Método para determinar la constante de resorte de un dispositivo de viga en voladizo.

Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo que comprende:

ubicar la viga en voladizo en un flujo de fluido procedente de un canal de tal modo que la viga en voladizo se extiende en paralelo con la dirección del flujo de fluido en el canal,

dar lugar a que fluya fluido en el canal,

medir la frecuencia resonante de la viga en voladizo a una o más velocidades del flujo de fluido y calcular la constante de resorte de la viga en voladizo usando la frecuencia resonante medida

Método para determinar la constante de resorte de un dispositivo de viga en voladizo

La presente invención se refiere a la caracterización y el uso de dispositivos de viga en voladizo, en particular de vigas en voladizo para su uso en la microscopía de fuerza atómica.

Antecedentes de la invención

Los cabezales de detección con viga en voladizo se usan en la microscopía de fuerza atómica (AFM, Atomic Forcé Microscopy) para detectar y medir las fuerzas entre el cabezal de detección y una superficie. Esto comporta, en general, realizar una exploración del cabezal de detección a lo largo de una superficie y medir su deflexión. La deflexión del cabezal de detección puede usarse para investigar la topografía de la superficie. Esta también puede usarse para medir las fuerzas que actúan sobre el cabezal de detección tal como las fuerzas que se ejercen sobre la punta por la superficie, fuerzas electrostáticas y fuerzas capilares. Con el fin de medir tales fuerzas usando esta técnica, es necesario conocer la constante de resorte del cabezal de detección con viga en voladizo. Las imprecisiones en la determinación de la constante de resorte pueden conducir a unos errores no aceptables en la medición de fuerza resultante.

La constante de resorte de los cabezales de detección con viga en voladizo puede medirse mediante diversos métodos que incluyen el cálculo teórico, aplicar una masa conocida para desviar de forma estática el cabezal de viga en voladizo, desviar el cabezal con viga en voladizo con otro cabezal con viga en voladizo que tiene una constante de resorte conocida y mediante la determinación de la frecuencia resonante o bien en el vacío o en un baño estático de líquido. Un resumen de los métodos de calibración de la técnica anterior se da en "Caübration of Atomic Forcé Microscopy Cantilevers" de J E Sader en "Encydopaedia of Surface and Colloid Science", publicado por Marcel Dekker Inc Nueva York [2002] página 846.

Estos métodos de la técnica anterior tienen varios problemas. Por ejemplo, en donde se aplica una fuerza usando un peso calibrado u otra viga en voladizo, la punta de la viga en voladizo puede sufrir daños. Esto es particularmente poco ventajoso cuando se usa un cabezal de sonda de viga en voladizo revestida. Esto es de aplicación, por ejemplo, a las sondas que tienen un revestimiento de bio-película tal como las que se usan a menudo en AFM para la investigación biomédica. Puede tener lugar un deterioro de sonda adicional cuando la sonda no puede calibrarse in situ y ha de moverse, calibrarse y volver a instalarse.

Otra desventaja de determinados métodos conocidos es que estos pueden usarse solo con unas configuraciones de viga en voladizo específicas, tal como solo para los cabezales de vigas en voladizo rectangulares. Otras desventajas de los métodos de la técnica anterior incluyen que estos son complicados o difíciles de realizar o dan como resultado imprecisiones debido a las suposiciones realizadas o comportan la necesidad de medir con precisión otras propiedades tales como la masa, el volumen, el perfil o la densidad de la viga en voladizo. Pueden introducirse imprecisiones adicionales por la medición de la constante de resorte en un medio inapropiado tal como aire o vacío.

El documento US 2002/16388 A1 divulga un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo, que comprende ubicar la viga en voladizo en un flujo de fluido de tal modo que la viga en voladizo se extiende en perpendicular con respecto a la dirección del flujo de fluido en el canal, dar lugar a que fluya fluido y medir la frecuencia resonante de la viga en voladizo a una velocidad del flujo de fluido.

Sumario de la invención

De acuerdo con la invención, se proporciona un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo, comportando el método ubicar la viga en voladizo en un canal que está adaptado para permitir el flujo de fluido de tal modo que la viga en voladizo se extiende en paralelo con la dirección del flujo de fluido en el canal, medir la frecuencia resonante de la viga en voladizo a una o más velocidades del flujo de fluido y calcular la constante de resorte de la viga en voladizo usando la frecuencia resonante medida.

El método puede comportar proporcionar el fluido a una presión y/o una caída de presión y/o una velocidad de fluido aplicadas conocidas. Como alternativa, el método puede comportar medir la presión y/o la caída de presión y/o la velocidad de fluido aplicadas del fluido.

La viga en voladizo puede disponerse en relación con el flujo de fluido de tal modo que la presión que se ejerce por el fluido sobre la viga en voladizo es sustancialmente una presión estática.

La relación de la longitud con respecto a la altura del canal puede ser mayor de 20 y, preferiblemente, de entre 20 y 700. El flujo de fluido puede ser un flujo laminar. El flujo de fluido puede ser de tal modo que las fuerzas inerciales que se ejercen por el fluido son despreciables. El flujo de fluido puede ser de tal modo que el número de Reynolds (Re) es menor de 2000.

La viga en voladizo puede ser la viga en voladizo de un microscopio de fuerza atómica. La viga en voladizo puede formar por lo menos parte de una microplaca de viga en voladizo de un microscopio de fuerza atómica.

El fluido puede ser un gas o un líquido. El fluido puede ser nitrógeno.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá solo a modo de ejemplo con referencia a los siguientes dibujos, de los que: la figura 1 muestra un dispositivo de medición de vigas en voladizo;

la figura 2 muestra un diagrama esquemático del flujo de fluido a través del dispositivo de medición de vigas en voladizo de la figura 1;

la figura 3 muestra una viga en voladizo con forma de v para su uso en el dispositivo de medición de vigas en voladizo de la figura 1;

la figura 4 muestra un ejemplo de variación de la amplitud de la vibración de la viga en voladizo de la figura 1 en una escala logarítmica frente a la frecuencia para unas presiones de fluido aplicadas variables; y la figura 5 muestra un ejemplo de la variación de los desplazamientos de resonancia t\(f) de la viga en voladizo de la figura 1 que se miden como una función de la presión aplicada Ap junto con un mejor ajuste parabólico.

Descripción detallada de los dibujos

La figura 1 muestra una célula de medición 5 que tiene un soporte de latón 10 que está conformado para recibir una microplaca de viga en voladizo 15. El soporte 10 está provisto con una ranura 20 que tiene unas paredes laterales 25, 30 y una base 35, que discurren desde un lado 40 del soporte 10 hasta el lado opuesto 45. Cada una de las paredes laterales 25, 30 de la ranura 20 tiene unos escalones 50, 55 que discurren a lo largo de la longitud de la ranura 20 adyacente a la base 35. Los escalones 50, 55 son de tal modo que la microplaca de viga en voladizo 15 puede asentarse sobre los mismos y quedar soportada lejos de la base 35 de la ranura con el fin de definir un canal 60 que tiene una entrada de flujo 65 y una salida 70. La ranura 20 está sellada por una cubierta de vidrio 75, que encierra la microplaca de viga en voladizo 15 en el interior de la ranura 20.

La microplaca de viga en voladizo 15 tiene una viga en voladizo con forma de v 80 que se extiende a partir de una sección de microplaca 85 de tal modo que el vértice 90 de la viga en voladizo 80 apunta lejos de la microplaca 85. El ángulo entre los brazos de la viga en voladizo es de 622. El soporte 10 está conformado y dimensionado de tal modo que la microplaca de viga en voladizo 15 puede colocarse en el interior de la ranura 20 del soporte de tal modo que la viga en voladizo se extiende en paralelo con el canal 60 definido por la microplaca 85 y el soporte 10 y apunta hacia la salida 70 del canal 60. La viga en voladizo 80 está formada de nitruro de silicio revestido con oro.

El canal 60 está dimensionado para tener una sección transversal de 1 mm de ancho y 20 mm de alto. La microplaca 85 está dimensionada para dar un canal 60 de una longitud de 3,5 mm + 1, en donde 1 es la longitud de la viga en voladizo 80. Esto proporciona una relación de la longitud con respecto a la altura para el canal de aproximadamente 180. Esta elevada relación de la longitud con respecto a la altura asegura que el flujo de fluido se ha desarrollado completamente para el momento en el que este alcanza la viga en voladizo 80. La entrada 65 del canal 60 está conectada con un suministro de nitrógeno presurizado por medio de una válvula para ajustar la presión. El nitrógeno proporciona un fluido económico y de fácil acceso que tiene unos parámetros bien definidos y conocidos. Un medidor de presión,... [Seguir leyendo]

1. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo que comprende:

ubicar la viga en voladizo en un flujo de fluido procedente de un canal de tal modo que la viga en voladizo se extiende en paralelo con la dirección del flujo de fluido en el canal, dar lugar a que fluya fluido en el canal,

medir la frecuencia resonante de la viga en voladizo a una o más velocidades del flujo de fluido y calcular la constante de resorte de la viga en voladizo usando la frecuencia resonante medida.

2. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo tal como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende proporcionar el fluido a una presión aplicada y/o una caída de presión y/o una velocidad de fluido y/o un caudal de fluido conocidos.

3. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo tal como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende medir la presión aplicada y/o la caída de presión y/o la velocidad de fluido del fluido y/o el caudal de fluido.

4. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la viga en voladizo está dispuesta en relación con el flujo de fluido de tal modo que la presión ejercida por el fluido sobre la viga en voladizo es sustancialmente estática.

5. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el flujo de fluido es un flujo laminar.

6. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la relación de la longitud con respecto a la altura del canal es mayor de 20.

7. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el flujo de fluido es de tal modo que el número de Reynolds (Re) es menor de 2000 y/o el número de Knudsen es menor de 0,01.

8. Un método para determinar la constante de resorte de una viga en voladizo de un microscopio de fuerza atómica tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.