DE102007045860A1

DE102007045860A1 - Schaltungsanordnung für parallele Cantilever-Arrays für die Raster-Kraft-Mikroskopie

Info

Publication number: DE102007045860A1
Application number: DE102007045860A
Authority: DE
Inventors: Ivo W. Prof. Dr. Ing. habil. Rangelow; Tzvetan Dr. rer. nat. Ivanov; Galina Dipl.-Phys. Stancheva
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-04-09
Also published as: WO2009040236A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Schaltungsanordnung für parallele Cantilever-Arrays bereitgestellt werden, mit der die Anzahl der elektrischen Verbindungen reduziert werden kann, wobei es jedoch nicht zu einer Einschränkung der Funktionalität des Cantilever-Arrays kommen darf. Erfindungsgemäß gelingt dies mit der seriellen Schaltung der Aktuatoren der vier parallelen, in ihrer Länge und/oder Masse sich geringfügig unterscheidenden Cantilever und der Verschaltung ihrer Piezoresistoren in einer Wheatstone-Bridge. Die Reaktion jedes Cantilevers wird mittels der Detektion seiner Resonanzfrequenz identifiziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für parallele Cantilever-Arrays für die Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM – atomic force microscopy).
Die Raster-Kraft-Mikroskopie ist eine in der Industrie und Forschung bekannte Methode, eine Oberfläche mit Hilfe einer scharfen Tastspitze z. B. im sog. Non-Contact-Verfahren abzutasten oder für die Detektion von Masse, Zunahme oder Abnahme auf dem Cantilever zu verwenden. Die AFM-Methode wird in der Oberflächenphysik, Molekularbiologie, Pharmakologie, den Materialwissenschaften und der Nanotechnologie häufig eingesetzt. In der Industrie werden AFMs einerseits zur Prozesskontrolle verwendet, aber auch zunehmend zur Untersuchung neuartiger Phänomene, die bei der Herstellung und Nutzung hochintegrierter Schaltkreise aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung eine immer wichtigere Rolle spielen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Raster-Kraft-Mikroskopie sind im Wesentlichen in Kontaktverfahren (Contact mode) und kontaktlose Verfahren (non-contact mode) zu unterteilen.
Beim Kontaktverfahren ist die Tastspitze in direktem Kontakt mit der Oberfläche und wird bei konstanter Aufliegekraft über diese bewegt.
Beim kontaktlosen Verfahren wird der Biegebalken (Cantilever) in Schwingungen versetzt und die Amplitude oder die Phase dieser Schwingungen gemessen und geregelt. Dabei findet eine kontaktlose Interaktion der Cantileverspitze mit der zu untersuchenden Oberfläche statt. Mit diesem Verfahren können topologische Untersuchungen realisiert werden.
Alle kontaktlosen AFM-Verfahren haben den Vorteil, dass zur Abtastung keine inelastische und elektronische Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Oberfläche notwendig ist, und daher auch biologische und nicht- oder halbleitende Oberflächen vermessen werden können.
Die Erfindung basiert auf der Anwendung der aus der DE 103 07 561 B4 bekannten Anordnung, die sich für alle drei oben beschriebenen Verfahren besonders eignet. Mit ihr kann auf die sonst übliche Laseroptik zum Auslesen der Verbiegung bzw. der Schwingungsamplitude und -phase vollständig verzichtet werden. Ein in den Cantilever integrierter Heizdraht (thermal bimorph actuator) und ein ebenfalls integriertes, piezoresistives Widerstandsnetzwerk übernehmen die Aufgaben der Anregung und Reaktionserfassung des Cantilevers. Ebenso werden in der Publikation von I. W. Rangelow in „Piezoresistive Scanning Proximity Probes for Nanoscience", Technisches Messen 72 (2005) 2, Seite 103–110, derartige Raster-Kraft-Sonden (piezoresitive Cantilever) mit integriertem Bimorph-Aktuator und unterschiedlich funktionalisierten Messspitzen beschrieben.
Die aus dem Stand der Technik bekannten AFM-Vorrichtungen haben -prinzipbedingt- den Nachteil, dass für jeden Sensor oder Aktuator eines Cantilevers eine direkte Verbindung zu der Elektronik notwendig ist. Das bedeutet, dass pro Cantilever mindestens vier Verbindungsdrähte notwendig sind und für ein Array von z. B. 16 Cantilevern sind 64 Verbindungen nach Außen notwendig.
Dabei ergeben sich Probleme aufgrund von Übersprechen einzelner Signale. Weiterhin ist eine komplizierte Verdrahtungstechnologie erforderlich und auch die Zuverlässigkeit der Messergebnisse ist nicht zufriedenstellend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Schaltungsanordnung für parallele Cantilever-Arrays bereitzustellen, mit der diese Nachteile durch die Reduzierung der Anzahl elektrischer Verbindungen überwunden werden können, wobei es jedoch nicht zu einer Einschränkung der Funktionalität des Cantilever-Arrays kommen darf. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung soll die Packungsdichte signifikant erhöht werden.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Jeder Cantilever besitzt einen piezoresistiven Sensor für die Detektion der Cantilever-Verbiegung und einen integrierten bimorphen Aktuator. Erfindungsgemäß sind die Aktuatoren und piezoresistiven Sensoren von jeweils vier parallelen Cantilevern seriell geschaltet. Die Antwort jedes einzelnen Cantilevers wird elektronisch detektiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen wird gezeigt:
1 – Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für vier parallele Cantilever
2 – prinzipielles Spannungs-Frequenz-Diagramm einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; prizipielles Schaltbild einer Wheatstone-Bridge-Schaltung; prinzipieller Messaufbau für eine erfindungsgemäße Cantilever-Schaltungsanordnung
3 – Abbildung eines Ausschnittes einer realen erfindungsgemäßen Cantilever-Schaltungsanordnung
4 – Abbildung einer realen Cantilever-Schaltungsanordnung mit elektrischen Anschlüssen
5 – reales Messresultat für eine erfindungsgemäße Cantilever-Schaltungsanordnung
In 1 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für vier parallele Cantilever dargestellt. Die Arrayanordnung kann 4 oder 4 × n Cantilever aufweisen. Jeder Cantilever besitzt einen Aktuator (thermal bimorph actuator) und ein Piezoresistor. Die Aktuatoren der vier Cantilever sind in Reihe seriell und die Piezoresistoren sind als eine Wheatstone-Bridge-Schaltung geschaltet, so dass dadurch die Anzahl der elektrischen Anschlüsse von 16 auf 6 reduziert wurde. Erfindungsgemäß sind die einzelnen Cantilever durch geringfügig unterschiedliche Längen und/oder Massen charakterisiert. Daraus resultierend hat auch jeder einzelne Cantilever eine andere Resonanzfrequenz:
oder
mit
wobei ρ die Massendichte, t die Dicke des Cantilevers, w die Breite des Cantilevers, 1 die Länge des Cantilever und E das Young Modul ist. Durch die Variation der Länge bekommt jeder Cantilever eine andere Resonanzfrequenz.
In 2 ist der prinzipielle Messaufbau einer erfindungsgemäßen Cantilever-Schaltungsanordnung dargestellt. Ein Funktionsgenerator erzeugt die notwendige Wechselspannung für die Anregung der Cantileverschwingungen. Durch die Verschaltung der piezoresistiven Sensoren in einer Wheatstone-Bridge-Schaltung kann eine simultane Erfassung aller vier Resonanzfrequenzen der einzelnen Cantilever realisiert werden. In 2 ist weiterhin die Funktion Spannungamplitude-versus-Frequenz eines erfindungsgemäßen Cantileverarrays dargestellt. Die Messung der Spannungsamplitude erfolgt mit Hilfe der in den Cantilevern integrierten Piezoresistoren. Die Messung der Spannungsphase kann über den Vergleich der Phase des Anregungssignals (Aktuator) und des Messsignals der Piezoresistoren erfolgen.
In 3 und 4 sind jeweils reale Abbildungen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für parallele Cantilever-Arrays dargestellt. 5 zeigt ein typisches Messresultat (Amplitude-versus-Frequenz) für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Hierbei ist deutlich die Resonanz-Schwingung jedes einzelnen Cantilevers zu erkennen.
Der Kern der Erfindung liegt in der seriellen Schaltung der Aktuatoren der vier parallelen, in ihrer Länge und/oder Masse sich geringfügig unterscheidenden Cantilever und der Verschaltung ihrer Piezoresistoren in einer Wheatstone-Bridge. Die Reaktion jedes Cantilevers wird mittels der Detektion seiner Resonanzfrequenz identifiziert.
Mit der vorliegenden Erfindung kann folglich die Anzahl der Verbindungen zwischen Cantilever-Array und Elektronik deutlich reduziert werden. Zum Vergleich: Erfindungsgemäß werden vier Cantilever mit sechs Anschlüssen angetrieben. Im Stand der Technik werden dazu vier Anschlüsse pro Cantilever, d. h. für vier Cantilever 16 Verbindungen benötigt. Es liegt auch im Bereich der Erfindung, Arrays aus 4 × n parallelen Cantilevern gemäß der vorliegenden Erfindung zu verschalten und gleichzeitig zu betreiben, wobei zu beachten ist, dass die einzelnen Cantilever sich jeweils in ihrer Länge und/oder Masse unterscheiden und demzufolge durch verschiedene Resonanzfrequenzen charakterisiert sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10307561 B4 [0007]

Claims

Schaltungsanordnung für parallele Cantilever-Arrays für die Raster-Kraft-Mikroskopie bestehend aus vier oder einem Vielfachen davon Cantilevern, in denen jeweils ein bimorpher Aktuator und ein piezoresistiver Sensor integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Cantilever sich in ihrer Länge und/oder Masse unterscheiden und ihre bimorphen Aktuatoren seriell und ihre piezoresistiven Sensoren in einer Brückenschaltung geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Sensoren der einzelnen Cantilever in einer Wheatstone-Bridge geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die bimorphen Aktuatoren der einzelnen Cantilever einzeln angeregt werden und die piezoresistiven Sensoren in einer Brückenschaltung geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die bimorphen Aktuatoren der einzelnen Cantilever seriell geschaltet sind und die piezoresistiven Sensoren einzeln ausgelesen werden.