DE69410313T2

DE69410313T2 - Weggeber

Info

Publication number: DE69410313T2
Application number: DE69410313T
Authority: DE
Inventors: Julian D. Histon Cambridge Cb4 4Hy White
Original assignee: Hitachi Europe Ltd
Current assignee: Hitachi Europe Ltd
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1994-01-27
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2014-01-28
Also published as: EP0612973A1; EP0612973B1; DE69410313D1; GB9303111D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschiebungsmeßwandler, der Verschiebungen in der Größenordnung von Bruchteilen einer Angströmeinheit auflösen kann.
Verschiebungsmeßwandler, die einen konventionellen FET verwenden, sind aus der US-A-4 767 973 bekannt, in der ein bewegliches Glied eine kapazitive Kopplung mit dem Gate des FET bildet, um seinen Sourceldrain-Strom als Funktion der Verschiebung des beweglichen Gliedes zu steuern. Der Strom, der fließt, ist ein konventioneller Strom aus sehr vielen Elektronen.
Vorher hat man Coulomb-Blockade-Elektrometer vorgeschlagen - D.V. Averin und K.K. Likharev, Journal Low Temperature Physics 62, 345 (1986); T.A. Fulton und G.J. Dolan, Physics Review Letters 59, 109 (1987). Ein Coulomb-Blockade-Elektrometer ist eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen, die ein direktes Verfahren zur Umwandlung einer kleinen Ladungsänderung auf der Platte eines Kondensators in eine Änderung des durch die Vorrichtung fließenden Stroms ermöglicht. Coulomb- Blockade-Elektrometer zeigen gegenwärtig eine Empfindlichkeit, die mehrere Größenordnungen besser ist als bei gegenwärtigen handelsüblichen Elektrometern. Ein Coulomb-Blockade-Elektrometer besteht typisch aus einer leitenden Insel im Nanometermaßstab, die auf einem Substrat gebildet ist, mit dem durch jeweilige Tunnelbarrierenübergänge Source- und Drain-Verbindungen gebildet werden. Eine weitere kapazitive Kopplung mit der Insel ist vorgesehen, um ihr Ladung zuführen zu können. Die zugeführte Ladung ändert den Stromfluß zwischen den Source- und Drain-Verbindungen. Wenn die leitende Insel klein genug gemacht wird, kann der Stromfluß zwischen der Source und dem Drain durch einzelne Elektronen charakterisiert werden, und wenn ein Elektron von der Source auf die Insel fließt, wird ein weiteres Elektron dazu gebracht, von der Insel zum Drain zu fließen. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Prozeß stattfindet, hängt von der Ladung ab, die der Insel durch die kapazitive Kopplung zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß so eine Anordnung modifiziert werden kann, um einen Verschiebungsmeßwandler zu schaffen.
Allgemein ausgedrückt wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verschiebungsmeßwandler geschaffen, der eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ladungsspeicherbereiches, eine Source und einen Drain für Ladungsträger nach dem Bereich, wobei der Ladungsfluß von der Source nach dem Drain durch den Ladungsspeicherbereich hindurch durch Coulomb-Blockade begrenzt wird, und ein bewegliches Glied enthält, das eine kapazitive Kopplung mit dem Ladungsspeicherbereich bildet, um die Leitfähigkeit zwischen der Source und dem Drain als eine Funktion der Verschiebung (δx) des Gliedes zu beeinflussen.
Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird nun eine Ausführungsform davon unter Bezugnahme auf die beigefiigten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 ist ein Schaltplan, der die Prinzipien des Betriebs eines in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Coulomb-Blockade-Elektrometers veranschaulicht,
Figur 2 ist ein Graph des Source-Drain-Stroms der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung gegen die Ladung auf der leitenden Insel,
Figur 3 ist eine Prinzipskizze eines Verschiebungsmeßwandlers gemäß der Erfindung,
Figur 4 ist ein Graph, der die Kennwerte des Betriebsrauschens des in Figur 3 gezeigten Meßwandlers veranschaulicht,
Figur 5 ist eine Prinzipskizze eines konventionellen Kraftmikroskops (AFM), das ein Rastertunnelmikroskop als Verschiebungsdetektor verwendet, und
Figur 6 ist eine Prinzipskizze eines AFM mit einem Verschiebungsmeßwandler gemäß der Erfindung.
In Figur 1, auf die Bezug genommen wird, ist eine in punktierten Umrissen gezeigte elektrisch leitende Insel 1, hergestellt im Nanomaßstab, typisch 2um², über Tunnelübergänge T&sub1; und T&sub2;, die Widerstände und Kapazitäten C&sub1; R&sub1; bzw. C&sub2; R&sub2; haben, mit Source- und Drain-Verbindungen 2, 3 versehen. Eine Spannungsquelle V kann einen Source-Drain-Strom Isd erzeugen. Eine Spannungsquelle U führt über eine kapazitive Kopplung Cg Ladung zu, so daß N Elektronen auf der Insel 1 bereitgestellt werden.
Wie dem Fachmann bekannt ist, kann bei einer Nanofabrikations-Struktur die Energie der Elektronen auf einer leitenden Insel verhindern, daß weitere Elektronen die Insel betreten, bis die Ladungsenergie eines die Insel betretenden Elektrons einen gegebenen Schwellenwert übersteigt. Dies ist als der Coulomb-Blockade-Effekt bekannt, bei dem die Ladung der Elektronen selbst eine Blockade gegen weitere Ladungsübertragung erzeugt.
Das Phänomen der Coulomb-Blockade wird wichtig, wenn die Gesamtkapazität der Insel CΣ so klein wird, daß die Ladungsenergie Ec (gegeben durch e²/2CΣ, wobei e die Elektronenladung ist) für ein gerade auf die Insel transportiertes Elektron KbT, die Wärmeenergie, ist. Diese Bedingung kann man herstellen, indem die Insel klein genug gemacht und gekühlt wird, typisch in der Größenordnung von 20mK. Um den Effekt zu beobachten, muß sichergestellt werden, daß die Quantenfluktuationen in den Source- und Drain-Leitern 2, 3 die Ladungsenergiebarriere Ec nicht übersteigen, was mittels des hohen Widerstandes der Tunnelübergänge T&sub1; und T&sub2; erreicht wird. Unter diesen Umständen manifestiert sich der Coulomb-Blockade- Effekt als eine hohe lmpedanz für den Source-Drain-Strom Isd, bis die Spannungsdifferenzen quer über die Tunnelbarrieren T&sub1; und T&sub2; die Größenordnung von Ec/e haben. Unter diesen Umständen haben dann die Elektronen aus der Source-Verbindung 2 genügend Energie, um die elektrostatische Energiebarriere zu überwinden, die durch die Insel 1 und die Tunnelübergänge T&sub1; und T&sub2; dargestellt wird, und Leitung findet wie in einer konventionellen Tunnelübergangsvorrichtung mit großer Kapazität statt.
Detaillierter betrachtet ist die Insel 1 durch die großen Widerstände der Tunnelübergänge T&sub1; und T&sub2; von den Source- und Drain-Verbindungen getrennt, so daß die Zahl der Elektronen N auf der Insel für einen konstanten Wert der Spannung U konstant ist. Wenn die Spannung U verändert wird, wird eine zusätzliche Ladung (= CgU) auf der Insel 1 induziert. Die Veränderung von Isd mit bei niedrigen Temperaturen (KbT Ec) ist in Figur 2 gezeigt. Wenn U=O und V E/e, wird der Transport durch die Insel durch Coulomb-Blockade behindert, und dies kann als Folge einer Energielücke zwischen den Zuständen betrachtet werden, in denen die Insel eine Ladung -Ne und -(N + 1)e hat. Durch Ändern von können diese Zustände entartet gemacht werden, was effektiv die Coulomb-Blockade anhebt, an welchem Punkt die Vorrichtung mit einem Source-Drain-Strom Isd von V/2R leitet (angenommen R&sub1; =R&sub2;=R). Speziell ist der Strom für = e /2 maximal. Wenn = e , wird die Vorrichtung in einen der Bedingung Gate-Vorspannung Null äquivalenten Zustand zurückgebracht, in dem es nun eine Energielücke zwischen den Zuständen -(N + 1)e und -(N + 2)e gibt. Dieser Prozeß oszilliert mit Isd von niedrigen nach hohen Werten und wieder zurück, wenn die induzierte Ladung auf der Insel größer wird (oder kleiner wird), wobei die Periode der Oszillation in e ist. Durch Xndern von ist es somit möglich, die Leitf-higkeit der Insel 1 durchgreifend zu ändern, was die Vorrichtung befähigt, Veränderungen der Gate-Ladung auf einem Pegel zu messen, der viele Größenordnungen kleiner als die Elektronenladung e ist.
Gemäß der Erfindung wurde erkannt, daß ein äußerst empfindlicher Verschiebungsmeßwandler geschaffen werden kann, indem als eine Funktion der Strecke geändert wird. Gemäß einer in Figur 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird insbesondere der Wert von verändert, indem Cg bei konstanter Vorspannung U geändert wird. Die Insel 1 besteht aus einer Metallplatte mit einer Fläche von in diesem Beispiel 2um², die eine Eigenkapazität Cs von typisch 3x10&supmin;¹&sup7; Farad hat. Darauf werden lithographisch die beiden Tunnelübergänge T&sub1;, T&sub2; abgelagert, jeder mit einer Fläche von 50nm². Typisch besteht die Insel 1 aus Aluminium, ebenso wie die Kontakte 2, 3, mit einer Schicht Oxid 5 dazwischen, um die Tunnelübergänge T&sub1;, T&sub2; zu bilden, was C&sub1; =C&sub2; 2,2x10&supmin;¹&sup6; Farad ergibt, berechnet aus Parametern, angegeben in T.A. Fulton und G.J. Dolan, Physics Review Letters 59, 109 (1987) und T.A. Fulton, P.L. Gammel und L.N. Dunkelberger, Physics Review Letters 67, 3148 (1991), für Al/AlOx/Al-Übergänge, bei denen die Widerstände R&sub1; und R&sub2; auf 500KΩ eingestellt sind. Zusätzlich wird ein Gate gebildet, indem in einer als 10um definierten Bezugshöhe X eine leitende Platte 4 über der Insel 1 vorgesehen wird, woher die Gate-Kapazität aus Cg=&epsi;&sub0; A/X berechnet werden kann, was in diesem Fall eine Kapazität von 3,5x10&supmin;¹&sup8; Farad liefert (man beachte, daß sowohl Cg als auch Cs nicht wesentlich zu CΣ beitragen).
Unter diesen Umständen kann man Ec für die Insel zu 0,2mev berechnen (mit CΣ=C&sub1;+C&sub2;+Cs +Cg) Für Ec KbT muß die Vorrichtung auf 20 mK gekühlt werden, um die Wärmefluktuationen von N auf einen annehmbaren Pegel zu vermindem. Um die vorher beschriebene Bedingung V Ec/e herzustellen, wird die Vorspannung auf 20uV eingestellt. Bei dieser Anordnung wird die Gate-Kapazität C verändert, indem der Plattenabstand um einen Betrag δX geändert wird, was dazu führt, daß sich um δ =CgU δX /X verändert. Dies wird dann mittels der Übertragungsfunktion dlsd/d in Übereinstimmung mit dem in Figur 2 gezeigten Graphen in eine Änderung von Isd übersetzt. Um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu optimieren, sollte der Betrag der Übertragungsfunktion so groß wie möglich sein. In Figur 2, auf die noch einmal Bezug genommen wird, ist der optimale Vorspannungspunkt P markiert, und für die oben angegebenen Vorrichtungsparameter beträgt der Strom bei P 1nA, und man stellt fest, daß der Betrag der Übertragungsfunktion ( ΔQ/ΔIsd) ungefähr 2x10&supmin;&sup9; Coulomb/Ampere ist.
Als Folge von Tunnelprozessen höherer Ordnung gibt es einen weiteren Beitrag zu dem durch die Vorrichtung fließenden Strom, der als Mittunneln bezeichnet wird und der auf Elektronen zurückzuführen ist, die mittels virtueller Zwischenzustände über die Insel transportiert werden, was N unverändert läßt, aber trotzdem in einem effektiv über die Insel transportierten Elektron resultiert. Für eine vollständige Erläuterung des Mittunnelns siehe: D.V. Averin und A.A. Odintsov, Phys. Lett. A 140, 251 (1989) und DV. Averin und Yu V. Nazarov, Phys. Rev. Lett. 65, 2446 (1990). Zu neueren experimentellen Arbeiten auf diesem Gebiet siehe: L.J. Geerligs, DV. Averin und J.E. Mooij, Phys. Rev. Lett. 65, 3037 (1990) und A.E. Hanna, M.T. Tuominen und M. Tinkham, Phys. Rev. Lett. 68, 3228 (1992).
Falls E&sub1; und E&sub2; die mit Tunneln quer durch die jeweiligen Übergänge verknüpften Energien sind und die Bedingung eV< E&sub1;, E&sub2; ausreichend erfüllt ist, ist der Strom aufgrund von Mittunneln, Ict, gegeben durch:
was die Nullpunktnäherung aus der Arbeit von Averin und Odintsov (supra) ist. Mittunneln unterliegt gegenwärtig aktiven Untersuchungen, und es gibt viele offene Fragen hinsichtlich seines Verhaltens in verschiedenen Situationen, zur Berechnung der erwarteten Auflösung des Verschiebungsmeßwandlers wird hier aber eine halbquantitative Methode übernommen, bei der die beiden Komponenten als unabhängig voneinander angenommen werden. Zimmerli et al (G. Zimmerli, T.M. Eiles, R.L. Kautz und John M. Martinis, Appl. Phys. Lett. 61, 237, (1992]) haben vor kurzem gezeigt, daß die Grenzempfindlichkeit eines Coulomb-Blockade- Elektrometers durch Schrotrauschen in dem durch die Vorrichtung fließenden Strom bestimmt wird, mit dem mittleren quadratischen Schrotstrom < δ I²> = 2e(Isd+Ict)B (B ist die Bandbreite des Meßgerätes). In der obigen Arbeit haben die Autoren zwar festgestellt, daß bei 100Hz das Rauschen in ihren Vorrichtungen von einer Komponente mit einer 1/f-Charakteristik beherrscht wurde, die, wie man glaubt, von Ladungeinfang und -freisetzung in der AlOx-Barriere herrührt, für die Zwecke dieser Untersuchung werden solche Effekte aber als vernachlässigbar angenommen. Zusätzlich wird vorausgesetzt, daß der Anschlußrauschstrom genügend vermindert werden kann, indem eine entsprechend kleine Kombination von Temperatur und Meßbandbreite gewählt wird (für eine Diskussion von thermisch induziertem elektrischem Rauschen siehe: J.B. Johnson, Phys. Rev., 32, 97 [1928] und H. Nyquist, Phys. Rev., 32, 110 (1928]).
Zur Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR), definiert als Isd(max)/2 < δ I²> , müssen die Effekte der Beträge der Übergangswiderstände R&sub1; und R&sub2; betrachtet werden. Einfach ausgedrückt wächst für niedrige Übergangswiderstände Ict schneller als Isd, wegen der R&supmin;²-Abhängigkeit des ersteren und der R&supmin;¹- Abhängigkeit des letzteren. Für niedriges R ist somit Ict der beherrschende Beitrag zu dem durch die Vorrichtung fließenden Strom. Dies steht im Gegensatz zu der Situation für große Widerstände, bei der aus dem gleichen Grunde das Mittunneln im Vergleich zu Isd vernachlässigbar wird. Um dies unter Verwendung von Gleichung (1) detallierter zu analysieren, wird die Näherung gewählt, daß E&sub1; = E&sub2; Ec, um die Analyse zu vereinfachen. Man stellt fest, daß im Grenzwert von R=0 das SNR einen konstanten Wert von (πEc)(3/heBV)0,5 annimmt. Der Punkt, unterhalb dessen das Mittunneln in der Vorrichtung wesentlich wird (d.h. wenn Ict=Isd), ergibt sich als Rct=2h(V/πEc)2/3. Rct ist ein nützlicher Zeiger, um anzuzeigen, ob für einen gegebenen Übergangswiderstand Mittunneln ein wesentlicher Faktor ist. Aus dem SNR kann mit Hilfe der Inversen des Übertragungsfunktionsbetrages am Vorspannungspunkt P das effektive Ladungsrauschen δ N berechnet werden. Das Ladungsrauschen bestimmt schließlich das minimale Verschiebungsrauschen δXN /X=4 δ N /e (da die Übertragungsfunktion linear ist, gilt (SNR)&supmin;¹ = δXN /X).
Eine Anwendung des Verschiebungsmeßwandlers ist als ein Bewegungssensor in einem Gravitationswellenobservatorium mit Resonanzmasse. Solche Sensoren bestehen aus einem großen Block aus Aluminium oder Niob ( 10³kg-10&sup4;kg), der in einem Vakuum aufgehängt ist und häufig auf Temperaturen flüssigen Heliums oder darunter gekühlt wird. Unter diesen Umständen reagiert der Block auf einfallende Gravitationsstrahlung mit einer Quadrupolschwingung bei einer Resonanzfrequenz von ungefähr 10³Hz, und für gewöhnliches Aluminium beträgt die Dämpfung oder das sogenannte dieser Schwingung 106. Mit diesen Größen ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), das als < δ I²> /Isd(max) definiert ist, in Figur 4 als Funktion des Widerstandes aufgetragen. Die Einfügung zeigt das Verhalten bei niedrigen Übergangswiderständen, wobei die Steigungsänderung die Punkte markiert, an denen Mittunneln beherrschend wird und als Rct definiert ist. Man beachte, daß in dieser Vorrichtung Rct 17Ω beträgt, was für den richtigen Betrieb des Elektrometers viel zu niedrig ist. Das Rauschverhalten für eher nutzbare Widerstände (> 25KΩ) ist in der Haupttafel gezeigt, und in diesem Bereich zeigt es eine gleichmäßige R-0,5-Steigung, was die Abwesenheit irgendeines Effektes aufgrund des Mittunnelstroms anzeigt. Aus dieser Kurve liefert das SNR bei 500KΩ einen Rauschstrom in der Vorrichtung von 1x10&supmin;¹&sup6;A, was um einen Faktor 10&supmin;&sup7; kleiner als Isd ist. Unter Verwendung der oben berechneten inversen Übertragungsfunktion entspricht ein Rauschstrom mit diesem Betrag einem δQ von 2,3x10&supmin;²&sup5; C oder 1,4x10&supmin;&sup6; e, was eine minimale Empfindlichkeit für Schwingungen ( δX /X) von 6x10&supmin;&sup6; oder eine Schwingungsamplitude von 0,6Å der Platte liefert, die das Gate in der obigen Vorrichtung bildet. Daher können Verschiebungen aufgelöst werden, die kleiner als ein Atomabstand ( 3Å) sind.
So eine Verschiebungsauflösung, obwohl sehr klein, ist gröber als gegenwärtig für den Nachweis von Gravitationsstrahlung benötigt, bei dem die Schwingungsamplitude der erregten Aluminiumblock < 10&supmin;¹&sup5;m beträgt, die oben gewählten Parameter sind aber pessimistische erste Abschätzungen von gegenwärtig herstellbaren Parametern und stellen in keiner Weise eine optimierte Kombination dar. Es gibt viele Methoden, mit denen die Empfindlichkeit der Vorrichtung entsprechend vergrößert werden kann. Zum Beispiel ist es möglich, X zu verkleinern. Der oben gewählte Wert von 10um ist eine Abschätzung dessen, was mit Präzisionsbearbeitung erreicht werden kann, mit Mikrofabrikations-Techniken (K.D. Wise und K. Najafi, Science, 254, 1335 (1991]) kann das Maß X aber unter 1 um verkleinert werden, was einen Gewinn von 10-100 bei der Empfindlichkeit der Vorrichtung bringt. Wenn X verkleinert wird, ist es außerdem günstig, eine entsprechende Verkleinerung von A, der Fläche der Insel 1, vorzunehmen, damit Cg nicht übermäßig über den Punkt hinaus vergrößert wird, an dem Cg wesentlich zu CΣ beizutragen beginnt.
Falls die Größe der Übergänge wesentlich vermindert werden kann, was zu einer begleitenden Zunahme von Ec führt, könnte alternativ V vergrößert werden, was Isd vergrößert. Dies ist auch günstig, da es auch die Temperatur vergrößern würde, bei der die Vorrichtung betrieben werden könnte, was schließlich zu einem Elektrometer führt, das bei Raumtemperatur arbeitet (die oben beschriebene Vorrichtung ist nur bei 20mK betriebsfähig). Damit dies möglich wird, müßte die Größe der Tunnehibergänge auf einer Seite bis auf einige Nanometer vermindert werden, was Ec/k 2000K vergrößert, und der Strom könnte dann um einen Faktor 100 vergrößert werden, was die Empfindlichkeit der Vorrichtung um eine Größenordnung verbessert. Zusammen würden es diese Verbesserungen ermöglichen, den Rauschpegel der Vorrichtung auf < 10&supmin;&sup4;m zu vermindern. Diese auf verbesserten Elektrometern basierenden Meßwandler können in Gravitationswellenantennen verwendet werden.
Der Fachmann erkennt, daß ein Verschiebungsmeßwandler gemäß der Erfindung in vielen anderen Situationen verwendet werden kann, in denen eine hohe Auflösung verlangt wird. Zum Beispiel könnte der Meßwandler als Bewegungsmeßwandler in einem Kryogenik-Kraftmikroskop (AFM) verwendet werden. Figur 5 zeigt schematisch ein konventionelles AFM, bei dem die Ablenkung eines Auslegers 6 abgefühlt wird, während seine Spitze 7 über eine Oberfläche 8 geschleppt wird. Die Ablenkungen sind sehr klein (< 10&supmin;&sup9;m). Gegenwärtig gibt es zwei Hauptverfahren zum Nachweis dieser Ablenkung, und das primäre Verfahren verwendet ein Laserinterferometer. Leider gibt es viele Anwendungen, in denen so ein Nachweisprinzip nicht möglich ist (z.B. bei Kryogenik-Temperaturen). Ein alternatives Verfahren zum Nachweis der Auslegerablenkung ist in Figur 5 dargestellt und verwendet eine Spitze 9 eines Huckepack-Rastertunnelmikroskops (STM), die die Rückseite des Auslegers 6 abtunnelt, so daß sich das STM mit der AFM-Spitze mitbewegt und die Z-Ablenkung des STM als die des Auslegers genommen wird. Dieses Verfahren ist jedoch eher unzuverlässig, hauptsächlich aufgrund von Oberflächenverunreinigungen, wie man glaubt.
Gemäß der Erfindung wird statt dessen ein Elektrometer-Meßwandler wie unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben verwendet, um die Ablenkung abzufühlen, wie in Figur 6 dargestellt, wobei der Ausleger 6 als die Gate-Kondensatorplatte 4 wirkt. In dieser Anordnung empfängt der Ausleger 6 die Vorspannung U relativ zu der zentralen Insel 1. Die Entfernung zwischen dem Ausleger 6 und der Insel 1 beträgt typisch einige Mikrometer, und infolge der Abwesenheit der STM-Tunnelspitze stören Oberflächenverunreinigungen auf dem Ausleger 6 den Betrieb des Meßwandlers nicht.
Gegenüber dem Fall des Gravitationswellendetektors muß die Bandbreite, über die der Tunneistrom innerhalb des Elektrometers nachgewiesen wird, wesentlich vergrößert werden, da sich der Ausleger nicht mit einer genau definierten Frequenz bewegt, sondern seine Bewegung durch die gerade untersuchte Oberfläche bestimmt wird. Die Frequenz der Ablenkung des Auslegers hängt ab vom Oberflächenprofil und von der Geschwindigkeit, mit der die AFM-Spitze über die Oberfläche geschleppt wird. Die zwangsläufige Bandbreitevergrößerung, vielleicht um einen Faktor von vielen Größenordnungen, bedeutet zwangsläufig, daß die Ablenkungsempfindlichkeit gegenüber dem oben erwähnten Fall vermindert wird, da aber der Rauschstrom αB0,5 beträgt, führt dies zu einer Verschlechterung der Empfindlichkeit um einen Faktor von nur 10³, selbst wenn die Bandbreite um 10&sup6; vergrößert wird.
Da die Größe der Strommodulationen 0,1fA oder weniger beträgt, ist möglicherweise einige Verstärkung des resultierenden Signals aus dem Meßwandler notwendig, was mit einem externen quantenbegrenzten Verstärker wie einem SQUID erreicht werden kann.

Claims

1. Verschiebungsmeßwandler mit

einer Einrichtung zur Erzeugung eines Ladungsspeicherbereiches (1),

einer Source (2) und einem Drain (3) für Ladungsträger nach dem Bereich, wobei der Ladungsfluß von der Source nach dem Drain durch den Ladungsspeicherbereich hindurch durch Coulomb-Blockade begrenzt wird, und

einem beweglichen Glied (4), das eine kapazitive Kopplung mit dem Ladungsspeicherbereich (1) bildet, um die Leitfähigkeit zwischen der Source (2) und dem Drain (3) als eine Funktion der Verschiebung (6x) des Gliedes (4) zu beeinflussen.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, der eine Einrichtung zum Anlegen einer festen Spannung (U) zwischen dem Ladungsspeicherbereich (1) und dem beweglichen Körper (4) enthält.

3. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Ladungsspeicherbereich (1) eine auf einem Substrat gebildete elektrisch leitende Insel und eine Einrichtung aufweist, die erste und zweite Tunnelübergänge (T&sub1;, T&sub2;) bildet, welche die Source bzw. den Drain mit der Insel koppeln.

4. Meßwandler nach Anspruch 3, bei dem die Insel eine Metallschicht aufweist und die Tunnelübergänge (T&sub1;, T&sub2;) jeweils eine weitere Metallschicht aufweisen, die über der Insel liegt, mit einer Schicht Metalloxid dazwischen.

5. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einem Gravitationswellendetektor verwendet wird.

6. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Verschiebungsdetektor in einem Kraftmikroskop verwendet wird.