TY - JOUR A1 - Ruppert, Michael G. A1 - Moheimani, S. O. Reza T1 - High-bandwidth multimode self-sensing in bimodal atomic force microscopy JF - Beilstein Journal of Nanotechnology PY - 2016/// VL - 7 SP - 284 EP - 295 SN - 2190-4286 DO - 10.3762/bjnano.7.26 PB - Beilstein-Institut JA - Beilstein J. Nanotechnol. UR - https://doi.org/10.3762/bjnano.7.26 KW - atomic force microscopy KW - charge sensing KW - feedthrough cancellation KW - multimode sensor KW - piezoelectric cantilever KW - self-sensing N2 - Using standard microelectromechanical system (MEMS) processes to coat a microcantilever with a piezoelectric layer results in a versatile transducer with inherent self-sensing capabilities. For applications in multifrequency atomic force microscopy (MF-AFM), we illustrate that a single piezoelectric layer can be simultaneously used for multimode excitation and detection of the cantilever deflection. This is achieved by a charge sensor with a bandwidth of 10 MHz and dual feedthrough cancellation to recover the resonant modes that are heavily buried in feedthrough originating from the piezoelectric capacitance. The setup enables the omission of the commonly used piezoelectric stack actuator and optical beam deflection sensor, alleviating limitations due to distorted frequency responses and instrumentation cost, respectively. The proposed method benefits from a more than two orders of magnitude increase in deflection to strain sensitivity on the fifth eigenmode leading to a remarkable signal-to-noise ratio. Experimental results using bimodal AFM imaging on a two component polymer sample validate that the self-sensing scheme can therefore be used to provide both the feedback signal, for topography imaging on the fundamental mode, and phase imaging on the higher eigenmode. ER - TY - JOUR AU - García, R. AU - Herruzo, E. T. JF - Nat. Nanotechnol. PY - 2012/// VL - 7 SP - 217 EP - 226 DO - 10.1038/nnano.2012.38 ER - TY - JOUR AU - Herruzo, E. T. AU - Perrino, A. P. AU - Garcia, R. JF - Nat. Commun. PY - 2014/// VL - 5 SP - 3126 DO - 10.1038/ncomms4126 ER - TY - JOUR AU - Forchheimer, D. AU - Forchheimer, R. AU - Haviland, D. B. JF - Nat. Commun. PY - 2015/// VL - 6 SP - 6270 DO - 10.1038/ncomms7270 ER - TY - JOUR AU - Han, W. AU - Lindsay, S. M. AU - Jing, T. JF - Appl. Phys. Lett. PY - 1996/// VL - 69 SP - 4111 EP - 4113 DO - 10.1063/1.117835 ER - TY - JOUR AU - Umeda, N. AU - Ishizaki, S. AU - Uwai, H. JF - J. Vac. Sci. Technol., B PY - 1991/// VL - 9 SP - 1318 EP - 1322 DO - 10.1116/1.585187 ER - TY - JOUR AU - Fantner, G. E. AU - Burns, D. J. AU - Belcher, A. M. AU - Rangelow, I. W. AU - Youcef-Toumi, K. JF - J. Dyn. Syst., Meas., Control PY - 2009/// VL - 131 SP - 061104 DO - 10.1115/1.4000378 ER - TY - JOUR AU - Yamanaka, K. AU - Nakano, S. JF - Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 PY - 1996/// VL - 35 SP - 3787 EP - 3792 DO - 10.1143/JJAP.35.3787 ER - TY - JOUR AU - Indermühle, P.-F. AU - Schürmann, G. AU - Racine, G.-A. AU - de Rooij, N. F. JF - Sens. Actuators, A PY - 1997/// VL - 60 SP - 186 EP - 190 DO - 10.1016/S0924-4247(96)01440-9 ER - TY - JOUR AU - Meyer, G. AU - Amer, N. M. JF - Appl. Phys. Lett. PY - 1988/// VL - 53 SP - 1045 EP - 1047 DO - 10.1063/1.100061 ER - TY - JOUR AU - Kassies, R. AU - van der Werf, K. O. AU - Bennink, M. L. AU - Otto, C. JF - Rev. Sci. Instrum. PY - 2004/// VL - 75 SP - 689 EP - 693 DO - 10.1063/1.1646767 ER - TY - JOUR AU - Enning, R. AU - Ziegler, D. AU - Nievergelt, A. AU - Friedlos, R. AU - Venkataramani, K. AU - Stemmer, A. JF - Rev. Sci. Instrum. PY - 2011/// VL - 82 SP - 043705 DO - 10.1063/1.3575322 ER - TY - JOUR AU - Nievergelt, A. P. AU - Adams, J. D. AU - Odermatt, P. D. AU - Fantner, G. E. JF - Beilstein J. Nanotechnol. PY - 2014/// VL - 5 SP - 2459 EP - 2467 DO - 10.3762/bjnano.5.255 ER - TY - JOUR AU - Göddenhenrich, T. AU - Lemke, H. AU - Hartmann, U. AU - Heiden, C. JF - J. Vac. Sci. Technol., A PY - 1990/// VL - 8 SP - 383 EP - 387 DO - 10.1116/1.576401 ER - TY - JOUR AU - Tortonese, M. AU - Barrett, R. C. AU - Quate, C. F. JF - Appl. Phys. Lett. PY - 1993/// VL - 62 SP - 834 EP - 836 DO - 10.1063/1.108593 ER - TY - JOUR AU - Itoh, T. AU - Suga, T. JF - Nanotechnology PY - 1993/// VL - 4 SP - 218 DO - 10.1088/0957-4484/4/4/007 ER - TY - JOUR AU - Sahoo, D. R. AU - Sebastian, A. AU - Häberle, W. AU - Pozidis, H. AU - Eleftheriou, E. JF - Nanotechnology PY - 2011/// VL - 22 SP - 145501 DO - 10.1088/0957-4484/22/14/145501 ER - TY - JOUR AU - Lee, J. E.-Y. AU - Seshia, A. A. JF - Sens. Actuators, A PY - 2009/// VL - 156 SP - 36 EP - 42 DO - 10.1016/j.sna.2009.02.005 ER - TY - JOUR AU - Ruppert, M. G. AU - Moheimani, S. O. R. JF - Rev. Sci. Instrum. PY - 2013/// VL - 84 SP - 125006 DO - 10.1063/1.4841855 ER - TY - CHAP AU - Ruppert, M. G. AU - Moheimani, S. O. R. T2 - Novel Reciprocal Self-Sensing Techniques for Tapping-Mode Atomic Force Microscopy, IFAC, Cape Town, South Africa T1 - Proc. 19th IFAC World Congress PY - 2014/// SP - 7474 EP - 7479 ER - TY - BOOK AU - Meitzler, A. H. AU - Tiersten, H. F. AU - Warner, A. W. AU - Berlincourt, D. AU - Coquin, G. A. T1 - ANSI/IEEE Std 176-1987 PY - 1988/// DO - 10.1109/IEEESTD.1988.79638 ER - TY - JOUR AU - Dosch, J. J. AU - Inman, D. J. AU - Garcia, E. JF - J. Intell. Mater. Syst. Struct. PY - 1992/// VL - 3 SP - 166 EP - 185 DO - 10.1177/1045389X9200300109 ER - TY - JOUR AU - Crawley, E. F. AU - De Luis, J. JF - AIAA J. PY - 1987/// VL - 25 SP - 1373 EP - 1385 DO - 10.2514/3.9792 ER - TY - BOOK AU - Fuller, C. C. AU - Elliott, S. AU - Nelson, P. A. T1 - Active control of vibration PY - 1996/// PB - Academic Press ER - TY - BOOK AU - Moheimani, S. O. R. AU - Fleming, A. J. T1 - Piezoelectric Transducers for Vibration Control and Damping PY - 2006/// PB - Springer-Verlag London Limited ER - TY - BOOK AU - de Silva, C. W. T1 - Vibration - Fundamentals and Practice PY - 2000/// PB - CRC Press ER - TY - JOUR AU - Salehi-Khojin, A. AU - Bashash, S. AU - Jalili, N. JF - J. Micromech. Microeng. PY - 2008/// VL - 18 SP - 085008 DO - 10.1088/0960-1317/18/8/085008 ER - TY - CHAP AU - Shamsudhin, N. AU - Rothuizen, H. AU - Nelson, B. J. AU - Sebastian, A. T2 - Multi-frequency atomic force microscopy: A system-theoretic approach, IFAC, Cape Town, South Africa T1 - Proc. 19th IFAC World Congress PY - 2014/// ER - TY - JOUR AU - Karvinen, K. S. AU - Ruppert, M. G. AU - Mahata, K. AU - Moheimani, S. O. R. JF - IEEE Trans. Nanotechnol. PY - 2014/// VL - 13 SP - 1257 EP - 1265 DO - 10.1109/TNANO.2014.2360878 ER - TY - JOUR AU - Sadewasser, S. AU - Villanueva, G. AU - Plaza, J. A. JF - Rev. Sci. Instrum. PY - 2006/// VL - 77 SP - 073703 DO - 10.1063/1.2219738 ER - TY - CHAP AU - McKelvey, T. T2 - Subspace methods for frequency domain data, IEEE T1 - Proc. of the American Control Conference PY - 2004/// SP - 673 EP - 678 ER - TY - JOUR AU - Alexander, S. AU - Hellemans, L. AU - Marti, O. AU - Schneir, J. AU - Elings, V. AU - Hansma, P. K. AU - Longmire, M. AU - Gurley, J. JF - J. Appl. Phys. PY - 1989/// VL - 65 SP - 164 EP - 167 DO - 10.1063/1.342563 ER - TY - JOUR AU - Proksch, R. AU - Schäffer, T. E. AU - Cleveland, J. P. AU - Callahan, R. C. AU - Viani, M. B. JF - Nanotechnology PY - 2004/// VL - 15 SP - 1344 DO - 10.1088/0957-4484/15/9/039 ER - TY - JOUR AU - Kiracofe, D. AU - Raman, A. JF - J. Appl. Phys. PY - 2010/// VL - 107 SP - 033506 DO - 10.1063/1.3284206 ER - TY - JOUR AU - Butt, H.-J. AU - Jaschke, M. JF - Nanotechnology PY - 1995/// VL - 6 SP - 1 DO - 10.1088/0957-4484/6/1/001 ER - TY - JOUR AU - Dukic, M. AU - Adams, J. D. AU - Fantner, G. E. JF - Sci. Rep. PY - 2015/// VL - 5 SP - 16393 DO - 10.1038/srep16393 ER - TY - JOUR AU - García, R. AU - Pérez, R. JF - Surf. Sci. Rep. PY - 2002/// VL - 47 SP - 197 EP - 301 DO - 10.1016/S0167-5729(02)00077-8 ER - TY - JOUR AU - Martínez, N. F. AU - Patil, S. AU - Lozano, J. R. AU - García, R. JF - Appl. Phys. Lett. PY - 2006/// VL - 89 SP - 153115 DO - 10.1063/1.2360894 ER -