DE102017202455B4 - MEMS- or NEMS-based sensor and method for operating such - Google Patents
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Abstract
MEMS- oder NEMS-basierter Sensor, welcher als Cantilever ausgebildet ist, wobei dieser streifenförmig aufgebaut ist und mindestens drei Abschnitte (1, 2, 3) aufweist, wobei• der erste Abschnitt (1) einseitig in einer Halterung oder Wandung befestigt ist und am gegenüberliegenden Ende bzw. in dessen Nähe mindestens einen elektrischen Schaltkreis, welcher ein piezoresistives Element aufweist, zur Erwärmung aller drei Abschnitte (1, 2, 3) und zur Messung trägt, der mit einer Spannungsversorgung und einer Auswerteeinheit elektrisch gekoppelt ist, und• der zweite Abschnitt (2) sich unmittelbar an den ersten Abschnitt (1) anschließt und geeignet ist, Wärme an den dritten Abschnitt (3) weiterzuleiten, und• der dritte Abschnitt (3) wenigstens bereichsweise derart multi-materiell, zumindest bi-materiell, ausgeführt ist, dass die Ober- und die Unterseite des dritten Abschnittes (3) unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass eine Erwärmung des dritten Abschnitts (3) dessen Krümmung zur Folge hat und eine Auslenkung des Cantilevers bewirkt, und• eine Datenverarbeitungseinrichtung die Erzeugung von Gleich- und Wechselspannung zum Betrieb des ersten Abschnitts (1) steuert und die Datenverarbeitungseinrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit zur Erfassung, Verarbeitung und Speicherung der vom Sensor erfassten Werte aufweist, wobei sowohl ein Aktuieren als auch ein Auslesen der Auslenkung des Cantilevers mit dem piezoresistiven Element erfolgt.MEMS- or NEMS-based sensor, which is designed as a cantilever, which is constructed in the form of a strip and has at least three sections (1, 2, 3), wherein • the first section (1) is attached on one side in a holder or wall and on opposite end or near at least one electrical circuit which has a piezoresistive element for heating all three sections (1, 2, 3) and for measurement, which is electrically coupled to a voltage supply and an evaluation unit, and • the second Section (2) directly adjoins the first section (1) and is suitable for transferring heat to the third section (3), and • the third section (3) is at least partially multi-material, at least bi-material that the top and bottom of the third section (3) have different thermal expansion coefficients, so that a heating of the third section (3) d eat curvature and causes a deflection of the cantilever, and • a data processing device controls the generation of DC and AC voltage to operate the first section (1) and the data processing device also has an evaluation unit for recording, processing and storing the values recorded by the sensor , both actuation and reading of the deflection of the cantilever with the piezoresistive element takes place.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS- oder NEMS-basierten Sensor und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen. Sie findet ihre Anwendung für die Atomkraftmikroskopie (AFM), die Massendetektion und alle denkbaren Einsatzgebiete von im dynamischen Modus arbeitenden MEMS oder NEMS.The present invention relates to a MEMS- or NEMS-based sensor and a method for operating such a sensor. It is used for atomic force microscopy (AFM), mass detection and all conceivable areas of application for MEMS or NEMS operating in dynamic mode.
Bekannte MEMS-Vorrichtungen sind in der Lage, auf den Sensor wirkenden Auflagekräfte zu erkennen (detektieren). Die wirkende Kraft kann durch die Messung der Auslenkung (Biegung) entweder mit einem integrierten piezo-resistiven Ausleseelement, kapazitiv, piezoelektrisch, mittels einer optischen Messung der Strahlbiegung oder ähnlichen Messmethoden ermittelt werden.Known MEMS devices are able to recognize (detect) contact forces acting on the sensor. The effective force can be determined by measuring the deflection (bending) either with an integrated piezo-resistive readout element, capacitive, piezoelectric, by means of an optical measurement of the beam bending or similar measurement methods.
Die vorgestellte Erfindung ist für Rastersonden, die mit hoher Auflösung und mit Hochgeschwindigkeit arbeiten, geeignet. Weiterhin bezieht sich die vorgestellte Erfindung auf einen freischwingenden Sensor, der mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Mit der vorliegenden Erfindung können die bei Verwendung eines externen Aktuators auftretenden Probleme gelöst werden, wobei kürzere Reaktionszeiten, ein Hochfrequenzbetrieb und eine verbesserte Auflösung erzielt werden können.The presented invention is suitable for scanning probes that operate with high resolution and at high speed. Furthermore, the presented invention relates to a freely oscillating sensor which has at least two materials with different thermal expansion coefficients. With the present invention, the problems arising when using an external actuator can be solved, with shorter response times, high-frequency operation and improved resolution can be achieved.
Ein Rasterkraft-Mikroskop dient zur Abbildung von Oberflächenstrukturen im nm-Bereich. Es umfasst eine flexible Si-Blattfeder (auch als Cantilever oder Federbalken bezeichnet), an deren Unterseite eine Messspitze mit einem Radius von ca. 10 nm angebracht ist, und ein Detektionssystem zur Erfassung der Cantileverauslenkung. Die Messspitze am freien Ende des Federbalkens fährt über eine zu vermessende Oberfläche, wobei die Verbiegung des Cantilevers von der Oberflächenstruktur der Probe und der Entfernung zwischen der Probe und der Spitze abhängig ist. Diese Verbiegung oder Auslenkung kann mit kapazitiven, piezoresistiven, piezoelektrischen oder optischen Sensoren gemessen und typischerweise als die zwischen der Spitze und der Oberflächenkräfte wirkende Kraft dargestellt werden. Aus dieser Kraft kann dann die Oberflächenstruktur rekonstruiert werden.An atomic force microscope is used to image surface structures in the nm range. It comprises a flexible Si leaf spring (also referred to as a cantilever or cantilever), on the underside of which a measuring tip with a radius of approx. 10 nm is attached, and a detection system for detecting the cantilever deflection. The measuring tip at the free end of the cantilever moves over a surface to be measured, whereby the bending of the cantilever depends on the surface structure of the sample and the distance between the sample and the tip. This bending or deflection can be measured with capacitive, piezoresistive, piezoelectric or optical sensors and typically represented as the force acting between the tip and the surface forces. The surface structure can then be reconstructed from this force.
Das Rasterkraft-Mikroskop kann in verschiedenen Bildgebungsmodi (Kontaktmodus, Nicht-Kontakt-Modus, Intermittierender Modus usw.) arbeiten. Deshalb ist es gut geeignet für verschiedenste Messaufgaben im Nanobereich. Die Scangeschwindigkeit liegt typischerweise zwischen 0,5 und 100 Zeilen pro Sekunde.The atomic force microscope can operate in various imaging modes (contact mode, non-contact mode, intermittent mode, etc.). It is therefore well suited for a wide variety of measurement tasks in the nano range. The scanning speed is typically between 0.5 and 100 lines per second.
Der Nicht-Kontakt-Modus gehört zu der Gruppe der dynamischen Modi, bei denen der Cantilever durch eine externe periodische Kraft in Schwingung versetzt wird, wobei die Schwingungsfrequenz nahe der Resonanzfrequenz des Cantilevers liegt. Die Amplitude der Schwingung wird als Regelgröße für die Regelung genutzt, welche die Messspitze die Oberfläche abrastem lässt. Bei Annäherung der Spitze an die Oberfläche wird durch die Wechselwirkung zwischen Spitze und Oberfläche sowohl die Schwingungsamplitude als auch die Phase des schwingenden Cantilevers verändert.The non-contact mode belongs to the group of dynamic modes in which the cantilever is vibrated by an external periodic force, the vibration frequency being close to the resonance frequency of the cantilever. The amplitude of the oscillation is used as a control variable for the regulation, which allows the measuring tip to scan the surface. When the tip approaches the surface, the interaction between tip and surface changes both the vibration amplitude and the phase of the vibrating cantilever.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von kapazitiven, elektromagnetischen, piezoelektrischen und thermischen Aktuatoren für MEMS-Vorrichtungen mit jeweils anwendungsspezifischen Vor- und Nachteilen bekannt.A large number of capacitive, electromagnetic, piezoelectric and thermal actuators for MEMS devices, each with application-specific advantages and disadvantages, are known from the prior art.
So wird z.B. bei den kapazitiven Aktuatoren ein elektrostatisches Feld zwischen dem Sensor und einer stationären Elektrode genutzt, um den Cantilever in Richtung Elektrode auszulenken. Dieser Aktuatortyp ist insbesondere für bestimmte biologische Messungen anwendbar.With capacitive actuators, for example, an electrostatic field is used between the sensor and a stationary electrode to deflect the cantilever in the direction of the electrode. This type of actuator can be used in particular for certain biological measurements.
Dagegen werden bei einem elektromagnetischen Aktuator Magnetfeldkräfte genutzt, um den Cantilever auszulenken. Diese Art von Anregung eignet sich besonders dann, wenn eine hohe Kraft und Auslenkung, bidirektionales Aktuieren, Nicht-Kontakt-(Fern)-Aktuieren usw. erforderlich sind.In contrast, with an electromagnetic actuator, magnetic field forces are used to deflect the cantilever. This type of excitation is particularly suitable when high force and deflection, bidirectional actuation, non-contact (remote) actuation, etc. are required.
Der gut bekannte piezoelektrische Effekt kann verwendet werden, um eine Spannung im Sensor durch Anlegen eines elektrischen Feldes über einen piezoelektrischen Film zu erzeugen. Die Vorteile der piezoelektrischen Anregung liegen in dem sehr geringen Stromverbrauch, der Möglichkeit einer Selbst-Aktuierung mit Hochfrequenz und einem Feedback für den Auslenkungsgrad.The well known piezoelectric effect can be used to create a voltage in the sensor by applying an electric field across a piezoelectric film. The advantages of piezoelectric excitation lie in the very low power consumption, the possibility of self-actuation with high frequency and a feedback for the degree of deflection.
Die thermomechanischen Aktuatoren bestehen aus zwei oder mehreren Materialschichten, die jeweils über unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten verfügen. Die Auslenkung des Cantilevers erfolgt hier proportional zur aufgebrachten thermischen Leistung.The thermomechanical actuators consist of two or more layers of material, each of which has different coefficients of thermal expansion. The deflection of the cantilever is proportional to the applied thermal power.
Im dynamischen Arbeitsmodus oszilliert der Cantilever (Biegebalken) ständig mit seiner eigenen Resonanzfrequenz. Die Änderungen der Amplitude und die Frequenzverschiebung können als Maß der Kraftwechselwirkung zwischen der Cantilever-Spitze und der Oberfläche sowie auch als Kontrollsignal während der Abbildung der Oberfläche verwendet werden. In the dynamic working mode, the cantilever (bending beam) oscillates continuously with its own resonance frequency. The changes in the amplitude and the frequency shift can be used as a measure of the force interaction between the cantilever tip and the surface and also as a control signal during the imaging of the surface.
Nach dem Stand der Technik verwendet man für hochempfindliche sensitive Messungen Hochfrequenz-Cantilever. Hierzu wird der Cantilever durch eine Beschichtung mit verschiedenen chemischen Substanzen auf unterschiedliche Wirkstoffe sensibilisiert. Ein vom Sensor absorbiertes Molekül beeinflusst die Resonanz-Frequenz des Cantilevers, die mit Hilfe geeigneter Messelektronik detektiert wird. Für solche Cantilevers kann die Frequenzverschiebung mit einem kalibrierten Massensensitivitätsfaktor verglichen werden, um infolgedessen einen wirklichen Massenwert zu erhalten. Dieses Prinzip des Vergleichs der Frequenzverschiebung auf der Spitze der Amplitude nach einer Massenänderung wird erfolgreich durchgeführt. Zu diesem Zweck ist es erforderlich die wirksame Masse des Cantilevers bis zu einigen Picogramm zu senken. Deshalb muss die Größe des Cantilevers im Mikrometerbereich verkleinert werden, wobei die Resonanzfrequenz bis zu 10 MHz erreichen kann. Für einen rechteckigen balkenförmigen Sensor wird die Beziehung zwischen den physikalischen Parametern einfach durch folgende Formel gegeben:
Die
Die beschriebene Konstruktion ist ausgesprochen aufwendig und erfordert die Anordnung von mindestens zwei Piezoelementen mit den zugehörigen Stromzuleitungen.The construction described is extremely complex and requires the arrangement of at least two piezo elements with the associated power supply lines.
In der WO 2003 / 036 767 A2 ist eine Sondenanordnung offenbart, deren einzelne Sonden unabhängig voneinander mittels des thermo-bimetall Effekts oder elektrostatischer Effekte bewegt werden können. Dabei ist in diesem Dokument insbesondere eine Anordnung beschrieben, welche mittels einer Heizvorrichtung erwärmt wird und, die in der Lage ist Material auf der Oberfläche eines Substrates abzulagern.WO 2003/036 767 A2 discloses a probe arrangement whose individual probes can be moved independently of one another by means of the thermo-bimetallic effect or electrostatic effects. This document describes in particular an arrangement which is heated by means of a heating device and which is able to deposit material on the surface of a substrate.
Die
Ein Mikro-Tastkopf und eine Vorrichtung zum Messen einer Probenoberfläche sind in der
In der
Es ist in der
Ferner offenbart die
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird das thermomechanische Aktuieren und Auslesen durch separate Einheiten auf dem Cantilever (Bimaterialstreifen) realisiert. Ein Bimaterialstreifen (bi bedeutet zwei oder oft mehr) besteht aus zwei Streifen aus verschiedenen Materialien. Ändert sich die Temperatur, so ändert sich die Länge der Schichten (Schichten auf dem Cantilever). Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der verschiedenen Metalle bei gleicher Temperaturänderung biegt sich der Cantilever. Es biegt sich der Cantilever in Richtung desjenigen Materials, das den kleineren Längenausdehnungskoeffizienten hat. Um das thermomechanische Aktuieren und Auslesen zu realisieren ist ein komplexes Layout zur Fertigung der dafür benötigten einzelnen Teile auf der MEMS-Einheit (Cantilever) erforderlich.In the solutions known from the prior art, the thermomechanical actuation and readout is implemented by separate units on the cantilever (bimaterial strips). A bi-material strip (bi means two or often more) consists of two strips made of different materials. If the temperature changes, the length of the layers (layers on the cantilever) changes. Due to the different expansion of the different metals with the same temperature change, the cantilever bends. The cantilever bends in the direction of the material that has the smaller coefficient of linear expansion. In order to implement the thermomechanical actuation and readout, a complex layout is required to manufacture the individual parts required for this on the MEMS unit (cantilever).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und einen MEMS- oder NEMS-basierten Sensor mit vereinfachten Aufbau und ein Verfahren zu dessen Betrieb bereitzustellen, bei dem die Anzahl der inneren elektrischen Kontakte und Verbindungen für die Aktuation und das Auslesen reduziert ist, ohne jedoch die Leistung des Sensors (Auflösung und Empfindlichkeit) zu beeinträchtigen.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a MEMS- or NEMS-based sensor with a simplified structure and a method for its operation, in which the number of internal electrical contacts and connections for the actuation and the readout is reduced without, however, affecting the performance of the sensor (resolution and sensitivity).
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved with the features of the first claim. Advantageous refinements of the solution according to the invention are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Cantilever gelöst, der streifenförmig aufgebaut ist und mindestens drei Abschnitte aufweist:
- - Ein erster Abschnitt ist einseitig fixiert und so in einer Halterung oder Wandung befestigt. Am anderen Ende bzw. in dessen Nähe trägt der erste Abschnitt mindestens einen geeigneten elektrischen Schaltkreis, vorzugsweise ein piezoelektrisches Element. Dieser elektrische Schaltkreis dient sowohl der Durchführung der Messung als auch der Erwärmung aller drei Abschnitte des Cantilevers, wobei der Hauptbeitrag der Krümmung des Cantilevers vom dritten Abschnitt geliefert wird,
- - Ein zweiter Abschnitt schließt sich unmittelbar an den ersten Abschnitt an und dient der Wärmeleitung an den dritten Abschnitt,
- - Der dritte Abschnitt ist wenigstens bereichsweise multi-materiell, zumindest bi-materiell (bspw. bi-metallisch), ausgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Ober- und die Unterseite des dritten Abschnittes unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass eine Erwärmung des dritten Abschnitts dessen Krümmung zur Folge hat. Ganz besonders bevorzugt, ist keines der Materialien, die im dritten Abschnitt eingesetzt werden, als Messaufnehmer zur Krümmungsbestimmung oder als Heizelement ausgestaltet. So werden vorteilhaft die Zuführung elektrischer Spannung und die Ausführung dazu notwendiger Leiterbahnen im dritten Abschnitt vermieden. Der dritte Abschnitt weist an seinem vom zweiten Abschnitt entfernten Teil oder in dessen Nähe optional eine Messspitze auf, die der zu untersuchenden Materialoberfläche zugewandt ist.
- - A first section is fixed on one side and thus fastened in a holder or wall. At the other end or in its vicinity, the first section carries at least one suitable electrical circuit, preferably a piezoelectric element. This electrical circuit is used to carry out the measurement as well as to heat all three sections of the cantilever, with the main contribution to the curvature of the cantilever being provided by the third section,
- - A second section immediately follows the first section and serves to conduct heat to the third section,
- The third section is at least partially multi-material, at least bi-material (e.g. bi-metallic). This means in particular that the top and bottom of the third section have different coefficients of thermal expansion, so that heating of the third section results in its curvature. Most preferably none of the materials that are used in the third section are designed as measuring sensors for determining curvature or as heating elements. In this way, the supply of electrical voltage and the implementation of the conductor tracks required for this in the third section are advantageously avoided. The third section optionally has, on its part remote from the second section or in its vicinity, a measuring tip which faces the material surface to be examined.
Das Cantilever ist in der Art der aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen ausgeführt. Es weist somit eine im Wesentlichen streifenförmige (blattfedernartige) Gestalt auf. Die Abmessungen der drei Abschnitte können sich voneinander unterscheiden. So liegt die Gesamtlänge des Cantilevers bevorzugt im Bereich zwischen 1 um und 10 mm. Der erste Abschnitt ist bevorzugt zwischen 1 nm und 4 mm lang. Die Länge des dritten Abschnitts beträgt vorzugsweise zwischen 1 nm und 6 mm.The cantilever is designed in the manner of the constructions known from the prior art. It thus has an essentially strip-shaped (leaf spring-like) shape. The dimensions of the three sections may differ from one another. The total length of the cantilever is preferably in the range between 1 μm and 10 mm. The first section is preferably between 1 nm and 4 mm long. The length of the third section is preferably between 1 nm and 6 mm.
Die Gesamtmaterialdicke beträgt bevorzugt zwischen 50nm und 20 µm. Sie ist in einer bevorzugten Ausführungsform über die gesamte Länge gleich.The total material thickness is preferably between 50 nm and 20 μm. In a preferred embodiment, it is the same over the entire length.
Die einfachste Ausführungsform besteht aus genau den drei genannten Abschnitten und einer konstanten Materialdicke. Weiterentwickelte Ausführungsformen weisen zusätzliche Abschnitte auf. Dies können bspw. zusätzliche Abschnitte sein, die die Funktionalitäten der zweiten und dritten Abschnitte aufweisen.The simplest embodiment consists of exactly the three sections mentioned and a constant material thickness. More developed embodiments have additional sections. These can be, for example, additional sections that have the functionalities of the second and third sections.
Der erste Abschnitt weist als elektrischen Schaltkreis vorzugsweise eine leitende oder halbleitende Schicht (piezoresistive Schicht) auf. Dabei ist das so ausgebildete piezo-resistive Element vorzugsweise in dem Cantilever integriert. Da der Cantilever bevorzugt aus Silizium oder anderen Materialien der Halbleitertechnologie besteht, erfolgt auch die Ausbildung des piezo-resistiven Elementes im ersten Abschnitt vorzugsweise mit bekannten Methoden der Halbleiterlithografie. Daher besteht das piezo-restive Element vorzugsweise aus einer oder mehreren Schichten dotierten Siliziums. Weiterhin ist es bevorzugt mit 0,5 - 1,5 µm dickem Silizium-Oxid beschichtet und mit Hilfe eines ca. 1,0 µm dicken AI-Films verdrahtet.The first section preferably has a conductive or semiconducting layer (piezoresistive layer) as the electrical circuit. The piezo-resistive element formed in this way is preferably integrated in the cantilever. Since the cantilever is preferably made of silicon or other materials of semiconductor technology, the formation of the piezo-resistive element in the first section is preferably carried out using known methods of semiconductor lithography. The piezo-residual element therefore preferably consists of one or more layers of doped silicon. Furthermore, it is preferably coated with 0.5-1.5 µm thick silicon oxide and wired with the aid of an approximately 1.0 µm thick Al film.
Der zweite Abschnitt dient der Wärmeleitung vom elektrischen Schaltkreis zum dritten Abschnitt. Er trennt somit den elektrischen Schaltkreis räumlich vom dritten Abschnitt. Bevorzugt besteht er aus demselben Material wie der erste Abschnitt (Grundmaterial) in dem Bereich, in dem kein elektrischer Schaltkreis ausgebildet ist (Grundmaterial bspw. undotiertes oder wenig dotiertes Silizium).The second section is used to conduct heat from the electrical circuit to the third section. It thus spatially separates the electrical circuit from the third section. It preferably consists of the same material as the first section (base material) in the area in which no electrical circuit is formed (base material, for example, undoped or lightly doped silicon).
Der zweite Abschnitt ist in bevorzugten Ausführungsformen sehr kurz und realisiert so einen Abstand zwischen erstem und drittem Abschnitt bevorzugt im Bereich zwischen 3 nm und 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 5 nm und 25 nm. Ein positiver Effekt des zweiten Abschnittes besteht in der Vergleichmäßigung des Wärmestroms über die Breite des Cantilevers. Dies reduziert die Gefahr einer ungleichmäßigen Auslenkung, insbesondere eines Verkippens, des dritten Abschnitts. In dieser Ausführungsform besteht der zweite Abschnitt aus dem Grundmaterial des Cantilevers.The second section is very short in preferred embodiments and thus realizes a distance between the first and third section, preferably in the range between 3 nm and 50 nm, particularly preferably between 5 nm and 25 nm. A positive effect of the second section is the equalization of the heat flow across the width of the cantilever. This reduces the risk of an uneven deflection, in particular tilting, of the third section. In this embodiment, the second section consists of the basic material of the cantilever.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Abschnitt zumindest bereichsweise als elektrisch isolierende Abdeckung ausgeführt, die den ersten Abschnitt teilweise oder vollständig überdeckt.In an alternative preferred embodiment, the second section is designed, at least in some areas, as an electrically insulating cover which partially or completely covers the first section.
Der dritte Abschnitt ist wenigstens bereichsweise multimateriell, bevorzugt bi-materiell, ausgeführt. Das Material des dritten Abschnittes ist bevorzugt mit dem des Grundmaterials des ersten und des zweiten Abschnittes identisch. Die Materialschicht mit einem vom Grundmaterial abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht bspw. aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium oder aus einem Oxid des Grundmaterials (bspw. SiO bei einem Silizium-Cantilever). Tabelle 1 zeigt eine Übersicht von Materialien (ab dritte Zeile), die in Kombination mit Silizium (zweite Zeile) geeignet sind, als Material mit abweichendem Wärmeausdehnungskoeffizienten eingesetzt zu werden.The third section is designed to be multi-material, preferably bi-material, at least in some areas. The material of the third section is preferably identical to that of the base material of the first and second sections. The material layer with a coefficient of thermal expansion that differs from the base material consists, for example, of a metal, preferably aluminum, or of an oxide of the base material (for example SiO in a silicon cantilever). Table 1 shows an overview of materials (from the third row) which, in combination with silicon (second row), are suitable for use as a material with a different coefficient of thermal expansion.
In der alternativen Ausführungsform, in der der zweite Abschnitt als isolierende Abdeckung ausgeführt ist, erstreckt sich die Materialschicht mit dem vom Grundmaterial abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten des dritten Abschnitts bis über diese Abdeckung, so dass sie zur Wärmeleitung vom ersten Abschnitt in den dritten Abschnitt beiträgt.
Tabelle 1: Längenausdehnungskoeffizienten
Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der mindestens zwei Materialien kommt es bei Wärmezustrom zu einer Krümmung des Cantilevers. Diese Krümmung führt zu einer Bewegung, die aus der Ebene, in der sich die flächige Ausdehnung des Cantilevers erstreckt, herausführt, so dass die Messspitze relativ zur Materialoberfläche abstandspositioniert werden oder in Schwingung, im Wesentlichen senkrecht zur Materialoberfläche, versetzt werden kann.Due to the different coefficients of expansion of the at least two materials, the cantilever bends when heat is influxed. This curvature leads to a movement that leads out of the plane in which the flat extension of the cantilever extends, so that the measuring tip can be positioned at a distance relative to the material surface or can be made to vibrate, essentially perpendicular to the material surface.
Die erfindungsgemäße Konstruktion wird durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung angesteuert, die weiterhin die anfallenden Daten erfasst und vorzugsweise auch verarbeitet. Insbesondere verwendet die Datenverarbeitungsvorrichtung einen geeigneten Steuer-Algorithmus, der die Nutzung der natürlichen Jouleschen Erwärmung des Cantilevers vorsieht, die aufgrund der anliegenden Spannung beim thermomechanischen Aktuieren durch den geeigneten elektrischen Schaltkreis (piezoelektrisches Element) verursacht wird. Gleichzeitig wird vorzugsweise eine neuartige elektrische Schaltung zum Auslesen der mechanischen Auslenkung des Cantilevers verwendet. Die Datenverarbeitungsvorrichtung beinhaltet eine Auswerteeinheit zur Erfassung, Verarbeitung und Speicherung der während des Messmodus vom Sensor erfassten Werte und steuert die Erzeugung der Gleich- und/oder Wechselspannung, die zum Betrieb des ersten Abschnitts dient.The construction according to the invention is controlled by a data processing device, which continues to record and preferably also process the data. In particular, the Data processing device a suitable control algorithm that provides for the use of the natural Joule heating of the cantilever, which is caused by the appropriate electrical circuit (piezoelectric element) due to the voltage applied during thermomechanical actuation. At the same time, a novel electrical circuit is preferably used to read out the mechanical deflection of the cantilever. The data processing device contains an evaluation unit for acquiring, processing and storing the values acquired by the sensor during the measuring mode and controls the generation of the direct and / or alternating voltage that is used to operate the first section.
Erfindungsgemäß umfasst der Betrieb des erfindungsgemäßen Cantilevers ein sequentielles (aufeinanderfolgendes) Aktuieren und Auslesen mit dem gleichen piezo-resistiven Element (Piezowiderstand), welches im ersten Abschnitt in den Cantilever integriert oder auf diesem angeordnet ist. Überraschend hat sich gezeigt, dass trotz der umfangreichen Wärmeleitungsprozesse, die zur Funktion des Sensors notwendig sind (der dritte Abschnitt arbeitet völlig passiv, ohne eigene Wärmequelle oder -senke) die Wärmeleitungsprozesse schnell genug verlaufen, um den Cantiolever mit einer Frequenz in Schwingungen zu versetzen, die die Durchführung von Messungen sowohl in statischen als auch in dynamischen Modi ermöglicht.According to the invention, the operation of the cantilever according to the invention comprises a sequential (successive) actuation and reading with the same piezo-resistive element (piezoresistor) which is integrated in the first section in the cantilever or is arranged on it. Surprisingly, it has been shown that, despite the extensive heat conduction processes that are necessary for the sensor to function (the third section works completely passively, without its own heat source or sink), the heat conduction processes run fast enough to set the cantiolever vibrating at a frequency, which allows measurements to be taken in both static and dynamic modes.
Da das piezo-resistive Element ein stromleitendes Medium ist, wird die erzeugte thermische Energie aufgrund seiner Jouleschen Erwärmung in ihm konzentriert. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der thermischen Energieerzeugung und der niedrigen thermischen Masse ist das gesamte Volumen des Piezowiderstands für die Energieerzeugung verantwortlich. Anschließend wird bis zum Erreichen eines thermischen Gleichgewichts die Wärmeenergie durch Diffusion in dem Rest des Cantilevers verbreitet.Since the piezo-resistive element is an electrically conductive medium, the generated thermal energy is concentrated in it due to its Joule heating. Due to the high speed of thermal energy generation and the low thermal mass, the entire volume of the piezoresistor is responsible for energy generation. The thermal energy is then spread through diffusion in the rest of the cantilever until a thermal equilibrium is reached.
Wenn sich das piezo-resistive Element und der Rest des Cantilevers im thermischen Gleichgewicht befinden, entspricht die maximale Temperatur des Cantilever der im Piezowiderstand erzeugten:
Auf der anderen Seite ist die maximale Verschiebung zT am freien Ende des Cantilevers mit einer bestimmten Länge I bei einer konstanten Umgebungstemperatur T:
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein bimetallischer Resonanzbalken als Cantilever mit oder ohne integrierter piezo-resistiver Wheatstone-Brücke im ersten Abschnitt mit einem speziellen Algorithmus angeregt, bei dem zwei Betriebsmodi zu unterscheiden sind:
- • Modus 1: Anregung: während dieses Betriebsmodus wird die Versorgungsdiagonale der Wheatstone-Brücke sowohl mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung versorgt. Anstelle der Wechselspannung kann alternativ auch eine gepulste Gleichspannung eingesetzt werden. Die Ausgangsspannung der Brücke wird nicht gemessen.
- • Modus 2: Messung: während dieses Betriebsmodus wird die Brücke nur mit Gleichspannung versorgt. Die Ausgangsspannung der Brücke wird gemessen und für die Ermittlung der Wechselwirkung zwischen der Spitze des Cantilevers und der Oberfläche der Probe verwendet.
- • Mode 1: Excitation: during this operating mode, the supply diagonal of the Wheatstone bridge is supplied with both direct voltage and alternating voltage. Instead of the alternating voltage, a pulsed direct voltage can alternatively be used. The output voltage of the bridge is not measured.
- • Mode 2: Measurement: during this operating mode, the bridge is only supplied with direct voltage. The output voltage of the bridge is measured and used to determine the interaction between the tip of the cantilever and the surface of the sample.
Während Modus 1 fließt ein Strom, der aus einer Gleich- und Wechselstrom-Komponente (AC und DC) besteht. Die Wheatstone-Brücke verursacht eine abwechselnde Joulesche Erwärmung bzw. Verlustleistung der im ersten Abschnitt des Cantilevers integrierten Piezowiderstände. Die induzierte mechanische Spannung in dem mehrschichtigen Material des ersten und dritten Abschnittes bewirkt die Bewegung des Cantilevers. Die Verlustleistung wird durch die folgende Formel berechnet:
Die maximale Schwingungsamplitude wird erreicht, wenn das mechanische System in Resonanz ist, d.h. der Anregungsgenerator wird an die Resonanzfrequenz des Cantilevers angepasst. Die Schwingungsamplitude hängt in großem Maße von der Wechselwirkung zwischen der Spitze des Cantilevers und der Wirkung auf die Spitze von den Außenkräften ab (von der gescannten Materialoberfläche bzw. von den deponierten Molekülen - im Zusammenhang mit der Anwendung). Die Kräfte bewirken eine Änderung in einigen Parametern des Cantilevers. Je näher beispielsweise die Spitze an der gescannten Oberfläche ist, umso stärker ist die Dämpfung der Schwingung, was zu einem drastischen Abklingen der Schwingungsamplitude führt. In einer weiteren beispielhaften Anwendung führt die Veränderung der Sensormasse (speziell am Ende des dritten Abschnittes) infolge von abgeschiedenem oder entnommenem Material zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Sensors.The maximum oscillation amplitude is reached when the mechanical system is in resonance, i.e. the excitation generator is adapted to the resonance frequency of the cantilever. The oscillation amplitude depends to a large extent on the interaction between the tip of the cantilever and the effect on the tip of the external forces (on the scanned material surface or on the deposited molecules - in connection with the application). The forces cause a change in some parameters of the cantilever. For example, the closer the tip is to the scanned surface, the stronger the damping of the oscillation, which leads to a drastic decay of the oscillation amplitude. In a further exemplary application, the change in the sensor mass (especially at the end of the third section) as a result of deposited or removed material leads to a change in the resonance frequency of the sensor.
Während Modus 2 wird das Ausgangssignal von der Wheatstone-Brücke verwendet, um die tatsächliche Amplitude und/oder Schwingungsfrequenz zu bestimmen. Dabei wird die Brücke lediglich mit einer Gleichspannung versorgt und die Wechselspannung abgeschaltet. Die Ausgangsspannung der Messdiagonale der Wheatstone-Brücke ist dann proportional zur Schwingungsamplitude des Cantilevers.During
Die Schaltfrequenz zwischen den beiden Betriebsmodi kann in einem relativ weiten Bereich variieren, bevorzugt im Bereich von 1/2 bis 50 Perioden der Wechselstromkomponente, die die Brücke versorgt. Eine weitere Verringerung der Schaltfrequenz zwischen den beiden Modi ist bis zu der bestimmten Grenze möglich, bei der die Dämpfung der Schwingungsamplitude eine Erhöhung der Messfehler bewirkt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1a und1b : schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung in beiden Betriebsmodi mit einem Cantilever, bei dem der zweite Abschnitt zwischen erstem Abschnitt und dritten Abschnitt entlang der Längserstreckung des Cantilevers angeordnet ist. -
1c und1d : schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung in den beiden Betriebsmodi mit einem Cantilever, bei dem der zweite Abschnitt (Abschnitt2 ) sich teilweise oberhalb des ersten Abschnitts erstreckt -
2 : Zeitdiagramm der anliegenden Steuerspannung -
3 : Blockdiagramm eines Anwendungsbeispiels der Erfindung für ein AFM -
4 : beispielhaftes elektrisches Schaltbild für thermisches Aktuieren und Auslesen der Verbiegung des Cantilevers
-
1a and1b : Schematic representation of the solution according to the invention in both operating modes with a cantilever, in which the second section is arranged between the first section and the third section along the longitudinal extension of the cantilever. -
1c and1d : Schematic representation of the solution according to the invention in the two operating modes with a cantilever, in which the second section (section2 ) extends partially above the first section -
2 : Time diagram of the applied control voltage -
3rd : Block diagram of an application example of the invention for an AFM -
4th : Exemplary electrical circuit diagram for thermal actuation and readout of the bending of the cantilever
In
Im Betriebsmodus „Messung“ der gleichen bimateriellen Struktur (
- • Im Betriebsmodus „Anregung“ ist die angelegte Spannung eine Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom-Komponenten (AC und DC);
- • Im Betriebsmodus „Messung“ hat die angelegte Spannung nur eine GleichstromKomponente.
- • In the "Excitation" operating mode, the applied voltage is a superposition of direct and alternating current components (AC and DC);
- • In the "Measurement" operating mode, the applied voltage has only one direct current component.
Die Schaltfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus liegt bevorzugt im Bereich zwischen weniger als einer und mehreren Perioden der Wechselstromkomponente. Besonders bevorzugt liegt die Schaltfrequenz (das ist die Frequenz, mit der zwischen den zwei Betriebsmodi umgeschaltet wird) zwischen 0,5 Perioden und 100 Perioden, ganz besonders bevorzugt, zwischen einer Periode und 10 Perioden. Als ausgesprochen günstig hat sich eine Schaltfrequenz zwischen einer Periode und fünf Perioden erwiesen. Bevorzugt sind die Zeitdauern, die der elektrische Schaltkreis in jedem der beiden Betriebsmodi verharrt, identisch. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der elektrische Schaltkreis in einer der beiden Betriebsmodi länger als im anderen verharren. Insbesondere ist es bevorzugt, die Dauern in denen der elektrische Schaltkreis in einem Betriebsmodus ist, von der angestrebten Krümmung des Cantilevers oder dem Erreichen einer stabilen Resonanzfrequenz oder anderen, an die Messaufgabe angepassten Bedingungen, abhängig zu machen.The switching frequency between the first and the second operating mode is preferably in the range between less than one and several periods of the alternating current component. The switching frequency (that is, the frequency with which the two operating modes are switched over) is particularly preferably between 0.5 periods and 100 periods, very particularly preferably between one period and 10 periods. A switching frequency between one period and five periods has proven to be extremely favorable. The periods of time that the electrical circuit remains in each of the two operating modes are preferably identical. In a further preferred embodiment, the electrical circuit can remain in one of the two operating modes for longer than in the other. In particular, it is preferred to make the periods in which the electrical circuit is in an operating mode dependent on the desired curvature of the cantilever or the achievement of a stable resonance frequency or other conditions adapted to the measurement task.
In
Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt somit auch in der signifikanten Reduzierung der Anzahl der inneren Verbindungen bei der Verwendung in Multisensoranordnungen (Multisensor-Arrays).The main advantage of the present invention is therefore also the significant reduction in the number of internal connections when used in multi-sensor arrangements (multi-sensor arrays).
Die
Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann die Anzahl der benötigten Verbindungen auf zwei reduziert werden Die gleiche Schaltung ermöglicht durch den verwendeten Modenschalter die Verwendung von Cantilevern mit getrennter Aktuierung und Read-out.The arrangement according to the invention allows the number of connections required to be reduced to two. The same circuit, thanks to the mode switch used, enables the use of cantilevers with separate actuation and read-out.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- erster Abschnitt des Cantileversfirst section of the cantilever
- 22
- zweiter Abschnitt des Cantileverssecond section of the cantilever
- 33
- dritter Abschnitt des Cantileversthird section of the cantilever
- 44th
- CantileverCantilever
- 55
- CantileverchipCantilever chip
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102017202455.0A DE102017202455B4 (en) | 2017-02-15 | 2017-02-15 | MEMS- or NEMS-based sensor and method for operating such |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102017202455.0A DE102017202455B4 (en) | 2017-02-15 | 2017-02-15 | MEMS- or NEMS-based sensor and method for operating such |
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