DE19713746C2 - Sensor for simultaneous atomic force microscopy and optical near-field microscopy - Google Patents
Sensor for simultaneous atomic force microscopy and optical near-field microscopyInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor für gleichzeitige Rasterkraftmikroskopie und optische Nahfeldmikroskopie mit einem an einem Halter befestigten Federbalken, der mindestens eine Wellenleiteranordnung mit Wellenleiterschicht und Mantelschichten sowie an seinem freien Ende eine optisch transparente Spitze aufweist.The invention relates to a sensor for simultaneous atomic force microscopy and near-field optical microscopy with one attached to a holder Cantilever with at least one waveguide arrangement Waveguide layer and cladding layers and one at its free end has optically transparent lace.
Optische Nahfeldsonden werden in der Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) verwendet, wie dies beispielsweise in "Near-field optics: Light for the world of NANO" in J. Vac. Sci. Technol. B(12)3, 1994, Seite 1441-1446 beschrieben wird.Optical near-field probes are used in scanning near-field microscopy (SNOM), as described, for example, in "Near-field optics: Light for the world of NANO" in J. Vac. Sci. Technol. B ( 12 ) 3, 1994, pages 1441-1446.
Die optische Nahfeldmikroskopie basiert auf der Abtastung einer Oberfläche mit Hilfe einer optischen Apertur, um Auflösungen besser als das Abbé-Limit zu erreichen. Aus App. Optics Vol. 34, Nr. 7, Seite 1215-1228 ist es beispielsweise bekannt, angespitzte Glasfaserenden zu benutzen, die durch Bedampfen mit einer Metallschicht eine kleine Apertur erhalten. Die alleinige optische Signalerfassung besitzt jedoch den Nachteil, daß keine Trennung von topographischen und optischen Effekten möglich ist. Für die Trennung dieser beiden Effekte ist es notwendig, die Glasfaserspitze beim Abtasten auf einen konstanten Abstand von einige Nanometern zur Probenoberfläche einzustellen, was bei den bekannten Nahfeldsonden aufgrund ihrer Bauweise nur mit erheblichem Justieraufwand möglich ist. Weiterhin besteht ohne Abstandsregelung die Gefahr, daß beim Abrastern die Glasfaserspitze bzw. die Probenoberfläche beschädigt wird.Near-field optical microscopy is based on scanning a surface using an optical aperture to make resolutions better than the Abbé limit to reach. From app. Optics Vol. 34, No. 7, page 1215-1228 is For example, it is known to use sharpened glass fiber ends, which by Apply a small aperture to vapor deposition with a metal layer. The only one However, optical signal detection has the disadvantage that there is no separation from topographic and optical effects is possible. For the separation of this Both effects require the tip of the glass fiber when scanning for one set a constant distance of a few nanometers to the sample surface, what with the known near-field probes due to their design only with considerable adjustment effort is possible. Still exists without Distance control the risk that when scanning the glass fiber tip or Sample surface is damaged.
Mit diesen Nachteilen behaftete Sonden für die Rastermikroskopie werden in der DE 195 31 465 A1 und der DE 195 31 466 A1 beschrieben. Bei beiden Sonden handelt es sich um piezoelektrische Stab-Resonatoren mit einer optisch hochbrechenden Mikrotastspitze an ihrem der Probenoberfläche zugewandten Ende. Die Mikrotastspitzen schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes entlang der Längsachse des Stabes. Derartige Stab-Resonator- Anordnungen weisen sehr hohe Federkonstanten auf, die ein Detektieren von statischen Auslenkungen verhindern. Bei einem berührenden Abtasten wie bei der Rasterkraftmikroskopie ist die abzutastende Probenoberfläche hohen Belastungen ausgesetzt.Probes with these disadvantages for scanning microscopy are used in the DE 195 31 465 A1 and DE 195 31 466 A1. With both probes are piezoelectric rod resonators with an optical high-refractive micro-probe tip on its surface facing the sample The End. The micro probes vibrate parallel to the direction of propagation of the Light along the longitudinal axis of the bar. Such rod resonator Arrangements have very high spring constants that prevent the detection of Prevent static deflections. With a touching touch like with the Atomic force microscopy is the sample surface to be scanned under high loads exposed.
Geringere Federkonstanten erhält man bei Anordnungen der Tastspitze senkrecht zu einem Hebelarm, wie beispielsweise bei der Rastermikroskopsonde, die in der JP 08005642 A beschrieben wird. Für die Durchführung topographischer Messungen weisen der Hebelarm und die Tastspitze piezoresistive Schichten auf.Lower spring constants are obtained when the probe tip is arranged vertically to a lever arm, such as in the scanning microscope probe, which in the JP 08005642 A is described. For performing topographical Measurements show the lever arm and the tip of the piezoresistive layers.
Um die vorgenannten Nachteile zu umgehen, wurde die Scherkraftdetektion entwickelt, die beispielsweise in der US-PS 5,254,854 beschrieben wird. Die Scherkraftdetektion dient als Distanzregelung, um den Abstand zwischen Faserspitze und Probenoberfläche auf einen konstanten Wert einzustellen. Dazu wird das Glasfaserende in der Regel durch erzwungene Schwingungen einer Piezokeramik in konstante Schwingungen parallel zur Probenoberfläche versetzt. Die Schwingung des Glasfaserendes wird in der Nähe der Probenoberfläche gedämpft, wobei diese Dämpfung umso größer ist, je näher die Glasfaserspitze an der Probenoberfläche ist. Um die Dämpfung der Schwingung zu messen, wird das Glasfaserende in der Regel mit einer orthogonal zur Schwingungsebene angebrachten Laserdiode beleuchtet, wobei der sich ändernde Schatten der Glasfaser die Intensität auf einem Fotodetektor moduliert. Diese Intensitätsmodulation entspricht der mechanischen Schwingungsamplitude und dient elektrisch gleichgerichtet als Eingangssignal für einen Regelkreis. Mit einem Signal des Regelkreises wird eine weitere Piezokeramik gesteuert, die den Abstand der Probenoberfläche zum Glasfaserende so lange verschiebt, bis ein extern vorgegebener Sollwert erreicht ist. So läßt sich die Probenoberfläche mit der Spitze abtasten und der Abstand zwischen Spitze und Probe immer auf einen konstanten Wert nachfahren bzw. einstellen.To avoid the aforementioned disadvantages, the shear force detection developed, which is described for example in US Patent 5,254,854. The Shear force detection serves as distance control to determine the distance between Set the fiber tip and sample surface to a constant value. To the fiber end is usually caused by forced vibrations Piezoceramic set in constant vibrations parallel to the sample surface. The vibration of the fiber end is near the sample surface attenuated, the attenuation being greater the closer the glass fiber tip is the sample surface is. To measure the damping of the vibration, this is Glass fiber ends usually with an orthogonal to the vibration plane attached laser diode illuminated, the changing shadow of the Glass fiber modulates the intensity on a photodetector. This Intensity modulation corresponds to the mechanical vibration amplitude and serves as an electrically rectified input signal for a control loop. With a Another piezoceramic signal is controlled by the control circuit Distance of the sample surface to the end of the glass fiber is shifted until a externally specified setpoint has been reached. So the sample surface can be used the tip and always keep the distance between tip and sample at one Track or set constant value.
Die Anwendungen der optischen Nahfeldmikroskopie sind sehr vielfältig. Neben der reinen Untersuchung von Probenoberflächen treten immer mehr spektroskopische Fragestellungen aus dem Bereich der Biologie oder Molekülphysik in den Vordergrund. Bei diesen Anwendungen wird die Probenoberfläche über die Apertur gemessen. Bei diesen Untersuchungen ist es von entscheidender Bedeutung, daß im Meßbereich kein Streulicht vorhanden ist, das die Messung stört. The applications of near-field optical microscopy are very diverse. Next the pure examination of sample surfaces occurs more and more spectroscopic questions from the field of biology or Molecular physics in the foreground. In these applications, the Sample surface measured over the aperture. In these investigations it is crucial that there is no stray light in the measuring range, that interferes with the measurement.
Der Nachteil des aus der US-PS 5,254,854 bekannten Sensors besteht darin, daß die Herstellung der Sonden kein massentaugliches Verfahren darstellt. Zudem besitzt das Herstellungsverfahren für die Spitze eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit und die Metallschichten auf der Spitze weisen häufig Löcher auf, die zu Streulicht und Meßartefakten führen können. Die Scherkraftdetektion ist sehr aufwendig und erschwert einen kompakten stabilen mechanischen Aufbau.The disadvantage of the sensor known from US Pat. No. 5,254,854 is that that the manufacture of the probes is not a mass-produced process. In addition, the manufacturing process for the tip is very poor Reproducibility and the metal layers on the tip often show Holes that can lead to stray light and measurement artifacts. The Shear force detection is very complex and complicates a compact stable mechanical construction.
Um den wesentlichen Nachteil dieser Anordnung zu umgehen, wird in der US- PS 5,354,985 ein mikrotechnisch kombinierter AFM/SNOM-Sensor (AFM = atomic force microscope) beschrieben, der aus einem wellenleitenden Federarm mit einer integrierten Aperturspitze besteht. Die Messung der Auslenkung des Federarms geschieht optisch über die Lichtzeigeranordnung eines gewöhnlichen AFM's, über die Integration einer piezoresistiven Schicht im Federarm oder über den Einbau einer Kondensatoranordnung in den Federarm zur kapazitiven Messung.In order to avoid the main disadvantage of this arrangement, in the US PS 5,354,985 a microtechnically combined AFM / SNOM sensor (AFM = atomic force microscope), which consists of a wave-guiding spring arm with an integrated aperture tip. The measurement of the deflection of the Spring arm happens optically via the light pointer arrangement of an ordinary one AFM's, via the integration of a piezoresistive layer in the spring arm or about the installation of a capacitor arrangement in the spring arm for capacitive Measurement.
Die in der US-PS 5,354,985 vorgeschlagenen Detektionsmethoden zum Nachweis der Auslenkung des Federarms haben jedoch wesentliche Nachteile.The detection methods proposed in US Pat. No. 5,354,985 Evidence of the deflection of the spring arm have significant disadvantages.
Die Detektion der Auslenkung des Federarms über eine Lichtzeigeranordnung hat den Nachteil, daß sehr viel Streulicht entsteht, das die Messung beeinflußt. Zur Vermeidung von Streulicht ist es zwar möglich, die Rückseite des Federarms so mit einer dicken Metallschicht zu versehen, daß kein Licht durch den Federarm auf die Probe gelangt. Dies führt jedoch aufgrund des verursachten Bimetalleffektes zu einer so starken Federarmverbiegung, daß der Einsatz als AFM-Sensor nicht mehr möglich ist. Ein dielektrischer Spiegel ist auch denkbar, würde aber die Dicke des Federarms so vergrößern, daß ein Einsatz als AFM-Sensor aufgrund der hohen Federkonstante nicht mehr sinnvoll ist. The detection of the deflection of the spring arm via a light pointer arrangement has the disadvantage that there is a lot of scattered light that affects the measurement. To avoid stray light, it is possible to use the back of the To provide spring arms with a thick metal layer so that no light through the spring arm comes to the test. However, due to the caused bimetal effect to such a strong spring arm deflection that the Use as an AFM sensor is no longer possible. A dielectric mirror is also conceivable, but would increase the thickness of the spring arm so that a No longer used as an AFM sensor due to the high spring constant makes sense.
Für die piezoresistive Detektion wird in der Regel dotiertes Silizium benutzt mit dem Nachteil, daß diese Schicht zusätzlich zum Wellenleitersystem in den Federarm integriert werden muß. Dadurch werden die Geometrie und daraus folgend die mechanischen Eigenschaften des Systems nachteilig beeinflußt. Vor allem die Dicke des Federarms nimmt zu, so daß er steifer wird. Das kann gerade bei der Untersuchung von weichen biologischen Proben von Nachteil sein.Doped silicon is generally used for piezoresistive detection with the disadvantage that this layer in addition to the waveguide system in the Spring arm must be integrated. This will make the geometry and it consequently adversely affects the mechanical properties of the system. In front all the thickness of the spring arm increases, so that it becomes stiffer. That can particularly disadvantageous when examining soft biological samples his.
Das dritte in der US-PS 5,354,985 vorgeschlagene Verfahren besteht darin, die Auslenkung des Federarms kapazitiv nachzuweisen. Dazu ist über dem Federarm eine Kondensatorplatte angebracht, deren Gegenelektrode sich auf dem Federarm befindet. Eine Auslenkung des Federarms ändert den Abstand der Platten, so daß eine Kapazitätsänderung eintritt, die nachgewiesen werden kann. Der Aufbau einer solchen Vorrichtung ist sehr aufwendig. Eine kapazitive Detektion ist sehr anfällig gegenüber Streukapazitäten aus der Umgebung und hat den weiteren Nachteil, daß entweder der Abstand zwischen den beiden Platten sehr klein sein muß oder die beiden Platten in ihren Abmessungen sehr groß gemacht werden müssen. Beides ist für den Einsatz in einem AFM unpraktikabel.The third method proposed in U.S. Patent 5,354,985 is to Capacitive detection of deflection of the spring arm. This is about the Spring arm attached a capacitor plate, the counter electrode on the spring arm. A deflection of the spring arm changes the distance of the plates, so that a change in capacity occurs, which is proven can. The construction of such a device is very complex. A capacitive detection is very sensitive to stray capacities from the Environment and has the further disadvantage that either the distance between the two plates must be very small or the two plates in their Dimensions must be made very large. Both are for use in an impractical AFM.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein kombinierter AFM/SNOM-Sensor, bei dem kein Streulicht die SNOM-Detektion stört und der kostengünstig hergestellt werden kann.The object of the invention is therefore a combined AFM / SNOM sensor no stray light interferes with the SNOM detection and is inexpensive can be manufactured.
Diese Aufgabe wird mit einem Sensor gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is performed with a sensor according to the characteristics of the Claim 1 solved.
Dadurch, daß mindestens eine Wellenleiteranordnung als Verbiegungssensor ausgebildet ist, werden die Schichten, die üblicherweise für die Wellenleiteranordnung benötigt werden, gleichzeitig auch für den Verbiegungssensor ausgenutzt, so daß man insgesamt mit einer weitaus geringeren Anzahl von Schichten auskommt als beim Stand der Technik. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und insgesamt kostengünstiger. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Dicke des Federarms möglichst klein gehalten werden kann.The fact that at least one waveguide arrangement as a deflection sensor is formed, the layers that are usually used for the Waveguide arrangement are required, at the same time for the Bending sensor exploited, so that one with a lot fewer layers than in the prior art. This simplifies production and makes it more cost-effective overall. On Another advantage is that the thickness of the spring arm is as small as possible can be held.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Lichtzeigerdetektion entfallen kann, wodurch keine Streulichteffekte die SNOM-Messungen beeinflussen können, so daß Anwendungen im Bereich der Spektroskopie und der Fluoreszenz möglich sind.Another advantage is that there is no need for light pointer detection can, which means that no scattered light effects affect the SNOM measurements can, so that applications in the field of spectroscopy and Fluorescence are possible.
Dadurch, daß die Wellenleiteranordnung und der Verbiegungssensor integriert sind, wird der gesamte Aufbau sehr kompakt und einfach. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Federarms können außerdem besser an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßt werden.In that the waveguide arrangement and the deflection sensor are integrated the entire structure becomes very compact and simple. The mechanical and thermal properties of the spring arm can also better at the be adapted to the respective application.
Es ist auch möglich, beispielsweise zwei Wellenleiteranordnungen nebeneinander vorzusehen, wobei ein Wellenleiter Licht der Spitze zuführt und ein Wellenleiter als Verbiegungssensor ausgebildet ist. Die entsprechenden Wellenleiter- und Mantelschichten werden bei dieser Ausführungsform in einer Ebene nebeneinander angeordnet, so daß der Vorteil eines kompakten Federarms erhalten bleibt.It is also possible, for example two waveguide arrangements to be provided side by side, with a waveguide supplying light to the tip and a waveguide is designed as a deflection sensor. The corresponding Waveguide and cladding layers are in one in this embodiment Level arranged side by side, so that the advantage of a compact Spring arm is preserved.
Vorzugsweise gibt es zwei Ausführungsformen, in denen die Wellenleiteranordnung als Verbiegungssensor ausgebildet ist.Preferably there are two embodiments in which the Waveguide arrangement is designed as a deflection sensor.
Die erste Ausführungsform beruht darauf, daß die Wellenleiterschicht und/oder mindestens eine Mantelschicht aus einem piezoelektrischen Material besteht. Geeignete Materialien für die piezoelektrische Wellenleiterschicht sind beispielsweise Bleizirkonat-Bleititanat (PZT), PZT mit Lanthan-Zusatz (PLZT), ZnO, BaTiO3 oder AlN. Diese Materialien sind hochbrechend und können mit Mantelschichten beispielsweise aus Siliziumoxinitrid oder Siliziumoxid kombiniert werden.The first embodiment is based on the fact that the waveguide layer and / or at least one cladding layer consists of a piezoelectric material. Suitable materials for the piezoelectric waveguide layer are, for example, lead zirconate-lead titanate (PZT), PZT with lanthanum additive (PLZT), ZnO, BaTiO 3 or AlN. These materials are highly refractive and can be combined with cladding layers made of silicon oxynitride or silicon oxide, for example.
Anstatt die Wellenleiterschicht als piezoelektrische Schicht auszubilden, besteht auch die Möglichkeit, die wellenleitende Schicht aus einem hochbrechenden Material, wie z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid mit einer Brechzahl von etwa 2,4 bzw. 2,6 zu fertigen und eine oder beide der Mantelschichten aus einer niedrigbrechenden piezoelektrischen Schicht herzustellen. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise AlN mit einer Brechzahl von 2 als niedrig brechendes piezoelektrisches Mantelmaterial.Instead of forming the waveguide layer as a piezoelectric layer, there is also the possibility of making the wave-guiding layer from a highly refractive Material such as B. silicon nitride or silicon carbide with a refractive index of to produce about 2.4 or 2.6 and one or both of the cladding layers to produce a low refractive index piezoelectric layer. Suitable Materials for this are, for example, AlN with a refractive index of 2 as low refractive index piezoelectric cladding material.
Durch die Kombination von wellenleitenden bzw. Mantelschichten der Wellenleiteranordnung mit piezoelektrischen Schichten, entfallen zusätzliche eigene piezoelektrische Schichten, um die Durchbiegung des Federarms nachweisen zu können.By combining wave-guiding or cladding layers of Waveguide arrangement with piezoelectric layers, additional ones are omitted own piezoelectric layers to the deflection of the spring arm to be able to prove.
Die Elektroden für den Nachweis des piezoelektrischen Effektes sind vorzugsweise auf dem Federbalken angeordnet. Die Elektroden können auf der Unter- und der Oberseite des Federbalkens angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Elektroden unmittelbar auf dem piezoelektrischen Wellenleitermaterial anzubringen und darüber die Mantelschichten vorzusehen.The electrodes for the detection of the piezoelectric effect are preferably arranged on the cantilever. The electrodes can be on the Be arranged below and the top of the cantilever. But there is also the possibility of placing the electrodes directly on the piezoelectric Attach waveguide material and provide the cladding layers.
Um ein möglichst großes Meßsignal erhalten zu können, sind die Elektroden vorzugsweise im Bereich der größten Durchbiegung des Federbalkens angebracht.In order to be able to obtain the largest possible measurement signal, the electrodes are preferably in the area of the greatest deflection of the cantilever appropriate.
Die Spitze kann integraler Bestandteil der Mantelschicht sein, die beispielsweise durch einen isotropen Ätzprozeß aus der entsprechend dick ausgebildeten Mantelschicht der Wellenleiteranordnung gefertigt ist. The tip can be an integral part of the cladding layer for example by an isotropic etching process from the correspondingly thick trained cladding layer of the waveguide arrangement is made.
Insgesamt besitzt ein derart aufgebauter Federarm, der neben den Elektroden nur aus dem Wellenleiter selbst besteht, den Vorteil, daß das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht wird und die Dicke des Federarms minimiert werden kann, um die mechanische Steifigkeit in einem größeren Bereich variieren bzw. minimieren zu können.Overall, a spring arm constructed in this way has, in addition to the electrodes consists only of the waveguide itself, the advantage that Manufacturing process is significantly simplified and the thickness of the Spring arms can be minimized to provide mechanical rigidity in one to be able to vary or minimize a larger area.
Während gemäß der ersten Ausführungsform die Effekte der Wellenleitung und die des piezoelektrischen Effektes in einem neuen bifunktionalen Bauteil für die Lösung der Aufgabe nutzbar gemacht werden, ist gemäß der zweiten Ausführungsform vorgesehen, die beim Biegen von Glasfasern auftretenden Änderungen der optischen Response auszunutzen. Diese sind durch spannungsoptische Effekte und die Überkopplung in strahlende Moden bedingt. Dieser Effekt wird normalerweise als störend betrachtet, für die vorliegende Erfindung jedoch als Meßgröße genutzt.While according to the first embodiment, the effects of waveguiding and that of the piezoelectric effect in a new bifunctional component for the solution of the task to be made usable is according to the second Embodiment provided that occurs when bending glass fibers Take advantage of changes in the optical response. These are through voltage-optical effects and the coupling into radiating modes. This effect is usually considered disruptive to the present one However, the invention is used as a measured variable.
Hierzu ist es notwendig, daß das in den Federarm bzw. in die dort befindliche Wellenleiteranordnung eingestrahlte Licht am freien Ende des Federarms reflektiert wird, um auftretende Dämpfungen auswerten zu können. Zu diesem Zweck ist mindestens die Wellenleiterschicht am freien Ende des Federbalkens mit einem Spiegel abgeschlossen.For this it is necessary that that in the spring arm or in the one located there Waveguide arrangement radiated light at the free end of the spring arm is reflected in order to be able to evaluate occurring damping. To this The purpose is at least the waveguide layer at the free end of the cantilever finished with a mirror.
Vorteilhafterweise sind an den Wellenleiter über einen Y-Verzweiger eine Lichtquelle und ein Detektor angeschlossen.Advantageously, there are one on the waveguide via a Y-branch Light source and a detector connected.
Da Biegungen auch die Polarisation von eingestrahltem polarisiertem Licht beeinflußt, kann gemäß einer weiteren Variante zwischen Lichtquelle und Y- Verzweiger und zwischen Detektor und Y-Verzweiger jeweils ein Polarisator angeordnet sein.Because bends also the polarization of incident polarized light influenced, can according to a further variant between light source and Y- Branch and a polarizer between the detector and Y-branch be arranged.
Ferner kann vorzugsweise im Federbalken mindestens die Wellenleiterschicht durch einen Spalt unterbrochen sein, wobei dieser Spalt vorzugsweise an der Einspannstelle des Federarms angeordnet ist. Im Falle der Durchbiegung treten in diesem Bereich Dämpfungsverluste auf. Der Spalt kann vorzugsweise auch durch ein elastisches, transparentes Material ausgefüllt werden, dessen optische Transmission druckempfindlich ist. Es ist ferner möglich, das elastische Material auf den Bereich der Wellenleiterschicht zu beschränken. Als Materialien sind insbesondere PMMA geeignet.Furthermore, at least the waveguide layer can preferably be in the cantilever be interrupted by a gap, this gap preferably at the Clamping point of the spring arm is arranged. In case of deflection, kick damping losses in this area. The gap can preferably also be filled with an elastic, transparent material, the optical Transmission is sensitive to pressure. It is also possible to use the elastic Restrict material to the area of the waveguide layer. As Materials are particularly suitable for PMMA.
Eine andere Variante der optischen Ausführungsform sieht vor, daß im oder am Halter ein Referenzwellenleiter angeordnet ist, der an den Wellenleiter im Federbalken angekoppelt ist. Vorzugsweise ist das freie Ende des Referenzwellenleiters ebenfalls mit einem Spiegel abgeschlossen. Die beiden reflektierten Strahlen werden vor dem Detektor zur Interferenz gebracht. Anhand des Interferenzsignals kann auf die Verbiegung des Federarms geschlossen werden.Another variant of the optical embodiment provides that in or a reference waveguide is arranged on the holder, which is connected to the waveguide in Spring beam is coupled. Preferably the free end of the Reference waveguide also completed with a mirror. The two reflected rays are brought to interference in front of the detector. Based on the interference signal, the spring arm can be bent getting closed.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are described below the drawings explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 die seitliche Darstellung eines Federarms gemäß einer ersten Ausführungsform, Fig. 1 shows the lateral view of a spring arm in a first embodiment,
Fig. 2 die seitliche Darstellung eines Federarms gemäß einer weiteren Ausführungsform mit nach innen verlegten Elektroden, Fig. 2 shows the side view of a spring arm according to another embodiment with inwardly displaced electrodes,
Fig. 3 die seitliche Ansicht eines Federarms gemäß einer weiteren Ausführungsform, Fig. 3 shows the side view of a spring arm according to another embodiment,
Fig. 4 einen Federarm, dessen Wellenleiter an eine Lichtquelle und einen Detektor angeschlossen ist, Fig. 4 is a spring arm, the waveguide is connected to a light source and a detector,
Fig. 5 einen Federarm, der über einen Y-Verzweiger an eine Lichtquelle und einen Detektor zur Auswertung der Änderungen der Polarisation angeschlossen ist, Fig. 5 is a spring arm which is connected via a Y-connector to a light source and a detector for evaluating the changes in polarization,
Fig. 6 einen Federarm, dessen Wellenleiter durch einen Spalt unterbrochen ist, Fig. 6 is a spring arm, the waveguide is interrupted by a gap,
Fig. 7 einen Federarm, dessen Wellenleiter einen Abschnitt aus druckempfindlichen Material besitzt, und Fig. 7 is a spring arm, whose waveguide has a portion of pressure-sensitive material, and
Fig. 8 einen Federarm mit einer Wellenleiteranordnung, die einen Referenzwellenleiter aufweist. Fig. 8 a spring arm with a waveguide assembly which comprises a reference waveguide.
In der Fig. 1 ist ein Federarm 1 dargestellt, der an einem Halter 2 befestigt ist. Der Federarm besteht aus einer einzigen Wellenleiteranordnung, die insgesamt drei Schichten aufweist. An den Halter 2 schließt sich nach unten die obere Mantelschicht 3 an, auf die die Wellenleiterschicht 4 und die untere Mantelschicht 5 folgt. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die wellenleitende Schicht 4 mit der piezoelektrischen Schicht identisch, die beispielsweise aus PZT, ZnO oder AlN besteht. Die beiden Mantelschichten 3 und 5 bestehen aus einem niedrigerbrechenden Material, z. B. Siliziumoxinitrid oder Siliziumoxid. Der Nachweis des piezoelektrischen Effektes erfolgt über eine obere Elektrode 8 und eine untere Elektrode 9, die unmittelbar auf den Mantelschichten 3 und 5 aufgebracht sind. Die Elektroden 8 und 9 befinden sich in dem Bereich, in dem die größte Durchbiegung des Federarms 1 auftritt.In Fig. 1, a spring arm 1 is shown, which is attached to a holder 2 . The spring arm consists of a single waveguide arrangement which has a total of three layers. The holder 2 is adjoined at the bottom by the upper cladding layer 3 , followed by the waveguide layer 4 and the lower cladding layer 5 . In the embodiment shown here, the wave-guiding layer 4 is identical to the piezoelectric layer, which consists for example of PZT, ZnO or AlN. The two cladding layers 3 and 5 consist of a lower refractive material, e.g. As silicon oxynitride or silicon oxide. The piezoelectric effect is detected via an upper electrode 8 and a lower electrode 9 , which are applied directly to the cladding layers 3 and 5 . The electrodes 8 and 9 are located in the area in which the greatest deflection of the spring arm 1 occurs.
Am freien Ende 10 des Federarms 1 ist in einer Ausnehmung 7 die Spitze 6 angeordnet. Die Spitze wird vorzugsweise durch einen isotropen Ätzprozeß aus der entsprechend dick ausgebildeten Mantelschicht 5 herausgearbeitet. At the free end 10 of the spring arm 1 , the tip 6 is arranged in a recess 7 . The tip is preferably worked out of the correspondingly thick cladding layer 5 by an isotropic etching process.
Die Einleitung des Lichts in die Spitze 6 erfolgt durch das Material der Mantelschicht 5. Hierzu ist es erforderlich, die Spitze 6 möglichst dicht an der Wellenleiterschicht 4 anzuordnen, wobei Abstände < λ/2 bevorzugt sind.The light is introduced into the tip 6 through the material of the cladding layer 5 . For this purpose, it is necessary to arrange the tip 6 as close as possible to the waveguide layer 4 , distances <λ / 2 being preferred.
In der Fig. 2 ist derselbe Schichtaufbau wie aus der Fig. 1 zu sehen, mit dem Unterschied, daß die Elektroden 8 und 9 in das Innere des Federarms 1 verlegt wurden. Die Elektroden 8 und 9 befinden sich unmittelbar auf der piezoelektrischen Wellenleiterschicht 4.In FIG. 2, the same layer structure as can be seen from Fig. 1, with the difference that the electrodes were moved into the interior of the spring arm 1 8 and 9. The electrodes 8 and 9 are located directly on the piezoelectric waveguide layer 4 .
In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der im Gegensatz zu der Fig. 1 die Wellenleiterschicht 4 aus einem hochbrechenden Material wie Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid besteht und die Mantelschicht 5 aus einer niedrigbrechenden piezoelektrischen Schicht, wie z. B. AlN. Die Mantelschicht 3 besteht aus einer niedrigbrechenden Schicht, z. B. Siliziumoxid. Für die Ausbildung der Spitze 6 wird eine zusätzliche, entsprechend dicke Abdeckschicht, z. B. Siliziumnitrid auf die piezoelektrische Mantelschicht 5 aufgebracht und dann hieraus die Spitze 6 geformt. Spitzenmaterial und Mantelmaterial sind in dieser Ausführungsform unterschiedlich. Anstelle von Siliziumnitrid kann auch Siliziumoxynitrid, Siliziumcarbid oder Siliziumoxid verwendet werden. FIG. 3 shows a further embodiment, in which, in contrast to FIG. 1, the waveguide layer 4 consists of a high-index material such as silicon nitride or silicon carbide and the cladding layer 5 consists of a low-index piezoelectric layer, such as, for. B. AlN. The cladding layer 3 consists of a low-index layer, for. B. silicon oxide. For the formation of the tip 6 , an additional, correspondingly thick cover layer, for. B. silicon nitride is applied to the piezoelectric cladding layer 5 and then the tip 6 is formed therefrom. Lace material and sheath material are different in this embodiment. Instead of silicon nitride, silicon oxynitride, silicon carbide or silicon oxide can also be used.
In den Fig. 4 bis 7 werden Ausführungsformen beschrieben, bei denen zwei Effekte ausgenutzt werden. Zum einen handelt es sich um den extrinsischen Effekt, bei dem die Wechselwirkung des aus beweglichen Wellenleiterstrukturen austretenden Lichts mit einem festen Referenzsystem ausgenutzt werden. Beim intrinsischen Effekt wird dagegen eine Veränderung der geometrischen Abmessungen, der Brechzahlen oder der Doppelbrechung zu einer Änderung optischer Weglängen und damit zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften solcher Komponenten ausgenutzt. Dabei verbleibt das Licht in der Wellenleiterstruktur. So kann beispielsweise eine mechanische Spannung eines Wellenleiters infolge der Einwirkung äußerer Kräfte zur Doppelbrechung im Wellenleitermaterial und damit zu einer Beeinflussung der Polarisation des Lichtes innerhalb des Wellenleiters führen. Diese in der integrierten Optik häufig störenden Effekte können in der Sensorik zur Detektion von Kräften und Verbiegungen in mikromechanischen Strukturen ausgenutzt werden, in die wellenleitende Komponenten integriert sind.In Figs. 4 to 7 embodiments will be described in which two effects are exploited. On the one hand, there is the extrinsic effect, in which the interaction of the light emerging from movable waveguide structures with a fixed reference system is used. In the case of the intrinsic effect, on the other hand, a change in the geometric dimensions, the refractive indices or the birefringence is used to change the optical path lengths and thus to influence the optical properties of such components. The light remains in the waveguide structure. For example, a mechanical tension of a waveguide due to the action of external forces can lead to birefringence in the waveguide material and thus to an influence on the polarization of the light within the waveguide. These effects, which are often disruptive in the integrated optics, can be used in the sensor system for the detection of forces and deflections in micromechanical structures in which wave-guiding components are integrated.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sehen vor, in eine für die Raster-Sondenmikroskopie geeignete Anordnung, Federarm mit Spitze, ein wellenleitendes, integriert-optisches System derart zu integrieren, daß eine mechanische Auslenkung des Federarms zu einer besonders großen Änderung der optischen Antwort führt.The embodiments described below provide in one for the Scanning probe microscopy suitable arrangement, spring arm with tip, a to integrate wave-guiding, integrated optical system in such a way that a mechanical deflection of the spring arm to a particularly large change the optical response leads.
In der Fig. 4 ist ein Federarm 1 dargestellt, bei dem die Mantelschichten 3 und 5 sowie die Wellenleiterschicht 4 aus herkömmlichen Materialien, also nicht aus piezoelektrischen Materialien bestehen. Der Federarm ist an einem Halter 2 befestigt und besitzt an seiner Unterseite eine Spitze 6.In FIG. 4, a spring arm 1 is illustrated, in which the clad layers 3 and 5 and the waveguide layer 4 made of conventional materials, thus not of piezoelectric materials. The spring arm is fastened to a holder 2 and has a tip 6 on its underside.
Die wellenleitende Schicht 4 ist über einen Y-Verzweiger über den Arm 12 mit einer Lichtquelle 14 verbunden. Der zweite Arm 13 des Y-Verzweigers 11 endet an einem Detektor 15. Das von der Lichtquelle 14 in die Wellenleiterschicht 4 eingestrahlte Licht tritt zum Teil durch die Spitze 6 aus und wird zum anderen Teil an dem am freien Ende 10 des Federarms 1 befestigten Spiegel 16 reflektiert. Der Spiegel 16 erstreckt sich über die gesamte Breite des Federarms 1 und deckt somit nicht nur die wellenleitende Schicht 4, sondern auch die Mantelschichten 3 und 5 ab. Das an diesem Spiegel 16 reflektierte Licht wird am Y-Verzweiger aufgeteilt und dem Detektor 15 zugeführt. Eine Verbiegung des Federarms 1 bewirkt gleichzeitig eine Verbiegung der Wellenleiterschicht 4, wodurch die Verluste im Wellenleiter erhöht werden und sich dadurch die am Detektor 15 gemessene Intensität verändert. The wave-guiding layer 4 is connected to a light source 14 via a Y-branch via the arm 12 . The second arm 13 of the Y-branch 11 ends at a detector 15 . The light radiated into the waveguide layer 4 by the light source 14 partly exits through the tip 6 and is partly reflected on the mirror 16 attached to the free end 10 of the spring arm 1 . The mirror 16 extends over the entire width of the spring arm 1 and thus covers not only the wave-guiding layer 4 , but also the cladding layers 3 and 5 . The light reflected at this mirror 16 is split at the Y-branch and fed to the detector 15 . A bending of the spring arm 1 simultaneously causes a bending of the waveguide layer 4 , whereby the losses in the waveguide are increased and the intensity measured at the detector 15 changes as a result.
In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist zwischen dem Y-Verzweiger im Ast 12 ein Polarisator 17 und im Ast 13 ein Polarisator 18 angeordnet. Bei einer Verbiegung der Wellenleiterschicht 4 wird eine mechanisch induzierte Doppelbrechung in der Wellenleiterschicht 4 hervorgerufen. Dies führt zu einer Änderung der Polarisation der Welle, welche sich am Ausgang des Polarisators 18 in Form einer Intensitätsänderung auswirkt.In the embodiment shown in FIG. 5, a polarizer 17 is arranged between the Y-branch in branch 12 and a polarizer 18 in branch 13 . When the waveguide layer 4 is bent, a mechanically induced birefringence is caused in the waveguide layer 4 . This leads to a change in the polarization of the wave, which has an effect on the output of the polarizer 18 in the form of a change in intensity.
In den Fig. 6, 7 und 8 werden alternative Anordnungen beschrieben, die dazu dienen, den Effekt der optomechanischen Signalerzeugung zu verstärken.In FIGS. 6, 7 and 8 show alternative arrangements are described which serve to reinforce the effect of the optomechanical signal generation.
Die Anordnung der Fig. 6 entspricht derjenigen der Fig. 4 mit dem Unterschied, daß im Federarm 1 ein Spalt 19 vorgesehen ist, der sich im Bereich der Einspannstelle des Federarms 1 befindet. Der Spalt 19 erstreckt sich von unten durch die untere Mantelschicht 5 und die Wellenleiterschicht 4 bis in den Bereich der oberen Mantelschicht 3. Dadurch entsteht eine Sollbiegestelle, in der die Verbiegung besonders stark ist. Der Spalt 19 kann durch ein elastisches transparentes Material 22, wie z. B. PMMA ausgefüllt werden, dessen optische Transmission druckempfindlich ist und dadurch die optische Weglänge oder Polarisation verändert. Die Druckempfindlichkeit des im Spalt 19 befindlichen Materials 22 bewirkt z. B. innere Spannungen, die wiederum die Transmission der Welle beeinflussen.The arrangement of FIG. 6 corresponds to that of FIG. 4 with the difference that a gap 19 is provided in the spring arm 1 , which is located in the region of the clamping point of the spring arm 1 . The gap 19 extends from below through the lower cladding layer 5 and the waveguide layer 4 to the area of the upper cladding layer 3 . This creates a predetermined bending point in which the bending is particularly strong. The gap 19 can by an elastic transparent material 22 , such as. B. PMMA, the optical transmission is sensitive to pressure and thereby changes the optical path length or polarization. The pressure sensitivity of the material 22 in the gap 19 causes z. B. internal stresses, which in turn affect the transmission of the shaft.
In der Fig. 7 ist an Stelle eines Spaltes lediglich im Bereich des Wellenleiters 4 das elastische Material 22 angeordnet, dessen optische Transmission druckempfindlich ist. Gegenüber der Ausführungsform in Fig. 6 werden eventuell auftretende Streulichtanteile vermieden. Das Material 22 wird bevorzugt im Bereich der größten Biegung des Federarms 1 angeordnet.In FIG. 7, instead of a gap, the elastic material 22 is arranged only in the area of the waveguide 4 , the optical transmission of which is sensitive to pressure. Compared to the embodiment in FIG. 6, stray light components that may occur are avoided. The material 22 is preferably arranged in the region of the largest bend of the spring arm 1 .
In der Fig. 8 ist eine Anordnung gezeigt, die interferometrische Effekte ausnutzt. Die wellenleitende Anordnung besteht aus einer Wellenleiterschicht 4 und einem zusätzlichen Referenzwellenleiter 20, der in den Halter 2 integriert und mittels eines Spiegels 21 abgeschlossen ist. Die Wellenleiter 4 und 20 werden über einen Y-Verzweiger 11a zusammengeführt und über einen weiteren Y-Verzweiger 11b mit einer Lichtquelle 14 und einem Detektor 15 verbunden. Eine Verbiegung des Federarms 1 führt zur Änderung der Phase am Y-Verzweiger 11a und damit zu einer Änderung des Interferenzsignals am Detektor 15. Eine solche interferometrische Anordnung zeichnet sich durch eine besondere Sensitivität gegenüber einer Beeinflussung der Phasendifferenz zwischen den beiden Interferometerästen aus. An arrangement is shown in FIG. 8 which uses interferometric effects. The waveguiding arrangement consists of a waveguide layer 4 and an additional reference waveguide 20 , which is integrated in the holder 2 and is closed off by means of a mirror 21 . The waveguides 4 and 20 are combined 11 a by a Y-branch and b via a further Y-branch 11 with a light source 14 and a detector 15 is connected. Bending of the spring arm 1 leads to a change in the phase at the Y-branch 11 a and thus to a change in the interference signal at the detector 15 . Such an interferometric arrangement is distinguished by a particular sensitivity to influencing the phase difference between the two interferometer branches.
11
Federarm
Spring arm
22nd
Halter
holder
33rd
obere Mantelschicht
upper cladding layer
44
Wellenleiterschicht
Waveguide layer
55
untere Mantelschicht
lower cladding layer
66
Spitze
top
77
Ausnehmung
Recess
88th
obere Elektrode
upper electrode
99
untere Elektrode
lower electrode
1010th
freies Ende
11a, b Y-Verzweiger
free end
11a, b Y-branch
1212th
Ast
Branch
1313
Ast
Branch
1414
Lichtquelle
Light source
1515
Detektor
detector
1616
Spiegel
mirror
1717th
Polarisator
Polarizer
1818th
Polarisator
Polarizer
1919th
Spalt
gap
2020th
Referenzwellenleiter
Reference waveguide
2121
Spiegel
mirror
2222
elastisches Material
elastic material
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: G12B 21/02 |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: INSTITUT FUER MIKROTECHNIK MAINZ GMBH, 55129 MAINZ, |
|
| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
| 8330 | Complete renunciation |