WO2005034134A1 - Sondenanordnung für ein rastersondeninstrument - Google Patents

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WO2005034134A1
WO2005034134A1 PCT/EP2004/011358 EP2004011358W WO2005034134A1 WO 2005034134 A1 WO2005034134 A1 WO 2005034134A1 EP 2004011358 W EP2004011358 W EP 2004011358W WO 2005034134 A1 WO2005034134 A1 WO 2005034134A1
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WO
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probe
arrangement according
probe arrangement
holder
instrument
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/011358
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Schmucker
Michail Zubtsov
Mathias Neitzel
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2005034134A1 publication Critical patent/WO2005034134A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/02—Probe holders

Definitions

  • the invention relates to a probe arrangement for a scanning probe instrument.
  • Scanning probe instruments are usually used for the surface examination or modification of specially prepared samples, which are placed directly on the scanning device of the probe instrument, e.g. of a probe microscope.
  • the dimensions and configuration of these samples must be adapted to the circumstances of the scanner, which greatly limits the applicability of these devices.
  • sample dimensions are a maximum of a few centimeters, their mass a maximum of a few ten grams. Samples with masses of more than 100 g and with geometrically inhomogeneous surfaces cannot be examined with it.
  • the probe can then be attached to the scanner and the surfaces to be examined can be scanned. It can also be used to examine larger objects.
  • the problem of limiting the geometric profile of the surface remains, ie the characteristic dimensions in the scanning plane must be large enough and the distance adapted to the possibilities of the scanner in order to enable the scanner to work with the probe attached to it.
  • Such devices are therefore only used when examining objects with larger, flat geometrical features, such as when examining wafers in the semiconductor industry.
  • a scanning probe microscope with scanner and probe is disclosed in DE 198 41 931.
  • the object of the invention is to create a probe arrangement for scanning probe instruments with which it is possible to considerably expand the possible uses for scanning probe instruments.
  • the probe arrangement has an elongated holder for receiving and fastening at least one probe, and at least one supply line and / or a micro-optical device or parts thereof necessary for the function of the probe, and the holder of the probe arrangement also has a coupling element for connection to the Has a raster probe instrument, the probe being arranged at the end of the holder that is remote from the coupling element, an additional element is provided for a raster probe instrument that increases the distance of the probe from the scanning device, ie forms a spacer, which on the one hand enables the probe to access a surface to be examined or modified, but on the other hand prevents any undesirable mechanical, electromagnetic or static effects of the object being examined on the scanning device.
  • Elongated should be understood to mean that the holder is much larger in one dimension than in the other and that the ends are provided on the longest dimension, with “elongated” being intended to denote both straight and curved holders.
  • the scanning probe instrument can be used for examining and analyzing surface properties of any materials with restricted access to the examination object, e.g. on surfaces in depressions,
  • the scanning probe probe instrument provided with the probe arrangement according to the invention can be used for medical-biological examinations and analyzes of biological tissue in vivo, e.g. of cartilage tissue or physico-chemical interactions with this tissue in the joint or body cavities.
  • this probe arrangement according to the invention suitable for use in conjunction with coordinate measuring machines or profilometers, which considerably expands their options for analyzing surface qualities of machined parts.
  • the probe arrangement according to the invention can be used in standard scanning probe microscopes, which enables the examination of objects with complicated profiles, the surfaces also being modified with nanometric or submicrometric accuracy.
  • Another area of application for a scanning probe instrument provided with the probe arrangement according to the invention is that it can be integrated into tool changing devices of modern CNC processing machines, which enables a corresponding surface analysis immediately after the processing.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a scanning probe instrument with a scanner and the probe arrangement according to the invention, partly in section,
  • FIG. 2 shows a partially sectioned perspective view of the probe arrangement according to the invention in the overall view (FIG. 2a) and with an enlarged view of the front end (FIG. 2b), as well as an enlarged view of the attachment of a cantilever chip (FIG. 2a)
  • FIG. 3 is a partially sectioned perspective view of another embodiment of the probe according to the invention in the overall view (Fig. 3a) and in an enlarged view of the tip (Fig. 3b), and
  • FIG. 4 shows a perspective, partially sectioned view of a third exemplary embodiment of the probe arrangement according to the invention in overall view (FIG. 4a), in an enlarged view of the tip area (FIG. 4b) and in an enlarged view of the tip area in a perspective seen from below (FIG. 4c),
  • Fig. 5 is a partial view of a scanning probe instrument with a scanner according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a scanning probe instrument 1 which has a scanner 40 and a probe arrangement 8 according to the invention which is detachably fastened thereon.
  • the probe arrangement 8 has an elongated shape and thereby enables an examination in a recess 41.
  • the probe arrangement is shown in a straight, elongated shape, but it can also be curved.
  • 2a and 2b show a probe arrangement as can be used in a scanning probe instrument according to FIG. 1.
  • the probe arrangement 8 has a housing 10 designed as a hollow cylinder two open ends 11, 12 which connect the cavity of the housing 10 to the outer space.
  • two disks 13, 14 Arranged within the housing 10 are two disks 13, 14 with openings which, together with the housing, serve as an elongate holder for the components of devices used in the probe arrangement which are guided to the end 11 of the probe arrangement 8.
  • a micro-optical observation device which in the present case is designed as an elongated so-called flexoscope 15 (flexible endoscope).
  • the flexoscope 15 is guided through the circular holes or openings in the disks 13, 14, its observation end being arranged in the vicinity of the end 11 of the housing 10.
  • the flexoscope 15 is led out of the probe arrangement 8 through the open end 12 and is connected to the corresponding components of the observation device in the scanning probe instrument.
  • Another device contained in the probe arrangement 8 is a device for distance measurement, which is designed as a fiber-optic reflection measuring device 16.
  • the fiber optics ie a light guide or optical measuring fibers of the distance measuring device, is also guided through openings in the disks 13, 14 and is held stationary therein.
  • a hollow element 17 as part of the housing, the end 18 of which is used to fasten a cantilever chip 19.
  • the cantilever chip 19 carries a cantilever which is provided with a needle probe (FIG. 2b) which faces the object to be examined.
  • the cantilever 20 lies opposite the end face 21 of the fiber optics of the distance measuring device.
  • the housing 8 is provided with a thread 22, which serves as a coupling element to the scanning probe instrument or the associated scanner.
  • other coupling elements can be provided, such as part of a bayonet lock.
  • FIG. 2b shows an enlarged illustration of the end 11 of the probe arrangement 8, in which the arrangement of the cantilever chip 19 and the position of the flexoscope 15 and the fiber optics 16 within the housing 10 are shown more clearly.
  • These are fastened such that the cantilever 20 is at a distance on the one hand in the field of view of the optical plane of the flexoscope 15 and on the other hand within the aperture of the fiber optics 16.
  • the end face 21 of the fiber optics detects the light scattered back by the cantilever 20, which is a measure of the distance between the end face 21 and the cantilever 20.
  • the changes in intensity by moving the needle probe connected to the cantilever on the object, e.g. of movement is detected by changing the intensity of the light reflected by the cantilever 20.
  • the disks 13 and 14 of the holder have additional openings 23, 24, 25, which can be used for fastening and guiding an additional flexoscope, through which a stereo vision system can be implemented, and for fastening a further fiber optic serving as the illumination source.
  • these openings can also be provided for other purposes, for example for receiving capillary tubes with which solutions are pipetted or dispensed onto the examination object during the examination.
  • the opening 25 can accommodate additional optically shear fibers, either to operate other types of probes or as auxiliary capillaries.
  • the housing 10 and the disks 13, 14 form the holder for the flexoscope and the fiber optics as well as for the element 17.
  • another elongated or elongated holder e.g. a rod with attached fixing elements is used. It is important that the probe and scanner are spaced so that measurements can also be taken in wells.
  • the 20 shows an exemplary embodiment of a probe with a cantilever and cantilever chip.
  • the cantilever chip 42 are connected and protrude into the interior of the frame-shaped part. Knives 44 or needles for scanning the object are arranged on the bar-shaped cantilevers 43.
  • the edge of the cantilever chip is held by a clamping device 46 with four jaws 45, such that the chip 42 can be replaced, for example, if it is damaged.
  • the edge of the cantilever chip 42 has inclined surfaces which are overlapped by the jaws 45.
  • the measuring fibers 47 of the distance measuring device the ends of which lie opposite the bars 43, extend within the sleeve-like clamping device.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the probe arrangement according to the invention which is suitable for working with probes without a cantilever, such as tunnel current or near-field probes.
  • the Probe arrangement 8 likewise has a hollow, cylindrical housing 10, the end 11 of which, however, comprises four openings 26 and a smaller central opening 27.
  • the disks 13, 14 are provided, in which, in addition to the flexoscope 15, the electrical probe 28 or its feed line, which protrudes from the end 11 through the small central opening 27, is guided in the center.
  • the disks 13, 14 have further openings 23 and, as in the exemplary embodiment according to FIG. 2b, additional components can be fixed in these openings.
  • the flexoscope 15 can also be mounted in the disks in such a way that the flexoscope, and possibly also the other devices in the openings 23, are moved through the openings 26 via an additional drive.
  • Figs. 4a to 4c show a further exemplary embodiment of the probe arrangement according to the invention, which is suitable for examining the side walls of elongated cavities, such as walls of bores or also in the walls of blood vessels.
  • a needle probe is used at the free end of a cantilever 20, the associated cantilever chip 19 in this case, however, not being attached to the end face of the housing 10 but to the lateral surface of a somewhat differently shaped housing 29.
  • the housing 29 in turn has two ends 11, 12, the end 12 being identical to that of FIG. 2 with a thread 22.
  • An opening 31 for the field of view of the flexoscope 15 is made in the end face of the end 11 of the housing 29.
  • an opening 30 or an incision is provided in the outer surface of the housing 29.
  • an obliquely downward surface is provided in the incision of the housing 29, which receives a deflecting mirror 32.
  • two fiber optics or light guides 33, 34 are guided, which are part of a distance measuring device, the optical fiber 34 serving as a light source and the fiber 33 receiving the reflected light.
  • a step 35 is milled, to which the cantilever chip 19 is fastened with a cantilever 20 and needle probe.
  • the milled step 35 is at an angle of 20 ° to the housing axis, which corresponds to a normal value when scanning with inclined cantilevers.
  • the cantilever chip 19 is fastened in the recess 35, for example by gluing.
  • the multi-fiber arrangement for the optical distance measurement was chosen because the use of the mirror 32 extends the optical path and makes the adjustment of the optical axis considerably more difficult.
  • a further flexoscope 36 is provided, in the field of view of which the cantilever 20 with the probe is located.
  • the other flexoscope 15 enables control of the position of the probe arrangement in the cavity to be examined.
  • the further openings 23 and 37 in the disk 13 and correspondingly in the disk 14 serve, as before, to accommodate a further flexoscope for generating a stereo view or additional light sources and fiber optics.
  • a flexoscope was used as the observation device.
  • other observation devices such as a micro-optical image recording device with an adjustable image plane, the cantilever chip being fastened relative to the image recording device such that the probe is located in the optical image plane.
  • an optical reflection measuring system was used for the distance device, of course there are other possibilities, such as an optical interference measuring system or a capacitive measuring system.
  • the holder preferably has the tubular housing provided with openings at both ends and disks are used as fixing elements.
  • Other fixing elements e.g. Shell elements and / or clamping elements are provided which clamp and fix the components and / or supply lines required for the probe arrangement.
  • the scanning probe instrument 1 has a housing 2 and a hollow needle 3 attached to the housing. At the Three linear stepper motors 4 are arranged in the housing, of which only two can be seen.
  • the housing 6 of a three-coordinate scanner 5 is attached to the non-illustrated moving parts of the motors 4, in the present case the scanner as
  • Tube scanner is formed.
  • the scanner 5 with the probe arrangement 8 attached to it is accommodated in the housing 2 of the scanning probe instrument 1 in such a way that the probe arrangement 8 is in its starting position completely inside the hollow needle 3 and with the help of the motors 4 a longitudinal movement in the hollow needle 3 can be realized in this way that the end of the probe arrangement 8 with a probe arranged thereon, described later, protrudes from the hollow needle 3.
  • the end 9 of the hollow needle 3 is brought into mechanical contact with the surface of the tissue to be examined.
  • the motors 4 then advance the probe arrangement in the direction of the end 9 of the hollow needle 3 with simultaneous optical control until contact of the probe arranged on the probe arrangement 8 with the tissue to be examined is registered.
  • the standard sequence of movements on the surface to be examined is then carried out with the aid of the scanner 5.
  • the motors 4 move the probe arrangement 8 back into the starting position, after which the hollow needle del 3 from the area of the examining tissue, ie can be removed from the body.
  • the probe arrangement is connected to a scanner which forms part of the scanning probe instrument and with which the object is scanned.
  • the probe arrangement is connected to a fixed base of the scanning probe instrument and that the object is attached to the scanner.
  • microscopic device includes the microscopic observation and distance measuring device mentioned above, as well as illumination and imaging devices and other optoelectronic devices that use optical fibers and / or fiber optics.

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Abstract

Es wird eine Sondenanordnung für ein Rastersondeninstrument mit einer Halterung zur Aufnahme und Befestigung mindestens einer Sonde vorgeschlagen. Die Halterung weist in ihrer Gesamtheit eine längliche Form auf, wobei sie ein Distanzstück für die Sonde bildet und an einem Ende mit einem Ankoppelelement zum Verbinden mit dem Rastersondeninstrument versehen ist. Die Sonde ist am anderen Ende der Halterung angeordnet. An und/oder in der Halterung sind mindestens eine für die Funktion der Sonde notwendige Zuleitung und/oder mindestens eine mikrooptische Vorrichtung aufgenommen und befestigt.

Description

Sondenanordnung für ein Rastersondeninstrument
Die Erfindung betrifft eine Sondenanordnung für ein Rastersondeninstrument .
Üblicherweise werden Rastersondeninstrumente zur 0- berflächenuntersuchen bzw. -modifizierung speziell vorbereiteter Proben verwendet, welche direkt auf der Scanneinrichtung des Sondeninstruments, z.B. eines Sondenmikroskops fixiert werden. Dabei müssen Abmaße und Konfiguration dieser Proben den Gegebenheiten des Scanners angepasst werden, was die Anwendbarkeit dieser Vorrichtungen stark einschränkt. Üblicherweise betragen die Probenabmaße maximal einige Zentimeter, ihre Masse maximal einige zehn Gramm. Proben mit Massen von mehr als 100 g sowie mit geometrisch inhomogenen Oberflächen lassen sich damit nicht untersuchen.
Als Alternative zur Fixierung der Probe auf dem Scan- ner kann die Sonde am Scanner befestigt werden und so die zu untersuchenden Oberflächen gescannt werden. Damit lassen sich auch größere Objekte untersuchen. Es bleibt jedoch das Problem der Begrenzung des geo- metrischen Profils der Oberfläche, d.h. die charakteristischen Abmessungen in der Scannebene müssen genügend groß und der Abstand an die Möglichkeiten des Scanners angepasst sein, um die Arbeit des Scanners mit daran befindlichen Sonde zu ermöglichen. Derarti- ge Einrichtungen werden daher lediglich bei Untersuchungen von Objekten mit größeren ebenen geometrischen Ausprägungen, wie z.B. bei der Untersuchung von Wafern in der Halbleiterindustrie ihre Anwendung.
Ein Rastersondenmikroskop mit Scanner und Sonde ist in der DE 198 41 931 offenbart. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sondenanordnung für Rastersondeninstrumente zu schaffen, mit der es möglich ist, die Einsatzmöglichkeiten für Rastersondeninstru- mente erheblich zu erweitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Dadurch, dass die Sondenanordnung eine lang gestreckte Halterung zur Aufnahme und Befestigung mindestens einer Sonde, und mindestens einer für die Funktion der Sonde notwendige Zuleitung und/oder einer mikrooptischen Vorrichtung bzw. deren Teile aufweist und die Halterung der Sondenanordnung weiterhin ein Ankoppelelement zum Verbindung mit dem Rastersondeninstrument aufweist, wobei die Sonde am vom Ankoppelelement entfernt liegenden Ende der Halterung angeordnet ist, wird ein Zusatzelement für ein Rasterson- deninstrument zur Verfügung gestellt, das den Abstand der Sonde von der Scanneinrichtung vergrößert, d.h. ein Distanzstück bildet, wodurch einerseits ein Zugang der Sonde zu einer zu untersuchenden bzw. zu modifizierenden Oberfläche ermöglicht wird, aber andererseits jegliche unerwünschte Rückwirkung mechani- scher, elektromagnetischer oder -statischer Art vom untersuchten Objekt auf die Scanneinrichtung verhindert wird.
Unter lang gestreckt soll verstanden werden, dass die Halterung in der einen Abmessung sehr viel größer als in der anderen ist und dass die Enden an der längsten Ausdehnung vorgesehen sind, wobei „lang gestreckt" sowohl gerade als auch gekrümmte Halterungen bezeichnen soll.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Durch das Einfügen der Sondenanordnung als Verlänge- rungsvorrichtung in das Rastersondeninstrument kann das Rastersondeninstrument zur Untersuchung und Analyse von Oberflächeneigenschaften beliebiger Materialien bei eingeschränkter Zugänglichkeit zum Untersu- chungsobjekt z.B. an Oberflächen in Vertiefungen,
Hohlräumen, Bohrungen, Löchern und anderen Oberflächen mit komplizierten Profilen eingesetzt werden. Insbesondere können mit dem mit der erfindungsgemäßen Sondenanordnung versehenen Rastersondensondeninstru- ment medizinisch-biologische Untersuchungen und Analysen biologischer Gewebe in vivo, so z.B. von Knorpelgewebe oder physikalisch-chemische Interaktionen mit diesem Gewebe im Gelenk oder Körperhohlräumen durchgeführt werden.
Weiterhin ist diese erfindungsgemäße Sondenanordnung zum Einsatz in Verbindung mit Koordinatenmessmaschi- nen oder Profilometern geeignet, wodurch sich deren Möglichkeiten zur Analyse von Oberflächenqualitäten bearbeiteter Teile erheblich erweitert.
Die erfindungsgemäße Sondenanordnung kann in standardmäßigen Rastersondenmikroskopen verwendet werden, wodurch die Untersuchungen von Objekten mit komplizierten Profilen ermöglicht werden, wobei auch eine Modifizierung der Oberflächen mit nanometrischer bzw. submikrometrischer Genauigkeit gegeben ist.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für ein mit der erfindungsgemäßen Sondenanordnung versehenes Rastersonden- instrument besteht darin, dass es in Werkzeugwechselvorrichtungen moderner CNC-Bearbeitungsmaschinen integriert werden kann, wodurch eine entsprechende 0- berflächenanalyse unmittelbar nach der Bearbeitung ermöglicht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Rastersondeninstruments mit Scanner und der erfindungsgemäßen Sondenanordnung, teilweise geschnitten,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Sondenanordnung in der Gesamtansicht (Fig. 2a) und mit vergrößerter Ansicht des vorderen Endes (Fig. 2b), sowie einer vergrößerten Ansicht der Befestigung eines Cantileverchips (Fig. 2a) , Fig. 3 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sonde in Gesamtdar- Stellung (Fig. 3a) und in vergrößerter Darstellung der Spitze (Fig. 3b), und
Fig. 4 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sondenanordnung in Gesamtdarstellung (Fig. 4a), in vergrößerter Darstellung des Spitzenbereichs (Fig. 4b) und in vergrößerter Darstellung des Spitzenbereiches in einer Perspektive von unten ge- sehen (Fig. 4c) ,
Fig. 5 eine Teilansicht eines Rastersondeninstruments mit Scanner entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 1 ist schematisch ein Rastersondeninstrument 1 dargestellt, das einen Scanner 40 und eine daran lösbar befestigte erfindungsgemäße Sondenanordnung 8 aufweist. Die Sondenanordnung 8 weist eine lang ge- streckte Form auf und sie ermöglicht dadurch eine Untersuchung in einer Vertiefung 41. In der Darstellung nach Fig. 1 ist die Sondenanordnung in einer geraden lang gestreckten Form dargestellt, sie kann jedoch auch gekrümmt sein.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sondenanordnung beschrieben. In Fig. 2a und 2b ist eine Sondenanordnung dargestellt, wie sie bei einem Rastersondeninstrument nach Fig. 1 verwendet werden kann. Die Sondenanordnung 8 weist ein als Hohlzylinder ausgebildetes Gehäuse 10 mit zwei offenen Enden 11, 12 auf, die den Hohlraum des Gehäuses 10 mit dem äußeren Raum verbinden. Innerhalb des Gehäuses 10 sind zwei Scheiben 13, 14 mit Öffnungen angeordnet, die zusammen mit dem Gehäuse eine lang gestreckte Halterung für die an das Ende 11 der Sondenanordnung 8 geführten Bestandteile von in der Sondenanordnung verwendeten Vorrichtungen dienen.
Diese Vorrichtungen sind beispielsweise eine mikroop- tische Beobachtungsvorrichtung, die im vorliegenden Fall als lang gestrecktes sogenanntes Flexoskop 15 (flexibles Endoskop) ausgebildet ist. Das Flexoskop 15 ist durch die kreisrunden Löcher oder Öffnungen der Scheiben 13, 14 geführt, wobei sein Beobachtung- sende in der Nähe des Endes 11 des Gehäuses 10 angeordnet ist. Das Flexoskop 15 wird durch das offene Ende 12 aus der Sondenanordnung 8 herausgeführt und ist mit den entsprechenden Bestandteilen der Beobachtungsvorrichtung in dem Rastersondeninstrument ver- bunden.
Eine weitere, in der Sondenanordnung 8 enthaltene Vorrichtung ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung, die als faseroptische Reflexionsmesseinrichtung 16 ausgebildet ist. Auch die Faseroptik, d.h. ein Lichtleiter bzw. optische Messfasern der Abstandsmessein- richtung ist durch Öffnungen in den Scheiben 13, 14 geführt und wird darin ortsfest gehalten. Im Innenraum des Gehäuses 10 befindet sich als Teil des Ge- häuses ein hohles Element 17, dessen Ende 18 zur Befestigung eines Cantileverchip 19 dient. Der Cantile- verchip 19 trägt einen Cantilever, der mit einer Nadelsonde (Fig. 2b) versehen ist, die dem zu untersuchenden Objekt zugewandt ist. Der Cantilever 20 liegt der Stirnfläche 21 der Faseroptik der Abstands ess- vorrichtung gegenüberliegt. Am Ende 12 ist das Gehäuse 8 mit einem Gewinde 22 versehen, das als Ankoppelelement an das Rastersondeninstrument bzw. den dazu gehörigen Scanner dient. Selbstverständlich können andere Ankoppelelemente vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Teil eines Baj onettverschlusses .
Fig. 2b zeigt eine vergrößerte Darstellung des Endes 11 der Sondenanordnung 8, bei der die Anordnung des Cantileverchips 19 sowie die Lage des Flexoskops 15 und der Faseroptik 16 innerhalb des Gehäuses 10 anschaulicher dargestellt ist. Diese sind so befestigt, dass sich der Cantilever 20 zum einen im Sehfeld der optischen Ebene des Flexoskops 15 und zum anderen innerhalb der Apertur der Faseroptik 16 in einem Abstand befindet. Die Faseroptik erfasst mit ihrer Stirnfläche 21 das vom Cantilever 20 zurück gestreute Licht, das ein Maß für den Abstand zwischen der Stirnfläche 21 und dem Cantilever 20 ist. Die Intensitätsänderungen durch Bewegen der mit dem Cantilever verbundenen Nadelsonde auf dem Objekt, z.B. der Bewegung, wird durch Intensitätsänderung des vom Cantilever 20 zurückgestrahlten Lichts erfasst.
Die Scheiben 13 und 14 der Halterung weisen zusätzliche Öffnungen 23, 24, 25 auf, die zur Befestigung und Führung eines zusätzlichen Flexoskops, durch das ein Stereosichtsystem realisiert werden kann, sowie zur Befestigung einer weiteren, als Beleuchtungsquelle dienenden Faseroptik benutzt werden können. Diese Öffnungen können jedoch auch für andere Zwecke vorgesehen werden, z.B. zur Aufnahme von Kapillarröhren, mit denen während der Untersuchung Lösungen auf das Untersuchungsobjekt pipettiert oder dispensiert werden. Die Öffnung 25 kann zur Aufnahme weiterer opti- scher Fasern, entweder zum Betreiben anderer Sondenarten oder als Hilfskapillaren verwendet werden.
In der obigen Ausführungsform bilden das Gehäuse 10 und die Scheiben 13, 14 die Halterung für das Flexoskop, und die Faseroptik sowie für das Element 17. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist jedoch auch denkbar, dass eine andere lang gestreckte bzw. längliche Halterung, z.B. ein Stab mit daran befestigten Fixierelementen verwendet wird. Wichtig ist, Sonde und Scanner beabstandet sind, damit auch in Vertiefungen gemessen werden.
In Fig. 20 ist ein Ausführungsbeispiel einer Sonde mit Cantilever und Cantileverchip dargestellt. Der Cantileverchip 42 verbunden sind und in das Innere des rahmenförmigen Teils hineinragen. An den balken- förmigen Cantilevern 43 sind Messer 44 oder Nadeln zum Abtasten des Objektes angeordnet. Der Rand des Cantileverchips wird von einer Klemmvorrichtung 46 mit vier Backen 45 gehalten, derart, dass der Chip 42 beispielsweise bei Beschädigung ausgetauscht werden kann. Dazu weist der Rand des Cantileverchips 42 schräge Flächen auf, die von den Backen 45 übergrif- fen werden. Innerhalb der hülsenartigen Klemmvorrichtung erstrecken sich die Messfasern 47 der Abstands- messvorrichtung, deren Enden den Balken 43 gegenüberliegen.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sondenanordnung dargestellt, die für die Arbeit mit Sonden ohne Cantilever geeignet ist, wie z.B. Tunnelstrom- oder Nahfeldsonden. In der Figur ist eine Möglichkeit der Verwendung einer e- lektrisch leitenden Sonde zur Messung eines Tunnelstroms dargestellt. In dieser Realisierung weist die Sondenanordnung 8 gleichfalls ein hohles, zylinder- formiges Gehäuse 10 auf, dessen Ende 11 jedoch vier Offnungen 26 und eine kleinere Mitteloffnung 27 um- fasst. Auch in diesem Ausfuhrungsbeispiel sind die Scheiben 13, 14 vorgesehen, in denen neben dem Flexoskop 15 die elektrische Sonde 28 bzw. deren Zuleitung mittig gefuhrt ist, die aus dem Ende 11 durch die kleine Mitteloffnung 27 hervorragt. Auch in diesem Ausfuhrungsbeispiel weisen die Scheiben 13, 14 weitere Offnungen 23 auf und es können wie in Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 2b zusatzliche Bauelemente in diesen Offnungen fixiert werden. Das Flexoskop 15 kann auch so in den Scheiben gelagert sein, dass über einen zusatzlichen Antrieb eine Verschiebung des Fle- xoskops, gegebenenfalls auch der weiteren Vorrichtungen in den Offnungen 23 durch die Offnungen 26 durchgeführt werden.
In den Fign. 4a bis 4c ist ein weiteres Ausfuhrungs- beispiel der erfindungsgemaßen Sondenanordnung dargestellt, die zur Untersuchung von Seitenwanden länglicher Hohlräume geeignet ist, wie z.B. Wandungen von Bohrungen oder auch von in den Wanden von Blutgefäßen. In diesem Fall wird ebenso wie in Fig. 2 eine Nadelsonde am freien Ende eines Cantilevers 20 verwendet, wobei der zugehörige Cantileverchip 19 in diesem Fall jedoch nicht an der Stirnflache des Gehäuses 10 sondern an der Mantelflache eines etwas anders ausgeformten Gehäuses 29 angebracht ist. Das Ge- hause 29 weist wiederum zwei Enden 11, 12 auf, wobei das Ende 12 identisch zu dem der Fig. 2 mit Gewinde 22 ausgebildet ist. In der Stirnflache des Endes 11 des Gehäuses 29 ist eine Öffnung 31 für das Sehfeld des Flexoskops 15 eingebracht. Weiterhin ist eine Öffnung 30 bzw. ein Einschnitt in der Mantelflache des Gehäuses 29 vorgesehen. Wie besser aus Fig. 4b und Fig. 4c zu erkennen ist, ist in dem Einschnitt des Gehäuses 29 eine schräg nach unten gerichtete Fläche vorgesehen, die einen Umlenkspiegel 32 aufnimmt. In den Scheiben 13 und 14 sind zwei Faseropti- ken oder Lichtleiter 33, 34 geführt, die Bestandteil einer Abstandsmessvorrichtung sind, wobei die optische Faser 34 als Lichtquelle dient und die Faser 33 das reflektierte Licht aufnimmt. Gleichfalls an der unteren Mantelfläche des Gehäuses 29 am Ende 11 ist eine Stufe 35 eingefräst, an der der Cantileverchip 19 mit Cantilever 20 und Nadelsonde befestigt ist. Die gefräste Stufe 35 steht unter einem Winkel von 20° zur Gehäuseachse, was einem üblichen Wert beim Scannen mit geneigten Cantilevern entspricht. Der Cantileverchip 19 ist in der Vertiefung 35 z.B. durch Kleben befestigt.
Die Austrittsflächen der optischen Fasern 33, 34 stehen dem Umlenkspiegel 32 gegenüber und der Cantile- verchip 19 ist zu dem Umlenkspiegel und den optischen Fasern 33, 34 so angeordnet, dass das Licht aus der Faser 34 vom Spiegel 32 auf die Reflexionsfläche des Cantilevers umgelenkt und danach wieder über den Spiegel 32 auf die Eintrittsöffnung der Empfangsfaser 33 zurückgelenkt wird. Es wurde die Mehrfaseranordnung zur optischen Abstandsmessung gewählt, da die Verwendung des Spiegels 32 den optischen Weg verlängert und die Justierung der optischen Achse erheblich erschwert .
Wie aus der vergrößerten Darstellung des Teilschnitts des Endes 11 der Sondenanordnung gemäß Fig. 4b und Fig. 4c zu erkennen ist, ist ein weiteres Flexoskop 36 vorgesehen, in dessen Sehfeld sich der Cantilever 20 mit Sonde befindet. Das andere Flexoskop 15 ermöglicht die Kontrolle der Lage der Sondenanordnung im zu untersuchenden Hohlraum. Die weiteren Öffnungen 23 und 37 in der Scheibe 13 und entsprechend in der Scheibe 14 dienen wie zuvor zur Aufnahme eines weiteren Flexoskops zur Erzeugung einer Stereosicht oder zusätzlichen Lichtquellen und Faseroptiken.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde als Beobachtungseinrichtung ein Flexoskop verwendet. Selbstverständlich sind andere Beobachtungsein- richtungen möglich, wie z.B. eine mikrooptische Bildaufnahmevorrichtung mit einstellbarer Bildebene, wobei der Cantileverchip relativ zur Bildaufnahmevorrichtung derart befestigt ist, dass sich die Sonde in der optischen Bildebene befindet.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde ein optisches Reflexionsmesssystem für die Abstandsvorrichtung verwendet, es sind selbstverständlich andere Möglichkeiten gegeben, wie ein optisches Interferenz- messsystem oder ein kapazitives Messsystem.
Die Halterung weist vorzugsweise das rohrförmige, an beiden Enden mit Öffnungen versehene Gehäuse auf und als Fixierelemente werden Scheiben verwendet. Es kön- nen andere Fixierelemente z.B. Schalenelemente und/oder Klemmelemente vorgesehen werden, die die für die Sondenanordnung benötigten Bauelemente und/oder Zuleitungen einklemmen und festlegen.
In Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines Teilschnitts für ein Rastersondeninstrument dargestellt, bei dem die erfindungsgemäße Sondenanordnung verwendet wird und das für das Scannen biologischer in vivo in Hohlräumen biologischer Organismen vorgesehen ist. Das Rastersondeninstrument 1 weist ein Gehäuse 2 und eine an dem Gehäuse befestigte Hohlnadel 3 auf. Am Gehäuse sind drei lineare Schrittmotoren 4 angeordnet, von denen nur zwei zu sehen sind. An den nicht dargestellten beweglichen Teilen der Motoren 4 ist das Gehäuse 6 eines Dreikoordinatenscanners 5 ange- bracht, wobei im vorliegenden Fall der Scanner als
Röhrchenscanner ausgebildet ist. An der Stirnfläche 7 des Scanners 5 ist die lang gestreckte Sondenanordnung 8 befestigt, die in ihren Ausführungsformen in den Fign. 2 - 4 dargestellt ist, wobei bei dem Ras- tersondeninstrument nach Fig. 5 die Ausführung der
Sondenanordnung nach Fig. 2 verwendet wird. Der Scanner 5 mit der daran befestigten Sondenanordnung 8 ist im Gehäuse 2 des Rastersondeninstrumentes 1 so untergebracht, dass sich die Sondenanordnung 8 in ihrer Ausgangslage vollständig innerhalb der Hohlnadel 3 befindet und mit Hilfe der Motoren 4 eine Längsbewegung in der Hohlnadel 3 in der Art realisierbar ist, dass das Ende der Sondenanordnung 8 mit einer daran angeordneten, später beschriebenen Sonde aus der Hohlnadel 3 herausragt.
Nach Einführung der Hohlnadel in das Untersuchungsgebiet unter optischer Kontrolle mit Hilfe des in der Sondenanordnung 8 vorgesehenen Flexoskops wird das Ende 9 der Hohlnadel 3 in mechanischen Kontakt mit der Oberfläche des zu untersuchendes Gewebes gebracht. Die Motoren 4 schieben dann unter gleichzeitiger optischer Kontrolle die Sondenanordnung in Richtung des Endes 9 der Hohlnadel 3 vor, bis ein Kontakt der an der Sondenanordnung 8 angeordneten Sonde mit dem zu untersuchenden Gewebe registriert wird. Danach wird mit Hilfe des Scanners 5 die standardmäßige Abfolge von Bewegungen auf der zu untersuchenden Oberfläche durchgeführt. Nach Beendigung der Untersuchung bewegen die Motoren 4 die Sondenanordnung 8 in die Ausgangslage zurück, wonach die Hohlna- del 3 aus dem Bereich des untersuchenden Gewebes, d.h. aus dem Körper entfernt werden kann.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Sondenanordnung mit einen Bestandteil des Rasterson- deninstrument bildenden Scanner verbunden, mit dem das Objekt abgescannt wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Sondenanordnung mit einer feststehenden Basis des Rastersondeninstruments verbunden ist und das Objekt an dem Scanner angebracht ist.
Unter den Begriff mikroskopische Vorrichtung fallen die schon oben erwähnten mikroskopische Beobachtungsund Abstandsmessvorrichtung sowie Beleuchtungs- und Abbildungsvorrichtungen und andere optoelektronische Vorrichtungen, die Lichtleitfasern und/oder Faseroptiken verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Sondenanordnung für ein Rastersondeninstrument mit einer Halterung (10, 13, 14) zur Aufnahme und Befestigung mindestens einer Sonde, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung in ihrer Ge- samtheit eine längliche Form aufweist, wobei sie ein Distanzstück für die Sonde bildet und an einem Ende mit einem Ankoppelelement (22) zum Verbinden mit dem Rastersondeninstrument versehen ist und die Sonde am anderen Ende der Halterung angeordnet ist und dass an und/oder in der Halterung mindestens eine für die Funktion der Sonde notwendige Zuleitung und/oder mindestens eine mikrooptische Vorrichtung aufgenommen und befestigt sind.
2. Sondenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrooptische Vorrichtung eine mit einem Erfassungsbereich versehene Beobachtungsvorrichtung ist, wobei die mikroskopische Vorrichtung derart an und/oder in der Hal- terung befestigt ist, dass der Erfassungsbereich in der Nähe der Sonde angeordnet ist.
3. Sondenanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Messbereich versehene Vorrichtung zur Abstands- messung in der Halterung aufgenommen ist, derart, dass der Messbereich der Vorrichtung zur Abstandsmessung (16) in der Nähe der Sonde (19, 20) sicher festgelegt ist.
4. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung ein lang gestrecktes, hohles Gehäuse (10) mit einem ersten und einem zweiten offenen Ende (11, 12) an der längsten Ausdehnung aufweist, wobei die Sonde (19, 20) am ersten offenen Ende (11) und das Ankoppelelement (22) am zweiten offenen Ende (12) angeordnet ist.
5. Sondenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Sonde (19, 20) außerhalb des Gehäuses (10) , jedoch innerhalb einer äußeren Projektion der Öffnung des ersten Endes (11) sowie in der Objektebene der mikrooptischen Beobachtungsvorrichtung (15) angeordnet ist.
6. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (20) an einem Cantileverchip (19) angeordnet ist, der an der Halterung (10) befestigt ist.
7. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde eine Spitze besitzt.
8. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstands- messvorrichtung als optische Interferenzvorrich- tung, optische Reflexionsmessvorrichtung (16, 33, 34) oder kapazitive Messvorrichtung ausgebildet ist.
9. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstands- messvorrichtung mindestens eine Faseroptik (16, 33, 34) aufweist.
10. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Beobachtungsvorrichtung als bewegliches Endoskop (15, 36) ausgebildet ist.
11. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrooptische Beobachtungsvorrichtung als Bildaufnahmevorrichtung mit einstellbarer Bildebene ausgebildet ist.
12. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde als elektrisch leitende Sonde (28), wie als Nahfeldoder Tunnelstromsonde ausgebildet ist.
13. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mikrooptische Beobachtungsvorrichtung und/oder Ab- standsmessvorrichtungen vorgesehen sind.
1 . Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der lang ge- streckten Halterung zusätzliche faserförmige Beleuchtungsvorrichtungen oder Kapillarröhren befestigt sind.
15. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung mit Löchern (23, 25) versehene Scheiben (13, 14) zur Führung und Feststellung von Bestandteilen der einzelnen Vorrichtungen bildenden Leitungen aufweist .
16. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung mindestens eine Klemmvorrichtung zum Festlegen von Bestandteilen der einzelnen Vorrichtung aufweist .
17. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever- chip rahmenförmig ausgebildet ist und mindestens ein balkenförmiger Cantilever mit Nadel oder Messer in den Rahmen hineinragen und dass eine hülsenförmige Klemmvorrichtung den Rahmen lösbar festklemmen.
18. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) am vom Ankoppelelement (22) entfernt liegenden Ende (11) mehrere Öffnungen (26, 27) aufweist .
19. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankoppelelement ein Gewinde (22) oder Teil eines Bajonettverschlusses ist.
20. Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung (30) im Bereich des vom Ankoppelelement entfernt liegende Ende (11) in der Gehäusewand vorgesehen ist und dass die Abstandsmessvorrichtung einen Umlenkspiegel (32) und mindestens zwei Faserlei- tern (33, 34) umfasst, wobei der Umlenkspiegel (32) in der Nähe der Öffnung (30) derart angeordnet ist, dass ein durch einen Faserleiter (34) gesandter Lichtstrahl auf einen Cantilever des an der Gehäusewand befestigten Cantilever- chip (19) fällt, dort reflektiert und vom Umlenkspiegel (32) umgelenkt wird und in die Eintrittsöffnung des anderen Faserleiters (33) fällt.
21. Rastersondeninstrument zur Untersuchung, Analyse und Bearbeitung von Objekten mit einer Sondenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
22. Rastersondeninstrument nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Relativbewegung zwischen der Sondenanordnung und einem zu untersuchenden Objekt vorgesehen ist.
23. Rastersondeninstrument nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Steue- rung der Relativbewegungen sowie eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung zur Bestimmung der Charakteristika des zu untersuchenden Objekts auf Basis der gemessenen Abstände vorgesehen sind.
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