Technologie | Hardware | Brno

Podívejte se, jak vypadá mikrofon nebo blecha pod elektronovým mikroskopem

  • Z Brna pochází třetina světové produkce elektronových mikroskopů
  • První československý kus vyrobila Tesla už v 50. letech
  • Dnes na ni navazuje třeba brněnský Tescan

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.

Klepněte pro větší obrázek
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?

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
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). 

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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. 

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
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.

Diskuze (19) Další článek: Američané se zbavili disket, přes které koordinují jaderné útoky. Našli digitální řešení

Témata článku: Technologie, Hardware, Věda, Země, Výzkum, Wikipedia, Čipy, Česko, Brno, Samsung, Moorův zákon, Nanotechnologie, Tranzistory, Mikročástice, Mikroskopie, Mikrofon, Elektron, AliExpress, MEMS, Elektronový mikroskop, Tesla, Sametová revoluce, Československo, Expo, Membrána


Určitě si přečtěte

Nejlepší notebooky do 10 000 korun: Co koupit a čemu se raději vyhnout

Nejlepší notebooky do 10 000 korun: Co koupit a čemu se raději vyhnout

** Do deseti tisíc korun lze dnes koupit slušné notebooky ** V nabídce ale i tak převládají zastaralé a pomalé modely ** Poradíme, jak dobře vybrat i s omezeným rozpočtem

David Polesný | 100

Šmírování kamerami Googlu: Koukněte, co šíleného se objevilo na Street View

Šmírování kamerami Googlu: Koukněte, co šíleného se objevilo na Street View

Google stále fotí celý svět do své služby Street View. A novodobou zábavou je hledat v mapách Googlu vtipné záběry. Podívejte se na výběr nejlepších!

redakce | 6

HTTPS byl pouze první krok. Chrome zavádí DoH, tedy šifrované DNS. Dopady mohou být obrovské

HTTPS byl pouze první krok. Chrome zavádí DoH, tedy šifrované DNS. Dopady mohou být obrovské

** Šifrovaný web je dnes už samozřejmost ** Jeden díl skládačky ale ještě chybí – DNS ** Firefox už začal a teď se na šifrované DNS chystá i Chrome

Jakub Čížek | 95

Biblická potopa Česka: Jak bychom dopadli, kdyby nás zatopil oceán

Biblická potopa Česka: Jak bychom dopadli, kdyby nás zatopil oceán

** Představte si biblickou potopu ** Nejprve zaniknou Děčín a Břeclav, pak i Brno a Praha ** Hlavním městem se stane Jihlava a zbytky Čechů přežijí na Kvildě

Jakub Čížek | 92

Wi-Fi 6 konečně začíná dostávat smysl. Poradíme, jak ji využít

Wi-Fi 6 konečně začíná dostávat smysl. Poradíme, jak ji využít

** Na trh míří první levné Wi-Fi 6 routery ** Nabídka zařízení, zejména notebooků, každý den roste ** Poradíme, jak nejlépe přejít s domácností na Wi-Fi 6

Tomáš Holčík | 28


Aktuální číslo časopisu Computer

Megatest 20 procesorů

Srovnání 15 True Wireless sluchátek

Vyplatí se tisknout fotografie doma?

Vybíráme nejlepší základní desky