log Stromverstärker pA - nA

Gast #2856069
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Hallo Leute,

ich habe eine recht spezielle Frage im Bereich Messtechnik:

Wir möchten bei uns ein bestehendes atomic force microscope (AFM) 
umbauen oder erweitern zu einem conductive AFM (c-AFM) die mechanischen 
Vorraussetzungen sind schon gegeben vom Gerät her, elektrisch klappt es 
auch soweit.

Zur Messung wurde bisher ein Keithley 428 Current-Amp verwendet bei 
vers. Gain-Stufen. Diese Ausgangsspannung wird wieder an das AFM 
geleitet (0-10V ADC). Nun ändert sich der Strom während einer Messung 
dramatisch, sprich der Dynamikbereich des Verstärkers reicht nicht aus.

Kommerzielle Geräte nutzen daher logarithmische Verstärker um einen 
größeren Bereich von Strömen abzudecken ohne direkt in die Sättigung zu 
geraten. Ich finde aber leider im Internet nur einzelne ICs oder schöne 
OP Grundlagenschaltungen, weiss aber auch dass gerade bei pA eine selbst 
entwickelte Lösung sehr schwierig ist wenn man keine große Erfahrung 
hierbei hat.

Weiss einer von euch vielleicht wo ich ein solches Gerät kaufen kann?? 
Ich finde einfach keinen Hersteller der soetwas anbietet. Die einzige 
Variante wäre eine zwei-stufige Lösung mit einem log-amp von 
femto.de.....dies würd ich aber gerne umgehen.

Vielleicht kann einer von euch ein bisschen Licht ins Dunkel bringen.

VG
#2856111
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Dynamischer schrieb:

> Wir möchten bei uns ein bestehendes atomic force microscope (AFM)
> umbauen

> Zur Messung wurde bisher ein Keithley 428 Current-Amp verwendet bei
> vers. Gain-Stufen. Diese Ausgangsspannung wird wieder an das AFM
> geleitet (0-10V ADC). Nun ändert sich der Strom während einer Messung
> dramatisch, sprich der Dynamikbereich des Verstärkers reicht nicht aus.

Von welchen Spannungern und Strömen sprichst Du denn? Aus einem
FM kommen eigentlich keine Ströme raus. Oder meinst Du ein
Rastertunnelmikroskop?
Gruss
Harald
Gast #2856163
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Hallo Ihr,

sorry ich habe nicht ausführlich genug erklärt wie der Aufbau 
funktioniert.
Also, das AFM ist mit einer leitenden Spitze ausgestattet und diese ist 
über den Scankopf geerdet. Die Probe hingegen ist über eine 
Kontaktierung auf einer DC Spannung (im Moment vom Keithley vorgegeben) 
im Bereich 1V-2V. Es wird also der Strom durch die Spitze und damit 
durch die Probe lokal aufgelöst syncron zur Topographie aufgezeichnet.

Dieser Strom hängt aber nicht nur von den Schichteigenschaften ab, 
sondern auch von der Kontaktfläche zwischen Probe und Spitze. Daher 
schwankt der Strom über einen großen Bereich.

Ich hoffe dies hilft ein wenig den Aufbau zu verstehen. Hier ein Bild 
vom Prinzip: http://ipc.iisc.ernet.in/~ipcafm/1742.gif
#2856168
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Dynamischer schrieb:

> Also, das AFM ist mit einer leitenden Spitze ausgestattet und diese ist
> über den Scankopf geerdet. Die Probe hingegen ist über eine
> Kontaktierung auf einer DC Spannung (im Moment vom Keithley vorgegeben)
> im Bereich 1V-2V. Es wird also der Strom durch die Spitze und damit
> durch die Probe lokal aufgelöst syncron zur Topographie aufgezeichnet.

Das hört sich aber eher nach einem RTM an.
Gruss
Harald
#2856278
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Dynamischer schrieb:

> Nein, der Messmodus ist im Kontakt-Modus. Keine Tunnelströme oder
> dergleichen....

Bei einem AFM im Kontaktmodus fliessen keine Ströme. Zumal meist
mindestens einer der beiden Kontaktpartner nichtleitend ist.
Anscheinend geht es bei Dir um ein völlig neues Meßverfahren,
das es vor drei Jahren, als ich meine letzten Subnanometermessungen
gemacht habe, noch nicht gegeben hat.
Gruss
Harald
Gast #2856707
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Da es eher nicht auf die absolute Genauigkeit ankommt, könnte man so 
etwas aufbauen wie einen Transimpedanzverstärker mit 1-2 Dioden in der 
Rückkopplung.

Die Schwierigkeit wird eher darin liegen das der Verstärker relativ 
schnell sein muss - man will ja nicht Stunden auf ein Bild warten. Da 
sollte ggf. der Verstärker dicht an die Spitze mit ran um die Kapazität 
klein zu halten. Wenn die Anforderungen an die Dynamik nicht so extrem 
sind, geht ggf. erst ein normaler TIA (dicht an der Spitze) und dann ein 
Logarithmierer einacher bzw. besser - weil dann z.B. die Bandbreite 
weitgehend konstant bleiben kann.
#2856738
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Die meisten "Logamps" die z.B. Analog Devices anbietet, sind 
logarithmische Detektoren wie der AD8307. Es gibt aber auch noch "true 
logamps", z.B. den AD8304 und ADL5306.

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8304.pdf
"160 dB Range (100 pA –10 mA) Logarithmic Converter"

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5306.pdf
"60 dB Range (100 nA to 100 μA) Low Cost Logarithmic Converter"

Die 160dB klingen schon beeindruckend. Es gibt auch ein Eval-Board.
Gast #2857081
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Michael Köhler schrieb:
> Harald Wilhelms schrieb:
>> Bei einem AFM im Kontaktmodus fliessen keine Ströme.
>
> Seh ich auch so. Scheint sich hier wirklich um ein RTM oder aber um ein
> neues Messverfahren zu handeln.

Im ersten Beitrag schreibt er doch:

Dynamischer schrieb:
> Wir möchten bei uns ein bestehendes atomic force microscope (AFM)
> umbauen oder erweitern zu einem conductive AFM (c-AFM)

Siehe z.B.
http://en.wikipedia.org/wiki/Conductive_atomic_force_microscopy
Gast #2858758
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Hallo Leute,

danke für eure Beiträge. Der 160dB IC hört sich schonmal sehr gut an. 
Das Eval-Board ist auch eine tolle Sache ;)

Die Nähe zur Spitze und die Kapazitätsbetrachtungen muss ich mir noch 
genauer angucken!

@Michael: Das c-AFM Verfahren ist ziemlich alt und schon seit den 70ern 
in Verwendung. Es handelt sich nicht um ein RTM oder dergleichen. Das 
AFM wird normal an Luft betrieben, die Spitze besteht aus Silizium das 
mit einer PtIr Schicht leitfähig gemacht wird und der Cantilever geerdet 
ist. Der Kontakt ist in den meisten Fällen sogar Ohmisch und es können 
lokale IV Kennlinien aufgenommen werden....

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