基于主动隔振的扫描电子显微镜性能优化探讨

引言

随着人类观测与测量技术的进步，目前*先进的观察与测量手段已经前进到了纳米甚至亚纳米时代。其中扫描电子显微镜（SEM）以其相对简单灵活的操作方式和广泛的附加探测手段，受到了各行各业的青睐。尤其是冷冻电镜的发明，为生命科学带来了全新的视角。

然而，随着各种扫描电子显微镜能力的提升，其使用条件也相应随之改变。时至今日，如果想要使用好SEM，就需要特别考虑其运行环境的振动问题。

SEM 的工作原理

扫描电子显微镜是一类典型的单点测量设备。可以认为，它是电子探针（EPMA）设备的升级版本。它的基本原理主要有两块：1、将电子束进行聚焦，以焦点位置与待测样品进行相互作用；2、通过移动载物台（粗调）或偏移电子束（微调）的方式，对样品进行面成像。

相比电子探针，扫描电子显微镜的焦斑尺寸从前者的微米量级进化到了纳米甚至亚纳米级别，这是扫描电子显微镜能够提供纳米尺度分辨率的直接原因。当然这里也必须指出，到了纳米和亚纳米级别，扫描电镜的分辨率已经不能直接等于焦斑尺寸，本文不再赘述。

扫描电镜配备不同用途的单点探测器，以收集电子束焦斑与物质相互作用产生的各种信号，比如背散射电子BSE、二次电子SE、俄歇电子、X 射线到红外光的光子。这些信号绝大多数都不包含二维空间信息，可以认为是电子束作用区域的总和的信号。

为了达成纳米尺度的分辨率，SEM 主要使用偏移电子束进行面成像，也可联合载物台进行图像拼接。偏移电子束的*高精度一般在亚纳米级别，而载物台一般是由机械+压电陶瓷驱动的，其运动精度视设备的分辨率从几纳米到几百纳米不等。

SEM 按安装方式大致分为桌面式SEM 和大型SEM。按照电子枪的特性分为钨灯丝电镜和场发射电镜，其中场发射电镜又分为冷场发射电镜和热场发射电镜。按照具体应用特性，SEM 还可分为传统电镜、低电压电镜、冷冻电镜等等。

SEM 抗振动理论简述

日常环境下，我们周围的环境有很多振动源。其总和振幅在微米到毫米级别。而一台SEM 允许力回路产生的位移应当远小于其标称分辨率。因此一台SEM 在设计初期就需要考虑抗振动的结构。

一台超高精密的仪器设备，对待振动一般有两种处理手段：对于高频振动，可以较为容易地控制振动的振幅到远小于纳米的尺度；对于低频振动，控制振幅相对比较困难，但可以通过提高回路刚度和重量的比例，使得仪器整体像海上的船一样随着振动上下起伏。但这两种处理方法终将导致一个负面的结果，就是二者的过渡区段，一定会有一个振动频率对设备具有*大的影响。这个频率也可以称为仪器设备的共振频率。

通常设计者至少需要关注两个回路（loop）：力回路Force loop 和测量回路Measure loop 的刚度。对于SEM 来说，力回路可以认为是由电子枪——磁透镜与载物台上的物质构成的回路；测量回路可以认为是探测器与信号发生位置构成的回路。由于单点类探测器对纳米级别晃动的不敏感，测量回路的精度可远低于力回路的精度，因此本文不再予以考虑。

SEM 安装时一般会统筹考虑安装点振动的情况。大型高*SEM，通常会自带精密的气浮减震装置，并且采用一楼或地下室作为设备场地。此时150Hz 以上的振动通常不会超标。桌面型的SEM 适用于灵活的试验环境。虽然振动状况不太受控，但由于一般的桌面型SEM 分辨率较低，扫描速度较快，相对而言可以忍受较为恶劣的振动环境。

SEM 为什么需要主动隔振光学平台？

主动光学平台主要是为了应对150Hz 以下的超低频振动。

150Hz 以上的振动，振幅相对小，传播距离较近。通常由各种不同等级的气浮平台，以及挖地台之类隔绝振动源的方式即可显著降低。但150Hz 以下，特别是50Hz 以下的振动，上述方案效果很差。1-5Hz 的振动甚至可由振源处传播超过几十上百公里，例如机场、火车或者地铁，可以有效影响整个城市。因此超低频振动难以被隔绝和控制。虽然在同等振幅下，超低频振动的加速度很小，但当振幅达到一定量级的时候，人类早期的应付振动的方法就显得无力了。

随着电子技术的发展，人们发现闭环的电子系统较为适合解决低频振动的问题。主动隔振光学平台由“探测——自适应滤波——反馈预测算法——主动补偿——探测”循环为基本原理设计。从主动补偿方式上有三种技术路径：直线电机法、静电法和压电法。三者补偿幅度依次降低；可响应频率依次增高。

SEM 需要主动隔振平台主要有两种场景：

1) 大型SEM 场地补偿。大型SEM 通常自带精密气浮装置，且场地经过选址和处理，通常高频振动已经无须处理。但大型SEM的共振点通常设置在1-10Hz，这一段振动超标的几率很大。大学和Fab 芯片工厂等用户只能适度考虑设备选址，但通常其候选位置是极为有限的。因此共振点附近的振动超标是经常出现的。此时有且仅有主动隔振平台能够起到一定的作用，且主动隔振平台并不能完*替代场地选址。

2) 桌面式SEM 因为应用场景，遭遇过于恶劣的场地环境。桌面SEM 虽然对振动环境要求较低，但桌面SEM 的应用场景是更加恶劣的。当环境振动情况恶劣到一定程度，桌面式SEM同样也需要气浮平台+主动隔振平台的帮助以获得正常工作的振动环境。

主动隔振光学平台

北京卓立汉光仪器有限公司针对高精密测试设备提供桌面式隔振台和主动隔振桌等主动隔振光学平台。桌面式隔振台包括Accurion i4 和Accurion Nano 系列，主动隔振桌包括Workstation_i4 和Workstation_Vario 系列。

Accurion i4 系列

i4 是一种先进的主动隔振台，它可抵消敏感设备的不必要振动和其他干扰对高精度测量设备产生的影响。具有低剖面低碳设计、操作简单、稳定时间短、弱的低频共振等特点。隔振从0.6Hz 开始，在10 Hz 时达到*佳效果，40 分贝，99%的振动被隔离。另外，低频共振是主动减震台和被动减震台的*大区别，在低频率震动中，被动隔震台将会放大振动而不是隔离振动。隔震台的工作不需要压缩空气，只需要供应电源的插座。在六个自由度的方向上，i4 系列隔震台都提供了主动补偿，以实现隔震效果。

图 Accurion i4 系列主动隔振台

·六个自由度主动隔振

·无低频共振 - 低频范围内具有优异的隔振特性

·低至0.6Hz 开始主动隔振(>200Hz 被动隔振）

·只需0.3 秒的设置时间

·自动调节负载

·因固有刚度具有高度的位置稳定性

·接电即可，无需压缩空气

·真正的主动隔振：即时产生反作用力来抵消振动

·广泛的适用范围: 拥有标准化

·适用于多种应用的多功能隔离系统

Accurion Nano 系列

Nano 系列主动隔振台的设计适用于小型和轻量的隔振应用，例如用作原子力显微镜的隔振。该系统不需要任何负载调整，只需释放运输锁就可以使用，用户不需要进一步的操作。设计简单，价格实惠，此外，有一个较小的外部控制器，通过数据线连接到隔振台，这样设计的优点是隔振台本身不会产生热量，因此不会对隔振仪器产生影响，这对于在隔音罩内使用并且对热敏感的应用非常重要。

控制器远离被隔振的仪器，以消除控制器电子器件产生的潜在电磁干扰。

主动隔振台有专门设计的焊接钢架结构承重桌，这是可选附件。承重桌具有很高的水平和垂直刚度，是主动隔振台实现优*隔离性能的理想实验桌。用户可以根据实际需要，选取不同尺寸的承重桌。

图 Nano 系列主动隔振台

·六个自由度主动隔振

·无低频共振 - 低频范围内具有优异的隔振特性

·低至0.7Hz 开始主动隔振(>200Hz 被动隔振）

·接电即可，无需压缩空气

·简单操作，无需负载调整

·只需0.3 秒的设置时间

·小型、轻量、超精确需求的理想解决方案。

·主动隔振桌采用高强度材料和坚固的结构设计，具有优异的稳定性

·外部控制单元

Workstation_i4 和Workstation_Vario 系列

Workstation_i4 设计用于与光学显微镜或显微镜/SPM 组合一起使用。 隔离表面由防刮MDF 板包围，方便扶手或作为存储区域。根据客户要求，三个i4 版本中的任何一个都可以集成到工作站中。

Workstation_Vario 系统配有钢框架嵌入式光学实验板作为工作桌面。具有扩展性，周边框架可用于隔音罩的安装。与Workstation_i4 相比，这些版本适用于更大、更重的应用程序。

·六个自由度主动隔振

·无低频共振 - 低频范围内具有优异的隔振特性

·自动调节负载和运输锁定

·只需0.3 秒的设置时间

·接电即可，无需压缩空气

·符合人体工学的座椅

·因固有刚度具有高度的位置稳定性

·广泛的适用范围: 拥有标准化

相关应用

SEM 通过扫描物样表面并检测从样品表面反射回来的电子来获取样品的形貌信息，并利用其高分辨率和高放大倍数能够提供关于样品的详细结构的信息，可以被应用于很多领域：

（1）材料科学

金属材料方面，SEM 可以用于分析金属的晶体形貌、结构和尺寸分布，从而帮助优化材料的性能。另外，SEM 还可以用于研究陶瓷材料、聚合物材料以及复合材料等其他材料的形貌和结构。

SEM 在金属失效分析中的应用（图片来源于网络）

（2）生物学

SEM 可以用于观察生物样品的微观形貌，例如细胞、细胞器、细菌、病*等。利用SEM 的高分辨率和快速成像功能，研究者可以获得样品的真实形貌，并进一步了解生物系统的结构和功能。例如，可以利用SEM 观察细胞表面微结构的变化、细胞分裂过程中的细胞形态变化等。

SEM 深入观察生物样品微观结构（图片来源于网络）

（3）地质领域

SEM 可以用于分析岩石和矿物的形貌、组成以及微观结构，从而帮助研究者了解地质样品的成因和演化历史。此外，SEM 还可以用于进行环境和污染监测，例如观察和分析大气颗粒物、土壤微观结构以及水样中的微生物等。

SEM 用于地质样品观察（图片来源于网络）

（4）纳米科学

在纳米科学和纳米技术研究中，SEM 被广泛用于观察和研究纳米材料的表面形貌、尺寸分布以及形貌与性能之间的关系。通过SEM 的成像功能，可以观察到纳米材料的纳米颗粒、纳米管、纳米片等纳米结构的形态和尺寸，并进一步了解纳米材料的特殊性能。

图片来源于网络

总 结

北京卓立汉光仪器有限公司推出的主动隔振光学平台能提供高稳定性环境，对于扫描电子显微镜等高精度光学仪器的使用至关重要，为广大科研工作者的科学研究带来强有力稳定性支撑。

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