ES2887205T3 - Procedimiento y dispositivo para controlar un microscopio de sonda de barrido - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para controlar un microscopio de sonda de barrido que tiene una sonda (2) con una punta (21) para interactuar con una muestra (4), y un nanoescáner (1) para retener dicha muestra (4) o dicha sonda (2), que comprende los pasos de: supervisar la extensión de dicho nanoescáner (1) a lo largo de una primera dirección (R), a lo largo de la cual dicha punta (21) se mueve hacia dicha muestra (4), y ajustar un nivel de dicha sonda (2) a lo largo de dicha primera dirección (R) mediante un actuador adicional (3), cuando dicho nanoescáner (1) presenta una extensión por debajo o por encima de un valor umbral, con el procedimiento caracterizado por que además comprende los pasos de supervisar un ángulo de corriente (α) entre una segunda dirección (R2) y la normal (N) de una superficie de dicha muestra (4) en un punto (53) de dicha superficie, en el que dicha sonda (2) se mueve a lo largo de dicha segunda dirección (R2) hacia dicho punto (53) en una aproximación vertical, y controlar dicho actuador adicional (3) y al menos un segundo actuador adicional (32) de manera que dicho ángulo de corriente (α) se aproxime a un ángulo deseado predefinido, en el que dicho ángulo deseado es cero; y en el que dicha muestra es una muestra de tejido.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo para controlar un microscopio de sonda de barrido

La presente invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para controlar un microscopio de sonda de barrido.

La microscopía de sonda de barrido y, en particular, la microscopía de fuerza atómica (AFM) son procedimientos valiosos en las ciencias biológicas. La prueba de indentación basada en AFM es una técnica importante para inspeccionar las propiedades mecánicas de una gran variedad de muestras. Las muestras de tejido biológico, sin embargo, comprenden características superficiales que dan lugar a una gran rugosidad superficial. Esta rugosidad puede exceder el rango máximo del movimiento vertical o extensión de un nanoescáner ("nanoescáner" se usa a continuación como un término generalizado para un elemento piezoeléctrico, motor de bobina de voz o dispositivo similar que controla el microscopio de sonda de barrido).

Dichos nanoescáneres, en particular los elementos piezoeléctricos, suelen presentar un rango de movimiento que puede variar entre 5 pm y 100 pm, dependiendo del diseño del fabricante. La función principal del nanoescáner es mantener una fuerza de interacción especificada por el usuario entre la punta de la sonda, más precisamente una punta en voladizo, y la muestra bajo examen levantando o bajando verticalmente el voladizo (configuración ARRIBA-ABAJO) o la muestra (configuración ABAJO-ARRIBA). En la configuración de ARRIBA-ABAJO, el voladizo o ensamblaje en voladizo se acopla directamente al elemento piezoeléctrico. La muestra o el portamuestras no se mueven. En la configuración ABAJO-ARRIBA, la muestra o el portamuestras se acopla directamente al elemento piezoeléctrico. El conjunto en voladizo permanece estacionario. De forma alternativa, la muestra se puede mover en dirección vertical mediante un elemento piezoeléctrico (ABAJO-ARRIBA), mientras que el voladizo se mueve mediante un elemento piezoeléctrico adicional en dirección horizontal (ARRIBA-LATERAL). O, en otra configuración más, el voladizo se puede mover en la dirección vertical mediante un elemento piezoeléctrico (ARRIBA-ABAJO), mientras que la muestra se mueve mediante un elemento piezoeléctrico adicional en dirección horizontal (ABAJO-LATERAL).

De esta manera, el nanoescáner mantiene una fuerza constante entre la punta y la muestra durante el barrido de la muestra (es decir, el mapeo de la fuerza) moviendo la muestra o el voladizo en la dirección vertical. Las curvas de fuerza se registran normalmente en, pero no se limitan a, áreas de barrido que varían de 10 pm x 10 pm a 150 pm x 150 pm en puntos de indentación vecinos con un espaciado de aproximadamente 1 pm. Para registrar las curvas de fuerza, el nanoescáner se extiende (el voladizo va hacia la muestra) hasta que el voladizo se dobla para alcanzar una fuerza determinada sobre la muestra. Esto produce la curva de "traza". Posteriormente, el nanoescáner se retrae una cierta distancia, produciendo la curva de '"retroceso" y a continuación avanza al siguiente punto de indentación.

Los problemas ocurren cuando las ondulaciones (irregularidad de la muestra en el eje z) de la superficie de la muestra en el área de barrido son mayores que el rango del nanoescáner dado en el eje z (5 pm a 100 pm). Por lo tanto, en el caso de una configuración SUPERIOR-INFERIOR, si las corrugaciones son demasiado grandes, el elemento piezoeléctrico se extenderá o retraerá por completo. El voladizo perderá contacto si el elemento piezoeléctrico está completamente extendido pero la superficie de la muestra sigue descendiendo. Por otro lado, la fuerza del voladizo aumentará por encima del máximo de fuerza dado si el elemento piezoeléctrico ya está completamente retraído pero la superficie de la muestra sigue ascendiendo. A continuación, la punta en voladizo se presiona literalmente contra la superficie de la muestra. En ambos casos, no se mantiene la fuerza constante entre la punta y la muestra mencionada anteriormente. Para configuraciones ABAJO-ARRIBA, las direcciones se invierten.

El documento JP 2000-88733 A describe un mecanismo para extender el rango de aproximación de la sonda de un microscopio de sonda de barrido.

El documento JP 2000-97840 A describe un mecanismo para cambiar la inclinación de una sonda de un microscopio de sonda de barrido con respecto a la muestra con el fin de realizar un barrido de un paso en la muestra.

El documento US 2008/0245139 describe un mecanismo para permitir que una sonda de un microscopio de sonda de barrido realice un barrido del fondo de un pozo en una muestra.

Basándose en estos antecedentes, el objetivo de la presente invención es proporcionar procedimientos y medios para controlar un microscopio de sonda de barrido, en particular para mediciones de muestras caracterizadas por grandes ondulaciones o rugosidades superficiales.

La solución proporcionada por la presente invención es supervisar el movimiento o extensión del elemento piezoeléctrico y cambiar el nivel de altura relativa o absoluta del voladizo mediante motores o actuadores externos cuando el elemento piezoeléctrico alcanza sus límites, o cuando se encuentra dentro de un rango predefinido en las proximidades de estos límites. Se desarrolló un módulo adicional que permite la prueba de indentación de muestras muy rugosas. En cada punto de hendidura, se registró y analizó el movimiento completo o la extensión del nanoescáner.

De acuerdo con la reivindicación 1 de la invención, se proporciona un procedimiento para controlar un microscopio de sonda de barrido que tiene una sonda con una punta para interactuar con una muestra y un nanoescáner para retener la muestra o la sonda, que comprende los pasos de:

- supervisar la extensión del nanoescáner a lo largo de una primera dirección (eje z) a lo largo de la cual la punta se mueve hacia la muestra, y

- ajustar un nivel de la sonda a lo largo de la primera dirección por medio de un actuador adicional, cuando el nanoescáner presenta una extensión por debajo o por encima de un valor umbral.

La muestra es una muestra de tejido.

El procedimiento de la invención comprende además los pasos de:

- supervisar un ángulo de corriente entre una segunda dirección y la normal de una superficie de la muestra en un punto de la superficie, en el que la sonda se mueve a lo largo de la segunda dirección hacia el punto en una aproximación vertical, y

- controlar el actuador adicional y al menos un segundo actuador adicional de modo que el ángulo actual se aproxime a un ángulo deseado predefinido, en el que el ángulo deseado predefinido es cero.

Dicho microscopio de sonda de barrido está configurado para formar imágenes o mapas de superficies de muestra utilizando una sonda física que realice un barrido de la muestra. Estas imágenes pueden obtenerse moviendo mecánicamente la sonda en un barrido de trama, a lo largo de una línea o una cuadrícula de puntos y registrando la interacción sonda-superficie.

En algunos modos de realización, los microscopios de sonda de barrido se seleccionan del grupo compuesto por un microscopio de fuerza atómica, un microscopio de fuerza química, un microscopio de fuerza atómica conductor, un microscopio de túnel de barrido y un microscopio de fuerza magnética.

En algunos modos de realización, el microscopio de sonda de barrido tiene un poder de resolución de al menos 1 pm. El poder de resolución en el contexto de la presente especificación se refiere a la distancia mínima entre puntos por la cual un microscopio de sonda de barrido todavía es capaz de discriminar entre dos puntos en una muestra con respecto a sus características probadas como carga, magnetización o una propiedad mecánica. Un poder de resolución de al menos 1 pm significa que el microscopio es capaz de discriminar dos puntos que no están separados por más de 1 pm. Un poder de resolución de al menos 1 pm también incluye poderes de resolución más altos. Un poder de resolución superior a 1 pm significa que el microscopio puede discriminar dos puntos que tengan una distancia inferior a 1 pm. Ejemplos de poderes de resolución superiores a 1 pm son 0,5 pm, 0,1 pm, 10 nm y 1 nm.

En algunos modos de realización, dicha sonda está configurada para interactuar con una muestra mediante electrones o fuerzas tales como fuerza de van der Waals, fuerza mecánica, fuerza electrostática, fuerza de adhesión, fuerza de fricción o fuerza magnética.

En algunos modos de realización, la sonda está configurada para registrar la interacción entre la muestra y la sonda detectando, por ejemplo, corrientes eléctricas, diferencias en potenciales eléctricos o químicos, cambios en la capacitancia electrostática o fuerzas como se describió anteriormente.

En algunos modos de realización, la sonda se selecciona del grupo compuesto por una punta de barrido conductora, un voladizo y una fibra óptica.

En algunos modos de realización, la sonda se puede mover además en una segunda y tercera dirección (eje x y eje y) que se extiende ortogonalmente a la primera dirección (z) y está configurada para realizar un barrido de la superficie de la muestra a lo largo de la segunda o tercera dirección (es decir, en el plano x-y).

En algunos modos de realización, la sonda es parte de un conjunto de sonda.

En algunos modos de realización, tal ajuste del nivel de la sonda a lo largo de la primera dirección está configurado para evitar que la punta de la sonda se acerque demasiado a la muestra o se aleje demasiado de la muestra.

En algunos modos de realización, los ajustes se realizan bajando o levantando la sonda o bajando y levantando la muestra a lo largo de la primera dirección.

En algunos modos de realización, la muestra es retenida por un portamuestras. Un portamuestras en el contexto de la presente especificación significa un dispositivo o un soporte que está configurado para retener una muestra.

En algunos modos de realización, el portamuestras es un portaobjetos de vidrio, una placa de Petri o un soporte de teflón.

Un nanoescáner en el contexto de la presente especificación se refiere a un dispositivo para mover la muestra o la sonda con precisión submicrométrica o al menos micrométrica a lo largo de la primera dirección descrita anteriormente. Precisión submicrométrica o micrométrica en el contexto de la presente especificación significa que el dispositivo puede mover la muestra de la sonda a lo largo de la primera dirección en pasos de no más de 0,1 pm, 0,5 pm, 1 pm, 2 pm, 5 pm, 7 pm o 10 pm.

En algunos modos de realización, el nanoescáner es un elemento piezoeléctrico o un motor lineal, como un motor de bobina móvil.

Un elemento piezoeléctrico en el contexto de la presente especificación se refiere a un cuerpo compuesto de un material piezoeléctrico que puede deformarse mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Tal elemento piezoeléctrico es extensible y retráctil a lo largo de al menos una dirección.

En algunos modos de realización, el elemento piezoeléctrico está hecho de un material adecuado tal como cristal o cerámica, por ejemplo, cuarzo, titanato de bario, titanato de plomo, tungstato de sodio, niobato de sodio, titanato de circonato de plomo o ferrita de bismuto.

En algunos modos de realización, el elemento piezoeléctrico es extensible o retráctil dentro de un rango de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 pm.

Un motor de bobina móvil en el contexto de la presente especificación se refiere a un motor que comprende una carcasa magnética y una bobina electromagnética que se pueden mover entre sí (la bobina dentro de la carcasa). Tal bobina electromagnética comprende un hilo conductor enrollado alrededor de un núcleo. La aplicación de un voltaje a través de los terminales del motor hace que el motor se mueva en una dirección, mientras que invertir la polaridad del voltaje aplicado moverá el motor en la dirección opuesta. La extensión de un motor de bobina móvil en el contexto de la presente especificación se refiere a su carrera o elevación, en el que la extensión máxima se refiere a la carrera o elevación máxima y la extensión mínima a carrera o elevación cero.

En algunos modos de realización, la carcasa magnética comprende un imán permanente en una carcasa compuesta de hierro.

En algunos modos de realización, el motor de bobina móvil comprende adicionalmente una estructura de bisagra de flexión que puede usarse como resorte entre la sonda y la carcasa.

En algunos modos de realización, el nanoescáner se acopla directamente a la sonda o al conjunto de sonda (configuración de ARRIBA-ABAJO).

En algunos modos de realización, el nanoescáner se acopla directamente a la muestra o al portamuestras (configuración ABAJO-ARRIBA).

Acoplamiento directo en el contexto de la presente especificación se refiere a una conexión física entre el nanoescáner y la sonda, el conjunto de sonda, la muestra o el portamuestras, en el que la conexión física está configurada para permitir que el nanoescáner mueva la sonda, el conjunto de sonda, la muestra del portamuestras en al menos la primera dirección como se ha descrito anteriormente.

En algunos modos de realización, el nanoescáner está configurado para mover la sonda, el conjunto de sonda, la muestra o el portamuestras en la segunda y tercera dirección descritas anteriormente.

En algunos modos de realización, tal valor umbral corresponde al rango de trabajo óptimo del nanoescáner, en particular de un elemento piezoeléctrico, dependiendo de la construcción, el diseño o el material usado del nanoescáner.

En algunos modos de realización, el valor umbral corresponde al límite superior e inferior del rango de trabajo óptimo del nanoescáner.

Un actuador en el contexto de la presente especificación significa un dispositivo para mover o controlar un mecanismo o sistema diferente del elemento piezoeléctrico descrito anteriormente y que convierte energía en movimiento.

En algunos modos de realización, tal actuador es accionado por una fuente de energía tal como corriente eléctrica, presión de fluido hidráulico o presión neumática.

En algunos modos de realización, el actuador se selecciona del grupo compuesto por un actuador neumático, un actuador hidráulico, un actuador piezoeléctrico, un accionamiento de peine, un motor o actuador lineal, un polímero electroactivo o un motor eléctrico tal como servomotor, motor paso a paso o motor de bobina de voz.

En un modo de realización, el nanoescáner está diseñado, con respecto a su extensión, para mantener una fuerza de interacción constante entre la punta de la sonda y la muestra. Tal fuerza se ha descrito anteriormente.

En un modo de realización, la extensión del nanoescáner está configurada para mantener una distancia constante entre la punta de la sonda y la muestra.

En un modo de realización, la extensión del nanoescáner está configurada para mantener una profundidad de indentación constante de la punta de la sonda en la muestra.

En un modo de realización, el procedimiento de acuerdo con los modos de realización de la invención se realiza en una medición de una superficie caracterizada por ondulaciones mayores que el rango de extensión de un elemento piezoeléctrico dado.

En un modo de realización, el procedimiento se realiza en una medición de superficie caracterizada por una ondulación mayor de 5 pm, 10 pm, 15 pm, 20 pm, 25 pm, 30 pm, 35 pm, 40 pm, 50 pm, 60 pm, 70 pm, 80 pm, 90 pm o 100 pm. En un modo de realización, la supervisión de la extensión del nanoescáner de acuerdo con los modos de realización de la invención se realiza en tiempo real. Tiempo real en el contexto de la presente especificación significa que el tiempo que transcurre entre la extensión del nanoescáner y el registro de la extensión no es mayor que 1 s, 0,1 s, 10 ps o 1 ps. Una supervisión en tiempo real puede permitir un ajuste en tiempo real del nivel de la sonda, en el que el tiempo que transcurre entre la extensión del elemento piezoeléctrico y el ajuste del nivel de la sonda no es superior a 1 ps, 10 ps, 100 ps, 1 s o 5 s.

En un modo de realización, la sonda descrita anteriormente es un voladizo.

Un voladizo en el contexto de la presente especificación significa una viga o brazo que está anclado en un solo extremo. Las desviaciones del voladizo causadas por fuerzas de repulsión o atracción entre la superficie de la muestra y la punta pueden detectarse ópticamente, por ejemplo, mediante un interferómetro o un láser enfocado en la parte posterior del voladizo, y reflejarse en un fotodiodo dividido, en el que el fotodiodo registra la desviación del voladizo como una diferencia de voltaje, que se puede convertir en nanómetros. De forma alternativa, la deflexión del voladizo puede detectarse mediante un sensor piezoeléctrico, en el que la deformación del voladizo se convierte en una carga eléctrica.

En un modo de realización, el voladizo es parte de un conjunto de voladizo.

En un modo de realización, el voladizo está configurado de manera que la punta del voladizo se presiona hacia la muestra a lo largo de la primera dirección descrita anteriormente por extensión del nanoescáner.

En algunos modos de realización, el microscopio de sonda de barrido es un microscopio de fuerza atómica que tiene el voladizo.

En algunos modos de realización, el procedimiento se usa para realizar la medición de AFM en una superficie de muestra que se caracteriza por rugosidad o grandes ondulaciones.

En un modo de realización, el procedimiento se usa para la medición de AFM de muestras de tejido tales como muestras de biopsia.

En un modo de realización, el ajuste del nivel de la sonda se realiza bajando o levantando la sonda o bajando o levantando la muestra.

En algunos modos de realización, la bajada o elevación de acuerdo con el modo de realización anterior se realiza acoplando directamente un actuador como se describe a la muestra, el portamuestras, la sonda o el conjunto de sonda, en el que el actuador está configurado para mover la muestra, el portamuestras, el voladizo o el conjunto de voladizo a lo largo de la primera dirección como se ha descrito anteriormente.

En un modo de realización, el ajuste del nivel de la sonda de acuerdo con los modos de realización de la invención se realiza automáticamente.

En un modo de realización, tal ajuste automático lo realiza el actuador descrito anteriormente o un microprocesador programado que está configurado para ejecutar el procedimiento de acuerdo con cualquier modo de realización de la invención.

En un modo de realización, el microprocesador está integrado en un dispositivo para microscopía de sonda de barrido o es parte del actuador descrito anteriormente, un controlador o un ordenador para accionar el dispositivo.

En un modo de realización, el microprocesador programado está configurado para supervisar la extensión del elemento piezoeléctrico e iniciar automáticamente el actuador para ajustar el nivel de la sonda o la muestra, cuando se alcanza un umbral de extensión definido. El microprocesador está configurado además para detener automáticamente el actuador, cuando se alcanza una cierta distancia de descenso o elevación a lo largo de la primera dirección.

En un modo de realización, el nivel se ajusta cuando el nanoescáner presenta una extensión inferior al 20 % o superior al 80 % de su extensión máxima.

En un modo de realización, el nivel de la sonda se ajusta cuando el nanoescáner presenta una extensión inferior al 5 %, 10 %, 15 % o 20 % o superior al 80 %, 85 %, 90 % o 95 % de su extensión máxima. Tal modo de realización ofrece la ventaja de mantener la extensión del nanoescáner en el rango de trabajo óptimo entre 5 %, 10 %, 15 % o 20 % y 80 %, 85 %, 90 % o 95 % de la extensión máxima. Al 0 % de la extensión máxima, el nanoescáner se retrae al máximo. La extensión máxima en el contexto de la presente especificación significa la longitud máxima de un nanoescáner a la que se puede extender el nanoescáner mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Asimismo, extensión mínima o retracción máxima en el contexto de la presente especificación se refiere a la longitud mínima de un nanoescáner al que el nanoescáner puede retraerse mediante la aplicación de una corriente eléctrica.

En un modo de realización, el nivel de la sonda se ajusta bajando o levantando la sonda o la muestra entre un 5 y un 30 % de la extensión máxima del nanoescáner. Tal modo de realización ofrece la ventaja de restaurar el rango de trabajo óptimo del elemento piezoeléctrico.

En un modo de realización, el nivel se ajusta bajando o levantando la sonda o la muestra entre un 10 y un 30 % de la extensión máxima del nanoescáner.

En un modo de realización, el nivel de la sonda se ajusta bajando o levantando la sonda o la muestra en un 20 % de la extensión máxima del elemento piezoeléctrico.

En un modo de realización, el nivel de la sonda se ajusta cuando el nanoescáner muestra una extensión de 50 nm, 100 nm, 200 nm, 500 nm, 700 nm, 1 pm o 2 pm más pequeña que la extensión máxima del nanoescáner o que es 50 nm, 100 nm, 200 nm, 500 nm, 700 nm, 1 pm o 2 pm más grande que la retracción máxima del nanoescáner. Tal modo de realización ofrece la ventaja de mantener la extensión del nanoescáner con el funcionamiento óptimo.

En un modo de realización, el nivel de la sonda se ajusta bajando o levantando la sonda o la muestra al menos 50 nm. En un modo de realización, el nivel de la sonda se ajusta bajando o levantando la sonda o la muestra en 3 pm. Tal modo de realización ofrece la ventaja de restaurar el rango de trabajo óptimo del elemento piezoeléctrico.

En un modo de realización, el nivel se ajusta bajando o levantando la sonda o la muestra en una distancia que varía de 50 nm a 3 pm.

Una normal a una superficie en un punto en el contexto de la presente especificación se refiere a una línea o un vector que es perpendicular a la superficie de la muestra en este punto. En particular, la normal a una superficie en un punto es la misma que una normal al plano tangente a esa superficie en este punto.

Una ventaja de la invención es la posibilidad de lograr una aproximación óptima, constantemente perpendicular de la sonda, particularmente de la punta de la sonda, hacia la superficie de una muestra durante una medición microscópica con sonda de barrido de una muestra rugosa e irregular con una superficie curva.

En algunos modos de realización, el ángulo de corriente se supervisa midiendo las deflexiones verticales y laterales (horizontales) de la sonda, en el que las deflexiones son supervisadas por un interferómetro o por un láser enfocado en la parte posterior de la sonda y reflejado en un fotodiodo dividido, y en el que el fotodiodo registra la desviación de la sonda como una diferencia de voltaje.

En algunos modos de realización, el ángulo de corriente se detecta a partir de la forma de una curva de fuerza de indentación vertical registrada.

En algunos modos de realización, el actuador adicional, el segundo actuador adicional y un tercer actuador adicional se controlan de manera que el ángulo actual se aproxima al ángulo deseado predefinido.

En un modo de realización, el control del actuador adicional, el segundo actuador adicional, y particularmente también del tercer actuador adicional, se realiza automáticamente.

En un modo de realización, tal control automático es realizado por el actuador adicional, el segundo actuador adicional, y particularmente también por el tercer actuador adicional descrito anteriormente o por un microprocesador programado que está configurado para ejecutar el procedimiento de acuerdo con cualquier modo de realización de la invención.

De acuerdo con la reivindicación 10 de la invención, se proporciona un dispositivo de microscopio de sonda de barrido, que comprende

- una sonda que tiene una punta para interactuar con una muestra, en la que la sonda está configurada para mover la punta hacia la muestra a lo largo de una primera dirección,

- un nanoescáner para retener la muestra o la sonda,

en el que

el dispositivo de microscopía de sonda de barrido comprende un medio para supervisar la extensión del nanoescáner a lo largo de la primera dirección como se describió anteriormente, un actuador para ajustar un nivel de la sonda a lo largo de la primera dirección y un controlador para controlar el actuador, en el que el controlador está configurado para controlar el actuador para ajustar el nivel de la sonda, cuando el nanoescáner presenta una extensión por debajo o por encima de un valor de umbral definible.

El dispositivo de la invención comprende además al menos un segundo actuador adicional, en el que el actuador adicional y el segundo actuador adicional están configurados para ajustar un ángulo de corriente entre una segunda dirección y la normal de una superficie de la muestra en un punto de la superficie, en el que la sonda está configurada para moverse a lo largo de la segunda dirección hacia el punto en una aproximación vertical.

El dispositivo de la invención comprende además una unidad de control de actuador que está configurada para controlar el actuador adicional, el segundo actuador adicional, de manera que el ángulo se aproxima a un ángulo deseado, en el que el ángulo deseado es cero.

Los términos nanoescáner, sonda, actuador, primera dirección y valor umbral tienen el mismo significado que el descrito anteriormente.

En algunos modos de realización, el actuador está configurado para bajar o levantar la muestra o la sonda para evitar que la punta de la sonda se acerque a la muestra o se aleje demasiado de la muestra.

En algunos modos de realización, tales medios para supervisar la extensión del nanoescáner es un sistema óptico que comprende un láser o un interferómetro, un sensor piezoeléctrico, que puede registrar el movimiento del elemento piezoeléctrico como una carga eléctrica, o un sensor que no está supervisando solo el voltaje aplicado, sino también la consiguiente extensión real para garantizar una alta precisión de la extensión.

En algunos modos de realización, dicho medio para supervisar el movimiento es la lectura del voltaje o la corriente eléctrica aplicada al nanoescáner, que es necesaria para mover el nanoescáner a lo largo de la primera dirección o, en particular, para mantener una fuerza constante entre la punta y la muestra. Por ejemplo, cada piezo tiene una sensibilidad específica, nm/V, que se utiliza para convertir el voltaje aplicado en la distancia/movimiento del piezo. Cuando el voltaje o la corriente eléctrica aplicados y la extensión del nanoescáner resultante alcanzan un nivel específico, entonces se activa el ajuste del nivel de la sonda como se ha descrito anteriormente.

Un controlador en el contexto de la presente especificación se refiere a una unidad de control que está conectada al actuador.

En algunos modos de realización, el controlador es un microprocesador o un ordenador.

En algunos modos de realización, el nanoescáner se acopla directamente a la sonda o la muestra. En caso de que la sonda sea parte de un conjunto de sonda, el nanoescáner puede, de forma alternativa, acoplarse directamente al conjunto de sonda.

En un modo de realización, el nanoescáner está configurado para mantener una fuerza de interacción constante entre la punta de la sonda y la muestra. Tal fuerza se ha descrito anteriormente.

En un modo de realización, el nanoescáner está configurado para mantener una profundidad de indentación constante de la punta de la sonda en la muestra.

En un modo de realización, el nanoescáner es un elemento piezoeléctrico. El término elemento piezoeléctrico tiene el mismo significado que el descrito anteriormente.

En un modo de realización, la sonda es un voladizo. El término voladizo tiene el mismo significado que el descrito anteriormente.

En un modo de realización, el nanoescáner se puede mover en una segunda dirección que se extiende ortogonal a dicha primera dirección descrita anteriormente.

En un modo de realización, el dispositivo comprende además un portamuestras para retener la muestra. El término portamuestras tiene el mismo significado que el descrito anteriormente. En caso de que la muestra sea retenida por el portamuestras, el nanoescáner puede acoplarse directamente al portamuestras.

En un modo de realización, el dispositivo de la invención comprende además un tercer actuador adicional, en el que en particular el actuador adicional, el segundo actuador adicional y el tercer actuador adicional están configurados para ajustar el ángulo entre la segunda dirección y la normal.

En un modo de realización, el dispositivo de la invención comprende además una unidad de control del actuador que está configurada para controlar el actuador adicional, el segundo actuador adicional y también el tercer actuador adicional, de manera que el ángulo se aproxima al ángulo deseado, en el que el ángulo deseado es cero.

En un modo de realización, la unidad de control del actuador está configurada para supervisar el ángulo entre la segunda dirección y la normal.

Una ventaja de los modos de realización descritos anteriormente es que dicho dispositivo permite una medición microscópica con sonda de barrido, en particular una medición AFM, de una muestra rugosa e irregular con una superficie curva con una aproximación óptima y constantemente perpendicular de la sonda hacia la superficie de la muestra.

La invención se caracteriza además por las siguientes figuras y ejemplos, a partir de los cuales se pueden obtener características, ventajas y modos de realización adicionales de la invención:

Descripción de las figuras

La fig. 1 muestra un esquema de un ejemplo con una configuración AFM ARRIBA-ABAJO y con un componente de alineación vertical.

La fig. 2 muestra un esquema de otro ejemplo con una configuración AFM ABAJO-ARRIBA y con un componente de alineación vertical.

La fig.3 muestra un esquema del movimiento de piezo vertical.

La fig. 4 muestra un esquema de un modo de realización de la invención con una configuración AFM ABAJO-ARRIBA y con componentes para el ajuste del ángulo con: Situación A antes del ajuste del ángulo; y situación B después del ajuste del ángulo.

La fig. 5 muestra una curva de fuerza-distancia de una medición AFM con un ángulo no óptimo (no deseado); el eje X muestra la distancia (altura) y el eje Y la fuerza; línea gris claro-curva de carga (traza); línea gris oscuro-curva de descarga (retroceso).

La fig. 6 muestra una curva de fuerza-distancia de una medición de AFM con un ángulo óptimo (deseado) corregido; el eje X muestra la distancia (altura) y el eje Y la fuerza; línea gris claro-curva de carga (traza); línea gris oscuro-curva de descarga (retroceso).

Ejemplos

Ejemplo 1

La fig. 1 muestra el esquema de un ejemplo en la configuración ARRIBA-ABAJO, en la que el elemento piezoeléctrico 1 está acoplado directamente al voladizo 2. En caso de que el elemento piezoeléctrico 1 se extienda al máximo a lo largo de la primera dirección R y el contacto entre la punta en voladizo 21 y la superficie de la muestra 4 esté suelto, el controlador 31 pone en marcha los motores externos 3 (actuador) para bajar la punta en voladizo 21 a lo largo de la primera dirección R hasta la superficie hasta alcanzar la extensión deseada del elemento piezoeléctrico 1. En el caso de que el elemento piezoeléctrico 1 se retraiga al máximo y la punta del voladizo 21 esté indentada en la superficie de la muestra 4 con una fuerza no deseada, el controlador 31 pone en marcha los motores externos 3 para levantar el voladizo 2 a lo largo de la primera dirección R para restaurar la extensión deseada. del elemento piezoeléctrico 1.

Ejemplo 2

La fig. 2 muestra el esquema de otro ejemplo en la configuración ABAJO-ARRIBA, en el que el elemento piezoeléctrico está acoplado directamente al portamuestras 41 y el voladizo 2 está acoplado a un soporte en voladizo 25.

Ejemplo 3

La fig. 3 muestra el esquema del movimiento piezoeléctrico vertical a lo largo de la primera dirección R. El elemento piezoeléctrico 1 se caracteriza por una extensión máxima 12 y una retracción máxima 11. Entre estos dos estados existe el rango de trabajo del elemento piezoeléctrico que se puede dividir en el rango de trabajo óptimo 13 y el rango de trabajo no óptimo 14. Un primer umbral 15 está situado en el límite entre el rango de trabajo óptimo 13 y el rango de trabajo no óptimo 14 en el lado de máxima retracción 11. Un segundo umbral 16 está situado en el límite entre el rango de trabajo óptimo 13 y el rango de trabajo no óptimo 14 en el lado de extensión máxima 12.

Cuando la muestra se vuelve demasiado alta y el elemento piezoeléctrico 1 se retrae hasta el umbral 15, por ejemplo, menos del 20 % o 2 pm de su rango de extensión total, el controlador 31 activará los motores. Los motores se moverán hacia arriba y restablecerán la distancia de trabajo óptima 13 del piezo (por ejemplo, entre el 20 % y el 80 % de la extensión máxima 12 o entre los 2 pm iniciales y los últimos 2 pm de la extensión máxima 12) (fig. 3). Si el piezo se extiende más del 80 % o los últimos 2 pm del rango de extensión completo en el umbral 16, el controlador 31 volverá a arrancar los motores 3, pero esta vez se moverán hacia abajo para restaurar la distancia de trabajo piezo óptima 13 (fig. 3). Típicamente, el voladizo 2 se baja o se eleva, por ejemplo, 3 pm si se trabaja con un elemento piezoeléctrico, 1 de 15 pm de rango de extensión total. El usuario puede ajustar este valor a la combinación dada de AFM y motores 3.

Ejemplo 4

La fig. 4 es un esquema de un modo de realización de la invención, en el que este modo de realización se relaciona con el ajuste del ángulo del ángulo a entre la dirección de movimiento R2 del voladizo 2, en particular la punta 21 del voladizo 2, y la superficie de la muestra 4 a medir.

La fig. 4A muestra una situación en la que el voladizo 2 no está orientado perpendicularmente a la superficie de la muestra 4, lo cual conduce a una aproximación no óptima del voladizo 2 hacia la muestra 4 y resultados inexactos de la medición de AFM. La punta 21 del voladizo 2 contacta con la muestra en el punto 53, que es la intersección entre el eje 51 que es paralelo a la dirección de movimiento R2 del voladizo 2 y con el eje 52 siendo paralelo a la normal N, que es un vector o una línea perpendicular a la superficie de la muestra 4 en este punto 53. Un ángulo deseado a es cero, lo cual significa que la dirección de movimiento R2 de la sonda 2 es paralela a la N normal, o el eje 51 es paralelo al eje 52. El resultado de una medición de AFM con un ángulo no óptimo e indeseado se muestra en la fig. 5.

Este ajuste del ángulo a se puede lograr con la ayuda de un primer actuador 3 y un segundo actuador 32, y opcionalmente un tercer actuador 33 (fig. 4 B), en el que la muestra 4 se inclina junto con el nanoescáner 1 mediante la retracción del primer actuador 3 y expansión del segundo actuador 32, y opcionalmente mediante la expansión o retracción del tercer actuador 33. En este caso, la normal N se acerca a la dirección de movimiento R2 de la sonda 2, hasta que la dirección de movimiento R2 y la normal N son esencialmente paralelas. La extensión o retracción del primer actuador 3, el segundo actuador 32 y el tercer actuador 33 así como la supervisión del ángulo a son accionados por una unidad 34 de control del actuador. En la fig. 6 se muestra el resultado de una medición de AFM con dicho ángulo deseado, óptimo y corregido.

De forma alternativa, también la sonda 2 puede inclinarse mediante un primer actuador 3 y un segundo actuador 32 unido a la sonda 2 de manera que la dirección de movimiento R2 de la sonda 2 se acerque a la normal N, hasta que la dirección de movimiento R2 y la normal N sean esencialmente paralelas.

El ángulo a se puede controlar midiendo la señal del fotodiodo 24, por lo que un láser se enfoca en la parte posterior del voladizo y se refleja en el fotodiodo dividido 24, donde se controlan las deflexiones verticales y laterales del voladizo 2. Se puede observar una desviación lateral sustancial del voladizo mediante un desplazamiento del rayo láser reflejado en el fotodiodo 24. Por lo tanto, si la deflexión lateral del voladizo 2 es sustancial durante la aproximación vertical a lo largo de la dirección de movimiento R2, es necesario ajustar el ángulo a. Además, dependiendo de la forma de la curva de fuerza de indentación vertical registrada, es posible detectar si el ángulo a es óptimo o no.

Lista de elementos de referencia

continuación

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para controlar un microscopio de sonda de barrido que tiene una sonda (2) con una punta (21) para interactuar con una muestra (4), y un nanoescáner (1) para retener dicha muestra (4) o dicha sonda (2), que comprende los pasos de:

supervisar la extensión de dicho nanoescáner (1) a lo largo de una primera dirección (R), a lo largo de la cual dicha punta (21) se mueve hacia dicha muestra (4), y ajustar un nivel de dicha sonda (2) a lo largo de dicha primera dirección (R) mediante un actuador adicional (3), cuando dicho nanoescáner (1) presenta una extensión por debajo o por encima de un valor umbral, con el procedimiento caracterizado por que además comprende los pasos de supervisar un ángulo de corriente (a) entre una segunda dirección (R2) y la normal (N) de una superficie de dicha muestra (4) en un punto (53) de dicha superficie, en el que dicha sonda (2) se mueve a lo largo de dicha segunda dirección (R2) hacia dicho punto (53) en una aproximación vertical, y controlar dicho actuador adicional (3) y al menos un segundo actuador adicional (32) de manera que dicho ángulo de corriente (a) se aproxime a un ángulo deseado predefinido, en el que dicho ángulo deseado es cero; y en el que dicha muestra es una muestra de tejido.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho nanoescáner (1) es un elemento piezoeléctrico.

3. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha sonda (2) es un voladizo.

4. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho ajuste se realiza bajando o levantando dicha sonda (2) o bajando o levantando dicha muestra (4).

5. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho nivel se ajusta cuando dicho nanoescáner (1) presenta una extensión inferior al 20 % o superior al 80 % de su extensión máxima.

6. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho nivel se ajusta bajando o levantando dicha sonda (2) o dicha muestra (4) en un 10 a un 30 % de la extensión máxima de dicho nanoescáner (1).

7. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho nivel se ajusta siempre que dicho nanoescáner (1) exhibe una extensión que es 50 nm, 100 nm, 200 nm, 500 nm, 700 nm, 1 pm o 2 pm más pequeña que la de dicha extensión máxima de nanoescáner o mayor que la retracción máxima de dicho nanoescáner.

8. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho nivel se ajusta bajando o levantando dicha sonda (2) o dicha muestra (4) en una distancia que varía de 50 nm a 3 pm.

9. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho actuador adicional (3) , dicho segundo actuador adicional (32) y un tercer actuador adicional (33) se controlan de manera que dicho ángulo de corriente (a) se aproxima a dicho ángulo deseado predefinido.

10. Un dispositivo de microscopía de sonda de barrido (100), que comprende

- una sonda (2) que tiene una punta (21) para interactuar con una muestra (4), en la que dicha sonda (2) está configurada para mover dicha punta (21) hacia dicha muestra (4) a lo largo de una primera dirección (R),

- un nanoescáner (1) para retener dicha muestra (4) o dicha sonda (2),

en el que

dicho dispositivo de microscopía de sonda de barrido (100) comprende un medio para controlar la extensión de dicho nanoescáner (1) a lo largo de dicha primera dirección (R), un actuador adicional (3) para ajustar un nivel de dicha sonda (2) a lo largo de dicha primera dirección (R), un controlador (31) para controlar dicho actuador adicional (3), en el que dicho controlador (31) está configurado para controlar dicho actuador adicional (3) para ajustar dicho nivel de dicha sonda (2), cuando dicho nanoescáner (1) muestra una extensión por debajo o por encima de un valor umbral, caracterizado por que

dicho dispositivo de microscopía de sonda de barrido (100) comprende además al menos un segundo actuador adicional (32), en el que dicho actuador adicional (3) y dicho segundo actuador adicional (32) están configurados para ajustar un ángulo de corriente (a) entre una segunda dirección (R2) y la normal (N) de una superficie de dicha muestra (4) en un punto (53) de dicha superficie, en el que dicha sonda (2) está configurada para moverse a lo largo de dicha segunda dirección (R2) hacia dicho punto (53) en una aproximación vertical, y con una unidad de control del actuador (34) que está configurada para controlar dicho actuador adicional (3) y dicho segundo actuador adicional (32), de manera que dicho ángulo (a) se aproxima a un ángulo deseado, en el que dicho ángulo deseado es cero.

11. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dicho nanoescáner (1) es un elemento piezoeléctrico.

12. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en el que dicha sonda (2) es un voladizo (2).

13. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que dicho nanoescáner (1) se puede mover en una segunda dirección que se extiende ortogonal a dicha primera dirección (R).

14. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, que comprende además un tercer actuador adicional (33), en el que en particular dicho actuador adicional (3), dicho segundo actuador adicional (32) y dicho tercer actuador (33) están configurados para ajustar dicho ángulo (a) entre dicha segunda dirección (R2) y dicha normal (N).

15. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dicha unidad de control del actuador (34) está configurada para controlar dicho actuador adicional (3), dicho segundo actuador adicional (32) y también dicho tercer actuador adicional (33), de manera que dicho ángulo (a) se aproxima a un ángulo deseado, en el que dicho ángulo deseado es cero.