DE102022101772B4

DE102022101772B4 - System and method for contactless determination of an electrical potential of a sample

Info

Publication number: DE102022101772B4
Application number: DE102022101772.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dittrich; Michael Franke
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: WO2023143670A1; DE102022101772A1

Abstract

Ein System (100) zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe (1), wobei das System (100)- eine Aktuatoreinheit (2) umfasst, die entlang einer ersten Richtung (11) mit einem Biegekörper (3) wirkverbunden ist, wobei der Biegekörper (3) weiterhin mit einer mit dem System (100) federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse (4) wirkverbunden ist, sich entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung (12) erstreckt, und eine Elektrode (5) aufweist, die sich zumindest entlang der zweiten Richtung (12) erstreckt,- dazu eingerichtet ist, dass die Elektrode (5) gegenüber einer Probe (1) in einem Abstand entlang der ersten Richtung (11) anordenbar ist, und wobei die Aktuatoreinheit (2) dazu ausgebildet ist, den Biegekörper (3) zu einer Biegeschwingung mit einer einstellbaren Frequenz um die Achse anzuregen, so dass der Abstand zwischen einer angeordneten Probe (1) und der Elektrode (5) durch die Biegeschwingung zeitlich mit der einstellbaren Frequenz variiert, so dass in der Elektrode (5) ein zeitlich variierendes elektrisches Signal erfassbar wird, anhand dessen das elektrische Potential der Probe (1) ermittelbar ist und wobei die Aktuatoreinheit (2) in einem Kontaktbereich (6) eines bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens (33), mit minimaler Auslenkung des Biegekörpers (3) gegenüber seiner Ruhelage, mit dem Biegekörper (3) und der Gegenmasse (4) wirkverbunden ist.A system (100) for contactless determination of an electrical potential of a sample (1), wherein the system (100)- comprises an actuator unit (2) which is operatively connected to a bending body (3) along a first direction (11), wherein the bending body (3) is further operatively connected to a counter mass (4) suspended springily or elastically from the system (100), extends along an axis along a second direction (12), and has an electrode (5) which extends at least along the second direction (12),- is designed so that the electrode (5) can be arranged relative to a sample (1) at a distance along the first direction (11), and wherein the actuator unit (2) is designed to excite the bending body (3) to a bending oscillation with an adjustable frequency around the axis, so that the distance between an arranged sample (1) and the electrode (5) varies over time with the adjustable frequency due to the bending oscillation, so that in the electrode (5) a time-varying electrical signal can be detected, based on which the electrical potential of the sample (1) can be determined, and wherein the actuator unit (2) is operatively connected to the bending body (3) and the counter mass (4) in a contact region (6) of a vibration node (33) arising during bending vibration, with minimal deflection of the bending body (3) relative to its rest position.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe.The invention relates to a system and a method for the contactless determination of an electrical potential of a sample.

Eine solche Probe kann beispielsweise ein halbleitendes Bauteil sein. Für viele moderne halbleitende Bauteile, wie zum Beispiel Photodetektoren oder Feldeffekttransistoren, ist die Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern maßgebend für die Leistung des Bauteils. Um diese Diffusionslänge experimentell zu ermitteln, ohne dabei das Bauteil selbst bzw. das verwendete Halbleitermaterial zu beschädigen, werden in der Regel berührungslose Verfahren verwendet, insbesondere Photolumineszenzmessungen oder Oberflächenphotospannungsmessungen. Bei letzterer wird eine Elektrode in die Nähe des hinsichtlich seiner Diffusionslänge zu untersuchenden Bauteils gebracht, um mit dieser einen elektrischen Plattenkondensator zu bilden. Anschließend wird ein elektrisches Potential in dem Bauteil induziert, beispielsweise durch Bestrahlung mit geeigneter elektromagnetischer Strahlung. Werden dann das Bauteil und die Elektrode, welche jeweils Platten des Plattenkondensators bilden, derart zueinander bewegt, dass sich der Abstand der Platten ändert, wird ein zeitlich veränderter Strom in der Elektrode influenziert. Dieser Strom kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung auf null geregelt werden, wobei die elektrische Spannung für das elektrische Potential des Bauteils indikativ ist.Such a sample can be a semiconducting component, for example. For many modern semiconducting components, such as photodetectors or field effect transistors, the diffusion length of minority charge carriers is crucial for the performance of the component. In order to determine this diffusion length experimentally without damaging the component itself or the semiconductor material used, contactless methods are generally used, in particular photoluminescence measurements or surface photovoltage measurements. In the latter case, an electrode is brought close to the component whose diffusion length is to be examined in order to form an electrical plate capacitor with it. An electrical potential is then induced in the component, for example by irradiation with suitable electromagnetic radiation. If the component and the electrode, which each form plates of the plate capacitor, are then moved towards each other in such a way that the distance between the plates changes, a temporally changing current is induced in the electrode. This current can be regulated to zero by applying an electrical voltage, whereby the electrical voltage is indicative of the electrical potential of the component.

Hierzu ist aus der DE 34 38 546 A1 ein Schwingkondensator bekannt. Bei diesem Schwingkondensator werden die Bewegungen einer schwingenden Elektrode gegenüber einer ortsfest angeordneten Elektrode über eine Piezokeramik angeregt. Für den Antrieb der Piezokeramik sorgt ein Oszillator, dem ein Regler, ein Kompensationsspannungsgeber, ein Integrator und ein stromempfindlicher lock-in-Verstärker nachgeschaltet ist. Mit dem Regler lässt sich der mittlere Elektrodenabstand zwischen schwingender Elektrode und ortsfester Elektrode einstellen. Hierzu wird mittels des Reglers der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung, die die schwingende Elektrode erregt, eine Gleichspannung überlagert. Da dieser Schwingkondensator allerdings lediglich Änderungen des elektrischen Potentials ermitteln kann, ist dieser nur zur Ermittlung von hinreichend niederfrequenten Komponenten des elektrischen Potentials der Probe geeignet. Insbesondere ist die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials mit diesem Schwingkondensator ermittelbar.This is from the DE 34 38 546 A1 an oscillating capacitor. In this oscillating capacitor, the movements of an oscillating electrode relative to a stationary electrode are excited by a piezoceramic. The piezoceramic is driven by an oscillator, which is followed by a controller, a compensation voltage generator, an integrator and a current-sensitive lock-in amplifier. The controller can be used to set the average electrode distance between the oscillating electrode and the stationary electrode. To do this, the controller superimposes a direct voltage on the alternating voltage generated by the oscillator, which excites the oscillating electrode. However, since this oscillating capacitor can only detect changes in the electrical potential, it is only suitable for detecting sufficiently low-frequency components of the electrical potential of the sample. In particular, the temporally constant component of the electrical potential can be determined with this oscillating capacitor.

Durch die in der DE 10 2019 117 989 B3 offenbarte Schaltung wird jedoch sowohl die Ermittlung der zeitlich veränderlichen als auch der zeitlich konstanten Komponente des elektrischen Potentials ermöglicht. Nachteilig verbleibt jedoch der Umstand, dass die im Stand der Technik bekannten Schwingkondensatoren in Bezug auf einen mittleren Elektrodenabstand nur für verhältnismäßig geringe Auslenkungen der beiden Elektroden zueinander sorgt, denn größere Auslenkungen sorgen für signifikantere Änderungen der für die Ermittlung des elektrischen Potentials indikativen Messgrößen. Weiterhin werden für diese ohnehin niedrigen Auslenkungen verhältnismäßig hohe Ansteuerungsleistungen für die jeweils verwendete Aktuatoreinheit benötigt, sodass diese mit entsprechenden elektromagnetischen Störfeldern zu einem erhöhten Messfehler beitragen können, sofern diese in den Bereich zwischen den Elektroden einwirken.Through the EN 10 2019 117 989 B3 However, the circuit disclosed enables both the time-varying and the time-constant component of the electrical potential to be determined. However, the disadvantage remains that the oscillating capacitors known in the prior art only ensure relatively small deflections of the two electrodes relative to one another in relation to an average electrode distance, because larger deflections cause more significant changes in the measured variables indicative of the determination of the electrical potential. Furthermore, these already low deflections require relatively high control power for the actuator unit used, so that these can contribute to an increased measurement error with corresponding electromagnetic interference fields if they act in the area between the electrodes.

In der US 2003 / 0 038 638 A1 ist ein elektrostatisches Voltmeter offenbart, welches gekennzeichnet ist durch ein längliches Biege- bzw. Schwingungselement mit zwei Enden, welches an einem Ende auf einem Träger befestigt ist und wobei dieses Ende einen mechanischen Montageknoten bildet. Das Biegeelement trägt eine empfindliche Elektrode auf seinem freien Ende, welches in Richtung einer elektrischen Ladung, eines elektrischen Feldes oder eines elektrischen Potentials zur kapazitiven Kopplung dient. Das Biegeelement wird mit einem Antriebswandler, der starr auf demselben an einer vorbestimmten Stelle angebracht ist, mit einer vorbestimmten Frequenz in Schwingung versetzt. Der Ort des Antriebswandlers und die Schwingungsfrequenz des Biegeelements werden so gewählt, dass das Biegeelement mit einer Frequenz oberhalb der Grundschwingungsfrequenz des Trägers in Schwingung versetzt wird, so dass ein im Wesentlichen kompensierendes Drehmoment an dem mechanischen Montageknoten des Trägers erzeugt wird, um das auf den Montageknoten ausgeübte Nettodrehmoment stark zu verringern, so dass der Grad der Steifigkeit des Montageknotens die Betriebsfrequenz des Trägers oder die Verschiebung des freien Endes des Trägers nicht wesentlich beeinflusst. Eine vom Prinzip und Aufbau gleiche Vorrichtung ist in der US 4 763 078 A offenbart. Auch diese Vorrichtungen sind mit der weiter oben beschriebenen Problematik und hoher Dämpfung behaftet.US 2003/0 038 638 A1 discloses an electrostatic voltmeter which is characterized by an elongated flexural or oscillating element with two ends, which is attached to a support at one end and which forms a mechanical mounting node. The flexural element carries a sensitive electrode on its free end, which serves for capacitive coupling in the direction of an electrical charge, an electrical field or an electrical potential. The flexural element is set into oscillation at a predetermined frequency by a drive transducer which is rigidly attached to it at a predetermined location. The location of the drive transducer and the vibration frequency of the flexure are chosen to cause the flexure to vibrate at a frequency above the fundamental vibration frequency of the beam, so that a substantially compensating torque is generated at the mechanical mounting node of the beam to greatly reduce the net torque exerted on the mounting node, so that the degree of stiffness of the mounting node does not significantly affect the operating frequency of the beam or the displacement of the free end of the beam. A device of the same principle and construction is described in the US 4 763 078 A These devices also suffer from the problems described above and high attenuation.

Eine Vorrichtung zur berührungslosen Spannungsmessung ist ebenso in der US 4 928 057 A offenbart. In dieser beruht das zugehörige Messverfahren darauf, ein Referenzpotential und damit fast die gesamte Schaltung der zu messenden Probenspannung nachzuführen. Hierfür liegen eine Reihe von Baugruppen schaltungstechnisch in Reihe, wodurch die erreichbare Geschwindigkeit bzw. Bandbreite begrenzt ist. Die Vorrichtung zeichnet sich dabei durch eine spezielle, sehr aufwendige Messsonde aus, welche einer zu testenden Probenoberfläche zugewandt ist und gebildet ist aus einem transparenten Träger, einem ersten leitenden, transparenten Film auf einem Teil der Oberfläche des Trägers, welcher die Detektorelektrode bildet, einem zweiten leitenden, transparenten Film auf dem Rest der Oberfläche des Trägers welcher beabstandet zu dem ersten Film angeordnet ist und Mittel zur Modulation, die mit dem Träger verbunden sind, um die kapazitive Kopplung zwischen der Detektorelektrode und der Oberfläche, die die elektrostatische Größe trägt, zu modulieren.A device for contactless voltage measurement is also included in the US 4 928 057 A In this, the associated measuring method is based on tracking a reference potential and thus almost the entire circuit of the sample voltage to be measured. For this purpose, a number of components are connected in series, which limits the achievable speed or bandwidth. The device is characterized by a special, very complex measuring probe, which faces a sample surface to be tested and is formed from a transparent carrier, a first conductive, trans parent film on a portion of the surface of the support forming the detector electrode, a second conductive transparent film on the remainder of the surface of the support spaced from the first film, and modulation means connected to the support for modulating the capacitive coupling between the detector electrode and the surface carrying the electrostatic quantity.

Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des elektrischen Potentials einer Probe bereitzustellen, das jeweils im Hinblick auf die oben beschriebene Problematik verbessert ist.Based on this, the present invention is based on the object of providing a system and a method for the contactless determination of the electrical potential of a sample, which is improved in each case with regard to the problem described above.

Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 12 gelöst.This object is achieved by a system having the features of claim 1 and a method having the steps of claim 12.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe, wobei das System eine Aktuatoreinheit umfasst, die entlang einer ersten Richtung mit einem Biegekörper wirkverbunden ist. Der Biegekörper ist weiterhin mit einer, mit dem System federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse wirkverbunden und erstreckt sich entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung. Außerdem weist der Biegekörper eine Elektrode auf, die sich zumindest entlang der zweiten Richtung erstreckt. Das System ist dazu eingerichtet, dass die Elektrode gegenüber einer Probe in einem Abstand entlang der ersten Richtung anordenbar ist. Die Aktuatoreinheit ist dazu ausgebildet, den Biegekörper zu einer Biegeschwingung mit einer einstellbaren Frequenz um die Achse anzuregen, so dass der Abstand zwischen einer angeordneten Probe und der Elektrode durch die Biegeschwingung zeitlich mit der einstellbaren Frequenz variiert, so dass in der Elektrode ein zeitlich variierendes elektrisches Signal erfassbar wird, anhand dessen das elektrische Potential der Probe ermittelbar ist.A first aspect of the invention relates to a system for contactless determination of an electrical potential of a sample, wherein the system comprises an actuator unit that is operatively connected to a bending body along a first direction. The bending body is further operatively connected to a counter mass that is suspended springily or elastically from the system and extends along an axis along a second direction. In addition, the bending body has an electrode that extends at least along the second direction. The system is designed so that the electrode can be arranged relative to a sample at a distance along the first direction. The actuator unit is designed to excite the bending body to a bending oscillation with an adjustable frequency around the axis, so that the distance between an arranged sample and the electrode varies over time with the adjustable frequency due to the bending oscillation, so that a time-varying electrical signal can be detected in the electrode, based on which the electrical potential of the sample can be determined.

Das mittels des erfindungsgemäßen Systems ermittelbare elektrische Potential der vom System separaten Probe kann sowohl zeitlich konstante als auch zeitlich veränderliche Komponenten enthalten, wobei beide Komponenten und deren Summe durch das System ermittelbar sind.The electrical potential of the sample separate from the system, which can be determined by means of the system according to the invention, can contain both temporally constant and temporally variable components, whereby both components and their sum can be determined by the system.

Die Aktuatoreinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet und eingerichtet, Schwingungsenergie zu erzeugen und insbesondere an den Biegekörper weiterzuleiten, sodass der Biegekörper zu einer Biegeschwingung angeregt werden kann. Weiterhin ist die Aktuatoreinheit vorzugsweise durch eine starre Verbindung, beispielsweise durch einen metallischen Bolzen, mit dem Biegekörper wirkverbunden. Durch eine derartige Verbindung wird vorteilhafterweise eine starke, unmittelbare Kopplung zwischen der Aktuatoreinheit und dem Biegekörper erreicht, sodass der Aktuator bei einer gegebenen Anregungsamplitude die hierbei erzeugte Schwingungsenergie annähernd verlustfrei in den Biegekörper überführt, um diesen zur Biegeschwingung anzuregen. Weiterhin vorteilhaft kann somit die Anregungsamplitude des Aktuators niedrig gehalten werden, sodass entsprechend geringe, gegebenenfalls durch den Aktuator erzeugte elektromagnetische Streufelder, die in den Bereich der Elektrode und der Probe abstrahlen und zu einem Messfehler des zu ermittelnden elektrischen Potentials der Probe beitragen können, vorteilhaft minimiert werden. Die Aktuatoreinheit kann den Biegekörper durch Hin- und Herschieben des Biegekörpers zur Biegeschwingung anregen.The actuator unit is preferably designed and configured to generate vibration energy and in particular to transmit it to the bending body so that the bending body can be excited to a bending vibration. Furthermore, the actuator unit is preferably operatively connected to the bending body by a rigid connection, for example by a metal bolt. Such a connection advantageously achieves a strong, direct coupling between the actuator unit and the bending body so that, for a given excitation amplitude, the actuator transfers the vibration energy generated here to the bending body with almost no loss in order to excite it to bending vibration. Furthermore, the excitation amplitude of the actuator can thus be kept low so that correspondingly small electromagnetic stray fields, possibly generated by the actuator, which radiate into the area of the electrode and the sample and can contribute to a measurement error of the electrical potential of the sample to be determined, are advantageously minimized. The actuator unit can excite the bending body to bending vibration by pushing the bending body back and forth.

Der Biegekörper ist ferner mit einer federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse wirkverbunden. Vorzugsweise sind dabei die Gegenmasse und die Aktuatoreinheit starr, zum Beispiel über einen metallischen Bolzen, oder auch unmittelbar miteinander verbunden. Die Gegenmasse selbst, welche auch ein die Aktuatoreinheit zumindest abschnittsweise umgebendes Gehäuse bzw. einen Sensorkopf umfassen kann, ist jedoch erfindungsgemäß federnd oder elastisch aufgehängt. Die Aufhängung kann über das Gehäuse oder an einem anderen Teil der Gegenmasse am System erfolgen. Diese federnde oder elastische Aufhängung führt zu einer beabsichtigten Impedanzfehlanpassung zwischen der vorzugsweise starr mit der Aktuatoreinheit verbundenen Gegenmasse und einer Umgebung des Biegekörpers, zu der der Biegekörper über Bolzen, Aktuatoreinheit und Gegenmasse federnd bzw. elastisch verbunden ist. Durch die unvermeidbare mechanische Verbindung bzw. Wechselwirkung zwischen dem Biegekörper und seiner Umgebung entzieht letztere dem Biegekörper einen Teil der durch die Aktuatoreinheit generierten Schwingungsenergie, welcher als Energieabfluss in die Umgebung ausgekoppelt wird. Mit der federnden/elastischen Aufhängung wird vorteilhaft erreicht, dass der Energieabfluss insbesondere über eine Elastizität der federnden/elastischen Aufhängung steuerbar wird. Insbesondere kann das System somit durch eine geeignete Wahl von Gegenmasse, Biegekörper und federnder/elastischer Aufhängung derart konfiguriert werden, dass die Biegeschwingung bei minimaler Anregung durch die Aktuatoreinheit sowie vertretbarem Energieabfluss aus dem System eine maximale Auslenkung der Biegeschwingung des Biegekörpers zur Folge hat. Die Aufhängung der Gegenmasse kann über ein Federelement, wie eine zum Beispiel über eine Feder erfolgen.The bending body is also operatively connected to a spring-loaded or elastically suspended counter mass. The counter mass and the actuator unit are preferably rigidly connected to one another, for example via a metal bolt, or directly. The counter mass itself, which can also comprise a housing or a sensor head that surrounds the actuator unit at least in sections, is, however, spring-loaded or elastically suspended according to the invention. The suspension can be via the housing or on another part of the counter mass on the system. This spring-loaded or elastic suspension leads to an intentional impedance mismatch between the counter mass, which is preferably rigidly connected to the actuator unit, and an environment of the bending body, to which the bending body is spring-loaded or elastically connected via bolts, actuator unit and counter mass. Due to the unavoidable mechanical connection or interaction between the bending body and its environment, the latter extracts part of the vibration energy generated by the actuator unit from the bending body, which is coupled out into the environment as energy outflow. The springy/elastic suspension advantageously makes it possible to control the energy flow, in particular via the elasticity of the springy/elastic suspension. In particular, the system can be configured by a suitable choice of counter mass, bending body and springy/elastic suspension in such a way that the bending vibration results in a maximum deflection of the bending vibration of the bending body with minimal excitation by the actuator unit and acceptable energy flow from the system. The counter mass can be suspended using a spring element, such as a spring.

Die Elektrode kann beispielsweise eine im Wesentlichen planare Elektrode sein, wobei eine Oberfläche der Elektrode im Wesentlichen parallel zur Probe und gegenüber dieser orientierbar ist, sodass die Elektrode mit der Probe bzw. einer Oberfläche der Probe einen Plattenkondensator bildet, wobei eine erste Platte des Plattenkondensators durch die Elektrode und eine zweite Platte des Plattenkondensators durch die Probe gegeben ist. Bei Biegeschwingung des Biegekörpers wird ein Abstand der beiden Platten zeitlich moduliert, sodass insbesondere eine Kapazität des Plattenkondensators eine entsprechende zeitliche Modulation erfährt. Dies kann vorteilhaft zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe genutzt werden.The electrode may, for example, be a substantially planar electrode, wherein a The surface of the electrode is essentially parallel to the sample and can be oriented relative to it, so that the electrode forms a plate capacitor with the sample or a surface of the sample, with a first plate of the plate capacitor being provided by the electrode and a second plate of the plate capacitor being provided by the sample. When the bending body flexes, a distance between the two plates is modulated over time, so that in particular a capacitance of the plate capacitor undergoes a corresponding temporal modulation. This can be used advantageously to determine the electrical potential of the sample.

Die Probe kann beispielsweise ein Metall oder ein Halbleiter umfassen oder sein.The sample may, for example, comprise or be a metal or a semiconductor.

Es wird angemerkt, dass die Probe kein zwingender Bestandteil des beanspruchten Systems ist, sondern lediglich als Referenz dient, um die Funktionsweise des Systems zu illustrieren.It is noted that the sample is not an integral part of the claimed system, but merely serves as a reference to illustrate the functioning of the system.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses ersten Erfindungsaspekts sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.Advantageous embodiments of this first aspect of the invention are specified in the corresponding subclaims and are described below.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode in einem Bereich eines durch die Biegeschwingung verursachten ersten Schwingungsbauches des Biegekörpers angeordnet. Dieser Bereich kann insbesondere einen Bereich einer während der Biegeschwingung des Biegekörpers entstehenden maximalen Auslenkung des Biegekörpers gegenüber seiner Ruhelage umfassen. In seiner Ruhelage erstreckt sich der Biegekörper im Wesentlichen entlang der besagten Achse entlang der zweiten Richtung. In dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe über die gesamte Auslenkung des Biegekörpers veränderlich. Somit wird vorteilhaft eine höhere Genauigkeit der Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe erreicht, sofern die Ermittlung auf einer zeitlichen Veränderung der Kapazität des besagten Plattenkondensators basiert.According to a first embodiment of the invention, the electrode is arranged in a region of a first antinode of the bending body caused by the bending vibration. This region can in particular comprise a region of a maximum deflection of the bending body relative to its rest position that occurs during the bending vibration of the bending body. In its rest position, the bending body extends essentially along said axis in the second direction. In this embodiment, the distance between the electrode and the sample is variable over the entire deflection of the bending body. This advantageously achieves a higher accuracy in determining the electrical potential of the sample, provided that the determination is based on a temporal change in the capacitance of said plate capacitor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatoreinheit in einem Kontaktbereich eines bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens des Biegekörpers mit dem Biegekörper und der Gegenmasse wirkverbunden. Die Gegenmasse kann dabei über die Aktuatoreinheit mit dem Biegebalken verbunden sein. Der Kontaktbereich liegt insbesondere im Bereich einer minimalen Auslenkung des Biegekörpers bei Biegeschwingung um die Achse. Der Kontaktbereich kann einen Schwerpunkt des Biegekörpers umfassen. Der Schwingungsknoten des Biegekörpers verschiebt sich entsprechend der Masseverteilung und der Verteilung der Elastizität des Biegekörpers. Bei einem symmetrischen Biegekörper liegt der Schwingungsknoten zum Beispiel in der Mitte des Biegekörpers. Die Masseverteilung des Biegekörpers kann sich durch auf bzw. an dem Biegekörper angeordnete Komponenten ändern.According to a further embodiment of the invention, the actuator unit is operatively connected to the bending body and the counter mass in a contact area of a vibration node of the bending body that arises during bending vibration. The counter mass can be connected to the bending beam via the actuator unit. The contact area is in particular in the area of a minimal deflection of the bending body during bending vibration about the axis. The contact area can include a center of gravity of the bending body. The vibration node of the bending body shifts according to the mass distribution and the distribution of the elasticity of the bending body. In a symmetrical bending body, the vibration node is in the middle of the bending body, for example. The mass distribution of the bending body can change due to components arranged on or at the bending body.

In einer vorteilhaften Ausführung enthält die Aktuatoreinheit ein Piezoelement. Dieses ist vorzugsweise dazu vorgesehen und eingerichtet, die Biegeschwingung des Biegekörpers zu erzeugen. Bevorzugterweise wird die Aktuatoreinheit mit dem Piezoelement im Kontaktbereich des bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens des Biegekörpers angeordnet. Da das Piezoelement verglichen insbesondere mit elektromagnetischen Aktuatoren bei relativ kleiner Auslenkung des Aktuators eine verhältnismäßig große Kraft erzeugt, entfaltet das Piezoelement, besonders wenn es im besagten Kontaktbereich angeordnet ist, eine optimale Einkopplung der erzeugten Schwingungsenergie in den Biegekörper, sodass dieser bei geringer Leistung des Piezoelements zur Biegeschwingung mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers angeregt wird. Zum Beispiel kann das Piezoelement in der Mitte des Biegekörpers angeordnet sein, sodass bei Anregung der Biegeschwingung durch das Piezoelement der Biegekörper zu einer Biegeschwingung angeregt wird, bei der der Schwingungsknoten im Bereich des Piezoelements liegt und wobei die beiden Enden des Biegekörpers bei Biegeschwingung jeweils einen Schwingungsbauch mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers bilden. Die Elektrode kann dann vorteilhaft an einem der beiden Enden des Biegekörpers angebracht werden, sodass diese bei Biegeschwingung die maximale Auslenkung erfährt.In an advantageous embodiment, the actuator unit contains a piezo element. This is preferably intended and set up to generate the bending vibration of the bending body. Preferably, the actuator unit with the piezo element is arranged in the contact area of the vibration node of the bending body that arises during bending vibration. Since the piezo element generates a relatively large force compared to electromagnetic actuators in particular with a relatively small deflection of the actuator, the piezo element, especially when arranged in the said contact area, develops an optimal coupling of the generated vibration energy into the bending body, so that the latter is excited to bending vibration with maximum deflection of the bending body when the piezo element has a low power. For example, the piezo element can be arranged in the middle of the bending body, so that when the bending vibration is excited by the piezo element, the bending body is excited to a bending vibration in which the vibration node is in the area of the piezo element and the two ends of the bending body each form an antinode with maximum deflection of the bending body during the bending vibration. The electrode can then advantageously be attached to one of the two ends of the bending body so that it experiences the maximum deflection during the bending vibration.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung enthält die Aktuatoreinheit einen Elektromagneten, der dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Biegeschwingung des Biegekörpers zu erzeugen. Vorteilhafterweise ist der Elektromagnet bzw. die Aktuatoreinheit mit dem Elektromagneten dabei im Bereich des bei Biegeschwingung entstehenden zweiten Schwingungsbauch des Biegekörpers angeordnet. Hier entfaltet der Elektromagnet mit seiner insbesondere gegenüber einem Piezoelement hohen Auslenkung bei verhältnismäßig kleiner Kraft vorteilhaft die optimale Übertragung der durch den Aktuator erzeugten Schwingungsenergie in die Biegeschwingung. Zur Anregung des Biegekörpers mittels des Elektromagneten weist der Biegekörper vorzugsweise zumindest abschnittsweise, idealerweise im Bereich des zweiten Schwingungsbauches, ein magnetisches Material auf. Die Elektrode wird dann vorzugsweise am ersten, vom zweiten Schwingungsbauch entfernten Schwingungsbauch angeordnet, sodass durch den Elektromagneten generierte elektromagnetische Felder möglichst schwach in den Bereich zwischen Probe und Elektrode abstrahlen, welche ansonsten signifikant zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe beitragen könnten.In a further advantageous embodiment, the actuator unit contains an electromagnet which is intended and set up to generate the bending vibration of the bending body. The electromagnet or the actuator unit with the electromagnet is advantageously arranged in the area of the second vibration antinode of the bending body which is created during bending vibration. Here, the electromagnet, with its high deflection, particularly compared to a piezo element, advantageously unfolds the optimal transfer of the vibration energy generated by the actuator into the bending vibration with a relatively small force. In order to excite the bending body by means of the electromagnet, the bending body preferably has a magnetic material at least in sections, ideally in the area of the second vibration antinode. The electrode is then preferably arranged on the first vibration antinode, which is away from the second vibration antinode, so that electromagnetic fields generated by the electromagnet radiate as weakly as possible into the area between the sample and the electrode. which could otherwise significantly contribute to the measurement error of the electrical potential of the sample.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatoreinheit im Bereich eines bei Biegeschwingung entstehenden, von der Elektrode entfernten zweiten Schwingungsbauches des Biegekörpers angeordnet. Der zweite Schwingungsbauch kann, analog zum ersten Schwingungsbauch, einen weiteren Bereich mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers gegenüber seiner Ruhelage beschreiben.According to a further embodiment of the invention, the actuator unit is arranged in the region of a second antinode of the bending body that is created during bending vibration and is remote from the electrode. The second antinode can, analogously to the first antinode, describe a further region with maximum deflection of the bending body relative to its rest position.

In einer vorteilhaften Ausführung weist die Gegenmasse eine 3 bis 10-fache Masse des Biegekörpers auf. Um die durch die Aktuatoreinheit erzeugte Schwingungsenergie möglichst vollständig im Biegekörper zu halten, muss die Gegenmasse idealerweise möglichst groß gewählt werden. Gleichzeitig soll das System im Sinne einer leichten Handhabung idealerweise nicht zu schwer und kompakt gestaltet sein. Wird die Gegenmasse als 3- bis 10-fach so schwer wie der Biegekörper gewählt, stellt sich eine zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe hinreichende Schwingungsgüte des Systems ein, wobei der Energieabfluss aus dem System zur Umgebung vertretbar bleibt.In an advantageous embodiment, the counter mass has a mass that is 3 to 10 times the mass of the bending body. In order to keep the vibration energy generated by the actuator unit as completely as possible in the bending body, the counter mass must ideally be as large as possible. At the same time, the system should ideally not be too heavy and should be compact in order to be easy to handle. If the counter mass is chosen to be 3 to 10 times as heavy as the bending body, the vibration quality of the system is sufficient to determine the electrical potential of the sample, while the energy flow from the system to the environment remains acceptable.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Biegekörper metallisch leitend ausgebildet und elektrisch auf ein vordefiniertes Massepotential gelegt. Dies kann zum Beispiel über einen an den Biegekörper angeschlossenen Leiter vorgenommen werden. Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass sich der Biegekörper elektrostatisch auflädt, wobei entsprechende Störfelder zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe beitragen können, sofern diese in den Bereich zwischen der Elektrode und der Probe einwirken.According to a further advantageous embodiment, the bending body is made of metallically conductive material and is electrically connected to a predefined ground potential. This can be done, for example, using a conductor connected to the bending body. This measure prevents the bending body from becoming electrostatically charged, whereby corresponding interference fields can contribute to the measurement error of the electrical potential of the sample if they act in the area between the electrode and the sample.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrode vom Biegekörper elektrisch isoliert. Die Elektrode kann dabei von einem von der Elektrode elektrisch isolierten, leitfähigen und umlaufenden Leiterelement umgeben sein, wobei das Leiterelement insbesondere elektrisch auf dem Massepotential liegt, wie es einer nächsten Ausführungsform entspricht. Zum Beispiel kann, wenn es sich um eine planare Elektrode handelt, diese lateral, d.h. innerhalb einer Erstreckungsebene der Elektrode, von einem umlaufenden Leiterelement, das hier als ring-ähnlich ausgebildet sein kann, umgeben sein.According to a further embodiment, the electrode is electrically insulated from the bending body. The electrode can be surrounded by a conductive and circumferential conductor element that is electrically insulated from the electrode, the conductor element being in particular electrically at ground potential, as corresponds to a next embodiment. For example, if it is a planar electrode, it can be surrounded laterally, i.e. within an extension plane of the electrode, by a circumferential conductor element that can be designed as a ring.

Beispielsweise kann der Biegekörper 8 mm breit sein und die Elektrode einen Durchmesser von 5 mm haben. Eine entsprechende Öffnung oder Bohrung im Biegekörper kann dann im Bereich von beispielsweise 6 mm bis 6,5 mm liegen. In diese Öffnung kann die Elektrode elektrisch isoliert von dem Biegekörper und dem Leiterelement eingefasst sein. Eine ringförmige Abschirmung der Elektrode über das Leiterelement wird dann von dem Rand des Biegekörpers gebildet. So liegen das Leiterelement und der Biegekörper beide auf Massepotenzial und bilden eine entsprechende Abschirmung gegen äußere Störpotenziale.For example, the bending body can be 8 mm wide and the electrode can have a diameter of 5 mm. A corresponding opening or hole in the bending body can then be in the range of, for example, 6 mm to 6.5 mm. The electrode can be enclosed in this opening, electrically insulated from the bending body and the conductor element. A ring-shaped shield of the electrode over the conductor element is then formed by the edge of the bending body. In this way, the conductor element and the bending body are both at ground potential and form a corresponding shield against external interference potentials.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist das System eine elektronische Schaltung auf, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, ein elektrisches Signal der Elektrode zu verarbeiten, und das elektrische Potential der Probe zu ermitteln.In one embodiment of the invention, the system comprises an electronic circuit designed and configured to process an electrical signal from the electrode and to determine the electrical potential of the sample.

Insbesondere kann die elektronische Schaltung einen am Biegekörper angeordneten und elektrisch eingangsseitig mit der Elektrode und ausgangsseitig mit einem nachgeschalteten Teil der elektronischen Schaltung verbundenen Vorverstärker der elektronischen Schaltung aufweisen. Dieser Vorverstärker ist vorzugsweise dazu ausgebildet, wenn die Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, eine durch die Probe zwischen dieser und der Elektrode induzierte insbesondere zeitabhängige Spannung aufzunehmen, vorzuverstärken, und als eine insbesondere zeitabhängige Verstärkerspannung ausgangsseitig am nachgeschalteten Teil der elektronischen Schaltung bereitzustellen.In particular, the electronic circuit can have a preamplifier of the electronic circuit arranged on the bending body and electrically connected on the input side to the electrode and on the output side to a downstream part of the electronic circuit. This preamplifier is preferably designed, when the sample is arranged opposite the electrode, to receive a voltage induced by the sample between the electrode and the electrode, in particular a time-dependent voltage, to pre-amplify it, and to provide it as a particularly time-dependent amplifier voltage on the output side to the downstream part of the electronic circuit.

Weiterhin kann der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung einen eingangsseitig elektrisch mit einem Ausgang des Vorverstärkers verbundenen Gleichrichter aufweisen. Furthermore, the downstream part of the electronic circuit can have a rectifier electrically connected on the input side to an output of the preamplifier.

Dieser ist vorzugsweise dazu ausgebildet, insbesondere unter Zuhilfenahme der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung die zeitabhängige Verstärkerspannung gleichzurichten und ausgangsseitig am Gleichrichter als eine für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikative Gleichspannung an einem Ausgang des Gleichrichters bereitzustellen.This is preferably designed to rectify the time-dependent amplifier voltage, in particular with the aid of the adjustable frequency of the bending oscillation, and to provide it on the output side of the rectifier as a direct voltage indicative of the time-constant component of the electrical potential at an output of the rectifier.

Ferner kann der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung einen eingangsseitig mit dem Ausgang des Gleichrichters und ausgangsseitig mit der Probe elektrisch verbindbaren Regler aufweisen. Der Regler ist dabei vorzugsweise dazu ausgebildet, die eingangsseitig am Regler anliegende Gleichspannung durch eine ebenfalls für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials der Probe indikative Gegengleichspannung zu kompensieren und an einem Ausgang des Reglers bereitzustellen.Furthermore, the downstream part of the electronic circuit can have a regulator that can be electrically connected to the output of the rectifier on the input side and to the sample on the output side. The regulator is preferably designed to compensate for the DC voltage applied to the regulator on the input side by a counter DC voltage that is also indicative of the temporally constant component of the electrical potential of the sample and to provide it at an output of the regulator.

Der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung kann auch einen eingangsseitig mit dem Ausgang des Vorverstärkers sowie mit dem Ausgang des Reglers elektrisch verbundenen Summierer aufweisen. Der Summierer ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die zeitabhängige Vorverstärkerspannung und die Gegengleichspannung zu einer Summenspannung zu summieren und diese an einem Summiererausgang bereitzustellen.The downstream part of the electronic circuit can also have a summer that is electrically connected on the input side to the output of the preamplifier and to the output of the controller. The summer is preferably designed to calculate the time-dependent preamplifier voltage and to sum the counter DC voltage to a total voltage and provide this at a summing output.

Insbesondere ist die Elektrode elektrisch vom Biegekörper isoliert an diesem befestigt, wobei ein Abstand zwischen der Elektrode und dem auf Massepotential liegenden Biegekörper möglichst gering sein soll. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe ist vorzugsweise bereits in der Ruhelage des Biegekörpers wesentlich kleiner als eine laterale Ausdehnung der Elektrode. Um beispielsweise mögliche Höhenunterschiede verschiedenartiger Proben ausgleichen zu können oder um eine durch den Abstand zwischen der Probe und der Elektrode in der Ruhelage des Biegekörpers gegebene Messempfindlichkeit zu regulieren ist der Abstand zwischen der Probe und der Elektrode vorzugsweise mittels der Verschiebeeinheit einstellbar. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe liegt insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,5 mm. Weiterhin kann die laterale Ausdehnung im Bereich einigen Millimetern, wie beispielsweise 2 mm bis 50 mm liegen.In particular, the electrode is attached to the bending body in an electrically insulated manner, whereby the distance between the electrode and the bending body, which is at ground potential, should be as small as possible. The distance between the electrode and the sample is preferably already significantly smaller in the rest position of the bending body than the lateral extension of the electrode. In order to be able to compensate for possible height differences between different types of samples, for example, or to regulate the measurement sensitivity given by the distance between the sample and the electrode in the rest position of the bending body, the distance between the sample and the electrode is preferably adjustable using the displacement unit. The distance between the electrode and the sample is in particular between 0.05 mm and 0.5 mm. Furthermore, the lateral extension can be in the range of a few millimeters, for example 2 mm to 50 mm.

Weiterhin kann das System eine optionale elektrisch leitende Probenhalterung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, die Probe aufzunehmen und an der Probenhalterung zu fixieren. Die Probenhalterung ist vorzugweise mit der elektronischen Schaltung elektrisch verbindbar. Beispielsweise kann die Probenhalterung elektrisch auf dem Massepotential liegen, damit mittels des Systems ein zeitabhängiges Potential der Probe ermittelt werden kann. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Probenhalterung zu einer Kalibrierung des zeitabhängigen Potentials der Probe mit einem Testsignalgenerator und/oder zur Ermittlung eines zeitlich konstanten elektrischen Potentials der Probe und insbesondere zeitlich konstanten sowie zeitlich veränderlichen Potentials der Probe mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Insbesondere können insbesondere für die Untersuchung von großen Proben mit einer Probenoberfläche, die größer ist als die Oberfläche der Elektrode, die Probe und die Elektrode mittels einer optionalen Verschiebeeinheit des Systems gegeneinander verschoben werden.Furthermore, the system can have an optional electrically conductive sample holder, which is designed to receive the sample and to fix it to the sample holder. The sample holder can preferably be electrically connected to the electronic circuit. For example, the sample holder can be electrically connected to the ground potential so that a time-dependent potential of the sample can be determined by means of the system. It is also provided that the sample holder can be electrically connected to a test signal generator for calibrating the time-dependent potential of the sample and/or for determining a temporally constant electrical potential of the sample and in particular a temporally constant and temporally variable potential of the sample with a voltage source. In particular, in particular for the examination of large samples with a sample surface that is larger than the surface of the electrode, the sample and the electrode can be moved against each other by means of an optional displacement unit of the system.

In einer vorteilhaften Ausführung ist, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, ein elektrisch isolierender Film zwischen der Elektrode und der Probe angeordnet. Damit wird insbesondere ermöglicht, dass die Elektrode derart an die Probe angenähert werden kann, bis beide nur noch über den isolierenden Film voneinander getrennt sind. Somit werden, wenn der Film geeignet dünn gewählt wird, entsprechend geringe Abstände von Probe und Elektrode ermöglicht, ohne einen Kurzschluss zwischen Probe und Elektrode zu bewirken, was die Kapazität des Plattenkondensators aus Elektrode und Probe für die Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe vorteilhaft erhöht. Durch die Wahl des isolierenden Films kann weiterhin vorteilhaft eine Dielektrizitätszahl des Plattenkondensators angepasst werden, welche wiederum ebenfalls für die Kapazität des Plattenkondensators maßgeblich ist.In an advantageous embodiment, when a sample is arranged opposite the electrode, an electrically insulating film is arranged between the electrode and the sample. This makes it possible in particular for the electrode to be brought closer to the sample until the two are only separated from each other by the insulating film. Thus, if the film is chosen to be suitably thin, correspondingly small distances between the sample and the electrode are possible without causing a short circuit between the sample and the electrode, which advantageously increases the capacitance of the plate capacitor made up of the electrode and the sample for determining the electrical potential of the sample. The choice of the insulating film also makes it possible to advantageously adjust the dielectric constant of the plate capacitor, which in turn is also decisive for the capacitance of the plate capacitor.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Biegekörper entlang der zweiten Richtung eine Öffnung auf, sodass, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, die Probe über die Öffnung mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Somit kann durch die elektromagnetische Strahlung ein in der Probe stattfindender Wechselwirkungsprozess zwischen der Strahlung und der Probe induziert werden, welcher wiederum ein elektrisches Potential in der Probe hervorruft, sodass dieses mittels des Systems ermittelbar wird.In a further embodiment of the invention, the bending body has an opening along the second direction so that, when a sample is arranged opposite the electrode, the sample can be irradiated with electromagnetic radiation via the opening. The electromagnetic radiation can thus induce an interaction process between the radiation and the sample in the sample, which in turn causes an electrical potential in the sample so that this can be determined by means of the system.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrode für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent, sodass, wenn die Elektrode entlang einer optischen Achse zwischen Öffnung und der Probe positioniert ist, die Probe weiterhin mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Somit kann die Probe vorteilhaft durch die Elektrode hindurch mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden, was die Justage und Handhabung des Systems weiter vereinfacht.According to one embodiment, the electrode is at least partially transparent to the electromagnetic radiation, so that when the electrode is positioned along an optical axis between the opening and the sample, the sample can still be irradiated with electromagnetic radiation. The sample can thus advantageously be irradiated with electromagnetic radiation through the electrode, which further simplifies the adjustment and handling of the system.

In einer Ausführung entspricht die Biegeschwingung des Biegekörpers einer Resonanzfrequenz des Biegekörpers, wobei die Resonanzfrequenz insbesondere im Bereich von 500 Hz bis 1000 Hz liegt. Die Resonanzfrequenz wird dabei durch die Geometrie und die Materialien des Biegekörpers bestimmt. Wird die Biegeschwingung bei der Resonanzfrequenz des Biegekörpers betrieben, werden vorteilhaft maximale Auslenkungen des Biegekörpers bei minimaler durch die Aktuatoreinheit erzeugter Schwingungsenergie erreicht.In one embodiment, the bending vibration of the bending body corresponds to a resonance frequency of the bending body, with the resonance frequency being in particular in the range of 500 Hz to 1000 Hz. The resonance frequency is determined by the geometry and the materials of the bending body. If the bending vibration is operated at the resonance frequency of the bending body, maximum deflections of the bending body are advantageously achieved with minimal vibration energy generated by the actuator unit.

Durch Anregung mit der Resonanzfrequenz des Biegekörpers wird eine hohe Schwingungsgüte erreicht. So lässt sich eine gewünschte Schwingungsamplitude des Biegekörpers bereits mit sehr geringer Anregungsamplitude erzielen.A high vibration quality is achieved by excitation with the resonance frequency of the bending body. This means that a desired vibration amplitude of the bending body can be achieved with a very low excitation amplitude.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, die Elektrode und die Probe relativ zueinander mittels einer Verschiebeeinheit des Systems verschiebbar. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn verhältnismäßig große, insbesondere planare Proben mittels des Systems vermessen werden sollen, sodass durch entsprechendes Verschieben der Elektrode und der Probe mittels der Verschiebeeinheit verschiedene Bereiche der Probe vermessbar sind. Die Probe bzw. die Elektrode können dabei so zueinander verschoben werden, dass ein entsprechender Bereich der Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, sodass der Bereich der Probe mit der Elektrode des Systems einen Plattenkondensator bildet. Weiterhin vorteilhaft kann mittels der Verschiebeeinheit insbesondere der Abstand zwischen der Probe und der Elektrode entlang der ersten Richtung eingestellt werden. Dieser Abstand ist dabei maßgeblich für die Kapazität des Plattenkondensators aus Probe und Elektrode, sodass hiermit die Kapazität des Plattenkondensators, insbesondere eine Kapazität bei Ruhelage des Biegekörpers, einstellbar wird. Die Verschiebeeinheit kann wahlweise dazu eingerichtet sein, Probe und Elektrode relativ zueinander in einer, zwei und/oder drei Raumrichtungen zu verschieben. Insbesondere können Probe und Elektrode so zueinander verschiebbar sein, dass die Probe ortsfest bleibt, während die Elektrode mittels der Verschiebeeinheit relativ zur Probe verschoben wird.In one embodiment of the invention, when a sample is arranged opposite the electrode, the electrode and the sample can be moved relative to each other by means of a displacement unit of the system. This is particularly advantageous when relatively large, in particular planar samples are to be measured by means of the system, so that by appropriately moving the electrode and the sample by means of the displacement unit, different areas of the sample can be measured. are. The sample or the electrode can be moved relative to one another such that a corresponding area of the sample is arranged opposite the electrode, so that the area of the sample forms a plate capacitor with the electrode of the system. Another advantageous feature of the displacement unit is that it can be used to adjust the distance between the sample and the electrode along the first direction. This distance is decisive for the capacitance of the plate capacitor made up of the sample and the electrode, so that the capacitance of the plate capacitor, in particular a capacitance when the bending body is at rest, can be adjusted. The displacement unit can optionally be set up to move the sample and electrode relative to one another in one, two and/or three spatial directions. In particular, the sample and electrode can be moved relative to one another such that the sample remains stationary, while the electrode is moved relative to the sample by means of the displacement unit.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist dieses eine Vakuumkammer, insbesondere eine Hochvakuumkammer oder eine Ultrahochvakuumkammer auf. Eine Vakuumkammer ist insbesondere dazu ausgebildet, Drücke von weniger als 300 hPa zu unterstützen. Im Gegensatz zur Vakuumkammer ist eine Hochvakuumkammer dazu eingerichtet und ausgebildet, Drücke zwischen 10^-8 bis 10^-3 hPa zu unterstützen. Eine Ultrahochvakuumkammer wiederum ist dazu ausgebildet und eingerichtet Drücke, zwischen 10^-11 hPa und 10^-8 hPa zu unterstützen. Im Folgenden wird zur besseren Lesbarkeit lediglich auf die Vakuumkammer referenziert. Es wird jedoch angemerkt, dass sich der Ausdruck „Vakuumkammer” jeweils auch auf die Hochvakuumkammer oder die Ultrahochvakuumkammer beziehen kann. Die Vakuumkammer ist vorzugsweise ausgebildet, zumindest die Elektrode und die gegenüber der Elektrode anordenbare Probe innerhalb der Vakuumkammer aufzunehmen, wobei, wenn die Probe gegenüber der Elektrode in der Vakuumkammer angeordnet ist, die Vakuumkammer zumindest teilweise evakuierbar ist. Somit kann das System bei einem einstellbaren Systemdruck betrieben werden. Insbesondere kann durch teilweises Evakuieren der Systemdruck zum Beispiel gegenüber dem Atmosphärendruck von 1000 hPa herabgesetzt werden, sodass die Biegeschwingung einem entsprechend verringerten Luftwiderstand ausgesetzt ist, was sich vorteilhaft in einer höheren Schwingungsgüte des Systems widerspiegelt. Dabei gilt: Je höher das Vakuum desto besser die Schwingungsgüte.In a further embodiment of the system according to the invention, this has a vacuum chamber, in particular a high vacuum chamber or an ultra-high vacuum chamber. A vacuum chamber is in particular designed to support pressures of less than 300 hPa. In contrast to the vacuum chamber, a high vacuum chamber is set up and designed to support pressures between 10 ^-8 to 10 ^-3 hPa. An ultra-high vacuum chamber, in turn, is designed and designed to support pressures between 10 ^-11 hPa and 10 ^-8 hPa. In the following, only the vacuum chamber is referred to for better readability. However, it is noted that the term "vacuum chamber" can also refer to the high vacuum chamber or the ultra-high vacuum chamber. The vacuum chamber is preferably designed to accommodate at least the electrode and the sample that can be arranged opposite the electrode within the vacuum chamber, wherein, when the sample is arranged opposite the electrode in the vacuum chamber, the vacuum chamber can be at least partially evacuated. The system can thus be operated at an adjustable system pressure. In particular, partial evacuation can reduce the system pressure, for example compared to atmospheric pressure of 1000 hPa, so that the bending vibration is exposed to a correspondingly reduced air resistance, which is advantageously reflected in a higher vibration quality of the system. The following applies: the higher the vacuum, the better the vibration quality.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials, insbesondere zeitabhängigen elektrischen Potentials einer Probe mittels des erfindungsgemäßen Systems oder einer seiner Ausführungsformen, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:

i) Positionieren der Probe gegenüber der Elektrode,
ii) mittels der Aktuatoreinheit, Anregen des Biegekörpers zur Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz um die Achse, sodass der Abstand der Probe und der Elektrode durch die Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz verändert wird,
iii) insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung, getaktetes Bestrahlen der Probe mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere über die Öffnung, sodass durch einen in der Probe stattfindenden Wechselwirkungsprozess zwischen der Probe und der elektromagnetischen Strahlung eine insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung modulierte, für das insbesondere zeitabhängige elektrische Potential der Probe indikative elektrische Spannung zwischen Probe und Elektrode induziert wird,
iv) mittels der elektronischen Schaltung, Verarbeiten des elektrischen Signals der Elektrode und Ermitteln des elektrischen Potentials der Probe.

A second aspect of the invention relates to a method for the contactless determination of an electrical potential, in particular time-dependent electrical potential of a sample by means of the system according to the invention or one of its embodiments, comprising at least the following steps:

i) Positioning the sample opposite the electrode,
ii) by means of the actuator unit, exciting the bending body to bend at the adjustable frequency around the axis so that the distance between the sample and the electrode is changed by the bending at the adjustable frequency,
iii) in particular with the adjustable frequency of the bending oscillation, irradiating the sample with electromagnetic radiation in a timed manner, in particular via the opening, so that an interaction process taking place in the sample between the sample and the electromagnetic radiation induces an electrical voltage between the sample and the electrode, which is modulated in particular with the adjustable frequency of the bending oscillation and is indicative of the time-dependent electrical potential of the sample,
(iv) by means of the electronic circuit, processing the electrical signal from the electrode and determining the electrical potential of the sample.

In einer vorteilhaften Ausführung weist das Verarbeiten des elektrischen Signals der Elektrode und das Erfassen des elektrischen Potentials der Probe weiterhin die folgenden Schritte auf:

i) mittels des Vorverstärkers, Vorverstärken der Spannung und Bereitstellen der entsprechenden Verstärkerspannung am Ausgang des Vorverstärkers,
ii) mittels des Gleichrichters, insbesondere unter Zuhilfenahme der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung, Gleichrichten der Verstärkerspannung und Bereitstellen der für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikativen Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters,
iii) mittels des Reglers, Regeln und Kompensieren der eingangsseitig am Regler anliegenden Gleichspannung durch Erzeugung einer die Gleichspannung kompensierenden Gegengleichspannung, sowie Bereitstellen der Gegengleichspannung am Ausgang des Reglers,
iv) mittels des Summierers, Summieren der für die periodische und die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikativen Verstärkerspannung und der Gegengleichspannung, sowie Bereitstellung der resultierenden Summenspannung am Summiererausgang.

In an advantageous embodiment, processing the electrical signal of the electrode and detecting the electrical potential of the sample further comprises the following steps:

i) by means of the preamplifier, pre-amplifying the voltage and providing the corresponding amplifier voltage at the output of the preamplifier,
(ii) by means of the rectifier, in particular with the aid of the adjustable frequency of the bending oscillation, rectifying the amplifier voltage and providing the direct voltage indicative of the time-constant component of the electrical potential at the output of the rectifier,
iii) by means of the controller, regulating and compensating the DC voltage applied to the input side of the controller by generating a counter DC voltage compensating the DC voltage, and providing the counter DC voltage at the output of the controller,
(iv) by means of the summer, summing the amplifier voltage indicative of the periodic and the time-constant component of the electrical potential and the counter DC voltage, and providing the resulting sum voltage at the summer output.

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems zur Ermittlung des elektrischen Potentials einer Probe;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Draufsicht auf die Elektrode des Systems, wobei die Elektrode elektrisch von einem umlaufenden Leiterelement isoliert ist;
3a-d weitere Ausführungsbeispiele des Systems, mit einem symmetrischen Biegekörper mit mittigem Schwingungsknoten sowie einem Piezoelement (3a, drittes Ausführungsbeispiel) und einem zusätzlichen Elektromagneten (3b, viertes Ausführungsbeispiel) als Aktuatoreinheit, einen wegen einer Öffnung des Biegekörpers asymmetrischen Biegekörper mit entsprechend der Änderung des Massenschwerpunktes und der Verteilung der Elastizität verschobenem Schwingungsknoten (3c, fünftes Ausführungsbeispiel) sowie einen einseitig an einer Verankerung fixierten Biegekörper mit nur einem Schwingungsbauch (3d, sechstes Ausführungsbeispiel);
4 ein siebtes Ausführungsbeispiel des Systems, wobei ein Vorverstärker der elektronischen Schaltung auf den Biegekörper befestigt ist und
5 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Systems und der mit dem System elektrisch verbindbaren elektronischen Schaltung.

In the following, embodiments as well as further features and advantages of the invention are explained with reference to the figures. They show:

1 a first embodiment of the system according to the invention for determining the electrical potential of a sample;
2 a second embodiment with a plan view of the electrode of the system, wherein the electrode is electrically insulated from a circumferential conductor element;
3a -d further embodiments of the system, with a symmetrical bending body with a central vibration node and a piezo element ( 3a , third embodiment) and an additional electromagnet ( 3b , fourth embodiment) as an actuator unit, a bending body which is asymmetrical due to an opening of the bending body and has a vibration node shifted according to the change in the center of mass and the distribution of elasticity ( 3c , fifth embodiment) and a bending body fixed on one side to an anchor with only one vibration antinode ( 3d , sixth embodiment);
4 a seventh embodiment of the system, wherein a preamplifier of the electronic circuit is attached to the bending body and
5 a circuit diagram of the system according to the invention and of the electronic circuit that can be electrically connected to the system.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100 zur Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe 1. 1 shows a first embodiment of the system 100 according to the invention for determining an electrical potential of a sample 1.

Das hier gezeigte System 100 umfasst einen länglichen Biegekörper 3, der sich im Wesentlichen entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung 12 erstreckt. Der Biegekörper 3 ist entlang einer ersten Richtung 11 über einen Bolzen 14 mit einer Aktuatoreinheit 2 wirkverbunden. Die Aktuatoreinheit 2 ist hier weiterhin mit einer Gegenmasse 4 wirkverbunden. Der Biegekörper 3 kann zum Beispiel aus Metall gefertigt sein, vorzugsweise Stahl oder Edelstahl. Das System 100 ist hier in einem Schnitt innerhalb einer durch die erste und die zweite Richtung 11,12 aufgespannten Ebene dargestellt. In diesem Schnitt ist eine Öffnung 8 des Biegekörpers 3 entlang seiner Achse sichtbar. Innerhalb dieser Öffnung 8 ist eine Elektrode 5 des Systems 100 angeordnet und elektrisch vom Biegekörper 3 isoliert aber mechanisch mit diesem verbunden, wobei die mechanische Verbindung in diesem Schnitt nicht dargestellt ist. Eine Wandung der Öffnung 8 bildet dabei ein umlaufendes Leiterelement 7, auf welches im Kontext von 2 weiter eingegangen werden soll.The system 100 shown here comprises an elongated bending body 3 which extends essentially along an axis along a second direction 12. The bending body 3 is operatively connected to an actuator unit 2 along a first direction 11 via a bolt 14. The actuator unit 2 is also operatively connected to a counter mass 4. The bending body 3 can be made of metal, for example, preferably steel or stainless steel. The system 100 is shown here in a section within a plane spanned by the first and second directions 11, 12. In this section, an opening 8 of the bending body 3 is visible along its axis. An electrode 5 of the system 100 is arranged within this opening 8 and is electrically insulated from the bending body 3 but mechanically connected to it, the mechanical connection not being shown in this section. A wall of the opening 8 forms a circumferential conductor element 7, which in the context of 2 should be discussed further.

Gegenüber der Elektrode 5 und insbesondere nicht zwingend ein Teil des Systems 100 ist, wie in 1 sichtbar, eine Probe 1 angeordnet, deren insbesondere zeitabhängiges elektrisches Potential mittels des Systems 100 ermittelbar ist. Hierzu kann die Probe zunächst über die Öffnung 8 mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden, damit über einen Wechselwirkungsprozess der elektromagnetischen Strahlung und der Probe 1 in der Probe 1 ein elektrisches Potential induziert wird. Insbesondere kann das elektrische Potential mit einer Taktung der elektromagnetischen Strahlung zeitlich moduliert werden, sodass auch das elektrische Potential eine zeitabhängige Veränderung erfährt, die mittels des Systems 100 ermittelbar ist. Die Elektrode 5 kann für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent sein, sodass die Probe 1 auch durch die Elektrode 5 hindurch mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist, was den Justageaufwand für die Bestrahlung erheblich vereinfacht.Opposite the electrode 5 and in particular not necessarily a part of the system 100, as in 1 visible, a sample 1 is arranged, the particular time-dependent electrical potential of which can be determined by means of the system 100. For this purpose, the sample can first be irradiated with electromagnetic radiation via the opening 8 so that an electrical potential is induced in the sample 1 via an interaction process between the electromagnetic radiation and the sample 1. In particular, the electrical potential can be modulated over time with a timing of the electromagnetic radiation so that the electrical potential also experiences a time-dependent change that can be determined by means of the system 100. The electrode 5 can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation so that the sample 1 can also be irradiated with electromagnetic radiation through the electrode 5, which considerably simplifies the adjustment effort for the irradiation.

Bei der elektromagnetischen Strahlung kann es sich zum Beispiel um elektromagnetische Wellen handeln, insbesondere um elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im Bereich von 1 THz bis 30 PHz.Electromagnetic radiation can, for example, be electromagnetic waves, in particular electromagnetic waves with frequencies in the range of 1 THz to 30 PHz.

In 1 ist eine Momentaufnahme des Biegekörpers 3 dargestellt, in der sich dieser in seiner Ruhelage befindet und sich somit im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung erstreckt. Erfindungsgemäß ist das System 100 allerdings derart ausgebildet, dass die Aktuatoreinheit 2 den Biegekörper 3 zu einer Biegeschwingung um seine Achse anregen kann. Die Biegeschwingung ist mit Pfeilen an den beiden Enden des Biegekörpers angedeutet. In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist hierfür die Aktuatoreinheit 2 an einem Kontaktbereich 6 starr über den Bolzen 14 mit dem Biegekörper 3 verbunden. Der Kontaktbereich 6 befindet sich hier in der Mitte des Biegekörpers 3 und umfasst somit, bei homogener Masseverteilung innerhalb des Biegekörpers 3, einen Schwerpunkt des Biegekörpers 3. Um den Biegekörper 3 zur Biegeschwingung anzuregen, kann die Aktuatoreinheit 2 den Biegekörper 3 entlang der ersten Richtung 11 hin- und herschieben. Damit die Aktuatoreinheit 2 möglichst auf den Schwerpunkt des Biegekörpers 3 einwirkt, kann der Bolzen 14 sich von der Aktuatoreinheit 2 hin zum Biegekörper 3 verjüngen, um so den Kontaktbereich 6 um den Schwerpunkt zu minimieren.In 1 a snapshot of the bending body 3 is shown in which it is in its rest position and thus extends essentially along the second direction. According to the invention, however, the system 100 is designed such that the actuator unit 2 can excite the bending body 3 to a bending oscillation about its axis. The bending oscillation is indicated by arrows at the two ends of the bending body. In the 1 In the first embodiment shown, the actuator unit 2 is rigidly connected to the bending body 3 at a contact area 6 via the bolt 14. The contact area 6 is located in the middle of the bending body 3 and thus, with a homogeneous mass distribution within the bending body 3, comprises a center of gravity of the bending body 3. In order to excite the bending body 3 to bending vibration, the actuator unit 2 can push the bending body 3 back and forth along the first direction 11. So that the actuator unit 2 acts as closely as possible on the center of gravity of the bending body 3, the bolt 14 can taper from the actuator unit 2 towards the bending body 3 in order to minimize the contact area 6 around the center of gravity.

Durch die Trägheit des Biegekörpers 3 bildet sich, wenn die Aktuatoreinheit 2 Schwingungsenergie generiert und diese mittels des Bolzens 14 auf den Biegekörper 3 überträgt, eine Biegeschwingung um die Achse des Biegekörpers 3 aus. Durch die Ankopplung des Biegekörpers 3 an die Aktuatoreinheit 2 im Kontaktbereich 6, der seinen Schwerpunkt umfasst, bildet sich dort ein Schwingungsknoten 33 mit minimaler Auslenkung des Biegekörpers 3 gegenüber seiner Ruhelage. Dagegen bildet sich an den freischwingenden beiden Enden des Biegekörpers 3 ein erster und ein zweiter Schwingungsbauch 31,32 mit minimaler mechanischer Impedanz sowie maximaler Auslenkung des Biegekörpers 3 gegenüber seiner Ruhelage aus.Due to the inertia of the bending body 3, when the actuator unit 2 generates vibration energy and transfers it to the bending body 3 by means of the bolt 14, a bending vibration is formed around the axis of the bending body 3. By coupling the bending body 3 to the actuator unit 2 in the contact area 6, which has its center of gravity , a vibration node 33 is formed there with minimal deflection of the bending body 3 compared to its rest position. In contrast, at the two freely vibrating ends of the bending body 3, a first and a second vibration node 31,32 is formed with minimal mechanical impedance and maximum deflection of the bending body 3 compared to its rest position.

Vorteilhafterweise wird, wie in 1 gezeigt, wenn die Aktuatoreinheit 2 in einem Kontaktbereich 6 im Bereich des Schwerpunkts des Biegekörpers 3 angeordnet ist, die Aktuatoreinheit 2 durch ein Piezoelement gebildet. Dies hat im Vergleich zum Beispiel mit einem Elektromagneten den Vorteil, bei geringer Auslenkung der Aktuatoreinheit 2 eine große Kraft zu entfalten, sodass die durch die Aktuatoreinheit 2 generierte Schwingungsenergie optimal in die Biegeschwingung des Biegekörpers 3 umgesetzt werden kann. Durch die starre Verbindung zwischen der Aktuatoreinheit 2 und dem Biegekörper 3 über den Bolzen 14 wird die Kraft der Aktuatoreinheit, respektive des Piezoelements, unmittelbar und nahezu verlustfrei auf den Biegekörper übertragen. Die Aktuatoreinheit 2, respektive das Piezoelement, ist hier von einem Gehäuse 15 umgeben, sodass von der Aktuatoreinheit 2, respektive dem Piezoelement ausgehende elektrische Störfelder effektiv vom Bereich zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 abgeschirmt werden können. Hierfür ist das Gehäuse 15 vorzugsweise über einen Draht 9 elektrisch zumindest mit dem Bolzen 9, der Aktuatoreinheit 2 und dem Biegekörper 3 verbunden und auf das vordefinierte Massepotential gelegt.Advantageously, as in 1 shown, when the actuator unit 2 is arranged in a contact area 6 in the area of the center of gravity of the bending body 3, the actuator unit 2 is formed by a piezo element. In comparison with an electromagnet, for example, this has the advantage of developing a large force with a small deflection of the actuator unit 2, so that the vibration energy generated by the actuator unit 2 can be optimally converted into the bending vibration of the bending body 3. Due to the rigid connection between the actuator unit 2 and the bending body 3 via the bolt 14, the force of the actuator unit, or the piezo element, is transferred directly and almost losslessly to the bending body. The actuator unit 2, or the piezo element, is surrounded here by a housing 15, so that electrical interference fields emanating from the actuator unit 2, or the piezo element, can be effectively shielded from the area between the sample 1 and the electrode 5. For this purpose, the housing 15 is preferably electrically connected via a wire 9 at least to the bolt 9, the actuator unit 2 and the bending body 3 and is set to the predefined ground potential.

Andererseits ist die Aktuatoreinheit 2 hier mit einer Gegenmasse 4 wirkverbunden. Erfindungsgemäß ist die Gegenmasse 4 federnd aufgehängt, im hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel mittels elastischer Aufhängungen 10. Über die elastischen Aufhängungen 10, welche beispielsweise ein Elastomer enthalten können, kann die mittels der Aktuatoreinheit 2 erzeugte Schwingungsenergie teilweise abfließen, sodass nur ein Teil der Schwingungsenergie in die Biegeschwingung des Biegekörpers übergeht. Dieser Energieabfluss ist wegen der Verbindung und Wechselwirkung des Biegekörpers 3 mit seiner Umgebung unvermeidbar. In 1 wird die Umgebung des Biegekörpers 3 durch eine Wandung 13 symbolisiert, welche als Wesentlich schwerer als der Biegekörper 3 und die Gegenmasse 4 gemeinsam angenommen werden kann. Die Wandung 13 kann beispielsweise eine Wandung 13 einer Messkammer des Systems 100 sein, beispielsweise einer Vakuumkammer. Mit einer solchen Vakuumkammer kann dann der Bereich zwischen Probe 1 und Elektrode 4 zumindest teilweise evakuiert und das elektrische Potential der Probe 1 unter entsprechenden Bedingungen ermittelt werden. Auch oder zusätzlich denkbar ist, dass die Wandung 13 zu einer Verschiebeeinheit des Systems 100 gehört. Mittels einer solchen Verschiebeeinheit kann dann das System 100, respektive die Elektrode 5, relativ zur Probe 1 verschoben werden.On the other hand, the actuator unit 2 is operatively connected to a counter mass 4. According to the invention, the counter mass 4 is suspended in a spring-loaded manner, in the first embodiment shown here by means of elastic suspensions 10. The vibration energy generated by the actuator unit 2 can partially flow away via the elastic suspensions 10, which can contain an elastomer, for example, so that only part of the vibration energy is transferred to the bending vibration of the bending body. This energy flow is unavoidable due to the connection and interaction of the bending body 3 with its environment. In 1 the surroundings of the bending body 3 are symbolized by a wall 13, which can be assumed to be significantly heavier than the bending body 3 and the counter mass 4 together. The wall 13 can be, for example, a wall 13 of a measuring chamber of the system 100, for example a vacuum chamber. With such a vacuum chamber, the area between sample 1 and electrode 4 can then be at least partially evacuated and the electrical potential of the sample 1 can be determined under appropriate conditions. It is also or additionally conceivable that the wall 13 belongs to a displacement unit of the system 100. By means of such a displacement unit, the system 100, or the electrode 5, can then be displaced relative to the sample 1.

Die federnde Aufhängung über die Gegenmasse 4 sorgt vorteilhaft dafür, dass der Energieabfluss der Schwingungsenergie und eine Schwingungsgüte der Biegeschwingung über einen Grad der Elastizität der elastischen Aufhängung 10 einstellbar wird. Insbesondere kann so durch eine geeignete Wahl insbesondere der Massen von Biegekörper 3 und Gegenmasse 4 sowie der Verbindungen zwischen Aktuatoreinheit 2 und Biegekörper 3 sowie zwischen Aktuatoreinheit 2 und Gegenmasse 4 eine maximale Auslenkung der Schwingungsbäuche 31,32 bei minimaler durch die Aktuatoreinheit 2 erzeugter Schwingungsenergie und vertretbarem Energieabfluss aus dem System 100 erreicht werden. Hierfür wird die Masse der Gegenmasse 4 vorzugsweise als 3- bis 10-mal so schwer wie eine Gesamtmasse des Biegekörpers 3 und des Bolzens 14 gewählt.The spring suspension via the counter mass 4 advantageously ensures that the energy outflow of the vibration energy and a vibration quality of the bending vibration can be adjusted via a degree of elasticity of the elastic suspension 10. In particular, by a suitable choice of the masses of the bending body 3 and counter mass 4 and the connections between the actuator unit 2 and the bending body 3 and between the actuator unit 2 and counter mass 4, a maximum deflection of the vibration antinodes 31, 32 can be achieved with minimal vibration energy generated by the actuator unit 2 and an acceptable energy outflow from the system 100. For this purpose, the mass of the counter mass 4 is preferably selected to be 3 to 10 times as heavy as a total mass of the bending body 3 and the bolt 14.

Gemäß Impulserhaltungssatz vollzieht die Gegenmasse 4 dann mechanische Schwingungen derselben Frequenz wie der Bolzen 14 und der Biegekörper 3, jedoch in jeweils entgegengesetzter Richtung und mit einer Auslenkung, die entsprechend den Masseverhältnissen um 3- bis 10-mal geringer als die Auslenkung des Bolzens 14 ist. Die Kräfte, die die Gegenmasse 4 durch ihre mechanischen Schwingungen ausübt, sind dieselben wie jene, die der Bolzen 14 auf den Biegekörper 3 ausübt. Somit ist die mechanische Impedanz der Gegenmasse 4 ebenfalls entsprechend den Masseverhältnissen um 3- bis 10-mal größer als die des Bolzens 14. Die elastische Aufhängung 10, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Gegenmasse 4, die Aktuatoreinheit 2, der Bolzen 14 und der Schwingungsknoten 33 des Biegekörpers 3 entlang der ersten Richtung 11 hinreichend ortsfest verbleiben, sodass lediglich die Schwingungsbäuche 31,32 eine möglichst große Auslenkung entlang der ersten Richtung 11 erfahren. Durch die gemäß den Massenverhältnissen große Impedanz der nur mit minimaler Auslenkung, aber großer Kraft bewegten Gegenmasse 4 wird der Gegenmasse 4, der Aktuatoreinheit 2, dem Bolzen und dem Biegekörper 3 entsprechend wenig Schwingungsenergie entzogen. Die Schwingungsgüte bleibt daher bei großen Auslenkungen der Schwingungsbäuche 31,32 vorteilhaft hoch, sodass nur geringe Ansteuerungsleistungen der Aktuatoreinheit 2 benötigt werden. So kann das System 100 beispielsweise mit einem Piezoelement bei wenigen Volt, statt bei sonst üblichen Ansteuerungsspannungen in der Größenordnung von 100 Volt, betrieben werden. Die entsprechend niedrige Ansteuerungsleistung sorgt damit vorteilhaft für schwächere Störfelder, die, wenn sie in den Bereich zwischen Probe 1 und Elektrode 5 einkoppeln, zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 beitragen können. Weiterhin vorteilhaft bleibt durch die niedrige Ansteuerungsleistung die thermische Verlustleistung des Piezoelements, welche quadratisch mit seiner Ansteuerungsspannung und linear mit einer Ansteuerungsfrequenz zusammenhängt, vorteilhaft gering, sodass auch bei hohen Ansteuerungsfrequenzen bis in den kHz-Bereich gearbeitet werden kann.According to the law of conservation of momentum, the counter mass 4 then performs mechanical oscillations at the same frequency as the bolt 14 and the bending body 3, but in opposite directions and with a deflection that, depending on the mass ratios, is 3 to 10 times less than the deflection of the bolt 14. The forces that the counter mass 4 exerts through its mechanical oscillations are the same as those that the bolt 14 exerts on the bending body 3. Thus, the mechanical impedance of the counter mass 4 is also 3 to 10 times greater than that of the bolt 14, depending on the mass ratios. The elastic suspension 10 is preferably designed such that the counter mass 4, the actuator unit 2, the bolt 14 and the vibration node 33 of the bending body 3 remain sufficiently stationary along the first direction 11, so that only the antinodes 31, 32 experience the greatest possible deflection along the first direction 11. Due to the high impedance of the counter mass 4, which is moved with only minimal deflection but great force, correspondingly little vibration energy is extracted from the counter mass 4, the actuator unit 2, the bolt and the bending body 3, according to the mass ratios. The vibration quality therefore remains advantageously high with large deflections of the antinodes 31, 32, so that only low control power of the actuator unit 2 is required. For example, the system 100 can be operated with a piezo element at a few volts instead of the usual control voltages of the order of 100 volts. The correspondingly low control power thus advantageously ensures weaker interference fields, which, if they are in the range between sample 1 and electrode 5, can contribute to the measurement error of the electrical potential of sample 1. Another advantage of the low control power is that the thermal power loss of the piezo element, which is quadratically related to its control voltage and linearly related to a control frequency, remains advantageously low, so that work can be carried out even at high control frequencies up to the kHz range.

Wie weiterhin 1 entnehmbar, ist die Elektrode 5 an einem der beiden bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsbäuche 31,32 angeordnet, im hier gezeigten ersten Ausführungsbeispiel am ersten Schwingungsbauch 31. Selbstverständlich kann die Elektrode 5 aber auch am zweiten Schwingungsbauch 32 angeordnet sein, oder auch jeweils eine Elektrode 5 an einem zugehörigen Schwingungsbauch 31,32. Folglich ist ein Abstand entlang der ersten Richtung 11 zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 über die nahezu gesamte Auslenkung des Schwingungsbauches 31 gegenüber der Ruhelage des Biegekörpers 3 veränderbar. Die Probe 1 und die Elektrode 5 bilden somit jeweils eine Platte eines Plattenkondensators. Der für eine Kapazität des Plattenkondensators maßgebliche Abstand zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 ist dabei vorteilhaft über die gesamte Auslenkung des Schwingungsbauches 31 veränderbar. Somit führt ein in der Probe 1 induziertes elektrisches Potential zu entsprechend großen Änderungen der Kapazität, sodass das elektrische Potential der Probe 1 mittels des Systems 100 vorteilhaft genauer ermittelbar wird.As continued 1 As can be seen, the electrode 5 is arranged on one of the two antinodes 31, 32 created during bending vibration, in the first embodiment shown here on the first antinode 31. Of course, the electrode 5 can also be arranged on the second antinode 32, or one electrode 5 on each associated antinode 31, 32. Consequently, a distance along the first direction 11 between the sample 1 and the electrode 5 can be changed over almost the entire deflection of the antinode 31 relative to the rest position of the bending body 3. The sample 1 and the electrode 5 thus each form a plate of a plate capacitor. The distance between the sample 1 and the electrode 5, which is decisive for a capacitance of the plate capacitor during bending vibration of the bending body 3, can advantageously be changed over the entire deflection of the antinode 31. Thus, an electrical potential induced in the sample 1 leads to correspondingly large changes in the capacitance, so that the electrical potential of the sample 1 can advantageously be determined more precisely by means of the system 100.

Zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 umfasst das System 100 insbesondere eine elektronische Schaltung 20, auf die gesondert in 5 eingegangen werden soll. Die elektronische Schaltung 20 ist elektrisch über einen Draht 9 mit der Elektrode 5 verbunden, sodass ein für das elektrische Potential der Probe 1 indikatives Signal von der Elektrode 5 über den Draht 9 an die elektronische Schaltung 20 weitergegeben werden kann. Hierzu kann die schwere Wandung 13 zumindest eine Durchführung 16 aufweisen, über welche der Draht 9 elektrisch mit der elektronischen Schaltung 20 verbunden ist. Der Draht 9 ist dabei vorzugsweise flexibel ausgebildet, sodass die Biegeschwingung des Biegekörpers 3 durch den Draht 9 möglichst keine zusätzliche Dämpfung erfährt.To determine the electrical potential of the sample 1, the system 100 comprises in particular an electronic circuit 20, which is described separately in 5 should be addressed. The electronic circuit 20 is electrically connected to the electrode 5 via a wire 9, so that a signal indicative of the electrical potential of the sample 1 can be passed from the electrode 5 via the wire 9 to the electronic circuit 20. For this purpose, the heavy wall 13 can have at least one feedthrough 16, via which the wire 9 is electrically connected to the electronic circuit 20. The wire 9 is preferably designed to be flexible, so that the bending vibration of the bending body 3 is not subjected to any additional damping by the wire 9.

Das Gehäuse 15 kann insbesondere zumindest teilweise gasdicht ausgebildet sein, sodass die Aktuatoreinheit 2 innerhalb des Gehäuses 15 bei einem vorgegebenen Gehäusedruck arbeiten kann. Dieser Gehäusedruck kann dann unabhängig von einem Druck außerhalb des Gehäuses 15 sein, beispielsweise wenn die schwere Wandung 13 Teil einer teilweise evakuierbaren Vakuumkammer ist, sodass der Bereich außerhalb des Gehäuses 15 aber innerhalb der schweren Wandung 13 teilweise evakuierbar ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Aktuatoreinheit 2 ein Piezoelement umfasst, da Piezoelemente bevorzugt bei einem hinreichenden Umgebungsdruck (z.B. bei Normaldruck, 1015 hPa) eingesetzt werden, um ein Ausgasen der am Piezo-Aktuator üblicher Weise verwendeten Kunststoffbestandteile (wie einer Umhüllung des Piezoelements) und eine damit verbundene Verschlechterung des Vakuums zu verhindern. Weiterhin vorteilhaft verhindert ein derartig gasdicht ausgebildetes Gehäuse 15 ein Ausgasen von Komponenten des Systems 100, insbesondere der elastischen Aufhängung 10 und der Aktuatoreinheit 2 in den evakuierbaren Bereich außerhalb des Gehäuses 15. Insbesondere kann die Verbindung zwischen dem Bolzen 14 und dem Gehäuse 15 gasdicht ausgebildet sein und gleichzeitig eine durch die Aktuatoreinheit 2 verursachte Bewegung des Bolzens 14 relativ zum Gehäuse 15 entlang der ersten Richtung 11 erlauben. Dies kann zum Beispiel durch eine zwischen dem Bolzen 14 und dem Gehäuse 15 angeordnete Membran oder einen Faltenbalg realisiert werden.The housing 15 can in particular be designed to be at least partially gas-tight, so that the actuator unit 2 can work inside the housing 15 at a predetermined housing pressure. This housing pressure can then be independent of a pressure outside the housing 15, for example if the heavy wall 13 is part of a partially evacuatable vacuum chamber, so that the area outside the housing 15 but inside the heavy wall 13 can be partially evacuated. This is particularly advantageous if the actuator unit 2 comprises a piezo element, since piezo elements are preferably used at a sufficient ambient pressure (e.g. at normal pressure, 1015 hPa) in order to prevent outgassing of the plastic components usually used on the piezo actuator (such as a casing of the piezo element) and the associated deterioration of the vacuum. Furthermore, a housing 15 designed to be gas-tight in this way advantageously prevents outgassing of components of the system 100, in particular of the elastic suspension 10 and the actuator unit 2, into the evacuatable area outside the housing 15. In particular, the connection between the bolt 14 and the housing 15 can be designed to be gas-tight and at the same time allow a movement of the bolt 14 caused by the actuator unit 2 relative to the housing 15 along the first direction 11. This can be achieved, for example, by a membrane or a bellows arranged between the bolt 14 and the housing 15.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100, wobei in einer Draufsicht eine an einem Ende des sich entlang der Achse entlang der zweiten Richtung 12 erstreckenden Biegekörpers 3 angeordnete Elektrode 5 sichtbar ist. Die Elektrode 5 ist dabei derart in den Biegekörper 3 eingefasst, dass eine die Elektrode 5 umgebende Wandung des Biegekörpers 3 ein umlaufendes Leiterelement 7 bildet. Vorteilhafterweise liegt dabei der Biegekörper 3 elektrisch auf dem vordefinierten Massepotential, sodass das durch den Biegekörper 3 gebildete umlaufende Leiterelement 7 vorteilhaft für eine zumindest teilweise Abschirmung von Störfeldern sorgt, welche ansonsten verstärkt zu einem Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 beitragen würden. Die hier nicht dargestellte Probe 1 wird vorzugweise gegenüber der Elektrode 5 angeordnet, sodass die Probe 1 mit der Elektrode 5 einen Plattenkondensator bildet. 2 shows a second embodiment of the system 100 according to the invention, wherein in a top view an electrode 5 arranged at one end of the bending body 3 extending along the axis along the second direction 12 is visible. The electrode 5 is enclosed in the bending body 3 in such a way that a wall of the bending body 3 surrounding the electrode 5 forms a circumferential conductor element 7. Advantageously, the bending body 3 is electrically at the predefined ground potential, so that the circumferential conductor element 7 formed by the bending body 3 advantageously ensures at least partial shielding from interference fields, which would otherwise contribute to a measurement error of the electrical potential of the sample 1. The sample 1, not shown here, is preferably arranged opposite the electrode 5, so that the sample 1 forms a plate capacitor with the electrode 5.

In 3a-d sind weitere Ausführungsbeispiele des Systems 100 dargestellt. in allen Ausführungsbeispielen liegt die Elektrode 5 vorzugsweise im Bereich des bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 entstehenden ersten Schwingungsbauches 31. Weiterhin ist allen in 3 gezeigten Ausführungsbeispielen gemein, dass die Gegenmasse 4 wie erfindungsgemäß vorgeschlagen federnd aufgehängt ist.In 3a -d further embodiments of the system 100 are shown. In all embodiments, the electrode 5 is preferably located in the area of the first vibration antinode 31 that arises during bending vibration of the bending body 3. Furthermore, all in 3 shown embodiments have in common that the counter mass 4 is spring-suspended as proposed according to the invention.

3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Systems 100 mit einem symmetrischen Biegekörper 3, welcher über seinen Schwerpunkt in der Mitte des Biegekörpers 3 durch die Aktuatoreinheit 2 zur Biegeschwingung anregbar ist. Hierfür wird bevorzugterweise ein Piezoelement als Aktuatoreinheit 2 verwendet, welches über den Bolzen 14 auf einen Kontaktbereich 6 des Biegekörpers 3 einwirkt, um diesen so zur Biegeschwingung anzuregen. Hierbei entsteht ein erster und ein zweiter Schwingungsbauch 31,32, wobei der Kontaktbereich 6 mit einem Schwingungsknoten 33 zusammenfällt. 3a shows a third embodiment of the system 100 with a symmetrical bending body 3, which is arranged above its center of gravity in the The center of the bending body 3 can be excited to bending vibration by the actuator unit 2. For this purpose, a piezo element is preferably used as the actuator unit 2, which acts on a contact area 6 of the bending body 3 via the bolt 14 in order to excite it to bending vibration. This creates a first and a second vibration antinode 31, 32, with the contact area 6 coinciding with a vibration node 33.

Im in 3b dargestellten vierten Ausführungsbeispiel des Systems 100 ist erneut ein symmetrischer Biegekörper 3 sichtbar, wobei eine Aktuatoreinheit 2 im Bereich eines bei Biegeschwingung entstehenden zweiten Schwingungsbauches 32 angeordnet ist. Die Aktuatoreinheit 2 ist hier vorzugsweise als Elektromagnet ausgebildet, wobei der Biegekörper 3 im Bereich des zweiten Schwingungsbauches 32 zumindest abschnittsweise magnetisch, insbesondere ferromagnetisch ausgebildet ist, sodass der Elektromagnet Schwingungsenergie in den Biegekörper 3 einleiten kann. Somit kann die maximale Auslenkung im Bereich der Schwingungsbäuche 31,32, insbesondere im Bereich des ersten Schwingungsbauches 31 mit der Elektrode 5, vorteilhaft mittels eines Elektromagneten eingestellt werden.In 3b In the fourth exemplary embodiment of the system 100 shown, a symmetrical bending body 3 is again visible, with an actuator unit 2 being arranged in the region of a second vibration antinode 32 that arises during bending vibration. The actuator unit 2 is preferably designed as an electromagnet, with the bending body 3 in the region of the second vibration antinode 32 being at least partially magnetic, in particular ferromagnetic, so that the electromagnet can introduce vibration energy into the bending body 3. The maximum deflection in the region of the vibration antinodes 31, 32, in particular in the region of the first vibration antinode 31 with the electrode 5, can thus advantageously be set by means of an electromagnet.

In dem fünften Ausführungsbeispiel des Systems 100 aus 3c ist ein Biegekörper 3 dargestellt, der durch eine im Bereich des ersten Schwingungsbauches 31 angeordnete Öffnung 8 aufweist. Durch die Öffnung 8 ist der Biegekörper 3 nicht mehr symmetrisch bezüglich seines Schwerpunkts ausgebildet. Entsprechend wird hier vorteilhaft der Kontaktbereich 6 des über den Bolzen 14 mit der Aktuatoreinheit 2 verbundenen Biegekörpers 3 von der Öffnung 8 weg hin zum entsprechend gegenüber dem Biegekörper 3 aus 3a entlang der zweiten Richtung 12 verschobenen Schwerpunkt dieses Biegekörpers 3 verschoben. Damit kann der Biegekörper 3 auch in einer asymmetrischen Konfiguration über den entsprechend zum bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknoten 33 bzw. zum Schwerpunkt des Biegekörpers 3 verschobenen Kontaktbereich 6 zur Biegeschwingung angeregt werden.In the fifth embodiment of the system 100 of 3c a bending body 3 is shown, which has an opening 8 arranged in the area of the first vibration antinode 31. Due to the opening 8, the bending body 3 is no longer symmetrical with respect to its center of gravity. Accordingly, the contact area 6 of the bending body 3 connected to the actuator unit 2 via the bolt 14 is advantageously moved away from the opening 8 towards the corresponding opposite the bending body 3 from 3a along the second direction 12, the center of gravity of this bending body 3 is displaced. The bending body 3 can thus also be excited to bending vibration in an asymmetrical configuration via the contact area 6, which is displaced in accordance with the vibration node 33 that arises during bending vibration or the center of gravity of the bending body 3.

3d zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Systems 100 mit einem einseitig an der Wandung 13 fixierten Biegekörper 3. Die Wandung 13 ist hier als wesentlich massiver als der Biegekörper 3, der Bolzen 14, die Aktuatoreinheit 2 und die Gegenmasse 4 angenommen, sodass eine über die Aktuatoreinheit 2 angeregte Biegeschwingung des Biegekörpers 3 wegen der massiven Ankopplung an der Wandung 13, welche einen ortsfesten Schwingungsknoten 33 bildet, in diesem Fall eine Biegeschwingungsmode mit insbesondere nur einem ersten Schwingungsbauch 31 bewirkt. 3d shows a sixth embodiment of the system 100 with a bending body 3 fixed on one side to the wall 13. The wall 13 is assumed here to be significantly more massive than the bending body 3, the bolt 14, the actuator unit 2 and the counter mass 4, so that a bending vibration of the bending body 3 excited via the actuator unit 2 causes a bending vibration mode with in particular only a first vibration antinode 31 in this case due to the massive coupling to the wall 13, which forms a stationary vibration node 33.

Ein weiteres, siebtes Ausführungsbeispiel des Systems 100 ist in 4 gezeigt. Hier kann ein Biegekörper 3 im Bereich des Schwerpunkts des Biegekörpers 3 über die Aktuatoreinheit 2 zur Biegeschwingung angeregt werden, wobei die Aktuatoreinheit 2 andererseits fest mit der Gegenmasse 4 verbunden ist. Die Gegenmasse 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel starr mit einem Gehäuse 15 verbunden, welches wiederum über eine elastische Aufhängung 10 elastisch mit einer Wandung 13 verbunden ist. Die Wandung 13 wird hier als Wesentlich schwerer als Biegekörper 3, Bolzen 14, Aktuatoreinheit 2, Gegenmasse 4 und Gehäuse 15 angenommen. Das Gehäuse 15 weist eine Aussparung auf, über welche die Aktuatoreinheit 2 über den Bolzen 14 mit dem Biegekörper 3 verbunden ist. Somit ist hier die Gegenmasse 4 und das fest mit der Gegenmasse 4 verbundene Gehäuse 15 federnd über die elastische Aufhängung an der Wandung 13 aufgehängt. Die Gesamtmasse von Gegenmasse 4 und Gehäuse 15 wird vorzugweise als 3- bis 10-fach so hoch wie die Masse des Biegekörpers 3 angesetzt, sodass die Biegeschwingung eine hinreichend hohe Schwingungsgüte aufweist und gleichzeitig das Gehäuse 15 und die Gegenmasse 5, welche einen Sensorkopf bilden, im Sinne einer leichten Handhabung kompakt bleiben.A further, seventh embodiment of the system 100 is shown in 4 shown. Here, a bending body 3 in the area of the center of gravity of the bending body 3 can be excited to bending vibration via the actuator unit 2, wherein the actuator unit 2 is on the other hand firmly connected to the counter mass 4. The counter mass 4 in this embodiment is rigidly connected to a housing 15, which in turn is elastically connected to a wall 13 via an elastic suspension 10. The wall 13 is assumed here to be significantly heavier than the bending body 3, bolt 14, actuator unit 2, counter mass 4 and housing 15. The housing 15 has a recess via which the actuator unit 2 is connected to the bending body 3 via the bolt 14. Thus, the counter mass 4 and the housing 15 firmly connected to the counter mass 4 are suspended resiliently via the elastic suspension on the wall 13. The total mass of counter mass 4 and housing 15 is preferably set at 3 to 10 times the mass of the bending body 3, so that the bending vibration has a sufficiently high vibration quality and at the same time the housing 15 and the counter mass 5, which form a sensor head, remain compact for easy handling.

Der Biegekörper 3 weist auch hier eine Öffnung 8 für Lichteintritt auf, um über die Elektrode 5 das elektrische Potential der Probe 1 mit und ohne Licht durchführen zu können. Zudem ist in diesem Fall die Elektrode 5 über einen Draht 9 mit dem Eingang eines hier auf dem Biegekörper 3 befestigten Vorverstärkers 22 verbunden. Dies hat den Vorteil, dass der Draht 9 zwischen der Elektrode 5 und dem Eingang des Vorverstärkers 22 in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend kurz gewählt werden kann, sodass die durch den Draht 9 bedingte, unvermeidbare parasitäre Kapazität des Drahtes 9 entsprechend verringert wird. Dies wirkt sich positiv auf den Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 22 und damit die Genauigkeit der Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 aus. Der Vorverstärker 22 bildet eine Komponente der elektronischen Schaltung 20, welche hier nicht weiter dargestellt ist. Auf die elektronische Schaltung 20 zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 soll in 5 genauer eingegangen werden.Here, too, the bending body 3 has an opening 8 for light entry in order to be able to pass through the electrode 5 to the electrical potential of the sample 1 with and without light. In addition, in this case, the electrode 5 is connected via a wire 9 to the input of a preamplifier 22 attached here to the bending body 3. This has the advantage that the wire 9 between the electrode 5 and the input of the preamplifier 22 can be chosen to be correspondingly short in this embodiment, so that the unavoidable parasitic capacitance of the wire 9 caused by the wire 9 is reduced accordingly. This has a positive effect on the amplification factor of the preamplifier 22 and thus the accuracy of the determination of the electrical potential of the sample 1. The preamplifier 22 forms a component of the electronic circuit 20, which is not shown in more detail here. The electronic circuit 20 for determining the electrical potential of the sample 1 will be discussed in more detail in 5 be discussed in more detail.

Für das hier in 4 betrachtete siebte Ausführungsbeispiel kann insbesondere ein Biegekörper 3 aus V2A-Stahl mit Abmessungen von 100×8×2 mm³ mit einer resultierenden Resonanzfrequenz von 617 Hz verwendet werden. Die Anregung kann zum Beispiel im Schwingungsknoten 33 des Biegekörpers 3 mittels eines Piezoelements Modell PC4GQ, Thorlabs® geschehen. Der Bolzen 14 zwischen dem Biegekörper 3 und dem Piezoelement kann aus V2A-Stahl bestehen und mit dem Biegekörper 3 fest verschraubt sein, beispielsweise mittels zumindest einer M1.6-Schraube, und mit dem Piezoelement insbesondere verklebt sein, zum Beispiel mittels eines Zweikomponentenklebers. Auf der anderen Seite kann das Piezoelement mit einem die Gegenmasse 4 bildenden Eisenquader verklebt, sein. Die Gegenmasse 4 kann beispielsweise ein Gewicht von 45 g aufweisen und wiederum fest mit einem Gehäuse 15, zum Beispiel aus Aluminium und mit den Maßen 52×38×31 mm³, verschraubt sein. Das Gehäuse 15 liegt dabei durch eine elektrische Verbindung über einen Draht 9 auf dem vordefinierten Massepotential von Biegekörper 3, Bolzen 14, Aktuatoreinheit 2 und Gegenmasse 4.For this here in 4 In the seventh embodiment considered, a bending body 3 made of V2A steel with dimensions of 100×8×2 mm ³ with a resulting resonance frequency of 617 Hz can be used. The excitation can, for example, take place in the vibration node 33 of the bending body 3 by means of a piezo element model PC4GQ, Thorlabs®. The bolt 14 between the bending body 3 and the piezo element can be made of V2A steel and can be connected to the bending body per 3, for example by means of at least one M1.6 screw, and in particular glued to the piezo element, for example by means of a two-component adhesive. On the other hand, the piezo element can be glued to an iron cuboid forming the counter mass 4. The counter mass 4 can, for example, have a weight of 45 g and in turn be firmly screwed to a housing 15, for example made of aluminum and with the dimensions 52×38×31 mm ³ . The housing 15 is connected to the predefined ground potential of the bending body 3, bolt 14, actuator unit 2 and counter mass 4 by an electrical connection via a wire 9.

Für eine Auslenkung der Schwingungsbäuche 31, 32 von 50 µm wird in diesem Ausführungsbeispiel bei Verwendung eines Piezoelements als Aktuatoreinheit 2 lediglich eine Spannung von etwa 1 V benötigt, was einer Auslenkung des Piezoelements entlang der ersten Richtung 11 von nur einigen hundert Nanometern entspricht. Die Resonanz des Biegekörpers 3 ist derart stabil, dass die Anregung der Biegeschwingung beispielsweise durch einen mit dem Piezoelement verbundenen Signalgenerator mit einstellbarer Anregungsfrequenz erfolgen kann.In this embodiment, when using a piezo element as the actuator unit 2, a voltage of only about 1 V is required for a deflection of the oscillation antinodes 31, 32 of 50 µm, which corresponds to a deflection of the piezo element along the first direction 11 of only a few hundred nanometers. The resonance of the bending body 3 is so stable that the bending vibration can be excited, for example, by a signal generator connected to the piezo element with an adjustable excitation frequency.

5 zeigt ein Schaltbild der mit dem erfindungsgemäßen System 100 verbindbaren elektronischen Schaltung 20 zur Ermittlung des elektronischen Potentials der Probe 1. Es sind insbesondere der Biegekörper 3 sowie die am Biegekörper 3 angeordnete Elektrode 5 des Systems 100 sichtbar. Die Probe 1 und die Elektrode 5 bilden einen Plattenkondensator. Weiterhin kann die Probe 1 elektrisch mit einer hier nicht dargestellten Probenhalterung elektrisch verbunden, insbesondere kurzgeschlossen sein. 5 shows a circuit diagram of the electronic circuit 20 that can be connected to the system 100 according to the invention for determining the electronic potential of the sample 1. In particular, the bending body 3 and the electrode 5 of the system 100 arranged on the bending body 3 are visible. The sample 1 and the electrode 5 form a plate capacitor. Furthermore, the sample 1 can be electrically connected, in particular short-circuited, to a sample holder (not shown here).

Die hier dargestellte elektronische Schaltung 20 kann insbesondere in zwei Varianten verwendet werden, welche mittels eines Schalters 28 eingestellt werden können. Die Probe 1 ist dafür über eine Leiterverbindung elektrisch mit dem Schalter 28 verbunden. Die Leiterverbindung kann ferner einen Kondensator 26 aufweisen, über welchen die Probe 1 für Hochfrequenz geerdet ist.The electronic circuit 20 shown here can be used in two variants in particular, which can be set by means of a switch 28. The sample 1 is electrically connected to the switch 28 via a conductor connection. The conductor connection can also have a capacitor 26, via which the sample 1 is grounded for high frequency.

Wird der Schalter 28 auf die erste Schalterposition 28a gestellt, liegt die Probe auf dem vordefinierten Massepotential. In dieser ersten Variante kann dann ein durch das System 100 bzw. die elektronische Schaltung 20 ermittelbares elektrisches Potential der Probe 1 zunächst in der Probe 1 induziert werden, insbesondere durch Bestrahlen der Probe 1 mit elektromagnetischer Strahlung. Die elektromagnetische Strahlung kann zeitlich moduliert, insbesondere gepulst sein. Die elektromagnetische Strahlung kann auch mit der Frequenz der Biegeschwingung, insbesondere der Resonanzfrequenz des Biegekörpers 3, moduliert sein. Durch die dadurch entstehende zumindest teilweise Synchronisation zwischen Biegeschwingung und Bestrahlung kann insbesondere die Abhängigkeit der zeitabhängigen elektrischen Spannung vom Abstand zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 zumindest teilweise eliminiert werden, was vorteilhaft zu einem verminderten Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 führt.If the switch 28 is set to the first switch position 28a, the sample is at the predefined ground potential. In this first variant, an electrical potential of the sample 1 that can be determined by the system 100 or the electronic circuit 20 can then first be induced in the sample 1, in particular by irradiating the sample 1 with electromagnetic radiation. The electromagnetic radiation can be modulated in time, in particular pulsed. The electromagnetic radiation can also be modulated with the frequency of the bending vibration, in particular the resonance frequency of the bending body 3. Due to the resulting at least partial synchronization between the bending vibration and the irradiation, in particular the dependence of the time-dependent electrical voltage on the distance between the sample 1 and the electrode 5 can be at least partially eliminated, which advantageously leads to a reduced measurement error of the electrical potential of the sample 1.

Durch einen Wechselwirkungsprozess zwischen der elektromagnetischen Strahlung und der Probe 1 wird eine elektrische Spannung zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 induziert. Diese elektrische Spannung kann sowohl zeitlich konstante als auch zeitlich veränderliche Komponenten der elektrischen Spannung enthalten, welche jeweils für ein zeitlich konstantes bzw. ein zeitlich veränderliches Potential der Probe 1 indikativ sind. Die elektrische Spannung bezieht sich hierbei auf das vordefinierte Massepotential.Through an interaction process between the electromagnetic radiation and the sample 1, an electrical voltage is induced between the sample 1 and the electrode 5. This electrical voltage can contain both temporally constant and temporally variable components of the electrical voltage, which are each indicative of a temporally constant or a temporally variable potential of the sample 1. The electrical voltage refers to the predefined ground potential.

Die Elektrode 5 ist elektrisch mit einem Vorverstärker 22 verbunden, welcher dazu ausgebildet ist, die elektrische Spannung vorzuverstärken und vorverstärkt als Verstärkerspannung ausgangsseitig an einem nachgeschalteten Teil 21 der elektronischen Schaltung 20 bereitzustellen. Vorzugsweise enthält der Vorverstärker 22 einen Operationsverstärker und ein RC-Glied, wobei der ohmsche Widerstand des RC-Glieds vorzugsweise ausreichend hoch gewählt wird, zum Beispiel 1 TΩ. Die Kapazität des RC-Glieds kann beispielsweise im Bereich von 0.1 pF bis 1 pF liegen. Somit ergeben sich aus dem Produkt des Widerstands und der Kapazität des RC-Glieds charakteristische Zeitkonstanten des Vorverstärkers 22 im Bereich von T = 0.1 s bis 1 s. Da insbesondere die Kapazität des RC-Glieds im Sinne einer ausreichenden Verstärkung der elektrischen Spannung nicht beliebig hoch gewählt werden kann, werden durch den Vorverstärker 22 lediglich zeitlich veränderliche elektrische Spannungen oberhalb einer Grenzfrequenz f = 1/T verstärkt. Diese liegt mit den beispielhaften Werten des RC-Glieds bei f = 1 Hz bis 10 Hz. Tieferfrequentere Komponenten der elektrischen Spannung, insbesondere deren zeitlich konstante Komponente, werden durch den Vorverstärker 22 nicht vorverstärkt bzw. unterdrückt, sodass dieser Teil der elektronischen Schaltung 20 nicht zum Erfassen der zeitlich konstanten Komponente der elektrischen Spannung bzw. des zeitlich konstanten elektrischen Potentials der Probe 1 ausgebildet ist.The electrode 5 is electrically connected to a preamplifier 22, which is designed to pre-amplify the electrical voltage and to provide it pre-amplified as an amplifier voltage on the output side to a downstream part 21 of the electronic circuit 20. The preamplifier 22 preferably contains an operational amplifier and an RC element, wherein the ohmic resistance of the RC element is preferably selected to be sufficiently high, for example 1 TΩ. The capacitance of the RC element can, for example, be in the range from 0.1 pF to 1 pF. The product of the resistance and the capacitance of the RC element thus results in characteristic time constants of the preamplifier 22 in the range from T = 0.1 s to 1 s. Since the capacitance of the RC element in particular cannot be selected to be arbitrarily high in order to sufficiently amplify the electrical voltage, the preamplifier 22 only amplifies electrical voltages that vary over time above a cut-off frequency f = 1/T. With the exemplary values of the RC element, this is f = 1 Hz to 10 Hz. Lower frequency components of the electrical voltage, in particular their temporally constant component, are not pre-amplified or suppressed by the preamplifier 22, so that this part of the electronic circuit 20 is not designed to detect the temporally constant component of the electrical voltage or the temporally constant electrical potential of the sample 1.

Die zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 werden dagegen durch den Vorverstärker 22 vorverstärkt und ausgangsseitig dem nachgeschalteten Teil 21 als zeitabhängige Vorverstärkerspannung bereitgestellt. Hier kann weiterhin ein Entzerrer 29 vorhanden sein. Der Entzerrer 29 ist dabei vorzugweise dazu ausgebildet, die zeitabhängige Verstärkerspannung durch einen Korrekturfaktor dahingehend zu korrigieren, dass ein zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 angeordnetes Medium berücksichtigt wird. Dieses Medium, beispielsweise Luft, wirkt sich auf die korrigierte zeitabhängige Verstärkerspannung aus. Diese korrigierte zeitabhängige Verstärkerspannung, welche die besagten zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 enthält, wird schließlich an einen Summierer 25 weitergegeben.The time-varying components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1 are pre-amplified by the preamplifier 22 and provided on the output side to the downstream part 21 as a time-dependent preamplifier voltage. Here, an equalizer 29 may be present. The equalizer 29 is preferably designed to correct the time-dependent amplifier voltage by means of a correction factor in such a way that a medium arranged between the sample 1 and the electrode 5 is taken into account. This medium, for example air, affects the corrected time-dependent amplifier voltage. This corrected time-dependent amplifier voltage, which contains the said time-varying components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1, is finally passed on to a summer 25.

Um auch die zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 unterhalb der Grenzfrequenz des Vorverstärkers 22, insbesondere deren zeitlich konstante Komponenten ermitteln zu können, weist der nachgeschaltete Teil 21 weiterhin einen Gleichrichter 23 auf. Hierbei wird sich zunutze gemacht, dass die Biegeschwingung durch die Modulierung des Abstands zwischen Elektrode 5 und Probe 1 zu einer zeitlichen Änderung der an sich konstanten Komponente des elektrischen Potentials der Probe 1 führt. Diese zeitliche Änderung ist als zeitlich mit der Frequenz der Biegeschwingung modulierte Kapazität zwischen Probe 1 und Elektrode 5 insbesondere mithilfe des Gleichrichters 23 ermittelbar. Der Gleichrichter 23 ist hierbei dazu ausgebildet, unter Zuhilfenahme der Frequenz der Biegeschwingung, insbesondere der Resonanzfrequenz des Biegebalkens 3, durch Synchrongleichrichtung der Frequenz der Biegeschwingung und der durch die Biegeschwingung bedingten zeitlichen Änderung der Kapazität die zeitlich konstante Komponente der elektrischen Spannung gleichzurichten und als Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters 23 bereitzustellen. An seinem Ausgang ist der Gleichrichter 23 mit einem Regler 24 elektrisch verbunden. Der Regler 24 kann dabei als integrierender Regler 24 ausgebildet sein und die am Eingang des Reglers 24 anliegende Gleichspannung durch Erzeugung und Regeln einer Gegengleichspannung kompensieren. Die Gegengleichspannung ist folglich ebenfalls für die zeitliche konstante Komponente der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 indikativ. Die Gegengleichspannung kann weiterhin an einen Summierer 25 weitergegeben werden.In order to be able to determine the time-varying components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1 below the cut-off frequency of the preamplifier 22, in particular their time-constant components, the downstream part 21 also has a rectifier 23. This takes advantage of the fact that the bending vibration leads to a temporal change in the essentially constant component of the electrical potential of the sample 1 by modulating the distance between the electrode 5 and the sample 1. This temporal change can be determined as a capacitance between the sample 1 and the electrode 5 that is modulated over time with the frequency of the bending vibration, in particular with the aid of the rectifier 23. The rectifier 23 is designed to rectify the time-constant component of the electrical voltage with the aid of the frequency of the bending vibration, in particular the resonance frequency of the bending beam 3, by synchronously rectifying the frequency of the bending vibration and the temporal change in the capacitance caused by the bending vibration, and to provide it as a direct voltage at the output of the rectifier 23. At its output, the rectifier 23 is electrically connected to a regulator 24. The regulator 24 can be designed as an integrating regulator 24 and can compensate the direct voltage present at the input of the regulator 24 by generating and regulating a counter direct voltage. The counter direct voltage is therefore also indicative of the temporally constant component of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1. The counter direct voltage can also be passed on to a summer 25.

Der Summierer 25 kann schließlich durch Summieren der zeitlich veränderlichen und zeitlich konstanten Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 die Summe aus beiden Komponenten bilden und als entsprechende Summenspannung an einem Ausgang des Summierers 25 bereitstellen. Diese Summenspannung ist für die Summe der zeitlich konstanten und der zeitlich veränderlichen Komponenten des elektrischen Signals der Probe 1 indikativ.Finally, the summer 25 can form the sum of both components by summing the time-varying and time-constant components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1 and provide it as a corresponding total voltage at an output of the summer 25. This total voltage is indicative of the sum of the time-constant and time-varying components of the electrical signal of the sample 1.

In der zweiten Variante befindet sich der Schalter 28 in der zweiten Schalterstellung 28b. Hier liegt die Probe 1 nicht auf dem vordefinierten Massepotential, sondern ist mit einem Testsignalgenerator 27 verbunden. Mittels des Testsignalgenerators 27 kann ein Testsignal, beispielsweise eine zeitlich konstante Testspannung oder eine zeitlich veränderliche, insbesondere periodische Testspannung generiert und an die Probe 1 weitergegeben werden. Diese Testspannung kann dann, wie im Kontext der ersten Variante beschrieben, durch das System 100 bzw. die elektronische Schaltung 20 ermittelt werden. Dies ermöglicht insbesondere eine Kalibrierung von separat ausführbaren Ermittlungen von beispielsweise mittels elektromagnetischer Strahlung in der Probe induzierten elektrischen Potentialen der Probe 1.In the second variant, the switch 28 is in the second switch position 28b. Here, the sample 1 is not at the predefined ground potential, but is connected to a test signal generator 27. By means of the test signal generator 27, a test signal, for example a temporally constant test voltage or a temporally variable, in particular periodic test voltage, can be generated and passed on to the sample 1. This test voltage can then be determined by the system 100 or the electronic circuit 20, as described in the context of the first variant. This enables in particular a calibration of separately executable determinations of electrical potentials of the sample 1 induced in the sample by means of electromagnetic radiation, for example.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Probesample
22: AktuatoreinheitActuator unit
33: BiegekörperBending body
44: GegenmasseCounterweight
55: Elektrodeelectrode
66: KontaktbereichContact area
77: LeiterelementLadder element
88th: Öffnungopening
1111: Erste RichtungFirst direction
1212: Zweite RichtungSecond direction
1313: Schwere WandungHeavy wall
1414: Bolzenbolt
1515: GehäuseHousing
1616: Durchführungexecution
2020: Schaltungcircuit
2121: Nachgeschalteter Teil der SchaltungDownstream part of the circuit
2222: VorverstärkerPreamplifier
2323: GleichrichterRectifier
2424: ReglerController
2525: SummiererSummer
2626: Kondensatorcapacitor
2727: TestsignalgeneratorTest signal generator
2828: SchalterSwitch
28a28a: Erste SchalterstellungFirst switch position
28b28b: Zweite SchalterstellungSecond switch position
2929: EntzerrerEqualizer
3131: Erster SchwingungsbauchFirst vibrational antinode
3232: Zweiter SchwingungsbauchSecond antinode
3333: SchwingungsknotenVibration nodes
100100: Systemsystem

Claims

A system (100) for contactless determination of an electrical potential of a sample (1), wherein the system (100) - comprises an actuator unit (2) which is operatively connected to a bending body (3) along a first direction (11), wherein the bending body (3) is further operatively connected to a counter mass (4) suspended springily or elastically from the system (100), extends along an axis along a second direction (12), and has an electrode (5) which extends at least along the second direction (12), - is designed so that the electrode (5) can be arranged relative to a sample (1) at a distance along the first direction (11), and wherein the actuator unit (2) is designed to excite the bending body (3) to a bending oscillation with an adjustable frequency around the axis, so that the distance between an arranged sample (1) and the electrode (5) varies over time with the adjustable frequency due to the bending oscillation, so that in the electrode (5) a time-varying electrical signal can be detected, on the basis of which the electrical potential of the sample (1) can be determined, and wherein the actuator unit (2) is operatively connected to the bending body (3) and the counter mass (4) in a contact region (6) of a vibration node (33) arising during bending vibration, with minimal deflection of the bending body (3) relative to its rest position.

The system (100) according to Claim 1 , wherein the electrode (5) is arranged in a region of a first vibration antinode (31) of the bending body (3) caused by the bending vibration.

The system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the electrode (5) is electrically insulated from the bending body (3).

The system (100) according to Claim 3 , characterized in that the electrode (5) is surrounded by a conductive and circumferential conductor element (7) which is electrically insulated from the electrode (5), in particular wherein the conductor element (7) is electrically at a ground potential.

The system (100) according to one of the preceding claims, wherein the system (100) comprises an electronic circuit (20) which is designed and configured to process an electrical signal of the electrode (5) and to determine the electrical potential of the sample (1).

The system (100) according to one of the preceding claims, wherein the bending body (3) has an opening (8) along its axis such that, when the sample (1) is arranged opposite the electrode (5), the sample (1) can be irradiated with electromagnetic radiation via the opening (8).

The system (100) according to Claim 6 , wherein the electrode (5) is at least partially transparent to the electromagnetic radiation, so that when the electrode (5) is positioned along an optical axis between the opening (8) and the sample (1), the sample (1) can still be irradiated with electromagnetic radiation.

The system (100) according to one of the preceding claims, wherein, when the sample (1) is arranged opposite the electrode (5), the electrode (5) and the sample (1) are displaceable relative to each other by means of a displacement unit of the system (100).

The system (100) according to one of the preceding claims, further comprising a vacuum chamber, in particular a high vacuum chamber or an ultra-high vacuum chamber, which is designed to accommodate at least the electrode (5) and the sample (1) that can be arranged opposite the electrode (5) within the vacuum chamber, wherein, when the sample (1) is arranged opposite the electrode (5) in the vacuum chamber, the vacuum chamber can be at least partially evacuated.

Method for contactless determination of an electrical potential, in particular time-dependent electrical potential of a sample (1) by means of the system (100) according to one of the preceding claims, comprising at least the following steps: i) positioning the sample (1) relative to the electrode (5), ii) by means of the actuator unit (2), exciting the bending body (3) to bend at the adjustable frequency about the axis, so that the distance between the sample (1) and the electrode (5) is changed by the bending oscillation at the adjustable frequency, iii) in particular with the adjustable frequency of the bending oscillation, irradiating the sample (1) with electromagnetic radiation in a clocked manner, in particular via the opening (8), so that an interaction process taking place in the sample (1) between the sample (1) and the electromagnetic radiation, in particular with the adjustable modulated by the frequency of the bending vibration, an electrical voltage indicative of the electrical potential of the sample (1) is induced between the sample (1) and the electrode (5), iv) by means of the electronic circuit (20) according to Claim 5 , processing the electrical signal of the electrode (5) and determining the electrical potential of the sample (1).