引言

隨著人類觀測(cè)與測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，目前*先進(jìn)的觀察與測(cè)量手段已經(jīng)前進(jìn)到了納米甚至亞納米時(shí)代。其中掃描電子顯微鏡（SEM）以其相對(duì)簡(jiǎn)單靈活的操作方式和廣泛的附加探測(cè)手段，受到了各行各業(yè)的青睞。尤其是冷凍電鏡的發(fā)明，為生命科學(xué)帶來(lái)了全新的視角。

然而，隨著各種掃描電子顯微鏡能力的提升，其使用條件也相應(yīng)隨之改變。時(shí)至今日，如果想要使用好SEM，就需要特別考慮其運(yùn)行環(huán)境的振動(dòng)問題。

SEM 的工作原理

掃描電子顯微鏡是一類典型的單點(diǎn)測(cè)量設(shè)備。可以認(rèn)為，它是電子探針（EPMA）設(shè)備的升級(jí)版本。它的基本原理主要有兩塊：1、將電子束進(jìn)行聚焦，以焦點(diǎn)位置與待測(cè)樣品進(jìn)行相互作用；2、通過移動(dòng)載物臺(tái)（粗調(diào)）或偏移電子束（微調(diào)）的方式，對(duì)樣品進(jìn)行面成像。

相比電子探針，掃描電子顯微鏡的焦斑尺寸從前者的微米量級(jí)進(jìn)化到了納米甚至亞納米級(jí)別，這是掃描電子顯微鏡能夠提供納米尺度分辨率的直接原因。當(dāng)然這里也必須指出，到了納米和亞納米級(jí)別，掃描電鏡的分辨率已經(jīng)不能直接等于焦斑尺寸，本文不再贅述。

掃描電鏡配備不同用途的單點(diǎn)探測(cè)器，以收集電子束焦斑與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種信號(hào)，比如背散射電子BSE、二次電子SE、俄歇電子、X 射線到紅外光的光子。這些信號(hào)絕大多數(shù)都不包含二維空間信息，可以認(rèn)為是電子束作用區(qū)域的總和的信號(hào)。

為了達(dá)成納米尺度的分辨率，SEM 主要使用偏移電子束進(jìn)行面成像，也可聯(lián)合載物臺(tái)進(jìn)行圖像拼接。偏移電子束的*高精度一般在亞納米級(jí)別，而載物臺(tái)一般是由機(jī)械+壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的，其運(yùn)動(dòng)精度視設(shè)備的分辨率從幾納米到幾百納米不等。

SEM 按安裝方式大致分為桌面式SEM 和大型SEM。按照電子槍的特性分為鎢燈絲電鏡和場(chǎng)發(fā)射電鏡，其中場(chǎng)發(fā)射電鏡又分為冷場(chǎng)發(fā)射電鏡和熱場(chǎng)發(fā)射電鏡。按照具體應(yīng)用特性，SEM 還可分為傳統(tǒng)電鏡、低電壓電鏡、冷凍電鏡等等。

SEM 抗振動(dòng)理論簡(jiǎn)述

日常環(huán)境下，我們周圍的環(huán)境有很多振動(dòng)源。其總和振幅在微米到毫米級(jí)別。而一臺(tái)SEM 允許力回路產(chǎn)生的位移應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于其標(biāo)稱分辨率。因此一臺(tái)SEM 在設(shè)計(jì)初期就需要考慮抗振動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

一臺(tái)超高精密的儀器設(shè)備，對(duì)待振動(dòng)一般有兩種處理手段：對(duì)于高頻振動(dòng)，可以較為容易地控制振動(dòng)的振幅到遠(yuǎn)小于納米的尺度；對(duì)于低頻振動(dòng)，控制振幅相對(duì)比較困難，但可以通過提高回路剛度和重量的比例，使得儀器整體像海上的船一樣隨著振動(dòng)上下起伏。但這兩種處理方法終將導(dǎo)致一個(gè)負(fù)面的結(jié)果，就是二者的過渡區(qū)段，一定會(huì)有一個(gè)振動(dòng)頻率對(duì)設(shè)備具有*大的影響。這個(gè)頻率也可以稱為儀器設(shè)備的共振頻率。

通常設(shè)計(jì)者至少需要關(guān)注兩個(gè)回路（loop）：力回路Force loop 和測(cè)量回路Measure loop 的剛度。對(duì)于SEM 來(lái)說(shuō)，力回路可以認(rèn)為是由電子槍——磁透鏡與載物臺(tái)上的物質(zhì)構(gòu)成的回路；測(cè)量回路可以認(rèn)為是探測(cè)器與信號(hào)發(fā)生位置構(gòu)成的回路。由于單點(diǎn)類探測(cè)器對(duì)納米級(jí)別晃動(dòng)的不敏感，測(cè)量回路的精度可遠(yuǎn)低于力回路的精度，因此本文不再予以考慮。

SEM 安裝時(shí)一般會(huì)統(tǒng)籌考慮安裝點(diǎn)振動(dòng)的情況。大型高*SEM，通常會(huì)自帶精密的氣浮減震裝置，并且采用一樓或地下室作為設(shè)備場(chǎng)地。此時(shí)150Hz 以上的振動(dòng)通常不會(huì)超標(biāo)。桌面型的SEM 適用于靈活的試驗(yàn)環(huán)境。雖然振動(dòng)狀況不太受控，但由于一般的桌面型SEM 分辨率較低，掃描速度較快，相對(duì)而言可以忍受較為惡劣的振動(dòng)環(huán)境。

SEM 為什么需要主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)？

主動(dòng)光學(xué)平臺(tái)主要是為了應(yīng)對(duì)150Hz 以下的超低頻振動(dòng)。

150Hz 以上的振動(dòng)，振幅相對(duì)小，傳播距離較近。通常由各種不同等級(jí)的氣浮平臺(tái)，以及挖地臺(tái)之類隔絕振動(dòng)源的方式即可顯著降低。但150Hz 以下，特別是50Hz 以下的振動(dòng)，上述方案效果很差。1-5Hz 的振動(dòng)甚至可由振源處傳播超過幾十上百公里，例如機(jī)場(chǎng)、火車或者地鐵，可以有效影響整個(gè)城市。因此超低頻振動(dòng)難以被隔絕和控制。雖然在同等振幅下，超低頻振動(dòng)的加速度很小，但當(dāng)振幅達(dá)到一定量級(jí)的時(shí)候，人類早期的應(yīng)付振動(dòng)的方法就顯得無(wú)力了。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)閉環(huán)的電子系統(tǒng)較為適合解決低頻振動(dòng)的問題。主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)由“探測(cè)——自適應(yīng)濾波——反饋預(yù)測(cè)算法——主動(dòng)補(bǔ)償——探測(cè)”循環(huán)為基本原理設(shè)計(jì)。從主動(dòng)補(bǔ)償方式上有三種技術(shù)路徑：直線電機(jī)法、靜電法和壓電法。三者補(bǔ)償幅度依次降低；可響應(yīng)頻率依次增高。

SEM 需要主動(dòng)隔振平臺(tái)主要有兩種場(chǎng)景：

1) 大型SEM 場(chǎng)地補(bǔ)償。大型SEM 通常自帶精密氣浮裝置，且場(chǎng)地經(jīng)過選址和處理，通常高頻振動(dòng)已經(jīng)無(wú)須處理。但大型SEM的共振點(diǎn)通常設(shè)置在1-10Hz，這一段振動(dòng)超標(biāo)的幾率很大。大學(xué)和Fab 芯片工廠等用戶只能適度考慮設(shè)備選址，但通常其候選位置是極為有限的。因此共振點(diǎn)附近的振動(dòng)超標(biāo)是經(jīng)常出現(xiàn)的。此時(shí)有且僅有主動(dòng)隔振平臺(tái)能夠起到一定的作用，且主動(dòng)隔振平臺(tái)并不能完*替代場(chǎng)地選址。

2) 桌面式SEM 因?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)景，遭遇過于惡劣的場(chǎng)地環(huán)境。桌面SEM 雖然對(duì)振動(dòng)環(huán)境要求較低，但桌面SEM 的應(yīng)用場(chǎng)景是更加惡劣的。當(dāng)環(huán)境振動(dòng)情況惡劣到一定程度，桌面式SEM同樣也需要?dú)飧∑脚_(tái)+主動(dòng)隔振平臺(tái)的幫助以獲得正常工作的振動(dòng)環(huán)境。

主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)

北京卓立漢光儀器有限公司針對(duì)高精密測(cè)試設(shè)備提供桌面式隔振臺(tái)和主動(dòng)隔振桌等主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)。桌面式隔振臺(tái)包括Accurion i4 和Accurion Nano 系列，主動(dòng)隔振桌包括Workstation_i4 和Workstation_Vario 系列。

Accurion i4 系列

i4 是一種先進(jìn)的主動(dòng)隔振臺(tái)，它可抵消敏感設(shè)備的不必要振動(dòng)和其他干擾對(duì)高精度測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的影響。具有低剖面低碳設(shè)計(jì)、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定時(shí)間短、弱的低頻共振等特點(diǎn)。隔振從0.6Hz 開始，在10 Hz 時(shí)達(dá)到*佳效果，40 分貝，99%的振動(dòng)被隔離。另外，低頻共振是主動(dòng)減震臺(tái)和被動(dòng)減震臺(tái)的*大區(qū)別，在低頻率震動(dòng)中，被動(dòng)隔震臺(tái)將會(huì)放大振動(dòng)而不是隔離振動(dòng)。隔震臺(tái)的工作不需要壓縮空氣，只需要供應(yīng)電源的插座。在六個(gè)自由度的方向上，i4 系列隔震臺(tái)都提供了主動(dòng)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)隔震效果。

圖 Accurion i4 系列主動(dòng)隔振臺(tái)

·六個(gè)自由度主動(dòng)隔振

·無(wú)低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性

·低至0.6Hz 開始主動(dòng)隔振(>200Hz 被動(dòng)隔振）

·只需0.3 秒的設(shè)置時(shí)間

·自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載

·因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性

·接電即可，無(wú)需壓縮空氣

·真正的主動(dòng)隔振：即時(shí)產(chǎn)生反作用力來(lái)抵消振動(dòng)

·廣泛的適用范圍: 擁有標(biāo)準(zhǔn)化

·適用于多種應(yīng)用的多功能隔離系統(tǒng)

Accurion Nano 系列

Nano 系列主動(dòng)隔振臺(tái)的設(shè)計(jì)適用于小型和輕量的隔振應(yīng)用，例如用作原子力顯微鏡的隔振。該系統(tǒng)不需要任何負(fù)載調(diào)整，只需釋放運(yùn)輸鎖就可以使用，用戶不需要進(jìn)一步的操作。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格實(shí)惠，此外，有一個(gè)較小的外部控制器，通過數(shù)據(jù)線連接到隔振臺(tái)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是隔振臺(tái)本身不會(huì)產(chǎn)生熱量，因此不會(huì)對(duì)隔振儀器產(chǎn)生影響，這對(duì)于在隔音罩內(nèi)使用并且對(duì)熱敏感的應(yīng)用非常重要。

控制器遠(yuǎn)離被隔振的儀器，以消除控制器電子器件產(chǎn)生的潛在電磁干擾。

主動(dòng)隔振臺(tái)有專門設(shè)計(jì)的焊接鋼架結(jié)構(gòu)承重桌，這是可選附件。承重桌具有很高的水平和垂直剛度，是主動(dòng)隔振臺(tái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)*隔離性能的理想實(shí)驗(yàn)桌。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，選取不同尺寸的承重桌。

圖 Nano 系列主動(dòng)隔振臺(tái)

·六個(gè)自由度主動(dòng)隔振

·無(wú)低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性

·低至0.7Hz 開始主動(dòng)隔振(>200Hz 被動(dòng)隔振）

·接電即可，無(wú)需壓縮空氣

·簡(jiǎn)單操作，無(wú)需負(fù)載調(diào)整

·只需0.3 秒的設(shè)置時(shí)間

·小型、輕量、超精確需求的理想解決方案。

·主動(dòng)隔振桌采用高強(qiáng)度材料和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性

·外部控制單元

Workstation_i4 和Workstation_Vario 系列

Workstation_i4 設(shè)計(jì)用于與光學(xué)顯微鏡或顯微鏡/SPM 組合一起使用。 隔離表面由防刮MDF 板包圍，方便扶手或作為存儲(chǔ)區(qū)域。根據(jù)客戶要求，三個(gè)i4 版本中的任何一個(gè)都可以集成到工作站中。

Workstation_Vario 系統(tǒng)配有鋼框架嵌入式光學(xué)實(shí)驗(yàn)板作為工作桌面。具有擴(kuò)展性，周邊框架可用于隔音罩的安裝。與Workstation_i4 相比，這些版本適用于更大、更重的應(yīng)用程序。

·六個(gè)自由度主動(dòng)隔振

·無(wú)低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性

·自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載和運(yùn)輸鎖定

·只需0.3 秒的設(shè)置時(shí)間

·接電即可，無(wú)需壓縮空氣

·符合人體工學(xué)的座椅

·因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性

·廣泛的適用范圍: 擁有標(biāo)準(zhǔn)化

相關(guān)應(yīng)用

SEM 通過掃描物樣表面并檢測(cè)從樣品表面反射回來(lái)的電子來(lái)獲取樣品的形貌信息，并利用其高分辨率和高放大倍數(shù)能夠提供關(guān)于樣品的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的信息，可以被應(yīng)用于很多領(lǐng)域：

（1）材料科學(xué)

金屬材料方面，SEM 可以用于分析金屬的晶體形貌、結(jié)構(gòu)和尺寸分布，從而幫助優(yōu)化材料的性能。另外，SEM 還可以用于研究陶瓷材料、聚合物材料以及復(fù)合材料等其他材料的形貌和結(jié)構(gòu)。

SEM 在金屬失效分析中的應(yīng)用（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

（2）生物學(xué)

SEM 可以用于觀察生物樣品的微觀形貌，例如細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)菌、病*等。利用SEM 的高分辨率和快速成像功能，研究者可以獲得樣品的真實(shí)形貌，并進(jìn)一步了解生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。例如，可以利用SEM 觀察細(xì)胞表面微結(jié)構(gòu)的變化、細(xì)胞分裂過程中的細(xì)胞形態(tài)變化等。

SEM 深入觀察生物樣品微觀結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

（3）地質(zhì)領(lǐng)域

SEM 可以用于分析巖石和礦物的形貌、組成以及微觀結(jié)構(gòu)，從而幫助研究者了解地質(zhì)樣品的成因和演化歷史。此外，SEM 還可以用于進(jìn)行環(huán)境和污染監(jiān)測(cè)，例如觀察和分析大氣顆粒物、土壤微觀結(jié)構(gòu)以及水樣中的微生物等。

SEM 用于地質(zhì)樣品觀察（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

（4）納米科學(xué)

在納米科學(xué)和納米技術(shù)研究中，SEM 被廣泛用于觀察和研究納米材料的表面形貌、尺寸分布以及形貌與性能之間的關(guān)系。通過SEM 的成像功能，可以觀察到納米材料的納米顆粒、納米管、納米片等納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)和尺寸，并進(jìn)一步了解納米材料的特殊性能。

圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

總 結(jié)

北京卓立漢光儀器有限公司推出的主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)能提供高穩(wěn)定性環(huán)境，對(duì)于掃描電子顯微鏡等高精度光學(xué)儀器的使用至關(guān)重要，為廣大科研工作者的科學(xué)研究帶來(lái)強(qiáng)有力穩(wěn)定性支撐。

相關(guān)產(chǎn)品