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마이크로 캔틸레버 굽힘 측정을 위한 센싱시스템
Sensing System for Measuring Deflection of Microcantilever 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.9 = no.324, 2012년, pp.961 - 964  

김현철 (SP 반도체) ,  이상헌 (안동대학교 기계설계공학과)

초록
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원자현미경에서 시편의 높이정보를 얻기 위한 마이크로 캔틸레버의 굽힘은 optical lever 방식이나 간섭원리에 기반한 방식으로 이루어졌으나, 부피와 가격적인 측면에서 이들 방식은 많은 개선의 여지를 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 이전 방식의 단점을 극복하기 위하여, 간단한 구조로 구현이 가능한 비점 수차방식을 기반으로한 광픽업헤드를 이용하여 마이크로 캔틸레버의 굽힘 측정시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 실험실에서 제작한 원자현미경에 적용하여 그 가능성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a sensing system to measure the deflection of a microcantilever in an atomic force microscope. In general, the optical lever method and interferometry are used for the sensing system; however, their size and cost leaves considerable room for improvement. Therefore, we used an opt...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 앞서 발표된 두 연구에서 사용된 광픽업헤드는 포토다이오드의 광축과 대물렌즈의 광축이 일직선상에 있는 형태로 측정하고자 하는 시편을 직접적으로 볼 수 없기 때문에, 시편의 초기측정 위치 결정에 있어 부가적인 광학현미경이나 장치가 필요한 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 광픽업헤드를 이용하여 구조가 컴팩트하며, 동시에 시편의 위치를 직접적으로 확인이 가능한 형태의 굽힘 측정시스템을 제안한다. 2장에서는 광픽업헤드에 적용되는 측정원리와 본 논문에서 사용된 광픽업헤드의 특성에 대해서 기술하고, 3장에서는 실제 원자현미경에 적용하여 가능성을 평가하였다.
  • 본 논문에서는 비점수차법을 기초로 한 광픽업 헤드를 사용하여 마이크로캔틸레버의 굽힘 측정을 위한 센싱시스템을 개발하였다. 이 시스템은 광학요소들이 일체화된 하나의 부품을 사용하여 센싱시스템의 구조를 컴팩트하게 만들 수 있어, 향후 컴팩트한 구조의 프로브헤드 개발을 통해 멀티 프로브 형태의 원자현미경 개발도 가능할 것으로 기대된다.
  • 본 연구에서 측정시스템 구축을 위한 광픽업헤드의 선정은 시편을 직접적으로 확인 가능한 구조인지에 주안점을 두고 진행하였다. 이에 따라 최종적으로 선정된 모델은 Sanyo에서 제작한 SF-HD67 로서 현재 Play Station 3에 사용되고 있어 모듈 형태로 쉽게 구할 수 있다.
  • 본 연구에서는 광픽업헤드의 안정적인 구동을 위하여, 광원의 전원을 일정하게 해주는 auto power circuit (APC)를 설계 제작하였으며, 또한 4분할 포토다이오드로부터 나오는 출력값을 연산 하는 회로를 제작하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
마이크로 캔틸레버의 굽힘을 측정하기 위해 선행연구에서 사용한 광학 디스크드라이브의 광픽업헤드의 단점은? 광픽업헤 드는 광학부품들이 일체형으로 구성되어 컴팩트한 구조의 마이크로 캔틸레버의 굽힘 측정시스템을 가지는 원자현미경 제작이 가능하게 되었다. 그러나 앞서 발표된 두 연구에서 사용된 광픽업헤드는 포토다이오드의 광축과 대물렌즈의 광축이 일직선상에 있는 형태로 측정하고자 하는 시편을 직접적으로 볼 수 없기 때문에, 시편의 초기측정 위치 결정에 있어 부가적인 광학현미경이나 장치가 필요한 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 광픽업헤드를 이용하여 구조가 컴팩트하며, 동시에 시편의 위치를 직접적으로 확인이 가능한 형태의 굽힘 측정시스템을 제안한다.
마이크로 캔틸레버의 굽힘 발생 원인은? 원자현미경은 시편의 높이정보를 마이크로캔틸 레버의 굽힘 측정을 통해 얻는 방식으로 마이크로 캔틸레버의 굽힘은 시편과의 접촉, 비접촉, 태핑방법에 의해 발생하게 된다. 따라서 마이크로 캔틸레버의 굽힘을 측정하는 기술은 원자현미경 에서 주요핵심 기술이라 할 수 있다.
마이크로 캔틸레버 굽힙 측정 방식 중 옵티컬 레버 방식의 단점은? 굽힘측정에는 주로 옵티컬 레버(optical lever) 방식(1)과 간섭현상에 기초한 방식(2)이 사용되었는데, 전자는 높은 분해능을 얻기 위해서 광경로가 길어 져야하는 단점이 있으며, 후자는 간섭 현상을 일으 키기 위해 마이크로캔틸레버에 추가적인 슬릿의 가공이 필요하거나, 간섭계용 광학 요소의 사용으로 비용이 증가하는 단점이 있다. 특히, 기존의 방식에 서는 마이크로캔틸레버의 교체시마다 레이저, 포토 다이오드 등의 광학요소의 위치 조정이 필요하기 때문에 이를 위한 위치조절기구의 설치로 인해서 원자현미경의 프로프헤드의 부피가 커지고, 구조가 복잡해지는 문제가 있다.
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참고문헌 (5)

  1. U.S. Patent, 5,440,920, 1995, Scanning Force Microscope with Beam Tracking Lens. 

  2. Shusteff, M., Burg, T.P. and Manalis, S. R., 2006, "Measuring Boltzmann's Contstant with a Low-Cost Atomic Force Microscope: An Undergraduate Experiment," Am. J. Phys. 74, 10, pp.873-879. 

  3. Quercioli, F., Tiribilli, B., Ascoli, C., Baschieri, P. and Frediani, C., 1999, "Monitoring of an Atomic Force Microscope Cantilever with a Compact Disk Pickup," Rev. Sci. Instrum., Vol. 70, pp. 3620-3624. 

  4. Hwu, E.-T., Huang, K.-Y., Hung, S.-K. and Hwang, I.-S., 2006, "Measurement of Cantilever Displacement Using a Compact Disk/Digital Versatile Disk Pickup Head," Jpn. J. Appl. Phys., Vol.45, pp.2368-2371. 

  5. Lee, S.H. and Jung, K. S., 2008, "Precision Displacement Measurement Using Astigmatism," Trans. of the KSPE, Vol. 25, No. 7, pp. 87-94. 

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