«Стандартный атомный микроскоп силы – большой, большой инструмент, с многократными петлями контроля, электроникой и усилителями», сказал доктор Реза Мохеимани, преподаватель машиностроения в UT Даллас. «Нам удалось миниатюризировать все электромеханические компоненты вниз на единственный маленький чип».Moheimani и его коллеги описывают их устройство прототипа в выпуске этого месяца Журнала IEEE Микроэлектромеханических Систем.Атомный микроскоп силы (AFM) – научный инструмент, который используется, чтобы создать подробные трехмерные изображения поверхностей материалов, вниз к масштабу миллимикрона – это находится примерно в масштабе отдельных молекул.Основной дизайн AFM состоит из крошечной консоли или руки, которой приложили острый наконечник к одному концу.
Поскольку аппарат просматривает назад и вперед через поверхность образца или типовые шаги под нею, интерактивные силы между образцом и наконечником заставляют консоль перемещаться вверх и вниз, поскольку наконечник следует за контурами поверхности. Те движения тогда переведены на изображение.«AFM – микроскоп, который ‘видит’ поверхностный вид способа, которым слабовидящий человек мог бы, затрагивая. Вы можете получить резолюцию, которая является далеко за пределами того, чего может достигнуть оптический микроскоп», сказал Мохеимани, который считает Джеймса Фон Эра Выдающимся Стулом в Науке и технике в Школе Эрика Джонссона Разработки и Информатики. «Это может захватить особенности, которые являются очень, очень маленькие».
UT Далласская команда создало свой прототип AFM на чипе использование микроэлектромеханические системы (MEMS) подход.«Классический пример технологии MEMS – акселерометры и гироскопы, найденные в смартфонах», сказал доктор Энтони Фаулер, исследователь в Лаборатории Мохеимани для Динамики и Контроля Наносистем и одного из соавторов статьи. «Они раньше были большими, дорогими, механическими устройствами, но использующий технологию MEMS, акселерометры сжались вниз на однокристальную схему, которая может быть произведена всего за несколько долларов за штуку».Основанный на MEMS AFM составляет приблизительно 1 квадратный сантиметр в размере, или немного меньший, чем десять центов.
Это присоединено к маленькой печатной плате, приблизительно половина размера кредитной карты, которая содержит схему, датчики и другие миниатюризированные компоненты, которые управляют движением и другими аспектами устройства.Обычные AFMs работают в различных способах.
Некоторые планируют особенности образца, поддерживая постоянную силу, когда наконечник исследования тянется через поверхность, в то время как другие делают так, поддерживая постоянное расстояние между двумя. «Проблема с использованием постоянного подхода высоты состоит в том, что наконечник применяет переменные силы на образец все время, который может повредить образец, который является очень мягким», сказал Фаулер. «Или, если Вы просматриваете очень твердую поверхность, Вы могли бы стереть наконечник»,Основанный на MEMS AFM работает в «уколе способа», что означает, что консоль и наконечник колеблются вверх и вниз по перпендикуляру к образцу, и наконечник поочередно связывается, тогда стартует от поверхности.
Поскольку исследование двигается вперед-назад через типовой материал, обратная связь поддерживает высоту того колебания, в конечном счете создавая изображение.«В уколе способа, поскольку колеблющаяся консоль преодолевает поверхностную топографию, амплитуда колебания хочет измениться, поскольку это взаимодействует с образцом», сказал доктор Мохаммад Мэруфи, научный сотрудник в машиностроении и соавтор бумаги. «Это устройство создает изображение, поддерживая амплитуду колебания».Поскольку обычные AFMs требуют, чтобы лазеры и другие большие компоненты работали, их использование может быть ограничено.
Они также дорогие.«Образовательная версия может стоить приблизительно 30 000$ или 40 000$, и лабораторный уровень, AFM может управлять 500,000$ или больше», сказал Мохеимани. «У нашего подхода MEMS к дизайну AFM есть потенциал, чтобы значительно уменьшить сложность и стоимость инструмента.«Один из привлекательных аспектов о MEMS – то, что Вы можете массовая продукция их, строя сотни или тысячи из них в одном выстреле, таким образом, цена каждого чипа только была бы несколькими долларами.
В результате Вы могли бы быть в состоянии предложить целую миниатюрную систему AFM за несколько тысяч долларов».Уменьшенный размер и цена также могли расширить полезность AFM вне текущего научного применения.
«Например, полупроводниковая промышленность могла бы извлечь выгоду из этих маленьких устройств, в особенности компании, которые производят кремниевые вафли, из которых сделаны компьютерные микросхемы», сказал Мохеимани. «С нашей технологией у Вас могло бы быть множество AFMs, чтобы характеризовать поверхность вафли, чтобы найти микроошибки, прежде чем продукт будет послан». Прототип лаборатории – устройство первого поколения, Мохеимани сказал, и группа уже работает над способами улучшить и оптимизировать фальсификацию устройства.
«Это – одна из тех технологий, куда, как они говорят, ‘Если Вы строите ее, они прибудут’. Мы ожидаем находить много применения, поскольку технология назревает», сказал Мохеимани.