RU2100868C1 - Tunnel current and clearance control device (variants) - Google Patents
Tunnel current and clearance control device (variants) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2100868C1 RU2100868C1 RU96108564/07A RU96108564A RU2100868C1 RU 2100868 C1 RU2100868 C1 RU 2100868C1 RU 96108564/07 A RU96108564/07 A RU 96108564/07A RU 96108564 A RU96108564 A RU 96108564A RU 2100868 C1 RU2100868 C1 RU 2100868C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- probe
- piezoelectric element
- voltage
- gap
- voltage source
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Устройство может применятся как в растровой туннельной микроскопии, так и в приборах нанотехнологии, где необходимо автоматическое поддержание туннельного тока и зазора. Особую важность имеет применение данного устройства для многозондовых систем, где необходимо независимое автоматическое управление большим количеством зондов одновременно. The device can be used both in scanning tunneling microscopy and in nanotechnology devices where automatic maintenance of tunneling current and gap is necessary. Of particular importance is the use of this device for multi-probe systems, where independent automatic control of a large number of probes is required simultaneously.
Известна схема управления туннельным током и зазором в микроскопе [1] Она состоит из входного блока преобразователь ток напряжение, вход которого подключен к зонду и образцу, и блока цепи обратной связи, вход которого подключен к выходу входного блока, а выход подключен к пьезопреобразователю. Блок цепи обратной связи состоит из источника опорного напряжения, регулятора для ручной установки напряжения на зазоре, инвертора входного напряжения, подблока сравнения туннельного тока и усиления сигнала рассогласования, аналогового запоминающего устройства, интегратора, фильтра высоких частот Баттерворта, инвертора, высоковольтного усилителя. A known scheme for controlling the tunneling current and the gap in the microscope [1] It consists of an input unit, a current-voltage converter, the input of which is connected to the probe and the sample, and a feedback circuit unit, the input of which is connected to the output of the input unit, and the output is connected to the piezoelectric transducer. The feedback circuit block consists of a reference voltage source, a regulator for manually setting the voltage at the gap, an input voltage inverter, a tunnel current comparison subunit and an error signal amplification, an analog storage device, an integrator, a Butterworth high-pass filter, an inverter, and a high-voltage amplifier.
В качестве прототипа выбрана схема управления туннельным током и зазором в туннельном микроскопе [2] Блок-схема устройства управления состоит из трех основных составляющих: туннельного промежутка (зонд, образец), электронного блока управления, исполняющего устройства пьезоэлемента. Ввиду сложной амплитудно-частотной характеристики пьезоэлемента (наличие резонансов) к электронному блоку предъявляются достаточно жесткие требования для предотвращения самовозбуждения по петле обратной связи. Электронный блок состоит из активного выпрямителя, логарифмического усилителя, интегратора, инвертирующего усилителя, суммирующего усилителя с высоким возможным выходным напряжением. Данная схема обратной связи является достаточно типичной для аналоговых устройств управления в туннельных микроскопах и обладает рядом недостатков: электронный блок, настроенный для работы с определенным типом пьезоэлементов, должен быть перестроен в случае применения другого типа пьезоэлементов. Конструкция достаточно сложная, содержит большое количество элементов, что снижает ее надежность из-за более высокой вероятности дрейфа параметров или выхода из строя одного из элементов. Применение такой конструкции для многозондовых устройств, где необходимо независимое управление большим количеством зондов, приведет к высокой стоимости, к значительному снижению надежности, увеличению размеров конструкции. As a prototype, a tunnel current and gap control scheme in a tunneling microscope was selected [2]. A control device block diagram consists of three main components: a tunnel gap (probe, sample), an electronic control unit, and a piezoelectric element executing device. Due to the complex amplitude-frequency characteristics of the piezoelectric element (the presence of resonances), rather strict requirements are imposed on the electronic unit to prevent self-excitation along the feedback loop. The electronic unit consists of an active rectifier, a logarithmic amplifier, an integrator, an inverting amplifier, a summing amplifier with the highest possible output voltage. This feedback scheme is quite typical for analog control devices in tunneling microscopes and has several disadvantages: an electronic unit configured to work with a certain type of piezoelectric elements must be rebuilt if another type of piezoelectric elements is used. The design is quite complex, contains a large number of elements, which reduces its reliability due to the higher probability of parameter drift or failure of one of the elements. The use of this design for multi-probe devices, where independent control of a large number of probes is required, will lead to high cost, to a significant decrease in reliability, and an increase in the size of the structure.
Технической задачей является повышение надежности и устойчивости к самовозбуждению, повышение быстродействия за счет устранения задержек, связанных с переходными процессами во внешнем электронном блоке, а также возможность миниатюризации предлагаемого устройства. The technical task is to increase the reliability and resistance to self-excitation, increase speed by eliminating delays associated with transients in the external electronic unit, as well as the possibility of miniaturization of the proposed device.
Предлагаются два варианта устройства для управления туннельным током и туннельным зазором, содержащее пьезоэлемент, туннельный зонд, резистор, источник напряжения и клемму для подключения образца. Two versions of the device for controlling the tunneling current and the tunneling gap are proposed, comprising a piezoelectric element, a tunneling probe, a resistor, a voltage source, and a sample connection terminal.
По варианту 1 эти элементы соединены между собой следующим образом: туннельный зонд жестко закреплен на пьезоэлементе, постоянный резистор подключен параллельно пьезоэлементу, который соединен последовательно с источником напряжения и зондом, при этом взаимное включение пьезоэлемента и источника напряжения осуществлено с учетом полярности обоих элементов, а именно разнополярно, а источник напряжения соединен с клеммой для измеряемого образца. In
По варианту 2 туннельный зонд также жестко прикреплен к пьезоэлементу, постоянный резистор, источник напряжения и пьезоэлемент соединены последовательно, образуя замкнутый контур, а зонд и клемма для измеряемого образца, где образуется туннельный зазор, подключены параллельно пьезоэлементу. Взаимное включение пьезоэлемента и источника напряжения осуществлено с учетом полярности этих элементов (однополярно). In
По варианту 1 полярность включения источника напряжения и пьезоэлемента разнополярная и такая, что увеличение напряженности на пьезоэлементе приводит к перемещению зонда в направлении от образца, а уменьшение напряжения приводит к перемещению зонда в направлении к образцу. According to
По варианту 2 полярность включения, а именно однополярное включение, должна быть такой, что увеличение напряжения на пьезоэлементе вызывает перемещение зонда в направлении к образцу, а уменьшение в направлении противоположном. Необходимо подчеркнуть, что и в варианте 1, и в варианте 2 важно именно взаимное включение пьезоэлемента и источника напряжения, т.е. если включение правильное то, при замене полярности включения источника напряжения и пьезоэлемента на противоположное, схема сохраняет работоспособность, а туннельный ток изменит направление. In
На фиг. 1 изображена принципиальная схема включения, вариант 1; на фиг. 2 принципиальная схема включения, вариант 2; на фиг. 3 эквивалентная электрическая схема, вариант 1; на фиг.4 эквивалентная электрическая схема, вариант 2. In FIG. 1 shows a circuit diagram of the inclusion,
На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения: 1 резистор, 2 - пьезоэлемент, 3 зонд, 4 образец, 5 источник напряжения. In FIG. 1 and 2 the following designations are accepted: 1 resistor, 2 - piezoelectric element, 3 probe, 4 sample, 5 voltage source.
На фиг. 3 и 4 приняты обозначения: 6 индуктивность L, 7 эквивалентное сопротивление потерь, 8 электрическая емкость Cк, 9 паразитная емкость пьезоэлемента.In FIG. 3 and 4, the designations are accepted: 6 inductance L, 7 equivalent loss resistance, 8 electric capacitance C k , 9 parasitic capacitance of the piezoelectric element.
Уравнение, описывающее стационарное состояние системы управления, выглядит так:
где Rо•exp[D-(Uз -Uо)•R] есть сопротивление зазора, а D-(Uз Uо)•R d величина зазора между острием зонда и поверхностью образца;
Uз напряжение на зазоре;
Uп напряжение питания;
Rк величина сопротивления;
R чувствительность пьезоэлемента;
U0 напряжение на зазоре, когда его величина равна нулю;
Ф работа выхода электрона;
Rо сопротивление зазора, когда величина зазора равна нулю;
D величина для отсчета зазора.The equation describing the stationary state of the control system looks like this:
where R o • exp [D- (U s -U o ) • R] is the resistance of the gap, and D- (U З U о ) • R d is the gap between the tip of the probe and the surface of the sample;
U s the voltage at the gap;
U p supply voltage;
R to the value of resistance;
R sensitivity of the piezoelectric element;
U 0 the voltage at the gap, when its value is zero;
F electron work function;
R about the resistance of the gap, when the gap is zero;
D value for counting the gap.
Рассмотрим принцип действия устройства, вариант 1. Consider the principle of the device,
Резистор 1 и зазор между острием зонда и поверхностью образца образуют делитель напряжения питания. Когда зазор велик, ток отсутствует, напряжение на зазоре равно напряжению питания, а напряжение на пьезоэлементе 2 и резисторе 1 равно 0. При уменьшении зазора напряженность поля возрастает, появляется ток и напряжение на пьезоэлементе 2 и резисторе 1. При этом пьезоэлемент 2 деформируется, отводя зонд на расстояние лишь немногим меньшее, чем то, что проходит образец, и так почти во всей части динамического диапазона, причем напряжение на зазоре Uз практически пропорционально величине зазора d, что следует из теории и хорошо согласуется с экспериментом. После определенного переходного участка зонд 3 начинает мало реагировать на приближение образца 4 и происходит касание.The
Для оценки устойчивости и скорости переходных процессов рассмотрены нестационарные уравнения как с учетом резонансов (в приближении пьезоэлемент - пьезорезонатор), так и без учета резонансов с учетом лишь паразитной емкости пьезоэлемента (фиг.3, фиг.4). Анализ уравнений показал, что резонансные свойства пьезоэлемента при таком включении не оказывают большого влияния на устойчивость работы устройства, а это свидетельствует о возможности применения в нем различных типов пьезоэлементов. To assess the stability and speed of transients, unsteady equations are considered both taking into account resonances (in the approximation of a piezoelectric element - a piezoresonator), and without taking into account resonances, taking into account only the parasitic capacitance of the piezoelectric element (Fig. 3, Fig. 4). An analysis of the equations showed that the resonance properties of the piezoelectric element with this inclusion do not have a big impact on the stability of the device, and this indicates the possibility of using various types of piezoelectric elements in it.
Предлагаемое устройство в отличии от аналогов не содержит внешнего электронного блока, благодаря чему образуется система, находящаяся в устойчивом равновесии. Причем при внешнем воздействии, а именно, случайном приближении образца, изменении высоты рельефа при сканировании система переходит в новое устойчивое состояние, при этом зазор изменяется на величину, которая гораздо меньше величины внешнего воздействия. The proposed device, unlike analogues, does not contain an external electronic unit, so that a system is formed that is in stable equilibrium. Moreover, with external exposure, namely, a random approximation of the sample, a change in the height of the relief during scanning, the system goes into a new stable state, while the gap changes by an amount that is much less than the magnitude of the external impact.
Варианты устройства отличаются тем, что, если аварийно отключается источник питания во время работы, то в первом варианте зонд может "воткнутся" в образец, а во втором отойдет от образца. Иначе говоря, в первом варианте, чтобы выйти из режима слежения зазора, как и в обычных электронных устройствах слежения, нужно отвести подложку от зонда (или зонд от подложки). Во втором варианте предлагаемого устройства достаточно отключить источник напряжения. The device variants differ in that if the power source is switched off accidentally during operation, then in the first version the probe may “stick” into the sample, and in the second it will move away from the sample. In other words, in the first embodiment, in order to exit the gap tracking mode, as in conventional electronic tracking devices, it is necessary to remove the substrate from the probe (or the probe from the substrate). In the second embodiment of the proposed device, it is enough to disconnect the voltage source.
Авторам не известно использование устройств, регулирующих поддержание туннельного зазора и туннельного тока, а именно, обеспечивающих обратную связь в системах управления сканирующим туннельным микроскопом, без использования внешних электронных блоков. Можно сделать вывод, что предлагаемое устройство соответствует критерию изобретательский уровень. The authors do not know the use of devices that regulate the maintenance of the tunnel gap and the tunnel current, namely, providing feedback in the control systems of the scanning tunneling microscope, without the use of external electronic units. We can conclude that the proposed device meets the criterion of inventive step.
Пример выполнения. Для экспериментальных исследований был собран макет на механической базе туннельного микроскопа с трубчатым пьезоэлементом 2 из заполяризованной керамики ЦТС-19 с чувствительностью 5 нм/В. Игольчатый зонд 3 был изготовлен из вольфрама с применением процесса электрохимического травления. Для оптимальной зависимости параметров работы устройства от Rк использовался постоянный резистор 1 с номиналом 1 МОм. В качестве источника напряжения 5 применялись как стабилизированные блоки питания, так и батареи. Напряжение на зазоре измерялось при помощи как высокого вольтметра, так и при помощи осциллографа. После монтажа конструкции вход в рабочий режим осуществляется следующим образом. Зонд с помощью оптического устройства устанавливается на расстоянии 10 15 мкм от поверхности образца. После этого включается питание как в варианте 1, так и в варианте 2 и начинается плавное сближение зонда и образца с помощью электромеханического привода микроскопа до появления заданного тока, т.е. появления напряжения на пьезоэлементе 2 и резисторе 1 в варианте 1, и напряжения на резисторе 1 в варианте 2. После проведения исследований для выхода из режима в варианте 1 необходимо обязательно отвести подложку перед выключением питания, как в обычных микроскопах, а в варианте 2 можно отключить питание сразу.Execution example. For experimental studies, a prototype was assembled on the mechanical base of a tunneling microscope with a tubular
Предложенное изобретение имеет широкий спектр применений: а) туннельная микроскопия; б) датчики на туннельном эффекте; в) многозондовые системы для нанотехнологических целей; г) многозондовые системы для устройств сверхплотной записи информации. The proposed invention has a wide range of applications: a) tunneling microscopy; b) tunnel effect sensors; c) multi-probe systems for nanotechnological purposes; d) multi-probe systems for superdense information recording devices.
Все эти возможные области применения относятся к самым современным и перспективным разделам науки и техники. При этом предлагаемое устройство обладает таким важным преимуществом, как практически максимальной компактностью экономичностью, высокой надежностью, помехозащищенностью из-за отсутствия активных элементов, а также отсутствием задержки на переходных процессах во внешнем электронном блоке. Устройство гораздо дешевле, что опять же очень важно для создания многозондовых устройств. All these possible applications are among the most modern and promising branches of science and technology. At the same time, the proposed device has such an important advantage as practically maximum compactness, economy, high reliability, noise immunity due to the absence of active elements, as well as the absence of delay in transients in the external electronic unit. The device is much cheaper, which again is very important for creating multi-probe devices.
Литература
1. Трояновский А. М. Цепь обратной связи и управление сканирующим туннельным микроскопом. Приборы и техника эксперимента, 1989, N1, с.165 170.Literature
1. Troyanovsky A. M. Feedback circuit and control of a scanning tunneling microscope. Instruments and experimental technique, 1989, N1, p. 165 170.
2. ДиЛелла Д. Уондесс Дж. Коултон Р. Система управления электронным микроскопом с трубчатым пьезопреобразователем. Приборы для научных исследований, 1989, N6, с.15 21. (Rev. Sci. Instrum. 60, N 6, 997 1002). 2. DiLella D. Wandess J. Coulton R. An electron microscope control system with a tubular piezoelectric transducer. Instruments for scientific research, 1989, N6, p. 15 21. (Rev. Sci. Instrum. 60, N 6, 997 1002).
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96108564/07A RU2100868C1 (en) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | Tunnel current and clearance control device (variants) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96108564/07A RU2100868C1 (en) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | Tunnel current and clearance control device (variants) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU96108564A RU96108564A (en) | 1997-10-10 |
RU2100868C1 true RU2100868C1 (en) | 1997-12-27 |
Family
ID=20180021
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96108564/07A RU2100868C1 (en) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | Tunnel current and clearance control device (variants) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2100868C1 (en) |
-
1996
- 1996-04-26 RU RU96108564/07A patent/RU2100868C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Трояновский А.М. Цепь обратной связи и управление сканирующим туннельным микроскопом.- Приборы и техника эксперимента, 1989, N 1, с. 165 - 170. ДиЛелла Д., Уондесс Дж., Коултон Р. Система управления электронным микроскопом с трубчатым пьезопреобразователем.- Приборы для научных исследований, 1989, N 6, с. 15 - 21, (Rev. Sci. Instrum. v. 60, N 6, p. 997 - 1002). * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Renner et al. | A vertical piezoelectric inertial slider | |
JP2566653B2 (en) | Interval controlled tunneling transducer | |
JP3125675B2 (en) | Capacitive sensor interface circuit | |
Park et al. | Scanning tunneling microscope | |
US4806755A (en) | Micromechanical atomic force sensor head | |
KR100978699B1 (en) | Electrical feedback detection system and multi-point testing apparatus | |
JPS62130302A (en) | Method and device for forming image of surface of sample | |
DiLella et al. | Control systems for scanning tunneling microscopes with tube scanners | |
JP2005233858A (en) | Probe card | |
US4894537A (en) | High stability bimorph scanning tunneling microscope | |
JP4511544B2 (en) | Scanning probe microscope | |
Xu et al. | Microelectromechanical scanning tunneling microscope | |
RU2100868C1 (en) | Tunnel current and clearance control device (variants) | |
US6091125A (en) | Micromechanical electronic device | |
US6466039B1 (en) | Ferroelectric film property measuring device, measuring method therefor and measuring method for semiconductor memory units | |
US5136162A (en) | Measuring device in a scanning probe microscope | |
JP3270141B2 (en) | Force detection device | |
US7138808B2 (en) | Movable apparatus, a measuring apparatus, a capacitive distance sensing apparatus, and a positioning device | |
US7116115B2 (en) | Micromachined probe apparatus and methods for making and using same to characterize liquid in a fluidic channel and map embedded charge in a sample on a substrate | |
JPH06258072A (en) | Piezoelectric element thin film evaluating apparatus, interatomic force microscope | |
US5122739A (en) | STM-like device and method for measuring node voltages on integrated circuits | |
Erlandsson et al. | A three‐axis micropositioner for ultrahigh vacuum use based on the inertial slider principle | |
SU1531181A1 (en) | Scanning tunnel microscope | |
EP0485202B1 (en) | Use of STM-like system to measure node voltage on integrated circuits | |
Svensson et al. | A compact inertial slider STM |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040427 |