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Title:
CAPACITIVE DISTANCE-MEASURING DEVICE FOR MEASURING AN ITEM OF DISTANCE INFORMATION OF A PROBE BODY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/030347
Kind Code:
A1
Abstract:
A capacitive distance-measuring device (50) for measuring an item of distance information of a probe body (7), in particular for a scanning probe microscope (1), wherein the distance-measuring device (50) comprises two at least partly electrically conductive, rigid capacitor bodies (54, 56) that are immovable in their relative position with respect to one another, an electrically conductive and at least partly deformable capacitor body (58), which is arranged in a deformable manner between the rigid capacitor bodies (54, 56) and configured to be deformed during movement of the probe body (7), a detection device (60) for detecting electrical signals at at least one of the capacitor bodies (54, 56, 58), and an identification device (62) for identifying an item of information indicative of the distance information of the probe body (7) based on the detected electrical signals.

Inventors:
KERN MARKUS (AT)
PINNO-RATH NORBERT (AT)
GRUBMÜLLER ERICH (AT)
Application Number:
PCT/EP2018/071684
Publication Date:
February 14, 2019
Filing Date:
August 09, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ANTON PAAR GMBH (AT)
International Classes:
G01Q20/04; G01D5/241
Domestic Patent References:
WO1996012930A11996-05-02
WO2007123592A22007-11-01
Foreign References:
US4530160A1985-07-23
Attorney, Agent or Firm:
DILG, Andreas (DE)
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Kapazitive Weg messvorrichtung (50) zum Messen einer Weg Information eines Sondenkörpers (7), insbesondere für ein Rastersondenmikroskop (1), wobei die Wegmessvorrichtung (50) aufweist:

zwei zumindest teilweise elektrisch leitfähige, starre und in ihrer relativen Lage zueinander unveränderliche Kondensatorkörper (54, 56);

einen elektrisch leitfähigen und zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper (58), der zwischen den starren Kondensatorkörpern (54, 56) angeordnet und eingerichtet ist, bei Bewegung des Sondenkörpers (7) deformiert zu werden;

eine Erfasseinrichtung (60) zum Erfassen elektrischer Signale an

zumindest einem der Kondensatorkörper (54, 56, 58);

eine Ermittlungseinrichtung (62) zum Ermitteln einer für die

Weginformation des Sondenkörpers (7) indikativen Information basierend auf den erfassten elektrischen Signalen.

2. Wegmessvorrichtung (50) gemäß Anspruch 1, wobei die starren

Kondensatorkörper (54, 56) und der zumindest teilweise deformierbare

Kondensatorkörper (58) in einem kraftfreien Zustand parallel zueinander angeordnet sind.

3. Wegmessvorrichtung (50) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest einer der starren Kondensatorkörper (54, 56) ein elektrisch isolierendes Substrat (64) und eine darauf abgeschiedene Elektrode (66) aufweist.

4. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der elektrisch leitfähige und zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper (58) eine im Betrieb zumindest teilweise nicht deformierte Elektrode (68) und einen sich daran anschließenden und im Betrieb gebogenen Bereich, insbesondere im Betrieb gebogene Stege (70), aufweist.

5. Wegmessvorrichtung (50) gemäß Anspruch 4, wobei eine Fläche der Elektrode (68) mindestens das dreifache, insbesondere mindestens das fünffache, einer Fläche eines jeweiligen der Stege (70) beträgt.

6. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper (58) ganz oder teilweise als elastische Membran (72) ausgebildet ist.

7. Wegmessvorrichtung (50) gemäß Anspruch 6, wobei die Membran (72) ausgebildet ist, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des

Sondenkörpers (7) ein erster Bereich der Membran (72) weniger belastet wird als ein zweiter Bereich der Membran (72) und der erste Bereich der Membran (72) bei einer Bewegung des Sondenkörpers (7) im Wesentlichen parallel zu den starren Kondensatorkörpern (54, 56) bleibt.

8. Wegmessvorrichtung (50) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Membran (72) ausgebildet ist, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des

Sondenkörpers (7) ein Membranbereich mit einer verglichen mit einem anderen Membranbereich höherer Steifigkeit im Wesentlichen parallel zu den starren Kondensatorkörpern (54, 56) bleibt. 9. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper (58) einstückig und/oder einstoffig ausgebildet ist.

10. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper (58) ausgebildet ist, bei Bewegen des Sondenkörpers (7) in einem Zentralabschnitt des zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörpers (58) im Wesentlichen

deformationsfrei ausgelenkt zu werden und in einem Randbereich des zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörpers (58) deformiert zu werden.

11. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Ermittlungseinrichtung (62) zum Ermitteln der für die Weginformation des Sondenkörpers (7) indikativen Information durch synchrone Demodulation eingerichtet ist.

12. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Erfasseinrichtung (60) zum Erfassen der elektrischen Signale in Reaktion auf das Anlegen eines elektrischen Anregungssignals, insbesondere einer jeweiligen elektrischen Spannung, weiter insbesondere erzeugt mittels einer gemeinsamen Signalquelle (74), zwischen einem jeweiligen der starren Kondensatorkörper (54, 56) und dem zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper (58) eingerichtet ist.

13. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend einen Koppelkörper (76), insbesondere einen kugelförmigen

Koppelkörper, der in Wirkverbindung mit dem zumindest teilweise

deformierbaren Kondensatorkörper (58) und in Wirkverbindung mit dem

Sondenkörper (7) steht, sodass bei einer Bewegung des Sondenkörpers (7) der Sondenkörper (7) den Koppelkörper (76) verschiebt und der Koppelkörper (76) den zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper (58) deformiert und/oder verschiebt.

14. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, aufweisend einen jeweiligen Distanzhalter (78, 79) zwischen einem jeweiligen der starren Kondensatorkörper (54, 56) und dem zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper (58).

15. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei ein Abstand (D) zwischen den starren Kondensatorkörpern (54, 56) höchstens 700 pm, insbesondere höchstens 500 pm beträgt.

16. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei eine Dicke (d) des zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörpers (58) höchstens 500 pm, insbesondere höchstens 300 pm beträgt.

17. Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, die ausgebildet ist, ein Anregungssignal an zumindest einen Teil der

Kondensatorkörper (54, 56, 58), insbesondere an die starren Kondensatorkörper (54, 56), an einer ersten Seite der Kondensatorkörper (54, 56, 58) anzulegen und die elektrischen Signale von zumindest einem Teil der Kondensatorkörper (54, 56, 58), insbesondere von dem zumindest teilweise deformierbaren

Kondensatorkörper (58), an einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite abzunehmen.

18. Rastersondenmikroskop (1) zum Ermitteln von Oberflächeninformation hinsichtlich eines Probenkörpers (6) mittels rasternden Abtastens einer

Oberfläche des Probenkörpers (6), wobei das Rastersondenmikroskop (1) aufweist:

einen bewegbaren Sondenkörper (7) mit einer Messspitze (5) zum rasternden Abtasten der Oberfläche des Probenkörpers (6);

eine kapazitive Wegmessvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Messen einer Weginformation des Sondenkörpers (7).

19. Rastersondenmikroskop (1) gemäß Anspruch 18, ausgebildet als

Rasterkraftmikroskop.

20. Rastersondenmikroskop (1) gemäß Anspruch 18 oder 19, aufweisend eine Verschiebeeinrichtung (80), die zum Verschieben des Sondenkörpers (7) eingerichtet und mit dem Sondenkörper (7) und der Wegmessvorrichtung (50) starr gekoppelt ist.

21. Rastersondenmikroskop (1) gemäß Anspruch 20, wobei die

Verschiebeeinrichtung (80) als Piezo-Aktuator ausgebildet ist.

22. Rastersondenmikroskop (1) gemäß einen der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Wegmessvorrichtung (50) zum Messen einer Weginformation des

Sondenkörpers (7) in einer vertikalen Richtung und/oder senkrecht zu einer Abtastebene des Probenkörpers (6) angeordnet ist.

23. Verfahren zum kapazitiven Messen einer Weginformation eines

Sondenkörpers (7), insbesondere eines Rastersondenmikroskops (1), wobei das Verfahren aufweist:

Deformieren eines elektrisch leitfähigen und zumindest teilweise

deformierbaren Kondensatorkörpers (58) bei Bewegung des Sondenkörpers (7), wobei der zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper (58) zwischen zwei zumindest teilweise elektrisch leitfähigen, starren und in ihrer relativen Lage zueinander unveränderlichen Kondensatorkörpern (54, 56) angeordnet ist;

Erfassen elektrischer Signale an zumindest einem der Kondensatorkörper

(54, 56, 58);

Ermitteln einer für die Weginformation des Sondenkörpers (7) indikativen Information basierend auf den erfassten elektrischen Signalen.

Description:
Kapazitive Weqmessvorrichtunq

zum Messen einer Weqinformation eines Sondenkörpers

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Wegmessvorrichtung und ein

Verfahren zum Messen einer Weginformation eines Sondenkörpers sowie ein Rastersondenmikroskop.

Ein Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) dient

hauptsächlich der lateral bzw. vertikal hochauflösenden Untersuchung von Oberflächen (insbesondere topographische Untersuchungen von Oberflächen). Dabei wird eine Messsonde (zum Beispiel ein Biegebalken, welcher auch als Cantilever bezeichnet wird) mit einer nanoskopisch kleinen Nadel (auch als Messspitze oder Messsondenspitze bezeichnet) über die Oberfläche geführt (d .h. gerastert bzw. gescannt) und die Auslenkung des Cantilevers, basierend auf der Wechselwirkung des Cantilevers mit der Oberfläche, detektiert. Je nach

Oberflächenbeschaffenheit der Probe wird die Auslenkung des Cantilevers positionsabhängig bzw. die Nachführung der Sonde aufgezeichnet. Die

Auslenkung des Cantilevers bzw. der Spitze kann kapazitiv (insbesondere piezoelektrisch) oder mithilfe von optischen Sensoren gemessen werden. Diese Methode ermöglicht eine Strukturuntersuchung der Oberfläche der Probe bis hin zur atomaren Auflösung . Der Abstand des Cantilevers zur Oberfläche der zu untersuchenden Probe kann sehr genau eingestellt werden. Damit können verschiedene Messmethoden, wie beispielsweise der Kontaktmode (contact mode), der Nicht-Kontaktmode (non contact mode), Tast-AFM Mode (Tapping Mode), etc. realisiert werden. In US 5,406,832 A wird der Aufbau eines AFM beschrieben.

Für die Steuerung eines Messgeräts, insbesondere eines

Rastersondenmikroskops, mit einem Sondenkörper ist die Kenntnis der genauen Position des Sondenkörpers nützlich. Das Messen entsprechender Weginformation ist herkömmlich nur mit mäßiger Auflösung oder großem

Aufwand möglich.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Weginformation eines Sondenkörpers, insbesondere an einem Rastersondenmikroskop, mit einem kompakten Aufbau sowie einfach und präzise ermitteln zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine kapazitive Wegmessvorrichtung (d.h. insbesondere eine Wegmessvorrichtung, bei der eine Wegmessung auf einer charakteristischen Veränderung von

Kapazitätswerten einer Kondensatoranordnung abhängig von einer Position eines zu vermessenden beweglichen Sondenkörpers beruht) zum Messen einer

Weginformation eines Sondenkörpers (insbesondere einer Information über eine Position oder eine infolge einer Bewegung zurückgelegte Strecke des

Sondenkörpers), insbesondere für ein Rastersondenmikroskop (oder für ein anderes Messgerät), geschaffen, wobei die Wegmessvorrichtung zwei zumindest teilweise elektrisch leitfähige, starre und in ihrer relativen Lage zueinander unveränderliche (zum Beispiel starr gelagerte, in sich starre und

unverschiebbare, weiter insbesondere auch bei einer Bewegung des

Sondenkörpers starre und unverschiebbare) Kondensatorkörper, einen

(insbesondere vollständig) elektrisch leitfähigen und zumindest teilweise deformierbaren (insbesondere elastisch deformierbaren, d.h. reversibel aus seiner ursprünglichen Form bringbaren) Kondensatorkörper (insbesondere kann elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial des deformierbaren Kondensatorkörpers bei Verschieben des Sondenkörpers deformiert werden), der deformierbar (und optional zumindest teilweise verschiebbar) zwischen den starren

Kondensatorkörpern angeordnet und eingerichtet ist, bei Bewegung des

Sondenkörpers deformiert zu werden, eine Erfasseinrichtung zum Erfassen elektrischer Signale an zumindest einem der Kondensatorkörper (insbesondere an dem zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper), und eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln einer für die Weginformation des

Sondenkörpers indikativen Information basierend auf den erfassten elektrischen Signalen aufweist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Rastersondenmikroskop zum Ermitteln von Oberflächeninformation

hinsichtlich eines Probenkörpers mittels rasternden Abtastens einer Oberfläche des Probenkörpers bereitgestellt, wobei das Rastersondenmikroskop einen bewegbaren Sondenkörper mit einer Messspitze zum rasternden Abtasten der Oberfläche des Probenkörpers und eine kapazitive Wegmessvorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Messen einer Weginformation des

Sondenkörpers aufweist.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein

Verfahren zum kapazitiven Messen einer Weginformation eines Sondenkörpers, insbesondere von einem Rastersondenmikroskop, bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren ein elektrisch leitfähiger und zumindest teilweise deformierbarer Kondensatorkörper bei Bewegung des Sondenkörpers deformiert wird, wobei der zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper deformierbar zwischen zwei zumindest teilweise elektrisch leitfähigen, starren und in ihrer relativen Lage zueinander unveränderlichen Kondensatorkörpern angeordnet ist, elektrische Signale an zumindest einem der Kondensatorkörper (insbesondere an dem zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper) erfasst werden, und eine für die Weginformation des Sondenkörpers indikative Information basierend auf den erfassten elektrischen Signalen ermittelt wird.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff

„Rastersondenmikroskop" insbesondere ein Mikroskop verstanden, bei dem ein Bild oder sonstige Oberflächeninformation eines Probenkörpers nicht mit einer optischen oder elektronenoptischen Abbildung (d .h. unter Einsatz von Linsen) erzeugt wird, sondern über die Wechselwirkung einer Messsonde mit dem Probenkörper. Die zu untersuchende Probenoberfläche wird mittels dieser

Messsonde in einem Rasterprozess Punkt für Punkt abgetastet. Die sich für jeden einzelnen Punkt ergebenden Messwerte können dann zu einem Bild

zusammengesetzt werden oder in anderer Weise ausgewertet werden.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff

„Sondenkörper" insbesondere ein Körper verstanden, mit dessen Hilfe es möglich ist, Zugriff auf eine zu analysierende, miniaturisierte und/oder beschränkt bzw. schwer zugängliche Stelle zu erhalten. An dieser Stelle kann mit Instrumenten bzw. mit Messsystemen etwas untersucht werden. Insbesondere kann ein solcher Sondenkörper bei einem mit einer kapazitiven Wegmessvorrichtung

wirkgekoppelten Messgerät (zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, ein

Rastersondenmikroskop) als Sonde während eines Messvorgangs dienen. Ein Verschiebeereignis des Sondenkörpers führt gemäß einem Ausführungsbeispiel zu einem Deformations- bzw. Verschiebeereignis in der Wegmessvorrichtung, was einen Rückschluss auf das Verschiebeereignis des Sondenkörpers erlaubt. Im Beispiel eines Rastersondenmikroskops kann der Sondenkörper einem

Abrastern einer Oberfläche eines Probekörpers dienen.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff

„Kondensatorkörper" insbesondere ein ganz oder teilweise elektrisch leitfähiger Körper (der zum Beispiel zumindest in einem kraftfreien Zustand plattenförmig bzw. eben sein kann) verstanden, und der gemeinsam mit einem jeweiligen anderen Kondensatorkörper einen Kondensator (insbesondere einem

Plattenkondensator) bilden kann . Insbesondere kann jeder der starren

Kondensatorkörper gemeinsam mit dem deformierbaren Kondensatorkörper einen Kondensator oder eine Kapazität bilden. Der deformierbare

Kondensatorkörper kann daher (insbesondere mit einer einzigen

zusammenhängenden) elektrisch leitfähigen Struktur sowohl zum Bilden eines ersten Kondensators oder einer ersten Kapazität mit einem ersten der starren Kondensatorkörper dienen und kann simultan zum Bilden eines zweiten Kondensators oder einer zweiten Kapazität mit einem zweiten der starren

Kondensatorkörper dienen.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Wegmesssystem zum Messen einer Weginformation eines Sondenkörpers geschaffen, bei dem eine Bewegung des Sondenkörpers in eine Deformation eines zwischen zwei starren Kondensatorkörpern angeordneten deformierbaren Kondensatorkörpers umgewandelt wird . Anschaulich bildet der infolge der

Sondenkörperbewegung deformierte (zum Beispiel nach oben oder unten ausgelenkte) elektrisch leitfähige mittlere Kondensatorkörper mit jedem der beiden starren Kondensatorkörper einen jeweiligen Kondensator, dessen

Kapazitätswert durch die Sondenkörperbewegung charakteristisch verändert wird. Die Veränderung der Kapazität dieser Kondensatoren durch eine

Auslenkung ist gegenläufig, da bei einer bestimmten Auslenkung anschaulich der Abstand der beiden einen Kondensator bildenden Kondensatorkörper wächst und der Abstand der beiden einen anderen Kondensator bildenden Kondensatorkörper sinkt. Diese charakteristische Veränderung der Kapazität der beiden gebildeten Kondensatoren kann durch eine Erfasseinrichtung in Form elektrischer Signale erfasst und durch die Ermittlungseinrichtung in Weginformation umgerechnet werden. Dadurch ist mit einem sehr einfachen Aufbau eine äußerst präzise Bestimmung von Weginformation eines Sondenkörpers mittels einer kapazitiven Wegmessung ermöglicht.

Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele der Wegmessvorrichtung, des Rastersondenmikroskops und des Verfahrens beschrieben.

Insbesondere können die Kondensatorkörper jeweils als Platte ausgebildet sein. Anschaulich bildet jeder der starren Kondensatorkörper eine

Kondensatorplatte und bildet der deformierbare Kondensatorkörper eine jeweils zweite Kondensatorplatte, die mit einer jeweiligen Kondensatorplatte eines jeweiligen der starren Kondensatorkörper einen jeweiligen Kondensator bildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die starren Kondensatorkörper und der zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper in einem

kraftfreien Zustand parallel zueinander angeordnet sein. Insbesondere können die jeweiligen Elektroden der drei Kondensatorkörper in einem kraftfreien

Zustand parallel zueinander angeordnet sein. Wirkt also seitens des

Sondenkörpers keine Kraft auf den deformierbaren Kondensatorkörper ein, sind die drei Kondensatorkörper insbesondere als drei zueinander parallele ebene Platten ausgebildet. Bevorzugt haben die einander jeweils zugewandten Paare von Kondensatorkörpern im kraftfreien Zustand denselben Abstand voneinander. Damit können zwei im Wesentlichen identische Kondensatoren erzeugt werden, deren Ausgangssignale einander im kraftfreien Zustand gerade aufheben können.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest einer der starren Kondensatorkörper ein elektrisch isolierendes Substrat (zum Beispiel ein

Keramiksubstrat) und eine darauf abgeschiedene Elektrode aufweisen. Ein solches dielektrisches Substrat kann zum Beispiel eine Dicke in einem Bereich zwischen 500 pm und 2 mm, insbesondere zwischen 700 pm und 1,5 mm haben. Darauf kann eine Elektrode zum Beispiel aufgedampft werden. Die Elektrode kann zum Beispiel aus Gold gebildet werden. Eine Dicke einer solchen Elektrode kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 100 nm und 1 pm liegen,

insbesondere zwischen 300 nm und 500 nm.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der zumindest teilweise

deformierbare Kondensatorkörper eine im Betrieb zumindest teilweise nicht deformierte Elektrode und einen sich daran anschließenden und im Betrieb gebogenen Bereich, insbesondere im Betrieb gebogene Stege, aufweisen. In diesem Zusammenhang wird unter der Formulierung„im Betrieb" ein Einwirken von Kräften auf den zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper verstanden, wie sie nach dem fachmännischen Verständnis während der

Verwendung einer erfindungsgemäßen Wegmessvorrichtung, insbesondere bei einer Applikation im Rahmen eines Rastersondenmikroskops, auf den zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper typischerweise einwirken. Bei einem solchen bestimmungsgemäßen Betrieb der Wegmessvorrichtung werden sich die randseitig angeordneten Stege durchbiegen, nicht hingegen die zentrale

Elektrode. Somit kann der zumindest teilweise deformierbare Kondensatorkörper eine im Betrieb im Wesentlichen starr verbleibende Elektrode und einen biegbaren Bereich, insbesondere biegbare Stege, aufweisen, der bzw. die im Betrieb verbogen werden. Die im Betrieb starre Elektrode kann selbst bei Einwirkung einer Kraft des Sondenkörpers auf den zumindest teilweise

deformierbaren Kondensatorkörper von einer Deformation im Wesentlichen frei bleiben und kann stattdessen als Ganzes verschoben werden. Die biegbaren und im Betrieb deformierten Stege hingegen können bei Einwirkung einer Kraft des Sondenkörpers verbogen oder deformiert werden und können daher eine membranartige Charakteristik aufweisen. Durch die Kombination der im Betrieb starren Elektrode mit den biegbaren und dem Betrieb deformierten Stegen kann bei Einwirkung einer Kraft des Sondenkörpers eine im Wesentlichen translative Verschiebung der Elektrode zwischen den beiden hierzu im Wesentlichen parallelen starren Kondensatorkörpern erfolgen, während die Stege bei

Einwirkung einer solchen Kraft aus einer Ebene parallel zu den Ebenen der starren Kondensatorkörper herausgebogen werden können. Zum Beispiel können zwei oder vier Stege an einander gegenüberliegenden Seiten der im Betrieb starren Elektrode vorgesehen sein. Durch das membranartige Verhalten eines solchen deformierbaren Kondensatorkörpers im Randbereich bei gleichzeitiger im Wesentlichen translativer Verschiebung der im Betrieb starren Elektrode im Zentralbereich kann eine besonders hohe Sensitivität der Wegmessvorrichtung erreicht werden.

Ein Fachmann wird verstehen, dass eine im Betrieb im Wesentlichen deformationsfreie Eigenschaft der Elektrode minimale Mikrodeformationen in einzelnen Elektrodenbereichen nicht ausschließt. Eine im Betrieb nicht

deformierte Elektrode wird aber allenfalls äußerst geringen Deformationen ausgesetzt sein, die viel kleiner als die Deformationen in dem im Betrieb gebogenen Bereich sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Fläche der Elektrode mindestens das dreifache, insbesondere mindestens das fünffache, einer Fläche eines jeweiligen der Stege betragen. Auf diese Weise kann sich der

deformierbare Kondensatorkörper insgesamt im Wesentlichen als translatorisch verschiebbare Elektrode verhalten und folglich mit sehr hoher Sensitivität arbeiten, wobei gleichzeitig die Deformierbarkeit aufgrund der kleinen Stege aufrechterhalten bleiben kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der zumindest teilweise

deformierbare Kondensatorkörper ganz (siehe Figur 4B) oder teilweise (siehe Figur 5) als elastische Membran ausgebildet sein. Eine solche elastische Membran zeigt eine sehr starke Reaktion auf eine Krafteinwirkung infolge einer

Verschiebung des Sondenkörpers und bewirkt daher eine hohe Messgenauigkeit.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Membran ausgebildet sein, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des Sondenkörpers ein erster Bereich der Membran weniger belastet wird als ein zweiter Bereich der Membran und der erste Bereich der Membran bei einer Bewegung des Sondenkörpers im Wesentlichen parallel zu den starren Kondensatorkörpern bleibt. Mit anderen Worten kann die elastisch deformierbare Membran also in der Form gestaltet sein, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des Sondenkörpers einzelne Bereiche der Membran wenig belastet werden als andere und somit weitestgehend parallel zu den Elektroden auf den starren Kondensator- bzw. Elektrodenkörpern bleiben.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Membran ausgebildet sein, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des Sondenkörpers ein Membranbereich mit einer verglichen mit einem anderen Membranbereich höherer Steifigkeit im Wesentlichen parallel zu den starren Kondensatorkörpern bleibt. Anders ausgedrückt kann die elastisch deformierbare Membran in der Form gestaltet sein, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des Sondenkörpers einzelne Bereich der Membran aufgrund höherer Steifigkeit im Wesentlichen parallel zu den Elektroden auf den starren Kondensator- bzw.

Elektrodenkörpern bleiben.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der zumindest teilweise

deformierbare Kondensatorkörper einstückig und/oder einstoffig ausgebildet sein. Zum Beispiel kann der deformierbare Kondensatorkörper als dünne

Stahlplatte (zum Beispiel mit einer Dicke von einigen Zehntel Millimetern) ausgebildet werden, die durch Laserbehandlung so bearbeitet werden kann, dass die biegbaren Stege gegenüber dem Rest der Platte herausgearbeitet werden. Auf diese Weise kann der deformierbare Kondensatorkörper aus einem Stück herausgearbeitet werden und können die Stege mit der starren Elektrode integral verbunden bleiben. Dies erlaubt eine kostengünstige Fertigung . Wenn die biegbaren Stege sehr viel schmäler ausgebildet werden als die Elektrode können Stege und Elektrode aus einer Platte einer gemeinsamen konstanten Dicke herausgearbeitet werden, und gleichzeitig kann den Stegen ein hohes Maß an Biegefähigkeit und der Elektrode ein hoher Grad an Steifigkeit verliehen werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der zumindest teilweise

deformierbare Kondensatorkörper ausgebildet sein, bei Bewegen des

Sondenkörpers in einem Zentralabschnitt im Wesentlichen deformationsfrei (insbesondere maximal) ausgelenkt und in einem Randbereich deformiert zu werden. Eine maximale Auslenkung der starren Elektrode im Zentrum in

Kombination mit der randseitig hohen Deformation führt zu einer besonders hohen Sensitivität der Wegmessvorrichtung.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der zumindest teilweise

deformierbare Kondensatorkörper Stahl aufweisen oder daraus bestehen. Ein Stahlplättchen erlaubt in einem Zentralbereich eine ausreichend hohe Rigidität und ermöglicht bei geringer Breite im Stegbereich gleichzeitig eine ausgeprägte Biegefähigkeit. Daher stellt ein solches Stahlplättchen eine kostengünstige und gleichzeitig hochsensitive Ausführungsform für den deformierbaren

Kondensatorkörper dar. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der für die Weginformation des Sondenkörpers indikativen Information durch Differenzbildung der von den beiden Kondensatoren erfassten elektrischen Signale eingerichtet sein. Da bei einer bestimmten Bewegung des Sondenkörpers die Kapazität des einen Kondensators steigt und jene des anderen Kondensators entsprechend sinkt, bewirkt eine Differenzbildung zwischen den beiden, diesen Kondensatoren zugeordneten elektrischen Signalen eine besonders hohe

Genauigkeit bei der ermittelten Weginformation.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der für die Weginformation des Sondenkörpers indikativen Information durch synchrone Demodulation eingerichtet sein. Das Prinzip der synchronen Demodulation, das bezugnehmend auf Figur 8 und Figur 9 detailliert beschrieben wird, erlaubt eine hochpräzise Erfassung der Weginformation.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Erfasseinrichtung zum

Erfassen der elektrischen Signale in Reaktion auf das Anlegen eines elektrischen Anregungssignals zwischen einem jeweiligen der starren Kondensatorkörper und dem zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper eingerichtet sein. Das elektrische Anregungssignal kann zum Beispiel eine jeweilige elektrische Spannung sein, insbesondere erzeugt mittels einer gemeinsamen Signalquelle (zum Beispiel eine Spannungsquelle). Insbesondere Wechselspannungssignale können zwischen die beiden einander jeweils zugewandten Kondensatorplatten angelegt werden, und es kann ein entsprechendes Reaktionssignal erfasst werden. Wird dieselbe Spannungsquelle zum Anregen beider Kondensatoren verwendet, führen Spannungsschwankungen und dergleichen in sehr viel geringerem Ausmaß zu Messwertverfälschungen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Wegmessvorrichtung einen Koppelkörper aufweisen, insbesondere einen kugelförmigen Koppelkörper, der in Wirkverbindung mit dem zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper und in Wirkverbindung mit dem Sondenkörper ist, sodass bei einer Bewegung des Sondenkörpers der Sondenkörper den Koppelkörper verschiebt und der Koppelkörper den zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper deformiert und/oder verschiebt. Ein solcher Koppelkörper kann angeordnet sein, um eine von dem Sondenkörper aus einwirkende Kraft vorzugsweise zentral auf den deformierbaren Kondensatorkörper zu übertragen. Besonders bevorzugt ist es, diese Kraftübertragung mittels einer Kugel zu bewerkstelligen, da dann eine besonders wirksame Unterdrückung von parasitären Krafteinkopplungen erreicht werden kann. Alternativ kann aber auch zum Beispiel ein Zylinder als

Koppelkörper verwendet werden, der zum Beispiel auf den deformierbaren Kondensatorkörper einwirken oder sogar daran befestigt sein kann . Mit Vorteil kann der Koppelkörper aus einem elektrisch isolierenden Material (zum Beispiel Glas) gefertigt werden, damit keine Einflüsse des Koppelkörpers auf die für die Detektion maßgeblichen elektrischen Verhältnisse der kapazitiven

Wegmessvorrichtung auftreten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Wegmessvorrichtung einen jeweiligen Distanzhalter zwischen einem jeweiligen der starren

Kondensatorkörper und dem zumindest teilweise deformierbaren

Kondensatorkörper aufweisen. Ein solcher Distanzhalter kann eine genau definierte Distanz zwischen einander gegenüberliegenden Kondensatorkörpern einstellen und aufrechterhalten . Beispielsweise kann ein solcher Distanzhalter aus einem Stahlplättchen, einem Kupferblech oder einer Keramikfolie hergestellt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Abstand zwischen den starren Kondensatorkörpern höchstens 700 pm, insbesondere höchstens 500 pm betragen. Eine Dicke des zumindest teilweise deformierbaren

Kondensatorkörpers kann zum Beispiel höchstens 500 pm, insbesondere höchstens 200 pm betragen. Die Wegmessvorrichtung kann daher als sehr kompakte, in vertikaler Richtung annähernd plattenförmige bzw. schichtförmige Anordnung ausgestaltet werden, die dennoch mit sehr hoher Präzision

Weginformation betreffend den Sondenkörper liefern kann . Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Wegmessvorrichtung ausgebildet sein, ein Anregungssignal an zumindest einen Teil der

Kondensatorkörper (insbesondere an die starren Kondensatorkörper) an einer ersten Seite der Kondensatorkörper anzulegen und die elektrischen Signale von zumindest einem Teil der Kondensatorkörper (insbesondere von dem zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper) an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite abzunehmen. Werden die Positionen von Kabeln bzw. elektrischen Leitungen, mittels derer Anregungssignale an

Kondensatorkörper angelegt bzw. Antwortsignale von einem Kondensatorkörper erfasst werden, räumlich voneinander getrennt, so kann der Einfluss parasitärer Kapazitäten, die durch solche Kabel bzw. elektrischen Leitungen generiert werden, auf die Messkapazitäten zwischen den Kondensatorkörpern stark unterdrückt werden. Die Weginformation kann dann mit besonders hoher Genauigkeit ermittelt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Rastersondenmikroskop eine

Messsonde aufweisen, die zum rasternden Abtasten der Oberfläche des

Probenkörpers eingerichtet ist. Auf diese Weise kann die Messspitze oder Messsonde die Oberfläche des Probenkörpers abrastern und dadurch

Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit des Probenkörpers liefern.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Rastersondenmikroskop eine

Verschiebeeinrichtung aufweisen, die zum Verschieben des Sondenkörpers eingerichtet und mit dem Sondenkörper und der Wegmessvorrichtung starr gekoppelt ist. Insbesondere kann eine solche Verschiebeeinrichtung als Piezo- Aktuator ausgebildet sein. Bei einem Piezo-Aktuator kann mittels Anlegens eines elektrischen Signals an den Piezo-Aktuator letzterer eine zugehörige Auslenkung erfahren. Diese Auslenkung führt zum Verschieben des Sondenkörpers und infolge einer Kraftkopplung zwischen Sondenkörper und Wegmessvorrichtung zu einer entsprechenden Deformation und/oder Verschiebung des deformierbaren bzw. verschiebbaren Kondensatorkörpers zwischen den starren

Kondensatorkörpern. Die Verschiebung bzw. Deformation des deformierbaren Kondensatorkörpers bildet dann einen Fingerabdruck für die entsprechende bzw. korrelierte Verschiebung des Sondenkörpers und erlaubt somit bei kapazitiver Detektion der Deformation des deformierbaren Kondensatorkörpers einen Rückschluss auf die Verschiebung des Sondenkörpers.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die

Wegmessvorrichtung zum Messen einer Weginformation des Sondenkörpers in einer vertikalen Richtung und/oder senkrecht zu einer Abtastebene angeordnet sein. Mit anderen Worten kann mittels der Wegmessvorrichtung eine Position oder Verschiebung des Sondenkörpers in einer Richtung gemessen werden, die einer Normalenrichtung auf die zu vermessene Probe entspricht. Die Abtastebene kann dabei die horizontale Ebene sein, entlang welcher die Sonde und die Probe im Betrieb relativ zueinander bewegt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das

Rastersondenmikroskop als Rasterkraftmikroskop ausgebildet sein. Das

Rasterkraftmikroskop, auch atomares Kraftmikroskop oder Atomkraftmikroskop (AFM) genannt, ist ein spezielles Rastersondenmikroskop. Es dient als Werkzeug in der Oberflächenchemie bzw. in der Oberflächencharakterisierung und fungiert zur mechanischen Abtastung von Oberflächen und der Messung atomarer Kräfte auf der Nanometerskala.

Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der

vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.

Figur 1 zeigt ein Rastersondenmikroskop mit einer kapazitiven

Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Figur 2 zeigt ein Schaltbild einer kapazitiven Wegmessvorrichtung zum Messen einer Weginformation eines Sondenkörpers für ein

Rastersondenmikroskop gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer kapazitiven

Wegmessvorrichtung zum Messen einer Weginformation eines Sondenkörpers für ein Rastersondenmikroskop gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Figur 4A zeigt einen gegenüber zwei starren Kondensatorkörpern parallel verschobenen und in sich starren Kondensatorkörper einer Wegmessvorrichtung.

Figur 4B zeigt einen gegenüber zwei starren Kondensatorkörpern bauchartig ausgelenkten deformierbaren Kondensatorkörper einer

Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Figur 5 zeigt eine Draufsicht eines beweglichen Kondensatorkörpers einer Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Figur 6 zeigt einen gegenüber zwei starren Kondensatorkörpern teils parallel verschobenen und teils bauchartig ausgelenkten beweglichen

Kondensatorkörper einer Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 7 zeigt eine dreidimensionale Schnittdarstellung einer

Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Figur 8 zeigt eine Auswerteschaltung mit einer Erfasseinrichtung und einer Ermittlungseinrichtung einer Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 9 zeigt eine Prinzipdarstellung einer elektronischen Schaltung samt Auswertelogik einer Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 10 zeigt eine Verschiebeeinrichtung zum Verschieben eines

Sondenkörpers und eine Wegmessvorrichtung zum Messen einer Wegstrecke einer Verschiebung des Sondenkörpers mittels der Verschiebeeinrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 11 zeigt einen beweglichen Kondensatorkörper mit starrer Elektrode und biegbaren Stegen einer Wegmessvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Betriebszustand, in dem die Stege nicht verbogen sind, sondern koplanar mit der starren Elektrode liegen.

Figur 12 zeigt den beweglichen Kondensatorkörper gemäß Figur 11 in einem anderen Betriebszustand, in dem die Stege verbogen und aus der Ebene der starren Elektrode herausgebogen sind .

Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, sollen noch einige allgemeine Aspekte der Erfindung und der zugrundeliegenden Technologien erläutert werden :

Mit einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine kapazitive Wegmessvorrichtung (50) zum Messen einer Weginformation eines Sondenkörpers (7), insbesondere für ein Rastersondenmikroskop (1),

bereitgestellt, wobei die Wegmessvorrichtung (50) zwei mit zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Elektroden (66) versehene, starre und in ihrer relativen Lage unveränderliche Kondensatorkörper (54, 56), eine zwischen den starren Kondensatorkörpern (54, 56) angeordnete elastisch deformierbare Membran (siehe Bezugszeichen 72 bzw. Kondensatorkörper 58), die als veränderliche Elektrode fungiert und die eingerichtet ist, bei Bewegung des Sondenkörpers (7) deformiert zu werden, eine Erfasseinrichtung (60) zum Erfassen elektrischer Signale an zumindest einem der Kondensatorkörper (54, 56, 58), und eine Ermittlungseinrichtung (62) zum Ermitteln einer für die Weginformation des Sondenkörpers (7) indikativen Information basierend auf den erfassten elektrischen Signalen aufweist.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein kapazitiver z-Richtungs-Sensor zum Messen von Weginformationen eines Sondenkörpers inklusive einer (vorzugsweise digitalen) Sensordatenauswertung geschaffen. Insbesondere stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ein berührendes, kapazitives Wegmesssystem (d .h. Sensor samt Datenauswertung) bereit, das insbesondere für einen Verschiebeweg im Bereich weniger 10 pm und einer Auflösung kleiner 1 nm konfiguriert sein kann. Der Sensor selbst zeichnet sich in Ausführungsbeispielen vor allem durch eine kompakte Bauweise und durch einen geringen Fertigungsaufwand aus.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das kapazitive

Wegmesssystem eine differentielle Kondensator-Anordnung auf. Dadurch kann eine besonders hohe Empfindlichkeit erreicht werden.

Mit einem anderen Ausführungsbeispiel der Ausbildung ist ein

Rastersondenmikroskop (Scanning Probe Mikroscope, SPM) und insbesondere ein Atomkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) mit einer

Verschiebeeinrichtung geschaffen, mit der eine Sondenaufnahme samt

Sondenkörper (beispielsweise ein Cantilever mit Messspitze) in z-Richtung (d .h. in vertikaler Richtung bezogen auf ein Laborsystem) in sehr feinen Schritten bzw. über sehr kurze Distanzen bewegt werden kann. Diese Verschiebeeinrichtung kann zum Beispiel als Piezo-Stufe bzw. als Piezo-Aktuator ausgebildet werden. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann eine Verschiebung des

Sondenkörpers (und eine dadurch hervorgerufene Deformation bzw.

Verschiebung eines deformierbaren Kondensatorkörpers einer kapazitiven

Wegmessvorrichtung) über eine Längenänderung eines Piezo-Aktuators, sobald an diesen eine Spannung angelegt wird, bewirkt werden. Diese Verschiebung in z-Richtung kann über die Verschiebung des deformierbaren Kondensatorkörpers kapazitiv gemessen werden.

Herkömmlich kann eine solche Verschiebung in z-Richtung aus einer für den jeweils verwendeten Piezo-Aktuator bekannten oder durch Kalibration bestimmten Auslenkung ermittelt werden, welche bei Anlegen einer definierten Spannung eintritt. Durch Alterung oder Drift des Piezo-Aktuators bzw. durch Umgebungseinflüsse wie Temperaturänderungen kann dies aber zu

Fehlmessungen führen. Herkömmlich werden auch kapazitive Abstandssensoren verwendet, die jedoch häufig ungenau bzw. anfällig bei Änderungen von

Temperatur oder Luftfeuchtigkeit sind . Komplexer aufgebaute herkömmliche Sensoren weisen zwar eine höhere Messgenauigkeit, eine bessere Auflösung sowie eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen auf. Ihr Platzbedarf ist allerdings hoch, so dass sie für einen Einbau in vielen

Messgeräten, insbesondere in einem SPM/AFM, nicht geeignet sind .

Im Unterschied zu solchen herkömmlichen Ansätzen wird gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Abstands- oder

Wegemessvorrichtung zur Bestimmung einer vertikalen Verschiebung eines Sondenkörpers, insbesondere in einem SPM/AFM, geschaffen, die einerseits eine hohe Genauigkeit und eine hohe Auflösung aufweist und andererseits kompakt genug ist, um sie in ein Messgerät (wie beispielsweise in ein SPM/AFM) einbauen zu können.

Ein kapazitiver Sensor einer Wegmessvorrichtung gemäß einem

exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist drei übereinander liegende Kondensatorkörper (die insbesondere insgesamt genau drei Elektroden aufweisen, d .h . vorzugsweise genau eine Elektrode pro Kondensatorkörper) auf, deren mittlerer als bewegliche oder deformierbare Membran ausgebildet sein kann. Eine solche deformierbare Membran kann in Reaktion auf eine

Verschiebung des Sondenkörpers vollständig oder vorzugsweise nur

abschnittsweise (siehe zum Beispiel das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5) deformiert werden, wobei diese Deformation als Basis für die Wegmessung verwendet werden kann. Bei exemplarischen Ausführungsbeispielen sind

Abmessungen bei der Wegmessvorrichtung in z-Richtung (d .h. insbesondere eine Dicke der Membran bzw. Abstände zwischen einander gegenüberliegenden

Elektroden) sehr klein und können zum Beispiel nur wenige 10 pm, in anderen Ausführungsbeispielen zum Beispiel nur wenige 100 pm, betragen.

Figur 1 zeigt ein Scanning Probe Microscope (SPM) oder

Rastersondenmikroskop 1 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) ausgebildet ist.

Bei dem Rastersondenmikroskop 1 wird ein Cantileverausschlag, d.h. eine Positionsveränderung bzw. eine Formänderung einer Messsonde 11 (die auch als Cantilever bezeichnet wird), mithilfe einer optischen Sensorik detektiert. Die Messsonde 11 ist aus einer Messspitze 5 und einem diese tragenden

Sondenkörper 7 gebildet. Der Sondenkörper 7 ist an einer Montageeinrichtung 4 montiert. Eine elektromagnetische Strahlungsquelle 2 (zum Beispiel eine

Laserquelle) sendet einen elektromagnetischen Primärstrahl 13 (insbesondere einen Lichtstrahl) über eine Fokusierungseinrichtung 12 (die als Anordnung von einer oder mehreren optischen Linsen ausgebildet sein kann) auf die Messsonde 11. Der von der Messsonde 11 reflektierte elektromagnetische Sekundärstrahl 3 propagiert zu einem foto- und positionssensitiven Detektor 10 (insbesondere kann der elektromagnetische Sekundärstrahl 3 mittels eines Umlenkspiegels 14 oder eines anderen optischen Umlenkelements auf den positionssensitiven Detektor 10 umgelenkt werden). Wird die Messsonde 11 über eine

Verschiebeeinrichtung 80 (zum Beispiel einem Piezo-Aktuator, der eine

Positionsveränderung in der gemäß Figur 1 vertikalen z-Richtung bewerkstelligen kann) in Bewegung gebracht und/oder verändert die Messsonde 11 ihre Form, kann eine Veränderung des Laserlichts am positionssensitiven Detektor 10 detektiert werden. Je nach Wechselwirkung der Messspitze 5 (auch als

Cantileverspitze bezeichnet) der Messsonde 11 mit einem zu untersuchenden bzw. zu charakterisierenden Probenkörper 6 auf einem Probenhalter 52 wird der Ausschlag der Messsonde 11 variieren und ein dazugehöriger Bereich am

Detektor 10 vom elektromagnetischen Sekundärstrahl 3 getroffen. Das

Detektorsignal kann dann in einer Auswerteeinheit 8 verarbeitet werden. Das entstehende hochauflösende Bild der Oberfläche des Probenkörpers 6 kann dann mittels einer Anzeigevorrichtung 9 dargestellt werden. Eine Oberfläche des Probenkörpers 6 kann mit der Messspitze 5 (d .h. einer empfindlichen Spitze der Messsonde 11) abgerastert werden. Ein Probentisch ist in der gemäß Figur 1 horizontalen Ebene (d .h. in einer zu der z-Achse orthogonalen x-Richtung und y- Richtung) mittels Aktoren bewegbar. Das Rastersondenmikroskop 1 dient somit zum Ermitteln von Oberflächeninformation hinsichtlich des Probenkörpers 6 mittels rasternden Abtastens einer Oberfläche des Probenkörpers 6 mittels der Messsonde 11.

Ferner ist in Figur 1 schematisch eine im Weiteren näher beschriebene kapazitive Wegmessvorrichtung 50 zum Messen einer Weginformation des Sondenkörpers 7 dargestellt, die Teil des Rastersondenmikroskops 1 bildet. Figur 2 bis Figur 12 veranschaulichen Ausgestaltungen von Komponenten der

Wegmessvorrichtung 50 gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung .

Figur 2 zeigt ein Schaltbild einer solchen kapazitiven Wegmessvorrichtung 50 zum Messen einer Weginformation des Sondenkörpers 7 des

Rastersondenmikroskops 1 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer konkreten baulichen Realisierung der kapazitiven Wegmessvorrichtung 50 gemäß Figur 2 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Wegmessvorrichtung 50 weist zwei teilweise elektrisch leitfähige und teilweise elektrisch isolierende, starre (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel starr gelagerte und in sich starre) und in ihrer relativen Lage zueinander unveränderliche Kondensatorkörper 54, 56 auf. Diese sind sowohl starr an der Wegmessvorrichtung 50 montiert als auch in sich starr, d.h. verändern ihre Position und Form bei einer Bewegung des Sondenkörpers 7 nicht. Darüber hinaus ist ein bei einer Bewegung des Sondenkörpers 7 deformierbarer

Kondensatorkörper 58 deformierbar bzw. beweglich zwischen den starren

Kondensatorkörpern 54, 56 angeordnet. Der deformierbare Kondensatorkörper 58 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Material (kann allerdings alternativ auch teilweise aus einem elektrisch leitfähigen und teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein). Der deformierbare Kondensatorkörper 58 ist eingerichtet, bei Bewegung des Sondenkörpers 7 deformiert zu werden, wodurch die Bewegung des Sondenkörpers 7 kapazitiv detektiert werden kann . Wie in Figur 2 und Figur 3 dargestellt, sind die starren Kondensatorkörper 54, 56 und der deformierbare Kondensatorkörper 58 in einem kraftfreien Zustand parallel zueinander angeordnet. Bewegt sich hingegen der Sondenkörper 7, so wird der Kondensatorkörper 58 in entsprechender Weise deformiert und aus der

Gleichgewichtslage gemäß Figur 2 und Figur 3 ausgelenkt.

Wie ein Detail 25 in Figur 3 zeigt, weist der starre Kondensatorkörper 54 ein elektrisch isolierendes Substrat (zum Beispiel ein Keramiksubstrat) 64 und eine darauf abgeschiedene Elektrode 66 auf, die zum Beispiel als aufgedampfte Goldelektrode ausgebildet sein kann . Die Dicke des Substrats 64 kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 500 pm und 3 mm liegen, zum Beispiel 1 mm sein . Die Dicke der Elektrode 66 kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 100 nm und 1 pm liegen, insbesondere eine Dicke zwischen 300 nm und 500 nm aufweisen .

Wie ein Detail 27 in Figur 3 zeigt, ist der deformierbare Kondensatorkörper 58 aus einem einstückigen (und bevorzugt einstoffigen) Plättchen elektrisch leitfähigen Materials hergestellt, zum Beispiel aus einem Stahlblech . Ein unten näher beschriebenen Koppelkörper 76 liegt auf einer Aussparung 23 des

Plättchens auf, die hier als Durchgangsloch ausgebildet ist. Dies stellt eine gute Kraftübertragung von dem Koppelkörper 76 auf das Plättchen sicher. Ein Abstand D zwischen den beiden starren Kondensatorkörpern 54, 56 beträgt zum Beispiel 600 pm . Eine Dicke d des deformierbaren Kondensatorkörpers 58 beträgt zum Beispiel 400 pm .

Wie ein Detail 29 in Figur 3 zeigt, weist der starre Kondensatorkörper 56 ein elektrisch isolierendes Substrat (zum Beispiel ein Keramiksubstrat) 64 und eine darauf abgeschiedene Elektrode 66 auf, die zum Beispiel als aufgedampfte Goldelektrode ausgebildet sein kann . Die Dicke des Substrats 64 kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 500 pm und 3 mm liegen, zum Beispiel 1 mm sein . Die Dicke der Elektrode 66 kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 100 nm und 1 pm liegen, insbesondere eine Dicke zwischen 300 nm und 500 nm aufweisen.

Wie bereits beschrieben, weist die Wegmessvorrichtung 50 den

Koppelkörper 76 auf, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch isolierenden Material wie Glas und in Form einer Kugel ausgebildet ist. Der Koppelkörper 76 ist einerseits in Wirkverbindung mit dem deformierbaren Kondensatorkörper 58, auf dessen Aussparung 23 der Koppelkörper 76 aufliegt. Andererseits steht der Koppelkörper 76 auch in Wirkverbindung mit dem in Figur 3 nicht dargestellten Sondenkörper 7, sodass bei einer Bewegung des

Sondenkörpers 7 der Sondenkörper 7 den Koppelkörper 76 und der Koppelkörper 76 den deformierbaren Kondensatorkörper 58 verschiebt bzw. deformiert (siehe zum Beispiel Figur 10). Die Konfiguration des Koppelkörpers 76 als Kugel hat den Vorteil, dass parasitäre Kopplungsphänomene zwischen Sondenkörper 7 und dem deformierbaren Kondensatorkörper 58 dadurch besonders wirksam unterdrückt sind . Alternativ kann der Koppelkörper 76 aber auch andere Formen haben, zum Beispiel als Zylinder ausgebildet sein, der auf dem Kondensatorkörper 58 lose aufliegen oder daran starr befestigt sein kann.

Bei einer alternativen Ausgestaltung kann der Koppelkörper 76 bezogen auf ein Laborsystem bzw. das Rastersondenmikroskop 1 als Ganzes fix, statisch bzw. ruhend ausgebildet sein, zum Beispiel ortsfest an einem Rahmen des

Rastersondenmikroskops 1 gelagert sein. In einer solchen Ausgestaltung können sich die Kondensatorkörper 54, 56, 58 bewegen, wenn die Verschiebeeinrichtung 80 den Sondenkörper 7 bewegt.

Figur 3 zeigt ferner, dass zwischen einem jeweiligen der mit

Außenelektroden ausgebildeten starren Kondensatorkörpern 54, 56 einerseits und dem als Mittelelektrode ausgebildeten deformierbaren Kondensatorkörper 58 andererseits ein jeweiliger steifer Distanzhalter 78, 79 zwischengeordnet werden kann, der jeweils einen definierten Abstand zwischen benachbarten

Kondensatorelektroden im kraftfreien Zustand einstellt. Die Distanzhalter 78, 79 können zum Beispiel aus einem Stahlplättchen, einem Kupferblech, einer Keramikfolie oder derg leichen hergestellt werden . Ein Fachmann wird verstehen, dass - jedenfalls bei einer Ausgestaltung der Distanzhalter 78, 79 aus einem elektrisch leitfähigen Material - sich die Elektroden 66 der Kondensatorkörper 54, 56 vorzugsweise seitl ich nicht bis zu den Distanzhaltern 78, 79 erstrecken, um unerwünschte elektrische Effekte (zum Beispiel einen Kurzschl uss) zu vermeiden .

Es kann ein An regungssignal in Form einer jeweiligen elektrischen

Spannung, d ie mittels einer gemeinsamen elektrischen Anreg ungsquel le 75 erzeugt werden kann, an die starren Kondensatorkörper 54, 56 angelegt werden . Eine in Fig ur 2 schematisch dargestellte Erfasseinrichtung 60 dient zum Erfassen elektrischer Signale (in Reaktion auf das Anlegen der elektrischen Spannu ngen) an dem deformierbaren Kondensatorkörper 58. Die elektrischen Signale werden in Reaktion auf das Anlegen des Anreg ungssignals erzeugt und hängen von der Position des Sondenkörpers 7 ab, da abhängig von d ieser Position der

Kondensatorkörper 58 mehr oder weniger stark deformiert wird . Diese

Deformation verändert d ie kapazitiven Eigenschaften der Weg messvorrichtung 50 und beeinflusst daher auch d ie erfassten elektrischen Signale . Eine ebenfal ls in Fig ur 2 schematisch dargestellte Ermittlungseinrichtung 62 ist zum Ermittel n einer für die Weginformation des Sondenkörpers 7 ind ikativen Information basierend auf den erfassten elektrischen Sig nalen konfiguriert, wobei diese elektrischen Signale der Ermittl ungseinrichtung 62 von der Erfasseinrichtung 60 zugefü hrt werden .

Wie in Figur 2 dargestellt, bilden die voneinander beabstandeten

plattenartigen (siehe Platten A, B) Kondensatorkörper 54, 58 gemeinsam einen ersten Kondensator mit einer Kapazität Ci . In entsprechender Weise bilden die voneinander beabstandeten plattenartigen (siehe Platten B, C)

Kondensatorkörper 56, 58 gemeinsam einen zweiten Kondensator mit einer Kapazität Ci. Ändert sich der jeweil ige gegenseitige Abstand zwischen den

Kondensatorkörpern 54, 58 bzw. 56, 58 infolge einer Beweg ung bzw.

Deformation des Kondensatorkörpers 58 als Reaktion auf eine zu detektierende Positionsveränderung des Sondenkörpers 7, verändert d ies in charakteristischer Weise die von der Erfasseinrichtung 60 erfassten elektrischen Signale, woraus die Ermittlungseinrichtung 62 die Positionsinformation betreffend den

Sondenkörper 7 rekonstruieren kann .

Anschaulich und vereinfacht ausgedrückt dient die Ermittlungseinrichtung 62 zum Ermitteln der für die Weginformation des Sondenkörpers 7 indikativen Information durch Differenzbildung der erfassten elektrischen Signale. Eine Bewegung des Sondenkörpers 7 führt zu einer Erhöhung des Abstands zwischen den jeweiligen Kondensatorkörpern 54, 58 oder 56, 58 und führt gleichzeitig zu eine Verringerung des Abstands zwischen den jeweiligen anderen beiden

Kondensatorkörpern 56, 58 oder 54, 58. Die an den beiden Kondensatoren Ci, Ci generierten elektrischen Signale verändern sich bei einer Bewegung des

Sondenkörpers 7 also gegenläufig bzw. in zueinander entgegengesetzter Weise, sodass durch eine Differenzbildung der beiden elektrischen Signale die

Genauigkeit der gemessenen Weginformation erhöht werden kann . Wie

bezugnehmend auf Figur 8 und Figur 9 genauer erläutert wird, ist die

Ermittlungseinrichtung 62 zum Ermitteln der für die Weginformation des

Sondenkörpers 7 indikativen Information durch synchrone Demodulation eingerichtet.

Vorzugsweise erfasst die Erfasseinrichtung 60 die elektrischen Signale in Reaktion auf das Anlegen einer jeweiligen elektrischen Spannung, die bevorzugt mittels einer gemeinsamen elektrischen Anregungsquelle 75 erzeugt wird .

Dadurch kann vermieden werden, dass Spannungsschwankungen oder zwei nicht vollständig identische Spannungsquellen das System mit Artefakten

beaufschlagen, welche die Empfindlichkeit beeinträchtigen könnten .

Der Sensor in Form der kapazitiven Wegmessvorrichtung 50 ist aus drei übereinander liegenden Elektroden (siehe Bezugszeichen 66, 58 ,66 in Figur 3) mit sehr geringem Abstand zueinander gebildet, wobei nur die mittlere Elektrode in Form des deformierbaren Kondensatorkörpers 58 beweglich ausgeführt ist. Durch diese Anordnung entstehen zwei Kondensatoren, nämlich der Kondensator Ci zwischen Platten A und B (entsprechend Kondensatorkörpern 54, 58) und der Kondensator C2 zwischen Platten B und C (entsprechend Kondensatorkörpern 56, 58). Wird die bewegliche Platte B näher an die Platte A herangeführt, erhöht sich die Kapazität des Kondensators Ci während sich der Wert der Kapazität des Kondensators C2 verringert, und vice versa. Die Differenz C1-C2 ist indirekt ein Maß für die Verschiebung der Platte B.

Durch diesen differentiellen Aufbau wird einerseits die Empfindlichkeit des Sensors bei fester Kondensatorfläche verdoppelt und andererseits die

Fehleranfälligkeit bei schwankenden Umgebungsbedingungen (Luftfeuchtigkeit, Temperatur, etc.) verringert, weil diese Änderungen beide Kondensatoren Ci, C2 gleichermaßen betreffen. Zudem führt die durch die beschriebene Anordnung erreichbare hohe Stabilität und ausgeprägte Symmetrie der elektrischen

Anregungssignale zu besonders stabilen Messwerten. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Anregungssignale der Kondensatoren Ci und C2 von einer gemeinsamen Signalquelle (siehe Bezugszeichen 74 sowie DAC 31 in Figur 8) abgeleitet und durch einen weiteren Zweikanal-DAC (siehe

Bezugszeichen 33 in Figur 8) in ihrer Amplitude verändert werden können. Da die Kanäle des Zweikanal-DACs 33 thermisch sehr gut gekoppelt sind, kommt es bei einer Temperaturänderung zu einer gegenphasigen Anhebung oder Absenkung der Anregungsamplituden und somit zu einer Temperaturkompensation.

Die Wegmessvorrichtung 50 kann also, wie in Figur 3 dargestellt, im

Wesentlichen aus fünf übereinander gestapelten Schichten (siehe Bezugszeichen 54, 78, 58, 79, 56) und somit äußerst kompakt und einfach hergestellt sein. Die oberste Schicht und die unterste Schicht bilden die starren und in sich starren Kondensatorkörper 54, 56, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als dünne keramische Substrate 64 ausgebildet sind, auf welche die Elektroden 66 aus Gold aufgedampft werden. Die starren Kondensatorkörper 54, 56 bilden die

(zumindest relative zueinander) unbeweglichen Außenelektroden. Die mittlere Schicht ist in Form des deformierbaren Kondensatorkörpers 58 realisiert und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als eine dünne Stahlfolie ausgebildet.

Kondensatorkörper 58 fungiert als bewegliche Mittenelektrode. Die als Distanzhalter 78, 79 ausgebildeten verbleibenden beiden Zwischenschichten stellen im unbelasteten Zustand den korrekten Abstand zwischen den drei Elektroden sicher. Zum Ausbilden der Distanzhalter 78, 79 können wiederum Stahlfolien zum Einsatz kommen, weil diese mit sehr geringen Stärken (wenige 10 pm) und sehr hoher Präzision gefertigt werden können.

Figur 4A zeigt einen gegenüber zwei starren Kondensatorkörpern 95, 97 parallel verschobenen und in sich starren Kondensatorkörper 99 einer

Wegmessvorrichtung 89. Figur 4B zeigt dagegen einen gegenüber zwei starren Kondensatorkörpern 54, 56 bauchartig ausgelenkten beweglichen

Kondensatorkörper 58 einer Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem

exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Gemäß diesem

Ausführungsbeispiel weist der deformierbare Kondensatorkörper 58 also eine elastische Membran 72 auf.

Anstatt die Mittenelektrode, wie in Figur 4A, als starre Platte auszuführen und über eine komplizierte Mechanik parallel zu verschieben, wird der als

Mittelelektrode fungierende Kondensatorkörper 58 gemäß dem beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung als Membran 72 ausgeführt und deformiert. Ein solcher Aufbau kann sowohl extrem kompakt als auch mit geringem Aufwand realisiert werden. Schließlich kann er vorwiegend auf der Basis von Blechteilen und flachen Keramiksubstraten gebildet werden (vergleiche Figur 3). Darüber hinaus bleibt bei einem derartigen Aufbau die bewegte Masse klein, was sich auf das dynamische Verhalten auf mechanischer Seite (zum Beispiel mechanische Eigenfrequenz) positiv auswirkt.

Im Weiteren wird, dann auch bezugnehmend auf Figur 5, eine kapazitive Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, die eine noch höhere Messgenauigkeit hat als ein

Ausführungsbeispiel mit einer durchgehend deformierbaren elastischen Membran 72. Bei einer reinen Parallelverschiebung der Mittelelektrode, wie in Figur 4A gezeigt, führt die zu messende Verschiebung zu einer gleichmäßigen Änderung des Abstands zwischen den Elektroden.

Bei einem reinen und durchgehenden Membranansatz wirkt die

Verschiebung nur am Krafteinleitepunkt zur Gänze. Je weiter man sich dem Lagerpunkt der Membran 72 nähert, desto weniger ändert sich der Abstand zwischen Außenelektrode und Mittenelektrode (vergleiche Figur 4B). Das führt zum einen zu einer reduzierten Kapazitätsänderung bezogen auf die

Verschiebung und zum anderen zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Verschiebung und Kapazitätsdifferenz.

Während also die Verwendung einer durchgehend deformierbaren

Membran 72 als Mittelelektrode den Vorteil einer besonders einfachen

Herstellbarkeit hat, hat das im Weiteren bezugnehmend auf Figur 5 und Figur 6 beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung den Vorteil einer besonders hohen Messempfindlichkeit.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht eines beweglichen Kondensatorkörpers 58 einer Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Der in Figur 5 dargestellte teilweise deformierbare Kondensatorkörper 58 weist eine im Betrieb (d.h. bei Kräften, wie sie auf den Kondensatorkörper 58 infolge einer Verschiebung eines Sondenkörpers 7 üblicherweise auftreten) nicht deformierte Elektrode 68 und einen sich daran anschließenden und im Betrieb (d.h. bei Kräften, wie sie auf den Kondensatorkörper 58 infolge einer

Verschiebung eines Sondenkörpers 7 normalerweise auftreten) gebogenen Bereich auf, das durch im Betrieb gebogene Stege 70 verwirklicht ist. Mit Vorteil ist gemäß Figur 5 der Kondensatorkörper 58 als nur teilweise deformierbarer Kondensatorkörper 58 ausgebildet, der in einem Zentralbereich eine im Betrieb starre und somit im Wesentlichen nicht deformierbare Elektrode 68 und in (hier vier umfänglichen bzw. zwei paarweise gegenüberliegenden) Randbereichen längliche und im Betrieb deformierte bzw. biegbare Stege 70 aufweist. Eine Fläche der im Betrieb starren Elektrode 68 beträgt ein Mehrfaches einer Fläche eines jeweiligen der und im Betrieb deformierten Stege 70. Der genau teilweise deformierbare Kondensatorkörper 58 ist gemäß Figur 5 einstückig und einstoffig ausgebildet, genauer gesagt aus einer einzigen Platte (zum Beispiel aus Stahl) einer homogenen Dicke herausgearbeitet. Zum Beispiel kann ein solches

Stahlplättchen oder sonstiges Metallplättchen beispielsweise mittels eines Lasers bearbeitet werden, um langgestreckte Durchgangslöcher 87 in dem Plättchen zu bilden, wodurch die langgestreckten biegbaren Stege 70 abgegrenzt werden, aber integral mit der im Betrieb starren Elektrode 68 im Zentralbereich verbunden bleiben. Durch diese Bearbeitung kann erreicht werden, dass der im Betrieb genau oder nur teilweise deformierte Kondensatorkörper 58 bei Bewegen des Sondenkörpers 7 in dem Zentralabschnitt (d .h. im Bereich der im Betrieb starren Elektrode 68) im Wesentlichen deformationsfrei maximal ausgelenkt wird und nur in einem Randbereich (d.h. im Bereich der biegbaren bzw. im Betrieb deformierten Stege 70) deformiert wird . Das Plättchen ist beidseitig an einem jeweiligen Stütz- oder Montagekörper 85 montiert. Auf den beiden

gegenüberliegenden Hauptflächen eines jeweiligen Stütz- oder Montagekörpers 85 können dann Distanzhalter (siehe Bezugszeichen 78, 79 in Figur 3)

angeordnet werden.

Eine Länge E des den Kondensatorkörper 58 gemäß Figur 5 bildenden

Plättchens kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 5 mm und 15 mm sein, zum Beispiel 8 mm sein. Eine Breite L das Plättchens kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 2 mm und 8 mm sein, zum Beispiel 4 mm sein. Eine Länge b eines jeweiligen Stegs 70 kann zum Beispiel im Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm sein, insbesondere zwischen 1 mm und 2 mm betragen. Eine Breite I eines jeweiligen Stegs 70 kann zum Beispiel einige Zehntel Millimeter betragen, zum Beispiel zwischen 0,2 mm und 0,8 mm. Ein Aspektverhältnis eines jeweiligen Stegs 70, d .h. ein Verhältnis b/l, kann zum Beispiel mindestens 2 betragen, insbesondere mindestens 3, weiter insbesondere zwischen 3 und 10. Anschaulich vereinigt das beschriebene Ausführungsbeispiel die Vorteile von Figur 4A und Figur 4B mit einem allerdings gegenüber Figur 4A signifikant verringertem mechanischen Aufwand. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 hat einerseits den Vorteil, dass die im Betrieb starre Elektrode 68 bei Einwirkung einer Kraft durch den Koppelkörper 76 im Wesentlichen translatorisch und stark verschoben wird, was zu einer sehr hohen Empfindlichkeit führt. Gleichzeitig führt die elastische Biegefähigkeit bzw. im Betrieb erfolgende Deformation der Stege 70 dazu, dass es schon bei kleinen einwirkenden Kräften auf den

Koppelkörper 76 zu einer signifikanten Deformation der Stege 70 und in der Folge zu einer signifikanten Auslenkung der Elektrode 68, mithin zu einem großen Sensorsignal kommt. Der gemäß Figur 5 membranartig ausgebildete Kondensatorkörper 58 ist also derart konfiguriert, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des Sondenkörpers 7 ein erster, gemäß Figur 5 innerer bzw. zentraler, Bereich der Membran 72 weniger belastet wird als ein zweiter, gemäß Figur 5 äußerer, Bereich der Membran. Der erste Bereich der Membran wird bei einer Bewegung des Sondenkörpers 7 im Wesentlichen parallel zu den in Figur 5 nicht gezeigten und in Ebenen oberhalb bzw. unterhalb der Papierebene gemäß Figur 5 angeordneten starren Kondensatorkörpern 54, 56 bleiben. Anders ausgedrückt ist der membranartige Kondensatorkörper 58 gemäß Figur 5 ausgebildet, dass bei einer Deformation infolge einer Bewegung des

Sondenkörpers 7 der erste Bereich der Membran mit einer verglichen mit dem zweiten Bereich der Membran höheren Steifigkeit im Wesentlichen parallel zu den starren Kondensatorkörpern 54, 56 bleibt.

Um die beschriebenen Vorteile des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 5 zu erreichen, werden die beiden Aufgaben, welche gemäß Figur 4B die Membran 72 erfüllt (nämlich mechanische Führung und Bilden einer Elektrodenfläche), getrennt. Die Stege 70 gemäß Figur 5 werden wie die Membran 72 gemäß Figur 4B im Betrieb elastisch verformt und fungieren auf diese Weise als Führung für die Elektrodenfläche der im Betrieb starren Elektrode 68. Mit Vorteil sind die Stege 70 aber flächenmäßig so klein, dass sie nur einen geringen Beitrag zur Kapazität des jeweiligen Kondensators Ci, C2 liefern . Alternativ könnten die entsprechenden Gegenflächen zu den Stegen 70 auf den Außenelektroden (d . h . den starren Kondensatorkörpern 54, 56) komplett ausgenommen werde. In diesem Ausführungsbeispiel tragen die Stege 70 mit Vorteil kaum zur Kapazität bei. Die Elektrodenfläche der im Betrieb starren Elektrode 68 ist gemäß Figur 5 kaum mehr mit der Aufhängung des Membranabschnitts verbunden . Folglich ist ihre Durchbiegung deutlich reduziert, wodurch wiederum die Empfindlichkeit erhöht ist. Je steifer die Elektrodenfläche der im Betrieb starren Elektrode 68 in Bezug auf die Stege 70 ist, desto ebener bleibt sie und desto höher ist die

Empfindlichkeit.

Figur 6 zeigt einen gegenüber zwei starren Kondensatorkörpern 54, 56 teils parallel verschobenen und teils bauchartig ausgelenkten beweglichen

Kondensatorkörper 58 einer Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem

exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Anschaulich stellt Figur 6 dar, dass sich die Stege 70 bei Einwirkung einer Kraft wie Membran 72 gemäß Figur 4B verhalten, wohingegen sich die starre Elektrode 68 bei Einwirkung einer Kraft entsprechend Figur 4A verhält.

Figur 7 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Figur 7 ist insbesondere zu entnehmen, dass Anregungssignals an die starren

Kondensatorkörper 54, 56 an einer ersten Seite (gemäß Figur 7 auf der linken Seite) der Kondensatorkörper 54, 56, 58 angelegt werden, wofür Zuführkabel 91 eingesetzt werden . In entsprechender Weise werden die elektrischen Signale, die dann von der Erfasseinrichtung 60 erfasst und von der Ermittlungseinrichtung 62 ausgewertet werden, von dem genau teilweise deformierbaren

Kondensatorkörper 58 an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (gemäß Figur 7 auf der rechten Seite) mittels eines Abnahmekabels 93 abgenommen . Auf diese Weise werden die Zuführkabel 91 gegenüber dem

Abnahmekabel 93 räumlich entkoppelt. Dies reduziert eine parasitäre Kapazität, welche die Zuführkabel 91 und das Abnahmekabel 93 miteinander bilden können . Insbesondere kann auf diese Weise eine unerwünschte parasitäre Überkopplung von den Zuführkabeln 91 bzw. dem Abnahmekabel 93 auf die Kondensatorkörper 54, 56, 58 vermieden oder zumindest stark unterdrückt werden.

Um also ein ungewolltes Übersprechen von Anregungssignalen und dem Sensorsignal gering zu halten bzw. ggf. sogar zu minimieren, sind gemäß Figur 7 auf einer Seite des Sensors die Platten A und C mit dem Anregungssignal und auf der anderen Seite die Platte B mit dem Eingang eines in Figur 8 dargestellten Transimpedanzverstärkers 35 verbunden. Um eine sehr kompakte Bauform zu erzielen, können die Kabel 91, 93 auf der Platinenstirnseite durch Anbringung einer Kantenmetallisierung verlötet werden. Der Lagenaufbau der Platine kann als Starrflex-Kombination ausgebildet sein, wodurch eine optimale Anpassung an die vorgegebenen Strukturen erfolgen kann.

Figur 8 zeigt eine Auswerteschaltung mit einer Anregungsquelle 75, einer Erfasseinrichtung 60 und einer Ermittlungseinrichtung 62 einer

Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Eine die Signalgenerierung und Signalauswertung steuernde

Steuereinrichtung 37 kann zum Beispiel als elektronischer Chip (zum Beispiel ein FPGA, Field Programmable Gate Array, oder ein DSP, digitaler Signalprozessor) ausgebildet sein. Der Steuereinrichtung 37 wird mittels einer Taktquelle 39 ein Takt vorgegeben . Dieses Taktsignal wird einer Signalquelle 74 sowie einem Block 41 zugeführt, der einen synchronen Demodulator sowie Filter aufweisen kann. Die Signalquelle 74 kann zum Beispiel ein sinusförmiges Signal mit einer definierten Phasenverschiebung generieren. Außerdem bildet ein Amplituden- und Phasenmodul 43 Teil der Steuereinrichtung 37.

Ein von der Signalquelle 74 erzeugtes Signal wird einem

Digitalanalogwandler (DAC) 31 und nachfolgend einem Verstärker 45 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Verstärkers 45 wird zwei Verstärkern 47, 49 zugeführt, die zueinander inverse Signale generieren. Anschaulich können die Verstärker 47, 49 zueinander gegenphasige Signale erzeugen (zum Beispiel sinusförmige Signale mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander). Diese elektrischen Signale werden dem Zwei-Kanal DAC 33 zugeführt, um eine Anpassung der Amplituden durchzuführen. Anschließend erfolgt in jedem der beiden Pfade eine weitere Verstärkung mittels Verstärkern 51, 53.

Die elektrische Anregungsquelle 75 wird durch die Komponenten mit dem

Bezugszeichen 39, 74, 31, 45, 47, 49, 33, 51 und 53 gebildet, wie Figur 8 schematisch dargestellt.

Die Ausgangssignale der Verstärker 51, 53 werden den beiden in Figur 2 mit Ci (gebildet zwischen Platten A und B) und Ci (gebildet zwischen Platten B und C) bezeichneten Kondensatoren zugeführt (dabei entspricht der Kondensator Ci gemäß Figur 2 in Figur 8 dem Kondensator C P (t) und entspricht der

Kondensator Ci gemäß Figur 2 in Figur 8 dem Kondensator C n (t)). Idealerweise fließen durch Kondensator C P (t) und durch Kondensator C n (t) im kraftfreien Zustand gleiche Ströme mit verschiedenen Vorzeichen, die sich an einer

Vereinigungsstelle gegenseitig auslöschen. Generiert eine Verschiebeeinrichtung 80 eine über einen Koppelkörper 76 auf den Kondensatorkörper 58 einwirkende Kraft, so wird das System aus Kondensator C P (t) und Kondensator C n (t) verstimmt, und es kann ein für eine zugehörige Weginformation

charakteristischer Strom an dem Kondensatorkörper 58 abgenommen werden. Sollten die Kondensatoren C P (t) und C n (t) im kraftfreien Zustand gegeneinander leicht verstimmt sein, kann dies optional durch Konfiguration der Konstituenten DAC1, DAC2 des Zwei-Kanal DAC 33 ausgeglichen werden.

Ein mittels des Abnahmekabels 93 von dem deformierbaren

Kondensatorkörper 58 abgenommenes elektrisches Signal wird dann dem

Transimpedanzverstärker 35 zugeführt, welcher der Erfasseinrichtung 60 zugeordnet werden kann. Dessen Ausgangssignal wird von einem (oder mehreren) weiteren Verstärker 55 verstärkt und einem Analogdigitalwandler 57 zugeführt. Anschaulich kann der Verstärker 55 das Ausgangssignal auf den Analogdigitalwandler 57 anpassen . Dessen Ausgangssignal wird dem Block 41 übermittelt. Block 41 multipliziert das Ausgangssignal des Analogdigitalwandlers 57 mit einem Steuersignal, welches die Signalquelle 74 erzeugt. Ein Ausgangssignal von Block 41 kann dem Amplituden- und Phasenmodul 43 und von dort einer Sensorausgabeeinheit 59 zugeführt werden. Alternativ kann ein Ausgabesignal von Block 41 auch direkt der Sensorausgabeeinheit 59

bereitgestellt werden. An einer Kalibriereinheit 61 kann eine Berechnung des Sensorausgangssignals zu einem Wegnormal vorgenommen werden, sodass an einem Sensorausgang 63 ein Ausgangssignal (zum Beispiel in Mikrometer) bereitgestellt sein kann, das der Weginformation bzw. der Vertikalposition des Sondenkörpers 7 entspricht. Blöcke 41, 43, 59, 61 und 63 können der

Ermittlungseinrichtung 62 zugeordnet werden.

Sowohl die Erzeugung des Anregungssignals als auch die Auswertung des Sensorsignals erfolgt digital in der Steuereinrichtung 37. Die digitale

Signalerzeugung in der Steuereinrichtung 37 liefert ein sinusförmiges

Anregungssignal zum DAC 31 und zwei weitere sinusförmige Signale mit exakt der gleichen Frequenz (A(t), Ago ° (t)) und einer beliebigen Phasenverschiebung cpo zu einem Dual Lock-In in Form von Block 41, welcher im Wesentlichen aus zwei Synchrondemodulatoren (Mixern) und digitalen Filterstufen gebildet sein kann.

Das sinusförmige Anregungssignal wird vom DAC 31 in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch eine entsprechende Verstärkerschaltung für den DAC2 um 180° phasenverschoben. DAC1 und DAC2, welche sich bevorzugt im gleichen IC-Gehäuse befinden können, passen die Amplituden der beiden

Anregungssignale so an, dass der Sensor in seinem gewünschten Arbeitspunkt betrieben werden kann.

Eine mögliche Variation kann wie folgt ausgebildet werden : DAC 31 entfällt, DAC1 und DAC2 stellen nicht nur eine Verstärkung ein, sondern erzeugen das zeitlich veränderliche, sinusförmige Anregungssignal direkt.

Vorteilhaft sind dabei die thermische Kopplung und die Verwendung einer gemeinsamen Spannungsreferenz.

Durch die Verschiebung der Platte B gegenüber Platten A, C wird ein moduliertes Stromsignal durch den Transimpedanzverstärker 35 (TIA) in ein Spannungssignal umgewandelt. Eine oder mehrere nachgeschaltete Verstärkerschaltungen (siehe Bezugszeichen 55) sorgen für eine

Hochpassfilterung und eine Anpassung an einen Eingangsspannungsbereich des ADCs 57.

Die digitalen Rohdaten vom Analogdigitalwandler 57 werden im Dual Lock-

In Modul (siehe Block 41) synchron demoduliert und tiefpassgefiltert, wodurch die Signale ALP,I = UADC*A, ALP,Q= UADC*Ä9O° erhalten werden . Die Signale ALP,I und ALP,Q (in-phase und quadrature-phase) können direkt und/oder durch Bildung von Amplitude und Phase weiterverarbeitet werden . Die Amplitude errechnet sich dabei aus R=(ALP,I 2 + ALP,Q 2 ) 1/2 und die Phase aus θ= atan2(Ai_p,Q,Ai_p,i) . Sowohl die Signale ALP,I und ALP,Q sowie die Amplitude R sind dabei ein Maß für die

Verschiebung der Platte B zu den Platten A und C. Für eine Kalibrierung können diese Signale mit einem Normal e n (t) verglichen werden . Normal e n (t) kann dafür zum Beispiel mit einem Interferometer vermessen werden, oder es erfolgt eine präzise Vorgabe von e n (t) durch eine Nanopositioniereinrichtung .

Für eine besonders gute Leistungsfähigkeit ist es von Vorteil, eine gemeinsame, thermisch stabile und langzeitstabile, jitter-arme Taktquelle 39 zu verwenden, von welcher alle weiteren Takte abgeleitet werden . Dies stellt eine einwandfreie Funktion der Synchrondemodulation sicher.

Figur 9 zeigt eine Prinzipdarstellung einer elektronischen Schaltung samt

Auswertelogik einer Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Die Auswertung der Messung erfolgt gemäß Figur 9 und Figur 8 nach dem Verfahren der synchronen Demodulation . Das Endprodukt der Berechnung gemäß Figur 9 ist das Ausgangs-(Spannungs-)Signal ALP (t) . Über eine Kalibration, die beispielsweise mittels eines Interferometers oder über eine präzise Vorgabe durch eine Nanopositionier-einrichtung erfolgt, kann daraus eine Weglänge errechnet werden . In Figur 9 sind noch eine

Summiereinheit 65, eine Multipliziereinheit 67 sowie ein Tiefpassfilter 69 dargestellt. Im Weiteren wird eine Herleitung mathematischer Zusammenhänge einer differentiellen kapazitiven Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben . Hierfür werden folgende

Annahmen getroffen :

HTiA(jco) - HvA(jco) =G =const.

DCOFFSET= 0

Mit anderen Worten wird angenommen, dass das Produkt der

Übertragungsfunktionen des Transimpedanzverstärkers 35 (HTIAQCO)) und des Verstärkers 55 (HVAQCO)) einen konstanten Wert G annehmen und somit keine Funktion der Frequenz sind . Außerdem wird davon ausgegangen, dass es keine Offsetspannung gibt.

Der Ausgangsstrom iou-r(t) ergibt sich zu : iouT(t) = ip(t)-i N (t) =d/dt(cp(t) - up(t))-d/dt(cN(t) - UN(t)) up(t) und UN(t) sind die elektrischen Anregungssignale der beiden

Kondensatoren : up(t) = Upsin (cot)

UN(t) = UNSin (cot) cp(t) und CN(t) entsprechen dem jeweiligen Kapazitätswert zum Zeitpunkt t:

CN(t) =e A N /(d N -e(t)) Hierbei steht ε für die elektrische Permittivität, A für die aktive Fläche eines jeweiligen Plattenkondensators und d für den Abstand der Platten A, B bzw. B, C. e(t) bezeichnet die mechanische Verschiebung der mittleren Platte B.

Das Referenzsignal A(t,cpo) ist folgendermaßen definiert:

A(t,cpo) =sin(cot+cpo)

Das Analysesignal A(t) ergibt sich aus der Multiplikation von UADc(t) mit dem Referenzsignal A(t,cpo) :

A(t) = UADc(t) -λ(ί,φο) = iouT(t) G -sin(cot+cpo)

Unter Berücksichtigung einiger trigonometrischer Zusammenhänge und der anschließenden Tiefpassfilterung (idealer Tiefpass mit einer unendlich hohen Dämpfung im Sperrbereich oberhalb der Grenzfrequenz co) kann gezeigt werden dass :

ALp(t) = [ l/2piCOs(cpo) + l/2cop2COs(cpo)] G cp(t), CN(t) sind die jeweiligen Kapazitätswerte zum Zeitpunkt t und entsprechen der ersten Ableitung von cp(t), CN(t) nach der Zeit t.

Es ist anzumerken, dass in das Analysesignal Ai_p(t) auch die

Verschiebegeschwindigkeit des Sondenkörpers 7 eingeht. Bevorzugt sollte dieser Einfluss möglichst klein gehalten werden, damit das Wegstreckensignal nicht mit geschwindigkeitsabhängigen Beiträgen beaufschlagt wird . Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, indem das Referenzsignal A(t,cpo) entsprechend angepasst wird (insbesondere durch Phasendrehen mittels Einstellens von cpo) . Durch Variieren von cpo unter Rücksichtnahme der Phasenlage der

Anregungssignale lässt sich Ai_p(t) in einen I-Anteil Ai_p,i(t) (in-phase component) und in einen Q-Anteil Ai_p,Q(t) (quadrature-phase component) zerlegen .

Figur 10 zeigt eine Verschiebeeinrichtung 80 zum Verschieben eines Sondenkörpers 7 und eine Wegmessvorrichtung 50 zum Messen einer

Wegstrecke einer Verschiebung des Sondenkörpers 7 mittels der

Verschiebeeinrichtung 80 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Insbesondere ist in Figur 10 Messsonde 11 dargestellt, die zum rasternden Abtasten der Oberfläche des Probenkörpers 6 eingerichtet ist. Die Messsonde 11 ist gebildet aus Sondenkörper 7 und Messspitze 5. Eine mit Vorteil als Piezo-Aktuator ausgebildete Verschiebeeinrichtung 80 dient zum Verschieben des Sondenkörpers 7 und ist sowohl mit dem Sondenkörper 7 als auch mit der Wegmessvorrichtung 50 starr gekoppelt ist. Sowohl die Verschiebeeinrichtung 80 als auch die Wegmessvorrichtung 50 können an einem Gehäuse 71 montiert sein . Wird mittels der Verschiebeeinrichtung 80 der Sondenkörper 7 zu einer zu vermessenen Probe 6 hin verschoben oder von dieser entfernt, führt aufgrund der starren Kopplung der Verschiebeeinrichtung 80 mit dem Sondenkörper 7 und mit der Wegmessvorrichtung 50 dies auch zu einer entsprechenden Verschiebung des Koppelkörpers 76. Der Koppelkörper 76 deformiert daraufhin den zumindest teilweise deformierbaren Kondensatorkörper 58 der Wegmessvorrichtung 50. Diese Deformation wird kapazitiv erfasst und ausgewertet und erlaubt einen quantitativen Rückschluss auf Weginformation des Sondenkörpers 7, zum

Beispiel den Verschiebeweg bzw. die Position des Sondenkörpers 70 in z- Richtung, d . h . in gemäß Figur 10 vertikaler Richtung . Genauer gesagt ist gemäß Figur 10 die Wegmessvorrichtung 50 zum Messen einer Weginformation des Sondenkörpers 7 in einer vertikalen Richtung bzw. senkrecht zu einer im

Wesentlichen horizontalen Abtastebene ausgebildet und angeordnet.

Exemplarische Anwendungsfelder der Wegmessvorrichtung 50 sind beispielsweise ein Einsatz als Wegmesssystem zur Bestimmung der vertikalen Verschiebung des Sondenkörpers 7 in einem Rasterkraftmikroskop 1. Figur 11 zeigt einen teils deformierbaren bzw. teils translatorisch beweglichen Kondensatorkörper 58 mit starrer Elektrode 68 und biegbaren Stegen 70 einer Wegmessvorrichtung 50 gemäß einem exemplarischen

Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Betriebszustand, in dem die Stege 70 nicht verbogen sind. Figur 12 zeigt den beweglichen Kondensatorkörper 58 gemäß Figur 11 in einem anderen Betriebszustand, in dem die Stege 70 verbogen sind. Gemäß Figur 11 und Figur 12 ist die Mittenelektrode bzw. der Kondensatorkörper 58 in Führungsstege (siehe Bezugszeichen 70) und

Elektrodenfläche (siehe Bezugszeichen 68) unterteilt. Figur 11 und Figur 12 vergleichen die relative Lage der Stege 70 und der Elektrode 68 im

Grundzustand (siehe Figur 11) und bei Auslenkung (siehe Figur 12) in stark übertriebenem Maßstab.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.