Schnelle und rauscharme Messung der Cantileverauslenkung im Rasterkraftmikroskop

Abstract

Bei einem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope) wird die Oberfläche einer Probe mit einer mikromechanisch gefertigten Spitze am Ende eines Federbalkens (Cantilever) abgetastet. Die Messung der Auslenkung des Cantilevers im Sub-Nanometer Bereich erfolgt in den meisten Rasterkraftmikroskopen durch einen Laser-Lichtzeiger. Dabei wird die Position eines vom Cantilever reflektierten Laserstrahls gemessen, wobei als Detektor üblicherweise ein Vier-Quadranten Detektor (Four Quadrant Photo Detector) zum Einsatz kommt. Ziel der Diplomarbeit ist die rauscharme Vorverstärkung, Signalkonditionierung und Verarbeitung bei gleichzeitig hoher Bandbreite. Zuerst wird das Rauschen der verwendeten Komponenten (Laserdiode, Vier-Quadranten Detektor inklusive Signalaufbereitung, Analog-Digital Umsetzer) analysiert. Anschließend werden Messungen an einem bestehenden System durchgeführt. Dieses wird, basierend auf der Rauschanalyse und den Messungen, optimiert. Um bei der Analog-Digital Umsetzung den Einfluss des Quantisierungsrauschens möglichst gering zu halten, wird untersucht wie sich die Position der Analog-Digital Umsetzung in der Signalkette auf das Gesamtrauschen im Ausgangssignal auswirkt. Durch die Optimierung der eingesetzten Komponenten wird eine mittlere effektive Positionsrauschdichte von 11,86 fm/-Hz bei einer Bandbreite von 12,2MHz erreicht.

An atomic force microscope scans the sample surface with an micro-machined sharp tip at the end of a cantilever. The measuring of the deflection of the cantilever in the subnanometer range is usually done with the optical beam deflection method. In this system the position of a laser beam reflected from the cantilever is measured with a four quadrant photo detector. The goal of this thesis is to combine low-noise preamplification, signal conditioning and processing at high bandwidth. In a first step, the noise of the used components (a laser diode, a four quadrant photo detector including signal conditioning and an analog-digital converter) is analyzed. In a next step, measurements on an existing system are made. Based on the basis of the noise analysis and the measurements, the existing system is optimized in a next step. In order to minimize the influence of quantization noise coming with the analog-digital conversion, the optimal position of the analog-digital conversion in the signal chain is then determined. The optimized system achieves an average effective deflection noise density of 11.86 fm/-Hz at a bandwidth of 12.2MHz.