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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf atomare
Kräftemikroskope (AKM) und im einzelnen auf Mittel zum Messen der
Eigenschaften eines Datenträgers mit Hilfe eines atomaren
Kräftesensorkopfes.
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Bei dem von G. Binnig in EP-A-0 223 918 vorgeschlagenen
atomaren Kräftemikroskop, das von G. Binnig, C.F. Quate und Ch.
Gerber in Phys. Rev. Letters, Band 56, Nr. 9, März 1986, auf
den Seiten 930-933 beschrieben wurde, wird eine sehr feine,
an einen federähnlichen Freiträger angebrachte Spitze
verwendet, um das Profil einer zu untersuchenden Oberfläche
abzutasten. Bei den hierbei verwendeten Abständen treten zwischen
den Atomen am Scheitelpunkt der Spitze und den Atomen auf der
Oberfläche sehr kleine Kräfte auf, was zu einem sehr geringen
Ausschlag des Freiträgers führt. In dem Vorschlag von Binnig
wird dieser Ausschlag mit Hilfe eines Tunnelmikroskops
gemessen, das heißt, eine elektrisch leitfähige Tunnelspitze wird
in Tunnelabstand an der Rückseite des Freiträgers plaziert,
und die Veränderungen des Tunnelstroms dienen zur Bestimmung
des Ausschlags. Da die Eigenschaften des Freiträgers bekannt
sind, können die zwischen der AKM-Spitze und der zu prüfenden
Oberfläche auftretenden Kräfte bestimmt werden.
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Die zwischen einer sehr feinen Spitze und einer Oberfläche
auftretenden Kräfte werden üblicherweise als
van-der-Waal'sche Kräfte, kovalente Kräfte, Ionenkräfte oder
Kernabstoßungs-Interaktionskräfte beschrieben. Die bei der
Methode mit atomarem Abstand zwischen einzelnen Atomen
auftretenden Energien, respektive am Scheitelpunkt der Spitze
und auf einer Oberfläche, bewegen sich im Bereich von
E&sub0; = 0,01 . . . 10eV = 10²² . . . 10¹&sup8; Joule. Die entsprechenden
Abstände liegen im Sub-Nanometerbereich, und zwar bei
x&sub0; = 10 . . . 1000 pm = 0,01 . . . 1 nm. Die betreffenden Kräfte (das
heißt, die ersten Ableitungen der Potentialfunktion) liegen
daher im Bereich von Ko = 10 pN . . . 10 nN. Die daraus
resultierenden atomaren "Federkonstanten", das heißt, die zweiten
Ableitungen der Potentialfunktion, liegen im Bereich von
C&sub0; = 100 . . . 0,01 N/m. Diese Daten lassen sich aus
Oberflächenuntersuchungen und aus vielen anderen Quellen, wie zum
Beispiel den Werten elastischer Konstanten, ableiten.
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Über Experimente mit den van-der-Waal'schen Kräften wird in
"Measurements of Attractive Forces Between Flat Plates", von
M.J. Sparnaay, Physica XXIV (1958), Seiten 751-764,
berichtet. Fig. 2 dieser Quellenangabe zeigt einen Aufbau mit einem
Freiträger, der an einem Ende befestigt ist und der auf
halber Länge eine Platte eines aus zwei Parallelplatten
bestehenden Plattenpaares trägt. Die andere Platte des
Plattenpaares ist unabhängig vom Freiträger angebracht. Das Gewicht des
Trägers wird von einer Feder ausgeglichen und die Auslenkung
des Trägers bei Interaktion des Plattenpaares wird bestimmt
von der Veränderung eines Kondensators, dessen eine Platte an
dem Freiträger angebracht ist, während die andere Platte fest
ist.
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Es ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, mehrere
Ausführungsbeispiele von Datenträgern zu beschreiben, bei
denen eine atomare Kräftemeßvorrichtung verwendet wird, bei
der nicht die Tunneltechnik, sondern andere Techniken
verwendet werden, während der Freiträger als
Kraft-/Auslenkungsumsetzer dient. Die Vorrichtungen gemäß der
Erfindung können als atomare Kräftemikroskope verwendet
werden, sie können jedoch auch einem breiteren Anwendungsbereich
zugeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist demnach bestrebt, einen
atomaren Kräftesensorkopf zur Messung der Eigenschaften eines
Datenspeichermediums zu offenbaren, der mindestens einen an
einem Ende befestigten Freiträger aufweist, und der ein
Interaktionselement trägt, das zu dem genannten festen Ende
einen bestimmten Abstand aufweist, und das mit der Oberfläche
des genannten zu untersuchenden Speichermediums in
Wechselwirkung tritt, und Mittel zum Erfassen der Auslenkung des
genannten Freiträgers, wenn das genannte Interaktionselement
mit der Oberfläche des genannten Speichermediums in
Wechselwirkung tritt. Die genannten Erfassungsmittel sind so
gestaltet, daß sie die genannte Auslenkung von der Ausgangsposition
des genannten Freiträgers in eine Veränderung eines
elektrischen Werts umwandeln, der kein Tunnelstrom ist, und zwar
ausgehend von einem Ausgangspegel dieses Werts. Dieser
atomare Kräftesensorkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß das
genannte Erfassungsmittel als Kondensator mit einem
Kondensator-Plattenpaar ausgeführt ist, wobei eine Platte einen
integrierten Teil des genannten Freiträgers bildet, während die
zweite Platte gegenüber der ersten Platte fest montiert ist,
daß beide Platten des genannten Kondensators an eine
herkömmliche Kapazitätsmeßausrüstung angeschlossen sind, und daß das
Ausgangssignal der genannten Kapazitätsmeßausrüstung, das
eine Veränderung der Kapazität des genannten Kondensators,
ausgehend von einem Ausgangskapazitätswert darstellt, über
eine Rückkoppelungs-Steuerschaltung zu einem z-Antrieb
gesendet wird, der so angeordnet ist, daß er den z-Abstand des
genannten Interaktionselements zur Oberfläche des
Speichermediums anpaßt.
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Einzelheiten verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung
sollen im folgenden anhand von Beispielen und unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben
werden; es zeigt:
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Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines atomaren
Kräftemikroskops, in dem ein Kondensator als
Auslenkungsdetektor verwendet wird;
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Fig. 2 ein mikromechanisches Ausführungsbeispiel des
kapazitiven Kräftesensorkopfes;
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Fig. 3 eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels der Fig. 2,
in dem ein piezoelektrischer Wandler verwendet wird;
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Fig. 4 eine andere Erweiterung des Ausführungsbeispiels der
Fig. 2 mit einem Material mit hoher dielektrischer Konstante;
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Fig. 5 einen kapazitiven Sensorkopf in einem Datenspeicher;
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Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven
Sensorkopfes in einem Datenspeicher;
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Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven
Sensorkopfes in einer Datenspeicheranwendung;
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Fig. 8 eine schematische Erläuterung der Maßnahmen zum
Weichmachen der Oberfläche in Verbindung mit dem Sensorkopf der
Fig. 6.
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In Fig. 1 ist ein atomares Kräftemikroskop 1 mit einer sehr
feinen Spitze 2 dargestellt, die zum Beispiel aus einem
Diamanten bestehen kann, und die an einem Freiträger 3 befestigt
ist, der auf einer Grundplatte 4 aufliegt. Wird die zu
untersuchende Probe 5 in die Nähe der Spitze 2 gebracht, bewirken
die zwischen den dichtesten Atomen an der Spitze 2 und an der
Probe 5 auftretenden Kräfte eine Auslenkung des Freiträgers
3. Unter der Annahme, daß die genannten Kräfte einander
abstoßende Kräfte sind, was normalerweise der Fall ist, wird
der Freiträger 3 in Fig. 1 nach rechts ausgelenkt. Die Größe
der Auslenkung liegt bei etwa 10&supmin;¹¹ m.
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An seiner Oberseite, wo die Auslenkung am größten ist, bildet
der Freiträger 3 eine Platte eines Kondensators 6. Zu diesem
Zweck kann der Freiträger 3 entweder aus einem elektrisch
leitenden Material gefertigt sein, oder an seinem oberen Ende
eine leitfähige Beschichtung aufweisen. Die zweite Platte 8
des Kondensators 6 ist in einem sehr geringen Abstand
gegenüber der Beschichtung 7/dem Freiträger 3 angeordnet. In
Fig. 1 ist der Freiträger 3 an Erde angeschlossen und die
Kondensatorplatte 8 ist an eine herkömmliche
Kapazitätsmeßvorrichtung 9 angeschlossen, die zum Beispiel eine
AC-Wheatstone-Brücke sein kann.
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Im Ruhezustand ist die Kapazitätsmeßvorrichtung 9 so
justiert, daß ihr Ausgang Null ist. Wenn der Freiträger 3 unter
dem Einfluß einer auf seine Spitze 2 ausgeübten Kraft
ausgelenkt wird, verändert sich die Kapazität und das
Kapazitätsmeter 9 erzeugt ein Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal
wird von einer Rückkoppelungsschaltung 10 zur Erzeugung eines
Steuersignals auf Leitung 11 verwendet, welches an den z-Teil
eines xyz-Antriebs 12 gesendet wird. Dieser z-Teil ist
verantwortlich für die Steuerung des Abstands zwischen der
Oberfläche der Probe 5 und dem Scheitelpunkt der Spitze 2. (Die
x- und y-Teile des xyz-Antriebs 12 steuern die
Matrix-Abtastung der Spitze 2 über der Oberfläche der Probe 5 unter
Führung einer xy-Steuereinheit 13).
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Kapazitätsmeter nach dem heutigen Stand der Technik können
Kapazitätsveränderungen einer Größenordnung von ΔC = 10&supmin;¹&sup8; F
(Attofarad) unter Anwendung der zum Beispiel von J.R. Matey
und J. Blanc, in J. Appl. Phys., 57, Seite 1437 (1985)
beschriebenen Techniken messen. Diese Empfindlichkeit kann zur
Messung von Veränderungen des Abstands oder der
dielektrischen
Konstante entsprechend der Parallelplattenkondensator-
Formel C = εA/d verwendet werden, wobei ε die dielektrische
Konstante, A die Plattenfläche und d der Plattenabstand ist.
Bei einer Plattenfläche von 100 · 100 Mikrometer und einem
Plattenabstand von 1 Mikrometer ergibt sich in Luft eine
Kapazität von etwa 2·10&supmin;¹³ F. Die oben genannte Empfindlichkeit
setzt somit in eine erfaßbare Mindestspaltbreitenveränderung
von Δd = (d/C) · ΔC = 10&supmin;¹¹ m um.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines
Kräftesensorkopfes, in welchem der die Spitze tragende Freiträger 30
gegenüber einem starren Körper 31 angeordnet ist, der als eine
feste Basis dient. Vorzugsweise sind der Freiträger 30 und
der Körper 31 aus einem Stück Si/SiO&sub2; unter Anwendung
bekannter mikromechanischer Techniken gefertigt. Die sich
gegenüberliegenden Oberflächen des Freiträgers 30 und des
Körpers 31 sind jeweils mit einer dünnen Goldbeschichtung 32 und
33 überzogen, und bilden so einen Kondensator 29, an den eine
Spannungsquelle 34 angeschlossen wird. Die
Goldbeschichtung 32 des Freiträgers 30 ist außerdem an einen
Verstärker 35 angeschlossen. Der Ausgangsanschluß des letzteren ist
an einen Diskriminator 36 angeschlossen.
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Bringt man die Spitze 37 in die Nähe der Oberfläche der
Probe 38, treten die dichtesten Atome an der Spitze und an
der Oberfläche in Wechselwirkung, wodurch zwischen ihnen eine
Kraft entwickelt wird, die von ihrem Interaktionspotential
Uint, ihrem Absand r und der Federkonstanten C des
Freiträgers 30 bestimmt wird. Im Gleichgewichtszustand, das heißt,
wenn die atomare Kraft dUint/dr die Federkraft C x
ausgleicht, wird die Auslenkung des Freiträgers 30 durch die
folgende Gleichung wiedergegeben
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Uint + 1/2 C x&sub2; = Min.
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Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 kann so justiert werden,
daß sich eine statische Auslenkung x 10 . . . 100 pm ergibt,
die mit statischen Mitteln erfaßt werden kann. Der
Freiträger 30 ist außerdem ein harmonischer Oszillator mit einer
Eigenfrequenz ω&sub0;. Findet die genannte atomare Interaktion
statt, verschiebt sich die Resonanzfrequenz des
Freiträgers 30 entsprechend der folgenden Gleichung:
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ω² = ω²&sub0;(1 + 1/C d²Uint/dr²).
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Bei diesem Term wird angenommen, daß Terme höherer Ordnung
des Interaktionspotentials keinen Beitrag zur
Bewegungsgleichung leisten. Die Messung der Frequenzverschiebung hat den
großen Vorteil, daß die Längenmessung entfallen kann, was zu
einer einfacheren Kalibrierung des Sensorkopfes führt.
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Die Konstruktion dieses Sensorkopfes muß unter
Berücksichtigung von einander entgegenstehenden Forderungen optimiert
werden: Für eine hohe Sensibilität ist eine schwache
Federkonstante C wünschenswert. Die maximal tolerable Amplitude
der thermischen Schwingungen der Anordnung erfordert jedoch
eine niedrigere Grenze. Weiter sollte C größer als das
Maximum von d²Uint/dr² sein, damit keine metastabilen
Gleichgewichtspositionen existieren, die einen zuverlässigen Betrieb
des Sensorkopfes unmöglich machen. Dies kann bei der
kurzreichweitigen kovalenten Bindungs-Interaktion, bei der zweite
Ableitungen des Potentials der Größenordnung 10 . . . 100 N/m zu
erwarten sind, zu einem schwerwiegenden Problem werden. Daher
ist ein eher starrer Freiträger anzustreben.
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Der mikromechanische Freiträger 30 gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielt eine optimale Leistung. Seine
Resonanzfrequenz
wird durch Messen des kapazitiven Stroms überwacht, der
durch thermische Schwingungen am Träger entsteht. In einer
Rückkoppelungsschleife kann die natürliche
Schwingungsamplitude des Trägers erhöht werden, um dadurch die
Empfindlichkeit des Sensorkopfes zu verbessern. Hiermit hat man eine
gute Möglichkeit, die Eigenschaften des Sensorkopfes an die
jeweilige Form des Interaktionspotentials anzupassen. Bei
einem großen Abstand zwischen Spitze und Probe, das heißt, wenn
die Interaktion nur schwach ist, wird zum Beispiel die
erforderliche hohe Empfindlichkeit durch Erhöhen der
Schwingungsamplitude auf etwa ein Nanometer erreicht. Wird bei Annähern
der Spitze an die Oberfläche die Interaktion stärker, kann
die Schwingung des Trägers verringert werden, um ein Berühren
der Oberfläche zu verhindern.
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Wenden wir uns erneut der Fig. 2 zu; Schwingungen des
Freiträgers 30 bewirken Kapazitätsschwankungen, die einen
entsprechenden Wechselstrom entstehen lassen. Dieser Strom wird
von einem Verstärker 35 verstärkt und die Frequenz der
Schwingungen wird mit Hilfe von Standardtechniken gemessen.
Der Körper 31 kann auf einem herkömmlichen xyz-Antrieb (nicht
dargestellt) montiert werden, der die Spitze 37 an die
Oberfläche der Probe 38 heranführt und die Abtastbewegung der
Spitze über diese Oberfläche ausführt.
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Um eine genaue Untersuchung der schwachen Anziehungskräfte
zwischen zwei Atomen, das heißt, der zweiten Ableitung des
Interaktionspotentials Cint = d²Uint/dr², zu ermöglichen,
sollte das gezeigte Ausführungsbeispiel unter
Berücksichtigung der folgenden Überlegungen dimensioniert werden:
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Die zweite Ableitung Cint des Interaktionspotentials Uint und
die gemessene Frequenzverschiebung Δω haben zueinander die
folgende Beziehung:
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Cint = 2 Ceff Δω/ω&sub0;,
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hierbei entspricht Ceff ungefähr der statischen
Federkonstanten des Freiträgers 2. Die Nachweisschwelle Cmin kann als
Eigenfrequenz ω&sub0;, als der Q-Faktor des Resonators, und als die
Integrationszeit τ der Frequenzmessung ausgedrückt werden:
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Cmin = 2 Ceff/ Qω&sub0;τ.
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Für Cmin wird 0,01 N/m eingesetzt; vor kurzem wurde für einen
mikromechanischen Freiträger ein Q-Faktor von 1000
festgelegt; die Integrationszeit τ darf 10 ms nicht überschreiten,
um eine Rastermikroskopie mit konstanter Kraft zusätzlich zu
der Messung des Interaktionspotentials Uint zu ermöglichen;
und die Eigenfrequenz ω&sub0; sollte etwa 2π · 10 kHz betragen, um
eine adäquate Isolierung gegenüber Umgebungsschwingungen zu
ermöglichen. Mit diesen Parametern erhält man für
Ceff = 4 N/m und eine Detektor-Empfindlichkeit von
1,25 kHz/(N/m). Mit anderen Worten, bei einem Cmin von,01 N/m
erhält man eine Frequenzverschiebung von 12,5 Hz. Die
effektive Amplitude der thermischen Schwingungen beträgt 0,016 nm
bei Flüssigstickstofftemperatur und 0,03 nm bei
Raumtemperatur.
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Terme des Interaktionspotentials Uint in einer Größenordnung
von über 3 lassen eine zusätzliche Frequenzverschiebung
proportional zum Quadrat der Schwingungsamplitude entstehen.
Diese Frequenzverschiebung verursacht eine Mehrdeutigkeit Cah
des gemessenen Werts für Cint in der Größenordnung von
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Cah < 1/8 d&sup4;Uint/dr&sup4; x²th.
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Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Ceff = K · fR, wobei
K
eine Konstante nahe Eins ist, können die Maße für den
Freiträger 2 für die Kraftkonstante fR und für die
Resonanzfrequenz ω&sub0; aus den folgenden Gleichungen berechnet werden:
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fR = 1/4 E wt³/I³
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ω&sub0; = 1,02 (E/ρ)1/2 t/I²,
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hierbei ist E = 7,2 x 1010 N/m² das Elastizitätsmodul nach
Young für SiO&sub2;, w, t und l stehen für Breite, Dicke
beziehungsweise Länge des Freiträgers 2, und ρ = 2,2 · 10³ kg/mm
ist die spezifische Dichte des Freiträgermaterials. Aus den
oben genannten Parametern und unter Zugrundelegung der
realistischen Annahme, daß w = 8t, ergeben sich für die
Abmessungen des Freiträgers für w = 115 um, für t = 14 um und für
l = 1150 um.
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Bei Verwendung eines Abstands d von 10 um zwischen den
Goldschichten 32 und 33 erhalten wir für die Kapazität
Cb = 0,12 pf. Der induzierte Wechselstrom I ist wie folgt:
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I = V dCb/dt = 0,392 Cb ω&sub0; xth V/d.
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Bei einem Potential V = 50 V erhält man einen Effektivstrom
von 0,25 pA. Ströme dieser Größenordnung können mit
herkömmlichen FET-Verstärkern erfaßt werden.
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Das zwischen den Goldelektroden 32 und 33 existierende
elektrische Feld übt eine zusätzliche Kraft auf den Freiträger
aus und erhöht seinen Wert für Ceff um einen Faktor k.
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hierbei ist m die Masse des Freiträgers 30. In diesem
besonderen Beispiel entspricht der Faktor k 1,1.
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Eine wichtige Erweiterung des Ausführungsbeispiels der Fig. 2
ist die Hinzunahme einer Rückkoppelung zur Erhöhung der
natürlichen Schwingungsamplitude des Freiträgers. Hierdurch
wird die Empfindlichkeit des Sensorkopfes verbessert und es
werden weitere Anwendungsbereiche erschlossen.
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Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit zur Implementierung einer
Rückkoppelungsschleife in einem mikromechanischen Sensorkopf.
Genauso wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 trägt der
Freiträger 30 eine Elektrode 32 und ist gegenüber dem
Körper 31 angeordnet, der seine Elektrode 33 trägt. Der
Freiträger 30 ist oben auf einem piezoelektrischen Wandler 40
montiert, der auf einem Körper 31 aufliegt. Der Wandler 40 kann
von dem Ausgangssignal einer Erregungseinheit 41 erregt
werden. Eine Spannungsquelle 42 ist zwischen der Elektrode 33
und Erde angeschlossen und eine Elektrode 32 ist an den
Eingangsanschluß eines I/V-Wandlers 43 angeschlossen. Das
Ausgangssignal des letzteren steuert einen schnell steuerbaren
Verstärker 44 und, über den Gleichrichter 45 und bei
Hinzunahme eines Schwankungsamplituden-Bezugssignals, einen
langsam steuerbaren Rückkoppelungsverstärker 46, der ein
Verstärkungs-Steuersignal an den Verstärker 44 sendet.
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Fig. 4 zeigt eine Modifizierung der in Verbindung mit den
Figuren 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiele. Eine
Isolierschicht 56 mit hoher dielektrischer Konstante füllt einen
Teil des Abstands zwischen den Elektroden 51 und 52 aus. Dies
hat drei Vorzüge:
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- Die Elektroden können einander nicht berühren und somit
keinen Kurzschluß verursachen.
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- Die Auslenkung des Freiträgers ist innerhalb des
verbleibenden freien Spalts 54 zwischen den Elektroden stabil.
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- Die Empfindlichkeit wird verbessert, wenn die Abmessungen
entsprechend ausgewählt werden.
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Die Anordnung der Fig. 4 ist im wesentlichen dieselbe wie
die bereits beschriebene, mit der Ausnahme, daß der Abstand
zwischen der Elektrode 51, die von dem Freiträger 50 getragen
wird, und der Gegenelektrode 52, die auf dem Körper 53
aufliegt, mit zwei (oder mehr) dielektrischen Materialien
angefüllt ist, die unterschiedliche dielektrische Konstanten εr
aufweisen. Vorzugsweise soll das an dem Freiträger 50
angeordnete dielektrische Material 54 außerordentlich flexibel
sein, so daß die Bewegungen des Freiträgers 50, die dadurch
verursacht werden, daß die Spitze 55 sehr nahe an die zu
untersuchende Oberfläche herangeführt wird, nicht behindert
werden. Das Material der Wahl ist hier Luft mit einer
dielektrischen Konstanten von ε&sub1; = 1.
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Das andere dielektrische Material 56, welches vom
Freiträger 50 entfernt angeordnet ist, sollte über eine
dielektrische Konstante ε&sub2; verfügen, die viel höher als die
des dielektrischen Materials 54 ist, zum Beispiel um einen
Faktor 10.
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Die Anordnung der Fig. 4 bildet in Wirklichkeit eine
Reihenschaltung von zwei Kondensatoren mit einer Gesamtkapazität C
von:
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wobei A die Kondensatorfläche ist und B die Wechselbeziehung
zwischen den relativen Dicken und den dielektrischen
Konstanten der dielektrischen Materialien 54 und 56 angibt:
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Um die Verbesserung der Empfindlichkeit zu bestimmen, wird
der vorangehende Term für C differenziert:
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Mit einer Beziehung S&sub1;/S = 0,05 und einem Verhältnis von 1 : 10
wird die Empfindlichkeit durch Auffüllen eines Teils des
Spalts s wie folgt verbessert:
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Eine Anwendungsmöglichkeit für die Erfindung in einer
magnetischen Speichereinheit ist schematisch in Fig. 5
dargestellt. Die Stelle der Probe 5 aus Fig. 1 nimmt hier das
magnetische Speichermedium 80 ein, von dem angenommen wird, daß
es mit einer hohen Geschwindigkeit an einer Spitze 81
vorbeiläuft, die an einem Freiträger 82 angebracht ist. Der
letztere ist an einem Rahmenelement 83 montiert, welches starr in
der Speichereinheit gelagert ist. Eine Kondensatorplatte 85
stützt sich auf einen Arm 84 des Rahmenelements 83 ab und
bildet zusammen mit dem rückwärtigen Teil des Freiträgers 82
einen Kondensator 87.
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Eine Veränderung der auf die Spitze 81 ausgeübten Kraft,
verursacht entweder durch eine Veränderung des Abstands zwischen
der Spitze 81 und der Oberfläche des Speichermediums 80, oder
durch eine Veränderung einer Oberflächeneigenschaft des
Speichermediums 80, auf die die Spitze 81 empfindlich reagiert
(wie zum Beispiel die Magnetfeldeigenschaften), bewirkt eine
Auslenkung des Freiträgers 82 aus seiner ursprünglichen
Position. Die Kapazität des Kondensators 87 verändert sich
folglich und es wird daher ein Korrektursignal von einer
Entfernungssteuereinheit 88 entwickelt, zur Steuerung eines
Hebebocks 89, der den Plattenantrieb 90 entsprechend der
Kraftveränderung anhebt oder absenkt.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven
Kräftesensors in Verbindung mit einem magnetischen Datenträger zeigt
die Fig. 6. Ein Freiträger 92 trägt ein kleines Eindomänen-
Magnetpartikel 93 auf seiner dem Speichermedium 95
gegenüberliegenden Seite 94. Das Speichermedium hat eine Vielzahl von
Spuren, entlang derer magnetische Domänen 96 mit ein oder
zwei Richtungen angeordnet sind. Eine Veränderung der
Orientierung zwischen zwei benachbarten Domänen entlang einer Spur
kann einer gespeicherten "1" zugeordnet werden, während keine
Veränderung zwischen benachbarten Domänen einer gespeicherten
"0" zugeordnet werden kann. Diese Veränderungen der
Domänenorientierung können von einem am Freiträger angebrachten
magnetischen Eindomänen-Partikel erfaßt werden, vorausgesetzt,
die Flughöhe wird auf etwa 100 Nanometer justiert.
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Jede der genannten Spuren magnetischer Domänen ist Ende an
Ende gestapelt, ein Partikelchen breit und ein Partikelchen
dick. Ein angenommener Abstand von fünf Domänen Durchmessern
zwischen benachbarten Spuren würde einer Aufzeichnungsdichte
von etwa 6·10¹¹ Bit/cm² entsprechen. Das Frequenzverhalten
und somit die Datenrate, wird von dem mechanischen Verhalten
des Freiträgers 92 begrenzt, und kann bei einem relativ
kleinen Freiträger mehrere MHz betragen.
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Unter der Annahme, daß der Freiträger 92 eine Eigenfrequenz
von mehreren MHz aufweist, gilt: f/m = ω² = 10¹&sup4; s&supmin;². Die
Frequenz wird durch thermische Schwankungen begrenzt. Bei
einem Spalt 87 mit einer Breite xc 0,5 nm und unter der
Bedingung, daß
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fx²C > kT, und kT 2,5 · 10&supmin;²¹ J bei 300 K, f > 10&supmin;² N/m.
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Die kleinste Kraft, die mit einer Eigenfrequenz von mehreren
MHZ bei einem Freiträger der Masse m = f/ω² = 10&supmin;¹&sup6; kg und
bei Vorhandensein thermischer Schwankungen, unter der Annahme
eines Qualitätsfaktors des Kräftesensors Q = 100, in einer
Zeit 2 π/ω meßbar ist, beträgt
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k f xc/Q 5·10&supmin;¹&sup4; N.
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Vorausgesetzt, das zwischen dem Partikelchen 93 und den
Domänen 96 auf dem magnetischen Medium 95 vorhandene Magnetfeld
ist ausreichend stark, um eine Kraft von mindestens 10&supmin;¹&sup4; N
verfügbar zu machen, die eine Auslenkung des Freiträgers 92
bewirkt, kann die Anordnung der Fig. 6 auch zur Abbildung der
Magnetfelder einer unter dem Freiträger 92 durchlaufenden
Struktur mit hoher räumlicher Auflösung verwendet werden.
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Die Größen der magnetischen Kräfte, die für die Messung zur
Verfügung stehen, werden wie folgt geschätzt: magnetische
Eindomänen-Partikel aus Gamma-Eisenoxyd haben ein Volumen V
von etwa 10&supmin;²¹ m³ und eine Magnetisierung von etwa 400 G
(= 0,4 T). Ihr magnetisches Moment beträgt M = 4·10&supmin;¹&sup9; G m³.
Die magnetische Kraft ist durch die folgende Gleichung
gegeben:
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F = MV∂H/∂r
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Bei einem Feldgradienten δH/δr = 10¹¹ A/m², beträgt die Kraft
F = 0,4·10&supmin;¹&sup0; N. Dieser Wert liegt gut innerhalb der
Empfindlichkeit der Anordnung.
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Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Anordnung kann an eine
Speichereinheit mit beweglicher Oberfläche angepaßt werden,
indem man die Spitze 81 (oder das magnetische Partikel 93)
gegen eine Kondensatorplatte 100 austauscht, wie in Fig. 7
gezeigt, und diese an einem Element 101 anbringt, das
seinerseits am Freiträger 102 befestigt ist. (Man beachte, daß die
Anordnung der Fig. 7, bezogen auf die Fig. 5 und 6,
umgekehrt dargestellt ist). Wird die Information eines
Informationsmusters 103 auf einem Aufzeichnungsträger 99 unter der
Kondensatorplatte 100 durchgeführt, verändert sich die
Kapazität Cs mit jeder Veränderung des Abstands xs zwischen der
Kondensatorplatte 100 und der Struktur 103. Angesichts der
über dem Abstand xs zwischen der Platte 100 und dem
Informationsmuster 103 vorhandenen kapazitiven Kräfte, wird der
Freiträger 102 ausgelenkt und die Kapazität Cc des
Kondensators, die von den leitfähigen Schichten der sich
gegenüberliegenden Flächen des Freiträgers 102 und dem Körper 106
gebildet wird, wird aufgrund der Veränderung des Abstands xc
variieren. Die Gütezahl M ist der durch Messen der Position
des Freiträgers 102 erhaltene Hebelarm:
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Bei einem weichen Freiträger hat der Haupthebelarm das
folgende Kapazitätsverhältnis:
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hierbei sind εs und εc die dielektrischen Konstanten der
Medien der Kapazitäten Cs beziehungsweise Cc und Bs und Bc sind
konstante Werte nahe Eins, charakteristisch für die
Kapazitäten, deren Indices sie tragen.
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Bei einem starren Freiträger ist der Hebelarm die Dämpfung 1/α
der effektiven Federkonstanten feff und des
Spannungsverhältnisses:
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Bei einem einfachen Beispiel mit den folgenden Parametern:
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Cs/Cc = Verhältnis der Flächen = 10² um²/10&sup5; um²;
xs = 0,1 um; xc = 1 um; εs = 1; εc = 10; Vs = 5 V; Vc = 1 V;
Bs 1; Bc 1; α = 1/5, erhalten wir:
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Mweich 10³
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Mstarr 125.
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Ein allgemeines Problem bei Speichereinheiten mit beweglicher
Oberfläche ist das Auftreten unerwünschter Rillen auf der
Oberfläche, die einen unerwünschten Effekt auf das Schreiben
oder Lesen von Informationen haben können. Das kapazitive
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bietet für
dieses Problem eine einfache Lösung. Fig. 8 zeigt das
Prinzip. Die Oberflächenrillen 107 auf dem Speichermedium 108
sind mit einem dielektrischen Medium 109 mit einer
dielektrischen Konstante ε&sub1; beschichtet. Das dielektrische Medium 109
kann zum Beispiel eine Flüssigkeit sein. Vom
Speichermedium 108 durch einen Luftspalt 110 (ε&sub2; = 1) getrennt ist eine
Kondensatorplatte 111, die an einem Freiträger 112 angebracht
ist. Die Kondensatorplatte 111 trägt ein dielektrisches
Element 113 mit einer dielektrischen Konstante ε&sub3; zum Schutz der
Kondensatorplatte 111. Die Anordnung der Fig. 8 dient zur
"Reduzierung" der Oberflächenrauhigkeit des
Speichermediums 108. Zur Regelung der konstanten Kapazität haben wir
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ds&sub1; = - ε&sub1;/ε&sub2; ds&sub2;,
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das heißt, die Kondensatorplatte 111 folgt der Kontur des
Speichermediums 108 mit einer Dämpfung von ε&sub1;/ε&sub2;.
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Die elektrostatische Anziehung durch die Aufladung der
Oberfläche kann in derselben Weise wie die magnetischen Kräfte
überwacht werden, wenn das Magnetpartikelchen durch eine
leitende
(ladbare) Spitze ersetzt wird. Eine Ladung von zum
Beispiel 40 Elektronen erzeugt eine Kraft von etwa 1 nN bei
einem Spalt von 30 nm zwischen Spitze und Probe. Bei Annahme
einer typischen Oberflächenladungsdichte von 0,01 Cb/m², kann
die Ladung 40 e in einem Bereich von 30·30 nm² angepaßt
werden. Betrachtet man eine solche geladene Fläche als ein
Speicherbit und fordert man einen Sicherheitsabstand von
70 nm in jeder Richtung, so erreicht man ein Speicherschema
mit einer Dichte von 10¹&sup4; Bit/m², welches die heutige
Technologie bei weitem überragt.