ENTWICKLUNG EINES MOBILEN
AFM-MESSAUFBAUS FüR PARALLELES SCANNEN
Diplomarbeit in Physik an der ETH Zürich
Betreuer: Dirk Lange und Dr. Oliver Brand
3.1 Raster-Kraft-Mikroskopie 6
IV Zielsetzung des Gesamtsystems 13
4.1 Spezifische Anforderungen 13
4.2 Aufbau des Demonstrators 15
V Entwicklung der Komponenten 16
5.1 Anforderungsprofil der Scanning-Stage 16
5.1.1 Instruktive existierende Raster-Mikroskope 16
5.2 Konzeptioneller Aufbau der Scanning-Stage 17
5.2.1 Wahl der zu Grunde liegenden Anordnung 18
5.3 Konstruktion der Scanning-Stage 19
5.3.3 PCB-Halter und Sensor-PCB 22
5.4.1 Wahl der Schnittstellenkarte 26
5.4.2 Analyse des Mess-Timings 28
5.4.3 Aufbau der externen Elektronik I 31
5.5 Dynamisches Verhalten des
Nanosurf Scanners 33
5.5.1 Verhalten eines harmonischen Oszillators mit Dämpfung 33
5.5.2 Gemessene Sprungantworten 34
5.5.3 Schlussfolgerung für den Demonstrator 36
5.5.4 Analyse der Scan-Rampe 37
5.5.5 Simulation der Scan-Rampe 39
5.6.2 Interface des Mikrokontrollers 42
5.7 Ansteuerungs-Software FAMOSoft 1.0" 45
5.7.6 Labview für komplexe Programme 50
10.1 Programmierung des C161 60
10.2 Schnittstellendefinitionen Elektronik I 62
10.2.1 DAQ 6533/externe Elektronik I 62
10.2.2 Register/DA-Wandler-Adressierung 63
10.2.3 Externe Elektronik analog/Board-Scanning-Stage 64
10.3 Schnittstellendefinition Elektronik II 66
10.3.1 DAQ 6533/externe Elektronik 66
10.3.2 Externe Elektronik Digital-Board/Scanner-Elektronik II 68
10.3.3 Adressierung C161 - Elektronik II 68
10.3.4 Schnittstellendefinition Mikrokontroller 69
10.4 Siemens C161-Programme 71
10.4.1 Eigentliches Mess-Programm 71
10.7 Verzeichnisserläuterungen CD 78
10.8.1Schaltpläne Test-Schaltung 79
10.8.2 Schaltpläne externe Elektronik I 80
Die vorliegende Diplomarbeit dokumentiert den viermonatigen Abschluss meines Studiums, den ich am Labor für Physikalische Elektronik verbringen durfte. Während dieser interessanten Zeit konnte ich viel profitieren, was zu einem grossen Teil auf die angenehme und produktive Atmosphäre in diesem Labor zurückzuführen ist.
Bedanken möchte ich mich bei Dirk Lange für die professionelle Betreuung, sowie Martin Zimmermann und Donat Scheinwiller, die auch keine Überstunden gescheut haben, um dieses Projekt termingerecht abschliessen zu können.
Weiter möchte ich den Mechanikern der Werkstatt des HPT für ihre verständnisvolle Art danken, die sie mir als Physiker entgegenbrachten.
Danken möchte ich auch meinen Eltern, die mich in meinem Studium tatkräftig finanziell und mental unterstützt haben.
Das Atomic-Force-Microscope (AFM) ist ein Analyse-Verfahren, mit dem die Oberfläche der meisten leitenden und nicht leitenden Proben hochauflösend untersucht werden kann. Aus vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie wie zum Beispiel Biologie und Materialwissenschaft ist das AFM nicht mehr wegzudenken. Dennoch hat dieses Analyse-Verfahren ein Hauptproblem: Durch seinen sequentiellen Charakter ist seine Geschwindigkeit beschränkt. Im Famos-Projekt wird versucht, dieses Problem durch die Implementierung von mehreren Cantilevern auf einem CMOS-Chip zu lösen. Am Institut für Physikalische Elektronik der ETH Zürich wurde ein AFM-Sensor entwickelt, der zwei Cantilever enthält, die als Tastköpfe arbeiten. Diese wurden charakterisiert und erfüllen die an sie gestellten Anforderungen. Bis Ende 1999 wird die Entwicklung eines neuen Sensors erfolgreich beendet sein, der zehn Cantilever enthält.
Ziel dieser Diplomarbeit war es, einen mobilen Demonstrator der oben beschriebenen Sensoren zu entwickeln, um Interessenten die Funktionstüchtigkeit der FAMOS-Sensoren präsentieren zu können.
Die Entwicklung erstreckte sich über drei Bereiche: Mechanik (Scanning-Stage), externe Elektronik und Software (Labview auf Macintosh PowerBook G3).
Zuerst wurde die Scanning-Stage (der Mechanische Aufbau) konstruiert. Es wurde ein Scanner gewählt, der ein mobiles Design der Scanning-Stage erlaubt. Zu diesem Scanner passend evaluierte man einen Linear-Positionierer und Mikrometer-Schrauben, die Position der Cantilever gegenüber der Probe bestimmen. Ausgehend von diesen Randbedingungen wurde die restliche Scanning-Stage mittels CAD konstruiert und in der Physik-Werkstatt gefertigt. Für die Scanning-Stage wurde speziell Wert auf seine Stabilität und ein gutes Handling gelegt. Zudem soll die Scanning-Stage optisch ansprechend sein, da diese bei einer Demonstration im Mittelpunkt steht.
Parallel zur Konstruktion der Scanning-Stage wurde die Ansteuerungs-Elektronik entworfen. Wiederum war der einfache Aufbau ein wichtiges Ziel. Aus diesem Grund wollte man die externe Elektronik diskret aufbauen. Ein die Scan-Geschwindigkeit bestimmender Faktor ist der Datentransfer von der Scanning-Stage in das PowerBook. Deshalb entschied man sich für die schnellste digitale Schnittstellenkarte, die durch Labview ansprechbar ist. Diese externe Elektronik hätte drei DA-Wandler zur Ansteuerung der Scanning-Stage, einen AD-Wandler zur Erfassung der Messwerte und ein FIFO zur Zwischenspeicherung der Daten enthalten.
In Messungen des Scanner-Verhaltens wurde festgestellt, dass dieses für das Scannen mit grossen Schrittweiten ungeeignet ist. Der Scanner benötigt für das Ausschwingen nach jedem Sprung zu lange und beginnt sich aufzuschwingen. Es wurden alternative Scan-Rampen simuliert, jedoch können diese nicht durch die geplante Elektronik generiert werden. In diesen Simulationen und ersten Messungen konnte festgestellt werden, dass diese Scan-Rampen für den Einsatz im Demonstrator geeignet sind.
Die Generierung der neuen Scan-Rampe übernimmt in der zweiten externen Elektronik der C161 Mikrokontroller von Siemens. Durch den Einsatz dieses Bausteines gewann die externe Elektronik an Flexibilität und könnte neuen Anforderungen angepasst werden. Die Datenübertragung in das PowerBook übernimmt wiederum die National Instruments Schnittstellenkarte DAQ 6533, da die serielle Schnittstelle dem Datenaufkommen nicht gewachsen ist.
Die Ansteuerungs-Software wurde mit Labview 5.0 programmiert. Diese umfasst zwei Hauptkomponenten: Das Approach-Window unterstützt den Benutzer beim Aufsetzen der Cantilever auf die Probe, das Scan-Window ist für die eigentlichen Messungen zuständig.
Da diese neue externe Elektronik zum Abgabetermin dieser Arbeit noch kurz vor der Testphase stand, wurde für die Beurteilung der Scanning-Stage und der Ansteuerungs-Software eine einfachere Test-Elektronik verwendet. Mit dieser konnte man sich von der Funktionstüchtigkeit dieser beiden Komponenten überzeugen.
E. Ruska, G. Binnig und H. Rohrer erhielten 1986 den Nobelpreis für die Entwicklung des Raster-Tunnel-Mikroskops. Dies war der Grundstein der Scanning Probe Microscopy (SPM), zu der man unter anderen das Raster-Tunnel-Mikroskop (STM Scanning Tunneling Microscope), das AFM Atomic Force Microscope (Raster-Kraft-Mikroskop/SFM Scanning Force Microscope) und das Lateral Force Microscope zählt.
Bei all diesen Methoden wird mit einer scharfen Spitze (siehe See Allgemeine Anordnung eines AFM (Quelle: IBM Forschungslabor Rüeschtlikon, Zürich) ) eine Oberfläche gerastert. Eine einfache Rampe als eine Trajektorie ist in See Rastervorgang über eine Probe im SPM (Punkte: Messungen, Linie: Trajektorie der Spitze auf der Proben-Oberfläche) dargestellt. Man erreicht durch einige dieser Methoden - z.B. Raster-Tunnel- und Raster-Kraft-Mikroskopie - atomare Auflösung (je nach Material ca. 0.1 nm).
Bei der Raster-Kraft-Mikroskopie werden die Kräfte zwischen Probe und Spitze benützt, um die Oberfläche abzutasten. In erster Näherung kann diese Wechselwirkung mit dem Van der Waals-Modell See M. Kittel, Festkörperphysik, Teubner Studienbücher beschrieben werden. Das entsprechende Potential ist das Lennard-Jones-Potential (siehe See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung und See )
Es ist klar ersichtlich, dass das Potential zwei charakteristische Bereiche besitzt: Starke Abstossung der beiden Atome bei sehr kleiner Distanz (Bereich 1) und schwache Anziehung im Bereich 2.
In See Allgemeine Anordnung eines AFM (Quelle: IBM Forschungslabor Rüeschtlikon, Zürich) ist der schematische Aufbau eines Raster-Kraft-Mikroskops aufgezeigt. Die Probe wird durch Aktoren bewegt (im Schema Piezo-Kristalle in x-, y- und z-Richtung). Durch die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Spitze wird der Cantilever ausgelenkt. Diese Deformation wird mittels eines Detektors gemessen (in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung optisch mittels Reflexion eines Laserstrahles am Cantilever in Vierquadrantendiode).
Die Ebene, die durch die Oberfläche der Probe gegeben ist, wird meist als x-y-Ebene identifiziert. Die z-Achse steht senkrecht zur Probe. Auf diese Notation beziehen sich daher auch alle Achsenbezeichnungen in der vorliegenden Arbeit. Die folgende Tabelle zeigt typische Daten für die drei Analyse-Verfahren SEM (Scanning Electron Microscope), STM und AFM.
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4 nm 1 |
0.015 nm 2 |
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Leiter und metallisch beschichtete Isolatoren |
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Das AFM überzeugt im Vergleich zu STM und SEM durch mehrere Vorteile. Die Biologie und Biochemie beschäftigt sich hauptsächlich mit Isolatoren als Proben. Da mit dem STM nur leitende Proben untersucht werden können, scheidet diese Methode aus. Das SEM erlaubt die Untersuchung von biologischen - nicht leitenden - Proben. Diese müssen jedoch vor der Messung dehydriert und mit einem Metall bedampft werden. Diese Einschränkungen fallen für das AFM weg. Es können sogar lebende Proben oder Objekte in Flüssigkeiten beobachtet werden. Interessante Perspektiven eröffnet auch die Verwendung von biochemisch aktiven Spitzen. Diese würden ein Abtasten der Oberfläche nach charakteristischen Molekülen ermöglichen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet des Raster-Kraft-Mikroskops ist die Datenspeicherung. Eine Gruppe des Forschungszentrums der IBM in Almaden 3 erreichte mittels eines Raster-Kraft-Mikroskops eine Speicherdichte von 45 GBit pro Quadratzoll. Als Vergleich: eine CD besitzt eine Datendichte von 300 MBit pro Quadratzoll. Daten können mit einem AFM entweder thermomechanisch 4 auf ein Plastik-Substrat oder mittels lokaler Oxidation 5 von GaSb geschrieben werden. Beide Methoden sind als zukünftige Speichertechnologien sehr vielversprechend. Gegenüber dem STM zeichnet sich das AFM in diesem Anwendungsbereich dadurch aus, dass kein Vakuum vorhanden sein muss, denn die STM-Spitzen oxydieren an der Luft sehr schnell und leiten dann den Tunnel-Strom schlecht. Da die AFM-Technologie nicht auf Stromleitung beruht, wird ihre Leistung durch die Oxidation nicht stark beeinträchtigt.
Je nach Anforderung kann zwischen verschiedenen AFM-Mess-Methoden gewählt werden.
Im Contact-Mode See Rebecca Howland & Lisa Benatar, A Practical Guide to Scanning Probe Microscopy", Park Scientific Instruments wird die Spitze über die Probe gefahren (siehe See Rastervorgang über eine Probe im SPM (Punkte: Messungen, Linie: Trajektorie der Spitze auf der Proben-Oberfläche) ) und die Auslenkung des Cantilevers wird gemessen. Das System Probe - Spitze" befindet sich für diesen Modus im abstossenden Bereich des Van der Waals-Potentials (Bereich 1 in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung ). Die Distanz zwischen Probe und Cantilever-Chip wird nun durch die Steuerungselektronik so geregelt, dass die Auslenkung des Cantilevers stets konstant ist.
Bei konstanter Cantilever-Auslenkung ist auch die Kraft zwischen Probe und Spitze konstant und gegeben durch:
Wobei F die an der Spitze wirkende Kraft, k die Federkonstante und x die Cantilever-Auslenkung ist.
Durch ihre beinahe statische Art eignet sich diese Methode auch in flüssiger Proben-Umgebung.
Für den Demonstrator steht die Funktionalität des Sensors, nicht die des AFM-Demonstrators im Vordergrund. Aus diesem Grund wird im Demonstrator auf eine Regelung verzichtet. Diese Einschränkung verkleinert die Komplexität erheblich. Als Messresultat erhält man direkt die Auslenkung der Cantilever. Diese ist innerhalb des linearen Bereiches des Sensors (durch See beschrieben) proportional zur Höhe am aktuellen Ort.
Tapping-Mode - auch Intermittent-Contact AFM (IC-AFM) genannt - wurde von Digital Instruments entwickelt. Bei dieser Messmethode wird der Cantilever durch eine periodisch wirkende Kraft in Schwingung versetzt. Die Frequenz der Anregung wird in der Nähe seiner Resonanzfrequenz gewählt. In jeder Periode berührt die Spitze die Probe für eine kurze Zeit. Folglich ist die Amplitude der Cantilever-Schwingung abhängig von der Distanz des Cantilever-Chip zur Probe. Diese Distanz wird nun so geregelt, dass die Amplitude der Cantilever-Schwingung konstant ist. Dadurch misst man die Höhe der Probe am aktuellen Ort.
Der Tapping-Mode beschädigt die Probe weniger als der Contact-Mode, da laterale Kräfte wie z.B. Reibung verhindert werden. Aus diesem Grund sollte für weiche Proben der Tapping-Modus bevorzugt werden.
In diesem Modus oszilliert der Cantilever mit einer Frequenz, die leicht über seiner Resonanzfrequenz liegt. Die Amplitude dieser Schwingung beträgt etwa 10 nm. Die Spitze berührt die Probe nicht (Bereich 1 in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung ), jedoch tritt eine Wechselwirkung der Spitze mit der Probe im anziehenden Segment (Bereich 2 in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung ) des Van der Waals-Potentials auf. Diese Wechselwirkung führt zu einer Veränderung der Oszillations-Amplitude und der Resonanzfrequenz. Die Regelungselektronik ist analog zu derjenigen des Tapping-Mode AFM aufgebaut und regelt auf konstante Amplitude oder misst die Frequenzverschiebung.
Der Non-Contact Mode ist weniger genau, als der Contact- und Tapping-Mode. Jedoch wird die Oberfläche weniger beschädigt.
Das AFM war ein grosser Fortschritt für viele Bereiche der Wissenschaft wie Biologie, Materialwissenschaft usw. Jedoch hat die heutige AFM - Technologie zwei grosse Nachteile. Zum einen ist der Scan-Bereich auf ca. 200 m beschränkt - zum anderen ist durch das sequentielle Abtasten der Oberfläche die Messgeschwindigkeit klein. Eine Optimierung in diesen beiden Punkten würde der AFM-Technologie ein noch breiteres Anwendungsgebiet eröffnen.
Im Projekt FAMOS, welches im Schweizer Prioritätsprogramm MINAST enthalten ist, versucht man durch Implementierung von mehreren Cantilevern die Scan-Geschwindigkeit zu erhöhen (siehe See Ziel des FAMOS-Projektes ). Zudem wird der Scan-Bereich durch den Abstand zwischen den Cantilevern erhöht.
Die aktuellen Sensoren (in See FAMOS-2 Cantilever ) verfügen über zwei Cantilever im Abstand von 200 m. Bereits auf dem Chip sind zwei erste Verstärkerstufen für die beiden Cantilever mit einem Verstärkungsfaktor von 25 vorhanden. Dies führt zu einem weniger kritischen Rauschverhalten, da die Signale bereits einen Pegel pro Auslenkung von 62.5 V/nm 6 haben.
Die FAMOS-2-Sensoren werden mit einem industriellen Hochvolt CMOS-Prozess von AMS Austria Mikro Systeme International gefertigt. Für die Herstellung des AFM-Sensors wird eine Nachbearbeitung (Post-Processing) der CMOS-Wafer durchgeführt. Dadurch werden die als Tastköpfe arbeitenden Cantilever freigeätzt.
Dieses Post-Processing beinhaltet:
Das nächste Ziel des FAMOS-Projektes ist die Herstellung der FAMOS-10-Sensoren, die ein Array von 10 Cantilevern im Abstand von 110m enthalten. Dieser Chip muss die Schaltkreise zum Auslesen der 10 Cantilever-Auslenkungen, sowie die Ansteuerung der thermischen Aktoren beinhalten. Diese Aktoren benützen den Bimorph-Effekt und sollen eine Auslenkung bis zu 5 m ermöglichen. Zudem soll bei einer Version eine Regelung der Cantilever im Contact-Mode bereits auf dem Chip vorhanden sein. Diese Hauptmerkmale werden dem FAMOS-10 Chip ein breites Anwendungsfeld eröffnen.
Auch Wissenschaftler und Manager sind Augenmenschen. So lassen sich durch die Präsentation eines funktionierenden Demonstrators zusätzliche Interessenten gewinnen, oder mögliche Kunden können endgültig überzeugt werden. Aus diesem Grund sind Demonstratoren ein wichtiges Mittel, um Leistungen - zum Beispiel auf dem Gebiet der Mikrosensoren - zu präsentieren.
Für Demonstratoren des Labors für Physikalische Elektronik der ETH sind folgende Punkte wichtig:
Die meisten Veranstaltungen, an denen Demonstratoren präsentiert werden sollen, sind per Flugzeug zu erreichen. Eine möglichst kompakte Form der Demonstratoren - idealerweise kleiner als ein Aktenkoffer - ist folglich unabdingbar. Auch die Stabilität und unkritische Handhabung sind von Vorteil, um die Nerven der präsentierenden Person nicht unnötig zu strapazieren.
In der Entwicklung des Demonstrators standen technische Daten wie Auflösung und Zeilenfrequenz nicht im Vordergrund. Trotzdem setzte man sich folgende konkrete Eckdaten als Ziel:
Die Auflösung in x-, y- und z-Richtung ist bestimmt durch den minimalen Abstand zweier Objekte, die noch getrennt wahrgenommen werden können. Ein maximaler Scanbereich von 130 m*130 m ermöglicht für den neuesten AFM-Chip (FAMOS-10) überlappendes Scannen (Abstand der Cantilever in FAMOS-10: 110 m).
In See Visualisierung Messbereich ist der Zusammenhang zwischen maximalem Scanbereich und Messauflösung für einen Cantilever visualisiert. Der helle Bereich entspricht dem durch den Scanner erreichbaren Bereich.
Das dunkle Rechteck ist die tatsächlich gemessene Oberfläche. Es werden maximal 512*512 Messpunkte in dieser Fläche gemessen.
Grundsätzlich besteht ein Raster-Mikroskop aus fünf Grundelementen:
Als Anzeige und Bedienungselement drängt sich im Falle eines mobilen Demonstrators ein Notebook auf. Moderne Notebooks bieten genug Leistung, um die in einem AFM anfallenden Datenmenge verarbeiten und anzeigen zu können. Da im Labor für Physikalische Elektronik viel Erfahrung mit Apple PowerBooks vorhanden ist, entschied man sich für ein solches. Aus dem selben Grund wählte man als Programmiersprache Labview von National Instruments 7 . Diese Firma bietet zudem Schnittstellenkarten an, die in Labview problemlos angesprochen werden können.
Sowohl Signalgenerierung wie auch Signalverarbeitung sind schematisch zwischen Scanning-Stage und Anzeige/Bedienungselement angeordnet (siehe See Schematischer Aufbau des Demonstrators inklusive Datenfluss (Pfeile) ). Zudem benötigt die Signalgenerierung und Signalverarbeitung teilweise gleiche Versorgungsspannungen. Aus diesen Gründen wurden diese beiden Elemente zur Einheit externe Elektronik zusammengefasst.
Als Demonstrations-AFM drängen sich folgende Anforderungen an die Konstruktion auf:
Im Laufe dieser Diplomarbeit wurden Ideen und Problemlösungen existierender Raster-Mikroskope im FAMOS-Demonstrator verwendet. Besonders hervorzuheben sind das Digital Instruments Nanoscope 8 (Multimode Kopf) als professionelles AFM und der Prototyp - EasyScan AFM der Firma Nanosurf 9 als handliches und mobiles Mikroskop. Für das EasyScan AFM sowie auch für den FAMOS-Demonstrator ist die Mobilität ein wichtiger Punkt. Darum wurde beim Demonstrator der gleiche Scanner wie beim EasyScan AFM verwendet. Im Gegensatz zum EasyScan AFM arbeit der FAMOS-Demonstrator jedoch mit zwei (optional zehn) Cantilever. Dies machte einen anderen mechanischen Aufbau nötig.
Das Studium des Nanoscope (Digital Instruments), des EasyScan STM (Raster-Tunnel-Mikroskop der Firma Nanosurf) und des Raster-Tunnel-Mikroskops der ETH-Forschungsgruppe von Prof. Dr. H. von Känel war ausschlaggebend, auch beim Demonstrator einen einfachen Aufbau anzustreben. In der Entwicklungsphase weniger beachtet wurde der Aufbau, den die Raster-Kraft-Mikroskope der Firma Park Scientific Instrument verwenden. Der relativ lange mechanische Weg zwischen Probe und Cantilever dieser Mikroskope verspricht für einen Prototypen keine guten mechanischen Eigenschaften.
Ein Blockdiagramm der Scanning-Stage ist in See Blockdiagramm der Scanning-Stage dargestellt:
Im Diagramm gelb eingezeichnet ist die Wechselwirkung der Cantilever mit der Probe, die Befestigungen sind schwarz markiert. Jede Einheit hat eine ihr zugeteilte Funktion, die in See Funktionen der Scanning-Stage-Einheiten aufgelistet ist.
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Translation der Probe in den Achsen x, y und z gemäss den von der Software vorgegebenen Spannungen Vx, Vy und Vz |
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grobe Einstellung der Distanz zwischen Probe und FAMOS-Sensor (Freiheitsgrad A in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ) |
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Verstellung der Neigung des FAMOS-Sensors relativ zur Probe (Achsen B und C in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ) |
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Befestigung des Sensor-PCB und Auflage der Mikrometer-Schrauben |
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Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Anordnungen der Scanning-Stage.
Die beiden Anordnungen unterscheiden sich durch die Art der Kraft, die den Cantilever gegen die Probe drückt (und umgekehrt). In Anordnung 1 ist die Auflagekraft zwischen den Mikrometer-Schrauben und dem PCB-Halter, in Anordnung 2 die Schwerkraft und die Federkraft für diese Andruckskraft verantwortlich. Wichtiger ist jedoch die Form der Scanning-Stage. In Abbildung 1 ist eine offene Form dargestellt, die relativ anfällig auf Schwingungen ist. In Abbildung 2 hingegen führt die geschlossene Form zu einer hohen Stabilität, da Schwingungen eine kleinere Amplitude haben werden. Anordnung 1 kann im allgemeinen nicht in eine kompakte Form gebracht werden, wie sie für den Demonstrator benötigt wird. Anordnung 2 bietet für kleine Abmessungen bessere Voraussetzungen.
In See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" sind die für die Lage der Cantilever relativ zur Probe bestimmenden Freiheitsgrade visualisiert. Der Anstellwinkel ( See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" - Drehachse B) zwischen Cantilever und Probe ist optimal bei 12°. Zudem sollte der Chip so um Achse C gedreht werden, dass alle Cantilever gleichmässig gegen die Probe drücken. Der Freiheitsgrad A bestimmt die Auslenkung der Cantilever und somit den Arbeitspunkt der Messung (Mittelstellung der Cantilever-Auslenkung).
In See römische Zahlen: Gewicht in der Selektion der Konstruktionsweise sind die Aspekte aufgeführt, die für die Wahl zwischen Anordnung 1 und 2 entscheidend waren. Die Begründungen der Kriterien in Anordnung 2 sind im Kapitel See Konstruktion der Scanning-Stage aufgeführt. Auf Kriterien der Anordnung 1 wird nicht näher eingegangen, da diese Anordnung schliesslich verworfen wurde.
Ein Überblick über den Aufbau der Scanning-Stage ist in See Blockdiagramm der Scanning-Stage dargestellt. Diese besteht aus:
Die Scanning-Stage wurde auf MegaCAD Version 14.8 entwickelt, nachdem der grundsätzliche Aufbau auf Papier festgehalten worden war. Diese Software bietet auch 3D-Modellierung, was die Konstruktion der Scanning-Stage stark vereinfachte. Diese Visualisierung führte dazu, dass im Schlussprodukt keine unerwarteten Probleme auftraten.
Im Entwurf der Scanning-Stage war der kompakte Aufbau immer wieder ein limitierender Faktor. Die Aussenmasse der fertigen Scanning-Stage von 86 mm * 86 mm * 70 mm ergeben nicht viel Spielraum für die anzuordnenden Elemente. Unter diesen Voraussetzungen waren ausgewogene Abstriche an den einzelnen Zielsetzungen nötig, um dennoch das Optimum an Grösse und Handhabbarkeit zu erreichen.
Die Scanning-Stage wurde in der Physik-Werkstatt HPT gefertigt. Die Verwendung des Funkenerrosionsverfahrens machte konkave eckige Strukturen möglich. Das Fräsen hingegen hinterlässt immer runde konkave Ecken" mit Radien von ca. 4 mm.
Der Sockel der Scanning-Stage wurde aus Aluminium gefertigt, da viel Material durch Fräsen abgetragen werden musste und Stahl in der Bearbeitung einen Mehraufwand bedeutet hätte. Für den PCB-Halter wurde dieser Aufwand in Kauf genommen, um keine Einbusse in der Stabilität des Demonstrators zu riskieren.
Um die Entwicklungszeit der Scanning-Stage nicht zusätzlich zu verlängern, wurde ein bestehender Scanner verwendet. Bei der Selektion standen folgende Kriterien im Vordergrund:
Üblicherweise werden für die Raster-Mikroskopie piezoelektrische Stages verwendet. Diese benötigen jedoch Spannungen von über 100 V (zum Beispiel Physic Instruments P-820.xx Low Voltage Piezotranslators": Betriebsspannung -20V bis 120 V). Diese Betriebsspannung kann nicht mit handelsüblichen Netzteilen zur Verfügung gestellt werden. Die benötigten Hochspannungs-Netzteile sind gross und schliessen deshalb ein mobiles Design aus.
Einen alternativen Scanner, der ohne hohe Betriebsspannungen auskommt, bietet die Firma Nanosurf an. Dieser Scanner befindet sich während den vier Monaten dieser Diplomarbeit noch im Prototyp-Stadium, er erfüllt jedoch alle an den Demonstrator-Scanner gestellten Anforderungen. Die Funktionsweise dieses Scanners basiert auf der Magnetostatik, d.h. Elektromagnete lenken die Probe aus. Dadurch werden auch unerwünschte Effekte von piezoelektrischen Stages vermieden. Diese haben nämlich einen zeitlichen Drift und zum Teil grosse Nichtlinearitäten. Beim stark gedämpften Nanosurf-Scanner werden Hysterese-Effekte festgestellt, die die Messqualität verschlechtern können. Die Dämpfung wird in See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners behandelt.
Die maximale Auslenkung des Scanners von Nanosurf beträgt 130 m für die x- und y-Achse und 20 m für die z-Achse. Als Spannungsversorgung benötigt er nur 15 V, was mit einem handelsüblichen getakteten Netzteil erreicht werden kann. Zudem zeichnet sich dieser Scanner durch äusserst kompakte Aussenmasse aus (35 mm * 20 mm * 16 mm). Seine Auflösung übertrifft die Genauigkeit der verwendeten DA-Konverter. Auf das dynamische Verhalten des Scanners wird im Kapitel See Analyse des Mess-Timings eingegangen.
Die z-Achse dieses Scanners ist wie erwartet senkrecht zum Probehalter angeordnet. Die x- und y-Achse hingegen sind um 45° gegenüber der Befestigungsplatte verdreht. Dies macht ein Drehen der Koordinaten in der verwendeten Elektronik oder in der Software nötig.
In See Scanning-Stage Benutzersicht und See Scanning-Stage Ansicht Rückseite ist der Scanner inklusive Probe in rosaroter Farbe dargestellt.
Die Aufgabe des Linear-Positionierers ist Justierung der Distanz zwischen Probe und Sensorhalter. In ihrer Translationsachse haben gängige Modelle eine Genauigkeit von ca. 3 m 10 , was für die Anwendung im Demonstrator genügt. Die Feinjustierung kann mit Hilfe des Scanners erreicht werden, der in z-Richtung einen Bereich von 0-20 m hat. Viel wichtiger ist die Stabilität des verwendeten Linear-Positionierers. Diese ist abhängig von der Art der verwendeten Lager. Es werden hauptsächlich drei verschiedene Lager verwendet: Ball Bearing Slide", Crossed Roller Bearing" und Slide Bearing". Slide Bearing" bieten nicht die Stabilität, die für die Anwendung in einem AFM benötigt wird und kommen deshalb nicht in Frage. Da die Crossed Roller Bearing" eine grössere Auflagefläche im Lager haben, ist die Stabilität dieser Lager besser, als diejenige der Ball Bearing Slide". Diese sind jedoch meist kompakter gebaut und deshalb besser für den Einbau in der Scanning-Stage geeignet. Zusätzlich sind keine Linear-Positionierer mit Crossed Roller Bearing" erhältlich, deren Mikrometer-Schraube nicht zentral, sondern seitlich angebracht ist. Dies ist für den Anwendungszweck im Demonstrator wichtig, da die Sicht auf den FAMOS-Chip durch eine zentrale Mikrometer-Schraube erschwert würde. (siehe See Scanning-Stage Benutzersicht - Mikrometer-Schraube seitlich am Linear-Positionierer angebracht). Aus diesen beiden Gründen wurde die 25 mm Extended Contact Bearing Steel Stage" von OptoSigma gewählt (in See Scanning-Stage Ansicht Rückseite und See Scanning-Stage Benutzersicht in gelber Farbe). Dieser zeichnet sich durch äusserst kompakte Abmessungen von 25 mm * 35 mm * 12 mm und eine seitlich angebrachte Mikrometer-Schraube aus.
Der FAMOS-Sensor wird üblicherweise auf einer kleinen Printplatte (PCB) montiert (in See Sensor-PCB mit FAMOS-2 Sensor dargestellt). Auf dieser ist ein high-density Stecker vorhanden (linke Seite in See Sensor-PCB mit FAMOS-2 Sensor ), mit dem der Sensor kontaktiert wird. Der ideale Anstellwinkel des FAMOS-Sensors ist 12° (Achse B in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ).
Die Aufgabe des PCB-Halters ist es, das Sensor-PCB stabil in der gewünschten Lage zu halten. Zudem sind auf dem PCB-Halter noch die Auflagen der Mikrometer-Schrauben platziert. Eine Mikrometer-Schraube liegt auf einer Punktauflage, die zweite auf einer Schlitzauflage und die dritte auf einer Planauflage auf. Diese Auflagen müssen aus Stahl gefertigt sein, da sonst auf Grund von Abnützungserscheinungen keine stabile Halterung garantiert werden kann. Der gesamte PCB-Halter wurde aus rostfreiem Stahl gefertigt. Eingepresste Stahleinlagen hätten die seine Stabilität gefährdet.
Ein wichtiger Punkt ist auch die freie Sicht auf den Sensor. Diese muss gewährleistet werden, da sonst eine effiziente Bedienung des Raster-Kraft-Mikroskops nicht möglich ist. Durch seine offene Form ist eine visuelle Kontrolle im gewählten Aufbau gut möglich.
Für die Stabilität des gesamten Raster-Kraft-Mikroskops ist es wichtig, dass der Schwerpunkt des PCB-Halters mit dem Schwerpunkt der Auflagepunkte zusammenfällt, da sonst ein Drehmoment resultiert, welches die Auflösung des Mikroskops negativ beeinflussen kann. Im konstruierten PCB-Halter wurde dies bis auf eine Abweichung von zwei Millimetern erreicht. Eine noch kleinere Abweichung hätte Veränderungen nötig gemacht, die die Stabilität wesentlich verschlechtert hätten.
Mit drei Mikrometer-Schrauben, auf denen der PCB-Halter aufliegt, wird die Neigung des FAMOS-Sensors gewählt. Die Lage bezüglich des Freiheitsgrades C (siehe See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ) wird durch eine Mikrometer-Schraube an der Rückseite der Scanning-Stage bestimmt. Dieser Freiheitsgrad bestimmt darüber, wie gleichmässig alle Cantilever auf der Probe aufliegen. Für ein AFM mit mehreren Cantilevern ist dieser Freiheitsgrad sehr wichtig, besonders bei zehn Cantilevern macht sich eine einfache Justierung dieser Neigung bezahlt. Die Cantilever befinden sich genau auf der Drehachse des Freiheitsgrades C. Dadurch ist bei der Justierung dieser Neigung nur eine minimale Nachregelung der Distanz zwischen Probe und FAMOS-Chip nötig (Freiheitsgrad A). Durch die beiden anderen Mikrometer-Schrauben wird der Anstellwinkel des Sensors gegenüber der Probe bestimmt. Dieser wird nicht so oft wie die Neigung verstellt, die Bedienung von zwei Mikrometer-Schrauben ist dem Benutzer folglich zuzumuten.
In der gewählten Anordnung ( See Wahl der zu Grunde liegenden Anordnung ) sind die Federn sowie die Gravitation für die Andruckkraft der Cantilever an die Probe verantwortlich. Bei der Planung der Federaufhängung standen folgende Punkte im Vordergrund:
Die vektorielle Summe beider Federkräfte muss für den PCB-Halter eine resultierende Kraft ergeben, die am Schwerpunkt der Auflagen angreift. Wie gefordert führt dies zu einem verschwindenden Drehmoment.
In der Planungsphase konnte ein mögliches Schwingen der Federn noch nicht ausgeschlossen werden. Es bestand daher die zusätzliche Möglichkeit, durch Dämpfung das Schwingen der Federn zu verhindern.
In herkömmlichen Anwendungen von Mikrometer-Schrauben haben diese die Stabilität und Genauigkeit in ihrer Achse zu gewährleisten. Für die Scanning-Stage müssen sie zudem auch senkrecht zu dieser Achse ohne Spiel sein. Weiter ist eine kugelförmige Front erwünscht, da diese für die Lagerung in x-, y- und z-Richtung Stabilität bietet. Diese Anforderungen erfüllen Mikrometer-Schrauben der Firma Newport.
Im Demonstrator wurden BM 11.10 verwendet, die einen maximalen Weg von 10 mm erlauben. Entgegen Beteuerungen der Herstellerfirma haben diese Mikrometer-Schrauben senkrecht zu ihrer Achse Spiel, was jedoch erfreulicherweise die Leistung des Mikroskops nicht schmälert.
Die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften sind für den Sockel ähnlich wie für den PCB-Halter. Es wurden zusätzlich folgende Punkte berücksichtigt.
Eine maximale Resistenz gegen Schwingungen wurde dadurch erreicht, dass der gesamte Sockel aus einem Stück gefertigt wurde und dass der Linear-Positionierer sich im Innern einer geschlossenen Form befindet. Einen zusätzlichen Vorteil dieser Anordnung ist das optisch ansprechende und kompakte Design (siehe See Scanning-Stage ).
Die Scanning-Stage muss stabil auf der Auflage liegen. Dies wird durch drei Gummi-Unterlagen erreicht, deren Schwerpunkt mit dem Schwerpunkt des Sockels - in horizontaler Richtung - zusammenfällt.
An der Unterseite des Sockels ist eine Öffnung vorhanden, in der eine kleine Vorverstärker-Platine (SMD-Löt/Printplattentechnik) platziert werden kann. Dies führt zu sehr kurzen Signalwegen vom FAMOS-Sensor (Signal 25*2.5V pro 1 nm Auslenkung) zum Verstärker (verstärktes Signal 0-5V), was eine mögliche Beeinträchtigung des Signals verhindern soll. Es sind am Sockel folglich drei Stecker nötig:
Da die Verbindung zur externen Elektronik mit 24 Leitungen viel Platz benötigt, wird dieser Stecker direkt auf der Vorverstärker-Platine vorgesehen und ist von aussen nicht frei zugänglich. Für die beiden restlichen Stecker sind an der rechten bzw. linken Seitenfläche Aussparungen vorhanden.
Es wurde versucht auch in der Elektronik einen unkomplizierten Aufbau weiterzuführen. Trotzdem darf an essentiellen Punkten die Leistung des Demonstrators nicht unter diesen Beschränkungen leiden.
Aus diesem Grund wurde zunächst versucht, den ganzen Scan-Vorgang nur mittels Labview zu steuern. Dies ermöglichte den diskreten Aufbau der externen Elektronik, im Gegensatz zur Verwendung eines Mikrokontrollers.
Die Anforderungen an den Demonstrator sind in See Zielsetzung des Gesamtsystems aufgelistet. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung eines Demonstrators des FAMOS-2-Chips. Jedoch sollte der Demonstrator einfach auf das neue Sensor-Design mit zehn Cantilever umrüstbar sein. Folglich muss die Schnittstelle zwischen Elektronik und PowerBook bereits für zehn Cantilever dimensioniert werden. Alle Rechnungen in diesem Kapitel sind deshalb mit zehn anstelle von zwei Cantilever ausgeführt.
Die einfachste Fahrweise des Scanners ist das Springen von Messpunkt zu Messpunkt ohne Zwischenschritte. Solche sind aus zeitlichen Gründen nicht möglich. An jedem Messpunkt werden jeweils die Auslenkungen der zwei (optional zehn) Cantilever gemessen und die Messwerte in das PowerBook übertragen.
Informativ ist der Datenfluss im FAMOS-Demonstrator, der in See Schema Elektronik (DA/AD-Konverter) dargestellt ist.
Um die Scanning Stage mindestens auf 10 nm genau positionieren zu können, sind bei einer maximalen Scan-Breite von 130 m für die x- und y-Achsen mindesten 14 Bit Digital-Analog-Konverter nötig ( See Schema Elektronik (DA/AD-Konverter) ). Analog ist für eine Detektion von 5 nm Cantilever-Auslenkung ein 12 Bit Analog-Digital-Konverter nötig (Annahme Auslenkung: 0-10m).
Labview kann nur Interface-Karten von National Intruments problemlos ansteuern. Weiter muss die Schnittstellenkarte am PCMCIA-Bus betrieben werden können, da ein PowerBook verwendet wird. All diese Kriterien lassen nur noch folgende beiden Schnittstellenkarten von National Instruments zu.
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sehr schnelle digitale Schnittstelle mit diversen Hand-Shaking-Protokollen |
Als einfachere Lösung drängt sich zunächst die analoge Schnittstellenkarte auf. Bei Verwendung dieser Karte übernimmt der Computer die gesamte Steuerung des Messablaufes. Dies macht den Datendurchsatz auf der Schnittstellenkarte für die Gesamtgeschwindigkeit zu einem sehr wichtigen Punkt.
In See Abschätzung der Zeit für die Messung eines Pixels mittels DAQCard-AI-16E-4 sind alle Ein- und Ausgaben, die für die Messung eines Pixels mittels der analogen Schnittstellenkarte nötig sind, aufgeführt. Die eingetragenen Zeiten sollten nur als untere Grenze betrachtet werden. Eine detaillierte Betrachtung ist im Kapitel See Analyse des Mess-Timings ausgeführt.
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Ausgabe der x-Koordinate - inklusive Adressierung der Register |
120 s 11 |
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Einlesen der 10 Cantilever-Auslenkungen auf Analog-Input der Schnittstellenkarte bei 20 kS/s |
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Die resultierenden 1.2 ms entsprechen für 512 Messpunkte pro Zeile einer Zeilenfrequenz von 1.6 Hz. Diese Geschwindigkeit beinhaltet weder eine Anzeige auf dem PowerBook noch Wartezeiten bis der Scanner seine Position erreicht hat oder Verzögerungen durch die Elektronik.
Diese unbefriedigenden Resultate führten zur Favorisierung der high-speed Digital-Karte. Diese macht eine aufwendigere externe Elektronik nötig, da diese sowohl die DA- als auch den AD- Wandler beinhalten muss. Zudem wird ein selbständiges Messen aller Cantilever in der externen Elektronik implementiert (siehe See Aufbau der externen Elektronik I ).
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Ausgabe der x-Koordinate - inklusive Adressierung der Register |
120 s 12 |
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Einlesen der Cantilever-Auslenkung auf digitalem Bus (12 Bit bei 200 kB/s) |
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Aus See Abschätzung des Timings mit digitaler Schnittstellenkarte DAQ 6533 wird ersichtlich, dass der zusätzliche Aufwand in der externen Elektronik eine erheblich höhere Scan-Geschwindigkeit bewirkt. Da das Ziel des FAMOS-Projektes ( See FAMOS-Projekt ) die Steigerung der Scan-Geschwindigkeit ist, sollte der Demonstrator, verglichen mit einem herkömmlichen AFM, mindestens ansatzweise eine erhöhte Geschwindigkeit bieten. Folglich hat man sich für eine Lösung mit der digitalen Schnittstellenkarte entschieden.
Da es das Ziel des FAMOS-Projektes ist, die Scan-Geschwindigkeit des Raster-Kraft-Mikroskops zu steigern, sollte auch auf die Scan-Geschwindigkeit des Demonstrators näher eingegangen werden. Ein wichtiger Engpass in Bezug auf die Geschwindigkeit sind die Ein- und Ausgaben des PowerBooks. Auf diese wird in diesem Kapitel näher eingegangen.
In den folgenden Berechnungen wird die Zeit, die das PowerBook zur Verarbeitung, Aufbereitung und Darstellung der Daten benötigt, vernachlässigt. Diese ist jedoch für alle vorgestellten Modelle identisch. Auf eine Optimierung in diesem Punkt wird im Kapitel See Ansteuerungs-Software FAMOSoft 1.0" eingegangen.
Es werden im folgenden Abschnitt drei Modelle verglichen:
Im Modell 1 sind folgende Ein- und Ausgaben des Power-Books für die Messung an einem Messpunkt nötig:
Für das Modell 2 muss zudem ein FIFO (siehe See Glossar ) auf der externen Elektronik vorhanden sein. Der Ablauf sieht für dieses Modell folgendermassen aus:
Die Messwerte werden in diesem Modell während dem Einschwingen des Scanners (typischerweise 2 ms) aus dem FIFO gelesen.
Im Modell 3 übernimmt die externe Elektronik zudem das Durchzählen der Cantilever. Der Ablauf hat folgende Struktur:
In diesem Modell werden die Messwerte auch während dem Einschwing-Vorgang des Scanners ausgelesen.
Die Ausgangswerte der folgenden Analyse sind in See aufgeführt:
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benötigte Zeit 13 |
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Ausgabe eines Bytes auf einen Port der DAQ 6533 Schnittstelle |
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Startet Burst-Mode und liest Daten aus Buffer (siehe Burst-Mode in Glossar) |
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Liest Daten von der Schnittstelle der DAQ 6533 im Burst-Mode |
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Abwarten, bis der Scanner nach einer Translation seine Messposition erreicht hat 14 |
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F - Settling Time Multiplexer und Operationsverstärker: Abwarten, bis der Multiplexer, der zwischen den zehn Cantilevern umschaltet und der nachgeschaltete Operationsverstärker eingeschwungen sind |
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Abwarten, bis der AD-Wandler die analoge Spannung in den 12-Bit Wert konvertiert hat. |
Im ersten Modell (siehe 1 in See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ) wird der Demonstrator über Port-Out- (A) und Port-In-Befehle (B) gesteuert.
Die für die Messung eines Pixels in diesem Modus benötigten Aktionen sind in See Steuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 1 aufgeführt. In der zweiten Spalte sind die für die Aktion benötigten Zeiten aufgeschlüsselt.
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Benötigte Aktionen (siehe See ) |
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Settling Time des Multiplexers und Operationsverstärker für jeden der 10 Cantilever (2) |
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In See Steuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 1 ist auffallend, dass das Einlesen der 10 Messwerte (1, 2, 3, 4) einen grossen Teil der Sequenz ausmacht. Jedoch muss das Auslesen der Messwerte nicht direkt im Messablauf stattfinden. Durch einen Zwischenspeicher (FIFO) auf der externen Elektronik (Modell 2 in See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ) kann diese Aktion während des Scanner-Delays (F) ausgeführt werden. Dies ergibt eine Reduktion der Zeit pro Pixel von 2064 s auf 1624 s
(4 findet nicht im direkten Mess-Ablauf statt)
Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass die externe Elektronik selbständig jeden einzelnen Cantilever adressiert, die Auslenkung misst und den digitalen Messwert in den Zwischenspeicher (FIFO) aufnimmt (Modell 2 in See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ). Diese Version führt zu einer weiteren Geschwindigkeits-Steigerung, die Messung eines Pixels benötigt nur noch 1244 s. Die benötigten Aktionen sind in See Steuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 3 aufgelistet. In See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ist das Timing der drei Versionen graphisch dargestellt.
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Benötigte Aktionen (siehe See ) |
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Settling Time des Scanners - Gleichzeitiges Auslesen der schon gemessenen Daten aus dem FIFO |
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Settling Time des Multiplexers und Operationsverstärker für jeden der 10 Cantilever (2), anschliessende Initialisierung der AD-Wandlung |
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In der externen Elektronik I sind alle drei Varianten implementiert. Durch Jumper kann zwischen diesen Versionen gewählt werden. Mit dieser Lösung führen mögliche Fehler im digitalen Teil der Schaltung nicht zu einem Totalausfall der externen Elektronik.
Der gewählte Aufbau ist in See Schema externe Elektronik dargestellt.
Die externe Elektronik ist in einen digitalen und einen analogen Teil gegliedert. Der analoge Teil stellt die Bias-Ströme und Spannungen, die vom FAMOS-Sensor benötigt werden, sowie die Spannungsversorgung des digitalen Teils zur Verfügung.
Der digitale Teil wird über einen 8-Bit Daten-Bus (Port A auf der DAQ-6533-Schnittstellenkarte) und über einen 8-Bit Adress-Bus (Port B) gesteuert.
Das automatische Messen der aller Cantileverauslenkungen wird mittels zwei Counter bewerkstelligt. Der eine generiert das Scanner-Delay, der andere übernimmt das Durchzählen der Cantilever. Nach dem Start einer Messung (Messung aller Cantilever-Auslenkungen an einem Messpunkt) beginnt der erste Counter rückwärts zu zählen. Sobald er null erreicht hat, startet die eigentliche Messung. Der zweite Counter beginnt beim ersten Cantilever, selektiert diesen und initiiert im AD-Wandler eine Konvertierung. Anschliessend wird zum nächsten Cantilever umgeschaltet...
Durch einen Jumper kann zwischen zwei und zehn Cantilever umgeschaltet werden, was für den Einsatz zukünftiger Sensoren wichtig ist.
Das Schema der externe Elektronik I wurde komplett ausgearbeitet und anschliessend die Platine entworfen. Da sich jedoch im Laufe dieser Arbeit herausstellte, dass der Scan-Vorgang nicht aus dem Labview gesteuert werden kann (siehe See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners ) wurde die Platine nicht hergestellt. Es wird an dieser Stelle nicht detailierter auf die externe Elektronik I" eingegangen - die Schaltpläne sind im Anhang dieses Berichts abgebildet.
Der im Demonstrator verwendete Scanner wird elektromagnetisch betrieben und besitzt für die drei Achsen drei rücktreibende Federn. Als Dämpfung für die Achsen dient eine Dämpfungspaste (viskose Flüssigkeit). Durch die Menge der verwendeten Paste kann die Dämpfung eingestellt werden.
Das dynamische Verhalten des Scanners wird gut durch das Modell harmonischer Oszillator mit Dämpfung" beschrieben. Mit Hilfe dieses Modells soll im folgenden Abschnitt das dynamische Verhalten des Scanners untersucht werden.
Das Modell harmonischer Oszillator mit Dämpfung" See Unbehauen, Regelungstechnik I - Lineare Kontinuierliche Regelsysteme", Vieweg-Verlag , See F. K. Kneubühl, Repetitorium der Physik", Teubner Studienbücher , See L. D. Landau & E. M. Lifschitz, Mechanik", Verlag Harri Deutsch beschreibt einen Massepunkt unter Einfluss einer rücktreibenden Feder und eine zur seiner Geschwindigkeit proportionalen Reibungskraft. Dieses System wird ohne äussere Kräfte durch die Differentialgleichung See beschrieben.
: Eigenkreisfrequenz des Systems
Je nach Wert von 
sind drei charakteristische Verhaltensweisen des schwingenden Massepunktes beobachtbar: unterkritische, kritische und überkritische Dämpfung.
=6), kritische (
=1) und überkritische (
=0.8) Dämpfung(
, f=130Hz,)Das Verhalten hängt in der folgenden Weise vom Q-Faktor ab:
> 1 : unterkritische (schwache) Dämpfung
< 1 : überkritische (starke) Dämpfung
Beim Nanosurf-Scanner wurde unterkritisches Verhalten (schwache Dämpfung) gemessen. Die Gleichung See beschreibt die Lösung der Differentialgleichung See für diesen Fall.
Für das Verhalten in einem AFM ist die Reaktion des Scanners auf einen Sprung als Anregung interessant, weil digitale Schaltungen nur stufenförmige und keine kontinuierlichen Übergänge generieren können. In See Gemessene Sprungantwort des Scanners in z-Richtung bei minimaler Dämpfung, inkl. Fit der Gleichung 4 , See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnellen Achse mit mittlerer Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 und See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnelle Achse mit maximaler Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 ist das Verhalten des Scanners auf eine Sprunganregung bei unterschiedlicher Dämpfung dargestellt. Die eingepassten Funktionen verwenden See .
Gemessen wurde jeweils die Reaktion des Scanners in seiner schnellen Achse 15 und seiner z-Achse. Ein Messen der langsamen Achse war aus Platzgründen nicht möglich. Da die schnelle Achse mit einer höheren Frequenz betrieben wird sind diese Messungen der schnellen Achse für eine Anwendung im Demonstrator interessanter.Es wurden drei verschiedene Dämpfungsstufen gemessen: schwache Dämpfung (wie geliefert), mittlere Dämpfung und starke Dämpfung. Das Dämpfverhalten dieses Scanners wird durch das Auftragen von viskoser Paste auf die rücktreibenden Blatt-Federn des Scanners eingestellt.
Je kleiner die Dämpfung des Scanners eingestellt war, umso besser passte die Gleichung See in die gemessenen Daten. Dies erklärt die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Dämpfungsfaktor. Die gemessene Abklingzeit spiegelt die eingestellt Dämpfung wieder.
Auch bei maximaler Dämpfung konnte kritische oder sogar überkritische Dämpfung nicht erreicht werden (siehe See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnelle Achse mit maximaler Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 ). Jedoch traten aufgrund der starken Dämpfung Hystereseeffekte auf, die sich ungünstig auf den Demonstrator auswirken können.
In See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnelle Achse mit maximaler Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 ist ersichtlich, dass der Scanner bei maximaler Dämpfung noch über 10 ms lang ausschwingt. Für eine Treppenfunktion, wie sie in einem AFM generiert wird, hat dies zur Folge, dass der Scanner sich aufschwingen kann. In mehreren Messungen wurde dieses, die Messung negativ beeinflussende, Verhalten bemerkt. In See Gemessene Antwort auf Treppenfunktion, Zeitkonstante 10 ms, maximale Dämpfung ist das Verhalten des Scanners unter Anregung einer Treppenfunktion abgebildet. Zwischen den einzelnen Schritten wird jeweils 10 ms gewartet, was für die Anwendung im Demonstrator nicht möglich ist. Für 1 Hz Zeilenfrequenz ist 4 ms die maximale Wartezeit. Zu Beginn dieser Messung zeigt der Scanner das erwartete Verhalten: ein Ausschwingen nach jedem Sprung. Später beginnt der Scanner sich jedoch aufzuschwingen, wobei die Amplitude ein Vielfaches der Sprungweite beträgt. Dieses Verhalten war in vielen Messungen festzustellen, konnte jedoch nicht reproduzierbar erzeugt werden. Der Grund ist womöglich im ansteuernden Programm - Labview - zu suchen. Labview und das MacOS 8.6 sind keine Echtzeitplattformen. Folglich sind die Wartezeiten zwischen den Schritten unterschiedlich lang und können nicht reproduziert werden.
Während der Scan-Rampe superponieren diese Einschwingvorgänge und ergeben das Muster, das in See Gemessene Antwort auf Treppenfunktion, Zeitkonstante 10 ms, maximale Dämpfung dargestellt ist. Ein solches Verhalten kann in einem AFM nicht toleriert werden. Aus diesem Grund kann die Verbindung Labview und externe Elektronik I" nicht wie vorgesehen verwendet werden. An seine Stelle tritt die externe Elektronik II", die eine komplexe Ansteuerung des Scanners ermöglicht. Wird als Anregung des Scanners eine Dreiecks-Funktion (in 16-Bit Auflösung) verwendet, so werden, abgesehen von den Bereichen nach den Umkehrpunkten, keine Schwingungen erzeugt (siehe See Simulation der Scan-Rampe ).
Nach Kapitel See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners haben Beschleunigungen des Scanners Schwingungen zur Folge, die die Qualität der Messung beeinflussen können. Aus diesem Grund kommt der Art der Scan-Rampe eine wichtige Bedeutung zu.
Im Gegensatz zu Sinus-Schwingungen haben Rechteck-, Dreieck und Sägezahnfunktionen ein sehr breites Frequenzspektrum. Durch die geeignete Wahl der Frequenz einer Sinus-Anregung können Schwingungen deshalb effektiv verhindert werden. Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz des Scanners kein Vielfaches der Frequenz der Sinus-Anregung.
Die Generierung von Sinus-Schwingungen ist jedoch mit einem erheblichen elektronischen Aufwand verbunden. Technisch einfacher ist die Synthese einer Dreiecks-Funktion. Ausser an den Umkehrpunkten herrscht bei einer Dreiecks-Funktion keine Beschleunigung. In See Scan-Rampen 2-4 (Beim Fahren nach rechts wird gemessen) dargestellt sind drei mögliche Rampen, die auf einer Dreiecks-Funktion beruhen. Sie unterscheiden sich durch den Fahrweg der langsamen Achse. In See sind die Vor- und Nachteile der in Betracht gezogenen Rampen aufgeführt. Rampe 1 und 2 könnten nur mit erheblichem Aufwand implementiert werden und sind für eine Anwendung im Demonstrator zu komplex.
Eine typische Probe für den Demonstrator ist ein Mikrochip. Seine Oberfläche ist hart und wird durch das AFM kaum beschädigt. Da für dies Probe der Nachteil der Rampe 3 nicht ins Gewicht fällt wurde diese Fahrart gewählt, um Schwingungen während der Messung zu vermeiden.
Um den Einfluss der gewählten Scan-Rampe auf die Messqualität abzuschätzen, wurde der Scan-Vorgang simuliert. Verwendet wurde die Simulink Tool-Box unter Matlab. Wie in Kapitel See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners festgestellt wurde, verhält sich der Scanner wie ein harmonischer Oszillator mit Dämpfung. Dieses System zweiter Ordnung besitzt die Übertragungsfunktion See .
: Kreisfrequenz des harmonischen Oszillators
Die Übertragungsfunktion beschreibt die Reaktion eines Systems auf eine Anregung im Frequenzraum. Wird das Produktes der Übertragungsfunktion 
mit der Anregung 
rücktransformiert, so erhält man das System-Verhalten im Ortsraum. Simulink berechnet diese Antwort x(t) numerisch.
Als Anregung des Systems wurde eine Dreiecks-Funktion generiert. Um das System jedoch realitätsnaher zu simulieren, wurde diese Dreiecks-Funktion als Treppenfunktion mit Stufen von 3 nm verwirklicht. Zudem wurde der Anregung ein gaussförmiges Rauschen beigemischt, das eine Varianz von 1 nm hat. Dies entspricht dem erwarteten Rauschverhalten der 16-Bit-DA-Wandler.
Als Parameter für die Übertragungsfunktion wurden diejenigen der schnellen Achse des schwach gedämpfen Scanners verwendet (
=1131 Hz,
).
Die Ergebnisse dieser Simulation waren sehr vielversprechend. Es wurde ein Ausschwingen des Scanners nach den Umkehrpunkten der anregenden Dreiecksfunktion festgestellt. Dieses dauert jeweils etwa 50 ms an, was die Leistung des Scanners nicht stark beeinträchtigt. In den schwingungsfreien Bereichen bestand die simulierte Reaktion des Scanners aus einer gleichförmigen Bewegung, die eine hohe Messgenauigkeit bei Verwendung dieser Rampe verspricht.
In See Simulierte Reaktion des Nanosurf-Scanners (schnelle Achse) auf eine diskretisierte Dreiecks-Funktion (Amplitude 19 m, Frequenz 20 Hz) ist das simulierte Verhalten des Scanners auf die oben beschriebene Anregung abgebildet (Frequenz der Dreiecksfunktion = 20 Hz, Amplitude 19 m). Die Zeilenfrequenz ist nur zur Betonung des Schwingens nach den Umkehrpunkten so hoch gewählt. Im Demonstrator werden sicher nie Zeilenfrequenzen über vier Hertz verwendet. Das Schwingen erstreckt sich in diesem Fall über eine entsprechend kleineren Bereich der Dreiecksfunktion.
Als Vergleich ist in See Gemessene Antwort des Scanners in seiner schnellen Achse auf eine Dreiecks-Funktion (Amplitude 23 m, Frequenz 20 Hz, generiert durch HP Funktionsgenerator) die gemessene Anwort des Scanners auf eine Dreiecks-Funktion mit einer Frequenz von 20 Hertz abgebildet. Die Übereinstimmung dieser beiden Diagramme ist beeindruckend.
Im Kapitel See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners wurde festgestellt, dass der Scanner nicht mit der in der externen Elektronik I vorgesehenen Scan-Rampe betrieben werden kann. Um in der Wahl der Scan-Rampe möglichst flexibel zu bleiben, hat man sich für eine neue Lösung mit Hilfe eines Mikrokontrollers entschieden. Dabei sollte für mögli
: Abklingzeit des Systems
= 1 : kritische Dämpfung
: Startwert 
: Startwert 
: Kreisfrequenz der gedämpften Schwingung
[Hz]
: Abklingzeit des Systems