителна способност и „мека” сондова част 11, която при измерване не уврежда образеца, дори при микроконзоли е обичайни стойности на геометричните размери L, w и d.Thus, unplanned and unexpected, in addition to the possibility to visually determine the area of interaction of the probe 4 is the sample, by choosing the dimensions b and g, the desired low value of the spring constant k of the probe part 11 is achieved at a high value of the resonant frequency f for the main part 10. When the parameters d, t, b and g are appropriately selected in a manner known to those skilled in the art, the microconsole sensor 1 with probe 4 according to the present invention has, at the same time, the properties: high resonance frequency f. high sensitivity and resolution and a "soft" probe part 11, which when measured does not damage the sample, even in microconsoles is the usual values of the geometric dimensions L, w and d.

Сензорът съгласно примера от настоящото изобретение се използва по начина, показан на фигура 7в. Микроконзолният сензор 1 е наклонен на апаратно зададен ъгъл а спрямо повърхността на образеца 5, чието обхождане може да бъде само чрез движение на образеца 5 по осите X и Y. Посредством контролирано движение на сензора 1 само по оста Z, се осигурява постоянен сигнал от лазерния сноп, отразен от правоъгълната област е размери a х w, по-специално от правоъгълната област е размери 1/3 a х w.The sensor according to the example of the present invention is used in the manner shown in Figure 7c. The microconsole sensor 1 is inclined at a hardware set angle a to the surface of the sample 5, which can be traversed only by moving the sample 5 along the X and Y axes. By controlled movement of the sensor 1 only along the Z axis, a constant signal is provided by the laser the beam reflected by the rectangular area is dimensions a x w, in particular by the rectangular area is dimensions 1/3 a x w.

От друга страна, поради наличието на отвора 12, разположен непосредствено до сондата 4, се вижда част от периферията на нейната основа 4'. Затова, при използване на сонда 4 със симетрична форма, освен че може да бъде наблюдавана областта на взаимодействие на върха 14 е образеца 5, чрез пресмятането, описано в Пример 1, може и да бъде определена точно позицията на нейния връх 14. Когато при работа е в сила условието (4), през отвора 12 има видимост към върха 14.On the other hand, due to the presence of the opening 12, located next to the probe 4, a part of the periphery of its base 4 'is visible. Therefore, when using a symmetrically shaped probe 4, in addition to being able to observe the area of interaction of the tip 14 is the sample 5, by the calculation described in Example 1, the exact position of its tip 14 can be determined. condition (4) is in force, through the opening 12 there is visibility to the top 14.

Claims

Patent claims

1. A microconsole sensor for combined microscopy for use in scanning probe microscopy is an inclination of the plane of the sensor relative to the plane of the sample, which is hardware set at an angle a, the sensor consisting of: body from which the microconsole extends is length L and width w, consisting of a main and a probe part, where one end of the main part is fixedly connected is the body and the other end is connected to the probe part, the main part of the microconsole and the probe part are elastic and have different resonant frequencies and the resonant frequency of the probe part is higher than the resonant frequency of the main part, and in the probe part is formed an opening with symmetrical surrounding connecting elastic elements, characterized in that to provide visibility to the area of interaction of the probe (4) is the sample and to the top (14), the base (4 ') of the probe (4) ends in the hole (12) and the dimensions of the radius d of the base (4') and the height h of the probe (4) satisfy at the ratio:

arctg (r / h) <a, and the desired spring constants of the main (10) and probe (11) parts of the microconsole (3) are achieved by selecting the parameters of these parts: length / and thickness d of the main part (10 ),

Descriptions of issued patents for inventions № 10.1 / 15.10.2019 designed lengths a and b, widths g ng, and thickness t of the elastic elements (13) of the probe part (11).

Microconsole sensor according to claim 1, characterized in that in order to provide a high resolution of the sensor, the tip (14) of the probe (4) has a symmetrical conical shape.

Microconsole sensor according to claims 1 and 2, characterized in that the base (4 ') of the probe (4) has a symmetrical conical shape with a height h _b and a flat upper section, and the tip (14) has a height ly. as for the heights ly and h _b and the radius d at the base (4 ') of the probe (4), the relations are in force:

x + x> x = r / tga.

Microconsole sensor according to Claims 1 to 3, characterized in that the height h _b of the base (4 '), the thickness d of the main part (10) and the thickness 1 of the probe part (11) satisfy the ratio:

h _b = dt.

Microconsole sensor according to claims 1 to 4, characterized in that the absolute value of the height ly at the tip (14) is in the range from 0 to 0.5 μm, preferably from 20 nm to 100 nm.

Microconsole sensor according to Claims 1 to 5, characterized in that the tip (14) is located at or at a controlled distance δ from the axis of symmetry of the base (4 ') and the tip material (14) of the probe (4) is homogeneous or different from the material of its base (4 ').

Microconsole sensor according to claims 1 to 6, characterized in that the probe (4) comprises a cylindrical shaped element (14 ') and a conical tip forming the tip (14), which element (14') is housed in the concave part (4 ') at the base (4') of the probe (4).

Microconsole sensor according to claims 1 to 7, characterized in that at least one additional opening (17) is formed in the main part (10) of the microconsole (3) for increasing the sensitivity of the sensor.

Microconsole sensor according to Claim 8, characterized in that the additional openings (17) are two or three (17, 17 ').

Microconsole sensor according to claims 1 to 9, characterized in that elements (20) are further formed on the surface of the microconsole (3) for galvanic connection of the probe (4) with external measuring means.

Microconsole sensor according to Claims 1 to 10, characterized in that elements (21) for bimorphically activating the microconsole (3) are further formed on the surface of the main part of the microconsole (3).

Microconsole sensor according to claims 1 to 11, characterized in that the sensor further comprises sensor elements (9) for detecting the bending of the microconsole (3), sensitive to the mechanical stresses at the fixed end of the main part (10) of the microconsole. (3).

Microconsole sensor according to claims 1 to 12, characterized in that the sensor elements (9) are piezoresistors, piezoelectric, thin-film metal strain gauges, thin metal layers with a discontinuous structure, thin-film resistors of polyvinylidene fluoride or fluoride.

Microconsole sensor according to Claims 1 to 13, characterized in that the probe part (11) further comprises a dense region capable of reflecting a beam of light with a width w equal to the width of the microconsole (3) and a length a which exceeds 3η times the maximum cross-sectional size λ of the light beam used to detect the bending of the microconsole (3), where η is a dimensionless hardware function in the range 1.0 to 3.0, preferably 1.3 to 2.5.