CC BY
17
НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
УДК 621.385.833
СИСТЕМА АКТИВНОЙ ВИБРОЗАЩИТЫ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА
А.М.ЛИПАНОВ, П.В.ГУЛЯЕВ, Е.Ю.ШЕЛКОВНИКОВ, С.Р.КИЗНЕРЦЕВ
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия E-mail: [email protected]
АННОТАЦИЯ. Приведены результаты разработки системы активной виброзащиты сканирующего туннельного микроскопа. Описан алгоритм адаптивного управления процессом измерения параметров ультрадисперсных частиц кластерных материалов, использующий возможности активной виброзащиты и аппарата прогнозирования.
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании ультадисперсных частиц кластерных материалов в нанометровом диапазоне измерений с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) на информационном сигнале часто присутствуют шумы и помехи от внешних вибраций и ударов. Поэтому вопросы разработки и применения эффективной виброзащиты являются актуальными и достаточно сложными, учитывая малую рабочую величину туннельного промежутка и экспоненциальную зависимость от него туннельного тока.
АКТИВНАЯ СИСТЕМА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
В большинстве случаев системы виброзащиты (СВ) СТМ являются пассивными устройствами. Наиболее часто применяются простые СВ (например, несколько металлических пластин, разделенных витоновыми прокладками [1,2]). Такие системы недостаточно эффективно защищают измерительную головку СТМ от колебаний низких (<10Гц) частот. Широко распространен подвес из спиральных пружин [3], обладающих малой жесткостью и позволяющих создавать СВ с резонансной частотой 1 Гц и ниже. Однако для таких подвесов требуются пружины значительной длины, а также дополнительные демпфирующие элементы (как правило, на основе мощных магнитов). Реже применяются более сложные дорогостоящие системы с высокими характеристиками виброподавления, которые достигаются введением в систему массивных конструктив-
ных элементов, применением пневматических или гидравлических устройств [4,5]. В особых случаях проектируют активные СВ с динамическим регулированием, основное достоинство которых - возможность получать низкую резонансную частоту, используя при этом упругий элемент с сравнительно высокой жесткостью [6]. Другим достоинством активных СВ является возможность получения информации об уровне виброакустических помех в процессе проведения измерений.
В ряде случаев (при недостаточной эффективности СВ от воздействия ударных виброакустических помех (ВП), повреждении зондирующего острия СТМ и т.д.) использование подобной информации позволяет определить - вызваны помехи на СТМ-изображениях виброакустическими воздействиями или они имеют другой источник происхождения (рис. 1).
На рис.2 представлена активная СВ мембранного типа. Мощный магнит 1 вмонтирован в основание 2, которое совместно с магнитопроводом 3 и ярмом 4 концентрируют магнитный поток в зазоре 5. Катушка 6, расположенная в зазоре, установлена на датчике ускорения 7 (КВ12, фирма ММР), связанном с жестким центром 8 упругой мембраны 9.
Вследствие невозможности изготовления идеально плоской мембраны из тонкого листового материала, ее некоторое «коробление» вызывает появление «хлопков» в покоробленных местах при динамическом нагружении. Для исключения «хлопков» кольцо 10 и опора 11 обеспечивают натяжение мембраны и закрепление ее краев. Механический блок 12 СТМ крепится к элементам 8.
помехи помеха
Рис.1. СТМ-изображения, искаженные помехами: а - множественными (скан 200х200А); б - одиночной (скан 200x200 мкм)
Рис.2. Активная СВ: а - устройство; б - внешний вид
Устройство работает следующим образом. Сигнал с датчика ускорения поступает в цепь отрицательной обратной связи (ООС) 13, где усиливается, фильтруется и подается в катушку 6, которая при протекании через нее электрического тока осуществляет линейные перемещения, обеспечивая подавление виброакустических помех. Также данный сигнал после преобразования в цифровую форму поступает в ЭВМ 14, где используется для оценки уровня вибраций.
Работу устройства можно описать дифференциальным уравнением второго порядка:
а2х с1х ,
т--г- + с--+ кх = ВЫ, (1)
ёГ сИ;
где т - масса нагрузки; с - механическое сопротивление мембраны; к - ее жесткость; В - магнитная индукция в зазоре; Ь - длина провода катушки, находящегося в зазоре; .1 -ток в катушке. Последний определяется выражением:
1 = и/К = (ис + и1)/К, (2)
где Я - сопротивление обмотки катушки; и! - индуцированное напряжение; ис -управляющее воздействие. Запишем выражения для ис и и^:
(3)
(Й2 ' ' сИ
где К - коэффициент усиления в цепи ООС; 8Д - чувствительность датчика [В/м/с ]. Перепишем (1) с учетом (2) и (3):
/
V
вь
т + — К8 Я
л
д
У
С?X ей2
+
с +
ч
(вь)
Я
2 Л
У
с1х ей"
+ кх = О
(4)
Согласно (4) запишем выражение для резонансной частоты:
т + — КБ
\
ч
Я
д
/
(5)
Из анализа (5) следует, что увеличение коэффициента усиления К позволяет уменьшить резонансную частоту системы. Однако при этом снижается относительный коэффици-
' - \2 \
П
ент затухания =- (где П —
\У
о
с +
(вь): я
(2ш) 1 - коэффициент демпфирова-
V У
ния) [6]. В результате уменьшается устойчивость СВ, для повышения которой можно использовать:
- увеличение сил вязкого трения мембраны (в устройстве применялась трехслойная мембрана, в которой пластины бериллиевой бронзы разделены демпфирующим слоем);
- введение дополнительной обратной связи по скорости;
- демпфирование с подавлением высоких частот (фильтрацию).
Использование активной СВ позволяет расширить возможности средств управления измерениями в микроскопе с целью исключения помех на СТМ-изображениях. Например, молено реализовать адаптивное формирование сигналов развертки в зависимости от уровня вибраций (рис.3). Для этого сигнал с выхода ООС активной СВ преобразуется в цифровую форму и поступает в управляющую ЭВМ, где синхронно с процессом формирования развертки сравнивается с допустимым уровнем. В случае превышения этого уровня формирование сигналов развертки приостанавливается до установления нормального уровня ВП (рис.36). Однако проведение подобных измерений в каждой точке растровой сетки СТМ-изображения приводит к существенному увеличению продолжительности сканирования исследуемого участка поверхности.
С целью снижения непроизводительных затрат времени предложено для выявления измерений (которые могут быть искажены ВП) использовать аппарат прогнозирования.
си ^
X
0) *
ск; о. с 03
X со
0.2 0.15 0.1 0.05 0
400 300 200 100 0
0
1
- -- п редельный ур ^нь 50-
/1 >
7 V/
Время, с
Рис.3. Сигналограммы адаптивного управления разверткой в СТМ: а - сигнал уровня вибраций; б - сигнал строчной развертки
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АППАРАТА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВИБРАЦИОННЫХ ПОМЕХ
Основная цель прогнозирования - получить оценку рельефа поверхности на ее близлежащем участке. При этом расхождение прогноза с измеренным значением будет служить признаком того, что измерительная информация подвержена влиянию виброакустических (или других) помех.
Процесс прогнозирования осуществляется следующим образом. Рельеф поверхности Z(y) на участке между двумя соседними точками [ум,уД столбца растровой сетки СТМ-изображения приближается полиномом 1-й степени При этом данный по-
лином является одновременно моделью поверхности на соответствующем участке и детерминированной основой прогноза (ДОП). Тогда для отыскания прогнозной оценки рельефа Z(y\+\) поверхности в следующей точке столбца растровой сетки осуществляется операция экстраполяции на базе построенного полинома, которая выглядит следующим образом:
2(у1+0= ^а, у\+\). (6)
В работе [7] приведена схема (рис.4) и причины возникновения ошибок прогноза:
- неправильный выбор ДОП;
- изменение вида модели поверхности на прогнозном интервале;
- влияние помех при определении параметров ДОП, а также наличие помехи в точке прогноза.
Рис.4. Схема возникновения ошибок прогноза
Для избежания ошибок первого типа, при определении вида ДОП необходимо проведение комплексных исследований (с привлечением экспертов). Второй тип ошибок прогноза наиболее опасный и связан с изменением параметров ДОП или ее типа в процессе сканирования. Математическим путем исключить данный вид ошибок невозможно. Третий источник ошибок и средства борьбы с ними представляют наибольшую информацию для использования в аппаратной реализации.
С целью снижения ошибок при определении параметров а ДОП используют метод максимума правдоподобия, дающий оценки параметров, эффективность которых стремится к единице при неограниченном росте числа наблюдений. В случае аддитивного нормально распределенного шума он сводится к методу наименьших квадратов:
Х[2(у0-Да,у;)]2=тт, (7)
где а - оценки параметров ДОП.
л
Если при определении а на основе наблюдаемых значений Ъ (для ДОП, представляющей полином 1-й степени) помеха представляет собой аддитивный нормально распределенный шум г|
Ду) = а1 +а2-у+Г|, (8)
то дисперсии оценок параметров ДОП связаны с дисперсией помехи через коэффициенты [7]:
о(^)=кгЭ(г|). (9)
Запишем выражения для к} в случае, когда в двух точках с координатами у 1 и у2 проводится серия из N наблюдений, по N/2 в каждой:
N
/
2 >
1 +
У ср
V
Ч2 Ьу
; к, =
1
N•8
(10)
где уср - центр интервала наблюдений
1 ^ у, + у7
у«р = й?>= 2 ;
5у - величина, характеризующая степень разброса значений ДОП на интервале наблюдений
Дисперсии ошибок определения параметров ДОП уменьшаются при увеличении числа наблюдений и степени их разброса относительно среднего значения. При уменьшении разброса координаты У наблюдений дисперсия коэффициента а1 уменьшается.
Если вид ДОП выбран верно, то ошибка (вносимая неточным определением параметров ДОП) определяется соотношением:
(у + Ау) = Да,у + Ау) - Да,у + Ау). Щ
При правильном выборе ДОП для повышения точности прогнозирования необходимо обеспечить приемлемый уровень шумов в измерительном тракте СТМ. Если помеха влияет не только на определение параметров детерминированной основы прогноза, но и на измерение реального значения (ошибка 62), то результирующая ошибка 5 будет определяться суммой величин 5] и 62, а ее распределение описываться выражением:
со
р(б)= |р(б,,5-6|)161. (14)
—со
Таким образом, если прогнозная оценка оказывается верной, то воздействие ВП в измерительной точке приведет к значительному расхождению прогноза и измеренного значения. В результате использование для прогнозирования простейших вычислительных операций согласно (7), позволяет детектировать точки растровой сетки с наличием повышенного виброакустического фона и проводить измерения сигнала с активной СВ только в этих точках.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследований были применены при разработке управляющего программного обеспечения (ПО) СТМ. Создан алгоритм адаптивного управления процессами измерения в микроскопе, использующий возможности активной СВ и аппарата прогнозирования. Реализованы функции измерения сигнала с СВ в моменты времени, соответствующие измерениям топографии поверхности образца. Измерительная информация может быть представлена в виде осциллограмм либо матрицы данных (с размерностью СТМ-изображения), что позволяет устанавливать взаимосвязь между помехами на изо-
бражении и воздействиями на микроскоп виброакустических помех. На рис.5 представлен внешний вид разработанного модуля активной защиты от ВП ПО СТМ с изображенными осциллограммами туннельного тока (1) и сигнала с активной СВ (2) (полученными при акустическом воздействии на СТМ (при закрытии двери)), а также растровым сигналом с активной СВ (3) (полученным при сканировании участка поверхности) и профилем его последней строки (4).
ш
Рис.5. Внешний вид модуля активной защиты от ВП
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев С.И. и др. Сканирующий туннельный микроскоп для работы в атмосфере газов с возможностью отжига образца.// ПТЭ - 1994-№2 - С. 153-161.
2. Волгунов Д.Г. и др. Сканирующий комбинированный ближнепольный оптический туннельный микроскоп // ПТЭ - 1998- №2 - С.132-137.
3. Парк, Куэйт Теория цепи обратной связи и системы виброизоляции растрового туннельного микроскопа // ПНИ.- 1987.- №11- С.20-26.
4. Oliva A.I., Aguilar М, Sosa V // Meas. Sci. Technol., 9, 383(1998).
5. Kaiser W.J., Jaklevic R.C. // Surface Science 181, 55(1987).
6. Елисеев C.B. Структурная теория виброзащитных систем - Новосибирск: Наука, 1978.- 224с.
7. Чу ев Ю.В. и др. Прогнозирование численных характеристик процессов.- М.: Советское радио, 1975 - 400с.
SUMMARY. The active vibroisolation system of scanning tunneling microscope has been created. The adaptive algorithm, managed the measurement of a ultradisperse particles parameters in a scanning tunneling microscope has been developed. Software and hardware for the vibroacoustic noise level diagnostics on basis STM has been developed.
