Способ управления скоростью сканирования туннельного микроскопа и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к туннельной микроскопии и может быть использовано в туннельных микроскопах, профилометрах и регистрирующих устройствах измерительной техники. Целью изобретения является сокращение времени измерений. Способ заключается в том, что скорость горизонтального сканирования острия по поверхности образца зависит от рельефа поверхности так, что эта скорость уменьшается, если скорость подъема рельефа образца под острием превышает максимально возможную скорость подъема острия, и увеличивается в противоположном случае. Устройство содержит дифференциатор 1, формирователь 2 модуля сигнала, источник 3 сигнала установки, дифференциальный усилитель 4. Сигнал с системы стабилизации высоты острия туннельного микроскопа подается на вход устройства, и скорость его изменения сравнивается с сигналом уставки с помощью дифференциального усилителя 4. На выходе ограничителя 5 формируется сигнал, управляющий скоростью развертки, при этом время сканирования кадра не лимитируется максимально допустимой скоростью в худшей точке образца . 2 с.и 2 з.п. ф-лы, 3 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н О1 J 37/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4658442/21 (22) 06.03.89 (46) 07.01.92. Бюл. М 1 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (72) В.Н.Горелов и В.И.Тарабукин (53) 539.211:539.107(088.8) (56) Приборы для научных исследований, 1987, 1» 11, с. 27.

Основы автоматического управления./Под ред. В.С.Пугачева, M.: Наука. 1984, с, 681 — 683.

Приборы для научных исследований,1987. М 8, с.3. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ

СКАНИРОВАНИЯ ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относлтся к туннельной микроскопии и 1ложет быть использовано в туннельных 1ликроскопах, профилометрах и регистрирующих устройствах измерительH0ll техники. Целью изобретения является

„„59„„1704191 Аl сокращение времени измерений. Способ заключается в том, что скорость горизонтального сканирования острия по поверхности образца зависит от рельефа поверхности так, что эта скорость уменьшается. если скорость подъема рельефа образца под острием превышает максимально возможную скорость подъема острия, и увеличивается в противоположном случае. Устройство содержит дифференциатор 1, формирователь 2 модуля сигнала, источник 3 сигнала установки, дифференциальный усилитель 4. Сигнал с системы стабилизации высоты острия туннельного микроскопа подается на вход устройства, и скорость его изменения сравнивается с сигналом уставки с помощью дифференциального усилителя 4. На выходе ограничителя 5 формируется сигнал, управляющий скоростью развертки, при этом время сканирования кадра не лимитируется максимально допустимой скоростью в худшей точке образца. 2 r..è 2 з.п. ф-лы, 3 ил.! 704191

Иэобретг:ние относи1ся к туннельной микроскопии-спектрометрии и может быть использовано в микроскопах атомных сил, приборах на их основе, а также в профилометрии и регистрирующих устройствах из- 5 мерительной техники.

Цель изобретения — сокращение времени измерений.

Способ заключается в том, что сканирование острия, находящегося над поверхно- 10 стью образца, осуществляют со скоростью, величина которой зависит от рельефа поверхности. При крутом подьеме рельефа поверхности в данной точке образца скорость сканирования уменьшавтся до величины, 15 допускаемой быстродействием привода, управляющего подъемом и опусканием острия.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, реализующего данный 20 способ; на фиг.2 — схема включения компаратора; на фиг.З вЂ” схема, позволяющая уменьшить неточность, возникающую из-за гистереэиса пьезоэлектрического привода острия. 25

Математическое описание способа дается выражением

x (t) гп! и (х, zola (t)0 (1) где t<>, i — быстродействие приводов вдоль строки и ортогбнального плоскости(х.у) рас- 30 тра: а(t) = 1hz(t) jx (tj I — текущая крутизна профиля строки.

Иэ геометрических соображений легко получить выражение, связывающее координатные скорости l1 крутизну профиля строки 35 а {t) = z (t) /x(t), (2) показывающее, что прямое измерение текущего значения крутизны профиля строки не является обяэагельным. Анализируя выражения (1), (2;, л"ожно получить выражение 40 для скорости изменения высоты острия

lz (t) l - min (z, х;, a (t) ) (, 3)

Выражения (1), (3) позволяют в явнол; ° де

- - -- получить зависимость координатнь х скоростей от текущей крутизны профиля 45

x(t) - х; lz(t)l = х а (t) при а (t)

2и/хм (4)

x(t) - zN/а (t);lz(t) = z при и (t)>

zи/хи (5) откуда следует, что при движении вдоль строки в каждый момент врел1ени по крайней мере один из координатных приводов работает с наивысшей скоростью, эа счет чего и достигается повышение быстродей- 55 ствия растрового туннельного микроскопа.

Данный способ исключает BG. : ожность механического контакта острия микроскопа с образцом благодаря снижению скорости сканирования на крутых участках профиля строки.

Устройство, реализующее способ управления скоростью сканирования туннельного микроскопа, работает следующим образом, Автоматический регулятор скорости сканирования растрового туннельного микроскопа содержит дифференциатор 1, формирователь 2 модуля сигнала, источник 3 сигнала уставки, дифференциальный усилитель 4, амплитудный ограничитель 5, интегратор 6, блок 7 управления переводом строки.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал z(t), формируемый системой стабилизации высоты острия туннельного микроскопа, поступает на вход дифференциатора 1, с его выхода сигнала 2 (t) подается на вход формирователя 2 л1одуля сигнала, выходной сигнал Iz(t)l которого сравнивается с сигналом установки 2, формируемым источником 3, и разность z — tz(t)l усиливается в К раз усилителем 4, выходной сигнал х () - К (z — /z(t)/) которого поступает на вход ограничителя 5. На его выходе формируется сигнал x(t), описываемый выражением

x(t) = min (х, Kti — /z> — Ik(t)l )1. (Ю

Используя выражение (2). можно показать, что при выполнении условия К 1 выражение (6) приводится к математическому описанию (1) предлагаемого способа управления скоростью.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать предлагаемый способ беэ выполнения операций умножения-деления согласно выражениям (1),(2).

После выполнения операции интегрирования в интеграторе 6 сигнал подается на привод и на блок 7 управления переводом строки (при работе в режиме строчно- адровой развертки и с пьеэоэлектриче " приводом).

Для проведения экспресс-анализа качества поверхности беэ необходимости вывода, обработки и анализа ее иэображения в устройство можно ввести дополнительно компаратор 8 сигналов. один иэ входов которого соединен с входом, а другой — с выходом амплитудного ограничителя 5, при этом выходом устройства является выход компаратора (фиг.2), Это устройство работает следующим образом.

Во еремА сканирования участков профиля строки с крутизной a(t) < z /õ . согласно выражению (1), сигнал x(t) на выходе ограничителя 5 меньше сигнала x (t) на его входе. и компаратор 8 находится в состоя1704191 нии g (t) = 1. На участках профиля с крутизной a (t) z /õ сигналы на входах компаратора равны, х"() = x(t), и он находится в состоянии g (t) = О, Таким образом, изменение сигнала g (т) происходит в моменты, когда крутизна профиля а(t) ú/хм, Можно сказать, что среднее значение частоты t< переключений компаратора 8 определяется статистическими характеристиками профиля строки, в частности дисперсией, и может использоваться для ее оценки без обработки иэображения поверхности, Кроме того, фронты сигнала g(t) могут использоваться для синхронизации устройств ввода сигналов x(t). z(t) и ЭВМ, при этом упрощается аппроксимация формируемого изображения за счет того, что крутизна профиля в моменты ввода известна.

С целью повышения точности дифференцирования предлагается дифференциатор 1 выполнить в виде дифференциального усилителя 9 постоянного тока, входы которого соединены с выводами токоизмерительного резистора 10, включенного в разрыв цепи одного иэ выводов пьезодвигателя 11 координатного привода по оси z, управляемого высоковольтным усилителем

12 растрового туннельного микроскопа, На фиг.3 приведена структурная схема предлагаемого диФференц атора 1.

Такой дифференциатор работает следующим образом.

Выходное напряжение высоковольтного усилителя 12, пропорциональное перемещению пьеэодвигателя 11, дифференцируется пассивной цепью, состоящей иэ емкости пьезодвигателя 11 и сопротивления резистора 10. Выходное напряжение пассивной дифференцирующей цепи масштабируется усилителем 9.

Поскольку принцип действия предлагаемого дифференциатора 1 о: евиден, представляется необходил;ь обосновать йеочевидность и эффективность предлагаемого решения.

Неочевидность состоит B TQM, что предлагается дифференцировамие сигнала z(t) производить в выходной цепи BblcoKoBoëüòного усилителя 12, управляющего пьеэодвигателем 11, в то время как сьем си н:.ла г (t) для регистрации и обработки производится с низковольтных цепей входа этого усилителя.

Эффективность предлагаемого решения состоит в исключении нелинейных и частотных искажений, вносимых высоковольтным усилителем 12 е сигHBR управления пьезодвигателя 11, что позволяет упростить обеспечение необходимого качества динамических характеристик предла5

55 гаемого автоматического регулятора скорости сканирования и растрового туннельного микроскопа в целом, Кроме того, выходной сигнал предлагаемого дифференциатора 1 однозначно связан с величиной перемещения пьезодвигателя за счет измерения тока через него (а не напряжения на нем). Дело в том, что напряжение на пьезодвигателе связано с его перемещением неоднозначной гистерезисной зависимостью.

К тому же существенно упрощается схема дифференциатора 1, особенно в случае, если один из выводов пьезодвигателя 11 исходного заэемлен: в этом случае вместо дифференциального усилителя может использоваться обычный усилитель постоянного тока.

Формула изобретения

1. Способ управления скоростью сканирования туннельного микроскопа, включающий движение острия в плоскости ху образца в направлении7со скоростью Ч и движение острия в направлении z. перпендикулярном плоскости образца, так что между острием и неровной поверхностью образца поддерживают зазор, о т л и ч а юшийся тем. что, с целью сокращения времени измерения, модуль скорости UP поддерживают равным величине

1, IVZваксI

IVaI = гп!п (РVевакс1, дЬ х,у

)г

a Ae Vp вакс, Чг вакс — максимальные скорости острия в направлениях7и z соответственно ограниченные быстродействием привода, мlо;

h (х,у) — z — координата поверхности образца в точке х,у. м; г един .нный вектор, лежащий в плоскости (х,у) и задающий направление скорости движения острия в плоскости (х.у) в точке х,у,м:

ЯЬ (х,у) †- -- производная по направлению

3е

1(безразмерна).

2, Устройство для управления скоростью сканирования туннельного микроскопа, содержащее первый привод для движения острия вдоль оси х е плоскости образца (х,у), второй привод для движения

f острия вдоль оси z, перпендикулярной плоскости (х,у), датчик z — координаты острия, а также регулятор скорости движения острия вплоскости(х.у), отличающееся тем. что, с цепью сокращения времени измерений, в него дополнительно введены последовательно соединенные дифференциатор, формирователь модуля сигнала, дифференциальный усилитель, амплитудный ограничитель, а так1704191

Составитель К.Меньшиков

Редактор С.Патрушева Техред М.Моргентал Корректор ММаксимишинец

Заказ 65 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб,. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 же источник сигнала уставки, выход которого соединен с вторым Входом дифференциального усилителя, причем входдифференциатора соединен с выходом датчика

z-координаты острия, а выход амплитудного ограничителя соединен с приводом z-координаты острия, 3. Устройство по п.2. отл и ч а ю ще ес я тем, что, с целью повышения точности измерений при использовании пьезоэлектрического привода острия, дифференциатор выполнен в виде усилителя тока, входы которого включены в разрыв цепи одного из выводов пьезоэлектрического привода острия для движения вдоль оси z.

4. Устройство по п 2. о т л и ч а ю щ е е5 с я тем. что, с целью расширения функциональных возможностей путем получения дополнительной информации о параметрах шероховатости образца, в него введен компаратор сигналов, один из входов которого

10 соединен с входом ограничителя. а другой— с выходом ограничителя, при этом выходом устройства является выход компаратора.