PL187366B1 - Mikrosonda do pomiaru sił atomowych - Google Patents

Abstract

1. Mikrosonda do pomiaru sił atomowych, posiadająca platformę pomiarową zaopatrzona w ostrze pomiarowe oraz w czujniki połączoną z platformą montażową, znamienna tym, ze platforma pomiarowa (3) w postaci cienkiej płytki połączona jest z platformą montażową (1) poprzez beleczki sprężyste (2) sensorami naprężeń, przy czym beleczki usytuowane są tak, ze część z nich leży wzdłuż osi symetrii platformy pomiarowej a część z nich poprzecznie do tej osi, natomiast co najmniej jeden z sensorów (6) znaj duje się na beleczce równoległej do osi platformy, korzystnie blisko miejsca jej połączenia z platformą montażową (1), a co najmniej dwa inne sensory (5,7) usytuowane są na beleczkach poprzecznych, korzystnie blisko ich krawędzi.

Description

Przedmiotem wynalazku jest mikrosonda do mikroskopii sił atomowych umożliwiająca jednoczesny pomiar sił działających w trzech, prostopadłych do siebie kierunkach.

W mikroskopii sił atomowych obserwuje się wzajemne oddziaływanie sił kulombowskich między atomami badanej powierzchni i atomami znajdującego się w odległości kilku nanometrów mikro-ostrza. Znanych jest kilka rodzajów tego rodzaju przyrządów, różniących się konstrukcją oraz sposobem detekcji wykrywanych sił. W każdym z nich podstawowym elementem mikroskopu jest mikro-sonda wyposażona w beleczkę o różnej konstrukcji na końcu której umieszczone jest mikro-ostrze. Oddziaływanie ostrza z badaną powierzchnią powoduje proporcjonalne do działającej siły wygięcie beleczki, które następnie jest mierzone przez układ detekcji wychylenia. W klasycznym, wynalezionym w 1987r przez G. Binninga mikroskopie sił atomowych (ang. AFM - Atomie Force Microscopy) wygięcie beleczki mierzone jest przy użyciu wiązki światła laserowego odbijanego od lustrzanej powierzchni belki. W innych rozwiązaniach stosowane są metody interferencji laserowej, pomiary pojemnościowe a także pomiar prądu tunelowego. Jednym z ciekawszych sposobów detekcji wychylenia beleczki mikrosondy i pomiaru w ten sposób sił atomowych jest wykorzystanie w tym celu piezorezystorów wrażliwych na naprężenia. W klasycznych rozwiązaniach piezorezystory umieszczane są przy nasadzie belki lub też piezorezystor rozłożony jest wzdłuz całej belki. Mikroskop AFM umożliwia w zasadzie pomiar oddziaływań atomowych w kierunku prostopadłym do powierzchni próbki. Uzyskuje się w ten sposób odwzorowanie profilu badanej powierzchni. W wielu zastosowaniach jednak, zwłaszcza w nowoczesnej mikroinżynierii krzemowej niezwykle istotne są właściwości trybologiczne a zwłaszcza frykcyjne powierzchni (współczynnik tarcia). Należy zaznaczyć, ze ze względu na odmienność zjawisk fizycznych, właściwości powierzchni w skali mikro- lub nano-, istotne z punktu widzenia mikroinzynierii, znacznie się różnią od właściwości tych samych powierzchni w skali makro. Dla zbadania właściwości frykcyjnych powierzchni niezbędny jest pomiar oddziaływań ostrza mikrosondy z powierzchnią nie tylko w kierunku do niej wertykalnym, lecz również lateralnym. Prace nad tym zagadnieniem prowadzone są przez kilka silnych zespołów światowych. Stosowane są różne modyfikacje typowego układu AFM. Najczęściej wykorzystywane jest rozwiązanie, w którym detekcja siły oparta jest na wykorzystaniu czujników piezorezystywnych usytuowanych u nasady dwóch ramion belki pomiarowej. Wadą znanych z literatury rozwiązań mikrosond tego rodzaju jest jednak znaczna różnica pomiędzy czułością przyrządu

187 366 w kierunku wertykalnym (AFM) i lateralnym (LFM). W przypadku badania powierzchni o bardziej złożonej strukturze trójwymiarowej, zastosowanie mikrosondy wrażliwej na siły działające w dwóch kierunkach jest niewystarczające. Należy umieć charakteryzować właściwości powierzchni w trzech prostopadłych do siebie kierunkach. Niezbędne jest to również w przypadku powierzchni, których właściwości trybologiczne mają charakter anizotropowy (różne współczynniki tarcia w różnych kierunkach). Znane dotychczas mikrosondy AFM/LFM nie pozwalają jednak na prowadzenie pomiarów tego rodzaju.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji mikrosondy, aby mieszczone na niej sensory wychylenia (np. piezorezystory) reagowały na wychylenie w trzech, niezależnych kierunkach, tak aby pomiar i ewentualne sumowanie i/lub odejmowanie wartości piezorezystorów pozwalały na określenie sił działających w trzech kierunkach.

Istotą wynalazku jest mikrosonda posiadająca platformę pomiarową zaopatrzona w ostrze pomiarowe oraz w czujniki, połączoną z platformą montażową, w której platforma pomiarowa połączona jest z platformą montażową poprzez beleczki sprężyste z sensorami naprężeń. Beleczki tej mikrosondy usytuowane są tak, że część z nich leży wzdłuż osi symetrii platformy pomiarowej a część z nich poprzecznie do tej osi. Sensory naprężeń w tej konstrukcji są tak usytuowane, że co najmniej jeden z nich znajduje się na beleczce równoległej do osi platformy, korzystnie blisko miejsca jej połączenia z platformą montażową, a co najmniej dwa inne znajdują się na beleczkach poprzecznych, korzystnie blisko ich krawędzi. Beleczki poprzeczne mogą być prostopadłe do osi symetrii platformy pomiarowej lub ukośne względem tej osi.

Konstrukcja mikrosondy według wynalazku umożliwia rejestrowanie przez umieszczone w niej sensory wychylenia i w ten sposób określania sił działających w trzech niezależnych kierunkach.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku. Figura 1 rysunku przedstawia widok platformy pomiarowej z odpowiednio rozmieszczonymi sensorami (połączonej z platformą montażową), a fig. 2 związek między rozkładem sił działających na ostrze pomiarowe a rozmieszczeniem poszczególnych sensorów.

Mikrosonda składa się z platformy montażowej 1, połączonej układem cienkich beleczek 2 o grubości 10-:-20 pm, z platformą pomiarową 3, jaką jest cienka płytka na której umieszczone jest ostrze pomiarowe 4 w postaci igły o krzywiźnie ostrza rzędu kilkudziesięciu nm. Beleczki 2 zorientowane są przestrzennie w ten sposób, aby naprężenia mechaniczne powstające w wyniku oddziaływania na ostrze sił atomowych koncentrowały się w różnych obszarach beleczek, zależnie od kierunku działania siły lub jej składowych. W obszarach tych umieszcza się sensory naprężeń, w naszym przypadku piezorezystory. W opisywanym rozwiązaniu zastosowano układ trzech piezorezystorów 5, 6 i 7. Jak wynika z przeprowadzonych obliczeń, oddziaływanie na ostrze siły w kierunku wertykalnym (kierunek z- fig. 2), tak jak w mikrosondzie AFM, powoduje zmianę rezystancji piezorezystora umieszczonego w centralnej beleczce równoległej do osi platformy pomiarowej, natomiast w nieznacznym stopniu wpływa na piezorezystory w bocznych ramionach. Z kolei siła działająca w kierunku lateralnym, poprzecznym do mikrosondy (kierunek x - fig. 2) nie wpływa istotnie na wartość piezorezystora usytuowanego w belce centralnej, natomiast powoduje zmianę rezystancji piezorezystorów usytuowanych w bocznych ramionach, przy czym zmiana w obydwu piezorezystorach ma znak przeciwny, zaleznie od zwrotu działającej siły. Z kolei siła działająca w kierunku lateralnym, równoległym do osi mikrosondy (kierunek y - fig. 2) również nie wpływa na wartość piezorezystora usytuowanego w belce centralnej, natomiast powoduje zmianę rezystancji piezorezystorów usytuowanych w bocznych ramionach, przy czym zmiana w obydwu piezorezystorach ma znak ten sam i zależny od zwrotu działającej siły. Dzięki takiemu usytuowaniu piezorezystorów pomiar ich wartości oraz określanie ich sumy oraz różnicy pozwala na określenie trzech składowych działających na ostrze sił, przy czym wrażliwość przyrządu na siły działające w trzech różnych kierunkach jest zblizona.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mikrosonda do pomiaru sił atomowych, posiadająca platformę pomiarową zaopatrzona w ostrze pomiarowe oraz w czujniki połączoną z platformą montażową, znamienna tym, ze platforma pomiarowa (3) w postaci cienkiej płytki połączona jest z platformą montażową (1) poprzez beleczki sprężyste (2) z sensorami naprężeń, przy czym beleczki usytuowane są tak, że część z nich leży wzdłuż osi symetrii platformy pomiarowej a część z nich poprzecznie do tej osi, natomiast co najmniej jeden z sensorów (6) znajduje się na beleczce równoległej do osi platformy, korzystnie blisko miejsca jej połączenia z platformą montażową (1), a co najmniej dwa inne sensory (5,7) usytuowane są na beleczkach poprzecznych, korzystnie blisko ich krawędzi.
2. 2. Mikrosonda według zastrz. 1, znamienna tym, że beleczki poprzeczne są prostopadle do osi symetrii platformy pomiarowej.
3. 3. Mikrosonda według zastrz. 1, znamienna tym, że beleczki poprzeczne są ukośne względem osi symetrii platformy pomiarowej.