Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом


 


Владельцы патента RU 2494407:

Закрытое акционерное общество "Инструменты нанотехнологии" (RU)

Способ может быть использован для исследования, например, трубопроводов, работающих в экстремальных условиях атомных электростанций, нефте- и газоперерабатывающих заводов. Сущность изобретения заключается в том, что в способе подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом, включающем формирование измерительной поверхности механическим способом и первое исследование измерительной поверхности, дополнительно на крупногабаритном объекте формируют установочную область, на которою устанавливают сканирующий зондовый микроскоп. Технический результат - повышение точности измерений, расширение их функциональных возможностей. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предложенный способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом может быть использован для исследования, например, трубопроводов и других объектов, работающих в экстремальных условиях, например, атомных электростанций, нефте- и газоперерабатывающих заводов.

Известен способ подготовки и измерения поверхности объекта сканирующим зондовым микроскопом (СЗМ), включающий формирование гладкой поверхности механическими средствами и последующий анализ этой поверхности посредством сканирующей зондовой микроскопии. После этого проводят травление этой поверхности в низкотемпературной плазме, измерение глубины травления методом сканирующей зондовой микроскопии и доведении этой глубины до величины не менее половины ожидаемого диаметра наиболее крупных частиц. После чего производят дополнительное измерение методом сканирующей зондовой микроскопии [1]. Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого способа заключается в том, что его нельзя применить для исследования крупногабаритных объектов из-за использования низкотемпературной плазмы.

Технический результат изобретения заключается в расширении его функциональных возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом, включающим формирование измерительной поверхности механическим способом, дополнительно формируют установочную область, на которую устанавливают сканирующий зондовый микроскоп.

Существует вариант, в котором установочную область формируют посредством ее шлифовки абразивным кругом с подачей на него ультразвуковых колебаний синусоидальной формы со срезанными вершинами.

Существует также вариант, в котором установочную область формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, расплавляют ее, зону расплава подвергают затвердеванию и формируют микрорельеф.

Существует также вариант, в котором установочную область формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, нагревают ее и формируют микрорельеф валками с заданной шероховатостью.

Существует также вариант, в котором установочную область формируют в виде двух зон, расположенных с двух сторон от измерительной поверхности или трех зон, расположенных вокруг измерительной поверхности.

Существует также вариант, в котором измерительную поверхность формируют путем ее шлифовки и первой полировки, после чего к установочной зоне подводят абразивный круг, формируют на нем ультразвуковые колебания и удаляют путем отсоса с измерительной поверхности продукты механической обработки.

Существует также вариант, в котором на установочную область закрепляют сканирующий зондовый микроскоп и производят первое исследование измерительной поверхности зондом.

Существует также вариант, в котором после первого исследования измерительной поверхности зондом производят ее вторую полировку, после чего к установочной зоне подводят абразивный круг, формируют на нем ультразвуковые колебания и удаляют путем отсоса с измерительной поверхности продукты механической обработки и далее производят второе, по меньшей мере, исследование измерительной поверхности зондом.

На фиг.1 изображен сканирующий зондовый микроскоп, закрепленный на крупногабаритном объекте.

Сканирующий зондовый микроскоп 1 с зондом 2 с помощью средств закрепления 3 установлен опорами 4 на крупногабаритном объекте 5. При этом зонд 2 сопряжен с измерительной поверхностью 6, а опоры 4 - с установочной областью 7.

Предложенный способ более подробно реализуется следующим образом.

В способе подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом (СЗМ), формирование измерительной поверхности 6 осуществляют механическим способом. Предполагаемая зона измерений может иметь площадь от нескольких квадратных сантиметров и более. Эта величина необходима, чтобы попасть зондом 2 СЗМ 1 в нее без использования дополнительных измерительных средств. После этого дополнительно формируют установочную область 7, на которую опорами 4 устанавливают сканирующий зондовый микроскоп 1. Установочная область (области) 7 может иметь, например, те же размеры, что и измерительная поверхность 6. Оператор должен устанавливать в нее опоры 4 СЗМ 1 также без использования дополнительного измерительного оборудования, при этом зонд 2 СЗМ 1 должен попадать на измерительную поверхность 6. Возможен вариант, в котором измерительная поверхность 6 и установочная область 7 находятся в одной плоскости и выполняются одними и теми же средствами.

В одном из вариантов установочную область 7 формируют посредством ее шлифовки абразивным кругом с подачей на него ультразвуковых колебаний синусоидальной формы со срезанными вершинами. При этом на объекте 5 формируются микроканавки трапециидальной формы. Подробно с режимами этой обработки можно ознакомиться в [2]. В этом случае размеры установочной области 7 могут определяться размерами обрабатывающего инструмента.

Существует также вариант, в котором установочную область 7 формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, расплавляют ее, зону расплава подвергают затвердеванию и формируют микрорельеф. В качестве этого излучения может использоваться лазерное излучение, а форма, размеры и расположение микроканавок выбираться в зависимости от измеряемого объекта 5. Подробно с вариантами такой обработки можно ознакомиться в [3]. В этом случае целесообразно конфигурацию установочной области 7 согласовать с расположением опор 4 СЗМ 5. Варианты их расположения см., например, в [4, 5].

Существует также вариант, в котором установочную область 7 формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, нагревают ее и формируют микрорельеф валками с заданной шероховатостью. Нагрев установочной области 7 должен происходить до ее способности к пластической деформации. Отдельные элементы такого процесса описаны в [6]. В этом случае, как и в предыдущем, целесообразно конфигурацию установочной области 7 согласовать с расположением опор 4 СЗМ 1.

Если установочную область 7 формируют в виде двух зон, расположенных с двух сторон от измерительной поверхности 6 или трех зон, расположенных вокруг измерительной поверхности 6, помимо того, что эти зоны согласуют с размерами и расположением опор 4 сканирующего зондового микроскопа 1, необходимо, чтобы эти зоны располагались в одной плоскости. При этом желательно, чтобы эта плоскость совпадала с измерительной поверхностью 6. Если этого нет, то необходимо перед измерениями регулировать высоту опор 4 СЗМ 1. При этом опоры 4 по резьбе вворачивают в СЗМ 1 и закрепляют контргайками (не показано).

В отдельных случаях измерительную поверхность 6 формируют путем ее шлифовки и первой полировки, после чего к установочной зоне 7 подводят абразивный круг, формируют на нем ультразвуковые колебания и удаляют путем отсоса с измерительной поверхности 6 продукты механической обработки. При этом мощность ультразвуковых колебаний регулируют в зависимости от измеряемого объекта 5. Предварительный контроль степени удаления продуктов обработки можно проводить с помощью оптического микроскопа (не показан). В этом случае могут быть следующие варианты реализации способа. В первом варианте после формирования измерительной поверхности 6 формируют установочную область 7 абразивным кругом, потом его останавливают, подают на него ультразвуковые колебания и удаляют отсосом с измерительной поверхности 6 продукты механической обработки. Во втором варианте сначала формируют установочную область 7, далее измерительную поверхность 6, а потом подводят абразивный круг к установочной области 7, подают на него ультразвуковые колебания и удаляют отсосом с измерительной поверхности 6 продукты механической обработки. В третьем варианте одним и тем же абразивным кругом формируют установочную область 7, потом измерительную поверхность 6, а потом подводят абразивный круг к установочной области 7, подают на него ультразвуковые колебания и удаляют отсосом с измерительной поверхности 6 продукты механической обработки. В четвертом варианте одним и тем же абразивным кругом формируют измерительную поверхность 6, далее установочную область 7, а потом подводят остановленный абразивный круг к установочной области 7, подают на него ультразвуковые колебания и удаляют отсосом с измерительной поверхности 6 продукты механической обработки.

Когда после первого исследования измерительной поверхности 6 зондом 2 производят ее вторую полировку, и далее производят второе, и последующие исследования измерительной поверхности 6, то раз за разом уходят вглубь поверхности объекта 5 и получают дополнительную информацию. В этом случае целесообразно под опоры 4 сканирующего зондового микроскопа 1 делать ориентирующие, например, V-образные канавки (не показаны), чтобы при последующих измерениях зонд 2 попадал в ту же зону измерений. При этом погрешность расположения V-образных канавок должна составлять величину +/-1 мкм.

То, что в способе подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом дополнительно формируют установочную область, на которую устанавливают сканирующий зондовый микроскоп, повышает точность измерения благодаря более жесткой и надежной его установки.

То, что установочную область формируют посредством ее шлифовки абразивным кругом с подачей на него ультразвуковых колебаний синусоидальной формы со срезанными вершинами, создает на установочной области микрорельеф. Это дополнительно повышает надежность установки на ней сканирующего зондового микроскопа.

То, что установочную область формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, расплавляют ее, зону расплава подвергают затвердеванию и формируют микрорельеф, дополнительно повышает надежность установки на ней сканирующего зондового микроскопа.

То, что установочную область формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, нагревают ее и формируют микрорельеф валками с заданной шероховатостью, дополнительно повышает надежность установки на ней сканирующего зондового микроскопа.

То, что установочную область формируют в виде двух зон, расположенных с двух сторон от измерительной поверхности или трех зон, расположенных вокруг измерительной поверхности, упрощает установку сканирующего зондового микроскопа и наведение его на измерительную поверхность.

То, что измерительную поверхность формируют путем ее шлифовки и первой полировки, после чего к установочной зоне подводят абразивный круг, формируют на нем ультразвуковые колебания и удаляют путем отсоса с измерительной поверхности продукты механической обработки, повышает точность измерений.

То, что производят первое исследование измерительной поверхности зондом, а после вторичной подготовки измерительной поверхности производят второе, по меньшей мере, второе ее исследование расширяет функциональные возможности способа.

Повышение надежности закрепления сканирующего зондового микроскопа расширяет функциональные возможности способа за счет его использования на более широком круге объектов.

Литература

1. Патент RU 2206882. 20.06.2003.

2. Патент RU 2339499. 27.11.2008.

3. Патент RU 2248266. 27.07.2004.

4. Патент RU 2282902. 27.08.2006.

5. Патент RU 2401983. 20.10.2010.

6. Патент RU 2196650. 20.01.2003.

1. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом, включающий формирование измерительной поверхности механическим способом и первое исследование измерительной поверхности, отличающийся тем, что дополнительно формируют установочную область на крупногабаритном объекте, на которую устанавливают сканирующий зондовый микроскоп.

2. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом по п.1, отличающийся тем, что установочную область формируют посредством ее шлифовки абразивным кругом с подачей на него ультразвуковых колебаний.

3. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом по п.2, отличающийся тем, что установочную область формируют посредством подачи на абразивный круг ультразвуковых колебаний синусоидальной формы.

4. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом по п.3, отличающийся тем, что установочную область формируют посредством подачи на абразивный круг ультразвуковых колебаний синусоидальной формы со срезанными вершинами.

5. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом по п.1, отличающийся тем, что установочную область формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, расплавляют ее, зону расплава подвергают затвердеванию и формируют микрорельеф.

6. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом по п.1, отличающийся тем, что установочную область формируют посредством ее шлифовки с последующим воздействием на нее сконцентрированным потоком излучения, нагревают ее и формируют микрорельеф валками с заданной шероховатостью.

7. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом по п.1, отличающийся тем, что измерительную поверхность формируют путем ее шлифовки и первой полировки, после чего к установочной зоне подводят неподвижный абразивный круг, формируют на нем ультразвуковые колебания и удаляют путем отсоса с измерительной поверхности продукты механической обработки.

8. Способ подготовки и измерения поверхности крупногабаритного объекта сканирующим зондовым микроскопом по п.7, отличающийся тем, что после первого исследования измерительной поверхности зондом производят ее вторую полировку, после чего к установочной области подводят неподвижный абразивный круг, формируют на нем ультразвуковые колебания и удаляют путем отсоса с измерительной поверхности продукты механической обработки и далее производят второе исследование измерительной поверхности зондом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нанотехнологии и сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к устройствам, позволяющим получать информацию о топографической структуре образца, локальной жесткости, трении, а также об оптических свойствах поверхности в режиме близкопольного оптического микроскопа.

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в измерительных акустических системах. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в ближнеполевой сканирующей СВЧ и оптической микроскопии. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) рельефа, линейных размеров и других характеристик объектов, преимущественно в биологии, с одновременным оптическим наблюдением объекта в проходящем через объект свете.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и изучения свойств наклонных участков структурных элементов, находящихся на подложке.

Изобретение относится к области электронной микроскопии, а точнее к устройствам, обеспечивающим калибровку предметных столиков растровых электронных микроскопов в широком диапазоне перемещений.

Изобретение относится к электронно-измерительной технике и нанотехнологиям и предназначено в том числе для использования со сканирующим зондовым микроскопом (СЗМ) при исследовании микро- и нанорельефа поверхности.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии. Способ подвода зонда к образцу для сканирующего зондового микроскопа, предполагающий выполнение этапов, в процессе которых происходит чередование режима работы двигателя подвода с полностью втянутым сканером и режима выдвижения сканера с неработающим двигателем подвода до тех пор, пока на одном из этапов выдвижения сканера острие зонда не окажется вблизи образца. При этом на этапах выдвижения сканера сканером управляет цепь обратной связи, рабочая точка цепи обратной связи на каждом этапе выдвижения сканера постепенно изменяется, начиная с величины входного сигнала цепи обратной связи в момент начала этого этапа, таким образом, чтобы обратная связь, выдвигая сканер, начиная с полностью втянутого состояния, отрабатывала эти изменения до тех пор, пока сканер не окажется полностью выдвинутым или острие зонда не окажется вблизи образца. При этом в качестве зонда используют силовой зондовый датчик с оптической системой регистрации, на протяжении процесса подвода происходит возбуждение колебаний консоли силового зондового датчика, и близость острия зонда к образцу определяется по резкому скачку сигнала фазы колебаний. Технический результат - уменьшение степени разрушительного воздействия на исследуемый образец, повышение точности измерений. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп содержит: основание (1); блок сближения (3), мобильно установленный на основании (1); пьезосканер (4), расположенный на блоке предварительного сближения (3); держатель объекта (5), расположенный на пьезосканере (4); образец (6), содержащий зону измерений (М) и закрепленный с помощью держателя объекта (5) на пьезосканере (4); платформу (9), закрепленную на основании (1) напротив образца (6); анализатор, установленный на платформе (9) и содержащий первую измерительную головку (13), обращенную к образцу (6) и адаптированную для зондирования зоны измерений (М) образца (6). Также микроскоп содержит первую (10) и вторую (11) направляющие, закрепленные на платформе (9). Анализатор содержит вторую измерительную головку (16), обращенную к образцу (б) и адаптированную для зондирования зоны измерений (М) образца (6). Первая (13) и вторая (16) измерительные головки мобильно установлены соответственно на первой (10) и второй (11) направляющих. Технический результат - обеспечение возможности быстрой смены режимов измерения. 14 з.п. ф-лы, 14 ил.

Зонд для сканирующего зондового микроскопа включает размещенный на острие кантилевера зарядовый сенсор в виде одноэлектронного транзистора, выполненного в слое кремния, допированном примесью до состояния вырождения, структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) на подложке. Транзистор имеет два подводящих электрода, размещенные под острым углом друг к другу в плоскости подложки, сходящиеся концы которых контактируют с проводящим островом транзистора и выполняют функции истока и стока, и средний электрод заостренной формы, размещенный в зоне схождения подводящих электродов, острие которого направлено в сторону проводящего острова с образованием емкостного зазора с последним, выполняющий функции затвора транзистора. Перемычки в зоне контакта концов подводящих электродов с островом транзистора выполнены резистивными с возможностью образования туннельного перехода, ребро подложки скошено, а остров транзистора, перемычки и примыкающие к скосу оконечные части подводящих и среднего электродов выступают за пределы слоя изолятора. Технический результат состоит в исключении паразитного шумового влияния подвижных зарядов, сосредоточенных в слое изолятора пластины КНИ, увеличение зарядовой чувствительности зондового устройства. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Тестовая структура состоит из основания, содержащего приповерхностный слой. Приповерхностный слой имеет рельефную ячеистую структуру с плотной упаковкой. Соседние ячейки имеют общую стенку, а каждая ячейка является как минимум пятистенной. Стенки каждой ячейки расположены вертикально, а верхние кромки стенок ячеек имеют вогнутую форму. Тестовая структура содержит острия, имеющие радиус кривизны вершин нанометрового диапазона. Острия выполнены соединением в узловых местах трех верхних кромок стенок различных ячеек. Острия при вершинах выполнены из оксида титана. Приповерхностный слой основания выполнен из титана. Основание может быть выполнено из титана. Основание также может быть выполнено в виде подложки, на которой расположена пленка титана, содержащая приповерхностный слой основания. Технический результат - повышение воспроизводимости в определении радиуса кривизны острия иглы кантилевера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Система обнаружения зонда (74) для использования со сканирующим зондовым микроскопом содержит систему обнаружения высоты (88) и систему обнаружения отклонения (28). Когда сканируется поверхность образца, свет, отраженный от зонда (16) микроскопа, разделяется на две составляющие. Первая составляющая (84) анализируется системой обнаружения отклонения (28) и используется в системе обратной связи, которая поддерживает среднее отклонение зонда по существу постоянным во время сканирования. Вторая составляющая (86) анализируется системой обнаружения высоты (88), от которой получается указание высоты зонда над фиксированной контрольной точкой и посредством этого изображение поверхности образца. Технический результат - повышение функциональности, улучшение качества изображения. 7 н.з. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения состояния поверхности космического аппарата, а также других поверхностей в нанометровом диапазоне. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с космическим аппаратом, содержит измерительный блок, включающий зондовый модуль с, по меньшей мере, одним зондом, сканирующее устройство и блок сближения зондового модуля с, по меньшей мере, одной зоной измерения, а также блок управления, имеющий возможность взаимодействия с измерительным блоком. Измерительный блок расположен снаружи космического аппарата, включающего герметичный корпус, и сопряжен с ним посредством соединительного элемента. Зона измерения расположена на наружной поверхности герметичного корпуса. Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей. 10 з. п. ф-лы, 10 ил.

Устройство предназначено для проведения зондовых измерений на объектах, имеющих сложную форму, например на трубах в нефтяной и атомной отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что в сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, дополнительно введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом. Измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа - модули крепления к объекту. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 6 з. п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области медицины, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использовано для определения простат-специфического антигена (ПСА) в жидкой среде. Для этого жидкая среда взаимодействует с сенсором, выполненным в виде плоского гибкого кантилевера. При этом, по меньшей мере, одна из плоскостей кантилевера содержит диоксид кремния и способен отражать световое излучение. Одна из плоскостей покрыта бычьим сывороточным альбумином. Другая содержит два слоя, один из которых ковалентно связан с поверхностью кантилевера, а другой содержит химически связанные с предыдущим слоем молекулы антитела, специфически распознающего простат-специфический антиген. Далее определяют изменения изгиба кантилевера путем освещения поверхности кантилевера лучом света и измерения отклонения луча света, отраженного от поверхности кантилевера. При этом в качестве сенсора используют кантилевер, у которого слой, ковалентно связанный с поверхностью кантилевера, выполнен из 3-аминопропилсилатрана. Изобретение обеспечивает проведение качественного и количественного анализа жидких сред на содержание ПСА и повышает чувствительность определения ПСА до 0,1 нанограмм/миллилитр. 5 пр.

Система (29) обнаружения динамического зонда предназначена для использования со сканирующим зондовым микроскопом такого типа, который включает в себя зонд (18), который перемещается периодически к поверхности образца и от поверхности образца. При сканировании поверхности образца интерферометр (88) формирует выходной сигнал высоты, указывающий разность хода между светом, отраженным от зонда (80a, 80b, 80c), и опорным лучом высоты. Устройство обработки сигнала отслеживает сигнал высоты и получает измерение для каждого цикла колебаний, которое указывает на высоту зонда. Система обнаружения может также включать в себя механизм обратной связи, который действует для поддержания среднего значения параметра обратной связи на заданном уровне. Технический результат - увеличение точности и скорости сбора данных изображения. 2 н.з. и 37 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области калибровки оптических цифровых и конфокальных микроскопов, растровых электронных микроскопов и сканирующих зондовых микроскопов при измерении микронных и нанометровых длин отрезков. Тестовый объект для калибровки микроскопов выполнен в виде канавочных структур, стенки которых имеют наклонный профиль, плоское основание и разную ширину на поверхности и на дне. Для всех элементов выдержан постоянный угол между боковой стенкой и плоскостью дна. Линейные размеры по крайней мере части элементов отличаются друг от друга в заданное количество раз, а линейные размеры наибольшего элемента могут быть измерены с высокой точностью на используемом при проведении измерений аттестованном измерительном оборудовании. Техническим результатом является независимость результата измерений от температуры среды и повышение точности измерений длин отрезков, характеризующих профиль элемента рельефа, в большом диапазоне длин. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх