Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter einen Messkopf für ein Rastersondenmikroskop gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 12.
Für Rastersondenmikroskope, welche Oberflächenstrukturen mit einer Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich zu erfassen und darzustellen erlauben, ist eine Verstellvorrichtung erforderlich, welche eine Verschiebung der Messsonde beziehungsweise des abgetasteten Objektes im Subnanometer-Bereich erlaubt. Ausser der Rastersondenmikroskopie lassen sich derartige Verstellvorrichtungen auch in anderen technischen Gebieten verwenden.
Die bisher bekannten Verstellvorrichtungen sind relativ gross, schwer und entsprechend teuer ausgestaltet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen zu schaffen, die in ihrem Aufbau einfacher ausgestaltet und kostengünstiger herstellbar ist und die insbesondere zur Herstellung eines verbesserten Messkopfs für ein Rastersondenmikroskop geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Verstellvorrichtung, aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 11 beziehen sich auf weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Verstellvorrichtung. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Messkopf für ein Rastersondenmikroskop, aufweisend die Merkmale gemäss Anspruch 12. Die abhängigen Ansprüche 13 bis 15 beziehen sich auf weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Messkopfes.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einer Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen, insbesondere zum Bewegen einer Sonde eines Rastersondenmikroskops, mit einem plattenförmig ausgebildeten Trägerelement, welches ein fest verankerbares Basisteil, ein Trägerteil sowie ein erstes und ein zweites, mit dem Basisteil verbundenes Abstützteil umfasst, wobei zwischen dem ersten Abstützteil und dem Trägerteil unter Ausbildung einer Wirkverbindung ein eine Mikrobewegung in einer x-Richtung bewirkendes, erstes Antriebselement angeordnet ist, und zwischen dem zweiten Abstützteil und dem Trägerteil unter Ausbildung einer Wirkverbindung ein eine Mikrobewegung in einer y-Richtung bewirkendes, zweites Antriebselement angeordnet ist, wobei die Abstützteile und das Trägerteil insbesondere derart gegenseitig angeordnet sind,
dass die x-Richtung und die y-Richtung rechtwinklig zueinander verlaufen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Trägerelement als Leiterplatte mit Leiterbahnen ausgestaltet, was den Vorteil aufweist, dass die Verstellvorrichtung sehr kompakt und kostengünstig herstellbar ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Antriebselemente als mit Niederspannung betreibbare piezoelektrische Elemente ausgestaltet. Ein Vorteil derartiger Antriebselemente ist darin zu sehen, dass die Antriebselemente über die Leiterbahnen mit Steuerströmen versorgbar sind und keine zusätzlichen Leitungen erforderlich sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eine der Leiterbahnen an die elektrische Masse gelegt, um die signalführenden Leitungen vor elektrischen Störungen abzuschirmen.
Ein Vorteil der erfindungsgemässen Verstellvorrichtung in Kombination mit einem Messkopf eines Rastersondenmikroskops ist darin zu sehen, dass die Signalleitung der Abtastspitze abgeschirmt auf der Leiterplatte geführt werden kann, und dass zudem ein Verstärker für dieses Signal auf der Leiterplatte angeordnet sein kann, sodass dem Nutzsignal kaum Störsignale überlagert werden.
Die erfindungsgemässe Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen weist ein Trägerteil auf, an welchem eine Abtastspitze eines Rastersondenmikroskops oder ein anderes Objekt angeordnet werden kann, wobei das Trägerteil mit einer Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich ansteuerbar beweglich gehalten ist. In einer bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Messkopfes für ein Rastersondenmikroskop wird die Verstellvorrichtung ausschliesslich mit Niederspannung betrieben, sodass elektrische Schutzmassnahmen entfallen, weshalb der Messkopf sehr kompakt herstellbar ist. Zudem kann ein Objektträger verwendet werden, der problemlos und ohne die Gefahr von elektrischen Schlägen von einem Benutzer von Hand in den Messkopf einlegbar ist. Dadurch ist der Messkopf sehr bedienerfreundlich ausgestaltet.
Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Verstellvorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Verbindungsabschnitt;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Messkopfes für ein Rastersondenmikroskop;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Objektträgers mit Schrittmotor;
Fig. 5 einen Längsschnitt entlang der Linie A-A durch die Anordnung gemäss Fig. 4.
Die in Fig. 1 dargestellte Verstellvorrichtung 1 für Mikrobewegungen weist eine über eine Halterung 9 mit einem Trägerteil 2b verbundene Abtastspitze 9a auf, wobei das Trägerteil 2b in einer x-, y- und z-Richtung ansteuerbar beweglich gelagert ist. Die maximal verfahrbaren Wegstrecken können im Bereich von beispielsweise 2 mu m bis 100 mu m liegen, wobei die kleinsten verfahrbaren Wegstrecken im Sub-Nanometer-Bereich liegen. Die Abtastspitze 9a bildet den Sensor eines Rastersondenmikroskops.
Die Verstellvorrichtung 1 umfasst ein plattenförmiges, als eine Leiterplatte ausgestaltetes Trägerelement 2, das durch das Anbringen von Durchbrechungen und Nuten in mehrere Teilbereiche unterteilt ist. Das Trägerelement 2 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem fest verankerbaren Basisteil 2a, zwei Abstützteilen 2c, 2d, vier Verbindungsabschnitten 2e, 2f, 2g, 2h sowie dem Trägerteil 2b, wobei das Trägerelement 2 einstückig, das heisst aus einer einzigen Leiterplatte bestehend, ausgebildet ist. Das Basisteil 2a liegt auf einem Abstandhalteteil 7 auf und ist mittels Schrauben 6 fest mit dem Grundgehäuse 8 verbunden. Das Basisteil 2a ist über den Verbindungsabschnitt 2f mit dem ersten Abstützteil 2c und über den Verbindungsabschnitt 2g mit dem zweiten Abstützteil 2d verbunden.
Das Trägerteil 2b ist einerseits über den L-förmig ausgestalteten und federnde Eigenschaften aufweisenden Verbindungsabschnitt 2e und andererseits über den T-förmig ausgestalteten und ebenfalls federnde Eigenschaften aufweisenden Verbindungsabschnitt 2h mit dem Basisteil 2a verbunden. Zwischen dem ersten Abstützteil 2c und dem Trägerteil 2b ist unter Ausbildung einer Wirkverbindung ein erstes Antriebselement 3a angeordnet, das eine Mikrobewegung in x-Richtung auszuführen im Stande ist. Zwischen dem zweiten Abstützteil 2d und dem Trägerteil 2b ist unter Ausbildung einer Wirkverbindung ein zweites Antriebselement 3b angeordnet, das eine Mikrobewegung in y-Richtung auszuführen im Stande ist.
Das Trägerelement 2 ist derart ausgestaltet, dass das erste Abstützteil 2c über den Verbindungsabschnitt 2f in x-Richtung eine möglichst steife, nicht komprimierbare Verbindung zum Basisteil 2a ausbildet, wobei das Basisteil 2a zudem im Bereich des Verbindungsabschnittes 2f über die Schraube 6 fest mit dem Grundgehäuse 8 verbunden ist, sodass die dem Antriebselement 3a zugeordnete Oberfläche des ersten Abstützteils 2c in x-Richtung sehr steif an das Grundgehäuse 8 gekoppelt ist. Das zweite Abstützteil 2d ist auf dieselbe Weise über den Verbindungsabschnitt 2g in y-Richtung sehr steif an das Grundgehäuse 8 gekoppelt. Andererseits ist der Verbindungsabschnitt 2f derart ausgestaltet, dass er bezüglich einer senkrecht zur x-Richtung verlaufenden, das heisst in y-Richtung verlaufenden Bewegungsrichtung federnde Eigenschaften aufweist.
In gleicher Weise ist der Verbindungsabschnitt 2g derart ausgestaltet, dass er bezüglich einer senkrecht zur y-Richtung verlaufenden, das heisst in x-Richtung verlaufenden Bewegungsrichtung federnde Eigenschaften aufweist.
Die einfachste Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1 weist keine Verbindungsabschnitte 2e, 2h und kein in z-Richtung wirkendes Antriebselement 3c auf, wobei das Trägerteil 2b über die Antriebselemente 3a, 3b fest mit den Abstützteilen 2c, 2d verbunden ist. Durch die vorhin beschriebene Ausgestaltung der Verbindungsabschnitte 2f, 2g ist gewährleistet, dass bezüglich einer Bewegung des Trägerteils 2b in x- oder in y-Richtung nur eine geringe, idealerweise eine vernachlässigbar kleine Koppelung zur anderen, senkrecht verlaufenden y- beziehungsweise x-Richtung besteht.
Dadurch ist gewährleistet, dass zum Beispiel bei einer Bewegung des Trägerteils 2b durch das Antriebselementes 3a in x-Richtung durch den Verbindungsabschnitt 2g und das Abstützteil 2d keine oder eine vernachlässigbar kleine Bewegung in y-Richtung bewirkt wird und die Bewegung in x-Richtung nicht durch über den Verbindungsabschnitt 2g und das Abstützteil 2d bewirkte Kräfte beeinflusst wird. Das Antriebselement 3a, 3b, 3c ist in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich Zug und Druck ansteuerbar.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Trägerteil 2b über zusätzliche Verbindungsabschnitte 2e, 2h mit dem Basisteil 2a verbunden, wobei auch diese Verbindungsabschnitte 2e, 2h derart ausgestaltet sind, dass sie einen möglichst geringen Einfluss auf die Bewegung des Trägerteils 2b ausüben. So ist der Verbindungsabschnitt 2e derart L-förmig verlaufend ausgestaltet, dass er sowohl bezüglich einer Bewegung des Trägerteils 2b in x-Richtung als auch in y-Richtung eine vorteilhafterweise vernachlässigbar kleine Kraft ausübt.
Die Verbindungsabschnitte 2e, 2h können zur zusätzlichen Halterung des Trägerteils 2b von Vorteil sein. Zudem können die Verbindungsabschnitte 2e, 2h derart ausgestaltet sein, dass die zum Beispiel als Piezowandler ausgestaltetes Antriebselemente 3a, 3b federbelastet zwischen dem Trägerteil 2b und dem jeweiligen Abstützteil 2c, 2d eingespannt sind.
Die Verbindungsabschnitte 2e, 2h können in unterschiedlichster Form ausgestaltet sein, um die Funktion einer Halterung des Trägerteils 2b auszuüben oder als Träger für eine Leiterbahn zu dienen. Zudem könnten auch noch zusätzliche Verbindungsabschnitte zwischen dem Basisteil 2a und dem Trägerteil 2b angeordnet sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Verbindungsabschnitte 2e, 2h Leiterbahnen 4c, 4d auf, welche eine elektrische Verbindung zwischen den auf dem Basisteil 2a angeordneten elektronischen Bauteilen 5 und der auf dem Trägerteil 2b angeordneten Abtastspitze 9a herstellen. Weitere, über die Verbindungsabschnitte 2f, 2g und die Abstützteile 2c, 2d verlaufenden Leiterbahnen 4a, 4b dienen zur Versorgung der Antriebselemente 3a, 3b mit elektrischer Energie. Die elektrische Zuführung für das Antriebselement 3c ist nicht sichtbar dargestellt und erfolgt über die Unterseite der Leiterplatte. Die drei Antriebselemente 3a, 3b, 3c sind derart gegenseitig angeordnet, dass sie jeweils aktiv in einer x-, y- oder z-Richtung wirken, wobei diese Richtungen jeweils senkrecht zueinander verlaufend ein kartesisches Koordinatensystem ausbilden.
Die Abtastspitze 9a ist somit bezüglich dreier Freiheitsgrade in x-, y- und/oder z-Richtung mit einer im Sub-Nanometer-Bereich liegenden Auflösung ansteuerbar beweglich mit dem Trägerelement 2 verbunden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Antriebselemente 3a, 3b, 3c als mit Niederspannung betreibbare piezokeramische Elemente, auch als Piezowandler bezeichnet, ausgestaltet, wobei diese Elemente einen Multilayer-Aufbau aufweisen und mit einer Spannung von maximal 50 Volt betreibbar sind. Durch Anlegen einer Niederspannung von beispielsweise +/- 15 Volt kann das Trägerteil 2b und damit auch die Abtastspitze 9a in x- und/oder y- und/oder z-Richtung gesteuert verstellt werden, sodass eine reproduzierbare Bewegung bis in den Sub-Nanometer-Bereich möglich ist. Daher ist die Verstellvorrichtung für eine hochauflösende Mikroskopie geeignet, wobei die gleichen Oberflächenstellen eines zu untersuchenden Objektes auch mehrfach reproduzierbar angefahren und abgetastet werden können.
Somit ist eine reproduzierbare Mikrobewegung hoher Präzision in allen drei Richtungen gewährleistet.
Die Piezowandler können auch derart im Trägerelement 2 angeordnet sein, dass sie eine Scherbewegung ausführen und dabei eine Bewegung in x-, y- oder z-Richtung bewirken.
Die Antriebselemente 3a, 3b, 3c können beispielsweise auch auf elektro- oder magnetostriktiv, thermisch oder elektrostatisch eine Bewegung bewirkenden Effekten basieren.
Auf dem Basisteil 2a sind elektrische Bauteile 5 und zusätzliche, diese Bauteile 5 verbindende Leiterbahnen 4f, 4g angeordnet, wobei die Bauteile 5 zumindest eine Verstärkerschaltung aufweisen oder ausbilden, um das von der Abtastspitze 9a erzeugte elektrische Signal, das im Bereich von nA (Nano-Ampère) oder mu V (Mikro-Volt) liegt, zu verstärken.
Die als Trägerelement 2 ausgestaltete Leiterplatte kann auf einer oder beiden Seiten der Oberfläche oder auch innerhalb der Leiterplatte verlaufende elektrische Leiterbahnen 4a, 4b, 4c, 4d aufweisen. Die Leiterbahnen können an beiden Oberflächen des Trägerelementes 2 zumindest über Teilabschnitte gegenüberliegend und deckungsgleich verlaufend angeordnet sein und insbesondere dasselbe elektrische Signal leiten. Diese Anordnung einer Leiterbahn weist den Vorteil auf, dass durch den fliessenden Strom erzeugte, thermische Erwärmungen gegenseitig kompensiert werden, sodass dies zu keiner unkontrollierten Auslenkung des Trägerteils 2b führt. In einer weiteren Ausführungsform sind gewisse Leiterbahnen elektrisch auf Masse gelegt und bilden eine Schirmleitung oder eine Schirmfläche für weitere, signalführende Leitungen aus.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Verbindungsabschnittes 2e, wobei das isolierende Leiterplattenmaterial 2i im Zentrum eine signalführende Leiterbahn 4d aufweist, die von an der Oberfläche des Verbindungsabschnittes 2e angeordneten Leiterbahnen 4h umgeben ist. Die Leiterbahnen 4h sind elektrisch an Masse gelegt und bildet somit eine Schirmfläche aus. Ein Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass das eine sehr geringe Amplitude aufweisende Nutzsignal der Abtastspitze elektrisch abgeschirmt und somit störungsfrei dem nachgeschalteten Verstärker 5 zuführbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform könnte beispielsweise am Verbindungsabschnitt 2e die signalführende Leiterbahn an der gegen oben gerichteten Oberfläche der Leiterplatte verlaufend angeordnet sein, während die seitlichen und die gegen unten ausgerichteten Oberflächen eine weitere Leiterbahn aufweisen, die an Masse gelegt ist. Auch mit dieser Massnahme können auf die signalführende Leiterbahn einwirkende Störeinflüsse reduziert werden.
Durch die Verwendung von mit Niederspannung betreibbaren piezoelektrischen Elemente als Antriebselemente 3a, 3b, 3c ist die Verstellvorrichtung 1 sehr kompakt ausgestaltet, da keine grossen Sicherheitsabstände zwischen den einzelnen Leiterbahnen 4a, 4b, 4c, 4d und zwischen den Antriebselementen 3a, 3b, 3c oder auch der Abtastspitze 9a erforderlich ist. Durch die Verwendung von Niederspannung ist es durchaus möglich, dass zur Ansteuerung der Antriebselemente 3a, 3b, 3c zeitweise höhere Ströme in den Leiterbahnen 4a, 4b der Antriebselemente 3a, 3b, 3c fliessen. Die durch diese Ströme verursachten Störsignale wirken sich nicht nachteilig auf das Nutzsignal der Abtastspitze 9a auf, wenn die Signalleitung 4d entsprechend abgeschirmt ist.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Niederspannung ist darin zu sehen, dass bezüglich der Spannung keine Sicherheitsmassnahmen erforderlich sind, sodass die Positioniervorrichtung für einen Benutzer frei zugänglich ausgestaltet sein könnte. Dies ist mit ein Grund, weshalb ein Messkopf 10 für ein Rastersondenmikroskop, der die erfindungsgemässe Verstellvorrichtung 1 aufweist, sehr klein und kompakt ausgestaltet sein kann.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines Messkopfes 10 für ein Rastersondenmikroskop. Der Messkopf 10 weist ein Gehäuse 8 auf, an welchem das Trägerelement 2 angeordnet ist, wobei im Gehäuse 8 eine \ffnung 13 vorgesehen ist, durch welche ein Teil des Trägerelemente 2 und die aus der \ffnung 13 vorstehende Abtastspitze 9a ersichtlich ist. Das Gehäuse 8 weist eine Vertiefung mit v-förmig verlaufenden Seitenflächen 11 auf, in welcher ein in y-Richtung beweglicher Objektträger 12 gelagert ist. Der Objektträger ist zylinderförmig ausgestaltet und kann mit der Hand eines Benutzers ergriffen und abgehoben beziehungsweise wieder in die Vertiefung eingelegt werden.
Dadurch, dass die Positioniervorrichtung 1 nur Niederspannung verwendet, kann der Benutzer mit seinen Fingern auch in die Nähe des Trägerelementes 2 gelangen, ohne dass die Gefahr einer Elektrisierung besteht.
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Objektträgers 12 mit Schrittmotor. Das Gehäuse 8 weist eine v-förmig verlaufende Vertiefung mit Seitenwänden 11 auf, in welcher der zylinderförmige Objektträger 12 ruht. Der Objektträger 12 liegt im einen Endbereich auf einem Piezoelement 15 auf, und weist am anderen Ende einen Gleitring 14 auf, welcher bezüglich dem Grundgehäuse 8 eine geringe Reibung aufweist.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Anordnung gemäss Fig. 4 entlang der Schnittlinie A-A. Der Objektträger 12 weist an der der Abtastspitze 9a zugeordneten Oberfläche eine Objekthalterungsfläche 18 auf. Der Objektträger 12 liegt lose gelagert und abhebbar auf dem Piezoelement 15 und über den Gleitring 14 auf dem Grundgehäuse 8 auf. Durch den im Grundgehäuse 8 angeordneten Permanentmagnet 16 erfährt der Objektträger 12 eine leichte, zusätzlich zur Schwerkraft wirkende, magnetische Kraft. Der Objektträger 12 ist vorzugsweise in einer horizontalen Richtung verlaufend gelagert, sodass die Schwerkraft bezüglich der Bewegungsrichtung y keinen Einfluss ausübt.
Um den Objektträger 12 in die Nähe der Abtastspitze 9a zu führen, bedarf es einen Antrieb, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Schrittmotor beziehungsweise als ein schrittweise betätigbarer Trägheitsmotor ausgestaltet ist. Das bimorph ausgestaltete Piezoelement 15 ist, wie mit 15a strichliniert dargestellt, in y-Richtung beweglich ausgestaltet. Das bimorphe Piezoelement 15 weist zwei antiparallel polarisierte Schichten auf, sodass sich das Piezoelement 15 unter Spannungsanlegung verbiegt. Das Piezoelement 15 weist eine v-förmige Ausnehmung auf, in welcher der Objektträger 12 aufliegt.
Das Piezoelement 15 wird mit einer sägezahnförmigen Spannung angesteuert, wobei während dem langsamen Ansteigen der Spannungsflanke das Piezoelement 15 langsam in die Stellung 15a geschwenkt wird und der Objektträger, der Bewegung des Piezoelementes 15 folgend, eine Bewegung in y-Richtung ausführt, wobei der Gleitring 14 auf dem Grundgehäuse 8 gleitet. Die schnell abfallende Spannungsflanke des Sägezahns bewirkt, dass das Piezoelement 15 sehr schnell von der Stellung 15a in die Grundstellung 15 springt, wobei der Objektträger 12 auf Grund seiner Massenträgheit dieser Bewegung nicht folgt. Der Objektträger 12 ist durch ein entsprechendes Ansteuern des Piezoelementes 15 in beiden Richtungen, das heisst zur Abtastspitze 9a hin oder von der Abtastspitze 9a weg beweglich, wobei auch die Vorschubsgeschwindigkeit durch ein entsprechendes Ansteuersignal bestimmbar ist.
Das Piezoelement ist mit Niederspannung betreibbar, sodass keine zusätzlichen elektrischen Schutzmassnahmen erforderlich sind, um das Piezoelement gegen mögliche Berührung zu isolieren.
The invention relates to an adjusting device for micro movements according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a measuring head for a scanning probe microscope according to the preamble of claim 12.
For scanning probe microscopes, which allow surface structures to be recorded and displayed with a resolution in the sub-nanometer range, an adjustment device is required which allows the measuring probe or the scanned object to be displaced in the sub-nanometer range. In addition to scanning probe microscopy, such adjustment devices can also be used in other technical fields.
The previously known adjustment devices are relatively large, heavy and correspondingly expensive.
It is an object of the present invention to provide an adjusting device for micro movements, which is of simpler design and less expensive to manufacture and which is particularly suitable for producing an improved measuring head for a scanning probe microscope.
This object is achieved with an adjusting device, having the features of claim 1. The dependent claims 2 to 11 relate to further advantageous configurations of the adjusting device according to the invention. The object is further achieved with a measuring head for a scanning probe microscope, having the features according to claim 12. The dependent claims 13 to 15 relate to further advantageous configurations of the measuring head according to the invention.
The object is achieved in particular with an adjusting device for micro movements, in particular for moving a probe of a scanning probe microscope, with a plate-shaped support element which comprises a firmly anchored base part, a support part and a first and a second support part connected to the base part, between which the first support part and the support part are arranged to form an active connection, a first drive element causing a micro movement in an x-direction, and a second drive element is arranged between the second support part and the support part to form an active connection causing a micro movement in a y direction , wherein the support parts and the carrier part are mutually arranged in particular,
that the x-direction and the y-direction are perpendicular to each other.
In an advantageous embodiment of the invention, the carrier element is designed as a printed circuit board with conductor tracks, which has the advantage that the adjusting device can be produced in a very compact and inexpensive manner. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the drive elements are designed as piezoelectric elements that can be operated with low voltage. One advantage of such drive elements is that the drive elements can be supplied with control currents via the conductor tracks and that no additional lines are required. In a further advantageous embodiment of the invention, at least one of the conductor tracks is connected to the electrical ground in order to shield the signal-carrying lines from electrical interference.
An advantage of the adjustment device according to the invention in combination with a measuring head of a scanning probe microscope can be seen in the fact that the signal line of the scanning tip can be shielded on the printed circuit board and that an amplifier for this signal can also be arranged on the printed circuit board so that the useful signal has hardly any interference signals be overlaid.
The adjustment device for micro-movements according to the invention has a carrier part on which a scanning tip of a scanning probe microscope or another object can be arranged, the carrier part being movably controlled with a resolution in the sub-nanometer range. In a preferred embodiment of such a measuring head for a scanning probe microscope, the adjustment device is operated exclusively with low voltage, so that electrical protective measures are omitted, which is why the measuring head can be produced in a very compact manner. In addition, a slide can be used, which can be inserted into the measuring head by hand without any problems and without the risk of electric shocks. This makes the measuring head very user-friendly.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
Figure 1 is a perspective view of an adjustment device.
2 shows a section through a connecting section;
3 shows a perspective view of a measuring head for a scanning probe microscope;
Fig. 4 is a side view of a slide with a stepper motor;
5 shows a longitudinal section along the line A-A through the arrangement according to FIG. 4th
The adjusting device 1 for micro-movements shown in FIG. 1 has a scanning tip 9a connected to a carrier part 2b by means of a holder 9, the carrier part 2b being movably supported in a controllable manner in an x, y and z direction. The maximum travel distances can be in the range of, for example, 2 μm to 100 μm, the smallest travel distances being in the sub-nanometer range. The scanning tip 9a forms the sensor of a scanning probe microscope.
The adjusting device 1 comprises a plate-shaped carrier element 2 designed as a printed circuit board, which is subdivided into several partial areas by the provision of openings and grooves. The support element 2 in the illustrated embodiment consists of a firmly anchored base part 2a, two support parts 2c, 2d, four connecting sections 2e, 2f, 2g, 2h and the support part 2b, the support element 2 being formed in one piece, that is to say consisting of a single printed circuit board , The base part 2a lies on a spacer part 7 and is firmly connected to the base housing 8 by means of screws 6. The base part 2a is connected to the first support part 2c via the connection section 2f and to the second support part 2d via the connection section 2g.
The carrier part 2b is connected, on the one hand, to the base part 2a via the L-shaped connecting section 2e, and on the other hand, via the T-shaped connecting section 2h, which also has elastic properties. A first drive element 3a is arranged between the first support part 2c and the carrier part 2b, forming an operative connection, and is capable of performing a micro movement in the x direction. Between the second support part 2d and the carrier part 2b, a second drive element 3b is arranged to form an operative connection, which is capable of performing a micro movement in the y direction.
The carrier element 2 is designed in such a way that the first support part 2c forms a connection which is as stiff and incompressible as possible to the base part 2a via the connection section 2f in the x-direction, the base part 2a also being fixed to the base housing in the region of the connection section 2f via the screw 6 8 is connected, so that the surface of the first support part 2c assigned to the drive element 3a is coupled very stiffly to the basic housing 8 in the x direction. In the same way, the second support part 2d is coupled to the basic housing 8 very stiffly in the y direction via the connecting section 2g. On the other hand, the connecting section 2f is designed such that it has resilient properties with respect to a movement direction running perpendicular to the x direction, that is to say running in the y direction.
In the same way, the connecting section 2g is designed such that it has resilient properties with respect to a movement direction running perpendicular to the y direction, that is to say running in the x direction.
The simplest embodiment of the adjusting device 1 has no connecting sections 2e, 2h and no drive element 3c acting in the z direction, the carrier part 2b being firmly connected to the support parts 2c, 2d via the drive elements 3a, 3b. The above-described configuration of the connecting sections 2f, 2g ensures that there is only a small, ideally a negligibly small coupling to the other, perpendicular y or x direction with respect to a movement of the carrier part 2b in the x or y direction.
This ensures that, for example, when the carrier part 2b is moved by the drive element 3a in the x-direction through the connecting section 2g and the support part 2d, no or a negligibly small movement in the y-direction is brought about and the movement in the x-direction is not effected Forces caused by the connecting portion 2g and the support member 2d is influenced. In this exemplary embodiment, the drive element 3a, 3b, 3c can be controlled with regard to tension and pressure.
In the exemplary embodiment shown, the carrier part 2b is connected to the base part 2a via additional connecting sections 2e, 2h, these connecting sections 2e, 2h also being designed such that they exert as little influence as possible on the movement of the carrier part 2b. The connecting section 2e is designed in an L-shaped manner in such a way that it exerts an advantageously negligibly small force both with respect to a movement of the carrier part 2b in the x direction and in the y direction.
The connecting sections 2e, 2h can be advantageous for the additional holding of the carrier part 2b. In addition, the connecting sections 2e, 2h can be designed in such a way that the drive elements 3a, 3b, for example designed as a piezo transducer, are clamped spring-loaded between the carrier part 2b and the respective support part 2c, 2d.
The connecting sections 2e, 2h can be designed in a wide variety of forms in order to perform the function of holding the carrier part 2b or to serve as a carrier for a conductor track. In addition, additional connecting sections could also be arranged between the base part 2a and the carrier part 2b.
In a particularly advantageous embodiment, the connecting sections 2e, 2h have conductor tracks 4c, 4d which establish an electrical connection between the electronic components 5 arranged on the base part 2a and the scanning tip 9a arranged on the carrier part 2b. Further conductor tracks 4a, 4b running over the connecting sections 2f, 2g and the supporting parts 2c, 2d serve to supply the drive elements 3a, 3b with electrical energy. The electrical supply for the drive element 3c is not shown visibly and takes place via the underside of the circuit board. The three drive elements 3a, 3b, 3c are mutually arranged in such a way that they each act actively in an x, y or z direction, these directions each forming a Cartesian coordinate system running perpendicular to one another.
The scanning tip 9a is thus connected to the carrier element 2 so that it can be controlled with respect to three degrees of freedom in the x, y and / or z direction with a resolution in the sub-nanometer range.
In the exemplary embodiment shown, the drive elements 3a, 3b, 3c are designed as piezoceramic elements that can be operated with low voltage, also referred to as piezoconverters, these elements having a multilayer structure and being operable with a voltage of at most 50 volts. By applying a low voltage of, for example, +/- 15 volts, the carrier part 2b and thus also the scanning tip 9a can be adjusted in a controlled manner in the x and / or y and / or z direction, so that a reproducible movement down to the sub-nanometer Range is possible. The adjustment device is therefore suitable for high-resolution microscopy, the same surface locations of an object to be examined also being reproducibly approached and scanned.
This ensures a reproducible micro movement of high precision in all three directions.
The piezo transducers can also be arranged in the carrier element 2 in such a way that they execute a shear movement and thereby cause a movement in the x, y or z direction.
The drive elements 3a, 3b, 3c can, for example, also be based on effects that cause movement, electro- or magnetostrictive, thermally or electrostatically.
Electrical components 5 and additional conductor tracks 4f, 4g connecting these components 5 are arranged on the base part 2a, the components 5 having or forming at least one amplifier circuit in order to generate the electrical signal generated by the scanning tip 9a, which is in the range of nA (nanoscale). Ampère) or mu V (micro-volt).
The printed circuit board designed as a carrier element 2 can have electrical conductor tracks 4a, 4b, 4c, 4d running on one or both sides of the surface or also inside the printed circuit board. The conductor tracks can be arranged on both surfaces of the carrier element 2 at least over partial sections opposite and congruently and in particular conduct the same electrical signal. This arrangement of a conductor track has the advantage that thermal heating generated by the flowing current is mutually compensated for, so that this does not lead to an uncontrolled deflection of the carrier part 2b. In a further embodiment, certain conductor tracks are electrically connected to ground and form a shield line or a shield surface for further signal-carrying lines.
2 shows a cross section through an exemplary embodiment of a connecting section 2e, the insulating printed circuit board material 2i having a signal-carrying conductor track 4d in the center, which is surrounded by conductor tracks 4h arranged on the surface of the connecting section 2e. The conductor tracks 4h are electrically grounded and thus form a screen surface. An advantage of this arrangement can be seen in the fact that the useful signal of the scanning tip, which has a very low amplitude, is electrically shielded and can thus be fed to the downstream amplifier 5 without interference.
In a further embodiment, for example, the signal-carrying conductor track on the connection section 2e could be arranged running on the surface of the printed circuit board facing upwards, while the lateral and the surfaces oriented against the bottom have a further conductor track which is connected to ground. This measure can also reduce interference influences on the signal-carrying conductor track.
By using piezoelectric elements that can be operated with low voltage as drive elements 3a, 3b, 3c, the adjustment device 1 is designed to be very compact, since there are no large safety distances between the individual conductor tracks 4a, 4b, 4c, 4d and between the drive elements 3a, 3b, 3c or else the scanning tip 9a is required. Through the use of low voltage, it is entirely possible that temporarily higher currents flow in the conductor tracks 4a, 4b of the drive elements 3a, 3b, 3c in order to control the drive elements 3a, 3b, 3c. The interference signals caused by these currents do not adversely affect the useful signal of the scanning tip 9a if the signal line 4d is shielded accordingly.
Another advantage of using low voltage is that no safety measures are required with regard to the voltage, so that the positioning device could be designed so that it is freely accessible to a user. This is one of the reasons why a measuring head 10 for a scanning probe microscope, which has the adjusting device 1 according to the invention, can be made very small and compact.
3 shows a perspective view of an exemplary embodiment of a measuring head 10 for a scanning probe microscope. The measuring head 10 has a housing 8, on which the carrier element 2 is arranged, an opening 13 being provided in the housing 8, through which part of the carrier element 2 and the scanning tip 9a protruding from the opening 13 can be seen. The housing 8 has a recess with V-shaped side surfaces 11, in which a slide 12 movable in the y direction is mounted. The specimen slide is cylindrical and can be gripped and lifted or put back into the recess by a user's hand.
Because the positioning device 1 uses only low voltage, the user can also get his fingers near the support element 2 without the risk of electrification.
Fig. 4 shows a side view of the slide 12 with stepper motor. The housing 8 has a V-shaped recess with side walls 11, in which the cylindrical slide 12 rests. The object carrier 12 rests on a piezo element 15 in one end region and has a slide ring 14 at the other end, which has a low friction with respect to the basic housing 8.
FIG. 5 shows a longitudinal section through the arrangement according to FIG. 4 along the section line A-A. The slide 12 has an object holder surface 18 on the surface assigned to the scanning tip 9a. The slide 12 is loosely supported and can be lifted off on the piezo element 15 and on the slide ring 14 on the base housing 8. Due to the permanent magnet 16 arranged in the basic housing 8, the specimen slide 12 experiences a light magnetic force that acts in addition to gravity. The slide 12 is preferably mounted in a horizontal direction so that gravity has no influence with respect to the direction of movement y.
In order to guide the specimen slide 12 in the vicinity of the scanning tip 9a, a drive is required which, in the exemplary embodiment shown, is designed as a stepper motor or as an inertial motor which can be actuated in steps. The bimorphic piezo element 15 is, as shown in dashed lines at 15a, designed to be movable in the y direction. The bimorph piezo element 15 has two antiparallel polarized layers, so that the piezo element 15 bends when voltage is applied. The piezo element 15 has a v-shaped recess in which the specimen slide 12 rests.
The piezo element 15 is driven with a sawtooth-shaped voltage, the piezo element 15 being slowly pivoted into the position 15 a during the slow rise of the voltage flank and the slide, following the movement of the piezo element 15, executing a movement in the y direction, with the slide ring 14 slides on the base housing 8. The rapidly falling voltage flank of the sawtooth causes the piezo element 15 to jump very quickly from the position 15a to the basic position 15, the slide 12 not following this movement due to its inertia. The object carrier 12 can be moved in both directions by appropriate actuation of the piezo element 15, that is to say toward the scanning tip 9a or away from the scanning tip 9a, the feed rate also being determinable by means of a corresponding actuation signal.
The piezo element can be operated with low voltage, so that no additional electrical protective measures are required to isolate the piezo element against possible contact.