Измерение массы наночастиц

Наиболее существенный вклад вносит методическая погрешность и погрешность  от воздействия температуры. Воздействие  температуры приводит к дрейфу частоты  резонатора. Кантилеверы обладает в зависимости от используемого резонатора чувствительностью в диапазоне от 1до 10^-21 г. Погрешность лучших микровесов составляет 1-2 %.

К несомненным достоинствам методов  измерения масс атомов (ионов) с помощью  резонансных приборов следует отнести  их высокие разрешающие способности  и то, что измеряемыми величинами являются частоты модулирующих напряжений или возбуждающих импульсов. Погрешности измерения частот современными методами ничтожно малы и практически не дают вклада в общую погрешность измерения масс.

Таким образом, разрешающая способность  резонансного метода целиком определяется добротностью резонатора, нагруженного измеряемым материалом.

Для кварцевого пьезорезонатора разрешающая способность по массе составляет . Точность измерения составляет

Ошибка метода измерения массы микрообъектов с помощью кантилевера, обусловленная дисперсией локализации частиц на поверхности кантилевера, не превышала 5%. Достигнутая разрешающая способность измерения массы одиночных объектов составила 1 пг (что сравнимо с массой одной бактериальной клетки E-coli) и на порядок превзошла чувствительность традиционного метода кварцевого микровзвешивания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

Цель работы является рассмотрение известных методик микровзвешивания, анализ их эффективности и области применения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: изучить методы регистрации резонансных частот механических датчиков, и сделать вывод, какой метод наиболее оптимален из соображений простота применения, имеет меньше всего ограничений в работе и наиболее точен результат микровзвешивания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

3.1 Сравнение различных  методов регистрации резонансных  частот механических датчиков

 

Существуют шесть  методов регистрации резонансных частот, рассмотрим последовательно каждый из них.

 

Пьезоэлектрический метод.

В этом методе определение резонансных  частот изделия и их элементов  производят по сигналу с малого пьезодатчика, прикрепляемого к испытываемому образцу гермозамазкой, заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе [2].

Пьезоэффект обратим, т.е. приложенное  электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом. Этот метод обеспечивает достаточную точность в случае, если размеры и масса испытуемого изделия не менее чем в 10 раз превышают размеры и массу малого пьезодатчика. Малые пьезодатчики представляют собой пьезоэлементы из керамики ЦТС-19 в форме диска с посеребренными поверхностями диаметром до 10 мм, толщиной от 0,3 до 1 мм и массой от 2 до 500 мг. К посеребренным поверхностям дисков легкоплавким припоем припаивают выводы из привода ПЛШО с диаметром 0,13 мм и длиной не более 20 мм. Выводы изогнуты в виде петли, а их свободные концы припаяны к экранированному проводу, закрепленному на крышке вибростенда. При этом во избежание больших наводок вывод от поверхности соприкосновения малого пьезодатчика с металлической поверхностью образца должен быть соединен с экраном. Частоты собственных колебаний таких пьезодатчиков более 100 кГц; чувствительность равна 0,05-1 мв/g и определяется при калибровке методом вторичного эталона. Принципиальная схема пьезоэлектрического метода определения резонансных частот представлена на рис.3.1.

 

1 - стол вибростенда; 2 - приспособление для крепления  образца; 3 - образец; 4 – малый пьезодатчик; 5 - пьезодатчик контрольный; 6, 7 - катодные повторители;9-ламповые вольтметры (ВЗ-3); 10 - осциллограф

Рисунок 3.1 - Принципиальная электрическая схема определения резонансных частот пьезоэлектрическим методом

 

Для согласования высокоомного выхода пьезодатчика с низкоомным входным  сопротивлением лампового вольтметра необходимо применять предварительные  усилители или катодные повторители, имеющие входное сопротивление . При плавном изменении частоты колебаний стенда и при поддержании постоянства ускорения крепежной платы на резонансной частоте образца будет наблюдаться увеличение напряжения на малом пьезодатчике и поворот на 90° эллипса на экране осциллографа.

 

Регистрация колебаний  с помощью адаптивного голографического интерферометра на основе динамической голограммы [1].

Собственные колебания кантилевера  возбуждались лазерным импульсом наносекундной  длительности на длине волны 532 нм (рис.3.3).

Микрообъекты, массы которых подлежали  измерению, помещались на кантилевер методом напыления. Под воздействием лазерных импульсов часть микрообъектов отделялась от кантилевера (рис.3.2), что вызывало увеличение частоты собственных колебаний.

Частота собственных колебаний кантилевера в начале практически не меняется, затем в течение 2 импульсов увеличивается на 1380 Гц, что соответствует уменьшению массы кантилевера на 233±24×10^-12г.

Рисунок 3.2 - Снимки кантилевера: до воздействия лазерных импульсов (а), после воздействия 30 лазерных импульсов (б). Стрелками указаны микрообъекты

 

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема  оптического контроля за положением кантилевера.

 

Несмотря на свою распространенность, оптический метод имеет ограничения, так как для этого метода необходима прозрачность среды и размеры кантилевера должны быть не меньше, чем длина волны лазерного источника. Кроме того, частотная полоса пропускания фотодетектора в большинстве случаев не превышает 1 МГц, что затрудняет его использование совместно с высокочастотными резонансными кантилеверами.

 

Кантилеверы со встроенными  слоями пьезоэлектрических элементов (рис. 3.4).

Это более современный метод  контроля деформации. Контролер находится внутри самих кантилеверов. Подобные датчики способны передавать информацию о степени собственной деформации в виде электрического сигнала. Пьезокантилевер представляет собой балку из нитрида кремния с нанесенным слоем ZnO или пьезокерамики, с наружи которого напыляются электроды для снятия разности потенциалов, возникающей при пьезоэффекте в результате деформаций кантилевера [2].

 

Рисунок 3.4 – Микрофотография пьезокантилевера.

 

Прототипом пьезокантилевера являются кварцевые резонаторы, имеющие аналогичные пьезоэлектрические свойства. Преимуществом пьезокантилеверов является компактность системы считывания. К их недостаткам можно отнести вынесенные электрические контакты, не позволяющие работать в проводящих средах. И для достижения необходимого электрического отклика, толщина пьезослоя должна быть соразмерна толщине балки, что существенно ухудшает механические характеристики кантилеверов.

 

На настоящий момент перспективными являются пьезорезистивные кантилеверы, вызванные внешними напряжениями [2].

При изгибе такого кантилевера происходит изменение его проводимости. Как правило, пьезорезистивный слой состоит из кремния, легированного ионами бора,  который находится в определенной области балки кантилевера, чаще ближе к ее основанию. Микрофотография пары пьезорезистивных кантиливеров на рис. 3.5. Чувствительность к изгибу консоли в данной системе записывается в виде:

,

где является фактором пьезорезистивного кремниевого сопротивления (К = 120) ,

длина кантилевера, толщина кантилевера, λ – длина резистора.

Преимуществом пьезорезистивной системы  контроля положения кантилевера является ее компактность. Недостатком этой системы является её высокая чувствительность к температуре, вызывающая шумы при нагреве кантиливера от протекающего в нём тока. Отсюда вытекает ещё один способ применения таких кантиливеров – микротермогравиетрический анализ веществ, позволяющий строить термограммы с точностью до 1 нг потери массы.

 

Рисунок 3.5 – Микрофотография пары пьезорезистивных кантилеверов 2 и 3. включенных в мост Уинстона 1, и опорные сопротивления моста 4.

 

Система плоский конденсатор (рис.3.6).

Проводящий кантилевер помещается рядом с проводником так, чтобы между ними образовался микроскопический зазор. Данная система представляет собой плоский конденсатор, емкость которого зависит от малейших смещений кантилевера и обратно пропорционально величине зазора [2].

 

Рисунок 3.6 – Фотография микроемкостной системы считывания отклонений кантилевера,

 

Емкостные системы контроля практически  не налагают ограничений на величину

собственной частоты кантилевера. Недостатком системы является невозможность работы в проводящих средах, кроме того, малейшие изменения величины диэлектрической проницаемости среды влияют на величину считанного сигнала.

 

Метод электронного туннелирования [2].

Является высокочувствительным способом детектирования субнанометровых перемещений. Система контроля туннельного тока по аналогии с емкостной состоит из проводника и кантилевера (рис. 3.7), только в данном случае размер зазора между ними сохраняется достаточно малым в соответствии с формулой плотности туннельного тока, справедливой для приближения плоских металлических электродов и вакуумного туннелирования:

,

где заряд электрона, постоянная Планка, расстояние зонд- образец, разность потенциалов на туннельном контакте, константа затухания волновых функций электронов в контакте, масса электрона, эффективная высота потенциального барьера

 

Рисунок 3.7 – Микрофотография кантилевера  туннельной системой контроля его отклонений помещенного между двумя электродами (источником и стоком).

 

Так как туннельный ток экспоненциально  нарастает с уменьшением зазора между

кантилевером и проводником, то такая система контроля механических деформаций  позволяет измерять смещения кантилевера до значений . При деформациях кантилевера больших 1 нм туннельный эффект пропадает и система контроля перестает

работать. Поэтому метод туннельного контроля имеет ограничения, общие для всех

электромеханических методов, требующих протекания заряда через элемент механического преобразователя.

Помимо полезного сигнала на датчик поступают умы, генерируемые физически нестабильной средой, в которую он помещен. Только в высокостабильных системах можно для измерений использовать один микромеханический датчик. В системе с нестабильной средой используют совмещенную пару консолей, находящихся рядом с друг другом. Одну из них используют в качестве контрольной, на которой отражаются изменения физических условий в процессе цикла измерений, а другая измеряет полезный сигнал на фоне шума. Одновременно проводится вычитание разности сигналов, поступающих с контрольного и сенсорного кантилеверов. Таким образом, выделяется полезный сигнал.

Из всех вышеприведенных методик  регистрации отклонений кантилевера наиболее точным является метод, основанный на регистрации туннельного тока – он позволяет регистрировать отклонения до . Нашли широчайшее применения, по простоте применения и ценовой доступности системы измерения массы, основанные на использовании кварцевых весов. А система – плоский конденсатор – имеет меньше всего ограничений в работе, недостатком системы является только невозможность работы в проводящих средах.

Для расширения функциональности и  производительности микрокантиливерных систем используются одномерные и двумерные массивы кантилеверов [2]. Химические сенсоры на основе нескольких кантилеверов обладают свойствами человеческого носа. В котором имеется несколько рецепторов. Такие кантилеверы модифицированы различными низкомолекулярными веществами или биополимерными плёнками, вырабатывающими собственный отклик на изменение физико-химических свойств среды. На рисунке 3.8 представлен массив из восьми кантилеверов.

Рисунок 3.8 – Массив из восьми кремниевых кантилеверов, используемых для сенсорных приложений.

На рис.3.9 представлено, как каждый кантилевер отклоняется в соответствии с величиной изменения поверхностной энергии образующего слоя [5]. Отклонения можно фиксировать помощью оптической системы.

Рисунок 3.9 - Массив кантилеверов, имеющих индивидуальные рецепторные слои.