专利名称:用于表面的非接触轮廓分析的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求
1的前序部分所述的传感器，尤其适用于结合的原子力 显微镜，即原子力显微镜与其它扫描探针显微镜的结合。一个示例是相结合的扫描隧道和 原子力显微镜。
背景技术：
扫描探针显微镜通过如下方式工作在表面上方(在x和y方向)扫描锐利的针 尖，同时利用控制针尖的高度z的反馈电路来保持针尖和样本之间的相互作用力恒定，从 而形成图像z(x，y)。通过针尖-样本的相互作用来限定图像对比度。区分两种基本的方 法利用排斥相互作用成像和利用吸引相互作用成像。当针尖接近样本时，最初是吸引力。 一旦针尖和样本彼此“接触”，就变成排斥力。扫描隧道显微镜基于相似的原理，但是它需要 导电的针尖和样本。不是测量力，而是测量一旦施加偏压就会流动的电流(从大约100fA 至IJ大约1000nA)，并且针尖与样本之间的距离足够小(在0. 2nm与2nm之间)。
通过将探针针尖安装在悬臂弹簧上来测量力。在准静态力显微镜中，测量静态弹 簧偏转。在动态力显微镜中，悬臂发生振荡并测量可观察量，例如相对于正弦驱动信号的振 荡幅度、频率或振荡相位。原则上，能够通过测量悬臂的偏转或由偏转得到的量以及在针尖 和样本之间流动的隧道电流，来同时测量力(或者由其得到的量，例如力梯度)。
图1是用于同时隧道和力显微镜的传感器的示意图。传感器(刚度K)以幅度A 振荡。无扰谐振频率是fo= (k/my_5/2，并且该频率变化为f= ((k+<kts>)/nO°_5/2。 针尖_样本力梯度< kts >的影响引起如下频移
A f = < kts > / (2k) f0(Gl. 1)
其中nf是悬臂的有效质量。频移可以用作反馈信号以控制扫描样本的探针针 尖的距离。在针尖和样本都是导电的并且施加了偏压时，由振荡调制并且包括关于样本的 重要信息的隧道电流流动。对于金属针尖和样本，真空间隙的隧道电阻大致由下式给出 12. 9kQ Xexp(-2z/100pm)。期望同时测量力和电流，因为那扩展了扫描探针显微镜的适用 性。
诸如qPlus 传感器(例如 DE 19633546 C2 和 F. J. Giessibl, Applied Physics Letters 73, 3956,1998 以及 F. J. Giessibl, Applied Physics Letters 76,1470, 2000)的 压电传感器和所谓的针式传感器(例如，参见K. Bartzke et al. , International Journal of Optoelectronics 8，Nos. 5/6，669-676，1993 ;T. An et al. Appl. Phys.Lett.87, 133114,2005)由石英横梁构成，利用压电效应测量该石英横梁的横向偏转(qPlus)或长度 的延伸(针式传感器)。石英横梁由为恒定偏转采集电荷并且在振荡时产生交流电的两对 电极(qPlus)或两个单独的电极(针式传感器)覆盖。
图2中示意性示出的qPlus传感器10利用了横梁偏转，其中具有针尖14的可偏 转横梁12安装在静止的(in rest)基部。压电效应将由偏转造成的机械应变转换为由覆 盖石英横梁的电极所采集的表面电荷。在横梁如图2所示向上偏转时，横梁的上半部受到拉伸应变，而下半部受到压缩应变。
由于压电效应，存在机械应力o meeh时出现了表面电荷密度oel，其中表面电荷密 度由下式给出
o el = d12 o mech(eq. 1)
前因子d12是对于石英而言具有大约2. 3pC/m的典型值的压电耦合常数。机械应 变导致了表面电荷，表面电荷由电极采集并传送给放大器。选择电极的几何布置，以使得对 于给定的弯曲对称性提供最大的电荷，从而在偏转测量中获得最大的信噪比。基本上正弦 的偏转转换为基本上正弦的交流电。
当想要并联测量隧道电流时，需要将导电针尖连接到外边。现有技术 (F. J. Giessibl, Applied Physics Letters 76,1470, 2000)利用石英横梁的一个电极将隧 道偏压引导到针尖。在样本处采集隧道电流。该布置的一个缺点在于需要在样本处采集 隧道电流，而偏转信号以及偏转信号和隧道电流之间的电流分离不可实现。样本需要与扫 描探针显微镜的主体电绝缘。这显然是不利的，尤其是对于低温显微镜而言，因为样本需要 良好地热接到冷却槽以允许低的样本温度。正如威德曼_弗朗兹定律所述，好的电连接将 确保好的热连接，反之亦然。而且样本和样本支架通常远大于隧道针尖，因此它们相对于地 具有较大的电容(通常为几十皮法)。对地的大电容具有限制隧道电流测量的带宽和增大 其噪声指数的缺点。
DE19513529A1涉及一种针式传感器，其包括位于横梁的相对面上的驱动电极以驱 动横梁产生谐振。其中一面包括连接到针尖的附加电极以允许测量隧道电流。
发明内容
本发明的目的是构造一种适用于扫描力和扫描隧道显微镜的传感器，该传感器消 除了上述缺陷，并且生产简单且具有成本效益，该传感器允许原子方式(atomic regime)的 高空间分辨率，并且操作可靠。
根据本发明，通过如权利要求
1中限定的传感器来实现该目的。
本发明的有益之处在于通过包含除了偏转电极之外的一个或多个电极的横梁， 可以实现附加的功能。例如，可以电接触针尖以允许测量隧道电流。补充的电极位于横梁 上在偏转期间包含较低表面电荷密度的区域中，以便确保在偏转测量和隧道电流之间小的 串扰，以便在偏转信号和隧道电流之间实现电流分离，以及以便使样本能够接地。而且，该 补充的电极传感器能够以简易可靠的方式安装在传感器上，简化了传感器的制造过程。这 进一步使得能够以高带宽和低噪声来测量隧道电流。该传感器不但可以应用在相结合的扫 描隧道和扫描力显微镜中，而且还可以应用在与测温法相结合的力显微镜中、与磁性信息 的高度局部化记录相结合的力显微镜中以及与测磁法相结合的力显微镜中。
本发明的优选实施例在从属权利要求
中限定。
在下文中，将通过参考附图来介绍本发明的示例，其中
图1是用于同时扫描隧道和扫描力显微镜的传感器的示意图；
图2是qPlus-传感器的示意性透视图；[0021]图3是根据本发明的传感器的一个实施例的示意图；
图4A-图4C是图3中所示的传感器沿着A-A横截面具有一个(图4A)、两个(图 4B)以及四个补充电极(图4C)的示意性截面图；以及
图5A-图是根据图3中所示的本发明的传感器的视图，其中具有相结合的力和 隧道电流传感器的电气接线图的示例的示意性表示(图5A)，一种集合了针尖加热的方案 和一种能够生成局部高度受限的磁场的方案(图5B)，一种具有相结合的力和温度传感器 的方案(图5C)以及最后的一种具有相结合的力和霍尔传感器以测量磁场的方案(图5D)。
具体实施方式
图2示出所发明的传感器10的示例，该传感器包括由压电材料制成的振荡横梁， 在其自由端固定电连接的针尖14并且该振荡横梁指向横向方向。横梁12是U形音叉结构 的一股，而横梁16用于将传感器10安装到扫描单元上(参见图5)，该扫描单元跨越样本 22的表面20扫描传感器10。单元18包括驱动横梁12和其具有针尖14的自由端横向振 荡(参见针尖15)的驱动器24。
根据图4，横梁12的横截面是矩形的，并且两个水平侧边固定两个偏转电极之一 的第一部分26A和第二部分26B,即两个电极部分26A、26B —起构成了第一偏转电极(在下 文中，我们将横梁12的与振荡方向对齐的那些侧面表示为垂直的，例如平行于振动平面的 侧面，而我们将横梁12的垂直于振荡，即垂直于振动平面对齐的那些侧面表示为水平的)。 两个垂直面包括偏转电极的第一部分28A和第二部分28B和28C,该偏转电极具有与第一偏 转电极相反的振荡相位。第二电极的第二部分分割为28B和28C两部分，在两者之间留下 足够的空间以容纳可以用于传送隧道电流的补充电极30A。隧道电流电极30A在横梁12的 两个垂直面中的至少一个的中心以轴向方向延伸(偏转电极28C也可以类似于电极28A和 28B进行分割，以留出用于附加的补充电极30B的空间，参见图4B)。而且，可以进一步对 补充电极30A和30B进行分割以提供如图4C中所示的四个补充电极30A、30B、30C和30D。
在图3所示的示例中，补充电极30在靠近针尖14的区域32中比在远离针尖14 的区域中在侧面的更宽的部分上延伸，其中补充电极位于偏转电极28B、28C之间。偏转电 极部分28B、28C(以及第二偏转电极28的部分28A和第一偏转电极26的部分26A、26B)没 有延伸到靠近针尖22的区域，在该区域中增大了隧道电流电极30的垂直延伸程度。
除了接近针尖的区域33以外，隧道电流电极30不在横梁的设置了第一偏转电极 26的两个部分26A和26B的水平面上延伸。因为针尖14位于顶部的水平面上，隧道电流电 极30需要在靠近针尖的水平面上延伸。
第一偏转电极26的两个部分26A、26B优选跨越横梁12的两个水平面的整个区域 延伸(除了如上所述的靠近针尖的区域)，其中第二偏转电极28的部分28A、28B和28C优 选至少跨越横梁12的两个垂直面的边缘延伸(在图4所示的示例中，通常，第二偏转电极 的部分28A在横梁12的未设置隧道电流电极30的整个所述垂直面上延伸，除了在如上所 述的靠近针尖33的区域内)。在根据图3的示例中，第一偏转电极26A、26B沿着横梁12的 两个垂直面以轴向方向延伸，至少除了由隧道电流电极30所覆盖的部分。
在横梁12上靠近针尖14的区域33通常覆盖横梁长度的不超过25%，其中使隧道 电极30与不接触两个偏转电极的针尖14接触。在横梁动态偏转时，靠近固定点的横梁部 分(即图3和图5的右边部分)受到最大的机械应变。因此，从固定点开始作为参考，偏转电极覆盖横梁长度的前段的75%是足够的。
图4说明了 26A、26B、28A、28B、28C和30的布置的原因。在横梁12在横向方向上 向上或向下弯曲时，出现表面电荷，尤其是在两个侧面上在图4的示例中，正电荷34在侧 面上堆积，而负电荷在边缘处并且在两个水平面堆积。正电荷34由第一偏转电极采集，即 从部分26A、26B采集；而负电荷由电极28A、28B、28C采集。由隧道电流电极覆盖的区域仅 受到比偏转电极26、28的区域内小得多的表面电荷密度。优选地，隧道电极位于如下区域 中，即表面发生应变且因此电荷密度不大于出现最大电荷密度的区域的10%的区域。
图5示出了用于传感器10的布线的示例，其中样本20接地电势。隧道电流电极 连接到电流-到-电压转换器38的输入端1，电流电压转换器38的输入端2连接到隧道偏 压，并且其输出端生成与隧道电流加上隧道电压成比例的电压。通过由差分放大器从 所述那个信号中减去隧道偏压，随着针尖14和样本表面20之间距离的减小，信号增大。
取自于第一偏转电极26A、26B的信号(被馈入输入端)和取自于第二偏转电极 28A、28B、28C的信号被分别馈入电流-到-电压放大器40和42。将这些放大器40和42的 输出端连接到差分放大器44中，该放大器输送输出电压该输出电压是针尖14和 样本表面22之间的距离的度量，借助了由横梁12的偏转提供的信息以及在偏转电极26A、 26B、28A、28B、28C中生成的电荷。
电压构建了由传感器10测量的参数，它们通常采用针尖14和样本 表面22的垂直调整进行各自的测量，并馈入单元24。
在图5A示出的示例中，样本20接地电势。可选地，样本20可以连接到Vail。可 以将隧道电流电极30固定到隧道电势，并且隧道电流可以利用电流电压转换器取自样本 20。
也能够将偏转电极之一接地或将它们中的一个置于另一固定电势并且从偏转电 极之一汲取电流。通常来说，本发明允许非常灵活地布置信号路径。
在图5B示出的示例中，传感器如图4B的横截面中所示设有两个附加电极30A和 30B(尽管如图4B所示电极位于横梁的相对面，然而图5B的示意性侧视图显示了两个电极 30A、30B，以便显示电气连接方案)。针尖14包括其末端连接的两条导线14A和14B。利 用电压源46和开关48，可以通过针尖导线馈送电流，该电流加热针尖并且可以由此清洁针 尖。而且，根据安培定律，穿过导线的电流产生磁场。通过使用仅有几纳米的非常小的导线 直径(例如碳纳米管)，即使很小的电流也能产生很大的磁场。在加热针尖14后，电极30A 和30B中的至少一个用于测量电流。
图5C显示了具有两个附加电极的传感器的不同布线方案(尽管如图4B所示电 极位于横梁的相对面，然而图5C的示意性侧视图显示了电极30A和30B，以便说明布线方 案)。针尖也是热电偶，其中针尖导线14A和14B由不同的材料构成，例如，铬和镍。因此， 构建热电偶，其中通过电极30A和30B来检测热电压并且经由差分放大器50将该热电压放 大为一热电压。
图示出一示例，其中使用图4C中示出的全部四个附加电极(尽管如图4C所示 电极位于横梁的相对面，然而图 的示意性侧视图显示了全部四个电极30A、30B、30C和 30D，以便说明布线方案)。针尖由四个电极连接，使霍尔几何形状能够作为针尖。电源46 经由电极30B和30D驱动电流。在针尖进入磁场时，生成垂直于电流流向、可由电极30A和30C感测并利用差分放大器放大的霍尔电压。因此，能够以非常高的空间分辨率测量磁场。
权利要求
1.一种传感器，用于使用由压电材料制成的振荡横梁(12)对表面进行非接触扫描，该传感器针对所述横梁的自由端的横向振动而设计，其中导电针尖(14)在所述横梁的所述自由端处沿横向方向延伸，其中所述横梁设有第一偏转电极(26A、26B)和相对于所述第一偏转电极相反极化的第二偏转电极(28A、28B、28C)，以便采集由偏转的横梁产生的电荷(34、36)，其中所述横梁(12)设有至少ー个电连接所述针尖(14)的附加电极(30)，其中，所述附加电极位于一区域中，在该区域中由所述横梁的偏转生成的表面电荷(34、36)的密度低于所述偏转电极附近的密度。
2.根据权利要求
I所述的传感器，其中在所述横梁(12)振动时在附加电极(30)处采集的电荷不超过在所述偏转电极(26A、26B、28A、28B、28C)处采集的电荷的1/10。
3.根据前述权利要求
之一所述的传感器，其中所述横梁(12)具有矩形横截面，其中所述附加电极(30)在平行于振动平面的两个侧面之一的中心轴向地延伸。
4.根据权利要求
3所述的传感器，其中除了可选地靠近针尖(14)的区域(33)之外，所述附加电极(30)不沿着所述横梁(12)的垂直于振动平面的面延伸。
5.根据权利要求
3或4所述的传感器，其中所述附加电极(30)在靠近针尖(14)的区域(32)中比在远离所述针尖的区域中在跨越平行于所述振动平面的面的更大区域上延伸。
6.根据权利要求
3至5之一所述的传感器，其中所述第一偏转电极(26A、26B)沿着所述横梁(12)的垂直于所述振动平面的两个面轴向地延伸，其中所述第二偏转电极(28A、28B、28C)沿着横梁(12)的平行于所述振动平面的两个侧面轴向地延伸，并且其中至少所述附加电极(30)的区域中没有所述第二偏转电扱。
7.根据权利要求
6所述的传感器，其中除了靠近所述针尖(14)的区域(33)之外，所述第一偏转电极(26A、26B)基本上跨越横梁(12)的侧面的整个区域延伸，并且其中除了靠近所述针尖(14)的区域(33)之外，所述第二偏转电极(28A、28B、28C)至少在横梁(12)的平行于所述振动平面的两个侧面的角落区域周围延伸。
8.根据权利要求
6或7所述的传感器，其中所述第二偏转电极(28A、28B、28C)基本上完全在横梁(12)的平行于所述振动平面的所述侧面中的未设有所述附加电极(30)的那ー个侧面上延伸。
9.根据前述权利要求
之一所述的传感器，其中所述横梁(12)形成U形音叉结构的自由臂，并且其中所述第二臂(16)设计成将所述传感器(10)固定到扫描单元(18、24)。
10.根据前述权利要求
之一所述的传感器，其中所述附加电极(30)设计成隧道电流电极，以允许测量所述针尖和所述表面之间流动的所述隧道电流。
11.ー种用于对表面(20)进行非接触扫描的设备，包括根据前述权利要求
之一所述的传感器；扫描单元(18)，用于相对于所述样本表面定位所述传感器(10);以及用于激发横梁(12)使其振动的装置(24)。
12.一种用于利用根据权利要求
10所述的传感器(10)对表面(20)进行非接触扫描的方法，其中所述横梁(12)设置成进行谐振横向振动，并且利用扫描单元(18)跨越所述表面扫描所述传感器，并且其中所述偏转电极(26A、26B、28A、28B、28C)之间的电压和/或流过所述隧道电流电极(30)的所述隧道电流用于测量所述针尖(14)和所述表面之间的距离。
13.一种用于利用根据权利要求
I至9之一所述的传感器(10)对表面(20)进行非接触扫描的方法，其中所述横梁(12)设置成进行谐振横向振动，并且利用跨越所述表面的扫描单元(18)跨越所述表面扫描所述传感器，并且其中所述偏转电极(26A、26B、28A、28B、28C)之间的所述电压用于测量所述针尖(14)和所述表面之间的距离，并且其中两个补充电极(30A、30B)被提供用来測量所述针尖(14)处的热电压。
14.一种用于利用根据权利要求
I至9之一所述的传感器(10)对表面(20)进行非接触扫描的方法，其中所述横梁(12)设置成进行谐振横向振动，并且利用扫描单元(18)跨越所述表面扫描所述传感器，其中所述偏转电极(26A、26B、28A、28B、28C)之间的电压用于测量所述针尖(14)和所述表面之间的距离，并且其中四个补充电极(30A、30B、30C、30D)用于生成和/或測量所述针尖(14)处的霍尔电压。
15.一种用于利用根据权利要求
I至9之一所述的传感器(10)对表面(20)进行非接触扫描的方法，其中所述横梁(12)设置成进行谐振横向振动，并且利用扫描单元(18)跨越所述表面扫描所述传感器，其中所述偏转电极(26A、26B、28A、28B、28C)之间的电压用于测量针尖(14)和所述表面之间的距离，并且其中两个补充电极(30A、30B)用于将电流施加到所述针尖(14)，以加热所述针尖和/或在所述针尖(14)处生成磁场。
专利摘要
本发明涉及一种用于采用由压电材料制成的振荡悬臂(12)对表面进行扫描的传感器，该传感器适于横梁的自由端的横向振荡，在横向方向固定导电探针针尖(14)，其中横梁具有第一偏转电极(26A、26B)和相反定相的第二电极(28A、28B、28C)以采集在所述偏转电极的空间内分离的电荷(34、36)。根据本发明，除了所述偏转电极(26A、26B、28A、28B、28C)之外，该悬臂(12)还设有至少一个提供与所述针尖(14)的电接触的电极(30)，其中所述附加电极位于偏转横梁上的区域中，其中由横梁偏转所引起的应变所造成的表面电荷密度(34、36)小于设置偏转电极的区域中的表面电荷密度。
文档编号G01Q60/02GKCN102662085SQ201110373640
公开日2012年9月12日 申请日期2011年11月22日
发明者F·J·吉斯布尔 申请人:F·J·吉斯布尔导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan