Chyby skenerů a konstrukce

V předchozím bylo zmíněno, že jednotlivé směry ohybu nejsou nezávislé, ale vzájemně se ovlivňují, což způsobuje chyby v polohování hrotu. Další chyby skenerů plynou z vlastností piezokeramiky či pracovních podmínek. Všechny chyby mají dva charaktery svého projevu, jeden se promítá do roviny skenování a ovlivňuje tvar měřicí mřížky, druhý pak ovlivní velikosti výškových rozdílů. Některé chyby mají tyto projevy nezávislé, jiné nikoliv.

Intrinzická nelinearita

Tato chyba je způsobena přímo materiálem skeneru, tím, že prodloužení či zkrácení není lineárně závislé na přiloženém napětí, tedy ε=(Δl)/l=dE platí jen přibližně. Udává se poměrem maximální odchylky od lineární aproximace a příslušné hodnoty ((Δl)max)/l. Tato chyba se projevuje zborcením původně rovinné ekvidistantní mřížky měřicích bodů. Efekt nelinearity se ovšem výrazně projeví teprve při skenování velkých ploch.

Vliv hystereze
Projev hystereze při skenování zleva.
Hystereze

Většina piezoelektrických materiálů vykazuje nezanedbatelnou hysterezi (až 20 %), způsobenou postupným přeskakováním jednotlivých domén v piezoelektriku. Ta se projevuje vytvořením uzavřené smyčky v grafu závislosti prodloužení na přiloženém napětí, plocha smyčky roste s intenzitou el. pole E, proto je výhodné požadovat piezoelektrika s co největším koeficientem (dl)/(dE). Charakterizuje se poměrem maximálního rozdílu mezi oběma větvemi smyčky a maximální hodnoty prodloužení. Aby byl vliv hystereze omezen, probíhá řádkové skenování vždy jen v jednom směru. Velikost hystereze je možno určit proměřením v opačných směrech, lze-li volit směr rychlého skenování. Hystereze má rovněž nepříznivý vliv na určování výškových schodů. Probíhá-li měření v obou směrech (oba obrazy se ale vyhodnocují zvlášť), je mezi obrazy znatelný posun ve směru skenování.

Tečení
Průběh tečení a jeho projev.
Creep

(tečení) je jev, který nastává při náhlém přiložení napětí. Krystal se nezačne roztahovat jako celek, ale po jednotlivých částech. Výsledkem je, že když dojde k nastavení skeneru na požadované místo, začne lokalizovaná poloha pozvolna „ujíždět“ během homogenizace prodloužení v objemu piezokeramiky. Kvantitativně je charakterizován poměrem Δxc/Δx, kde Δx je prodloužení, které nastane ihned po přiložení napěťového skoku a Δxc je prodloužení, které teprve „doběhne“ (tedy rozdíl mezi skutečným prodloužením a Δx). Projevem tečení je rozdílnost obrazů nasnímaných při různých rychlostech skenování. Ve vertikálním směru se projevuje jednak „zákmitem“ na prudkých sestupných a náběžných stěnách, jednak vznikem hřebenů a stínů na pozvolných stěnách. Jeho projev je nejvýraznější při dlouhodobých požadavcích, tedy pomalém skenování.
Vzhledem k charakteru tečení se rovněž nedoporučuje provádět skenování v rozích (s maximálním ohnutím), protože obraz při skenování „dobíhá“ a trvalým ohnutím se zhoršují parametry skeneru.

Křížová vazba
Projev křížové vazby.
Křížový efekt

Tento jev je charakterizován nežádoucím pohybem v jednom směru, je-li požadován pohyb v odlišném směru. Může být způsoben více příčinami. Například elektrickým polem, které není přesně homogenní v objemu skeneru, geometrickým tvarem piezotrubiček (skenování v rovině kolmé k ose je dosahováno ohýbáním trubičky do oblouku, což je nutně provázené změnou v ose rovnoběžné) nebo trojnožky (zkrácení jednoho elementu způsobí rotaci ostatních). Projevem křížového jevu je zaoblení rovinného povrchu.

Stárnutí

Stárnutí se projevuje změnou piezoelektrického koeficientu d v čase. Není-li materiál používán, dochází k exponenciálnímu poklesu d vlivem náhodné orientace dipólů. Je-li materiál používán, dochází naopak k exponenciálnímu nasycování, k dokonalé orientaci. Aby se ztrátě účinnosti zabránilo, je nutno občas přiložit na elektrody napětí (stačí běžný provoz) a nevystavovat keramiku vysokým teplotám (nad 150 °C). Pracovní napětí by mělo být přikládáno ve stejné polaritě jako pólovací napětí, případné opačné by mělo být přesně řízeno.

Stárnutí se projeví chybným určováním rozměrů, charakter objektů však zůstane nezměněn. U zestárlého skeneru je možno pokusit se o jeho obnovu přiložením vysokonapěťového pulsu, ale výsledek je nejistý. Většinou je nutno u takového skeneru nově nastavit softwarové korekce.

Tuhost a ohyb

Nastává-li při skenování prudká změna velikosti rychlosti nebo jeho směru, může vlivem setrvačnosti dojít k ohybu nosníku, zvláště velká je pravděpodobnost tohoto vlivu, probíhá-li sběr dat z obou směrů skenování do jednoho obrazu. Při velké štíhlosti samotného hrotu se začíná uplatňovat rovněž vliv jeho ohybu při kontaktu se vzorkem nebo skenování děr.

Drift

je pozvolné ujíždění hrotu vzhledem ke vzorku z různých příčin. Drift je zvlášť patrný při malých rychlostech, protože roste doba, během níž se může projevit. Je výrazně omezujícím parametrem zvláště při atomárních rozlišeních, kde musíme volit větší rychlost, než by nám bylo libo (zde se ovšem projevují i vlastní kmity atomů).

Nejdůležitější složkou driftu je tepelná, která vzniká jednak z rozdílnosti koeficientů roztažnosti Δα jednotlivých konstrukčních částí mikroskopu vlivem teploty (nelze zanedbat ani vnitřní zdroje ohřevu, jako je průchod proudu či ohřev použitým osvětlením), jednak ze závislosti piezoelektrické konstanty na teplotě (bývá 1/(d31)(∂d31)/(∂T)∼10-3 K-1). Většinou je kladen požadavek na celkovou roztažnost Δαc<10-8 K-1, k jeho splnění je vhodné používat symetrická uspořádání.

Další složkou driftu je elektronická, která se projevuje změnou nastavení zesilovačů, především stejnosměrných. Efekt se rovněž může měnit s teplotou.

Projev driftu v obraze se dá odstranit, známe-li charakter povrchu a drift je rovnoměrný. Provede se sejmutím dvou obrazů s časovým odstupem a určením vektoru posunutí. S tímto posunutím se pak (po přepočtu na příslušný čas) počítačově provede stlačení nebo roztažení obrazu v patřičném směru, nebo se přímo přidá korekce do skenovacích signálů.