DE102008020982B4 - Sample positioning device and scanning probe microscope with the sample positioning device - Google Patents
Sample positioning device and scanning probe microscope with the sample positioning device Download PDFInfo
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- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
Abstract
Probenpositioniervorrichtung, insbesondere für ein Rastersondenmikroskop, mit
(a) einem Probentisch (12),
(b) einem ersten Probentischantrieb (14), der mit dem Probentisch (12) mechanisch gekoppelt ist, zum Bewegen des Probentischs (12) in eine erste Richtung (x),
(c) einem zweiten Probentischantrieb (16), der mit dem Probentisch (12) mechanisch gekoppelt ist, zum Bewegen des Probentischs (12) in eine von der ersten Richtung (x) verschiedene zweite Richtung (y),
(d) wobei der erste Probentischantrieb (14) eine erste Tauchspulenanordnung aufweist, und
(e) wobei der zweite Probentischantrieb (16) eine zweite Tauchspulenanordnung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
(f) der erste Probentischantrieb (14) einen ersten Lautsprecher (18) umfasst, der eine erste Lautsprecherkalotte (62), einen ersten Lautsprechermagnet (20) und eine erste Tauchspulenanordnung umfasst, wobei der erste Lautsprechermagnet (20) Teil der ersten Tauchspulenanordnung ist, und dass der zweite Probentischantrieb (16) einen zweiten Lautsprecher (22) umfasst, der eine zweite Lautsprecherkalotte (26), einen zweiten Lautsprechermagnet (24) und eine zweite Tauchspulenanordnung umfasst, wobei der zweite Lautsprechermagnet (24) Teil der zweiten Tauchspulenanordnung ist.Probenpositioniervorrichtung, in particular for a scanning probe microscope, with
(a) a sample table (12),
(b) a first sample table drive (14) mechanically coupled to the sample table (12) for moving the sample table (12) in a first direction (x),
(c) a second sample table drive (16) mechanically coupled to the sample table (12) for moving the sample table (12) in a second direction (y) different from the first direction (x),
(D) wherein the first sample table drive (14) comprises a first plunger coil assembly, and
(e) the second sample table drive (16) having a second immersion coil arrangement,
characterized in that
(f) the first sample table drive (14) comprises a first loudspeaker (18) comprising a first loudspeaker cup (62), a first loudspeaker magnet (20) and a first plunger coil assembly, the first loudspeaker magnet (20) being part of the first plunger coil assembly, and that the second stage table drive (16) comprises a second loudspeaker (22) comprising a second loudspeaker cup (26), a second loudspeaker magnet (24) and a second plunger coil assembly, the second loudspeaker magnet (24) being part of the second plunger coil assembly.
Description
Die Erfindung betrifft eine Probenpositioniervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Bausatz für ein Rasterkraftmikroskop mit einer solchen Probenpositioniervorrichtung.The invention relates to a Probenpositioniervorrichtung according to the preamble of claim 1 and a kit for an atomic force microscope with such a sample positioning.
Derartige Probenpositioniervorrichtungen werden beispielsweise in Rasterkraftmikroskopen eingesetzt. Rasterkraftmikroskope dienen dazu, die Oberfläche einer Probe abzurastern. Dazu wird ein Cantilever in einer x-y-Ebene bewegt und von der Oberfläche der Probe in eine z-Richtung ausgelenkt. Die Auslenkung wird von einem Messkopf erfasst und die so erhaltenen Daten werden elektronisch, beispielsweise von einem Rechner, verarbeitet.Such Probenpositioniervorrichtungen be used for example in atomic force microscopes. Atomic force microscopes serve to scan the surface of a sample. For this purpose, a cantilever is moved in an x-y plane and deflected from the surface of the sample in a z-direction. The deflection is detected by a measuring head and the data thus obtained are processed electronically, for example by a computer.
Die Bewegung in x-Richtung und y-Richtung erfordert eine hohe Positioniergenauigkeit von unter 10 nm und wird daher durch Piezoaktoren ausgeführt. Piezoaktoren haben den Vorteil, eine sehr hohe Positioniergenauigkeit zu erlauben. Nachteilig an bekannten Rasterkraftmikroskopen ist deren hoher Preis.The movement in the x-direction and y-direction requires a high positioning accuracy of less than 10 nm and is therefore performed by piezo actuators. Piezo actuators have the advantage of allowing a very high positioning accuracy. A disadvantage of known atomic force microscopes is their high price.
Aus der
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes Rastersondenmikroskop, insbesondere ein preiswertes Rasterkraftmikroskop, bereitzustellen, so dass beispielsweise auch Schulen Zugang zur Rasterkraftmikroskoptechnologie erhalten können.The invention has for its object to provide a low-cost scanning probe microscope, in particular a low-cost atomic force microscope, so that, for example, schools access to atomic force microscope technology can be obtained.
Die Erfindung löst das Problem durch eine Probenpositioniervorrichtung gemäß Anspruch 1 und einen Bausatz gemäß Anspruch 9.The invention solves the problem by a sample positioning device according to claim 1 and a kit according to claim 9.
Bevorzugt wird die Probenpositioniervorrichtung in einem Rasterprobenmikroskop, insbesondere einem Rasterkraftmikroskop eingesetzt.The sample positioning device is preferably used in a scanning sample microscope, in particular an atomic force microscope.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Rastersondenmikroskop ist, dass Probentischantriebe auf Basis von Tauchspulen besonders kostengünstig herstellbar sind. Beispielsweise kann ein Lautsprecher im Probentischantrieb verwendet werden. Derartige Lautsprecher sind Massenprodukte und sind leicht verfügbar. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass auch mit billigen Tauchspulen die hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit erfüllt werden können.An advantage of the scanning probe microscope according to the invention is that sample stage drives based on immersion coils are particularly inexpensive to produce. For example, a speaker can be used in the sample table drive. Such speakers are mass-produced and readily available. It has surprisingly been found that even with cheap immersion coils, the high demands on the positioning accuracy can be met.
Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rastesondenmikroskops, dass eine Hochspannungsquelle für einen Piezoaktor entbehrlich ist. So kann das Rastersondenmikroskop beispielsweise für Lehrzwecke eingesetzt werden, ohne dass aufwändige Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen sein müssen.It is a further advantage of the ratchet probe microscope according to the invention that a high-voltage source for a piezoelectric actuator is dispensable. Thus, the scanning probe microscope can be used, for example, for educational purposes, without elaborate security measures must be provided.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Probentisch eine Bodenplatte, einen Stempel, der mit der Bodenplatte verbunden ist, und einen in Betriebsstellung oben angeordneten Kopf zur Aufnahme einer zu vermessenden Probe, sowie eine Federstruktur, die mit dem Stempel und der Bodenplatte verbunden ist. Vorteilhaft ist hieran, dass die Federstruktur dämpfend auf etwaige Schwankungen in den Probentischantrieben wirkt.In a preferred embodiment, the sample table comprises a bottom plate, a punch connected to the bottom plate, and a top-mounted head for receiving a sample to be measured, and a spring structure connected to the punch and bottom plate. The advantage hereof is that the spring structure has a damping effect on any fluctuations in the sample table drives.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Federstruktur ein erstes Federelement, einen Zwischenboden und ein zweites Federelement, wobei das erste Federelement an der Bodenplatte und dem Zwischenboden und das zweite Federelement an dem Zwischenboden und dem Kopf befestigt sind. Vorteilhaft ist hieran, dass das erste Federelement und das zweite Federelement anisotrop bezüglich ihrer Federkonstanten ausgebildet werden können, was die Dämpfungseigenschaften verbessert.In a preferred embodiment, the spring structure comprises a first spring element, an intermediate bottom and a second spring element, wherein the first spring element are fixed to the bottom plate and the intermediate bottom and the second spring element to the intermediate bottom and the head. The advantage of this is that the first spring element and the second spring element can be anisotropic with respect to their spring constants, which improves the damping properties.
Besonders bevorzugt verlaufen die erste Richtung und die zweite Richtung senkrecht zueinander, wobei das erste Federelement eine erste Blattfeder ist, die senkrecht zu der ersten Richtung verlauft, und wobei das zweite Federelement eine zweite Blattfeder ist, die senkrecht zu der zweiten Richtung verlauft. So werden Schwingungen des Probentischs besonders effektiv unterdrückt.Particularly preferably, the first direction and the second direction are perpendicular to each other, wherein the first spring element is a first leaf spring, which is perpendicular to the first direction, and wherein the second spring element is a second leaf spring, which is perpendicular to the second direction. Thus vibrations of the sample table are suppressed particularly effectively.
Eine spielfreie und momentfreie Kopplung zwischen dem Probentisch und den Tauchspulen wird erhalten, wenn die erste Tauchspule über eine erste Koppelstange mit dem Stempel verbunden ist und die zweite Tauchspule über eine zweite Koppelstange mit dem Stempel verbunden ist, wobei beide Koppelstangen mittels magnetischer Lagerpunkte jeweils mit der jeweiligen Tauchspule einerseits und dem Stempel andererseits verbunden sind.A backlash-free and torque-free coupling between the sample table and the plunger coils is obtained when the first plunger coil over a first coupling rod is connected to the punch and the second plunger coil is connected via a second coupling rod with the punch, wherein both coupling rods are connected by means of magnetic bearing points in each case with the respective plunger coil on the one hand and the punch on the other.
Erfindungsgemäß ist die erste Tauchspule Teil eines ersten Lautsprechers, der eine erste Lautsprecherkalotte umfasst, und die zweite Tauchspule ist Teil eines zweiten Lautsprechers, der eine zweite Lautsprecherkalotte umfasst. Dabei ist die erste Koppelstange bevorzugt über einen ersten magnetischen Lagerpunkt mit der ersten Lautsprecherkalotte verbunden und die zweite Koppelstange ist bevorzugt über einen zweiten magnetischen Lagerpunkt mit der zweiten Lautsprecherkalotte verbunden. Es handelt sich bei den Lautsprechern beispielsweise um handelsübliche Einbaulautsprecher, die eine kontinuierliche und vibrationsfreie Bewegung über die Koppelstangen auf die Federelemente übertragen. Auf den Kalotten der Lautsprecher sind ebenfalls magnetische Lagerpunkte angebracht.According to the invention, the first plunger coil is part of a first loudspeaker comprising a first loudspeaker dome, and the second plunger coil is part of a second loudspeaker comprising a second loudspeaker dome. In this case, the first coupling rod is preferably connected via a first magnetic bearing point with the first speaker calotte and the second coupling rod is preferably connected via a second magnetic bearing point with the second speaker calotte. The loudspeakers are, for example, commercially available built-in loudspeakers which transmit a continuous and vibration-free movement via the coupling rods to the spring elements. Magnetic bearing points are also mounted on the calottes of the speakers.
Besonders gute Dämpfungseigenschaften werden erhalten, wenn das erste Federelement und/oder das zweite Federelement aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff, besteht. Auf diese Weise werden Schwingungen besonders wirkungsvoll unterdrückt.Particularly good damping properties are obtained when the first spring element and / or the second spring element consists of fiber-reinforced plastic, in particular of carbon fiber reinforced plastic. In this way, vibrations are suppressed particularly effectively.
Ein Bausatz ist eine räumliche Zusammenstellung von Objekten, die zusammengebaut eine erfindungsgemäße Probenpositioniervorrichtung oder ein erfindungsgemäßes Rastersondenmikroskop, insbesondere ein erfindungsgemäßes Rasterkraftmikroskop ergeben.A kit is a spatial arrangement of objects which, when assembled, result in a sample positioning device according to the invention or a scanning probe microscope according to the invention, in particular an atomic force microscope according to the invention.
Wie oben beschrieben, sind der erste und der zweite Probentischantrieb bevorzugt Lautsprecher. Der Bausatz besitzt zudem vorzugsweise eine erste Koppelstange, eine zweite Koppelstange, eine erste Blattfeder und eine zweite Blattfeder, wobei diese Elemente wie oben beschrieben aufgebaut sind.As described above, the first and second stage table drives are preferably speakers. The kit also preferably has a first coupling rod, a second coupling rod, a first leaf spring and a second leaf spring, these elements being constructed as described above.
Zusätzlich kann der Bausatz eine Grundplatte, beispielsweise aus Aluminium umfassen. Diese Grundplatte kann eine Dicke von 5 bis 25 mm aufweisen und an zwei Seiten mit jeweiligen Platten verbunden sein, die ausgebildet sind, um die Lautsprecher aufzunehmen. Vorteilhaft ist zudem, wenn der Bausatz eine elektrische Ansteuereinheit aufweist, die zum Ansteuern des ersten Lautsprechers und des zweiten Lautsprechers aufgebildet ist und eine Schnittstelle, beispielsweise eine serielle Schnittstelle oder eine USB-Schnittstelle zu einem Rechner besitzt.In addition, the kit may include a base plate, for example made of aluminum. This base plate may have a thickness of 5 to 25 mm and be connected on two sides to respective plates which are adapted to receive the loudspeakers. It is also advantageous if the kit has an electrical drive unit, which is designed to drive the first speaker and the second speaker and has an interface, such as a serial interface or a USB interface to a computer.
Die Erfindung betrifft zudem ein Rastersondenmikroskop, insbesondere ein Rasterkraftmikroskop mit einer oben beschriebenen Probenpositioniervorrichtung.The invention also relates to a scanning probe microscope, in particular an atomic force microscope with a sample positioning device described above.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels naher erläutert. Dabei zeigtIn the following the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment. It shows
Der zweite Probentischantrieb
Der erste Lautsprecher
Auf der Grundplatte
Der Zwischenboden
Die Bodenplatte
Die erste Koppelstange
Die Probenpositioniervorrichtung
Alternativ kann die z-Verfahrachse einen Metallmembranlautsprecher umfassen, der beispielsweise bei einer Spannungsschwankung von +40 V auf –40 V und/oder 250 mA betrieben zu werden und einen Hub von +5 μm bzw. –5 μm aufweist. Dieser Metallmembranlautsprecher kann zudem ausgebildet sein, um den angegebenen Hub bei einer Spannungsschwankung weniger als +4 V auf –4 V, beispielsweise von +2 V auf –2 V, auszuführen. In diesem Fall kann das Wegmesssystem und das Rasterkraftmikroskop mit einer Spannung von ±2 V betrieben werden, was für eine Verwendung des Rasterkraftmikroskops als Schulgerät besonders günstig ist.Alternatively, the z-axis may comprise a metal diaphragm loudspeaker operated, for example, at -40V and / or 250mA with a voltage swing of +40V and having a lift of +5μm and -5μm, respectively. This metal diaphragm speaker may also be designed to perform the specified lift at a voltage swing of less than +4 volts to -4 volts, for example, from +2 volts to -2 volts. In this case, the displacement measuring system and the atomic force microscope can be operated with a voltage of ± 2 V, which is particularly favorable for use of the atomic force microscope as a school device.
Die Grundplatte
Die Lautsprecher
Der in
Das erfindungsgemäße Rasterkraftmikroskop umfasst die Probenpositioniervorrichtung
Ein erfindungsgemäßer Bausatz umfasst die oben beschriebenen Komponenten und Verbindungselemente zum Verbinden der Komponenten zu einer erfindungsgemäßen Probenpositioniervorrichtung oder zu einem erfindungsgemäßen Rasterkraftmikroskop.A kit according to the invention comprises the components and connecting elements described above for connecting the components to a sample positioning device according to the invention or to an atomic force microscope according to the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- ProbenpositioniervorrichtungProbenpositioniervorrichtung
- 1212
- Probentischsample table
- 1414
- erster Probentischantriebfirst sample table drive
- 1616
- zweiter Probentischantriebsecond sample table drive
- 1818
- erster Lautsprecherfirst speaker
- 2020
- erster Lautsprechermagnetfirst speaker magnet
- 2222
- zweiter Lautsprechersecond speaker
- 2424
- zweiter Lautsprechermagnetsecond loudspeaker magnet
- 2626
- zweite Kalottesecond dome
- 2828
- erste Plattefirst plate
- 3030
- zweite Plattesecond plate
- 3232
- Grundplattebaseplate
- 3434
- Bodenplattebaseplate
- 3636
- erstes Federelementfirst spring element
- 3838
- Zwischenbodenfalse floor
- 4040
- Blattfederleaf spring
- 4242
- zweites Federelementsecond spring element
- 4444
- Kopfhead
- 4646
- Aufnahmeadmission
- 4848
- Blattfederleaf spring
- 4949
- Federstrukturspring structure
- 5050
- Stempelstamp
- 5252
- erste Koppelstangefirst coupling rod
- 5454
- zweite Koppelstangesecond coupling rod
- 5656
- Lagerpunktbearing point
- 5858
- Lagerpunktbearing point
- 6060
- Lagerpunktbearing point
- 6262
- erste Kalottefirst dome
Claims (10)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102008020982.1A DE102008020982B4 (en) | 2008-04-25 | 2008-04-25 | Sample positioning device and scanning probe microscope with the sample positioning device |
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Publication Number | Publication Date |
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DE102008020982A1 DE102008020982A1 (en) | 2009-10-29 |
DE102008020982B4 true DE102008020982B4 (en) | 2014-05-28 |
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- 2008-04-25 DE DE102008020982.1A patent/DE102008020982B4/en not_active Expired - Fee Related
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R020 | Patent grant now final |
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