ES2438021A1 - Micro lever for atomic force microscope and microscope that incorporates said microlever (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
OBJETO DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION
El objeto de la invención es una micropalanca adecuada para su incorporación a un microscopio de fuerzas atómicas que posee una configuración que hace que sea especialmente apta para su uso en un medio líquido. Es también objeto de la presente invención el microscopio que incorpora la mencionada micropalanca. The object of the invention is a micro lever suitable for incorporation into a microscope of atomic forces that has a configuration that makes it especially suitable for use in a liquid medium. Also object of the present invention is the microscope that incorporates said micro lever.
Es conocido en el estado de la técnica el microscopio de fuerzas atómicas que se fundamenta en una estructura micrométrica con forma de micropalanca que posee una placa o viga suspendida y un apéndice de rastreo que posee un número pequeño de átomos localizado en la parte final de la placa o viga lo que permite su interacción con la superficie que se quiere rastrear a escala atómica. Las fuerzas actuando sobre el apéndice de rastreo son normalmente determinadas midiendo el desplazamiento de la placa o viga, It is known in the state of the art the atomic force microscope that is based on a micrometric structure in the form of a micro lever that has a suspended plate or beam and a tracking appendix that has a small number of atoms located in the final part of the plate or beam allowing its interaction with the surface to be traced at atomic scale. The forces acting on the tracking appendix are normally determined by measuring the displacement of the plate or beam,
Para realizar el rastreo de la superficie a medir existen dos modos, el modo dinámico o el modo estático. En el modo estático la micropalanca contacta con la superficie de interés. En el modo dinámico la micropalanca resuena en uno de sus modos de vibración y la interacción con la superficie, sin llegar a contactar, modifica sus parámetros de vibración. To carry out the tracking of the surface to be measured, there are two modes, the dynamic mode or the static mode. In static mode, the micro lever contacts the surface of interest. In dynamic mode the micro lever reverberates in one of its vibration modes and interaction with the surface, without contacting, modifies its vibration parameters.
En el caso de estudios de superficies blandas, por ejemplo, de tipo biológico, el modo de trabajo habitual es el dinámico para evitar dañar el material blando. Para trabajar en el modo dinámico, hay que, por un lado, inducir el movimiento de la palanca, lo que se denomina actuación, y por otro lado, medir dicho movimiento, lo que se denomina detección. In the case of studies of soft surfaces, for example, of biological type, the usual way of working is dynamic to avoid damaging the soft material. To work in the dynamic mode, you have to, on the one hand, induce the movement of the lever, what is called acting, and on the other hand, measure that movement, what is called detection.
En el caso de la actuación, es conocido que la micropalanca se monte sobre una actuador externo piezoeléctrico o vibrador, de tal manera que el movimiento del vibrador induce el movimiento de la micropalanca. Para la detección, se recurre a soluciones ópticas como la detección de la reflexión de un láser sobre la micropalanca en movimiento. In the case of the actuation, it is known that the micro lever is mounted on an external piezoelectric actuator or vibrator, such that the movement of the vibrator induces the movement of the micro lever. For detection, optical solutions are used such as the detection of the reflection of a laser on the moving lever.
Sin embargo, la actuación externa es especialmente inadecuada al trabajar en medio líquido, dado que también se inducen las vibraciones de una celda que contiene la micropalanca. However, external performance is especially inadequate when working in a liquid medium, since the vibrations of a cell containing the micro lever are also induced.
La detección óptica presenta también desventajas ya que implica el uso de un equipo óptico, es decir detector y láser, lo que aumenta la complejidad del dispositivo, además de requerir alineamientos precisos para detectar adecuadamente la señal de reflexión. Optical detection also has disadvantages since it involves the use of optical equipment, that is to say detector and laser, which increases the complexity of the device, in addition to requiring precise alignments to adequately detect the reflection signal.
Son conocidas algunas soluciones a las anteriores desventajas. Estas soluciones integran la detección o la actuación en la propia micropalanca que ya no se realiza mediante equipos externos, según lo descrito anteriormente. Some solutions to the above disadvantages are known. These solutions integrate the detection or action on the micro lever itself that is no longer performed by external equipment, as described above.
Es conocido, por ejemplo, el uso de una micropalanca que comprende una placa que posee sendas caras mayores opuestas y cuatro caras menores opuestas que definen el espesor de la placa. Las caras menores opuestas poseen a su vez unas primeras caras menores opuestas y unas segundas caras menores opuestas estando una de las segundas caras menores opuestas adaptada para su unión al microscopio de fuerzas atómicas. El apéndice de rastreo se localiza sobre una de las caras mayores de la placa que está adaptada para estar próxima a la superficie a medir. De este modo la placa se sitúa con sus caras mayores paralelas a la superficie que se desea medir. It is known, for example, the use of a micro lever that comprises a plate having opposite major faces and four opposite minor faces defining the thickness of the plate. The opposite minor faces in turn have opposite first minor faces and opposite minor second faces being one of the second opposite minor faces adapted for attachment to the microscope of atomic forces. The tracking appendix is located on one of the larger faces of the plate that is adapted to be close to the surface to be measured. In this way the plate is placed with its major faces parallel to the surface to be measured.
La micropalanca puede comprender también una capa de material piezoeléctrico situado sobre la placa y un electrodo de actuación localizado sobre la capa piezoeléctrica de una de las caras mayores de modo que induce un desplazamiento de la palanca perpendicular a sus caras mayores, es decir, el apéndice de rastreo se desplaza verticalmente. Finalmente, la detección se realiza mediante el sistema óptico anteriormente comentado, a través de la detección mediante reflexión de un láser sobre una de las caras mayores de la palanca, ya que la superficie reflectante debe ser elevada. The micro lever can also comprise a layer of piezoelectric material located on the plate and an actuating electrode located on the piezoelectric layer of one of the major faces such that it induces a displacement of the lever perpendicular to its major faces, that is, the appendix Trace scrolls vertically. Finally, the detection is carried out by means of the previously mentioned optical system, through the detection by reflection of a laser on one of the major faces of the lever, since the reflective surface must be high.
El modo de vibración normalmente inducido es el primer modo flexural de la micropalanca. Las características de este modo en la micropalanca anterior son suficientes para trabajar en aire, en lo que respecta a magnitud y estabilidad de su movimiento, pero se ven seriamente perjudicadas en medio líquido debido principalmente a las pérdidas disipativas viscosas por la interacción de la estructura con el fluido. The normally induced vibration mode is the first flexural mode of the micro lever. The characteristics of this mode in the previous micro-lever are sufficient to work in air, as regards the magnitude and stability of its movement, but they are seriously damaged in liquid medium due mainly to the viscous dissipative losses due to the interaction of the structure with the fluid
La micropalanca objeto de la invención posee una configuración que permite integrar tanto la actuación como la detección en la propia micropalanca, así como reducir las pérdidas disipativas en medio líquido e incluso maximizar el desplazamiento de la micropalanca en medio líquido lo que redunda en una mejora en el límite de detección de la misma. The micro lever that is the object of the invention has a configuration that allows the integration of both the action and the detection in the micro lever itself, as well as reducing dissipative losses in liquid medium and even maximizing the movement of the micro lever in liquid medium which results in an improvement in the limit of detection of it.
Para ello la invención se caracteriza porque, en primer lugar, el apéndice de rastreo se localiza en una de las primeras caras menores de la placa, concretamente, la que está adaptada para estar próxima a la superficie a medir, es decir, al contrario que en otras configuraciones conocidas del estado de la técnica, la placa no se sitúa con sus caras de mayor superficie paralelas a la superficie a medir, sino que el apéndice de rastreo se sitúa en una de las caras de menor superficie, es decir, en el canto de la placa, o lo que es lo mismo, la placa se dispone girada 90º respecto de la placa conocida del estado de la técnica. El modo de vibración inducido tiene también que desplazar el apéndice de rastreo verticalmente a la superficie a medir. For this, the invention is characterized in that, firstly, the tracking appendix is located on one of the first minor faces of the plate, namely, the one adapted to be close to the surface to be measured, that is, contrary to the fact that in other known configurations of the state of the art, the plate is not placed with its larger surface faces parallel to the surface to be measured, but the tracking appendix is located on one of the smaller surface faces, i.e. edge of the plate, or what is the same, the plate is arranged rotated 90 ° with respect to the plate known in the state of the art. The induced vibration mode also has to move the tracking appendix vertically to the surface to be measured.
Caracteriza también a la invención el hecho de que el electrodo de actuación está adaptado para provocar un desplazamiento de la placa paralelo a sus caras mayores opuestas, según lo anteriormente comentado, y se localiza sobre una de las mencionadas caras mayores. Esta configuración del electrodo permite provocar un desplazamiento vertical del apéndice de rastreo, ya que, por ejemplo, con una configuración en la cual el electrodo cubra la totalidad de la superficie de la placa no sería posible desplazar la placa de este modo. The invention is also characterized by the fact that the actuation electrode is adapted to cause a displacement of the parallel plate to its opposite major faces, as previously mentioned, and is located on one of the aforementioned major faces. This configuration of the electrode allows a vertical displacement of the tracking appendix, since, for example, with a configuration in which the electrode covers the entire surface of the plate it would not be possible to move the plate in this way.
Finalmente caracteriza a la invención el hecho de comprender adicionalmente un electrodo de detección del desplazamiento de la placa situado en una de las caras mayores. Este hecho permite que la detección esté también integrada en la propia micropalanca. Finally, the invention characterizes the fact that it further comprises an electrode for detecting the displacement of the plate located on one of the major faces. This fact allows the detection to also be integrated in the micro lever itself.
La micropalanca objeto de la invención al vibrar de modo que produce un desplazamiento de la micropalanca paralelo a sus caras mayores, en vez de perpendicular a la misma, evita que se produzca un elevado amortiguamiento en medio líquido, además de que al utilizar actuación y detección integrada mediante la anterior configuración de electrodos optimiza el desplazamiento del modo de vibración de la estructura. The micro lever that is the object of the invention when vibrating so that it produces a displacement of the micro lever parallel to its larger faces, instead of perpendicular to it, prevents a high damping in liquid medium, in addition to the use of action and detection integrated through the previous electrode configuration optimizes the displacement of the structure's vibration mode.
Es también objeto de la presenta invención el microscopio de fuerzas atómicas que comprende la micropalanca descrita, para lo cual la micropalanca se conecta a un circuito acondicionador de señales de los electrodos que se incorpora también al microscopio. The object of the present invention is also the atomic force microscope comprising the described micro lever, for which the micro lever is connected to an electrode signal conditioning circuit that is also incorporated into the microscope.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical implementation thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
Figura 1.- Muestra una vista esquemática en perspectiva de un ejemplo de realización de la micropalanca. Figure 1.- Shows a schematic perspective view of an example of realization of the micro lever.
Figura 2.-Muestra una vista esquemática en perspectiva de un segundo ejemplo de realización de la micropalanca. Figure 2.- Shows a schematic perspective view of a second embodiment of the micro lever.
Figura 3.-Muestra una vista esquemática de un corte transversal de la placa de un primer ejemplo de realización de los electrodos de actuación y detección. Figure 3.- Shows a schematic view of a cross-section of the plate of a first embodiment of the actuation and detection electrodes.
Figura 4.-Muestra una vista esquemática de un corte transversal de la placa de un segundo ejemplo de realización de los electrodos de actuación y detección. Figure 4.- Shows a schematic view of a cross-section of the plate of a second embodiment of the actuation and detection electrodes.
En la figura 1 se representa esquemáticamente un ejemplo de realización de la micropalanca para microscopio (20) de fuerzas atómicas objeto de la invención. An exemplary embodiment of the microscope micro lever (20) of atomic forces object of the invention is schematically shown in FIG.
La micropalanca comprende una placa (1) y un apéndice de rastreo (10). La placa (1) a su vez comprende: The micro lever comprises a plate (1) and a tracking appendix (10). The plate (1) in turn comprises:
- --
- sendas caras mayores (2) opuestas, y -unas primeras caras menores (3) opuestas y unas segundas caras menores (4) opuestas estando una de las segundas caras menores opuestas (4) adaptada para su unión al microscopio (20) de fuerzas atómicas, two major opposite faces (2), and -a first minor faces (3) opposite and second minor faces (4) opposite being one of the second opposite minor faces (4) adapted for attachment to the microscope (20) of atomic forces ,
El apéndice de rastreo (10) se localiza sobre la cara de la placa (1) que está adaptada para estar próxima a la superficie a medir, es decir, una de las caras menores (3). The tracking appendix (10) is located on the face of the plate (1) that is adapted to be close to the surface to be measured, that is, one of the smaller faces (3).
Con el objeto de maximizar el desplazamiento de la placa (1) se prefiere que el electrodo de actuación (5) esté situado en el área donde la tensión mecánica de la placa (1) en el modo de vibración excitado posee el mismo signo. In order to maximize the displacement of the plate (1) it is preferred that the actuating electrode (5) is located in the area where the mechanical tension of the plate (1) in the excited vibration mode has the same sign.
En la figura 1 se representa un ejemplo de realización en el cual el electrodo de actuación (5) se extiende sobre la mitad del área de la cara opuesta mayor (2) donde la tensión mecánica de la placa (1) en el modo de vibración excitado, el fundamental en este caso, posee el mismo signo. Concretamente, en el ejemplo mostrado, el electrodo de actuación (5) se localiza entre el extremo libre de la superficie de la placa (1) y una línea central longitudinal a la misma (1). De este modo, la configuración de este electrodo de actuación (5) permite la excitación del primer modo flexural de la estructura, ya que la forma modal de excitación de este primer modo flexural crea una línea nodal longitudinal central que divide la cara mayor (2) en sendas partes de signos opuestos para la tensión mecánica. An exemplary embodiment is shown in Figure 1 in which the actuating electrode (5) extends over half of the area of the larger opposite face (2) where the mechanical tension of the plate (1) in the vibration mode excited, the fundamental in this case, has the same sign. Specifically, in the example shown, the actuation electrode (5) is located between the free end of the plate surface (1) and a longitudinal center line thereto (1). In this way, the configuration of this actuation electrode (5) allows the first flexural mode to be excited in the structure, since the modal form of excitation of this first flexural mode creates a central longitudinal nodal line that divides the major face (2 ) in paths of opposite signs for mechanical stress.
La utilización de otros modos de vibración con movimiento paralelo a las caras mayores es posible, y requieren también que dichos modos sean actuados de forma eficiente, es decir, maximizando el desplazamiento de la micropalanca haciendo uso de la forma del electrodo de actuación (5) que se corresponda con el área de las caras mayores (2) donde el signo de la tensión mecánica es uno dado, positivo o negativo, para el modo de vibración específico. The use of other vibration modes with parallel movement to the larger faces is possible, and they also require that these modes be operated efficiently, that is, maximizing the movement of the micro lever using the shape of the actuating electrode (5) corresponding to the area of the major faces (2) where the sign of the mechanical tension is a given one, positive or negative, for the specific vibration mode.
El electrodo de detección (7) también se sitúa en el área de la cara mayor (2) donde la tensión mecánica de la placa (1) en el modo de vibración excitado posee el mismo signo. The detection electrode (7) is also located in the area of the major face (2) where the mechanical tension of the plate (1) in the excited vibration mode has the same sign.
En las figuras 2 y 3 se representa un ejemplo de realización del electrodo de detección (7) localizado en la micropalanca. El electrodo de detección (7) se localiza en la misma cara mayor (2) que el electrodo de actuación (5). Más concretamente, el electrodo de detección (7) se extiende sobre el área donde la tensión mecánica de la placa (1) en el modo de vibración excitado posee signo contrario al área en el que se sitúa el electrodo de actuación (5), es decir, teniendo en cuenta el ejemplo de realización mostrado en la figura 1, se extiende sobre la superficie de la cara mayor (2) no ocupada por el primer electrodo de actuación (5), es decir, por debajo de la línea nodal anteriormente referida. An embodiment example of the detection electrode (7) located in the micro lever is shown in Figures 2 and 3. The detection electrode (7) is located on the same major face (2) as the actuation electrode (5). More specifically, the detection electrode (7) extends over the area where the mechanical tension of the plate (1) in the excited vibration mode has a sign opposite to the area in which the actuating electrode (5) is located, is that is, taking into account the exemplary embodiment shown in Figure 1, it extends over the surface of the major face (2) not occupied by the first actuating electrode (5), that is, below the aforementioned nodal line .
En la figura 4 se representa otro de los ejemplos de realización en el cual el electrodo de detección (7) se sitúa en la cara mayor (2) opuesta a la del electrodo de actuación (5) pero siempre en un área donde la tensión mecánica de la placa (1) en el modo de vibración excitado posee el mismo signo. Figure 4 shows another embodiment in which the detection electrode (7) is located on the main face (2) opposite to the actuation electrode (5) but always in an area where the mechanical tension of the plate (1) in the excited vibration mode has the same sign.
El electrodo de actuación (5) puede estar dividido en varias partes situadas en áreas donde la tensión mecánica del modo excitado tenga el mismo signo, de este modo se extenderá entre líneas nodales y/o el borde de la placa (1). Estas partes del electrodo de actuación (5) serán alimentadas con la misma tensión con objeto de que provoquen la vibración en el modo requerido. The actuating electrode (5) can be divided into several parts located in areas where the mechanical tension of the excited mode has the same sign, thus extending between nodal lines and / or the edge of the plate (1). These parts of the actuating electrode (5) will be fed with the same voltage in order to cause the vibration in the required mode.
También es posible incluir un segundo electrodo de actuación (11), que también puede estar dividido en varias partes en función del modo de vibración excitado y de su forma modal asociada, alimentados por una tensión igual que la del primer electrodo de actuación (5) pero de signo contrario y que estará localizado en la misma cara mayor (2) que el primer electrodo de actuación (5) y situado en un área donde la tensión mecánica de la placa (1) en el modo de vibración excitado posee el signo contrario al área en el que se sitúa el primer electrodo de actuación (5). It is also possible to include a second actuation electrode (11), which can also be divided into several parts depending on the excited vibration mode and its associated modal form, fed by a voltage equal to that of the first actuation electrode (5) but of opposite sign and that will be located on the same major face (2) as the first actuating electrode (5) and located in an area where the mechanical tension of the plate (1) in the excited vibration mode has the opposite sign to the area in which the first actuation electrode (5) is located.
Igualmente es posible que la micropalanca comprenda también segundo electrodo de detección (13) situado en la misma cara mayor (2) que el primer electrodo de detección (7) en un área donde la tensión mecánica de la placa (1) en el modo de vibración excitado posee el signo contrario al área en el que se sitúa el primer electrodo de detección (7) y que está adaptado para generar una tensión de signo contrario a la del primer electrodo de detección (7). It is also possible that the micro lever also comprises second detection electrode (13) located on the same major face (2) as the first detection electrode (7) in an area where the mechanical tension of the plate (1) in the mode of Excited vibration has the opposite sign to the area in which the first detection electrode (7) is located and which is adapted to generate a sign voltage opposite to that of the first detection electrode (7).
En cualquiera de los ejemplos de realización comentados con el objeto In any of the embodiments described with the object
de maximizar el desplazamiento de la micropalanca el electrodo de actuación to maximize the displacement of the micro lever the actuation electrode
(5), o los electrodos de actuación (5, 11) si son varios, se extiende sobre la (5), or the actuating electrodes (5, 11) if they are several, extends over the
5 totalidad del área de la cara mayor (2) donde la tensión mecánica de la placa 5 entire area of the major face (2) where the mechanical tension of the plate
(1) en el modo de vibración excitado posee el mismo signo. (1) in the excited vibration mode it has the same sign.
La micropalanca puede comprender unos electrodos de masa (6, 8, 12, 14) localizados entre la capa piezoeléctrica (9) y la placa (1) y que se extiende The micro lever can comprise ground electrodes (6, 8, 12, 14) located between the piezoelectric layer (9) and the plate (1) and extending
10 al menos la misma área que el electrodo de actuación (5, 11) y/o el electrodo de detección (7, 13). Estos electrodos de masa (6, 8, 12, 14) pueden ser independientes o ser un único electrodo de masa (6, 8, 12, 14) que ocupa toda la superficie de la cara mayor (2). 10 at least the same area as the actuation electrode (5, 11) and / or the detection electrode (7, 13). These ground electrodes (6, 8, 12, 14) may be independent or be a single ground electrode (6, 8, 12, 14) that occupies the entire surface of the major face (2).
15 Alternativamente, la placa (1) puede ser de material conductor de modo que no es necesaria la presencia de electrodos de masa (6, 8, 12, 14). Alternatively, the plate (1) can be of conductive material so that the presence of ground electrodes (6, 8, 12, 14) is not necessary.
Finalmente indicar que la micropalanca estará realizada en un material deformable, como por ejemplo, silicio o nitruro de silicio. Finally, indicate that the micro lever will be made of a deformable material, such as silicon or silicon nitride.
20 twenty
Claims (13)
- - -
- una placa (1) que comprende: a plate (1) comprising:
- - -
- un apéndice de rastreo (10) localizado sobre la cara (2, 3, 4) de la placa (1) que está adaptada para quedar situada próxima a una superficie a medir, a tracking appendix (10) located on the face (2, 3, 4) of the plate (1) that is adapted to be located close to a surface to be measured,
- - -
- una capa piezoeléctrica (9) situada sobre la placa (1) y a piezoelectric layer (9) located on the plate (1) and
- - -
- un electrodo de actuación (5) localizado sobre la capa piezoeléctrica (9) de una de las caras mayores (2) para la excitación de modos de vibración a la placa (1), caracterizada porque an actuation electrode (5) located on the piezoelectric layer (9) of one of the major faces (2) for the excitation of vibration modes to the plate (1), characterized in that
- --
- el apéndice de rastreo (10) se localiza en una de las primeras caras menores (3), -el electrodo de actuación (5) está adaptado para provocar desplazamientos de la placa (1) paralelos a sus caras mayores (2), y the tracking appendix (10) is located on one of the first minor faces (3), - the actuating electrode (5) is adapted to cause displacements of the plate (1) parallel to its major faces (2), and
- --
- comprende adicionalmente un electrodo de detección (7) del desplazamiento de la placa (1) situado en una de las caras mayores (2). It further comprises an electrode (7) for detecting the displacement of the plate (1) located on one of the major faces (2).
- (1) (one)
- en el modo de vibración excitado posee el mismo signo. in the excited vibration mode it has the same sign.
- (1) (one)
- en el modo de vibración excitado posee el mismo signo. in the excited vibration mode it has the same sign.
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- US 5723775 A (WATANABE, S. et al.) 03.03.1998, todo el documento. 1-12 US 5723775 A (WATANABE, S. et al.) 03.03.1998, the whole document. 1-12
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- EP 0797117 A1 (SEIKO INSTRUMENTS INC.) 24.09.1997 EP 0797117 A1 (SEIKO INSTRUMENTS INC.) 24.09.1997
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- 2011-08-02 ES ES201131344A patent/ES2438021B1/en active Active
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