ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА КОНТРОЛЮ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ МІКРОСТРУКТУР
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.71(1).2026.361791Ключові слова:
п’єзоелектричні сенсори, атомно-силова мікроскопія, топографія поверхні, зондовий модуль, метрологічна валідаціяАнотація
У статті розглянуто інформаційно-вимірювальну систему (ІВС) контролю геометричних параметрів функціональних мікроструктур, побудовану на базі атомно-силового мікроскопа з використанням спеціалізованих п’єзоелектричних вимірювальних сенсорів та уніфікованого програмного модуля оброблення даних. Актуальність роботи зумовлена зростанням вимог до точності, відтворюваності та метрологічної сумісності вимірювань у мікро- та наноінженерії, де навіть незначні відхилення топографічних параметрів поверхні можуть істотно впливати на функціональні характеристики виробів у мікрооптиці, сенсориці, фотоніці та біомедичних застосуваннях. Особливу увагу приділено п’єзоелектричним сенсорам як ключовим елементам ІВС, що забезпечують високоточне позиціонування, стабільність сканування та чутливу реєстрацію параметрів мікрорельєфу. Показано, що застосування таких сенсорів у поєднанні з АСМ-платформою дає змогу реалізувати контрольовані переміщення з високою роздільною здатністю, забезпечити повторюваність траєкторії зондування та мінімізувати похибки, пов’язані з механічною нестабільністю системи. У роботі наведено структурну організацію ІВС, що включає зондовий модуль, XYZ-п’єзосканер, електроніку збору й попереднього опрацювання сигналів, блок програмно-аналітичного оброблення, а також процедури калібрування та статистичного оцінювання результатів. Експериментальне випробовування системи виконано у двох незалежних лабораторіях у вигляді двох серій по 32 вимірювання на калібрувальному тест-зразку TGZ1 за стабілізованих умов температури 24±0,3 °С та відносної вологості 45±0,5 %. Для обох серій отримано однакове середнє значення мікрогеометрії поверхні на рівні 10,48 нм, при цьому суми квадратів відхилень становили 0,0512 і 0,0480, дисперсія міжсерійної відтворюваності – 0,0032, а стандартне відхилення – 0,056. Встановлено, що за рівня довіри 95 %, гранична різниця становить R = 0,155, тоді як максимальна спостережена різниця між лабораторіями не перевищила 0,08, що підтверджує стабільність, відтворюваність і метрологічну придатність розробленої ІВС для контролю параметрів функціональних мікроструктур.
Посилання
R. Hajare, V. Reddy, & R. Srikanth, “MEMS based sensors: A comprehensive review of commonly used fabrication techniques”, Materials Today: Proceedings, 49: 720–730, 2022. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.05.223.
S. Lingadahalli Kotreshappa, C. G. Nayak, & S. Krishnan Venkata, “A review on the role of microflow parameter measurements for microfluidics applications”, Systems, 11 (3): Article 113, 2023. DOI: 10.3390/systems11030113.
S. Gao, Y. Ota, F. Tian, T. Liu, & S. Iwamoto, “Optimizing the optical and magneto-optical response of all-dielectric metasurfaces with tilted side walls”, Optics Express, 31 (9): 13672–13682, 2023. DOI: 10.1364/OE.480415
ISO 5725-2:2019. Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results - Part 2: Basic method for the determination of repeatability and reproducibility of a standard measurement method. [Online]. Available: https://www.iso.org/standard/69419.html.
JCGM 100:2008. Evaluation of measurement data Guide to the expression of uncertainty in measurement. DOI: 10.59161/jcgm100-2008e.
DSTU EN ISO 25178-2:2022. Geometrical product specifications (GPS). Surface texture: Areal. Part 2. Terms, definitions and surface texture parameters. [Online]. Available: https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=118352.
X. Chen, B. Li, Z. Liao, J. Li, X. Li, J. Yin, & W. Guo, “Principles and applications of liquid-environment atomic force microscopy”, Advanced Materials Interfaces, 9 (35): 2201864, 2022. DOI: 10.1002/admi.202201864
C. Yang, C.-Q. Dang, W.-L. Zhu, & B.-F. Ju, “High-speed atomic force microscopy in ultra-precision surface machining and measurement: Challenges, solutions and opportunities”, Surface Science and Technology, 1: Article 7, 2023. DOI: 10.1007/s44251-023-00006-5
N. Severin, A. R. Dzhanoev, H. Lin, A. Rauf, S. Kirstein, C.-A. Palma, I. M. Sokolov, & J. P. Rabe, “Atomic resolution with high-eigenmode tapping mode atomic force microscopy”, Physical Review Research, 4 (2): 023149, 2022. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.023149.
L. Gregorian, M. Cautero, S. Carrato, D. Giuressi, M. Panighel, G. Cautero, & F. Esch, “Design of an FPGA-based controller for fast scanning probe microscopy”, Sensors, 24 (18): Article 6108, 2024. DOI: 10.3390/s24186108
L. Li, A. J. Fleming, Y. K. Yong, S. S. Aphale, & L. Zhu, “ High performance raster scanning of atomic force microscopy using model-free repetitive control”, Mechanical Systems and Signal Processing, 173: Article 109027, 2022. DOI: 10.1016/j.ymssp.2022.109027
M. Gelli, B. Tiribilli, F. A. Salam, M. Vassalli, & M. Basso, “Adaptive drive as a control strategy for fast scanning in dynamic mode atomic force microscopy”, Sensors 25 (3): Article 860, 2025. DOI: 10.3390/s25030860
X. Wang, Q. Yu, Y. Meng, J. Wang, H. Huang, & L. Zhu, “Cross-scale high-bandwidth atomic force microscopy with a stick-slip nanopositioner”, Nature Communications 16: Article 10559, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-65579-1
J. Degenhardt, M. W. Bounaim, N. Deng, R. Tutsch, & G. Dai, “A new kind of atomic force microscopy scan control enabled by artificial intelligence: Concept for achieving tip and sample safety through asymmetric control”, Nanomanufacturing and Metrology, 7: 11, 2024. DOI: 10.1007/s41871-024-00229-6
L. Gregorat, M. Cautero, S. Carrato, D. Giuressi, M. Panighel, G. Cautero, & F. Esch, “Design of an FPGA-based controller for fast scanning probe microscopy”, Sensors, 24(18): Article 6108, 2024. DOI: 10.3390/s24186108
K. Xu, & H. Qian, “Design of atomic force microscope photoelectric sensing circuit based on Kalman filter”, Microscopy Research and Technique, 88(10): 2647–2663, 2025. DOI: 10.1002/jemt.24883.
Kvasnikov V., Kataіevа М., & Shkvarnytska Т., “Development of a calibration method for a scanning probe microscope”, Measuring and Computing Devices in Technological Processes, №2, с. 74-80, 2021. DOI: 10.31891/2219-9365-2021-68-2-9. (in Ukrainian)
V. Alar, A. Razumić, B. Runje, I. Sikirica, M. Kolar, & B. Štrbac, “Application of areal topography parameters in surface characterization”, Applied Sciences, 15(12): 6573, 2025. DOI: 10.3390/app15126573
P. Pawlus, R. Reizer, M. Wieczorowski, & G. M. Krolczyk, “Sensitivities of surface texture parameters to measurement errors: A review”, Measurement, 227: 114323, 2024. DOI: 10.1016/j.measurement.2024.114323
A. Razumić, B. Runje, Z. Keran, Z. Trzun, & D. Pugar, “Reproducibility of areal topography parameters obtained by atomic force microscope”, Tehnički glasnik, 19 (si1): 1–6, 2025. DOI: 10.31803/tg-20250324183037
R. Millan-Solsona, M. Checa, S. R. Brown, A. N. Bible, B. Srijanto, L. Wiggins, S. S. Madugula, A. L. B. Pyne, J. L. Morrell-Falvey, S. Retterer, R. K. Vasudevan, & L. Collins, “Synthetic data-driven deep learning for label-free autonomous atomic force microscopy”, Nature Communications Advance online publication, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-70421-3
O. Thomas-Chemin, S. Janel, Z. Boumehdi, C. Séverac, E. Trevisiol, E. Dague, & V. Duprès, “Advancing high-throughput cellular atomic force microscopy with automation and artificial intelligence”, ACS Nano, 19 (5): 5045–5062, 2025. DOI: 10.1021/acsnano.4c07729.
V. Andreiko, I. . Zhayvoronok, S. Matsepa, O. Voloshko, and D. Zhuikov, “EVALUATION OF THE REPRODUCIBILITY OF TEST RESULTS OF THE INFORMATION AND MEASUREMENT SYSTEM FOR MEASURING GEOMETRIC PARAMETERS OF FUNCTIONAL MICROSTRUCTURES”, Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., no. 70(2), pp. 62–70, Dec. 2025. DOI: 10.20535/1970.70(2).2025.348012. (in Ukrainian)
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Андрейко В. О., Бондаренко М. О.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
