CN1654920A - 用于扫描探针显微镜检查的微调机构 - Google Patents

Abstract

一种用于扫描探针显微镜检查的具有高刚度和高测量精度的微调机构，通过布置安装在小的空间内的应变计位移传感器，能够获得温度补偿。由压电器件形成的微调机构设有至少两个电极，其中一个电极用作无电压施加的补偿电极，而另一个电极用作有效电极，当施加电压时该有效电极在压电器件上产生应变；一个或两个电阻设置在有效电极和补偿电极的每一个上，并通过电阻形成桥式电路。

Description

用于扫描探针显微镜检查的微调机构

技术领域

本发明涉及一种用于扫描探针显微镜检查的微调机构，该扫描探针显微镜检查用来通过借助微调机构来调节探针和试样之间的相对位置以扫描试样，从而利用探针实施测量试样表面的粗糙度或物理性能，或试样表面的机加工，或试样表面上的物质的移动。

背景技术

在现有技术的扫描探针显微镜检查的微调机构中，例如采用如图8和9所示的圆筒形压电器件(例如，参见专利公开号2598665，第4页，图1)。图8A是圆筒形压电器件的横截面图，而图9是外周表面的展开图。在相关的现有技术中，公共电极82设置在形成空心圆筒形的压电器件81的内部，而外电极形成两高度式结构，包括在第一高度上沿其圆周伸展的带形电极83，和在第二高度上将圆周分成四部分的电极84。

圆筒形压电器件81的带形电极83从内电极82向外电极83均匀地实施成极处理，象限电极84实施成极处理，以便相对于中心轴定位在相对侧的两组电极84a、84c和84b、84d具有与内电极82相反的极性。图8a所示箭头显示每一电极的成极方向，而图9所示的正负标记代表在外周表面的方向上的成极的极性。

当电源83带来的位差作用在第一高度上的内电极82和带形电极83之间时，在沿整个圆周设有带形电极83的区域内产生厚度方向上的应变，结果，圆筒形压电器件81向中心轴的方向(下面称为z方向)移动。

当电源86，87实施的电压作用在位于第二高度上的象限电极84的两组相反电极84a、84c和84b、84d之间时，如图8B所示，其中一个电极在轴向上扩展，而另一个电极在轴向上收缩，因此，圆筒形压电器件相对于轴向弯曲。当圆筒形压电器件的远端81a固定成固定端，而圆筒形压电器件的近端81b保持自由形成为自由端时，远部81b在由图8B的弧性箭头表示的方向上成弧形移动。当应变角为微小时，远端几乎在垂直于中心轴的平面内移动。因此，通过象限电极84获得在二维平面(下面称为X-Y方向)内的位移。通常，象限电极84设在固定端侧，并以如下方式构形成，输出位移增加量对应于带形电极83的长度。

在扫描探针显微镜检查中，通过在圆筒形压电器件的远端设置试样或探针，并使试样或探针在X-Y方向扫描，同时控制Z方向的距离，就能够通过探针可以测量试样表面上的粗糙度或物理性能，试样表面的机加工，或试样表面上的物质的移动。

通过构形带有如上所述构造的圆筒形压电器件的用于扫描探针显微镜检查的微调机构，可实现下面的优点。

(1)对于压电器件，可实现毫微米以下数量极的高精度微调。

(2)通过使压电器件形成圆筒形，器件单元的刚性增加，并通过在X，Y和Z方向将微调机构结合成一个单元，整个器件尺寸减小，且器件的刚性提高。结果，抗振动性能或扫描速度提高。

然而，当通过压电器件使探针和试样相对移动时，由于压电器件的滞后现象或蠕变特征，导致非线性移动，从而产生位移误差。

因此，可采用在获得压电器件的滞后曲线后通过计算进行补偿的方法，或者直接通过位移传感器测量压电器件的位移的方法。

因此，当通过计算补偿误差时，由于存在不同参数，例如器件间的机加工的不同，周围温度，扫描范围，扫描速度，和扫描方向，作为确定压电器件的功能的因素，很难全部考虑这些参数来形成补偿公式，因此，不能获得足够的测量精度。

当另一方面集成位移传感器时，可采用电容型位移传感器，光位移传感器，线性可变差接变压器位移传感器，或涡流位移传感器。然而，这些传感器都是体积大的，因此，需要较大的安装空间，从而增加了整个器件的尺寸。结果，器件的刚性降低，因此，分辨率或扫描速度变差。位移传感器本身的成本也提高。

利用应变计的方法是公知的一种方法，它可用于小的空间中，并可以进行很容易的探测位移(例如，参见“Revised NewEdition：Approach to Measurement of Strain Using a StrainGauge”，Sho Takahashi Masayasu Kawai著，Taiseisha出版，2001年6月1日，第63页，95页-97页))。

通常，应变计中使用金属电阻。在使用应变计情况下发现的问题在于不能获得高分辨率，这是因为当测量细微应变时S/N比率变差，以及电阻值随着温度显著变化，因此，测量的误差量增加。

因此，通常，桥式电路用四个电阻构形成，以便补偿温度和放大输出。

图10是表示用于应变测量的桥式电路图。电阻R1-R4的应变量由ε₁-ε₄表示。当电压E实施到电路中时，输出电压e由下式表示：

e＝Ks/4·(ε₁-ε₂+ε₃-ε₄)·E    (1)其中Ks被称为应变灵敏度系数，特别是用于应变计类型。当构造桥式电路时，必须选择相同应变灵敏度系数的应变计。

当在压缩/伸展方向探测应变时，桥式电路构形有如图11到图15所示安装的应变计。下面的描述中，在器件内产生的应变用ε表示，并且由于温度变化在应变计上产生的温度应变用ε_T表示。应变计的布线未示出。

图11涉及单一应变计方法。图11A显示粘附应变计的方法，而图11B显示应变计的布线方法。如图11A所示，应变计112粘附在部件111上，该部件111通过在由箭头指示中心轴的方向上扩展和收缩，并且产生扩展/收缩应变。应变计112在中心轴的方向上形成有电阻113，因此构造成图11B所示的桥式电路。除了R1外的电阻是固定电阻。固定电阻的应变量是0，从公式(1)得出的输出电压是：

e＝Ks/4·(ε+ε_T)·E    (2)

因此，在单一应变计方法的情况下，不能实施通过桥式电路的温度补偿。

图12涉及双应变计方法。图12A显示粘附应变计的方法，图12B应变计的布线方法。如图12A中所示，应变计122，123粘附在部件121上，该部件121通过在箭头所示的轴向上扩展和收缩，并且产生伸展/压缩应变，方式是电阻124、125在中心轴的方向和垂直于中心轴的方向上取向，因此构成如图12B中所示的桥式电路。附图标记R3、R4代表具有与应变计相同电阻值的固定电阻。既然这样，当材料的泊松比(Poisson’s ratio)用ν表示时，并且在中心轴方向上的应变用ε表示，令人满意的公式是

e＝Ks/4·(1+ν)ε·E    (3)

换句话说，可以实现温度补偿，并且输出电压放大1+ν倍。

图13也显示双应变计方法。图13A显示粘附应变计的方法，而图13B显示应变计的布线方法。在这种情况下，如图13(a)所示，应变计132、133粘附在部件131上，该部件131通过在由箭头指示的中心轴的方向上扩展和收缩，并且产生压缩/伸展应变，方式是电阻134、135平行于中心轴的方向伸展，因此构成如图13B所示的桥式电路。电阻R2、R4是与应变计具有相同电阻值的固定电阻。该情况下的输出电压是

e＝Ks/4·2(ε+ε_T)·E    (4)

换句话说，输出电压是两倍的，并且由于温度产生的应变量也增大两倍，因此不能实现温度补偿。

图14显示四应变计方法。图14A显示粘附应变计的方法，而图14B显示应变计的布线方法。如14A所示，应变计142-144粘附在部件141上，该部件141通过在由箭头指示的中心轴的方向上扩展和收缩，并产生扩展和收缩应变，方式是应变计142、144的电阻146、148在中心轴的方向上取向，应变计143、145的电阻147、149在垂直于中心轴的方向上取向，因此构成如图14B所示的桥式电路。该情况下的输出电压是：

e＝Ks/4·2(1+ν)ε·E    (5)

换句话说，可以实现温度补偿，并且输出电压增加到2(1+λ)倍。

图15涉及的系统是如双应变计方法的有效-补偿系统。图15A是粘附应变计的方法，图15B是应变计的布线方法。如图15A中所示，应变计153粘附在部件151上，该部件151通过在由箭头指示的中心轴的方向上扩展和收缩，方式是应变计153的电阻154在平行于中心轴的方向上取向，应变计155粘附在由与部件151相同的部件形成的另一个部件152上，方式是电阻156平行于中心轴取向，因此构形成如图15B所示的桥式电路。这里的电阻R3、R4是与应变计具有相同电阻值的固定电阻。在该系统中，产生应变的器件151的应变计153用作有效应变计，并且粘附在单独部件152上的应变计155用作补偿应变计，该单独部件152由与该器件的材料相同的部件形成。当有效应变计和补偿应变计放置在相同环境下时，相对于温度的应变量几乎是相同的，这样，温度引起的应变被消除，因此，桥式电路的输出电压是：

e＝Ks/4·ε·E    (6)

在使用压电器件的微调机构情况下，应变量极小。因此，在扫描探针显微镜检查的情况下要求约微毫米以下量级的精度时，由于应变计的温度的影响导致的测量误差不能忽略，因此必须实施温度补偿。

在这种情况下，通过图12、14或15中所示的以上描述方法中的之一实施温度补偿是必要的。

另外，为了获得约毫微米以下量级的精度，金属应变计在输出信号上是不足的，而且在S/N比率上是低的，因此不能获得要求的输出信号。所以，具有半导体材料形成的电阻的应变计比使用金属应变计时具有较高的应变灵敏度系数Ks。

半导体应变计具有高的应变灵敏度系数，因此，会受温度带来的应变的显著影响，因此通过桥式电路温度补偿是必须的。

然而，半导体应变计比金属应变计具有较小的最大允许应变，因此，当半导体应变计粘附在弯曲表面上时，它弯曲到超过最大允许应变的程度，因此，不能实施测量。这样，在如图12或图14所示的圆筒形压电器件的圆周方向粘附是不可能的。因此，不能实现温度补偿。

在图15中所示的有效-补偿系统中，在相同的环境下必须放置不同的探测物体。在扫描探针显微镜检查的情况下，由于粘附补偿应变计的部件放置在与微调元件相同环境下，因此必须将部件放置在尽可能接近微调机构的位置。然而，当用于安装补偿应变计的该部件的空间确保在扫描探针显微镜检查的单元内时，整个器件尺寸扩大，刚度降低，并且测量精度降低。当补偿应变计的部件布置在单元的外部时，存在安装环境的差异。在扫描探针显微镜检查中，即使微小的环境差异也能显著的影响测量精度。而且，由于作为微调机构的材料的压电器件的机械特性因机械加工的方法而变化，使形成一部分的部件的特性平稳是必要的，该部分上粘附着有效电极，并且该部分上尽可能多的粘附补偿电极。

为解决上述问题，本发明提供用于扫描探针显微镜检查的微调机构，该微调机构用于细微调节要测量的物体(试样)和探针之间的相对位置，以便通过探针扫描要测量的物体的表面，从而测量被测物体(或要测量的物体)的粗糙度或物理特性，该微调机构包括：组成微调机构的压电器件；至少两个用于向压电器件施加电压的电极，至少其中一个电极用作其上没有施加电压的补偿电极，而另一个电极用作有效电极，当电压被施加时该有效电极在压电器件上产生应变；用于在有效电极上的一个或两个位置探测应变的一个或两个电阻；和设置在补偿电极上的一个或更多电阻，其中在有效电极和补偿电极上的相应的电阻连接，以便当通过在有效电极上的电阻实施应变探测时，通过在补偿电极上的电阻实施温度补偿，从而形成桥式电路。

而且，设置两个或更多有效电极，并且有效电极的相应电阻共享在补偿电极上的相同的温度补偿的电阻，以构成桥式电路。

而且，微调机构由空心圆筒形压电器件形成，该空心圆筒形压电器件包括设置在圆筒内的公共电极，和在其外面的两个或更多电极。其中在外面的两个或更多电极的至少其中之一用作补偿电极。

更进一步，电阻由半导体的线性图形形成，并布置成设置在有效电极和补偿电极的每一个上的电阻的线性图形的纵向平行于圆筒形压电器件的中心轴方向延伸。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供用于扫描探针显微镜检查的具有高刚度和高测量精度的微调机构，通过布置安装在小的空间内的应变计位移传感器，能够获得温度补偿。

在上述构造的用于扫描探针显微镜检查的微调机构中，应变可以通过电阻测量。因此，微调机构作为致动器操作，它具有良好的线性，且不受压电器件的磁滞或蠕变影响，因此测量精度提高。而且，通过采用应变计测量位移，其安装所需空间比其它位移传感器小，因此该器件尺寸较小，且刚度提高。

通常，在使用电阻的应变计情况下，由于温度而在电阻本身上产生应变，因此测量精度降低。本发明提供的由压电器件形成的微调机构包括：至少两个用于向压电器件施加电压的电极，至少其中一个电极用作无电压施加的补偿电极，而另一个电极用作有效电极，当施加电压时该有效电极在压电器件上产生应变；一个或两个在有效电极的一个或两个位置上用于探测应变的电阻；一个或多个设置在补偿电极上的电阻，其中在有效电极和补偿电极上的相应电阻连接，以便当通过在有效电级上的电阻实施应变探测，从而通过在补偿电极上的电阻实施温度补偿，这样，形成桥式电路。因此，消除温度漂移的影响，并且测量精度提高。

在这种情况下，由于有效电极和补偿电极设置在相同的压电器件上，各电阻的安装环境和安装状态相比处于几乎相同的条件，因此温度补偿的精度提高。

微调机构包括两个或多个有效电极，并且有效电极的相应电阻与补偿电极上用于温度补偿的相同的电阻共享，以便构成桥式电路。

因此，在补偿电极上用于安装电阻的空间可以有效地被利用，并且安装在补偿电极上的电阻数量减少，从而减少布线。因此，整个器件可以减少尺寸，并且单元刚度增加。

通过构造圆筒形压电器件的微调机构，该器件的尺寸进一步减少，而且器件的刚度提高。

此外，当两个电阻中的每个设置在有效电极和补偿电极上时，并且输出信号通过桥式电路发出时，这与从每一个电极发出输出信号的情形相比，输出信号加倍，因此，输出信号的S/N比率提高。

由于半导体用作电阻，与使用金属形成的电阻情况相比，可以测量细小的应变，因此用于扫描探针显微镜检查的微调机构的位移测量精度得到进一步提高。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的用于由圆筒形压电器件形成的扫描探针显微镜检查的微调机构的轮廓图；

图2是图1所示的微调机构的展开图；

图3是粘附在图2所示的微调机构的相应轴上的电极上的应变计的连接电路图；

图4是构成带有图1所示的微调机构的原子力显微镜检查仪的全图；

图5是根据本发明的第二实施例的用于由圆筒形压电器件形成的扫描探针显微镜检查的微调机构的轮廓图；

图6是粘附在图5所示的微调机构的XY电极上的应变计的连接电路图；

图7是粘附在图5所示的微调机构上的Z电极上的应变计的连接电路图；

图8是由现有技术中的圆筒形压电器件形成的扫描探针显微镜检查的微调机构的视图，其中图8A是横截面图，耳图8B是表示驱动状态的前视图；

图9是图8所示的现有技术的微调机构的展开图；

图10是用于探测应变计的输出信号的桥式电路的连接电路图；

图11是表示现有技术的用于探测压缩/伸展应变的单一应变计方法的视图，其中图11A是表示粘附应变计的方法，而图11B是连接电路图；

图12是表示现有技术的用于探测压缩/伸展应变的双应变计方法(具有温度补偿)的视图，其中图12A是表示粘附应变计的方法，而图12B是连接电路图；

图13是表示用于探测压缩/伸展应变的双应变计方法(无温度补偿)的视图，其中图13A是表示粘附应变计的方法，而图13B是连接电路图；

图14是表示现有技术的用于探测压缩/伸展应变的四应变计方法(无温度补偿)的视图，其中图14A是表示粘附应变计的方法，而图14B是连接电路图；和

图15是表示现有技术的用于探测压缩/伸展应变的有效-补偿方法的视图，其中图15A是表示粘附应变计的方法，而图15B是连接电路图。

具体实施方式

现在参见附图，来描述本发明的优选实施例。

[第一实施例]

图1至4表示本发明的用于扫描探针显微镜检查的微调机构的第一实施例。图1是根据本发明的第一实施例的由圆筒形压电器件形成的微调机构的轮廓图。

在第一实施例中，如图1所示，圆筒形压电器件1通过使压电器件形成空心圆筒形来成形。公共电极5设置在圆筒形压电器件1内。圆筒形压电器件1的整个外周边从远端1b到近端1a分成三个高度，即第一高度(上层)，第二高度(中层)，和第三高度(下层)。用作有效电极以便向圆筒的中心轴产生应变的z-电极2和用作补偿电极的补偿电极3分别设置在第一高度和第二高度的两个高度上，沿圆筒的外周边成带形。在近端的下层的第三高度上设有象限电极4，它在圆周方向上将圆周分成四部分。

图2是图1所示的圆筒形压电器件1的展开图，它表示粘附用作电阻的应变计以便测量相应电极的应变，成极的极性，和作用在相应电极上的电压的布线的方法。

圆筒形压电器件1的带形z-电极2和补偿电极3从圆筒的内电极(公共电极5)到外电极(带形z-电极2，补偿电极3)均匀地进行成极处理。象限电极4a，4b，4c，4d从内电极(公共电极5)向象限电极4a，4b，4c，4d进行极性处理，以便极性相对于公共电极5相反。通过成极提供的图2所示的每个电极的这种极性由附图标记正和负代表。分别地，z-电极2具有正极，带形补偿电极3具有负极，象限电极4a，4b，4c，4d的X电极4a和Y电极4b具有正极，而X电极4c和Y电极4d具有负极。

在第一高度和第二高度上的带形z-电极2和补偿电极3上粘附和固定有每高度两个总共四个应变计6。通过在基材8上形成半导体7来获得线性图形的应变计6，该半导体7由N型硅酮制成，该基材8由绝缘纸和苯酚环氧树脂制成。应变计6以如下方式粘附和固定在带形z-电极2和补偿电极3上，即半导体7的线性图形的纵向平行于圆筒的中心轴(即相同方向)延伸。

与粘附和固定在带形电极2，3上的应变计6类似地，其中每两个共八个应变计6粘附和固定在象限电极4a，4b，4c，4d上，因此，线性图形的纵向平行于圆筒的中心轴延伸。

在第一实施例中，总共十二个应变计6用于放大输出电压，并能够测量细微应变，每个应变计6具有半导体电阻。

微调器件的公共电极5接地，且如图2所示，在第一高度上的带形Z-电极与电源9连接，而在第二高度上的带形补偿电极3接地，这用“GND”(大地的缩写)表示。

电源10，11分别在设于第三高度上的象限电极4的相反的两个电极4a，4c和4b，4d之间连接。

当相同的电压作用在相反的两个电极上时，在成极方向分别发生压缩和伸展的应变。此时，在垂直于成极方向也产生应变。结果，其中一个电极在轴向上伸展，而另一个电极在轴向上收缩，结果，圆筒形压电器件1在垂直于中心轴的方向上弯曲。

当圆筒形压电器件1的近端1a固定作为固定端时，而其远端1b保持自由作为自由端，这如图8B中的现有技术所示，远端1b的部分由在图8B的弧性箭头指示的方向成弧形位移。当应变角较小时，远端几乎在垂直于中心轴的平面内移动。因此，通过象限电极4获得二维平面内的位移。由于象限电极4设置在固定端侧，并构造成输出位移的增加量对应于带形电极2，3的长度。

在此，在第一高度上的粘附在带形Z-电极2上的双应变计6分别用R1、R3表示，而在第二高度上粘附在带形补偿电极3上的双应变计6分别用R2、R4表示。在两高度上粘附在带形Z-电极2和补偿电极3上的共四个应变计R1、R2、R3、R4电连接在半导体7电阻的线性图形的两端，并形成为桥式电路。

图3表示与粘附在图2所示的相应轴上的电极上的应变计连接的方法的视图。图3中电阻的附图标记R1、R2、R3、R4分别对应图2中带形Z-电极2和补偿电极3的应变计的附图标记R1、R2、R3、R4。

如图3所示，桥式电路以如下方式构成，即电压E的直流电压作用在电阻R1和R4之间以及电阻R2和R3之间，因此，通过相应电阻R1、R2、R3、R4的应变所导致的电阻值的变化，可测得电阻R1和R2之间以及电阻R3和R4之间的输出电压e。

通常，由于应变计的初始电阻值的变化取决于个别差异，因此，增加用于调节的可变电阻，以消除这种电阻初始值的变化。图3中所示的桥式电路中，一个实例是使用三触点系统的可变电阻12，其中通过改变可变电阻12的电阻值，以便将输出电压调节为0伏，从而使相应电阻R1、R2、R3、R4处于无应变产生的状态。

在该状态，电压作用在第一高度上的电极2，以使在第一高度的Z方向上产生应变ε_z。由于环境如温度的改变导致应变计的变化用ε_T表示。其上粘附有相应应变计的z电极2和补偿电极3由相同的材料形成，且它们并以并列的方式设置在相同的圆筒形压电器件上，相应应变计所处的环境相同，并因此，由于温度变化导致的应变量相同。

因此，由公式(1)可知，输出电压是：

e＝Ks/4·(ε₁-ε₂+ε₃-ε₄)·E

 ＝ks/4·{(ε_z+ε_T)-(ε_T)+(ε_z+ε_T)-(ε_T)}·E

 ＝Ks/4·2ε_z·E    (7)

因此，消除因温度产生的应变，并且获得扩大成双倍的输出电压。

通常，具有半导体电阻的应变计的最大允许应变较小。因此，当半导体应变计粘附在弯曲的圆筒表面上时，半导体应变计弯曲到超出最大允许应变的程度，并因此，无法进行测量。然而，根据本实施例，由于线性应变计以如下方式粘附，即应变计的线性图形的纵向的粘附方向平行于中心轴，电阻的粘附方向不是弯曲表面而是平面形状，因此，不会发生变形程度超过最大允许应变量的问题。

如图3中所示，应变计R1、R2、R3、R4也构形成桥式电路，该应变计R1、R2、R3、R4以两个接两个的方式粘附在象限电极的相应电极4a、4b、4c、4d上。换句话说，用于在X轴方向驱动的X电极4a、4c的应变计R1、R3和R2、R4分别对应于图3所示的桥式电路中的电阻R1、R3和R2、R4。用于在Y轴方向驱动的Y电极4b、4d的应变计R1、R3和R2、R4分别对应图3所示的桥式电路中的电阻R1、R3和R2、R4。

描述在X轴方向驱动的X电极4a、4c，向相应电极施加电压，且当与中心轴平行的伸长应变+ε_x在其中一个电极4a侧产生时，绝对值相同极性相反的压缩应变-ε_x在相反电极4c上产生，结果，圆筒形压电器件在近端绕固定端1a弯曲。由于相应应变计的粘附环境相同，温度带来的相同应变量ε在相应应变计中产生。此时输出电压从以下的公式(1)中获得。

e＝Ks/4·(ε₁-ε₂+ε₃-ε₄)·E

＝Ks/4·{(ε_x+ε_T)-(-ε_x+ε_T)+(ε_x+ε_T)-(-ε_x+ε_T)}·E

＝Ks/4·4ε_x·E    (8)

换句话说，消除了由于温度产生的应变，并可获得扩大4倍的应变。

参考公式(7)和公式(8)，输出电压e与应变灵敏度系数Ks成比例，并且电压E作用在桥式电路上。换句话说，应变灵敏度系数Ks和施加的电压E越大，则获得的输出信号就越大。商业上可获得的应变计的电阻值通常为120欧，应变灵敏度系数Ks＝2，且设有金属电阻，而本实施例使用的半导体应变计的特性是，电阻值是2千欧，应变灵敏度系数Ks＝170。

因此，由于半导体应变计的应变灵敏度系数比用金属电阻的应变计大85倍，并且电阻值比其要大约17倍，向电阻施加电压，即E的值增加，因此放大系数可以增加。结果，输出信号的S/N比率增加，因此，即使应变量微小时也能够高精度地测量。相对于半导体电阻的温度的应变量比金属电阻的大，并因此测量精度降低。然而，本实施例中，由于温度补偿通过桥式电路完成，即使使用半导体电阻时也可防止测量精度的降低。

随后，将描述利用由圆筒形压电器件1形成的微调机构的扫描探针显微镜检查。这里，将描述原子力显微镜检查仪用作扫描探针显微镜检查的实例。

图4是设有由图1所示的圆筒形压电器件1形成的微调机构的原子力显微镜检查仪的总图。

在近端1a处微调机构1固定在粗调机构20的上表面上，并且在远端部分1b设有试样平台13。探针固定器15设置在与试样14的相对的位置，该试样14放置在试样平台13上，并且在其远端固定具有微探针的悬臂16。悬臂16的位移通过由半导体激光器17和象限光电探测器18组成的光学杠杆19来测量。由圆筒形压电器件1形成的微调机构设置在粗调机构20上，并且将试样14放置在探针16附近。

当试样14和探针16相互靠近地定位在原子力有效作用的区域时，在探针和试样之间作用的原子力取决于其间的距离。因此，通过光学杠杆19探测悬臂16的偏移，并通过z电极2在z轴方向通过由圆筒形压电器件1形成的微调机构的位移来调节距离，以便获得预设定的偏差量，这样，探针和试样之间的距离可保持恒定值。此时，当通过由圆筒形压电器件1形成的微调机构的象限电极4在XY轴方向的试样14上实施光栅扫描时，可以获得试样表面上的粗糙度的图象。

此时，通过监测粘附在相应电极上的应变计(未示出)的输出信号，可获得在XYZ方向上的位移量。在上述实例中，直流电压作用在桥式电路上。然而，在该情况下，施加交流电压以便提高S/N比率，并且通过放大器(未示出)放大输出信号，接着通过同步放大器(未示出)探测位移量。

针对XY方向，应变计的输出信号输入到控制电路(未示出)中，并实施闭环控制，以便XY方向保持其直线性。

Z方向的微调机构由闭环组成。然而，在原子力的显微镜的情况下，Z方向的微调机构由开环组成。因为只有绝对位移通常是必要的，并且构形成显示绝对位移，该绝对位移通过输出信号由应变计获得。以该方式，通过配置Z方向的开环微调机构，在Z轴方向的灵敏度提高。

[第二实施例]

其后，参考图5、图6、图7，在此描述用于扫描探针显微镜检查的微调机构的第二实施例。第一实施例中描述的相应部件中的共同部件由相同的附图标记表示，而涉及相应部件间的结构或操作的相同内容在下面不再详细描述。

根据第二实施例的微调机构也采用具有与图1所示的第一实施例相同形状的圆筒形压电器件1。图5是圆筒形压电器件的的外周表面的展开图，其显示应变计的粘附，成极的极性(正负符号)，和作用在相应电极上的高电压的布线。

在第二实施例中，两个应变计Rz1、Rz3粘附在带形Z电极2上，用于在Z方向微调，应变计Rx1、Rx2、Ry1、Ry2分别粘附在X电极4a、4c和Y电极4b、4d上，用于在XY方向微调，并且四个应变计Rc1、Rc2、Rc3、Rc4粘附在带形补偿电极3上。换句话说，总共粘附着10个应变计。

图6是在X电极4a、4c和Y电极4b、4d上的应变计的布线图。图6中所示的电阻Rx1、Rx2、Ry1、Ry2分别对应图5中粘附在X电极4a、4c和Y电极4b、4d上的应变计Rx1、Rx2、Ry1、Ry2，并且图6所示的电阻Rc3、Rc4分别对应图5中在带形补偿电极3上粘附的四个应变计中的两个应变计Rc3、Rc4。

图7是在带形Z电极2上的应变计的布线图。图7所示的电阻Rz1、Rz3、分别对应图5中的带形Z电极2上的应变计Rz1、Rz3。图7所示的电阻Rc1、Rc2分别对应粘附在图5中的带形补偿电极3上的四个应变计中的两个应变计Rc1、Rc2。

在第二实施例中，四应变计方法的桥式电路构形成应变计粘附在除Z电极2之外的XY电极4的补偿电极3上。换句话说，通过使用活性-补偿电极的四应变计方法，在所有XYZ电极进行温度补偿是可能的。

用于XY电极4的补偿电极的应变计共享相同的应变计Rc3、Rc4，并与四个应变计Rx1、Rx2、Ry1、Ry2结合构造成图6所示的桥式电路。换句话说，应变计Rc3、Rc4在两个桥式电路之间共享，以便作为用于温度补偿的电阻。当采用四应变计方法时，尽管放大系数增加同时仍可实施温度补偿，布线变得复杂。然而，通过在两个桥式电路之间共享用于补偿的应变计，应变计或布线的数量减少。

Z电极2的应变计Rz1、Rz3与设置在补偿电极3上的应变计Rc1、Rc2结合还构造成图7所示的桥式电路，该补偿电极3与XY相同。以这种方式，通过共享粘附有应变计的补偿电极，安装的空间可以有效地得到利用。

补偿电极的应变计可以分别地粘附在补偿电极的区域中的相应XY电极。

对于该布置，可以实施通过四应变计方法的温度补偿。因此，测量精度提高，且同时，微调机构或设备尺寸减小，而元件的刚性提高。

本发明不限于上述第一和第二实施例。

尽管在上述实施例中已经描述了四应变计方法，通过在图3中在Z方向仅粘附R1、R3，在图3中在XY方向仅粘附R1、R2，采用双应变计方法也是可能的。在这种情况下，尽管获得的输出是四应变计方法的一半，但可消除由于温度带来的应变的影响。

电阻的类型不限于半导体，也可以使用金属应变计或采用压电件的应变计。在最常使用的金属应变计情况下，应变灵敏度系数为2，它比在实施例中的半导体应变计小约2位，并且电阻值是120欧，它相对小约一位，因此，作用在桥式电路上的电压也可减少。结果，输出电压显著降低。然而，其特征是成本降低，并且温度特征比半导体应变计更佳。

另外，尽管本发明采用在实施例中由圆筒形压电器件形成的Z电极，本发明还包括压电器件或其它形状的多层压电器件。

尽管在本实施例中，通过微调机构移动试样，驱动探针侧也是可能的。

本发明的微调机构的应用范围不限于原子力显微镜，而是可用于所有的扫描探针显微镜检查如摩擦力显微镜、使用悬臂振动的原子力显微镜、磁力显微镜、扫描近场的显微镜等等。最近，扫描探针显微镜检查也应用于试样的加工，以及试样的处理上。在这些申请中，要求微调机构位置的精确性，因此本发明的用于扫描探针显微镜检查的微调机构是非常有效的。

Claims (5)

1.一种用于扫描探针显微镜检查的微调机构，该微调机构用于微调被测物体(试样)和探针之间的相对位置，以便通过探针扫描被测物体的表面，测量被测物体的粗糙度或物理特性，该微调机构包括：

构成微调机构的压电器件；

至少两个用于向压电器件施加电压的电极，至少其中一个电极用作其上没有施加电压的补偿电极，而另一个电极用作有效电极，该有效电极在电压施加时在压电器件上产生应变；

一个或两个用于在有效电极上的一个或两个位置探测应变的电阻；和

一个或多个设置在补偿电极上的电阻；

其中，在有效电极和补偿电极上的相应电阻连接，以便当通过在有效电极上的电阻实施应变探测时，通过在补偿电极上的电阻实施温度补偿，从而形成桥式电路。

2.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜检查的微调机构，其特征在于，其包括两个或多个有效电极，其中有效电极的相应电阻共享在补偿电极上的用于温度补偿的相同电阻，以构成桥式电路。

3.如权利要求1所述的用于扫描探针显微镜检查的微调机构，其特征在于，微调机构由空心圆筒形压电器件形成，该空心圆筒形压电器件包含设置在圆筒内的公共电极，和在其外面的两个或更多电极，其中，在外面的两个或更多电极的至少其中之一用作补偿电极。

4.如权利要求2所述的用于扫描探针显微镜检查的微调机构，其特征在于，微调机构由空心圆筒形压电器件形成，该空心圆筒形压电器件包含设置在圆筒内的公共电极，和在其外面的两个或更多电极，其中，在外面的两个或更多电极的至少其中之一用作补偿电极。

5.如权利要求4所述的用于扫描探针显微镜检查的微调机构，其特征在于，电阻由半导体的线性图形形成，并布置成设置在有效电极和补偿电极的每一个上的电阻的线性图形的纵向平行于圆筒形压电器件的中心轴方向伸展。

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