DE102021127374A1

DE102021127374A1 - Sensor und Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors

Info

Publication number: DE102021127374A1
Application number: DE102021127374.9A
Authority: DE
Inventors: Jan Berend Meijer; Mario Bähr; Michael Hintz; Stefan Völlmeke; Mathias Holz
Original assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH; Univ Leipzig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Leipzig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Nano Analytik GmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH; Univ Leipzig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Leipzig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Nano Analytik GmbH
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Methode bereitgestellt wird, durch die eine Bestimmung physikalischer Messgrößen auch in sehr kleinen topologischen Bereichen ermöglicht wird. Dabei erfordert die Messung einen relativ geringeren konstruktiven Aufwand und einfach und kostengünstig möglich. Vor allem kann mit der vorliegenden Erfindung eine Miniaturisierung der Messvorrichtung (10) ermöglicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors nach dem Oberbegriff von Anspruch 27 und ein Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße nach dem Oberbegriff von Anspruch 29.
Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren geläufig, um physikalische Messgrößen zu bestimmen. „Physikalische Messgrößen“ bzw. „Physikalische Größen“ können dabei jegliche messbaren physikalischen Größen sein, wie z.B. Länge, Masse, Zeit, elektrische Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke.
Von großer Bedeutung sind dabei Methoden, mit denen solche physikalischen Messgrößen in einem sehr kleinen topologischen Bereich bestimmt werden können. Hierzu ist beispielsweise bekannt, die Oberflächentopologie von Proben durch Rastkraftmikroskopie (AFM) zu bestimmen. Dabei wird eine an einer Blattfeder (auch als „Cantilever“ bezeichnet) befestigte nanoskopisch kleine Nadel (auch als „Spitze“ bezeichnet) zeilenweise in einem definierten Raster über die Oberfläche einer Probe geführt. Solche Cantilever weisen üblicherweise Abmessungen im Bereich Breite × Höhe = (50-500)×(200-5000) µm² auf. Die Spitzen sind üblicherweise konisch mit Längen im Bereich mehrerer 100 Nanometer und Spitzenradien von teils wenigen Nanometern. Der Sensor besteht dabei aus dem an der Basis befestigten Cantilever.
Durch die Oberflächenstruktur der Probe biegt sich dabei der Cantilever gegenüber einer Basis, an der er befestigt ist, positionsabhängig unterschiedlich weit. Diese Verbiegung bzw. die Auslenkung der Spitze kann mit kapazitiven oder optischen Sensoren gemessen werden und ist ein Maß für zwischen der Spitze und der Oberfläche wirkende atomare Kräfte.
Es ist auch schon bekannt, einen Cantilever mit einer Diamantspitze zu versehen und darin sogenannte NV-Zentren (eine bestimmte Art eines sogenannten „Farbzentrums“) einzubringen, um beispielsweise magnetische Eigenschaften von Proben auf einer Nanoskale zu bestimmen, so wie das beispielsweise in Maletinsky, P. et al., „A robust, scanning quantum system for nanoscale sensing and imaging“, Nature Nanotechnology 7, Nr. 5 (Mai 2012): 320-24, https://doi.org/10.1038/nnano.2012.50 und https://qnami.ch/portfolio/quantilever-mx [aufgerufen am 26.3.21] beschrieben ist .
Diesem Vorgehen liegt das folgende Prinzip zu Grunde: Farbzentren sind Gitterfehler in Kristallen, die elektromagnetische Strahlung (beispielsweise im UV-, sichtbaren und/oder IR-Bereich) absorbieren. Dadurch entstehen Banden mit einer bestimmten Wellenlänge. Sehr gut untersucht ist das sogenannte Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV - nitrogen vacancy, „NV-Zentrum“) im Diamant, einer von über 100 bekannten Defekten im Diamant, das dadurch entsteht, dass ein Kohlenstoffatom im Diamantgitter durch ein Stickstoffatom substituiert wird und dessen Nachbaratom fehlt. Bekannt ist der Diamant vom Typ Ib, bei dem diese NV-Zentren über die gesamte Diamantstruktur gleichmäßig verteilt vorliegen. Da die Fotolumineszenz dieses NV-Zentrums stark von dem magnetischen Fluss eines magnetischen Feldes abhängig ist, das auf das NV-Zentrum einwirkt, kann aus der Fotolumineszenz auf den magnetischen Fluss rückgeschlossen werden.
Ein AFM mit einem solchen Cantilever mit NV-Zentren in der Diamantspitze handelt es sich also um ein AFM mit erweiterten Funktionsumfang. Dabei wird die von den NV-Zentren ausgehende Fotolumineszenz mit Hilfe eines Mikroskops beobachtet und hinsichtlich ihrer Intensität ausgewertet. Dazu ist eine exakte Nachführung von Mikroskop und Sensor erforderlich, was diese Methode sehr aufwändig und teuer macht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Methode vorzuschlagen, mit der eine Bestimmung physikalischer Messgrößen auch in sehr kleinen topologischen Bereichen von wenigen Quadratmikrometern ermöglicht wird, wobei die Messung einen geringeren konstruktiven Aufwand erfordert und insbesondere einfacher und kostengünstiger möglich ist. Besonders bevorzugt soll eine Miniaturisierung ermöglicht werden, wodurch beispielsweise eine aufwändige optische Mikroskopierstation für die Auslese des Fluoreszenzsignals nicht mehr notwendig wäre.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Sensor nach Anspruch 1, dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren nach Anspruch 26 und dem erfindungsgemäßen Messverfahren nach Anspruch 28. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den Figuren angegeben.
Erfinderseits wurde erkannt, dass diese Aufgabe in überraschender Art und Weise dadurch besonders einfach gelöst werden kann, wenn in den Sensor, der eine Basis und den daran angeordneten Cantilever umfasst, direkt schon die Mittel zur Messung Lichtintensität integriert sind. Dadurch ist keine vom Sensor getrennte mikroskopische Lichtabnahme mehr erforderlich und die Methode kann apparativ miniaturisiert und wesentlich kostengünstiger verwirklicht werden. Bei den bekannten Methoden wird dagegen die Lichtintensität vom Sensor getrennt abgenommen und bestimmt, wozu ein vom Sensor getrenntes Mikroskop erforderlich ist. Durch die Messung der Lichtintensität können zahlreiche Untersuchungen vorgenommen werden, die in direktem Zusammenhang mit einer Lichtintensität stehen, aber auch Untersuchungen, bei denen eine Lichtintensität von anderen physikalischen Größen abhängt und damit diese Größen bestimmt werden können.
Bei dem Licht kann es sich nicht nur um sichtbares (vis - ca. 380 nm ≤ λ ≤ ca. 780 nm, λ: Wellenlänge) Licht, sondern auch um für das menschliche Auge unsichtbares, insbesondere infrarotes (IR - ca. 780 nm ≤ λ ≤ ca. 1 mm) oder ultraviolettes (UV - ca. 100 nm ≤ λ ≤ ca. 380 nm) Licht handeln. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter „Licht“ somit jegliche elektromagnetische Strahlung verstanden, insbesondere aber eine solche im Bereich 100 nm ≤ λ ≤ 1.000 µm.
Der erfindungsgemäße Sensor zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße, wobei der Sensor einen an einer Basis angeordneten Cantilever aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiterhin Mittel zur Messung einer Lichtintensität eines Lichts mit einem Erfassungssignal aufweist, das die Stärke der erfassten Lichtintensität des Lichts wiedergibt.
„Physikalische Messgröße“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jegliche physikalische Größe sein, die sich über die Messung einer Lichtintensität bestimmen lässt. Es muss daher zumindest ein physikalischer Zusammenhang zwischen dem Wert dieser Messgröße und einer sich verändernden Intensität des gemessenen Lichts bestehen. Beispielsweise könnte eine Bestimmung von Magnetfeldern mit Hilfe der Vermessung der Lumineszenzintensität von angeregten Farbzentren erfolgen. Es könnte aber auch die Stärke von beispielsweise evaneszenten Feldern durch Vermessung des aus einem Medium austretenden evaneszenten Feldes bestimmt werden. So sind noch zahlreiche weitere Anwendungsfelder der vorliegenden Erfindung denkbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Messung der Lichtintensität einen Fotodetektor umfassen. Dadurch ist der Sensor besonders einfach umsetzbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sensor Mittel zur Einkopplung der physikalischen Messgröße in den Sensor aufweist. Eine solche Einkopplung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass durch ein oder mehrere an dem Cantilever und/oder einer Spitze des Cantilevers angeordnete Schichten eine Brechnungsindexanpassung zwischen der Umgebung des Sensors und dem Cantilever bzw. der Spitze erfolgt, die speziell auf die zu erwartende Wellenlänge des zu vermessenden Lichts abgestimmt ist. Dadurch können beispielsweise direkt spektroskopische Untersuchungen auf einer Nanoskale durchgeführt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever aus einem zumindest in einem bestimmten Wellenlängenbereich optisch transparenten Material besteht, bevorzugt ein Material aus der Gruppe umfassend: Diamant, Silizium, Siliziumcarbid aufweist. Diamant beispielsweise lässt sich einfach herstellen, ist im Wesentlichen chemisch inert und auch hohen Temperaturen gegenüber unanfällig und weist einen sehr breiten Transmissionsbereich im Bereich UV-VIS-IR auf. Silizium und dessen Verbindungen wiederum hätten den Vorteil, dass sich deren Herstellung in bestehende Halbleiterproduktionslinien einfach integrieren ließe.
„Optisch transparent“ meint im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Transmissionsgrad von zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 70%, bevorzugt zumindest 80%, insbesondere zumindest 90% für eine bestimmte Wellenlänge.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Basis ein Material aus der Gruppe umfassend: Silizium und Silziumkarbid aufweist. Dadurch ist die Basis leicht und kostengünstig herstellbar und weitere Elemente des Sensors ließen sich im Rahmen einer Halbleiterprozessierung leicht darauf erzeugen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Messung an der Basis angeordnet sind. Dann können die Basis und die Mittel zur Messung integral erzeugt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Mittel zur Messung und der Cantilever nicht zusammen prozessiert werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever so ausgebildet ist, dass er eine Lichtleitung für das Licht bereitstellt, wobei der Cantilever bevorzugt als Lichtleiter ausgebildet ist, wobei der Cantilever insbesondere so ausgebildet ist, dass in ihm das Licht zumindest bereichsweise total reflektiert wird. Mit dieser Ausbildung lässt sich das im Cantilever bzw. in dessen Spitze erzeugte Licht bzw. das in den Cantilever bzw. in dessen Spitze eingekoppelte Licht sehr einfach in die Basis überführen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Messung an dem Cantilever, bevorzugt zwischen Cantilever und Material angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung wird keine Weiterleitung des Lichts benötigt, weshalb der Cantilever nicht für das Licht transparent gestaltet sein muss.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever eine Durchleitung für die physikalische Anregung aufweist, die bevorzugt als Loch ausgebildet, wobei das Loch insbesondere durch die Mittel zur Messung verläuft und vorzugsweise eine Abschirmung der Mittel zur Messung gegenüber der physikalische Anregung besteht. Dann ist der Sensor sehr platzsparend aufgebaut, weil die physikalische Anregung von hinten erfolgen kann, so dass der Sensor sehr nah an eine Probe herangeführt werden kann. Außerdem könnten die Mittel zur Messung nicht unmittelbar bis an das Loch herangeführt sein, sondern davon beabstandet, wodurch Crosstalk vermieden wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever elektrische Leitungen zur elektrischen Kontaktierung der Mittel zur Messung aufweist. Dann ist ein Auslesen der Mittel zur Messung einfach möglich, ohne die Elastizitäts- und Schwingungseigenschaften des Cantilevers negativ zu beeinflussen oder die Verwendung des Sensors zu erschweren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass an dem Cantilever eine Spitze angeordnet ist, wobei die Spitze bevorzugt eine AFM-Spitze ist. Dadurch können die Messungen physikalischer Messgrößen auf einer Nanoskale besonders einfach vorgenommen und ggf. auch zusätzlich topologische Untersuchungen vorgenommen werden. Auch eine Korrelation der auf einer Nanoskale bestimmten physikalischen Messgrößen mit einer Position auf einer Probe ist besonders einfach möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Spitze ein Material aus der Gruppe umfassend: Diamant, Si, SiC, SiO₂ und SiN aufweist. Solche Spitzen lassen sich besonders einfach erzeugen und mit einem Cantilever verbinden. Diese oder andere Materialien können je nach Anwendungsgebiet gewählt werden, wobei es sich bevorzugt um ein im relevanten Wellenlängenbereich transparentes Material handeln sollte.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sensor einen Aktuator aufweist zur Ansteuerung des Cantilevers, wobei der Aktuator bevorzugt auf dem Cantilever angeordnet ist und insbesondere elektrisch betätigbar ausgebildet ist. Mit einem solchen Aktuator kann der Cantilever auch in Schwingung gegenüber der Probe versetzt werden, um aus der Veränderung dieser Schwingung auf physikalische Messgrößen Rückschlüsse ziehen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Aktuator zum Ansteuern der Positionierung einer Probe gegenüber dem Sensor verwendet werden. Bei dem Aktuator kann es sich beispielsweise um einen piezoresistiv ausgebildeten Aktuator handeln. Andererseits ist es natürlich auch möglich, die Probe zu bewegen, um sie gegenüber dem Sensor zu positionieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sensor einen weiteren Aktuator aufweist, der ebenfalls als piezoresistiv ausgebildet sein kann. Dann wäre auch die Auslese der Schwingungsamplitude und -frequenz des Cantilevers möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte ein aktives Material besteht, das bei einer physikalischen Anregung eine Lumineszenz erzeugt, wobei die Lumineszenz von der magnetischen Flussdichte abhängig ist, wobei das aktive Material bevorzugt an dem Cantilever besteht. Dann kann einfach die magnetische Flussdichte auf einer Nanoskale bestimmt werden. In einem solchen Fall sind die Mittel zur Messung der Lichtintensität als Mittel zur Messung der Lumineszenz mit einem Erfassungssignal ausgebildet, das die Stärke des erfassten Lumineszenzsignals wiedergibt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das aktive Material eine Kristallstruktur aufweist mit zumindest einer Fehlstelle, wobei das aktive Material bevorzugt Diamant, Siliziumkarbid oder Silizium ist und/oder die Fehlstelle ein Farbzentrum (optisch aktiver Kristalldefekt), insbesondere ein Stickstofffehlstellenzentrum oder ein Stickstofffehlstellenzentrum in Verbindung mit einem Europiumfehlstellenzentrum, einem Vanadiumfehlstellenzentrum, einem Magnesiumfehlstellenzentrum oder einem Manganfehlstellenzentrum ist. Dann lässt sich die magnetische Flussdichte sehr einfach und mit hoher Präzision bestimmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Messung der Lichtintensität einen Filter, bevorzugt in Form eines Bragg-Spiegels umfassen, der die physikalische Anregung dämpft. Dadurch wird die Präzision der Bestimmung der magnetischen Flussdichte verbessert. Andererseits könnten durch einen entsprechend angepassten Filter auch andere physikalische Anregungen gedämpft werden, die beispielsweise zur Bestimmung optischer Eigenschaften von Proben verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass neben den Mitteln zur Messung der Lichtintensität auch Mittel zur Messung der Intensität der physikalischen Anregung bestehen. Dabei kann es sich um die physikalische Anregung zur Messung der magnetischen Flussdichte handeln, allerdings kann die physikalische auch für andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise um optische Eigenschaften von Proben zu bestimmen. Durch das unmittelbare Monitoring der physikalischen Anregung können deren zeitliche Schwankungen aus dem Messsignal herausgerechnet und damit die Messgenauigkeit erhöht werden. Außerdem können dann die Mittel zur Messung der Intensität der physikalischen Anregung zugleich einen Filter für die physikalische Anregung bilden, wodurch dann kein weiterer Filter für die physikalische Anregung vorgesehen werden muss.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sensor Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung aufweist, wobei die Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung vorzugsweise eine elektrische oder elektromagnetische Anregung, bevorzugt eine Anregung im optischen Bereich und/oder im Mikrowellenbereich, insbesondere eine LASER-Anregung oder eine LED-Anregung, oder eine Anregung durch ionisierende Strahlung, bereitstellen. Dadurch kann die Methode apparativ noch kompakter gehalten werden und ist der Sensor im Wesentlichen autark von anderen Vorrichtungen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung Teil der Basis sind. Dadurch lässt sich die Integration der Mittel zur Erzeugung in den Sensor besonders einfach umsetzen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung zwischen Basis und Cantilever angeordnet sind, sich bevorzugt in einer Vertiefung der Basis befinden. Dadurch ist die Integration besonders kompakt möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever so ausgebildet ist, dass er eine Leitung, bevorzugt eine Lichtleitung für die physikalische Anregung bereitstellt, wobei der Cantilever bevorzugt als Lichtleiter ausgebildet ist, wobei der Cantilever insbesondere so ausgebildet ist, dass in ihm das Licht zumindest bereichsweise total reflektiert wird. Dadurch lässt sich die Weiterleitung der physikalischen Anregung in Form von Licht besonders einfach in das der Basis abgewandte Ende des Cantilevers bzw. die Spitze des Cantilevers umsetzen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever so ausgebildet ist, dass voneinander getrennte Bereiche für die Lichtleitung für die physikalische Anregung und die Lichtleitung für die Lumineszenz bestehen. Dann kann eine Wechselwirkung der physikalischen Anregung und des zu messenden Lichts verhindert und so die Genauigkeit erhöht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung Teil des Cantilevers sind. Auch dadurch lässt sich die Integration der Mittel zur Erzeugung in den Sensor besonders einfach umsetzen, wobei zusätzlich keine Weiterleitung durch den Cantilever erforderlich ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung zwischen Cantilever und dem aktiven Material angeordnet sind.
Dadurch sind ein sehr kurzer Übertragungsweg und damit eine hohe Effizienz möglich. Es sind aber auch andere Anordnungen möglich, wobei nur sichergestellt werden muss, dass die physikalische Anregung das aktive Material erreicht und die Lumineszenz des aktiven Materials wiederum die Mitteln zur Messung der Lichtintensität erreicht, wobei ggf. noch ein Filter für die physikalische Anregung im Lichtweg der Lumineszenz vor den Mitteln zur Messung der Lichtintensität angeordnet ist oder die Mittel zur Messung der Lichtintensität getrennte Messbereich für die physikalische Anregung und die Lumineszenz aufweisen, so dass der Messbereich für die physikalische Anregung zugleich einen Filter für die physikalische Anregung darstellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever zumindest eine Fase aufweist, die sich bevorzugt vollständig zwischen zwei Hauptflächen des Cantilevers erstreckt und insbesondere einen Winkel von 45° aufweist. Dadurch lässt sich Licht, insbesondere aus der Spitze besonders gut in den Cantilever einkoppeln.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die eine Fase an dem der Basis gegenüberliegenden Ende des Cantilevers angeordnet ist, wobei das aktive Material ebenfalls an diesem Ende des Cantilevers angeordnet ist. Dadurch ist der Sensor besonders effizient.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das aktive Material Teil der an dem Cantilever angeordneten Spitze ist. Dadurch ist der Sensor besonders kompakt und kann zugleich zur Vermessung sehr kleiner Strukturen verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Spitze so ausgebildet ist, dass die Lumineszenz durch Totalreflexion in den Cantilever geleitet wird. Dadurch ist der Sensor besonders effizient.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das aktive Material mehrere Farbzentren aufweist, die zufällig ausgerichtet sind oder die eine festgelegte Ausrichtung zueinander aufweisen. Wenn eine zufällige Ausrichtung besteht, wird die skalare Vermessung von Magnetfeldern verbessert, weil die Signalstärke erhöht wird. Wenn dagegen zumindest zwei unterschiedlich ausgerichtete Farbzentren bestehen, kann eine vektorielle Vermessung von Magnetfeldern erfolgen. Wenn dabei mehrere Farbzentren identisch ausgerichtet sind, wird wiederum die Signalstärke erhöht. Es können zur vektoriellen Vermessung von Magnetfeldern auch nur Farbzentren bestehen, die einheitlich ausgerichtet sind (Farbzentren-Ensemble), wobei dann ggf. zur eineindeutigen Bestimmung ein zweiter Sensor mit ein oder mehrere Farbzentren verwendet wird, dessen Farbzentren wiederum einheitlich aber zu dem ersten Sensor unterschiedlich ausgerichtet sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass Mittel zur Einstrahlung einer Mikrowelle in das aktive Material bestehen, wobei die Mittel zur Einstrahlung einer Mikrowelle vorzugsweise eine Mikrowellenleitung umfassen, die bevorzugt in den Cantilever integriert ist und insbesondere als metallische Leitung ausgebildet ist. Dadurch können ausgerichtete Farbzentren gezielt ausgewählt werden. Außerdem ist der Sensor auch in diesem Zusammenhang autark und dennoch kompakt aufgebaut.
Unabhängiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest zwei Elemente des Sensors getrennt erzeugt und anschließend miteinander verbunden werden. Dadurch lässt sich der Sensor besonders einfach herstellen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Cantilever und die Basis getrennt erzeugt und dann der Cantilever an der Basis befestigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Cantilever und Spitze getrennt erzeugt und dann die Spitze an dem Cantilever befestigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die beiden Elemente miteinander verklebt werden, wobei bevorzugt der Brechungsindex am Übergang der beiden Elemente angepasst wird. In jedem dieser Fälle ist der Sensor besonders effizient und dennoch einfach herstellbar.
Weiterhin wird unabhängiger Schutz beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße, mit einem Sensor, der einen an einer Basis angeordneten Cantilever aufweist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sensor weiterhin Mittel zur Messung einer Lichtintensität eines Lichts mit einem Erfassungssignal aufweist, das die Stärke der erfassten Lichtintensität des Lichts wiedergibt, wobei das Erfassungssignal ausgewertet wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erfindungsgemäße Sensor verwendet wird. Dadurch ist das Verfahren besonders einfach umsetzbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die aktuelle Position des Cantilevers mit dem Messsignal des Sensors korreliert wird. Dadurch kann ein Probenmapping erfolgen, wobei das Mapping je nach Wunsch in beliebigen Dimensionen vorgenommen werden kann, somit auch eindimensional entlang einer Linie, zweidimensional über eine Fläche und dreidimensional über eine höhenprofilierte Fläche.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein bestimmter Bias für die magnetische Flussdichte verwendet wird. Dadurch kann gezielt auf einem möglichst großen Lumineszenzintensitätsgradienten gemessen werden, wodurch die Empfindlichkeit bedeutend steigt.
Die Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigen rein schematisch:

1 die Abhängigkeit der normierten Intensität der Fotolumineszenz eines NV-Zentrums in Diamant von dem Betrag der magnetischen Flussdichte,
2 die Abhängigkeit der normierten Intensität der Fotolumineszenz von mehreren nicht ausgerichteten NV-Zentren in Diamant von dem Betrag der magnetischen Flussdichte,
3 den erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht,
4 den erfindungsgemäßen Sensor nach 3 in einer Schnittansicht,
5 den erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung in einer in einer Schnittansicht,
6 den erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht,
7 den erfindungsgemäßen Sensor nach 6 in einer Schnittansicht,
8 den erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht,
9 den erfindungsgemäßen Sensor nach 8 in einer Schnittansicht,
10 den erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer fünften bevorzugten Ausgestaltung in einer Schnittansicht,
11 den erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer sechsten bevorzugten Ausgestaltung in einer Schnittansicht,
12 den erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer siebten bevorzugten Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht und
13 den erfindungsgemäßen Sensor nach 11 in einer Schnittansicht.

1 zeigt die normierte Fotolumineszenz eines NV-Zentrums in Diamant in Abhängigkeit von dem Betrag der magnetischen Flussdichte ohne äußeres Mikrowellenfeld, wobei das Feld in der NV-Achse ausgerichtet ist (vgl. Wickenbrock, Arne et al., „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond“, APPLIED PHYSICS LETTERS 109 (2016): 053505). Bei einer Flussdichte von | B | =102,4 mT nimmt die Fotolumineszenz ein Minimum an. Diese Flussdichte wird auch „GSLAC-Flussdichte“ (GSLAC - Ground State Level Anti Crossing) genannt. Die Theorie sagt voraus, dass die Fotolumineszenz hier ein deutliches Minimum haben sollte. Das Minimum ist extrem scharf und weist einen Kontrast von mehr als 4,5% auf, was die Sensitivität maximiert. Außerdem hängt dieser Punkt nicht von Umweltparametern ab, was ein wesentlicher Vorteil ist. (Theoretisch gibt es zwar Abhängigkeiten von einem externen E-Feld, dem Druck und der Temperatur. Da diese Abhängigkeiten aber sehr schwach sind, sind sie vernachlässigbar.)
Außerdem bestehen bei ca. 60 mT die NV-NV-Resonanz und bei etwa 51,2 mT die NV-P1-Resonanz.
Die Lumineszenz negativ geladener NV-Zentren findet in einem Wellenlängenbereich von 600-800 nm statt mit einer Null-Phononen-Linie bei 638 nm. Angeregt werden kann das NV-Zentrum mit Wellenlängen kleiner-gleich 638 nm. Mittels eingeprägter mechanischer Spannungen im Kristall (beispielsweise durch Kavitäten oder einen hohen Druck) ist es möglich, die notwendigen Anregungsenergien zu verschieben, sowie die Lumineszenz-Charakteristik zu verändern.
Um die größtmögliche Empfindlichkeit bei der Messung der Fotolumineszenzintensität zu haben, kann es sinnvoll sein, einen entsprechenden Bias (z.B. mittels eines Permanentmagneten) zu verwenden, damit man auf einem möglichst starken Intensitätsgradienten misst.
2 zeigt die normierte Intensität der Fotolumineszenz von mehreren nicht einheitlich ausgerichteten, sondern zufällig ausgerichteten NV-Zentren in Abhängigkeit von dem Betrag der magnetischen Flussdichte. Es ist zu erkennen, dass sich in diesem Fall eine weitgehend strukturfreie Abhängigkeit zeigt (vgl. R. Staacke et al., „Isotropie Scalar Quantum Sensing of Magnetic Fields for Industrial Application“, Advanced Quantum Technologies 3, Nr. 8 (2020): 2000037, https://doi.org/10.1002/qute.202000037, 4b).
Auch hier könnte man, um die größtmögliche Empfindlichkeit bei der Messung der Fotolumineszenzintensität zu haben, einen entsprechenden Bias verwenden (z.B. mittels eines Permanentmagneten), damit man auf einem möglichst starken Intensitätsgradienten misst.
In den 3 und 4 ist der erfindungsgemäße Sensor 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung in zwei verschiedenen Ansichten gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass der Sensor 10 eine Basis 12 und einen daran angeordneten Cantilever 14 mit einer Spitze 16 aufweist.
Die Basis 12 umfasst ein Silizium-Substrat 18, in dem eine Fotodiode 20 im Rahmen eines Halbleiterprozesses, bei dem in bekannter Art und Weise die unterschiedlichen Schichten aufgewachsen/strukturiert/entfernt sowie lonenimplantation und Ausheilprozesse durchgeführt werden, integral hergestellt wurde. Für die Spannungsabnahme von der Fotodiode 20 bestehen auf der Oberfläche 22 der Basis zwei entsprechende elektrische Kontakte 24, 26 mit entsprechenden Zuleitungen 24a, 26a. Außerdem besteht ein Aktuator (nicht gezeigt) für den Cantilever 14 („aktiver Cantilever“), der in üblicher Weise ausgebildet ist und angesteuert wird. Die Fotodiode 20 hat in dieser Ausgestaltung eine spektrale Empfindlichkeit in einem breiten Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1200 nm.
Die Basis 12 weist eine Länge I_B im Bereich 3 mm bis 15 mm, vorzugsweise von 5 mm, eine Breite b_B im Bereich 3 mm bis 15 mm, vorzugsweise von 5 mm und eine Höhe h_B im Bereich 0,3 mm bis 5 mm, vorzugsweise von 0,5 mm auf. Damit kann der Sensor in üblichen AFM-Vorrichtungen angeordnet werden.
Der Cantilever 14 besteht aus Diamant und wurde aus einem entsprechenden Diamantsubstrat herausgetrennt. Er weist eine Länge Ic im Bereich 0,3 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise von 0,5 mm, eine Breite b_c im Bereich 50 µm bis 500 µm , vorzugsweise von 150 µm und eine Höhe h_c im Bereich 5 µm bis 50 µm, vorzugsweise von 10 µm auf.
Der Cantilever 14 ist vollflächig auf die Basis 12 gefügt, beispielsweise geklebt 27, wobei zwischen der Unterseite 28 des Cantilevers 14 und der Oberseite 30 der Fotodiode 20 ein Filter 32, beispielsweise in Form eines Braggspiegels für die Wellenlänge einer externen Lichtquelle 34, um Anregungslicht 35 vom Lumineszenzlicht 36 zu trennen.
An dem der Basis 12 abgewandten Ende 37 des Cantilevers 14 ist auf der Oberseite 38 des Cantilevers 14 die Spitze 16 aus Diamant angeordnet, die mehrere Farbzentren 42 (paramagnetische Zentren), z.B. in Form von NV-Zentren enthält, die beispielsweise durch lonenbeschuss erzeugt wurden (vgl. beispielsweise WO 2020/260640 A1 ), deren diesbezüglicher Inhalt zur Herstellung solcher Farbzentren in Diamant vollumfänglich aufgenommen wird). Diese Farbzentren werden durch die externe Lichtquelle 34, beispielsweise mit einer LED- oder LASER-Strahlung 35 der Wellenlänge im Bereich (500-550) nm angeregt.
Diese Spitze 16 ist als regelmäßige quadratische Pyramide ausgebildet, wodurch die durch die Farbzentren 42 emittierte Lumineszenz 36 durch Totalreflexion und den Effekt eines Umkehrspiegels (Spiegelpyramide) vollständig durch die Oberseite 38 in den Cantilever 14 eingekoppelt wird.
Zwischen Unterseite 28 und kurzer Seitenfläche 44 des Cantilevers 14 besteht eine Fase 46, die in einem 45°-Winkel ausgerichtet ist und die zusätzlich dafür sorgt, dass das Licht 36 optimal im Cantilever 14 geführt und zur Fotodiode 20 geleitet wird. Dementsprechend wurde auch an der gegenüberliegenden Seite 48 des Cantilevers 14 eine solche Fase 50 angeordnet.
Zusätzlich kann an der Unterseite 28 des Cantilevers im Bereich des Endes 37 eine Verspiegelung (nicht gezeigt) angeordnet, beispielsweise aufgedampft sein, um die Auskoppelwahrscheinlichkeit des Lumineszenzlichts 36 zu vermeiden und damit Signalverluste zu verringern.
Dieser Sensor 10 ist als hybrides Element hergestellt, wobei Basis 12 und Cantilever 14 mit Spitze 16 getrennt gefertigt und anschließend mit dem Koppel- und Fügemittel 27 (insbesondere LOCA-Produkte (liquid optical clear adhesive), beispielsweise Nordland NOA61) zusammengefügt wurden. Vorzugsweise kann dies durch Klebung erfolgen, wobei der Kleber einen verlustarmen optischen Übergang durch Brechungsindexfehlanpassung ermöglichen soll.
Mit diesem Sensor 10 können nun magnetische Flussdichten von Proben (nicht gezeigt) auf einer Nanoskale aufgelöst und bestimmt werden.
Dazu wird der Sensor 10 in einem Rasterkraftmikroskop angeordnet und über einer Probe in üblicher Art und Weise so positioniert, dass die Spitze 16 sich ausreichend nah über der zu vermessenden Probenoberfläche befindet. Nun wird der Cantilever 14 über der Probe positioniert und der Cantilever 14 mit dem Aktuator zum Schwingen angeregt. Dazu wird als Aktuator ein piezoresistives Element verwendet. Die genaue Position der Spitze 16 über der Probe ist dabei über eine Aufhängung im Rasterkraftmikroskop wohl definiert. Im Aktuator wird durch elektrische Speisung eine wärmebedingte Ausdehnung erfolgen, wodurch der Aktuator in Schwingung versetzt und somit in einem üblichen Modus betrieben werden kann (vgl. https://www.nanoanalytik.net/products/probes/afm-canti [aufgerufen am 26.3.21]).
Die Größe der magnetischen Flussdichte, die lokal auf die Farbzentren 42 in der Spitze 16 wirkt, wird in bekannter Art und Weise durch Vermessung der emittierten Lumineszenzintensität bestimmt. Dazu wird die emittierte Lumineszenz 36, die eine Wellenlänge von 638 nm aufweist, durch die Spitze 16 in den Cantilever 14 eingekoppelt, wobei keine Anpassungsprobleme bestehen, da sowohl der Cantilever 14 als auch die Spitze 16 aus Diamant bestehen und damit denselben Brechungsindex aufweisen.
Durch die Fase 46 wird ein Entweichen der Lumineszenz aus der Seitenfläche 44 verhindert und die Lumineszenz 36 wird durch fortdauernde Totalreflexion innerhalb des Cantilevers 14 zur gegenüberliegenden Seitenfläche 48 geleitet, an der die planparallel zur Fase 46 bestehende Fase 50 angeordnet ist, wodurch die Lumineszenz vollständig durch die Unterseite 28 über das Koppel- und Fügemittel 27 und den Filter 32 in die Fotodiode 20 eingekoppelt wird.
In der Fotodiode 20 wird aus dem eingestrahlten Licht 36 der Lumineszenz ein Spannungssignal erzeugt, dass die Stärke der erfassten Lichtintensität der Lumineszenz 36 wiedergibt. Über eine vorher vorgenommene Normierung kann aus dem Spannungssignal die Stärke der magnetischen Flussdichte bestimmt werden.
Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, kann ein bestimmter Bias einer magnetischen Flussdichte beispielsweise über einen zuzuschaltenden Elektromagneten oder einen Permanentmagneten (nicht gezeigt) zugeschaltet werden, um die Intensität an der Stelle eines hohen Intensitätsgradienten zu bestimmen (vgl. 1).
Dadurch, dass die Quelle 34 der physikalische Anregung 35 in Bezug auf die Spitze 16 hinter dem Sensor 10 angeordnet ist, kann der Sensor 10 mit seiner Spitze 16 sehr nah an eine Probe herangeführt werden.
Im Sensor 10 kann auf den Filter 32 verzichtet werden, wenn an Stelle der breitbandigen Fotodiode 20 eine wellenlängenselektive Fotodiode verwendet wird, wie in 5 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung als Sensor 100 gezeigt ist.
In dieser Ausführungsform mit dieser wellenlängenselektiven Fotodiode 102 weist die Fotodiode 102 mindestens zwei gestapelte Bereiche 104, 106 auf, wobei der an der Oberfläche 108 der Basis 110 angeordnete Bereich 104 sensitiv für einen Wellenlängenbereich von z.B. 300 nm bis 600 nm ist und der darunter liegende Bereich 106 für einen Wellenlängenbereich von 600 nm bis 1200 nm. Der spektrale Übergang zwischen beiden Bereichen ist dabei so gelegt, dass eine Trennung zwischen physikalischer Anregung und Lumineszenzlicht in Bezug auf die verwendeten Farbzentren erfolgt (am Beispiel von NV-Zentren in Diamant: Anregung ca. 550 nm, NV^--Lumineszenz: >630 nm). Hier sind dann natürlich vier elektrische Kontakte vorzusehen, wovon allerdings nur einer 112 gezeigt ist, um die beiden Bereiche 104, 106 elektrisch zu kontaktieren. Auch hier besteht wiederum ein Koppel- und Fügemittel 114. In der Spitze 116 sind wiederum Farbzentren 118 angeordnet.
Dadurch sind mit einer solchen Fotodiode 102 sowohl die Aufnahme des Lumineszenzsignals und damit die Charakterisierung der magnetischen Flussdichte einer Probe sowie auch das Monitoring der Anregungsintensität möglich. Die übrigen Elemente von Sensor 100 sind identisch zu denen in Sensor 10 und entsprechen deren Funktionen, weshalb nicht weiter darauf eingegangen wird.
Die 6 und 7 zeigen eine dritte bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors 200. Es ist zu erkennen, dass hier zusätzlich auch die Mittel zur physikalischen Anregung beispielsweise in Form einer LED oder Laserdiode 202 direkt integriert sind. In den 6 und 7 ist dies als Weiterentwicklung von Sensor 100, also inklusive der wellenlängenselektiven Fotodiode 204 und damit ohne Filterelement gezeigt. (Diese Ausgestaltung könnte allerdings auch als Weiterentwicklung zum Sensor 10 verwendet werden.)
Entsprechend den 6 und 7 ist hier vor der Fotodiode 204 mit den beiden Bereichen 206, 208 eine Vertiefung (Strahlergrube) 210 in das Substrat 212 eingebracht und in dieser ist Leuchtelement 202 z.B. in Form einer LED oder Laserdiode direkt eingefügt, wobei dann das Anregungslicht 213 ggf. über einen Luftspalt 214 direkt in den Cantilever 219 eingekoppelt und mittels Totalreflexion zu den Farbzentren 216 in der Spitze 218 geleitet wird. Zur Verbesserung der Einkopplung des Anregungslichts 213 in den Cantilever 219 können im Cantilever 219 Einkoppelstrukturen, z.B. in Form symmetrischer Rillen mit Abmaßen größer der Anregungswellenlänge eingebracht werden (nicht gezeigt).
Zwischen Cantilever 219 und Substrat 212 ist wiederum ein Koppel- und Fügemittel 220 vorgesehen und es bestehen elektrische Kontakte 222, 224 zur Fotodiode 204 und LED 202, wobei hier allerdings beispielhaft nur zwei Kontakte 222, 224 gezeigt sind, während zur Kontaktierung von Fotodiode 204 und LED 202 tatsächlich noch weitere solcher Kontakte 222, 224 benötigt werden.
Durch die Verwendung der wellenlängenselektiven Fotodiode 202 können wiederum die Vorteile in der Auslese von Lumineszenzlicht 226 und auch Anregungslicht 213 vergleichbar zu Sensor 100 genutzt werden.
Alternativ könnte auch eine Signaltrennung zwischen Anregungs- und Lumineszenzlicht dadurch vorgesehen sein, dass zwei getrennte Lichtleitungen bestehen, die beispielsweise vertikal getrennt ausgebildet sind, wobei die untere Lichtleitung für das Anregungslicht und die obere Lichtleitung für die Lumineszenz bestimmt ist. Die Grenze zwischen beiden Lichtleitungen könnte durch gezielten lonenbeschuss, der eine Graphitisierung einer ausreichend dicken Grenzschicht zwischen den beiden Lichtleitungen bewirkt, hergestellt werden.
In den 8 und 9 ist der erfindungsgemäße Sensor 300 gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung in zwei verschiedenen Ansichten gezeigt.
Dieser Sensor 300 unterscheidet sich von dem Sensor 10 nach der ersten bevorzugten Ausgestaltung vor allem dadurch, dass die Fotodiode 302 nicht Teil der Basis 304 ist, sondern direkt am Cantilever 306 zwischen Cantilever 306 und Spitze 308 angeordnet ist, wobei zwischen Fotodiode 302 und Spitze 308 noch ein Filter 310, beispielsweise wieder in Form z.B. eines Braggspiegels, zur Unterdrückung des Anregungslichts 311 besteht.
Hier besteht der Cantilever 306 hauptsächlich aus Silizium und auch die Basis 304 besteht hauptsächlich aus Silizium, wobei Cantilever 306 und Basis 304 integral dadurch gefertigt wurden, dass sie gemeinsam aus einem Silizium-Substrat im Rahmen beispielsweise eines Strukturierungsprozesses prozessiert wurden.
Auf dem Cantilever 306 und darüber hinaus in die Basis 304 hinein bestehen elektrische Leitungen 312 für die Kontaktierung der Fotodiode 302, wobei die Leitungen 312 in elektrischen Kontakten 314 an der Oberfläche 316 der Basis 304 münden.
Der Aktuator 318 ist wiederum als piezoresistives Element ausgebildet und aktuiert den Cantilever 306 wie im Zusammenhang mit Sensor 10 beschrieben. Für die Ansteuerung des Aktuators bestehen ebenfalls elektrische Leitungen 320 an der Basis 304 und damit verbundene großflächige elektrische Kontakte 322.
In der Spitze 308 befinden sich wiederum Farbzentren 324. Der Cantilever 306 ist weiterhin mit einem Loch 326 für die Durchstrahlung mit dem Anregungslicht 311 einer externen Strahlungsquelle, die beispielsweise als LED 328 ausgebildet ist versehen. Um dieses Loch 326 ist die Fotodiode 302 angeordnet. Zur Abschirmung gegenüber dem Anregungslicht 311 weist die Fotodiode 302 an ihrer Unterseite und an den Seitenflächen des Lochs 326 eine für die Anregungslicht 311 undurchlässige Beschichtung (nicht gezeigt) auf.
Durch das Loch 326 können die Diamantspitze 308 und damit die Farbzentren 324 mit dem Anregungslicht 311 beleuchtet werden. Auch hier ist der Sensor 300 sehr platzsparend aufgebaut, weil die physikalische Anregung 311 von hinten erfolgen kann, so dass der Sensor 300 sehr nah an eine Probe herangeführt werden kann. Dadurch, dass die Fotodiode 302 nicht unmittelbar bis an das Loch 326 zur Durchstrahlung der physikalischen Anregung 311 ausgeführt ist, wird Crosstalk vermeidet.
Die Diamantspitze 308 ist wie das Filterelement 310 über ein Koppel- und Fügemittel 328 hybrid auf dem Cantilever 306 angebracht und zwar symmetrisch über dem Loch 324 und mittig auf dem Cantilever 306.
Im Fall dieses Sensors 300 können ebenfalls magnetische Flussdichten von Proben (nicht gezeigt) auf einer Nanoskale aufgelöst und bestimmt werden.
Dazu wird der Sensor 300 wiederum in einem Rasterkraftmikroskop angeordnet und über einer Probe in üblicher Art und Weise so positioniert, dass die Spitze 308 sich ausreichend nah über der zu vermessenden Probenoberfläche befindet. Über den Aktuator 318 wird dann der Cantilever 306 zum Schwingen angeregt.
Die Größe der magnetischen Flussdichte, die lokal auf die Farbzentren 324 in der Spitze 308 wirkt, wird wiederum in bekannter Art und Weise durch Vermessung der emittierten Lumineszenzintensität bestimmt. Diese Fotolumineszenz wird direkt in der Fotodiode 302 in ein Spannungssignal umgewandelt, das über die Leitungen 312 transportiert wird.
Der Vorteil dieses Sensors 300 besteht darin, dass eine integrale Fertigung des gesamten Sensors 300 bis ggf. auf die Spitze 308 möglich ist, die wiederum aus einem Diamant mit Farbzentren 324 gebildet wird und die hier gesondert auf dem Cantilever 306 anzuordnen, durch ein Füge- und Koppelmittel 328 beispielsweise anzukleben ist.
In Analogie zu den Sensoren 10 bzw. 100 kann auch bei dieser Ausgestaltung dieses Sensors 300 auf einen Filter verzichtet werden, wie es in 10 für den erfindungsgemäßen Sensor 350 gemäß einer fünften bevorzugten Ausgestaltung gezeigt ist.
Es ist zu erkennen, dass hier die Fotodiode 352 wiederum so ausgeführt ist, dass sie mindestens zwei spektral empfindliche Bereiche 354, 356 aufweist, die die getrennt Charakterisierung der Anregungs- und der Lumineszenzintensität ermöglichen, ohne die ansonsten notwendige Verwendung einer Filtereinheit wie es auch schon im Zusammenhang mit dem Sensor 100 beschrieben wurde. Dadurch kann die Anregungsquelle gemonitort werden, um damit die Genauigkeit des Messsystems zu erhöhen. Auf der Fotodiode 352 ist die Spitze 358 mit dem Koppel- und Fügemittel 360 angeordnet. Ansonsten unterscheidet sich dieser Sensor 350 nicht vom Sensor 300, so dass auf entsprechende Ausführungen verzichtet wird.
Auch in diese Sensoren 300, 350 könnten die Mittel zur Anregung direkt integriert werden. Hierzu könnte man beispielsweise neben oder vor der Fotodiode 302, 352 eine entsprechende LED (nicht gezeigt) integrieren, wobei zwischen Spitze 308, 358 und LED kein Filter 310 bestehen darf, so dass das Anregungslicht direkt zu den Farbzentren 324, 362 geleitet wird und das emittierte Lumineszenz durch den Filter 110 in die Fotodiode 102 geleitet wird.
Bei den Sensoren 10, 100, 200, 300 und 350 könnten die Farbzentren 42, 118, 216, 324 und 362 auch mit einer zusätzlichen Mikrowellenanregung (nicht gezeigt) gezielt angeregt und ausgewählt werden. Dazu könnte man eine externe Mikrowellenanregung verwenden. Andererseits kann man entsprechende Mittel zur Einstrahlung einer Mikrowelle in die Spitze 16, 116, 218, 308 oder 358 auch direkt in den Sensor 10, 100, 200, 300 und 350 integrieren, wobei die Mittel zur Einstrahlung einer Mikrowelle eine Mikrowellenleitung umfassen, die bevorzugt in den Cantilever integriert ist und insbesondere als metallische Leitung ausgebildet ist.
In den 11 ist der erfindungsgemäße Sensor 400 gemäß einer sechsten bevorzugten Ausgestaltung in einer Schnittansicht gezeigt.
Hierbei besteht der einzige Unterschied gegenüber dem erfindungsgemäßen Sensor 10 nach der ersten bevorzugten Ausgestaltung darin, dass hier die Spitze 402 keine Farbzentren aufweist.
Mit diesem Sensor 400 können damit zwar keine magnetischen Flussdichten vermessen werden, allerdings kann man Licht über die Spitze 402 direkt in den Cantilever 404 einkoppeln und mittels der Fotodiode 406 vermessen. Damit kann man gezielt spektroskopische Untersuchungen auf einer Nanoskale vornehmen. Beispielsweise könnte man eine Probe (nicht gezeigt) mit Licht einer bestimmten Wellenlänge und ggf. auch Polarisation bestrahlen und über den Sensor 400 nur die Licht-Antwort der Probe in einem bestimmten sehr kleinen Bereich vermessen. In Analogie zu den Sensoren 300 und 350 könnte wiederum ein Filter 408 zwischen dem transparenten Cantilever und der Fotodiode eingebaut werden, bzw. die Fotodiode über eine Stapeltechnologie (vgl. 10) und damit eine Wellenlängensensitivität verfügen, um spezifische Signalanteile herauszufiltern.
In den 12 und 13 ist schließlich der erfindungsgemäße Sensor 500 gemäß einer siebenten bevorzugten Ausgestaltung in zwei verschiedenen Ansichten gezeigt.
Hierbei besteht der einzige Unterschied gegenüber dem erfindungsgemäßen Sensor 300 nach der vierten bevorzugten Ausgestaltung darin, dass auch hier die Spitze 502 keine Farbzentren aufweist.
Auch mit diesem Sensor 500 können damit zwar keine magnetischen Flüsse vermessen werden, allerdings kann man Licht über die transparente Spitze 502 direkt in den Cantilever 504 einkoppeln und mittels der Fotodiode 506 vermessen. Damit kann man auch wieder gezielt spektroskopische Untersuchungen auf einer Nanoskale vornehmen. Auch hier wäre die Spitze 502 wieder über ein Koppel- und Fügemittel 508 mit dem Cantilever 510 bzw. der Fotodiode 506 verbunden. In Analogie zu den Sensoren 300 und 350 könnte wiederum ein Filter zwischen der transparenten Spitze und der Fotodiode eingebaut werden bzw. könnte die Fotodiode über eine Stapeltechnologie und damit eine Wellenlängensensitivität verfügen, um spezifische Signalanteile herauszufiltern.
Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung eine Methode bereitgestellt wird, durch die eine Bestimmung physikalischer Messgrößen auch in sehr kleinen topologischen Bereichen von wenigen Mikrometern bis hinunter zu Submikrometern ermöglicht wird. Dabei erfordert die Messung einen relativ geringeren konstruktiven Aufwand und einfach und kostengünstig möglich. Vor allem kann mit der vorliegenden Erfindung eine Miniaturisierung der Messvorrichtung 10, 100, 200, 300, 350, 400, 500 ermöglicht werden.
Alle in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, den nachfolgenden Ansprüchen und in der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Diese Merkmale bzw. Merkmalskombinationen können jeweils eine selbständige Erfindung begründen, deren Inanspruchnahme sich ausdrücklich vorbehalten wird. Dabei müssen einzelne Merkmale aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels nicht zwingend mit ein oder mehreren oder allen anderen in der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels angegebenen Merkmale kombiniert werden, diesbezüglich ist jede Unterkombination ausdrücklich mit offenbart. Außerdem können gegenständliche Merkmale der Vorrichtung umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale können umformuliert als gegenständliche Merkmale der Vorrichtung Verwendung finden. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
Bezugszeichenliste

10: erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung
12: Basis
14: Cantilever
16: Spitze
18: Silizium-Substrat
20: Fotodiode
22: Oberfläche der Basis 12
24, 26: elektrische Kontakte
24a, 26a: elektrische Leitungen
27: Koppel- und Fügemittel
28: Unterseite des Cantilevers 14
30: Oberseite der Fotodiode 20
32: Filter, Braggspiegel
34: Lichtquelle, LED
35: Anregungslicht
36: Licht, Lumineszenz
37: der Basis 12 abgewandtes Ende des Cantilevers 14
38: Oberseite des Cantilevers 14
42: Farbzentren
44: kurzer Seitenfläche des Cantilevers 14
46: Fase
48: zur Seitenfläche 44 gegenüberliegende Seite
50: Fase
100: erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung
102: Fotodiode
104: Bereich der Fotodiode 102 sensitiv für kurzwelliges Lumineszenzlicht
106: Bereich der Fotodiode 102 sensitiv für langwelliges Lumineszenzlicht
108: Oberfläche
110: Basis
112: großflächige elektrische Kontakte
114: Koppel- und Fügemittel
116: Spitze
118: Farbzentren
200: erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung
202: Lichtquelle, LED, Laserdiode
204: Fotodiode
206: Bereich der Fotodiode 204, sensitiv für kurzwelliges Lumineszenzlicht
208: Bereich der Fotodiode 204, sensitiv für langwelliges Lumineszenzlicht
210: Vertiefung, Strahlergrube
212: Substrat
213: Anregungslicht
214: Luftspalt
216: Farbzentren
218: Spitze
220: Koppel- und Fügemittel
222, 224: elektrische Kontakte
226: Lumineszenzlicht
300: erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung
302: Fotodiode
304: Basis
306: Cantilever
308: Spitze
310: Filter
311: Anregungslicht
312: elektrische Leitungen
314: elektrische Kontakte
316: Oberfläche der Basis 304
318: piezoresistiver Aktuator
320: elektrische Leitungen
322: elektrische Kontakte
324: Farbzentren
326: Loch im Cantilever 306 für Anregungslicht 311
328: Koppel- und Fügemittel
350: erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer fünften bevorzugten Ausgestaltung
352: Fotodiode
354: Bereich der Fotodiode 352, sensitiv für kurzwelliges Lumineszenzlicht
356: Bereich der Fotodiode 352, sensitiv für langwelliges Lumineszenzlicht
358: Spitze
360: Koppel- und Fügemittel
362: Farbzentren
400: erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer sechsten bevorzugten Ausgestaltung
402: Spitze
404: Cantilever
416: Fotodiode
408: Filter
500: erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer siebenten bevorzugten Ausgestaltung
502: Spitze
504: Cantilever
506: Fotodiode
508: Koppel- und Fügemittel
510: Cantilever
IB: Länge der Basis 12
bB: Breite der Basis 12
hB: Höhe der Basis 12
Ic: Länge des Cantilevers 14
bc: Breite des Cantilevers 14
hc: Höhe des Cantilevers 14

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020/260640 A1 [0065]

Claims

Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße, wobei der Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) einen an einer Basis (12; 110; 304) angeordneten Cantilever (14; 306; 404; 504) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) weiterhin Mittel (20; 102; 204; 302; 352; 416; 506) zur Messung einer Lichtintensität eines Lichts mit einem Erfassungssignal aufweist, das die Stärke der erfassten Lichtintensität des Lichts wiedergibt.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20; 102; 204; 302; 352; 416; 506) zur Messung der Lichtintensität einen Fotodetektor (20; 102; 204; 302; 352; 416; 506) umfassen, und/oder dass der Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) Mittel zur Einkopplung der physikalischen Messgröße in den Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) aufweist, und/oder dass der Cantilever (14; 306; 404; 504) ein Material aus der Gruppe umfassend: Diamant, Silizium, Siliziumcarbid aufweist und/oder dass die Basis (12; 110; 304) ein Material aus der Gruppe umfassend: Silizium und Siliziumcarbid aufweist.
Sensor (10; 100; 200; 400) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20; 102; 204; 416) zur Messung an der Basis (12; 110) angeordnet sind.
Sensor (10; 100; 200; 400) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (14; 404) so ausgebildet ist, dass er eine Lichtleitung für das Licht bereitstellt, wobei der Cantilever (14; 404) bevorzugt als Lichtleiter ausgebildet ist, wobei der Cantilever (14; 404) insbesondere so ausgebildet ist, dass in ihm das Licht zumindest bereichsweise total reflektiert wird.
Sensor (300; 350; 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (302; 352; 506) zur Messung an dem Cantilever (306; 504) angeordnet sind, wobei i) die Mittel (302; 352; 506) zur Messung bevorzugt zwischen Cantilever (306; 504) und Material angeordnet sind und/oder wobei ii) der Cantilever (306) eine Durchleitung für die physikalische Anregung aufweist, die bevorzugt als Loch (326) ausgebildet, wobei das Loch (326) insbesondere durch die Mittel (302) zur Messung der Intensität des Lichts verläuft und vorzugsweise eine Abschirmung der Mittel (302) zur Messung der Intensität des Lichts gegenüber der physikalische Anregung besteht.
Sensor (300; 350; 500) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (306; 504) elektrische Leitungen (312) zur elektrischen Kontaktierung der Mittel (302; 352; 506) zur Messung aufweist.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Cantilever (14; 306; 404; 504) eine Spitze (16; 116; 218; 308; 358; 402; 502) angeordnet ist, wobei die Spitze bevorzugt eine AFM-Spitze ist.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (16; 116; 218; 308; 358; 402; 502) ein Material aus der Gruppe umfassend: Diamant, Si, SiC, SiO₂ und SiN aufweist.
Sensor (300;; 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (300; 500) einen Aktuator (318) aufweist zur Ansteuerung des Cantilevers (306; 504), wobei der Aktuator (318) bevorzugt zwischen Basis (304) und Cantilever (306; 504) angeordnet ist und insbesondere elektrisch betätigbar ausgebildet ist.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte ein aktives Material besteht, das bei einer physikalischen Anregung eine Lumineszenz erzeugt, wobei die Lumineszenz von der magnetischen Flussdichte abhängig ist, wobei das aktive Material bevorzugt an dem Cantilever (14; 306;) besteht.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material eine Kristallstruktur aufweist mit zumindest einer Fehlstelle, wobei das aktive Material bevorzugt Diamant, Siliziumkarbid oder Silizium ist und/oder die Fehlstelle ein Farbzentrum (42; 118; 216; 324; 362), insbesondere ein Stickstofffehlstellenzentrum oder ein Stickstofffehlstellenzentrum in Verbindung mit einem Europiumfehlstellenzentrum, einem Vanadiumfehlstellenzentrum, einer Magnesiumfehlstellenzentrum oder einem Manganfehlstellenzentrum ist.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20; 102; 204; 302; 352; 416; 506) zur Messung der Lichtintensität einen Filter (32; 310; 408), bevorzugt in Form eines Bragg-Spiegels umfassen, der eine physikalische Anregung, insbesondere die physikalische Anregung nach Anspruch 10 dämpft.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Mitteln (20; 102; 204; 302; 352; 416; 506) zur Messung der Lichtintensität auch Mittel zur Messung der Intensität der physikalischen Anregung bestehen.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10; 100; 200; 300; 350) Mittel (34; 202) zur Erzeugung der physikalischen Anregung aufweist, wobei die Mittel (34; 202) zur Erzeugung der physikalischen Anregung vorzugsweise eine elektrische oder elektromagnetische Anregung, bevorzugt eine Anregung im optischen Bereich und/oder im Mikrowellenbereich, insbesondere eine LASER-Anregung oder eine LED-Anregung, oder eine Anregung durch ionisierende Strahlung, bereitstellen.
Sensor (200) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (202) zur Erzeugung der physikalischen Anregung Teil der Basis sind, wobei die Mittel (202) zur Erzeugung der physikalischen Anregung bevorzugt zwischen Basis und Cantilever angeordnet sind, sich insbesondere in einer Vertiefung (210) der Basis befinden.
Sensor (200) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever so ausgebildet ist, dass er eine Leitung, bevorzugt eine Lichtleitung für die physikalische Anregung bereitstellt, wobei der Cantilever bevorzugt als Lichtleiter ausgebildet ist, wobei der Cantilever insbesondere so ausgebildet ist, dass in ihm das Licht zumindest bereichsweise total reflektiert wird.
Sensor nach Anspruch 16 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever so ausgebildet ist, dass voneinander getrennte Bereiche für die Lichtleitung für die physikalische Anregung und die Lichtleitung für die Lumineszenz bestehen.
Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung Teil des Cantilevers sind.
Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der physikalischen Anregung zwischen Cantilever und dem aktiven Material angeordnet sind.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (14; 306; 404; 504) zumindest eine Fase (46, 50) aufweist, die sich bevorzugt vollständig zwischen zwei Hauptflächen des Cantilevers (14; 306; 404; 504) erstreckt und insbesondere einen Winkel von 45° aufweist, wobei die eine Fase (50) bevorzugt an dem der Basis (12; 110; 304) gegenüberliegenden Ende des Cantilevers (14; 306; 404; 504) angeordnet ist, wobei das aktive Material nach einem der Ansprüche 10 bis 20 insbesondere ebenfalls an diesem Ende des Cantilevers (14; 306) angeordnet ist.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350) nach einem der vorherigen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material Teil der an dem Cantilever (14; 306) angeordneten Spitze (16; 116; 218; 308; 358) ist, wobei die Spitze (16; 116; 218; 308; 358) bevorzugt so ausgebildet ist, dass die Lumineszenz durch Totalreflexion in den Cantilever (14; 306) geleitet wird.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350) nach einem der vorherigen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material mehrere Farbzentren (42; 118; 216; 324; 362) aufweist, die zufällig ausgerichtet sind oder die eine festgelegte Ausrichtung zueinander aufweisen.
Sensor (10; 100; 200; 300; 350) nach einem der vorherigen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Einstrahlung einer Mikrowelle in das aktive Material bestehen, wobei die Mittel zur Einstrahlung einer Mikrowelle vorzugsweise eine Mikrowellenleitung umfassen, die bevorzugt in den Cantilever (14; 306) integriert ist und insbesondere als metallische Leitung ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung des Sensors (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Elemente (12, 14; 110; 304; 306; 404; 504) des Sensors (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) getrennt erzeugt und anschließend miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (14; 306; 404; 504) und die Basis (12; 110; 304) getrennt erzeugt und dann der Cantilever (14; 306; 404; 504) an der Basis (12; 110; 304) befestigt wird und/oder dass Cantilever (14; 306; 404; 504) und Spitze (16; 116; 218; 308; 358; 402; 502) getrennt erzeugt und dann die Spitze (16; 116; 218; 308; 358; 402; 502) an dem Cantilever (14; 306; 404; 504) befestigt wird und/oder dass die beiden Elemente miteinander verklebt werden, wobei bevorzugt der Brechungsindex am Übergang der beiden Elemente angepasst wird.
Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Messgröße, mit einem Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500), der einen an einer Basis (12; 110; 304) angeordneten Cantilever (14; 306; 404; 504) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) weiterhin Mittel (20; 102; 204; 302; 352; 416; 506) zur Messung einer Lichtintensität eines Lichts mit einem Erfassungssignal aufweist, das die Stärke der erfassten Lichtintensität des Lichts wiedergibt, wobei das Erfassungssignal ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) nach einem der Ansprüche 2 bis 23 verwendet wird und/oder dass die aktuelle Position des Cantilevers (14; 306; 404; 504) mit dem Messsignal des Sensors (10; 100; 200; 300; 350; 400; 500) korreliert wird und/oder dass ein bestimmter Bias für eine magnetische Flussdichte verwendet wird.