Artykuł przedstawia algorytm i układ sterowania polem skanowania mikroskopu bliskich oddziaływań w uniwersalnym sterowniku SPM zbudowanym na bazie procesora sygnałowego TigerSharc TS101 firmy Analog Devices. Opisane zostały ograniczenia w bezpośrednim cyfrowym generowaniu pola skanowania, rozwiązanie tego problemu oraz rozszerzenie możliwości o zadawania kata pola skanowania. Abstract. This papper shows an algorithm and appliance to scanning field controll in universal Scannig Probe Microscopy driver, based on signal processor TigerSharc TS101 made by Analog Devices. We character restrictions in direct digital generate of scanning field and solution for solving this problem. We also describe ability of setting scanning field angle. (Digital setting of scanning field in Scanning Probe Microscopy). Słowa kluczowe: mikroskopia bliskich oddziaływań, SPM, zaawansowane sterowanie, analogowo-cyfrowe układy elektroniczne, DSP Keywords: Scanning Probe Microscope, SPM, advanced control, analog-digital elecronic devices, Digital Signal Processor Wprowadzenie Mikroskopia bliskich oddziaływań (ang. SPM - Scanning Probe Microscopy) jest dynamicznie rozwijającą się techniką. Pozwala ona na badanie powierzchni ciała stałego w nanometrowej skali. Badania te obejmują obrazowanie powierzchni, pomiar rozkładu temperatury i przewodności cieplnej, rozkład przewodności elektrycznej, ładunku powierzchniowego, dipoli magnetycznych, twardości powierzchni, jej lepkości oraz wielu innych [1]. Skanowanie powierzchni z nanometrową precyzją umożliwiają elementy piezoelektryczne. Ich wadą jest nieliniowość i histereza. Dodatkowo zakres skanowania (tzn. przesuw próbki w polu XY) mikroskopu mieści się w zakresie od 100nm do 10μm. Zmianę rozmiaru oraz położenia liniowego pola skanowania z nanometrową dokładnością można uzyskać w układzie sterującym ruchem stolika XY. W celu uzyskania wspomnianej funkcjonalności należy umożliwić regulację wzmocnienia sygnału st[...]

Pomiary częstotliwości i czasu zajmują w miernictwie miejsce szczególne z uwagi na trudny do pogodzenia dylemat dokładność/ czas pomiaru. Dostępne urządzenia, konstruowane zwykle z wykorzystaniem układów cyfrowych, realizują pomiar różnych parametrów czasowych sygnałów elektrycznych, takich jak częstotliwość, okres, czas trwania impulsu, czy też liczba impulsów. Przyrządy te nazywane są licznikami uniwersalnymi ze względu na typowe podejście do pomiaru, polegające na zliczaniu impulsów badanego sygnału w określonym przedziale czasu. Odpowiednio długi czas w stosunku do okresu badanego sygnału, pozwala uzyskać bardzo wysoką precyzję [1]. Ta podstawowa strategia niestety zawodzi w przypadku, gdy częstotliwość badanego sygnału jest niska, a czas dostępny na pomiar mocno ogranicz[...]

Pomiary częstotliwości i czasu zajmują w miernictwie miejsce szczególne z uwagi na trudny do pogodzenia dylemat dokładność/czas pomiaru. Dostępne urządzenia, konstruowane zwykle w oparciu o układy cyfrowe, realizują pomiar różnych parametrów czasowych sygnałów elektrycznych, takich jak częstotliwość, okres, czas trwania impulsu, czy też liczba impulsów. Przyrządy te nazywane są licznikami uniwersalnymi ze względu na typowe podejście do pomiaru, polegające na zliczaniu impulsów badanego sygnału w określonym przedziale czasu. Odpowiednio długi czas, w stosunku do okresu badanego sygnału, pozwala uzyskać bardzo wysoką precyzję [1]. Ta podstawowa strategia niestety zawodzi w przypadku, gdy częstotliwość badanego sygnału jest niska, a czas dostępny na pomiar mocno ograniczony. To [...]

  Obecnie wytwarzane materiały wymagają precyzyjnej i lokalnie wysokorozdzielczej charakteryzacji. Szczególnie istotne jest to w mikro- i nanoelektronice, gdzie wymiary wytwarzanych struktur są rzędu dziesiątek nanometrów. Do badania właściwości elektrycznych nanostruktur powszechnie stosowany jest mikroskop sił atomowych z przewodzącą sondą C-AFM (ang. Conductive Atomic Force Microscope) [1, 2, 3]. Urządzenie to integruje statyczny mikroskop sił atomowych z zespołami precyzyjnego przetwarzania prądu płynącego z lub do przewodzącego ostrza. Aby wymusić przepływ prądu przez badaną warstwę należy spolaryzować ostrze mikroskopu lub podłoże preparatu. Zaadsorbowana warstwa wody oraz stosunkowo duża gęstość prądu, jaki przepływa w takim układzie, może prowadzić do modyfikacji powierzchni. W przypadku badań właściwości elektrycznych cienkich warstw dielektrycznych proces ten jest wysoce niepożądany. Na rys. 1 pokazano topografię powierzchni tlenku hafnu o grubości 1,5 nm (tj. ok. 3 warstw cząsteczkowych). W lewym dolnym rogu widoczne są wybrzuszenia powierzchni, które powstały w miejscach, w których spolaryzowane ostrze skanowało powierzchnię podczas procesu pomiarowego. Przepływ prądu elektrycznego (rzędu nawet dziesiątek femtoamperów) od ostrza do podłoża przez warstwy wody zaadsorbowanej prowadzi do lokalnego utleniania powierzchni [4, 5] i w konsekwencji do niszczących zmian badanej struktury. W pomiarach prowadzonych ze stałą polaryzacją prowadzonych na wysokozorientowanym graficie pirolitycznym HOPG (ang. Highly Oriented Pyrolytic Graphite), który w warunkach laboratoryjnych stosowany jest materiałem do uzyskiwania struktur grafenowych dochodzić może do zmian prądu przewodzenia o dużej dyna[...]

FEI Helios NanoLab 600i microscope with Kleindiek MM3A-EM micromanipulators, controlled by microscope PC connected to Keithley 2400 Source Meter, has been used in our experiments. Due to limited space only several examples of FIB/SEM processes that have been conducted are presented here. They proof the great advantage of this technology in modifying single structures in short time. Streszczenie. Mikroskop FEI Helios600i wraz z mikromanipulatorami Kleindiek MM3A-EM oraz urządzenie Keithley 2400 zostały użyte w naszych eksperymentach. Z powodu ograniczonego miejsca przedstawiono jedynie kilka przykładów procesów z wykorzystaniem technologii FIB/SEM. Największą zaletą tej technologii jest możliwość modyfikacji pojedynczej struktury w krótkim czasie. (Technologia FIB/SEM w produkcji i badaniach NEMS/MEMS). Keywords: Focused Ion Beam, Scanning Electon Microscope, Micro Electro-Mechanical Systems, Nano Electro-Mechanical Systems. Słowa kluczowe: Zogniskowana Wiązka Jonów, Skaningowy Mikroskop Elektronowy, Mikro Elektro-Mechaniczny System, Nano Elektro- Mechaniczny System. Introduction Nowadays an increase of microelectronic devices complexity can be observed. This kind of devices, often containing micro- and nanomechanical parts, form so called micro- and/or nano electro-mechanical systems (MEMS/NEMS). Due to the complexity mentioned above it is quite difficult to recognize the reason of the microelectronical failure. Usually the micro- and nanoelectronic components are integrated in the substrate and only ohmic connections for wirebonding are on the top of the considered structure. For the complex investigation there is a need to perform volume analyses at the nanoscale regime. In this case the focused ion beam/scanning electron microscope (FIB/SEM) technology seems to be one of the most appropriate investigation tools [...]

Nanolitografia, przy użyciu lokalnej anodyzacji powierzchni, techniką mikroskopii bliskich oddziaływań pozwala na tworzenie wzoru bezpośrednio na modyfikowanym materiale bez konieczności osadzania rezystu [1]. Lokalna anodyzacja powierzchni jest odpowiednikiem konwencjonalnej anodyzacji, przy czym zmianie ulega skala procesu (rys. 1). Przewodzące mikroostrze mikroskopu sił atomowych, o średn[...]

Od czasu skonstruowania mikroskopu skaningowego przez G. Binninga i M. Rohrera, zaobserwowano duży postęp w metrologii mikro- i nanostruktur [1]. Możemy dziś obserwować obiekty o skrajnie małych rozmiarach geometrycznych m.in. za pomocą technik bliskiego pola, wykorzystujących różne zjawiska fizyczne. Postęp zainicjował skonstruowanie mikroskopu sił atomowych, który pozwolił na badanie materiałów nieprzewodzących elektrycznie [2]. W ten sposób mikroskop tunelowy wraz z mikroskopem sił atomowych, które stanowią zasadniczy trzon mikroskopii bliskich oddziaływań, znalazły zastosowanie w badaniach chemicznych, biologicznych, a także w zakresie inżynierii materiałowej w skali mikro-, jak i nano. Tak szybki rozwój wspomnianych technik spowodował coraz to większe zapotrzebowanie na nowe konstrukcje systemów kontrolno-pomiarowych przeznaczonych do badań mikro- i nanostruktur. We współczesnych systemach, konstruowanych samodzielnie w laboratoriach badawczych, jednym z najważniejszych problemów konstrukcyjnych do rozwiązania, jest użycie odpowiedniego systemu komunikacji i sterowania poszczególnymi komponentami całego systemu, którym może być mikroskop bliskich oddziaływań. Współcześnie obserwujemy znaczny wzrost mocy obliczeniowej nie tylko procesorów, ale również różnych klas mikrokontrolerów czy procesorów sygnałowych, któremu towarzyszy spadek ceny i wzrost funkcjonalności. Tematem pracy jest budowa urządzenia kontrolno-pomiarowego, które swoją uniwersalnością i stosunkowo niskim kosztem, mogłoby zastąpić w pewnych zastosowaniach poprzedni, odpowiednio droższy, system bazujący na procesorze sygnałowym TigerSharc firmy Analog Devices [2]. Do realizacji projektu wybrano ośmiobitowy mikrokontroler jednoukładowy ATmega128, firmy Atmel [3] oraz układ logiki programowalnej XC75144XL, której producentem jest Xilinx [4]. K[...]

  Mikroskopia sił atomowych (AFM) jest uniwersalnym narzędziem stosowanym w nanotechnologii. Wykorzystywana jest do obserwacji, modyfikacji powierzchni oraz pomiarów zjawisk zachodzących w nanoskali. Jednym z wielu trybów pomiarowych wykorzystywanych w technice AFM jest spektroskopia sił. Stosuje się go do pomiaru siły wiązań molekularnych, który jest interesujący ze względu na szerokie wykorzystywanie cząsteczek związków samoorganizujących się do modyfikacji powierzchni bioczujników. Pomiar tego typu polega na rejestracji ugięcia mikrodźwigni sprężystej zbliżanej i oddalanej od badanej cząsteczki na powierzchni. Na podstawie wartości ugięcia sondy mikroskopu w chwili zerwania wiązania oraz stałej sprężystości mikrobelki można wyznaczyć wartość siły wiązania molekularnego. Wyznaczenie stałej sprężystości sondy AFM może odbywać się na kilka sposobów. Jedną z metod jest wyznaczenie jej wartości na podstawie wymiarów geometrycznych [1]. Metoda ta jest obarczona dużym błędem, wynikającym z przybliżenia kształtu mikrobelki oraz niejednorodności materiału, z którego sonda została wykonana (np. piezorezystory, pokrycie złotem). Precyzyjniejszą metodą pomiaru stałej sprężystości mikrodźwigni jest pomiar jej drgań pobudzanych szumem termicznym [2]. Pozwala ona na ocenę wartości stałych sprężystości z dokładnością pojedynczych procentów. Proponowana przez nas metoda pomiaru jest metodą bezpośredniego pomiaru siły nacisku mikrosondy na powierzchnię. Pozwala to na uzyskanie wartości siły nacisku bez konieczności wyznaczenia jej stałej sprężystości. W prezentowanym rozwiązaniu elementem mierzącym siłę nacisku została wykorzystana mikrowaga kwarcowa QCM (Quartz Crystal Microbalance). Dysk kwarcowy, będący elementem stabilizującym drgania w układzie generatora samowzbudnego, zmienia częstotliwość drgań pod wpływem przyłożonego obciążenia. Konfiguracja układu samowzbudnego umożliwia obserwację adsorpcj[...]

  Obserwowany obecnie postęp technologiczny umożliwia wytwarzanie i użytkowanie układów i zespołów o wymiarach sięgających w wielu przypadkach dziesiątków nanometrów. Tak małe przyrządy pozwalają na obserwację zjawisk zachodzących w skali molekularnej i nawet atomowej. Postępowi miniaturyzacji towarzyszyć musi również postęp w metrologii, w tym w ilościowej ocenie obserwowanych zjawisk. Ilustracją tego procesu są między innymi precyzyjne pomiary sił, w których opracowane metody i techniki eksperymentalne powinny zapewniać rozdzielczość rzędu pojedynczych pikonewtonów [1]. Opracowanie opisywanych metod i technik pomiarowych sił jest szczególnie potrzebne z punktu widzenia praktycznego zastosowania wysokorozdzielczych metod diagnostyki biochemicznej bazujących na rozpoznawaniu oddziaływań molekularnych między zdefiniowanymi receptorami a konkretnymi biomolekułami. Układy tego typu wykonywane są głównie jako systemy typu MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical Systems) i NEMS (ang. Nano Electro-Mechanical Systems). Wymagają one bardzo precyzyjnego opisu właściwości sprężystych ustroju mechanicznego, opracowania układów obserwacji wychyleń i budowy odpowiedniego elektronicznego otoczenia sterującego. Mikrodźwignie sprężyste są obecnie jednym z najbardziej rozpowszechnionych produktów technologii mikrosystemów, znajdujących zastosowanie w pomiarach zmian masy, siły i przyspieszeń, a mówiąc szerzej - w obszarze mikro- i nanomanipulatorów [2]. Mikrometrowe wymiary tych dźwigni i związany z tym efekt skalowania pozwala na obserwację wielu zjawisk zachodzących w skali molekularnej, które nie są mierzalne za pomocą układów makroskopowych. Optyczna detekcja sygnału ugięcia przetwornika siły Pomiar siły z wykorzystaniem przetworników mikromechanicznych jest związany z dokładnym pomiarem ugięcia mikrodźwigni. Jedną z lepszych metod, zapewniającą wysoką rozdzielczość takich pomiarów, jest metoda optycznej detekcji ugięcia wiązki odbitej. Meto[...]

W niniejszym artykule zostały opisane badania dwóch typów planarnych aktuatorów elektrostatycznych. Przedstawiono zasadę działania aktuatorów z uwzględnieniem zjawiska przyciągania elektrod. Zaprezentowano obliczenia podstawowych parametrów mechanicznych takich jak stałe sprężystości i częstotliwości rezonansowe. Porównano ponadto charakterystyki uzyskane dwiema metodami - z zastosowaniem interferometru światłowodowego, a także światłowodowego czujnika zbliżeniowego. Omówiono wady i zalety wymienionych metod w odniesieniu do badanych aktuatorów. Abstract. In this article investigations of two types of planar electrostatic actuators are described. The principle of actuator operation is explained. The basic parameters of the analysed system are calculated, including spring constant and resonant frequency. The characteristics measured with Fabry-Perot interferometer and fiber proximity sensor system are compared. The advantages and disadvantages of measurements planar electrostatic actuators with these two methods are described. (Metrology and control of planar electrostatic actuators). Słowa kluczowe: aktuatory elektrostatyczne, interferometr światłowodowy, czujnik natężeniowy, siła elektrostatyczna Keywords: electrostatic actuators, fiber interferometer, proximity sensor, electrostatic force Wstęp Planarny aktuator elektrostatyczny tworzą dwie elektrody, z których jedna jest stała, a druga ruchoma zawies[...]