总结一下关于扫描电子显微镜与背散射电子探测器

最近花了一个多月的时间在做Tia电路，用在公司自研的扫描电子显微镜上，后来才知道这个原来有一个专业的术语叫做——背散射电子探测器，具体是什么东西呢，下面我为自己最近的心得做一下记录，也希望为后来的伙伴们脱坑一个帮助，文笔不好，大家见谅！

一：扫描电子显微镜

由于透射电镜是TE进行成像的，这就要求样品的厚度必须保证在电子束可穿透的尺寸范围内。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备手段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的程度。

能否直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，成为科学家追求的目标。

经过努力，这种想法已成为现实-----扫描电子显微镜(ScanningElectronicMicroscopy,SEM)。

SEM——利用极细电子束在被观测样品表面上进行扫描，通过分别收集电子束与样品相互作用产生的一系列电子信息，经转换、放大而成像的电子光学仪器。是研究三维表层构造的有利工具。

其工作原理为：

在高真空的镜筒中，由电子枪产生的电子束经电子会聚透镜聚焦成细束后，在样品表面逐点进行扫描轰击，产生一系列电子信息（二次电子、背反射电子、透射电子、吸收电子等），由探测器将各种电子信号接收后经电子放大器放大后输入由显像管栅极控制的显像管。

聚焦电子束对样品表面扫描时，由于样品不同部位表面的物理、化学性质、表面电位、所含元素成分及凹凸形貌不同，致使电子束激发出的电子信息各不相同，导致显像管的电子束强度也随着不断变化，最终在显像管荧光屏上可以获得一幅与样品表面结构相对应的图像。根据探测器接收的电子信号的不同，可分别获得样品的背散射电子图像、二次电子图像、吸收电子图像等。

由上所描述，一个扫描电子显微镜大多有以下几个模块：电子光学系统模块，高压模块，真空系统模块，微小信号检测模块，控制模块，微位移台控制模块等。

二：扫描电子显微镜的优点

1、放大倍数

由于扫描电镜的荧光屏尺寸是固定不变的，因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描幅度来实现的。

如果减少扫描线圈的电流，电子束在试样上的扫描幅度将减小，放大倍数将增大。调整十分方便，可从20倍连续调节到20万倍左右。

2、分辨率

分辨率是扫描电镜的主要性能指标。

分辨率大小由入射电子束直径和调制信号类型共同决定：

电子束直径越小，分辨率越高。

用于成像的物理信号不同，分辨率不同。

例如SE和BE电子，在样品表面的发射范围也不同，其分辨率不同。一般SE的分辨率约为5-10nm，BE的分辨率约为50-200nm。

3、景深

是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。

扫描电镜的末级透镜采用小孔径角，长焦距，所以可以获得很大的景深，它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10倍。

景深大，立体感强，形态逼真是SEM的突出特点。

用于扫描电镜的试样分为两类：

1是导电性良好的试样，一般可以保持原始形状，不经或稍经清洗，就可放到电镜中观察;

2是不导电的试样，或在真空中有失水、放气、收缩变形现象的试样，需经适当处理，才能进行观察。

三：二次电子与背散射电子

二次电子（SE）按照其产生的原理可以分成 SE1、SE2、SE3 和 SE4，但是在实际使用的时候会发现难以对 SE1～SE4 进行严格的区分，因此我们把 SE 分成更加实用、更容易从操作上掌握的低角 SE、高角 SE 和轴向 SE 这三种 SE 信号。

背散射电子（BSE）根据角度不同将其区分为低角 BSE、中角 BSE、高角 BSE；又从对称性的角度分离出非对称的 Topo-BSE；以及从能量的角度分离出Low-Loss BSE 信号，分为了五种 BSE 信号。

以上3种 SE 信号和5种 BSE 信号，加上本章介绍的减速模式下的信号SE+BSE (BDM) ，一共有九种信号。这九种信号往往需要不同的电镜条件，也有不同的衬度特点，各自信号有着独特优势的同时也存在相应的缺点，具体请参见表1。

四：二次电子与背散射电子的成像特点

五：扫描电子显微镜——背散射电子探测器

可以说这部分是扫描电子显微镜的最重要组成部分，当然还有光路模块，可以鄙人不是研究光学的，这一部分不太能说明白其中的原理，下面就重要说说探测器：

电子也是自然界的一种能量，针对这种重要的物理量，出现了一种半导体产品：光电探测器，直接电子探测器；

光电探测器：传统的CMOS相机，电子束和闪烁体作用后，通过光纤将光子转移到光电探测器上，这就意味电子强度信息经历了电-光-电的转换，基本上可以想象这个能量利用率有多低。为了保证一定的衬度，这就意味着入射电子束的dose rate一定要很高，不然图像就没法看了。然而生物样品最怕的就是高dose rate，是毁灭性的损伤。

直接电子探测器：顾名思义就是跳过了这两个转换过程，电子和PN结作用后直接产生电子-空穴对，在迁移到探测器基底后转换为电信号。能量利用率基本只由电子-空穴对产生率决定。这就意味着只要很低剂量的电子束流就足以产生高衬度的照片，这也是扫描电子显微镜的高分辨和放大倍数的原因。

现在市面上的这类半导体材料分类繁多，但大多数大家在产品上还是使用的滨松半导体的比较多，不过有一个缺点，那就是贵呀，其他的也想不到了。

http://www.hamamatsu.com.cn/product/19326/12375/20331/list.html?screen=&order=&page=2

滨松有种类繁多的SI Pin管，大家可以根据自己应用场景做个选着。

有了SI管探测器，下面当然是电路部分。

SI管有以下几个特性：

1：结电容 2：暗电流 3：偏置电压 4：截至频率 5：电子倍增增益 6：灵敏度 7：光谱响应范围 8：等效噪声功率

1234一般是SI管的通用特性，5，6，7，8就要看你的选择了，当然你的选择要看你的应用场景。

针对我的应用电子探测，重点说一下1，2，3，4，5：

5：电子倍增增益，意思表达的很明白，针对我入射的电子，其有一个放大的过程，这个的选择决定与你的几个要素：后端数采卡的采样范围，前端信号强度，以及的你的带宽；

4：截至频率，决定了你的最大采样带宽；

1，2，3有一个很强的相互关系，是SI管的应用上也出现了两个称呼：光伏模式，光导模式。一般在高速应用的场景上，就需要你加一个合适的偏执电压，偏压大——>结电容小同时暗电流大，结电容小就相当于你电路前端的输入电容比较小，对与你提高带宽有很大的帮助，但同时暗电流小的话，整体的电路上有一个很大的电压偏移，而且暗电流在温度以及偏执电压的变化也较敏感，这些导致暗电流的变化都会叠加到你的系统噪声中去。同理，如果你追求的带宽不是很高的情况下，可以不加偏压，还是那句话，这些应用都要看你的具体应用场景。

六：TIA电路

以上就是一个TIA的基本模型，TIA也叫做I/V转化电路，也就做跨阻放大器，其实就是Ip流过Rf来进行转换放大。

对于放大器的选型，我们比较关注的有一下几点：偏执电流，失调电压，共模抑制比，电流噪声，电压噪声，带宽增益积等。

噪声直接关乎着我们所追求的信噪比，关于噪声的计算有一下公式：

一般有这些参数我们是可以提前知道的（因为这些一般是需求）：带宽F，增益（Rf），探测器电容Cd；这样就一目了然了，In和En对于系统的噪声贡献多了大概（Rf*Rf*3）的数量级，所以我们在偏执电流，失调电压，带宽增益积知道的情况下，当然是电流噪声越小越好，当然电压噪声也要尽量小，这个要看你对芯片的选择，一般ADI，TI都有很多芯片可供选择，其实中间还有许多要注重的参数，比如：宽带噪声，多有我们选择芯片的时候还是要注意一下。还有如果你要追求带内噪声尽量低可以尝试一下LPF，也会有很好的效果。

关于TIA的设计中间有太多的细节需要注意，这里也不在一一说明了，大家如果有不懂得地方可以在下方评论或者可以私信我都行，我们共同探讨学习，发一下我目前产品上的电路框架：

Av = 10^8 GBW = 150KHz Iin >= 1nA En(rms) = 10mV——目前跟仿真出来的噪声有3mV左右的差距.

七：微米位移台

这个东西其实比较简单，就是通电对电机的控制，实现对X,Y,Z,G1,G2轴的控制，最小精度1um（与你的电机，驱动器以及行径轴有关），不在做详细的描述。

八：上机实测

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