DE69633067T2

DE69633067T2 - Multidimensionaler kapazitiver sensor

Info

Publication number: DE69633067T2
Application number: DE69633067T
Authority: DE
Inventors: A. Wayne BONIN
Original assignee: Hysitron Inc
Current assignee: Bruker Nano Inc
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: EP0868644B1; EP0868644A4; DE69633067D1; JP2008070373A; WO1997022845A1; EP0868644A1; JP2000501842A; ATE272826T1; US5661235A; US5869751A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hochpräzises Sensorsystem. Im spezielleren, ist es auf hochpräzise Kraftausübungs- oder Kraft- (einschließlich Gewicht) und Verschiebungsmessung/Anzeigesensoren gerichtet, welche ein Mehrplatten-Kondensatorsystem beinhalten. Zusätzlich ist es auf eine Vorrichtung gerichtet, welche solch einen Sensor genauso wie ein Verfahren zum Ausführen von mikromechanischen Tests durch die Verwendung des Sensors einschließen.
Viele Anwendungen für die präzise Messung von Kraft, Gewicht und relative Positionen sind in der Technik bekannt. Zum Beispiel, Maschinenwerkzeugbau zur genauen Anzeige oder Herstellung von Löchern, Kanälen oder anderen Oberflächenmerkmalen im Bezug auf eine andere erwünschte akkurate Positions- oder Verschiebungsmessung. Die genaue Messung von Entfernung oder Position auf kleinen Teilen, wie z. B. jene, die in der Herstellung von elektronischen Bauteilen verwendet werden, ist besonders wichtig.
Genaue Messungen von Kraft oder Gewicht in sehr kleinen Mengen, zusammen mit Messgeräten, um solche Messungen auszuführen, sind gut bekannt. Kraftsensoren sind von der Industrie anerkannte Messgeräte für solche Messungen. Diese Messgeräte können in der Laboranalyse verwendet werden, wie z. B. Mikro-Härteprüfung von Messobjekten. Weiterhin sind Laborskalen für die Messung von Komponentenbauteilen in sehr geringen Mengen mit hoher Auflösung gut im chemischen, biologischen, Arzneimittel- und medizinischen Umfeld bekannt.
Eine bekannte Begrenzung der Auflösung in Kraftsensoren ist das Signal-Rausch-Verhältnis des Messgerätes. Kraftsensoren haben einen Ausgang von nur einigen Millivolts. Es ist erkannt, dass das minimal mögliche Rauschniveau für den Kraftsensor durch das thermische Rauschen auf dem Kraftsensor-Widerstandselement bestimmt wird. Zum Beispiel ist das berechnete Rauschen für einen kommerziellen Kraftsensor mit 350 Ohm Widerstand 2,4 nV bei 1 Hz Bandbreite.
In früheren Jahren, hat die Entwicklung eines abgetasteten Tastkopf-Mikroskops einen Bedarf für höher auflösende Messung von Kraft und Position auf sehr geringem Niveau erzeugt. Wie durch Wickramasinghe in "Scanned-Probe Microscopes" ("Abgetastete Tastkopf-Mikroskope"), Scientific American, Oktober 1989, S. 98–105, erlauben abgetasteten Tastkopf-Mikroskope eine Untersuchung einer Oberfläche in einem sehr engen Bereich mit einem Tastkopf welches nur über ein einzelnes Atom sein kann, und zerlegt Merkmale und Eigenschaften auf einer Skala, welche andere Mikroskope umgeht.
Die Veröffentlichung von Wickramasinghe bezieht sich auf zwei Arten von abgetasteten Tastkopf-Mikroskopen. Die erste Art ist ein Raster-Tunnelmikroskop, während die zweite ein Raster-Kraftmikroskop ist.
In dem Raster-Kraftmikroskop bewegt eine abgetastete Tastkopfeinrichtung eine winzige Spitze, wie z. B. ein atomar zugespitzter Diamant, der auf einem Metallplättchen über einem Probenstück in einem Rastermuster montiert ist. Das Messgerät nimmt die Umrisse der Kraft, die durch die Überlappung der Elektronenwolke an der Spitze mit den Elektronenwolken der Atomoberflächen generierte Abstoßung, auf. Im wesentlichen liest die Spitze, ähnlich wie die Nadel eines Phonographs, die Oberfläche. Das Metallplättchen agiert wie eine Feder, um die Spitze gegen die Oberfläche gepresst zu halten, während sie durch die Atomtopographie auf und ab geschubst wird.
Ein Raster-Tunnelmikroskop tastet die atomare Skalentopographie mittels Elektronen ab, welche über den Spalt zwischen einem Tastkopf und der Oberfläche tunneln. Piezoelektrische Keramiken, welche die Größe geringfügig in Abhängigkeit der Veränderungen in der angelegten Spannung ändern, manövrieren den Wolfram-Tastkopf eines Raster-Tunnelmikroskops in drei Dimensionen. Eine Spannung ist an die Spitze angelegt, und wird in Richtung der Oberfläche bewegt, welche leitend oder halbleitend sein muss, bis ein Tunnelstrom zu fließen beginnt. Die Spitze wird dann vor und zurück in einem Rastermuster abgetastet. Der Tunnelstrom tendiert dazu, mit der Topographie zu variieren. Ein Rückführungsmechanismus reagiert durch die Bewegung der Spitze auf und ab, dem Oberflächenrelief folgend. Die Spitzenbewegungen werden in eine Bildgebung der Oberfläche umgewandelt.
Mit der Raster-Tunnelmikroskopie ist es anerkannt, dass die Messung von Oberflächentopographie falsch würde, wenn der Spitzenabstand von der Oberfläche nicht aufrechterhalten wird. Folglich wird eine Messung der Kraft, die durch die Spitze auf das Messobjekt aufgelegt wird, während des Messzyklus dazu dienen, um zu bestätigen, dass solch ein Abstand erhalten ist, und würde eine Gegenprobe für die Genauigkeit der topographischen Messung bieten.
Wie zuvor erwähnt, können Messgeräte, wie z. B. Kraftsensoren, für Mikro-Härteprüfungen von Messobjekten verwendet werden, während Raster-Tunnelmikroskope und Raster-Kraftmikroskope anerkannte Verfahren zum Messen oder zur Oberflächenbildgebung der Topographie sind. Hier würden erhebliche Vorteile sein, wenn Mikro-Vertiefungshärtetests gemacht werden, wenn es möglich wäre, sofort die Ergebnisse mit der Fä higkeit einer hohen Auflösung anzuzeigen. Gegenwärtig bekannte Spitzen- und Steuermechanismen für Raster-Tunnelmikroskope und Raster-Kraftmikroskope haben bis jetzt diese Messgeräte abgehalten, in der Lage zu sein, beides, die Oberflächentopographie zu Messen und die Mikro-Vertiefungshärtetests zu Leiten.
Die Wolfram-Raster-Tunnelmikroskopspitzen, die im allgemeinen in diesen Messgeräten verwendet werden, sind sehr dünn und neigen dazu, sich in eine Form eines Angelhakens bei ziemlich geringen Vertiefungs-Ladungen zu biegen, so dass die Anzeige nach der Vertiefung etwas fraglich ist. Die Raster-Kraftmikroskopspitzen, obwohl härter als die Wolfram-Raster-Tunnelmikroskopspitzen, sind auf einem dünnen Ausleger montiert, welcher leicht abbricht. Dies begrenzt die Kraftmenge, welche mit dem Raster-Kraftmikroskop angewendet werden kann, soweit weniger, als für die meisten Vertiefungen gebraucht wird.
Ein alternativer Lösungsansatz ist, ein Raster-Tunnel- oder Raster-Kraftmikroskop mit einem eingebauten Raster-Elektronenmikroskop zu bauen, welches die Anzeigefähigkeit nach der Vertiefung bietet, aber zu beträchtlichen Auslagen in Ausstattungskosten und zusätzlicher Zeit führt. Auch arbeitet das Raster-Elektronenmikroskop nur unter Vakuum, so dass die Beobachtung der meisten Messobjekte, wie z. B. biologische Probenstücke, nicht möglich ist.
Das Studium mechanischer Verhältnisse von Materialien auf der mikroskopischen Skala, Vertiefungs- und Ritzprüfungen sind zwei häufig verwendete Techniken. Die Vertiefungsprüfung, wo eine Diamantspitze in das zu testende Material gedrückt wird, wird gewöhnlich für die Bestimmung der Härte verwendet, und wird beginnend dafür verwendet, das Elastizitätsmodul zu bestimmen. Die Ritzprüfung wird verwendet, um (neben anderen Dingen) die Adhäsion eines auf ein Substrat aufgebrachten Films oder Belags zu bestimmen. Dies wird durch das Ziehen der Diamantspitze über die Oberfläche des Messobjekts unter Steigerung der Ladung durchgeführt, bis eine kritische Ladung erreicht ist, zu welcher Zeit so etwas wie eine Ablösung oder Störung auftritt.
Normalerweise wird die Vertiefung oder das Ritzen auf einer Maschine ausgeführt, die für diesen Zweck entworfen wurde, und die Ergebnisse werden unter Verwendung eines Mikroskops analysiert, um die Größe der Vertiefung oder den Bereich der Ablösung zu bestimmen. Für Merkmalsgrößen von einigen Mikrometern oder größer wird dies gewöhnlicherweise mit einem optischen Mikroskop gemacht.
Für Merkmale von weniger als ein paar Mikrometern, wie es zunehmend mit der fortwährenden Verkleinerung von Halbleitern und gesteigerten Dicke von Schutzbelägen wichtig wird, wie sie z. B. auf magnetischen Speicherdisks verwendet werden, würde der Bereich normalerweise durch die Anzeige eines Raster-Elektronenmikroskops bestimmt werden. Dies schließt bedeutende Arbeit in der Vorbereitung der Messobjekte ein, vor allem für Messobjekte, welche elektrische Nichtleiter sind und welche vor der Anzeige auf dem Raster-Elektronenmikroskop mit Gold oder Karbon beschichtet werden müssen. Auch ist gerade das Auffinden der winzigen Vertiefung oder des Ritzes nicht trivial. Für die kleinsten Vertiefungen und Ritze kann eine Auflösung auf Atomniveau des Raster-Tunnelmikroskops oder des Raster-Kraftmikroskops benötigt werden, um die Ritzweite oder den Bereich der Ablösung genau zu analysieren. Forscher haben berichtet, dass sie bis zu 8 Stunden aufgewandt haben, um einen Eindruck auf dem Raster-Kraftmikroskop zu lokalisieren, nachdem sie es auf einen separaten Mikro-Eindruckkörper produziert haben. Eine andere Quelle der Unsicherheit ist plastisches Fließen oder die Entspannung, welche mit bestimmten Messobjekten eintreten. Wenn dies über einen Zeitraum von 1 Stunde oder weniger passiert, kann ein durch einen separaten Eindruckkörper produzierter Eindruck verschwinden, bevor er von einem Mikroskop untersucht werden kann. Eindrücke, die in dem 50 Angström-Bereich gemacht sind, haben manchmal angezeigte plastische Verformungen, welche nicht mit der Anzeige des Raster-Elektronenmikroskops oder des Raster-Kraftmikroskops gesehen werden können. Mögliche Erklärungen beinhalten mechanische Hysterese in einem Eindruckkörper, welche es veranlasst, eine plastische Verformung anzuzeigen, welche nicht tatsächlich vorhanden war. Es ist auch möglich, dass hier tatsächlich ein Eindruck vorhanden war, welchen der Forscher nicht in der Lage war, zu lokalisieren. Eine dritte Möglichkeit ist, dass das Messobjekt einen Entspannungseffekt aufweist, wo der Eindruck tatsächlich vorhanden war, aber durch einige plastische Flussphänomene verschwindet, bevor das Messobjekt in dem Mikroskop ersichtlich werden konnte.
Hier wäre offensichtlich ein signifikanter Vorteil, bei dem Ausführen von Mikroeindruckhärte- und Ritztests, wenn es möglich wäre, die Ergebnisse sofort mit hoher Auflösefähigkeit anzuzeigen. Solch eine Fähigkeit würde Beides, Zeit und Kosten der Messungen reduzieren und würde Unsicherheiten bei den Ergebnissen reduzieren.
Das Verfahren zum Ausbilden eines Eindruckes in einem Messobjekt zum mikromechanischen Testen ist auch begrenzt. Kräfte können auf das Messobjekt durch das Antreiben der Spitze in das Material des Messobjektes unter Verwendung des Z-Achsenpiezo eines Raster-Tunnelmikroskops angewendet werden. Dieses Verfahren kann durch das Schreiben "lithographischer Schriften", welche unter dem Mikroskopsteuersystem laufen, gesteuert werden. Diese Schriften können verwendet werden, um die Spitzenbewegung in allen drei Achsen zu steuern. Die gleichzeitige Bewegung in Z- und X- oder Y-Richtungen wird nicht unterstützt, da die für bestimmte Mikro-Ritztests erwünschte Kraftrampe unter Verwendung einer treppenähnlichen Rampe angenähert werden muss.
Die Größe der Kraft, welche angewendet werden kann, ist ziemlich begrenzt, da sie durch die X-Achsenbewegung des Piezo und die Federkonstante des Kraftsensor bestimmt ist. Höhere Kräfte können durch die Verwendung eines Sensors mit einer höheren Federkonstante erreicht werden, jedoch würde das die Auflösung vermindern und das benötigte Minimum der Bildgebungskraft erhöhen, welches Messobjekte-Abnutzungsprobleme während der Anzeige verursachen kann. Zusätzlich ist die Z-Achsenbewegung des Piezoantriebs nicht in der Linearität und in den Hystereseeffekten kompensiert, wie dies die X- und Y-Achsen sind. Dies resultiert in Kalibrierungsproblemen, da hier ziemlich große Unterschiede zwischen der angeordneten Z-Achsenbewegung in der lithographischen Schrift und die tatsächliche Bewegung der Spitze in der Z-Achsenrichtung sind.
In mikromechanischen Tests wäre es sehr vorteilhaft, eine Vorrichtung zu haben, welche ein kontrolliertes Eindrücken des Materials des Messobjekts in einem Bereich bietet, der sich zu einer höheren maximalen Kraft erstreckt, während eine hohe Auflösung und Linearität zwischen der angeordneten Z-Achsenbewegung und der tatsächlichen Bewegung der Spitze erhalten bleibt.
US-A-4,694,687 offenbart einen Träger-Leistungsanalysator, welcher einen kapazitiven Schwingungssensor für das Erkennen von Wechseln in den G-Kräften und für das Erzeugen eines zu solchen Wechseln proportionaler digitalen Zählwerts. Der Sensor beinhaltet einen kapazitiven Sensor, umfassend ein Paar von unter Abstand angeordnete parallele Platten, die an gegenüber liegenden Seiten einer Strahl unterstützten bewegbaren Platte angeordnet sind, welche auf die Veränderungen in der Schwingung der Kräfte reagiert. US-A-5,437,196 offenbart, in 3, dass die Strahl unterstützte bewegbare Platte von dem Zugriff zwischen den in Abstand angeordneten parallelen Platten abgeschottet ist. Folglich, obwohl nicht physikalisch erreichbar, wird die bewegbare Platte abgeworfen und wird ersetzt, wenn sie G-Kräften während der Schwingung unterliegt, wenn sie senkrecht zu solchen Kräften montiert ist.
US-A-5,437,196 offenbart einen Kraftdetektor, der in der Lage ist, Kraftkomponenten in entsprechenden axialen Richtungen zu erkennen, und Momentkomponenten über die entsprechende Achse in einem XYZ-dreidimensionalen Koordinatensystem sind vorgesehen. Ein Verschiebungskörper ist von einer Disk-förmigen Ermächtigungsplatte und eines Stützkörpers in der Form eines Vierkantpfostens umfasst. An der oberen Oberfläche des Verschiebungskörpers sind fünf Verschiebungselektroden ausgebildet. Weiterhin sind an den vier Seitenoberflächen des Stützkörpers acht Verschiebungselektroden ausgebildet. Dieser Verschiebungskörper wird in einem hängenden Status innerhalb des fixierten Körpers gehalten. Innerhalb des fixierten Körpers sind fixierte Elektroden an Positionen gegenüberliegend zu den entsprechenden Verschiebungselektroden vorgesehen. Folglich sind die Belastbarkeitskomponenten durch die entsprechenden gegenüberliegenden Elektrodenpaare erzeugt. Auf der Basis der Veränderungen in den Belastbarkeitswerten sind die entsprechenden Belastbarkeitskomponenten, Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz in entsprechenden axialen Richtungen und Momentkomponenten Mx, My, Mz über entsprechende Achsen bestimmt.
US-A-5,421,213 offenbart eine Elektrodenschicht, die an der oberen Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet ist, und ein Verfahren für die teilweise Entfernung des Substrats ist ausgeführt, um es zu erlauben, dass das Substrat Flexibilität hat. Mit der unteren Oberfläche des ersten Substrats ist ein zweites Substrat verbunden. Dann sind durch das Schneiden des zweiten Substrats ein Arbeitskörper und ein Sockel ausgebildet. Auf der anderen Seite ist eine Nut auf einem dritten Substrat ausgebildet. Eine Elektrodenschicht ist auf der Bodenoberfläche der Nut ausgebildet. Das dritte Substrat ist mit dem ersten Substrat verbunden, so dass beide der Elektroden sich einander mit einem vorherbestimmten Abstand dazwischen gegenüber liegen. Letztendlich sind die ersten, zweiten und dritten Substrate in die jeweiligen Einheitenbereiche abgeschnitten, um entsprechend unabhängige Sensoren zu bilden. Wenn eine Schwingung auf den Arbeitskörper ausgeübt wird, biegt sich das erste Substrat. Als ein Ergebnis verändert sich der Abstand zwischen beiden Elektroden. Folglich ist eine ausgeübte Schwingung durch die Veränderungen in einer elektrostatischen Kapazität zwischen beiden Elektroden erkannt.
US-A-5,006,952 offenbart eine Signalkonditionierungsschaltung für kapazitive Mehrkanal-Verschiebungssensoren. Der Sensor umfasst drei differenziale kapazitive Sensoren, der durch entsprechende Vierkantwellen von dem Regler angetrieben wird. Der Regler wird in unterschiedlichen Frequenzen angetrieben, welche genau ein Vielfaches voneinander sind, hergeleitet von einem Teiler. Die Signale von jedem unterschiedlichen Kapazitätspaar des Sensors werden durch einen gewöhnlichen Ladungsverstärker empfangen. Sie sind dann durch entsprechende phasenempfindliche Gleichrichter demoduliert, jeder von denen wird in der gleichen Frequenz wie der entsprechende Regler angetrieben. Die Ausgänge der phasenempfindlichen Gleichrichter sind integriert, z. B. durch Schaltungen für eine der Kanäle, und das resultierende Spannungssignal wird zu dem entsprechenden Regler zurückgeführt, um den Eingang zu dem Ladungsverstärker gegen Null zu richten.
US-A-4,848,141 offenbart ein Verfahren zum kontinuierlichen Messen der Festigkeit, und ein Kontaktbereich ist zwischen zwei Körpern vorgesehen. Die elastische Festigkeit eines Anschlusses wird durch das Aufbringen einer relativ kleinen oszillierenden mechanischen Kraft in einer bekannten Frequenz auf die Verbindung gemessen und die Messung der nachfolgenden Verschiebungsantwort unter Verwendung der AC-Signal-Bearbeitungstechnologien, um eine kontinuierliche Messung proportional zu der Festigkeit und des Kontaktbereiches zwischen den Körpern zu bieten, genau wie sich der Kontaktbereich verändert.
Es ist Ziel der Erfindung, einen Kraft-, Gewicht- oder Positionssensor, eine Vorrichtung, in welcher der Kraft-, der Gewicht- oder der Positionssensor beinhaltet ist, und ein Verfahren zur Durchführung mikromechanischer Tests unter Verwendung des Sensors, welcher eine Verbesserung über den Stand der Technik wie oben diskutiert bietet, zu bieten.
Die vorliegende Erfindung bietet einen Kraft-, Gewicht- oder Positionssensor, einen hochpräzisen, multidimensionalen Sensor, umfassend: einen ersten kapazitiven Sensor, der eine Antriebsplatte, eine Aufnahmeplatte, die darin beweglich relativ zu der Antriebsplatte montiert ist, und Mittel zum Ausüben einer Kraft oder einer Bewegung und zum Detektieren einer Kraft, eines Gewichts oder einer Position in einer ersten Richtung über die Aufnahmeplatte enthält; einen zweiten kapazitiven Sensor, der eine Antriebsplatte, eine Aufnahmeplatte, die darin beweglich relativ zu der Antriebsplatte montiert ist, und Mittel enthält, um eine Kraft oder eine Bewegung auszuüben und um eine Kraft, ein Gewicht oder eine Position in einer zweiten Richtung über die Aufnahmeplatte zu detektieren; Mittel, um jede Aufnahmeplatte mit einem entfernten Objekt zu verbinden; eine Steuerung, die so ausgeführt ist, um wahlweise die Kraft oder die Bewegung zu steuern, welche über die Aufnahmeplatten auf das entfernte Objekt ausgeübt wird; und Mittel, die so ausgeführt sind, um ein Ausgangssignal proportional zu der detektierten Kraft, im detektierten Gewicht oder der detektierten Position zu erzeugen. Darüber hinaus kann der Sensor in Vorrichtungen mit Mikro-Eindruckhärtetests und Oberflächenbildgebung, abgetastete Tastkopf-Mikroskopvorrichtung mit einer Piezo-Abtastvorrichtung zur Bewegung einer Probe relativ zu einer Spitze, wobei die Vorrichtung Mittel zur Oberflächenbildgebung und Multi-Achsenkraft- oder Verschiebungsmessung umfasst, die einen multidimensionalen Sensor entsprechend den Ansprüchen 1 bis 11 enthalten; Instrument, um eine hochauflösende Oberflächenbildgebung und einen mikromechanischen Eigenschaftstest zur Verfügung zu stellen, wobei das Instrument umfasst: einen Tastkopf Mittel zum Abtasten, einschließlich der zur Verfügungsstellung einer Relativbewegung zwischen dem Tastkopf und einer Messprobe, wobei die Mittel zum Abtasten einen multidimensionalen Sensor entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11 enthalten; und eine Steuerung, die mit dem multidimensionalen Sensor verbunden ist, die ein Datenerfassungs- und Steuerungssystem und eine elektrostatische Steuerung enthält, welche eine sofortige Anzeige der Oberfläche im Anschluss an den Härtetest genauso und ein Verfahren zur Durchführung mikromechanischer Tests durch die Verwendung des Sensors erlaubt, ein Verfahren zur Durchführung eines mikromechanischen Tests auf einer Messprobe, das die Schritte der Platzierung der Messprobe und die Durchführung des mikromechanischen Tests unter Verwendung eines hochpräzisen multidimensionalen, kapazitiven Sensors entsprechend den Ansprüchen 1 bis 11 umfasst, beinhalten kann.
Der hochpräzise, multidimensionale Sensor der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 gekennzeichnet. Der Ausgang von dem Sensor kann in ein DC-Signal proportional zu dem Gewicht, der Kraft oder der relativen Position des gemessenen Messobjektes konvertiert werden. Diese Konvertierung kann, z. B., wie im allgemeinen in US-A-4,694,687 offenbart, durchgeführt werden.
Zusätzlich umfasst der Sensor eine Steuerung, die so ausgestaltet ist, um die Kraft oder die auf ein entferntes Objekt übermittelte Bewegung zu steuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ein hochpräziser Kraft- und Verschiebungssensor. Der Sensor beinhaltet ein Paar von kapazitiven Sensoren. Jeder kapazitive Sensor beinhaltet eine separate Antriebsplatte und eine geteilte Aufnahmeplatte, die zwischen den separaten Antriebsplatten positioniert ist. Eine Vorrichtung zum Steuern der Position der Aufnahmeplatte im Bezug auf die Antriebsplatten ist beinhaltet. Zusätzlich ist eine Vorrichtung für die Kraftübertragung zwischen einem entfernten Punkt und der Aufnahmeplatte vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Position der Aufnahmeplatte in Bezug auf die Antriebsplatte durch den elektrostatischen Antrieb gesteuert. Eine elektrostatische Steuerung legt selektiv eine Spannung auf eine der Antriebsplatten an, um eine Anziehungskraft zwischen der Aufnahmeplatte und der Antriebsplatte zu bieten. Die Anziehungskraft kann durch die Übertragungsvorrichtung zu einem von der Aufnahmeplatte entfernten Punkt für die Bewegung des entfernten Punkts oder für das Anlegen einer Kraft auf den entfernten Punkt übertragen werden. Die elektrostatische Steuerung kann eine relativ hohe Spannungsstromversorgung beinhalten, die mit einem Verstärker verbunden ist.
Der Sensor kann auch eine Vorrichtung zur Anzeige eines Ausgangssignals von der Aufnahmeplatte beinhalten, welches proportional zu der Position der Aufnahmeplatte in Bezug auf die Antriebsplatte ist. In einer Ausführungsform beinhaltet die Anzeigevorrichtung einen Ausgangssignaldetektor/Konditionierer. Die Vorrichtung kann eine Vorrichtung zur Anwendung eines Trägersignals auf die Antriebsplatten-Paare beinhalten. In einer Ausführungsform ist das Trägersignal ein AC-Spannungssignal, wo das auf eine der Antriebsplatten angewendete Signal 180° versetzt mit dem auf die andere Antriebsplatte angewendete Signal ist. Die Frequenz des Trägersignals ist höher in Bezug auf die Frequenz der durch die elektrostatische Steuerung angewendete Spannung.
Die Anzeigevorrichtung ist mit der Aufnahmeplatte für die Anzeige der Sensor-Ausgangssignale verbunden, welches repräsentativ für die Verschiebung der Aufnahmeplatte in Bezug auf die Antriebsplatten ist. Das Ausgangssignal kann repräsentativ für die auf ein entferntes Objekt durch den Sensor ausgeübte Kraft oder Bewegung sein, oder repräsentativ für eine Kraft-, Gewicht- oder Verschiebungsmessung sein.
In einer anderen Ausführungsform verwendet der Sensor ein Multikondensatorsystem, welches Antriebs- und Aufnahmeplatten hat, die auf einem entsprechenden Federungssystem montiert sind, um die erwünschte relative Bewegung zu bieten, wenn eine Kraft auf die Aufnahmeplatte angewendet wird oder wenn die Aufnahmeplatte eine Kraft oder Bewegung auf ein von der Aufnahmeplatte entferntes Messobjekt anwendet. Die Antriebsplatten können mit einem AC-Trägersignal angetrieben werden, in der Reihenfolge von 50 kHz, mit den Antriebssignalen, die 180° versetzt mit den anderen sind, um ein Ausgangssignal auf die Aufnahmeplatte zu bieten, repräsentativ für die Verschiebung der Aufnahmeplatte, in Bezug auf die Antriebsplatten, und proportional zu der wahrgenommenen Kraft, Gewicht oder Verschiebung.
Das Ausgangssignal läuft durch einen Pufferverstärker aus einem sehr hohen Eingangswiderstand (100 M Ohm bis 0,3 pF, z. B.) und wird dann synchron demoduliert, um ein DC-Signal proportional zu der Kraft oder Verschiebung zu produzieren. Der Ausgang ist positiv für eine Richtung der Verschiebung, und negativ für die entgegengesetzte Richtung.
Ein Sensorelement entsprechend der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Paar von kapazitiven Sensoren, jeder Sensor beinhaltet eine separate Antriebsplatte und eine geteilte Aufnahmeplatte. Ein Paar von Antriebsplatten können ein Loch beinhalten, die dadurch zentral auf der Antriebsplatte angeordnet sind. Die Aufnahmeplatte ist zwischen den Paaren von Antriebsplatten angeordnet und von jeder Antriebsplatte durch einen Isolier-Abstandshalter getrennt. Folglich beinhalten die Antriebsplatten, in einer bevorzugten Ausführungsform, im allgemeinen unter Abstand angeordnete gegenüber liegende leitende Oberflächen, wenn die Aufnahmeplatte dazwischen montiert ist. Die Aufnahmeplatte kann im allgemeinen eine leitende Mittelplatte sein, die durch eine Federeinrichtung zwischen den Antriebsplatten aufgehängt ist, worin die Mittelplatte in der Lage ist, zwischen den leitenden Oberflächen jeder der Antriebsplatten auszulenken.
Das Sensorelement beinhaltet Mittel für die Kraftübertragung zwischen einem von der Mittelplatte entfernten Punkt zu der Mittelplatte. Die Mittel können einen Messobjekt-Halter beinhalten, welcher an die Aufnahmeplatte angeschlossen ist, so dass er sich in Einheit mit solch einer Platte bewegt. Alternativ kann irgendeine Stange oder Teil, das durch das Loch in eine Antriebsplatte geführt wird und in Kontakt mit der Mittelplatte ist, Kraft zu der Aufnahmeplatte übertragen. Der Ausgang ist tatsächlich proportional zu der Position der Aufnahmeplatten, aber kann einfach kalibriert werden, um Kraft darzustellen, bis der Sensor angeleitet werden kann, um ein lineares Kraft gegen Verschiebungsverhältnis zu haben.
In einer anderen Ausführungsform ist der Messobjekt-Halter ein Sockel, der ein Schaftteil hat, welches durch das zentral angeordnete Loch in einer Antriebsplatte hindurchführt und welches in Kontakt mit der Oberfläche der leitenden Zentralplatte der Aufnahmeplatte verbleibt. Der Kontakt mit der Mittelplatte ist ungefähr an seinem Mittelpunkt. Folglich überträgt der Sockel eine Kraft, die auf dem Sockel zu der Mittelplatte mit dem Ergebnis der Abweichung der Mittelplatte angewendet wird. Eine Membrandichtung kann beinhaltet sein, um Schmutz oder andere Kontaminationen an dem Eindringen durch den Abstand zwischen dem Sockelschaft und dem Loch in der Antriebsplatte zu hindern.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet der Sensor entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Paar von kapazitiven Sensoren, jeder Sensor beinhaltet eine separate Antriebsplatte und eine geteilte Aufnahmeplatte. Die Aufnahmeplatte ist bewegbar zwischen den Paaren der Antriebsplatten montiert. Die Aufnahmeplatte kann direkt an einen entfernten Punkt befestigt sein, ohne durch eine der Antriebsplatten hindurch zu treten, um die Kraft oder Bewegung zwischen der Aufnahmeplatte und dem entfernten Punkt zu übertragen.
Der offenbarte Sensor ist im Speziellen zweckmäßig in der Verbindung mit abgetasteten Tastkopf-Mikroskope, wie z. B. ein Raster-Tunnelmikroskop oder ein Raster-Kraftmikroskop. Es ist jedoch anerkannt, dass der Sensor in irgendeiner Anwendung verwendet werden kann, zum Messen von Gewicht, Kraft oder Verschiebung, welches eine hohe Auflösung von sehr kleinen Messungen benötigt. Der Sensor der vorliegenden Erfindung hat eine Auflösung von über 100.000 : 1. Der Sensor kann von einer Größe 1,27 cm (1/2'') Quadrat und 0,318 cm (1/8'') Dicke sein, welche es ihm erlaubt, auf den Mess-Halterbereich eines bestehenden abgetasteten Tastkopf-Mikroskops montiert zu werden. Das einer Mikroskopie auszusetzende Messobjekt kann dann am Kopf des Sensor montiert werden. Dies gibt eine direkte Anzeige der Kraft, die auf das Messobjekt durch die Mikroskopspitze ausgeübt wird.
Die Signal-Rausch-Verhältnis der Sensoren der vorliegenden Erfindung sind sehr viel höher als solche, die für bestehende Kraftsensoren berechnet sind. Wie zuvor erwähnt, wird das mögliche minimale Rauschniveau für einen Kraftsensor durch das thermische Rauschen des Kraftsensorelements festgestellt. Im Gegensatz, hat der kapazitive Sensor der vorliegenden Erfindung ein Rauschniveau, welches durch die Impedanz des Sensors gesteuert wird. Dies erlaubt es für ein Signal-Rausch-Verhältnis eines kapazitiven Sensors der vorliegenden Erfindung, das eines Kraftsensors bis mehr als 10 Mal zu überschreiten. Dies kann sogar weiter durch das Erhöhen des Trägersignals über 50 kHz erhöht werden. Die verwendbare Auflösung ist durch thermische Stabilität begrenzt, aber es wird geglaubt, dass die thermische Stabilität mit der Verwendung von stabileren Materialien erhöht werden kann, und dass die automatische Korrektur der Basislinienabweichung auch möglich ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Sensorelement der vorliegenden Erfindung erste und zweite, serielle verbundene variable Kondensatoren, welche leicht unter Verwendung herkömmlicher Platinenätztechniken hergestellt sein können. Im Spezielleren umfasst der Sensor eine gestapelte Konfiguration von fünf Substraten.
Die zwei äußersten Substrate, oder erste und fünfte Substrate, haben auf jeder Seite davon eine metallisierte Oberfläche. Ein Bereich der Metalloberfläche auf der Innenseite der äußersten Platten umfassen jede die ersten Platten (Antriebsplatten) eines unterschiedlichen variablen Kondensators. Das erste Substrat beinhaltet dadurch weiterhin ein Loch oder Durchgang für das Aufnehmen von Mitteln zur Übertragung von Kraft auf die Aufnahmeplatte (von einem Messobjekt-Halter, z. B.) ohne die Berührung oder von der Bewegung dadurch kraftschlüssig zurückgehalten zu sein. Die Aufnahmeplatte ist unterhalb ausführlicher beschrieben. Das fünfte Substrat beinhaltet weiterhin einen Bereich, der direkt gegenüber liegt und der mit der Größe des Loches oder Durchgangs in dem ersten Substrat übereinstimmt, in welchem die metallisierte Oberfläche davon auf der Innenoberfläche geätzt ist. Dies wird gemacht, um die Linearität der Antwort des Sensors zu erhalten. Die metallisierten Oberflächen der Außenseiten der ersten und fünften Substrate agieren in bekannter Weise als Schutz.
Jeder der ersten und fünften oder äußeren Substrate grenzen entsprechend an die zweiten und vierten Substrate, welche Isoliersubstrate oder Rahmenteile umfassen, die einen offenen zentralen Bereich zumindest so groß wie eine Mittelplatte des unten beschriebenen dritten Substrats hat.
Das dritte Substrat ist zwischen diesen zwei isolierenden Rahmenteilen angelegt. Ein Bereich des dritten Substrats umfasst eine gewöhnliche zweite Platte oder Aufnahmeplatte für die Paare der variablen Kondensatoren, die durch die ersten und fünften Substrate definiert sind. Das dritte Substrat beinhaltet eine ebene Mittelplatte, welche durch federähnliche Teile aufgehängt ist. In den bevorzugten Ausführungsformen beinhalten die federförmigen Teile vier relativ dünne L-förmige Federn. Die Metallmasse ist folglich innerhalb der Rahmenöffnungen verschiebbar, wenn die fünf Substrate zusammen aufeinander geschichtet sind.
Die Mittel zur Kraftübertragung zu der Mittelplatte, z. B. Messobjekt-Halter oder Sockel, führen ohne Kontakt durch das erste und zweite Substrat hindurch, während sie an die aufgehängte Metallmasse ungefähr an ihrer Mitte angrenzt, berührt oder befestigt ist.
Auf diesem Weg wird die auf den Messobjekt-Halter oder Sockel angelegten Kräfte in die Verschiebung der aufgehängten Metallmassen übersetzt.
Elektrische Verbindungen zu verschiedenen Schichten von Substraten in der oben skizzierten Konstruktion können durch leitende Anschlussstifte hergestellt werden, die durch metallisierte Löcher eingeführt sind, die unter Verwendung herkömmlicher, durch kontaktierende Loch-Techniken gewöhnlich für multi-beschichtete Platinenanordnungen gemacht sind.
Mittel zur Anlegen eines AC-Trägersignals auf das Paar der Antriebsplatten ist vorgesehen. Ein AC-Signal von einem Hochfrequenzoszillator wird über die Terminals übertragen, die mit den ersten und fünften Substraten oder den zwei äußersten stationären Platten des Sensors verbunden sind, und die zentrale Verschiebungs-Platte (Aufnahmeplatte) bietet einen Ausgang. Wie z. B., ist ein Gegentaktsignal proportional zu der Menge der Ablenkung der zentralen bewegbaren Platte ausgebildet und anschließend verstärkt, und wird dann synchron durch Mittel zur Anzeige eines Ausgangssignals demoduliert. Ein DC-Spannungssignal, welches proportional zu der Kraft, Gewicht oder Verschiebung ist, kann produziert werden.
In einer anderen Ausführungsform kann der oben beschriebene Sensor als ein Bauteil zur Messung der Ultra-Mikrohärte eines Messobjektes mit der Fähigkeit von simultaner oder sofortiger anschließender Raster-Tunnelmikroskopie- oder Raster-Kraftmikroskopieanzeige verwendet werden. Es wurde herausgefunden, dass die Sensoren der vorliegenden Erfindung leicht einen gesamten Skalenbereich von 3 g mit Auflösung bis zu 30 μg bieten kann.
Wenn der Sensor der vorliegenden Erfindung in einer Vorrichtung zur Mikrovertiefung und Anzeige verwendet wird, wird der Sensor verwendet, um das Abweichungssignal zu generieren, welches gegenwärtig in Raster-Kraftmikroskopie von dem Photosensorausgang eines Lasers erhalten wird, welcher von dem Träger zurückgeworfen wird. Weiterhin, mit der zweiten Ausführungsform, wird das Messobjekt auf den Kraftsensor montiert, und eine geeignete Eindruckspitze oder andere harte, scharfe Spitze wird auf einem Raster-Tunnelmikroskop-Piezoantrieb montiert. Es wurde als nicht notwendig angesehen, für entweder die Eindruckspitze oder das Messobjekt leitend zu sein, da der Kraftausgang von dem Sensor zurück zu der Steuereinheit gesendet wird, um das System zu veranlassen, ähnlich wie ein Standard-Raster-Kraftmikroskop zu funktionieren.
Das Messobjekt kann durch die Spezifizierung einer Kontaktkraft in einem geeigneten niedrigen Werk abgebildet werden, um nicht auf das Messobjekt zu wirken. Nach der Bildgebung kann die Steuerung zusammen mit dem Sensor verwendet werden, um die Spitze in das Messobjekt zu drücken und den Eindruck herzustellen, mit dem Sensor, der eine Ablesung der angewandten Ladung während des Eindruck-Verfahrens bietet.
In einer zweiten Ausführungsform wird der Sensor verwendet, um das Messobjekt in die Spitze zu drücken, um den Eindruck zu bilden. Dies kann mittels Verwendung einer elektrostatischen Steuerung ausgeführt werden, um eine Spannung an eine der Antriebsplatten anzulegen, um eine Anziehungskraft zwischen der Aufnahmeplatte und der geladenen Antriebsplatte zu bieten. Das Messobjekt kann dann erneut mit der gleichen Spitze abgebildet werden, so dass das Ergebnis des Eindruckes eher in Minuten als Stunden gesehen werden kann, als es der Fall wäre, wenn eine separate Eindruckvorrichtung verwendet würde.
Alternativ kann die Sensor-Aufnahmeplatte direkt oder indirekt mit einer Eindruckspitze verbunden sein. In dieser Ausführungsform ergibt sich die resultierende Bewegung der Aufnahmeplatte in der für den Antrieb der Spitze in das Messobjekt erforderlichen Kraft, um einen Eindruck zu bilden.
Jetzt beinhaltet eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen hochpräzisen multidimensionalen Sensor. Der multidimensionale Sensor beinhaltet einen ersten kapazitiven Sensor zum Ausüben einer Kraft oder einer Bewegung und, um eine Kraft, ein Gewicht oder eine Position in einer ersten Richtung mit einer Aufnahmeplatte zu detektieren, die relativ zu einer Antriebsplatte darin beweglich befestigt ist. Ein zweiter kapazitiver Sensor ist beinhaltet, um eine Kraft oder eine Bewegung auszuüben und, um eine Kraft, ein Gewicht oder eine Position in einer zweiten Richtung mit einer Aufnahmeplatte zu detektieren, die relativ zu einer Antriebsplatte darin beweglich befestigt ist.
Der erste kapazitive Sensor und zweite kapazitive Sensor kann Mittel zum Übertragen von Kraft zwischen einem Objekt, das von jeder Aufnahmeplatte entfernt ist, und der Aufnahmeplatte enthalten kann. Der erste Sensor und zweite Sensor kann weiterhin Mittel, die reaktiv auf die Position einer jeden Aufnahmeplatte zu der jeweiligen Antriebsplatte sind, um ein Ausgangssignal proportional zu der relativen Position zur Verfügung zu stellen, beinhalten.
Der Sensor beinhaltet weiterhin Mittel, um wahlweise jede Aufnahmeplatte zu steuern. Die Mittel zum wahlweisen Steuern jeder Aufnahmeplatte können ferner Mittel zum wahlweisen Ausüben einer Kraft auf das entfernte Objekt über die Aufnahmeplatte beinhalten. Die Mittel zum wahlweisen Ausüben einer Kraft auf das entfernte Objekt über die Aufnahmeplatte können einen elektrostatischen Antrieb enthalten. Die Mittel zum wahlweisen Steuern jeder Aufnahmeplatte können eine Steuerung mit einem elektrostatischen Antrieb enthalten, der mit jedem Sensor verbunden ist.
Der multidimensionale Sensor kann weiterhin einen dritten kapazitiven Sensor beinhalten, um eine Kraft oder eine Bewegung auf das entfernte Messobjekt auszuüben und, um eine Kraft, ein Gewicht oder eine Position in einer dritten Richtung mit einer Aufnahmeplatte zu detektieren, die relativ zu einer Antriebsplatte darin beweglich befestigt ist. Weiterhin kann der multidimensionale Sensor einen vierten kapazitiven Sensor umfassen, um eine Kraft oder eine Bewegung auf das entfernte Messobjekt auszuüben und, um eine Kraft, ein Gewicht oder eine Position in einer zweiten Richtung mit einer Aufnahmeplatte zu detektieren, die relativ zu einer Antriebsplatte darin beweglich befestigt ist.
Der multidimensionale kapazitive Sensor hat viele Anwendungen, beinhaltend die Verwendung in einem mikromechanischen Testsystem. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die vorliegende Erfindung eine abgetastete Tastkopf-Mikroskopvorrichtung, beinhaltend einen hochpräzisen, multidimensionalen kapazitiven Sensor entsprechend der vorliegenden Erfindung. Der multidimensionale Sensor, entsprechend der vorliegenden Erfindung, kann verwendet werden, um eine lokale Anzeige in mikromechanischen Testsystemen zu bieten.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet weiterhin ein Verfahren nach Anspruch 17 zur Durchführung eines mikromechanischen Tests auf einem Messobjekt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In den Zeichnungen, schematischen Darstellungen oder bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind gezeigt, wobei die Zeichnungen:
1 eine auseinandergezogene Darstellung eines in dem Sensor beinhalteten kapazitiven Sensors entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine schematische Darstellung ist, die einen in dem Sensor verwendeten kapazitiven Sensor der vorliegenden Erfindung als ein Kraft-/Bewegungsausübungs-Bauteil beinhaltet;
2A eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung des in 2 gezeigten Sensors ist;
3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform ist, die einen in dem Sensor verwendeten kapazitiven Sensor der vorliegenden Erfindung als Beides, eine Kraft- oder Bewegungsausübungsvorrichtung und als eine Kraft-, Gewicht- oder Verschiebungsmessungsvorrichtung beinhaltet;
3A ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der in 3 gezeigten Messvorrichtung ist;
4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für Härtetests und Oberflächenbildgebung ist, die den Sensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
5 eine schematische Darstellung ist, die den multidimensionalen Sensor der vorliegenden Erfindung als eine Kraft- oder Bewegungsausübungsvorrichtung und als eine Kraft-, Gewicht- oder Verschiebungsmessungsvorrichtung beinhaltet;
6 eine Draufsicht einer strukturellen Ausführungsform des in 5 gezeigten multidimensionalen Sensor ist;
7 eine Seitenansicht der in 6 gezeigten strukturellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform ist, die einen multidimensionalen Sensor der vorliegenden Erfindung als eine Kraft- oder Bewegungsausübungsvorrichtung und als eine Kraft-, Gewicht- oder Verschiebungsmessungsvorrichtung beinhaltet;
9 eine Draufsicht einer strukturellen Ausführungsform des in 8 gezeigten multidimensionalen kapazitiven Sensors ist;
10 eine Seitenansicht der in 9 gezeigten strukturellen Ausführungsform des multidimensionalen Sensors ist;
11A jetzt eine andere schematische Darstellung ist, die einen multidimensionalen Sensor der vorliegenden Erfindung als eine Kraft- oder Bewegungsausübungsvorrichtung und als eine Kraft-, Gewicht- oder Verschiebungsmessungsvorrichtung beinhaltet;
11B eine Seitenansicht einer in 11A gezeigten strukturellen Ausführungsform des multidimensionalen Sensors entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
11C eine andere schematische Darstellung ist, die den multidimensionalen Sensor der vorliegenden Erfindung als eine Kraft- oder Bewegungsausübungsvorrichtung und als eine Kraft-, Gewicht- oder Verschiebungsmessungsvorrichtung beinhaltet;
11D eine in 11C gezeigte strukturelle Ausführungsform des multidimensionalen Sensors entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
12 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Testsystems ist, das einen multidimensionalen Sensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
13A eine andere schematische Darstellung eines mikromechanischen Testsystems ist, das den multidimensionalen Sensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
13B eine andere schematische Darstellung eines mikromechanischen Testsystems ist, das den multidimensionalen Sensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
14 eine schematische Darstellung ist, die alternative Aufbaukonfigurationen des mikromechanischen Testsystems zeigt, welches den multidimensionalen kapazitiven Sensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
15 jetzt eine andere alternative strukturelle Ausführungsform des multidimensionalen Sensors entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
16 eine Seitenansicht noch einer anderen alternativen strukturellen Ausführungsform des multidimensionalen Sensors entsprechend der vorliegenden Erfindung ist; und
17 eine Draufsicht des in 16 gezeigten multidimensionalen Sensors ist.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet im allgemeinen zwei Ausführungsformen. Die erste Ausführungsform, die auf einen Sensor gerichtet ist, der in der Lage ist, eine Kraft auf ein Objekt auszuüben oder ein von dem Sensor entferntes Objekt zu bewegen, welcher auch als eine Kraft- oder Positionsanzeigevorrichtung oder Sensor verwendet werden kann, und die zweite Ausführungsform, die auf eine Vorrichtung für Mikro-Eindruckhärtetests und nachfolgende Oberflächenbildgebung der Ergebnisse mit hoher Auflösungsfähigkeit gerichtet ist. Die zweite Ausführungsform verwendet, in bevorzugten Ausgestaltungen, das Sensorelement der ersten Ausführungsform. Die Kraft- oder Positionsausübungs-/Anzeigevorrichtung oder Sensor ist folglich als Erstes beschrieben. Die Vorrichtung für Mikrohärtetests und nachfolgende Oberflächenbildgebung, die den Sensor verwenden, wird dann beschrieben, berücksichtigend, dass die Veröffentlichung hinsichtlich des Sensors allein ebenso auf die Testvorrichtungen anwendbar ist, die solche Sensoren verwenden.
Die Kraft- (einschließlich Gewicht-) oder Positionsanzeigevorrichtung oder Sensor der vorliegenden Erfindung hat im allgemeinen drei Bauteile. Das erste Bauteil ist ein Sensor, welcher ein Mehrplatten-Kondensatorsystem beinhaltet. Das zweite Bauteil ist ein Mittel zur Steuerung des Sensors zum Ausüben einer Kraft auf ein Objekt oder eine Bewegung an einem Objekt, das von dem Sensor entfernt ist. Das dritte Bauteil beinhaltet Mittel zum Anlegen eines AC-Trägersignals, und Mittel zur Anzeige des Sensorausgangs, welche einen Ausgangssignaldetektor/Konditionierer beinhaltet, um vorzugsweise den Ausgang von dem Sensor in ein DC-Signal proportional zur Kraft, Gewicht oder Verschiebung umzuwandeln.
Nun Bezug nehmend auf 1, ist eine auseinandergezogene Darstellung der Bauteile des in dem Sensor verwendeten Sensorelementes 2 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Funktionsgemäß umfasst das Sensorelement zwei Sensoren 4, 6, welche als zwei variablen Kondensatoren, die in Serie verbunden sind und die einen kapazitiven Spannungsteiler bilden, funktionieren. Das gesamte Sensorelement 2 beinhaltet fünf zusammen eingelegte Substratschichten 8, 10, 16, 14, 12, um den Sensor zu bilden. Das Sensorelement 2 kann unter Verwendung gut bekannter Platinenätztechnologien hergestellt werden.
Die erste Substratschicht 8 und die fünfte Substratschicht 12 beinhalten die Antriebsplatten oder fixierten Platten der Sensoren und werden mit einem Trägersignal angetrieben. Das Trägersignal kann ein AC-Signal in der Größenordnung von 50 kHz sein, mit dem Signal zu diesen äußersten Substratschichten 8, 12, welches 180° gegenphasig miteinander ist.
Die äußeren exponierten Oberflächen des ersten Substrats 8 und des fünften Substrats 12 sind mit einer Metallbeschichtung, z. B. Kupfer, überzogen. Diese Metallschicht funktioniert als eine Abschirmung gegen EMI-Rauschen. Auf der inneren Oberfläche des ersten Substrates 8 und des fünften Substrates 12 ist ein metallisiertes Muster 30 vorgesehen. Dieses metallisierte Muster bildet die Antriebsplatte auf jedem Substrat. Das metallisierte Muster auf der inneren Oberfläche des ersten Substrats 8 stimmt im allgemeinen mit dem auf dem fünften Substrat 12 überein. Wie in 1 dargestellt, kann das metallisierte Muster 30 oder die Antriebsplatte auf der Innenseite des fünften Substrats 12 ein im allgemeinen rechtwinkliges Rahmenmuster 31 beinhalten. Sich um die Peripherie des Substrats mit metallisiertem Muster 31 erstreckend, ist ein Kanal, der eine unmetallisierte Öffnung 32 definiert. Zentral in dieser unmetallisierten Öffnung 32 angeordnet, ist das rechtwinklig metallisierte Muster 31 aus leitendem Material, das eine leitende Leitung 33 hat, die zu einem leitenden Terminalabschnitt 34 führt.
Die Metallbeschichtung auf der Innenoberfläche des ersten Substrats 8 ist gleich zu der der Innenoberfläche des fünften Substrats 12 mit zwei Ausnahmen. Der erste Unterschied ist, dass der Terminalabschnitt von jedem Substrat 34, 36 eher voneinander abge lenkt sind, als vertikal ausgerichtet zu sein, wenn das Sensorelement 2 montiert wird. Der zweite Unterschied ist die Bereitstellung eines Durchgangsloches 22, welches zentral durch die Dicke des ersten Substrats 8 angeordnet ist. Das Durchgangsloch 22 ist zentral angeordnet, um einen Messobjekt-Halter 24 oder andere Mittel zur Kraftübertragung dadurch zu empfangen, welches im weiteren Detail unten beschrieben ist.
Die Innenoberfläche des fünften Substrats 12 beinhaltet eine demetallisierten oder geätzten Bereich 38, welcher mit dem Durchgangsloch 22 übereinstimmt. Die Bereitstellung des demetallisierten oder geätzten Bereichs 38, welcher im allgemeinen mit dem Durchgangsloch 22 übereinstimmt, bietet für das rechtwinklige metallisierte Muster 30 aus leitendem Material auf jedem des ersten Substrats 8 und fünften Substrats 12 Innenschichten, um voneinander Bildgebungen zu spiegeln. Diese Bereitstellung ist notwendig, um eine lineare Antwort von dem Paar der kapazitiven Sensoren 4, 6 zu bieten.
Die äußeren Schichten des Sensorelements 2 oder des ersten Substrats 8 und des fünften Substrats 12 können aus Standardplatinenmaterialien hergestellt werden, wie z. B. 0,16 cm (1/16'') Glasepoxid mit Kupfer an beiden Seiten. Um den Laborbedarf zu reduzieren, können eine große Anzahl von äußeren Substratschichten zur gleichen Zeit hergestellt werden. Zum Beispiel, ein 15,24 cm (6'') Materialblatt kann verwendet werden, um ungefähr 100 Substratschichten von 1,27 cm (1/2'') Quadrat Ausmaß herzustellen. Das Muster für den metallisierten Abschnitt 30 des ersten Substrats 8 und des fünften Substrats 12 kann als erstes in das Kupfer geätzt werden. Das Substrat kann um das individuelle Bauteil innerhalb des großen Materialblatts geführt werden, nur dünne Streifen von Materialien hinterlassend, um diese zusammenzuhalten. Diese Streifen erlauben es dem Bauteil, nach dem Zusammenbau einzeln geschnappt zu werden.
Die zweite Substratschicht 10 und die vierte Substratschicht 14 umfassen Abstandsschichten. Wie in der Figur dargestellt, können diese Schichten 10, 14 im allgemeinen von rechtwinkliger Form sein und haben eine im allgemeinen rechtwinklige Öffnung, die hierin zentral ausgebildet ist, mit der Öffnung, die sich vollständig durch das Substrat erstreckt. Die Abstandsschichten, das zweite Substrat 10 und das vierte Substrat 14 müssen Isolatoren sein oder mit einer Isolierschicht beschichtet sein. Die Öffnung durch die Isolatoren 10, 14 ist gleich zu oder größer als das Ausmaß der Mittelplatte 20 auf einem unten beschriebenen dritten Substrat 16 und auch einem unten beschriebenen dazugehörigen entsprechenden Aufhängungssystem.
Das zweite Substrat 10 und das vierte Substrat 14 kann von geätztem Metall mit einer Isolierbeschichtung auf beiden Seiten hergestellt werden. Diese Isolierbeschichtung könnte ein Epoxid, oder andere organische Beschichtung sein, wie z. B. solche, die auf emaillierten Kupferlackdrähten verwendet werden, aber es ist anerkannt, das die besten Ergebnisse durch die Verwendung von Aluminium für das Abstandsstück und das Anodisieren erreicht wird, um eine Isolierbeschichtung aus Aluminiumoxid zu bilden.
Es ist anerkannt, dass die Isolierabstandsstücke, die zweite Substratschicht 10 und die vierte Substratschicht 14 erst geätzt werden und dann anodisiert werden kann, oder als erstes anodisiert und dann geätzt werden kann, abhängig von der Art der verwendeten fotoresistenten Chemikalien. Ein bevorzugtes Verfahren ist die Verwendung von Aluminiumblattmaterial, eingekauft mit einer dünnen (0,0003 cm = 0,00012'') anodisierten Schicht auf beiden Seiten. Diese anodisierte Schicht bietet eine gute Adhäsion mit der positiven Art von flüssigem Fotolack, welcher verwendet werden kann, um andere Schichten des zweiten Sensorelements herzustellen. Mit reinem Aluminium neigt der Fotolack dazu, an den Kanten abzublättern, die geätzt werden, um sie hart zu machen, um die gewünschte Größe zu erhalten.
Nach dem Ätzen werden der Fotolack und die ursprüngliche Anodisierung entfernt und die Teile werden auf die erwünschte Isolierdicke anodisiert. Obwohl es anerkannt ist, wird 0,00127 cm (0,0005'') oder weniger einer anodisierten Dickenschicht die erwünschte elektrische Isolation bieten, es ist wünschenswert, die Dicke so groß wie möglich zu machen, um die Belastbarkeit zwischen den äußeren Schichtabschirmungen, der ersten Substratschicht 8 und der fünften Substratschicht 12 und einer Mittelplatte, der dritten Substratschicht 16 zu minieren, wie unten beschrieben.
Die dritte Substratschicht 16 ist zwischen den Isolierschichten, der zweiten Substratschicht 10 und der vierten Substratschicht 14 eingelegt. Die dritte Substratschicht 16 beinhaltet die Aufnahmeplatte, was für die Paare von Sensoren 4, 6 gewöhnlich ist. Eine Mittelplatte 20 ist auf einem entsprechenden Aufhängungssystem 18 montiert, um für eine bestimmte relative Bewegung der Mittelplatte 20 oder der Aufnahmeplatte auf der dritten Substratschicht 16 zu sorgen. Die dritte oder mittlere Substratschicht 16 kann eine geätzte Metallschicht sein, die durch ein Aufhängungssystem 18 gelagert ist, welches durch ein Muster von Schlitzen 19 definiert ist. Die Mittelplatte 20 ist folglich ein fester Bereich oder Masse, welche durch den umgebenden Rahmen eines Aufhängungssystems 18 gelagert ist. Die dritte Substratschicht beinhaltet weiterhin einen Terminal 17 für elektrische Verbindung. Ein bevorzugtes Metall zur Verwendung als eine Mittelplatte ist eine Beryllium-Kupfer-Legierung.
Obwohl ein Muster von vier L-förmigen Schlitzen 19 in der Figur dargestellt ist, ist es anerkannt, dass andere Muster verwendet werden können, um die gleiche Art von Feder-Lagerstruktur für die Mittelplatte 20 zu bieten. Weiterhin ist es ersichtlich, dass das Verändern der effektiven Federkonstante für die zentral gelagerte Masse oder Mittelplatte 20 durch das Verändern der Dicke des Materials dieses Substrats und der Größe der Federelemente erreicht werden kann. Folglich kann der Gesamtbereich der Bewegung pro Krafteinheit, die auf die Mittelplatte 20 der dritten Substratschicht 16 angewendet wird, durch die Bauart verändert werden. Folglich können Sensoren von veränderbarem Gesamtbereich hergestellt werden.
Wenn die fünf Substratschichten 8, 10, 16, 14 und 12 zusammengebaut werden, ist die Mittelplatte 20 der dritten Substratschicht 16 zentral innerhalb der Öffnungen angeordnet, die in den Isoliersubstraten vorliegen, der zweiten Substratschicht 10 und der vierten Substratschicht 14 gebildet sind, und folglich ist die Mittelplatte 20 frei, um relativ zu der ersten Substratschicht 8 und der fünften Substratschicht 12 abzuweichen.
Die Schichten können durch Hand zusammengebaut werden, diese mit Anschlussstifte zusammenhaltend, die um den gesamten Umfang des Substrats eingelegt sind und die mit der Außenseitenschicht verlötet sind. Wenn zusammengebaut, können ausgewählte elektrische Verbindungen zwischen den verschiedenen internen Schichten oder Substraten leicht vorgesehen sein, wie in US-A-4,694,687 offenbart.
Mittel zur Kraftübertragung 24 zwischen einem von der Mittelplatte 20 entfernten Punkt und der Mittelplatte 20 sind vorgesehen. Diese Mittel können einen Messobjekt-Halter 24 beinhalten, welcher funktioniert, um die Kraft zu übertragen, die durch das Gewicht eines Messobjekts auf die Mittelplatte 20 der dritten Substratschicht 16 erzeugt wurde; und für die Kraftübertragung und Bewegung von der Mittelplatte 20 zu dem Messobjekt-Halter 24 (oder anderem Bauteil) zur Durchführung eines Eindruckes oder andere mikromechanische Verfahren. Die Mittel zur Kraftübertragung und Bewegung von der Mittelplatte 20 zu einem von der Mittelplatte 20 entfernten Objekt, wie z. B. einem Messobjekt-Halter 24 oder durch Verbindung der Mittelplatte 20 mit dem entfernten Objekt, ist im Detail später in dieser Anmeldung beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Messobjekt-Halter 24 ein Sockel, welcher eine Messobjekt-Halteroberfläche 26 und einen Schaftabschnitt 28 beinhaltet. Der Schaftabschnitt 28 erstreckt sich durch das Durchgangsloch 22 in der ersten Substratschicht 8 und durch die Öffnung in der zweiten Substratschicht 10. Die Bodenoberfläche 29 des Schaftabschnittes 28 berührt die obere Oberfläche der Mittelplatte 20 an einem Mittelpunkt 23, wenn der Sensor eingebaut ist. Der Abstand zwischen dem Schaftabschnitt 28 und der Wand des Durchgangsloches 22 ist vorzugsweise von Kontamination durch eine Membrandichtung oder anderen Dichtmitteln abgedichtet, welches den Eintritt von Schmutz verhindert, während es nicht die Bewegung des Sockels oder anderer Mittel zur Kraftübertragung 24 verhindert.
Folglich, funktionsgemäß, wird das Gewicht oder die Kraft, die durch ein Messobjekt oder andere Mittel auf der Messobjekt-Halteroberfläche 26 des Messobjekt-Halters 24 ausgeübt wird, zu der Mittelplatte 20 der dritten Substratschicht 16 übertragen und resultiert in der Abweichung der Mittelplatte 20 entsprechend der Kraft, die auf die Oberfläche des Messobjekt-Halters 24 ausgeübt wird. Folglich bewegt sich die Mittelplatte 20 unter Kraft näher in Richtung oder weiter weg von einer oder der anderen der äußersten Substrate, der ersten Substratschicht 8 und der fünften Substratschicht 12. Natürlich kann der Messobjekt-Halter 24 direkt mit einem Bewegungs- oder Kraftausübungselement verbunden sein ohne die Positionierung einer "Ladung" auf der Oberfläche 26. Allerdings kann die Oberfläche 26 durch einen Anschlussteil ersetzt werden, der für diesen Zweck geeignet ist.
Mittel zum Liefern eines Trägersignals an die äußeren Platten oder an die erste Substratschicht 8 und die fünfte Substratschicht 12 sind vorgesehen. Das Signal kann ein AC-Signal sein. Solche Mittel können einen Oszillator beinhalten, welcher ein 50 kHz-Wechselstromsignal produziert. Das Signal zu jeder äußersten Platte ist vorzugsweise 180° gegenphasig mit dem Signal, welches zu der anderen äußersten Platte geliefert wird.
Mittel sind auch vorgesehen, um den Ausgang von dem Sensorelement 2 zu lesen, und um den Ausgang in ein Signal proportional zu der Kraft, Gewicht oder Verschiebung der Mittelplatte 20 zu konvertieren. Das Ausgangssignal läuft im allgemeinen durch einen Pufferverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand (100 Megaohm bis 0,3 pF) und wird dann synchron demoduliert, um ein DC-Signal zu produzieren. Das DC-Signal ist proportional zu der Kraft, Gewicht oder Verschiebung der Mittelplatte 20. Der Ausgang würde für eine Richtung der Verschiebung positiv sein und negativ für die entgegengesetzte Richtung. Es ist beachtet, dass der Messobjekt-Halter 24 oder Mittel zur Kraftübertragung befestigt oder in Kontakt ist mit der Mittelplatte 20, um sich in Einklang mit solch einer Mittelplatte 20 zu bewegen. Der Ausgang des Sensors 2 ist tatsächlich proportional zu der Position der Mittelplatte 20, aber kann einfach kalibriert werden, um Kraft (einschließlich Gewicht) darzustellen, da der Sensor eine lineare Kraft versus Verschiebungsverhältnis hat.
Es ist beachtet, dass der Messobjekt-Halter 24 oder Mittel zur Kraftübertragung aus einem Isoliermaterial hergestellt werden muss oder mit einem Isoliermaterial beschichtet sein muss. Weiterhin muss der Spielraum zwischen dem Innendurchmesser des Durchgangsloches 22 und dem Außendurchmesser des Schaftabschnittes 28 ausreichend sein, um irgendwelche Reibungseffekte zu verhindern, welche die Sensitivität des Sensorelementes 2 reduzieren können.
Das Signal-Rausch-Verhältnis des kapazitiven Sensors der vorliegenden Erfindung ist sehr viel besser als jenes von gegenwärtig verwendeten Metallkraftsensoren. Das minimale Rauschsniveau des Kraftsensors wird durch das thermische Rauschen des Kraftsensor-Widerstandselements bestimmt. Dieses Rauschen ist proportional zu der Quadratwurzel des Widerstandes. Das Ausgangssignal ist proportional zu dem Eingangssignal, aber ist nur ein sehr kleiner Teil von ihm. Ein typischer, von einem kommerziellen Skalenkraftsensor genommenen Wert ist 175 Ohm Widerstand bei vollem Skalenausgang von 5 mV.
Der in dem Sensor verwendete 3-Platten-kapazitive Sensor der vorliegenden Erfindung erzeugt kein Rauschen wie es ein Widerstandssensor tut, aber das Signal kann nicht verwendet werden, ohne dass es mit einem Verstärker verbunden ist, und der Verstärker muss einen sehr hohen Eingangswiderstand haben, so dass der Verstärker ein Rauschen erzeugen wird. Die unterste Grenze dieses Rauschens wird durch den effektiven Eingangswiderstand des Verstärkers bestimmt. Da der kapazitive Sensor mit dem Verstärkereingangswiderstand parallel ist und der Verstärkereingangswiderstand sehr viel größer als der Widerstand des Sensors (oder der Ausgang wird sehr unlinear sein) ist, ist der effektive Eingangswiderstand gleich zu dem des Sensors.
Der Widerstand des Sensors wird durch die Kapazität und die Bedienungsfrequenz bestimmt. Hohe Bedienungsfrequenz gibt niedrigen Sensorwiderstand (X_c = 1/6,28 FC). Die Kapazität ist ungefähr 10 pF für das 1,27 cm (1/2'') Quadrat Bauteil mit 0,0127 cm (0,005'') Abstand zwischen den Platten. Die Bedienungsfrequenz kann irgendein geeigneter Wert sein, der nur durch die Frequenzantwort des Verstärkers und der dazugehörigen Schaltung begrenzt ist. Das maßstäbliche Ausgangssignal des Sensors ist gleich der Ein gangsspannung, welche konservativ als 10 V genommen wird. Der maßstäbliche Ausgang des kapazitiven Sensors ist 10 V, welches 2.000 Mal größer als der Kraftsensor (5 mV) ist. Der Widerstand und daher das generierte Rauschen ist größer mit dem kapazitiven Sensor (ausgenommen bei sehr hohen Frequenzen, welche ziemlich teure Bauteile benötigen würden), aber infolge des sehr viel höheren inhärenten Ausgangsniveaus, ist das Signal-Rausch-Verhältnis des kapazitiven Sensors signifikant besser.
Die folgende Tabelle zeigt das Signal-Rausch-Verhältnis für die zwei Sensoren. Tabelle 1

Fop = Bedienungsfrequenz des kapazitiven Sensors

C = Kapazität des Sensors = 10 pF

Xc = Widerstand des Sensors = 1/(6,28 × Fop × C)

R = Widerstand des Kraftsensors = 175 Ohm
Da das Rauschen proportional zu der Quadratwurzel von R oder Xc ist, ist das Verhältnis der kapazitiven Sensorrauschen zu dem Kraftsensorrauschen die Quadratwurzel von (Xc/R), und der Faktor der Verbesserung des SNR der Kapazität versus Kraftsensor ist 2000 dividiert durch die Quadratwurzel von (Xc/R).
Quadratwurzel
Der kapazitive Sensor SNR ist besser als der Kraftsensor durch Faktor in obiger Tabelle.
Wie es leicht von der obigen Tabelle ersichtlich wird, ist der kapazitive Sensor dem Kraftsensor auf der Basis des elektronischen Rauschens weit überlegen.
Da der Ausgang des kapazitiven Sensors oder des Sensorelements 2 proportional zu der Verschiebung des Mittelmassenabschnittes 20 oder der Elektrode ist, ist es erkannt, dass eine Vorrichtung zur Verwendung als eine Skala oder als ein Maßstab für die Verschiebung hergestellt werden kann. Es ist erst notwendig, eine entsprechende Steifheit für das Aufhängungssystem 18, welches die Mittelplatte 20 lagert, auszuwählen, so dass der Messobjekt-Halter 24 oder die Mittel zur Kraftübertragung zuverlässig gegen die Oberfläche gedrückt wird, ohne der Ausübung übermäßiger Kraft gemessen zu werden, welche das Objekt auslenken würde und seine tatsächliche Position verändern würde. Zweitens, ist es ersichtlich, dass die Isolier-Abstandsstücke, die zweite Substratschicht 10 und die vierte Substratschicht 14 von verschiedener Dicke hergestellt werden können, um die Mittelplatte ausreichend abzuweichen. Dies würde den Bedienungsbereich der Vorrichtung verändern. Experimentelle Ergebnisse haben bis jetzt Auflösungen von besser als 10 Angström gegeben.
Bezugnehmend auf 2, ist der Sensor im allgemeinen in 100 als ein Kraft- oder Bewegungsausübungssystem gezeigt. Im System 100 ist die Steuerung 102 mit einem Sensor 104 verbunden. Der Sensor 104 kann dem in 1 gezeigten Mehrplattenkondensator-Sensorsystem ähnlich sein. Der Sensor 104 ist reaktiv auf die Steuerung 102 für das selektive Liefern eines Kraft- oder Bewegungsausgangs zu einem von dem Sensor 104 entfernten Punkt, gezeigt in 106.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems 100, gezeigt in 2, beinhaltet das System 100 die Steuerung 102, die ein Datenerfassungs- und Steuersystem 110 hat, welches elektrisch mit einer elektrostatischen Steuerung verbunden ist, gezeigt in 114. Die elektrostatische Steuerung 112 ist elektrisch mit den Sensor 104 verbunden, gezeigt in 116.
Ähnlich dem in 1 gezeigten Multiplatten-Kondensatorsensor, beinhaltet der Sensor 104 einen Multiplatten-Kondensator, der eine Antriebsplatte 118, eine Antriebsplatte 120 und eine Aufnahmeplatte 122 hat. Mechanisch verbunden mit der Aufnahmeplatte 122 sind die Übertragungsmittel 124. Die Übertragungsmittel 124 übertragen Kraft oder Bewegung zwischen der Mittelplatte 122 und dem entfernten Objekt 108.
Im Betrieb legt die elektrostatische Steuerung 112 eine relative hohe Spannung an die Antriebsplatte 118 und/oder an die Antriebsplatte 120 des Sensors 104. Die Antriebsplatten 118 und 120 sind fest innerhalb des Sensors 104 montiert, und die Aufnahmeplatte 122 ist bewegbar innerhalb des Sensors 104 montiert. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform legt die elektrostatische Steuerung 112 eine relativ hohe Spannung an die Antriebsplatte 118. Die elektrostatische Anziehung zwischen der bewegbar montierten Aufnahmeplatte 122 und der festen Antriebsplatte 118 zieht die Aufnahmeplatte 122 näher zu der Antriebsplatte 118. Wenn die Aufnahmeplatte 122 näher zu der Antriebsplatte 118 bewegt ist, überträgt die Kraftübertragungsvorrichtung 124 die entsprechende Kraft oder Bewegung zu dem entfernten Objekt 108.
Die elektrostatische Steuerung 112 kann manuell oder automatisch durch das Daten-erfassungs- und Steuersystem 110 gesteuert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die elektrostatische Steuerung 112 eine DC-Stromversorgung, die mit einem Verstärker verbunden ist, um eine DC-Spannung an die Antriebsplatte 118 anzulegen. Die an die Antriebsplatte 118 angelegte Spannung kann selektiv durch das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 variiert werden. Wie die Spannung erhöht wird, die durch die elektrostatische Steuerung 112 an die Antriebsplatte 118 angelegt wird, erhöht sich die elektrostatische Anziehung zwischen der Aufnahmeplatte 122 und der Antriebsplatte 118, und die Aufnahmeplatte 122 wird näher an die Antriebsplatte 118 gezogen.
In einer Ausführungsform beinhaltet die elektrostatische Steuerung 112 eine DC-Stromversorgung, die mit einem Verstärker verbunden ist, um eine maximale DC-Spannung an die Aufnahmeplatte 118 von 600 V anzulegen. In dieser Ausführungsform ist die maximale Kraft, die durch die Kraftübertragungsvorrichtung 124 auf das entfernte Objekt 108 übertragen wird, ungefähr 10 mN. Obwohl eine maximale Kraft von 10 mN ausreichend für die meisten praktischen Test-Messgeräte ist, ist es beachtet, dass es möglich ist, die Kraft signifikant zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird die Kraft durch die Reduzierung des Abstandes zwischen der Antriebsplatte 118 und der Aufnahmeplatte 122 und durch die Verwendung von Abstandsstücken mit unterschiedlicher Dicke in der Sensoranordnung 104 erhöht werden.
Es ist ersichtlich, dass die elektrostatische Steuerung 112 entweder mit der Antriebsplatte 118 oder der Antriebsplatte 120 verbunden werden kann, um eine Kraft oder Bewegung auf ein von der Aufnahmeplatte 122 entferntes Objekt auszuüben. Alternativ, wie in 2 gezeigt, kann die elektrostatische Steuerung 112 mit beiden der Antriebsplatte 118 und der Antriebsplatte 120 verbunden sein, um eine relativ hohe Spannung an die Antriebsplatte 118 und die Antriebsplatte 120 anzulegen, um den Sensor als eine Kraftausübung und/oder als eine Positionierungsvorrichtung zu verwenden. Zusätzlich kann ein einzelnes Kondensatorsystem verwendet werden, wo die elektrostatische Steuerung 112 mit der einzelnen Antriebsplatte 118 verbunden ist. Ähnlich wie ein mehrfaches Kondensatorsystem, wenn die elektrostatische Steuerung 112 eine Spannung an die Antriebsplatte 118 anlegt, wird die Aufnahmeplatte 122 an die Antriebsplatte 118 angezogen, das in der Kraftübertragungsvorrichtung 124 resultiert, um eine entsprechende Kraft oder Bewegung auf ein entferntes Objekt 108 zu übertragen.
Zusätzlich zeigt 2 die Kraftübertragungsvorrichtung 124, die sich von der Aufnahmeplatte 122 durch ein zentral in der Antriebsplatte 180 angeordnetes Loch zu einem entfernten Objekt 108 erstreckt, um Kraft und Bewegung zwischen der Aufnahmeplatte 122 und dem entfernten Objekt 108 zu übertragen. Es ist beachtet, dass der Sensor 104 in vielen verschiedenen Formen und Arten gemacht werden kann, während er dennoch innerhalb des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung verbleibt. Die Kraftübertragungsvorrichtung 124 kann Kraft oder Bewegung von der Aufnahmeplatte 122 zu einem entfernten Objekt 108 übertragen, ohne durch die Antriebsplatte 118 hindurchzutreten, oder das entfernte Objekt 108 kann in direktem Kontakt mit der Aufnahmeplatte 122 sein, um Kraft und Bewegung zwischen der Aufnahmeplatte 122 und dem entfernten Objekt 108 auszuüben.
In einer anderen in 2A gezeigten Anordnung kann die Aufnahmeplatte 122 direkt oder indirekt mit einem entfernten Objekt 108 verbunden sein, ohne durch die Antriebsplatte 118 oder die Antriebsplatte 120 hindurchzutreten. In dieser Ausführungsform kann die Aufnahmeplatte 122 Kraft oder Bewegung zwischen der Aufnahmeplatte 122 und dem entfernten Objekt 108 ausüben. In einer in 2A gezeigten Ausführungsform kann die Aufnahmeplatte 122 Kraft auf ein entferntes Objekt 108 ausüben, eine Spitze 125 haben, um einen Eindruck auf ein Messobjekt 108, das auf einem Messobjekt-Halter 127 angeordnet ist, auszuüben.
Die durch die elektrostatische Anziehung generierte Kraft kann berechnet werden, wie: F = KV2 wobei die Kraft in Newton ist, K ist die Kraftkonstante in Newton/Volt Quadrat, und V ist gleich Volt. Der exakte Wert der Kraftkonstante K kann mit dem Gewicht des entfernten Objekts 108 variieren, da dies den internen Abstand zwischen den Platten 118, 122 und 120 in dem Sensor 104 verändert. In der in 2 gezeigten Ausführungsform kann die Kraftkonstante K unter Verwendung eines einfachen Labortests bestimmt werden, wie z. B. die Messung der Sensorkraft gegen das elektrostatische Potential an einer konstanten Position durch das Hinzufügen von Testgewichten und die Bestimmung der benötigten Spannung, um die Kraft von solchen Gewichten auszubalancieren. Mit diesem Verfahren ist die Aufnahmeplatte 122 immer an der gleichen Position, somit ist das elektrische Feld proportional zu der angelegten Spannung.
Es ist auch ersichtlich, dass Veränderungen in dem Mehrplatten-Kondensatorsensor 104 gemacht werden können, um die Leistung des Systems zu verändern oder zu steigern, während es dennoch innerhalb des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung verbleibt. Zum Beispiel, können nicht-leitende Abstandsstücke zwischen der Antriebsplatte 118 und der Antriebsplatte 120 angeordnet sein, und die Aufnahmeplatte 122, oder alternativ, der Sensor 104 könnte mit einem Dielektrikum gefüllt sein, um Phänomene, wie z. B. einen Koronazusammenbruch, zu verhindern. Wenn eine Koronaentladung da ist, könnte ionisierte Luft innerhalb des Sensors 104 die relative Kapazität zwischen der Antriebsplatte 118 und 120 und der Aufnahmeplatte 122 verändern, und könnte in einem fehlerhaften Ausgang für den Sensor 104 resultieren.
3 zeigt eine andere Anordnung. Zusätzlich zu dem in 2 gezeigten System 100 ist ein Oszillator 130 beinhaltet, um ein Trägersignal an das Mehrplatten-Kondensatorsystem des Sensors 104 anzulegen, um die Verschiebung der Aufnahmeplatte 122 relativ zu der Antriebsplatte 118 und 120 zu messen, welche proportional zu der Kraft, Gewicht oder Position ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Oszillator 130 elektrisch mit der Antriebsplatte 118 und der Antriebsplatte 120 verbunden. Der Oszillator 130 produziert ein AC-Träger- oder Hochfrequenzsignal, welches an jede Antriebsplatte 180° gegenphasig mit dem Signal, das an die andere Antriebsplatte geliefert wird, angelegt ist. Im allgemeinen ist die an jede Antriebsplatte angelegte Trägerfrequenz höher als die Frequenz des elektrostatischen Steuersignals, somit können Interferenzen zwischen den zwei Signalen eliminiert werden.
Zusätzlich sind Puffer B1 und B2 zwischen der elektrostatischen Steuerung 112 und dem Sensor 104 und dem Oszillator 130 und dem Sensor 104, entsprechend zur Isolierung angeordnet. Mit Puffer B1 und B2 ist der Oszillator 130 nicht durch die Hochspannungsversorgung der elektrostatischen Steuerung 112 beeinflusst und die elektrostatische Steuerung 112 ist nicht durch das Oszillatorsignal 130 beeinflusst. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Puffer B1 ein Paar von 1 Megaohm Widerständen und der Puffer B2 beinhaltet ein Paar von 1000 Picofarad Kondensatoren.
Der Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 ist mit der Aufnahmeplatte 122 verbunden, um das Ausgangssignal des Sensors 104 zu lesen, angezeigt in 131, resultierend aus dem Oszillator 130, um das Trägersignal an die Antriebsplatte 118 und 120 anzulegen. Das Ausgangssignal 131 des Sensors 104 ist proportional zu der Position der Aufnahmeplatte 122, welche repräsentativ für die abgetastete Kraft, Gewicht oder Verschiebung ist.
Der Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 konvertiert das Ausgangssignal 131 von der Aufnahmeplatte 122 in ein Signal proportional zu der Kraft, Gewicht oder Verschiebung hinsichtlich der Aufnahmeplatte 122. In einer Ausführungsform läuft das Ausgangssignal durch einen Pufferverstärker von sehr hohem Eingangswiderstand (100 Megaohm bis 0,3 pF) und wird dann synchron demoduliert, um ein DC-Signal zu produzieren. Das DC-Signal ist proportional zu der Kraft, Gewicht oder Verschiebung der Aufnahmeplatte 122. Zusätzlich kann ein Eingangssignal 133 zu dem Datenerfassungs- und Steuersystem 110 von dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 geliefert werden, wenn eine Steuerung 102 verwendet wird, um die Position der Aufnahmeplatte 122 relativ zu der Antriebsplatte 118 und der Antriebsplatte 120 zu steuern.
3A ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des in 3 gezeigten Messungssystems, welches einen Oszillator 130 und einen kapazitiven Mehrplatten-Sensor 104 beinhaltet. Noden 1, 2 und 3 der 3A korrespondieren mit den Noden 1, 2 und 3 des in 3 gezeigten Sensors 104. Wie gezeigt, ist der Sensor 104 als ein kapazitiver Spannungsteiler mit Oszillator 130 entwickelt, der ein Eingangs-AC-Trägersignal 180° gegenphasig zu jeder Node 1 und 2 bietet, mit einem Spannungsausgangssignal an Node 3. Das Spannungsausgangssignal an Node 3 ist durch das Verhältnis der Kapazität zwischen den Noden 1 und 3 und der Kapazität zwischen den Noden 2 und 3 bestimmt.
Wie vorher genau beschrieben, durch den Oszillator 130, der ein Trägersignal an die Antriebsplatte 118 und 120 des Sensors 104 liefert, zeigt der Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 das Ausgangssignal von der Aufnahmeplatte 122 an, welches proportional zu der Position der Aufnahmeplatte 122 relativ zu der Antriebsplatte 118 und 120 ist. Daher, wenn die elektrostatische Steuerung 112 eine Spannung an die Antriebsplatte 118 anlegt, um die Aufnahmeplatte 122 in Richtung der Antriebsplatte 118 anzuziehen, um eine Kraft auf ein entferntes Objekt an 108 auszuüben, kann die auf ein entferntes Objekt 108 ausgeübte Kraft durch das Verhältnis des Quadrats der angelegten Spannung multipliziert mit der Kraftkonstante bestimmt werden, wie zuvor erklärt. Das Ausgangssignal auf der Aufnahmeplatte 122 ist direkt proportional zu der Position der Aufnahmeplatte 122.
Nun bezugnehmend auf 4, ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung für Härtetests und Oberflächenbildgebung dargestellt, welche den oben beschriebenen Sensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Abtastung der Oberflächentopographie eines Messobjekts zu leiten, sofort gefolgt durch den Mikro-Eindruckstest, gefolgt bei einer zweiten Anzeige der Oberflächentopographie, alles auf dem gleichen Messgerät. Im allgemeinen stellt die schematische Darstellung in 4 ein kommerzielles Raster-Tunnelmikroskop dar, wie z. B. das Nanoscope III, erhältlich von Digital Instruments, welches verändert wurde, um die lokale, hochauflösende Bildgebung und den Mikro-Eindrucktest auf einem einzelnen Messgerät durchzuführen.
Wie zuvor genannt, sind Raster-Tunnelmikroskope kommerziell bekannt. Wie durch Wickramasinghe in "Scan-Probe Microcopes" ("Abgetastete Tastkopf-Mikroskope"), Scientific American, Oktober 1989, S. 98–105 offenbart, beinhalten Raster-Tunnelmikroskope verschiedene Standardbauteile, welche in 4 dargestellt sind.
Mit einem Raster-Tunnelmikroskop wird ein Messobjekt 152 auf einer Messobjekt-Plattform 154 zur Analyse platziert. Das Raster-Tunnelmikroskop tastet die atomare Skalentopographie mittels Elektronen ab, welche über den Spalt zwischen einem Tastkopf 150 und der Oberfläche des Messobjektes 152 tunneln. Ein Abtastkopf 158 hat den Tastkopf darauf montiert. Der Abtastkopf 158 (in der dargestellten Ausführungsform ein 3D-Piezo angetriebener Kopf) wird verwendet, um den Tastkopf in drei Richtungen als Reaktion auf die Veränderungen in der angelegten Spannung zu bewegen. Piezo-elektrische Keramiken werden im allgemeinen verwendet, da sie leicht die Größe in Reaktion auf solche Veränderungen in der Spannung verändern, und folglich, den Tastkopf in 3 Dimensionen manövrieren. Die an den Abtastkopf 158 angelegte Spannung wird durch die Steuerung des Raster-Tunnelmikroskops 160 gesteuert.
In Verwendung wird eine Spannung an die Spitze des Tastkopfes 150 angelegt und er wird über die Oberfläche des Messobjekts 152 bewegt, welches leitend oder halbleitend sein muss, bevor ein Tunnelstrom zu fließen beginnt. Die Spitze des Tastkopfes 150 tastet dann vor und zurück in einem rasterförmigen Muster durch die Veränderung der Spannung an den piezoelektrischen Keramiken, welche die horizontale Bewegung steuern. Der Tun nelstrom neigt mit der Topographie des Messobjektes zu variieren, und daher speist ein Stromausgangssignal 166, welches einen Rückführungsmechanismus bietet, und welcher solch einen Tunnelstrom anzeigt, solche Signale zu der Steuerung des Raster-Tunnelmikroskops 160 ein. Die Steuerung 160 stellt den Ausgang zu dem Abtastkopf 158 ein, welches durch die Bewegung der Spitze des Tastkopfes 150 auf und abwärts reagiert, dem Oberflächenrelief folgend. Die Bewegungen des Tastkopfes 150 werden in eine Bildgebung der Oberfläche umgewandelt und auf einer Bildgebungsanzeige 162 angezeigt.
Bei der Raster-Tunnelmikroskopie ist der Tastkopf 150 im allgemeinen aus Wolfram mit einer so feinen Spitze gemacht, dass sie nur aus einem einzelnen Atom bestehen kann und weniger als 0,2 nm in der Weite messen kann.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung des Anmelders für Mikroeindrücke mit nachfolgender Oberflächenbildgebung verwendet das oben beschriebene Raster-Tunnelmikroskope mit verschiedenen Veränderungen. Ein Sensor 156, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, ist auf der Basis des Raster-Tunnelmikroskops anstelle des Standard-Messobjekt-Halters montiert. Das Messobjekt 152 ist dann auf einer Messobjekt-Plattform 154 montiert. Ein Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 164 ist operativ mit dem Sensor 156 verbunden, um das Ausgangssignal von dem Sensor 156 anzuzeigen und es in ein Signal proportional zu der auf das Messobjekt 152 auf der Plattform 154 durch den Tastkopf 150 angewendeten Kraft zu konvertieren. Der Ausgangssignalkonditionierer/Detektor oder Sensorausgangssignal kann dann verwendet werden, um die vertikale Position des Tastkopfes 150 oder die Position entlang der Z-Achse durch das Senden solcher Signale durch die Steuerung des Raster-Tunnelmikroskops 160 während der Oberflächenbildgebung zu steuern. Alternativ kann der Ausgang von dem Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 164 zur Messung der während des Mikroeindruckes oder Mikrohärtetests angewendeten Kraft angezeigt werden. Diese Vorgänge sind unten beschrieben.
Das oben beschriebene Raster-Tunnelmikroskop ist auch durch das Ersetzen des Wolfram-Tastkopfes mit einer härteren Spitze für Mikro-Eindrucktests verändert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Diamantspitze verwendet, wie z. B. ein blauer Diamant. Es ist nicht notwendig, dass die Spitze oder ein zu messendes Messobjekt leitend ist; jedoch ist es ersichtlich, dass leitende blaue Diamanten Raster-Tunnelmikroskopspitzen erhältlich sind. Sie können für Raster-Tunnelmikroskopiebildgebung von leitenden Messobjekten genauso wie für Tests mit der Vorrichtung des Anmelders verwendet werden.
Im Betrieb wird der Sensor 156 der zweiten Ausführungsform des Anmelders verwendet, um die Kraft während des Eindruckes oder des Ritzens anzuwenden, die angewandte Kraft während des Eindruckes oder des Ritzens zu messen, und um vor oder nach dem Testen anzuzeigen. Eine Bildgebung nach Art der Raster-Kraftmikroskopie wird erst von dem Raster-Tunnelmikroskop durch das Unterbrechen des Tunnelstromausgangssignals 166 des Raster-Tunnelmikroskops und durch das Ersetzen an seiner Stelle das Ausgangssignal 168 von dem Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 164 erhalten werden. Die Abtastfunktion des Raster-Tunnelmikroskops kann dann in einer normalen Art und Weise bedient werden, wobei nun der Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 164 die Z-Achsen-Piezokeramik kontrolliert, um eher eine konstante Kraft zwischen der Spitze des Tastkopfes 150 und des Messobjektes 152 als einen konstanten Tunnelstrom zu erhalten. Alternativ könnte eine konstante Höhenanzeige erhalten werden, wobei die Z-Position oder vertikale Höhe der Spitze des Tastkopfes 150 konstant gehalten wird, und die Anzeige wird direkt von dem Ausgangssignal des Sensors 156 von dem Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 164 erhalten, welche wiederum durch die Steuerung des Raster-Tunnelmikroskops 160 hindurch läuft und in einer Anzeige der Oberflächentopographie auf der Bildgebungsanzeige 162 resultiert.
Sobald eine Bildgebung der Oberfläche unter Verwendung des obigen Verfahrens gemacht wurde, kann die Steuerung verwendet werden, um die Spitze in das Messobjekt zu drücken und einen Eindruck herzustellen, mit dem Kraftsensor, der eine Ablesung der angelegten Ladung während des Eindruckvorganges bietet. Zusätzlich kann der Sensor 156 verwendet werden, um das Messobjekt in die Spitze zu drücken, um den Eindruck zu bilden. Im speziellen, in einer bevorzugten Ausführungsform, kann eine elektrostatische Steuerung 170 manipuliert werden, um selektiv eine Spannung an den Sensor 156 anzulegen, um dem Sensor 156 zu erlauben, eine Kraft zu liefern, um das Messobjekt in die Spitze 150 zu drücken, welches einen Eindruck liefert. Alternativ, kann der Sensor 156 mit der Spitze 150 verbunden sein, um die Spitze in das Messobjekt zum Eindruck zu drücken.
Die durch den Sensor 156 gelieferte Kraft zum Eindruck kann selektiv durch manuelle Bedienung der elektrostatischen Steuerung 170 oder durch automatische Bedienung der elektrostatischen Steuerung 170 durch das Datenerfassungs- und Steuersystem 172 gesteuert werden. Das Datenerfassungs- und Steuersystem 172 kann einen Mikroprozessor oder ähnliche logische basierende Systeme für die Berechnung der anzulegenden Spannung beinhalten, um eine gewünschte Kraft von dem Sensor 156 zu generieren. Zusätzlich ist der Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 164 elektrisch mit dem Datenerfassungs- und Steuersystem 172 verbunden. Das Datenerfassungs- und Steuersystem 172 kann verwendet werden, um die durch den Sensor 156 angelegte Kraft einzustellen, um sie für die Bewegung des Messobjektes zu kompensieren, wenn der Eindruck passiert, welches bekannt ist, dass es bei weicheren Messobjekten passiert. Die durch den Sensor 156 gelieferte Kraft kann auch durch den Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 164, basierend auf dem von dem Sensor 156 empfangenen Ausgangssignal, verändert werden.
Nach dem Eindruck kann das Messobjekt dann mit der gleichen Spitze wieder dargestellt werden, so dass das Ergebnis des Eindruckes eher in Minuten als in Stunden gesehen werden kann, ohne den Bedarf, das Messobjekt zu bewegen oder den Punkt zu finden, wo der Eindruck in dem Messobjekt gemacht wurde. Weiterhin, da die erste Bildgebung, der Eindruck und die zweite Bildgebung alle mit dem Messobjekt in einer einzelnen Position gemacht sind, ist es sichergestellt, dass die erste Oberflächenbildgebung und zweite Oberflächenbildgebung von dem gleichen Oberflächenbereich sind und den entsprechenden Effekt des Eindruckschrittes zeigen.
Mit dem oben beschriebenen System können Beide, leitende und nicht-leitende Messobjekte, in einer hohen Auflösung vor und nach dem mechanischen Test ohne die Zerstörung der Messobjekt-Position angezeigt werden, so dass es hier keine Probleme gibt, zu versuchen, den Testbereich zu lokalisieren, wie es sie gibt, wenn separate Eindruck- und Bildgebungseinrichtungen verwendet werden. Es ist auch möglich, nebeneinander Bildgebungen der Raster-Kraftmikroskope und Bildgebungen des Raster-Tunnelmikroskops der gleichen Messobjekt-Oberfläche durch das Umschalten eines Schalters, um von dem Raster-Kraftmikroskop zu dem Raster-Tunnelmikroskop zu wechseln, zu vergleichen. Das ist manchmal nützlich, da das Raster-Kraftmikroskopsignal im allgemeinen eine genaue Darstellung der Messobjekt-Topographie ist, während das Raster-Tunnelmikroskopsignal einige Informationen über die Leitfähigkeit oder den elektronischen Status der Oberfläche geben kann.
Die Vorrichtung zum Mikroeindruck-Härtetest und/oder Oberflächenbildgebung der vorliegenden Erfindung wurde hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, in welcher eine Vorrichtung des Raster-Tunnelmikroskops verwendet wird, die eine Basis zur Montage eines Messobjektes darauf und einen piezo-angetriebenen Kopf, der einen darauf montierten Tastkopf hat, zur operativen Verbindung eines auf der Basis zur Messung der Oberflächentopographie montierten Messobjektes hat. In dieser Ausfüh rungsform ist ein Tastkopf auf dem piezo-angetriebenen Kopf montiert, während der Sensor auf der Basis montiert ist, um darauf ein Messobjekt zu montieren. Mit dieser Anordnung bewegen der Abtastkopf oder piezo-angetriebene Kopf den Tastkopf in einem rasterförmigen Muster über die Oberflächen-Dimensionstopographie. Es ist jedoch beachtet, dass andere Anordnungen des Tastkopfes, des Sensors und des Tastkopfes innerhalb des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung möglich sind. Der Schlüssel, um nach der Erfindung des Anmelders zu arbeiten, ist, dass eine abgetastete Tastkopf-Mikroskopvorrichtung einen Tastkopf in einem Abtastkopf beinhaltet, der zur operativen Verbindung der Oberfläche eines Messobjekts zum Messen einer Oberflächen-Topographie darauf angeordnet ist. Der Tastkopf hat eine Härte größer als ein zu testendes Messobjekt und der Sensor ist operativ angeordnet, um die Kraft zwischen dem Messobjekt und dem Tastkopf zu messen, wenn sie operativ in der Oberfläche darauf verbunden sind und um eine Kraft und Messungsverschiebung auszuüben, um Eindrucks- oder andere mikromechanische Tests durchzuführen.
Wie zuvor genannt in einer ersten bevorzugten Ausführungsform, beinhaltet ein abgetastetes Tastkopf-Mikroskop eine Basis, um darauf ein Messobjekt zu montieren, und einen piezo-angetriebenen Kopf, der darauf einen Tastkopf montiert hat, mit dem Sensor, der auf der Basis montiert ist, und ein Messobjekt, das darauf ruht. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann der Sensor auf einer fixierten Oberfläche mit dem auf dem Sensor befestigten Tastkopf montiert sein. Das Messobjekt kann auf einem Messobjekt-Halter montiert sein, welcher einen piezo-angetriebenen Kopf oder Tastkopf beinhaltet. Mit dieser Anordnung bewegt der piezo-angetriebene Abtastkopf das Messobjekt gegen den Tastkopf mit der an den Tastkopf angewendeten Kraft, die durch den Sensor übersetzt wird, um die Kraft zu messen.
In einer dritten alternativen Ausführungsform kann das Messobjekt, das eine abzutastende Oberfläche hat, ein großes Messobjekt sein, auf welchem ein Messgerät der vorliegenden Erfindung montiert werden kann. Das Messgerät würde den auf dem Sensor montierten Tastkopf beinhalten, welcher im Wechsel auf den piezo-angetriebenen oder Abtastkopf montiert ist. Mit dieser Anordnung ist der Tastkopf angeordnet, um die Oberfläche eines großen Messobjekts zu erfassen, und der Sensor ist wiederverwendet, um die Kontaktkraft zu messen, während der Abtastkopf den Tastkopf über die Oberfläche zur Bildgebung bewegt.
In einer vierten alternativen Ausführungsform kann der Tastkopf auf eine fixierte Oberfläche montiert werden. Mit dieser Anordnung sind das Messobjekt und der Sensor auf dem piezo-angetriebenen oder Abtastkopf montiert. Folglich bewegt der Abtastkopf das Messobjekt über den fixierten Tastkopf mit dem Sensor, um die Kraft zwischen solch einem Tastkopf und dem Messobjekt zu messen.
5 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Kraft- oder Bewegungsbildgebung und/oder Detektionssystem 200, der einen multidimensionalen Sensor 202 beinhaltet, ist im allgemeinen gezeigt. Der multidimensionale Sensor 202 erlaubt es dem System 200, Kraft oder Bewegung auf ein entferntes Objekt oder Ort auszuüben, und Kraft oder Position in mehrfachen Richtungen zu detektieren.
In einer in 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der multidimensionale Sensor 202 ein zweidimensionaler Sensor. Der multidimensionale Sensor 202 beinhaltet einen ersten oder x-Richtungssensor 204, um Kraft/Bewegung in einer ersten Richtung auszuüben oder zu detektieren, und einen zweiten oder z-Richtungssensor 206, um Kraft/Bewegung in einer zweiten Richtung zu detektieren oder auszuüben. Der x-Richtungssensor 204 und der z-Richtungssensor 206 können dem hierin zuvor beschriebenen kapazitiven Sensor ähnlich sein, und in einer bevorzugten Ausführungsform einen Multi-Plattenkondensatorsensor 104 (gekennzeichnet 104x oder 104z) beinhalten, welcher dem hierin zuvor beschriebenen Multi-Plattenkondensatorsensor 104 ähnlich sind, beinhaltend ein innerhalb des Sensors 104 fest montierten Paars von Antriebsplatten, und eine innerhalb des Sensor 104 relativ zu den Antriebsplatten bewegbar montierte gewöhnliche Aufnahmeplatte.
Das System 200 beinhaltet die Steuerung 102, den Oszillator 130, den multidimensionalen Sensor 202 und den Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 132. Im allgemeinen ist die Steuerung 102 mit dem multidimensionalen Sensor 202 verbunden, um einen Kraft- und Bewegungsausgang zu einer Lage/Objekt entfernt von dem multidimensionalen Sensor 202 (z. B., entferntes Objekt 218, wie gezeigt) auszuüben. Der Oszillator 130 und der Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 132 sind mit multidimensionalen Sensor 202 verbunden, um den Ausgang des Sensors 202 anzuzeigen, welcher proportional zu der Kraft, dem Gewicht oder der Verschiebung ist, die ausgeübt und erkannt durch den multidimensionalen Sensor 202 sind.
Die Steuerung 102 beinhaltet das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 (DACS), welches elektrisch mit der elektrostatischen Steuerung 112 (EC) verbunden ist, angezeigt in 208, und mit dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 verbunden, angezeigt in 209. Die elektrostatische Steuerung 112 ist mit dem multidimensionalen Sensor 202 verbunden, angezeigt in 210x und 210z.
Der Oszillator 130 ist elektrisch mit dem multidimensionalen Sensor 202 verbunden, angezeigt in 212. Der multidimensionale Sensor 202 ist elektrisch mit dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 verbunden. Im spezielleren, ist der x-Richtungssensors 204 mit dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 (in 214) verbunden und der z-Richtungssensor 206 ist mit dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 (in 216) verbunden. Der multidimensionale Sensor 202 ist mechanisch mit dem entfernten Objekt 218 verbunden, angezeigt in 220x und 220z (durch gestrichelte Linien).
Der multidimensionale Sensor 202 kann selektiv gesteuert werden, um Bewegung/Kraft von separater Größe in jeder Richtung auszuüben. Ähnlich, kann der multidirektionale Sensor 202 unabhängig die Kraft oder Position in der x- oder der z-Richtung abtasten.
In Bedienung, legt die elektrostatische Steuerung 112 selektiv eine relativ hohe Spannung an die Antriebsplatte des multidimensionalen Sensors an. In einer Ausführungsform legt die elektrostatische Steuerung 112 selektiv eine relativ hohe Spannung an die Antriebsplatte des x-Richtungssensors 204 (in 210x) an. Die elektrostatische Anziehung zwischen der auf dem x-Richtungssensor bewegbar montierten Aufnahmeplatte und fixierten Antriebsplatte zieht die Aufnahmeplatte näher die Antriebsplatte. Wenn die Aufnahmeplatte näher an die Antriebsplatte bewegt ist, überträgt ein Kraft- oder Bewegungsübertragungsmechanismus eine entsprechende Kraft oder Bewegung auf das entfernte Objekt 218, angezeigt durch die mechanische Verbindung 220x. Die oben beschriebene Bedienung resultiert in dem entfernten Objekt 218, welches bewegt wird oder welches eine Kraft hat, das auf das entfernte Objekt 218 in der x-Richtung ausgeübt wird.
Ähnlich, kann die elektrostatische Steuerung 112 selektiv eine relativ hohe Spannung an die Antriebsplatte des z-Richtungssensors 206 (in 210z) anlegen, welche unabhängig von der auf den x-Richtungssensor 204 angelegten Spannung ist. Die elektrostatische Anziehung zwischen der bewegbar montierten Aufnahmeplatte des z-Richtungssensors 206 und der fixierten Antriebsplatte zieht die Aufnahmeplatte näher an die Antriebsplatte. Wenn die Aufnahmeplatte näher an die Antriebsplatte bewegt wird, wird die entsprechende Kraft oder Bewegung auf das entfernte Objekt 218 übertragen. Die resultierende Kraft oder Bewegung, die auf das entfernte Objekt 218 ausgeübt wird, ist in der z-Richtung, angezeigt in 220z.
Wie hierin zuvor beschrieben, kann die elektrostatische Steuerung 112 manuell oder automatisch durch das Datenerfassungs- oder Steuersystem 110 gesteuert werden. Das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 kann reaktiv auf ein Ausgangssignal 209 von dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 sein, um die durch die elektrostatische Steuerung 112 angelegte Spannung selektiv zu variieren, angezeigt durch Eingang 208. Alternativ oder zusätzlich, kann das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 den Ausgang 210 der elektrostatischen Steuerung 112 unabhängig steuern. Das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 kann verwendet werden, um durch das Ausgangssignal 209 von dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 empfangene Datenpunkte aufzuzeichnen.
Der Oszillator 130 legt ein Triggersignal an den multidimensionalen Sensor 202 an, um Ausgangssignale 214 und 216 zu liefern, welche proportional zu der in jeder Richtung detektierten Kraft, Gewicht und/oder Position sind. Im speziellen, liefert der Oszillator 130 ein AC-Träger- oder Hochfrequenzsignal zu dem x-Richtungssensor 204, und der x-Richtungssensor 204 liefert ein Ausgangssignal 214 zu dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132, welches proportional zu der durch den x-Richtungssensor 204 in der x-Richtung detektierten (oder ausgeübten) Kraft, Gewicht und/oder Position ist. Ähnlich, liefert der Oszillator 130 ein AC-Träger- oder Hochfrequenzsignal zu dem z-Richtungssensor 206, und der z-Richtungssensor 206 liefert ein Ausgangssignal 216 zu dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132, welches proportional zu der durch den z-Richtungssensor 206 in der z-Richtung detektierten (oder ausgeübten) Kraft, Gewicht und/oder Position ist. Der Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 liefert ein Signal 209 zu dem Datenerfassungs- und Steuersystem 110, welches mit dem Signal 214 und/oder dem Signal 216 übereinstimmen kann.
Der multidimensionale Sensor 202 ist ein 2-dimensionaler Sensor, welcher Kraft auf ein entferntes Objekt in zwei Richtungen ausüben kann, und/oder alternativ die Kraft oder Position in zwei Richtungen detektieren kann. Es ist beachtet, dass der x-Richtungssensor 204 und der z-Richtungssensor 206 unabhängig als ein Kraft-, Gewicht- oder Positionsausübungs- und Detektionssensor verwendet werden kann. Zum Beispiel, in einer bevorzugten Ausführungsform, liefert die elektrostatische Steuerung 112 nur eine Spannung an den z-Richtungssensor 206, um eine Kraft oder Bewegung auf ein entferntes Objekt 218 selektiv auszuüben. In einer Ausführungsform ist die Spannung eine DC-Spannung von bis zu 600 Volt, um eine Kraft bis zu 10 mN auszuüben. Der Oszillator 130 legt simultan ein Trägersignal an den x-Richtungssensor 204 und den z-Richtungssensor 206, um die Kräfte auf ein entferntes Objekt 218 in der x-Richtung und in der z-Richtung zu detektieren. Der z-Richtungssensor 206 liefert ein Ausgangssignal 216 an den Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 repräsentativ für die Kraft oder Bewegung, die auf ein entferntes Objekt 218 ausgeübt wird, und anschließend die detektierten z-Richtungskräfte. Der x-Richtungssensor 204 liefert ein Ausgangssignal 214 an den Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 repräsentativ der detektierten x-Richtungskräfte.
Bezugnehmend auf die 6 und 7, eine bevorzugte strukturelle Ausführungsform des multidimensionalen Sensors 202, wie ein 2-dimensionaler Sensor, ist im allgemeinen gezeigt. 6 ist eine Draufsicht, und 7 ist eine Seitenansicht des multidimensionalen Sensors 202. Der multidimensionale Sensor 202 ist mechanisch verbunden mit einem entfernten Objekt 218 gezeigt.
Bezugnehmend auf 6, ist der x-Richtungssensor 204 im allgemeinen gezeigt, welcher einen Multi-Platten-kapazitiven Sensor 104x beinhaltet, der eine Antriebsplatte 118x, eine Antriebsplatte 120x und eine Aufnahmeplatte 122x hat.
Der x-Richtungssensor 204 ist mechanisch mit dem z-Richtungssensor 206 durch die mechanische Verbindung 226 verbunden. Ähnlich, beinhaltet der z-Richtungssensor 206 einen Multi-Platten-kapazitiven Sensor 204z, der Antriebsplatten 118z und 120z und eine Aufnahmeplatte 122z beinhaltet. Der multidimensionale Sensor 202 kann unabhängig Kräfte auf ein entferntes Objekt 218 in der x-Richtung und der z-Richtung durch die selektive elektrostatische Anziehung des x-Richtungssensors 204 und durch die elektrostatische Anziehung des z-Richtungssensors 206 ausüben. Ähnlich, kann der multidimensionale Sensor 202 Kraft und/oder Bewegung in der x-Richtung und der z-Richtung delektieren. Zusätzlich, ist ein zweiter x-Richtungssensor 204' zur mechanischen Stabilität beinhaltet.
Bezugnehmend auf 8, ist jetzt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die einen multidimensionalen Sensor 202 innerhalb des Kraft- oder Bewegungsausübungs-/Detektionssystems 200 beinhaltet. Der multidimensionale Sensor 202 beinhaltet weiterhin einen Sensor 205, um Kraft oder Bewegung auszuüben und um Kraft oder Bewegung in einer dritten oder y-Richtung zu detektieren. Der y-Richtungssensor 205 ist ähnlich wie der hierin zuvor beschriebene kapazitive Sensor, und in einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet er einen hierin zuvor beschriebenen Multi-Platten-kapazitiven Sensor 104 (gekennzeichnet als 104y).
Die elektrostatische Steuerung 112 ist elektrisch mit dem y-Richtungssensor 205 (in 210y) verbunden. Der y-Richtungssensor 205 ist elektrisch mit dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 (in 215) verbunden. Zusätzlich ist der y-Richtungssensor 205 mechanisch mit einem entfernten Objekt 218 (in 220y) verbunden.
Der multidimensionale Sensor 202 erlaubt es der Kraft, auf ein entferntes Objekt 218 in drei Richtungen ausgeübt zu werden und/oder liefert Bewegung auf ein entferntes Objekt 218 in drei Richtungen. Zusätzlich liefert der Oszillator 130 ein Trägersignal 212 an den multidimensionalen Sensor 202, der einen x-Richtungssensor 204, einen y-Richtungssensor 205 und einen z-Richtungssensor 206 beinhaltet, um Ausgangssignale 214, 215 und 216 an den Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 zu liefern, welche proportional zu der in jeder entsprechenden Richtung detektierten Kraft, Gewicht oder Position sind.
Bezugnehmend auf die 9 und 10, ist eine bevorzugte strukturelle Ausführungsform des multidimensionalen Sensor 202 wie ein 3-dimensionaler Sensor im allgemeinen in 230 gezeigt. Die bevorzugte strukturelle Konfiguration des multidimensionalen Sensors 202 ist ähnlich der strukturellen Ausführungsform des in den 6 und 7 gezeigten 2-dimensionalen Sensors, und beinhaltet weiterhin dritte Richtungs- oder y-Richtungssensoren 205. Ähnlich wie der x-Richtungssensor 204 und der z-Richtungssensor 206 beinhaltet der y-Richtungssensor 205 einen Multi-Platten-kapazitiven Sensor 104y, der eine Antriebsplatte 118, eine Antriebsplatte 120 und eine Aufnahmeplatte 122y hat. Der y-Richtungssensor 205 ist mechanisch mit dem x-Richtungssensor 204 durch die mechanische Verbindung 227 verbunden. Der y-Richtungssensor 205 erlaubt es dem multidimensionalen Sensor 202, Kraft und Bewegung in einer dritten oder y-Richtung zu detektieren oder auszuüben.
In dieser Ausführungsform sind ein zweiter x-Richtungssensor 204' und ein zweiter y-Richtungssensor 205' zur mechanischen Stabilität beinhaltet. Der Sensor 204' und der Sensor 205' funktionieren ähnlich wie der Sensor 204 und der Sensor 205.
Es ist ersichtlich, dass der multidimensionale Sensor 202 zusätzliche Sensoren in jeder der x-Richtung, der y-Richtung oder z-Richtung beinhalten kann, um Kraft/Bewegung auszuüben und/oder zu detektieren. Zum Beispiel, zeigen die 11A und 11B den multidimensionalen Sensor 202 als einen 2-dimensionalen Sensor, der einen zusätzlichen zweiten oder z-Richtungssensor 207 beinhaltet. In der gezeigten Ausführungsform, ist der Oszillator 130 (nicht gezeigt) mit dem x-Richtungssensor 204, dem z-Richtungssensor 206 und dem z-Richtungssensor 207 (in 212) verbunden. Die Steuerung 102 (nicht gezeigt) ist mit dem z-Richtungssensor 207 (in 210) verbunden. Der x-Richtungssensor 204 (in 214), der z-Richtungssensor 206 (in 216) und der z-Richtungssensor 207 (in 217) sind elektrisch mit dem Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132 (nicht gezeigt) verbunden. Der x-Richtungssensor 204 (in 220x), der z-Richtungssensor 206 (in 220z) und der z-Richtungssensor 207 (in 220zz) sind mechanisch mit dem entfernten Objekt 218 verbunden.
In Betrieb, tastet der x-Richtungssensor 204 die Kraft oder Bewegung auf ein entferntes Objekt 218 in der x-Richtung seitlich ab, und liefert ein Ausgangssignal 214 an den Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132, welches repräsentativ für die detektierte Kraft ist. Der z-Richtungssensor 206 und der z-Richtungssensor 207 tastet die auf ein entferntes Objekt 218 angelegte Kraft in der z-Richtung ab, und liefert ein entsprechendes Ausgangssignal 216 und ein Ausgangssignal 217 an den Ausgangssignaldetektor 132, repräsentativ für die auf ein entferntes Objekt 218 in der z-Richtung detektierten Kraft. Zusätzlich sind der z-Richtungssensor 206 und der z-Richtungssensor 207 entsprechend elektrisch durch das Eingangssignal 210z und das Eingangssignal 210zz gesteuert, um eine Ausgangskraft (in 220z und/oder 220zz) auf ein entferntes Objekt 218 in der z-Richtung anzulegen, und liefert ein Ausgangssignal 216 und/oder ein Ausgangssignal 217 an den Ausgangssignaldetektor/Konditionierer 132, repräsentativ für die Verschiebung des entfernten Objekts 218.
Jetzt ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in den 11C und 11D gezeigt, welche einen multidimensionalen Sensor 202 beinhaltet, der einen zusätzlichen z-Richtungssensor 207 hat. In dieser Ausführungsform tasten oder detektieren der x-Richtungssensor 204, der y-Richtungssensor 205, der z-Richtungssensor 206 und der z-Richtungssensor 207 die Kräfte auf ein entferntes Objekt 218 in der entsprechenden x-, y- oder z-Richtung ab. Zusätzlich können der Sensor 202 bis einschließlich den Sensoren 204, 205, 206 und 207 selektiv Kraft oder Bewegung auf ein entferntes Objekt 218 in ihren entsprechenden Richtungen ausüben.
Bezugnehmend auf 12, ist eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Testvorrichtung dargestellt, welche für Härtetests und Oberflächenbildgebung den oben beschriebenen multidimensionalen Sensor 202 der vorliegenden Erfindung einschließend verwendet werden kann. Mit dieser Ausführungsform ist eine lokale Anzeige möglich. Eine Abtastung der Oberflächentopographie des Messobjekts ist geführt, sofort ge folgt durch den erwünschten mikromechanischen Test, gefolgt durch eine zweite Bildgebung der Oberflächentopographie unter Verwendung des gleichen Messgerätes. Der geführte mikromechanische Test kann einen Eindruck, einen Ritztest oder ähnliche Vorgänge beinhalten.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung des Anmelders für Mikroeindrücke mit nachfolgender Oberflächenbildgebung verwendet das zuvor beschriebene abgetastete Tastkopf-Mikroskop, gezeigt in 4, mit verschiedenen Veränderungen. Der Abtastkopf 158 (welcher in einer bevorzugten Ausführungsform einen 3-D-Piezoantrieb beinhalten kann) ist in einer fixierten Position montiert. Die Messobjekt-Plattform 154 ist mit dem Abtastkopf 158 verbunden. Das Messobjekt 152 ist auf der Messobjekt-Plattform 154 positioniert. Der multidimensionale Sensor 202 ist mit dem Tastkopf 150 verbunden, welcher über dem Messobjekt 152 positioniert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein multidimensionaler Sensor 202 ein 2-dimensionaler Sensor, welcher dem in den 11A und 11B gezeigten und hierin zuvor beschriebenen multidimensionalen Sensor 202 ähnlich sein kann. Der multidimensionale Sensor 202 kann Kräfte in der x-Richtung unter Verwendung des x-Richtungssensor 204 und in der z-Richtung unter Verwendung des z-Richtungssensors 206 und/oder des z-Richtungssensors 204 abtasten oder detektieren, und Kräfte auf ein entsprechendes Objekt 218 (in den Zeichnungen als Tastkopf 150 gezeigt) in der z-Richtung unter Verwendung des z-Richtungssensor 206 und/oder des z-Richtungssensors 207 ausüben.
In Verwendung, ist die Oberfläche des Messobjektes 152 wie hierin zuvor beschrieben unter Verwendung der SPM-Steuerung 160 angezeigt, die mit einem Videoanzeigemonitor 162 (in 161) verbunden ist. Der Abtastkopf 158 bewegt das Messobjekt 152 vor und zurück in einem rasterförmigen Muster, um die Messobjektoberfläche unter Verwendung der hierin zuvor beschriebenen Verfahren anzuzeigen.
Der multidimensionale Sensor 202 der Erfindung des Anmelders wird verwendet, um Kraft zum Eindrücken oder Ritzen anzuwenden, die angelegte Kraft während des Eindruckes oder des Ritzens zu messen und um vor oder nach dem Test anzuzeigen. Sobald eine Bildgebung der Oberfläche des Messobjekts 152 unter Verwendung des obigen Verfahrens gemacht wurde, wird der multidimensionale Sensor 202 verwendet, um die Spitze des Tastkopfes 150 in das Messobjekt 152 zu drücken, um einen Eindruck zu produzieren. Der multidimensionale Sensor 202 liefert ein Ausgangssignal 217 an den Ausgangssignal konditionierer/Detektor 132, der repräsentativ für die Spitzeneindringtiefe in das Messobjekt während des Eindrucksvorgangs ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform, um einen Eindruck durchzuführen, ist die Steuerung 102 (die elektrostatische Steuerung 112 beinhaltend) manipuliert, um eine Spannung an den multidimensionalen Sensor 202 (in 210) selektiv anzulegen, für die elektrostatische Anziehung des multidimensionalen Sensors 202, um die Spitze des Tastkopfes 150 in das Messobjekt 152 zu drücken. Im speziellen, in dem Eindruckmodus ist der z-Richtungssensor 207 elektrostatisch angetrieben, um eine entsprechende Kraft auf den Tastkopf 218 in der z-Richtung zu übertragen, um die Spitze des Tastkopfes 150 in Messobjekt 152 zu drücken. Während dem Eindruck liefert der z-Richtungssensor ein Ausgangssignal 217 an den Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 132, repräsentativ für die Spitzen-Eindruckstiefe in das Messobjekt 152 und für die Charakteristiken des zu testenden Messobjektes 152.
Die durch den multidimensionalen Sensor 202 zum Eindrücken gelieferte Kraft kann selektiv durch manuelle Bedienung der elektrostatischen Steuerung 112 oder durch automatische Bedienung der elektrostatischen Steuerung 112 durch das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 gesteuert werden. Das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 kann einen Mikroprozessor oder ähnlich logisch basierende Systeme zur Berechnung der anzulegenden Spannung beinhalten, um eine erwünschte Kraft von dem Sensor 202 zu generieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 verwendet werden, um die von dem Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 132 empfangenen Daten aufzuzeichnen.
Das Datenerfassungs- und Steuersystem 110 kann verwendet werden, um die Kraft einzustellen, die durch den multidimensionalen Sensor 202 angelegt wird, um die Bewegung des Messobjekts beim Passieren des Eindrucks zu kompensieren, welches bekannt ist, um in weichere Messobjekte einzudrücken. Die durch den Sensor 202 gelieferte Kraft kann auch durch den Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 132 basierend auf dem von dem Sensor 202 empfangenen Ausgangssignal verändert werden. Der multidimensionale Sensor 202 beinhaltet weiterhin einen x-Richtungssensor 204, um seitliche Kräfte auf das Messobjekt 152 (Ausgang angezeigt in 214) zu messen.
Nach dem Eindruck kann die Oberfläche des Messobjektes 152 dann wieder mit der gleichen Spitze angezeigt werden, so dass das Ergebnis des Eindruckstestes eher in Minuten als in Stunden gesehen werden kann, ohne den Bedarf, das Messobjekt zu bewegen oder den Punkt zu finden, wo der Eindruck in dem Messobjekt gemacht wurde. Weiterhin, da die erste Bildgebung, der Eindruck, und die zweite Bildgebung alle mit dem gleichen Messobjekt in einer einzelnen Position gemacht sind, ist es sichergestellt, dass die erste Oberflächenbildgebung und die zweite Oberflächenbildgebung von dem gleichen Oberflächenbereich sind und den entsprechenden Effekt des Eindrucksschrittes zeigen.
In dem Bildgebungsmodus tastet ab/detektiert der z-Richtungssensor die Kräfte auf ein entferntes Objekt 218 (Tastkopf 150 in 12) in der z-Richtung und liefert ein Ausgangssignal 217 an den Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 132, repräsentativ für die detektierte Kraft. Zusätzlich, in dem Bildgebungsmodus kann der z-Richtungssensor 206 wie ein Positionierungssensor als eine Alternative zu der Verwendung eines Abtastkopfes 158 verwendet werden. Der z-Richtungssensor 206 übernimmt die Funktion der Positionierung in der z-Richtung. Der z-Richtungssensor 206 dient als ein Positionierungssensor in einer Rückführungsschleife, um die Position in der z-Richtung des Tastkopfes 218 (gezeigt als die Spitze 150 in 12) relativ zu der Oberfläche des Messobjektes 152 zu erhalten.
Bezugnehmend auf die 13A, ist jetzt eine andere Ausführungsform der mikro-mechanischen Testvorrichtung und der Verwendung des multidimensionalen Sensors der vorliegenden Erfindung gezeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform, ist der multidimensionale Sensor 202 gleich dem in den 11C und 11D hierin zuvor beschriebenen multidimensionalen Sensor. Während der Oberflächenbildgebung wird der multidimensionale Sensor 202 verwendet, um die Spitze des Tastkopfes 150 vor und zurück in einem rasterförmigen Muster über die Oberfläche des Messobjektes 152 abzutasten, um die Messobjektoberfläche anzuzeigen. Zusätzlich wird der multidimensionale Sensor 202 verwendet, um die Spitze des Tastkopfes 150 zu steuern, um den erwünschten mikro-mechanischen Test durchzuführen, welcher eine Durchführung eines Eindruckes oder Ritzens in dem Messobjekt 152 beinhalten kann. Nach dem Eindruck, kann das Messobjekt 152 wieder mit der gleichen Spitze angezeigt werden, so dass das Ergebnis des Eindruckes- oder des Ritztests sofort nach der Durchführung des Tests angezeigt werden kann. In jedem dieser Moden wird der multidimensionale Sensor 202 für die Bewegung, die Positionierung, das Liefern der Kraft oder das Abtasten/Detektieren der Kraft in den vielfachen Richtungen verwendet.
Wie in 13A gezeigt, in einer bevorzugten Ausführungsform, beinhaltet der Ausgangssignalkonditionierer/Detektor 132 einen synchronen Demodulator, der mit ei nem Tiefpassfilter (LPF) verbunden ist. Der Tiefpassfilter ist mit einem Verstärker (AMP) verbunden, um das von dem multidimensionalen Sensor 202 empfangene Ausgangssignal 203 zu prüfen. Zusätzlich, kann eine Frontplattenanzeige (FPD) mit dem Verstärker verbunden sein, um eine Ausgangsanzeige repräsentativ der Ausgangssignale 214, 215, 216 und 217 zu bieten.
Bezugnehmend auf die 13B, ist eine mikro-mechanische Testvorrichtung unter Verwendung des multidimensionalen Sensors der vorliegenden Erfindung gezeigt, welche ähnlich zu der in 13A gezeigten mikro-mechanischen Testvorrichtung sein kann. In dieser Ausführungsform, ist ein alleinstehendes System mit der Steuerung 102 gezeigt, die die vorhergehenden Funktionen der SPM-Steuerung 160 durchführt.
Wenn der Sensor der vorliegenden Erfindung mit einem abgetasteten Tastkopf-Mikroskop mit seiner eigenen Abtastung (typischerweise ein Piezo-Abtaster) verwendet wird, kann die Mikroskopabtastung verwendet werden, um das Messobjekt von dem Tastkopf zurückzuziehen, es erlauben, dass der Sensorausgang periodisch auf Null gesetzt wird. Dies wird benötigt, um die thermische Strömung zu kompensieren. Wenn der multidimensionale Sensor 202 eher die Funktionen des Abtastkopfes (158) durchführt als in Verbindung mit ihm zu arbeiten, müssen einige Mittel vorgesehen sein, um eine periodische Strömungskompensation zu erlauben. Es ist ersichtlich, dass ein mögliches Verfahren wäre, einen Schrittmotor zu verwenden, der eine Schraube antreibt, um den Tastkopf von dem Messobjekt zurückzuziehen, aber das Verfahren kann die x- und y-Position zerstören, wenn es gemacht wird, während eine Bildgebung gescannt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform, ist das Mittel zur Kompensierung der Strömung zwei z-Achsensensoren (wie z. B. z-Richtungssensor 206 und z-Richtungssensor 207) zu verwenden. Ein z-Richtungssensor kann als Positionierungsvorrichtung verwendet werden, reaktiv auf das Rückführungssignal von dem zweiten z-Richtungssensor, um eine konstante Kontaktkraft zu erhalten. Die Korrektur zur Strömung kann zu jeder Zeit gemacht werden durch das leichte Zurückziehen des ersten z-Richtungssensors, so dass die auf dem zweiten z-Richtungssensor montierte Spitze nicht länger das Messobjekt berührt, und durch das Zurücksetzen des Ausganges auf Null mit einer Regelabweichungs-Einstellschaltung. Da es hier kein Seitwärtsspiel in dem z-Richtungssensor gibt, kann dieses Verfahren zu jeder Zeit ohne der Zerstörung der Position des Tastkopfes (218) relativ zu dem Messobjekt sogar in der Mitte einer Abtastung eine Anzeige gemacht werden.
Bezugnehmend auf 14 ist es ersichtlich, dass alternative Montagekonfigurationen zwischen dem multidimensionalen Sensor 202 und dem Tastkopf 105 zum Testen des Messobjektes 152 zur Verwendung in einem abgetasteten Tastkopf-Mikroskoptestsystem verwendet werden können. Wie gezeigt, kann der Kasten 240 einen multidimensionalen Sensor 202 beinhalten, und der Kasten 242 kann eine fixierte Oberfläche ähnlich der in 12 gezeigten sein. Alternativ kann der Kasten 240 eine fixierte Oberfläche sein, und der Kasten 242 kann einen multidimensionalen Sensor 202 beinhalten. Zusätzlich ist es ersichtlich, dass der Kasten 240 oder der Kasten 242 einen Abtastkopf beinhalten kann, der mechanisch mit einer abgetasteten Tastkopf-Mikroskopvorrichtung zur Durchführung verschiedener Verfahren während einem mikro-mechanischen Testvorgang verbunden ist.
Es ist auch ersichtlich, dass der multidimensionale Sensor 202 in alternativen strukturellen Ausführungsformen verwendet werden kann, während er dennoch in dem Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung verbleibt. Zum Beispiel, bezugnehmend auf 15, ist ein 2-dimensionaler multidimensionaler Sensor 202 gezeigt, welcher einen x-Richtungssensor 204 und einen y-Richtungssensor 205 beinhaltet. In dieser Ausführungsform beinhaltet ein x-Richtungssensor 204 einen kapazitiven Sensor 104x, der eine Antriebsplatte 118x und 120x hat, die eine gewöhnliche Mittelplatte 122xy hat, welche auch gebräuchlich für den y-Richtungssensor 205 ist. Der y-Richtungssensor 205 kapazitive Sensor 104x beinhaltet auch die Antriebsplatten 118y und 120y. Die Mittelplatte 122xy ist bewegbar zwischen den Antriebsplatten 118x, 118y, 120x und 120y montiert. Die Vorrichtung 244 ist mit der Mittelplatte 122xy zur Bewegung der Mittelplatte 122xy verbunden. Eine Anwendung dieser strukturellen Ausführungsform des multidimensionalen Sensors 202 ist zur Verwendung als eine Computermaus oder "Joystick".
Bezugnehmend auf die 16 und 17, ist jetzt eine andere alternative Ausführungsform des multidimensionalen Sensors 202 der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform, ist die Mittelplatte 122xy bewegbar über den Antriebsplatten 118s, 118y, 120x, und 120y unter Verwendung des Aufhängungssystem 246 montiert. Die Vorrichtung 244 ist mit der Mittelplatte 122xy zur Bewegung der Mittelplatte 122xy relativ zu den Antriebsplatten 118x, 118y, 120x, und 120y verbunden. Eine Anwendung dieser strukturellen Ausführungsform des multidimensionalen Sensors 202 ist auch zur Verwendung als eine Computermaus oder "Joystick".
Die vorliegende Erfindung bietet die kombinierte Fähigkeit von nano-mikromechanischen Tests und hohe Auflösung in lokaler Bildgebung in einem einzelnen System.
Dies eliminiert vollständig die Mühe, Zeit und Unsicherheit, die der Versuch mit sich bringt, Eindrücke in einem herkömmlichen AFM oder SEM zu finden, nachdem sie in einem separaten Eindruckmessdruck produziert wurden, wie es normalerweise benötigt wird.
Zusätzlich zu den Eindrucks- und Härtetests in dem Nanobereich kann die vorliegende Erfindung für Mikro-Ritz/Kratz-Tests, Abnutzungstests von Materialien, wie z. B. harte Schutzbeschichtungen und Mikro-Bearbeitung, verwendet werden. Der Abnutzungswiderstand von Materialien, wie z. B. harten Schutzbeschichtungen, können durch das wiederholte Abtasten eines Bereiches unter Aufnahme der Abnutzungsrate bei verschiedenen Kontaktkräften berechnet werden. Die Abnutzungstiefe kann durch die Erhöhung der Abtastgröße nach der Messung gemessen werden, um beides, den auswärtigen Bereich und die umgebende regionale Oberfläche, anzuzeigen. Unter Verwendung dieses Verfahrens wurde es als möglich gefunden, die Abnutzungstiefe so klein wie 0,2 nm zu messen.
Die vorliegende Erfindung äußerst nützlich, um die harten Beschichtungen von Gegenständen, die von Brillengläsern bis zu magnetischen Aufnahmedisketten reichen, zu testen. Zusätzliche Anwendungen beinhalten mikrotechnische Tests von dünnen Filmen für mikroelektrische integrierte Schaltungen, Kondensatoren und Passivierungsschichten. Da die Leistungsmerkmale einer integrierten Schaltung weitaus komplexer werden und sich die Anzahl von metallisierten Schichten erhöht, werden mechanische Effekte infolge von Fehlanpassungen der thermischen Expansionskoeffizienten und belastungsbezogene Vorgänge wichtiger. Mikromechanische Tests dieser Strukturen können verwendet werden, um die Belastungen und den voraussichtlichen Affekt zu berechnen, die sie auf Bauteilbeständigkeit unter Verwendung der vorliegenden Erfindung haben werden. Beschichtungen für Schneidewerkzeuge und andere mechanische Bauteile, um den Belastungs- oder Korrosionswiderstand zu erhöhen, kann auch unter Verwendung der vorliegenden Erfindung berechnet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine lokale Bildgebung in der Nanometer-Skalenauflösung erreicht, die es erlaubt, Messungen zu machen, die zuvor nicht möglich waren. Sehr kleine Eindrücke von 100 nm oder weniger Durchmesser sind mit der vorliegenden Erfindung hergestellt und angezeigt worden. Zuvor war es nahezu unmöglich, auf einem separaten Eindrücker produzierte Eindrücke dieser Größe unter Verwendung eines Mikroskops zu lokalisieren (100 nm Leistungsmerkmale würden eine Abtastgröße in der Größe von 1 μm zur Anzeige benötigen. Wenn das Messobjekt mit einem totalen Fehler von 100 μm (0,004 inch) repositioniert werden könnte, sind dort 10.000 mögliche 1 μm Bereiche, in denen der Eindruck lokalisiert sein könnte). Sogar mit größeren Eindrücken oder anderen Leistungsmerkmalen, die auf dem Messobjekt platziert sind, um in der Lokalisierung zu helfen, können diese kleinen Eindrücke nicht zuverlässig lokalisiert werden, sobald das Messobjekt bewegt wird.
Bei sehr kleinen Ladungen sind Eindrücke in beiden GaAs und Einzelkristall-Kupfer produziert worden, die nicht stabil sind, die zu der herkömmlichen flachen Oberfläche innerhalb eines kurzen Zeitraumes zurückkehren. Oberflächen, die diese Art von Verhalten haben, wären unmöglich, um einen herkömmlichen Mikro-/Nano-Eindruck zu studieren, wenn der Eindruck weit zuvor verschwinden würde, bevor er in einem Mikroskop zur Überprüfung lokalisiert werden könnte.
Zusätzlich ist es ersichtlich, dass die Mikrobearbeitungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung für experimentelle Veränderungen von magnetischen Aufnahmeköpfen verwendet werden kann, um Weiten abzugleichen/zu verfolgen oder um luftführende Oberflächen zu verändern. Andere Anwendungen beinhalten belichtende variierte Metallisierungsschichten in integrierten Schaltungen, um die Abtastung von Signalen zur Fehlerbeseitigung oder Fehleranalyse zu erlauben.
Wenn die Bildgebung nicht benötigt wird, ist es möglich, die herkömmliche Erfindung zu einen herkömmlichen Mikroeindruck zu bedienen, mit dem Messgerät, das Ladungs-/Verschiebungskurven in einem Bruchteil der Kosten von anderen Mikro-Nano-eindrücker bietet.

Claims

Ein hochpräziser, multidimensionaler Sensor umfassend: einen ersten kapazitiven Sensor (104x), der eine Antriebsplatte (118, 120), eine Aufnahmeplatte (122), die darin beweglich relativ zu der Antriebsplatte montiert ist, und Mittel (124) zum Ausüben einer Kraft oder einer Bewegung und zum Detektieren einer Kraft, eines Gewichts oder einer Position in einer ersten Richtung über die Aufnahmeplatte (122) enthält; einen zweiten kapazitiven Sensor (104z), der eine Antriebsplatte (118, 120), eine Aufnahmeplatte (122), die darin beweglich relativ zu der Antriebsplatte montiert ist, und Mittel (124) enthält um eine Kraft oder eine Bewegung auszuüben und um eine Kraft, ein Gewicht oder eine Position in einer zweiten Richtung über die Aufnahmeplatte (122) zu detektieren; Mittel, um jede Aufnahmeplatte (122) mit einem entfernten Objekt (108) zu verbinden; eine Steuerung (112), die so ausgeführt ist, um wahlweise die Kraft oder die Bewegung zu steuern, welche über die Aufnahmeplatten (122) auf das entfernte Objekt ausgeübt wird; und Mittel (132), die so ausgeführt sind, um ein Ausgangssignal proportional zu der detektierten Kraft, dem detektierten Gewicht oder der detektierten Position zu erzeugen.
Der Sensor nach Anspruch 1, umfassend: einen dritten kapazitiven Sensor (104y), um eine Kraft oder eine Bewegung auf das entfernte Messobjekt auszuüben und, um eine Kraft, ein Gewicht oder eine Position in einer dritten Richtung mit einer Aufnahmeplatte (122) zu detektieren, die relativ zu einer Antriebsplatte (118, 120) darin beweglich befestigt ist.
Der Sensor nach Anspruch 2, umfassend: einen vierten kapazitiven Sensor (104zz) zum Ausüben von Kraft oder Bewegung auf das entfernte Messobjekt und zum Detektieren von Kraft, Gewicht oder Position in der zweiten Richtung mit einer Aufnahmeplatte (122), die relativ zu einer Antriebsplatte (118, 120) darin beweglich montiert ist.
Der Sensor nach den Ansprüchen 1–3, worin jeder Sensor Mittel zum Übertragen von Kraft zwischen einem Objekt (108), das von jeder Aufnahmeplatte (122) entfernt ist, und der Aufnahmeplatte (122) enthält.
Der Sensor nach den Ansprüchen 1–4, der Mittel (132) umfasst, die reaktiv auf die Position einer jeden Aufnahmeplatte (122) relativ zu der jeweiligen Antriebsplatte (118, 120) sind, um ein Ausgangssignal proportional zu der relativen Position zur Verfügung zu stellen.
Der Sensor nach den Ansprüchen 1–5, umfassend Mittel (102), um wahlweise jede Aufnahmeplatte (122) zu steuern.
Der Sensor nach Anspruch 6, worin die Mittel (102) zum wahlweisen Steuern jeder Aufnahmeplatte (122) ferner Mittel (112) enthalten, um wahlweise eine Kraft auf das entfernte Objekt über die Aufnahmeplatte (122) auszuüben.
Der Sensor nach Anspruch 7, worin die Mittel (112) zum wahlweisen Ausüben einer Kraft auf das entfernte Objekt (108) über die Aufnahmeplatte (122) einen elektrostatischen Antrieb enthalten.
Der Sensor nach Anspruch 6, worin die Mittel zum wahlweisen Steuern jeder Aufnahmeplatte (122) eine Steuerung (102) mit einem elektrostatischen Antrieb (112) enthalten, der mit jedem Sensor (104) verbunden ist.
Der Sensor nach Anspruch 1, der ferner Mittel (112) enthält, um wahlweise die Position einer jeden Aufnahmeplatte (122) oder eine Kraft, die durch jede Aufnahmeplatte (122) erzeugt wird, zu steuern.
Der Sensor nach Anspruch 1, der Mittel zur mechanischen Verbindung der ersten kapazitiven Sensor-Aufnahmeplatte (122) mit der zweiten kapazitiven Sensor-Aufnahmeplatte (122) umfasst.
Eine abgetastete Tastkopf-Mikroskopvorrichtung mit einer Piezo-Abtastvorrichtung zur Bewegung einer Probe relativ zu einer Spitze (125), wobei die Vorrichtung Mittel zur Oberflächenbildgebung und Multiachsenkraft- oder Verschiebungsmessung umfasst, die einen multidimensionalen Sensor (104) entsprechend den Ansprüchen 1–11 enthalten.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner Mittel (158) zur Verfügungsstellung einer Anwendung der Multiachsenkraft oder Verschiebung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, die Mittel (160) umfasst, die mit dem Sensor (104) zur Oberflächenbildgebung, Multiachsenkraftmessung oder Verschiebungsmessung verbunden sind.
Ein Instrument um eine hoch auflösende Oberflächenbildgebung und einen mikromechanischen Eigenschaftstest zur Verfügung zu stellen, wobei das Instrument umfasst: einen Tastkopf (150); Mittel zum Abtasten, einschließlich der zur Verfügungsstellung einer Relativbewegung zwischen dem Tastkopf (150) und einer Messprobe (152), wobei die Mittel zum Abtasten einen multidimensionalen Sensor entsprechend einem der Ansprüche 1–11 enthalten; und eine Steuerung, die mit dem multidimensionalen Sensor (104) verbunden ist, die ein Datenerfassungs- und Steuerungssystem (110) und eine elektrostatische Steuerung (112) enthält.
Das Instrument nach Anspruch 15, ferner umfassend einen Videoanzeigemonitor (162), der mit der Steuerung (102) verbunden ist, und Mittel für die Bedienersteuerung, die mit der Steuerung (102) verbunden sind.
Ein Verfahren zur Durchführung eines mikromechanischen Tests auf einer Messprobe, das die Schritte der Platzierung der Messprobe und die Durchführung des mikromechanischen Tests unter Verwendung eines hochpräzisen multidimensionalen, kapazitiven Sensors entsprechend den Ansprüchen 1–11 umfasst.