Вышедшие номера
Принцип механического усиления для пьезоэлектрических датчиков сил
Черкун А.П.1
1Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва, Россия
Email: alexander.cherkun@yandex.ru
Поступила в редакцию: 5 декабря 2023 г.
В окончательной редакции: 9 июня 2025 г.
Принята к печати: 6 июля 2025 г.
Выставление онлайн: 11 сентября 2025 г.

В сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) для контроля контакта зонда с поверхностью применяются пьезоэлектрические резонаторы (ПР), в которых сигнал силы давления зонда на поверхность преобразуется в электрический сигнал. Контакт зонда с поверхностью должен происходить через соприкосновение отдельных атомов. С целью повышения чувствительности разработана новая методика механического усиления сигнала силы. ПР, объединенный с примитивным динамическим усилителем (ДУ) и зондом, образуют новую резонансную систему, в которой амплитуда колебаний ПР во много раз отличается от амплитуды колебаний зонда. В этой системе ДУ служит первым каскадом усиления, а ПР вторым, поэтому выходное соотношение сигнал/шум определяется шумом первого каскада, который может быть значительно меньше, чем шум ПР. Приведен детальный теоретический расчет такой системы, осуществленной на практике с экспериментальной чувствительностью масштаба 1 pN в частотной полосе 100 Hz, что на порядок лучше, чем фундаментальный теоретический предел для ПР без применения ДУ. Излагаемый принцип механического усиления имеет универсальный характер и позволит использовать один и тот же тип серийно выпускаемых ПР как для разных задач СЗМ, так и для других видов силовой диагностики. Ключевые слова: зондовая микроскопия, силовой шум, резонатор, изгибные колебания.
  1. K. Karrai, R.D. Grober. Appl. Phys. Lett., 66, 1842 (1995). https://doi.org/10.1063/1.113340
  2. K. Karrai, R.D. Grober. Ultramicroscopy, 61, 197 (1995). https://doi.org/10.1016/0304-3991(95)00104
  3. R.D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P.J. Kindlemann, J. Hespanha, A.S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, S. Manus. Rev. Sci. Instrum., 71, 2776 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1150691
  4. D.V. Serebryakov, A.P. Cherkun, B.A. Loginov, V.S. Letokhov. Rev. Sci. Instrum., 73, 1795 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1462038
  5. A.P. Cherkun, G.V. Mishakov, A.V. Sharkov, E.I. Demikhov. Ultramicroscopy, 217, 113072 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2020.113072
  6. A.P. Cherkun, D.V. Serebryakov, S.K. Sekatskii, I.V. Morozov, V.S. Letokhov. Rev. Sci. Instrum., 77, 033703 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2186386
  7. J. Rychen, T. Ihn, P. Studerus, A. Herrmann, K. Ensslin, H.J. Hug, P.J.A. van Schendel, H.J. Guntherodt. Rev. Sci. Instrum., 71, 1695 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1150521
  8. F.J. Giessibl. Appl. Phys. Lett., 76, 1470 (2000). https://doi.org/10.1063/1.126067
  9. T. Seeholzer, D. Tarau, L. Hollendonner, A. Auer, R. Rachel, D. Grohmann, F.J. Giessibl, A.J. Weymouth. J. Phys. Chem. B, 127 (31), 6949 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.3c02875
  10. B.N. Mironov, S.A. Aseyev, S.V. Chekalin. Micron, 116, 61 (2019). https://doi.org/10.1016/j.micron.2018.09.013