Ingeniører krymper mikroskop til en enhed på størrelse med en krone

Forskere ved University of Texas i Dallas har skabt et atomkraftmikroskop på en chip, dramatisk formindskelse af størrelsen - og, forhåbentlig, prisskiltet - for en højteknologisk enhed, der almindeligvis bruges til at karakterisere materialeegenskaber.

"Et standard atomkraftmikroskop er et stort, omfangsrigt instrument, med flere kontrolsløjfer, elektronik og forstærkere, " sagde Dr. Reza Moheimani, professor i maskinteknik ved UT Dallas. "Vi har formået at miniaturisere alle de elektromekaniske komponenter ned på en enkelt lille chip."

Moheimani og hans kolleger beskriver deres prototypeenhed i denne måneds udgave af IEEE Journal of Microelectromechanical Systems .

Et atomkraftmikroskop (AFM) er et videnskabeligt værktøj, der bruges til at skabe detaljerede tredimensionelle billeder af materialers overflader, ned til nanometerskalaen - det er nogenlunde på skalaen for individuelle molekyler.

Det grundlæggende AFM-design består af en lille cantilever, eller arm, der har en skarp spids fastgjort til den ene ende. Når apparatet scanner frem og tilbage over overfladen af ​​en prøve, eller prøven bevæger sig under den, de interaktive kræfter mellem prøven og spidsen får cantileveren til at bevæge sig op og ned, når spidsen følger overfladens konturer. Disse bevægelser bliver derefter oversat til et billede.

"En AFM er et mikroskop, der 'ser' en overflade på samme måde som en synshandicappet person kan, ved berøring. Du kan få en opløsning, der er langt ud over, hvad et optisk mikroskop kan opnå, " sagde Moheimani, som har James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology på Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Den kan fange funktioner, der er meget, meget lille."

UT Dallas-teamet skabte sin prototype on-chip AFM ved hjælp af en tilgang til mikroelektromekaniske systemer (MEMS).

"Et klassisk eksempel på MEMS-teknologi er accelerometre og gyroskoper, der findes i smartphones, " sagde Dr. Anthony Fowler, en forsker i Moheimani's Laboratory for Dynamics and Control of Nanosystems og en af ​​artiklens medforfattere. "De plejede at være store, dyrt, mekaniske anordninger, men ved hjælp af MEMS-teknologi, accelerometre er skrumpet ned på en enkelt chip, som kan fremstilles for blot et par dollars stykket."

Den MEMS-baserede AFM er omkring 1 kvadratcentimeter i størrelse, eller lidt mindre end en skilling. Det er fastgjort til et lille printkort, omkring halvdelen af ​​et kreditkorts størrelse, som indeholder kredsløb, sensorer og andre miniaturiserede komponenter, der styrer bevægelsen og andre aspekter af enheden.

Konventionelle AFM'er fungerer på forskellige måder. Nogle kortlægger en prøves træk ved at opretholde en konstant kraft, når sondespidsen trækker hen over overfladen, mens andre gør det ved at holde en konstant afstand mellem de to. "Problemet med at bruge en konstant højde tilgang er, at spidsen påfører forskellige kræfter på en prøve hele tiden, som kan beskadige en prøve, der er meget blød, " sagde Fowler. "Eller, hvis du scanner en meget hård overflade, du kunne slide spidsen ned, "

Den MEMS-baserede AFM fungerer i "tappetilstand, " hvilket betyder, at udkragningen og spidsen svinger op og ned vinkelret på prøven, og spidsen skiftevis kommer i kontakt og løftes derefter fra overfladen. Når sonden bevæger sig frem og tilbage hen over et prøvemateriale, en feedbacksløjfe opretholder højden af ​​den svingning, i sidste ende skabe et billede.

"I tryktilstand, når den oscillerende udkragning bevæger sig hen over overfladetopografien, amplituden af ​​oscillationen ønsker at ændre sig, når den interagerer med prøven, " sagde Dr. Mohammad Maroufi, en forskningsmedarbejder i maskinteknik og medforfatter til papiret. "Denne enhed skaber et billede ved at opretholde oscillationens amplitude."

Fordi konventionelle AFM'er kræver lasere og andre store komponenter for at fungere, deres anvendelse kan begrænses. De er også dyre.

"En uddannelsesversion kan koste omkring $30, 000 eller $40, 000, og en AFM på laboratorieniveau kan køre $500, 000 eller mere, " sagde Moheimani. "Vores MEMS-tilgang til AFM-design har potentialet til at reducere kompleksiteten og omkostningerne ved instrumentet betydeligt.

"Et af de attraktive aspekter ved MEMS er, at du kan masseproducere dem, bygge hundreder eller tusinder af dem i ét skud, så prisen på hver chip ville kun være et par dollars. Som resultat, du kan muligvis tilbyde hele miniature-AFM-systemet for et par tusinde dollars."

En reduceret størrelse og prisseddel kunne også udvide AFM'ernes anvendelighed ud over nuværende videnskabelige applikationer.

"For eksempel, halvlederindustrien kan drage fordel af disse små enheder, især virksomheder, der fremstiller de siliciumskiver, som computerchips fremstilles af, " sagde Moheimani. "Med vores teknologi, du har måske en række AFM'er til at karakterisere waferens overflade for at finde mikrofejl, før produktet sendes ud." Laboratorieprototypen er en førstegenerationsenhed, Moheimani sagde, og gruppen arbejder allerede på måder at forbedre og strømline fremstillingen af ​​enheden på.

"Dette er en af ​​de teknologier, hvor som de siger, 'Hvis du bygger det, de vil komme.' Vi forventer at finde mange applikationer, efterhånden som teknologien modnes, " sagde Moheimani.