Назначение
Комплекс метрологический для измерения топологии клеточных структур и распределения показателя преломления в нанобиотехнологических процессах (далее - комплекс) предназначен для измерения геометрических параметров методом атомно-силовой микроскопии и показателя преломления методом интерференционной микроскопии изолированных функционирующих клеток и клеточных структур.
Область применения - контроль изделий бионанотехнологий и продукции бионаноиндустрии.
Описание
Комплекс состоит из двух установок: микроскопа сканирующего зондового Ntegra SPECTRA зав. № 001 и микроскопа интерференционного автоматизированного МИА-1 зав. № 002. В основе установки Ntegra SPECTRA лежит измерительная головка атомно-силового микроскопа (АСМ). АСМ реализует принцип измерений силы, действующей на острие микрозонда (кантилевера) со стороны исследуемой поверхности, как проводящих, так и диэлектрических сред. Поддерживая с помощью обратной связи постоянной силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца, регистрируют положение острия микрозонда, что позволяет измерять геометрические параметры исследуемого объ-
екта. Сканирование в различных диапазонах обеспечивается с помощью заменяемых пьезосканеров. Использование емкостных датчиков в процессе сканирования позволяет уменьшить влияние нелинейности пьезосканера.
Конструкция блока подвода и сканирования Ntegra SPECTRA обеспечивает ручной и автоматический подвод образца к зонду; установку АСМ головки на блок подвода без дополнительных приспособлений; простую процедуру замены и установки сканера и держателя образца. Прибор позволяет проводить сканирование как зондом или образцом, так и комбинированно на воздухе, в газовой и жидкой средах.
Конструктивно Ntegra SPECTRA выполнена в виде настольных приборов с отдельно устанавливаемым компьютером. Управление процессом измерений осуществляется от контроллера и PC совместимого компьютера с помощью программного обеспечения. Управляющие сигналы от АСМ контроллера поступают в измерительную головку. Управление АСМ-контроллером осуществляется с помощью компьютерного программного обеспечения посредством специальной PCI-платы или интерфейса USB 2.0. При помощи программного обеспечения осуществляется настройка прибора, оптимизация его параметров, управление режимами работы, выполнение сканирования, обработка результатов измерений и их хранение.
Принцип действия микроскопа интерференционного автоматизированного МИА-1 основан на получении интерферограмм исследуемого объекта при различных фазовых сдвигах, их расшифровки и вычислении по ним показателя преломления.
Конструктивно прибор выполнен в виде двух блоков автоматизированного интерференционного микроскопа и осветительного лазерного блока.
Для расшифровки интерферограмм в микроскопе МИА-1 использован метод дискретного фазового сдвига (метод фазовых шагов). Сдвиг вносится при помощи управляемого от компьютера пьезоэлемента, связанного с зеркалом опорного канала. Интерферограммы при различных положениях зеркала с помощью ПЗС-телекамеры поступают в персональный компьютер, где производится их автоматическая обработка.
Для управления вводом изображений, сдвигом пьезоэлемента и расшифровки интерферограмм используется специальное программное обеспечение «WinPhast». В результате работы программы производится восстановление двумерного распределения оптической разности хода. Для вычисления показателя преломления исследуемого вещества используется двухиммерсионный метод. Он основан на измерении оптической разности хода двух веществ: с известным показателем преломления и с искомым. Далее по полученным двумерным распределениям оптической разности хода определяются фазовые объемы, отношение которых дает показатель преломления.
Комплекс обеспечивает измерение геометрических параметров и показателя преломления исследуемого объекта.
Программное обеспечение входящих в комплекс установок выполнено в виде отдельно запускаемых модулей и обеспечивает защиту от влияния на метрологические характеристики, а также непреднамеренных и преднамеренных изменений.
Технические характеристики
Таблица 1
| Наименование характеристики | Значение характеристики |
| 1 | 2 |
| Диапазон измерений линейных размеров в плоскости XY, мкм | от 0 до 90 |
| Диапазон измерений линейных размеров по оси Z, мкм | от 0 до 10 |
| Пределы допускаемой относительной погрешности измерений линейных размеров в плоскости XY, % | ±1 |
| ' Пределы допускаемой относительной погрешности измерений ! линейных размеров по оси Z, % | ±5 |
| ! Нелинейность сканирования в плоскости XY, %, не более | 0,5 |
| Неплоскостность сканирования в плоскости XY, нм, не более | 100 |
| Разрешение в плоскости XY, нм, не более | 0,15 |
| Разрешение по оси Z, нм, не более | 0,1 |
| Дрейф в плоскости XY, А/с, не более | 2 |
| , Дрейф по оси Z, А/с, не более | 1,5 |
| ; Максимальное число точек сканирования по X и Y | 4000x4000 |
| ; Размеры исследуемых образцов (диаметр х толщина), мм | 100 х 20 |
| i Диапазон измерений показателя преломления | от 1,39 до 1,65 |
| i Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения показателя преломления | ±5 -10 5 |
| Напряжение питания переменного тока, В | 220±22 |
| Потребляемая мощность, Вт, не более - микроскоп сканирующий зондовый Ntegra SPECTRA - микроскоп интерференционный автоматизированный МИА-1 | 240 250 |
| Габаритные размеры, мм - электронный блок Ntegra SPECTRA - микроскоп сканирующий зондовый Ntegra SPECTRA - микроскоп интерференционный автоматизированный МИА-1 | 445x160x500 240x345x280 340x370x380 |
| Масса, кг, не более - микроскоп сканирующий зондовый Ntegra SPECTRA - микроскоп интерференционный автоматизированный МИА-1 | 60 24 |
| Условия эксплуатации: - температура окружающего воздуха, °C - атмосферное давление, кПа - относительная влажность воздуха, % | 20±5 101±4 65±20 |
Знак утверждения типа
Знак утверждения типа наносят на титульный лист руководства по эксплуатации типографским способом.
Комплектность
Комплект поставки соответствует таблице 2.
Таблица 2
| Наименование | Кол-во, шт. |
| Микроскоп сканирующий зондовый Ntegra SPECTRA | 1 |
| Микроскоп интерференционный автоматизированный МИА-1 | 1 |
| Руководство по эксплуатации микроскопа сканирующего зондового Ntegra SPECTRA | 1 |
| Руководство по эксплуатации микроскопа интерференционного автоматизированного МИА-1 | 1 |
| Методика поверки | 1 |
Поверка
Поверка комплекса проводится в соответствии с документом «Комплекс метрологический для измерения топологии клеточных структур и распределения показателя преломления в нанобиотехнологических процессах. Методика поверки», утвержденным ГЦИ СИ ФГУП «ВНИИОФИ» в октябре 2010 г.
Основные средства поверки:
• мера периода и высоты линейная TGQ1 ТУ 3932-012-40349675-2009 (ГР № 41680-09). Номинальное значение шага шаговой структуры меры 3,00 мкм, допустимое отклонение от номинального значения шага периодической структуры не более ±0,01 мкм. Высота профиля 0,020 мкм, пределы допускаемых значений абсолютной погрешности определения высоты выступов в шаговых структурах не более ±0,002 мкм;
• мера периода и высоты линейная TGZ3 ТУ 3932-013-40349675-2009 (ГР № 41678-09). Номинальное значение шага шаговой структуры меры 3,00 мкм, допустимое отклонение от номинального значения шага периодической структуры не более ±0,01 мкм. Высота профиля 0,520 мкм, пределы допускаемых значений абсолютной погрешности определения высоты выступов в шаговых структурах не более ±0,020 мкм;
• набор жидких мер показателя преломления РЖЭ-1 ТУ 4437-00640001819-03 (ГР № 24513-03). Диапазон показателя преломления
1.385 - 1.659, предел допускаемой абсолютной погрешности измерения показателя преломления не более ±0,00003
Межповерочный интервал - один год.
Нормативные документы
1. ГОСТ Р 8.630-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика поверки».
2. ГОСТ Р 8.628-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления»
3. Техническая документация ЗАО «Нанотехнология МДТ», г. Зеленоград
Заключение
Тип «Комплекс метрологический для измерения топологии клеточных структур и распределения показателя преломления в нанобиотехнологических процессах», утвержден с техническими и метрологическими характеристиками, приведенными в настоящем описании типа, и метрологически обеспечен в эксплуатации.
