DE4417132A1

DE4417132A1 - Resonanter Meßwertaufnehmer

Info

Publication number: DE4417132A1
Application number: DE4417132A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bayer; Johann Dr Greschner; Gerhard Dr Schmid; Volker Dr Wolf
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2014-05-18
Also published as: DE4417132C2; US5789666A; WO1995031693A1; JPH10510620A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen resonanten Meßwertaufnehmer mit einem Schwingkörper zur Bestimmung von mindestens zwei physikalischen Größen, insbesondere geeignet für den Einsatz in der Scanning Kelvin Probe Force Microscopy.

Stand der Technik

Ein resonanter Meßwertaufnehmer weist im wesentlichen auf einen Schwingkörper, eine Komponente, welche diesen Schwingkörper zu resonanten Schwingungen anregt, und eine Komponente, welche das Schwingverhalten des Schwingkörpers mißt.

Der Schwingkörper muß hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften, insbesondere seiner Federkonstante, seiner Resonanzfrequenz und seines Gütefaktors, an die Meßaufgabe angepaßt sein.

Üblicherweise weisen die Schwingkörper unendlich viele Freiheitsgrade und damit unendlich viele Eigenschwing- bzw. Resonanzmoden mit unendlich vielen zugehörigen Resonanzfrequenzen auf. Die niedrigste Resonanzfrequenz wird als erste Resonanzfrequenz bezeichnet, der zugehörige Resonanzmodus wird als Grundschwingung oder Grundmodus bezeichnet.

In Anton Heuberger: "Mikromechanik", Springer-Verlag, Berlin, 1989, Seiten 355-418, werden einige Möglichkeiten der Schwingungsanregung des Schwingkörpers beschrieben. Insbesondere kann diese Anregung durch die periodische Zuführung thermischer Energie, durch elektromagnetische oder elektrostatische Kräfte oder durch piezoelektrische Aktoren erfolgen.

In P. Hauptmann: "Resonant Sensors and Applications", Sensors and Actuators A, 25 bis 27 (1991), Seiten 371-377, werden einige Anwendungen resonanter Meßwertaufnehmer beschrieben. Als Vorteile resonanter Meßwertaufnehmer sind insbesondere zu nennen die hohe Auflösung, die Verfügbarkeit kostengünstiger Herstellungsverfahren sowie die Bereitstellung eines frequenzanalogen bzw. quasi digitalen Ausgangssignals.

In M. Weinmann u. a.: "Measuring profile and position by means of vibrating quartz resonators used as tactile and non-tactile sensors", Sensors and Actuators, A37-38 (1993), S. 715-722, sind Luftdämpfungseffekte beim Einsatz von Quarzresonatoren als taktile und nichttaktile Sensoren beschrieben. Die zugehörigen Luftströmungs- und Viskositätsverhältnisse müssen beim Einsatz resonanter Meßwertaufnehmer berücksichtigt werden.

In M. Nonnenmacher u. a.: "Scanning Force Microscopy with Micromachine Silicon Sensors", Journal of Vacuum Science and Technology B9(2), 1991, Seiten 1358-1362, wird der Einsatz resonanter Kraftsensoren in der Scanning Force Microscopy (SFM) beschrieben. Dabei werden langreichweitige Kraftwechselwirkungen zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes gemessen und dadurch die Oberflächentopographie des Gegenstandes ermittelt. Als günstig erwiesen sich für diese Anwendung Schwingkörper, die eine Federkonstante von etwa 10 bis 100 N/m und eine Resonanzfrequenz von etwa 200 bis 1000 kHz aufweisen. Zur Erhöhung der lateralen Auflösung des Kraftsensors, weist der als Biegebalken ausgeführte Schwingkörper als Meßsonde eine feine Spitze auf.

In M. Nonnenmacher u. a.: "Kelvin Probe Force Microscopy", Applied Physics Letters, 58 (1991), Seiten 2921 bis 2923, wird ein resonanter Meßwertaufnehmer vorgestellt, der zur Bestimmung von zwei physikalischen Größen eingesetzt wird. Durch elektrostatische Anregung des Schwingkörpers mit dessen Resonanzfrequenz wird unter Verwendung einer geschlossenen Meßschleife die Kontaktpotentialdifferenz bzw. die Austrittsarbeitsdifferenz zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmt. Durch eine zusätzliche piezoelektrische Anregung des Schwingkörpers mit einer Frequenz, die oberhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkörpers liegt, wird unter Verwendung einer zweiten geschlossenen Meßschleife die langreichweitige atomare Kraftwechselwirkung und dadurch der mittlere Abstand zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmt bzw. konstant nachgeregelt. Das Schwingverhalten des Schwingkörpers wird dabei optisch durch Verwendung eines Heterodyninterferometers analysiert. Dieses Interferometer ist Bestandteil der beiden geschlossenen Meßschleifen.

Die letztgenannte Druckschrift stellt den nächstliegenden Stand der Technik im Hinblick auf die Erfindung dar.

Nachteile des Standes der Technik

Bei dem bekannten resonanten Meßwertaufnehmer zur Bestimmung von zwei physikalischen Größen ist es erforderlich, den Schwingkörper zum einen mit seiner Resonanzfrequenz anzuregen und zum anderen ihn mit einer Frequenz anzuregen, die außerhalb seiner Resonanzfrequenzen liegt. Die Anregung eines Schwingkörpers mit einer Frequenz außerhalb seiner Resonanzfrequenzen liefert jedoch nur verhältnismäßig kleine Schwingungsamplituden. Dies hat eine herabgesetzte Empfindlichkeit für die in diesem Schwingmodus zu messende physikalische Größe zur Folge. Ein weiterer Nachteil ist der erforderliche technische Aufwand, um in einem Schwingmodus außerhalb der Resonanzmoden des Schwingkörpers das Schwingverhalten des Schwingkörpers untersuchen zu können. Da eine der beiden physikalischen Größen im Resonanzmodus des Schwingkörpers mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann, ergibt sich als weiterer Nachteil, daß die beiden physikalischen Größen nur mit unterschiedlicher Empfindlichkeit gemessen werden können.

Aufgabe

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen resonanten Meßwertaufnehmer zu schaffen, der die Messung von mindestens zwei physikalischen Größen mit jeweils großer Empfindlichkeit erlaubt. Der technische Aufwand für die Messung des Schwingverhaltens des Schwingkörpers soll dabei möglichst klein sein.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe ist bei einem resonanten Meßwertaufnehmer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schwingkörper mindestens zwei Teilkörper aufweist, wobei der Schwingkörper als Ganzes zur Bestimmung einer der beiden Größen geeignet ist, und einer der Teilkörper oder ein Verbund aus mehreren Teilkörpern zur Bestimmung der anderen der beiden Größen geeignet ist.

Es ist vorteilhaft, daß der Schwingkörper als Ganzes oder die einzelnen Teilkörper oder ein Verbund aus mehreren Teilkörpern unabhängig voneinander in ihrer Ausgestaltung optimierbar sind für die Messung der jeweiligen physikalischen Größe, so daß jede der mindestens zwei physikalischen Größen mit einer großen Empfindlichkeit meßbar ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß durch die Aufteilung des Schwingkörpers in mehrere Teilkörper das Schwingverhalten der einzelnen Teilkörper mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand meßbar ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die einzelnen Teilkörper des Schwingkörpers unterschiedliche geometrische Abmessungen auf. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß unterschiedliche geometrische Abmessungen fertigungstechnisch einfach herstellbar sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß für die geometrische Ausgestaltung der Teilkörper verschiedene Fertigungsverfahren existieren. Insbesondere sind derartige Schwingkörper auch monolithisch herstellbar. Weiterhin ist von Vorteil, daß die geometrische Ausgestaltung der Teilkörper viele Freiheitsgrade hinsichtlich der Optimierung der einzelnen Teilkörper für die Messung der zugehörigen physikalischen Größe ergeben.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die einzelnen Teilkörper des Schwingkörpers unterschiedliche werkstoffmäßige Zusammensetzungen auf. Diese Ausgestaltung ist vorteilhafterweise alternativ oder zusätzlich zur unterschiedlichen Formgebung des Schwingkörpers möglich. Die Unterschiede in der werkstoffmäßigen Zusammensetzung können sich sowohl auf die Verwendung verschiedener Werkstoffe beziehen als auch auf eine lokale Modifikation eines Werkstoffes. Die Verwendung verschiedener Werkstoffe kann vorteilhaft sein, wenn dadurch günstige Eigenschaften, beispielsweise eine Oberflächenpassivierung oder ein allgemeiner Korrosionsschutz, erzielbar sind. Die lokale Modifikation eines Werkstoffes kann beispielsweise bei sehr kleinen Schwingkörpern vorteilhaft sein, wobei die Modifikation des Werkstoffes beispielsweise durch Ionenimplantation von Fremdstoffionen erreichbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Messung der einzelnen physikalischen Größen jeweils in einem Grundmodus des Schwingkörpers als Ganzes oder des betreffenden Teilkörpers oder des betreffenden Verbundes aus mehreren Teilkörpern. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, daß der Grundmodus bei resonanten Meßwertaufnehmern in der Regel die größte Empfindlichkeit in bezug auf die zu messende physikalische Größe bereitstellt. Weiterhin ist von Vorteil, daß der Grundmodus eines Schwingkörpers in der Regel innerhalb eines technisch sehr gut beherrschbaren Frequenzbereiches liegt. Vorteilhaft ist weiterhin, daß das Schwingverhalten des Schwingkörpers in seinem Grundmodus mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand analysiert werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingkörper miniaturisiert und einstückig mit den Methoden der Fein-, Mikro- und/oder Nanomechanik herstellbar. Nach diesen Verfahren hergestellte Sensoren besitzen in der Regel aufgrund der Präzision dieser Herstellungsverfahren eine große Empfindlichkeit für die zu messenden physikalischen Größen und sind optimal an die Aufgabenstellung anpaßbar. Ein weiterer Vorteil besteht in der Tatsache, daß derartig hergestellte Sensoren in der Regel klein, leicht und aufgrund der Verfügbarkeit von Stapelprozessen auch verhältnismäßig preisgünstig herstellbar sind.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Schwingkörper um einen Biegebalken. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, daß ein Biegebalken für viele Anwendungen günstige Eigenschaften bereitstellt. Er ist verhältnismäßig einfach zu Schwingungen anzuregen, beispielsweise durch thermische, elektrostatische, elektromagnetische oder piezoelektrische Anregungen. Weiterhin ist von Vorteil, daß ein in Schwingungen versetzter Biegebalken einen verhältnismäßig großen Amplitudenhub aufweist. Damit verbunden ist der Vorteil einer verhältnismäßig großen Empfindlichkeit gegenüber der zu messenden Größe. Weiterhin ist von Vorteil, daß ein Biegebalken mit verschiedenen Fertigungsverfahren verhältnismäßig einfach herzustellen ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß ein Biegebalken aufgrund seiner geometrischen Abmessungen günstige Strömungsverhältnisse im Schwingmodus aufweist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen die Federkonstanten des Biegebalkens und mindestens eines seiner Teilkörper in dem jeweiligen Resonanzmodus im Bereich zwischen 1 N/m und 100 N/m. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der Biegebalken und der oder die Teilkörper des Biegebalkens mit derartigen Federkonstanten eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der zu messenden physikalischen Größe aufweisen. Weiterhin bieten derartige Biegebalken eine ausreichende Federkonstante hinsichtlich der Reduktion parasitärer Störgrößeneinflüsse und hinsichtlich des Überlastschutzes der mechanischen Struktur. Ferner ist vorteilhaft, daß derartige Biegebalken eine hohe Meßgeschwindigkeit erlauben.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen die Resonanzfrequenzen des Biegebalkens und mindestens eines seiner Teilkörper in dem jeweiligen Resonanzmodus oberhalb von 20 kHz. Derartige Biegebalken besitzen den Vorteil, daß sie verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Tritt- und Hörschalleinflüssen sind. Zudem ist vorteilhaft, daß dieser Resonanzfrequenzbereich mit entsprechend miniaturisierten resonanten Meßwertaufnehmern problemlos abdeckbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß in diesem Resonanzfrequenzbereich eine hohe Meßgeschwindigkeit realisierbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Biegebalken zwei Teilkörper auf, die sich in den geometrischen Abmessungen Länge, Breite und Höhe unterscheiden. Es ist vorteilhaft, daß die Variation der drei geometrischen Abmessungen des Biegebalkens drei Freiheitsgrade zur Optimierung der Empfindlichkeit und sonstiger Sensorkenngrößen bietet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Verhältnis der Längen der beiden Teilkörper einen Wert zwischen etwa 3 : 1 und etwa 4 : 1 auf, insbesondere etwa 3,57 : 1, das Verhältnis der Breiten der beiden Teilkörper weist einen Wert zwischen etwa 3 : 1 und etwa 4 : 1 auf, insbesondere etwa 3,33 : 1, und das Verhältnis der Höhen der beiden Teilkörper weist einen Wert zwischen etwa 2 : 1 und etwa 4 : 1 auf, insbesondere etwa 3 : 1. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß ein derart dimensionierter Schwingkörper sowohl eine Schwingung im Grundmodus des Schwingkörpers als Ganzes, als auch eine Schwingung im Grundmodus eines der Teilkörper ermöglicht, wobei im Fall der Schwingung des einen Teilkörpers der andere Teilkörper sich wie eine feste Einspannung für den einen Teilkörper verhält.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Teilkörper eine Länge von etwa 250 µm, eine Breite von etwa 50 µm und eine Höhe von etwa 6 µm auf, und der zweite Teilkörper eine Länge von etwa 70 µm, eine Breite von etwa 15 µm und eine Höhe von etwa 2 µm auf. Diese geometrische Dimensionierung hat den Vorteil, daß die Messung von sehr geringen Kräften möglich ist. Weiterhin ist von Vorteil, daß sowohl die Resonanzfrequenz wie die Federkonstante des Biegebalkens als Ganzes und des zweiten Teilkörpers in einem für die Messung physikalischer Größen günstigen Bereich liegen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Biegebalken einseitig fest eingespannt. Dies hat den Vorteil, daß der Biegebalken als Ganzes oder ein Teilkörper oder ein Verbund aus mehreren Teilkörpern im Grundmodus eines einseitig fest eingespannten Stabes schwingen kann. Dadurch wird eine große Empfindlichkeit des resonanten Meßwertaufnehmers in bezug auf die zu messende physikalische Größe erzielt. Weiterhin ist von Vorteil, daß das Schwingverhalten eines einseitig fest eingespannten schwingenden Stabes mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand analysiert werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Biegebalken aus Silizium, vorzugsweise aus monokristallinem Silizium. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß Silizium aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften sehr gut für den Einsatz als Schwingkörpermaterial geeignet ist, insbesondere weist es ein geringes spezifisches Gewicht und einen großen Elastizitätsmodul auf. In der monokristallinen Struktur besitzt das Silizium weiterhin den Vorteil, daß aufgrund der kristallinen Struktur alle Verformungen voll elastisch sind, insbesondere tritt kein Kriechen des Werkstoffes auf. Damit ergibt sich als weiterer Vorteil eine hohe Güte des Schwingkörpers. Weiterhin ist von Vorteil, daß für Silizium hochentwickelte Strukturierungsverfahren zur Verfügung stehen. Ferner erlaubt die Verwendung des Werkstoffes Silizium die Integration von mikroelektronischen Funktionen auf dem Schwingkörper.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Schwingkörper eine Meßsonde auf. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß eine derartige Meßsonde an den Meßzweck anpaßbar ist, ohne den Schwingkörper zu verändern. Es ist zudem vorteilhaft, daß durch die Verwendung einer Meßsonde der Abstand zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes vergrößert werden kann. Dadurch können pneumodynamische Dämpfungseffekte reduziert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Meßsonde eine feine Spitze auf. Die Verwendung einer feinen Spitze als Meßsonde besitzt den Vorteil, daß dadurch eine sehr hohe laterale Auflösung bei der Messung der physikalischen Größen erreichbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Meßsonde und insbesondere die feine Spitze aus Silizium, insbesondere aus monokristallinem Silizium. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß für den Werkstoff Silizium Fertigungsverfahren zur Herstellung feiner Spitzen bereitstehen. Weiterhin sind die guten mechanischen Eigenschaften von Silizium auch für den Einsatz als Spitzenmaterial vorteilhaft. In diesem Zusammenhang sind insbesondere das geringe spezifische Gewicht und der große Elastizitätsmodul zu erwähnen.

Des weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung des resonanten Meßwertaufnehmers in der Scanning Force Microscopy, wobei eine der zu messenden physikalischen Größen die langreichweitige Wechselwirkung zwischen den Oberflächen zweier Gegenstände ist, mit deren Hilfe ein konstanter mittlerer Abstand zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes einstellbar ist. Dabei ist vorteilhaft, daß durch Verwendung des resonanten Meßwertaufnehmers ein sehr kleiner Abstand zwischen dem Meßwertaufnehmer und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes eingestellbar ist. Dieser geringe Abstand erlaubt die Messung verschiedener weiterer physikalischer Größen.

Des weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen resonanten Meßwertaufnehmers in der Scanning Kelvin Probe Force Microscopy, wobei neben der langreichweitigen Wechselwirkung zum Zwecke der Abstandsregelung als zweite physikalische Größe das Oberflächenpotential des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, daß die Kenntnis des Oberflächenpotentials des zu untersuchenden Gegenstandes die Bestimmung des Werkstofftyps des Gegenstandes erlaubt. Weiterhin sind durch das Oberflächenpotential unter anderem Kristalldefekte, Oberflächendefekte, Fremdstoff konzentrationen, Verunreinigungen und Korrosionserscheinungen meßbar.

Des weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen resonanten Meßwertaufnehmers in der Scanning Kelvin Probe Force Microscopy, wobei der Schwingkörper als Ganzes zu Schwingungen, insbesondere in seinem Grundmodus, angeregt wird, und durch die Bestimmung des Einflusses der langreichweitigen Wechselwirkung auf das Schwingverhalten des Schwingkörpers ein konstanter mittlerer Abstand zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes einstellbar ist, und wobei einer der Teilkörper zu Schwingungen, insbesondere in seinem Grundmodus, angeregt wird, und durch die Bestimmung des Kontaktpotentials das Oberflächenpotential des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, daß mit einem solchen resonanten Meßwertaufnehmer gleichzeitig die Topographie und das Oberflächenpotential der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmbar ist.

Hierzu werden der resonante Meßwertaufnehmer und die Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes relativ zueinander bewegt. Durch diese simultane Messung zweier physikalischer Größen ergibt sich ein Zeitvorteil. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß aufgrund des kleinen Abstandes zwischen dem Schwingkörper bzw. dessen Meßsonde und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes das Oberflächenpotential mit hoher Auflösung bestimmbar ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Schwingkörper als Ganzes durch piezoelektrische Aktoren zu Schwingungen in seinem Grundmodus angeregt, und der Teilkörper wird durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen dem Biegebalken und dem zu untersuchenden Gegenstand zu Schwingungen in seinem Grundmodus angeregt. Dabei ist es vorteilhaft, daß die Anregung durch piezoelektrische Aktoren technisch verhältnismäßig einfach zu realisieren ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die Anregung durch piezoelektrische Aktoren ein breites Spektrum von Anregungsfrequenzen und Anregungsamplituden ermöglicht. Die elektrostatische Anregung bietet ebenfalls den Vorteil, ein breites Spektrum der Anregungsfrequenz und Anregungsamplitude zu ermöglichen. Ferner besitzt die elektrostatische Anregung den Vorteil, daß keine zusätzlichen mechanischen Elemente erforderlich sind.

Figurenbeschreibung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Biegebalkens, der zwei Teilkörper und eine feine Spitze als Meßsonde aufweist,

Fig. 1b eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf den Biegebalken der Fig. 1a,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Auslenkung des Biegebalkens der Fig. 1a und 1b als Ganzes im Grundmodus, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Auslenkung des Teilkörpers am freien Ende des Biegebalkens der Fig. 1a und 1b im Grundmodus.

Das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt einen Doppel-Biegebalken für den Einsatz in der Scanning Kelvin Probe Force Microscopy.

Wie in den Fig. 1a und 1b dargestellt, weist der Biege balken 10 zwei quaderförmige Teilkörper 1, 2 auf, die ineinander übergehen. Der erste Teilkörper 1 weist eine Länge 3 von 250 µm, eine Breite 4 von 50 µm und eine Höhe 5 von 6 µm auf. Der zweite Teilkörper 2 weist eine Länge 6 vom 70 µm, eine Breite 8 von 15 µm und eine Höhe 9 von 2 µm auf. Wie in der Seitenansicht des Biegebalkens 10 in der Fig. 1a dargestellt, gehen die beiden Teilkörper 1, 2 derart ineinander über, daß die Unterseite 20 des Biegebalkens 10 eben ist. Wie in der Draufsicht auf den Biegebalken 10 in der Fig. 1b dargestellt ist, gehen die beiden Teilkörper 1, 2 derart ineinander über, daß der zweite Teilkörper 2 aus der Draufsicht betrachtet etwa mittig in bezug auf den ersten Teilkörper 1 angeordnet ist. Der Biegebalken 10 weist als Meßsonde eine feine Spitze 21 auf. Die feine Spitze 21 ist an der Unterseite 20 des zweiten Teilkörpers 2 angebracht. Die feine Spitze 21 ist kegelförmig und verjüngt sich in der dem Biegebalken 10 abgewandten Richtung zu einer punktförmigen Spitze. Der Biegebalken als Ganzes 10 ist am - dem zweiten Teilkörper 2 gegenüberliegenden - Ende des ersten Teil körpers 1 fest eingespannt.

Der Biegebalken als Ganzes 10 inklusive der feinen Spitze 21 ist monolithisch aus monokristallinem Silizium mit Hilfe der Fertigungsverfahren der Mikroelektronik und der Mikromechanik hergestellt.

Der Biegebalken 10 bildet den Schwingkörper eines resonanten Meßwertaufnehmers, der sowohl eine Messung der langreich weitigen Wechselwirkungen zwischen dem Biegebalken 10 und der Oberfläche 30 des zu untersuchenden Gegenstandes als auch eine Messung des Oberflächenpotentials der Oberfläche 30 des zu untersuchenden Gegenstandes erlaubt. Um eine Ortsauflösung des Oberflächenpotentials zu erzielen, werden der Biegebalken 10 und die Oberfläche 30 des zu untersuchenden Gegenstandes relativ zueinander bewegt.

In der Fig. 2 ist die Auslenkung des Biegebalkens 10 der Fig. 1a und 1b als Ganzes im Grundmodus dargestellt. Der Biegebalken als Ganzes 10 schwingt dabei wie ein einseitig fest eingespannter Stab im Grundmodus. Bei Verwendung von monokristallinem Silizium als Werkstoff für den Biegebalken beträgt die Federkonstante 9,8 N/m und die Frequenz für den dargestellten Resonanzmodus beträgt 123 kHz. Im vorliegenden Fall wird dieser Schwingmodus ausgenutzt, um die langreichweitigen Wechselwirkungen zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche 30 des zu untersuchenden Gegenstandes zu bestimmen. Durch die Verwendung einer geschlossenen Meßschleife kann dadurch der Abstand zwischen dem Schwingkörper 10 und der Oberfläche 30 konstant gehalten werden. Die Anregung für diesen gezeigten Schwingmodus erfolgt durch piezoelektrische Aktoren. Die Auswertung des Schwingverhaltens erfolgt durch ein Interferometer.

In der Fig. 3 ist die Auslenkung des zweiten Teilkörpers 2 des Biegebalkens 10 der Fig. 1a und 1b in dessen Grundmodus dargestellt. Der erste Teilkörper 1 wirkt in diesem Schwingmodus wie eine feste Einspannung für den zweiten Teilkörper 2, insbesondere wird er nicht zu signifikanten Schwingungen angeregt. Der zweite Teilkörper 2 schwingt wie ein einseitig fest eingespannter Stab im Grundmodus. Bei der Verwendung von monokristallinem Silizium als Werkstoff für den Biegebalken 10 ergibt sich eine Resonanzfrequenz von 529 kHz. Dieser Schwingmodus wird im vorliegenden Fall für die Messung des Oberflächenpotentials der Oberfläche 30 des zu untersuchenden Gegenstandes eingesetzt. Der dargestellte Schwingmodus wird durch das Anlegen einer entsprechenden elektrischen Wechselspannung zwischen dem Biegebalken 10 und der Oberfläche 30 des zu untersuchenden Gegenstandes angeregt. Die Messung des Schwingverhaltens erfolgt durch ein Interferometer.

Claims

1. Resonanter Meßwertaufnehmer mit einem Schwingkörper (10) zur Bestimmung von mindestens zwei physikalischen Größen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper (10) mindestens zwei Teilkörper (1, 2) aufweist, wobei der Schwingkörper als Ganzes (10) zur Bestimmung einer der beiden Größen geeignet ist, und einer der Teilkörper (1, 2) oder ein Verbund aus mehreren Teilkörpern zur Bestimmung der anderen der beiden Größen geeignet ist.

2. Resonanter Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilkörper (1, 2) des Schwingkörpers (10) unterschiedliche geometrische Abmessungen aufweisen.

3. Resonanter Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilkörper (1, 2) des Schwingkörpers (10) unterschiedliche werkstoffmäßige Zusammensetzungen aufweisen.

4. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der einzelnen physikalischen Größen jeweils in einem Grundmodus des Schwingkörpers als Ganzes (Fig. 2) oder des betreffenden Teilkörpers (Fig. 3) oder des betreffenden Verbundes aus mehreren Teilkörpern erfolgt.

5. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper (10) miniaturisiert und einstückig mit den Methoden der Fein-, Mikro- und/oder Nanomechanik herstellbar ist.

6. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Schwingkörper um einen Biegebalken handelt.

7. Resonanter Meßwertaufnehmer dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstanten des Biegebalkens (10) und mindestens eines seiner Teilkörper (1, 2) in dem jeweiligen Resonanzmodus im Bereich zwischen 1 N/m und 100 N/m liegen.

8. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenzen des Biegebalkens (10) und mindestens eines seiner Teilkörper (1, 2) in dem jeweiligen Resonanzmodus oberhalb 20 kHz liegen.

9. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken zwei Teilkörper (1, 2) aufweist, die sich in den geometrischen Abmessungen Länge, Breite und Höhe unterscheiden.

10. Resonanter Meßwertaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der Längen der beiden Teilkörper (1, 2) einen Wert zwischen etwa 3 : 1 und etwa 4 : 1 aufweist, insbesondere etwa 3,57 : 1,
das Verhältnis der Breiten der beiden Teilkörper (1, 2) einen Wert zwischen etwa 3 : 1 und etwa 4 : 1 aufweist, insbesondere etwa 3,33 : 1, und
das Verhältnis der Höhen der beiden Teilkörper (1, 2) einen Wert zwischen etwa 2 : 1 und etwa 4 : 1 aufweist, insbesondere etwa 3 : 1.

11. Resonanter Meßwertaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilkörper (1) eine Länge von etwa 250 µm, eine Breite von etwa 50 µm und eine Höhe von etwa 6 µm aufweist und der zweite Teilkörper (2) eine Länge von etwa 70 µm, eine Breite von etwa 15 µm und eine Höhe von etwa 2 µm aufweist.

12. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (10) einseitig fest eingespannt ist.

13. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (10) aus Silizium, vorzugsweise aus monokristallinem Silizium besteht.

14. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper (10) eine Meßsonde aufweist.

15. Resonanter Meßwertaufnehmer nach dem Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde eine feine Spitze (21) aufweist.

16. Resonanter Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde und insbesondere die feine Spitze (21) aus Silizium, insbesondere aus monokristallinem Silizium besteht.

17. Verwendung des resonanten Meßwertaufnehmers nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in der Scanning Force Microscopy, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zu messenden physikalischen Größen die langreichweitende Wechselwirkung zwischen den Oberflächen zweier Gegenstände ist, mit deren Hilfe ein konstanter mittlerer Abstand zwischen dem Schwingkörper (10) und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes (30) einstellbar ist.

18. Verwendung des resonanten Meßwertaufnehmers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in der Scanning Kelvin Probe Force Microscopy, dadurch gekennzeichnet, daß neben der langreichweitigen Wechselwirkung zum Zwecke der Abstandsregelung als zweite physikalische Größe das Oberflächenpotential des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmbar ist.

19. Verwendung des resonanten Meßwertaufnehmers nach einem der Ansprüche 6 bis 18 in der Scanning Kelvin Probe Force Microscopy, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper als Ganzes (10) zu Schwingungen, insbesondere in seinem Grundmodus, angeregt wird (Fig. 2), daß durch die Bestimmung des Einflusses der langreichweitigen Wechselwirkung auf das Schwingverhalten des Schwingkörpers ein konstanter mittlerer Abstand zwischen dem Schwingkörper und der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes (30) einstellbar ist, daß einer der Teilkörper (2) zu Schwingungen, insbesondere in seinem Grundmodus, angeregt wird (Fig. 3), und daß durch die Bestimmung eines Kontaktpotentials das Oberflächenpotential des zu untersuchenden Gegenstandes bestimmbar ist.

20. Verwendung des resonanten Meßwertaufnehmers nach Anspruch 18 in der Scanning Kelvin Probe Force Microscopy, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper als Ganzes (10) durch piezoelektrische Aktoren zu Schwingungen in seinem Grundmodus angeregt wird (Fig. 2), und daß der Teilkörper (2) durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen dem Biegebalken und dem zu untersuchenden Gegenstand zu Schwingungen in seinem Grundmodus angeregt wird (Fig. 3).