Forskare vid University of Texas i Dallas har skapat ett atomkraftmikroskop på ett chip, krymper dramatiskt storleken - och, förhoppningsvis, prislappen-för en högteknologisk enhet som vanligtvis används för att karakterisera materialegenskaper.

"Ett vanligt atomkraftsmikroskop är ett stort, skrymmande instrument, med flera kontrollslingor, elektronik och förstärkare, "sa Dr Reza Moheimani, professor i maskinteknik vid UT Dallas. "Vi har lyckats minimera alla de elektromekaniska komponenterna på ett enda litet chip."

Moheimani och hans kollegor beskriver deras prototypenhet i denna månads nummer av IEEE Journal of Microelectromechanical Systems .

Ett atomkraftmikroskop (AFM) är ett vetenskapligt verktyg som används för att skapa detaljerade tredimensionella bilder av materialytor, ner till nanometerskalan - det är ungefär på skalan för enskilda molekyler.

Den grundläggande AFM -designen består av en liten cantilever, eller arm, som har en skarp spets fäst vid ena änden. När apparaten skannar fram och tillbaka över ytan på ett prov, eller provet rör sig under det, de interaktiva krafterna mellan provet och spetsen får cantilever att röra sig upp och ner när spetsen följer ytans konturer. Dessa rörelser översätts sedan till en bild.

"En AFM är ett mikroskop som" ser "en yta som hur en synskadad person kan, genom att röra. Du kan få en upplösning som ligger långt bortom vad ett optiskt mikroskop kan uppnå, "sa Moheimani, som innehar James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology i Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Det kan fånga funktioner som är mycket, väldigt liten."

UT Dallas-teamet skapade sin prototyp på chip-AFM med hjälp av ett tillvägagångssätt för mikroelektromekaniska system (MEMS).

"Ett klassiskt exempel på MEMS -teknik är accelerometrar och gyroskop som finns i smartphones, "sa Dr Anthony Fowler, en forskare i Moheimanis laboratorium för dynamik och kontroll av nanosystem och en av artikelns medförfattare. "Dessa brukade vara stora, dyr, mekaniska anordningar, men med MEMS -teknik, accelerometrar har krympt till ett enda chip, som kan tillverkas för bara några dollar styck. "

Den MEMS-baserade AFM är cirka 1 kvadratcentimeter stor, eller lite mindre än en krona. Det är fäst på ett litet kretskort, ungefär halva storleken på ett kreditkort, som innehåller kretsar, sensorer och andra miniatyriserade komponenter som styr rörelsen och andra aspekter av enheten.

Konventionella AFM fungerar i olika lägen. Vissa kartlägger ett provs funktioner genom att upprätthålla en konstant kraft när sondspetsen drar över ytan, medan andra gör det genom att hålla ett konstant avstånd mellan de två. "Problemet med att använda en konstant höjdmetod är att spetsen applicerar varierande krafter på ett prov hela tiden, som kan skada ett prov som är mycket mjukt, "Sa Fowler." Eller om du skannar en mycket hård yta, du kan slita på spetsen, "

Den MEMS-baserade AFM fungerar i "knackningsläge, "vilket betyder att fribärningen och spetsen svänger upp och ner vinkelrätt mot provet, och spetsen växlar växelvis sedan från ytan. När sonden rör sig fram och tillbaka över ett provmaterial, en återkopplingsslinga håller höjden på den svängningen, i slutändan skapa en bild.

"I knackningsläge, när den oscillerande fribäraren rör sig över ytopografin, oscillationens amplitud vill förändras när den interagerar med provet, "sade doktor Mohammad Maroufi, en forskningsassistent i maskinteknik och medförfattare till uppsatsen. "Den här enheten skapar en bild genom att behålla oscillationsamplituden."

Eftersom konventionella AFM kräver laser och andra stora komponenter för att fungera, deras användning kan begränsas. De är också dyra.

"En utbildningsversion kan kosta cirka $ 30, 000 eller $ 40, 000, och en AFM på laboratorienivå kan köra $ 500, 000 eller mer, "Sade Moheimani." Vår MEMS -strategi för AFM -design har potential att avsevärt minska komplexiteten och kostnaden för instrumentet.

"En av de attraktiva aspekterna med MEMS är att du kan massproducera dem, bygga hundratals eller tusentals av dem i ett skott, så priset för varje chip skulle bara vara några dollar. Som ett resultat, du kanske kan erbjuda hela miniatyr AFM -systemet för några tusen dollar. "

En minskad storlek och prislapp kan också utöka AFM:s verktyg utöver nuvarande vetenskapliga tillämpningar.

"Till exempel, halvledarindustrin kan dra nytta av dessa små enheter, i synnerhet företag som tillverkar kiselskivorna av vilka datorchips tillverkas, "Sade Moheimani." Med vår teknik, du kan ha en rad AFM för att karakterisera skivans yta för att hitta mikrofel innan produkten skickas ut. "Labprototypen är en första generationens enhet, Moheimani sa, och gruppen arbetar redan med sätt att förbättra och effektivisera tillverkningen av enheten.

"Detta är en av de tekniker där, som de säger, 'Om du bygger det, de kommer. ' Vi räknar med att hitta många applikationer när tekniken mognar, "Sa Moheimani.