WO2023143670A1 - System and method for contactlessly ascertaining the electric potential of a sample - Google Patents

System and method for contactlessly ascertaining the electric potential of a sample Download PDF

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WO2023143670A1
WO2023143670A1 PCT/DE2023/100056 DE2023100056W WO2023143670A1 WO 2023143670 A1 WO2023143670 A1 WO 2023143670A1 DE 2023100056 W DE2023100056 W DE 2023100056W WO 2023143670 A1 WO2023143670 A1 WO 2023143670A1
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WO
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sample
electrode
bending
actuator unit
vibration
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PCT/DE2023/100056
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Thomas Dittrich
Michael Franke
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Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12Measuring electrostatic fields or voltage-potential
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/16Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using capacitive devices
    • G01R15/165Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using capacitive devices measuring electrostatic potential, e.g. with electrostatic voltmeters or electrometers, when the design of the sensor is essential

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for contactless determination of an electrical potential of a sample.
  • Such a sample can be a semiconducting component, for example.
  • semiconducting components such as photodetectors or field effect transistors
  • the diffusion length of minority charge carriers is decisive for the performance of the component.
  • non-contact methods are generally used, in particular photoluminescence measurements or surface photovoltage measurements.
  • an electrode is brought close to the component whose diffusion length is to be examined in order to form an electric plate capacitor with it.
  • An electrical potential is then induced in the component, for example by irradiation with suitable electromagnetic radiation.
  • the component and the electrode which each form plates of the plate capacitor, are then moved relative to one another in such a way that the distance between the plates changes, a current that changes over time is induced in the electrode.
  • This current can be controlled to zero by applying an electrical voltage, the electrical voltage being indicative of the electrical potential of the component.
  • an oscillating capacitor is known from DE 3438546 A1.
  • the movements of an oscillating electrode in relation to a stationary electrode are excited via a piezoceramic.
  • the piezo ceramic is driven by an oscillator, which is followed by a controller, a compensation voltage generator, an integrator and a current-sensitive lock-in amplifier.
  • the mean electrode distance between the oscillating electrode and the stationary electrode can be set with the controller.
  • a DC voltage is superimposed by means of the controller on the AC voltage generated by the oscillator, which excites the oscillating electrode.
  • this oscillating capacitor can only determine changes in the electrical potential, it is only suitable for determining sufficiently low-frequency components of the electrical potential of the sample. In particular, the time-constant component of the electrical potential can be determined with this oscillating capacitor.
  • the circuit disclosed in DE 102019 117 989 B3 makes it possible to determine both the time-variable and the time-constant component of the electrical potential.
  • the disadvantage remains that the Prior art known oscillating capacitors in relation to a mean electrode spacing ensures only relatively small deflections of the two electrodes to one another, because larger deflections ensure more significant changes in the measured variables indicative of the determination of the electrical potential.
  • relatively high control powers are required for the actuator unit used in each case, so that they can contribute to an increased measurement error with corresponding electromagnetic interference fields, provided these act in the area between the electrodes.
  • the present invention is based on the object of providing a system and a method for contactless determination of the electrical potential of a sample, which is improved in each case with regard to the problems described above.
  • a first aspect of the invention relates to a system for contactless determination of an electrical potential of a sample, the system comprising an actuator unit which is operatively connected to a flexible body along a first direction.
  • the flexible body is also operatively connected to a counterweight that is suspended resiliently or elastically with the system and extends along an axis in a second direction.
  • the connection with at least the counterweight forms the suspension, also referred to as attachment of the bending body.
  • the bending body is fastened in such a way that the ends lying in the direction of extension (along the axis) swing freely, i.e. the bending body is in particular not fastened at one end.
  • the bending body has an electrode which extends at least along the second direction.
  • the system is set up so that the electrode can be arranged in relation to a sample at a distance along the first direction.
  • the actuator unit is designed to excite the bending body to a bending vibration with an adjustable frequency around the axis, so that the distance between an arranged sample and the electrode varies over time with the adjustable frequency due to the bending vibration, so that a time-varying electrical Signal can be detected, based on which the electrical potential of the sample can be determined.
  • the bending vibration about the axis means a deflection perpendicular to this axis, the axis coinciding with the extension direction of the flexible body at rest.
  • the electrical potential, which can be determined by means of the system according to the invention, of the sample separate from the system can be both constant over time and variable over time Contain components, both components and their sum can be determined by the system.
  • the actuator unit is preferably designed and set up to generate vibrational energy and, in particular, to transmit it to the flexible body, so that the flexible body can be excited to perform a flexible vibration. Furthermore, the actuator unit is preferably operatively connected to the flexible body by a rigid connection, for example by a metal bolt. Such a connection advantageously achieves a strong, direct coupling between the actuator unit and the flexural body, so that at a given excitation amplitude, the actuator transfers the vibration energy generated in this way into the flexural body with almost no loss in order to excite the latter to flexural vibration.
  • the excitation amplitude of the actuator can advantageously be kept low, so that correspondingly small electromagnetic stray fields, possibly generated by the actuator, which radiate into the area of the electrode and the sample and can contribute to a measurement error of the electrical potential of the sample to be determined, are advantageously minimized become.
  • the actuator unit can excite the bending body to flexural vibration by pushing the bending body back and forth.
  • the bending body is also operatively connected to a spring-loaded or elastically suspended counterweight.
  • the counterweight and the actuator unit are preferably rigid, for example via a metallic bolt, or also directly connected to one another.
  • the counterweight itself which can also include a housing or a sensor head surrounding the actuator unit at least in sections, is however suspended resiliently or elastically according to the invention. It can be suspended from the housing or from another part of the counterweight on the system.
  • This resilient or elastic suspension leads to an intended impedance mismatch between the counterweight, which is preferably rigidly connected to the actuator unit, and an area surrounding the flexible body, to which the flexible body is connected in a resilient or elastic manner via bolts, actuator unit and counterweight.
  • the system can be configured by a suitable choice of counterweight, bending body and resilient/elastic suspension in such a way that the bending vibration with minimal excitation by the actuator unit and acceptable energy dissipation from the system causes a maximum deflection of the bending vibration of the Resulting in bending body.
  • the counterweight can be suspended via a spring element, such as a spring, for example.
  • the electrode can be, for example, a substantially planar electrode, with one surface of the electrode being orientable substantially parallel to the sample and relative to it, so that the electrode forms a plate capacitor with the sample or a surface of the sample, with a first plate of the plate capacitor being formed by the electrode and a second plate of the plate capacitor is given by the sample.
  • a distance between the two plates is modulated over time, so that in particular a capacitance of the plate capacitor experiences a corresponding modulation over time. This can be used advantageously to determine the electrical potential of the sample.
  • the sample can include or be a metal or a semiconductor, for example.
  • the electrode is arranged in a region of a first antinode of the flexural body caused by the flexural oscillation.
  • This area can in particular include an area of a maximum deflection of the flexible body relative to its rest position, which occurs during the bending vibration of the flexible body. In its rest position, the bending body extends essentially along said axis along the second direction.
  • the distance between the electrode and the sample is variable over the entire deflection of the flexure. A higher degree of accuracy in determining the electrical potential of the sample is thus advantageously achieved if the determination is based on a change in the capacitance of said plate capacitor over time.
  • the actuator unit is operatively connected to the flexible body and the counterweight in a contact area, a vibration node of the flexible body that occurs when a bending vibration is present.
  • the counterweight can be connected to the bending beam via the actuator unit.
  • the contact area thus includes an area of minimal deflection of the flexible body during bending vibration about the axis, which also includes the node of vibration.
  • a vibration node is the infinitesimally small area that is predetermined by the vibration behavior of the bending beam and in which there is no deflection during vibration. An excitation exclusively at this point (node) is not physically possible. In practice, however, excitation is always possible in the contact area, which has a finite size and which includes the vibration node.
  • the contact area can also include a center of gravity of the bending body.
  • the contact area is smaller than the extension of the bending body and in particular smaller than one tenth of the extension.
  • the vibration node of the flexure shifts according to the mass distribution and the distribution of the elasticity of the flexure. In the case of a symmetrical bending body, for example, the vibration node lies in the middle of the bending body.
  • the mass distribution of the flexible body can change due to components arranged on or on the flexible body.
  • the actuator unit contains a piezo element. This is preferably provided and set up to generate the bending vibration of the bending body.
  • the actuator unit is preferably arranged with the piezoelectric element in the contact area of the vibration node of the flexible body that occurs during bending vibration. Since the piezo element generates a relatively large force, especially when compared to electromagnetic actuators, with a relatively small deflection of the actuator, the piezo element develops an optimal coupling of the vibration energy generated into the bending body, especially when it is arranged in the said contact area, so that this is the case with low power of the piezo element is excited to flexural vibration with maximum deflection of the bending body.
  • the piezoelectric element can be arranged in the middle of the flexural body, so that when the flexural vibration is excited by the piezoelectric element, the flexural body is excited to perform a flexural vibration, in which the vibration node is in the area of the piezoelectric element, and the two ends of the flexural body each have an antinode in the event of a flexural vibration form with maximum deflection of the bending body.
  • the electrode can then advantageously be attached to one of the two ends of the bending body, so that it experiences the maximum deflection during bending vibration.
  • the actuator unit contains an electromagnet which is provided and set up to generate the bending vibration of the bending body.
  • the electromagnet or the actuator unit with the electromagnet is arranged in the area of the second antinode of the flexural body that occurs during flexural oscillation.
  • the electromagnet with its high deflection, in particular compared to a piezo element advantageously develops the optimal transmission of the vibration energy generated by the actuator into the bending vibration with a relatively small force.
  • the bending body preferably has, at least in sections, ideally in the area of the second antinode, a magnetic material.
  • the electrode is then preferably arranged on the first anti-node remote from the second anti-node, so that electromagnetic fields generated by the electromagnet radiate as weakly as possible into the area between the sample and the electrode, which could otherwise significantly contribute to the measurement error of the electrical potential of the sample.
  • the actuator unit is arranged in the area of a second antinode of the flexural body, which occurs during flexural oscillation and is remote from the electrode.
  • the second antinode can describe a further area with maximum deflection of the bending body in relation to its rest position.
  • the suspension of the bending body in the contact area, which includes the vibration node, remains unchanged and is not shifted in the direction of the vibration antinode.
  • the counterweight has a mass that is 3 to 10 times that of the bending body.
  • the counterweight In order to keep the vibration energy generated by the actuator unit as completely as possible in the bending body, the counterweight must ideally be selected to be as large as possible. At the same time, the system should ideally not be too heavy and compact in terms of easy handling. If the counterweight is chosen to be 3 to 10 times as heavy as the bending body, the vibration quality of the system is sufficient to determine the electrical potential of the sample, while the energy dissipation from the system to the environment remains acceptable.
  • the bending body is designed to be metallically conductive and is electrically connected to a predefined ground potential. This can be done, for example, via a conductor connected to the bending body. This measure prevents the bending body from becoming electrostatically charged, with corresponding interference fields contributing to the measurement error of the electrical potential of the sample if they act in the area between the electrode and the sample.
  • the electrode is electrically insulated from the bending body.
  • the electrode can be surrounded by a conductor element which is electrically insulated from the electrode, is conductive and runs all the way around, the conductor element in particular being electrically at ground potential, as corresponds to a next embodiment.
  • a conductor element which is electrically insulated from the electrode, is conductive and runs all the way around, the conductor element in particular being electrically at ground potential, as corresponds to a next embodiment.
  • the bending body can be 8 mm wide and the electrode can have a diameter of 5 mm.
  • a corresponding opening or bore in the bending body can then be in the range of, for example, 6 mm to 6.5 mm.
  • the electrode can be enclosed in this opening so that it is electrically isolated from the bending body and the conductor element.
  • An annular shield of the electrode over the conductor element is then formed by the edge of the flexure.
  • the conductor element and the bending body are both at ground potential and form a corresponding shield against external interference potentials.
  • the system has an electronic circuit that is designed and set up to process an electrical signal from the electrode and to determine the electrical potential of the sample.
  • the electronic circuit can have a preamplifier of the electronic circuit which is arranged on the bending body and is electrically connected to the electrode on the input side and to a downstream part of the electronic circuit on the output side.
  • This preamplifier is preferably designed, when the sample is arranged opposite the electrode, to pick up a particularly time-dependent voltage induced by the sample between the latter and the electrode, to pre-amplify it, and to provide it as a particularly time-dependent amplifier voltage on the output side at the downstream part of the electronic circuit.
  • the downstream part of the electronic circuit can have a rectifier which is electrically connected on the input side to an output of the preamplifier.
  • This is preferably designed to rectify the time-dependent amplifier voltage, in particular with the aid of the adjustable frequency of the bending vibration, and to provide the output side of the rectifier as a DC voltage indicative of the time-constant component of the electrical potential at an output of the rectifier.
  • the downstream part of the electronic circuit can have a regulator that can be electrically connected to the output of the rectifier on the input side and to the sample on the output side.
  • the regulator is preferably designed to compensate for the DC voltage present on the input side of the regulator with an inverse DC voltage, which is also indicative of the component of the electrical potential of the sample that is constant over time, and to provide it at an output of the regulator.
  • the downstream part of the electronic circuit can also have an adder electrically connected on the input side to the output of the preamplifier and to the output of the controller.
  • the summer is preferably designed to the summing the time-dependent preamplifier voltage and the inverse DC voltage to form a sum voltage and providing this at a summator output.
  • the electrode is electrically insulated from the flexible body and attached to it, with the distance between the electrode and the flexible body, which is at ground potential, being as small as possible.
  • the distance between the electrode and the sample is preferably significantly smaller than a lateral extension of the electrode even when the flexible body is in the rest position.
  • the distance between the sample and the electrode is preferably adjustable by means of the displacement unit.
  • the distance between the electrode and the sample is in particular between 0.05 mm and 0.5 mm.
  • the lateral extent can be in the range of a few millimeters, such as 2 mm to 50 mm.
  • the system can have an optional electrically conductive sample holder, which is designed to receive the sample and to fix it to the sample holder.
  • the sample holder can preferably be electrically connected to the electronic circuit.
  • the sample holder can be electrically at ground potential so that a time-dependent potential of the sample can be determined by means of the system.
  • the sample holder can be electrically connected to a test signal generator to calibrate the time-dependent potential of the sample and/or to determine an electrical potential of the sample that is constant over time and in particular a potential of the sample that is constant over time and variable over time to a voltage source.
  • the sample and the electrode can be shifted relative to one another by means of an optional shifting unit of the system.
  • an electrically insulating film is placed between the electrode and the sample.
  • the electrode is brought closer to the sample in such a way that the two are only separated from one another by the insulating film.
  • the film is chosen to be suitably thin, correspondingly small distances between sample and electrode are made possible without causing a short circuit between sample and electrode, which advantageously increases the capacitance of the plate capacitor made up of electrode and sample for determining the electrical potential of the sample.
  • a dielectric constant of the plate capacitor can also advantageously be determined by the selection of the insulating film be adjusted, which in turn is also relevant for the capacitance of the plate capacitor.
  • the bending body has an opening along the second direction, so that when a sample is arranged opposite the electrode, the sample can be irradiated with electromagnetic radiation via the opening.
  • an interaction process taking place in the sample between the radiation and the sample can be induced by the electromagnetic radiation, which in turn causes an electrical potential in the sample, so that this can be determined by the system.
  • the electrode is at least partially transparent to the electromagnetic radiation, so that when the electrode is positioned along an optical axis between the opening and the sample, the sample can continue to be irradiated with electromagnetic radiation.
  • the sample can thus advantageously be irradiated with electromagnetic radiation through the electrode, which further simplifies the adjustment and handling of the system.
  • the bending vibration of the bending body corresponds to a resonant frequency of the bending body, the resonant frequency being in the range from 500 Hz to 1000 Hz in particular.
  • the resonant frequency is determined by the geometry and the materials of the bending body. If the bending vibration is operated at the resonant frequency of the bending body, maximum deflections of the bending body are advantageously achieved with minimal vibration energy generated by the actuator unit.
  • a high vibration quality is achieved by excitation with the resonance frequency of the bending body.
  • a desired vibration amplitude of the bending body can thus be achieved with a very low excitation amplitude.
  • the electrode and the sample are displaceable relative to one another by means of a displacement unit of the system.
  • a displacement unit of the system is particularly advantageous when relatively large, in particular planar, samples are to be measured using the system, so that different areas of the sample can be measured by correspondingly displacing the electrode and the sample using the displacement unit.
  • the sample or the electrode can be shifted relative to one another in such a way that a corresponding area of the sample is arranged opposite the electrode, so that the area of the sample forms a plate capacitor with the electrode of the system.
  • the distance between the sample and the electrode can advantageously be adjusted along the first direction by means of the displacement unit.
  • the displacement unit can optionally be set up to displace the sample and electrode relative to one another in one, two and/or three spatial directions.
  • the sample and the electrode can be displaced relative to one another in such a way that the sample remains stationary while the electrode is displaced relative to the sample by means of the displacement unit.
  • this has a vacuum chamber, in particular a high vacuum chamber or an ultra-high vacuum chamber.
  • a vacuum chamber is designed in particular to support pressures of less than 300 hPa.
  • a high-vacuum chamber is set up and designed to support pressures between 10 -8 to 10 -3 hPa.
  • An ultra-high vacuum chamber is designed and configured to support pressures between 10' 11 hPa and 10' 8 hPa.
  • the term 'vacuum chamber' can also refer to the high vacuum chamber or the ultra-high vacuum chamber, respectively.
  • the vacuum chamber is preferably designed to accommodate at least the electrode and the sample that can be arranged opposite the electrode within the vacuum chamber, it being possible for the vacuum chamber to be at least partially evacuated when the sample is arranged opposite the electrode in the vacuum chamber.
  • the system can thus be operated at an adjustable system pressure.
  • partial evacuation can reduce the system pressure, for example compared to the atmospheric pressure of 1000 hPa, so that the bending vibration is exposed to a correspondingly reduced air resistance, which is advantageously reflected in a higher vibration quality of the system.
  • a second aspect of the invention relates to a method for the non-contact determination of an electrical potential, in particular a time-dependent electrical potential of a sample using the system according to the invention or one of its embodiments, having at least the following steps: i) positioning the sample opposite the electrode, ii) by means of the actuator unit, excitation of the bending body to flexural vibration with the adjustable frequency around the axis, so that the distance between the sample and the electrode is changed by the flexural vibration with the adjustable frequency, iii) in particular with the adjustable frequency of the flexural vibration, clocked irradiation of the Sample with electromagnetic radiation, in particular via the opening, so that through an interaction process taking place in the sample between the sample and the electromagnetic radiation, an electrical voltage between the sample and the electrode is modulated in particular with the adjustable frequency of the bending vibration and is indicative of the particular time-dependent electrical potential of the sample is induced, iv) by means of the electronic circuit, processing the electrical signal of the electrode and determining the electrical potential of the sample.
  • the processing of the electrical signal of the electrode and the detection of the electrical potential of the sample also has the following steps: i) using the preamplifier, preamplifying the voltage and providing the corresponding amplifier voltage at the output of the preamplifier, ii) using the rectifier , in particular with the aid of the adjustable frequency of the bending vibration, rectifying the amplifier voltage and providing the DC voltage at the output of the rectifier that is indicative of the component of the electric potential that is constant over time, iii) by means of the controller, regulating and compensating for the DC voltage applied to the controller on the input side by generating a die DC voltage compensating counter DC voltage, and providing the counter DC voltage at the output of the regulator, iv) by means of the adder, summing the indicative of the periodic and the time-constant component of the electrical potential amplifier voltage and the counter DC voltage, and providing the resulting sum voltage at the summator output.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the system according to the invention
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment with a plan view of the electrode of the system, the electrode being electrically insulated from a peripheral conductor element;
  • Fig. 4 shows a sixth embodiment of the system, wherein a
  • Preamplifier of the electronic circuit is attached to the bending body and
  • Fig. 5 is a circuit diagram of the system according to the invention and with the
  • Fig. 1 shows a first exemplary embodiment of the system 100 according to the invention for determining an electrical potential of a sample 1.
  • the system 100 shown here comprises an elongate flexural body 3 which extends essentially along an axis along a second direction 12 .
  • the flexible body 3 is operatively connected to an actuator unit 2 along a first direction 11 via a bolt 14 .
  • the actuator unit 2 is also operatively connected to a counterweight 4 here.
  • the bending body 3 can be made of metal, for example, preferably steel or stainless steel.
  • the system 100 is shown here in a section within a plane spanned by the first and the second direction 11,12. In this section, an opening 8 of the bending body 3 along its axis is visible.
  • An electrode 5 of the system 100 is arranged within this opening 8 and is electrically insulated from the bending body 3 but mechanically connected to it, the mechanical connection not being shown in this section.
  • a wall of the opening 8 forms it a peripheral conductor element 7, which will be discussed further in the context of FIG.
  • the sample can first be irradiated with electromagnetic radiation via the opening 8 so that an electrical potential is induced in the sample 1 via an interaction process of the electromagnetic radiation and the sample 1 .
  • the electrical potential can be modulated over time with a clocking of the electromagnetic radiation, so that the electrical potential also undergoes a time-dependent change that can be determined using the system 100 .
  • the electrode 5 can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation, so that the sample 1 can also be irradiated with electromagnetic radiation through the electrode 5, which considerably simplifies the adjustment effort for the irradiation.
  • the electromagnetic radiation can be, for example, electromagnetic waves, in particular electromagnetic waves with frequencies in the range from 1 THz to 30 PHz.
  • the system 100 is designed in such a way that the actuator unit 2 can excite the flexural body 3 to perform a flexural oscillation about its axis.
  • the bending vibration is indicated with arrows at the two ends of the bending body.
  • the actuator unit 2 is rigidly connected to the flexible body 3 at a contact area 6 via the bolt 14 for this purpose.
  • the contact area 6 is located here in the middle of the bending body 3 and thus, with homogeneous mass distribution within the bending body 3, comprises a center of gravity of the bending body 3.
  • the actuator unit 2 can move the bending body 3 along the first direction 11 push back and forth. So that the actuator unit 2 acts as much as possible on the center of gravity of the bending body 3, the bolt 14 can taper from the actuator unit 2 towards the bending body 3, in order to minimize the contact area 6 around the center of gravity.
  • the actuator unit 2 when the actuator unit 2 is arranged in a contact area 6 in the area of the center of gravity of the flexible body 3, the actuator unit 2 is formed by a piezoelectric element.
  • this has the advantage of developing a large force with a small deflection of the actuator unit 2 so that the vibration energy generated by the actuator unit 2 can be optimally converted into the bending vibration of the bending body 3 .
  • the actuator unit 2 or the piezo element is here surrounded by a housing 15 so that electrical interference fields emanating from the actuator unit 2 or the piezo element can be effectively shielded from the area between the sample 1 and the electrode 5 .
  • the housing 15 is preferably connected electrically via a wire 9 to at least the bolt 9, the actuator unit 2 and the bending body 3 and is connected to the predefined ground potential.
  • the actuator unit 2 is operatively connected to a counterweight 4 here.
  • the counterweight 4 is resiliently suspended, in the first exemplary embodiment shown here by means of elastic suspensions 10.
  • the elastic suspensions 10 which can contain an elastomer, for example, the vibration energy generated by the actuator unit 2 can partially flow away, so that only a part of the vibration energy enters the Bending vibration of the bending body passes. This energy drain is unavoidable because of the connection and interaction of the bending body 3 with its surroundings.
  • the environment of the bending body 3 is symbolized by a wall 13, which can be assumed to be significantly heavier than the bending body 3 and the counterweight 4 together.
  • the wall 13 can be, for example, a wall 13 of a measurement chamber of the system 100, for example a vacuum chamber. With such a vacuum chamber, the area between sample 1 and electrode 4 can then be at least partially evacuated and the electrical potential of sample 1 can be determined under appropriate conditions. It is also or additionally conceivable that the wall 13 belongs to a displacement unit of the system 100 . by means of a Such a displacement unit can then be used to move the system 100 or the electrode 5 relative to the sample 1.
  • the resilient suspension via the counterweight 4 advantageously ensures that the energy dissipation of the vibrational energy and a vibration quality of the bending vibration can be adjusted via a degree of elasticity of the elastic suspension 10 .
  • a suitable choice in particular of the masses of bending body 3 and counterweight 4 and the connections between actuator unit 2 and bending body 3 and between actuator unit 2 and counterweight 4, can result in maximum deflection of antinodes 31, 32 with minimal vibration energy generated by actuator unit 2 and at an acceptable level Energy drain from the system 100 can be achieved.
  • the mass of the counterweight 4 is preferably chosen to be 3 to 10 times as heavy as a total mass of the bending body 3 and the bolt 14 .
  • the countermass 4 then performs mechanical oscillations of the same frequency as the bolt 14 and the bending body 3, but in the opposite direction and with a deflection that is 3 to 10 times less than the deflection of the bolt 14, depending on the mass ratios.
  • the forces that the counterweight 4 exerts through its mechanical vibrations are the same as those that the bolt 14 exerts on the bending body 3 .
  • the mechanical impedance of the counterweight 4 is also corresponding to the mass ratios by 3 to 10 times greater than that of the bolt 14.
  • the elastic suspension 10 is preferably designed such that the counterweight 4, the actuator unit 2, the bolt 14 and the Vibration nodes 33 of the flexible body 3 remain sufficiently stationary along the first direction 11 so that only the antinodes 31 , 32 experience the greatest possible deflection along the first direction 11 . Due to the high impedance according to the mass ratios of the counterweight 4, which is moved only with minimal deflection but with great force, the counterweight 4, the actuator unit 2, the bolt and the bending body 3 are correspondingly withdrawn little vibrational energy. The vibration quality therefore remains advantageously high in the case of large deflections of the antinodes 31, 32, so that only low activation powers of the actuator unit 2 are required.
  • the system 100 can be operated with a piezo element at a few volts instead of with the otherwise usual drive voltages of the order of 100 volts.
  • the correspondingly low control power thus advantageously ensures weaker interference fields which, if they couple into the area between sample 1 and electrode 5, can contribute to the measurement error of the electrical potential of sample 1. Due to the low control power, the thermal power loss of the piezo element, which is the square of its control voltage, remains advantageous and linearly related to a control frequency, advantageously low, so that it is possible to work even at high control frequencies up to the kHz range.
  • the electrode 5 is arranged on one of the two antinodes 31, 32 occurring during bending oscillations, in the first exemplary embodiment shown here on the first antinode 31.
  • the electrode 5 can also be arranged on the second antinode 32, or else one electrode 5 each on an associated antinode 31, 32. Consequently, a distance along the first direction 11 between the sample 1 and the electrode 5 can be changed over almost the entire deflection of the antinode 31 in relation to the rest position of the flexible body 3 .
  • the sample 1 and the electrode 5 thus each form a plate of a plate capacitor.
  • the distance between the sample 1 and the electrode 5, which is decisive for a capacitance of the plate capacitor, during flexural oscillation of the flexural body 3 can advantageously be changed over the entire deflection of the antinode 31.
  • An electrical potential induced in the sample 1 thus leads to correspondingly large changes in the capacitance, so that the electrical potential of the sample 1 can advantageously be determined more precisely by means of the system 100 .
  • the system 100 includes, in particular, an electronic circuit 20, which will be discussed separately in FIG.
  • the electronic circuit 20 is electrically connected to the electrode 5 via a wire 9 so that a signal indicative of the electrical potential of the sample 1 can be passed on from the electrode 5 to the electronic circuit 20 via the wire 9 .
  • the heavy wall 13 can have at least one bushing 16, via which the wire 9 is electrically connected to the electronic circuit 20.
  • the wire 9 is preferably designed to be flexible, so that the flexural vibration of the flexible body 3 experiences as little additional damping as possible through the wire 9 .
  • the housing 15 can in particular be designed to be at least partially gas-tight, so that the actuator unit 2 can work within the housing 15 at a predetermined housing pressure.
  • This housing pressure can then be independent of a pressure outside the housing 15, for example if the heavy wall 13 is part of a partially evacuatable vacuum chamber, so that the area outside the housing 15 but inside the heavy wall 13 can be partially evacuated.
  • the actuator unit 2 includes a piezo element, since piezo elements are preferably used at a sufficient ambient pressure (e.g. at normal pressure, 1015 hPa) to prevent outgassing of the plastic components normally used on the piezo actuator (such as a casing of the piezo element ) and an associated one prevent vacuum deterioration.
  • such a gas-tight housing 15 advantageously prevents components of the system 100, in particular the elastic suspension 10 and the actuator unit 2, from outgassing into the evacuatable area outside the housing 15.
  • the connection between the bolt 14 and the housing 15 can be gas-tight and at the same time allow a movement of the bolt 14 caused by the actuator unit 2 relative to the housing 15 along the first direction 11 .
  • This can be realized, for example, by means of a membrane or a bellows arranged between the bolt 14 and the housing 15 .
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the system 100 according to the invention, an electrode 5 arranged at one end of the flexible body 3 extending along the axis in the second direction 12 being visible in a plan view.
  • the electrode 5 is enclosed in the flexible body 3 in such a way that a wall of the flexible body 3 surrounding the electrode 5 forms a circumferential conductor element 7 .
  • the bending body 3 is electrically at the predefined ground potential, so that the circumferential conductor element 7 formed by the bending body 3 advantageously ensures at least partial shielding from interference fields, which would otherwise contribute more to a measurement error of the electrical potential of the sample 1.
  • Sample 1, not shown here, is preferably arranged opposite electrode 5, so that sample 1 forms a plate capacitor with electrode 5.
  • Figs. 3a-d further exemplary embodiments of the system 100 are shown.
  • the electrode 5 is preferably in the region of the first antinode 31 occurring during bending oscillation of the bending body 3. All of the exemplary embodiments shown in FIG.
  • FIG. 3a shows a third exemplary embodiment of the system 100 with a symmetrical flexible body 3, which can be excited via its center of gravity in the middle of the flexible body 3 by the actuator unit 2 to flexural vibration.
  • a piezoelectric element is preferably used as the actuator unit 2, which acts on a contact area 6 of the flexible body 3 via the bolt 14 in order to excite the latter to flexural vibration. This creates a first and a second antinode 31 , 32 , with the contact area 6 coinciding with a node 33 .
  • a symmetrical flexible body 3 is again visible, with an actuator unit 2 being arranged in the region of a second antinode 32 occurring during bending vibration.
  • the actuator unit 2 is preferably designed here as an electromagnet, wherein the Bending body 3 in the region of the second antinode 32 is designed to be magnetic, in particular ferromagnetic, at least in sections, so that the electromagnet can introduce vibrational energy into the bending body 3 .
  • the maximum deflection in the area of the antinodes 31, 32, in particular in the area of the first antinode 31 with the electrode 5, can advantageously be adjusted by means of an electromagnet.
  • the bending body 3 is suspended via the bolt 14 in the contact region of a vibration node 6 , 33 which occurs during bending vibration of the bending body 3 , and the bolt 14 is connected to the counterweight 4 .
  • a flexible body 3 which has an opening 8 arranged in the region of the first antinode 31 . Due to the opening 8, the bending body 3 is no longer formed symmetrically with respect to its center of gravity. Accordingly, the contact area 6 of the flexible body 3 connected to the actuator unit 2 via the bolt 14 is advantageously shifted away from the opening 8 towards the center of gravity of this flexible body 3 that is correspondingly shifted in relation to the flexible body 3 from FIG. 3a along the second direction 12 .
  • the flexural body 3 can thus also be excited to flexural vibration in an asymmetrical configuration via the contact region 6 that is displaced correspondingly to the vibration node 33 occurring during flexural vibration or to the center of gravity of the flexural body 3 .
  • FIG. 1 Another sixth embodiment of the system 100 is shown in FIG.
  • a bending body 3 can be excited to flexural vibration in the area of the center of gravity of the bending body 3 via the actuator unit 2 , with the actuator unit 2 being firmly connected to the counterweight 4 on the other hand.
  • the counterweight 4 is rigidly connected to a housing 15 , which in turn is connected elastically to a wall 13 via an elastic suspension 10 .
  • the wall 13 is assumed here to be significantly heavier than the bending body 3 , the bolt 14 , the actuator unit 2 , the counterweight 4 and the housing 15 .
  • the housing 15 has a recess via which the actuator unit 2 is connected to the flexible body 3 via the bolt 14 .
  • the counterweight 4 and the housing 15, which is firmly connected to the counterweight 4, are suspended resiliently via the elastic suspension on the wall 13.
  • the total mass of countermass 4 and housing 15 is preferably set at 3 to 10 times the mass of bending body 3, so that the bending vibration has a sufficiently high vibration quality and at the same time housing 15 and countermass 5, which form a sensor head, stay compact for ease of use.
  • the bending body 3 has an opening 8 for light to enter via the electrode
  • the electrode 5 is connected via a wire 9 to the input of a preamplifier 22 fastened here on the bending body 3 .
  • the preamplifier 22 forms a component of the electronic circuit 20, which is not shown here.
  • the electronic circuit 20 for determining the electrical potential of the sample 1 will be discussed in more detail in FIG.
  • a flexible body 3 made of V2A steel with dimensions of 100 ⁇ 8 ⁇ 2 mm 3 with a resulting resonance frequency of 617 Hz can be used in particular.
  • the excitation can take place, for example, in the vibration node 33 of the bending body 3 by means of a piezo element model PC4GQ, Thorlabs®.
  • the bolt 14 between the bending body 3 and the piezoelectric element can be made of V2A steel and screwed tightly to the bending body 3, for example using at least one M1.6 screw, and in particular glued to the piezoelectric element, for example using a two-component adhesive.
  • the piezoelectric element can be glued to an iron block forming the counterweight 4 .
  • the counterweight 4 can have a weight of 45 g, for example, and can in turn be screwed firmly to a housing 15, for example made of aluminum and measuring 52 ⁇ 38 ⁇ 31 mm 3 . Due to an electrical connection via a wire 9, the housing 15 is at the predefined ground potential of the bending body 3, the bolt 14, the actuator unit 2 and the counter-ground 4.
  • a voltage of about 1 V is required, which corresponds to a deflection of the piezo element along the first direction 11 of only a few hundred nanometers.
  • the resonance of the bending body 3 is so stable that the bending vibration can be excited, for example, by a signal generator connected to the piezoelectric element with an adjustable excitation frequency.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of the electronic circuit 20 that can be connected to the system 100 according to the invention for determining the electronic potential of the sample 1.
  • the flexible body 3 and the electrode 5 of the system 100 arranged on the flexible body 3 are particularly visible.
  • the sample 1 and the electrode 5 form a plate capacitor.
  • the sample 1 can be electrically connected, in particular short-circuited, to a sample holder (not shown here).
  • the electronic circuit 20 shown here can be used in particular in two variants, which can be set using a switch 28 .
  • the sample 1 is electrically connected to the switch 28 via a conductor connection.
  • the conductor connection may further include a capacitor 26 through which the sample 1 is grounded for high frequency.
  • the sample is at the predefined ground potential.
  • an electrical potential of the sample 1 that can be determined by the system 100 or the electronic circuit 20 can then first be induced in the sample 1, in particular by irradiating the sample 1 with electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation can be modulated over time, in particular pulsed.
  • the electromagnetic radiation can also be modulated with the frequency of the bending vibration, in particular the resonant frequency of the bending body 3 .
  • the resulting at least partial synchronization between flexural vibration and irradiation makes it possible, in particular, to at least partially eliminate the dependency of the time-dependent electrical voltage on the distance between sample 1 and electrode 5, which advantageously leads to a reduced measurement error in the electrical potential of sample 1.
  • An electrical voltage is induced between the sample 1 and the electrode 5 by an interaction process between the electromagnetic radiation and the sample 1 .
  • This electrical voltage can contain components of the electrical voltage that are constant over time as well as components of the electrical voltage that change over time, which are indicative of a potential of the sample 1 that is constant over time or a potential that changes over time.
  • the electrical voltage refers to the predefined ground potential.
  • the electrode 5 is electrically connected to a preamplifier 22 which is designed to preamplify the electrical voltage and provide it preamplified as an amplifier voltage on the output side to a downstream part 21 of the electronic circuit 20 .
  • the preamplifier 22 preferably contains an operational amplifier and an RC element, with the ohmic resistance of the RC element preferably being selected to be sufficiently high, for example 1 TQ.
  • the capacitance of the RC element can be in the range from 0.1 pF to 1 pF, for example.
  • the time-varying components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1, on the other hand, are preamplified by the preamplifier 22 and made available on the output side to the downstream part 21 as a time-dependent preamplifier voltage.
  • An equalizer 29 can also be present here.
  • the equalizer 29 is preferably designed to correct the time-dependent amplifier voltage by a correction factor such that a medium arranged between the sample 1 and the electrode 5 is taken into account. This medium, for example air, affects the corrected time-dependent amplifier voltage.
  • This corrected, time-dependent amplifier voltage which contains the said time-varying components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1, is finally passed on to a summer 25.
  • the downstream part 21 also has a rectifier 23.
  • the flexural vibration leads to a change over time in the component of the electrical potential of the sample 1, which is constant per se, as a result of the modulation of the distance between the electrode 5 and the sample 1.
  • This change over time can be determined as a capacitance between sample 1 and electrode 5 modulated over time with the frequency of the flexural oscillation, in particular with the aid of rectifier 23 .
  • the rectifier 23 is designed to rectify the constant component of the electrical voltage over time with the aid of the frequency of the bending vibration, in particular the resonant frequency of the bending beam 3, by synchronous rectification of the frequency of the bending vibration and the change in capacitance over time caused by the bending vibration and as a direct voltage am Provide output of the rectifier 23.
  • the rectifier 23 is electrically connected to a regulator 24 at its output.
  • the controller 24 can be designed as an integrating controller 24 and can compensate for the DC voltage present at the input of the controller 24 by generating and controlling a reverse DC voltage.
  • the counter-DC voltage is consequently also indicative of the time-constant component of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1.
  • the counter-DC voltage can also be passed on to an adder 25.
  • the adder 25 can finally form the sum of the two components by summing the time-variable and time-constant components of the electrical voltage or the electric potential of the sample 1 and provide it as a corresponding total voltage at an output of the adder 25 .
  • This total voltage is indicative of the sum of the time-constant and time-varying components of the electrical signal of sample 1.
  • the switch 28 is in the second switch position 28b.
  • the sample 1 is not at the predefined ground potential but is connected to a test signal generator 27 .
  • a test signal for example a test voltage which is constant over time or a test voltage which varies over time, in particular a periodic test voltage, can be generated by means of the test signal generator 27 and forwarded to the sample 1 .
  • this test voltage can then be determined by the system 100 or the electronic circuit 20 . This enables, in particular, a calibration of separately executable determinations of electrical potentials of sample 1 induced in the sample by means of electromagnetic radiation, for example.

Abstract

The invention relates to a system (100) for contactlessly ascertaining the electric potential of a sample (1). The system (100) - comprises an actuator unit (2) which is operatively connected to a bending body (3) along a first direction (11), wherein the bending body (3) is additionally operatively connected to a counter mass (4) which is resiliently or elastically suspended on the system (100), and the bending body (3) extends along an axis in a second direction (12) and has an electrode (5) which extends at least along the second direction (12), and - is designed such that the electrode (5) can be arranged opposite a sample (1) at a distance thereto along the first direction (11). The actuator unit (2) is designed to actuate the bending body (3) in order to produce a bending vibration about the axis with an adjustable frequency such that the distance between an arranged sample (1) and the electrode (5) varies over time by means of the bending vibration with the adjustable frequency such that an electric signal which varies over time can be detected in the electrode (5), said electric signal being used in order to ascertain the electric potential of the sample (1). The invention additionally relates to a method for contactlessly ascertaining the electric potential of the sample (1).

Description

System und Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe System and method for non-contact determination of an electrical potential of a sample
Beschreibung: Description:
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe. The invention relates to a system and a method for contactless determination of an electrical potential of a sample.
Eine solche Probe kann beispielsweise ein halbleitendes Bauteil sein. Für viele moderne halbleitende Bauteile, wie zum Beispiel Photodetektoren oder Feldeffekttransistoren, ist die Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern maßgebend für die Leistung des Bauteils. Um diese Diffusionslänge experimentell zu ermitteln, ohne dabei das Bauteil selbst bzw. das verwendete Halbleitermaterial zu beschädigen, werden in der Regel berührungslose Verfahren verwendet, insbesondere Photolumineszenzmessungen oder Oberflächenphotospannungsmessungen. Bei letzterer wird eine Elektrode in die Nähe des hinsichtlich seiner Diffusionslänge zu untersuchenden Bauteils gebracht, um mit dieser einen elektrischen Plattenkondensator zu bilden. Anschließend wird ein elektrisches Potential in dem Bauteil induziert, beispielsweise durch Bestrahlung mit geeigneter elektromagnetischer Strahlung. Werden dann das Bauteil und die Elektrode, welche jeweils Platten des Plattenkondensators bilden, derart zueinander bewegt, dass sich der Abstand der Platten ändert, wird ein zeitlich veränderter Strom in der Elektrode influenziert. Dieser Strom kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung auf null geregelt werden, wobei die elektrische Spannung für das elektrische Potential des Bauteils indikativ ist. Such a sample can be a semiconducting component, for example. For many modern semiconducting components, such as photodetectors or field effect transistors, the diffusion length of minority charge carriers is decisive for the performance of the component. In order to determine this diffusion length experimentally without damaging the component itself or the semiconductor material used, non-contact methods are generally used, in particular photoluminescence measurements or surface photovoltage measurements. In the latter, an electrode is brought close to the component whose diffusion length is to be examined in order to form an electric plate capacitor with it. An electrical potential is then induced in the component, for example by irradiation with suitable electromagnetic radiation. If the component and the electrode, which each form plates of the plate capacitor, are then moved relative to one another in such a way that the distance between the plates changes, a current that changes over time is induced in the electrode. This current can be controlled to zero by applying an electrical voltage, the electrical voltage being indicative of the electrical potential of the component.
Hierzu ist aus der DE 3438546 A1 ein Schwingkondensator bekannt. Bei diesem Schwingkondensator werden die Bewegungen einer schwingenden Elektrode gegenüber einer ortsfest angeordneten Elektrode über eine Piezokeramik angeregt. Für den Antrieb der Piezokeramik sorgt ein Oszillator, dem ein Regler, ein Kompensationsspannungsgeber, ein Integrator und ein stromempfindlicher lock-in-Verstärker nachgeschaltet ist. Mit dem Regler lässt sich der mittlere Elektrodenabstand zwischen schwingender Elektrode und ortsfester Elektrode einstellen. Hierzu wird mittels des Reglers der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung, die die schwingende Elektrode erregt, eine Gleichspannung überlagert. Da dieser Schwingkondensator allerdings lediglich Änderungen des elektrischen Potentials ermitteln kann, ist dieser nur zur Ermittlung von hinreichend niederfrequenten Komponenten des elektrischen Potentials der Probe geeignet. Insbesondere ist die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials mit diesem Schwingkondensator ermittelbar. For this purpose, an oscillating capacitor is known from DE 3438546 A1. In this oscillating capacitor, the movements of an oscillating electrode in relation to a stationary electrode are excited via a piezoceramic. The piezo ceramic is driven by an oscillator, which is followed by a controller, a compensation voltage generator, an integrator and a current-sensitive lock-in amplifier. The mean electrode distance between the oscillating electrode and the stationary electrode can be set with the controller. For this purpose, a DC voltage is superimposed by means of the controller on the AC voltage generated by the oscillator, which excites the oscillating electrode. However, since this oscillating capacitor can only determine changes in the electrical potential, it is only suitable for determining sufficiently low-frequency components of the electrical potential of the sample. In particular, the time-constant component of the electrical potential can be determined with this oscillating capacitor.
Durch die in der DE 102019 117 989 B3 offenbarte Schaltung wird jedoch sowohl die Ermittlung der zeitlich veränderlichen als auch der zeitlich konstanten Komponente des elektrischen Potentials ermöglicht. Nachteilig verbleibt jedoch der Umstand, dass die im Stand der Technik bekannten Schwingkondensatoren in Bezug auf einen mittleren Elektrodenabstand nur für verhältnismäßig geringe Auslenkungen der beiden Elektroden zueinander sorgt, denn größere Auslenkungen sorgen für signifikantere Änderungen der für die Ermittlung des elektrischen Potentials indikativen Messgrößen. Weiterhin werden für diese ohnehin niedrigen Auslenkungen verhältnismäßig hohe Ansteuerungsleistungen für die jeweils verwendete Aktuatoreinheit benötigt, sodass diese mit entsprechenden elektromagnetischen Störfeldern zu einem erhöhten Messfehler beitragen können, sofern diese in den Bereich zwischen den Elektroden einwirken. However, the circuit disclosed in DE 102019 117 989 B3 makes it possible to determine both the time-variable and the time-constant component of the electrical potential. However, the disadvantage remains that the Prior art known oscillating capacitors in relation to a mean electrode spacing ensures only relatively small deflections of the two electrodes to one another, because larger deflections ensure more significant changes in the measured variables indicative of the determination of the electrical potential. Furthermore, for these already low deflections, relatively high control powers are required for the actuator unit used in each case, so that they can contribute to an increased measurement error with corresponding electromagnetic interference fields, provided these act in the area between the electrodes.
Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des elektrischen Potentials einer Probe bereitzustellen, das jeweils im Hinblick auf die oben beschriebene Problematik verbessert ist.Proceeding from this, the present invention is based on the object of providing a system and a method for contactless determination of the electrical potential of a sample, which is improved in each case with regard to the problems described above.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 12 gelöst. This object is achieved by a system having the features of claim 1 and a method having the steps of claim 12.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe, wobei das System eine Aktuatoreinheit umfasst, die entlang einer ersten Richtung mit einem Biegekörper wirkverbunden ist. Der Biegekörper ist weiterhin mit einer, mit dem System federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse wirkverbunden und erstreckt sich entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung. Die Verbindung mit mindestens der Gegenmasse bildet die Aufhängung, auch als Befestigung anzusprechen des Biegekörpers. Der Biegekörper ist dabei derart befestigt, dass die in der Erstreckungsrichtung (entlang der Achse) liegenden Enden freischwingen, d.h. der Beigekörper ist insbesondere nicht an einem Ende befestigt. Außerdem weist der Biegekörper eine Elektrode auf, die sich zumindest entlang der zweiten Richtung erstreckt. Das System ist dazu eingerichtet, dass die Elektrode gegenüber einer Probe in einem Abstand entlang der ersten Richtung anordenbar ist. Die Aktuatoreinheit ist dazu ausgebildet, den Biegekörper zu einer Biegeschwingung mit einer einstellbaren Frequenz um die Achse anzuregen, so dass der Abstand zwischen einer angeordneten Probe und der Elektrode durch die Biegeschwingung zeitlich mit der einstellbaren Frequenz variiert, so dass in der Elektrode ein zeitlich variierendes elektrisches Signal erfassbar wird, anhand dessen das elektrische Potential der Probe ermittelbar ist. Die Biegeschwingung um die Achse bedeutet dabei eine Auslenkung senkrecht zu dieser Achse, wobei die Achse mit der Erstreckungsrichtung des Biegekörpers in Ruhe zusammenfällt. A first aspect of the invention relates to a system for contactless determination of an electrical potential of a sample, the system comprising an actuator unit which is operatively connected to a flexible body along a first direction. The flexible body is also operatively connected to a counterweight that is suspended resiliently or elastically with the system and extends along an axis in a second direction. The connection with at least the counterweight forms the suspension, also referred to as attachment of the bending body. The bending body is fastened in such a way that the ends lying in the direction of extension (along the axis) swing freely, i.e. the bending body is in particular not fastened at one end. In addition, the bending body has an electrode which extends at least along the second direction. The system is set up so that the electrode can be arranged in relation to a sample at a distance along the first direction. The actuator unit is designed to excite the bending body to a bending vibration with an adjustable frequency around the axis, so that the distance between an arranged sample and the electrode varies over time with the adjustable frequency due to the bending vibration, so that a time-varying electrical Signal can be detected, based on which the electrical potential of the sample can be determined. The bending vibration about the axis means a deflection perpendicular to this axis, the axis coinciding with the extension direction of the flexible body at rest.
Das mittels des erfindungsgemäßen Systems ermittelbare elektrische Potential der vom System separaten Probe kann sowohl zeitlich konstante als auch zeitlich veränderliche Komponenten enthalten, wobei beide Komponenten und deren Summe durch das System ermittelbar sind. The electrical potential, which can be determined by means of the system according to the invention, of the sample separate from the system can be both constant over time and variable over time Contain components, both components and their sum can be determined by the system.
Die Aktuatoreinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet und eingerichtet, Schwingungsenergie zu erzeugen und insbesondere an den Biegekörper weiterzuleiten, sodass der Biegekörper zu einer Biegeschwingung angeregt werden kann. Weiterhin ist die Aktuatoreinheit vorzugsweise durch eine starre Verbindung, beispielsweise durch einen metallischen Bolzen, mit dem Biegekörper wirkverbunden. Durch eine derartige Verbindung wird vorteilhafterweise eine starke, unmittelbare Kopplung zwischen der Aktuatoreinheit und dem Biegekörper erreicht, sodass der Aktuator bei einer gegebenen Anregungsamplitude die hierbei erzeugte Schwingungsenergie annähernd verlustfrei in den Biegekörper überführt, um diesen zur Biegeschwingung anzuregen. Weiterhin vorteilhaft kann somit die Anregungsamplitude des Aktuators niedrig gehalten werden, sodass entsprechend geringe, gegebenenfalls durch den Aktuator erzeugte elektromagnetische Streufelder, die in den Bereich der Elektrode und der Probe abstrahlen und zu einem Messfehler des zu ermittelnden elektrischen Potentials der Probe beitragen können, vorteilhaft minimiert werden. Die Aktuatoreinheit kann den Biegekörper durch Hin- und Herschieben des Biegekörpers zur Biegeschwingung anregen. The actuator unit is preferably designed and set up to generate vibrational energy and, in particular, to transmit it to the flexible body, so that the flexible body can be excited to perform a flexible vibration. Furthermore, the actuator unit is preferably operatively connected to the flexible body by a rigid connection, for example by a metal bolt. Such a connection advantageously achieves a strong, direct coupling between the actuator unit and the flexural body, so that at a given excitation amplitude, the actuator transfers the vibration energy generated in this way into the flexural body with almost no loss in order to excite the latter to flexural vibration. Furthermore, the excitation amplitude of the actuator can advantageously be kept low, so that correspondingly small electromagnetic stray fields, possibly generated by the actuator, which radiate into the area of the electrode and the sample and can contribute to a measurement error of the electrical potential of the sample to be determined, are advantageously minimized become. The actuator unit can excite the bending body to flexural vibration by pushing the bending body back and forth.
Der Biegekörper ist ferner mit einer federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse wirkverbunden. Vorzugsweise sind dabei die Gegenmasse und die Aktuatoreinheit starr, zum Beispiel über einen metallischen Bolzen, oder auch unmittelbar miteinander verbunden. Die Gegenmasse selbst, welche auch ein die Aktuatoreinheit zumindest abschnittsweise umgebendes Gehäuse bzw. einen Sensorkopf umfassen kann, ist jedoch erfindungsgemäß federnd oder elastisch aufgehängt. Die Aufhängung kann über das Gehäuse oder an einem anderen Teil der Gegenmasse am System erfolgen. Diese federnde oder elastische Aufhängung führt zu einer beabsichtigten Impedanzfehlanpassung zwischen der vorzugsweise starr mit der Aktuatoreinheit verbundenen Gegenmasse und einer Umgebung des Biegekörpers, zu der der Biegekörper über Bolzen, Aktuatoreinheit und Gegenmasse federnd bzw. elastisch verbunden ist. Durch die unvermeidbare mechanische Verbindung bzw. Wechselwirkung zwischen dem Biegekörper und seiner Umgebung entzieht letztere dem Biegekörper einen Teil der durch die Aktuatoreinheit generierten Schwingungsenergie, welcher als Energieabfluss in die Umgebung ausgekoppelt wird. Mit der federnden/elastischen Aufhängung wird vorteilhaft erreicht, dass der Energieabfluss insbesondere über eine Elastizität der federnden/elastischen Aufhängung steuerbar wird. Insbesondere kann das System somit durch eine geeignete Wahl von Gegenmasse, Biegekörper und federnder/elastischer Aufhängung derart konfiguriert werden, dass die Biegeschwingung bei minimaler Anregung durch die Aktuatoreinheit sowie vertretbarem Energieabfluss aus dem System eine maximale Auslenkung der Biegeschwingung des Biegekörpers zur Folge hat. Die Aufhängung der Gegenmasse kann über ein Federelement, wie eine zum Beispiel über eine Feder erfolgen. The bending body is also operatively connected to a spring-loaded or elastically suspended counterweight. In this case, the counterweight and the actuator unit are preferably rigid, for example via a metallic bolt, or also directly connected to one another. The counterweight itself, which can also include a housing or a sensor head surrounding the actuator unit at least in sections, is however suspended resiliently or elastically according to the invention. It can be suspended from the housing or from another part of the counterweight on the system. This resilient or elastic suspension leads to an intended impedance mismatch between the counterweight, which is preferably rigidly connected to the actuator unit, and an area surrounding the flexible body, to which the flexible body is connected in a resilient or elastic manner via bolts, actuator unit and counterweight. Due to the unavoidable mechanical connection or interaction between the flexible body and its environment, the latter removes part of the vibrational energy generated by the actuator unit from the flexible body, which is coupled out to the environment as energy dissipation. With the resilient/elastic suspension, it is advantageously achieved that the energy dissipation can be controlled in particular via an elasticity of the resilient/elastic suspension. In particular, the system can be configured by a suitable choice of counterweight, bending body and resilient/elastic suspension in such a way that the bending vibration with minimal excitation by the actuator unit and acceptable energy dissipation from the system causes a maximum deflection of the bending vibration of the Resulting in bending body. The counterweight can be suspended via a spring element, such as a spring, for example.
Die Elektrode kann beispielsweise eine im Wesentlichen planare Elektrode sein, wobei eine Oberfläche der Elektrode im Wesentlichen parallel zur Probe und gegenüber dieser orientierbar ist, sodass die Elektrode mit der Probe bzw. einer Oberfläche der Probe einen Plattenkondensator bildet, wobei eine erste Platte des Plattenkondensators durch die Elektrode und eine zweite Platte des Plattenkondensators durch die Probe gegeben ist. Bei Biegeschwingung des Biegekörpers wird ein Abstand der beiden Platten zeitlich moduliert, sodass insbesondere eine Kapazität des Plattenkondensators eine entsprechende zeitliche Modulation erfährt. Dies kann vorteilhaft zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe genutzt werden. The electrode can be, for example, a substantially planar electrode, with one surface of the electrode being orientable substantially parallel to the sample and relative to it, so that the electrode forms a plate capacitor with the sample or a surface of the sample, with a first plate of the plate capacitor being formed by the electrode and a second plate of the plate capacitor is given by the sample. When the bending body flexes, a distance between the two plates is modulated over time, so that in particular a capacitance of the plate capacitor experiences a corresponding modulation over time. This can be used advantageously to determine the electrical potential of the sample.
Die Probe kann beispielsweise ein Metall oder ein Halbleiter umfassen oder sein. The sample can include or be a metal or a semiconductor, for example.
Es wird angemerkt, dass die Probe kein zwingender Bestandteil des beanspruchten Systems ist, sondern lediglich als Referenz dient, um die Funktionsweise des Systems zu illustrieren. It is noted that the sample is not a mandatory part of the claimed system, but merely serves as a reference to illustrate the operation of the system.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses ersten Erfindungsaspekts sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. Advantageous refinements of this first aspect of the invention are specified in the corresponding dependent claims and are described below.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode in einem Bereich eines durch die Biegeschwingung verursachten ersten Schwingungsbauches des Biegekörpers angeordnet. Dieser Bereich kann insbesondere einen Bereich einer während der Biegeschwingung des Biegekörpers entstehenden maximalen Auslenkung des Biegekörpers gegenüber seiner Ruhelage umfassen. In seiner Ruhelage erstreckt sich der Biegekörper im Wesentlichen entlang der besagten Achse entlang der zweiten Richtung. In dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe über die gesamte Auslenkung des Biegekörpers veränderlich. Somit wird vorteilhaft eine höhere Genauigkeit der Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe erreicht, sofern die Ermittlung auf einer zeitlichen Veränderung der Kapazität des besagten Plattenkondensators basiert. According to a first embodiment of the invention, the electrode is arranged in a region of a first antinode of the flexural body caused by the flexural oscillation. This area can in particular include an area of a maximum deflection of the flexible body relative to its rest position, which occurs during the bending vibration of the flexible body. In its rest position, the bending body extends essentially along said axis along the second direction. In this embodiment, the distance between the electrode and the sample is variable over the entire deflection of the flexure. A higher degree of accuracy in determining the electrical potential of the sample is thus advantageously achieved if the determination is based on a change in the capacitance of said plate capacitor over time.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatoreinheit in einem Kontaktbereich, eines bei vorliegender Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens des Biegekörpers mit dem Biegekörper und der Gegenmasse wirkverbunden. Die Gegenmasse kann dabei über die Aktuatoreinheit mit dem Biegebalken verbunden sein. Der Kontaktbereich umfasst somit einen Bereich einer minimalen Auslenkung des Biegekörpers bei Biegeschwingung um die Achse, welcher auch den Schwingungsknoten umfasst. Ein Schwingungsknoten ist der infinitesimal kleine Bereich, der durch das Schwingungsverhalten des Biegebalkens vorbestimmt ist und in dem bei Schwingung keine Auslenkung vorliegt. Eine Anregung ausschließlich in diesem Punkt (Knoten) ist physikalisch nicht möglich. In der Praxis ist aber in dem Kontaktbereich, welcher eine endliche Größe hat, und der den Schwingungsknoten umfasst, immer eine Anregung möglich. Der Kontaktbereich kann zudem einen Schwerpunkt des Biegekörpers umfassen. Der Kontaktbereich ist dabei kleiner als die Erstreckung des Biegekörpers und insbesondere kleiner als ein Zehntel der Erstreckung. Der Schwingungsknoten des Biegekörpers verschiebt sich entsprechend der Masseverteilung und der Verteilung der Elastizität des Biegekörpers. Bei einem symmetrischen Biegekörper liegt der Schwingungsknoten zum Beispiel in der Mitte des Biegekörpers. Die Masseverteilung des Biegekörpers kann sich durch auf bzw. an dem Biegekörper angeordnete Komponenten ändern. According to a further embodiment of the invention, the actuator unit is operatively connected to the flexible body and the counterweight in a contact area, a vibration node of the flexible body that occurs when a bending vibration is present. The counterweight can be connected to the bending beam via the actuator unit. The contact area thus includes an area of minimal deflection of the flexible body during bending vibration about the axis, which also includes the node of vibration. A vibration node is the infinitesimally small area that is predetermined by the vibration behavior of the bending beam and in which there is no deflection during vibration. An excitation exclusively at this point (node) is not physically possible. In practice, however, excitation is always possible in the contact area, which has a finite size and which includes the vibration node. The contact area can also include a center of gravity of the bending body. The contact area is smaller than the extension of the bending body and in particular smaller than one tenth of the extension. The vibration node of the flexure shifts according to the mass distribution and the distribution of the elasticity of the flexure. In the case of a symmetrical bending body, for example, the vibration node lies in the middle of the bending body. The mass distribution of the flexible body can change due to components arranged on or on the flexible body.
In einer vorteilhaften Ausführung enthält die Aktuatoreinheit ein Piezoelement. Dieses ist vorzugsweise dazu vorgesehen und eingerichtet, die Biegeschwingung des Biegekörpers zu erzeugen. Bevorzugterweise wird die Aktuatoreinheit mit dem Piezoelement im Kontaktbereich des bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens des Biegekörpers angeordnet. Da das Piezoelement verglichen insbesondere mit elektromagnetischen Aktuatoren bei relativ kleiner Auslenkung des Aktuators eine verhältnismäßig große Kraft erzeugt, entfaltet das Piezoelement, besonders wenn es im besagten Kontaktbereich angeordnet ist, eine optimale Einkopplung der erzeugten Schwingungsenergie in den Biegekörper, sodass dieser bei geringer Leistung des Piezoelements zur Biegeschwingung mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers angeregt wird. Zum Beispiel kann das Piezoelement in der Mitte des Biegekörpers angeordnet sein, sodass bei Anregung der Biegeschwingung durch das Piezoelement der Biegekörper zu einer Biegeschwingung angeregt wird, bei der der Schwingungsknoten im Bereich des Piezoelements liegt und wobei die beiden Enden des Biegekörpers bei Biegeschwingung jeweils einen Schwingungsbauch mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers bilden. Die Elektrode kann dann vorteilhaft an einem der beiden Enden des Biegekörpers angebracht werden, sodass diese bei Biegeschwingung die maximale Auslenkung erfährt. In an advantageous embodiment, the actuator unit contains a piezo element. This is preferably provided and set up to generate the bending vibration of the bending body. The actuator unit is preferably arranged with the piezoelectric element in the contact area of the vibration node of the flexible body that occurs during bending vibration. Since the piezo element generates a relatively large force, especially when compared to electromagnetic actuators, with a relatively small deflection of the actuator, the piezo element develops an optimal coupling of the vibration energy generated into the bending body, especially when it is arranged in the said contact area, so that this is the case with low power of the piezo element is excited to flexural vibration with maximum deflection of the bending body. For example, the piezoelectric element can be arranged in the middle of the flexural body, so that when the flexural vibration is excited by the piezoelectric element, the flexural body is excited to perform a flexural vibration, in which the vibration node is in the area of the piezoelectric element, and the two ends of the flexural body each have an antinode in the event of a flexural vibration form with maximum deflection of the bending body. The electrode can then advantageously be attached to one of the two ends of the bending body, so that it experiences the maximum deflection during bending vibration.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung enthält die Aktuatoreinheit einen Elektromagneten, der dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Biegeschwingung des Biegekörpers zu erzeugen. Vorteilhafterweise ist der Elektromagnet bzw. die Aktuatoreinheit mit dem Elektromagneten dabei im Bereich des bei Biegeschwingung entstehenden zweiten Schwingungsbauch des Biegekörpers angeordnet. Hier entfaltet der Elektromagnet mit seiner insbesondere gegenüber einem Piezoelement hohen Auslenkung bei verhältnismäßig kleiner Kraft vorteilhaft die optimale Übertragung der durch den Aktuator erzeugten Schwingungsenergie in die Biegeschwingung. Zur Anregung des Biegekörpers mittels des Elektromagneten weist der Biegekörper vorzugsweise zumindest abschnittsweise, idealerweise im Bereich des zweiten Schwingungsbauches, ein magnetisches Material auf. Die Elektrode wird dann vorzugsweise am ersten, vom zweiten Schwingungsbauch entfernten Schwingungsbauch angeordnet, sodass durch den Elektromagneten generierte elektromagnetische Felder möglichst schwach in den Bereich zwischen Probe und Elektrode abstrahlen, welche ansonsten signifikant zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe beitragen könnten. In a further advantageous embodiment, the actuator unit contains an electromagnet which is provided and set up to generate the bending vibration of the bending body. Advantageously, the electromagnet or the actuator unit with the electromagnet is arranged in the area of the second antinode of the flexural body that occurs during flexural oscillation. Here, the electromagnet with its high deflection, in particular compared to a piezo element, advantageously develops the optimal transmission of the vibration energy generated by the actuator into the bending vibration with a relatively small force. In order to excite the bending body by means of the electromagnet, the bending body preferably has, at least in sections, ideally in the area of the second antinode, a magnetic material. The electrode is then preferably arranged on the first anti-node remote from the second anti-node, so that electromagnetic fields generated by the electromagnet radiate as weakly as possible into the area between the sample and the electrode, which could otherwise significantly contribute to the measurement error of the electrical potential of the sample.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatoreinheit im Bereich eines bei Biegeschwingung entstehenden, von der Elektrode entfernten zweiten Schwingungsbauches des Biegekörpers angeordnet. Der zweite Schwingungsbauch kann, analog zum ersten Schwingungsbauch, einen weiteren Bereich mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers gegenüber seiner Ruhelage beschreiben. Die Aufhängung des Biegekörpers im Kontaktbereich, der den Schwingungsknoten umfasst, bleibt dabei unverändert und wird nicht in Richtung des Schwingungsbauchs mitverschoben. According to a further embodiment of the invention, the actuator unit is arranged in the area of a second antinode of the flexural body, which occurs during flexural oscillation and is remote from the electrode. Analogously to the first antinode, the second antinode can describe a further area with maximum deflection of the bending body in relation to its rest position. The suspension of the bending body in the contact area, which includes the vibration node, remains unchanged and is not shifted in the direction of the vibration antinode.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Gegenmasse eine 3 bis 10-fache Masse des Biegekörpers auf. Um die durch die Aktuatoreinheit erzeugte Schwingungsenergie möglichst vollständig im Biegekörper zu halten, muss die Gegenmasse idealerweise möglichst groß gewählt werden. Gleichzeitig soll das System im Sinne einer leichten Handhabung idealerweise nicht zu schwer und kompakt gestaltet sein. Wird die Gegenmasse als 3- bis 10-fach so schwer wie der Biegekörper gewählt, stellt sich eine zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe hinreichende Schwingungsgüte des Systems ein, wobei der Energieabfluss aus dem System zur Umgebung vertretbar bleibt. In an advantageous embodiment, the counterweight has a mass that is 3 to 10 times that of the bending body. In order to keep the vibration energy generated by the actuator unit as completely as possible in the bending body, the counterweight must ideally be selected to be as large as possible. At the same time, the system should ideally not be too heavy and compact in terms of easy handling. If the counterweight is chosen to be 3 to 10 times as heavy as the bending body, the vibration quality of the system is sufficient to determine the electrical potential of the sample, while the energy dissipation from the system to the environment remains acceptable.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Biegekörper metallisch leitend ausgebildet und elektrisch auf ein vordefiniertes Massepotential gelegt. Dies kann zum Beispiel über einen an den Biegekörper angeschlossenen Leiter vorgenommen werden. Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass sich der Biegekörper elektrostatisch auflädt, wobei entsprechende Störfelder zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe beitragen können, sofern diese in den Bereich zwischen der Elektrode und der Probe einwirken. According to a further advantageous embodiment, the bending body is designed to be metallically conductive and is electrically connected to a predefined ground potential. This can be done, for example, via a conductor connected to the bending body. This measure prevents the bending body from becoming electrostatically charged, with corresponding interference fields contributing to the measurement error of the electrical potential of the sample if they act in the area between the electrode and the sample.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrode vom Biegekörper elektrisch isoliert. Die Elektrode kann dabei von einem von der Elektrode elektrisch isolierten, leitfähigen und umlaufenden Leiterelement umgeben sein, wobei das Leiterelement insbesondere elektrisch auf dem Massepotential liegt, wie es einer nächsten Ausführungsform entspricht. Zum Beispiel kann, wenn es sich um eine planare Elektrode handelt, diese lateral, d.h. innerhalb einer Erstreckungsebene der Elektrode, von einem umlaufenden Leiterelement, das hier als ring-ähnlich ausgebildet sein kann, umgeben sein. Beispielsweise kann der Biegekörper 8 mm breit sein und die Elektrode einen Durchmesser von 5 mm haben. Eine entsprechende Öffnung oder Bohrung im Biegekörper kann dann im Bereich von beispielsweise 6 mm bis 6,5 mm liegen. In diese Öffnung kann die Elektrode elektrisch isoliert von dem Biegekörper und dem Leiterelement eingefasst sein. Eine ringförmige Abschirmung der Elektrode über das Leiterelement wird dann von dem Rand des Biegekörpers gebildet. So liegen das Leiterelement und der Biegekörper beide auf Massepotenzial und bilden eine entsprechende Abschirmung gegen äußere Störpotenziale. According to a further embodiment, the electrode is electrically insulated from the bending body. In this case, the electrode can be surrounded by a conductor element which is electrically insulated from the electrode, is conductive and runs all the way around, the conductor element in particular being electrically at ground potential, as corresponds to a next embodiment. For example, if it is a planar electrode, it can be surrounded laterally, ie within an extension plane of the electrode, by a circumferential conductor element, which can be configured as ring-like here. For example, the bending body can be 8 mm wide and the electrode can have a diameter of 5 mm. A corresponding opening or bore in the bending body can then be in the range of, for example, 6 mm to 6.5 mm. The electrode can be enclosed in this opening so that it is electrically isolated from the bending body and the conductor element. An annular shield of the electrode over the conductor element is then formed by the edge of the flexure. The conductor element and the bending body are both at ground potential and form a corresponding shield against external interference potentials.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das System eine elektronische Schaltung auf, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, ein elektrisches Signal der Elektrode zu verarbeiten, und das elektrische Potential der Probe zu ermitteln. In one embodiment of the invention, the system has an electronic circuit that is designed and set up to process an electrical signal from the electrode and to determine the electrical potential of the sample.
Insbesondere kann die elektronische Schaltung einen am Biegekörper angeordneten und elektrisch eingangsseitig mit der Elektrode und ausgangsseitig mit einem nachgeschalteten Teil der elektronischen Schaltung verbundenen Vorverstärker der elektronischen Schaltung aufweisen. Dieser Vorverstärker ist vorzugsweise dazu ausgebildet, wenn die Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, eine durch die Probe zwischen dieser und der Elektrode induzierte insbesondere zeitabhängige Spannung aufzunehmen, vorzu verstärken, und als eine insbesondere zeitabhängige Verstärkerspannung ausgangsseitig am nachgeschalteten Teil der elektronischen Schaltung bereitzustellen. In particular, the electronic circuit can have a preamplifier of the electronic circuit which is arranged on the bending body and is electrically connected to the electrode on the input side and to a downstream part of the electronic circuit on the output side. This preamplifier is preferably designed, when the sample is arranged opposite the electrode, to pick up a particularly time-dependent voltage induced by the sample between the latter and the electrode, to pre-amplify it, and to provide it as a particularly time-dependent amplifier voltage on the output side at the downstream part of the electronic circuit.
Weiterhin kann der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung einen eingangsseitig elektrisch mit einem Ausgang des Vorverstärkers verbundenen Gleichrichter aufweisen. Dieser ist vorzugsweise dazu ausgebildet, insbesondere unter Zuhilfenahme der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung die zeitabhängige Verstärkerspannung gleichzurichten und ausgangsseitig am Gleichrichter als eine für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikative Gleichspannung an einem Ausgang des Gleichrichters bereitzustellen. Furthermore, the downstream part of the electronic circuit can have a rectifier which is electrically connected on the input side to an output of the preamplifier. This is preferably designed to rectify the time-dependent amplifier voltage, in particular with the aid of the adjustable frequency of the bending vibration, and to provide the output side of the rectifier as a DC voltage indicative of the time-constant component of the electrical potential at an output of the rectifier.
Ferner kann der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung einen eingangsseitig mit dem Ausgang des Gleichrichters und ausgangsseitig mit der Probe elektrisch verbindbaren Regler aufweisen. Der Regler ist dabei vorzugsweise dazu ausgebildet, die eingangsseitig am Regler anliegende Gleichspannung durch eine ebenfalls für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials der Probe indikative Gegengleichspannung zu kompensieren und an einem Ausgang des Reglers bereitzustellen. Furthermore, the downstream part of the electronic circuit can have a regulator that can be electrically connected to the output of the rectifier on the input side and to the sample on the output side. The regulator is preferably designed to compensate for the DC voltage present on the input side of the regulator with an inverse DC voltage, which is also indicative of the component of the electrical potential of the sample that is constant over time, and to provide it at an output of the regulator.
Der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung kann auch einen eingangsseitig mit dem Ausgang des Vorverstärkers sowie mit dem Ausgang des Reglers elektrisch verbundenen Summierer aufweisen. Der Summierer ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die zeitabhängige Vorverstärkerspannung und die Gegengleichspannung zu einer Summenspannung zu summieren und diese an einem Summiererausgang bereitzustellen. The downstream part of the electronic circuit can also have an adder electrically connected on the input side to the output of the preamplifier and to the output of the controller. The summer is preferably designed to the summing the time-dependent preamplifier voltage and the inverse DC voltage to form a sum voltage and providing this at a summator output.
Insbesondere ist die Elektrode elektrisch vom Biegekörper isoliert an diesem befestigt, wobei ein Abstand zwischen der Elektrode und dem auf Massepotential liegenden Biegekörper möglichst gering sein soll. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe ist vorzugsweise bereits in der Ruhelage des Biegekörpers wesentlich kleiner als eine laterale Ausdehnung der Elektrode. Um beispielsweise mögliche Höhenunterschiede verschiedenartiger Proben ausgleichen zu können oder um eine durch den Abstand zwischen der Probe und der Elektrode in der Ruhelage des Biegekörpers gegebene Messempfindlichkeit zu regulieren ist der Abstand zwischen der Probe und der Elektrode vorzugsweise mittels der Verschiebeeinheit einstellbar. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe liegt insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,5 mm. Weiterhin kann die laterale Ausdehnung im Bereich einigen Millimetern, wie beispielsweise 2 mm bis 50 mm liegen. In particular, the electrode is electrically insulated from the flexible body and attached to it, with the distance between the electrode and the flexible body, which is at ground potential, being as small as possible. The distance between the electrode and the sample is preferably significantly smaller than a lateral extension of the electrode even when the flexible body is in the rest position. For example, to be able to compensate for possible height differences of different types of samples or to regulate a measurement sensitivity given by the distance between the sample and the electrode in the rest position of the flexible body, the distance between the sample and the electrode is preferably adjustable by means of the displacement unit. The distance between the electrode and the sample is in particular between 0.05 mm and 0.5 mm. Furthermore, the lateral extent can be in the range of a few millimeters, such as 2 mm to 50 mm.
Weiterhin kann das System eine optionale elektrisch leitende Probenhalterung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, die Probe aufzunehmen und an der Probenhalterung zu fixieren. Die Probenhalterung ist vorzugweise mit der elektronischen Schaltung elektrisch verbindbar. Beispielsweise kann die Probenhalterung elektrisch auf dem Massepotential liegen, damit mittels des Systems ein zeitabhängiges Potential der Probe ermittelt werden kann. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Probenhalterung zu einer Kalibrierung des zeitabhängigen Potentials der Probe mit einem Testsignalgenerator und/oder zur Ermittlung eines zeitlich konstanten elektrischen Potentials der Probe und insbesondere zeitlich konstanten sowie zeitlich veränderlichen Potentials der Probe mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Insbesondere können insbesondere für die Untersuchung von großen Proben mit einer Probenoberfläche, die größer ist als die Oberfläche der Elektrode, die Probe und die Elektrode mittels einer optionalen Verschiebeeinheit des Systems gegeneinander verschoben werden. Furthermore, the system can have an optional electrically conductive sample holder, which is designed to receive the sample and to fix it to the sample holder. The sample holder can preferably be electrically connected to the electronic circuit. For example, the sample holder can be electrically at ground potential so that a time-dependent potential of the sample can be determined by means of the system. It is also provided that the sample holder can be electrically connected to a test signal generator to calibrate the time-dependent potential of the sample and/or to determine an electrical potential of the sample that is constant over time and in particular a potential of the sample that is constant over time and variable over time to a voltage source. In particular, for examining large samples with a sample surface that is larger than the surface of the electrode, the sample and the electrode can be shifted relative to one another by means of an optional shifting unit of the system.
In einer vorteilhaften Ausführung ist, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, ein elektrisch isolierender Film zwischen der Elektrode und der Probe angeordnet. Damit wird insbesondere ermöglicht, dass die Elektrode derart an die Probe angenähert werden kann, bis beide nur noch über den isolierenden Film voneinander getrennt sind. Somit werden, wenn der Film geeignet dünn gewählt wird, entsprechend geringe Abstände von Probe und Elektrode ermöglicht, ohne einen Kurzschluss zwischen Probe und Elektrode zu bewirken, was die Kapazität des Plattenkondensators aus Elektrode und Probe für die Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe vorteilhaft erhöht. Durch die Wahl des isolierenden Films kann weiterhin vorteilhaft eine Dielektrizitätszahl des Plattenkondensators angepasst werden, welche wiederum ebenfalls für die Kapazität des Plattenkondensators maßgeblich ist. In an advantageous embodiment, when a sample is placed opposite the electrode, an electrically insulating film is placed between the electrode and the sample. This makes it possible, in particular, for the electrode to be brought closer to the sample in such a way that the two are only separated from one another by the insulating film. Thus, if the film is chosen to be suitably thin, correspondingly small distances between sample and electrode are made possible without causing a short circuit between sample and electrode, which advantageously increases the capacitance of the plate capacitor made up of electrode and sample for determining the electrical potential of the sample. A dielectric constant of the plate capacitor can also advantageously be determined by the selection of the insulating film be adjusted, which in turn is also relevant for the capacitance of the plate capacitor.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Biegekörper entlang der zweiten Richtung eine Öffnung auf, sodass, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, die Probe über die Öffnung mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Somit kann durch die elektromagnetische Strahlung ein in der Probe stattfindender Wechselwirkungsprozess zwischen der Strahlung und der Probe induziert werden, welcher wiederum ein elektrisches Potential in der Probe hervorruft, sodass dieses mittels des Systems ermittelbar wird. In a further embodiment of the invention, the bending body has an opening along the second direction, so that when a sample is arranged opposite the electrode, the sample can be irradiated with electromagnetic radiation via the opening. Thus, an interaction process taking place in the sample between the radiation and the sample can be induced by the electromagnetic radiation, which in turn causes an electrical potential in the sample, so that this can be determined by the system.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrode für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent, sodass, wenn die Elektrode entlang einer optischen Achse zwischen Öffnung und der Probe positioniert ist, die Probe weiterhin mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Somit kann die Probe vorteilhaft durch die Elektrode hindurch mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden, was die Justage und Handhabung des Systems weiter vereinfacht. According to one embodiment, the electrode is at least partially transparent to the electromagnetic radiation, so that when the electrode is positioned along an optical axis between the opening and the sample, the sample can continue to be irradiated with electromagnetic radiation. The sample can thus advantageously be irradiated with electromagnetic radiation through the electrode, which further simplifies the adjustment and handling of the system.
In einer Ausführung entspricht die Biegeschwingung des Biegekörpers einer Resonanzfrequenz des Biegekörpers, wobei die Resonanzfrequenz insbesondere im Bereich von 500 Hz bis 1000 Hz liegt. Die Resonanzfrequenz wird dabei durch die Geometrie und die Materialien des Biegekörpers bestimmt. Wird die Biegeschwingung bei der Resonanzfrequenz des Biegekörpers betrieben, werden vorteilhaft maximale Auslenkungen des Biegekörpers bei minimaler durch die Aktuatoreinheit erzeugter Schwingungsenergie erreicht. In one embodiment, the bending vibration of the bending body corresponds to a resonant frequency of the bending body, the resonant frequency being in the range from 500 Hz to 1000 Hz in particular. The resonant frequency is determined by the geometry and the materials of the bending body. If the bending vibration is operated at the resonant frequency of the bending body, maximum deflections of the bending body are advantageously achieved with minimal vibration energy generated by the actuator unit.
Durch Anregung mit der Resonanzfrequenz des Biegekörpers wird eine hohe Schwingungsgüte erreicht. So lässt sich eine gewünschte Schwingungsamplitude des Biegekörpers bereits mit sehr geringer Anregungsamplitude erzielen. A high vibration quality is achieved by excitation with the resonance frequency of the bending body. A desired vibration amplitude of the bending body can thus be achieved with a very low excitation amplitude.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, die Elektrode und die Probe relativ zueinander mittels einer Verschiebeeinheit des Systems verschiebbar. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn verhältnismäßig große, insbesondere planare Proben mittels des Systems vermessen werden sollen, sodass durch entsprechendes Verschieben der Elektrode und der Probe mittels der Verschiebeeinheit verschiedene Bereiche der Probe vermessbar sind. Die Probe bzw. die Elektrode können dabei so zueinander verschoben werden, dass ein entsprechender Bereich der Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, sodass der Bereich der Probe mit der Elektrode des Systems einen Plattenkondensator bildet. Weiterhin vorteilhaft kann mittels der Verschiebeeinheit insbesondere der Abstand zwischen der Probe und der Elektrode entlang der ersten Richtung eingestellt werden. Dieser Abstand ist dabei maßgeblich für die Kapazität des Plattenkondensators aus Probe und Elektrode, sodass hiermit die Kapazität des Plattenkondensators, insbesondere eine Kapazität bei Ruhelage des Biegekörpers, einstellbar wird. Die Verschiebeeinheit kann wahlweise dazu eingerichtet sein, Probe und Elektrode relativ zueinander in einer, zwei und/oder drei Raumrichtungen zu verschieben. Insbesondere können Probe und Elektrode so zueinander verschiebbar sein, dass die Probe ortsfest bleibt, während die Elektrode mittels der Verschiebeeinheit relativ zur Probe verschoben wird. In one embodiment of the invention, when a sample is arranged opposite the electrode, the electrode and the sample are displaceable relative to one another by means of a displacement unit of the system. This is particularly advantageous when relatively large, in particular planar, samples are to be measured using the system, so that different areas of the sample can be measured by correspondingly displacing the electrode and the sample using the displacement unit. The sample or the electrode can be shifted relative to one another in such a way that a corresponding area of the sample is arranged opposite the electrode, so that the area of the sample forms a plate capacitor with the electrode of the system. Furthermore In particular, the distance between the sample and the electrode can advantageously be adjusted along the first direction by means of the displacement unit. This distance is decisive for the capacitance of the plate capacitor made up of sample and electrode, so that the capacitance of the plate capacitor, in particular a capacitance when the bending body is at rest, can be adjusted. The displacement unit can optionally be set up to displace the sample and electrode relative to one another in one, two and/or three spatial directions. In particular, the sample and the electrode can be displaced relative to one another in such a way that the sample remains stationary while the electrode is displaced relative to the sample by means of the displacement unit.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist dieses eine Vakuumkammer, insbesondere eine Hochvakuumkammer oder eine Ultrahochvakuumkammer auf. Eine Vakuumkammer ist insbesondere dazu ausgebildet, Drücke von weniger als 300 hPa zu unterstützen. Im Gegensatz zur Vakuumkammer ist eine Hochvakuumkammer dazu eingerichtet und ausgebildet, Drücke zwischen 10-8 bis 10-3 hPa zu unterstützen. Eine Ultrahochvakuumkammer wiederum ist dazu ausgebildet und eingerichtet Drücke, zwischen 10'11 hPa und 10'8 hPa zu unterstützen. Im Folgenden wird zur besseren Lesbarkeit lediglich auf die Vakuumkammer referenziert. Es wird jedoch angemerkt, dass sich der Ausdruck ,Vakuumkammer‘ jeweils auch auf die Hochvakuumkammer oder die Ultrahochvakuumkammer beziehen kann. Die Vakuumkammer ist vorzugsweise ausgebildet, zumindest die Elektrode und die gegenüber der Elektrode anordenbare Probe innerhalb der Vakuumkammer aufzunehmen, wobei, wenn die Probe gegenüber der Elektrode in der Vakuumkammer angeordnet ist, die Vakuumkammer zumindest teilweise evakuierbar ist. Somit kann das System bei einem einstellbaren Systemdruck betrieben werden. Insbesondere kann durch teilweises Evakuieren der Systemdruck zum Beispiel gegenüber dem Atmosphärendruck von 1000 hPa herabgesetzt werden, sodass die Biegeschwingung einem entsprechend verringerten Luftwiderstand ausgesetzt ist, was sich vorteilhaft in einer höheren Schwingungsgüte des Systems widerspiegelt. Dabei gilt: Je höher das Vakuum desto besser die Schwingungsgüte. In a further embodiment of the system according to the invention, this has a vacuum chamber, in particular a high vacuum chamber or an ultra-high vacuum chamber. A vacuum chamber is designed in particular to support pressures of less than 300 hPa. In contrast to the vacuum chamber, a high-vacuum chamber is set up and designed to support pressures between 10 -8 to 10 -3 hPa. An ultra-high vacuum chamber, in turn, is designed and configured to support pressures between 10' 11 hPa and 10' 8 hPa. In the following, only the vacuum chamber is referred to for better legibility. However, it is noted that the term 'vacuum chamber' can also refer to the high vacuum chamber or the ultra-high vacuum chamber, respectively. The vacuum chamber is preferably designed to accommodate at least the electrode and the sample that can be arranged opposite the electrode within the vacuum chamber, it being possible for the vacuum chamber to be at least partially evacuated when the sample is arranged opposite the electrode in the vacuum chamber. The system can thus be operated at an adjustable system pressure. In particular, partial evacuation can reduce the system pressure, for example compared to the atmospheric pressure of 1000 hPa, so that the bending vibration is exposed to a correspondingly reduced air resistance, which is advantageously reflected in a higher vibration quality of the system. The following applies: the higher the vacuum, the better the vibration quality.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials, insbesondere zeitabhängigen elektrischen Potentials einer Probe mittels des erfindungsgemäßen Systems oder einer seiner Ausführungsformen, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: i) Positionieren der Probe gegenüber der Elektrode, ii) mittels der Aktuatoreinheit, Anregen des Biegekörpers zur Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz um die Achse, sodass der Abstand der Probe und der Elektrode durch die Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz verändert wird, iii) insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung, getaktetes Bestrahlen der Probe mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere über die Öffnung, sodass durch einen in der Probe stattfindenden Wechselwirkungsprozess zwischen der Probe und der elektromagnetischen Strahlung eine insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung modulierte, für das insbesondere zeitabhängige elektrische Potential der Probe indikative elektrische Spannung zwischen Probe und Elektrode induziert wird, iv) mittels der elektronischen Schaltung, Verarbeiten des elektrischen Signals der Elektrode und Ermitteln des elektrischen Potentials der Probe. A second aspect of the invention relates to a method for the non-contact determination of an electrical potential, in particular a time-dependent electrical potential of a sample using the system according to the invention or one of its embodiments, having at least the following steps: i) positioning the sample opposite the electrode, ii) by means of the actuator unit, excitation of the bending body to flexural vibration with the adjustable frequency around the axis, so that the distance between the sample and the electrode is changed by the flexural vibration with the adjustable frequency, iii) in particular with the adjustable frequency of the flexural vibration, clocked irradiation of the Sample with electromagnetic radiation, in particular via the opening, so that through an interaction process taking place in the sample between the sample and the electromagnetic radiation, an electrical voltage between the sample and the electrode is modulated in particular with the adjustable frequency of the bending vibration and is indicative of the particular time-dependent electrical potential of the sample is induced, iv) by means of the electronic circuit, processing the electrical signal of the electrode and determining the electrical potential of the sample.
In einer vorteilhaften Ausführung weist das Verarbeiten des elektrischen Signals der Elektrode und das Erfassen des elektrischen Potentials der Probe weiterhin die folgenden Schritte auf: i) mittels des Vorverstärkers, Vorverstärken der Spannung und Bereitstellen der entsprechenden Verstärkerspannung am Ausgang des Vorverstärkers, ii) mittels des Gleichrichters, insbesondere unter Zuhilfenahme der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung, Gleichrichten der Verstärkerspannung und Bereitstellen der für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikativen Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters, iii) mittels des Reglers, Regeln und Kompensieren der eingangsseitig am Regler anliegenden Gleichspannung durch Erzeugung einer die Gleichspannung kompensierenden Gegengleichspannung, sowie Bereitstellen der Gegengleichspannung am Ausgang des Reglers, iv) mittels des Summierers, Summieren der für die periodische und die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikativen Verstärkerspannung und der Gegengleichspannung, sowie Bereitstellung der resultierenden Summenspannung am Summiererausgang. In an advantageous embodiment, the processing of the electrical signal of the electrode and the detection of the electrical potential of the sample also has the following steps: i) using the preamplifier, preamplifying the voltage and providing the corresponding amplifier voltage at the output of the preamplifier, ii) using the rectifier , in particular with the aid of the adjustable frequency of the bending vibration, rectifying the amplifier voltage and providing the DC voltage at the output of the rectifier that is indicative of the component of the electric potential that is constant over time, iii) by means of the controller, regulating and compensating for the DC voltage applied to the controller on the input side by generating a die DC voltage compensating counter DC voltage, and providing the counter DC voltage at the output of the regulator, iv) by means of the adder, summing the indicative of the periodic and the time-constant component of the electrical potential amplifier voltage and the counter DC voltage, and providing the resulting sum voltage at the summator output.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems zurExemplary embodiments and further features and advantages of the invention are to be explained below with reference to the figures. Show it: Fig. 1 shows a first embodiment of the system according to the invention
Ermittlung des elektrischen Potentials einer Probe; determination of the electrical potential of a sample;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Draufsicht auf die Elektrode des Systems, wobei die Elektrode elektrisch von einem umlaufenden Leiterelement isoliert ist; 2 shows a second exemplary embodiment with a plan view of the electrode of the system, the electrode being electrically insulated from a peripheral conductor element;
Figs. 3a-d weitere Ausführungsbeispiele des Systems, mit einem symmetrischenfigs 3a-d further embodiments of the system, with a symmetrical
Biegekörper mit mittigem Schwingungsknoten sowie einem Piezoelement (Fig. 3a, drittes Ausführungsbeispiel) und einem zusätzlichen Elektromagneten (Fig. 3b, viertes Ausführungsbeispiel) als Aktuatoreinheit, einen wegen einer Öffnung des Biegekörpers asymmetrischen Biegekörper mit entsprechend der Änderung des Massenschwerpunktes und der Verteilung der Elastizität verschobenem Schwingungsknoten (Fig. 3c, fünftes Ausführungsbeispiel); Bending body with a central vibration node and a piezo element (Fig. 3a, third embodiment) and an additional electromagnet (Fig. 3b, fourth embodiment) as an actuator unit, an asymmetric bending body due to an opening in the bending body with a displacement corresponding to the change in the center of mass and the distribution of elasticity Oscillation nodes (Fig. 3c, fifth embodiment);
Fig. 4 ein sechstes Ausführungsbeispiel des Systems, wobei einFig. 4 shows a sixth embodiment of the system, wherein a
Vorverstärker der elektronischen Schaltung auf den Biegekörper befestigt ist und Preamplifier of the electronic circuit is attached to the bending body and
Fig. 5 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Systems und der mit demFig. 5 is a circuit diagram of the system according to the invention and with the
System elektrisch verbindbaren elektronischen Schaltung. System electrically connectable electronic circuit.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100 zur Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe 1. Fig. 1 shows a first exemplary embodiment of the system 100 according to the invention for determining an electrical potential of a sample 1.
Das hier gezeigte System 100 umfasst einen länglichen Biegekörper 3, der sich im Wesentlichen entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung 12 erstreckt. Der Biegekörper 3 ist entlang einer ersten Richtung 11 über einen Bolzen 14 mit einer Aktuatoreinheit 2 wirkverbunden. Die Aktuatoreinheit 2 ist hier weiterhin mit einer Gegenmasse 4 wirkverbunden. Der Biegekörper 3 kann zum Beispiel aus Metall gefertigt sein, vorzugsweise Stahl oder Edelstahl. Das System 100 ist hier in einem Schnitt innerhalb einer durch die erste und die zweite Richtung 11,12 aufgespannten Ebene dargestellt. In diesem Schnitt ist eine Öffnung 8 des Biegekörpers 3 entlang seiner Achse sichtbar. Innerhalb dieser Öffnung 8 ist eine Elektrode 5 des Systems 100 angeordnet und elektrisch vom Biegekörper 3 isoliert aber mechanisch mit diesem verbunden, wobei die mechanische Verbindung in diesem Schnitt nicht dargestellt ist. Eine Wandung der Öffnung 8 bildet dabei ein umlaufendes Leiterelement 7, auf welches im Kontext von Fig. 2 weiter eingegangen werden soll. The system 100 shown here comprises an elongate flexural body 3 which extends essentially along an axis along a second direction 12 . The flexible body 3 is operatively connected to an actuator unit 2 along a first direction 11 via a bolt 14 . The actuator unit 2 is also operatively connected to a counterweight 4 here. The bending body 3 can be made of metal, for example, preferably steel or stainless steel. The system 100 is shown here in a section within a plane spanned by the first and the second direction 11,12. In this section, an opening 8 of the bending body 3 along its axis is visible. An electrode 5 of the system 100 is arranged within this opening 8 and is electrically insulated from the bending body 3 but mechanically connected to it, the mechanical connection not being shown in this section. A wall of the opening 8 forms it a peripheral conductor element 7, which will be discussed further in the context of FIG.
Gegenüber der Elektrode 5 und insbesondere nicht zwingend ein Teil des Systems 100 ist, wie in Fig. 1 sichtbar, eine Probe 1 angeordnet, deren insbesondere zeitabhängiges elektrisches Potential mittels des Systems 100 ermittelbar ist. Hierzu kann die Probe zunächst über die Öffnung 8 mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden, damit über einen Wechselwirkungsprozess der elektromagnetischen Strahlung und der Probe 1 in der Probe 1 ein elektrisches Potential induziert wird. Insbesondere kann das elektrische Potential mit einer Taktung der elektromagnetischen Strahlung zeitlich moduliert werden, sodass auch das elektrische Potential eine zeitabhängige Veränderung erfährt, die mittels des Systems 100 ermittelbar ist. Die Elektrode 5 kann für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent sein, sodass die Probe 1 auch durch die Elektrode 5 hindurch mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist, was den Justageaufwand für die Bestrahlung erheblich vereinfacht. Opposite the electrode 5 and in particular not necessarily a part of the system 100, as can be seen in FIG. For this purpose, the sample can first be irradiated with electromagnetic radiation via the opening 8 so that an electrical potential is induced in the sample 1 via an interaction process of the electromagnetic radiation and the sample 1 . In particular, the electrical potential can be modulated over time with a clocking of the electromagnetic radiation, so that the electrical potential also undergoes a time-dependent change that can be determined using the system 100 . The electrode 5 can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation, so that the sample 1 can also be irradiated with electromagnetic radiation through the electrode 5, which considerably simplifies the adjustment effort for the irradiation.
Bei der elektromagnetischen Strahlung kann es sich zum Beispiel um elektromagnetische Wellen handeln, insbesondere um elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im Bereich von 1 THz bis 30 PHz. The electromagnetic radiation can be, for example, electromagnetic waves, in particular electromagnetic waves with frequencies in the range from 1 THz to 30 PHz.
In Fig. 1 ist eine Momentaufnahme des Biegekörpers 3 dargestellt, in der sich dieser in seiner Ruhelage befindet und sich somit im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung erstreckt. Erfindungsgemäß ist das System 100 allerdings derart ausgebildet, dass die Aktuatoreinheit 2 den Biegekörper 3 zu einer Biegeschwingung um seine Achse anregen kann. Die Biegeschwingung ist mit Pfeilen an den beiden Enden des Biegekörpers angedeutet. In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist hierfür die Aktuatoreinheit 2 an einem Kontaktbereich 6 starr über den Bolzen 14 mit dem Biegekörper 3 verbunden. Der Kontaktbereich 6 befindet sich hier in der Mitte des Biegekörpers 3 und umfasst somit, bei homogener Masseverteilung innerhalb des Biegekörpers 3, einen Schwerpunkt des Biegekörpers 3. Um den Biegekörper 3 zur Biegeschwingung anzuregen, kann die Aktuatoreinheit 2 den Biegekörper 3 entlang der ersten Richtung 11 hin- und herschieben. Damit die Aktuatoreinheit 2 möglichst auf den Schwerpunkt des Biegekörpers 3 einwirkt, kann der Bolzen 14 sich von der Aktuatoreinheit 2 hin zum Biegekörper 3 verjüngen, um so den Kontaktbereich 6 um den Schwerpunkt zu minimieren. 1 shows a snapshot of the flexible body 3 in which it is in its rest position and thus extends essentially along the second direction. According to the invention, however, the system 100 is designed in such a way that the actuator unit 2 can excite the flexural body 3 to perform a flexural oscillation about its axis. The bending vibration is indicated with arrows at the two ends of the bending body. In the first exemplary embodiment shown in FIG. 1, the actuator unit 2 is rigidly connected to the flexible body 3 at a contact area 6 via the bolt 14 for this purpose. The contact area 6 is located here in the middle of the bending body 3 and thus, with homogeneous mass distribution within the bending body 3, comprises a center of gravity of the bending body 3. In order to stimulate the bending body 3 to flexural vibration, the actuator unit 2 can move the bending body 3 along the first direction 11 push back and forth. So that the actuator unit 2 acts as much as possible on the center of gravity of the bending body 3, the bolt 14 can taper from the actuator unit 2 towards the bending body 3, in order to minimize the contact area 6 around the center of gravity.
Durch die Trägheit des Biegekörpers 3 bildet sich, wenn die Aktuatoreinheit 2 Schwingungsenergie generiert und diese mittels des Bolzens 14 auf den Biegekörper 3 überträgt, eine Biegeschwingung um die Achse des Biegekörpers 3 aus. Durch die Ankopplung des Biegekörpers 3 an die Aktuatoreinheit 2 im Kontaktbereich 6, der seinen Schwerpunkt umfasst, bildet sich dort ein Schwingungsknoten 33 mit minimaler Auslenkung des Biegekörpers 3 gegenüber seiner Ruhelage. Dagegen bildet sich an den freischwingenden beiden Enden des Biegekörpers 3 ein erster und ein zweiter Schwingungsbauch 31,32 mit minimaler mechanischer Impedanz sowie maximaler Auslenkung des Biegekörpers 3 gegenüber seiner Ruhelage aus. Due to the inertia of the flexible body 3 , when the actuator unit 2 generates vibrational energy and transmits it to the flexible body 3 by means of the bolt 14 , a flexible vibration occurs around the axis of the flexible body 3 . By coupling the bending body 3 to the actuator unit 2 in the contact area 6, which is his Includes focus, there forms a vibration node 33 with minimal deflection of the bending body 3 compared to its rest position. On the other hand, a first and a second antinode 31, 32 with minimum mechanical impedance and maximum deflection of the flexible body 3 with respect to its rest position are formed at the two freely oscillating ends of the flexible body 3.
Vorteilhafterweise wird, wie in Fig. 1 gezeigt, wenn die Aktuatoreinheit 2 in einem Kontaktbereich 6 im Bereich des Schwerpunkts des Biegekörpers 3 angeordnet ist, die Aktuatoreinheit 2 durch ein Piezoelement gebildet. Dies hat im Vergleich zum Beispiel mit einem Elektromagneten den Vorteil, bei geringer Auslenkung der Aktuatoreinheit 2 eine große Kraft zu entfalten, sodass die durch die Aktuatoreinheit 2 generierte Schwingungsenergie optimal in die Biegeschwingung des Biegekörpers 3 umgesetzt werden kann. Durch die starre Verbindung zwischen der Aktuatoreinheit 2 und dem Biegekörper 3 über den Bolzen 14 wird die Kraft der Aktuatoreinheit, respektive des Piezoelements, unmittelbar und nahezu verlustfrei auf den Biegekörper übertragen. Die Aktuatoreinheit 2, respektive das Piezoelement, ist hier von einem Gehäuse 15 umgeben, sodass von der Aktuatoreinheit 2, respektive dem Piezoelement ausgehende elektrische Störfelder effektiv vom Bereich zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 abgeschirmt werden können. Hierfür ist das Gehäuse 15 vorzugsweise über einen Draht 9 elektrisch zumindest mit dem Bolzen 9, der Aktuatoreinheit 2 und dem Biegekörper 3 verbunden und auf das vordefinierte Massepotential gelegt. Advantageously, as shown in FIG. 1, when the actuator unit 2 is arranged in a contact area 6 in the area of the center of gravity of the flexible body 3, the actuator unit 2 is formed by a piezoelectric element. In comparison with an electromagnet, for example, this has the advantage of developing a large force with a small deflection of the actuator unit 2 so that the vibration energy generated by the actuator unit 2 can be optimally converted into the bending vibration of the bending body 3 . Due to the rigid connection between the actuator unit 2 and the bending body 3 via the bolt 14, the force of the actuator unit or the piezoelectric element is transmitted directly and almost without loss to the bending body. The actuator unit 2 or the piezo element is here surrounded by a housing 15 so that electrical interference fields emanating from the actuator unit 2 or the piezo element can be effectively shielded from the area between the sample 1 and the electrode 5 . For this purpose, the housing 15 is preferably connected electrically via a wire 9 to at least the bolt 9, the actuator unit 2 and the bending body 3 and is connected to the predefined ground potential.
Andererseits ist die Aktuatoreinheit 2 hier mit einer Gegenmasse 4 wirkverbunden. Erfindungsgemäß ist die Gegenmasse 4 federnd aufgehängt, im hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel mittels elastischer Aufhängungen 10. Über die elastischen Aufhängungen 10, welche beispielsweise ein Elastomer enthalten können, kann die mittels der Aktuatoreinheit 2 erzeugte Schwingungsenergie teilweise abfließen, sodass nur ein Teil der Schwingungsenergie in die Biegeschwingung des Biegekörpers übergeht. Dieser Energieabfluss ist wegen der Verbindung und Wechselwirkung des Biegekörpers 3 mit seiner Umgebung unvermeidbar. In Fig. 1 wird die Umgebung des Biegekörpers 3 durch eine Wandung 13 symbolisiert, welche als Wesentlich schwerer als der Biegekörper 3 und die Gegenmasse 4 gemeinsam angenommen werden kann. Die Wandung 13 kann beispielsweise eine Wandung 13 einer Messkammer des Systems 100 sein, beispielsweise einer Vakuumkammer. Mit einer solchen Vakuumkammer kann dann der Bereich zwischen Probe 1 und Elektrode 4 zumindest teilweise evakuiert und das elektrische Potential der Probe 1 unter entsprechenden Bedingungen ermittelt werden. Auch oder zusätzlich denkbar ist, dass die Wandung 13 zu einer Verschiebeeinheit des Systems 100 gehört. Mittels einer solchen Verschiebeeinheit kann dann das System 100, respektive die Elektrode 5, relativ zur Probe 1 verschoben werden. On the other hand, the actuator unit 2 is operatively connected to a counterweight 4 here. According to the invention, the counterweight 4 is resiliently suspended, in the first exemplary embodiment shown here by means of elastic suspensions 10. Via the elastic suspensions 10, which can contain an elastomer, for example, the vibration energy generated by the actuator unit 2 can partially flow away, so that only a part of the vibration energy enters the Bending vibration of the bending body passes. This energy drain is unavoidable because of the connection and interaction of the bending body 3 with its surroundings. In FIG. 1, the environment of the bending body 3 is symbolized by a wall 13, which can be assumed to be significantly heavier than the bending body 3 and the counterweight 4 together. The wall 13 can be, for example, a wall 13 of a measurement chamber of the system 100, for example a vacuum chamber. With such a vacuum chamber, the area between sample 1 and electrode 4 can then be at least partially evacuated and the electrical potential of sample 1 can be determined under appropriate conditions. It is also or additionally conceivable that the wall 13 belongs to a displacement unit of the system 100 . by means of a Such a displacement unit can then be used to move the system 100 or the electrode 5 relative to the sample 1.
Die federnde Aufhängung über die Gegenmasse 4 sorgt vorteilhaft dafür, dass der Energieabfluss der Schwingungsenergie und eine Schwingungsgüte der Biegeschwingung über einen Grad der Elastizität der elastischen Aufhängung 10 einstellbar wird. Insbesondere kann so durch eine geeignete Wahl insbesondere der Massen von Biegekörper 3 und Gegenmasse 4 sowie der Verbindungen zwischen Aktuatoreinheit 2 und Biegekörper 3 sowie zwischen Aktuatoreinheit 2 und Gegenmasse 4 eine maximale Auslenkung der Schwingungsbäuche 31 ,32 bei minimaler durch die Aktuatoreinheit 2 erzeugter Schwingungsenergie und vertretbarem Energieabfluss aus dem System 100 erreicht werden. Hierfür wird die Masse der Gegenmasse 4 vorzugsweise als 3- bis 10-mal so schwer wie eine Gesamtmasse des Biegekörpers 3 und des Bolzens 14 gewählt. The resilient suspension via the counterweight 4 advantageously ensures that the energy dissipation of the vibrational energy and a vibration quality of the bending vibration can be adjusted via a degree of elasticity of the elastic suspension 10 . In particular, a suitable choice, in particular of the masses of bending body 3 and counterweight 4 and the connections between actuator unit 2 and bending body 3 and between actuator unit 2 and counterweight 4, can result in maximum deflection of antinodes 31, 32 with minimal vibration energy generated by actuator unit 2 and at an acceptable level Energy drain from the system 100 can be achieved. For this purpose, the mass of the counterweight 4 is preferably chosen to be 3 to 10 times as heavy as a total mass of the bending body 3 and the bolt 14 .
Gemäß Impulserhaltungssatz vollzieht die Gegenmasse 4 dann mechanische Schwingungen derselben Frequenz wie der Bolzen 14 und der Biegekörper 3, jedoch in jeweils entgegengesetzter Richtung und mit einer Auslenkung, die entsprechend den Masseverhältnissen um 3- bis 10-mal geringer als die Auslenkung des Bolzens 14 ist. Die Kräfte, die die Gegenmasse 4 durch ihre mechanischen Schwingungen ausübt, sind dieselben wie jene, die der Bolzen 14 auf den Biegekörper 3 ausübt. Somit ist die mechanische Impedanz der Gegenmasse 4 ebenfalls entsprechend den Masseverhältnissen um 3- bis 10-mal größer als die des Bolzens 14. Die elastische Aufhängung 10, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Gegenmasse 4, die Aktuatoreinheit 2, der Bolzen 14 und der Schwingungsknoten 33 des Biegekörpers 3 entlang der ersten Richtung 11 hinreichend ortsfest verbleiben, sodass lediglich die Schwingungsbäuche 31,32 eine möglichst große Auslenkung entlang der ersten Richtung 11 erfahren. Durch die gemäß den Massenverhältnissen große Impedanz der nur mit minimaler Auslenkung, aber großer Kraft bewegten Gegenmasse 4 wird der Gegenmasse 4, der Aktuatoreinheit 2, dem Bolzen und dem Biegekörper 3 entsprechend wenig Schwingungsenergie entzogen. Die Schwingungsgüte bleibt daher bei großen Auslenkungen der Schwingungsbäuche 31 ,32 vorteilhaft hoch, sodass nur geringe Ansteuerungsleistungen der Aktuatoreinheit 2 benötigt werden. So kann das System 100 beispielsweise mit einem Piezoelement bei wenigen Volt, statt bei sonst üblichen Ansteuerungsspannungen in der Größenordnung von 100 Volt, betrieben werden. Die entsprechend niedrige Ansteuerungsleistung sorgt damit vorteilhaft für schwächere Störfelder, die, wenn sie in den Bereich zwischen Probe 1 und Elektrode 5 einkoppeln, zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 beitragen können. Weiterhin vorteilhaft bleibt durch die niedrige Ansteuerungsleistung die thermische Verlustleistung des Piezoelements, welche quadratisch mit seiner Ansteuerungsspannung und linear mit einer Ansteuerungsfrequenz zusammenhängt, vorteilhaft gering, sodass auch bei hohen Ansteuerungsfrequenzen bis in den kHz-Bereich gearbeitet werden kann. According to the law of conservation of momentum, the countermass 4 then performs mechanical oscillations of the same frequency as the bolt 14 and the bending body 3, but in the opposite direction and with a deflection that is 3 to 10 times less than the deflection of the bolt 14, depending on the mass ratios. The forces that the counterweight 4 exerts through its mechanical vibrations are the same as those that the bolt 14 exerts on the bending body 3 . Thus, the mechanical impedance of the counterweight 4 is also corresponding to the mass ratios by 3 to 10 times greater than that of the bolt 14. The elastic suspension 10 is preferably designed such that the counterweight 4, the actuator unit 2, the bolt 14 and the Vibration nodes 33 of the flexible body 3 remain sufficiently stationary along the first direction 11 so that only the antinodes 31 , 32 experience the greatest possible deflection along the first direction 11 . Due to the high impedance according to the mass ratios of the counterweight 4, which is moved only with minimal deflection but with great force, the counterweight 4, the actuator unit 2, the bolt and the bending body 3 are correspondingly withdrawn little vibrational energy. The vibration quality therefore remains advantageously high in the case of large deflections of the antinodes 31, 32, so that only low activation powers of the actuator unit 2 are required. For example, the system 100 can be operated with a piezo element at a few volts instead of with the otherwise usual drive voltages of the order of 100 volts. The correspondingly low control power thus advantageously ensures weaker interference fields which, if they couple into the area between sample 1 and electrode 5, can contribute to the measurement error of the electrical potential of sample 1. Due to the low control power, the thermal power loss of the piezo element, which is the square of its control voltage, remains advantageous and linearly related to a control frequency, advantageously low, so that it is possible to work even at high control frequencies up to the kHz range.
Wie weiterhin Fig. 1 entnehmbar, ist die Elektrode 5 an einem der beiden bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsbäuche 31 ,32 angeordnet, im hier gezeigten ersten Ausführungsbeispiel am ersten Schwingungsbauch 31. Selbstverständlich kann die Elektrode 5 aber auch am zweiten Schwingungsbauch 32 angeordnet sein, oder auch jeweils eine Elektrode 5 an einem zugehörigen Schwingungsbauch 31 ,32. Folglich ist ein Abstand entlang der ersten Richtung 11 zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 über die nahezu gesamte Auslenkung des Schwingungsbauches 31 gegenüber der Ruhelage des Biegekörpers 3 veränderbar. Die Probe 1 und die Elektrode 5 bilden somit jeweils eine Platte eines Plattenkondensators. Der für eine Kapazität des Plattenkondensators maßgebliche Abstand zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 ist dabei vorteilhaft über die gesamte Auslenkung des Schwingungsbauches 31 veränderbar. Somit führt ein in der Probe 1 induziertes elektrisches Potential zu entsprechend großen Änderungen der Kapazität, sodass das elektrische Potential der Probe 1 mittels des Systems 100 vorteilhaft genauer ermittelbar wird. As can also be seen in FIG. 1, the electrode 5 is arranged on one of the two antinodes 31, 32 occurring during bending oscillations, in the first exemplary embodiment shown here on the first antinode 31. Of course, the electrode 5 can also be arranged on the second antinode 32, or else one electrode 5 each on an associated antinode 31, 32. Consequently, a distance along the first direction 11 between the sample 1 and the electrode 5 can be changed over almost the entire deflection of the antinode 31 in relation to the rest position of the flexible body 3 . The sample 1 and the electrode 5 thus each form a plate of a plate capacitor. The distance between the sample 1 and the electrode 5, which is decisive for a capacitance of the plate capacitor, during flexural oscillation of the flexural body 3 can advantageously be changed over the entire deflection of the antinode 31. An electrical potential induced in the sample 1 thus leads to correspondingly large changes in the capacitance, so that the electrical potential of the sample 1 can advantageously be determined more precisely by means of the system 100 .
Zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 umfasst das System 100 insbesondere eine elektronische Schaltung 20, auf die gesondert in Fig. 5 eingegangen werden soll. Die elektronische Schaltung 20 ist elektrisch über einen Draht 9 mit der Elektrode 5 verbunden, sodass ein für das elektrische Potential der Probe 1 indikatives Signal von der Elektrode 5 über den Draht 9 an die elektronische Schaltung 20 weitergegeben werden kann. Hierzu kann die schwere Wandung 13 zumindest eine Durchführung 16 aufweisen, über welche der Draht 9 elektrisch mit der elektronischen Schaltung 20 verbunden ist. Der Draht 9 ist dabei vorzugsweise flexibel ausgebildet, sodass die Biegeschwingung des Biegekörpers 3 durch den Draht 9 möglichst keine zusätzliche Dämpfung erfährt. In order to determine the electrical potential of the sample 1, the system 100 includes, in particular, an electronic circuit 20, which will be discussed separately in FIG. The electronic circuit 20 is electrically connected to the electrode 5 via a wire 9 so that a signal indicative of the electrical potential of the sample 1 can be passed on from the electrode 5 to the electronic circuit 20 via the wire 9 . For this purpose, the heavy wall 13 can have at least one bushing 16, via which the wire 9 is electrically connected to the electronic circuit 20. The wire 9 is preferably designed to be flexible, so that the flexural vibration of the flexible body 3 experiences as little additional damping as possible through the wire 9 .
Das Gehäuse 15 kann insbesondere zumindest teilweise gasdicht ausgebildet sein, sodass die Aktuatoreinheit 2 innerhalb des Gehäuses 15 bei einem vorgegebenen Gehäusedruck arbeiten kann. Dieser Gehäusedruck kann dann unabhängig von einem Druck außerhalb des Gehäuses 15 sein, beispielsweise wenn die schwere Wandung 13 Teil einer teilweise evakuierbaren Vakuumkammer ist, sodass der Bereich außerhalb des Gehäuses 15 aber innerhalb der schweren Wandung 13 teilweise evakuierbar ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Aktuatoreinheit 2 ein Piezoelement umfasst, da Piezoelemente bevorzugt bei einem hinreichenden Umgebungsdruck (z.B. bei Normaldruck, 1015 hPa) eingesetzt werden, um ein Ausgasen der am Piezo-Aktuator üblicher Weise verwendeten Kunststoffbestandteile (wie einer Umhüllung des Piezoelements) und eine damit verbundene Verschlechterung des Vakuums zu verhindern. Weiterhin vorteilhaft verhindert ein derartig gasdicht ausgebildetes Gehäuse 15 ein Ausgasen von Komponenten des Systems 100, insbesondere der elastischen Aufhängung 10 und der Aktuatoreinheit 2 in den evakuierbaren Bereich außerhalb des Gehäuses 15. Insbesondere kann die Verbindung zwischen dem Bolzen 14 und dem Gehäuse 15 gasdicht ausgebildet sein und gleichzeitig eine durch die Aktuatoreinheit 2 verursachte Bewegung des Bolzens 14 relativ zum Gehäuse 15 entlang der ersten Richtung 11 erlauben. Dies kann zum Beispiel durch eine zwischen dem Bolzen 14 und dem Gehäuse 15 angeordnete Membran oder einen Faltenbalg realisiert werden. The housing 15 can in particular be designed to be at least partially gas-tight, so that the actuator unit 2 can work within the housing 15 at a predetermined housing pressure. This housing pressure can then be independent of a pressure outside the housing 15, for example if the heavy wall 13 is part of a partially evacuatable vacuum chamber, so that the area outside the housing 15 but inside the heavy wall 13 can be partially evacuated. This is particularly advantageous if the actuator unit 2 includes a piezo element, since piezo elements are preferably used at a sufficient ambient pressure (e.g. at normal pressure, 1015 hPa) to prevent outgassing of the plastic components normally used on the piezo actuator (such as a casing of the piezo element ) and an associated one prevent vacuum deterioration. Furthermore, such a gas-tight housing 15 advantageously prevents components of the system 100, in particular the elastic suspension 10 and the actuator unit 2, from outgassing into the evacuatable area outside the housing 15. In particular, the connection between the bolt 14 and the housing 15 can be gas-tight and at the same time allow a movement of the bolt 14 caused by the actuator unit 2 relative to the housing 15 along the first direction 11 . This can be realized, for example, by means of a membrane or a bellows arranged between the bolt 14 and the housing 15 .
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100, wobei in einer Draufsicht eine an einem Ende des sich entlang der Achse entlang der zweiten Richtung 12 erstreckenden Biegekörpers 3 angeordnete Elektrode 5 sichtbar ist. Die Elektrode 5 ist dabei derart in den Biegekörper 3 eingefasst, dass eine die Elektrode 5 umgebende Wandung des Biegekörpers 3 ein umlaufendes Leiterelement 7 bildet. Vorteilhafterweise liegt dabei der Biegekörper 3 elektrisch auf dem vordefinierten Massepotential, sodass das durch den Biegekörper 3 gebildete umlaufende Leiterelement 7 vorteilhaft für eine zumindest teilweise Abschirmung von Störfeldern sorgt, welche ansonsten verstärkt zu einem Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 beitragen würden. Die hier nicht dargestellte Probe 1 wird vorzugweise gegenüber der Elektrode 5 angeordnet, sodass die Probe 1 mit der Elektrode 5 einen Plattenkondensator bildet. 2 shows a second exemplary embodiment of the system 100 according to the invention, an electrode 5 arranged at one end of the flexible body 3 extending along the axis in the second direction 12 being visible in a plan view. The electrode 5 is enclosed in the flexible body 3 in such a way that a wall of the flexible body 3 surrounding the electrode 5 forms a circumferential conductor element 7 . Advantageously, the bending body 3 is electrically at the predefined ground potential, so that the circumferential conductor element 7 formed by the bending body 3 advantageously ensures at least partial shielding from interference fields, which would otherwise contribute more to a measurement error of the electrical potential of the sample 1. Sample 1, not shown here, is preferably arranged opposite electrode 5, so that sample 1 forms a plate capacitor with electrode 5.
In Figs. 3a-d sind weitere Ausführungsbeispiele des Systems 100 dargestellt. In allen Ausführungsbeispielen liegt die Elektrode 5 vorzugsweise im Bereich des bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 entstehenden ersten Schwingungsbauches 31. Weiterhin ist allen in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen gemein, dass die Gegenmasse 4 wie erfindungsgemäß vorgeschlagen federnd aufgehängt ist. In Figs. 3a-d further exemplary embodiments of the system 100 are shown. In all of the exemplary embodiments, the electrode 5 is preferably in the region of the first antinode 31 occurring during bending oscillation of the bending body 3. All of the exemplary embodiments shown in FIG.
Fig. 3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Systems 100 mit einem symmetrischen Biegekörper 3, welcher über seinen Schwerpunkt in der Mitte des Biegekörpers 3 durch die Aktuatoreinheit 2 zur Biegeschwingung anregbar ist. Hierfür wird bevorzugterweise ein Piezoelement als Aktuatoreinheit 2 verwendet, welches über den Bolzen 14 auf einen Kontaktbereich 6 des Biegekörpers 3 einwirkt, um diesen so zur Biegeschwingung anzuregen. Hierbei entsteht ein erster und ein zweiter Schwingungsbauch 31 ,32, wobei der Kontaktbereich 6 mit einem Schwingungsknoten 33 zusammenfällt. 3a shows a third exemplary embodiment of the system 100 with a symmetrical flexible body 3, which can be excited via its center of gravity in the middle of the flexible body 3 by the actuator unit 2 to flexural vibration. For this purpose, a piezoelectric element is preferably used as the actuator unit 2, which acts on a contact area 6 of the flexible body 3 via the bolt 14 in order to excite the latter to flexural vibration. This creates a first and a second antinode 31 , 32 , with the contact area 6 coinciding with a node 33 .
Im in Fig. 3b dargestellten vierten Ausführungsbeispiel des Systems 100 ist erneut ein symmetrischer Biegekörper 3 sichtbar, wobei eine Aktuatoreinheit 2 im Bereich eines bei Biegeschwingung entstehenden zweiten Schwingungsbauches 32 angeordnet ist. Die Aktuatoreinheit 2 ist hier vorzugsweise als Elektromagnet ausgebildet, wobei der Biegekörper 3 im Bereich des zweiten Schwingungsbauches 32 zumindest abschnittsweise magnetisch, insbesondere ferromagnetisch ausgebildet ist, sodass der Elektromagnet Schwingungsenergie in den Biegekörper 3 einleiten kann. Somit kann die maximale Auslenkung im Bereich der Schwingungsbäuche 31 ,32, insbesondere im Bereich des ersten Schwingungsbauches 31 mit der Elektrode 5, vorteilhaft mittels eines Elektromagneten eingestellt werden. Über den Bolzen 14 ist der Biegekörper 3 auch hier im Kontaktbereich eines Schwingungsknoten 6, 33, welcher bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 auftritt, aufgehängt und wobei der Bolzen 14 mit der Gegenmasse 4 verbunden ist. In the fourth exemplary embodiment of the system 100 illustrated in FIG. 3b, a symmetrical flexible body 3 is again visible, with an actuator unit 2 being arranged in the region of a second antinode 32 occurring during bending vibration. The actuator unit 2 is preferably designed here as an electromagnet, wherein the Bending body 3 in the region of the second antinode 32 is designed to be magnetic, in particular ferromagnetic, at least in sections, so that the electromagnet can introduce vibrational energy into the bending body 3 . Thus, the maximum deflection in the area of the antinodes 31, 32, in particular in the area of the first antinode 31 with the electrode 5, can advantageously be adjusted by means of an electromagnet. Here, too, the bending body 3 is suspended via the bolt 14 in the contact region of a vibration node 6 , 33 which occurs during bending vibration of the bending body 3 , and the bolt 14 is connected to the counterweight 4 .
In dem fünften Ausführungsbeispiel des Systems 100 aus Fig. 3c ist ein Biegekörper 3 dargestellt, der durch eine im Bereich des ersten Schwingungsbauches 31 angeordnete Öffnung 8 aufweist. Durch die Öffnung 8 ist der Biegekörper 3 nicht mehr symmetrisch bezüglich seines Schwerpunkts ausgebildet. Entsprechend wird hier vorteilhaft der Kontaktbereich 6 des über den Bolzen 14 mit der Aktuatoreinheit 2 verbundenen Biegekörpers 3 von der Öffnung 8 weg hin zum entsprechend gegenüber dem Biegekörper 3 aus Fig. 3a entlang der zweiten Richtung 12 verschobenen Schwerpunkt dieses Biegekörpers 3 verschoben. Damit kann der Biegekörper 3 auch in einer asymmetrischen Konfiguration über den entsprechend zum bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknoten 33 bzw. zum Schwerpunkt des Biegekörpers 3 verschobenen Kontaktbereich 6 zur Biegeschwingung angeregt werden. In the fifth exemplary embodiment of the system 100 from FIG. 3 c , a flexible body 3 is shown, which has an opening 8 arranged in the region of the first antinode 31 . Due to the opening 8, the bending body 3 is no longer formed symmetrically with respect to its center of gravity. Accordingly, the contact area 6 of the flexible body 3 connected to the actuator unit 2 via the bolt 14 is advantageously shifted away from the opening 8 towards the center of gravity of this flexible body 3 that is correspondingly shifted in relation to the flexible body 3 from FIG. 3a along the second direction 12 . The flexural body 3 can thus also be excited to flexural vibration in an asymmetrical configuration via the contact region 6 that is displaced correspondingly to the vibration node 33 occurring during flexural vibration or to the center of gravity of the flexural body 3 .
Ein weiteres, sechstes Ausführungsbeispiel des Systems 100 ist in Fig. 4 gezeigt. Hier kann ein Biegekörper 3 im Bereich des Schwerpunkts des Biegekörpers 3 über die Aktuatoreinheit 2 zur Biegeschwingung angeregt werden, wobei die Aktuatoreinheit 2 andererseits fest mit der Gegenmasse 4 verbunden ist. Die Gegenmasse 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel starr mit einem Gehäuse 15 verbunden, welches wiederum über eine elastische Aufhängung 10 elastisch mit einer Wandung 13 verbunden ist. Die Wandung 13 wird hier als Wesentlich schwerer als Biegekörper 3, Bolzen 14, Aktuatoreinheit 2, Gegenmasse 4 und Gehäuse 15 angenommen. Das Gehäuse 15 weist eine Aussparung auf, über welche die Aktuatoreinheit 2 über den Bolzen 14 mit dem Biegekörper 3 verbunden ist. Somit ist hier die Gegenmasse 4 und das fest mit der Gegenmasse 4 verbundene Gehäuse 15 federnd über die elastische Aufhängung an der Wandung 13 aufgehängt. Die Gesamtmasse von Gegenmasse 4 und Gehäuse 15 wird vorzugweise als 3- bis 10-fach so hoch wie die Masse des Biegekörpers 3 angesetzt, sodass die Biegeschwingung eine hinreichend hohe Schwingungsgüte aufweist und gleichzeitig das Gehäuse 15 und die Gegenmasse 5, welche einen Sensorkopf bilden, im Sinne einer leichten Handhabung kompakt bleiben. Another sixth embodiment of the system 100 is shown in FIG. Here, a bending body 3 can be excited to flexural vibration in the area of the center of gravity of the bending body 3 via the actuator unit 2 , with the actuator unit 2 being firmly connected to the counterweight 4 on the other hand. In this exemplary embodiment, the counterweight 4 is rigidly connected to a housing 15 , which in turn is connected elastically to a wall 13 via an elastic suspension 10 . The wall 13 is assumed here to be significantly heavier than the bending body 3 , the bolt 14 , the actuator unit 2 , the counterweight 4 and the housing 15 . The housing 15 has a recess via which the actuator unit 2 is connected to the flexible body 3 via the bolt 14 . Thus, here the counterweight 4 and the housing 15, which is firmly connected to the counterweight 4, are suspended resiliently via the elastic suspension on the wall 13. The total mass of countermass 4 and housing 15 is preferably set at 3 to 10 times the mass of bending body 3, so that the bending vibration has a sufficiently high vibration quality and at the same time housing 15 and countermass 5, which form a sensor head, stay compact for ease of use.
Der Biegekörper 3 weist auch hier eine Öffnung 8 für Lichteintritt auf, um über die ElektrodeHere, too, the bending body 3 has an opening 8 for light to enter via the electrode
5 das elektrische Potential der Probe 1 mit und ohne Licht durchführen zu können. Zudem ist in diesem Fall die Elektrode 5 über einen Draht 9 mit dem Eingang eines hier auf dem Biegekörper 3 befestigten Vorverstärkers 22 verbunden. Dies hat den Vorteil, dass der Draht 9 zwischen der Elektrode 5 und dem Eingang des Vorverstärkers 22 in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend kurz gewählt werden kann, sodass die durch den Draht 9 bedingte, unvermeidbare parasitäre Kapazität des Drahtes 9 entsprechend verringert wird. Dies wirkt sich positiv auf den Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 22 und damit die Genauigkeit der Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 aus. Der Vorverstärker 22 bildet eine Komponente der elektronischen Schaltung 20, welche hier nicht weiter dargestellt ist. Auf die elektronische Schaltung 20 zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 soll in Fig. 5 genauer eingegangen werden. 5 to be able to carry out the electrical potential of the sample 1 with and without light. In addition in this case the electrode 5 is connected via a wire 9 to the input of a preamplifier 22 fastened here on the bending body 3 . This has the advantage that the wire 9 between the electrode 5 and the input of the preamplifier 22 can be selected to be correspondingly short in this exemplary embodiment, so that the unavoidable parasitic capacitance of the wire 9 caused by the wire 9 is correspondingly reduced. This has a positive effect on the amplification factor of the preamplifier 22 and thus the accuracy of the determination of the electrical potential of the sample 1. The preamplifier 22 forms a component of the electronic circuit 20, which is not shown here. The electronic circuit 20 for determining the electrical potential of the sample 1 will be discussed in more detail in FIG.
Für das hier in Fig. 4 betrachtete sechste Ausführungsbeispiel kann insbesondere ein Biegekörper 3 aus V2A-Stahl mit Abmessungen von 100x8x2 mm3 mit einer resultierenden Resonanzfrequenz von 617 Hz verwendet werden. Die Anregung kann zum Beispiel im Schwingungsknoten 33 des Biegekörpers 3 mittels eines Piezoelements Modell PC4GQ, Thorlabs® geschehen. Der Bolzen 14 zwischen dem Biegekörper 3 und dem Piezoelement kann aus V2A-Stahl bestehen und mit dem Biegekörper 3 fest verschraubt sein, beispielsweise mittels zumindest einer M1.6-Schraube, und mit dem Piezoelement insbesondere verklebt sein, zum Beispiel mittels eines Zweikomponentenklebers. Auf der anderen Seite kann das Piezoelement mit einem die Gegenmasse 4 bildenden Eisenquader verklebt, sein. Die Gegenmasse 4 kann beispielsweise ein Gewicht von 45 g aufweisen und wiederum fest mit einem Gehäuse 15, zum Beispiel aus Aluminium und mit den Maßen 52x38x31 mm3, verschraubt sein. Das Gehäuse 15 liegt dabei durch eine elektrische Verbindung über einen Draht 9 auf dem vordefinierten Massepotential von Biegekörper 3, Bolzen 14, Aktuatoreinheit 2 und Gegenmasse 4. For the sixth exemplary embodiment considered here in FIG. 4, a flexible body 3 made of V2A steel with dimensions of 100×8×2 mm 3 with a resulting resonance frequency of 617 Hz can be used in particular. The excitation can take place, for example, in the vibration node 33 of the bending body 3 by means of a piezo element model PC4GQ, Thorlabs®. The bolt 14 between the bending body 3 and the piezoelectric element can be made of V2A steel and screwed tightly to the bending body 3, for example using at least one M1.6 screw, and in particular glued to the piezoelectric element, for example using a two-component adhesive. On the other side, the piezoelectric element can be glued to an iron block forming the counterweight 4 . The counterweight 4 can have a weight of 45 g, for example, and can in turn be screwed firmly to a housing 15, for example made of aluminum and measuring 52×38×31 mm 3 . Due to an electrical connection via a wire 9, the housing 15 is at the predefined ground potential of the bending body 3, the bolt 14, the actuator unit 2 and the counter-ground 4.
Für eine Auslenkung der Schwingungsbäuche 31,32 von 50 pm wird in diesem Ausführungsbeispiel bei Verwendung eines Piezoelements als Aktuatoreinheit 2 lediglich eine Spannung von etwa 1 V benötigt, was einer Auslenkung des Piezoelements entlang der ersten Richtung 11 von nur einigen hundert Nanometern entspricht. Die Resonanz des Biegekörpers 3 ist derart stabil, dass die Anregung der Biegeschwingung beispielsweise durch einen mit dem Piezoelement verbundenen Signalgenerator mit einstellbarer Anregungsfrequenz erfolgen kann. For a deflection of the antinodes 31, 32 of 50 pm in this exemplary embodiment when using a piezo element as the actuator unit 2, only a voltage of about 1 V is required, which corresponds to a deflection of the piezo element along the first direction 11 of only a few hundred nanometers. The resonance of the bending body 3 is so stable that the bending vibration can be excited, for example, by a signal generator connected to the piezoelectric element with an adjustable excitation frequency.
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild der mit dem erfindungsgemäßen System 100 verbindbaren elektronischen Schaltung 20 zur Ermittlung des elektronischen Potentials der Probe 1. Es sind insbesondere der Biegekörper 3 sowie die am Biegekörper 3 angeordnete Elektrode 5 des Systems 100 sichtbar. Die Probe 1 und die Elektrode 5 bilden einen Plattenkondensator. Weiterhin kann die Probe 1 elektrisch mit einer hier nicht dargestellten Probenhalterung elektrisch verbunden, insbesondere kurzgeschlossen sein. 5 shows a circuit diagram of the electronic circuit 20 that can be connected to the system 100 according to the invention for determining the electronic potential of the sample 1. The flexible body 3 and the electrode 5 of the system 100 arranged on the flexible body 3 are particularly visible. The sample 1 and the electrode 5 form a plate capacitor. Furthermore, the sample 1 can be electrically connected, in particular short-circuited, to a sample holder (not shown here).
Die hier dargestellte elektronische Schaltung 20 kann insbesondere in zwei Varianten verwendet werden, welche mittels eines Schalters 28 eingestellt werden können. Die Probe 1 ist dafür über eine Leiterverbindung elektrisch mit dem Schalter 28 verbunden. Die Leiterverbindung kann ferner einen Kondensator 26 aufweisen, über weichen die Probe 1 für Hochfrequenz geerdet ist. The electronic circuit 20 shown here can be used in particular in two variants, which can be set using a switch 28 . For this purpose, the sample 1 is electrically connected to the switch 28 via a conductor connection. The conductor connection may further include a capacitor 26 through which the sample 1 is grounded for high frequency.
Wird der Schalter 28 auf die erste Schalterposition 28a gestellt, liegt die Probe auf dem vordefinierten Massepotential. In dieser ersten Variante kann dann ein durch das System 100 bzw. die elektronische Schaltung 20 ermittelbares elektrisches Potential der Probe 1 zunächst in der Probe 1 induziert werden, insbesondere durch Bestrahlen der Probe 1 mit elektromagnetischer Strahlung. Die elektromagnetische Strahlung kann zeitlich moduliert, insbesondere gepulst sein. Die elektromagnetische Strahlung kann auch mit der Frequenz der Biegeschwingung, insbesondere der Resonanzfrequenz des Biegekörpers 3, moduliert sein. Durch die dadurch entstehende zumindest teilweise Synchronisation zwischen Biegeschwingung und Bestrahlung kann insbesondere die Abhängigkeit der zeitabhängigen elektrischen Spannung vom Abstand zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 zumindest teilweise eliminiert werden, was vorteilhaft zu einem verminderten Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 führt. If the switch 28 is set to the first switch position 28a, the sample is at the predefined ground potential. In this first variant, an electrical potential of the sample 1 that can be determined by the system 100 or the electronic circuit 20 can then first be induced in the sample 1, in particular by irradiating the sample 1 with electromagnetic radiation. The electromagnetic radiation can be modulated over time, in particular pulsed. The electromagnetic radiation can also be modulated with the frequency of the bending vibration, in particular the resonant frequency of the bending body 3 . The resulting at least partial synchronization between flexural vibration and irradiation makes it possible, in particular, to at least partially eliminate the dependency of the time-dependent electrical voltage on the distance between sample 1 and electrode 5, which advantageously leads to a reduced measurement error in the electrical potential of sample 1.
Durch einen Wechselwirkungsprozess zwischen der elektromagnetischen Strahlung und der Probe 1 wird eine elektrische Spannung zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 induziert. Diese elektrische Spannung kann sowohl zeitlich konstante als auch zeitlich veränderliche Komponenten der elektrischen Spannung enthalten, welche jeweils für ein zeitlich konstantes bzw. ein zeitlich veränderliches Potential der Probe 1 indikativ sind. Die elektrische Spannung bezieht sich hierbei auf das vordefinierte Massepotential. An electrical voltage is induced between the sample 1 and the electrode 5 by an interaction process between the electromagnetic radiation and the sample 1 . This electrical voltage can contain components of the electrical voltage that are constant over time as well as components of the electrical voltage that change over time, which are indicative of a potential of the sample 1 that is constant over time or a potential that changes over time. In this case, the electrical voltage refers to the predefined ground potential.
Die Elektrode 5 ist elektrisch mit einem Vorverstärker 22 verbunden, welcher dazu ausgebildet ist, die elektrische Spannung vorzuverstärken und vorverstärkt als Verstärkerspannung ausgangsseitig an einem nachgeschalteten Teil 21 der elektronischen Schaltung 20 bereitzustellen. Vorzugsweise enthält der Vorverstärker 22 einen Operationsverstärker und ein RC-Glied, wobei der ohmsche Widerstand des RC-Glieds vorzugsweise ausreichend hoch gewählt wird, zum Beispiel 1 TQ. Die Kapazität des RC- Glieds kann beispielsweise im Bereich von 0.1 pF bis 1 pF liegen. Somit ergeben sich aus dem Produkt des Widerstands und der Kapazität des RC-Glieds charakteristische Zeitkonstanten des Vorverstärkers 22 im Bereich von T = 0.1 s bis 1 s. Da insbesondere die Kapazität des RC-Glieds im Sinne einer ausreichenden Verstärkung der elektrischen Spannung nicht beliebig hoch gewählt werden kann, werden durch den Vorverstärker 22 lediglich zeitlich veränderliche elektrische Spannungen oberhalb einer Grenzfrequenz f = 1/T verstärkt. Diese liegt mit den beispielhaften Werten des RC-Glieds bei f = 1 Hz bis 10 Hz. Tieferfrequentere Komponenten der elektrischen Spannung, insbesondere deren zeitlich konstante Komponente, werden durch den Vorverstärker 22 nicht vorverstärkt bzw. unterdrückt, sodass dieser Teil der elektronischen Schaltung 20 nicht zum Erfassen der zeitlich konstanten Komponente der elektrischen Spannung bzw. des zeitlich konstanten elektrischen Potentials der Probe 1 ausgebildet ist. The electrode 5 is electrically connected to a preamplifier 22 which is designed to preamplify the electrical voltage and provide it preamplified as an amplifier voltage on the output side to a downstream part 21 of the electronic circuit 20 . The preamplifier 22 preferably contains an operational amplifier and an RC element, with the ohmic resistance of the RC element preferably being selected to be sufficiently high, for example 1 TQ. The capacitance of the RC element can be in the range from 0.1 pF to 1 pF, for example. Thus, characteristic time constants of the preamplifier 22 in the range of T=0.1 s to 1 s result from the product of the resistance and the capacitance of the RC element Voltage can not be chosen arbitrarily high, are only amplified by the preamplifier 22 time-varying electrical voltages above a cut-off frequency f = 1 / T. With the exemplary values of the RC element, this is f=1 Hz to 10 Hz is designed to detect the time-constant component of the electrical voltage or the time-constant electrical potential of the sample 1.
Die zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 werden dagegen durch den Vorverstärker 22 vorverstärkt und ausgangsseitig dem nachgeschalteten Teil 21 als zeitabhängige Vorverstärkerspannung bereitgestellt. Hier kann weiterhin ein Entzerrer 29 vorhanden sein. Der Entzerrer 29 ist dabei vorzugweise dazu ausgebildet, die zeitabhängige Verstärkerspannung durch einen Korrekturfaktor dahingehend zu korrigieren, dass ein zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 angeordnetes Medium berücksichtigt wird. Dieses Medium, beispielsweise Luft, wirkt sich auf die korrigierte zeitabhängige Verstärkerspannung aus. Diese korrigierte zeitabhängige Verstärkerspannung, welche die besagten zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 enthält, wird schließlich an einen Summierer 25 weitergegeben. The time-varying components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1, on the other hand, are preamplified by the preamplifier 22 and made available on the output side to the downstream part 21 as a time-dependent preamplifier voltage. An equalizer 29 can also be present here. The equalizer 29 is preferably designed to correct the time-dependent amplifier voltage by a correction factor such that a medium arranged between the sample 1 and the electrode 5 is taken into account. This medium, for example air, affects the corrected time-dependent amplifier voltage. This corrected, time-dependent amplifier voltage, which contains the said time-varying components of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1, is finally passed on to a summer 25.
Um auch die zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 unterhalb der Grenzfrequenz des Vorverstärkers 22, insbesondere deren zeitlich konstante Komponenten ermitteln zu können, weist der nachgeschaltete Teil 21 weiterhin einen Gleichrichter 23 auf. Hierbei wird sich zunutze gemacht, dass die Biegeschwingung durch die Modulierung des Abstands zwischen Elektrode 5 und Probe 1 zu einer zeitlichen Änderung der an sich konstanten Komponente des elektrischen Potentials der Probe 1 führt. Diese zeitliche Änderung ist als zeitlich mit der Frequenz der Biegeschwingung modulierte Kapazität zwischen Probe 1 und Elektrode 5 insbesondere mithilfe des Gleichrichters 23 ermittelbar. Der Gleichrichter 23 ist hierbei dazu ausgebildet, unter Zuhilfenahme der Frequenz der Biegeschwingung, insbesondere der Resonanzfrequenz des Biegebalkens 3, durch Synchrongleichrichtung der Frequenz der Biegeschwingung und der durch die Biegeschwingung bedingten zeitlichen Änderung der Kapazität die zeitlich konstante Komponente der elektrischen Spannung gleichzurichten und als Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters 23 bereitzustellen. An seinem Ausgang ist der Gleichrichter 23 mit einem Regler 24 elektrisch verbunden. Der Regler 24 kann dabei als integrierender Regler 24 ausgebildet sein und die am Eingang des Reglers 24 anliegende Gleichspannung durch Erzeugung und Regeln einer Gegengleichspannung kompensieren. Die Gegengleichspannung ist folglich ebenfalls für die zeitliche konstante Komponente der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 indikativ. Die Gegengleichspannung kann weiterhin an einen Summierer 25 weitergegeben werden. In order to also be able to determine the time-varying components of the electrical voltage or the electric potential of the sample 1 below the cut-off frequency of the preamplifier 22, in particular their time-constant components, the downstream part 21 also has a rectifier 23. Here, use is made of the fact that the flexural vibration leads to a change over time in the component of the electrical potential of the sample 1, which is constant per se, as a result of the modulation of the distance between the electrode 5 and the sample 1. This change over time can be determined as a capacitance between sample 1 and electrode 5 modulated over time with the frequency of the flexural oscillation, in particular with the aid of rectifier 23 . The rectifier 23 is designed to rectify the constant component of the electrical voltage over time with the aid of the frequency of the bending vibration, in particular the resonant frequency of the bending beam 3, by synchronous rectification of the frequency of the bending vibration and the change in capacitance over time caused by the bending vibration and as a direct voltage am Provide output of the rectifier 23. The rectifier 23 is electrically connected to a regulator 24 at its output. The controller 24 can be designed as an integrating controller 24 and can compensate for the DC voltage present at the input of the controller 24 by generating and controlling a reverse DC voltage. The counter-DC voltage is consequently also indicative of the time-constant component of the electrical voltage or the electrical potential of the sample 1. The counter-DC voltage can also be passed on to an adder 25.
Der Summierer 25 kann schließlich durch Summieren der zeitlich veränderlichen und zeitlich konstanten Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 die Summe aus beiden Komponenten bilden und als entsprechende Summenspannung an einem Ausgang des Summierers 25 bereitstellen. Diese Summenspannung ist für die Summe der zeitlich konstanten und der zeitlich veränderlichen Komponenten des elektrischen Signals der Probe 1 indikativ. The adder 25 can finally form the sum of the two components by summing the time-variable and time-constant components of the electrical voltage or the electric potential of the sample 1 and provide it as a corresponding total voltage at an output of the adder 25 . This total voltage is indicative of the sum of the time-constant and time-varying components of the electrical signal of sample 1.
In der zweiten Variante befindet sich der Schalter 28 in der zweiten Schalterstellung 28b. Hier liegt die Probe 1 nicht auf dem vordefinierten Massepotential, sondern ist mit einem Testsignalgenerator 27 verbunden. Mittels des Testsignalgenerators 27 kann ein Testsignal, beispielsweise eine zeitlich konstante Testspannung oder eine zeitlich veränderliche, insbesondere periodische Testspannung generiert und an die Probe 1 weitergegeben werden. Diese Testspannung kann dann, wie im Kontext der ersten Variante beschrieben, durch das System 100 bzw. die elektronische Schaltung 20 ermittelt werden. Dies ermöglicht insbesondere eine Kalibrierung von separat ausführbaren Ermittlungen von beispielsweise mittels elektromagnetischer Strahlung in der Probe induzierten elektrischen Potentialen der Probe 1. In the second variant, the switch 28 is in the second switch position 28b. Here the sample 1 is not at the predefined ground potential but is connected to a test signal generator 27 . A test signal, for example a test voltage which is constant over time or a test voltage which varies over time, in particular a periodic test voltage, can be generated by means of the test signal generator 27 and forwarded to the sample 1 . As described in the context of the first variant, this test voltage can then be determined by the system 100 or the electronic circuit 20 . This enables, in particular, a calibration of separately executable determinations of electrical potentials of sample 1 induced in the sample by means of electromagnetic radiation, for example.
Bezugszeichenliste Reference List
Probe 1sample 1
Aktuatoreinheit 2actuator unit 2
Biegekörper 3bending body 3
Gegenmasse 4counterweight 4
Elektrode 5electrode 5
Kontaktbereich 6contact area 6
Leiterelement 7ladder element 7
Öffnung 8 elektrische Verbindung über einen Draht 9 elastische Aufhängung 10Opening 8 electrical connection via a wire 9 elastic suspension 10
Erste Richtung 11First direction 11
Zweite Richtung 12Second direction 12
Schwere Wandung 13Heavy wall 13
Bolzen 14bolt 14
Gehäuse 15housing 15
Durchführung 16implementation 16
Schaltung 20circuit 20
Nachgeschalteter Teil der Schaltung 21Downstream part of circuit 21
Vorverstärker 22preamp 22
Gleichrichter 23rectifier 23
Regler 24regulator 24
Summierer 25Summer 25
Kondensator 26condenser 26
Testsignalgenerator 27Test signal generator 27
Schalter 28switch 28
Erste Schalterstellung 28aFirst switch position 28a
Zweite Schalterstellung 28bSecond switch position 28b
Entzerrer 29equalizer 29
Erster Schwingungsbauch 31First antinode 31
Zweiter Schwingungsbauch 32Second antinode 32
Schwingungsknoten 33Vibration node 33
System 100 system 100

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Ein System (100) zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe (1), wobei das System (100) eine Aktuatoreinheit (2) umfasst, die entlang einer ersten Richtung (11) mit einem Biegekörper (3) wirkverbunden ist, wobei der Biegekörper (3) weiterhin mit einer mit dem System (100) federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse (4) wirkverbunden ist, sich entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung (12) erstreckt, und eine Elektrode (5) aufweist, die sich zumindest entlang der zweiten Richtung (12) erstreckt, dazu eingerichtet ist, dass die Elektrode (5) gegenüber einer Probe (1) in einem Abstand entlang der ersten Richtung (11) anordenbar ist, und wobei die Aktuatoreinheit (2) dazu ausgebildet ist, den Biegekörper (3) zu einer Biegeschwingung mit einer einstellbaren Frequenz um die Achse anzuregen, so dass der Abstand zwischen einer angeordneten Probe (1) und der Elektrode (5) durch die Biegeschwingung zeitlich mit der einstellbaren Frequenz variiert, so dass in der Elektrode (5) ein zeitlich variierendes elektrisches Signal erfassbar wird, anhand dessen das elektrische Potential der Probe (1) ermittelbar ist. 1. A system (100) for the contactless determination of an electrical potential of a sample (1), the system (100) comprising an actuator unit (2) which is operatively connected along a first direction (11) with a bending body (3), wherein the bending body (3) is also operatively connected to a counterweight (4) which is suspended resiliently or elastically with the system (100), extends along an axis along a second direction (12), and has an electrode (5) which extends at least along the second direction (12), is set up so that the electrode (5) can be arranged at a distance from a sample (1) along the first direction (11), and wherein the actuator unit (2) is designed to move the bending body (3) Excite a bending vibration with an adjustable frequency around the axis, so that the distance between an arranged sample (1) and the electrode (5) varies over time with the adjustable frequency due to the bending vibration, so that in the electrode (5) a time-varying electrical signal can be detected, on the basis of which the electrical potential of the sample (1) can be determined.
2. Das System (100) nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (5) in einem Bereich eines durch die Biegeschwingung verursachten ersten Schwingungsbauches (31) des Biegekörpers (3) angeordnet ist. 2. The system (100) according to claim 1, wherein the electrode (5) is arranged in a region of a first antinode (31) of the flexural body (3) caused by the flexural oscillation.
3. Das System (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aktuatoreinheit (2) in einem Kontaktbereich (6) eines bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens (33) des Biegekörpers (3) mit dem Biegekörper (3) und der Gegenmasse (4) wirkverbunden ist. 3. The system (100) according to claim 1 or 2, wherein the actuator unit (2) in a contact area (6) of a vibration node (33) of the bending body (3) occurring during bending vibration with the bending body (3) and the counterweight (4) is operatively connected.
4. Das System (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aktuatoreinheit (2) im Bereich eines bei Biegeschwingung entstehenden, von der Elektrode (5) entfernten zweiten Schwingungsbauches (32) des Biegekörpers (3) angeordnet ist. 4. The system (100) according to claim 1 or 2, wherein the actuator unit (2) is arranged in the region of a second antinode (32) of the flexural body (3) which occurs during flexural oscillation and is remote from the electrode (5).
5. Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (5) vom Biegekörper (3) elektrisch isoliert ist. 5. The system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the electrode (5) from the flexure (3) is electrically isolated.
6. Das System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (5) von einem von der Elektrode (5) elektrisch isolierten, leitfähigen und umlaufenden Leiterelement (7) umgeben ist, insbesondere wobei das Leiterelement (7) elektrisch auf einem Massepotential liegt. Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (100) eine elektronische Schaltung (20) aufweist, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, ein elektrisches Signal der Elektrode (5) zu verarbeiten, und das elektrische Potential der Probe (1) zu ermitteln. Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Biegekörper (3) entlang seiner Achse eine Öffnung (8) aufweist, sodass, wenn die Probe (1) gegenüber der Elektrode (5) angeordnet ist, die Probe (1) über die Öffnung (8) mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Das System (100) nach Anspruch 8, wobei die Elektrode (5) für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent ist, sodass, wenn die Elektrode (5) entlang einer optischen Achse zwischen der Öffnung (8) und der Probe (1) positioniert ist, die Probe (1) weiterhin mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn die Probe (1) gegenüber der Elektrode (5) angeordnet ist, die Elektrode (5) und die Probe (1) relativ zueinander mittels einer Verschiebeeinheit des Systems (100) verschiebbar sind. Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Vakuumkammer, insbesondere eine Hochvakuumkammer oder eine Ultrahochvakuumkammer, welche dazu ausgebildet ist, zumindest die Elektrode (5) und die gegenüber der Elektrode (5) anordenbare Probe (1) innerhalb der Vakuumkammer aufzunehmen, wobei, wenn die Probe (1) gegenüber der Elektrode (5) in der Vakuumkammer angeordnet ist, die Vakuumkammer zumindest teilweise evakuierbar ist. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials, insbesondere zeitabhängigen elektrischen Potentials einer Probe (1) mittels des Systems (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: i) Positionieren der Probe (1) gegenüber der Elektrode (5), ii) mittels der Aktuatoreinheit (2), Anregen des Biegekörpers (3) zur Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz um die Achse, sodass der Abstand zwischen der Probe (1) und der Elektrode (5) durch die Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz verändert wird, iii) insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung, getaktetes Bestrahlen der Probe (1) mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere über die Öffnung (8), sodass durch einen in der Probe (1) stattfindenden Wechselwirkungsprozess zwischen der Probe (1) und der elektromagnetischen Strahlung eine insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung modulierte, für das elektrische Potential der Probe (1) indikative elektrische Spannung zwischen Probe (1) und Elektrode (5) induziert wird, iv) mittels der elektronischen Schaltung (20) gemäß Anspruch 7, Verarbeiten des elektrischen Signals der Elektrode (5) und Ermitteln des elektrischen Potentials der Probe (1). 6. The system (100) according to claim 5, characterized in that the electrode (5) from one of the electrode (5) electrically insulated, conductive and circumferential Conductor element (7) is surrounded, in particular wherein the conductor element (7) is electrically at a ground potential. The system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the system (100) has an electronic circuit (20) which is designed and set up to process an electrical signal of the electrode (5) and the electrical potential of the sample ( 1) to determine. The system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the flexure (3) has an opening (8) along its axis such that when the sample (1) is placed opposite the electrode (5), the sample (1) over the opening (8) can be irradiated with electromagnetic radiation. The system (100) of claim 8, wherein the electrode (5) is at least partially transparent to the electromagnetic radiation such that when the electrode (5) is positioned along an optical axis between the aperture (8) and the sample (1). , the sample (1) can still be irradiated with electromagnetic radiation. The system (100) according to any one of the preceding claims, wherein when the sample (1) is arranged opposite the electrode (5), the electrode (5) and the sample (1) are displaceable relative to one another by means of a displacement unit of the system (100). are. The system (100) according to any one of the preceding claims, further comprising a vacuum chamber, in particular a high vacuum chamber or an ultra-high vacuum chamber, which is designed to contain at least the electrode (5) and the sample (1) which can be arranged opposite the electrode (5) within the vacuum chamber record, wherein when the sample (1) is arranged opposite the electrode (5) in the vacuum chamber, the vacuum chamber can be at least partially evacuated. Method for the non-contact determination of an electrical potential, in particular a time-dependent electrical potential of a sample (1) using the system (100) according to one of the preceding claims, having at least the following steps: i) positioning the sample (1) opposite the electrode (5), ii) by means of the actuator unit (2), exciting the bending body (3) to flexure with the adjustable frequency around the axis, so that the distance between the sample (1) and the electrode (5) is changed by the flexural oscillation with the adjustable frequency, iii) in particular with the adjustable frequency of the bending vibration, pulsed irradiation of the sample (1) with electromagnetic radiation, in particular via the opening (8), so that an interaction process taking place in the sample (1) takes place between the sample (1) and the electromagnetic radiation an electrical voltage indicative of the electrical potential of the sample (1), modulated in particular with the adjustable frequency of the bending oscillation, is induced between the sample (1) and the electrode (5), iv) by means of the electronic circuit (20) according to claim 7, processing the electrical signal of the electrode (5) and determining the electrical potential of the sample (1).
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