Zespół naukowców z Hiszpanii i Francji zbudował nowatorski mikroskop sił atomowych. Wykorzystał w tym celu pomoc specjalistów z firmy Analog Devices. Najwiekszym problemem konstrukcji był pomiar niewielkiego prądu, generowanego przez efekt piezoelektryczny. Układ pomiarowy tego systemu oparty był o wzmacniacz transimpedancyjny - konwerter prąd -napięcie.
Wyniki prac opublikowane zostały w artykule "Mapowanie ładunku generowanego przez efekt piezoelektryczny z wykorzystaniem bezpośredniej mikroskopii piezoelektrycznej", który ukazał się w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications.
Rys.1. Schemat przedstawiający typowy wzmacniacz odwracający oparty o wzmacniacz operacyjny. Dla R1 = 0 układ pracuje jako wzmacniacz transimpedancyjny.
Do pomiaru tak małych prądów, jakie obserwowane są w opisywanym systemie, nadaje się nie każdy wzmacniacz operacyjny. Jednym z nielicznych, które można zastosować w tej aplikacji, jest układ ADA4530 firmy Analog Devices. To co wyróżnia tego rodzaju elementy jest ultraniski prąd polaryzacji wejścia. Wejście skonstruowane jest w topologii elektrometru, który dodatkowo wyposażony jest w zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego z opornikiem o rezystancji jednego teraohma(!) w konfiguracji transimpedancyjnej. Na wyjściu z tego układu dołączono wzmacniacz napięciowy - także skonfigurowany jako wzmacniacz odwracający, oparty na op-ampie AD8429 od Analog Devices. Dzięki temu możliwy był bezpośredni pomiar prądu generowano przez badane materiały piezoelektryczne.
W pomiarach tak niskich prądów kluczowe było utrzymanie np. niskiej wilgotności otoczenia układu, by móc w stabilny i powtarzalny sposób mierzyć prąd generowany przez efekt piezoelektryczny.
Rys.2. Prąd (w fA) zmierzony w momencie skanowania materiału piezoelektrycznego. Zauważyć można antyrównoległe domeny ferromagnetyczne.
Mikroskop sił atomowych (AFM) jest jednym z najbardziej uniwersalnych narzędzi do charakteryzacji materiałów. Z wykorzystaniem tej techniki można nie tylko po prostu obrazować kształty materiału (jego powierzchni), ale także badać inne jego własności - elektryczne, magnetyczne i termiczne. Ta uniwersalność sprawiła, że AFMy wykorzystywane są szeroko do pomiarów własności materii, a sam przemysł produkujący te urządzenia zarabia około 400 milionów dolarów rocznie.
W opisywanym tutaj projekcie naukowcy skupili się na charakteryzacji własności piezoelektrycznych - pomiarze niewielkiego prądu, generowanego na skutek efektu piezoelektrycznego. Efekt ten objawia się generacją prądu elektrycznego na skutek naprężeń w materiale. W tym przypadku naprężenia wprowadzane były w materiał z pomocą niewielkich nanoskopowych igieł, naciskających próbkę. Przykładana przez igły siła to około 100 mikroniutonów. Powoduje ona wygenerowanie ładunku na poziomie od 5 femtokulombów dla np. niobku litu, poprzez 25 fC dla stopu bizmutu i żelaza aż do 90 fC dla stopy ołowiu, cyrkonu i tytanu.
Tego rodzaju techniki pomiarowe są kluczowe dla rozwoju przyszłych technik charakteryzacji materiałów piezoelektrycznych, a także wielu innych systemów, gdzie zliczanie pojedynczych elektronów jest kluczowe.
Rys.3. Rysunek układu elektronicznego wykorzystanego w układzie pomiarowym z wzmacniaczem operacyjnym o ultra-niskim prądzie upływu.
Wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego o niskim prądzie polaryzacji i niewielkim prądzie upływu było kluczowe w pomiarze niewielkich prądów efektu piezoelektrycznego. Z uwagi na prąd upływu część prądu, jaki trafia na wejście op-ampa jest tracone. Dzięki temu, że ta część jest bardzo mała w wykorzystanym układzie, pozostałe nośniki mogą zostać wykryte i wzmocnione do poziomu mierzalnego klasycznymi instrumentami.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/agomez/articles/femtoampere-input-bias-current-electrometer-amplifier-used-in-new-atomic-force-microscope
Wyniki prac opublikowane zostały w artykule "Mapowanie ładunku generowanego przez efekt piezoelektryczny z wykorzystaniem bezpośredniej mikroskopii piezoelektrycznej", który ukazał się w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications.
Rys.1. Schemat przedstawiający typowy wzmacniacz odwracający oparty o wzmacniacz operacyjny. Dla R1 = 0 układ pracuje jako wzmacniacz transimpedancyjny.
Do pomiaru tak małych prądów, jakie obserwowane są w opisywanym systemie, nadaje się nie każdy wzmacniacz operacyjny. Jednym z nielicznych, które można zastosować w tej aplikacji, jest układ ADA4530 firmy Analog Devices. To co wyróżnia tego rodzaju elementy jest ultraniski prąd polaryzacji wejścia. Wejście skonstruowane jest w topologii elektrometru, który dodatkowo wyposażony jest w zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego z opornikiem o rezystancji jednego teraohma(!) w konfiguracji transimpedancyjnej. Na wyjściu z tego układu dołączono wzmacniacz napięciowy - także skonfigurowany jako wzmacniacz odwracający, oparty na op-ampie AD8429 od Analog Devices. Dzięki temu możliwy był bezpośredni pomiar prądu generowano przez badane materiały piezoelektryczne.
W pomiarach tak niskich prądów kluczowe było utrzymanie np. niskiej wilgotności otoczenia układu, by móc w stabilny i powtarzalny sposób mierzyć prąd generowany przez efekt piezoelektryczny.
Rys.2. Prąd (w fA) zmierzony w momencie skanowania materiału piezoelektrycznego. Zauważyć można antyrównoległe domeny ferromagnetyczne.
Mikroskop sił atomowych (AFM) jest jednym z najbardziej uniwersalnych narzędzi do charakteryzacji materiałów. Z wykorzystaniem tej techniki można nie tylko po prostu obrazować kształty materiału (jego powierzchni), ale także badać inne jego własności - elektryczne, magnetyczne i termiczne. Ta uniwersalność sprawiła, że AFMy wykorzystywane są szeroko do pomiarów własności materii, a sam przemysł produkujący te urządzenia zarabia około 400 milionów dolarów rocznie.
W opisywanym tutaj projekcie naukowcy skupili się na charakteryzacji własności piezoelektrycznych - pomiarze niewielkiego prądu, generowanego na skutek efektu piezoelektrycznego. Efekt ten objawia się generacją prądu elektrycznego na skutek naprężeń w materiale. W tym przypadku naprężenia wprowadzane były w materiał z pomocą niewielkich nanoskopowych igieł, naciskających próbkę. Przykładana przez igły siła to około 100 mikroniutonów. Powoduje ona wygenerowanie ładunku na poziomie od 5 femtokulombów dla np. niobku litu, poprzez 25 fC dla stopu bizmutu i żelaza aż do 90 fC dla stopy ołowiu, cyrkonu i tytanu.
Tego rodzaju techniki pomiarowe są kluczowe dla rozwoju przyszłych technik charakteryzacji materiałów piezoelektrycznych, a także wielu innych systemów, gdzie zliczanie pojedynczych elektronów jest kluczowe.
Rys.3. Rysunek układu elektronicznego wykorzystanego w układzie pomiarowym z wzmacniaczem operacyjnym o ultra-niskim prądzie upływu.
Wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego o niskim prądzie polaryzacji i niewielkim prądzie upływu było kluczowe w pomiarze niewielkich prądów efektu piezoelektrycznego. Z uwagi na prąd upływu część prądu, jaki trafia na wejście op-ampa jest tracone. Dzięki temu, że ta część jest bardzo mała w wykorzystanym układzie, pozostałe nośniki mogą zostać wykryte i wzmocnione do poziomu mierzalnego klasycznymi instrumentami.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/agomez/articles/femtoampere-input-bias-current-electrometer-amplifier-used-in-new-atomic-force-microscope
Fajne? Ranking DIY