Архитектура кантилеверных датчиков и системы контроля за положением кантилеверов

| следующая статья ==>




Важным элементом кантилеверных преобразователей, определяющим технические
характеристики систем анализа, является схема измерения деформаций кантилеверов.
Если отражающая поверхность кантилевера не менее чем 1.1 мкм2, то для определения
степени его деформаций возможно использование распостраненной оптической схемы,
имеющейся в большинстве атомно-силовых микроскопов и функционально состоящей из
лазера, луч которого направлен на отражающую поверхность кантилевера, и
позиционного четырехсегментного фотодиода, на который попадает луч лазера,
отраженный от кантилевера (рис. 1.6.).


Рис. 1.6. Принципиальная схема оптической системы контроля за
положением кантилевера (слева), атомно-силовой микроскоп
ФемтоСкан с лазерно-оптической системой регистрации сигнала
(справа) [169].
Оптическая ___________система является достаточно простой и наиболее эффективной для
большинства сенсорных устройств, так как позволяет определять смещения кантилевера
величиной до 10-4 Ǻ [6]. Нормированный электрический сигнал смещения по вертикали
отраженного лазерного луча, вырабатываемый фотодиодом, можно записать в виде
где VA, VB, VC и VD – сигналы от каждой из четырех секций фотодиода.
В общем случае у кантилевера могут быть как нормальные (вертикальные)
деформации, так и торсионные, скручивающие балку относительно ее главной оси.
Торсионные деформации возможны во время сканирования кантилевером поверхности
образца на АСМ в режиме трения [24], в бесконтактных сенсорных системах такие
деформации используются крайне редко [25, 125].
Не смотря на свою распространенность, оптический метод имеет ограничения, так
как для этого метода необходима прозрачность среды и размеры кантилевера должны
быть не меньше, чем длина волны лазерного источника. Кроме того, частотная полоса
пропускания фотодетектора в большинстве случаев не превышает 1 МГц [6], что
затрудняет его использование совместно с высокочастотными резонансными
кантилеверами. При работе с такими кантилеверами применяется метод модуляции
интенсивности на быстродействующем точечном фотодетекторе с использованием
частичного перекрывания отраженного света непрозрачной полуплоскостью. Метод
модуляции интенсивности позволяет увеличить частоту считывания до нескольких
гигагерц [37].
К оптическим методам контроля положения зонда относится
интерферометрические [26,72] и дифракционные [49] методы. В дифракционной системе
считывания кантилевер имеет вид сложной решетки, при деформациях которой
дифракционная картина от света, проходящего через кантилевер, претерпевает изменения.
Для обработки информации, поступающей одновременно с большого массива
кантилеверов (рис. 1.12) удобно использовать цифровые матрицы [56], видеоинформация
с которых обрабатывается программными средствами.
Более современные схемы контроля деформаций находятся внутри самих
кантилеверов [38] (рис. 1.7), отдельным типом которых являются кантилеверы со
встроенными слоями пьезоэлектрических элементов. Подобные датчики способны
передавать информацию о степени собственной деформации в виде электрического
сигнала. Пьезокантилевер представляет собой балку из нитрида кремния с нанесенным
слоем ZnO [39] или пьезокерамики [40], с наружи которого напыляются электроды для
снятия разности потенциалов, возникающей при пьезоэффекте в результате деформаций
кантилевера.

Рис. 1.7. Микрофотография пьезокантилевера [38].
Отметить, что прототипом пьезокантилевера являются кварцевые резонаторы,
имеющие аналогичные пьезоэлектрические свойства, которые также применяются в
атомно-силовой микроскопии [41]. Преимуществом пьезокантилеверов является
компактность системы считывания и низкие тепловые потери, в результате чего такие
кантилеверы используются в низкотемпературной микроскопии. К их недостаткам можно
отнести вынесенные электрические контакты, не позволяющие работать в проводящих
средах. Кроме того, для достижения необходимого электрического отклика, толщина
пьезослоя должна, соразмерна толщине балки, что существенно сказывается на
механических характеристиках кантилеверов. Для достижения необходимого
электрического отклика, толщина пьезослоя должна быть соразмерна толщине балки, что
существенно ухудшает механические характеристики кантилеверов и, кроме того, он
должен работать в режиме больших амплитуд изгиба, что для сенсоров, основанных на
статических деформациях, значительно понижает чувствительность [6].
На настоящий момент перспективными являются пьезорезистивные кантилеверы,
вызванного внешними напряжениями. При изгибе такого кантилевера происходит
изменение его проводимости [42]. Как правило, пьезорезистивный слой состоит из
кремния, допированного ионами бора [62], который находится в определенной области
балки кантилевера, чаще ближе к ее основанию.


Рис. 1.8. Микрофотография пары
пьезорезистивных кантилеверов 2 и 3,
включенных в мост Уинстона 1, и 4 –
опорные сопротивления моста [43].
Пьезорезистивный кантилевер обычно включают в мост Уинстона (рис. 1.8).
Чувствительность к изгибу консоли в данной системе записывается в виде
где K является фактором пьезорезистивного кремниевого сопротивления (К = 120) [43], l и
t – длина и толщина кантилевера, λ – длина резистора.
Преимуществом пьезорезистивной системы контроля положения кантилевера
является ее компактность. В последние два года в связи с разработкой пьезорезистивного
кантилевера, представляющего собой одновременно нагревательный и чувствительный
элемент, стал доступен метод микротермогравиметрического анализа вещества, который
позволяет построить термограммы с точностью до 1нг потери массы [44]. Недостаток
пьезорезистивной системы заключается в том, что сопротивление допированного слоя в
значительной степени зависит от температуры. Постоянный ток, проходящий через
пьезорезистивный слой, нагревает его, и при контакте с внешней средой возникает
градиент температур, приводящий к дрейфам и нередко к неинтерпретируемым
результатам [6].
Емкостные датчики на базе кантилевера часто используются в интегрированных
чипах, произведенных по комплиментарной металло-оксидно полупроводниковой
(КМОП) технологии [45,68]. Проводящий кантилевер помещается рядом с проводником
так, чтобы между ними образовался микроскопический зазор. Данная система
представляет собой плоский конденсатор, емкость которого зависит от малейших
смещений кантилевера обратнопропорционально величине зазора (рис 1.9).
Рис. 1.8. Микрофотография пары
пьезорезистивных кантилеверов 2 и 3,
включенных в мост Уинстона 1, и 4 –
опорные сопротивления моста [43].
Емкостные системы контроля практически не налагают ограничений на величину
собственной частоты кантилевера и могут работать на радиочастотах [6]. Недостатком
системы является невозможность работы в проводящих средах, кроме того, малейшие
изменения величины диэлектрической проницаемости среды влияют на величину
считанного сигнала.
Высокочувствительным способом детектирования субнанометровых перемещений
является метод электронного туннелирования (рис. 1.10). Система контроля туннельного
тока по аналогии с емкостной состоит из проводника и кантилевера, только в данном
случае размер зазора между ними сохраняется достаточно малым в соответствии с
формулой плотности туннельного тока, справедливой для приближения плоских
металлических электродов и вакуумного туннелирования46:
где e – заряд электрона, h – постоянная Планка, s – расстояние зонд-образец, Ut – разность
потенциалов на туннельном контакте, k0 – константа затухания волновых функций
электронов в контакте,
m – масса электрона, φ – эффективная высота потенциального барьера.


Рис. 1.9. Фотография
микроемкостной системы
считывания отклонений
кантилевера, выполненной по
технологии КМОП [45].
Так как туннельный ток экспоненциально нарастает с уменьшением зазора между
кантилевером и проводником, то такая система контроля механических деформаций [48]
позволяет измерять смещения кантилевера до значений 10-3Ǻ. При деформациях
кантилевера больших 1 нм туннельный эффект пропадает и система контроля перестает
работать. Поэтому метод туннельного контроля имеет ограничения, общие для всех
электромеханических методов, требующих протекания заряда через элемент
механического преобразователя.
В системах кантилеверов, предназначенных для измерения статических
деформаций помимо полезных сигналов возникают шумы и дрейфы, связанные с
нестабильностью физических параметров среды, в которой находится сенсор, таких как
температура, оптическая плотность, pH, гидродинамические флуктуации и др. Только в
высокостабильных системах для измерений можно использовать один
микромеханический датчик [55]. Для быстрого подвода вещества к поверхности сенсора
кантилевер обычно помещают в микрожидкостную проточную систему, которая
характеризуется значительными флуктуациями давления и температуры,
интерферирующими с аналитическим сигналом и делающие его непригодным для
дальнейшей интерпретации. В таких системах используют совмещенную пару консолей,
находящихся рядом друг с другом [43,92]. Одна из них выступает в качестве
контрольного, на котором отражаются изменения физических условий в процессе цикла
измерений (рис. 1.7), а другая измеряет полезный сигнал на фоне шума [6]. Одновременно
производится вычитание разности сигналов, поступающих с контрольного и сенсорногоА
кантилеверов. Таким образом выделяется полезный сигнал.
Для расширения функциональности и производительности микрокантилеверных
систем используются одномерные и двумерные массивы кантилеверов. Химические

Рис. 1.10. Микрофотография
кантилевера с туннельной
системой контроля его
отклонений [47], помещенного
между двумя электродами
(источником и стоком).
сенсоры на основе нескольких кантилеверов обладают свойствами человеческого носа, в
котором имеется несколько рецепторов. Такие кантилеверы модифицированны
различными низкомолекулярными веществами или биополимерными пленками,
вырабатывающими собственный отклик на изменение физико-химических свойств среды.
На рисунке 1.11 представлен массив из восьми кантилеверов, изготовленных в
исследовательской лаборатории IBM [63] для создания искусственного носа.

Рис. 1.11. Массив из восьми кремниевых
кантилеверов, используемых для сенсорных
приложений [63].
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. [56] на двумерном массиве из 500 кантилеверов (рис.
1.12).

Рис. 1.12. (а) Кремниевый чип,
содержащий 500 кантилеверов. (б)
Схематическое изображение одного
реакционного микроколодца. (в)
Фотография с электронного
микроскопа реакционной емкости
(стрелками отмечены отверстия,
большие для поступления раствора и
малые для выхода воздуха). (г)
Увеличенное изображение
кантилеверов, покрытых золотой
пленкой.
| следующая статья ==>