Técnicas de loop aberto e fechado

    A falta de linearidade nos piezelétricos pode ser minimizada de diversas maneiras. Na técnica chamada de loop aberto o sistema de SPM é programado de forma tal que o comportamento não linear das cerâmicas é corrigido por meio de software, seja durante a varredura, seja após a aquisição da imagem. Existem vários métodos de loop aberto. O mais simples é usar voltagens não lineares sobre as cerâmicas dos scanners. O efeito é causar um deslocamento das cerâmicas tornando-as aproximadamente lineares com o tempo, assim como conseguir uma conseqüente varredura também linear. Este método já é conhecido e usado há muito tempo mas tem a desvantagem de que deve ser feita uma correção diferente para cada tamanho e/ou ângulo de varredura, inclusive para cada velocidade de varredura. Outro método é corrigir a imagem após a sua aquisição, medindo uma amostra conhecida e calculando os parâmetros que dariam uma imagem "verdadeira". Usando os mesmos parâmetros de varredura sobre uma amostra desconhecida, o computador os usaria para corrigir a imagem.

    As soluções por software são simples e relativamente fáceis de serem implementadas. A principal desvantagem delas é que só corrigem parcialmente a falta de linearidade. Existem soluções por hardware utilizando um controle externo com sensores. Estes métodos são muito eficazes e com eles a falta de linearidade é reduzida a menos de 1%.

    Na técnica do loop fechado usa-se um sensor para medir o movimento real do scanner e levar a cerâmica a produzir deslocamentos lineares dele. Os métodos normalmente usados para correção por loop fechado incluem correção ótica, isto é, uma luz passa através de uma fenda montada sobre o scanner, e é medida em um fotodetector de duas seções. O sinal do fotodetector é proporcional ao movimento do scanner.

    Há também soluções que incluem medidas de capacitância, nas quais placas capacitoras são postas sobre o scanner e numa posição perto dele. Quando o scanner se move, a variação da capacitância entre essas duas placas é medida e relacionada com o deslocamento do scanner.

    Por último, usam-se medidas com medidores de esforço (strain gauge) que são montados nas cerâmicas x, y e z do scanner. Quando as cerâmicas se deformam para fazer a varredura, os medidores fornecem um sinal que é proporcional ao deslocamento. Este sinal é usado para produzir movimentos lineares do raster piezelétrico.

Scanners.

    Os scanners de SPM são desenhados para diferentes amplitudes máximas de varredura. A amplitude apropriada é escolhida dependendo da medida do que se quer ver. Como já dissemos, existem diferentes tipos de scanners. Os mais comuns são os tripoides e os tubulares. Os tripoides consistem justamente na montagem de três cerâmicas piezelétricas nessa geometria, num arranjo ortogonal. Na figura 51 vemos dois tipos de scanners.

    Os instrumentos TopoMetrix têm uma versão modificada da forma tripoide, com um acoplamento mecânico entre as cerâmicas x, y e z. O piezo z é controlado separadamente dos outros e não está limitado pelas dimensões físicas das cerâmicas x e y. O desenho do tripoide modificado tem as seguintes vantagens:

Tamanho compacto. Com um scanner compacto podem ser varridas grandes áreas devido ao efeito do suporte mecânico das cerâmicas x e y, que empurra para cima o ponto pivot que segura a cerâmica z.

Figura 51 A:  Scanner tripoide

Figura 51B:  Scanner tubular.

Movimento simples. A amostra traça uma figura circular previsível enquanto é varrida. A distorção resultante, ou "bowing" (inclinação) para fora do plano da amostra é relativamente pequena e fácil de corrigir.

Tempo de resposta. As cerâmicas juntas deste design têm uma resposta temporal muito rápida. Isto permite velocidades de varreduras mais rápidas, as quais minimizam os efeitos não lineares.

Dureza mecânica. O design básico do scanner tripoide, combinado com suas medidas compactas, resulta em uma estrutura mecânica extremamente dura, que é essencial para o controle dos pequenos movimentos de um SPM.

Desacoplamento do eixo z (das amplitudes de varredura x e y). Já que se utilizam diferentes cerâmicas para varrer o eixo z e o plano (x,y), a falta de linearidade dos piezelétricos, produzida pelo raster x, não distorce os movimentos em y e/ou em z. Os três piezos separados também permitem que a amplitude em z seja independente da extensão da varredura no plano (x,y).

Os scanners tubo operam por deformação do próprio tubo. Os movimentos na direção z são feitos por estiramento e na direção x e y por deformação. Em um tubo há eletrodos para o movimento em x e em y (ver figura 51B) colocados ao redor da parte externa dele. Para dobrar o tubo na direção x, se energiza a cerâmica +x para dilatar um lado dele. A cerâmica -x é contraída. Isto causa a deformação do tubo na direção x. O mesmo princípio é usado para gerar movimento na direção y. Estes dois movimentos são proporcionais à voltagem aplicada e ao quadrado do comprimento do tubo. O movimento na direção z é gerado por energização de um eletrodo localizado no centro do tubo. O resultado é um estiramento do tubo como um todo, que é proporcional ao comprimento do tubo e à voltagem aplicada.

As vantagens de um scanner tubo são:

Desenho simples. Como os movimentos nas três direções são controlados individualmente, o desenho é muito simples.

Rigidez. Outra vantagem é que a estrutura tubular é rígida devido ao próprio design.

Linearidade. Ele é muito linear em pequenas amplitudes de varredura.

Entretanto, o tubo tem diversas desvantagens:

Ele deve ser grande em tamanho, para varrer grandes amplitudes, já que, quanto maior a varredura requerida, maior deve ser o tubo. Isto resulta numa menor estabilidade mecânica, se compararmos com a do tripoide.

Movimento muito grande fora do plano. Quando a amplitude da varredura é muito grande, a torção do tubo causa movimentos relativamente grandes fora do plano da amostra. A grandeza e o aspecto desta distorção variam com a amplitude da varredura.

Movimento complexo. O movimento de torção do tubo é relativamente complexo se o compararmos com o arco simples de um tripoide. A correção às distorções de curvatura quando o tubo se move nas direções x e y, tais como bowing fora do plano da amostra, é difícil.

Amplitude em z limitada. A amplitude de movimento na direção z é proporcional ao comprimento do tubo, enquanto que as amplitudes em x e y são proporcionais ao quadrado do comprimento. Como resultado disto o scanner pode não ter suficiente amplitude na direção z como para medir grandes alturas. Este problema é mais agudo quando a amostra não está colocada exatamente perpendicular ao tubo.

Resposta temporal. Os tubos são feitos de cerâmicas maciças as quais têm uma resposta temporal relativamente lenta. Em particular, isto é mais notável quando se fazem grandes varreduras, pois nelas, são necessárias grandes variações de voltagem sobre as cerâmicas e isto é um fator de não linearidade. Inclusive, para rotar a direção de varredura requerem-se mudanças rápidas de voltagem que resultam em varreduras não lineares.