DE4211813C1 - Electronic spacing regulation circuit for resonating test probe - provides piezoelectric position adjustment dependent on phase difference between detected oscillation and reference oscillation - Google Patents

Abstract

The circuit is used for controlling the relative spacing between the point of a resonating test probe and an examined surface. The oscillation circuit uses a piezoelectric actuator (6) for sensing the test probe in the direction perpendicular to the surface and a deflection sensor (3) monitoring the oscillating deflection of the probe, with the oscillation signal compared with a reference oscillator signal via a phase detector (9). A further piezoelectric actuator (10) adjusts the position of the probe perpendicular to the surface in dependence on the output signal of the phase detector. USE/ADVANTAGE - For raster scanning microscope or acoustic near-field microscope for maintaining instant spacing of probe tip from examined surface. Simplified circuit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1.

Im Rasterkraftmikroskop wie auch im akustischen Nah­ feldmikroskop wird eine Sonde, die eine Tastspitze trägt, mittels elektronisch geregelter Ansteuerung von Piezoelementen über eine Oberfläche bewegt, um rechnerunterstützt die Topographie oder auch andere Oberflächeneigenschaften aufzunehmen und bildhaft dar­ zustellen. Im dynamisch betriebenen Rasterkraftmikro­ skop erfolgt die Regelung durch Konstanthaltung des auf die Spitze wirkenden Gradienten der Kraft senkrecht zur Oberfläche. Diese wird über die Verschiebung der Resonanzfrequenz (Verstimmung) der als zungenförmigen Biegefeder ausgebildeten Sonde ermittelt. In vergleich­ barer Weise kann das akustische Nahfeldmikroskop der­ art betrieben werden, daß die Resonanzfrequenzerhöhung ausgewertet wird, die bei Annäherung infolge der Be­ wegungsträgheit des zwischen Spitze und Oberfläche be­ findlichen Luftpolsters stattfindet.In the atomic force microscope as well as in acoustic proximity Field microscope becomes a probe that has a probe tip carries, by means of electronically controlled control of piezo elements moved across a surface to supports the topography or others Record surface properties and visualize them deliver. In the dynamically operated atomic force micro The control is done by keeping the on constant the peak acting gradient of force perpendicular to the surface. This is about shifting the Resonance frequency (detuning) as a tongue-shaped Bending spring trained probe determined. In comparison The acoustic near-field microscope can be operated that the resonance frequency increase is evaluated, which is the approximation as a result of the Be inertia of the be between tip and surface sensitive air cushion takes place.

Aufgrund des Effektes der Verstimmung ist es erfor­ derlich, eine Nachregelung im Abstand zwischen der Tastspitze und der Probenoberfläche durchzuführen.Due to the effect of the detuning, it is required a readjustment in the distance between the Probe tip and the sample surface.

Aus McClelland et al. in "Review of Progress in Quantitative Non-Destructive Evaluation (Plenum, New York 1982), Vol. 6B, Seite 130-1314)" ist zur Nachregelung ein sog. Slope-Detection-Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Zunge separat bei einer festen Frequenz zu Schwingungen angeregt und dabei die Ampli­ tude gemessen.From McClelland et al. in "Review of Progress in Quantitative Non-Destructive Evaluation (Plenum, New York 1982), Vol. 6B, pages 130-1314) "is for readjustment So-called slope detection method known. With this  The tongue is moved separately at a fixed Frequency excited to vibrate and thereby the ampli measured tude.

Aus Albrecht et all, "J. Appl. Phys. 1991, 69, Nr. 2, Seite 668-673" ist ein Verfahren, das als sog. FM-Detection bezeichnet wird, bekannt. Im Unterschied zu dem Verfahren nach McClelland handelt es sich hierbei um ein Verfahren, bei dem die Tastzunge des Mikroskops quasi frei - also selbst abgestimmt in ihrer Resonanz - schwingt.From Albrecht et all, "J. Appl. Phys. 1991, 69, No. 2, Page 668-673 "is a process known as FM detection is known. In contrast to the procedure according to McClelland, this is a process where the microscope's tongue is virtually free - that is even tuned in their resonance - vibrates.

Gegenüber dem Verfahren nach McClelland, bei dem die durch die Resonanzverschiebung erzeugte Variation des Amplitudensignals verzögert auftritt, zeigt das Verfahren nach Albrecht den Vorteil, daß die bei­ spielsweise durch Abstandsvariationen verursachte Verstimmung der Tastspitze instantan erfolgt. Hier­ durch wird insbesondere auf die Verwendung von Zungen hoher Güte, also geringerer Dämpfung, und damit eine höhere Empfindlichkeit, ermöglicht. Das Verfahren nach Albrecht weist jedoch den Nachteil auf, daß eine komplexe Schaltungsanordnung zu quasi freien Schwingungen der Zunge erforderlich ist.Compared to the McClelland process, in which the variation created by the resonance shift of the amplitude signal occurs with a delay, shows that The Albrecht method has the advantage that the for example caused by distance variations Detuning of the probe tip is instantaneous. Here through is particularly on the use of tongues high quality, i.e. lower damping, and thus one higher sensitivity. The procedure according to Albrecht, however, has the disadvantage that a complex circuit arrangement to quasi free Vibration of the tongue is required.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schal­ tungsanordnung, die sich durch einen gegenüber den be­ kannten Verfahren vereinfachten Aufbau realisieren läßt, zu schaffen.It is an object of the present invention a scarf arrangement, which is distinguished from the be Known procedures to implement simplified structure lets create.

Die Aufgabe wird durch eine Schal­ tungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The task is done by a scarf solved with the features of claim 1.  

Im Gegensatz zur FM Detektion wird die Nachregelung der Tastspitze durch die Lehre gemäß Anspruch 1 mit einem weitaus geringeren Aufwand durchgeführt. Gegenüber dem Stand der Technik ist zum Gegenstand des Anspruchs 1 nur ein Referenzoszillator notwendig. An diesem wird mit Hilfe eines Phasendetektors ein Phasenvergleich zum Oszillationssignal des Schwing­ kreises durchgeführt. Durch Rückführung des Phasensig­ nals an den Vertikalversteller wird ein Regelkreis ge­ schlossen. Die Phasendetektion stellt keine Anforde­ rungen an die Form der zu vergleichenden Oszillations­ signale, d. h. ob diese etwa analoger oder digitaler Natur sind. Der Sollwert zur Regelung, über den bei­ spielsweise der Abstand zwischen Tastenspitze und Probenoberfläche definiert werden kann, wird über die Frequenz des Referenzoszillators eingestellt.In contrast to FM detection, the readjustment the probe tip through the teaching according to claim 1 done with much less effort. Compared to the prior art is the subject of claim 1 only a reference oscillator necessary. At this is a phase detector Phase comparison to the oscillation signal of the oscillation circle performed. By returning the phase signal A control loop is added to the vertical adjuster closed. The phase detection makes no requirement the shape of the oscillations to be compared signals, d. H. whether they are analog or digital Are nature. The setpoint for the control via which at for example, the distance between the tip of the button and Sample surface can be defined via the Frequency of the reference oscillator set.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist gemäß Anspruch 2 dann gegeben, wenn als Sonde die Abtast­ zunge eines Rastersonnenmikroskops oder eines akusti­ schen Nahfeldmikroskops vorgesehen ist.A further advantageous embodiment is in accordance with Claim 2 given when the probe as a probe tongue of a scanning sun microscope or an acousti near field microscope is provided.

In der Fig. 1 ist die Schaltungsanordnung dargestellt.In FIG. 1, the circuit arrangement is shown.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen Schwingkreis mit folgenden Komponenten:The circuit arrangement shown in FIG. 1 contains an oscillating circuit with the following components:

• - Die Zunge 1 mit Tastspitze 2 eines Rasterkraftmi­ kroskops, die zum in ihrer Resonanz selbst abgestimmten Schwingen vorgesehen ist,- The tongue 1 with probe tip 2 of a Rasterkraftmi microscope, which is intended for resonance self-tuned,
• - einen Auslenkungssensor 3, der zur Bestimmung der Auslenkung der Tastspitze 2, hervorgerufen durch die Schwingungen, vorgesehen ist,a deflection sensor 3 , which is provided for determining the deflection of the probe tip 2 , caused by the vibrations,
• - einen amplitudenabhängigen Verstärker 5,an amplitude-dependent amplifier 5 ,
• - und schließlich das mit der Zunge 1 verbundene piezoelektrische Element 6, welches zur Verstellung der Zunge 1 in Richtung senkrecht zur Probenfläche der Probe 7 vorgesehen ist.- and finally the piezoelectric element 6 connected to the tongue 1 , which is provided for moving the tongue 1 in the direction perpendicular to the sample surface of the sample 7 .

Die Schaltungsordnung gemäß Fig. 1 zeigt zudem einen Regelkreis, der außer den vorher beschriebenen Schwingkreis zusätzlich folgende Elemente enthält:The circuit arrangement according to FIG. 1 also shows a control circuit which, in addition to the previously described resonant circuit, additionally contains the following elements:

• - einen Referenzoszillator 8, an dem eine Frequenz zur Festlegung eines Sollwertes der Regelung des Regelkreises eingestellt werden kann,a reference oscillator 8 , on which a frequency can be set to determine a setpoint of the control of the control loop,
• - einen Phasendetektor 9 zum Vergleich des Oszillationssignal des Schwingkreises mit dem Signal des Referenzoszillators 8 a phase detector 9 for comparing the oscillation signal of the resonant circuit with the signal of the reference oscillator 8
• - und ein weiteres piezoelektrisches Element 10, das in Abhängigkeit Ausgangssignals des Phasendetektors 9 zur Verstellung der Probe 7 in Richtung senkrecht zur zu untersuchenden Probenoberfläche vorgesehen ist.- And another piezoelectric element 10 , which is provided as a function of the output signal of the phase detector 9 for adjusting the sample 7 in the direction perpendicular to the sample surface to be examined.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Regelung des Abstandes zwi­ schen der Tastspitze einer Sonde, die zu einem in ihrer Resonanz selbstabgestimmten Schwingung vorgesehen ist, und einer zu untersuchenden Probenoberfläche mit einem Schwingkreis, der
eine piezoelektrischen Aktuator (6), der zur Verstellung der Sonde in Richtung senkrecht zur Probenoberfläche ausgebildet ist,
einen Auslenkungssensor (3), der zur Bestimmung der durch Schwingungen verursachten Auslenkung der Sonde ausgebildet ist,
die zu Schwingungen erregbare, mit der Sonde fest verbundene Tastspitze (2)
und einen amplitudenabhängigen Verstärker (5)
aufweist, und mit
einem Regelkreis, bestehend aus
einem Referenzoszillator (8),
einem Phasendetektor (9), der zum Vergleich des Oszillationssignals des Schwingkreises mit dem Signal des Referenzoszillators ausgebildet ist, und
einem weiteren piezoelektrischen Aktuator (10), der ausgebildet ist für die Verstellung der Probe in Richtung senkrecht zur zu untersuchenden Probenoberfläche in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Phasendetektors.1. Circuit arrangement for regulating the distance between the probe tip's of a probe, which is provided for a self-tuned vibration in its resonance, and a sample surface to be examined with a resonant circuit
a piezoelectric actuator ( 6 ) which is designed to adjust the probe in the direction perpendicular to the sample surface,
a deflection sensor ( 3 ) which is designed to determine the deflection of the probe caused by vibrations,
the probe tip ( 2 ) which can be excited to vibrate and is firmly connected to the probe
and an amplitude-dependent amplifier ( 5 )
has, and with
a control loop consisting of
a reference oscillator ( 8 ),
a phase detector ( 9 ) which is designed to compare the oscillation signal of the resonant circuit with the signal of the reference oscillator, and
a further piezoelectric actuator ( 10 ) which is designed to adjust the sample in the direction perpendicular to the sample surface to be examined as a function of the output signal of the phase detector. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Sonde die Abtastzunge eines Rastersondenmi­ kroskops oder eines akustischen Nahfeldmikroskops vorgesehen ist.2. Circuit arrangement according to claim 1 characterized, that as a probe, the scanning tongue of a scanning probe microscope or an acoustic near-field microscope is provided.