공진 주파수 변환 마이크로 캔티레버 진동의 노이즈 스펙트럼 밀도 이론 (Theory of the Noise Spectral Density for Micro-Cantilevers Under Resonant Frequency Control)

서지정보

· 발행기관 : 한국물리학회
· 수록지 정보 : 새물리 / 68권 / 7호 / 718 ~ 723페이지
· 저자명 : 이만희

초록

원자 힘 현미경에서 마이크로 캔티레버의 공진 주파수 및 Q-factor 변환 기술은 다양한 조건에서 이미징 성능을 향상시키는데 널리 사용된다, 이러한 전기적인 변환기술로 캔티레버의 공진 특성을 원하는 대로 조절할 수 있는 반면, 전기적 기작으로 인해 시스템의 노이즈는 증가한다. 결과적으로 캔티레버의 공진 주파수와 Q-factor를 제어하면, 캔티레버 진동의 `신호 대 잡음 비'가 변하게 되지만, 이러한 현상을 기술하는 이론은 아직 개발되지 못했다. 본 연구에서는 마이크로 캔티레버의 공진 주파수와 Q-factor 변환에 따른 캔티레버의 진폭 시그널 그리고 노이즈 스펙트럼 밀도를 이론적으로 예측한다. Q-factor가 증가하거나 감소할 때, 대부분 영역에서 신호 대 잡음 비는 증가한다. 이와는 다르게 공진 주파수가 증가할 때 신호 대 잡음 비는 감소하는 반면, 공진 주파수가 감소하면 신호 대 잡음 비는 비선형적으로 증가함을 보인다. 캔티레버의 신호 대 잡음 비는 센서의 감도에 중요한 요소이므로, 본 연구는 원자 힘 현미경을 이용한 이미징 및 상호작용 측정 연구에서 중요하게 사용될 수 있다.

영어초록

We analytically derive the noise spectral density and the associated signal-to-noise ratio for micro-cantilevers under the resonance frequency and quality factor control, taking into account the measurement noise, as well as the thermal noise. We show that the signal-to-noise ratio increases with increasing or decreasing the quality factor for a given resonance frequency. On the other hand, when the resonance frequency is altered, the signal-to-noise ratio exhibits a nonlinear behavior; it shows a local maximum near the original resonance frequency and diverges as the resonance frequency is reduced to zero. This analytical theory can be applied to enhance the probe sensitivity in atomic force microscopy, which is directly related to the noise of the cantilever's motion signal.

참고자료

· 없음