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MEMS技术“革新”原子力显微镜,拓展新的应用领域
2017-02-16 13:03:54   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,美国德州大学达拉斯分校的研究人员在芯片上开发出了一款MEMS原子力显微镜(atomic force microscope, AFM),大幅缩小了原子力显微镜的尺寸,并很有希望降低原子力显微镜的价格。原子力显微镜是一种高科技设备,通常用于表征材料表面的性质和形貌。

MEMS原子力显微镜

麦姆斯咨询报道,美国德州大学达拉斯分校的研究人员在芯片上开发出了一款MEMS原子力显微镜(atomic force microscope, AFM),大幅缩小了原子力显微镜的尺寸,并很有希望降低原子力显微镜的价格。原子力显微镜是一种高科技设备,通常用于表征材料表面的性质和形貌。

“一款标准的原子力显微镜通常庞大且笨重,具有许多控制回路、电子元件和放大器等,” 德州大学达拉斯分校机械工程教授Reza Moheimani说,“我们设法将原子力显微镜的所有电子机械组件全部微型化,并安装在一颗小型单芯片上。”

Moheimani及其同事在本月发表的IEEE Journal of Microelectromechanical Systems《微机电系统杂志》上详细介绍他们开发的这款原型设备。

基本的原子力显微镜设计包含一端带有微小针尖的微型悬臂。当设备在样本表面来回扫描或样本在设备下方移动时,样本和针尖之间的相互作用力,使悬臂随着针尖相对样本表面形貌变化而上下运动。检测这些运动变化,便能获得样本表面的成像图。

“原子力显微镜‘看’样本表面,就像视力缺陷患者感受物体一样,是通过‘触摸’的方式,其分辨率远高于光学显微镜,” Moheimani说,他是德州大学达拉斯分校Erik Jonsson计算机科学与工程学院James Von Ehr特聘教授,“原子力显微镜能够捕捉极微小的样本特征。”

德州大学达拉斯分校的这支研究团队利用MEMS技术开发了这款片上原子力显微镜原型。

基于MEMS技术的这款原子力显微镜尺寸约为1平方厘米,略小于一枚十美分硬币。它贴装在一款小型印刷电路板(PCB)上,这块PCB板大约半个信用卡大小,包含电路、传感器、以及其它控制运动和器件其它方面的微型组件。

传统的原子力显微镜具有多种运行模式。在微型针尖扫描样本表面时,有些通过保持恒定的作用力获得样本表面形貌图,其它则通过维持两者之间的距离达到相同的目的。“对于保持恒定距离的方法,其问题是针尖会一直对样本施加不断变化的力,可能会损伤那些柔软的样本,” Moheimani说,“当然,如果扫描的是非常坚硬的样本,那损伤的便有可能是针尖。”

这款MEMS原子力显微镜则采用了一种“轻触模式”,其悬臂和针尖垂直于样品进行上下振荡,针尖会不断接触然后脱离样本表面。当微型探针来回扫描样本材料时,通过一个反馈回路维持振荡高度,最终获得样本表面的形貌图。

“在轻触模式下,当振荡的悬臂通过样本表面不同的形貌,微针与样本之间相互作用力的变化会影响悬臂的振幅,” 该校机械工程助理研究员、论文共同作者Mohammad Maroufi博士说,“这款器件通过保持振幅获得样本的表面形貌图。”

由于传统的原子力显微镜需要激光器和其它大型组件,因此它们的应用很受限,而且价格昂贵。

“一台教学版的原子力显微镜大约需要3万到4万美元,而一台实验室级的原子力显微镜则需要50万美元以上了,” Moheimani说,“我们的MEMS原子力显微镜设计方案有潜力大幅降低仪器的复杂度和成本。”

“MEMS技术的一大优势是大规模批量制造,一次能够制造出数百、数千个器件,因此每颗芯片的价格可能仅需数美元。其结果便是,或能仅花费数千美元便能买到整套微型原子力显微镜系统。”

降低的尺寸和价格还能进一步扩展原子力显微镜的应用领域,跨出目前的科学研究应用。

“例如,半导体产业或能因此受益,特别对于那些制造计算机芯片的硅晶圆制造企业,” Moheimani说,“利用我们的技术,使用原子力显微镜阵列来表征晶圆的表面,能够在产品出货前找到微小的缺陷。实验室原型是第一代器件,团队正在进行改进研究,并使其实现流水线制造。”

“这就是人们常说的那类技术之一,‘你若盛开,蝴蝶自来’,当技术成熟时,我们会找到很多有前景的应用领域,”Moheimani说。

延伸阅读:

《MEMS技术打造全球首台单芯片原子力显微镜》

《MEMS产业现状-2016版》

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