Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe.

Eine solche Probe kann beispielsweise ein halbleitendes Bauteil sein. Für viele moderne halbleitende Bauteile, wie zum Beispiel Photodetektoren oder Feldeffekttransistoren, ist die Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern maßgebend für die Leistung des Bauteils. Um diese Diffusionslänge experimentell zu ermitteln, ohne dabei das Bauteil selbst bzw. das verwendete Halbleitermaterial zu beschädigen, werden in der Regel berührungslose Verfahren verwendet, insbesondere Photolumineszenzmessungen oder Oberflächenphotospannungsmessungen. Bei letzterer wird eine Elektrode in die Nähe des hinsichtlich seiner Diffusionslänge zu untersuchenden Bauteils gebracht, um mit dieser einen elektrischen Plattenkondensator zu bilden. Anschließend wird ein elektrisches Potential in dem Bauteil induziert, beispielsweise durch Bestrahlung mit geeigneter elektromagnetischer Strahlung. Werden dann das Bauteil und die Elektrode, welche jeweils Platten des Plattenkondensators bilden, derart zueinander bewegt, dass sich der Abstand der Platten ändert, wird ein zeitlich veränderter Strom in der Elektrode influenziert. Dieser Strom kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung auf null geregelt werden, wobei die elektrische Spannung für das elektrische Potential des Bauteils indikativ ist.

Hierzu ist aus der DE 3438546 A1 ein Schwingkondensator bekannt. Bei diesem Schwingkondensator werden die Bewegungen einer schwingenden Elektrode gegenüber einer ortsfest angeordneten Elektrode über eine Piezokeramik angeregt. Für den Antrieb der Piezokeramik sorgt ein Oszillator, dem ein Regler, ein Kompensationsspannungsgeber, ein Integrator und ein stromempfindlicher lock-in-Verstärker nachgeschaltet ist. Mit dem Regler lässt sich der mittlere Elektrodenabstand zwischen schwingender Elektrode und ortsfester Elektrode einstellen. Hierzu wird mittels des Reglers der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung, die die schwingende Elektrode erregt, eine Gleichspannung überlagert. Da dieser Schwingkondensator allerdings lediglich Änderungen des elektrischen Potentials ermitteln kann, ist dieser nur zur Ermittlung von hinreichend niederfrequenten Komponenten des elektrischen Potentials der Probe geeignet. Insbesondere ist die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials mit diesem Schwingkondensator ermittelbar.

Durch die in der DE 102019 117 989 B3 offenbarte Schaltung wird jedoch sowohl die Ermittlung der zeitlich veränderlichen als auch der zeitlich konstanten Komponente des elektrischen Potentials ermöglicht. Nachteilig verbleibt jedoch der Umstand, dass die im Stand der Technik bekannten Schwingkondensatoren in Bezug auf einen mittleren Elektrodenabstand nur für verhältnismäßig geringe Auslenkungen der beiden Elektroden zueinander sorgt, denn größere Auslenkungen sorgen für signifikantere Änderungen der für die Ermittlung des elektrischen Potentials indikativen Messgrößen. Weiterhin werden für diese ohnehin niedrigen Auslenkungen verhältnismäßig hohe Ansteuerungsleistungen für die jeweils verwendete Aktuatoreinheit benötigt, sodass diese mit entsprechenden elektromagnetischen Störfeldern zu einem erhöhten Messfehler beitragen können, sofern diese in den Bereich zwischen den Elektroden einwirken.

Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des elektrischen Potentials einer Probe bereitzustellen, das jeweils im Hinblick auf die oben beschriebene Problematik verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 12 gelöst.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe, wobei das System eine Aktuatoreinheit umfasst, die entlang einer ersten Richtung mit einem Biegekörper wirkverbunden ist. Der Biegekörper ist weiterhin mit einer, mit dem System federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse wirkverbunden und erstreckt sich entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung. Die Verbindung mit mindestens der Gegenmasse bildet die Aufhängung, auch als Befestigung anzusprechen des Biegekörpers. Der Biegekörper ist dabei derart befestigt, dass die in der Erstreckungsrichtung (entlang der Achse) liegenden Enden freischwingen, d.h. der Beigekörper ist insbesondere nicht an einem Ende befestigt. Außerdem weist der Biegekörper eine Elektrode auf, die sich zumindest entlang der zweiten Richtung erstreckt. Das System ist dazu eingerichtet, dass die Elektrode gegenüber einer Probe in einem Abstand entlang der ersten Richtung anordenbar ist. Die Aktuatoreinheit ist dazu ausgebildet, den Biegekörper zu einer Biegeschwingung mit einer einstellbaren Frequenz um die Achse anzuregen, so dass der Abstand zwischen einer angeordneten Probe und der Elektrode durch die Biegeschwingung zeitlich mit der einstellbaren Frequenz variiert, so dass in der Elektrode ein zeitlich variierendes elektrisches Signal erfassbar wird, anhand dessen das elektrische Potential der Probe ermittelbar ist. Die Biegeschwingung um die Achse bedeutet dabei eine Auslenkung senkrecht zu dieser Achse, wobei die Achse mit der Erstreckungsrichtung des Biegekörpers in Ruhe zusammenfällt.

Das mittels des erfindungsgemäßen Systems ermittelbare elektrische Potential der vom System separaten Probe kann sowohl zeitlich konstante als auch zeitlich veränderliche Komponenten enthalten, wobei beide Komponenten und deren Summe durch das System ermittelbar sind.

Die Aktuatoreinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet und eingerichtet, Schwingungsenergie zu erzeugen und insbesondere an den Biegekörper weiterzuleiten, sodass der Biegekörper zu einer Biegeschwingung angeregt werden kann. Weiterhin ist die Aktuatoreinheit vorzugsweise durch eine starre Verbindung, beispielsweise durch einen metallischen Bolzen, mit dem Biegekörper wirkverbunden. Durch eine derartige Verbindung wird vorteilhafterweise eine starke, unmittelbare Kopplung zwischen der Aktuatoreinheit und dem Biegekörper erreicht, sodass der Aktuator bei einer gegebenen Anregungsamplitude die hierbei erzeugte Schwingungsenergie annähernd verlustfrei in den Biegekörper überführt, um diesen zur Biegeschwingung anzuregen. Weiterhin vorteilhaft kann somit die Anregungsamplitude des Aktuators niedrig gehalten werden, sodass entsprechend geringe, gegebenenfalls durch den Aktuator erzeugte elektromagnetische Streufelder, die in den Bereich der Elektrode und der Probe abstrahlen und zu einem Messfehler des zu ermittelnden elektrischen Potentials der Probe beitragen können, vorteilhaft minimiert werden. Die Aktuatoreinheit kann den Biegekörper durch Hin- und Herschieben des Biegekörpers zur Biegeschwingung anregen.

Der Biegekörper ist ferner mit einer federnd oder elastisch aufgehängten Gegenmasse wirkverbunden. Vorzugsweise sind dabei die Gegenmasse und die Aktuatoreinheit starr, zum Beispiel über einen metallischen Bolzen, oder auch unmittelbar miteinander verbunden. Die Gegenmasse selbst, welche auch ein die Aktuatoreinheit zumindest abschnittsweise umgebendes Gehäuse bzw. einen Sensorkopf umfassen kann, ist jedoch erfindungsgemäß federnd oder elastisch aufgehängt. Die Aufhängung kann über das Gehäuse oder an einem anderen Teil der Gegenmasse am System erfolgen. Diese federnde oder elastische Aufhängung führt zu einer beabsichtigten Impedanzfehlanpassung zwischen der vorzugsweise starr mit der Aktuatoreinheit verbundenen Gegenmasse und einer Umgebung des Biegekörpers, zu der der Biegekörper über Bolzen, Aktuatoreinheit und Gegenmasse federnd bzw. elastisch verbunden ist. Durch die unvermeidbare mechanische Verbindung bzw. Wechselwirkung zwischen dem Biegekörper und seiner Umgebung entzieht letztere dem Biegekörper einen Teil der durch die Aktuatoreinheit generierten Schwingungsenergie, welcher als Energieabfluss in die Umgebung ausgekoppelt wird. Mit der federnden/elastischen Aufhängung wird vorteilhaft erreicht, dass der Energieabfluss insbesondere über eine Elastizität der federnden/elastischen Aufhängung steuerbar wird. Insbesondere kann das System somit durch eine geeignete Wahl von Gegenmasse, Biegekörper und federnder/elastischer Aufhängung derart konfiguriert werden, dass die Biegeschwingung bei minimaler Anregung durch die Aktuatoreinheit sowie vertretbarem Energieabfluss aus dem System eine maximale Auslenkung der Biegeschwingung des Biegekörpers zur Folge hat. Die Aufhängung der Gegenmasse kann über ein Federelement, wie eine zum Beispiel über eine Feder erfolgen.

Die Elektrode kann beispielsweise eine im Wesentlichen planare Elektrode sein, wobei eine Oberfläche der Elektrode im Wesentlichen parallel zur Probe und gegenüber dieser orientierbar ist, sodass die Elektrode mit der Probe bzw. einer Oberfläche der Probe einen Plattenkondensator bildet, wobei eine erste Platte des Plattenkondensators durch die Elektrode und eine zweite Platte des Plattenkondensators durch die Probe gegeben ist. Bei Biegeschwingung des Biegekörpers wird ein Abstand der beiden Platten zeitlich moduliert, sodass insbesondere eine Kapazität des Plattenkondensators eine entsprechende zeitliche Modulation erfährt. Dies kann vorteilhaft zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe genutzt werden.

Die Probe kann beispielsweise ein Metall oder ein Halbleiter umfassen oder sein.

Es wird angemerkt, dass die Probe kein zwingender Bestandteil des beanspruchten Systems ist, sondern lediglich als Referenz dient, um die Funktionsweise des Systems zu illustrieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses ersten Erfindungsaspekts sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode in einem Bereich eines durch die Biegeschwingung verursachten ersten Schwingungsbauches des Biegekörpers angeordnet. Dieser Bereich kann insbesondere einen Bereich einer während der Biegeschwingung des Biegekörpers entstehenden maximalen Auslenkung des Biegekörpers gegenüber seiner Ruhelage umfassen. In seiner Ruhelage erstreckt sich der Biegekörper im Wesentlichen entlang der besagten Achse entlang der zweiten Richtung. In dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe über die gesamte Auslenkung des Biegekörpers veränderlich. Somit wird vorteilhaft eine höhere Genauigkeit der Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe erreicht, sofern die Ermittlung auf einer zeitlichen Veränderung der Kapazität des besagten Plattenkondensators basiert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatoreinheit in einem Kontaktbereich, eines bei vorliegender Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens des Biegekörpers mit dem Biegekörper und der Gegenmasse wirkverbunden. Die Gegenmasse kann dabei über die Aktuatoreinheit mit dem Biegebalken verbunden sein. Der Kontaktbereich umfasst somit einen Bereich einer minimalen Auslenkung des Biegekörpers bei Biegeschwingung um die Achse, welcher auch den Schwingungsknoten umfasst. Ein Schwingungsknoten ist der infinitesimal kleine Bereich, der durch das Schwingungsverhalten des Biegebalkens vorbestimmt ist und in dem bei Schwingung keine Auslenkung vorliegt. Eine Anregung ausschließlich in diesem Punkt (Knoten) ist physikalisch nicht möglich. In der Praxis ist aber in dem Kontaktbereich, welcher eine endliche Größe hat, und der den Schwingungsknoten umfasst, immer eine Anregung möglich. Der Kontaktbereich kann zudem einen Schwerpunkt des Biegekörpers umfassen. Der Kontaktbereich ist dabei kleiner als die Erstreckung des Biegekörpers und insbesondere kleiner als ein Zehntel der Erstreckung. Der Schwingungsknoten des Biegekörpers verschiebt sich entsprechend der Masseverteilung und der Verteilung der Elastizität des Biegekörpers. Bei einem symmetrischen Biegekörper liegt der Schwingungsknoten zum Beispiel in der Mitte des Biegekörpers. Die Masseverteilung des Biegekörpers kann sich durch auf bzw. an dem Biegekörper angeordnete Komponenten ändern.

In einer vorteilhaften Ausführung enthält die Aktuatoreinheit ein Piezoelement. Dieses ist vorzugsweise dazu vorgesehen und eingerichtet, die Biegeschwingung des Biegekörpers zu erzeugen. Bevorzugterweise wird die Aktuatoreinheit mit dem Piezoelement im Kontaktbereich des bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknotens des Biegekörpers angeordnet. Da das Piezoelement verglichen insbesondere mit elektromagnetischen Aktuatoren bei relativ kleiner Auslenkung des Aktuators eine verhältnismäßig große Kraft erzeugt, entfaltet das Piezoelement, besonders wenn es im besagten Kontaktbereich angeordnet ist, eine optimale Einkopplung der erzeugten Schwingungsenergie in den Biegekörper, sodass dieser bei geringer Leistung des Piezoelements zur Biegeschwingung mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers angeregt wird. Zum Beispiel kann das Piezoelement in der Mitte des Biegekörpers angeordnet sein, sodass bei Anregung der Biegeschwingung durch das Piezoelement der Biegekörper zu einer Biegeschwingung angeregt wird, bei der der Schwingungsknoten im Bereich des Piezoelements liegt und wobei die beiden Enden des Biegekörpers bei Biegeschwingung jeweils einen Schwingungsbauch mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers bilden. Die Elektrode kann dann vorteilhaft an einem der beiden Enden des Biegekörpers angebracht werden, sodass diese bei Biegeschwingung die maximale Auslenkung erfährt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung enthält die Aktuatoreinheit einen Elektromagneten, der dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Biegeschwingung des Biegekörpers zu erzeugen. Vorteilhafterweise ist der Elektromagnet bzw. die Aktuatoreinheit mit dem Elektromagneten dabei im Bereich des bei Biegeschwingung entstehenden zweiten Schwingungsbauch des Biegekörpers angeordnet. Hier entfaltet der Elektromagnet mit seiner insbesondere gegenüber einem Piezoelement hohen Auslenkung bei verhältnismäßig kleiner Kraft vorteilhaft die optimale Übertragung der durch den Aktuator erzeugten Schwingungsenergie in die Biegeschwingung. Zur Anregung des Biegekörpers mittels des Elektromagneten weist der Biegekörper vorzugsweise zumindest abschnittsweise, idealerweise im Bereich des zweiten Schwingungsbauches, ein magnetisches Material auf. Die Elektrode wird dann vorzugsweise am ersten, vom zweiten Schwingungsbauch entfernten Schwingungsbauch angeordnet, sodass durch den Elektromagneten generierte elektromagnetische Felder möglichst schwach in den Bereich zwischen Probe und Elektrode abstrahlen, welche ansonsten signifikant zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe beitragen könnten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatoreinheit im Bereich eines bei Biegeschwingung entstehenden, von der Elektrode entfernten zweiten Schwingungsbauches des Biegekörpers angeordnet. Der zweite Schwingungsbauch kann, analog zum ersten Schwingungsbauch, einen weiteren Bereich mit maximaler Auslenkung des Biegekörpers gegenüber seiner Ruhelage beschreiben. Die Aufhängung des Biegekörpers im Kontaktbereich, der den Schwingungsknoten umfasst, bleibt dabei unverändert und wird nicht in Richtung des Schwingungsbauchs mitverschoben.

In einer vorteilhaften Ausführung weist die Gegenmasse eine 3 bis 10-fache Masse des Biegekörpers auf. Um die durch die Aktuatoreinheit erzeugte Schwingungsenergie möglichst vollständig im Biegekörper zu halten, muss die Gegenmasse idealerweise möglichst groß gewählt werden. Gleichzeitig soll das System im Sinne einer leichten Handhabung idealerweise nicht zu schwer und kompakt gestaltet sein. Wird die Gegenmasse als 3- bis 10-fach so schwer wie der Biegekörper gewählt, stellt sich eine zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe hinreichende Schwingungsgüte des Systems ein, wobei der Energieabfluss aus dem System zur Umgebung vertretbar bleibt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Biegekörper metallisch leitend ausgebildet und elektrisch auf ein vordefiniertes Massepotential gelegt. Dies kann zum Beispiel über einen an den Biegekörper angeschlossenen Leiter vorgenommen werden. Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass sich der Biegekörper elektrostatisch auflädt, wobei entsprechende Störfelder zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe beitragen können, sofern diese in den Bereich zwischen der Elektrode und der Probe einwirken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrode vom Biegekörper elektrisch isoliert. Die Elektrode kann dabei von einem von der Elektrode elektrisch isolierten, leitfähigen und umlaufenden Leiterelement umgeben sein, wobei das Leiterelement insbesondere elektrisch auf dem Massepotential liegt, wie es einer nächsten Ausführungsform entspricht. Zum Beispiel kann, wenn es sich um eine planare Elektrode handelt, diese lateral, d.h. innerhalb einer Erstreckungsebene der Elektrode, von einem umlaufenden Leiterelement, das hier als ring-ähnlich ausgebildet sein kann, umgeben sein. Beispielsweise kann der Biegekörper 8 mm breit sein und die Elektrode einen Durchmesser von 5 mm haben. Eine entsprechende Öffnung oder Bohrung im Biegekörper kann dann im Bereich von beispielsweise 6 mm bis 6,5 mm liegen. In diese Öffnung kann die Elektrode elektrisch isoliert von dem Biegekörper und dem Leiterelement eingefasst sein. Eine ringförmige Abschirmung der Elektrode über das Leiterelement wird dann von dem Rand des Biegekörpers gebildet. So liegen das Leiterelement und der Biegekörper beide auf Massepotenzial und bilden eine entsprechende Abschirmung gegen äußere Störpotenziale.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist das System eine elektronische Schaltung auf, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, ein elektrisches Signal der Elektrode zu verarbeiten, und das elektrische Potential der Probe zu ermitteln.

Insbesondere kann die elektronische Schaltung einen am Biegekörper angeordneten und elektrisch eingangsseitig mit der Elektrode und ausgangsseitig mit einem nachgeschalteten Teil der elektronischen Schaltung verbundenen Vorverstärker der elektronischen Schaltung aufweisen. Dieser Vorverstärker ist vorzugsweise dazu ausgebildet, wenn die Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, eine durch die Probe zwischen dieser und der Elektrode induzierte insbesondere zeitabhängige Spannung aufzunehmen, vorzu verstärken, und als eine insbesondere zeitabhängige Verstärkerspannung ausgangsseitig am nachgeschalteten Teil der elektronischen Schaltung bereitzustellen.

Weiterhin kann der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung einen eingangsseitig elektrisch mit einem Ausgang des Vorverstärkers verbundenen Gleichrichter aufweisen. Dieser ist vorzugsweise dazu ausgebildet, insbesondere unter Zuhilfenahme der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung die zeitabhängige Verstärkerspannung gleichzurichten und ausgangsseitig am Gleichrichter als eine für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikative Gleichspannung an einem Ausgang des Gleichrichters bereitzustellen.

Ferner kann der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung einen eingangsseitig mit dem Ausgang des Gleichrichters und ausgangsseitig mit der Probe elektrisch verbindbaren Regler aufweisen. Der Regler ist dabei vorzugsweise dazu ausgebildet, die eingangsseitig am Regler anliegende Gleichspannung durch eine ebenfalls für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials der Probe indikative Gegengleichspannung zu kompensieren und an einem Ausgang des Reglers bereitzustellen.

Der nachgeschaltete Teil der elektronischen Schaltung kann auch einen eingangsseitig mit dem Ausgang des Vorverstärkers sowie mit dem Ausgang des Reglers elektrisch verbundenen Summierer aufweisen. Der Summierer ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die zeitabhängige Vorverstärkerspannung und die Gegengleichspannung zu einer Summenspannung zu summieren und diese an einem Summiererausgang bereitzustellen.

Insbesondere ist die Elektrode elektrisch vom Biegekörper isoliert an diesem befestigt, wobei ein Abstand zwischen der Elektrode und dem auf Massepotential liegenden Biegekörper möglichst gering sein soll. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe ist vorzugsweise bereits in der Ruhelage des Biegekörpers wesentlich kleiner als eine laterale Ausdehnung der Elektrode. Um beispielsweise mögliche Höhenunterschiede verschiedenartiger Proben ausgleichen zu können oder um eine durch den Abstand zwischen der Probe und der Elektrode in der Ruhelage des Biegekörpers gegebene Messempfindlichkeit zu regulieren ist der Abstand zwischen der Probe und der Elektrode vorzugsweise mittels der Verschiebeeinheit einstellbar. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe liegt insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,5 mm. Weiterhin kann die laterale Ausdehnung im Bereich einigen Millimetern, wie beispielsweise 2 mm bis 50 mm liegen.

Weiterhin kann das System eine optionale elektrisch leitende Probenhalterung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, die Probe aufzunehmen und an der Probenhalterung zu fixieren. Die Probenhalterung ist vorzugweise mit der elektronischen Schaltung elektrisch verbindbar. Beispielsweise kann die Probenhalterung elektrisch auf dem Massepotential liegen, damit mittels des Systems ein zeitabhängiges Potential der Probe ermittelt werden kann. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Probenhalterung zu einer Kalibrierung des zeitabhängigen Potentials der Probe mit einem Testsignalgenerator und/oder zur Ermittlung eines zeitlich konstanten elektrischen Potentials der Probe und insbesondere zeitlich konstanten sowie zeitlich veränderlichen Potentials der Probe mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Insbesondere können insbesondere für die Untersuchung von großen Proben mit einer Probenoberfläche, die größer ist als die Oberfläche der Elektrode, die Probe und die Elektrode mittels einer optionalen Verschiebeeinheit des Systems gegeneinander verschoben werden.

In einer vorteilhaften Ausführung ist, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, ein elektrisch isolierender Film zwischen der Elektrode und der Probe angeordnet. Damit wird insbesondere ermöglicht, dass die Elektrode derart an die Probe angenähert werden kann, bis beide nur noch über den isolierenden Film voneinander getrennt sind. Somit werden, wenn der Film geeignet dünn gewählt wird, entsprechend geringe Abstände von Probe und Elektrode ermöglicht, ohne einen Kurzschluss zwischen Probe und Elektrode zu bewirken, was die Kapazität des Plattenkondensators aus Elektrode und Probe für die Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe vorteilhaft erhöht. Durch die Wahl des isolierenden Films kann weiterhin vorteilhaft eine Dielektrizitätszahl des Plattenkondensators angepasst werden, welche wiederum ebenfalls für die Kapazität des Plattenkondensators maßgeblich ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Biegekörper entlang der zweiten Richtung eine Öffnung auf, sodass, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, die Probe über die Öffnung mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Somit kann durch die elektromagnetische Strahlung ein in der Probe stattfindender Wechselwirkungsprozess zwischen der Strahlung und der Probe induziert werden, welcher wiederum ein elektrisches Potential in der Probe hervorruft, sodass dieses mittels des Systems ermittelbar wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrode für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent, sodass, wenn die Elektrode entlang einer optischen Achse zwischen Öffnung und der Probe positioniert ist, die Probe weiterhin mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist. Somit kann die Probe vorteilhaft durch die Elektrode hindurch mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden, was die Justage und Handhabung des Systems weiter vereinfacht.

In einer Ausführung entspricht die Biegeschwingung des Biegekörpers einer Resonanzfrequenz des Biegekörpers, wobei die Resonanzfrequenz insbesondere im Bereich von 500 Hz bis 1000 Hz liegt. Die Resonanzfrequenz wird dabei durch die Geometrie und die Materialien des Biegekörpers bestimmt. Wird die Biegeschwingung bei der Resonanzfrequenz des Biegekörpers betrieben, werden vorteilhaft maximale Auslenkungen des Biegekörpers bei minimaler durch die Aktuatoreinheit erzeugter Schwingungsenergie erreicht.

Durch Anregung mit der Resonanzfrequenz des Biegekörpers wird eine hohe Schwingungsgüte erreicht. So lässt sich eine gewünschte Schwingungsamplitude des Biegekörpers bereits mit sehr geringer Anregungsamplitude erzielen.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind, wenn eine Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, die Elektrode und die Probe relativ zueinander mittels einer Verschiebeeinheit des Systems verschiebbar. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn verhältnismäßig große, insbesondere planare Proben mittels des Systems vermessen werden sollen, sodass durch entsprechendes Verschieben der Elektrode und der Probe mittels der Verschiebeeinheit verschiedene Bereiche der Probe vermessbar sind. Die Probe bzw. die Elektrode können dabei so zueinander verschoben werden, dass ein entsprechender Bereich der Probe gegenüber der Elektrode angeordnet ist, sodass der Bereich der Probe mit der Elektrode des Systems einen Plattenkondensator bildet. Weiterhin vorteilhaft kann mittels der Verschiebeeinheit insbesondere der Abstand zwischen der Probe und der Elektrode entlang der ersten Richtung eingestellt werden. Dieser Abstand ist dabei maßgeblich für die Kapazität des Plattenkondensators aus Probe und Elektrode, sodass hiermit die Kapazität des Plattenkondensators, insbesondere eine Kapazität bei Ruhelage des Biegekörpers, einstellbar wird. Die Verschiebeeinheit kann wahlweise dazu eingerichtet sein, Probe und Elektrode relativ zueinander in einer, zwei und/oder drei Raumrichtungen zu verschieben. Insbesondere können Probe und Elektrode so zueinander verschiebbar sein, dass die Probe ortsfest bleibt, während die Elektrode mittels der Verschiebeeinheit relativ zur Probe verschoben wird.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist dieses eine Vakuumkammer, insbesondere eine Hochvakuumkammer oder eine Ultrahochvakuumkammer auf. Eine Vakuumkammer ist insbesondere dazu ausgebildet, Drücke von weniger als 300 hPa zu unterstützen. Im Gegensatz zur Vakuumkammer ist eine Hochvakuumkammer dazu eingerichtet und ausgebildet, Drücke zwischen 10 ^-8 bis 10 ^-3 hPa zu unterstützen. Eine Ultrahochvakuumkammer wiederum ist dazu ausgebildet und eingerichtet Drücke, zwischen 10' ¹¹ hPa und 10' ⁸ hPa zu unterstützen. Im Folgenden wird zur besseren Lesbarkeit lediglich auf die Vakuumkammer referenziert. Es wird jedoch angemerkt, dass sich der Ausdruck ,Vakuumkammer‘ jeweils auch auf die Hochvakuumkammer oder die Ultrahochvakuumkammer beziehen kann. Die Vakuumkammer ist vorzugsweise ausgebildet, zumindest die Elektrode und die gegenüber der Elektrode anordenbare Probe innerhalb der Vakuumkammer aufzunehmen, wobei, wenn die Probe gegenüber der Elektrode in der Vakuumkammer angeordnet ist, die Vakuumkammer zumindest teilweise evakuierbar ist. Somit kann das System bei einem einstellbaren Systemdruck betrieben werden. Insbesondere kann durch teilweises Evakuieren der Systemdruck zum Beispiel gegenüber dem Atmosphärendruck von 1000 hPa herabgesetzt werden, sodass die Biegeschwingung einem entsprechend verringerten Luftwiderstand ausgesetzt ist, was sich vorteilhaft in einer höheren Schwingungsgüte des Systems widerspiegelt. Dabei gilt: Je höher das Vakuum desto besser die Schwingungsgüte.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung eines elektrischen Potentials, insbesondere zeitabhängigen elektrischen Potentials einer Probe mittels des erfindungsgemäßen Systems oder einer seiner Ausführungsformen, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: i) Positionieren der Probe gegenüber der Elektrode, ii) mittels der Aktuatoreinheit, Anregen des Biegekörpers zur Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz um die Achse, sodass der Abstand der Probe und der Elektrode durch die Biegeschwingung mit der einstellbaren Frequenz verändert wird, iii) insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung, getaktetes Bestrahlen der Probe mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere über die Öffnung, sodass durch einen in der Probe stattfindenden Wechselwirkungsprozess zwischen der Probe und der elektromagnetischen Strahlung eine insbesondere mit der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung modulierte, für das insbesondere zeitabhängige elektrische Potential der Probe indikative elektrische Spannung zwischen Probe und Elektrode induziert wird, iv) mittels der elektronischen Schaltung, Verarbeiten des elektrischen Signals der Elektrode und Ermitteln des elektrischen Potentials der Probe.

In einer vorteilhaften Ausführung weist das Verarbeiten des elektrischen Signals der Elektrode und das Erfassen des elektrischen Potentials der Probe weiterhin die folgenden Schritte auf: i) mittels des Vorverstärkers, Vorverstärken der Spannung und Bereitstellen der entsprechenden Verstärkerspannung am Ausgang des Vorverstärkers, ii) mittels des Gleichrichters, insbesondere unter Zuhilfenahme der einstellbaren Frequenz der Biegeschwingung, Gleichrichten der Verstärkerspannung und Bereitstellen der für die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikativen Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters, iii) mittels des Reglers, Regeln und Kompensieren der eingangsseitig am Regler anliegenden Gleichspannung durch Erzeugung einer die Gleichspannung kompensierenden Gegengleichspannung, sowie Bereitstellen der Gegengleichspannung am Ausgang des Reglers, iv) mittels des Summierers, Summieren der für die periodische und die zeitlich konstante Komponente des elektrischen Potentials indikativen Verstärkerspannung und der Gegengleichspannung, sowie Bereitstellung der resultierenden Summenspannung am Summiererausgang.

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems zur

Ermittlung des elektrischen Potentials einer Probe;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Draufsicht auf die Elektrode des Systems, wobei die Elektrode elektrisch von einem umlaufenden Leiterelement isoliert ist;

Figs. 3a-d weitere Ausführungsbeispiele des Systems, mit einem symmetrischen

Biegekörper mit mittigem Schwingungsknoten sowie einem Piezoelement (Fig. 3a, drittes Ausführungsbeispiel) und einem zusätzlichen Elektromagneten (Fig. 3b, viertes Ausführungsbeispiel) als Aktuatoreinheit, einen wegen einer Öffnung des Biegekörpers asymmetrischen Biegekörper mit entsprechend der Änderung des Massenschwerpunktes und der Verteilung der Elastizität verschobenem Schwingungsknoten (Fig. 3c, fünftes Ausführungsbeispiel);

Fig. 4 ein sechstes Ausführungsbeispiel des Systems, wobei ein

Vorverstärker der elektronischen Schaltung auf den Biegekörper befestigt ist und

Fig. 5 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Systems und der mit dem

System elektrisch verbindbaren elektronischen Schaltung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100 zur Ermittlung eines elektrischen Potentials einer Probe 1.

Das hier gezeigte System 100 umfasst einen länglichen Biegekörper 3, der sich im Wesentlichen entlang einer Achse entlang einer zweiten Richtung 12 erstreckt. Der Biegekörper 3 ist entlang einer ersten Richtung 11 über einen Bolzen 14 mit einer Aktuatoreinheit 2 wirkverbunden. Die Aktuatoreinheit 2 ist hier weiterhin mit einer Gegenmasse 4 wirkverbunden. Der Biegekörper 3 kann zum Beispiel aus Metall gefertigt sein, vorzugsweise Stahl oder Edelstahl. Das System 100 ist hier in einem Schnitt innerhalb einer durch die erste und die zweite Richtung 11,12 aufgespannten Ebene dargestellt. In diesem Schnitt ist eine Öffnung 8 des Biegekörpers 3 entlang seiner Achse sichtbar. Innerhalb dieser Öffnung 8 ist eine Elektrode 5 des Systems 100 angeordnet und elektrisch vom Biegekörper 3 isoliert aber mechanisch mit diesem verbunden, wobei die mechanische Verbindung in diesem Schnitt nicht dargestellt ist. Eine Wandung der Öffnung 8 bildet dabei ein umlaufendes Leiterelement 7, auf welches im Kontext von Fig. 2 weiter eingegangen werden soll.

Gegenüber der Elektrode 5 und insbesondere nicht zwingend ein Teil des Systems 100 ist, wie in Fig. 1 sichtbar, eine Probe 1 angeordnet, deren insbesondere zeitabhängiges elektrisches Potential mittels des Systems 100 ermittelbar ist. Hierzu kann die Probe zunächst über die Öffnung 8 mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden, damit über einen Wechselwirkungsprozess der elektromagnetischen Strahlung und der Probe 1 in der Probe 1 ein elektrisches Potential induziert wird. Insbesondere kann das elektrische Potential mit einer Taktung der elektromagnetischen Strahlung zeitlich moduliert werden, sodass auch das elektrische Potential eine zeitabhängige Veränderung erfährt, die mittels des Systems 100 ermittelbar ist. Die Elektrode 5 kann für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent sein, sodass die Probe 1 auch durch die Elektrode 5 hindurch mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlbar ist, was den Justageaufwand für die Bestrahlung erheblich vereinfacht.

Bei der elektromagnetischen Strahlung kann es sich zum Beispiel um elektromagnetische Wellen handeln, insbesondere um elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im Bereich von 1 THz bis 30 PHz.

In Fig. 1 ist eine Momentaufnahme des Biegekörpers 3 dargestellt, in der sich dieser in seiner Ruhelage befindet und sich somit im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung erstreckt. Erfindungsgemäß ist das System 100 allerdings derart ausgebildet, dass die Aktuatoreinheit 2 den Biegekörper 3 zu einer Biegeschwingung um seine Achse anregen kann. Die Biegeschwingung ist mit Pfeilen an den beiden Enden des Biegekörpers angedeutet. In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist hierfür die Aktuatoreinheit 2 an einem Kontaktbereich 6 starr über den Bolzen 14 mit dem Biegekörper 3 verbunden. Der Kontaktbereich 6 befindet sich hier in der Mitte des Biegekörpers 3 und umfasst somit, bei homogener Masseverteilung innerhalb des Biegekörpers 3, einen Schwerpunkt des Biegekörpers 3. Um den Biegekörper 3 zur Biegeschwingung anzuregen, kann die Aktuatoreinheit 2 den Biegekörper 3 entlang der ersten Richtung 11 hin- und herschieben. Damit die Aktuatoreinheit 2 möglichst auf den Schwerpunkt des Biegekörpers 3 einwirkt, kann der Bolzen 14 sich von der Aktuatoreinheit 2 hin zum Biegekörper 3 verjüngen, um so den Kontaktbereich 6 um den Schwerpunkt zu minimieren.

Durch die Trägheit des Biegekörpers 3 bildet sich, wenn die Aktuatoreinheit 2 Schwingungsenergie generiert und diese mittels des Bolzens 14 auf den Biegekörper 3 überträgt, eine Biegeschwingung um die Achse des Biegekörpers 3 aus. Durch die Ankopplung des Biegekörpers 3 an die Aktuatoreinheit 2 im Kontaktbereich 6, der seinen Schwerpunkt umfasst, bildet sich dort ein Schwingungsknoten 33 mit minimaler Auslenkung des Biegekörpers 3 gegenüber seiner Ruhelage. Dagegen bildet sich an den freischwingenden beiden Enden des Biegekörpers 3 ein erster und ein zweiter Schwingungsbauch 31,32 mit minimaler mechanischer Impedanz sowie maximaler Auslenkung des Biegekörpers 3 gegenüber seiner Ruhelage aus.

Vorteilhafterweise wird, wie in Fig. 1 gezeigt, wenn die Aktuatoreinheit 2 in einem Kontaktbereich 6 im Bereich des Schwerpunkts des Biegekörpers 3 angeordnet ist, die Aktuatoreinheit 2 durch ein Piezoelement gebildet. Dies hat im Vergleich zum Beispiel mit einem Elektromagneten den Vorteil, bei geringer Auslenkung der Aktuatoreinheit 2 eine große Kraft zu entfalten, sodass die durch die Aktuatoreinheit 2 generierte Schwingungsenergie optimal in die Biegeschwingung des Biegekörpers 3 umgesetzt werden kann. Durch die starre Verbindung zwischen der Aktuatoreinheit 2 und dem Biegekörper 3 über den Bolzen 14 wird die Kraft der Aktuatoreinheit, respektive des Piezoelements, unmittelbar und nahezu verlustfrei auf den Biegekörper übertragen. Die Aktuatoreinheit 2, respektive das Piezoelement, ist hier von einem Gehäuse 15 umgeben, sodass von der Aktuatoreinheit 2, respektive dem Piezoelement ausgehende elektrische Störfelder effektiv vom Bereich zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 abgeschirmt werden können. Hierfür ist das Gehäuse 15 vorzugsweise über einen Draht 9 elektrisch zumindest mit dem Bolzen 9, der Aktuatoreinheit 2 und dem Biegekörper 3 verbunden und auf das vordefinierte Massepotential gelegt.

Andererseits ist die Aktuatoreinheit 2 hier mit einer Gegenmasse 4 wirkverbunden. Erfindungsgemäß ist die Gegenmasse 4 federnd aufgehängt, im hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel mittels elastischer Aufhängungen 10. Über die elastischen Aufhängungen 10, welche beispielsweise ein Elastomer enthalten können, kann die mittels der Aktuatoreinheit 2 erzeugte Schwingungsenergie teilweise abfließen, sodass nur ein Teil der Schwingungsenergie in die Biegeschwingung des Biegekörpers übergeht. Dieser Energieabfluss ist wegen der Verbindung und Wechselwirkung des Biegekörpers 3 mit seiner Umgebung unvermeidbar. In Fig. 1 wird die Umgebung des Biegekörpers 3 durch eine Wandung 13 symbolisiert, welche als Wesentlich schwerer als der Biegekörper 3 und die Gegenmasse 4 gemeinsam angenommen werden kann. Die Wandung 13 kann beispielsweise eine Wandung 13 einer Messkammer des Systems 100 sein, beispielsweise einer Vakuumkammer. Mit einer solchen Vakuumkammer kann dann der Bereich zwischen Probe 1 und Elektrode 4 zumindest teilweise evakuiert und das elektrische Potential der Probe 1 unter entsprechenden Bedingungen ermittelt werden. Auch oder zusätzlich denkbar ist, dass die Wandung 13 zu einer Verschiebeeinheit des Systems 100 gehört. Mittels einer solchen Verschiebeeinheit kann dann das System 100, respektive die Elektrode 5, relativ zur Probe 1 verschoben werden.

Die federnde Aufhängung über die Gegenmasse 4 sorgt vorteilhaft dafür, dass der Energieabfluss der Schwingungsenergie und eine Schwingungsgüte der Biegeschwingung über einen Grad der Elastizität der elastischen Aufhängung 10 einstellbar wird. Insbesondere kann so durch eine geeignete Wahl insbesondere der Massen von Biegekörper 3 und Gegenmasse 4 sowie der Verbindungen zwischen Aktuatoreinheit 2 und Biegekörper 3 sowie zwischen Aktuatoreinheit 2 und Gegenmasse 4 eine maximale Auslenkung der Schwingungsbäuche 31 ,32 bei minimaler durch die Aktuatoreinheit 2 erzeugter Schwingungsenergie und vertretbarem Energieabfluss aus dem System 100 erreicht werden. Hierfür wird die Masse der Gegenmasse 4 vorzugsweise als 3- bis 10-mal so schwer wie eine Gesamtmasse des Biegekörpers 3 und des Bolzens 14 gewählt.

Gemäß Impulserhaltungssatz vollzieht die Gegenmasse 4 dann mechanische Schwingungen derselben Frequenz wie der Bolzen 14 und der Biegekörper 3, jedoch in jeweils entgegengesetzter Richtung und mit einer Auslenkung, die entsprechend den Masseverhältnissen um 3- bis 10-mal geringer als die Auslenkung des Bolzens 14 ist. Die Kräfte, die die Gegenmasse 4 durch ihre mechanischen Schwingungen ausübt, sind dieselben wie jene, die der Bolzen 14 auf den Biegekörper 3 ausübt. Somit ist die mechanische Impedanz der Gegenmasse 4 ebenfalls entsprechend den Masseverhältnissen um 3- bis 10-mal größer als die des Bolzens 14. Die elastische Aufhängung 10, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Gegenmasse 4, die Aktuatoreinheit 2, der Bolzen 14 und der Schwingungsknoten 33 des Biegekörpers 3 entlang der ersten Richtung 11 hinreichend ortsfest verbleiben, sodass lediglich die Schwingungsbäuche 31,32 eine möglichst große Auslenkung entlang der ersten Richtung 11 erfahren. Durch die gemäß den Massenverhältnissen große Impedanz der nur mit minimaler Auslenkung, aber großer Kraft bewegten Gegenmasse 4 wird der Gegenmasse 4, der Aktuatoreinheit 2, dem Bolzen und dem Biegekörper 3 entsprechend wenig Schwingungsenergie entzogen. Die Schwingungsgüte bleibt daher bei großen Auslenkungen der Schwingungsbäuche 31 ,32 vorteilhaft hoch, sodass nur geringe Ansteuerungsleistungen der Aktuatoreinheit 2 benötigt werden. So kann das System 100 beispielsweise mit einem Piezoelement bei wenigen Volt, statt bei sonst üblichen Ansteuerungsspannungen in der Größenordnung von 100 Volt, betrieben werden. Die entsprechend niedrige Ansteuerungsleistung sorgt damit vorteilhaft für schwächere Störfelder, die, wenn sie in den Bereich zwischen Probe 1 und Elektrode 5 einkoppeln, zum Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 beitragen können. Weiterhin vorteilhaft bleibt durch die niedrige Ansteuerungsleistung die thermische Verlustleistung des Piezoelements, welche quadratisch mit seiner Ansteuerungsspannung und linear mit einer Ansteuerungsfrequenz zusammenhängt, vorteilhaft gering, sodass auch bei hohen Ansteuerungsfrequenzen bis in den kHz-Bereich gearbeitet werden kann.

Wie weiterhin Fig. 1 entnehmbar, ist die Elektrode 5 an einem der beiden bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsbäuche 31 ,32 angeordnet, im hier gezeigten ersten Ausführungsbeispiel am ersten Schwingungsbauch 31. Selbstverständlich kann die Elektrode 5 aber auch am zweiten Schwingungsbauch 32 angeordnet sein, oder auch jeweils eine Elektrode 5 an einem zugehörigen Schwingungsbauch 31 ,32. Folglich ist ein Abstand entlang der ersten Richtung 11 zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 über die nahezu gesamte Auslenkung des Schwingungsbauches 31 gegenüber der Ruhelage des Biegekörpers 3 veränderbar. Die Probe 1 und die Elektrode 5 bilden somit jeweils eine Platte eines Plattenkondensators. Der für eine Kapazität des Plattenkondensators maßgebliche Abstand zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 ist dabei vorteilhaft über die gesamte Auslenkung des Schwingungsbauches 31 veränderbar. Somit führt ein in der Probe 1 induziertes elektrisches Potential zu entsprechend großen Änderungen der Kapazität, sodass das elektrische Potential der Probe 1 mittels des Systems 100 vorteilhaft genauer ermittelbar wird.

Zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 umfasst das System 100 insbesondere eine elektronische Schaltung 20, auf die gesondert in Fig. 5 eingegangen werden soll. Die elektronische Schaltung 20 ist elektrisch über einen Draht 9 mit der Elektrode 5 verbunden, sodass ein für das elektrische Potential der Probe 1 indikatives Signal von der Elektrode 5 über den Draht 9 an die elektronische Schaltung 20 weitergegeben werden kann. Hierzu kann die schwere Wandung 13 zumindest eine Durchführung 16 aufweisen, über welche der Draht 9 elektrisch mit der elektronischen Schaltung 20 verbunden ist. Der Draht 9 ist dabei vorzugsweise flexibel ausgebildet, sodass die Biegeschwingung des Biegekörpers 3 durch den Draht 9 möglichst keine zusätzliche Dämpfung erfährt.

Das Gehäuse 15 kann insbesondere zumindest teilweise gasdicht ausgebildet sein, sodass die Aktuatoreinheit 2 innerhalb des Gehäuses 15 bei einem vorgegebenen Gehäusedruck arbeiten kann. Dieser Gehäusedruck kann dann unabhängig von einem Druck außerhalb des Gehäuses 15 sein, beispielsweise wenn die schwere Wandung 13 Teil einer teilweise evakuierbaren Vakuumkammer ist, sodass der Bereich außerhalb des Gehäuses 15 aber innerhalb der schweren Wandung 13 teilweise evakuierbar ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Aktuatoreinheit 2 ein Piezoelement umfasst, da Piezoelemente bevorzugt bei einem hinreichenden Umgebungsdruck (z.B. bei Normaldruck, 1015 hPa) eingesetzt werden, um ein Ausgasen der am Piezo-Aktuator üblicher Weise verwendeten Kunststoffbestandteile (wie einer Umhüllung des Piezoelements) und eine damit verbundene Verschlechterung des Vakuums zu verhindern. Weiterhin vorteilhaft verhindert ein derartig gasdicht ausgebildetes Gehäuse 15 ein Ausgasen von Komponenten des Systems 100, insbesondere der elastischen Aufhängung 10 und der Aktuatoreinheit 2 in den evakuierbaren Bereich außerhalb des Gehäuses 15. Insbesondere kann die Verbindung zwischen dem Bolzen 14 und dem Gehäuse 15 gasdicht ausgebildet sein und gleichzeitig eine durch die Aktuatoreinheit 2 verursachte Bewegung des Bolzens 14 relativ zum Gehäuse 15 entlang der ersten Richtung 11 erlauben. Dies kann zum Beispiel durch eine zwischen dem Bolzen 14 und dem Gehäuse 15 angeordnete Membran oder einen Faltenbalg realisiert werden.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100, wobei in einer Draufsicht eine an einem Ende des sich entlang der Achse entlang der zweiten Richtung 12 erstreckenden Biegekörpers 3 angeordnete Elektrode 5 sichtbar ist. Die Elektrode 5 ist dabei derart in den Biegekörper 3 eingefasst, dass eine die Elektrode 5 umgebende Wandung des Biegekörpers 3 ein umlaufendes Leiterelement 7 bildet. Vorteilhafterweise liegt dabei der Biegekörper 3 elektrisch auf dem vordefinierten Massepotential, sodass das durch den Biegekörper 3 gebildete umlaufende Leiterelement 7 vorteilhaft für eine zumindest teilweise Abschirmung von Störfeldern sorgt, welche ansonsten verstärkt zu einem Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 beitragen würden. Die hier nicht dargestellte Probe 1 wird vorzugweise gegenüber der Elektrode 5 angeordnet, sodass die Probe 1 mit der Elektrode 5 einen Plattenkondensator bildet.

In Figs. 3a-d sind weitere Ausführungsbeispiele des Systems 100 dargestellt. In allen Ausführungsbeispielen liegt die Elektrode 5 vorzugsweise im Bereich des bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 entstehenden ersten Schwingungsbauches 31. Weiterhin ist allen in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen gemein, dass die Gegenmasse 4 wie erfindungsgemäß vorgeschlagen federnd aufgehängt ist.

Fig. 3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Systems 100 mit einem symmetrischen Biegekörper 3, welcher über seinen Schwerpunkt in der Mitte des Biegekörpers 3 durch die Aktuatoreinheit 2 zur Biegeschwingung anregbar ist. Hierfür wird bevorzugterweise ein Piezoelement als Aktuatoreinheit 2 verwendet, welches über den Bolzen 14 auf einen Kontaktbereich 6 des Biegekörpers 3 einwirkt, um diesen so zur Biegeschwingung anzuregen. Hierbei entsteht ein erster und ein zweiter Schwingungsbauch 31 ,32, wobei der Kontaktbereich 6 mit einem Schwingungsknoten 33 zusammenfällt.

Im in Fig. 3b dargestellten vierten Ausführungsbeispiel des Systems 100 ist erneut ein symmetrischer Biegekörper 3 sichtbar, wobei eine Aktuatoreinheit 2 im Bereich eines bei Biegeschwingung entstehenden zweiten Schwingungsbauches 32 angeordnet ist. Die Aktuatoreinheit 2 ist hier vorzugsweise als Elektromagnet ausgebildet, wobei der Biegekörper 3 im Bereich des zweiten Schwingungsbauches 32 zumindest abschnittsweise magnetisch, insbesondere ferromagnetisch ausgebildet ist, sodass der Elektromagnet Schwingungsenergie in den Biegekörper 3 einleiten kann. Somit kann die maximale Auslenkung im Bereich der Schwingungsbäuche 31 ,32, insbesondere im Bereich des ersten Schwingungsbauches 31 mit der Elektrode 5, vorteilhaft mittels eines Elektromagneten eingestellt werden. Über den Bolzen 14 ist der Biegekörper 3 auch hier im Kontaktbereich eines Schwingungsknoten 6, 33, welcher bei Biegeschwingung des Biegekörpers 3 auftritt, aufgehängt und wobei der Bolzen 14 mit der Gegenmasse 4 verbunden ist.

In dem fünften Ausführungsbeispiel des Systems 100 aus Fig. 3c ist ein Biegekörper 3 dargestellt, der durch eine im Bereich des ersten Schwingungsbauches 31 angeordnete Öffnung 8 aufweist. Durch die Öffnung 8 ist der Biegekörper 3 nicht mehr symmetrisch bezüglich seines Schwerpunkts ausgebildet. Entsprechend wird hier vorteilhaft der Kontaktbereich 6 des über den Bolzen 14 mit der Aktuatoreinheit 2 verbundenen Biegekörpers 3 von der Öffnung 8 weg hin zum entsprechend gegenüber dem Biegekörper 3 aus Fig. 3a entlang der zweiten Richtung 12 verschobenen Schwerpunkt dieses Biegekörpers 3 verschoben. Damit kann der Biegekörper 3 auch in einer asymmetrischen Konfiguration über den entsprechend zum bei Biegeschwingung entstehenden Schwingungsknoten 33 bzw. zum Schwerpunkt des Biegekörpers 3 verschobenen Kontaktbereich 6 zur Biegeschwingung angeregt werden.

Ein weiteres, sechstes Ausführungsbeispiel des Systems 100 ist in Fig. 4 gezeigt. Hier kann ein Biegekörper 3 im Bereich des Schwerpunkts des Biegekörpers 3 über die Aktuatoreinheit 2 zur Biegeschwingung angeregt werden, wobei die Aktuatoreinheit 2 andererseits fest mit der Gegenmasse 4 verbunden ist. Die Gegenmasse 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel starr mit einem Gehäuse 15 verbunden, welches wiederum über eine elastische Aufhängung 10 elastisch mit einer Wandung 13 verbunden ist. Die Wandung 13 wird hier als Wesentlich schwerer als Biegekörper 3, Bolzen 14, Aktuatoreinheit 2, Gegenmasse 4 und Gehäuse 15 angenommen. Das Gehäuse 15 weist eine Aussparung auf, über welche die Aktuatoreinheit 2 über den Bolzen 14 mit dem Biegekörper 3 verbunden ist. Somit ist hier die Gegenmasse 4 und das fest mit der Gegenmasse 4 verbundene Gehäuse 15 federnd über die elastische Aufhängung an der Wandung 13 aufgehängt. Die Gesamtmasse von Gegenmasse 4 und Gehäuse 15 wird vorzugweise als 3- bis 10-fach so hoch wie die Masse des Biegekörpers 3 angesetzt, sodass die Biegeschwingung eine hinreichend hohe Schwingungsgüte aufweist und gleichzeitig das Gehäuse 15 und die Gegenmasse 5, welche einen Sensorkopf bilden, im Sinne einer leichten Handhabung kompakt bleiben.

Der Biegekörper 3 weist auch hier eine Öffnung 8 für Lichteintritt auf, um über die Elektrode

5 das elektrische Potential der Probe 1 mit und ohne Licht durchführen zu können. Zudem ist in diesem Fall die Elektrode 5 über einen Draht 9 mit dem Eingang eines hier auf dem Biegekörper 3 befestigten Vorverstärkers 22 verbunden. Dies hat den Vorteil, dass der Draht 9 zwischen der Elektrode 5 und dem Eingang des Vorverstärkers 22 in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend kurz gewählt werden kann, sodass die durch den Draht 9 bedingte, unvermeidbare parasitäre Kapazität des Drahtes 9 entsprechend verringert wird. Dies wirkt sich positiv auf den Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 22 und damit die Genauigkeit der Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 aus. Der Vorverstärker 22 bildet eine Komponente der elektronischen Schaltung 20, welche hier nicht weiter dargestellt ist. Auf die elektronische Schaltung 20 zur Ermittlung des elektrischen Potentials der Probe 1 soll in Fig. 5 genauer eingegangen werden.

Für das hier in Fig. 4 betrachtete sechste Ausführungsbeispiel kann insbesondere ein Biegekörper 3 aus V2A-Stahl mit Abmessungen von 100x8x2 mm ³ mit einer resultierenden Resonanzfrequenz von 617 Hz verwendet werden. Die Anregung kann zum Beispiel im Schwingungsknoten 33 des Biegekörpers 3 mittels eines Piezoelements Modell PC4GQ, Thorlabs® geschehen. Der Bolzen 14 zwischen dem Biegekörper 3 und dem Piezoelement kann aus V2A-Stahl bestehen und mit dem Biegekörper 3 fest verschraubt sein, beispielsweise mittels zumindest einer M1.6-Schraube, und mit dem Piezoelement insbesondere verklebt sein, zum Beispiel mittels eines Zweikomponentenklebers. Auf der anderen Seite kann das Piezoelement mit einem die Gegenmasse 4 bildenden Eisenquader verklebt, sein. Die Gegenmasse 4 kann beispielsweise ein Gewicht von 45 g aufweisen und wiederum fest mit einem Gehäuse 15, zum Beispiel aus Aluminium und mit den Maßen 52x38x31 mm ³ , verschraubt sein. Das Gehäuse 15 liegt dabei durch eine elektrische Verbindung über einen Draht 9 auf dem vordefinierten Massepotential von Biegekörper 3, Bolzen 14, Aktuatoreinheit 2 und Gegenmasse 4.

Für eine Auslenkung der Schwingungsbäuche 31,32 von 50 pm wird in diesem Ausführungsbeispiel bei Verwendung eines Piezoelements als Aktuatoreinheit 2 lediglich eine Spannung von etwa 1 V benötigt, was einer Auslenkung des Piezoelements entlang der ersten Richtung 11 von nur einigen hundert Nanometern entspricht. Die Resonanz des Biegekörpers 3 ist derart stabil, dass die Anregung der Biegeschwingung beispielsweise durch einen mit dem Piezoelement verbundenen Signalgenerator mit einstellbarer Anregungsfrequenz erfolgen kann.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild der mit dem erfindungsgemäßen System 100 verbindbaren elektronischen Schaltung 20 zur Ermittlung des elektronischen Potentials der Probe 1. Es sind insbesondere der Biegekörper 3 sowie die am Biegekörper 3 angeordnete Elektrode 5 des Systems 100 sichtbar. Die Probe 1 und die Elektrode 5 bilden einen Plattenkondensator. Weiterhin kann die Probe 1 elektrisch mit einer hier nicht dargestellten Probenhalterung elektrisch verbunden, insbesondere kurzgeschlossen sein.

Die hier dargestellte elektronische Schaltung 20 kann insbesondere in zwei Varianten verwendet werden, welche mittels eines Schalters 28 eingestellt werden können. Die Probe 1 ist dafür über eine Leiterverbindung elektrisch mit dem Schalter 28 verbunden. Die Leiterverbindung kann ferner einen Kondensator 26 aufweisen, über weichen die Probe 1 für Hochfrequenz geerdet ist.

Wird der Schalter 28 auf die erste Schalterposition 28a gestellt, liegt die Probe auf dem vordefinierten Massepotential. In dieser ersten Variante kann dann ein durch das System 100 bzw. die elektronische Schaltung 20 ermittelbares elektrisches Potential der Probe 1 zunächst in der Probe 1 induziert werden, insbesondere durch Bestrahlen der Probe 1 mit elektromagnetischer Strahlung. Die elektromagnetische Strahlung kann zeitlich moduliert, insbesondere gepulst sein. Die elektromagnetische Strahlung kann auch mit der Frequenz der Biegeschwingung, insbesondere der Resonanzfrequenz des Biegekörpers 3, moduliert sein. Durch die dadurch entstehende zumindest teilweise Synchronisation zwischen Biegeschwingung und Bestrahlung kann insbesondere die Abhängigkeit der zeitabhängigen elektrischen Spannung vom Abstand zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 zumindest teilweise eliminiert werden, was vorteilhaft zu einem verminderten Messfehler des elektrischen Potentials der Probe 1 führt.

Durch einen Wechselwirkungsprozess zwischen der elektromagnetischen Strahlung und der Probe 1 wird eine elektrische Spannung zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 induziert. Diese elektrische Spannung kann sowohl zeitlich konstante als auch zeitlich veränderliche Komponenten der elektrischen Spannung enthalten, welche jeweils für ein zeitlich konstantes bzw. ein zeitlich veränderliches Potential der Probe 1 indikativ sind. Die elektrische Spannung bezieht sich hierbei auf das vordefinierte Massepotential.

Die Elektrode 5 ist elektrisch mit einem Vorverstärker 22 verbunden, welcher dazu ausgebildet ist, die elektrische Spannung vorzuverstärken und vorverstärkt als Verstärkerspannung ausgangsseitig an einem nachgeschalteten Teil 21 der elektronischen Schaltung 20 bereitzustellen. Vorzugsweise enthält der Vorverstärker 22 einen Operationsverstärker und ein RC-Glied, wobei der ohmsche Widerstand des RC-Glieds vorzugsweise ausreichend hoch gewählt wird, zum Beispiel 1 TQ. Die Kapazität des RC- Glieds kann beispielsweise im Bereich von 0.1 pF bis 1 pF liegen. Somit ergeben sich aus dem Produkt des Widerstands und der Kapazität des RC-Glieds charakteristische Zeitkonstanten des Vorverstärkers 22 im Bereich von T = 0.1 s bis 1 s. Da insbesondere die Kapazität des RC-Glieds im Sinne einer ausreichenden Verstärkung der elektrischen Spannung nicht beliebig hoch gewählt werden kann, werden durch den Vorverstärker 22 lediglich zeitlich veränderliche elektrische Spannungen oberhalb einer Grenzfrequenz f = 1/T verstärkt. Diese liegt mit den beispielhaften Werten des RC-Glieds bei f = 1 Hz bis 10 Hz. Tieferfrequentere Komponenten der elektrischen Spannung, insbesondere deren zeitlich konstante Komponente, werden durch den Vorverstärker 22 nicht vorverstärkt bzw. unterdrückt, sodass dieser Teil der elektronischen Schaltung 20 nicht zum Erfassen der zeitlich konstanten Komponente der elektrischen Spannung bzw. des zeitlich konstanten elektrischen Potentials der Probe 1 ausgebildet ist.

Die zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 werden dagegen durch den Vorverstärker 22 vorverstärkt und ausgangsseitig dem nachgeschalteten Teil 21 als zeitabhängige Vorverstärkerspannung bereitgestellt. Hier kann weiterhin ein Entzerrer 29 vorhanden sein. Der Entzerrer 29 ist dabei vorzugweise dazu ausgebildet, die zeitabhängige Verstärkerspannung durch einen Korrekturfaktor dahingehend zu korrigieren, dass ein zwischen der Probe 1 und der Elektrode 5 angeordnetes Medium berücksichtigt wird. Dieses Medium, beispielsweise Luft, wirkt sich auf die korrigierte zeitabhängige Verstärkerspannung aus. Diese korrigierte zeitabhängige Verstärkerspannung, welche die besagten zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 enthält, wird schließlich an einen Summierer 25 weitergegeben.

Um auch die zeitlich veränderlichen Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 unterhalb der Grenzfrequenz des Vorverstärkers 22, insbesondere deren zeitlich konstante Komponenten ermitteln zu können, weist der nachgeschaltete Teil 21 weiterhin einen Gleichrichter 23 auf. Hierbei wird sich zunutze gemacht, dass die Biegeschwingung durch die Modulierung des Abstands zwischen Elektrode 5 und Probe 1 zu einer zeitlichen Änderung der an sich konstanten Komponente des elektrischen Potentials der Probe 1 führt. Diese zeitliche Änderung ist als zeitlich mit der Frequenz der Biegeschwingung modulierte Kapazität zwischen Probe 1 und Elektrode 5 insbesondere mithilfe des Gleichrichters 23 ermittelbar. Der Gleichrichter 23 ist hierbei dazu ausgebildet, unter Zuhilfenahme der Frequenz der Biegeschwingung, insbesondere der Resonanzfrequenz des Biegebalkens 3, durch Synchrongleichrichtung der Frequenz der Biegeschwingung und der durch die Biegeschwingung bedingten zeitlichen Änderung der Kapazität die zeitlich konstante Komponente der elektrischen Spannung gleichzurichten und als Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters 23 bereitzustellen. An seinem Ausgang ist der Gleichrichter 23 mit einem Regler 24 elektrisch verbunden. Der Regler 24 kann dabei als integrierender Regler 24 ausgebildet sein und die am Eingang des Reglers 24 anliegende Gleichspannung durch Erzeugung und Regeln einer Gegengleichspannung kompensieren. Die Gegengleichspannung ist folglich ebenfalls für die zeitliche konstante Komponente der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 indikativ. Die Gegengleichspannung kann weiterhin an einen Summierer 25 weitergegeben werden.

Der Summierer 25 kann schließlich durch Summieren der zeitlich veränderlichen und zeitlich konstanten Komponenten der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Potentials der Probe 1 die Summe aus beiden Komponenten bilden und als entsprechende Summenspannung an einem Ausgang des Summierers 25 bereitstellen. Diese Summenspannung ist für die Summe der zeitlich konstanten und der zeitlich veränderlichen Komponenten des elektrischen Signals der Probe 1 indikativ.

In der zweiten Variante befindet sich der Schalter 28 in der zweiten Schalterstellung 28b. Hier liegt die Probe 1 nicht auf dem vordefinierten Massepotential, sondern ist mit einem Testsignalgenerator 27 verbunden. Mittels des Testsignalgenerators 27 kann ein Testsignal, beispielsweise eine zeitlich konstante Testspannung oder eine zeitlich veränderliche, insbesondere periodische Testspannung generiert und an die Probe 1 weitergegeben werden. Diese Testspannung kann dann, wie im Kontext der ersten Variante beschrieben, durch das System 100 bzw. die elektronische Schaltung 20 ermittelt werden. Dies ermöglicht insbesondere eine Kalibrierung von separat ausführbaren Ermittlungen von beispielsweise mittels elektromagnetischer Strahlung in der Probe induzierten elektrischen Potentialen der Probe 1.

Bezugszeichenliste

Probe 1

Aktuatoreinheit 2

Biegekörper 3

Gegenmasse 4

Elektrode 5

Kontaktbereich 6

Leiterelement 7

Öffnung 8 elektrische Verbindung über einen Draht 9 elastische Aufhängung 10

Erste Richtung 11

Zweite Richtung 12

Schwere Wandung 13

Bolzen 14

Gehäuse 15

Durchführung 16

Schaltung 20

Nachgeschalteter Teil der Schaltung 21

Vorverstärker 22

Gleichrichter 23

Regler 24

Summierer 25

Kondensator 26

Testsignalgenerator 27

Schalter 28

Erste Schalterstellung 28a

Zweite Schalterstellung 28b

Entzerrer 29

Erster Schwingungsbauch 31

Zweiter Schwingungsbauch 32

Schwingungsknoten 33

System 100