Архитектура кантилеверных датчиков и систем контроля за положением кантилеверов

Принципиальным элементом кантилеверных преобразователей, определяющим технические свойства систем анализа, является схема измерения деформаций кантилеверов. Если отражающая поверхность кантилевера более чем 1, то для определения степени его деформаций может быть внедрение распостраненной оптической схемы, имеющейся в большинстве атомно-силовых микроскопов и функционально состоящей из лазера, луч которого ориентирован на отражающую поверхность кантилевера, и позиционного четырехсегментного фотодиода, на который попадает луч лазера, отраженный от кантилевера.

Оптическая система является довольно обычный и более действенной для большинства сенсорных устройств, потому что позволяет определять смещения кантилевера величиной до Ǻ. Нормированный электронный сигнал смещения по вертикали отраженного лазерного луча, вырабатываемый фотодиодом, получают от каждой из 4 секций фотодиода. В общем случае у кантилевера могут быть как обычные (вертикальные) деформации, так и торсионные, скручивающие опору относительно ее главной оси. Торсионные деформации вероятны во время сканирования кантилевером поверхности эталона на АСМ в режиме трения, в бесконтактных сенсорных системах такие деформации употребляются очень изредка.

Невзирая на свою распространенность, оптический способ имеет ограничения, потому что для этого способа нужна прозрачность среды и размеры кантилевера должны быть не меньше, чем длина волны лазерного источника. Не считая того, частотная полоса пропускания фотодетектора почти всегда не превосходит 1МГц, что затрудняет его внедрение вместе с высокочастотными резонансными кантилеверами. При работе с такими кантилеверами применяется способ модуляции интенсивности на быстродействующем точечном фотодетекторе с внедрением частичного перекрывания отраженного света непрозрачной полуплоскостью. Способ модуляции интенсивности позволяет прирастить частоту считывания до нескольких гигагерц.

К оптическим способам контроля положения зонда относится интерферометрические и дифракционные способы. В дифракционной системе считывания кантилевер имеет вид сложной решетки, при деформациях которой дифракционная картина от света, проходящего через кантилевер, претерпевает конфигурации. Для обработки инфы, поступающей сразу с огромного массива кантилеверов комфортно использовать цифровые матрицы, видеоинформация с которых обрабатывается программными средствами.

Более современные схемы контроля деформаций находятся снутри самих кантилеверов (рис. 7.6), отдельным типом которых являются кантилеверы со встроенными слоями пьезоэлектрических частей. Подобные датчики способны передавать информацию о степени своей деформации в виде электронного сигнала. Пьезокантилевер представляет собой опору из нитрида кремния с нанесенным слоем ZnO либо пьезокерамики, снаружи которого напыляются электроды для снятия разности потенциалов, возникающей при пьезоэффекте в итоге деформаций кантилевера.

Рис. 7.6 Микрофотография пьезокантилевера

Отметить, что макетом пьезокантилевера являются кварцевые резонаторы, имеющие подобные пьезоэлектрические характеристики, которые также используются в атомно-силовой микроскопии.

Преимуществом пьезокантилеверов является компактность системы считывания и низкие теплопотери, в итоге чего такие кантилеверы употребляются в низкотемпературной микроскопии. К их недочетам можно отнести вынесенные электронные контакты, не дозволяющие работать в проводящих средах. Не считая того, для заслуги нужного электронного отклика, толщина пьезослоя должна быть соразмерна толщине балки, что значительно сказывается на механических свойствах кантилеверов. Для заслуги нужного электронного отклика, толщина пьезослоя должна быть соразмерна толщине балки, что значительно усугубляет механические свойства кантилеверов и, не считая того, он должен работать в режиме огромных амплитуд извива, что для детекторов, основанных на статических деформациях, существенно понижает чувствительность.

На реальный момент многообещающими являются пьезорезистивные кантилеверы, вызванного наружными напряжениями. При извиве такового кантилевера происходит изменение его проводимости. Обычно, пьезорезистивный слой состоит из кремния допированного ионами бора, который находится в определенной области балки кантилевера, почаще поближе к ее основанию.

Рис. 7.7 Микрофотография пары пьезорезистивных кантилеверов 2 и 3, включенных в мост Уитстона 1, и 4 – опорные сопротивления моста

Пьезорезистивный кантилевер обычно включают в мост Уинстона (рис. 7.7). Чувствительность к извиву консоли в данной системе находится в зависимости от значения фактора пьезорезистивного кремниевого сопротивления (К = 120), длины и толщины кантилевера, длины резистора.

Преимуществом пьезорезистивной системы контроля положения кантилевера является ее компактность. В последние два года в связи с разработкой пьезорезистивного кантилевера, представляющего из себя сразу нагревательный и чувствительный элемент, стал доступен способ микротермогравиметрического анализа вещества, который позволяет выстроить термограммы с точностью до 1нг утраты массы. Недочет пьезорезистивной системы состоит в том, что сопротивление допированного слоя в значимой степени находится в зависимости от температуры. Неизменный ток, проходящий через пьезорезистивный слой, нагревает его, и при контакте с наружной средой появляется градиент температур, приводящий к дрейфам выходного сигнала.

Емкостные датчики на базе кантилевера нередко употребляются в встроенных чипах, сделанных по комплиментарной металло-оксидно полупроводниковой (КМОП) технологии. Проводящий кантилевер помещается рядом с проводником так, чтоб меж ними образовался микроскопичный зазор. Данная система представляет собой тонкий конденсатор, емкость которого находится в зависимости от мельчайших смещений кантилевера обратнопропорционально величине зазора. Емкостные системы контроля фактически не налагают ограничений на величину своей частоты кантилевера и могут работать на радиочастотах. Недочетом системы является невозможность работы в проводящих средах, не считая того, мельчайшие конфигурации величины диэлектрической проницаемости среды оказывают влияние на величину считанного сигнала.

Высокочувствительным методом детектирования субнанометровых перемещений является способ электрического туннелирования. Система контроля туннельного тока по аналогии с емкостной состоит из проводника и кантилевера, исключительно в данном случае размер зазора меж ними сохраняется довольно малым в согласовании с формулой плотности туннельного тока, справедливой для приближения плоских железных электродов и вакуумного туннелирования и находится в зависимости от расстояния зонда до эталона, разности потенциалов на туннельном контакте, константы затухания волновых функций электронов в контакте, действенной высоты потенциального барьера.

Потому что туннельный ток экспоненциально наращивается с уменьшением зазора меж кантилевером и проводником, то такая система контроля механических деформаций позволяет определять смещения кантилевера до значений Ǻ. При деформациях кантилевера огромных 1 нм туннельный эффект теряется и система контроля перестает работать. Потому способ туннельного контроля имеет ограничения, общие для всех электромеханических способов, требующих протекания заряда через элемент механического преобразователя.

В системах кантилеверов, созданных для измерения статических деформаций кроме нужных сигналов появляются шумы и дрейфы, связанные с непостоянностью физических характеристик среды, в какой находится детектор, таких как температура, оптическая плотность, pH, гидродинамические флуктуации и др. Исключительно в высокостабильных системах для измерений можно использовать один микромеханический датчик. Для резвого подвода вещества к поверхности детектора кантилевер обычно помещают в микрожидкостную проточную систему, которая характеризуется значительными флуктуациями давления и температуры, интерферирующими с аналитическим сигналом и делающие его неприменимым для предстоящей интерпретации. В таких системах употребляют совмещенную пару консолей, находящихся рядом вместе. Одна из их выступает в качестве контрольного, на котором отражаются конфигурации физических критерий в процессе цикла измерений, а другая определяет нужный сигнал на фоне шума. Сразу делается вычитание разности сигналов, поступающих с контрольного и сенсорного кантилеверов. Таким макаром выделяется нужный сигнал. Для расширения функциональности и производительности микрокантилеверных систем употребляются одномерные и двумерные массивы кантилеверов.

Хим детекторы на базе нескольких кантилеверов владеют качествами людского носа, в каком есть некоторое количество рецепторов. Такие кантилеверы модифицированны разными низкомолекулярными субстанциями либо биополимерными пленками, вырабатывающими свой отклик на изменение физико-химических параметров среды. На рисунке 7.8 представлен массив из восьми кантилеверов, сделанных в исследовательской лаборатории IBM для сотворения искусственного носа.

Рис. 7.8 Массив из восьми кремниевых кантилеверов, применяемых для сенсорных приложений

Исследования определенных реакций на поверхности кантилевера требуют воспроизводимости и статистического анализа. Проведение высокопропускных проб генного анализа, основанных на гибридизации ДНК на поверхности кантилеверов, было продемонстрировано Мин Ю и др. на двумерном массиве из 500 кантилеверов.