ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 120-128
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 539.25.085.332 + 681.2:531.7 + 681.2-5
ЧЕТЫРЕХСЕГМЕНТНЫЙ ФОТОДИОДНЫЙ ДАТЧИК ИЗГИБА КАНТИЛЕВЕРА АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА
© 2014 г. Д. В. Казанцев*, **, Е. А. Казанцева***
*Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ "Курчатовский институт'
Россия, 117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 **Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nuremberg E-mail: kaza@itep.ru
***Московский государственный университет приборостроения и информатики Поступила в редакцию 18.07.2013 г. После доработки 9.12.2013 г.
Описана электронная схема обработки сигнала с многосегментного фотодиодного датчика изгиба кантилевера атомно-силового микроскопа "классической" конструкции, включающая в себя два аналоговых канала выделения разности между фототоками половин приемной площадки, каждый из которых нормируется на сигнал суммарной освещенности фотодиода. Применение современных электронных компонентов позволило расширить рабочую полосу частот отклика традиционной схемы с обычных 200—300 кГц до 2—3 МГц и таким образом подавить фазовые искажения в полосе от нуля до 1 МГц. Благодаря этому при частоте колебания кантилевера до 200 кГц напряжение на выходе схемы может быть с высокой точностью принято в качестве сигнала мгновенного положения острия иглы по отношению к поверхности. Показано, что уровень входных шумов предлагаемой электроники достаточно низок для того, чтобы уверенно наблюдать броуновское движение канти-левера.
DOI: 10.7868/S0032816214040041
ВВЕДЕНИЕ
Оптический метод измерения отклонения кантилевера атомно-силового микроскопа (а.с.м.) [1], основанный на отражении лазерного луча от плоской обратной поверхности кантилевера, широко используется со времени появления атомно-силовой микроскопии [2, 3].
Уровень шумов такого оптического датчика изгиба (отклонения) кантилевера определяется нестабильностями мощности и модовой структуры лазерного луча, а также дробовым характером шума фототока [2, 4].
Для исключения зависимости выходного сигнала от яркости попадающего на фотодиод луча (вариации яркости могут быть обусловлены количеством фактически отражаемого кантилевером света после юстировки или вариациями мощности облучающего лазера) сигнал разности фототоков соответствующих пар сегментов нормируют на суммарный фототок, собираемый всеми четырьмя сегментами фотодиода [5].
Промышленность производит десятки образцов электронных датчиков смещения лазерного пятна на фоточувствительной площадке четырех-сегментного фотодиода (например, http://www.pa-ciflc-sensor.com/pdf_quadrant/QP50-6SD2.pdf или http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm7partNum-ber=PDQ80A). Однако известные авторам ком-
мерческие конструкции работают на частотах не выше 200—300 кГц. В них не всегда нормируется разностный сигнал на суммарный (что затрудняет интерпретацию выходного сигнала в абсолютных величинах отклонения кантилевера), они имеют значительные размер и массу, что затрудняет их размещение на головке а.с.м., и рассеивают довольно много тепла, что может вызвать заметные тепловые дрейфы в головке а.с.м.
Следует отметить, что даже в а.с.м.-системах, работающих в динамическом режиме [6], когда с помощью пьезоэлемента задаются колебания кантилевера на его собственной частоте или на частоте механико-электронной системы, в которую входят кантилевер и задатчик положительной обратной связи, знание только амплитуды вынужденных механических колебаний кантиле-вера может оказаться недостаточным. В системах безапертурной микроскопии ближнего оптического поля (как на длине волны облучающего света, так и в моделях, собирающих отклик на рама-новской частоте) при обработке данных требуется знание точного мгновенного положения иглы над исследуемой поверхностью, что позволяет выделить оптический сигнал, опираясь на нелинейную зависимость ближнепольного отклика от расстояния игла—объект. В этом случае фазовые искажения в соответствии с соотношениями Кра-
Рис. 1. Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) платы трансимпедансного каскада преобразования фототока в напряжение. Операционные усилители — А08034.
мерса—Кронига начнут играть значительную роль на частотах, значительно меньших частоты среза амплитудно-частотной характеристики оптического датчика отклонения. С учетом того, что собственная частота кантилевера обычно лежит в пределах 30—300 кГц, ширина полосы частот электронной аппаратуры 200 кГц оказывается уже неприемлемой.
Применение современных электронных компонентов позволяет расширить рабочую полосу частот отклика традиционной схемы до 2—3 МГц и таким образом подавить фазовые искажения в полосе от нуля до 1 МГц.
ЧЕТЫРЕХСЕГМЕНТНЫЙ ФОТОДИОД С ПРЕДУСИЛИТЕЛЕМ
Электроника описываемого датчика размещена на двух печатных платах. Четырехсегментный фотодиод Нашаша18и 85980 смонтирован с трансим-педансными каскадами на плате 015 мм (рис. 1), а вся остальная электроника располагается в 15—20 см от узла а.с.м. Длина проводников от сегментов фотодиода (представляющих собой сравнительно высокоомный источник тока) до входов трансим-педансного каскада составляет всего несколько миллиметров, и влияние емкости кабеля, передающего фототок, сведено к минимуму. Минимизация паразитной емкости, заземляющей цепь сигнала от фотодиода до входа операционного усилителя, позволила исключить конденсаторы, подключаемые в трансимпеданнском каскаде с выхода на вход операционного усилителя с целью восстановления устойчивости, и добиться таким образом максимально достижимой полосы частот каскада. Небольшие размеры корпусов фотодиода и операционных усилителей (80Т-23) позво-
лили сделать плату, размещаемую непосредственно на головке а.с.м., маленькой и легкой. С целью уменьшения тепловыделения операционные усилители питаются от пониженного напряжения ±5 В, при этом стабилизаторы напряжения вынесены на другую плату. Источник регулируемого напряжения смещения фотодиода (подача смещения позволяет уменьшить в 5—10 раз собственную емкость фотодиода и тем повысить быстродействие, а также улучшить линейность отклика) тоже расположен на удалении от него. В результате масса и размеры платы, располагаемой непосредственно на головке а.с.м., оказываются достаточно малыми, как и ее тепловыделение. Операционные усилители AD8034 рассеивают сравнительно малую мощность (3.5 мА на канал) при разумной полосе частот (полоса единичного усиления 80 МГц). С учетом относительно большого выходного сопротивления фотодиода малый уровень токового шума входов (1 пА/Гц1/2) является несомненным достоинством AD8034, перевешивая относительно высокий уровень шума входного напряжения (11 нВ/Гц1/2). Выходной ток использованных операционных усилителей оказывается достаточен для передачи сигнала по экранированным проводам длиной около 20 см от головки а.с.м. к плате дальнейшей обработки сигнала.
Плата фотодиода механически крепится на цилиндрической втулке, позволяющей поворачивать ее вокруг своей оси для подстройки ориентации сегментов фотодиода так, чтобы полностью разделить оптические сигналы, вызванные изгибом кантилевера (обычно этот сигнал называется normal force) и его скручиванием (такой сигнал часто называют lateral force).
МАТРИЦИРОВАНИЕ ВХОДНОГО СИГНАЛА И НОРМИРОВАНИЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА
Электроника последующей обработки сигнала смонтирована на двухслойной печатной плате размером 50 х 65 мм. На плате расположены обычные для а.с.м. узлы: каскады матрицирования (сложения-вычитания входных напряжений с точно задаваемым коэффициентом) разностных сигналов для пар сегментов фотодиода "верх/низ" и "лево/право", суммирования сигналов фототока всех четырех сегментов и последующего деления разностных сигналов на суммарный. Кроме этого, на плате располагаются вспомогательные схемы, обычно требующиеся в системах а.с.м.: регулируемый источник напряжения смещения для фотодиода (позволяющий добиться линейности отклика сегментов и уменьшить паразитную емкость р—«-перехода в фотодиоде), буферный каскад возбуждения пьезоэлемента, который обеспечивает вибрацию кантилевера а.с.м., стабилизаторы питания для всех операционных усилителей (включая предусилители трансимпедансного каскада), стабилизатор питания полупроводникового лазера — источника отклоняемого луча в системе, а также элементы индикатора равномерности засветки сегментов фотодиода — четырех расположенных в вершинах квадрата светодиодов, яркость которых пропорциональна фототоку соответствующего канала.
Каскады матрицирования (точного вычитания) сигналов фототока с каждого сегмента фотодиода собраны по классической схеме [7]. Разностный сигнал, соответствующий "вертикальному" или "горизонтальному" отклонению луча от центра площадки светодиода, вырабатывается в каскадах на основе ^3А и ^3В (см. рис. 2). Следует отметить, что сигналы, соответствующие фототоку разных сегментов, приходят по идентичным проводам, расположенным в общем жгуте, и строго попарное вычитание этих напряжений (коэффициенты задаются парами точных резисторов ^13-^14, ^15-^16 в одном каскаде и ^19-^20, Я21-Я22 — в другом) практически гарантирует компенсацию в выходном сигнале наводок, электрических и магнитных, собираемых относительно длинным (20 см) кабелем от платы с фотодиодом. Выработка в каскаде на основе ^4А суммарного сигнала, соответствующего общей освещенности всех четырех сегментов фотодиода, требует особого внимания. Чтобы наводки на каждый из сигнальных проводов и паразитные смещения не складывались в сумматоре и не усиливались, вход сумматора подключен через дополнительный провод к цепи земли платы с фотодиодом и трансимпе-дансными каскадами. Этот провод проходит в жгуте рядом с проводами сигналов фототока, и по нему не текут токи питания. Поэтому вычитание
его потенциала, усиленного вчетверо, из суммы четырех сигналов фототока должно компенсировать собираемые кабелем помехи.
Выделенные сигналы попарных разностей фототоков нормируются затем на сигнал их суммы с выхода A4A. Включенные по рекомендуемой производителем схеме микросхемы AD734 (A5, A6) обеспечивают полноценное деление при обеих п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.