DE102010018812A1

DE102010018812A1 - Photoconductive measuring tip, metrological arrangement and method for generating and / or detecting electromagnetic field signals

Info

Publication number: DE102010018812A1
Application number: DE102010018812A
Authority: DE
Inventors: Michael Nagel; Markus Wächter; Thomas Kißels
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2011-11-03
Also published as: WO2011134593A1; EP2564219A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine photoleitende Messspitze (100, 200, 300), eine Messanordnung und ein Verfahren zur Erzeugung und/oder Detektion elektromagnetischer Feldsignale (EF, ERM), insbesondere zur Detektion des Normalvektors (ERM) eines elektromagnetischen Feldes. Die Messspitze weist ein Trägerelement (140), insbesondere aus einem Halbleitersubstrat, auf, auf dem sich wenigstens ein erster und ein zweiter elektrische Leiter (120, 150, 250, 155, 255) erstrecken, die sich in einem durch optische Anregung in einen photoleitenden Zustand versetzbaren Bereich (160, 260) des Trägerelements (140) beabstandet gegenüberstehen. Der erste elektrische Leiter (120) dient zur Ein- oder Auskopplung eines elektromagnetischen Feldsignals und ist an dem distalen Ende (151, 156, 251, 256) des zweiten elektrischen Leiters (150, 250, 155, 255), der zur Übertragung eines Photostromsignals dient, vorbeigeführt, wobei er sich zur Spitze (142) der Messspitze (100, 200, 300) hin erstreckt. Zwischen dem distalen Ende (151, 156, 251, 256) des zweiten elektrischen Leiters (150, 250, 155, 255) und dem ersten elektrischen Leiter (120) ist ein Photoschalter ausgebildet, der zumindest einen Teil des photoleitenden Bereichs (160, 260) bildet und von der Spitze (140) zurückversetzt ist.The invention relates to a photoconductive measuring tip (100, 200, 300), a measuring arrangement and a method for generating and / or detecting electromagnetic field signals (EF, ERM), in particular for detecting the normal vector (ERM) of an electromagnetic field. The measuring tip has a carrier element (140), in particular made of a semiconductor substrate, on which at least a first and a second electrical conductor (120, 150, 250, 155, 255) extend, which are optically excited into a photoconductive one State displaceable region (160, 260) of the carrier element (140) spaced apart. The first electrical conductor (120) is used for coupling or decoupling an electromagnetic field signal and is at the distal end (151, 156, 251, 256) of the second electrical conductor (150, 250, 155, 255), which is used to transmit a photocurrent signal serves, passed, whereby it extends to the tip (142) of the measuring tip (100, 200, 300). A photoswitch is formed between the distal end (151, 156, 251, 256) of the second electrical conductor (150, 250, 155, 255) and the first electrical conductor (120), which switches switches at least part of the photoconductive region (160, 260 ) forms and is set back from the tip (140).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine photoleitende Messspitze zur Erzeugung und/oder Detektion elektromagnetischer Feldsignale, insbesondere im Nahfeld und insbesondere zur Detektion des Normalvektors eines elektromagnetischen Feldes, mit einem Trägerelement, insbesondere einem Halleitersubstrat, auf dem sich wenigstens ein erster und ein zweiter elektrischer Leiter erstrecken, die sich in einem durch optische Anregung in einen photoleitenden Zustand versetzbaren Bereich des Trägerelements beabstandet gegenüberstehen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine messtechnische Anordnung, bei der die erfindungsgemäße photoleitende Messspitze Verwendung findet, sowie ein Verfahren zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale unter Verwendung der erfindungsgemäßen Messspitze.The present invention relates to a photoconductive measuring tip for generating and / or detecting electromagnetic field signals, in particular in the near field and in particular for detecting the normal vector of an electromagnetic field, with a carrier element, in particular a semiconductor substrate, on which extend at least a first and a second electrical conductor, which are spaced apart in a region of the carrier element which can be displaced into a photoconductive state by optical excitation. Furthermore, the invention relates to a metrological arrangement in which the photoconductive measuring tip according to the invention is used, as well as a method for detecting electromagnetic field signals using the measuring tip according to the invention.

Derartige Messspitzen können der Messung von elektrischen Feldsignalen vom Mikrowellenbereich (0,3 bis 300 Gigahertz) bis zum Terahertzbereich (300 Gigahertz bis 3 Terahertz) dienen und eignen sich dadurch besonders zur direkten zeitlich und räumlich hoch auflösenden und bildgebenden Messung elektromagnetischer Signale im Nahfeld und/oder Fernfeld. Damit wird mittels Messspitzen der gattungsgemäßen und nachstehend erläuterten Art das Einsatzgebiet der bildgebenden Verfahren zur Erfassung elektrischer Feldsignale und Materialeigenschaften im Höchstfrequenzbereich erschlossen, deren Bedeutung in den letzten Jahren deutlich zugenommen hat.Such measuring tips can be used to measure electric field signals from the microwave range (0.3 to 300 gigahertz) to the terahertz range (300 gigahertz to 3 terahertz) and are therefore particularly suitable for direct measurement of electromagnetic signals in the near field and / or high resolution and imaging. or far field. Thus, the field of application of the imaging method for detecting electrical field signals and material properties in the ultra-high frequency range is opened up by means of measuring tips of the generic and explained below, the importance of which has increased significantly in recent years.

Integrierte elektrische Schaltungen erreichen immer höhere Frequenzen, und Terahertz-Strahlung erfährt eine zunehmende Bedeutung im Bereich der bildgebenden Verfahren für die Medizintechnik, Bioanalytik, industrielle Materialinspektion hinsichtlich Prüfung und Sicherstellung der Produkt- und Materialqualität oder für die Sicherheitstechnik, beispielsweise zur ortsaufgelösten Spektroskopie zum Nachweis von Gefahrenstoffen. Auch die Grundlagenforschung im Bereich neuartiger photonischer Materialien und Strukturen kann ein Anwendungsgebiet derartiger Messspitzen sein.Integrated electrical circuits are reaching ever higher frequencies, and terahertz radiation is gaining in importance in the field of medical imaging, bioanalytics, industrial material inspection for testing and ensuring product and material quality, or safety engineering, for example, for spatially resolved spectroscopy to detect hazardous substances. Basic research in the field of novel photonic materials and structures can also be an application of such measuring tips.

Für ortsauflösende Feldmessungen werden in der Regel optische Verfahren eingesetzt, mit klassischen optischen Linsensystemen, deren Ortsauflösung aufgrund der Beugungsbegrenzung in etwa der Wellenlänge des Messsignals entspricht. Für die o. g. Anwendungsbereiche ist diese wellenlängenbegrenzte Ortsauflösung jedoch bei Weitem zu gering. Um höhere Ortsauflösungen zu erreichen, werden so genannte Nahfeldverfahren eingesetzt, von denen im Bereich der Höchstfrequenz-Nahfeldmesstechnik ein Ansatz darin besteht, photoleitende Einzelkontaktmessspitzen zu verwenden.For spatially resolving field measurements optical methods are generally used, with classical optical lens systems whose spatial resolution corresponds approximately to the wavelength of the measurement signal due to the diffraction limit. For the o. G. However, this wavelength-limited spatial resolution is far too low for applications. In order to achieve higher spatial resolutions, so-called near-field techniques are used, one of which is to use photoconductive single-contact measuring probes in the field of high-frequency near field measurement technology.

Dabei ist beispielsweise aus der Veröffentlichung „A fiber mounted, micromachined photoconductive probe with 15 nV/Hz ½ sensitivity”, Applied Physics Letters 69, 1834–1845 (1996), R. K. Lai, J.-R. Hwang, J. Nees, T. B. Norris and J. Whitaker , ist eine photoleitende Einzelkontaktmessspitze bekannt, die in planarer Integrationstechnik realisiert ist. Sie besteht aus einem Substrat, auf dem sich ein photoleitendes Material befindet, auf dem eine Kontaktspitze, ein photoleitender Schalter und eine Ausgangsleitung ausgeführt sind. Zur Verringerung der Invasivität wurden bereits Messspitzen aus selbsttragenden, dünnen Photoleiterschichten entwickelt. Der Vorteil dieser Messspitzen ist, dass durch die direkte Ankopplung an das zu messende Feld äußerst hohe Feldempfindlichkeiten erzielt werden können. Mit Einzelkontaktmessspitzen wurden bislang jedoch nur Ortsauflösungen im Bereich einiger 10 Mikrometer erzielt, da die Ausführung eines großflächigen Photoschalters eine erhebliche Ankopplung an das Messfeld besitzt, wodurch die Ortsauflösung reduziert wird. Die Bandbreite dieser Messspitzen ist zudem durch große RC-Konstanten der Photoschalter eingeschränkt.It is for example from the publication "A fiber-mounted micromachined photoconductive probe with 15 nV / Hz 1/2 sensitivity", Applied Physics Letters 69, 1834-1845 (1996), RK Lai, J.-R. Hwang, J. Nees, TB Norris and J. Whitaker , a photoconductive single contact probe is known, which is realized in planar integration technology. It consists of a substrate on which a photoconductive material is located, on which a contact tip, a photoconductive switch and an output line are made. To reduce invasiveness, measuring tips made of self-supporting, thin photoconductor layers have already been developed. The advantage of these measuring tips is that the direct coupling to the field to be measured allows extremely high field sensitivities to be achieved. With single contact probes, however, only local resolutions in the range of a few 10 microns have been achieved so far, since the design of a large-scale photo switch has a considerable coupling to the measuring field, whereby the spatial resolution is reduced. The bandwidth of these measuring tips is also limited by large RC constants of the photo switches.

Ein weiterer Ansatz, um höhere Ortsauflösungen zu erreichen, besteht darin, nichtresonante photoleitende Elektroden paarmessspitzen zu verwenden, wie sie die Gattung bilden, von der die erfindungsgemäße Messspitze ausgeht. Eine derartige Elektrodenpaarmessspitze ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 000823.3 und der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Tapered photoconductive terahertz field probe tip with subwavelength spatial resolution”, Applied Physics Letters 95, 041112”, veröffentlicht am 29. Juli 2009 bekannt, auf deren jeweiligen Inhalt ausdrücklich Bezug genommen wird. Dieser Ansatz vereint eine Vielzahl von Vorteilen, wie hohe Empfindlichkeit, hohe Bandbreite und hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig vergleichsweise niedriger Invasivität.Another approach to achieving higher spatial resolutions is to use non-resonant photoconductive electrode pairs as they form the genre from which the probe tip of the invention originates. Such an electrode pair measuring tip is known from the German patent application DE 10 2009 000823.3 and the scientific publication "Tapered photoconductive terahertz field probe tip with subwavelength spatial resolution", Applied Physics Letters 95, 041112 ", published July 29, 2009 The contents of which are expressly incorporated by reference. This approach combines a multitude of advantages, such as high sensitivity, high bandwidth and high spatial resolution with comparatively low invasiveness.

Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht jedoch in der Tatsache, dass bauartbedingt vorwiegend Feldvektorkomponenten gemessen werden können, die in einer Ausrichtung parallel zur abgetasteten Oberfläche eines Objektes vorliegen. Dies liegt daran, dass die Messspitze gemäß diesem Stand der Technik, auch Prober genannt, eine richtungsabhängige, insbesondere polarisationsabhängige Feldempfindlichkeit aufweist, die wiederum damit verbunden ist, dass die Messspitze nur in Richtung ihrer Längserstreckung eine Biegsamkeit aufweist, die zur abnutzungsfreien Abtastung eines Objektes genutzt werden kann und einen hindernisfreien Zugang zum Photoschalter gewährleistet. Dies wird nachfolgend verdeutlicht.A disadvantage of this approach, however, is the fact that, by design, predominantly field vector components can be measured that are in alignment parallel to the scanned surface of an object. This is because the measuring tip according to this prior art, also called Prober, has a direction-dependent, in particular polarization-dependent field sensitivity, which in turn is associated with the fact that the measuring tip only in the direction of its longitudinal extension has a flexibility that used for wear-free scanning of an object can be and ensures a barrier-free access to the photo switch. This will be clarified below.

Die bekannte Elektrodenpaarmessspitze ist in ihrer Grundform aus einem dreieckigen, gleichschenkligen Trägerelement gebildet, dass aus bei niedrigen Temperaturen gewachsenem Gallium-Arsenid (LT-GaAs) besteht. Der Messort ist an der Spitze der Messspitze respektive des Trägerelements. Ein derartiges Trägerelement weist in Richtung seiner Längserstreckung, d. h. in Richtung seiner Symmetrieachse eine Biegsamkeit derart auf, dass die Spitze der Messspitze auf ein abzutastendes Objekt direkt aufgelegt werden kann, d. h. dieses berührt. An die vordere Spitze des Trägerelements sind zwei elektrische Leiter geführt, deren Enden Elektroden eines Photoschalters bilden. Das LT-GaAs stellt ein photoleitendes Halbleitermaterial dar, das bei Bestrahlung mit Licht ausreichender Intensität und Energie Elektronen zum Stromtransport freigibt. Erfolgt die Bestrahlung im Bereich der Enden der elektrischen Leiter, und durchdringt ein elektromagnetisches Feld diesen beleuchteten Bereich, werden die freien Elektronen zu einer Elektrode hin beschleunigt und es fließt zwischen den Elektroden des Photoschalters ein messbarer Photostrom.The known electrode pair measuring tip is in its basic form of a triangular, isosceles support member formed of low temperature grown gallium arsenide (LT-GaAs). The measuring location is at the tip of the measuring tip or the carrier element. Such a support element has in the direction of its longitudinal extension, ie, in the direction of its axis of symmetry, a flexibility such that the tip of the measuring tip can be placed directly on an object to be scanned, that touches this. To the front tip of the support element, two electrical conductors are guided, the ends of which form electrodes of a photo switch. The LT-GaAs is a photoconductive semiconductor material that, upon irradiation with light of sufficient intensity and energy, releases electrons for current transport. If the irradiation takes place in the region of the ends of the electrical conductors and if an electromagnetic field penetrates this illuminated area, the free electrons are accelerated towards an electrode and a measurable photocurrent flows between the electrodes of the photoswitch.

Das elektromagnetische Feld, dass einen derartigen Elektrodendrift bewirkt, muss in einem von der Normalen auf die Messspitze deutlich abweichenden Winkel, vorzugsweise parallel zur Messspitze gerichtet sein, da die Elektronen anderenfalls nicht zu einer Elektrode hin beschleunigt werden. In Richtung des Normalvektors auf die Messspitze, d. h. in Richtung der Z-Komponente des elektromagnetischen Feldes ist die photoleitende Messspitze gemäß Stand der Technik „blind”.The electromagnetic field that causes such an electrode drift must be directed at a substantially different angle from the normal to the measuring tip, preferably parallel to the measuring tip, since otherwise the electrons are not accelerated toward an electrode. In the direction of the normal vector on the measuring tip, d. H. in the direction of the Z component of the electromagnetic field, the photoconductive measuring tip according to the prior art is "blind".

Um die Messspitze auch zur Messung von Feldvektorkomponenten in Richtung der Oberflächennormalen nutzbar zu machen, ist eine Drehung der Messspitze notwendig. Aufgrund der geometrischen Struktur der Messspitze ist dies jedoch mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden. Bei der Drehung würde die Messspitze aufgrund des Kontaktes zu dem abzutastenden Objekt Scherkräften ausgesetzt werden, die die Messspitze aufgrund des spröden Substratmaterials LT-GaAs zerstören können.In order to make the measuring tip also usable for the measurement of field vector components in the direction of the surface normal, a rotation of the measuring tip is necessary. Due to the geometric structure of the measuring tip, however, this is associated with considerable technical difficulties. Upon rotation, the probe tip would be subjected to shear forces due to contact with the object to be scanned which could destroy the probe tip due to the brittle substrate material LT-GaAs.

Die gattungsgemäße Elektrodenpaarmessspitze kann daher nicht zur Messung von Normalvektor-Feldkomponenten verwendet werden. Dies ist jedoch für viele Anwendungen von hoher Bedeutung, beispielsweise im Bereich der Untersuchung integrierter Hochfrequenzschaltungen auf Basis planarer Wellenleiter. Sollen hier Signale entlang von Knicken verfolgt werden, müssen mit der Messspitze (Prober) gemäß Stand der Technik zwei Messungen mit unterschiedlichen Ausrichtungen der Messspitze durchgeführt werden, da an Wellenleitern, die senkrecht zur Proberoberfläche verlaufen, keine Feldkomponenten parallel zur Oberfläche existieren. In einer ersten Messung muss demzufolge die parallel zur Oberfläche liegende Feldvektorkomponente und in einer zweiten Messung die normal zur Oberfläche liegende Feldvektorkomponente erfasst werden. Dies ist möglich, weil die Normal-Feldvektorkomponente unabhängig von der lateralen Wellenleiterausrichtung ist.The generic electrode pair measuring tip can therefore not be used for measuring normal vector field components. However, this is of great importance for many applications, for example in the field of investigation of integrated waveguide-based high-frequency circuits. If signals are to be traced along kinks, two measurements with different orientations of the measuring tip must be carried out with the probe according to the prior art since waveguides which run perpendicular to the sample surface do not have any field components parallel to the surface. In a first measurement, therefore, the field vector component lying parallel to the surface and, in a second measurement, the field vector component lying normal to the surface must be detected. This is possible because the normal field vector component is independent of the lateral waveguide orientation.

Des Weiteren ist bei der photoleitenden Elektrodenpaarmessspitze gemäß Stand der Technik von Nachteil, dass die mit ihr erreichbare Ortsauflösung durch den Abstand der an der Spitze der Messspitze zueinander herangeführten Elektroden begrenzt ist. Da die Elektroden im Bereich ihrer Enden abgerundet sind, entspricht die Ortsauflösung dem Abstand der Mittelpunkte der Elektrodenenden zueinander, die durch den Rundungsradius definiert sind. Maßgeblich ist für den Abstand die Breite der photoleitenden Lücke zwischen den beiden Enden, die physikalisch bedingt nicht endlos klein gewählt werden kann, da anderenfalls die Grenze der Durchbruchfeldstärke des photoleitenden Materials erreicht wird. Bei einem Durchbruch läge eine Dauerleitung in dem Leitungskanal zwischen den Elektroden vor, was der Zerstörung der Messspitze gleich kommt. Eine Ortsauflösung von deutlich weniger als fünf Mikrometer kann daher mit den bekannten Elektrodenpaarmessspitzen nicht erreicht werden.Furthermore, in the case of the photoconductive electrode pairing tip according to the prior art, it is disadvantageous that the spatial resolution achievable with it is limited by the distance between the electrodes brought to one another at the tip of the measuring tip. Since the electrodes are rounded in the region of their ends, the spatial resolution corresponds to the distance between the centers of the electrode ends to each other, which are defined by the radius of curvature. Decisive for the distance, the width of the photoconductive gap between the two ends, which can not be chosen infinitely small physically, otherwise the limit of the breakdown field strength of the photoconductive material is reached. In the case of a breakthrough, there would be a continuous conduction in the conduction channel between the electrodes, which equals the destruction of the measuring tip. A spatial resolution of significantly less than five micrometers can therefore not be achieved with the known electrode pair tips.

Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Elektrodenpaarmessspitzen besteht darin, dass das von der Messspitze stets ebenfalls erfasste elektromagnetische Fernfeld den Messungen bei der Abtastung eines Objektes überlagert ist, was sich bezüglich der Verwendung für bildgebende Verfahren in einer deutlichen Reduzierung des Bildkontrasts niederschlägt.A further disadvantage of the electrode pair measuring tips described is that the electromagnetic far field, which is always also detected by the measuring tip, is superimposed on the measurements during the scanning of an object, which results in a significant reduction of the image contrast with regard to the use for imaging methods.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß darin, eine Messspitze für elektrische Feldsignale, insbesondere vom Mikrowellebereich bis zum Terahertzbereich, bereitzustellen, die die Messung von Feldvektorkomponenten in Richtung der Oberflächennormalen der Messspitze zerstörungsfrei, insbesondere ohne Drehung der Messspitze ermöglicht, wobei gleichzeitig eine höhere Ortsauflösung erreicht werden soll.The object of the present invention is accordingly to provide a measuring tip for electric field signals, in particular from the microwave range to the terahertz range, which enables the measurement of field vector components in the direction of the surface normal of the probe tip without destruction, in particular without rotation of the probe tip, at the same time achieving a higher spatial resolution shall be.

Diese Aufgabe wird durch eine Messspitze gemäß Anspruch 1 sowie durch die messtechnische Anordnung gemäß Anspruch 23 und das Verfahren gemäß Anspruch 25 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen formuliert und werden nachfolgend näher beschrieben.This object is achieved by a measuring tip according to claim 1 and by the metrological arrangement according to claim 23 and the method according to claim 25. Advantageous developments of the invention are formulated in the subclaims and will be described in more detail below.

Erfindungsgemäß wird eine Photoleitende Messspitze zur Erzeugung und/oder Detektion elektromagnetischer Feldsignale, insbesondere zur Detektion des Normalvektors eines elektromagnetischen Feldes vorgeschlagen, mit einem Trägerelement, insbesondere einem Halbleitersubstrat, auf dem sich wenigstens ein erster und ein zweiter elektrische Leiter erstrecken, die sich in einem durch optische Anregung in einen photoleitenden Zustand versetzbaren Bereich des Trägerelements beabstandet gegenüberstehen, wobei der erste elektrische Leiter zur Ein- oder Auskopplung eines elektromagnetischen Feldsignals dient und an dem distalen Ende des zweiten elektrischen Leiters, der zur Übertragung eines Photostromsignals dient, vorbeigeführt ist und sich zur Spitze der Messspitze hin erstreckt, wobei zwischen dem distalen Ende des zweiten elektrischen Leiters und dem ersten elektrischen Leiter ein Photoschalter ausgebildet ist, der zumindest einen Teil des photoleitenden Bereichs bildet und von der Spitze zurückversetzt ist.According to the invention, a photoconductive measuring tip is proposed for generating and / or detecting electromagnetic field signals, in particular for detecting the normal vector of an electromagnetic field, with a carrier element, in particular a semiconductor substrate at least a first and a second electrical conductor extending, which face each other in a displaceable by optical excitation in a photoconductive state region of the support member, wherein the first electrical conductor for coupling or decoupling an electromagnetic field signal is used and at the distal end of the second electrical conductor, which serves to transmit a photocurrent signal, is guided past and extends to the tip of the measuring tip, wherein between the distal end of the second electrical conductor and the first electrical conductor, a photo switch is formed, which forms at least part of the photoconductive region and is set back from the top.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messspitze mit einem photoleitenden Bereich vorzusehen, in dem zwei Elektroden beabstandet zueinander liegen, und der von der Spitze der Messspitze zurückversetzt ist, wobei eine Elektrode durch einen ersten elektrischen Leiter gebildet ist, der an der anderen Elektrode eines zweiten elektrischen Leiters vorbeigeführt ist und sich zur Spitze der Messspitze hin erstreckt, so dass an dieser Spitze ein elektromagnetisches radialsymmetrisches Feldsignal in den ersten elektrischen Leiter ein- oder aus diesem ausgekoppelt werden kann. Für die Ein- bzw. Auskopplung eines entlang des ersten Leiters propagationsfähigen radialsymetrischen Feldsignals ist eine Normalkomponente des elektromagnetischen Feldes an der Leiterspitze erforderlich. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Messspitze besteht demgemäß darin, dass die Messspitze für die Erfassung der Normalkomponente eines elektromagnetischen Feldes nicht mechanisch gedreht werden muss, da die Normalkomponente eine propagationsfähige Radialmode in dem ersten elektrischen Leiter anregen kann.The basic idea of the present invention is to provide a measuring tip with a photoconductive region in which two electrodes are at a distance from each other and which is set back from the tip of the measuring tip, one electrode being formed by a first electrical conductor, that at the other electrode a second electrical conductor is guided past and extends to the tip of the measuring tip, so that at this peak an electromagnetic radially symmetric field signal in the first electrical conductor on or can be coupled out of this. For the coupling or decoupling of a radially symmetric field signal propagatable along the first conductor, a normal component of the electromagnetic field at the conductor tip is required. The particular advantage of the measuring tip according to the invention is accordingly that the measuring tip for the detection of the normal component of an electromagnetic field does not have to be mechanically rotated, since the normal component can excite a propagatable radial mode in the first electrical conductor.

Der erste elektrische Leiter bildet entsprechend einen Wellenleiter, in dem eine elektromagnetische Radialmode angeregt werden kann, d. h. sich ausbilden kann, die dann in dem Wellenleiter geführt wird, entweder von dem photoleitenden Bereich zur Spitze im Falle einer Emittermessspitze oder von der Spitze zum photoleitenden Bereich im Falle einer Detektormessspitze. Damit sich die Radialmode ausbilden kann, ist der erste elektrische Leiter als einzelner Leiter an die Spitze der Messspitze geführt und der photoleitende Bereich zur Spitze beabstandet. Der erste elektrische Leiter stellt eine Art Antenne dar, die Normalvektor-Feldkomponenten erfassen kann. Die Radialmode kann durch ein elektromagnetisches Feldsignal, insbesondere auch durch den Normalvektor eines derartigen Feldsignals, angeregt bzw. in den ersten elektrischen Leiter eingekoppelt werden. Die Anregung der Radialmode kann durch kapazitive Kopplung der Messspitze zum abzutastenden Objekt oder durch direkte Kontaktierung der Messspitze mit dem Objekt erfolgen. Die Mode wird dann zu dem photoleitenden Bereich geführt, wo sie in dem Photoschalter bei entsprechender Beleuchtung einen messbaren Photostrom erzeugt, der über den zweiten elektrischen Leiter als Photostromsignal geführt und an dessen Ende zu messtechnischen Zwecken abgreifbar ist. Der photoleitende Bereich bildet in diesem Fall einen Detektor. Der Photostrom kann ausgewertet werden, wobei ein Rückschluss auf die Intensität des die Radialmode erzeugten elektromagnetischen Feldsignals möglich ist. In entsprechender Weise kann durch Bestrahlung des photoleitenden Bereichs mit einem Laserimpuls bei einer zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter anliegenden Gleichspannung in dem ersten elektrischen Leiter ein elektromagnetischer Impuls erzeugt werden, der von dem photoleitenden Bereich zur Spitze der Messspitze geführt und dort ausgekoppelt wird. Der photoleitende Bereich bildet in diesem Fall einen Emitter. Gegenüber der im Stand der Technik bekannten Elektrodenpaarmessspitze ist bei der erfindungsgemäßen Messspitze ausschließlich der erste elektrische Leiter anstelle eines Elektrodenpaars zur Spitze der Messspitze geführt, an der die Anregung der Mode oder die Auskopplung eine elektromagnetischen Feldsignals erfolgt.The first electrical conductor accordingly forms a waveguide in which an electromagnetic radial mode can be excited, i. H. can be formed, which is then guided in the waveguide, either from the photoconductive region to the tip in the case of an emitter tip or from the tip to the photoconductive region in the case of a Detektormessspitze. So that the radial mode can form, the first electrical conductor is guided as a single conductor to the tip of the measuring tip and the photoconductive region is spaced from the tip. The first electrical conductor is a type of antenna that can detect normal vector field components. The radial mode can be excited by an electromagnetic field signal, in particular also by the normal vector of such a field signal, or coupled into the first electrical conductor. The excitation of the radial mode can be effected by capacitive coupling of the measuring tip to the object to be scanned or by direct contacting of the measuring tip with the object. The mode is then passed to the photoconductive area, where it generates a measurable photocurrent in the photo switch with appropriate illumination, which is guided via the second electrical conductor as a photocurrent signal and can be tapped at the end for metrological purposes. The photoconductive area forms a detector in this case. The photocurrent can be evaluated, with a conclusion on the intensity of the radial field generated electromagnetic field signal is possible. In a corresponding manner, by irradiating the photoconductive region with a laser pulse at an applied between the first and the second electrical conductor DC voltage in the first electrical conductor, an electromagnetic pulse can be generated, which is guided from the photoconductive region to the tip of the probe tip and coupled out there. The photoconductive region forms an emitter in this case. In contrast to the electrode pair measuring tip known in the prior art, in the case of the measuring tip according to the invention only the first electrical conductor is guided instead of a pair of electrodes to the tip of the measuring tip, at which the excitation of the mode or the decoupling of an electromagnetic field signal takes place.

Die erfindungsgemäße Messspitze ermöglicht die Messung elektrischer Feldsignale vom Mikrowellenbereich, 0,3 bis 300 Gigahertz, bis zum Terahertzbereich, 300 Gigahertz bis 3 Terahertz, mit einer Ortsauflösung, die bis in den Sub-Mikrometerbereich reicht. Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Messspitze auch zur Erzeugung elektrischer Signale im Mikrowellenbereich, insbesondere im Bereich von 3 bis 30 Gigahertz, im Millimeterwellenbereich, insbesondere 30 bis 300 Gigahertz, und im Terahertzbereich, insbesondere 300 Gigahertz bis 3 Terahertz, sowie zur Einkopplung derartige elektrischer Signale in Wellenleiterstrukturen. Dies ermöglicht eine Verwendung der erfindungsgemäßen Messspitze zur ortsauflösenden, bildgebenden Messung von elektrischen Signalen an integrierten Höchstfrequenzschaltungen und anderen elektrischen Bauelementen, deren Strukturgrößen deutlich unterhalb der Wellenlänge liegen und dadurch mit beugungsbegrenzten Verfahren nicht erfasst werden können.The measuring tip according to the invention enables the measurement of electric field signals from the microwave range, 0.3 to 300 gigahertz, to the terahertz range, 300 gigahertz to 3 terahertz, with a spatial resolution that extends into the sub-micrometer range. In addition, the measuring tip according to the invention is also suitable for generating electrical signals in the microwave range, in particular in the range of 3 to 30 gigahertz, in the millimeter wave range, in particular 30 to 300 gigahertz, and in the terahertz range, in particular 300 gigahertz to 3 terahertz, as well as for coupling such electrical signals in waveguide structures. This makes it possible to use the measuring tip according to the invention for spatially resolving, imaging measurement of electrical signals at integrated ultrahigh-frequency circuits and other electrical components whose feature sizes are significantly below the wavelength and can not be detected by diffraction-limited methods.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich auf dem Trägerelement ein dritter elektrischer Leiter, der ebenfalls zur Übertragung eines Photostromsignals dient, und an dessen distalem Ende der erste elektrische Leiter vorbeigeführt ist, wobei zwischen dem distalen Ende des dritten elektrischen Leiters und dem ersten elektrischen Leiter ein Photoschalter ausgebildet ist, der zumindest einen Teil eines photoleitenden Bereichs bildet und von der Spitze zurückversetzt ist. Gemäß dieser Ausführungsvariante sind auf dem Trägerelement zwei Photoschalter gebildet, nämlich ein Photoschalter zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter und ein Photoschalter zischen dem ersten und dem dritten elektrischen Leiter. Die Photoschalter können in einer ersten Variante beabstandet zueinander an dem ersten elektrischen Leiter liegen. Hierdurch ist es möglich, Laufzeitmessung durchzuführen, da die in dem ersten elektrischen Leiter geführte Mode zunächst den näher an der Spitze liegenden photoleitenden Bereich und erst dann den weiter entfernt zur Spitze liegenden, zweiten photoleitenden Bereich erreicht.In an advantageous embodiment of the method according to the invention extends to the carrier element, a third electrical conductor, which also serves to transmit a photocurrent signal, and at the distal end of the first electrical conductor is passed, wherein between the distal end of the third electrical conductor and the first electrical Head a photo switch is formed, which forms at least part of a photoconductive region and is set back from the top. According to this embodiment are formed on the support member two photoswitches, namely a photo switch between the first and the second electrical conductor and a photo switch hiss the first and the third electrical conductor. The photoswitches may, in a first variant, be spaced from each other on the first electrical conductor. This makes it possible to carry out transit time measurement, since the mode guided in the first electrical conductor initially reaches the photoconductive region closer to the tip and only then the second photoconductive region, which is further away from the tip.

In einer bevorzugten alternativen Variante liegen sich die distalen Enden des zweiten und des dritten elektrischen Leiters in einem gemeinsamen photoleitenden Bereich gegenüber, wobei der erste elektrische Leiter zwischen den beiden Enden des zweiten und des dritten elektrischen Leiters hindurchgeführt ist. Hierdurch wird erreicht, dass in diesem gemeinsamen photoleitenden Bereich ein symmetrisches Photoschalterpaar gebildet ist. Das Photoschalterpaar wird beim Beleuchten des photoleitenden Bereichs kurzgeschlossen, wenn ein elektromagnetisches Feld den photoleitenden Bereich durchdringt, bzw. die in dem ersten Leiter geführte Radialmode das Photoschalterpaar erreicht.In a preferred alternative variant, the distal ends of the second and the third electrical conductor face each other in a common photoconductive region, wherein the first electrical conductor is guided between the two ends of the second and the third electrical conductor. This ensures that a symmetrical pair of photoswitches is formed in this common photoconductive area. When the photoconductive region is illuminated, the pair of photoswitches is short-circuited when an electromagnetic field penetrates the photoconductive region, or the radial mode guided in the first conductor reaches the pair of photoswitches.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen photoleitenden Messspitze mit symmetrischem Photoschalterpaar besteht darin, dass das elektromagnetische Fernfeld aus dem Photostromsignal, d. h. dem eigentlichen Messsignal, herausgefiltert werden kann. Das ein Hintergrundrauschen erzeugende Fernfeld wird damit ausgeblendet. Erfindungsgemäß kann dies dadurch erreicht werden, dass die beiden Photoschalter ausbalanciert werden. Dies bedeutet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter respektive dem ersten und dem dritten elektrischen Leiter jeweils eine einstellbare elektrische Vorspannung derart angelegt wird, dass bei Beleuchtung des photoleitenden Bereichs ohne vorhandenes Nahfeld kein Strom durch den ersten elektrischen Leiter in einen Knotenpunkt fließt, in dem die anderen beiden elektrischen Leiter enden.A particular advantage of the photoconductive measuring tip according to the invention with symmetrical photo switch pair is that the electromagnetic far field from the photocurrent signal, d. H. the actual measurement signal, can be filtered out. The far-field generating a background noise is thus masked out. According to the invention this can be achieved by balancing the two photo switches. This means that in each case an adjustable electrical bias voltage is applied between the first and the second electrical conductor or the first and the third electrical conductor in such a way that, when the photoconductive area is illuminated without an existing near field, no current flows through the first electrical conductor into a junction, in which the other two electrical conductors end.

Wird während der Messung im Nahfeld eine derartige Vorspannung zwischen den elektrischen Leitern aufgebaut, sind die Photoschalter des photoleitenden Bereichs ausbalanciert und das Fernfeld wird bei der Messung ausgefiltert, d. h. nicht mit erfasst. Mit Hilfe des balancierten Photoschalterpaares kann dementsprechend ein Objekt ohne Fernfeld-Einfluss abgetastet werden. „Balanciert” meint in diesem Zusammenhang folglich, dass die optische Anregung der Photoschalter derart eingestellt ist, dass die Photostrombeträge jedes einzelnen Schalters betraglich identisch sind, d. h. sich die Summe der in den genannten Knotenpunkt fließenden Photoströme zu Null ergänzt, ohne dass der erste elektrische Leiter einen Photostrom führt.When such a bias is established between the electrical conductors during the near field measurement, the photoswitches photoswitches are balanced and the far field is filtered out during the measurement, i. H. not included. With the help of the balanced photo switch pair, accordingly, an object can be scanned without far-field influence. "Balanced" in this context therefore means that the optical excitation of the photo switch is set such that the photocurrent amounts of each switch are the same amount, ie. H. the sum of the photocurrents flowing in said node complemented to zero without the first electrical conductor conducting a photocurrent.

Die Ausbalancierung des Photo-Schalterpaares kann dadurch erfolgen, dass die beiden Photo-Schalter des ersten photoleitenden Bereichs parallel geschaltet werden und daran in Serie ein Strommessgerät geschaltet wird, das wiederum mit dem dritten elektrischen Leiter in Verbindung steht. Die Vorspannungen werden dabei derart eingestellt, dass sich die Photostrombeträge in den Knotenpunkt zu null addieren, d. h. das Strommessgerät null anzeigt. An dem Strommessgerät wird dann kein Strom gemessen, wenn die Vorspannungen des Schalterpaares durch ein ausgedehntes gleichförmiges elektromagnetisches Feld, das zum Beispiel durch Abstrahlung erzeugt wurde, hervorgerufen wird, siehe hierzu 1b. Die Empfindlichkeit auf ein solches Feld wird durch das balancierte Schalterpaar effektiv unterdrückt. Im Fall der Anregung eines über den ersten Leiter der Messspitze ausbreitungsfähigen Signals werden die Photoströme dagegen mit einem zur konstruktiven Überlagerung geeigneten Vorzeichen erzeugt. Dadurch ist die Messspitze zur Abtastung von Normalvektorfeldkomponenten ideal geeignet. Im Gegensatz dazu ist bei den Messspitzen gemäß Stand der Technik eine gezielte Unterdrückung der Signalbeiträge von homogenen Hintergrundfeldern bisher nicht möglich gewesen. Darüber hinaus ermöglicht die Nutzung eines balancierten Photoschalterpaars neben der hintergrundfreien Detektion elektromagnetischer Feldkomponenten die Nutzung der erfindungsgemäßen Messspitze zur Signalerzeugung in Einkopplung von elektromagnetischen Signalen in Wellenleiterstrukturen.The photo-switch pair can be balanced by connecting the two photo switches of the first photoconductive region in parallel and connecting an ammeter in series with the third electrical conductor. The bias voltages are set in such a way that the photocurrent amounts in the node add up to zero, ie the current measuring device indicates zero. No current is then measured on the ammeter if the biases of the pair of switches are caused by an extensive uniform electromagnetic field generated, for example, by radiation, see 1b , The sensitivity to such a field is effectively suppressed by the balanced switch pair. In the case of the excitation of a signal propagatable via the first conductor of the measuring tip, the photocurrents are, on the other hand, generated with a sign which is suitable for constructive superimposition. This makes the probe ideal for scanning normal vector field components. In contrast, targeted suppression of the signal contributions from homogeneous background fields has hitherto not been possible with the measurement tips according to the prior art. In addition, the use of a balanced photo switch pair in addition to the background-free detection of electromagnetic field components allows the use of the probe tip according to the invention for signal generation in coupling of electromagnetic signals in waveguide structures.

Ein weiterer beachtlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Messspitze besteht darin, dass eine besonders hohe Ortsauflösung im Sub-Mikrometerbereich erzielt werden kann, da die Ortsauflösung allein von der lateralen Breite des ersten Leiters im Bereich der Spitze der Messspitze abhängt, da hier die Anregung der Radialmode im ersten Leiter erfolgt. Diese Breite kann entsprechend der gewünschten Ortsauflösung gewählt werden.Another considerable advantage of the measuring tip according to the invention is that a particularly high spatial resolution in the sub-micrometer range can be achieved, since the spatial resolution depends solely on the lateral width of the first conductor in the region of the tip of the measuring tip, since the excitation of the radial mode in the first Head takes place. This width can be selected according to the desired spatial resolution.

Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten der Messspitze äußerst vielfältig. Insbesondere kann eine Anwendung in der Qualitätsprüfung und Entwicklung von integrierten Höchstfrequenzschaltungen, in der hochauflösenden Terahertz-Bildgebung im Bereich der Medizintechnik, in der Bioanalytik, in der Sicherheitstechnik zur ortsaufgelösten Spektroskopie zum Nachweis von Gefahrenstoffen oder für die Grundlagenforschung im Bereich neuartiger photonischer Materialien und Strukturen verwendet werden.Thus, the application possibilities of the measuring tip are extremely diverse. In particular, an application may be used in the quality testing and development of integrated circuits, in high-resolution terahertz imaging in the field of medical technology, in bioanalytics, in safety technology for spatially resolved spectroscopy for detecting hazardous substances, or in basic research in the field of novel photonic materials and structures become.

Das Trägerelement der erfindungsgemäßen Messspitze kann extrem dünn, insbesondere in der Art eines Dünnfilms, ausgebildet sein, vorzugsweise eine Dicke von weniger als fünf, insbesondere weniger als zwei Mikrometer aufweisen. Je dünner die Messspitze ausgebildet ist, desto besser ist die Führung der Mode im ersten Leiter. Das Trägerelement kann aus einem Gallium-Arsenid (LT-GaAs) Substrat gebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass es bis in den Terahertzbereich sehr dämpfungs- und dispersionsarm ist.The carrier element of the measuring tip according to the invention can be extremely thin, especially in the Type of a thin film, be formed, preferably have a thickness of less than five, in particular less than two micrometers. The thinner the measuring tip is formed, the better is the leadership of the mode in the first conductor. The support member may be formed of a gallium arsenide (LT-GaAs) substrate. This has the advantage that it is very low in attenuation and dispersion up to the terahertz range.

Vorzugsweise ist der erste elektrische Leiter mittig zwischen den beiden Enden des zweiten und des dritten elektrischen Leiters vorbeigeführt. Dies bedeutet, dass die Abstände zwischen dem ersten Leiter und dem jeweiligen Ende des zweiten und dritten Leiters gleich sind. Dies hat den Vorteil, dass die zwischen den elektrischen Leitern aufzubauenden respektive aufgrund der elektromagnetischen Felder erzeugten Spannungen betraglich im Wesentlichen gleich sind, so dass keiner der beiden Photoschalter näher an seiner Rauschgrenze betrieben wird.Preferably, the first electrical conductor is guided centrally between the two ends of the second and the third electrical conductor. This means that the distances between the first conductor and the respective ends of the second and third conductors are the same. This has the advantage that the voltages to be established between the electrical conductors or voltages generated due to the electromagnetic fields are essentially the same, so that neither of the two photoswitches is operated closer to its noise limit.

Die Messspitze kann symmetrisch aufgebaut sein, wobei sich der dritte elektrische Leiter gradlinig entlang der Symmetrieachse des Trägerelementes von seinem proximalen Ende zu seinem distalen Ende, d. h. von einem hinteren Bereich zu der Spitze der erfindungsgemäßen Messspitze erstreckt. Die Geradlinigkeit verhindert die Entstehung ungewollter Reflexionen im ersten Leiter. Durch die Anordnung des ersten elektrischen Leiters entlang der Symmetrieachse des Trägerelementes wird gewährleistet, dass die Leitungslängen des zu dem ersten elektrischen Leiter hingeführten zweiten und dritten elektrischen Leiters im Wesentlichen gleich sind bzw. gleich gewählt werden können, so dass die Signallaufzeiten der über den zweiten und den dritten elektrischen Leiter jeweils übertragenen Photostromsignale gleich sind, d. h. die Signale gleichzeitig bei einem Signalanalysator ankommen und das Messsignal nicht durch unterschiedliche Laufzeitlängen verfälscht wird.The measuring tip may be constructed symmetrically, with the third electrical conductor extending in a straight line along the axis of symmetry of the carrier element from its proximal end to its distal end, d. H. extends from a rear region to the tip of the measuring tip according to the invention. The straightness prevents the formation of unwanted reflections in the first conductor. The arrangement of the first electrical conductor along the axis of symmetry of the carrier element ensures that the line lengths of the guided to the first electrical conductor second and third electrical conductor are substantially equal or can be chosen equal, so that the signal propagation times of the second and third the photoconductor signals transmitted to the third electrical conductor are the same, d. H. the signals arrive simultaneously at a signal analyzer and the measurement signal is not corrupted by different runtime lengths.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich der erste elektrische Leiter in einem vorderen Abschnitt im Bereich der Spitze des Trägerelements zu seinem distalen Ende hin zunehmend verjüngt. Die Ortsauflösung der erfindungsgemäßen Messspitze für bildgebende Messungen kann dadurch erhöht werden, da die erreichbare Ortsauflösung von der lateralen Breite des dritten elektrischen Leiters an seinem distalen Ende, d. h. am Messort begrenzt ist, an dem die Radialmode im ersten Leiter angeregt wird.It is particularly advantageous if the first electrical conductor increasingly tapers in a front section in the region of the tip of the carrier element towards its distal end. The spatial resolution of the measuring tip according to the invention for imaging measurements can be increased because the achievable spatial resolution of the lateral width of the third electrical conductor at its distal end, d. H. is limited at the measuring location, at which the radial mode is excited in the first conductor.

Um eine effiziente Einkopplung respektive Anregung der Radialmode in dem ersten elektrischen Leiter zu erreichen, ist es von Vorteil, das spitzenseitige Ende des dritten elektrischen Leiters abzurunden. Die zu erreichende Ortsauflösung der erfindungsgemäßen Messspitze entspricht dem Radius des abgerundeten, distalen Endes des ersten elektrischen Leiters und ist daher durch diesen Radius limitiert.In order to achieve an efficient coupling or excitation of the radial mode in the first electrical conductor, it is advantageous to round off the tip-side end of the third electrical conductor. The local resolution of the measuring tip according to the invention to be achieved corresponds to the radius of the rounded, distal end of the first electrical conductor and is therefore limited by this radius.

Vorzugsweise kann der erste elektrische Leiter vor seinem vorderen Abschnitt eine Diskontinuität, insbesondere eine Unterbrechung, Einschnürung oder Aufweitung, zur Ausbildung eines Resonatorelements zwischen der Diskontinuität und dem distalen Ende des ersten Leiters aufweisen. Zwar wird dadurch die Breitbandigkeit der Messspitze eingeschränkt, da sie nur noch für Resonanzfrequenzen des Resonatorelements empfindlich ist. Das Resonatorelement führt jedoch bei diesen Resonanzfrequenzen zu einer zusätzlichen Erhöhung der Empfindlichkeit und zusätzlichen Reduzierung des Hintergrundsignals, so dass besonders gute Messergebnisse erreichbar sind.Preferably, the first electrical conductor may have a discontinuity, in particular an interruption, constriction or widening, in front of its front section for forming a resonator element between the discontinuity and the distal end of the first conductor. Although this limits the broadband nature of the measuring tip, since it is only sensitive to resonant frequencies of the resonator element. However, the resonator element leads at these resonance frequencies to an additional increase in the sensitivity and additional reduction of the background signal, so that particularly good measurement results can be achieved.

Wie bereits zuvor ausgeführt worden ist, ist es von Vorteil, wenn der photoleitende Bereich, insbesondere der gemeinsame photoleitende Bereich des Schalterpaars von der Spitze der Messspitze beabstandet ist. Der photoleitende Bereich ist daher nicht wie im Stand der Technik an der Spitze der Messspitze vorhanden, an der die Feldstärke des zu messenden elektromagnetischen Feldes betraglich am größten ist. Durch die von der Spitze zurückversetzte Anordnung des photoleitenden Bereichs ist die Gefahr eines Durchbruchs des photoleitenden Materials in Folge zu hoher elektromagnetischer Feldstärke nicht gegeben. Ein weiterer Vorteil der Beabstandung des photoleitendes Bereichs zur Spitze besteht darin, dass hierdurch kein elektromagnetisches Streufeld von dem angeregten Objekt in den photoleitenden Bereich einstrahlt, sondern im Wesentlichen die in dem ersten Leiter erzeugte Radialmode für die Erzeugung der Photoströme verantwortlich ist.As has already been stated above, it is advantageous if the photoconductive region, in particular the common photoconductive region of the pair of switches, is at a distance from the tip of the measuring tip. The photoconductive region is therefore not present at the tip of the measuring tip, as in the prior art, at which the field strength of the electromagnetic field to be measured is greatest in terms of magnitude. The arrangement of the photoconductive region, which is set back from the tip, avoids the risk of a breakdown of the photoconductive material due to a high electromagnetic field strength. A further advantage of the spacing of the photoconductive region from the tip is that it does not emit stray electromagnetic fields from the excited object into the photoconductive region, but essentially that the radial mode generated in the first conductor is responsible for generating the photocurrents.

Es dabei jedoch zu beachten, dass der Abstand von der Spitze nicht zu groß gewählt werden darf, weil anderenfalls die Strecke, über die die Radialmode über den dritten elektrischen Leiter zum photoleitenden Bereich geführt wird, zu lang ist, so dass die Radialmode spektral verbreitert wird. Für den Fall einer Leiterstruktur zur Detektion elektromagnetischer Feldkomponenten mittels der erfindungsgemäßen Messspitze besteht ein guter Kompromiss darin, den photoleitenden Bereich in einem Abstand zwischen einem Viertel und der Hälfte der Länge des dritten elektrischen Leiters vor der Spitze anzuordnen.It should be noted, however, that the distance from the tip may not be too large, because otherwise the distance over which the radial mode is guided via the third electrical conductor to the photoconductive region, too long, so that the radial mode is spectrally broadened , In the case of a conductor structure for the detection of electromagnetic field components by means of the probe tip according to the invention, a good compromise is to arrange the photoconductive region in front of the tip at a distance of between one-quarter and one-half the length of the third electrical conductor.

Demgegenüber ist es für die Ausbildung eines Emitters elektromagnetischer Feldsignale durch die erfindungsgemäße elektrische Leiterstruktur von Vorteil, den photoleitenden Bereich von der Spitze der Messspitze aus gesehen hinter der Mitte der Längserstreckung des ersten elektrischen Leiters anzuordnen, insbesondere in einem Abstand zwischen der Hälfte und Dreiviertel des ersten elektrischen Leiters vor der Spitze. Dies hat den Vorteil, dass die Struktur des zweiten und dritten elektrischen Leiters auf dem Trägerelement derart gewählt werden kann, dass Resonanzstrecken ausgebildet werden, die die Erzeugung eines elektromagnetischen Impulses in dem als Emitter fungierenden photoleitenden Bereich verbessern bzw. der Impuls verstärkt wird. Dies wird nachfolgend noch beschrieben.By contrast, for the formation of an emitter of electromagnetic field signals by the electrical conductor structure according to the invention, it is advantageous to arrange the photoconductive region behind the center of the longitudinal extent of the first electrical conductor, as seen from the tip of the measuring tip, in particular at a distance between half and three quarters of the first electrical Ladder in front of the top. This has the advantage that the structure of the second and third electrical conductors on the carrier element can be chosen such that resonant paths are formed which improve the generation of an electromagnetic pulse in the photoconductive region functioning as an emitter or the pulse is amplified. This will be described below.

Vorzugsweise können der zweite und dritte Leiter zumindest in einem Abschnitt gradlinig in Richtung der Spitze verlaufen. Dies ist insbesondere für den Aufbau eines Detektors von Bedeutung, da hier möglichst diskontinuitätsfreie Elektrodenzuleitungen verwendet werden sollten, d. h. die elektrischen Leiter ohne Ecken und scharfen Kanten ausgebildet sein müssen, so dass Reflektionen der geführten Photostromsignale an derartigen Diskontinuitäten vermieden werden.Preferably, the second and third conductors may extend at least in a straight line in the direction of the tip. This is particularly important for the construction of a detector, since it should be used as possible discontinuity-free electrode leads, d. H. the electrical conductors must be formed without corners and sharp edges, so that reflections of the guided photocurrent signals at such discontinuities are avoided.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn sich der zweite und/oder der dritte elektrische Leiter in den geradlinigen Abschnitten im peripheren Bereich des Trägerelements von einem hinteren Abschnitt zu einem vorderen Abschnitt des Trägerelementes verlaufen. Im Falle eines durch die Messspitze gebildeten Detektors begünstigt diese Anordnung die Realisierung einer reflektionsarmen elektrischen Leiterstruktur für den Fall, dass der zweite und der dritte elektrische Leiter senkrecht zum ersten Leiter aus dem photoleitenden Bereich herausgeführt sind und zum hinteren Bereich der Messspitze verlaufen müssen, wo sie in entsprechend kontaktierbaren Kontaktflächen münden. Denn zur Realisierung eines derartigen reflektionsarmen Verlaufs des zweiten und dritten Leiters ist es notwendig, dass diese nach dem Austritt aus dem photoleitenden Bereich in einem bogenförmigen Abschnitt zum hinteren Bereich der Messspitze verlaufen. Je größer dabei der Radius des Bogens gewählt wird, desto geringer ist die Reflexion innerhalb der elektrischen Leiter. Aufgrund der lateralen Abmessung der Messspitze ist jedoch der maximal mögliche Radius begrenzt, so dass der maximale Radius gerade etwas weniger als der Abstand des zweiten und/oder dritten elektrischen Leiters im photoleitenden Bereich zur lateralen Außenkante des Trägerelements gewählt werden kann. Die aus dem photoleitenden Bereich austretenden elektrischen Leiter können dann in den bogenförmigen Abschnitt gemäß diesem Maximalradius übergehen, wobei sich an diesem Abschnitt kurz vor der lateralen Kante des Trägerelementes der gradlinige Abschnitt lückenlos anschließt, entlang welchem der zweite und dritte elektrische Leiter am Rand des Trägerelementes zu dessen hinterem Ende geführt sind.Furthermore, it is advantageous if the second and / or the third electrical conductor extend in the rectilinear sections in the peripheral region of the carrier element from a rear section to a front section of the carrier element. In the case of a detector formed by the measuring tip, this arrangement favors the realization of a low-reflection electrical conductor structure in the event that the second and third electrical conductors are led out of the photoconductive region perpendicular to the first conductor and must run to the rear of the measuring tip, where they lead into corresponding contactable contact surfaces. Because for the realization of such a low-reflection course of the second and third conductor, it is necessary that they extend after exiting the photoconductive region in an arcuate portion to the rear of the measuring tip. The larger the radius of the arc is chosen, the lower the reflection within the electrical conductors. Due to the lateral dimension of the measuring tip, however, the maximum possible radius is limited, so that the maximum radius can be selected to be just a little less than the distance of the second and / or third electrical conductor in the photoconductive region to the lateral outer edge of the carrier element. The electrical conductors emerging from the photoconductive region can then merge into the arcuate section in accordance with this maximum radius, the rectilinear section adjoining this section immediately before the lateral edge of the carrier element, along which the second and third electrical conductors extend at the edge of the carrier element whose rear end are guided.

Für die Ausbildung eines Detektors ist es des Weiteren von Vorteil, wenn die Enden des zweiten und des dritten elektrischen Leiters eine im Wesentlichen parallel zum ersten elektrischen Leiter respektive dessen Längsseiten verlaufende Stirnseite besitzen. Dies bedeutet, dass die Enden eine kantige Struktur aufweisen, d. h. entlang des gesamten Querschnitts der Elektroden bildenden Enden im Wesentlichen derselbe Abstand zum ersten elektrischen Leiter vorhanden ist.For the formation of a detector, it is also advantageous if the ends of the second and the third electrical conductor have a substantially parallel to the first electrical conductor respectively whose longitudinal sides extending end face. This means that the ends have an edged structure, i. H. substantially the same distance from the first electrical conductor is present along the entire cross section of the electrode-forming ends.

Des Weiteren vorteilhaft ist es für die Ausbildung eines Detektors, den jeweiligen Elektrodenabstände zwischen dem ersten elektrischen Leiter und den Enden des zweiten und dritten elektrischen Leiters möglichst klein zu wählen, so dass die Driftwege für die aus dem photoleitenden Material herausgelösten Elektronen nicht zu groß ist, und damit auch elektromagnetische Feldkomponenten minimaler Feldstärke detektiert werden können. Vorzugsweise ist der jeweilige Abstand daher zwischen einem und 10 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 2 und 6 Mikrometer, insbesondere zwischen 3 und 4 Mikrometer gewählt.Furthermore, it is advantageous for the formation of a detector to select the respective electrode spacings between the first electrical conductor and the ends of the second and third electrical conductors as small as possible so that the drift paths for the electrons released from the photoconductive material are not too large, and thus also electromagnetic field components of minimum field strength can be detected. The respective distance is therefore preferably selected between one and 10 micrometers, preferably between 2 and 6 micrometers, in particular between 3 and 4 micrometers.

Im Falle der Ausbildung eines Emitters zur Erzeugung elektromagnetischer Feldimpulse dienen die geradlinigen Abschnitte des zweiten und dritten Leiters dazu, die Distanz vom hinteren Ende der Messspitze zu einem Punkt zu überbrücken, von dem sich ein resonanzbewirkender Abschnitt des zweiten und dritten des elektrischen Leiters zu dem ersten elektrischen Leiter erstreckt. Hierzu kann der geradlinige Abschnitt des zweiten und dritten elektrischen Leiters jeweils in einem spitzen Winkel in den genannten resonanzbewirkenden Abschnitt übergehen, der bzw. die jeweils in einem ebenfalls spitzen Winkel auf den ersten elektrischen Leiter zuläuft bzw. zulaufen. In diesen Resonanzabschnitten können der zweite und dritte elektrische Leiter breiter ausgeführt sein, als in den geradlinigen Abschnitten am Rand des Trägerelements. Insbesondere können sich diese Abschnitte zum ersten elektrischen Leiter zunehmend verjüngen. Dadurch, dass die Resonanzabschnitte des zweiten und dritten elektrischen Leiters in einem spitzen Winkel auf den dritten elektrischen Leiter zulaufen, wird zwischen den Resonanzabschnitten ein Öffnungswinkel definiert. Dieser bewirkt, dass die Abstrahlung eines in dem photoleitenden Bereich generierten elektromagnetischen Impulses entlang des ersten elektrischen Leiters in einer Vorzugsrichtung, nämlich in Richtung des Öffnungswinkels zu der Spitze der Messspitze erfolgt. Die Länge der geradlinigen Abschnitte im Randbereich sowie der weiteren, resonanzbewirkenden geradlinigen Abschnitte kann auf die Abstrahlrichtung optimiert sein. Dies bedeutet, dass durch die Länge der geradlinigen Abschnitte der Öffnungswinkel gewählt werden kann.In the case of forming an emitter for generating electromagnetic field pulses, the rectilinear portions of the second and third conductors serve to bridge the distance from the rear end of the probe tip to a point from which a resonant effecting portion of the second and third electrical conductors to the first extends electrical conductor. For this purpose, the rectilinear section of the second and third electrical conductors can each pass at an acute angle into the said resonance-producing section, which in each case tapers or runs at an equally acute angle onto the first electrical conductor. In these resonance sections, the second and third electrical conductors can be made wider than in the rectilinear sections at the edge of the carrier element. In particular, these sections can increasingly taper to the first electrical conductor. Characterized in that the resonance sections of the second and third electrical conductor at an acute angle to the third electrical conductor, an opening angle is defined between the resonance sections. This causes the radiation of an electromagnetic pulse generated in the photoconductive region along the first electrical conductor in a preferred direction, namely in the direction of the opening angle to the tip of the measuring tip. The length of the rectilinear sections in the edge region and of the further, resonance-producing rectilinear sections can be optimized for the emission direction. This means that the opening angle can be selected by the length of the straight sections.

Für die Erzeugung besonders starker elektromagnetischer Signale ist es von Vorteil, einen besonders großflächigen photoleitenden Übergang zwischen dem ersten elektrischen Leiter und den Enden des zweiten und dritten elektrischen Leiters vorzusehen und auch den Abstand der Enden zum ersten elektrischen Leiter vergleichsweise groß auszubilden, so dass zur Generierung einer möglichst großen Menge an Ladungsträgern ausreichend photoleitendes Material in dem photoleitenden Übergang vorliegt. Hierzu können der zweite elektrische Leiter und der dritte elektrische Leiter mit ihren Enden in einem Abstand vor dem dritten elektrischen Leiter jeweils in einen Endabschnitt übergehen, der parallel zum ersten elektrischen Leiter verläuft. Die Endabschnitte liegen dabei vollständig in dem photoleitenden Bereich ein.For the generation of particularly strong electromagnetic signals, it is advantageous, a particularly large-area photoconductive transition between the first electrical conductor and the ends of the second and third electrical conductor provide and also form the distance of the ends to the first electrical conductor comparatively large, so that there is sufficient photoconductive material in the photoconductive transition to generate the largest possible amount of charge carriers. For this purpose, the second electrical conductor and the third electrical conductor with their ends at a distance in front of the third electrical conductor in each case pass into an end portion which extends parallel to the first electrical conductor. The end sections lie completely in the photoconductive region.

Die Länge der Endabschnitte kann mindestens 20 Mikrometer, vorzugsweise mindestens 35 Mikrometer, insbesondere mindestens 50 Mikrometer betragen. Weiterhin kann der jeweilige Abstand zwischen dem ersten elektrischen Leiter und den Endabschnitten des zweiten und dritten elektrischen Leiters zwischen 5 und 20 Mirkometer, vorzugsweise zwischen 9 und 15 Mikrometer, insbesondere zwischen 11 und 12 Mikrometer betragen.The length of the end portions may be at least 20 microns, preferably at least 35 microns, especially at least 50 microns. Furthermore, the respective distance between the first electrical conductor and the end sections of the second and third electrical conductors may be between 5 and 20 micrometers, preferably between 9 and 15 micrometers, in particular between 11 and 12 micrometers.

Erfindungsgemäß kann zwischen dem photoleitenden Bereich und dem hinteren Ende des Trägerelements, d. h. dem der Spitze abwandten Ende der Messspitze, am ersten elektrischen Leiter ein Reflektor angeordnet sein, der sich in Gestalt einer Leiterbahn beidseits senkrecht von dem ersten Leiter weg erstreckt. Der Reflektor sorgt dafür, dass Wellen einer bestimmten Frequenz nicht über den Reflektor hinaus übertragen sondern vollständig an ihm reflektiert werden. Dies verhindert, dass ein im photoleitenden Bereich generierter elektromagnetischer Impuls nach hinten, d. h. sich zu dem rückseitigen Ende der Messspitze ausbreitet. Vielmehr wird ein rücklaufendes Signal an dem Reflektor reflektiert und in Richtung der Spitze abgestrahlt. Durch die Länge des Reflektors kann die Frequenz gewählt werden, für die der Reflektor eine Barriere darstellt.According to the invention, between the photoconductive region and the rear end of the carrier element, i. H. the tip facing away from the end of the measuring tip, a reflector may be arranged on the first electrical conductor, which extends in the form of a conductor path on both sides perpendicularly away from the first conductor. The reflector ensures that waves of a certain frequency are not transmitted beyond the reflector but are completely reflected at it. This prevents a generated in the photoconductive region electromagnetic pulse backwards, d. H. propagates to the back end of the measuring tip. Rather, a returning signal is reflected at the reflector and emitted in the direction of the tip. The length of the reflector allows you to choose the frequency for which the reflector is a barrier.

In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Messspitze kann der erste photoleitende Bereich, insbesondere der gemeinsame photoleitende Bereich des Photoschalterpaars, zur Detektion eines elektromagnetischen Feldsignals dienen, wobei die Messspitze einen zweiten photoleitenden Bereich aufweist, der zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldsignals dient. In diesen zweiten photoleitenden Bereich münden die Elektroden bildenden Enden zweier weiterer elektrischer Leiter, über die durch Anlegen einer Gleichspannung in dem zweiten photoleitenden Bereich ein elektrisches Feld erzeugt werden kann. Eine optische Anregung des zweiten photoleitenden Bereichs durch einen Laserpuls erzeugt einen elektromagnetischen Impuls, der über einen elektrischen Wellenleiter ausgekoppelt werden kann. Eine derartige Anordnung vereinigt die Funktionalität einer als Detektor ausgeführten Messspitze mit einer als Emitter ausgeführten Messspitze. Dadurch ist es möglich, mit derselben Messspitze Pulse zu erzeugen, diese in ein zu untersuchendes Objekt einzukoppeln und deren Reflektion unmittelbar mit derselben Messspitze wieder zu empfangen, d. h. zu messen. Es können damit Aussagen über die innere Struktur eines abzutastenden Objektes getroffen werden, ohne dass zusätzliche Elemente in einer Messanordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Signale vorgesehen werden müssen. Die Messanordnung wird dadurch erheblich vereinfacht. Die erfindungsgemäße Messspitze ist daher für bildgebende Verfahren optimal einsetzbar.In a particularly advantageous further development of the measuring tip according to the invention, the first photoconductive region, in particular the common photoconductive region of the photo switch pair, can be used to detect an electromagnetic field signal, wherein the measuring tip has a second photoconductive region which serves to generate an electromagnetic field signal. In this second photoconductive region open the electrodes forming ends of two further electrical conductors, via which an electric field can be generated by applying a DC voltage in the second photoconductive region. An optical excitation of the second photoconductive region by a laser pulse generates an electromagnetic pulse which can be coupled out via an electrical waveguide. Such an arrangement combines the functionality of a measuring tip designed as a detector with a measuring tip designed as an emitter. This makes it possible to generate pulses with the same measuring tip, to couple them into an object to be examined and to immediately receive their reflection again with the same measuring tip, ie. H. to eat. It is thus possible to make statements about the internal structure of an object to be scanned without having to provide additional elements in a measuring arrangement for generating electromagnetic signals. The measuring arrangement is thereby considerably simplified. The measuring tip according to the invention can therefore be used optimally for imaging methods.

Zur Realisierung des zweiten photoleitenden Bereichs als Emitter elektromagnetischer Feldsignale kann dieselbe elektrische Leiterstruktur verwendet werden, wie sie vorstehend für den ersten photoleitenden Bereich zur Realisierung eines Detektors beschrieben ist. Dabei kann der erste oder ein weiterer sich zur Spitze der Messspitze hin erstreckender elektrischer Leiter in einem Abstand vor den Enden der zwei weiteren elektrischen Leiter verlaufen und mit diesen jeweils einen Photoschalter bilden. Zwischen dem ersten oder dem weiteren Leiter und dem zweiten der zwei weiteren elektrischen Leiter, und dem ersten Leiter oder dem weiteren Leiter und dem dritten der weiteren zwei Leiter ist jeweils eine einstellbare Vorspannung zum Aufbau eines elektrischen Feldes zwischen den Leitern im zweiten photoleitenden Bereich aufbaubar.For realizing the second photoconductive region as an emitter of electromagnetic field signals, the same electrical conductor structure as described above for the first photoconductive region for realizing a detector can be used. In this case, the first or another electrical conductor extending toward the tip of the measuring tip can run at a distance in front of the ends of the two further electrical conductors and can form a respective photo switch with the latter. Between the first or the further conductor and the second of the two further electrical conductors, and the first conductor or the further conductor and the third of the further two conductors, in each case an adjustable bias voltage for establishing an electric field between the conductors in the second photoconductive region can be built up.

Gemäß dieser Ausführungsvariante kann der erste elektrische Leiter durch beide photoleitenden Bereiche geführt sein. Alternativ könnte zusätzlich zu dem ersten elektrischen Leiter, der durch den ersten photoleitenden Bereich verläuft, ein weiterer elektrischer Leiter auf dem Trägerelement vorgesehen sein, der sich von dem hinteren Bereich des Trägerelements zu dessen Spitz erstreckt, wobei nur dieser weitere elektrische Leiter durch den zweiten photoleitenden Bereich geführt ist und zwischen den Enden der zwei weiteren elektrischen Leiter in dem zweiten photoleitenden Bereich liegt.According to this embodiment variant, the first electrical conductor can be guided through both photoconductive regions. Alternatively, in addition to the first electrical conductor extending through the first photoconductive region, another electrical conductor could be provided on the support member extending from the rear portion of the support member to the tip thereof, only that other electrical conductor passing through the second photoconductive member Area is guided and lies between the ends of the two further electrical conductors in the second photoconductive region.

Bezüglich der erstgenannten Variante, gemäß derer der erste elektrische Leiter durch beide photoleitenden Bereiche geführt ist, kann sich der erste photoleitende Bereich in einem Abstand zwischen einem Viertel und der Hälfte der Länge des ersten elektrischen Leiters und der zweite photoleitende Bereich in einem Abstand zwischen der Hälfte und Dreiviertel der Länge des ersten elektrischen Bereiches vor der Spitze befinden. In dieser Anordnung stören sich die beiden als Detektor und Emitter verwendeten Leitungsstrukturen nicht. Würde dagegen der Detektor im hinteren Bereich angeordnet sein, würde die Strecke, die der erste elektrische Leiter die Radialmode führt, zu einer zeitlichen Aufweitung der Mode führen, wodurch das Messsignal verfälscht werden würde. Daher ist es von Vorteil, den Detektorbereich der Messspitze im vorderen Bereich des Trägerelementes vorzusehen.With regard to the first-mentioned variant, according to which the first electrical conductor is guided through both photoconductive regions, the first photoconductive region can be at a distance of between one-quarter and one-half the length of the first electrical conductor and the second photoconductive region can be at a distance of one-half and three-quarters of the length of the first electrical area in front of the top. In this arrangement, the two line structures used as detector and emitter do not interfere. If, on the other hand, the detector were arranged in the rear region, the path which the first electrical conductor leads to the radial mode would lead to a temporal widening of the mode, as a result of which the measuring signal would be falsified. Therefore, it is advantageous to provide the detector region of the measuring tip in the front region of the carrier element.

Erfindungsgemäß wird des Weiteren eine messtechnische Anordnung zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale, insbesondere zur Detektion des Normalvektors eines elektromagnetischen Feldes vorgeschlagen, mit einem Emitter zur Ausstrahlung eines elektromagnetischen Feldsignals und einem Detektor zur Detektion eines elektromagnetischen Feldsignals, wobei der Emitter und/oder der Detektor mit einer erfindungsgemäßen Messspitze der vorbeschrieben Art gebildet ist.According to the invention, a metrological arrangement for detecting electromagnetic field signals, in particular for detecting the normal vector of an electromagnetic field, is proposed, having an emitter for emitting an electromagnetic field signal and a detector for detecting an electromagnetic field signal, wherein the emitter and / or the detector with a Measuring tip of the type described above is formed.

Erfindungsgemäß wird im Übrigen eine messtechnische Anordnung zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale, insbesondere zur Detektion des Normalvektors eines elektromagnetischen Feldes vorgeschlagen, mit einem Emitter zur Ausstrahlung und einem Detektor zur Erfassung eines elektromagnetischen Feldsignals, wobei der Emitter und/oder der Detektor mit einer Messspitze der zuvor beschrieben Art gebildet ist.According to the invention, a metrological arrangement for detecting electromagnetic field signals, in particular for detecting the normal vector of an electromagnetic field is proposed, with an emitter for emission and a detector for detecting an electromagnetic field signal, wherein the emitter and / or the detector with a probe tip described above Kind is formed.

Schließlich wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale, insbesondere zur Detektion des Normalvektors eines elektromagnetischen Feldes, unter Verwendung einer Messspitze der vorbeschriebene Art vorgeschlagen, wobei die Messspitze mit balancierten Vorspannungen zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter sowie dem ersten Leiter und dem dritten Leiter betrieben wird. Wie zuvor beschrieben, ermöglicht dies die Filterung eines ausgedehnten gleichförmigen elektromagnetischen Feldes, d. h. die durch das Fernfeld erzeugte Hintergrundstrahlung, die sich ohne Balancierung der Photoschalter in einem deutlichen Messrauschen bemerkbar macht.Finally, the invention also proposes a method for detecting electromagnetic field signals, in particular for detecting the normal vector of an electromagnetic field, using a measuring tip of the type described above, wherein the measuring tip with balanced bias voltages between the first conductor and the second conductor and the first conductor and the third Head is operated. As described above, this allows the filtering of an extended uniform electromagnetic field, i. H. the background radiation generated by the far field, which makes itself noticeable without balancing the photo switch in a clear measurement noise.

Zur Balancierung der Vorspannungen werden die zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter sowie dem ersten Leiter und dem dritten Leiter anzulegenden Spannungen derart eingestellt, bzw. sind diese Spannungen im Betrieb der Messspitze derart eingestellt, dass der Strom durch den ersten Leiter in einem Knoten, in dem der zweite und dritte Leiter elektrisch verbunden sind, gleich Null ist. Dies bedeutet, dass sich aufgrund der an die Photoschalter angelegten Vorspannungen die Ströme in dem ersten und dem zweiten Leiter destruktiv überlagern, d. h. betraglich gleich sind und sich lediglich in dem Vorzeichen unterscheiden.For balancing the bias voltages to be applied between the first conductor and the second conductor and the first conductor and the third conductor voltages are set, or these voltages are set in the operation of the probe tip such that the current through the first conductor in a node, in which the second and third conductors are electrically connected, is equal to zero. This means that due to the biases applied to the photo-switches, the currents in the first and second conductors are destructively superimposed, i. H. are the same and differ only in the sign.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Messspitze werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.Further advantages, features and properties of the measuring tip according to the invention will be explained in more detail with reference to the following figures.

Es zeigen:Show it:

1: erfindungsgemäße Messspitze in einer ersten Variante mit einer Leiterstruktur zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale 1 : Measuring tip according to the invention in a first variant with a conductor structure for the detection of electromagnetic field signals

2: Messspitze gemäß 1 mit schematischer Darstellung der Beschaltung zur Balancierung der Photoschalter 2 : Measuring tip according to 1 with a schematic representation of the wiring for balancing the photo switch

3: Messspitze mit einer Leiterstruktur zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale mit verbreitertem Vorderabschnitt des ersten Leiters 3 : Measuring tip with a conductor structure for the detection of electromagnetic field signals with widened front section of the first conductor

4: Schematische Darstellung der Anordnung einer erfindungsgemäßen Messspitze auf einem Messspitzenalter in Draufsicht (a) und in Seitenansicht (b) 4 : Schematic representation of the arrangement of a measuring tip according to the invention on a Meßpitzenalter in plan view (a) and in side view (b)

5: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messspitze gemäß einer zweiten Variante mit einer Leiterstruktur und einem als Emitter ausgebildeten photoleitenden Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale 5 : Schematic representation of a measuring tip according to the invention according to a second variant with a conductor structure and a photoconductive region designed as an emitter for generating electromagnetic field signals

6: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messspitze gemäß einer dritten Variante mit einem ersten photoleitenden Bereich zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale und einem zweiten photoleitenden Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale 6 : Schematic representation of a measuring tip according to the invention according to a third variant with a first photoconductive region for the detection of electromagnetic field signals and a second photoconductive region for generating electromagnetic field signals

7: Vergrößerung der Ausschnitte der photoleitenden Bereiche gemäß 6 7 : Enlargement of the sections of the photoconductive areas according to 6

8: Schematische Darstellung eines Photoschalters 8th : Schematic representation of a photoelectric switch

Die 1, 3, 5 und 6 zeigen im Folgenden beschriebene vier besonders vorteilhafte und damit bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen photoleitenden Messspitze in schematischer Darstellung, wie sie zur Nahfeld- und Fernfelddetektion, insbesondere zur Detektion der normalen Feldvektorkomponente eines elektromagnetischen Feldsignals eingesetzt werden kann. 2 zeigt demgegenüber eine schematische Darstellung der Beschaltung der Messspitze zur Balancierung der in dem photoleitenden Bereich vorhandenen Photoschalter. Weiterhin zeigt die 4 die Anordnung und Kontaktierung einer erfindungsgemäßen Messspitze auf einem Messspitzenhalter einer Messvorrichtung. 7 zeigt eine Vergrößerung der photoleitenden Bereiche der Messspitze gemäß 5. Schließlich ist in 8 das grundlegende Prinzip eines Photoschalters schematisch gezeigt.The 1 . 3 . 5 and 6 show in the following described four particularly advantageous and thus preferred embodiments of the photoconductive measuring tip according to the invention in a schematic representation, as it can be used for near field and far field detection, in particular for the detection of the normal field vector component of an electromagnetic field signal. 2 on the other hand shows a schematic representation of the wiring of the measuring tip for balancing the existing in the photoconductive area photoswitch. Furthermore, the shows 4 the arrangement and contacting of a measuring tip according to the invention on a Meßspitzenhalter a measuring device. 7 shows an enlargement of the photoconductive regions of the measuring tip according to 5 , Finally, in 8th the basic principle of a photoelectric switch shown schematically.

Im Einzelnen zeigt 1 eine photoleitende Nahfeldmessspitze 100 zur Detektion elektromagnetischer Feldsignale, insbesondere zur Detektion des Normalvektors eines elektromagnetischen Feldes. Die Messspitze 100 weist ein Trägerelement 140 aus LT Gallium-Arsenid auf, das bei niedriger Temperatur (Low Temperature, LT) gewachsen ist. Ein derartiges Substrat wird als LT-GaAs bezeichnet. Das Trägerelement 140 weist eine Dicke von weniger als 2 Mikrometern auf, so dass bis in den Terahertz-Bereich eine sehr dämpfungs- und dispersionsarme Übertragung elektromagnetischer Feldsignale möglich ist. Je kleiner die Dicke des Trägerelementes 140 ist, desto besser ist die Führung der elektromagnetischen Feldsignale.In detail shows 1 a photoconductive near-field measuring tip 100 for the detection of electromagnetic field signals, in particular for the detection of the normal vector of an electromagnetic field. The measuring tip 100 has a carrier element 140 from LT gallium arsenide grown at low temperature (LT). Such a substrate is called LT-GaAs. The carrier element 140 has a thickness of less than 2 micrometers, so that up to the terahertz range, a very low-attenuation and dispersion-poor transmission of electromagnetic field signals is possible. The smaller the thickness of the carrier element 140 The better is the guidance of the electromagnetic field signals.

Auf dem Trägerelement 140 erstreckt sich wenigstens ein erster elektrischer Leiter 120 und ein zweiter elektrischer Leiter 150, die sich in einem durch optische Anregung in einen photoleitenden Zustand versetzbaren Bereich 160 des Trägerelements 140 beabstandet gegenüberstehen. Der erste elektrische Leiter 120 dient zur Ein- oder Auskopplung eines elektromagnetischen Feldsignals und ist an dem distalen Ende 151 des zweiten elektrischen Leiters 150, der zur Übertragung eines Photostromsignals dient, vorbeigeführt. Der erste elektrische Leiter 120 entspringt an seinem proximalen Ende 122 in einem Kontaktelement 180 und erstreckt sich zur Spitze 142 der Messspitze 100 hin. In seinem vorderen Abschnitt 124 verjüngt sich die laterale Breite des ersten Leiters 120. Zwischen dem distalen Ende 151 des zweiten elektrischen Leiters 150 und dem ersten elektrischen Leiter 120 ist ein Photoschalter ausgebildet, der zumindest einen Teil des photoleitenden Bereichs 160 bildet und von der Spitze 142 zurückversetzt ist.On the carrier element 140 at least one first electrical conductor extends 120 and a second electrical conductor 150 , which can be displaced in a photoconductive state by optical excitation area 160 the carrier element 140 spaced apart. The first electrical conductor 120 is used for coupling or decoupling an electromagnetic field signal and is at the distal end 151 of the second electrical conductor 150 , which serves to transmit a photocurrent signal, passed. The first electrical conductor 120 originates at its proximal end 122 in a contact element 180 and extends to the top 142 the measuring tip 100 out. In his front section 124 the lateral width of the first conductor tapers 120 , Between the distal end 151 of the second electrical conductor 150 and the first electrical conductor 120 a photo switch is formed, which is at least a part of the photoconductive region 160 forms and from the top 142 is set back.

Des Weiteren erstreckt sich auf dem Trägerelement 140 ein dritter elektrischer Leiter 155, der ebenfalls zur Übertragung eines Photostromsignals dient. Auch an seinem distalem Ende 156 ist der erste elektrische Leiter 120 vorbeigeführt ist, so dass zwischen dem distalen Ende 156 des dritten elektrischen Leiters 155 und dem ersten elektrischen Leiter 120 ein Photoschalter ausgebildet ist, der zumindest einen Teil des photoleitenden Bereichs 160 bildet und von der Spitze 140 zurückversetzt ist.Furthermore, it extends on the carrier element 140 a third electrical conductor 155 which also serves to transmit a photocurrent signal. Also at its distal end 156 is the first electrical conductor 120 is passed so that between the distal end 156 of the third electrical conductor 155 and the first electrical conductor 120 a photoswitch is formed, which is at least a part of the photoconductive region 160 forms and from the top 140 is set back.

Das Trägerelement 140 ist symmetrisch, wobei die Photoschalter einen gemeinsamen photoleitenden Bereich 160 bilden.The carrier element 140 is symmetrical, with the photo switch a common photoconductive area 160 form.

Die elektrischen Leiter 120, 150, 155 sind in der Art von Leiterbahnen auf dem Trägerelement linienförmige aufgebracht. Sie bilden Wellenleiter zur Führung von Moden. In den ersten Wellenleiter kann an seinem distalen Ende 125, d. h. an der vordersten Stelle der Spitze 142 ein elektromagnetisches Signal eingekoppelt werden. Dies erfolgt dadurch, dass in dem ersten Leiter 120 eine Radialmode E_RM angeregt wird. Der zweite und der dritte elektrische Leiter 150, 155 stellen Zuleitungen zu den Elektroden dar, die von den Enden 151, 156 der beiden elektrischen Leiter 150, 155 im photoleitenden Bereich 160 gebildet werden.The electrical conductors 120 . 150 . 155 are applied in the form of printed conductors on the carrier element linear. They form waveguides for guiding modes. In the first waveguide can at its distal end 125 ie at the forefront of the top 142 an electromagnetic signal can be coupled. This is done by having in the first conductor 120 a radial mode E _{RM is} excited. The second and third electrical conductors 150 . 155 provide leads to the electrodes from the ends 151 . 156 the two electrical conductors 150 . 155 in the photoconductive area 160 be formed.

Der erste elektrische Leiter 120 erstreckt sich von einem hinteren Bereich 144 der Messspitze 100 entlang der Symmetrieachse zur Spitze 142 und verläuft in einem Abstand 161, 162 (siehe 7) vor den Enden 151, 156 des zweiten und dritten elektrischen Leiters 150, 155 durch den photoleitenden Bereich 160. Der photoleitende Bereich 160 liegt demgemäß auf der Symmetrieachse der Messspitze 100. Zwischen dem ersten elektrischen Leiter 120 und den Enden 151, 156 des zweiten und dritten elektrischen Leiter 150, 155 ist jeweils ein Photoschalter ausgebildet ist, dessen Funktionsweise nachfolgend anhand 8 beschrieben wird.The first electrical conductor 120 extends from a rear area 144 the measuring tip 100 along the axis of symmetry to the top 142 and runs at a distance 161 . 162 (please refer 7 ) in front of the ends 151 . 156 of the second and third electrical conductors 150 . 155 through the photoconductive area 160 , The photoconductive area 160 is accordingly on the axis of symmetry of the measuring tip 100 , Between the first electrical conductor 120 and the ends 151 . 156 of the second and third electrical conductors 150 . 155 is in each case a photo switch is formed, whose operation is based on below 8th is described.

Das Trägerelement 140 entspricht in seiner Grundform einem gleichschenkligen Dreieck. Die Schenkellänge beträgt 1,152 mm und die Länge zwischen den beiden gleichen Schenkeln liegende Seite 1,162 mm. Die beiden Schenkel laufen damit in einem Winkel von etwa 60° aufeinander zu. Die Symmetrieachse dieses Trägerelementes 140 entspricht der Höhe auf der zwischen den gleichen Schenkeln liegenden Seite. An diesem hinteren Ende 144 des Trägerelements 140 sind drei Kontaktflächen 180 vorgesehen, wobei jeder der elektrischen Leiter 120, 150, 155 in einem dieser Kontaktelemente 180 endet.The carrier element 140 corresponds in its basic form to an isosceles triangle. The leg length is 1.152 mm and the length between the two same legs lying side 1.162 mm. The two legs thus run towards each other at an angle of about 60 °. The symmetry axis of this support element 140 corresponds to the height on the side lying between the same legs. At this rear end 144 the carrier element 140 are three contact surfaces 180 provided, each of the electrical conductors 120 . 150 . 155 in one of these contact elements 180 ends.

Der zweite elektrische Leiter 150 und der dritte elektrische Leiter 155 erstrecken sich jeweils symmetrisch zum ersten elektrischen Leiter 120 von dem hinteren Ende 144 des Trägerelements 140, aus den Kontaktflächen 180 entspringend, zunächst in einem geraden Abschnitt 152, 157 im peripheren Bereich des Trägerelementes 140, d. h. parallel zu den das Trägerelement begrenzenden Kanten in Richtung des photoleitenden Bereichs 160. Nach etwa der Mitte der lateralen Erstreckung des ersten elektrischen Leiters 120 gehen die geradlinigen Abschnitte 152, 157 der beiden elektrischen Leiter 150, 155 jeweils in einen gebogenen Abschnitt 153, 158 über, wobei diese Abschnitte 153, 158 im Wesentlichen senkrecht zum ersten elektrischen Leiter 120 auf diesen zulaufen. Dies ist als Detailvergrößerung in 7 dargestellt.The second electrical conductor 150 and the third electrical conductor 155 each extend symmetrically to the first electrical conductor 120 from the back end 144 the carrier element 140 , from the contact surfaces 180 springing up, first in a straight section 152 . 157 in the peripheral region of the carrier element 140 , ie parallel to the carrier element limiting edges in the direction of the photoconductive region 160 , After about the middle of the lateral extent of the first electrical conductor 120 go the straight sections 152 . 157 the two electrical conductors 150 . 155 each in a curved section 153 . 158 over, these sections 153 . 158 substantially perpendicular to the first electrical conductor 120 to run on this. This is as a detail magnification in 7 shown.

Die Enden 151, 156 des zweiten und dritten elektrischen Leiters 150, 155 enden in dem photoleitenden Bereich 160 gegenüberliegend, wobei der erste elektrische Leiter 120 mittig zwischen den beiden Enden 151, 156 durch den photoleitenden Bereich 160 durchgeführt ist. Die Enden 151, 156 sind kantig ausgebildet, so dass entlang des gesamten Querschnitts des zweiten und dritten elektrischen Leiters derselbe Abstand 161, 162 zu dem ersten elektrischen Leiter 120 vorliegt. Dieser Abstand beträgt gemäß dem bevorzugten Beispiel in 7 ca. 3,5 Mikrometer. Demgegenüber ist die laterale Breite des zweiten und des dritten elektrischen Leiters 150, 155 auf dem Trägerelement 140 bevorzugt mit 5 Mikrometern gewählt. Das Ende 151 des zweiten elektrischen Leiters bildet die Elektrode des ersten Photoschalters des photoleitenden Bereichs 160, wobei die zweite Elektrode dieses Photoschalters durch den ersten elektrischen Leiter 120 gebildet ist. In entsprechender Weise ist die erste Elektrode des zweiten Photoschalters durch das Ende 156 des dritten elektrischen Leiters 155 gebildet und die zweite Elektrode des zweiten Photoschalters durch den ersten elektrischen Leiter 120 gebildet. Die beiden Elektroden eines Photoschalters sind jeweils über das photoleitende Trägerelement 140 miteinander verbunden.The ends 151 . 156 of the second and third electrical conductors 150 . 155 end in the photoconductive region 160 opposite, wherein the first electrical conductor 120 in the middle between the two ends 151 . 156 through the photoconductive area 160 is performed. The ends 151 . 156 are edged, so that along the entire cross section of the second and third electrical conductor the same distance 161 . 162 to the first electrical conductor 120 is present. This distance is according to the preferred example in FIG 7 about 3.5 microns. In contrast, the lateral width of the second and the third electrical conductor 150 . 155 on the carrier element 140 preferably chosen with 5 microns. The end 151 of the second electrical conductor forms the electrode of the first photo switch of the photoconductive region 160 wherein the second electrode of this photoswitch is through the first electrical conductor 120 is formed. Likewise, the first electrode of the second photoswitch is through the end 156 of the third electrical conductor 155 formed and the second electrode of the second photo switch by the first electrical conductor 120 educated. The two electrodes of a photoswitch are in each case via the photoconductive carrier element 140 connected with each other.

8 zeigt einen photoleitenden Schalter nach einem bekannten Prinzip. Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise sind die Bezugsziffern aus 1 für die gleichbedeutenden Elemente des Photoschalters übernommen. Der photoleitende Schalter besteht aus einem Substrat 163, welches für eine anregende Femtosekunden-Laserstrahlung (fs-Puls) transparent ist, beispielsweise Safir. Auf dem Substrat 163 befindet sich ein Trägerelement 140 aus einem photoleitenden Material. Ein derartiges photoleitendes Material kann beispielsweise Low Temperature Gallium-Arsenid sein, wie es auch das Trägerelement 140 bevorzugt verwendet werden kann, da es als Materialeigenschaften eine kurze Ladungsträgerlebensdauer und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweist. Durch die genannten Eigenschaften wird eine möglichst hohe Grenzfrequenz für die Pulserzeugung erreicht. Auf dem Halbleitermaterial 140 sind Metallelektroden 120, 150 angebracht, die mit einer Gleichspannung einer Spannungsquelle 138 beaufschlagt werden. Wird das Halbleitermaterial 140 mit Lichtpulsen eines Femtosekunden-Lasers durch das Substrat 163 hindurch optisch angeregt und ist die Wellenlänge dieses Pulses klein genug, um Elektronen über die Bandlücke des Halbleitermaterials 140 anzuregen, so entstehen im Halbleiter 140 freie Elektronen-Loch-Paare. Diese photogenerierten Ladungsträger werden im elektrischen Feld, das durch die angelegte Gleichspannung über den Metallelektroden 120, 150 erzeugt wird, beschleunigt und verursachen einen Stromfluss über den Elektroden 120, 150, der auch als Photostrom bezeichnet wird. Dieser Photostrom kann gemessen werden und entspricht einem elektrischen Impuls im Terahertz-Bereich. 8th shows a photoconductive switch according to a known principle. To illustrate the operation, the reference numerals are 1 adopted for the equivalent elements of the photoelectric switch. The photoconductive switch consists of a substrate 163 , which is transparent to stimulating femtosecond laser radiation (fs-pulse), for example Safir. On the substrate 163 there is a support element 140 from a photoconductive material. Such a photoconductive material may, for example, be low-temperature gallium arsenide, as may the carrier element 140 can be preferably used because it has a short carrier lifetime and a high charge carrier mobility as material properties. Due to the properties mentioned, the highest possible cutoff frequency for pulse generation is achieved. On the semiconductor material 140 are metal electrodes 120 . 150 attached, which with a DC voltage of a voltage source 138 be charged. Will the semiconductor material 140 with light pulses of a femtosecond laser through the substrate 163 is optically excited and the wavelength of this pulse is small enough to pass electrons across the bandgap of the semiconductor material 140 to stimulate, so arise in the semiconductor 140 free electron-hole pairs. These photogenerated charge carriers are in the electric field caused by the applied DC voltage across the metal electrodes 120 . 150 is generated, accelerates and causes a flow of current across the electrodes 120 . 150 , which is also referred to as photocurrent. This photocurrent can be measured and corresponds to an electrical pulse in the terahertz range.

Wird das Photoschalter der erfindungsgemäßen Messspitze 100 mit einer Gleichspannung versorgt, so dass sich zwischen den dritten Leiter 155 und dem ersten Leiter 120 sowie zwischen dem ersten Leiter 120 und dem zweiten Leiter 150 ein elektrisches Feld in dem Trägerelement 140 ausbildet, und wird der photoleitende Bereich 160 mit Laserlicht bestrahlt, und erreicht dann zusätzlich eine in dem ersten Leiter 120 angeregte Radialmode den photoleitenden Bereich, wird das Photoschalterpaar leitend und es fließt ein Photostrom, der die Detektion eines elektromagnetischen Feldsignals angibt. Da auch eine Feldkomponente, die vektoriell normal zur Oberfläche der Messspitze 100 ausgerichtet ist, eine Radialmode in dem ersten Leiter 120 anregen kann, ist mit der erfindungsgemäßen Messspitze 100 ohne mechanische Drehung derselben eine Detektion der Normalkomponente elektromagnetischer Feldsignale möglich.Will the photo switch of the measuring tip according to the invention 100 supplied with a DC voltage, so that between the third conductor 155 and the first leader 120 as well as between the first conductor 120 and the second conductor 150 an electric field in the carrier element 140 forms, and becomes the photoconductive area 160 irradiated with laser light, and then additionally reaches one in the first conductor 120 When the excited radial mode is the photoconductive region, the pair of photoswitches becomes conductive and a photocurrent flows, indicating the detection of an electromagnetic field signal. There is also a field component that is vectorially normal to the surface of the measuring tip 100 is aligned, a radial mode in the first conductor 120 can stimulate is with the measuring tip according to the invention 100 without mechanical rotation of the same a detection of the normal component of electromagnetic field signals possible.

2 veranschaulicht die Beschaltung der Messspitze 100 nach 1 für eine Ausbalancierung der beiden Photoschalter des Photoschalterpaars. Zur Balancierung der Photoschalter werden die Vorspannungen zwischen den Leitern 120, 150, 155 derart eingestellt, dass der Strom I_PC durch den ersten Leiter 120 in einen Knoten 135, in dem der zweite und der dritte Leiter 150, 155 elektrisch verbunden sind, gleich null ist. Ann dies der Fall ist, kann mittels eines Stromessgeräts 130 festgestellt werden, dass zwischen den ersten Leiter 120 und die parallelgeschalteten Photoschalter geschaltet ist. Wird, wie in dem linken Bild a gezeigt, eine Radialmode E_RM in den ersten elektrischen Leiter 12 eingekoppelt, fließt durch den ersten Leiter ein Photostrom, der ungleich null ist. Wird dagegen keine Mode angeregt, so dass nur das homogene, schwache elektromagnetische Fernfeld E_F die Spitze 142 der Messspitze 100 durchsetzt, heben sich die betraglich gleichen, entgegengesetzt gerichteten Photoströme in dem zweiten und dritten Leiter 150, 155 gegeneinander auf, so dass in dem ersten Leiter 120 kein Photostrom fließt. Dies ist in dem rechten Bild b dargestellt. 2 illustrates the wiring of the measuring tip 100 to 1 for balancing the two photo switches of the photo switch pair. To balance the photoswitches, the bias voltages between the conductors become 120 . 150 . 155 set such that the current I _PC through the first conductor 120 into a knot 135 in which the second and third leaders 150 . 155 are electrically connected, is equal to zero. Ann this is the case, by means of a power meter 130 be noted that between the first conductor 120 and the parallel-connected photo switch is connected. If, as shown in the left image a, a radial mode E _RM in the first electrical conductor 12 coupled, flows through the first conductor, a photocurrent, which is not zero. If, on the other hand, no mode is excited, then only the homogeneous, weak far-field electromagnetic field E _{F is} the tip 142 the measuring tip 100 permeated, raise the same amount, oppositely directed photocurrents in the second and third conductor 150 . 155 against each other, leaving in the first ladder 120 no photocurrent flows. This is shown in the right image b.

3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante der Messspitze 200 mit einer Emitterstruktur. Die Variante unterscheidet sich von der Messspitze 100 gemäß 1 darin, dass der zweite und dritte elektrische Leiter 250, 255 keinen gebogenen Abschnitt sondern einen geraden Abschnitt 253, 258 aufweisen, der einen Übergang von dem geraden Abschnitt 252, 257 am Rand des Trägerelements zu dem photoleitenden Bereich 260 bildet. Der Übergang erfolgt in einem spitzen Winkel, wobei auch die geraden Übergangsbereiche 253, 258 in einem spitzen Winkel auf den ersten Leiter 120 gerichtet sind. Durch die spitzen Winkel werden Diskontinuitäten ausgebildet, so dass die Übergangsbereiche 253, 258 zu Resonanzelementen werden. Der photoleitende Bereich 260 ist in dieser Ausführung im hinteren Bereich des ersten elektrischen Leiters vorgesehen, so dass es sich in einem Abstand zwischen der Hälfte und drei Viertel der Länge des ersten elektrischen Leiters 120 vor der Spitze 142 befindet. 3 shows a second embodiment of the measuring tip 200 with an emitter structure. The variant differs from the measuring tip 100 according to 1 in that the second and third electrical conductors 250 . 255 no curved section but a straight section 253 . 258 having a transition from the straight section 252 . 257 at the edge of the carrier element to the photoconductive region 260 forms. The transition takes place at an acute angle, with even the straight transition areas 253 . 258 at an acute angle to the first ladder 120 are directed. Due to the acute angle discontinuities are formed, so that the transition areas 253 . 258 become resonance elements. The photoconductive area 260 is provided in this embodiment in the rear region of the first electrical conductor, so that it is at a distance between half and three quarters of the length of the first electrical conductor 120 in front of the top 142 located.

Der zweite elektrische Leiter 250 und der dritte elektrische Leiter 255 gehen an ihrem jeweiligen distalen Ende 251, 256 in einem Abstand 261, 262 vor dem ersten elektrischen Leiter 120 jeweils in einen Endabschnitt 251, 256 über, der jeweils parallel zum ersten elektrischen Leiter 120 verläuft. Eine Vergrößerung der Endabschnitte 251, 256 ist in 7 dargestellt. Der Elektrodenabstand 261, 262 beträgt gemäß dieses Beispiels 11.3 Mikrometer, die Länge der Endabschnitte 251, 256 beträgt 50 Mikrometer. Die Endabschnitte 251, 256 weisen des Weiteren eine größere laterale Breite auf als der erste elektrische Leiter 120. Im Gegensatz dazu sind die Enden 151, 156 bei der ersten Variante der Messspitze 100 mit beispielhaft 5 Mikrometer schmaler als der erste Leiter 120 ausgeführt.The second electrical conductor 250 and the third electrical conductor 255 go to their respective distal end 251 . 256 at a distance 261 . 262 in front of the first electrical conductor 120 each in an end section 251 . 256 over, each parallel to the first electrical conductor 120 runs. An enlargement of the end sections 251 . 256 is in 7 shown. The electrode distance 261 . 262 is according to this example 11.3 microns, the length of the end sections 251 . 256 is 50 microns. The end sections 251 . 256 Furthermore, they have a larger lateral width than the first electrical conductor 120 , In contrast, the ends are 151 . 156 in the first variant of the measuring tip 100 with exemplary 5 micrometers narrower than the first conductor 120 executed.

In 3 ist des Weiteren ein Reflektor 290 dargestellt, der sich senkrecht von dem ersten Leiter 120 weg erstreckt. Er verhindert, dass elektromagnetische Wellen, die von dem photoleitenden Bereich 260 in dem ersten Leiter 120 angeregt werden, sich nicht nach hinten sondern nach vorne, d. h. zur Spitze der Messspitze ausbreiten. Der Reflektor 290 ist wellenlängenspezifisch, wobei die Wellenlänge respektive die Frequenz der Wellen, die von dem Reflektor 290 reflektiert werden, abhängig von seiner Länge ist.In 3 is also a reflector 290 shown perpendicular to the first conductor 120 extends away. It prevents electromagnetic waves coming from the photoconductive area 260 in the first ladder 120 be excited, not to the rear but forward, ie spread to the top of the measuring tip. The reflector 290 is wavelength-specific, with the wavelength or frequency of the waves coming from the reflector 290 is reflected, depending on its length.

4 zeigt eine modifizierte Ausführung des ersten elektrischen Leiters 120 gegenüber der in 1 gezeigten Messspitze 100. Der vordere Abschnitt 124 des ersten Leiters 120 bildet ein Resonanzelement, das eine Länge von etwa 80 Mikrometern aufweist. Die Länge bestimmt die Resonanzfrequenz des Vorderabschnitts 124, für die Messspitze nur noch empfindlich ist, beispielsweise für 1 THz. Aus Sicht des ersten Leiters 120 in Richtung der Spitze 142 unmittelbar vor diesem Resonanzelement ist eine Diskontinuität in Form einer Unterbrechung 123 vorgesehen. Die Länge dieser Unterbrechung 123 ist für den Grad der Ankopplung entscheidend, d. h. die Stärke der Übertragung der in dem Resonanzelement ausgebildeten Welle in den restlichen ersten Leiter 120. Eine schwache Ankopplung bei langer Unterbrechung 123 führt zu einer hohen Messgüte, da die Radialmode in dem restlichen ersten elektrischen Leiter länger schwingen kann. Allerdings wird die Mode nur gering angeregt, so dass das Photostromsignal schwach ist und entsprechen verstärkt werden muss. Eine kürzere Lücke 123 ergibt zwar eine bessere Ankopplung, führt jedoch zu einer schlechten Messgüte. Ein guter Kompromiss liegt bei Unterbrechungen von ca. 10 Mikrometer vor. 4 shows a modified embodiment of the first electrical conductor 120 opposite to the 1 shown measuring tip 100 , The front section 124 of the first leader 120 forms a resonant element which has a length of about 80 microns. The length determines the resonance frequency of the front section 124 , for the measuring tip is only sensitive, for example, for 1 THz. From the point of view of the first leader 120 towards the top 142 immediately before this resonance element is a discontinuity in the form of an interruption 123 intended. The length of this interruption 123 is crucial for the degree of coupling, ie the strength of the transmission of the formed in the resonant element shaft in the remaining first conductor 120 , A weak coupling with long interruption 123 leads to a high measurement quality, since the radial mode can oscillate longer in the remaining first electrical conductor. However, the mode is only slightly excited so that the photocurrent signal is weak and must be amplified accordingly. A shorter gap 123 Although results in a better coupling, but leads to a poor quality measurement. A good compromise is for breaks of about 10 microns.

5 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Messspitze 300 mit einer kombinierten Leiterstruktur für die Detektion und Emission elektromagnetischer Signale. Diese Messspitze 300 vereint die elektrischen Leiter gemäß der in 1 gezeigten Messspitze 100 und diejenigen der in 3 gezeigten Messspitze 200. Der erste elektrische Leiter 120 ist durch zwei photoleitende Bereiche 160, 260 durchgeführt bzw. symmetrisch an den Enden 151, 156 bzw. Endabschnitten 251, 256 des zweiten und dritten elektrischen Leiters 150, 155 sowie weiteren zwei Leitern 250, 255 vorbeigeführt. Der bezüglich der Spitze 142 vordere photoleitende Bereich 160 dient als Detektor, der hintere photoleitende Bereich als Emitter. 5 shows a third embodiment of a measuring tip 300 with a combined conductor structure for the detection and emission of electromagnetic signals. This measuring tip 300 combines the electrical conductors according to the in 1 shown measuring tip 100 and those of 3 shown measuring tip 200 , The first electrical conductor 120 is through two photoconductive areas 160 . 260 performed or symmetrical at the ends 151 . 156 or end sections 251 . 256 of the second and third electrical conductors 150 . 155 and another two ladders 250 . 255 past. The concerning the top 142 front photoconductive area 160 serves as a detector, the rear photoconductive area as an emitter.

6 zeigt einen Messspitzenhalter 110 in Draufsicht (6a) und in Seitenansicht (6b). Der Messspitzenhalter 110 besteht aus einem Quarzglas, auf dem elektrische Leiterbahnen 116, 117 und 118 aufgebracht sind. Die Leiterbahnen 116, 117 und 118 sind über eine elektrische Kontaktierung 112 mit den Kontaktflächen 180 der Messspitze 100, 200, 300 verbunden. Der Messspitzenhalter 110 weist eine dreieckige Grundform auf, wobei deren Spitze abgeschnitten ist. Der Messspitzenhalter 10 kann eine beliebige der genannten Messspitzen 100, 2000, 300 halten, wobei die Messspitze 100, 200, 300 an ihrem hinteren Ende 144 auf dem Messspitzenhalter 110 aufliegt und über die vordere Kante des Messspitzenhalters 110 hervor steht. Sie ist somit an ihrer Spitze 142 freistehend, so dass sie nah an ein Messobjekt herangeführt oder sogar mit diesem Kontakt gebracht werden kann. 6 shows a probe holder 110 in plan view ( 6a ) and in side view ( 6b ). The probe holder 110 consists of a quartz glass, on which electrical conductors 116 . 117 and 118 are applied. The tracks 116 . 117 and 118 are via an electrical contact 112 with the contact surfaces 180 the measuring tip 100 . 200 . 300 connected. The probe holder 110 has a triangular basic shape with its tip cut off. The probe holder 10 can be any of the mentioned measuring tips 100 . 2000 . 300 hold, with the measuring tip 100 . 200 . 300 at its rear end 144 on the probe holder 110 rests and over the front edge of the Meßspitzenhalters 110 stands out. She is thus at her peak 142 free-standing, so that it can be brought close to a measurement object or even brought into contact with it.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100: photoleitende Messspitze, erste Ausführungsvariantephotoconductive measuring tip, first embodiment variant
120120: erster elektrischer Leiter, Mittelleiterfirst electrical conductor, center conductor
122122: proximales Ende des ersten elektrischen Leitersproximal end of the first electrical conductor
123123: Unterbrechung im ersten elektrischen LeiterInterruption in the first electrical conductor
124124: vorderer Abschnitt des ersten elektrischen Leitersfront portion of the first electrical conductor
125125: distales Ende des ersten elektrischen Leitersdistal end of the first electrical conductor
130130: Strommessgerätammeter
135135: Knotennode
138138: Spannungsquellevoltage source
140140: Trägerelementsupport element
142142: Spitze der Messspitze/des TrägerelementsTip of the measuring tip / carrier element
150150: zweiter elektrischer Leitersecond electrical conductor
151151: distales Ende des zweiten elektrischen Leiters, Elektrodedistal end of the second electrical conductor, electrode
152152: geradlinier Abschnitt des zweiten elektrischen Leitersstraight line section of the second electrical conductor
153153: gebogener Abschnitt des zweiten elektrischen Leitersbent portion of the second electrical conductor
155155: dritter elektrischer Leiterthird electrical conductor
156156: distales Ende des dritten elektrischen Leiters, Elektrodedistal end of the third electrical conductor, electrode
157157: geradlinier Abschnitt des dritten elektrischen Leitersstraight line section of the third electrical conductor
158158: gebogener Abschnitt des dritten elektrischen Leitersbent portion of the third electrical conductor
160160: photoleitender Bereichphotoconductive area
161161: Abstand zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem Ende des zweiten elektrischen LeitersDistance between the first electrical conductor and the end of the second electrical conductor
162 162: Abstand zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem Ende des dritten elektrischen LeitersDistance between the first electrical conductor and the end of the third electrical conductor
163163: Substratsubstratum
180180: Kontaktflächencontact surfaces
200200: photoleitende Messspitze, zweite Ausführungsvariantephotoconductive measuring tip, second embodiment variant
250250: zweiter elektrischer Leitersecond electrical conductor
251251: distales Ende des zweiten elektrischen Leiters, Endabschnitt, Elektrodedistal end of the second electrical conductor, end portion, electrode
252252: geradliniger Abschnitt des zweiten elektrischen Leitersrectilinear section of the second electrical conductor
253253: weiterer gerader Abschnitt des zweiten elektrischen Leitersanother straight section of the second electrical conductor
255255: dritter elektrischer Leiterthird electrical conductor
256256: distales Ende des dritten elektrischen Leiters, Endabschnitt, Elektrodedistal end of the third electrical conductor, end portion, electrode
257257: geradliniger Abschnitt des dritten Leitersrectilinear section of the third conductor
258258: weiterer gerader Abschnitt des dritten elektrischen Leitersanother straight section of the third electrical conductor
260260: photoleitender Bereichphotoconductive area
261261: Abstand zweiter elektrischer Leiter zu erstem elektrischen LeiterDistance between the second electrical conductor and the first electrical conductor
262262: Abstand dritter elektrischer Leiter zu erstem elektrischen LeiterDistance of third electrical conductor to first electrical conductor
290290: Reflektorreflector
300300: photoleitende Messspitzephotoconductive measuring tip

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009000823 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"A fiber-mounted micromachined photoconductive probe with 15 nV / Hz 1/2 sensitivity", Applied Physics Letters 69, 1834-1845 (1996), RK Lai, J.-R. Hwang, J. Nees, TB Norris and J. Whitaker [0005]
"Tapered photoconductive terahertz field probe tip with subwavelength spatial resolution", Applied Physics Letters 95, 041112 ", published July 29, 2009 [0006]

Claims

Photoconductive measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) for the generation and / or detection of electromagnetic field signals (E _F , E _RM ), in particular for the detection of the normal vector (E _RM ) of an electromagnetic field, with a carrier element ( 140 ), in particular a semiconductor substrate, on which at least a first and a second electrical conductor ( 120 . 150 . 250 . 155 . 255 ) which can be displaced in an area which can be displaced into a photoconductive state by optical excitation ( 160 . 260 ) of the carrier element ( 140 ) spaced apart, characterized in that the first electrical conductor ( 120 ) for coupling or decoupling an electromagnetic field signal and at the distal end ( 151 . 156 . 251 . 256 ) of the second electrical conductor ( 150 . 250 . 155 . 255 ), which is used to transmit a photocurrent signal, is passed and to the tip ( 142 ) of the measuring tip ( 100 . 200 . 300 ), wherein between the distal end ( 151 . 156 . 251 . 256 ) of the second electrical conductor ( 150 . 250 . 155 . 255 ) and the first electrical conductor ( 120 ) a photoswitch is formed which covers at least part of the photoconductive region ( 160 . 260 ) and from the top ( 142 ) is set back.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to claim 1, characterized in that on the carrier element ( 140 ) a third electrical conductor ( 155 . 255 ), which serves to transmit a photocurrent signal, and at its distal end ( 156 . 256 ) the first electrical conductor ( 120 ) is passed, wherein between the distal end ( 156 . 256 ) of the third electrical conductor ( 155 . 255 ) and the first electrical conductor ( 120 ) a photoswitch is formed, which comprises at least a part of a photoconductive region ( 160 . 260 ) and from the top ( 140 ) is set back.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to claim 2, characterized in that the distal ends ( 151 . 156 . 251 . 256 ) of the second and third electrical conductors ( 150 . 155 . 250 . 255 ) in a common photoconductive region ( 160 . 260 ) and the first electrical conductor ( 120 ) between the two ends ( 151 . 156 . 251 . 256 ) of the second and third electrical conductors ( 150 . 155 . 250 . 255 ) is passed.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to claim 2 or 3, characterized in that between the first conductor ( 120 ) and the second conductor ( 150 . 250 ) and the first ladder ( 120 ) and the third conductor ( 155 . 255 ) Each has an adjustable electrical bias is constructed.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to one of claims 2 to 4, characterized in that the first electrical conductor ( 120 ) in the middle between the two ends ( 151 . 156 . 251 . 256 ) of the first and second electrical conductors ( 150 . 155 . 250 . 255 ) is passed.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that it is symmetrical and the first electrical conductor ( 120 ) rectilinearly along the axis of symmetry of the carrier element ( 140 ).

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrical conductor ( 120 ) in a front section ( 124 ) in the area of the tip ( 142 ) of the carrier element ( 140 ) to its distal end ( 125 ) increasingly rejuvenated.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrical conductor ( 120 ) at its distal end ( 125 ) is rounded.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the first electrical conductor ( 120 ) in front of its front section ( 124 ) a discontinuity, in particular an interruption ( 123 ), Constriction or widening, for forming a resonator element.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the photoconductive region ( 160 . 260 ) at a distance between one-fourth and one-half or one-half and three-quarters of the length of the first electrical conductor ( 120 ) in front of the top ( 142 ) is located.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second and / or the third electrical conductor ( 150 . 155 . 250 . 255 ) in at least one section ( 152 . 157 . 252 . 257 ) run straight.

Measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to claim 11, characterized in that the second and / or the third electrical conductor ( 150 . 155 . 250 . 255 ) in the rectilinear section ( 152 . 157 . 252 . 257 ) in the peripheral region of the carrier element ( 140 ) from a rear portion to a front portion of the support member (FIG. 140 ).

Measuring tip ( 100 . 300 ) according to claim 11 or 12, characterized in that the course of the first and / or second electrical conductor ( 150 . 155 ) to avoid angular structures in the transition from the photoconductive region ( 160 . 260 ) to the rectilinear section ( 152 . 157 ) through an arcuate section ( 153 . 158 ) is formed.

Measuring tip ( 100 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ends ( 151 . 156 ) of the second and / or the third electrical conductor ( 150 . 155 . 250 . 255 ) a substantially parallel to the third electrical conductor ( 120 ) have extending end face.

Measuring tip ( 100 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the distance ( 161 . 162 ) between the first electrical conductor ( 120 ) and the end ( 151 . 156 ) of the second and / or third electrical conductor ( 150 . 155 ) is between one and 10 microns, preferably between 2 and 6 microns, especially between 3 and 4 microns.

Measuring tip ( 200 . 300 ) according to claim 11 or 12, characterized in that the rectilinear section ( 252 . 257 ) of the second and / or third electrical conductor ( 250 . 255 ) at an acute angle into another straight section ( 253 . 258 ), with which the first and / or second electrical conductor ( 250 . 255 ) at an equally acute angle to the first electrical conductor ( 120 ).

Measuring tip ( 200 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrical conductor ( 250 ) and / or the third electrical conductor ( 255 ) at its distal end ( 251 . 256 ) at a distance ( 261 . 262 ) in front of the first electrical conductor ( 120 ) in each case in an end section ( 251 . 256 ), which is parallel to the first electrical conductor ( 120 ) runs / run.

Measuring tip ( 200 . 300 ) according to claim 17, characterized in that the length of an end section ( 251 . 256 ) is at least 20 microns, preferably at least 35 microns, in particular at least 50 microns.

Measuring tip ( 200 . 300 ) according to one of claims 1 to 12 or 16 to 18, characterized in that the distance ( 261 . 262 ) between the first electrical conductor ( 120 ) and the end ( 251 . 256 ) of the first and / or second electrical conductor ( 250 . 255 ) is between 5 and 20 micrometers, preferably between 9 and 15 micrometers, in particular between 11 and 12 micrometers.

Measuring tip ( 200 . 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that between the photoconductive region ( 260 ) and the tip ( 142 ) opposite, proximal end ( 122 ) of the first electrical conductor ( 120 ) a reflector ( 290 ) lying in the form of a conductor track on both sides perpendicular to the first electrical conductor ( 120 ) extends away.

Measuring tip ( 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the photoconductive region ( 160 ) is used to detect an electromagnetic field signal, and the measuring tip ( 300 ) a second photoconductive region ( 260 ) for generating an electromagnetic field signal into which two further electrical conductors ( 250 . 255 ) with their electrodes forming ends ( 251 . 256 ).

Measuring tip ( 300 ) according to claim 21, characterized in that the first electrical conductor ( 120 ) through both photoconductive regions ( 160 . 260 ) and at a distance ( 261 . 262 ) in front of the ends ( 251 . 256 ) of the two further electrical conductors ( 250 . 255 ) runs.

Measuring tip ( 300 ) according to one of the claims 16 to 20 back to claims 21 or 22, characterized in that the two further electrical conductors ( 250 . 255 ) like the second and third electrical conductors ( 250 . 255 ) are formed.

Measuring tip ( 300 ) according to any one of claims 21 to 23, characterized in that the first photoconductive region ( 160 ) at a distance between one quarter and one half the length of the first electrical conductor ( 120 ) and the second photoconductive region ( 260 ) at a distance of between half and three quarters of the length of the first electrical conductor ( 120 ) in front of the top ( 142 ) is located.

Metrological arrangement for the detection of electromagnetic field signals (E _F , E _RM ), in particular for the detection of the normal vector (E _RM ) of an electromagnetic field, with an emitter for emitting an electromagnetic field signal and a detector, characterized in that the emitter and / or the detector with a measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) is formed according to one of the preceding claims.

Method for detecting electromagnetic field signals (E _F , E _RM ), in particular for detecting the normal vector (E _RM ) of an electromagnetic field, using a measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) according to one of claims 2 to 24, characterized in that the measuring tip ( 100 . 200 . 300 ) with balanced biases between the first conductor ( 120 ) and the second conductor ( 150 . 250 ) as well as the first conductor ( 120 ) and the third conductor ( 155 . 255 ) is operated.

A method according to claim 26, characterized in that for balancing the bias voltages between the first conductor ( 120 ) and the second conductor ( 150 . 250 ) and the first ladder ( 120 ) and the third conductor ( 155 . 255 ) voltages to be set / are set such that the current (I _PC ) through the first Ladder ( 120 ) into a node ( 135 ), in which the second and third conductors ( 150 . 155 . 250 . 255 ) are electrically connected, is equal to zero.