DE19713746C2 - Sensor für gleichzeitige Rasterkraftmikroskopie und optische Nahfeldmikroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für gleichzeitige Rasterkraftmikroskopie und optische Nahfeldmikroskopie mit einem an einem Halter befestigten Federbalken, der mindestens eine Wellenleiteranordnung mit Wellenleiterschicht und Mantelschichten sowie an seinem freien Ende eine optisch transparente Spitze aufweist.

Optische Nahfeldsonden werden in der Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) verwendet, wie dies beispielsweise in "Near-field optics: Light for the world of NANO" in J. Vac. Sci. Technol. B(12)3, 1994, Seite 1441-1446 beschrieben wird.

Die optische Nahfeldmikroskopie basiert auf der Abtastung einer Oberfläche mit Hilfe einer optischen Apertur, um Auflösungen besser als das Abbé-Limit zu erreichen. Aus App. Optics Vol. 34, Nr. 7, Seite 1215-1228 ist es beispielsweise bekannt, angespitzte Glasfaserenden zu benutzen, die durch Bedampfen mit einer Metallschicht eine kleine Apertur erhalten. Die alleinige optische Signalerfassung besitzt jedoch den Nachteil, daß keine Trennung von topographischen und optischen Effekten möglich ist. Für die Trennung dieser beiden Effekte ist es notwendig, die Glasfaserspitze beim Abtasten auf einen konstanten Abstand von einige Nanometern zur Probenoberfläche einzustellen, was bei den bekannten Nahfeldsonden aufgrund ihrer Bauweise nur mit erheblichem Justieraufwand möglich ist. Weiterhin besteht ohne Abstandsregelung die Gefahr, daß beim Abrastern die Glasfaserspitze bzw. die Probenoberfläche beschädigt wird.

Mit diesen Nachteilen behaftete Sonden für die Rastermikroskopie werden in der DE 195 31 465 A1 und der DE 195 31 466 A1 beschrieben. Bei beiden Sonden handelt es sich um piezoelektrische Stab-Resonatoren mit einer optisch hochbrechenden Mikrotastspitze an ihrem der Probenoberfläche zugewandten Ende. Die Mikrotastspitzen schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes entlang der Längsachse des Stabes. Derartige Stab-Resonator- Anordnungen weisen sehr hohe Federkonstanten auf, die ein Detektieren von statischen Auslenkungen verhindern. Bei einem berührenden Abtasten wie bei der Rasterkraftmikroskopie ist die abzutastende Probenoberfläche hohen Belastungen ausgesetzt.

Geringere Federkonstanten erhält man bei Anordnungen der Tastspitze senkrecht zu einem Hebelarm, wie beispielsweise bei der Rastermikroskopsonde, die in der JP 08005642 A beschrieben wird. Für die Durchführung topographischer Messungen weisen der Hebelarm und die Tastspitze piezoresistive Schichten auf.

Um die vorgenannten Nachteile zu umgehen, wurde die Scherkraftdetektion entwickelt, die beispielsweise in der US-PS 5,254,854 beschrieben wird. Die Scherkraftdetektion dient als Distanzregelung, um den Abstand zwischen Faserspitze und Probenoberfläche auf einen konstanten Wert einzustellen. Dazu wird das Glasfaserende in der Regel durch erzwungene Schwingungen einer Piezokeramik in konstante Schwingungen parallel zur Probenoberfläche versetzt. Die Schwingung des Glasfaserendes wird in der Nähe der Probenoberfläche gedämpft, wobei diese Dämpfung umso größer ist, je näher die Glasfaserspitze an der Probenoberfläche ist. Um die Dämpfung der Schwingung zu messen, wird das Glasfaserende in der Regel mit einer orthogonal zur Schwingungsebene angebrachten Laserdiode beleuchtet, wobei der sich ändernde Schatten der Glasfaser die Intensität auf einem Fotodetektor moduliert. Diese Intensitätsmodulation entspricht der mechanischen Schwingungsamplitude und dient elektrisch gleichgerichtet als Eingangssignal für einen Regelkreis. Mit einem Signal des Regelkreises wird eine weitere Piezokeramik gesteuert, die den Abstand der Probenoberfläche zum Glasfaserende so lange verschiebt, bis ein extern vorgegebener Sollwert erreicht ist. So läßt sich die Probenoberfläche mit der Spitze abtasten und der Abstand zwischen Spitze und Probe immer auf einen konstanten Wert nachfahren bzw. einstellen.

Die Anwendungen der optischen Nahfeldmikroskopie sind sehr vielfältig. Neben der reinen Untersuchung von Probenoberflächen treten immer mehr spektroskopische Fragestellungen aus dem Bereich der Biologie oder Molekülphysik in den Vordergrund. Bei diesen Anwendungen wird die Probenoberfläche über die Apertur gemessen. Bei diesen Untersuchungen ist es von entscheidender Bedeutung, daß im Meßbereich kein Streulicht vorhanden ist, das die Messung stört.

Der Nachteil des aus der US-PS 5,254,854 bekannten Sensors besteht darin, daß die Herstellung der Sonden kein massentaugliches Verfahren darstellt. Zudem besitzt das Herstellungsverfahren für die Spitze eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit und die Metallschichten auf der Spitze weisen häufig Löcher auf, die zu Streulicht und Meßartefakten führen können. Die Scherkraftdetektion ist sehr aufwendig und erschwert einen kompakten stabilen mechanischen Aufbau.

Um den wesentlichen Nachteil dieser Anordnung zu umgehen, wird in der US- PS 5,354,985 ein mikrotechnisch kombinierter AFM/SNOM-Sensor (AFM = atomic force microscope) beschrieben, der aus einem wellenleitenden Federarm mit einer integrierten Aperturspitze besteht. Die Messung der Auslenkung des Federarms geschieht optisch über die Lichtzeigeranordnung eines gewöhnlichen AFM's, über die Integration einer piezoresistiven Schicht im Federarm oder über den Einbau einer Kondensatoranordnung in den Federarm zur kapazitiven Messung.

Die in der US-PS 5,354,985 vorgeschlagenen Detektionsmethoden zum Nachweis der Auslenkung des Federarms haben jedoch wesentliche Nachteile.

Die Detektion der Auslenkung des Federarms über eine Lichtzeigeranordnung hat den Nachteil, daß sehr viel Streulicht entsteht, das die Messung beeinflußt. Zur Vermeidung von Streulicht ist es zwar möglich, die Rückseite des Federarms so mit einer dicken Metallschicht zu versehen, daß kein Licht durch den Federarm auf die Probe gelangt. Dies führt jedoch aufgrund des verursachten Bimetalleffektes zu einer so starken Federarmverbiegung, daß der Einsatz als AFM-Sensor nicht mehr möglich ist. Ein dielektrischer Spiegel ist auch denkbar, würde aber die Dicke des Federarms so vergrößern, daß ein Einsatz als AFM-Sensor aufgrund der hohen Federkonstante nicht mehr sinnvoll ist.

Für die piezoresistive Detektion wird in der Regel dotiertes Silizium benutzt mit dem Nachteil, daß diese Schicht zusätzlich zum Wellenleitersystem in den Federarm integriert werden muß. Dadurch werden die Geometrie und daraus folgend die mechanischen Eigenschaften des Systems nachteilig beeinflußt. Vor allem die Dicke des Federarms nimmt zu, so daß er steifer wird. Das kann gerade bei der Untersuchung von weichen biologischen Proben von Nachteil sein.

Das dritte in der US-PS 5,354,985 vorgeschlagene Verfahren besteht darin, die Auslenkung des Federarms kapazitiv nachzuweisen. Dazu ist über dem Federarm eine Kondensatorplatte angebracht, deren Gegenelektrode sich auf dem Federarm befindet. Eine Auslenkung des Federarms ändert den Abstand der Platten, so daß eine Kapazitätsänderung eintritt, die nachgewiesen werden kann. Der Aufbau einer solchen Vorrichtung ist sehr aufwendig. Eine kapazitive Detektion ist sehr anfällig gegenüber Streukapazitäten aus der Umgebung und hat den weiteren Nachteil, daß entweder der Abstand zwischen den beiden Platten sehr klein sein muß oder die beiden Platten in ihren Abmessungen sehr groß gemacht werden müssen. Beides ist für den Einsatz in einem AFM unpraktikabel.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein kombinierter AFM/SNOM-Sensor, bei dem kein Streulicht die SNOM-Detektion stört und der kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Sensor gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß mindestens eine Wellenleiteranordnung als Verbiegungssensor ausgebildet ist, werden die Schichten, die üblicherweise für die Wellenleiteranordnung benötigt werden, gleichzeitig auch für den Verbiegungssensor ausgenutzt, so daß man insgesamt mit einer weitaus geringeren Anzahl von Schichten auskommt als beim Stand der Technik. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und insgesamt kostengünstiger. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Dicke des Federarms möglichst klein gehalten werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Lichtzeigerdetektion entfallen kann, wodurch keine Streulichteffekte die SNOM-Messungen beeinflussen können, so daß Anwendungen im Bereich der Spektroskopie und der Fluoreszenz möglich sind.

Dadurch, daß die Wellenleiteranordnung und der Verbiegungssensor integriert sind, wird der gesamte Aufbau sehr kompakt und einfach. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Federarms können außerdem besser an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßt werden.

Es ist auch möglich, beispielsweise zwei Wellenleiteranordnungen nebeneinander vorzusehen, wobei ein Wellenleiter Licht der Spitze zuführt und ein Wellenleiter als Verbiegungssensor ausgebildet ist. Die entsprechenden Wellenleiter- und Mantelschichten werden bei dieser Ausführungsform in einer Ebene nebeneinander angeordnet, so daß der Vorteil eines kompakten Federarms erhalten bleibt.

Vorzugsweise gibt es zwei Ausführungsformen, in denen die Wellenleiteranordnung als Verbiegungssensor ausgebildet ist.

Die erste Ausführungsform beruht darauf, daß die Wellenleiterschicht und/oder mindestens eine Mantelschicht aus einem piezoelektrischen Material besteht. Geeignete Materialien für die piezoelektrische Wellenleiterschicht sind beispielsweise Bleizirkonat-Bleititanat (PZT), PZT mit Lanthan-Zusatz (PLZT), ZnO, BaTiO₃ oder AlN. Diese Materialien sind hochbrechend und können mit Mantelschichten beispielsweise aus Siliziumoxinitrid oder Siliziumoxid kombiniert werden.

Anstatt die Wellenleiterschicht als piezoelektrische Schicht auszubilden, besteht auch die Möglichkeit, die wellenleitende Schicht aus einem hochbrechenden Material, wie z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid mit einer Brechzahl von etwa 2,4 bzw. 2,6 zu fertigen und eine oder beide der Mantelschichten aus einer niedrigbrechenden piezoelektrischen Schicht herzustellen. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise AlN mit einer Brechzahl von 2 als niedrig brechendes piezoelektrisches Mantelmaterial.

Durch die Kombination von wellenleitenden bzw. Mantelschichten der Wellenleiteranordnung mit piezoelektrischen Schichten, entfallen zusätzliche eigene piezoelektrische Schichten, um die Durchbiegung des Federarms nachweisen zu können.

Die Elektroden für den Nachweis des piezoelektrischen Effektes sind vorzugsweise auf dem Federbalken angeordnet. Die Elektroden können auf der Unter- und der Oberseite des Federbalkens angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Elektroden unmittelbar auf dem piezoelektrischen Wellenleitermaterial anzubringen und darüber die Mantelschichten vorzusehen.

Um ein möglichst großes Meßsignal erhalten zu können, sind die Elektroden vorzugsweise im Bereich der größten Durchbiegung des Federbalkens angebracht.

Die Spitze kann integraler Bestandteil der Mantelschicht sein, die beispielsweise durch einen isotropen Ätzprozeß aus der entsprechend dick ausgebildeten Mantelschicht der Wellenleiteranordnung gefertigt ist.

Insgesamt besitzt ein derart aufgebauter Federarm, der neben den Elektroden nur aus dem Wellenleiter selbst besteht, den Vorteil, daß das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht wird und die Dicke des Federarms minimiert werden kann, um die mechanische Steifigkeit in einem größeren Bereich variieren bzw. minimieren zu können.

Während gemäß der ersten Ausführungsform die Effekte der Wellenleitung und die des piezoelektrischen Effektes in einem neuen bifunktionalen Bauteil für die Lösung der Aufgabe nutzbar gemacht werden, ist gemäß der zweiten Ausführungsform vorgesehen, die beim Biegen von Glasfasern auftretenden Änderungen der optischen Response auszunutzen. Diese sind durch spannungsoptische Effekte und die Überkopplung in strahlende Moden bedingt. Dieser Effekt wird normalerweise als störend betrachtet, für die vorliegende Erfindung jedoch als Meßgröße genutzt.

Hierzu ist es notwendig, daß das in den Federarm bzw. in die dort befindliche Wellenleiteranordnung eingestrahlte Licht am freien Ende des Federarms reflektiert wird, um auftretende Dämpfungen auswerten zu können. Zu diesem Zweck ist mindestens die Wellenleiterschicht am freien Ende des Federbalkens mit einem Spiegel abgeschlossen.

Vorteilhafterweise sind an den Wellenleiter über einen Y-Verzweiger eine Lichtquelle und ein Detektor angeschlossen.

Da Biegungen auch die Polarisation von eingestrahltem polarisiertem Licht beeinflußt, kann gemäß einer weiteren Variante zwischen Lichtquelle und Y- Verzweiger und zwischen Detektor und Y-Verzweiger jeweils ein Polarisator angeordnet sein.

Ferner kann vorzugsweise im Federbalken mindestens die Wellenleiterschicht durch einen Spalt unterbrochen sein, wobei dieser Spalt vorzugsweise an der Einspannstelle des Federarms angeordnet ist. Im Falle der Durchbiegung treten in diesem Bereich Dämpfungsverluste auf. Der Spalt kann vorzugsweise auch durch ein elastisches, transparentes Material ausgefüllt werden, dessen optische Transmission druckempfindlich ist. Es ist ferner möglich, das elastische Material auf den Bereich der Wellenleiterschicht zu beschränken. Als Materialien sind insbesondere PMMA geeignet.

Eine andere Variante der optischen Ausführungsform sieht vor, daß im oder am Halter ein Referenzwellenleiter angeordnet ist, der an den Wellenleiter im Federbalken angekoppelt ist. Vorzugsweise ist das freie Ende des Referenzwellenleiters ebenfalls mit einem Spiegel abgeschlossen. Die beiden reflektierten Strahlen werden vor dem Detektor zur Interferenz gebracht. Anhand des Interferenzsignals kann auf die Verbiegung des Federarms geschlossen werden.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die seitliche Darstellung eines Federarms gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 die seitliche Darstellung eines Federarms gemäß einer weiteren Ausführungsform mit nach innen verlegten Elektroden,

Fig. 3 die seitliche Ansicht eines Federarms gemäß einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 4 einen Federarm, dessen Wellenleiter an eine Lichtquelle und einen Detektor angeschlossen ist,

Fig. 5 einen Federarm, der über einen Y-Verzweiger an eine Lichtquelle und einen Detektor zur Auswertung der Änderungen der Polarisation angeschlossen ist,

Fig. 6 einen Federarm, dessen Wellenleiter durch einen Spalt unterbrochen ist,

Fig. 7 einen Federarm, dessen Wellenleiter einen Abschnitt aus druckempfindlichen Material besitzt, und

Fig. 8 einen Federarm mit einer Wellenleiteranordnung, die einen Referenzwellenleiter aufweist.

In der Fig. 1 ist ein Federarm 1 dargestellt, der an einem Halter 2 befestigt ist. Der Federarm besteht aus einer einzigen Wellenleiteranordnung, die insgesamt drei Schichten aufweist. An den Halter 2 schließt sich nach unten die obere Mantelschicht 3 an, auf die die Wellenleiterschicht 4 und die untere Mantelschicht 5 folgt. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die wellenleitende Schicht 4 mit der piezoelektrischen Schicht identisch, die beispielsweise aus PZT, ZnO oder AlN besteht. Die beiden Mantelschichten 3 und 5 bestehen aus einem niedrigerbrechenden Material, z. B. Siliziumoxinitrid oder Siliziumoxid. Der Nachweis des piezoelektrischen Effektes erfolgt über eine obere Elektrode 8 und eine untere Elektrode 9, die unmittelbar auf den Mantelschichten 3 und 5 aufgebracht sind. Die Elektroden 8 und 9 befinden sich in dem Bereich, in dem die größte Durchbiegung des Federarms 1 auftritt.

Am freien Ende 10 des Federarms 1 ist in einer Ausnehmung 7 die Spitze 6 angeordnet. Die Spitze wird vorzugsweise durch einen isotropen Ätzprozeß aus der entsprechend dick ausgebildeten Mantelschicht 5 herausgearbeitet.

Die Einleitung des Lichts in die Spitze 6 erfolgt durch das Material der Mantelschicht 5. Hierzu ist es erforderlich, die Spitze 6 möglichst dicht an der Wellenleiterschicht 4 anzuordnen, wobei Abstände < λ/2 bevorzugt sind.

In der Fig. 2 ist derselbe Schichtaufbau wie aus der Fig. 1 zu sehen, mit dem Unterschied, daß die Elektroden 8 und 9 in das Innere des Federarms 1 verlegt wurden. Die Elektroden 8 und 9 befinden sich unmittelbar auf der piezoelektrischen Wellenleiterschicht 4.

In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der im Gegensatz zu der Fig. 1 die Wellenleiterschicht 4 aus einem hochbrechenden Material wie Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid besteht und die Mantelschicht 5 aus einer niedrigbrechenden piezoelektrischen Schicht, wie z. B. AlN. Die Mantelschicht 3 besteht aus einer niedrigbrechenden Schicht, z. B. Siliziumoxid. Für die Ausbildung der Spitze 6 wird eine zusätzliche, entsprechend dicke Abdeckschicht, z. B. Siliziumnitrid auf die piezoelektrische Mantelschicht 5 aufgebracht und dann hieraus die Spitze 6 geformt. Spitzenmaterial und Mantelmaterial sind in dieser Ausführungsform unterschiedlich. Anstelle von Siliziumnitrid kann auch Siliziumoxynitrid, Siliziumcarbid oder Siliziumoxid verwendet werden.

In den Fig. 4 bis 7 werden Ausführungsformen beschrieben, bei denen zwei Effekte ausgenutzt werden. Zum einen handelt es sich um den extrinsischen Effekt, bei dem die Wechselwirkung des aus beweglichen Wellenleiterstrukturen austretenden Lichts mit einem festen Referenzsystem ausgenutzt werden. Beim intrinsischen Effekt wird dagegen eine Veränderung der geometrischen Abmessungen, der Brechzahlen oder der Doppelbrechung zu einer Änderung optischer Weglängen und damit zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften solcher Komponenten ausgenutzt. Dabei verbleibt das Licht in der Wellenleiterstruktur. So kann beispielsweise eine mechanische Spannung eines Wellenleiters infolge der Einwirkung äußerer Kräfte zur Doppelbrechung im Wellenleitermaterial und damit zu einer Beeinflussung der Polarisation des Lichtes innerhalb des Wellenleiters führen. Diese in der integrierten Optik häufig störenden Effekte können in der Sensorik zur Detektion von Kräften und Verbiegungen in mikromechanischen Strukturen ausgenutzt werden, in die wellenleitende Komponenten integriert sind.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sehen vor, in eine für die Raster-Sondenmikroskopie geeignete Anordnung, Federarm mit Spitze, ein wellenleitendes, integriert-optisches System derart zu integrieren, daß eine mechanische Auslenkung des Federarms zu einer besonders großen Änderung der optischen Antwort führt.

In der Fig. 4 ist ein Federarm 1 dargestellt, bei dem die Mantelschichten 3 und 5 sowie die Wellenleiterschicht 4 aus herkömmlichen Materialien, also nicht aus piezoelektrischen Materialien bestehen. Der Federarm ist an einem Halter 2 befestigt und besitzt an seiner Unterseite eine Spitze 6.

Die wellenleitende Schicht 4 ist über einen Y-Verzweiger über den Arm 12 mit einer Lichtquelle 14 verbunden. Der zweite Arm 13 des Y-Verzweigers 11 endet an einem Detektor 15. Das von der Lichtquelle 14 in die Wellenleiterschicht 4 eingestrahlte Licht tritt zum Teil durch die Spitze 6 aus und wird zum anderen Teil an dem am freien Ende 10 des Federarms 1 befestigten Spiegel 16 reflektiert. Der Spiegel 16 erstreckt sich über die gesamte Breite des Federarms 1 und deckt somit nicht nur die wellenleitende Schicht 4, sondern auch die Mantelschichten 3 und 5 ab. Das an diesem Spiegel 16 reflektierte Licht wird am Y-Verzweiger aufgeteilt und dem Detektor 15 zugeführt. Eine Verbiegung des Federarms 1 bewirkt gleichzeitig eine Verbiegung der Wellenleiterschicht 4, wodurch die Verluste im Wellenleiter erhöht werden und sich dadurch die am Detektor 15 gemessene Intensität verändert.

In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist zwischen dem Y-Verzweiger im Ast 12 ein Polarisator 17 und im Ast 13 ein Polarisator 18 angeordnet. Bei einer Verbiegung der Wellenleiterschicht 4 wird eine mechanisch induzierte Doppelbrechung in der Wellenleiterschicht 4 hervorgerufen. Dies führt zu einer Änderung der Polarisation der Welle, welche sich am Ausgang des Polarisators 18 in Form einer Intensitätsänderung auswirkt.

In den Fig. 6, 7 und 8 werden alternative Anordnungen beschrieben, die dazu dienen, den Effekt der optomechanischen Signalerzeugung zu verstärken.

Die Anordnung der Fig. 6 entspricht derjenigen der Fig. 4 mit dem Unterschied, daß im Federarm 1 ein Spalt 19 vorgesehen ist, der sich im Bereich der Einspannstelle des Federarms 1 befindet. Der Spalt 19 erstreckt sich von unten durch die untere Mantelschicht 5 und die Wellenleiterschicht 4 bis in den Bereich der oberen Mantelschicht 3. Dadurch entsteht eine Sollbiegestelle, in der die Verbiegung besonders stark ist. Der Spalt 19 kann durch ein elastisches transparentes Material 22, wie z. B. PMMA ausgefüllt werden, dessen optische Transmission druckempfindlich ist und dadurch die optische Weglänge oder Polarisation verändert. Die Druckempfindlichkeit des im Spalt 19 befindlichen Materials 22 bewirkt z. B. innere Spannungen, die wiederum die Transmission der Welle beeinflussen.

In der Fig. 7 ist an Stelle eines Spaltes lediglich im Bereich des Wellenleiters 4 das elastische Material 22 angeordnet, dessen optische Transmission druckempfindlich ist. Gegenüber der Ausführungsform in Fig. 6 werden eventuell auftretende Streulichtanteile vermieden. Das Material 22 wird bevorzugt im Bereich der größten Biegung des Federarms 1 angeordnet.

In der Fig. 8 ist eine Anordnung gezeigt, die interferometrische Effekte ausnutzt. Die wellenleitende Anordnung besteht aus einer Wellenleiterschicht 4 und einem zusätzlichen Referenzwellenleiter 20, der in den Halter 2 integriert und mittels eines Spiegels 21 abgeschlossen ist. Die Wellenleiter 4 und 20 werden über einen Y-Verzweiger 11a zusammengeführt und über einen weiteren Y-Verzweiger 11b mit einer Lichtquelle 14 und einem Detektor 15 verbunden. Eine Verbiegung des Federarms 1 führt zur Änderung der Phase am Y-Verzweiger 11a und damit zu einer Änderung des Interferenzsignals am Detektor 15. Eine solche interferometrische Anordnung zeichnet sich durch eine besondere Sensitivität gegenüber einer Beeinflussung der Phasendifferenz zwischen den beiden Interferometerästen aus.

Bezugszeichen

1

Federarm

2

Halter

3

obere Mantelschicht

4

Wellenleiterschicht

5

untere Mantelschicht

6

Spitze

7

Ausnehmung

8

obere Elektrode

9

untere Elektrode

10

freies Ende
11a, b Y-Verzweiger

12

Ast

13

Ast

14

Lichtquelle

15

Detektor

16

Spiegel

17

Polarisator

18

Polarisator

19

Spalt

20

Referenzwellenleiter

21

Spiegel

22

elastisches Material

Claims (16)

1. Sensor für gleichzeitige Raster-Kraftmikroskopie und optische Nahfeldmikroskopie mit einem an einem Halter befestigten Federbalken, der mindestens eine Wellenleiteranordnung mit Wellenleiterschicht und Mantelschichten sowie an seinem freien Ende eine senkrecht zur Wellenleiteranordnung ausgerichtete, optisch transparente Spitze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wellenleiteranordnung als Verbiegungssensor ausgebildet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterschicht (4) und/oder mindestens eine Mantelschicht (3, 5) aus einem piezoelektrischen Material besteht.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Wellenleiterschicht (4) aus PZT, PLZT, ZnO, BaTiO₃ oder AlN besteht.

4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Mantelschicht (3, 5) aus AlN besteht.

5. Sensor nach einem der Anspüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Federbalken (1) zwei Elektroden (8, 9) aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8, 9) auf der Unter- und/oder Oberseite des Federbalkens (1) angeordnet sind.

7. Sensor nach einem Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8, 9) im Bereich der größten Durchbiegung des Federbalkens (1) angebracht sind.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8, 9) unmittelbar auf der piezoelektrischen Wellenleiterschicht (4) angeordnet sind.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (6) integraler Bestandteil einer Mantelschicht (5) ist.

10. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Wellenleiterschicht (4) am freien Ende (10) des Federbalkens (1) mit einem Spiegel (16) abgeschlossen ist.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wellenleiterschicht (4) über einen Y-Verzweiger (11) eine Lichtquelle (14) und ein Detektor (15) angeschlossen sind.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle (14) und Y-Verzweiger (11) und zwischen Detektor (15) und Y-Verzweiger (11) jeweils ein Polarisator (17, 18) angeordnet ist.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Federbalken (1) mindestens die Wellenleiterschicht (4) durch einen Spalt (19) unterbrochen ist.

14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (19) oder mindestens ein Abschnitt der Wellenleiterschicht (4) durch ein elastisches, transparentes Material (22) ausgefüllt ist, dessen optische Transmission druckempfindlich ist.

15. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im oder am Halter (2) ein Referenzwellenleiter (20) angeordnet ist, der an die Wellenleiterschicht (4) angekoppelt ist.

16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Referenzwellenleiters (20) mittels eines Spiegels (21) abgeschlossen ist.