DE29623658U1

DE29623658U1 - Device for contactless scanning of a surface

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Publication number: DE29623658U1
Application number: DE29623658U
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Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2006-08-21
Also published as: DE19633546A1; DE19633546C2

Description

Aktenzeichen: 296 23 658.6Reference number: 296 23 658.6

Anmelder: Dr. Franz J. Gießibl, Seefelder Str. 36, 86163 AugsburgApplicant: Dr. Franz J. Gießibl, Seefelder Str. 36, 86163 Augsburg

Neue Beschreibung vom 28.6.1999New description from 28.6.1999

Device for contactless scanning of surfaces

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1 und Anspruch 7.The invention relates to a device for contactless scanning of a surface according to the preambles of claim 1 and claim 7.

Mögliche Anwendungen liegen in der Rasterkraftmikroskopie und in der Profüometrie.Possible applications include atomic force microscopy and profileometry.

Die Rasterkraftmikroskopie beruht darauf, eine feine Spitze über eine Oberfläche zu rastern (in x- und y- Richtung), dabei durch Regulieren des Abstandes die zwischen Spitze und Oberfläche wirkende Kraft konstant zu halten und aus der Höhenbewegung (Bewegung in z-Richtung) der Spitze ein Bild zu gewinnen. Die Bildgebung wird dabei von der Wechselwirkung dieser Spitze mit der Oberfläche bestimmt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen einem Abbildungsmodus mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe. Nähert man eine Spitze einer Oberfläche, so ist die Kraft zwischen Spitze und Probe zunächst anziehend. Sobald sich Spitze und Probe "berühren", ist die Kraft abstoßend.Atomic force microscopy is based on scanning a fine tip over a surface (in the x and y directions), keeping the force acting between the tip and the surface constant by regulating the distance and obtaining an image from the height movement (movement in the z direction) of the tip. The imaging is determined by the interaction of this tip with the surface. A basic distinction is made between an imaging mode with repulsive and attractive interaction between the tip and the sample. If a tip is brought closer to a surface, the force between the tip and the sample is initially attractive. As soon as the tip and the sample "touch", the force is repulsive.

Die Messung dieser Kraft geschieht dadurch, daß die feine Spitze auf einem Federelement bzw. einer Blattfeder montiert ist und die Biegung dieser Blattfeder gemessen wird.This force is measured by mounting the fine tip on a spring element or a leaf spring and measuring the bending of this leaf spring.

Beim Rastern der Spitze im repulsiven Modus (dieser Modus wird überwiegend bei Profilometern verwendet) wird die Spitze mit der Zeit abgetragen, im attraktiven Modus bleibt sie beliebig lange scharf. Der attraktive Modus nach T. R. Albrecht et al. (T. R. Albrecht et al., J. Appl. Phys. 69, 668 (1991)) ist gegenüber dem repulsiven Modus vorteilhaft, weil die chemische Bindung zwischen Spitze und Probe vermieden wird und die Spitzen nicht abgenutzt werden. Dabei wird die Blattfeder durch ein Piezoelement zu ihrer Eigenschwingung angeregt. Die Frequenz ist gegeben durchWhen scanning the tip in repulsive mode (this mode is mainly used in profilometers), the tip is worn down over time, in attractive mode it remains sharp for as long as desired. The attractive mode according to T. R. Albrecht et al. (T. R. Albrecht et al., J. Appl. Phys. 69, 668 (1991)) is advantageous over the repulsive mode because the chemical bond between the tip and sample is avoided and the tips are not worn down. The leaf spring is excited to its natural vibration by a piezo element. The frequency is given by

fO = l/^Xko/m)⁰·⁵ (Gl. 1)fO = l/^Xko/m) ⁰ · ⁵ (Eq. 1)

mit ko = Federkonstante und m = effektive Masse). Durch die Wechselwirkung zwischen Spitze und Oberfläche ergibt sich eine neue effektive Federkonstantewith ko = spring constant and m = effective mass). The interaction between tip and surface results in a new effective spring constant

keff=ko + k'. (Gl. 2)keff=ko + k'. (Eq. 2)

Die Wechselwirkung Spitze-Oberfläche resultiert in einem negativen k', damit wird die neue Schwingungsfrequenz kleiner als die Eigenfrequenz der Blattfeder. Die Frequenzverschiebung bietet damit ein Maß für den mittleren Abstand zwischen Spitze und Oberfläche und läßt sichThe tip-surface interaction results in a negative k', so the new oscillation frequency is smaller than the natural frequency of the leaf spring. The frequency shift therefore provides a measure of the average distance between tip and surface and can be

zur Bildgewinnung einsetzen (sogenannter Frequenzmodulations- oder FM-Modus). Die schwingende Spitze wird dabei über die Probe gerastert und die Höhe &zgr; so eingestellt, daß die Frequenzverschiebung konstant bleibt.to acquire images (so-called frequency modulation or FM mode). The oscillating tip is scanned over the sample and the height ζ is set so that the frequency shift remains constant.

Betrachtet man zunächst die attraktive Wechselwirkung zwischen einer sphärischen Spitze mit Radius R und einer planen Oberfläche im Abstand z, so ergibt sich nach J. Israelachvili ("Intermolecular and Surface Forces", Academic, London 1985) eine Kraft F(z) gegeben durch:If we first consider the attractive interaction between a spherical tip with radius R and a flat surface at a distance z, then according to J. Israelachvili ("Intermolecular and Surface Forces", Academic, London 1985) a force F(z) results given by:

F(z) = AR/(6z²) (Gl. 3)F(z) = AR/(6z ² ) (Eq. 3)

A ist dabei die sogenannte Hamakerkonstante, eine Materialkonstante, welche vom MaterialA is the so-called Hamaker constant, a material constant which depends on the material

-19
der Spitze bzw. Oberfläche abhängig ist. Für Festkörper beträgt sie ca. 10 J. Die Wechselwirkungskonstante k' ist dann die Ableitung dieser Kraft nach dem Abstand, explizit:-19
the tip or surface. For solids it is about 10 J. The interaction constant k' is then the derivative of this force with respect to distance, explicitly:

k'=-AR/(3z³) (Gl. 4).k'=-AR/(3z ³ ) (Eq. 4).

Die Abhängigkeit der Frequenzverschiebung vom Abstand ist dann für k'< < k gegeben durch:The dependence of the frequency shift on the distance is then given for k'< < k by:

Af/fo = 0.5 k'/ko = -AR/(6koz³) (Gl. 5).Af/fo = 0.5 k'/ko = -AR/(6koz ³ ) (Eq. 5).

Die Frequenzverschiebung steigt mit abnehmendem Abstand steil an. Wenn die Spitze zu weit von der Oberfläche entfernt ist, ist das Fehlersignal sehr klein, es dauert lange, bis die Regelabweichung korrigiert ist. Ist die Spitze dagegen zu nah an der Oberfläche, so ist das Fehlersignal sehr groß, der Regelkreis kann oszillieren.The frequency shift increases steeply with decreasing distance. If the tip is too far from the surface, the error signal is very small and it takes a long time until the control deviation is corrected. If, on the other hand, the tip is too close to the surface, the error signal is very large and the control loop can oscillate.

Aus thermodynamischen Gründen ist der meßbare Kraftgradient nicht beliebig klein. Albrecht et al. (T. R. Albrecht, P. Gruetter, D. Hörne, and D. Rugar, J. Appl. Phys. 69, 668, 1991) haben den minimal meßbaren Kraftgradienten berechnet:For thermodynamic reasons, the measurable force gradient is not arbitrarily small. Albrecht et al. (TR Albrecht, P. Gruetter, D. Hörne, and D. Rugar, J. Appl. Phys. 69, 668, 1991) have calculated the minimum measurable force gradient:

k min = ((4kok_BTB)/^foAoQ))⁰·⁵ (Gl. 6)k min = ((4kok _B TB)/^foAoQ)) ⁰ · ⁵ (Eq. 6)

(ko = Federkonstante des Detektors in N/m, kß = Boltzmannkonstante in J/K, T = Temperatur in Kelvin, B = Bandbreite des Frequenzanalysators in Hz, fo = Eigenfrequenz in Hz, Ao = Schwingungsamplitude in m, Q = Güte). Durch diese thermodynamischen Gründe ergibt sich eine Komplikation für die Messung des Kraftgradienten: die Schwingungsamplitude kann nicht beliebig klein gemacht werden. Der mittlere Abstand Spitze - Oberfläche kann nicht kleiner werden als die Schwingungsamplitude. Deshalb muß man in der Praxis für die optimale Schwingungsamplitude einen Mittelweg finden zwischen Rauschen der Frequenzmessung bei zu kleiner Amplitude und zu großem mittleren Abstand bei zu großer Amplitude.(ko = spring constant of the detector in N/m, kß = Boltzmann constant in J/K, T = temperature in Kelvin, B = bandwidth of the frequency analyzer in Hz, fo = natural frequency in Hz, Ao = oscillation amplitude in m, Q = quality). These thermodynamic reasons result in a complication for the measurement of the force gradient: the oscillation amplitude cannot be made arbitrarily small. The average distance between tip and surface cannot be smaller than the oscillation amplitude. In practice, therefore, a middle ground must be found for the optimal oscillation amplitude between noise in the frequency measurement if the amplitude is too small and an average distance that is too large if the amplitude is too large.

Für die minimal erreichbare Auflösung gibt es neben Gl. 6 noch zwei weitere Kriterien, die den Zusammenhang zwischen Federkonstante des Kraftsensors und erreichbarer Auflösung betreffen. Gemäß Gleichung (4) resultiert die Wechselwirkung Spitze-Oberfläche in einem negativen k', damit wird die Schwingungsfrequenz durch die Wechselwirkung kleiner als die Eigenfrequenz des Federlelements. Wichtig für den Betrieb ist, daß k' kleiner sein muß als ko, sonst schnappt die Spitze an die Oberfläche und kann nicht mehr frei schwingen. Die laterale Auflösung des Mikroskops liegt in der Größenordnung des Arbeitsabstandes, d.h. bei vorgegebener Auflösung &lgr; ergibt sich eine Schranke für die Kraftkonstante (Stabilitätsbedingung):In addition to equation 6, there are two other criteria for the minimum achievable resolution that relate to the relationship between the spring constant of the force sensor and the achievable resolution. According to equation (4), the interaction between the tip and the surface results in a negative k', so that the oscillation frequency due to the interaction is smaller than the natural frequency of the spring element. It is important for operation that k' must be smaller than ko, otherwise the tip snaps to the surface and can no longer oscillate freely. The lateral resolution of the microscope is in the order of magnitude of the working distance, i.e. for a given resolution λ, there is a limit for the force constant (stability condition):

ko>12AR^~³ (Gl. 7)ko>12AR^~ ³ (Eq. 7)

Insbesondere ergibt sich bereits bei einem Spitzenradius von 100 nm und einer Auflösung von 1 nm, d.h. von etwa drei Atomdurchmessern, daß die Kraftkonstante des Federelements größer als 120 N/m sein muß. Dieser Wert errechnet sich aus Gleichung (4). Das zweite Kriterium betrifft eine obere Schranke für die Kraftkonstante. Durch die Wechselwirkung Spitze - Oberfläche wird letztere deformiert. Unter der Annahme, daß die Krafteinleitung auf die Oberfläche über eine Halbkugel mit Radius &lgr;/2 im Volumen unter der Oberfläche eine Dehnung &egr; verursacht, kann man eine Federkonstante der Oberfläche definieren:In particular, with a tip radius of 100 nm and a resolution of 1 nm, i.e. about three atomic diameters, the force constant of the spring element must be greater than 120 N/m. This value is calculated from equation (4). The second criterion concerns an upper limit for the force constant. The interaction between tip and surface deforms the latter. Assuming that the force application to the surface via a hemisphere with radius λ/2 causes a stretch ε in the volume below the surface, a spring constant of the surface can be defined:

kOberfläche = 2 &lgr; &Egr; (Gl. 8)kSurface = 2 λ ε (Eq. 8)

Dabei ist &lgr; die Auflösung und E die Elastizitätskonstante (für Stahl gilt z.B. E= 2x10
N/m ). Wenn die Federkonstante der Oberfläche größer ist als ko, beult sich die Oberfläche stärker aus als sich die Feder verbiegt. Für eine gewünschte Auflösung von 10 Nanometern sollte ko nicht größer als 4000 N/m sein.Where &lgr; is the resolution and E is the elastic constant (for steel, for example, E= 2x10
If the spring constant of the surface is larger than ko, the surface will bulge more than the spring will bend. For a desired resolution of 10 nanometers, ko should not be larger than 4000 N/m.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß dem Obergriff von Anspruch 7 ist beispielsweise aus F. J. Giessibl, Science 267, 68 (1995), Y. Sugawara et al., Science 270, 1646 (1995) bekannt.A generic device for contactless scanning of a surface according to the preamble of claim 7 is known, for example, from F. J. Giessibl, Science 267, 68 (1995), Y. Sugawara et al., Science 270, 1646 (1995).

Der attraktive Modus konnte bereits so empfindlich betrieben werden, daß damit erstmals atomare Auflösung auf einem Halbleiter nachgewiesen werden konnte (F. J. Giessibl, Science 267, 68 (1995), Y. Sugawara et al., Science 270, 1646 (1995)). Dieser Modus ist sehr viel komplizierter zu betreiben als der repulsive Modus. Die Wechselwirkungskonstante k' ist stark vom Arbeitsabstand abhängig. Es wurde direkt die Frequenzverschiebung als Regelgröße verwendet. Damit hängt die Schleifenverstärkung des Regelkreises Frequenzverschiebung - Abstand ebenfalls empfindlich vom Arbeitsabstand ab. Das führt beim FM-Modus schnell zu Instabilitäten und somit zu einem unzuverlässigen Betrieb.The attractive mode could already be operated so sensitively that it was the first time that atomic resolution could be demonstrated on a semiconductor (F. J. Giessibl, Science 267, 68 (1995), Y. Sugawara et al., Science 270, 1646 (1995)). This mode is much more complicated to operate than the repulsive mode. The interaction constant k' is strongly dependent on the working distance. The frequency shift was used directly as the control variable. This means that the loop gain of the control loop frequency shift - distance is also sensitively dependent on the working distance. This quickly leads to instabilities in FM mode and thus to unreliable operation.

Die Biegung der Blattfeder wurde bisher entweder durch einen Lichtstrahl, der auf die Feder gerichtet und reflektiert wird, oder durch einen aufgebrachten Widerstand, der seinen WertThe bending of the leaf spring has so far been measured either by a beam of light directed at the spring and reflected, or by an applied resistance which changes its value

durch die Biegung ändert (piezoresistiver Effekt) oder durch eine durch die Biegung erzeugte Spannung (piezoelektrischer Effekt), gemessen. Dazu werden aus Silizium mikrofabrizierte Kraftfedern verwendet mit Federkonstanten um 10 Newton/m und Spitzenkrümmungsradien von einigen Nanometern (M. Tortonese et al. Appl. Phys. Lett. 62, 834 (1993). Die Federn werden dabei durch Piezoplättchen zum Schwingen angeregt.by bending (piezoresistive effect) or by a voltage generated by bending (piezoelectric effect). For this purpose, force springs microfabricated from silicon are used with spring constants of around 10 Newton/m and tip curvature radii of a few nanometers (M. Tortonese et al. Appl. Phys. Lett. 62, 834 (1993). The springs are stimulated to oscillate by piezo plates.

Nachteilig ist dabei, daß diese bekannten Anordnungen eine nahezu atomar scharfe Spitze erfordert, um eine atomare Auflösung zu erreichen. Eine leichte Berührung der abzutastenden Oberfläche durch die Spitze kann den Spitzenradius so vergrößern, daß ein stabiler Betrieb nicht mehr möglich ist. Außerdem muß für eine gute Funktion der mechanische Kontakt zwischen Kraftsensor und Piezoplättchen sehr fest sein. Dies ist aber oft ein Problem - die Zuverlässigkeit leidet und das Rauschen wird erhöht. Außerdem verursacht die mechanische Verbindung eine schwer vorhersagbare Phasenverschiebung. Deshalb muß in der Kontrollelektronik die Phasenverschiebung nachstellbar sein, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Sensoren nur im Vakuum einsetzbar sind, weil die mechanische Güte dieser Sensoren an Luft zu klein ist, um damit eine hohe Auflösung zu erreichen (Gl. 6).The disadvantage is that these known arrangements require an almost atomically sharp tip in order to achieve atomic resolution. A slight touch of the tip on the surface to be scanned can increase the tip radius to such an extent that stable operation is no longer possible. In addition, the mechanical contact between the force sensor and the piezo plate must be very strong for good function. However, this is often a problem - reliability suffers and noise is increased. In addition, the mechanical connection causes a phase shift that is difficult to predict. The phase shift must therefore be adjustable in the control electronics, which means additional effort. Another disadvantage is that these sensors can only be used in a vacuum because the mechanical quality of these sensors in air is too low to achieve high resolution (equation 6).

Aus K. Bartzke et al., International Journal of Optoelectronics 8, Nos. 5/6, 669-676, 1993, ist ein Sensor bekannt, bei welchem das Federelement des Sensors aus einem Quarzstab mit einer Länge von 2 mm besteht, der lithographisch aus einem Quarzplättchen hergestellt wird und eine Federkonstante in Stablängsrichtung von etwa 100 000 N/m aufweist. Auf der Stirnfläche des Stabs wird mittels Elektronenstrahl-induzierter Abscheidung in einem Rasterelektronenmikroskop eine Spitze mit einer Länge von 3&mgr;&eegr;&igr; und einem Radius von 300 nm aufgebracht. Der Sensor ist an einer piezoelektrischen Verstelleinheit befestigt, wobei der Quarzstab senkrecht zur abzutastenden Oberfläche orientiert ist. Der Quarzstab bildet einen durch ein externes Spannungssignal piezoelektrisch erregten Oszillator, der in Längsrichtung des Stabs mit einer Amplitude von einigen Nanometerm bei einer Resonanzfrequenz von 1 MHz schwingt. Der Sensor wird in einem Mischmodus betrieben, der zwischen einem rein attraktiven und rein repulsiven Modus liegt. Die sich aus der Wechselwirkung von Spitze und Oberfläche ergebende Änderung der Schwingungsphase gegenüber dem Erregungssignal wird zur Abstandsregelung der Spitze verwendet.From K. Bartzke et al., International Journal of Optoelectronics 8, Nos. 5/6, 669-676, 1993, a sensor is known in which the spring element of the sensor consists of a quartz rod with a length of 2 mm, which is manufactured lithographically from a quartz plate and has a spring constant in the longitudinal direction of the rod of about 100,000 N/m. A tip with a length of 3 μm and a radius of 300 nm is applied to the end face of the rod by means of electron beam-induced deposition in a scanning electron microscope. The sensor is attached to a piezoelectric adjustment unit, with the quartz rod oriented perpendicular to the surface to be scanned. The quartz rod forms an oscillator that is piezoelectrically excited by an external voltage signal and oscillates in the longitudinal direction of the rod with an amplitude of a few nanometers at a resonance frequency of 1 MHz. The sensor is operated in a mixed mode that lies between a purely attractive and purely repulsive mode. The change in the oscillation phase compared to the excitation signal resulting from the interaction between the tip and the surface is used to control the distance of the tip.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die Fremderregung zusätzliche Bauteile erfordert und die Verwendung eines vertikalen Quarzstabs impliziert, daß die Steifigkeit der Feder in der xy Ebene weit geringer ist als in der z-Richtung, d.h. bei einer lateralen Kraftkomponente wird der Sensor parallel zur Ebene ausgelenkt. Ein weiterer Nachteil ist die extrem hohe Federkonstante (siehe Gl. 8).The disadvantage of this arrangement is that the external excitation requires additional components and the use of a vertical quartz rod implies that the stiffness of the spring in the xy plane is much lower than in the z direction, i.e. with a lateral force component the sensor is deflected parallel to the plane. Another disadvantage is the extremely high spring constant (see equation 8).

Eine gattungsgemäße Abtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US 5 212 987 bekannt. Dabei handelt es sich um eine Abtastvorrichtung für ein akustischesA scanning device of the generic type according to the preamble of claim 1 is known from US 5 212 987. This is a scanning device for an acoustic

Nahfeldmikroskop, wobei die Spitze mittels eines Koppelmediums, z.B. Luft, akustisch mit der abzutastenden Oberfläche gekoppelt ist. Die Stimmgabel ist mit der Oberseite ihres Basisteils an der Verstelleinheit befestigt, wobei die obere Federzunge an ihrem freien Ende mit einem Gegengewicht versehen ist und frei schwingt. Die Stimmgabel besteht aus einem piezolelektrischen Quarzkristall mit einer Resonanzfrequenz von 32 kHz und wird mittels zweier an dem oberen bzw. dem unteren Ende des Basisteils angebrachten Elektroden in einem Selbsterregungsmodus betrieben, wobei der minimale Abstand zwischen Spitze und abzutastender Oberfläche 50 nm nicht unterschreitet und eine maximale laterale Auflösung von 50 nm erzielt wird. Beim Abtasten wird der Abstand zwischen Spitze und abzutastender Oberfläche so geregelt, daß entweder die Schwingungsamplitude oder die Resonanzfrequenz konstant bleibt, wobei aus dem Signal zum entsprechenden Einstellen des Abstands das Oberflächenprofil der abgetasteten Oberfläche ermittelt wird.Near-field microscope, whereby the tip is acoustically coupled to the surface to be scanned by means of a coupling medium, e.g. air. The tuning fork is attached to the adjustment unit with the top of its base part, whereby the upper spring tongue is provided with a counterweight at its free end and oscillates freely. The tuning fork consists of a piezoelectric quartz crystal with a resonance frequency of 32 kHz and is operated in a self-excitation mode by means of two electrodes attached to the upper and lower ends of the base part, whereby the minimum distance between the tip and the surface to be scanned does not fall below 50 nm and a maximum lateral resolution of 50 nm is achieved. During scanning, the distance between the tip and the surface to be scanned is regulated so that either the vibration amplitude or the resonance frequency remains constant, whereby the surface profile of the scanned surface is determined from the signal for setting the distance accordingly.

Aus US 5 537 863 ist ein Rasterkraftmikroskop bekannt, bei welchem eine horizontale Schwinge an der Unterseite ihres freien Endes mit einer Spitze versehen ist. In die Schwinge ist eine Schicht eingearbeitet, deren Impedanz sich in der Nähe der Resonanzfrequenz der Schwinge stark ändert. Die Schwinge wird mit einer konstanten Frequenz nahe der Resonanzfrequenz der Schwinge angeregt, wobei die Impedanz der Impedanzschicht gemessen wird. Der Abstand zwischen Spitze und Oberfläche wird so geregelt, daß die Impedanz der Schicht und damit die von der Kraftwirkung zwischen Spitze und Oberfläche beeinflußte Resonanzfrequenz der Schwinge konstant bleibt.An atomic force microscope is known from US 5,537,863 in which a horizontal oscillator is provided with a tip on the underside of its free end. A layer is incorporated into the oscillator, the impedance of which changes significantly near the resonance frequency of the oscillator. The oscillator is excited at a constant frequency close to the resonance frequency of the oscillator, whereby the impedance of the impedance layer is measured. The distance between the tip and the surface is regulated in such a way that the impedance of the layer and thus the resonance frequency of the oscillator influenced by the force between the tip and the surface remains constant.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftmikroskopiesensor zu schaffen, der die oben genannten Nachteile vermeidet und dennoch einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine hohe Auflösung im atomaren Bereich erlaubt und zuverlässig im Betrieb ist.It is an object of the present invention to provide a force microscopy sensor that avoids the above-mentioned disadvantages and yet is simple and inexpensive to manufacture, allows high resolution in the atomic range and is reliable in operation.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Abtasten einer Oberfläche mit einem Sensor zu schaffen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.It is a further object of the invention to provide a device for scanning a surface with a sensor, which avoids the above-mentioned disadvantages.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß Anspruch 1 und Anspruch 7.These objects are achieved according to the invention by a device for contactless scanning of a surface according to claim 1 and claim 7.

In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 7 ist vorgesehen, daß der erfaßte Schwingungsparameter die Schwingungsfrequenz ist.In a preferred embodiment of the device according to the invention according to claim 7, it is provided that the detected vibration parameter is the vibration frequency.

Ferner ist dabei bevorzugt ein Regelkreis zur Abstandsregelung vorgesehen, der analog ausgeführt ist, wobei das abgeleitete Signal aus dem Logarithmus der Änderung des Schwingungssignals gebildet wird und vorzugsweise ein logarithmischer Verstärker zur Verstärkung der Änderung des Schwingungssignals verwendet wird. Dies stellt eine einfache Lösung zur Linearisierung des Regelkreises dar.Furthermore, a control loop for distance control is preferably provided, which is designed analogously, whereby the derived signal is formed from the logarithm of the change in the vibration signal and preferably a logarithmic amplifier is used to amplify the change in the vibration signal. This represents a simple solution for linearizing the control loop.

• m ·• m ·

I ··

Ferner ist dabei bevorzugt vorgesehen, daß das Schwingungssignal zugleich zur Regelung des Abstands der Spitze von der abzutastenden Oberfläche verwendet wird. Dies erlaubt eine möglichst einfache Ausbildung einer Vorrichtung zum Ausfuhren der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Furthermore, it is preferably provided that the vibration signal is also used to control the distance of the tip from the surface to be scanned. This allows a device to be designed as simply as possible for implementing the device according to the invention.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprächen.Advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft veranschaulicht. Es zeigen:Several embodiments of the invention are illustrated by way of example with reference to the accompanying drawings. They show:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Sensor zum Abtasten einer Oberfläche;Fig. 1 shows schematically a sensor according to the invention for scanning a surface;

FlG. 2 schematisch einen erfindungsgemäßen Regelkreis zum Betrieb des Sensors aus Fig. 1 in drei alternativen Ausführungsformen;Fig. 2 shows schematically a control circuit according to the invention for operating the sensor from Fig. 1 in three alternative embodiments;

FlG. 3 eine Schaltung zur erfindungsgemäßen Schwingungsanregung eines Sensors in einer ersten Ausführungsform;Fig. 3 shows a circuit for inventive vibration excitation of a sensor in a first embodiment;

FlG. 4 eine Schaltung zur erfindungsgemäßen Schwingungsanregung eines Sensors in einer zweiten Ausführungsform; undFig. 4 shows a circuit for inventive vibration excitation of a sensor in a second embodiment; and

Fig. 5 schematisch eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Schwingungsanregung eines Sensors in einer dritten Ausführungsform.Fig. 5 shows schematically an arrangement for the vibration excitation of a sensor according to the invention in a third embodiment.

Gemäß FlG. 1 besteht ein Sensor 10 für ein Kraftmikroskop zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen aus einem Federelement 11, das in Form einer Stimmgabel mit zwei Federzungen 12 bzw. 13 und einem diese Federzungen verbindenden Basisteil 14 ausgebildet ist, und einer Spitze 15. Die Spitze 15 ist vorzugsweise elektrisch leitend ausgebildet.According to FlG. 1, a sensor 10 for a force microscope for contactless scanning of surfaces consists of a spring element 11, which is designed in the form of a tuning fork with two spring tongues 12 and 13 and a base part 14 connecting these spring tongues, and a tip 15. The tip 15 is preferably designed to be electrically conductive.

Das Federelement 11 ist mit der Oberseite 20 der oberen Federzunge 12 an einer Verstelleinheit 16 befestigt. Die Verstelleinheit 16 ist in üblicher Weise aus drei Piezoelementen zur Höhenverstellung bzw. zur lateralen Verstellung aufgebaut (nicht dargestellt). Das Federelement ist so orientiert, daß die Federzungen 12, 13 parallel zu einer abzutastenden Oberfläche 17 orientiert ist, wobei die Federzungen 12, 13 vertikal übereinander liegen. Die Spitze 15 ist an dem Vorderende 18 an der abzutastenden Oberfläche 17 zugewandten Seite 19 der unteren Federzunge 13 angebracht.The spring element 11 is attached to an adjustment unit 16 by the top side 20 of the upper spring tongue 12. The adjustment unit 16 is constructed in the usual way from three piezo elements for height adjustment or lateral adjustment (not shown). The spring element is oriented so that the spring tongues 12, 13 are oriented parallel to a surface 17 to be scanned, with the spring tongues 12, 13 lying vertically one above the other. The tip 15 is attached to the front end 18 on the side 19 of the lower spring tongue 13 facing the surface 17 to be scanned.

Das Federelement 11 ist vorzugsweise als Quarzstimmgabel ausgebildet. Dabei kann beispielsweise ein handelsüblicher Uhren-Quarz mit einer Resonanzfrequenz fo = 32768 Hz verwendet werden. Die Spitze 15 ist vorzugsweise eine geätzte Wolframspitze mit einem Spitzenradius von R = 50nm. Derartige Spitzen werden in der Rastertunnelmikroskopie verwendet. Das elektrische Potential der Spitze ist von dem elektrischen Potential der Federzungen 12, 13, d.h. dem Federelement, getrennt. Die Spitze wird vorzugsweise mitThe spring element 11 is preferably designed as a quartz tuning fork. For example, a commercially available watch quartz with a resonance frequency fo = 32768 Hz can be used. The tip 15 is preferably an etched tungsten tip with a tip radius of R = 50nm. Such tips are used in scanning tunneling microscopy. The electrical potential of the tip is separated from the electrical potential of the spring tongues 12, 13, i.e. the spring element. The tip is preferably coated with

einem speziellen im Handel erhältlichen Zweikomponentenkleber auf die Zunge aufgeklebt. Der elektrische Anschluß der Spitze läßt sich durch Aufbringen eines Anschlusses mit Leitsilber erreichen. Alternativ kann die Spitze auch isoliert bleiben oder mit Leitsilber mit einer der beiden Zungenelektroden 12, 13 verbunden werden. Alternativ kann die Spitze auch durch elektronenmikroskopische Abscheidung hergestellt werden, wie es beispielsweise aus K. Bartzke et al., International Journal of Optoelectronics 8, Nos. 5/6, 669-676, 1993, bekannt ist.glued to the tongue with a special commercially available two-component adhesive. The electrical connection of the tip can be achieved by applying a connection with conductive silver. Alternatively, the tip can remain insulated or be connected with conductive silver to one of the two tongue electrodes 12, 13. Alternatively, the tip can also be produced by electron microscopic deposition, as is known, for example, from K. Bartzke et al., International Journal of Optoelectronics 8, Nos. 5/6, 669-676, 1993.

Für die U-förmige Stimmgabelgeometrie läßt sich in Lehrbüchern der Mechanik nachschlagen, daß die Federkonstante k durchFor the U-shaped tuning fork geometry, one can look up in textbooks on mechanics that the spring constant k is given by

k = Ewt³/(4L³) (Gl. 9)k = Ewt ³ /(4L ³ ) (Eq. 9)

mit E = Elastizitätsmodul 7.87 10 N/m , w= Weite der Stimmgabel = 0.4 mm, t = Dicke = 0.6 mm und L = Länge der Federzungen = 4mm und ff) durchwith E = elastic modulus 7.87 10 N/m , w= width of the tuning fork = 0.4 mm, t = thickness = 0.6 mm and L = length of the spring tongues = 4 mm and ff) by

f0=l/(27t)l,0150t/L²(E/p)⁰-⁵ (Gl. 10)f0=l/(27t)l,0150t/L ² (E/p) ⁰ - ⁵ (Eq. 10)

mit Parametern wie oben und &rgr; = Dichte = 2650 kg/m gegeben sind. Die Federkonstante von handelsüblichen 32768 Hz Quarzstimmgabeln ist damit ca. 26200 N/m. Diese Federkonstante bzw. diese Resonanzfrequenz gelten für eine Schwingung der Federzungen quer zu ihrer Längsrichtung in der Ebene, in der die beiden Federzungen liegen.with parameters as above and ρ = density = 2650 kg/m. The spring constant of commercially available 32768 Hz quartz tuning forks is therefore approx. 26200 N/m. This spring constant or this resonance frequency applies to an oscillation of the spring tongues transverse to their longitudinal direction in the plane in which the two spring tongues lie.

Bei einer Federkonstante von 26 200 N/m erreicht der Sensor somit nach Gl. 8 eine Auflösung von 60 nm. Die hohe Steifigkeit erlaubt einen wesentlich stabileren Betrieb als mit den typischerweise bei der FM-noncontact Methode verwendeten Federelementen mit Federkonstanten um 10 N/m. Außerdem können zwischen Spitze und Oberfläche sehr viel größere Kräfte wirken, wie es für zukünftige Anwendungen wie Sputtern etc. benötigt wird. Die geometrischen Parameter können auch verändert werden, um kleinere Federkonstanten und damit höhere Auflösungen zu erreichen. So sind im Handel auch Stimmgabeln mit einer Federkonstante von ca. 4000 N/m erhältlich. Damit erreicht man eine Auflösung von mindestens 10 nm.With a spring constant of 26,200 N/m, the sensor thus achieves a resolution of 60 nm according to equation 8. The high rigidity allows for much more stable operation than with the spring elements typically used in the FM noncontact method with spring constants of around 10 N/m. In addition, much larger forces can act between the tip and the surface, as will be required for future applications such as sputtering, etc. The geometric parameters can also be changed to achieve smaller spring constants and thus higher resolutions. Tuning forks with a spring constant of around 4000 N/m are also commercially available. This achieves a resolution of at least 10 nm.

Die erwähnte starke Abhängigkeit der Wechselwirkungskonstante k' von dem Abstand zwischen Spitze und Oberfläche kann durch Linearisieren des Regelkreises zumindest zum Teil kompensiert werden. Der Regelkreis zum Regeln des Abstands in Abhängigkeit von der Frequenzverschiebung kann digital oder analog ausgeführt sein. Bei einem digitalen Regelkreis, wie er schematisch in der obersten Schalterstellung in FiG. 2 dargestellt ist, ermittelt man zunächst die Abhängigkeit der Frequenzverschiebung der Schwingung eines Sensors 10 vom Abstand zwischen Spitze 15 und abzutastender Oberfläche 17 durch Messung. Dabei wird für die Ermittlung der Schwingungsfrequenz ein durch die piezoelektrische Eigenschaft des Quarzmaterials des Federelements 11, d.h. der Stimmgabel,The mentioned strong dependence of the interaction constant k' on the distance between the tip and the surface can be compensated at least in part by linearizing the control loop. The control loop for controlling the distance depending on the frequency shift can be digital or analog. In a digital control loop, as shown schematically in the top switch position in Fig. 2, the dependence of the frequency shift of the oscillation of a sensor 10 on the distance between the tip 15 and the surface 17 to be scanned is first determined by measurement. In order to determine the oscillation frequency, a frequency determined by the piezoelectric property of the quartz material of the spring element 11, i.e. the tuning fork, is used.

durch die Schwingung des Federelements 11 an dem Oszillatorausgang (OSC) erzeugtes Spannungssignal abgegriffen, das durch einen Verstärker verstärkt wird. Das verstärkte Spannungssignal wird in einen FM Demodulator (PLL), z.B. einen im Handel erhältlichen Phase-Locked-Loop (PLL)-Baustein eingespeist. Der PLL-Baustein wird auf bekannte Weise so beschaltet (siehe Datenblatt des PLL-Bausteins), daß seine Ruhefrequenz der Eigenfrequenz des Schwingquarzes entspricht (beim Ausführungsbeispiel gemäß FlG. 1 bis 3 gilt fo= 32768 Hz) und die Einfangbandbreite ca. 100 Hz beträgt. Der Ausgang des PLL-Bausteines liefert ein Signal UpLL, welches proportional der Frequenzverschiebung Af ist:The voltage signal generated by the oscillation of the spring element 11 at the oscillator output (OSC) is tapped and amplified by an amplifier. The amplified voltage signal is fed into an FM demodulator (PLL), e.g. a commercially available phase-locked loop (PLL) module. The PLL module is wired in a known manner (see the data sheet of the PLL module) so that its rest frequency corresponds to the natural frequency of the oscillator crystal (in the embodiment according to FlG. 1 to 3, fo = 32768 Hz) and the capture bandwidth is approximately 100 Hz. The output of the PLL module delivers a signal UpLL which is proportional to the frequency shift Af:

UPLL= IVAf/ 100 Hz (Gl. 11).UPLL= IVAf/ 100 Hz (Eq. 11).

Folgende Tabelle zeigt für einen Abstandsbereich von 0.2 nm bis 1.2 nm die attraktive Kraft zwischen Spitze und Probe, die Ableitung d¥/dz, die daraus berechnete Frequenzverschiebung Af und die Ableitungen von Af und log(-Af/fo) nach z. Dabei wurden die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel geltenden Materialparameter verwendet:The following table shows the attractive force between tip and sample, the derivative d¥/dz, the frequency shift Af calculated from this and the derivatives of Af and log(-Af/fo) with respect to z for a distance range of 0.2 nm to 1.2 nm. The material parameters applicable in the present embodiment were used:

zinnm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2tin 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2

F(z)innN 20.8 9.3 5.2 3.3 2.3 1.7 1.3 1.0 0.8 0.6F(z)innN 20.8 9.3 5.2 3.3 2.3 1.7 1.3 1.0 0.8 0.6

öF/feinN/m -208.3 -61.7 -26.0 -13.3 -7.7 -4.9 -3.3 -2.3 -1.7 -1.0öF/fineN/m -208.3 -61.7 -26.0 -13.3 -7.7 -4.9 -3.3 -2.3 -1.7 -1.0

Af in Hz -130.5 -38.6 -16.3 -8.3 -4.8 -3.0 -2.0 -1.4 -1.0 -0.6Frequency in Hz -130.5 -38.6 -16.3 -8.3 -4.8 -3.0 -2.0 -1.4 -1.0 -0.6

öAf/dz in Hz/nm 919 223 80 35 18 10 6 4 2öAf/dz in Hz/nm 919 223 80 35 18 10 6 4 2

log(-Af/fo) -2.40 -2.93 -3.30 -3.59 -3.83 -4.03 -4.21 -4.36 -4.50 -4.74log(-Af/fo) -2.40 -2.93 -3.30 -3.59 -3.83 -4.03 -4.21 -4.36 -4.50 -4.74

ölog(-Af/fo)/öz -5.29 -3.75 -2.91 -2.38 -2.01 -1.74 -1.53 -1.37 -1.19ölog(-Af/fo)/öz -5.29 -3.75 -2.91 -2.38 -2.01 -1.74 -1.53 -1.37 -1.19

Die Ableitung des Regelsignals nach &zgr; geht in die Schleifenverstärkung des Regelkreises ein. Man erkennt aber auch ein eingangs bereits genanntes Problem des FM Modus: die Frequenzverschiebung Af hängt stark nichtlinear vom Abstand ab: bei einem Abstand von 0.3 nm ändert sich die Frequenz um 35.8 Hz/nm, bei &zgr; = 1.2nm nur mehr um 0.1 Hz/nm. Damit ist die FM Methode bei einem Abstand von 0.2 nm 300x so empfindlich wie bei einem Abstand von 1.2 nm.The derivation of the control signal according to ζ is included in the loop gain of the control circuit. But one can also see a problem of the FM mode already mentioned at the beginning: the frequency shift Af depends strongly non-linearly on the distance: at a distance of 0.3 nm the frequency changes by 35.8 Hz/nm, at ζ = 1.2 nm only by 0.1 Hz/nm. This means that the FM method is 300x as sensitive at a distance of 0.2 nm as at a distance of 1.2 nm.

Für eine gute Funktion der Abbildungsvorrichtung muß das Fehlersignal linearisiert werden. Dafür bieten sich drei Möglichkeiten an, die in Fig. 2 dargestellt sind:For the imaging device to function properly, the error signal must be linearized. There are three options for this, which are shown in Fig. 2:

1) Digitale Regelung (DiRe): Der Abstand zwischen Spitze und Oberfläche wird in einem festgelegten Bereich durchfahren, während die sich bei bestimmten Abstandswerten ergebenden Schwingungsfrequenzen aus dem durch einen A/D-Wandler digitalisierten Spannungssignal UpLL durch einen Prozessor ermittelt werden und in einem Speicherelement abgespeichert werden. Zwischen den einzelnen Meßwerten wird interpoliert, so daß die funktionale Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz des Sensors von dem Abstand zwischen Spitze und Oberfläche näherungsweise ermittelt wird. Sodann wird mittels des Prozessors die Umkehrfunktion daraus berechnet. Für die Berechnung der Regelabweichung mittels des Prozessors wird schließlich diese so ermittelte Umkehrfunktion verwendet. Anstelle der direkten Frequenzabweichung der Sensorschwingung vom Sollwert wird somit ein aus der ermittelten Umkehrfunktion errechneter Wert verwendet und über einen D/A-Wandler in ein Analogsignal umgewandelt. Dieses Signal wird von einem Verstärker HVA verstärkt und dem Eingang der Höhenverstellung des Verstellelements 16 zugeführt.1) Digital control (DiRe): The distance between tip and surface is traversed in a defined range, while the oscillation frequencies resulting from certain distance values are determined by a processor from the voltage signal UpLL digitized by an A/D converter and stored in a memory element. Interpolation takes place between the individual measured values so that the functional dependence of the oscillation frequency of the sensor on the distance between tip and surface is approximately determined. The inverse function is then calculated from this using the processor. This inverse function determined in this way is then used to calculate the control deviation using the processor. Instead of the direct frequency deviation of the sensor oscillation from the target value, a value calculated from the determined inverse function is used and converted into an analog signal using a D/A converter. This signal is amplified by an amplifier HVA and fed to the input of the height adjustment of the adjustment element 16.

2) Analoge Lösung mit logarithmischem Verstärker (logV): Die Ableitung des Logarithmus der Frequenzverschiebung ist bei 0,3 nm nur fünfmal so groß wie bei 1,2 nm. Damit ist der Regelkreis bei Verwendung der logarithmierten Frequenzverschiebung sehr viel stabiler. Dabei wird das Ausgangssignal Upjj^ des PLL-Bausteins in einen logarithmischen Verstärker eingespeist und liefert damit das gewünschte Ausgangssignal2) Analogue solution with logarithmic amplifier (logV): The derivative of the logarithm of the frequency shift is only five times as large at 0.3 nm as at 1.2 nm. This makes the control loop much more stable when using the logarithmic frequency shift. The output signal Upjj^ of the PLL module is fed into a logarithmic amplifier and thus delivers the desired output signal

ULAV = log(-Af/fo) (Gl. 11)ULAV = log(-Af/fo) (Eq. 11)

3) Analoge Lösung (Exp): Es wird ein Exponenzierer verwendet, wie er im Handel angeboten wird. Nach Gleichung 5 ist die Frequenzverschiebung proportional zum Inversen der dritten Potenz des Abstandes. Damit ist der Abstand proportional zum Inversen der dritten Wurzel der Frequenzverschiebung. Der Baustein läßt sich so beschälten, daß der Ausgang gleich dem Inversen der dritten Potenz des Eingangs ist.3) Analogue solution (Exp): An exponentiator is used, as is available commercially. According to equation 5, the frequency shift is proportional to the inverse of the third power of the distance. The distance is therefore proportional to the inverse of the third root of the frequency shift. The module can be wired so that the output is equal to the inverse of the third power of the input.

In Fig. 2 sind schematische Schaltungen für diese drei Ausführungsformen veranschaulicht, bei den analogen Lösungen wird auch die Regelung analog ausgeführt, vorzugsweise mit einem Integralregler (AnRe).Fig. 2 shows schematic circuits for these three embodiments. In the analog solutions, the control is also carried out analogously, preferably with an integral controller (AnRe).

Der Sensor wird in einem selbsterregten Modus betrieben. Für die Schwingungsanregung des Sensors bestehen dabei mehrere Möglichkeiten, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß sich unabhängig vom Detektionsmodus (z.B. Lichtzeiger, piezoresistiv, piezoelektrisch) der Schwingungsfrequenz das Federelement auch durch die Umkehrung der Detektion beeinflussen läßt. Beim Lichtzeiger-Modus läßt sich das Federelement durch eine Modulation des Lichtes mit der Eigenfrequenz des Federelements anregen (Impulsübertrag der Photonen bei der Reflexion). Besonders einfach ist die Autovibrationsvorrichtung bei elektrischer Detektion (piezoresitiv, piezoelektrisch). Dann braucht nur die Brückenspannung bzw. die an der Stimmgabel anliegende Spannung als Oszillatorschaltung verwendet werden.The sensor is operated in a self-excited mode. There are several options for stimulating the vibration of the sensor, taking advantage of the fact that, regardless of the detection mode (e.g. light pointer, piezoresistive, piezoelectric), the spring element can also be influenced by reversing the detection. In the light pointer mode, the spring element can be excited by modulating the light with the natural frequency of the spring element (impulse transfer of the photons during reflection). The autovibration device is particularly simple with electrical detection (piezoresistive, piezoelectric). In this case, only the bridge voltage or the voltage applied to the tuning fork needs to be used as an oscillator circuit.

Bei der piezoelektrischen Ausführung wird das Federelement als Bestandteil eines Quarz-Oszillators beschaltet, wie dies schematisch in FiG. 2 dargestellt ist. Der Schwingungskreis besteht dabei aus dem Spannungsabgriff an dem Basisteil 14 des Federelements 11, dem Operationsverstärker OPA und einem Widerstandsnetzwerk Rl - R4, wie es in FlG. 3 dargestellt ist. Die Dioden Dl und D2 begrenzen die Amplitude der Sensorschwingung. Durch Wahl der Durchlaßspannung dieser Dioden läßt sich die Amplitude bestimmen. Erfahrungsgemäß funktioniert die Selbsterregung umso besser, je höher die Güte Q des Sensors ist. Ein Wert um Q=IOOO stellt dabei eine praktische untere Grenze dar.In the piezoelectric version, the spring element is connected as part of a quartz oscillator, as shown schematically in Fig. 2. The oscillation circuit consists of the voltage tap on the base part 14 of the spring element 11, the operational amplifier OPA and a resistor network Rl - R4, as shown in Fig. 3. The diodes Dl and D2 limit the amplitude of the sensor oscillation. The amplitude can be determined by selecting the forward voltage of these diodes. Experience has shown that the higher the quality factor Q of the sensor, the better the self-excitation works. A value of around Q=IOOO represents a practical lower limit.

Piezoresistive Sensoren lassen sich ebenfalls selbsterregt betreiben. Sie bestehen aus einem V-formigen Federelement von einigen Mikrometern Dicke. Auf einer Seite sind sie stark dotiert und deshalb leitfähig. Piezoresistive Federelemente ändern ihren Widerstand, wenn sie gebogen werden. Stromfluß durch das Federelement verursacht Verlustwärme und damit eine Biegung. Damit ergibt sich bei piezoresistiven Kraftfedern eine Rückkoppelmöglichkeit über den Widerstandspfad des Federelements.Piezoresistive sensors can also be operated self-excited. They consist of a V-shaped spring element a few micrometers thick. They are heavily doped on one side and are therefore conductive. Piezoresistive spring elements change their resistance when they are bent. Current flow through the spring element causes heat loss and thus bending. This means that piezoresistive force springs have the option of feedback via the resistance path of the spring element.

Eine Beschaltungsmöglichkeit eines piezoresistiven Sensors ist in FlG. 4 dargestellt. Zur Messung der Biegung wird das piezoresistive Federelement VR in eine Wheatstone-Brücke mit den Widerständen Rl, R2 und R3 eingebaut. Das Ausgangs signal der Brücke wird über einen Verstärker V verstärkt. Speist man den Wechselspannungsanteil dieses verstärkten Ausgangssignals über den Kondensator C in die Brückenspeisespannung mit geeigneter Phasenverschiebung über einen Phasenschieber PS ein, so kann man das Federelement mit seiner Eigenfrequenz zum Schwingen bringen. Die Induktivität Ll verhindert, daß das rückgekoppelte Ausgangssignal mit der Brückenspeisespannungsquelle Uo kurzgeschlossen wird. Das Spannungssignal für die Regelung der Höhenverstellung des Sensors, d.h. das Eingangssignal für den Demodulator, wird an dem Ausgang des Verstärkers V abgegriffen.One possible way of wiring a piezoresistive sensor is shown in Fig. 4. To measure the bending, the piezoresistive spring element VR is built into a Wheatstone bridge with the resistors Rl, R2 and R3. The output signal of the bridge is amplified by an amplifier V. If the alternating voltage component of this amplified output signal is fed into the bridge supply voltage via the capacitor C with a suitable phase shift via a phase shifter PS, the spring element can be made to oscillate at its natural frequency. The inductance Ll prevents the fed-back output signal from being short-circuited with the bridge supply voltage source Uo. The voltage signal for controlling the height adjustment of the sensor, i.e. the input signal for the demodulator, is tapped at the output of the amplifier V.

Bei der Messung der Biegung durch einen Lichtzeiger wird ein Laserstrahl Sl aus einem Laser L auf ein Federelement F gerichtet. Der reflektierte Strahl S2 fällt auf einen zweigeteilten Detektor D. Wenn sich das Federelement biegt, ändert sich das Verhältnis der auf den Detektor fallenden Lichtintensitäten. Das Differenzsignal wird verstärkt und moduliert mit geeigneter Phasenverschiebung über einen Modulator M die Intensität des Laserstrahls. Durch den Impulsübertrag der Photonen wird das Federelement gebogen, was wiederum das Detektorsignal verstärkt.When measuring the bending using a light pointer, a laser beam Sl from a laser L is directed onto a spring element F. The reflected beam S2 falls on a two-part detector D. When the spring element bends, the ratio of the light intensities falling on the detector changes. The difference signal is amplified and modulates the intensity of the laser beam with a suitable phase shift via a modulator M. The momentum transfer of the photons bends the spring element, which in turn amplifies the detector signal.

Obwohl es im allgemeinen vorteilhaft sein wird, zur Selbsterregung der Sensorschwingung und zur Detektion der Schwingungsfrequenz für die Abstandsregelung dasselbe Signal zu verwenden, ist dies jedoch kein Zwangsmerkmal der vorliegenden Erfindung. So kann beispielsweise zur Selbsterregung eines piezoelektrischen Federelements die durch die periodische Deformation des Federelements erzeugte Spannung verwendet werden, während zur Detektion der Schwingungsfrequenz das Lichtzeiger-Vorrichtung verwendet werden kann.Although it will generally be advantageous to use the same signal for self-excitation of the sensor vibration and for detection of the vibration frequency for distance control, this is not a mandatory feature of the present invention. For example, the voltage generated by the periodic deformation of the spring element can be used to self-excite a piezoelectric spring element, while the light pointer device can be used to detect the vibration frequency.

Ferner kann die Vorrichtung zur Linearisierung des Regelkreises gemäß Anspruch 7 vorteilhaft auch mit anderen Sensoren als einem erfindungsgemäßen Sensor gemäß Anspruch 1 verwendet werden, beispielsweise mit herkömmlichen Sensoren, wie sie eingangs bei der Würdigung des Stands der Technik beschiieben sind. Ebensowenig ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors gemäß Anspruch 1 an den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 7 gebunden.Furthermore, the device for linearizing the control loop according to claim 7 can also be used advantageously with sensors other than a sensor according to the invention according to claim 1, for example with conventional sensors as described at the beginning in the assessment of the prior art. The use of the sensor according to the invention according to claim 1 is also not tied to the use of the device according to the invention according to claim 7.

Claims

File number: 296 23 658.6 Version from 28.6.99 Applicant: Dr. Franz J. Gießibl, Seefelder Str. 36, 86163 Augsburg Claims 1 to 24

1. Device for contactless scanning of a surface (17), with an adjustment unit (16) and a sensor (10) with a tuning fork (11) which has two spring tongues (12, 13) connected by a base part (14) and is arranged such that the two spring tongues are oriented essentially parallel to the surface to be scanned and a tip (15) attached to the front end of the lower spring tongue (13), the tuning fork having a quality of at least about 1000 in air for an oscillation perpendicular to its longitudinal axis and perpendicular to the surface to be scanned, characterized in that the tuning fork (11) is attached to the adjustment unit (16) with the upper spring tongue (12).

2. Device according to claim 1, characterized in that the tuning fork (11) consists of a piezoelectric material.

3. Device according to claim 2, characterized in that the tuning fork (11) consists of quartz.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning fork (11) has a spring constant of between 100N/m and 100,000N/m for a deflection perpendicular to its longitudinal axis and perpendicular to the surface to be scanned (17).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the tip (15) is designed to be electrically isolated from the spring element (11).

6. Device according to claim 5, characterized in that the tip (15) consists of etched tungsten wire.

7. Device for contactless scanning of a surface (17) by means of a sensor (10) with an elongated spring element (11) and a tip (15) attached thereto, wherein the sensor is set into a resonant oscillation, at least one oscillation parameter is recorded as an oscillation signal and the change in the signal resulting from the force between the tip and the surface to be scanned is used to control the distance between the surface to be scanned and the tip, characterized in that a signal derived from the change in the oscillation signal is used as the input signal for the distance control, the dependence of which on the distance between the tip (15) and the surface to be scanned (17) is more linear than the corresponding dependence of the oscillation signal.

8. Device according to claim 7, characterized in that the detected vibration parameter is the vibration frequency.

9. Device according to claim 7 or 8, characterized in that a control circuit for distance control is provided, which is implemented digitally, and before the start of the control operation the dependency of the change in the vibration signal on the distance between the tip (15) and the surface to be scanned (17) is measured and stored and in the control operation the derived signal is formed from the inverse function of this distance dependency.

10. Device according to claim 7 or 8, characterized in that a control circuit for distance control is provided, which is designed analogously, and the derived signal is formed from the logarithm of the change in the vibration signal.

11. Device according to claim 10, characterized in that a logarithmic amplifier is used to amplify the change in the oscillation signal.

12. Device according to claim 8, characterized in that the control circuit is analog and contains an exponentiator module, at the input of which a signal corresponding to the change in the oscillation frequency is present and which is connected in such a way that its output is equal to the inverse of the third power of the input, whereby the output signal forms the derived signal.

13. Device according to one of claims 7 to 12, characterized in that the device is designed according to one of claims 1 to 9.

14. Device for contactless scanning of a surface (17) by means of a device with a sensor (10) with an elongated spring element (11) and a tip (15) attached thereto, wherein the sensor is set into a resonant oscillation and the spring element generates a signal through its oscillation, characterized in that the signal is brought directly to act on the spring element in a positive feedback loop in order to set the sensor (10) into oscillation.

15. Device according to claim 14, characterized in that the oscillation of the sensor (10) occurs essentially in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the spring element (11) and perpendicular to the surface to be scanned (17).

16. Device according to claim 14 or 15, characterized in that the signal is a voltage.

17. Device according to claim 14 or 15, characterized in that the signal is a light intensity.

18. Device according to claim 16, characterized in that the sensor (10) behaves piezoelectrically.

19. Device according to claim 18, characterized in that the sensor (10) is wired as a Pierce oscillator.

20. Device according to claim 16, characterized in that the sensor (10) behaves piezoresistively.

21. Device according to claim 17, characterized in that a light beam is caused to be reflected on the sensor (10).

22. Device according to one of claims 14 to 21, characterized in that the signal is simultaneously used to regulate the distance of the tip (15) from the surface to be scanned (17).

23. Device according to one of claims 14 to 21, characterized in that the device is designed according to one of claims 1 to 9.

24. Device according to one of claims 14 to 21, characterized in that furthermore a control for the distance between the tip (15) and the surface to be scanned (17) is provided as in a device according to one of claims 7 to 13.