ES2899769A1 - Dispositivo de conexion extraible para la excitacion de muestras con senales electricas de alta frecuencia a alto voltaje en microscopios de electrones - Google Patents

Abstract

Dispositivo de conexión extraíble para la excitación de muestras con señales eléctricas de alta frecuencia a alto voltaje en microscopios de electrones. Manteniendo las condiciones de ultra alto vacío y que comprende una estructura soporte (18) con una sección en Y (6) con unas ramas (20, 21) y una sección común (19) destinada a acoplarse al microscopio, un cable (1) que discurre por el interior de la sección común (19) y la segunda rama (21) y que comprende unos conectores (2) destinados a conectarse al soporte para muestra (12), una barra de manipulación (3) de los conectores (2) y desplazable linealmente por el interior de la sección común (19) y la primera rama (20), y un transmisor lineal de movimiento (7) asociado a la sección común (19) y que se expande cuando el cable está desconectado y se comprime cuando se va a realizar la conexión.

Description

DESCRIPCIÓN

DISPOSITIVO DE CONEXIÓN EXTRAÍBLE PARA LA EXCITACIÓN DE MUESTRAS CON

SEÑALES ELÉCTRICAS DE ALTA FRECUENCIA A ALTO VOLTAJE EN

MICROSCOPIOS DE ELECTRONES

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un dispositivo de conexión que permite alimentar una muestra en un microscopio de electrones a una elevada frecuencia, manteniendo las condiciones de ultra alto vacío y alta tensión necesarias para su operación. Con este dispositivo se logra trabajar con un ancho de banda de hasta 3-4GHz, muy por encima de los 100MHz alcanzados habitualmente como máximo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los microscopios electrónicos usan electrones en lugar de fotones o luz visible para formar imágenes de objetos de muy reducido tamaño. Permiten alcanzar más aumentos que los microscopios ópticos, debido a que la longitud de onda de los electrones es menor que la de la luz visible.

A su vez, dentro de los microscopios electrónicos, los que funcionan a baja energía tienen que trabajar en condiciones de ultra alto vacío. Existen dos tipos principalmente, aquellos en los que la muestra se conecta a tierra mientras que la lente se conecta a alto voltaje, o aquellos en los que es la muestra la que se conecta a alto voltaje, mientras que la lente permanece a tierra.

En el caso de los segundos, en los que la muestra se conecta a alto voltaje, tienen que ser operados en condiciones complejas, en las que la muestra se sitúa en un soporte a alta tensión (-10 a -20kV). El soporte para la muestra puede disponer de unas conexiones eléctricas estándar que están integradas en un bloque cerámico, que actúa como aislante eléctrico y aislante de vacío.

La muestra se alimenta a través del bloque cerámico por unos pines metálicos simples, y por lo tanto el ancho de banda para las señales eléctricas es muy limitado. Otro problema es que, incluso aunque fuera posible reemplazar los pines por un conector coaxial, para poder introducir la muestra manteniendo el vacío, se realiza un movimiento perpendicular a los contactos, por lo tanto, no se puede utilizar una conexión de atornillado o enchufe. Por último, hay que mencionar que se necesita una solución que permita introducir y extraer muestras a través de un entorno en vacío, por lo que no pueden utilizarse cables fijados de manera permanente al soporte de la muestra, pues requeriría un largo procedimiento de bombeo y reacondicionamiento de vacío cada vez que se deseara reemplazar la muestra en el microscopio.

Es conocido que, en otro tipo de instrumentos, como los microscopios de rayos X, se emplean PCB (Printed Circuit Board, circuito impreso) a las que se conecta la muestra, y que disponen de conectores SMP (subminiatura de empuje, Subminiatire Push-on) para alimentación. En cualquier caso, en este tipo de microscopios se puede manipular la muestra manualmente, puesto que trabajan en unas condiciones de vacío mucho menos severas que en el caso de los microscopios de electrones de baja energía. En estos casos se alimenta la PCB con un cable conectado de manera permanente. Además, este tipo de microscopios no requieren alimentar la muestra con altas tensiones, y por lo tanto tampoco es necesario su aislamiento eléctrico.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención pretende dar respuesta al problema planteado anteriormente de cómo llevar señales eléctricas de alta frecuencia (en el rango de los GHz) a una muestra de un microscopio electrónico, mantenida a alta tensión durante la operación. Concretamente, se trata de un dispositivo de conexión extraíble para la excitación de muestras a alto voltaje con señales eléctricas de alta frecuencia en microscopios electrónicos, preferentemente a un microscopio electrónico modelo ELMITEC LEEM III, también denominado LEEM/PEEM o SPELEEM.

Los microscopios electrónicos comprenden una cámara principal, en la que se ubica una lente objetivo, sobre la que se dispone una placa de circuitería Concretamente, cuando se quiere aplicar una señal eléctrica directamente sobre la muestra se utiliza una PCB. La muestra se sitúa en un soporte sobre la placa de circuitería, conectada. En este tipo de microscopios, y específicamente en el modelo indicado, la lente se conecta a tierra y es la placa de circuitería, que está asociada a la muestra a través de unos contactos eléctricos, la que se conecta a un alto voltaje. Los contactos eléctricos entre muestra y placa de circuitería se realizan normalmente mediante la técnica de unión de cables ("wire bonding”).

Es por tanto el objetivo del dispositivo de la presente invención alimentar con alta frecuencia la muestra analizada en el microscopio, que se encuentra a alta tensión, a través de un conector de tipo SMP (subminiaturepush-on, subminiatura de empuje) u otro tipo de conectores coaxiales de empuje (push-on) de la placa de circuitería. Para ello, se accede a la cámara principal del microscopio a través de un puerto de vacío. Es importante destacar que en estos microscopios que trabajan en condiciones de ultra alto vacío es habitual la presencia de un sistema que permite introducir y retirar la muestra sin perturbar el vacío en el interior del microscopio.

El dispositivo comprende en primer lugar una estructura en forma de Y con una sección común, destinada a conectarse a la cámara principal del microscopio a través del puerto de vacío, y en el extremo opuesto una primera rama paralela a la sección común y una segunda rama, que forma un cierto ángulo con la anterior. El interior de la estructura se mantiene en ultra alto vacío.

Por el interior de la estructura, concretamente por la sección común y por la segunda rama, discurre un cable. En un primer extremo del cable se posiciona un conector, de tipo SMP preferentemente, y destinado a conectarse al conector correspondiente de la placa de circuitería. El conector comprende una estructura con un orificio para poder maniobrarlo fácilmente por medio de una barra de manipulación, que es linealmente desplazable por la primera rama y la sección común de la estructura. El extremo de la barra de manipulación se introduce en el orificio del conector para dirigirlo por el interior de la estructura del dispositivo.

En el cable, en un extremo opuesto al conector destinado a conectarse a la placa de circuitería del microscopio, en la segunda rama, se posiciona un conector de alimentación, destinado a conectarse a una fuente de alimentación de alta tensión a alta frecuencia.

La forma en Y de la estructura garantiza la fácil manipulación del conector por medio de la barra de manipulación, además de separar la zona de alimentación de alta tensión del resto de la estructura. En cualquier caso, la bifurcación en Y forma un ángulo pequeño, preferentemente de 45°, de manera que es suficientemente grande para que no haya problemas de contacto entre la primera y segunda ramas, pero así mismo, adecuado para que el cable pueda circular con facilidad por el interior de la estructura, sin rozar o quedar enganchado en posibles esquinas, como ocurriría si el ángulo fuera más grande.

Al estar la segunda rama, que contiene el cable, sometida a altas tensiones durante la operación del microscopio, el dispositivo comprende un aislador de alta tensión en dicha segunda rama, separando el conector de alimentación del resto de la estructura.

En la sección común de la estructura, a continuación de la bifurcación, se posiciona un transmisor de movimiento, que se puede comprimir o expandir. Así, cuando se desea conectar el conector al microscopio, el transmisor de movimiento se comprime, permitiendo acercar el conector a la placa de circuitería, realizando la conexión con la ayuda de la barra de manipulación.

Una vez realizada la conexión, el transmisor de movimiento se mantiene comprimido, alejándose la barra de manipulación del orificio de entrada al microscopio. La función del transmisor lineal es clave, pues permite mantener la longitud del cable constante cuando se aproxima el cable con el conector desde una posición de reposo alejada del microscopio hasta su conexión a la placa de circuitería. En el interior del transmisor de movimiento también se trabaja en vacío.

También asociada a la estructura del dispositivo, y situada entre el puerto de entrada al microscopio y el transmisor lineal se ubica una válvula, que permite aislar el volumen interno del microscopio del interior del dispositivo. En su posición de reposo, el cable se encuentra en el interior de la estructura, y a la hora de conectarlo, la válvula se abre para permitir su acceso al microscopio. Esto es clave, puesto que se puede conectar y desconectar el cable para alimentar la placa de circuitería y por tanto la muestra sin necesidad de romper el vacío en el interior de la estructura del dispositivo o del microscopio.

Preferentemente, para realizar la conexión del conector del cable con la placa de circuitería del microscopio, se comprime el transmisor de movimiento, para aproximar los conectores lo máximo posible, y a continuación se realiza un pequeño movimiento de empuje con la barra de manipulación. Para evitar que, al realizar el movimiento de empuje, que supone realizar una fuerza considerable, el soporte para muestra y la placa de circuitería, y con ellas la muestra, se desplacen, el dispositivo puede comprender adicionalmente un tope, posicionado en el lado opuesto de la placa, y que puede ser por ejemplo una barra auxiliar, similar a la barra de manipulación. Así se impide que la muestra se desplace al realizar la conexión.

Una vez que se ha realizado la conexión, el transmisor de movimiento se mantiene comprimido, mientras que la barra de manipulación se retira, para evitar que contacte con el cable, que trabaja a alto voltaje durante la operación.

Asimismo, durante la operación, aunque el cable está a alto voltaje, la mayor parte de las partes externas del dispositivo por las que discurre el cable están a tierra. Concretamente, la válvula, el transmisor de movimiento y la sección en Y, así como una sección de tubo situada entre la válvula y el microscopio.

Para compensar estas diferencias de potencial y que la operación en el dispositivo sea segura, este comprende unas estructuras aislantes posicionados en el interior de la sección de tubo, el transmisor de movimiento y la sección en Y. Tienen un diámetro externo inferior al diámetro del elemento que los aloja (sección de tubo, sección en Y, etc.) y un diámetro interior suficientemente grande para que el cable y los conectores puedan circular por su interior cómodamente. Las estructuras aislantes tienen un espesor suficiente para aislar la operación a alto voltaje y evitar el contacto mecánico entre el cable y otros elementos del dispositivo con potencial a tierra.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

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:

Figura 1.- Muestra una sección esquemática del conector y el cable en posición de montaje/desmontaje, cuando aún no ha pasado la válvula.

Figura 2.- Muestra una sección esquemática del dispositivo con el cable próximo a la posición de conexión.

Figura 3.- Muestra una sección esquemática del conector acoplado al microscopio activado y funcionando.

Figura 4.- Muestra una vista en detalle del cable y el conector, acoplado a la barra de manipulación.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A continuación se describe, con ayuda de las figuras 1 a 4, una realización preferente del dispositivo de conexión extraíble objeto de invención.

Como se muestra en la figura 1, el dispositivo está destinado a acoplarse a un microscopio electrónico, concretamente a un microscopio ELMITEC LEEM III. El microscopio está representado en la parte izquierda de la figura 1, y comprende una cámara principal (16), en cuyo interior se ubica un soporte (14) para unos contactos eléctricos (15). Asociado al soporte (14) se localiza también un soporte para muestra (12) y una placa de circuitería o PCB (13). La PCB (13) comprende unos conectores SMP, que serán a los que se conectará el dispositivo objeto de invención, y a través de los que se alimente la muestra.

El microscopio comprende también una lente objetivo (17), colocada bajo el soporte para muestra (12), y que en este tipo de microscopios está conectada a tierra.

Tal y como se observa en la figura 1, la cámara principal (16) del microscopio comprende un puerto de vacío a través del cual se permite el acceso para alimentar la PCB (13). El dispositivo se acopla al microscopio a través r del puerto.

Específicamente, en la zona derecha de la figura 1 se observa el dispositivo, que comprende en primer lugar una estructura (18) soporte hueca en forma de Y aproximadamente, con una sección común (19) que es la que se acopla directamente al microscopio, y una sección en Y (6) con una primera rama (20) y una segunda rama (21). En el interior de la estructura (18) se trabaja en vacío.

Como se observa en la figura 1, la primera rama (20) es paralela a la sección común (19), partiendo la segunda rama (21) de la sección en Y (6) y formando un cierto ángulo con la primera rama (20).

Por el interior de la estructura (18) soporte, concretamente por el interior de la sección común (19) y de la segunda rama (21), discurre un cable (1) coaxial y semirrígido. En un extremo del cable (1), se dispone un conector (2) de tipo SMP, destinado a conectarse al conector correspondiente de la PCB (13) dentro del microscopio.

En el extremo opuesto del cable (1) se dispone un conector de alimentación (4) destinado a conectarse a una fuente de alta frecuencia mantenida a alta tensión. Este conector de alimentación (4) es de tipo SMA (subminiatura tipo A, subminiature type A), y se conecta a un pasamuros comercial SMA, que separa el interior de la estructura (18) (en vacío) del exterior.

Puesto que el extremo de la segunda rama (21) se mantiene a muy altas tensiones durante la operación, dicho extremo está aislado eléctricamente del resto de la estructura (18) por medio de un aislador de alta tensión cerámico (5).

Para poder maniobrar el conector (2), el dispositivo comprende una barra de manipulación (3) que, tal y como se observa en la figura 1, es una barra recta posicionada en el interior de la primera rama (20) de la estructura (18) soporte, y es desplazable linealmente por el interior de la primera rama (20) y la sección común (19).

La barra de manipulación (3) es un manipulador mecánico en vacío comercial. Como se muestra en detalle en la figura 4, el conector (2) comprende una estructura con un orificio para facilitar su manipulación y conexionado al microscopio, en el que se introduce la barra de manipulación (3) para poder guiarlo y presionar al conectarlo a la PCB (13).

Para poder manipular el cable (1) y realizar la conexión, es importante que la sección en Y (6) forme un ángulo suficiente para que no interfieran el cable (1), que trabaja a alta tensión, y la barra de manipulación (3), pero no demasiado grande. Específicamente, el ángulo será de aproximadamente 45°, de manera que no se forman aristas que puedan provocar que el cable (1) roce o se enganche cuando se realiza la conexión.

Por otra parte, tal y como se observa en la figura 1, el dispositivo comprende también un transmisor de movimiento (7) situado en la sección común (19). El transmisor de movimiento (7) es clave para poder realizar la conexión del cable (1) al microscopio. Tiene capacidad de comprimirse y expandirse, estando expandido cuando, como en la figura 1, el cable (1) no se ha conectado al microscopio.

Cuando se va a realizar la conexión, tal y como se muestra en la figura 2, el transmisor de movimiento (7) se comprime, permitiendo acercar el conector (2) y el cable (1) a la placa PCB (13). Una vez se ha comprimido, se puede actuar con la barra de manipulación (3) y acoplarlo a la PCB (13). Una vez finaliza la conexión, y tal y como se muestra en la figura 3, se retira la barra de manipulación (3) para que no interfiera con el cable (1), que empieza a trabajar en alta tensión.

Adicionalmente, el dispositivo comprende una válvula (8) situada entre el transmisor de movimiento (7) y la cámara principal (16) del microscopio, en una sección de tubo (9), que permite separar los volúmenes interiores del microscopio y la estructura (18) en condiciones de vacío en su interior. Así, cuando el dispositivo está en situación de montaje/desmontaje como en la figura 1, la válvula (8) permanece cerrada, y cuando se realiza el acoplado, como en la figura 3, la válvula (8) se abre.

A la hora de presionar el conector (2) con la barra de manipulación (3) para acoplarlo a la PCB (13) puede darse el caso de que esta se desplace. Para evitar esta situación, el dispositivo comprende una barra auxiliar (11) que se muestra en la parte izquierda de la figura 1, opuesta a la barra de manipulación (3) y que actúa como tope para garantizar la correcta conexión entre el dispositivo y el microscopio.

Por último, durante el trabajo del microscopio, para aislar las diferencias de potencial entre algunas partes externas del dispositivo, que están a tierra (válvula (8), transmisor de movimiento (7) , sección en Y (6) y sección de tubo (9)) con el propio cable (1) que trabaja a alto voltaje, y que la operación en el dispositivo sea segura, éste comprende unas estructuras aislantes (10) posicionadas en el interior de la sección de tubo (9), el transmisor de movimiento (7), la válvula (8) y la sección en Y (6).

Estas estructuras aislantes (10) estén hechas de PEEK (polieteretercetona) u otro material mecanizable compatible con ultra alto vacío. Tienen un diámetro externo inferior al diámetro del elemento que los aloja (sección de tubo (9), sección en Y (6), etc.) y un diámetro interior suficientemente grande para que el cable (1) y el conector (2) puedan circular por su interior cómodamente. El espesor de las estructuras aislantes (10) es suficiente para aislar el alto voltaje y evitar el contacto mecánico entre el cable (1) y otros elementos del dispositivo con potencial a tierra.

Además, la estructura aislante (10) posicionada en la sección en Y (6) comprende unos chaflanes interiores, de manera que el cable (1) puede deslizar por su interior sin desgastarse.

"El proyecto que dio lugar a esta solicitud ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, dentro de las ayuda Marie Sktodowska-Curie, número 754397.”

"The project leading to this application has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sktodowska-Curie grant agreement No 754397.”

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. - Dispositivo de conexión extraíble para la excitación de muestras con señales eléctricas de alta frecuencia a alto voltaje en microscopios electrónicos que comprenden un soporte para muestra (12) alimentado a través de un conector y un puerto de entrada, comprendiendo el dispositivo:

- una estructura soporte (18) en forma de Y aproximadamente, que trabaja en ultra alto vacío interior, con una sección en Y (6) con una primera rama (20) y una segunda rama (21), y una sección común (19) destinada a acoplarse a un puerto de vacío del microscopio,

- un cable (1) que discurre por el interior de la sección común (19) y la segunda rama (21) y que comprende en un extremo un conector (2) destinado a conectarse al soporte para muestra (12) del microscopio, y en un extremo opuesto un pasamuros de vacío de alimentación (4) destinado a conectarse a una fuente de alimentación de alta frecuencia mantenida a alta tensión,

- una barra de manipulación (3) posicionada en la primera rama (20) y acoplable al conector (2), desplazable linealmente por el interior de la sección común (19) y la primera rama (20), y

- un transmisor lineal de movimiento (7) situado en la sección común (19) y con capacidad de expandirse cuando el conector (2) está desacoplado del soporte para muestra (12) y comprimirse cuando se acopla el conector (2) al soporte para muestra (12).0

2. - El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un aislador de alta tensión (5) en la segunda rama (21).

3. - El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una válvula (8) de separación entre el interior del microscopio y de la estructura soporte (18), situada entre el puerto de entrada al microscopio y el transmisor lineal de movimiento (7).

4. - El dispositivo de la reivindicación 3, que comprende adicionalmente unas secciones aislantes (10) posicionadas en el interior de la válvula (8), la sección de tubo (9), la sección en Y (6) y/o el transmisor de movimiento (7), de un diámetro superior al del cable (1) que discurre por su interior.

5. - El dispositivo de la reivindicación 4, en el que las secciones aislantes son de PEEK (polieteretercetona).

6. - El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un tope (11) posicionado junto al soporte para muestra (12), en un lado opuesto a la sección común (19).

7. - El dispositivo de la reivindicación 6, en el que el tope (11) es una barra auxiliar de manipulación.

8.- El dispositivo de la reivindicación 1, en la que las ramas (20, 21) de la estructura soporte (18) forman un ángulo de 45° aproximadamente.

9. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que el conector (2) es un conector coaxial de empuje.

10. - El dispositivo de la reivindicación 9, en el que el conector (2) es de tipo SMP.

11. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que el conector de alimentación (4) es de tipo SMA.