Většina školáků se v hodinách biologie setkala se světelným mikroskopem a ty s jednoduchou digitální kamerou, která obraz přenese pro další zpracování do počítače, dnes seženete za pár stovek i na asijském Aliexpressu.
Hlavní město elektronové mikroskopie
Naše redakce ale sídlí v Brně, a tak se dnes podíváme na poněkud kvalitnější mikroskopické snímky. Jihomoravská metropole je totiž bez nadsázky hlavním městem elektronové mikroskopie, neboť několik zdejších výrobců tvoří zhruba třetinu světové produkce běžných elektronových mikroskopů.
Československý elektronový mikroskop Tesla BS 242 z roku 1958 (Foto: Bjoertvedt, CC BY-SA)
Historie zdejší výroby elektronových mikroskopů sahá až do padesátých let minulého století, kdy se jí v Brně začal věnovat tým pod vedením Armina Delonga – zakladatele elektronové mikroskopie u nás.
Spolu se svými spolupracovníky z laboratoře elektronové mikroskopie, která spadala pod Mikrobiologický ústav ČSAV , vyvinul první transmisní elektronový mikroskop a následně jej zavedl do výroby v Tesla Brno.
Tímto velmi úspěšným mikroskopem byl model Tesla BS 242, který získal zlatou medaili na výstavě EXPO 1958. Tesla za dobu třicetileté existence vyrobila přes tři tisíce mikroskopů různých modelů a exportovala je do více než dvaceti zemí.
Jak funguje elektronový mikroskop
Představte si, že se díváte z Měsíce na Zemi a dokážete rozlišit listy na stromech. Srovnatelné přiblížení má i elektronový mikroskop. Vědci s jeho pomocí dokáží pozorovat vzorky s rozlišením v řádu jednotek nanometrů, tedy miliardtin metru. Jak je to možné?
Detail křemíkového integrovaného obvodu a efektních elektrických vývodů pod elektronovým mikroskopem Tescan a po softwarovém obarvení.
Elektronový mikroskop nahrazuje fotony z běžných optických mikroskopů elektrony. Rozlišovací schopnost mikroskopů je přímo úměrná vlnové délce použitého záření. Elektrony ji mají mnohem kratší než viditelné světlo, a tak může elektronový mikroskop dosáhnout mnohem vyššího přiblížení (Wikipedie).
Elektronový mikroskop dnes: Tescan Clara
Elektronový mikroskop nepracuje se světlem, ale s elektronovým svazkem, proto jsou všechny snímky v odstínech šedi. Podle dalšího použití mohou být snímky kolorovány ručně nebo automatickým programem. Speciální detektory kromě informací o povrchu vzorku umožňují rozpoznat i přesné chemické složení nebo vnitřní strukturu zkoumaného vzorku
Schéma elektronového mikroskopu:
Elektronový svazek emitovaný z katody (1) je zaostřen kondenzorem (2) do clony (3), čímž je určena velikost proudu elektronového svazku. Velké proudy se používají pro rychlé zobrazování na malém zvětšení, naopak na malých proudech se obvykle dosahuje nejvyššího rozlišení obrazu a používají se na vysokých zvětšeních pro získání maximálního detailu.
Schéma elektronového mikroskopu
Elektronový svazek je dále korigován stigmátorem (4) a jeho pohyb po vzorku zabezpečují rastrovací cívky (5). Těsně před dopadem na vzorek je svazek zaostřen objektivem (6) tak, aby se elektrony na vzorku (7) střetly v co nejmenší oblasti, zvané elektronová stopa. Během snímání se vyhodnocují signály sekundárních a zpětně odražených elektronů pomocí detektorů (8) a tyto signály se uživateli vykreslují v obrazové podobě na monitoru.
Tesla pro roce 1989
Po sametové revoluci se sice Tesla rozpadla na několik menších subjektů, nicméně výroba elektronových mikroskopů v Brně naštěstí neskončila. Na jednom okraji města najdete konstrukční laboratoře Delong Instuments a v Kohoutovicích vysoko nad městem společnost Tescan (Tesla Scanning) – plným názvem Tescan Orsay Holding.
Založili ji vývojoví a servisní pracovníci původní Tesly, obnovili vývoj a dnes vyrábějí více než 250 elektronových mikroskopů ročně, což z Tescanu dělá jednoho z největších výrobců na světě.
Tescan si v brněnských Kohoutovicích staví novou výrobní halu
Jelikož se Tescan snaží propagovat svoji technologii i v širší veřejnosti, vřele doporučujeme navštívit jeho facebookový profil Mikroskopy z Brna, kde se chlubí exotickými snímky všeho druhu. Některé z nich najdete v komentované galerii výše.
Mikroelektromechanické systémy
Dnes se elektronové mikroskopy používají třeba k vývoji a inspekci stále titěrnějších elektronických polovodičových prvků, mezi zákazníky Tescanu proto najdete i LG nebo Samsung.
Pojďme se podívat, jak v jeho podání vypadá třeba MEMS mikrofon. O MEMS součástkách jsme si na Živě.cz už povídali, a tak jen připomenu, že se jedná o zkratku pro Mikro-Elektro-Mechanický Systém.
Máte je dost možná právě teď na svém zápěstí nebo v kapse, pomocí technologie MEMS se totiž vyrábějí třeba akcelerometry, gyroskopy, digitální kompasy a další čipy s mikroskopickými mechanickými součástkami.
Mikrofon menší než zrnko rýže
MEMS mikrofon je díky tomuto konstrukčnímu principu velmi malý – celé jeho SMD pouzdro pro připájení na tištěný spoj může mít rozměry jen několika milimetrů čtverečních, a přesto bez problému zachytí okolní zvuk.
Modul malého elektretového mikrofonu a šipkou označený MEMS mikrofon na jedné z prototypovacích desek a schéma jeho nitra pod kovovým krytem.
MEMS mikrofony slouží třeba v chytrých hodinkách, telefonech, hlasových asistentech všeho druhu ale stejně tak se vejdou třeba do rámu sluchátek s podporou aktivního potlačení šumu, kde titěrný mikrofon nahrává ambientní ruchy z okolí a zvukový čip posílá do reproduktorů jejich opak. Obě zvukové vlny poté interferují a navzájem se díky opačným amplitudám pohltí.
A toto je už MEMS mikrofon pod elektronovým mikroskopem Tescan. V popředí je samotná membrána, která je několika vodiči spojená s logickou jednotkou/čipem v pozadí,
Stejně tak má uplatnění i ve směrových/všesměrových mikrofonových polích, kdy kompletní mikrofon ve skutečnosti tvoří soustava několika MEMS jednotek namířených třeba do různých směrů.
Jak funguje MEMS mikrofon
Samotný princip MEMS mikrofonu není nikterak složitý a stejně jako u klasické a mnohem větší konstrukce obsahuje membránu, kterou přicházející zvukové vlny rozkmitají. Jediným rozdílem je v tomto případě miniaturizace a použité materiály.
Schéma MEMS mikrofonu od výrobce STMicroelectronics
Zvuková vlna zpravidla projde otvory uvnitř pevné povrchové vodivé desky a narazí do samotné membrány, kterou tvoří pružná vodivá deska, která se akustickým tlakem zlehka deformuje.
Detailní snímek bloku se samotným snímačem – pevnou perforovanou vodivou vrstvou a pružnou vrstvičkou pod ní
V ten okamžik dojde ke změně elektrických charakteristik mezi oběma vodiči, kterou zaznamená a zpracuje integrovaný obvod uvnitř logické jednotky v sousedství samotné membrány.
A toto je už povrch logické jednotky mikrofonu, která může provádět nejrůznější operace počínaje zesílením a konče čištěním analogových dat a teprve vytváří použitelný elektrický signál zvuku.
Stejně jako v případě dalších MEMS součástek se díky ohromné míře miniaturizace může jednat o poměrně sofistikovaný digitální obvod, který se postará třeba i o zesílení a pročištění vstupních dat a hlavně kompletní digitalizaci výstupního signálu pomocí sériového protokolu a sběrnice pro zvuková data I2S.
Řez integrovaným obvodem, na kterém je patrné, že jsou jednotlivé polovodičové prvky a vodivé cesty mezi nimi v hromadě vrstev nad sebou.
Ostatně je to patrné i při pohledu na samotné snímky z elektronového mikroskopu, na povrchu logické jednotky je totiž vidět složitá struktura a cesty polovodičového obvodu.
A toto je důvod, proč kupovat vodotěsnou elektroniku: nánosy oxidovaného materiálu pod elektronovým mikroskopem
Jak vidno, elektronová mikroskopie je při vývoji podobných MEMS součástek i klasických křemíkových čipů prakticky nezbytná, na stále se zmenšující výrobní technologii by už totiž jednoduché světelné mikroskopy z hodin biologie opravdu nestačily.
Další komentované snímky z elektronových mikroskopů Tescan najdete v galerii na facebookové stránce Mikroskopy z Brna.