DE4337507C2 - Akustisches Mikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik und ist anwendbar bei akustischen Mikroskopen, wie akustischen Tunnelmikroskopen und Atomkraftmikro­ skopen, die zur Messung der Oberflächentopografie von Festkörpern und zur Mes­ sung von dielektrischen, elastischen, piezoelektrischen und magnetischen Eigen­ schaften von Festkörpern an deren Oberfläche dienen.

In WO 89/12805 ist ein akustisches Mikroskop zur Untersuchung eines Objektes im Nahfeld eines resonanten akustischen Oszillators beschrieben, wobei der akustische Oszillator durch eine elektronische Schaltung zu Schwingungen angeregt wird. Der Oszillator ist hierbei als Stimmgabel ausgebildet. An einem der beiden Stimmgabel-Enden ist als Sonde eine Spitze angeordnet, die bis auf einen kleinen Abstand an das zu untersuchende Meßobjekt reicht. Wenn der Abstand zwischen Spitze und dem stationär angeordneten Meßobjekt hinreichend klein ist, setzt eine akustische Wechselwirkung zwischen Oszillator und Meßobjektoberfläche ein, durch die sowohl die Dämpfung der Stimmgabel als auch deren Resonanzfrequenz erhöht werden. Da die Änderungen von Dämpfung und Resonanzfrequenz relativ klein sind, muß, um trotzdem eine große Meßempfindlichkeit zu erreichen, die Stimmgabel eine große Resonatorgüte besitzen und an ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden. Ein derart aufgebautes und funktionierendes Mikroskop ist beschränkt auf den Nachweis der vom Abstand abhängigen Oszillatordämpfung. Dieses Mikroskop benutzt als Meßgröße also den Verlust des Oszillators an akustischer Energie, der im allgemeinen mehrere Ursachen hat.

Es sind bereits gattungsgemäße akustische Mikroskope bekannt, bei denen eine mit einer Spitze ausgestattete zylindrische Sonde mit ihrer Spitze über der Oberfläche des Festkör­ pers angeordnet ist, wobei Sonde und Festkörper relativ zueinander mit Hilfe von piezoelektrischen Aktuatoren in x-, y- und z-Richtung, bezogen auf die Oberfläche des Festkörpers, bewegt werden können. Durch Anlegen einer Wechselspannung an den z-Aktuator wird die Sonde zu Schwingungen angeregt, die als Schall infolge des Kontaktes der Atomkräfte von Spitze und Festkörper auf diesen übertragen wer­ den. An der Rückseite des Festkörpers ist ein piezoelektrischer Wandler angeord­ net, der die durch den Schall erzeugten mechanischen Deformationen des Festkör­ pers in eine Wechselspannung wandelt. Die Amplitude dieser Wechselspannung dient als Regelsignal für die Konstanthaltung des Abstandes zwischen Spitze und Festkörperoberfläche.

Diese Mikroskope haben den Nachteil, daß bei jedem Wechsel des zu un­ tersuchenden Festkörpers der piezoelektrische Wandler von neuem mechanisch mit dem Festkörper kontaktiert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Mikroskope gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß der piezoelektrische Wandler beim Wechsel des zu untersuchenden Festkörpers nicht von neuem mechanisch kontaktiert werden muß.

Diese Aufgabe wird mit dem im Anspruch 1 angegebenen akustischen Mikroskop gelöst. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler mit der Sonde verbunden ist. Dabei kann sich zwischen Wandler und Sonde ein festes Koppelmedium befinden, das in der Lage ist, mechanische Deformationen der Sonde zu übertragen. Für das Koppelmedium kann ein Epoxidharz oder ein lösungsmittelhaltiger Klebstoff verwendet werden.

Erfindungsgemäß kann der piezoelektrische Wandler aus einem beiderseits mit einer Metallschicht bedeckten piezoelektrischen Folienstreifen, der um den zylindrischen Teil der Sonde gelegt ist, bestehen. Zwischen beiden Teilen befindet sich das Koppelmedium. Dabei umschließt der Folienstreifen den Sondenumfang vollständig. Die Enden des Folienstreifen sind überstehend bemessen und stehen fahnenartig von der Sonde ab. Sie können mit Hilfe des Materials des Koppelmediums miteinander verbunden sein. Hierbei können die Enden in vorteilhafter Weise unterschiedlich lang sein, wobei am längeren Ende die elek­ trischen Zuleitungen des piezoelektrischen Wandlers kontaktiert werden können. Der Folienstreifen kann beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid bestehen und sollte < 50 µm dick sein.

Der piezoelektrische Wandler kann erfindungsgemäß auch ein Hohlzylinder aus einer piezoelektrischen Keramik sein, dessen äußere Mantelfläche mit einer Metallschicht bedeckt ist und dessen innere Mantelfläche im Kontakt mit einem elektrisch leitfähigen Körper steht. Der zylindrische Teil der Sonde und der Hohlzylinder sind in diesem Fall zu einer konzentrischen Anordnung zusammen­ gefügt. Der elektrisch leitfähige Körper kann vorzugsweise eine Metallschicht oder der zylindrische Teil der Sonde sein, wobei die Sonde dabei aus einem metallischen Werkstoff bestehen sollte. Zweckmäßigerweise ist ein zwischen dem zylindrischen Teil der Sonde und der Innenwandung des Hohlzylinders vorhandener Spalt über einen Teil seiner Länge mit dem Koppelmedium und über den restlichen Teil mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff ausgefüllt.

Weiterhin kann der piezoelektrische Wandler erfindungsgemäß auch ein Quader aus piezoelektrischem Material sein, bei dem zwei gegenüberliegende Flächen mit einer Metallschicht bedeckt sind. Zweckmäßigerweise ist dabei in eine der Flächen des Quaders parallel zu einer seiner Kanten eine Nut mit halbkreisförmigem Quer­ schnitt eingearbeitet. Darin ist der in das Koppelmedium eingebettete zylindrische Teil der Sonde angeordnet.

Das erfindungsgemäße Mikroskop zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, daß bei einem Wechsel der zu untersuchenden Festkörperprobe der piezoelektrische Wandler nicht von neuem mechanisch kontaktiert werden muß, da der Wandler mit der Sonde und nicht mit der Festkörperprobe verbunden ist. Da­ durch werden die Konstruktion und die Handhabung der akustischen Mikroskope entscheidend vereinfacht.

Nachstehend ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Meßanordnung in einem akustischen Mikroskop,

Fig. 2 die Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Meßanordnung.

Bei dieser Meßanordnung ist eine Sonde 1 über der Oberfläche eines zu unter­ suchenden Festkörpers 2 angeordnet, die aus einem zylindrischen Teil 11 und einer Spitze 12 besteht, wobei am zylindrischen Teil 11 ein piezoelektrischer Wandler 3 angebracht ist. Dieser ist im vorliegenden Beispiel ein 35 µm dicker piezoelektri­ scher Folienstreifen 31 (Fig. 2) aus Polyvinylidenfluorid, der beiderseitig mit einer Aluminiumschicht 32 und 33 bedeckt ist und den zylindrischen Teil 11 der Sonde 1 vollständig umschließt. Zwischen der Sonde 1 und dem Wandler 3 ist ein mechani­ scher Kontakt mittels eines Koppelmediums 4 hergestellt worden. Dafür wurde ein handelsüblicher lösungsmittelhaltiger Klebstoff verwendet. Die Enden 34 und 35 des Folienstreifens 31 sind überstehend und mit zueinander unterschiedlicher Länge bemessen, stehen fahnenartig von der Sonde 1 ab und sind mittels einer Kleber­ schicht 41, die aus dem Material des Koppelmediums besteht, miteinander verklebt. Am längeren Ende 35 des Folienstreifens 31 sind die elektrischen Zuleitungen 51 und 52 des piezoelektrischen Wandlers 3 kantaktiert.

Claims (14)

1. Akustisches Mikroskop, bei dem eine mit einer Spitze ausgestattete zylindrische Sonde mit ihrer Spitze über der Oberfläche des Festkörpers ange­ ordnet ist, wobei Sonde und Festkörper relativ zu­ einander mit Hilfe von piezoelektrischen Aktuato­ ren in x-, y- und z-Richtung, bezogen auf die Ober­ fläche des Festkörpers, bewegt werden können und zwischen Spitze und Festkörper infolge von Schwingungen des z-Aktuators, die durch eine an diesen gelegte Wechselspannung erzeugt werden, Schall übertragen wird, der durch einen piezoelek­ trischen Wandler eine Wandlung in eine Wechsel­ spannung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (3) mit der Sonde (1) verbunden ist.

2. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem pie­ zoelektrischen Wandler (3) und der Sonde (1) ein festes Koppelmedium (4) befindet, das in der Lage ist, mechanische Deformationen der Sonde (1) auf den Wandler (3) zu übertragen.

3. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Koppelmedium (4) unter Anwendung eines Epoxidharzes oder eines lösungsmittelhaltigen Klebstoffs hergestellt ist.

4. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (3) aus einem beiderseits mit einer Metall­ schicht bedeckten piezoelektrischen Foliestreifen (31) besteht und daß dieser um den zylindrischen Teil (11) der Sonde (1), welcher mit dem Koppelme­ dium (4) umhüllt ist, gelegt ist, wobei der Foliestrei­ fen (31) den Sondenumfang vollständig umschließt und wobei die Enden des Foliestreifens (31) fahnen­ artig von der Sonde (1) abstehen und mit dem Ma­ terial des Koppelmediums (4) miteinander verbun­ den sind.

5. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die fahnenartig von der Sonde (1) abstehenden Enden des Foliestreifens (31) unterschiedlich lang sind.

6. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß am längeren Ende des Foliestreifens (31) die elektrischen Zuleitungen (51; 52) des piezoelektrischen Wandlers (3) kontaktiert sind.

7. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Foliestreifen (31) aus Polyvinylidenfluorid besteht.

8. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Foliestreifen (31) < 50 µm dick ist

9. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler ein Hohlzylinder aus einer piezoelektri­ schen Keramik ist, dessen äußere Mantelfläche mit einer Metallschicht bedeckt ist und dessen innere Mantelfläche im Kontakt mit einem elektrisch leit­ fähigen Körper steht, wobei der zylindrische Teil der Sonde und der Hohlzylinder zu einer konzentri­ schen Anordnung zusammengefügt sind.

10. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Körper eine Metallschicht ist.

11. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Körper der zylindrische Teil der Sonde ist, wobei diese aus einem metallischen Werkstoff besteht

12. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 10 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem zylindrischen Teil der Sonde und der Innenwan­ dung des Hohlzylinders vorhandener Spalt über ei­ nen Teil der Länge des Hohlzylinders mit dem Koppelmedium und über den restlichen Teil mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff ausgefüllt ist.

13. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler ein Quader aus piezoelektrischem Materi­ al ist, bei dem zwei gegenüberliegende Flächen mit einer Metallschicht bedeckt sind.

14. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 13 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in eine der Flächen des Quaders parallel zu einer seiner Kanten eine Nut mit halbkreisförmigem Querschnitt eingear­ beitet ist, in welcher der in das Koppelmedium ein­ gebettete zylindrische Teil der Sonde angeordnet ist.