JP2000258330A - Scanning-type probe microscope - Google Patents

Scanning-type probe microscope

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JP2000258330A
JP2000258330A JP11057603A JP5760399A JP2000258330A JP 2000258330 A JP2000258330 A JP 2000258330A JP 11057603 A JP11057603 A JP 11057603A JP 5760399 A JP5760399 A JP 5760399A JP 2000258330 A JP2000258330 A JP 2000258330A
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elastic body
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piezoelectric
scanning
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克則 本間
Hiroshi Muramatsu
宏 村松
Akira Egawa
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain high detection sensitivity without fixing a probe and a piezoelectric body in one piece by flexibly pinching the probe with first and second elastic bodies and allowing the first elastic body to have a piezoelectric body. SOLUTION: In an elastic body 201 for pinching a probe 101 flexibly, a piezoelectric body 202 is formed on a surface, and an elastic body 206 also plays a role of a vibrator. A probe 101 that is excited up and down in the elastic body 206 is bent and vibrated with a part in contact with the elastic body 201 as a support, and at the same time the elastic body 201 causes bending deformation with the contact part as a pressure cone apex since compliance is large. Therefore, at the moment when the probe 101 moves up and down, the elastic body 201 is bent and deformed in a peripheral direction, the piezoelectric body 202 expands and contracts to generate a bipolar voltage. In this case, when the frequency of the elastic body 206 is swept, the vibration amplitude of the probe 101 increases closer to a mechanical, natural frequency. As the amplitude increases, the expansion and contraction of the piezoelectric body 202 also increases and a generated voltage increases. By monitoring the change in the generated voltage, the resonance characteristics of the probe 101 can be detected.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、プローブを試料表
面に沿って走査することによって、試料表面の形状や表
面物性を観察する走査型プローブ顕微鏡であって、プロ
ーブを振動体によって共振させ、その振動状態の変化を
検出することによって、試料表面とプローブの先端との
距離を制御する、いわいるダイナミック制御方式の走査
型プローブ顕微鏡に関し、特に光ファイバーをプローブ
として利用する走査型プローブ顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope for observing the shape and surface properties of a sample surface by scanning the probe along the surface of the sample. The present invention relates to a so-called dynamic control scanning probe microscope that controls a distance between a sample surface and a tip of a probe by detecting a change in a vibration state, and more particularly to a scanning probe microscope using an optical fiber as a probe.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のダイナミック制御方式の走査型プ
ローブ顕微鏡において試料表面を観察する場合を考え
る。ダイナミック制御方式の走査型プローブ顕微鏡は、
プローブで検出する力の種類によって2つに分けられ
る。一つは、カンチレバー形状のプローブを利用して原
子間力(Atomic Force)を検出し、プローブと試料の距
離制御を行うアトミックフォースフィードバック方式。
もう一つは、ストレート形状のプローブを利用してせん
断力(Shear Force)を検出し、プローブと試料の距離
制御を行うシアフォースフィードバック方式。いずれの
方式も、プローブを振動体によって機械的共振周波数近
傍で共振振動させ、試料表面に接近させる。プローブ先
端と試料表面の距離が10nm程度以下となると、原子
間力またはせん断力が作用する。この力により、共振特
性は変化する。この変化とは、振幅の変化であり、ある
いは位相の変化である。この、振幅の変化量や位相の変
化量が一定になるようにプローブと試料間の距離をスキ
ャナによって制御し、その制御信号を画像化すれば、試
料表面形状を観察することができる。2つの方式で異な
るところは、アトミックフォースフィードバック方式で
は、プローブを試料表面に対して垂直に振動させるのに
対し、シアフォースフィードバック方式では、プローブ
を試料表面に対して平行に振動させるところである。
2. Description of the Related Art A case of observing a sample surface with a conventional dynamic control scanning probe microscope will be considered. Dynamically controlled scanning probe microscopes
There are two types depending on the type of force detected by the probe. One is an atomic force feedback method that uses a cantilever-shaped probe to detect the atomic force and controls the distance between the probe and the sample.
The other is a shear force feedback system that detects the shear force using a straight probe and controls the distance between the probe and the sample. In either method, the probe is caused to resonate and vibrate near the mechanical resonance frequency by the vibrator to approach the sample surface. When the distance between the probe tip and the sample surface is about 10 nm or less, an atomic force or a shear force acts. This force changes the resonance characteristics. The change is a change in amplitude or a change in phase. If the distance between the probe and the sample is controlled by a scanner so that the amount of change in amplitude and the amount of change in phase are constant, and the control signal is imaged, the surface shape of the sample can be observed. The difference between the two systems is that in the atomic force feedback system, the probe is vibrated perpendicular to the sample surface, whereas in the shear force feedback system, the probe is vibrated in parallel to the sample surface.

【0003】これまで説明してきたアトミックフォース
フィードバック方式、シアフォースフィードバック方式
のいずれの場合においても、プローブの振動特性の変化
を検出するために、光テコ法や、光干渉法などの光学的
な手法が主に用いられてきた。特に、光テコ法は、高い
検出感度と比較的容易な調整により、ほとんどの走査型
プローブ顕微鏡で利用されている。
In both the atomic force feedback system and the shear force feedback system described above, an optical method such as an optical lever method or an optical interference method is used to detect a change in the vibration characteristic of the probe. Has been mainly used. In particular, the optical lever method is used in most scanning probe microscopes because of its high detection sensitivity and relatively easy adjustment.

【0004】しかしながら、このような光学的検出方法
は、光学的機構が必要なため、機構的に複雑で大型であ
り、装置構成において制約を受けるものであった。この
ような問題点を解決するために、原子間力顕微鏡用プロ
ーブの振動特性変化の検出に水晶振動子を利用しようと
いう提案が、特開昭63−309803、特開平4−1
02008に記載されている。
[0004] However, such an optical detection method requires an optical mechanism, and is mechanically complicated and large in size, and is limited in the device configuration. In order to solve such problems, proposals have been made to use a quartz oscillator for detecting a change in the oscillation characteristics of a probe for an atomic force microscope, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 63-309803 and 4-1.
02008.

【0005】また、走査型近視野顕微鏡を構成するため
に、音叉型水晶振動子と光ファイバーを一体にし、非光
学的な検出を行う方法が、特開平9−089911に開
示されている。図9は、特開平9−089911に開示
されているような、音叉型水晶振動子を利用してプロー
ブの振動特性変化を検出する型式の走査型プローブ顕微
鏡の一例を示す模式図である。この走査型プローブ顕微
鏡は、ストレート形状のプローブを試料表面に対して平
行に振動させるシアフォースフィードバック方式のもの
である。プローブ901が試料902の表面近傍に接近
して配置され、試料902は試料台903の上に載って
いる。試料台903は、スキャナ904の上に固定され
ている。このスキャナ904は一本のピエゾチューブよ
りなる型式であり、走査型プローブ顕微鏡で広く利用さ
れているものである。スキャナ904の外周側面には、
X電極908、Y電極909、Z電極910が形成され
ており、それぞれに電圧を印加することで、ピエゾスキ
ャナをXYZの各方向に独立して変形させることができ
る。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-089911 discloses a method of non-optically detecting a scanning near-field microscope by integrating a tuning-fork type crystal unit and an optical fiber to constitute a scanning near-field microscope. FIG. 9 is a schematic view showing an example of a scanning probe microscope of the type disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-089911, in which a change in the vibration characteristics of a probe is detected using a tuning-fork type crystal resonator. This scanning probe microscope is of a shear force feedback type in which a straight probe is vibrated in parallel to a sample surface. The probe 901 is arranged close to the surface of the sample 902, and the sample 902 is mounted on the sample table 903. The sample table 903 is fixed on the scanner 904. The scanner 904 is of a type including a single piezo tube, and is widely used in a scanning probe microscope. On the outer peripheral side of the scanner 904,
An X electrode 908, a Y electrode 909, and a Z electrode 910 are formed, and by applying a voltage to each of them, the piezo scanner can be independently deformed in each of the XYZ directions.

【0006】プローブ901は、プローブ901を含む
変位検出手段905に取り付けられている。変位検出手
段905の詳細は、後述する図10の説明により明確に
示すが、プローブ901の励振手段と、プローブ901
の振動検出手段である音叉型水晶振動子1001を含む
ものである。変位検出手段905よりの信号は、すなわ
ちプローブ901の振動状態を示す信号であり、プロー
ブ901と試料902との距離によって変化する。この
信号は、フィードバックコントローラ906に導入され
る。フィードバックコントローラ906は、この信号を
増幅、変調し、スキャナ904のZ電極910に電圧を
印加し、プローブ901と試料902の距離を一定に保
つ役割を持つ。一方、スキャナコントローラ907は、
X電極908とY電極909に独立して電圧を印加する
ことができる。この2つの印加電圧を連動させれば、任
意の面積をなぞるようにスキャナ904を変形させるこ
とができる。この時のX電極908、Y電極909それ
ぞれに印加される電圧と、フィードバックコントローラ
906からZ電極910に印加される電圧をオシロスコ
ープ909に入力し、時系列的にマッピングすれば、試
料902の表面形状を画像として再現することができ
る。
[0006] The probe 901 is attached to displacement detecting means 905 including the probe 901. The details of the displacement detection means 905 will be clearly shown in the description of FIG. 10 described later, but the excitation means of the probe 901 and the probe 901
And a tuning fork type crystal resonator 1001 as a vibration detecting means. The signal from the displacement detection means 905 is a signal indicating the vibration state of the probe 901 and changes according to the distance between the probe 901 and the sample 902. This signal is introduced to the feedback controller 906. The feedback controller 906 amplifies and modulates this signal, applies a voltage to the Z electrode 910 of the scanner 904, and keeps the distance between the probe 901 and the sample 902 constant. On the other hand, the scanner controller 907
A voltage can be independently applied to the X electrode 908 and the Y electrode 909. By linking these two applied voltages, the scanner 904 can be deformed so as to trace an arbitrary area. At this time, the voltage applied to each of the X electrode 908 and the Y electrode 909 and the voltage applied to the Z electrode 910 from the feedback controller 906 are input to the oscilloscope 909 and mapped in a time series. Can be reproduced as an image.

【0007】この動作状態をより詳細に述べる。今、プ
ローブ901は、試料902の表面と平行に励振され
る。つまり、紙面において左右に振動する。プローブ9
01の振動状態は、プローブ901と試料902の間に
働くせん断力(シアフォース)によって変化する。この
せん断力(シアフォース)は、試料902の表面の水分
やコンタミネーションにより発生するもので、プローブ
901と試料902の距離により指数関数的に変化する
ものである。したがって、プローブ901の振動状態変
化を検出することによって、プローブ901と試料90
2の距離変化を知ることができる。この時に、検出感度
を高くするため、プローブ901をその固有振動数近傍
で共振振動させる。ただし、図10で説明するように、
プローブ901と音叉型水晶振動子は一体固定されてい
るので、ここでいう固有振動数とは、正確には音叉型水
晶振動子1001にプローブ901を付加した状態での
音叉型水晶振動子1001の固有振動数ということにな
る。
The operation state will be described in more detail. Now, the probe 901 is excited in parallel with the surface of the sample 902. That is, it vibrates right and left on the paper. Probe 9
The vibration state of 01 changes due to a shear force (shear force) acting between the probe 901 and the sample 902. This shearing force (shear force) is generated by moisture or contamination on the surface of the sample 902, and changes exponentially depending on the distance between the probe 901 and the sample 902. Therefore, by detecting a change in the vibration state of the probe 901, the probe 901 and the sample 90 are detected.
2 can be known. At this time, in order to increase the detection sensitivity, the probe 901 is caused to resonate and vibrate near its natural frequency. However, as described in FIG.
Since the probe 901 and the tuning-fork type quartz resonator are integrally fixed, the natural frequency referred to here is exactly the same as that of the tuning fork-type quartz resonator 1001 in a state where the probe 901 is added to the tuning-fork quartz resonator 1001. This is the natural frequency.

【0008】ここで、プローブ901を試料902の表
面に接近させ、その後、スキャナ904のX電極908
とY電極909に電圧を周期的に印加し、試料902を
プローブ901に対して走査した場合を考える。まず、
プローブ901と音叉型水晶振動子1001を無負荷状
態で励振手段によって振動させ、その共振特性を測定す
る。これは、プローブ901の振動変化を音叉型水晶振
動子1001によって電圧信号変化に変換することで行
う。プローブ901を音叉型水晶振動子1001の固有
振動数近傍(近傍であって固有振動数に一致させるもの
ではない)で振動させながら、試料902に接近させて
いくと、せん断力(シアフォース)によってプローブ9
01の振動状態が変化する。その変化は、例えば振幅量
変化であり、あるいは位相の変化である。これらの変化
量をある一定の値に設定すれば、プローブ901と試料
902の距離は一義的に決められる。
[0008] Here, the probe 901 is brought close to the surface of the sample 902, and thereafter, the X electrode 908 of the scanner 904.
And a voltage is periodically applied to the Y electrode 909 and the sample 902 is scanned with respect to the probe 901. First,
The probe 901 and the tuning-fork type crystal unit 1001 are vibrated by the excitation means in a no-load state, and their resonance characteristics are measured. This is performed by converting a change in vibration of the probe 901 into a change in voltage signal by the tuning fork type crystal resonator 1001. When the probe 901 is made to approach the sample 902 while vibrating in the vicinity of the natural frequency of the tuning-fork type quartz resonator 1001 (which is close to the natural frequency and does not match the natural frequency), a shear force (shear force) is generated. Probe 9
The vibration state of 01 changes. The change is, for example, a change in amplitude or a change in phase. If these changes are set to a certain value, the distance between the probe 901 and the sample 902 is uniquely determined.

【0009】この状態で、スキャナ904により試料9
02をXY方向に走査する。試料902の表面には微小
な凸凹があり、試料902を走査することによって、プ
ローブ901と試料902の距離は変化し、プローブ9
01の振動状態は変化する。この変化量をフィードバッ
クコントローラ906により検出し、プローブ901と
試料902の距離が元の状態に戻るように、スキャナ9
04のZ電極910にフィードバック電圧を印加する。
これを繰り返すことで、プローブ901は試料902と
の距離を一定に保ったまま、試料902の表面をなぞる
ことになる。
In this state, the sample 9 is scanned by the scanner 904.
02 is scanned in the X and Y directions. The surface of the sample 902 has minute irregularities, and by scanning the sample 902, the distance between the probe 901 and the sample 902 changes.
The vibration state of 01 changes. This change amount is detected by the feedback controller 906, and the scanner 9 is moved so that the distance between the probe 901 and the sample 902 returns to the original state.
A feedback voltage is applied to the Z electrode 910 of FIG.
By repeating this, the probe 901 traces the surface of the sample 902 while keeping the distance to the sample 902 constant.

【0010】このときに、Z電極910に印加されるフ
ィードバック電圧と、X電極908、Y電極909に印
加される電圧をオシロスコープ909に入力し、時系列
的にマッピングすれば、試料902の表面形状を画像と
して再現できる。以上説明したように、この走査型プロ
ーブ顕微鏡は、せん断力(シアフォース)を利用してプ
ローブと試料の距離を制御することから、シアフォース
フィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡と呼ばれ
る。
[0010] At this time, the feedback voltage applied to the Z electrode 910 and the voltage applied to the X electrode 908 and the Y electrode 909 are input to the oscilloscope 909 and mapped in a time series. Can be reproduced as an image. As described above, this scanning probe microscope controls the distance between the probe and the sample using shear force (shear force), and is therefore called a shear force feedback scanning probe microscope.

【0011】図10は、図9に示したシアフォースフィ
ードバック方式の走査プローブ顕微鏡の構成のうち、変
位検出手段905の構成を詳細に示したものである。図
10において、プローブ901は音叉型水晶振動子10
01の一つの腕に固定される。固定は、一般的に接着に
より行われる。音叉型水晶振動子1001は、振動体1
002の上に固定される。音叉型水晶振動子1001と
振動体1002の固定は、接着剤が利用されることが多
い。音叉型水晶振動子1001には電極および端子が形
成されるが、図10では省略する。電極の端子部分から
は信号線が引き出され、図9に示したフィードバックコ
ントローラ906に接続される。この音叉型水晶振動子
1001は、腕に垂直方向の変形に対し、電圧を発生す
る。
FIG. 10 shows in detail the structure of the displacement detecting means 905 in the structure of the shear force feedback scanning probe microscope shown in FIG. In FIG. 10, a probe 901 is a tuning fork type quartz oscillator 10.
01 is fixed to one arm. The fixing is generally performed by adhesion. The tuning fork type crystal resonator 1001 is
002. In many cases, an adhesive is used to fix the tuning-fork type crystal unit 1001 and the vibrating body 1002. Although electrodes and terminals are formed on the tuning-fork type crystal resonator 1001, they are omitted in FIG. A signal line is drawn out from a terminal portion of the electrode, and is connected to the feedback controller 906 shown in FIG. The tuning-fork type crystal unit 1001 generates a voltage when the arm is deformed in a direction perpendicular to the arm.

【0012】さらに、振動体1002は、プローブホル
ダー1003に固定され、プローブホルダー1003に
はプローブ901を保持するプローブ固定体1004が
固定される。振動体1002には、振動体1002を振
動させるための電圧波形を発生する駆動回路912が接
続される。
Further, the vibrating body 1002 is fixed to a probe holder 1003, and a probe fixed body 1004 holding a probe 901 is fixed to the probe holder 1003. A driving circuit 912 that generates a voltage waveform for vibrating the vibrating body 1002 is connected to the vibrating body 1002.

【0013】次に動作状態を説明する。今、音叉型水晶
振動子1001とプローブ901が、振動体1002に
よって紙面の左右(矢印方向)に励振されるものとす
る。すでに述べたように、検出感度を上げるため、音叉
型水晶振動子1001とプローブ901は、音叉型水晶
振動子1001の機械的固有振動数近傍で共振させる。
時計などに利用され、入手しやすい水晶振動子の固有振
動数は、約32kHzである。プローブ901の先端が
試料902に接近すると、プローブ901はせん断力
(シアフォース)を受け、振動状態が変わる。例えば振
幅量変化であり、あるいは位相の変化である。この変化
は、水晶振動子1001から発信される電圧信号の変化
より読みとれる。この電圧信号はフィードバックコント
ローラ906に送られ、図9で説明したような動作を経
て試料9702の表面形状を再現することができる。
Next, the operation state will be described. Now, it is assumed that the tuning fork type crystal resonator 1001 and the probe 901 are excited by the vibrating body 1002 in the left and right directions (in the direction of the arrow) of the drawing. As described above, the tuning fork type crystal unit 1001 and the probe 901 resonate near the mechanical natural frequency of the tuning fork type crystal unit 1001 in order to increase the detection sensitivity.
The natural frequency of a crystal oscillator that is easily available and used for watches and the like is about 32 kHz. When the tip of the probe 901 approaches the sample 902, the probe 901 receives a shear force (shear force), and the vibration state changes. For example, a change in amplitude or a change in phase. This change can be read from the change in the voltage signal transmitted from the crystal unit 1001. This voltage signal is sent to the feedback controller 906, and the surface shape of the sample 9702 can be reproduced through the operation described with reference to FIG.

【0014】図11は、図9に示したシアフォースフィ
ードバック方式の走査プローブ顕微鏡の構成のうち、別
の実施の形態の変位検出手段905の構成を詳細に示し
たものである。図11において、励振用圧電体1101
と振動検出用圧電体1102が、一体となってプローブ
ホルダー1103上に配置される。この2つの圧電体の
両方にプローブ901が固定される。固定は、一般的に
接着により行われる。励振用圧電体1101と振動検出
用圧電体1102には、電極および端子が形成される
が、図11では省略する。励振用圧電体1101の電極
の端子部分からは信号線が引き出され、図9に示した駆
動回路912に接続される。励振用圧電体1101は、
駆動回路912より印加される電圧波形に対し、プロー
ブ901に垂直方向に振動する。一方、振動検出用圧電
体1102の電極の端子部分からは信号線が引き出さ
れ、図9に示したフィードバックコントローラ906に
接続される。この振動検出用圧電体1102は、プロー
ブ901に垂直方向の変形に対し、電圧を発生する。
FIG. 11 shows in detail the structure of a displacement detecting means 905 of another embodiment of the structure of the shear force feedback scanning probe microscope shown in FIG. In FIG. 11, a piezoelectric body for excitation 1101
And the vibration detecting piezoelectric body 1102 are integrally disposed on the probe holder 1103. The probe 901 is fixed to both of these two piezoelectric bodies. The fixing is generally performed by adhesion. Electrodes and terminals are formed on the excitation piezoelectric body 1101 and the vibration detection piezoelectric body 1102, but they are omitted in FIG. A signal line is drawn from a terminal portion of the electrode of the excitation piezoelectric body 1101 and connected to the drive circuit 912 shown in FIG. The excitation piezoelectric body 1101 is
The probe 901 vibrates in a direction perpendicular to the voltage waveform applied from the drive circuit 912. On the other hand, a signal line is drawn out from a terminal portion of an electrode of the vibration detecting piezoelectric body 1102 and connected to the feedback controller 906 shown in FIG. The piezoelectric body for vibration detection 1102 generates a voltage in response to deformation in a direction perpendicular to the probe 901.

【0015】さらに、プローブホルダー1103にはプ
ローブ901を保持するプローブ固定体1104が固定
される。次に動作状態を説明する。今、プローブ901
が、励振用圧電体1102によって紙面の左右(矢印方
向)に励振されるものとする。プローブ901は、振動
検出用圧電体1101の機械的固有振動数で共振させら
れる。プローブ901の先端が試料902に接近する
と、プローブ901はせん断力(シアフォース)を受
け、振動状態が変わる。例えば振幅量変化であり、ある
いは位相の変化である。この変化は、振動検出用圧電体
1101から発信される電圧信号の変化より読みとれ
る。この電圧信号はフィードバックコントローラ906
に送られ、図9で説明したような動作を経て試料902
の表面形状を再現することができる。
Further, a probe fixing body 1104 holding a probe 901 is fixed to the probe holder 1103. Next, the operation state will be described. Now, probe 901
Are excited to the left and right (in the direction of the arrow) on the paper surface by the excitation piezoelectric body 1102. The probe 901 is resonated at the mechanical natural frequency of the vibration detecting piezoelectric body 1101. When the tip of the probe 901 approaches the sample 902, the probe 901 receives a shear force (shear force), and the vibration state changes. For example, a change in amplitude or a change in phase. This change can be read from the change in the voltage signal transmitted from the vibration detecting piezoelectric body 1101. This voltage signal is supplied to the feedback controller 906
Is sent to the sample 902 through the operation described with reference to FIG.
Can be reproduced.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】上記の提案により、走
査型プローブ顕微鏡の構成は、よりシンプルなものとな
りつつある。しかしながら、検出手段の構成上、新たな
問題も発生している。従来技術のいずれの例も、プロー
ブを付加した水晶振動子などの圧電振動子をその固有振
動数近傍で共振振動させ、プローブ先端に作用する力に
よる共振特性の変化を圧電振動子の電荷変化によって検
出しようとするものである。いわゆる狭帯域の共振型の
センサーとして構成するものであり、センサーに高いQ
値を必要とするものであった。このような検出手段を構
成する場合、プローブと圧電振動子の一体固定が必要に
なり、それに伴う問題が発生するとともに、圧電振動子
の特性により変位検出手段の特性が決定してしまうとい
う問題が起きる。それを以下に具体的に述べる。
With the above proposal, the configuration of the scanning probe microscope is becoming simpler. However, a new problem has occurred due to the configuration of the detecting means. In any of the prior art examples, a piezoelectric vibrator, such as a quartz vibrator with a probe, resonates and vibrates in the vicinity of its natural frequency. That is what we are trying to detect. The sensor is configured as a so-called narrow-band resonance type sensor, and has a high Q
Values were needed. When such a detecting means is configured, it is necessary to integrally fix the probe and the piezoelectric vibrator, which causes a problem and a problem that the characteristic of the displacement detecting means is determined by the characteristic of the piezoelectric vibrator. Get up. This will be specifically described below.

【0017】例えば、従来技術の例とした特開平9−0
89911では、音叉型水晶振動子を振動特性の変化の
検出に用いている。構成としては、図8で説明したよう
に、音叉型水晶振動子の一辺の腕に光ファイバーよりな
るプローブを接着するものである。光ファイバープロー
ブを音叉型水晶振動子の腕に接着する場合、接着部が極
めて微小な領域であり、例えば、直径125μmの光フ
ァイバーを使用する場合、約100μm平方である。し
たがって、接着作業が困難であるとともに、接着位置、
接着強度の再現性も低い。また、接着状態によって、音
叉型水晶振動子+プローブの機械的特性値がばらつき易
いという問題がある。それはすなわち、ばね定数であ
り、Q値である。特に、Q値は、共振周波数特性の変化
の検出感度を決める要素であり、一定した値が望まし
い。
For example, Japanese Patent Laid-Open Publication No.
No. 89911 uses a tuning fork type quartz resonator for detecting a change in vibration characteristics. As a configuration, as described with reference to FIG. 8, a probe made of an optical fiber is bonded to an arm on one side of the tuning fork type quartz resonator. When the optical fiber probe is bonded to the arm of the tuning-fork type quartz resonator, the bonding portion is an extremely small area. For example, when an optical fiber having a diameter of 125 μm is used, the area is about 100 μm square. Therefore, while the bonding operation is difficult, the bonding position,
The reproducibility of adhesive strength is also low. In addition, there is a problem that the mechanical characteristic value of the tuning fork type quartz oscillator + probe tends to vary depending on the bonding state. That is, it is a spring constant and a Q value. In particular, the Q value is an element that determines the detection sensitivity of the change in the resonance frequency characteristic, and is preferably a constant value.

【0018】一方、この音叉型水晶振動子のQ値が、フ
ィードバック制御をするのには高すぎるという問題があ
る。先に挙げた音叉型水晶振動子の場合、無負荷におい
てQ値は10000近い。特開平9−089911の例
においては、プローブを固定した状態においてもなお2
000以上のQ値を示す。このようにQ値が高い場合、
振動の減衰時間が長くなることによって応答速度が低下
し、スキャナによる試料走査の速度が遅くなる。
On the other hand, there is a problem that the Q value of this tuning-fork type crystal resonator is too high for performing feedback control. In the case of the above-mentioned tuning fork type quartz resonator, the Q value is close to 10,000 under no load. In the example of Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-089911, even when the probe is
It shows a Q value of 000 or more. When the Q value is high,
As the vibration decay time increases, the response speed decreases, and the speed of scanning the sample by the scanner decreases.

【0019】また一方、現在容易に入手しうる水晶振動
子は、時計用のものであり、その共振周波数は約32k
Hzである。プローブを共振させるノンコンタクトモー
ドの走査型プローブ顕微鏡では、水晶振動子の固有振動
数と、プローブ単体の固有振動数を一致もしくは接近さ
せる必要があるため、利用できるプローブは一義的に決
められてしまう。このため、プローブのばね定数も一義
的に決められてしまい、多種多様の試料に対応するため
に数種類のばね定数のプローブを使い分ける、というこ
とが出来なくなる問題がある。
On the other hand, currently available quartz oscillators are for clocks and have a resonance frequency of about 32 k.
Hz. In a non-contact mode scanning probe microscope that resonates the probe, it is necessary to make the natural frequency of the crystal unit and the natural frequency of the probe unit equal or close to each other, so the available probe is uniquely determined. . For this reason, the spring constant of the probe is uniquely determined, and there is a problem that it is not possible to properly use probes having several kinds of spring constants in order to cope with various kinds of samples.

【0020】さらに別の問題として、水晶振動子や圧電
素子のばね定数が大きい、つまり、硬いという性質が上
げられる。一般的な走査型プローブ顕微鏡用のノンコン
タクト観察用カンチレバープローブのばね定数が3〜4
0N/m、シアフォースフィードバック方式の走査型プ
ローブ顕微鏡用のストレートの光ファイバープローブの
ばね定数が40〜700N/mであるのに対し水晶振動
子のばね定数は3200N/mである。従来の走査型プ
ローブ顕微鏡では、水晶振動子とプローブを一体固定し
て利用するため、プローブのばね定数は実質的に水晶振
動子のそれに等しくなる。プローブと試料表面の距離を
離して観察する場合は、プローブと試料表面が接触する
ことはなく、水晶振動子の固さは問題には成らず、水晶
振動子の高い機械的Q値による高感度という特徴が活か
せる。ところが、空間分解能を向上させるために、プロ
ーブと試料表面の距離を近づける場合、プローブが試料
に接触する場合がある。観察する試料が生物や有機薄膜
の場合は、試料を損傷してしまうという問題があった。
Another problem is that the crystal oscillator and the piezoelectric element have a large spring constant, that is, they are hard. The spring constant of a general non-contact observation cantilever probe for a scanning probe microscope is 3 to 4.
The spring constant of a straight optical fiber probe for a scanning force microscope of the shear force feedback type is 0 to 70 N / m, whereas the spring constant of the quartz oscillator is 3200 N / m. In the conventional scanning probe microscope, since the quartz oscillator and the probe are integrally used, the spring constant of the probe is substantially equal to that of the quartz oscillator. When the distance between the probe and the sample surface is observed, the probe and the sample surface do not come into contact with each other, and the hardness of the crystal unit does not matter, and high sensitivity is achieved by the high mechanical Q value of the crystal unit. You can take advantage of the feature. However, when the distance between the probe and the sample surface is reduced to improve the spatial resolution, the probe may come into contact with the sample. When the sample to be observed is an organism or an organic thin film, there is a problem that the sample is damaged.

【0021】本発明の目的は、プローブと圧電体を一体
固定せず、可撓性のある弾性体と、コンプライアンスの
大きい(柔らかい)広帯域の圧電体を用い、非共振型の
変位センサーを構成することによって、従来技術の持つ
問題を解決するところにある。
An object of the present invention is to form a non-resonant displacement sensor by using a flexible elastic body and a wide band (soft) piezoelectric body having high compliance without fixing the probe and the piezoelectric body integrally. This is to solve the problems of the prior art.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、先鋭化された先端部を有するプローブと、プロー
ブを振動させるプローブ振動体と、プローブの振動の振
動特性変化を検出する変位検出手段と、サンプルをプロ
ーブに対して3次元的に走査するスキャナと、変位検出
手段の変位信号を増幅もしくは変調しスキャナにフィー
ドバックするフィードバック回路を有する走査型プロー
ブ顕微鏡において、弾性体からなるプローブと、前記プ
ローブを保持する2つの弾性体、すなわち第1の弾性体
と、第2の弾性体を有し、第1の弾性体と、第2の弾性
体によりプローブを可撓自在に挟み、さらに第1の弾性
体またはプローブが圧電体を有することにより変位検出
手段を構成することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
を考案した。
In order to solve the above-mentioned problems, a probe having a sharpened tip, a probe vibrator for vibrating the probe, and a displacement detector for detecting a change in the vibration characteristic of the probe vibration. Means, a scanner that three-dimensionally scans the sample with respect to the probe, and a probe made of an elastic body in a scanning probe microscope having a feedback circuit that amplifies or modulates a displacement signal of the displacement detection means and feeds it back to the scanner. It has two elastic bodies holding the probe, namely, a first elastic body and a second elastic body, and the probe is flexibly sandwiched between the first elastic body and the second elastic body. A scanning probe microscope has been devised in which one elastic body or probe has a piezoelectric body to constitute a displacement detecting means.

【0023】このような構成とすることにより、 1)水晶振動子などの圧電素子とプローブの接着という
作業が不要となり、接着状態によって、水晶振動子+プ
ローブの機械的特性値がばらつき易いという問題をなく
した。 2)Q値が小さく、特定の固有振動数を持たない圧電ポ
リマー材料が利用できるため、変位検出手段を広帯域の
非共振型変位センサーとして構成できる。これにより、
プローブの持つ固有振動数を調整する必要がなく、その
まま振動状態の変化を検出することが可能となり、固有
振動数の異なる多種多様のプローブを利用することが出
来る。
With such a configuration, 1) there is no need to perform an operation of bonding a piezoelectric element such as a quartz oscillator to a probe, and the mechanical characteristics of the quartz oscillator and the probe tend to vary depending on the state of adhesion. Lost. 2) Since a piezoelectric polymer material having a small Q value and having no specific natural frequency can be used, the displacement detecting means can be configured as a broadband non-resonant displacement sensor. This allows
It is not necessary to adjust the natural frequency of the probe, and it is possible to detect a change in the vibration state as it is, and it is possible to use various kinds of probes having different natural frequencies.

【0024】3)Q値が小さい圧電ポリマー材料が利用
できるため、高いQ値により起こる応答速度の低下を防
ぎ、速い試料走査が出来る。 4)プローブを変位検出手段により柔軟に弾性保持する
ため、その保持力を調整することによりプローブの振動
を減衰させることができ、プローブの持つQ値を適正に
調整することができる。
3) Since a piezoelectric polymer material having a small Q value can be used, a decrease in the response speed caused by a high Q value can be prevented, and a fast sample can be scanned. 4) Since the probe is flexibly and elastically held by the displacement detecting means, the vibration of the probe can be attenuated by adjusting the holding force, and the Q value of the probe can be properly adjusted.

【0025】5)変位検出手段が柔らかいため、プロー
ブのばね定数に影響することがなく、柔らかい試料に損
傷を与えることがない。また、ばね定数の異なる多種多
様のプローブを利用することが出来る。という優れた効
果を発揮する。
5) Since the displacement detecting means is soft, it does not affect the spring constant of the probe and does not damage the soft sample. Further, various probes having different spring constants can be used. It has an excellent effect.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】[実施の形態1]以下に、本発明
の実施の形態1について図面を参照して説明する。図1
は、本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態1の構成
を示したものである。図1の構成は、図9の従来技術で
説明したストレート形状のプローブを利用するシアフォ
ースフィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡ではな
く、カンチレバー形状のプローブを利用するアトミック
フォースフィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡の
例である。プローブ101が試料102の表面近傍に接
近して配置され、試料102は試料台103の上に載っ
ている。試料台103は、スキャナ104の上に固定さ
れている。このスキャナ104は一本のピエゾチューブ
よりなる型式であり、走査型プローブ顕微鏡で一般的に
利用されるものである。スキャナ104の外周側面に
は、X電極108、Y電極109、Z電極110が形成
されており、それぞれに電圧を印加することで、ピエゾ
スキャナをXYZの各方向に独立して変形させることが
できる。
Embodiment 1 Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG.
1 shows a configuration of a scanning probe microscope according to Embodiment 1 of the present invention. The configuration of FIG. 1 is not a shear force feedback scanning probe microscope using a straight probe described in the prior art of FIG. 9, but an atomic force feedback scanning probe microscope using a cantilever probe. It is an example. The probe 101 is arranged close to the vicinity of the surface of the sample 102, and the sample 102 is mounted on the sample table 103. The sample stage 103 is fixed on a scanner 104. The scanner 104 is of a type including a single piezo tube, and is generally used in a scanning probe microscope. An X electrode 108, a Y electrode 109, and a Z electrode 110 are formed on the outer peripheral side surface of the scanner 104, and by applying a voltage to each of them, the piezo scanner can be independently deformed in each of the XYZ directions. .

【0027】プローブ101は、プローブ101を含む
変位検出手段105に取り付けられている。変位検出手
段105の詳細は、後述する図2の説明により明確に示
すが、プローブ101の励振手段と、プローブ101の
振動検出手段をも含むものである。変位検出手段105
よりの信号は、すなわちプローブ101の振動状態を示
す信号であり、プローブ101と試料102との距離に
よって変化する。この信号は、フィードバックコントロ
ーラ106に導入される。フィードバックコントローラ
106は、この信号を増幅、変調し、スキャナ104の
Z電極110に電圧を印加し、プローブ101とサンプ
ル102の距離を一定に保つ役割を持つ。一方、スキャ
ナコントローラ107は、X電極108とY電極109
に独立して電圧を印加することができる。この2つの印
加電圧を連動させれば、任意の面積をなぞるようにスキ
ャナ104を変形させることができる。この時のX電極
108、Y電極109それぞれに印加される電圧と、フ
ィードバックコントローラ106からZ電極110に印
加される電圧をオシロスコープ109に入力し、時系列
的にマッピングすれば、サンプル102の表面形状を画
像として再現することができる。
The probe 101 is attached to a displacement detecting means 105 including the probe 101. Although the details of the displacement detecting means 105 will be clearly shown in the description of FIG. 2 described later, the displacement detecting means 105 also includes an exciting means of the probe 101 and a vibration detecting means of the probe 101. Displacement detecting means 105
This signal is a signal indicating the vibration state of the probe 101, and changes depending on the distance between the probe 101 and the sample 102. This signal is introduced to the feedback controller 106. The feedback controller 106 amplifies and modulates this signal, applies a voltage to the Z electrode 110 of the scanner 104, and keeps the distance between the probe 101 and the sample 102 constant. On the other hand, the scanner controller 107 includes an X electrode 108 and a Y electrode 109.
Can be applied independently. By linking these two applied voltages, the scanner 104 can be deformed so as to trace an arbitrary area. At this time, the voltage applied to each of the X electrode 108 and the Y electrode 109 and the voltage applied to the Z electrode 110 from the feedback controller 106 are input to the oscilloscope 109 and mapped in a time series. Can be reproduced as an image.

【0028】この動作状態をより詳細に述べる。プロー
ブ101の振動状態は、プローブ101と試料102の
間に働く原子間力によって変化し、この原子間力は、プ
ローブ101と試料102との距離により指数関数的に
変化するものである。したがって、プローブ101の振
動状態変化を検出することによって、プローブ101と
試料102の距離変化を知ることができる。
This operating state will be described in more detail. The vibration state of the probe 101 changes due to the interatomic force acting between the probe 101 and the sample 102, and the interatomic force changes exponentially according to the distance between the probe 101 and the sample 102. Therefore, a change in the distance between the probe 101 and the sample 102 can be known by detecting a change in the vibration state of the probe 101.

【0029】ここで、プローブ101を試料102の表
面に接近させ、その後、スキャナ104のX電極108
とY電極109に電圧を周期的に印加し、試料102を
プローブ101に対して走査した場合を考える。まず、
プローブ101を無負荷状態で励振手段によって振動さ
せ、その共振特性を測定する。プローブ101をその固
有振動数近傍で振動させながら、サンプル102に接近
させていくと、原子間力によってプローブ101の振動
状態が変化する。その変化は、例えば振幅量変化であ
り、あるいは位相の変化である。これらの変化量をある
一定の値に設定すれば、プローブ101と試料102の
距離は一義的に決められる。
Here, the probe 101 is brought close to the surface of the sample 102, and then the X electrode 108 of the scanner 104 is
And a voltage is periodically applied to the Y electrode 109 and the sample 102 is scanned with respect to the probe 101. First,
The probe 101 is vibrated by the excitation means in a no-load state, and its resonance characteristics are measured. When the probe 101 is made to approach the sample 102 while being vibrated near its natural frequency, the vibration state of the probe 101 changes due to an atomic force. The change is, for example, a change in amplitude or a change in phase. If these changes are set to a certain value, the distance between the probe 101 and the sample 102 is uniquely determined.

【0030】この状態で、スキャナ104により試料1
02をXY方向に走査する。試料102の表面には微小
な凸凹があり、試料102を走査することによって、プ
ローブ101と試料102の距離は変化し、プローブ1
01の振動状態は変化する。この変化量をフィードバッ
クコントローラ106により検出し、プローブ101と
試料102の距離が元の状態に戻るように、スキャナ1
04のZ電極110に電圧を印加する。これを繰り返す
ことで、プローブ101は試料102との距離を一定に
保ったまま、試料102の表面をなぞることになる。こ
のときに、Z電極110に印加される電圧と、X電極1
08、Y電極109に印加される電圧をオシロスコープ
109に入力し、時系列的にマッピングすれば、試料1
02の表面状態を画像として再現できる。
In this state, the sample 1 is
02 is scanned in the X and Y directions. The surface of the sample 102 has minute irregularities. By scanning the sample 102, the distance between the probe 101 and the sample 102 changes.
The vibration state of 01 changes. The amount of change is detected by the feedback controller 106, and the scanner 1 is moved so that the distance between the probe 101 and the sample 102 returns to the original state.
A voltage is applied to the Z electrode 110 of FIG. By repeating this, the probe 101 traces the surface of the sample 102 while keeping the distance to the sample 102 constant. At this time, the voltage applied to the Z electrode 110 and the X electrode 1
08, the voltage applied to the Y electrode 109 is input to the oscilloscope 109 and time-sequentially mapped.
02 can be reproduced as an image.

【0031】なお、図1に示した装置構成図は、本発明
に関わる主要な部分を記載したものであり、実際の発明
の実施に当たっては、図1に記載されている以外の一般
的な走査型プローブ顕微鏡で使用されている構成要素も
含まれる。また、説明した動作状態も、一般的な走査型
プローブ顕微鏡のノンコンタクト方式の一例であり、本
発明に制限を加えるものではない。
The apparatus configuration diagram shown in FIG. 1 shows the main parts related to the present invention. In actual implementation of the present invention, general scanning other than that shown in FIG. The components used in the scanning probe microscope are also included. Further, the operation state described above is also an example of a non-contact method of a general scanning probe microscope, and does not limit the present invention.

【0032】図2は、本発明の走査プローブ顕微鏡の実
施の形態1の構成のうち、変位検出手段105の構成を
詳細に示したものである。図2では、その構成を明確に
するため、図1に示される変位検出手段105を逆さま
にして示してある。図2において、プローブ101は第
1の弾性体201と第2の弾性体206によって弾性的
に挟まれ、ここがプローブ101の振動支点となる。
FIG. 2 shows in detail the structure of the displacement detecting means 105 in the structure of the first embodiment of the scanning probe microscope of the present invention. In FIG. 2, the displacement detection means 105 shown in FIG. 1 is shown upside down to clarify the configuration. In FIG. 2, the probe 101 is elastically sandwiched between a first elastic body 201 and a second elastic body 206, and this serves as a vibration fulcrum of the probe 101.

【0033】第2の弾性体206は、圧電材料からなり
振動体を兼ねている。第2の弾性体206としては、広
く用いられているPZTのバイモルフ振動子や、積層圧
電素子を利用する。第2の弾性体206とプローブ10
1の接触する面にはVミゾ208が形成されており、こ
のVミゾ208と第1の弾性体201により、プローブ
101の位置を決めることができる。
The second elastic body 206 is made of a piezoelectric material and also serves as a vibrator. As the second elastic body 206, a widely used PZT bimorph vibrator or a laminated piezoelectric element is used. Second elastic body 206 and probe 10
A V-groove 208 is formed on the surface in contact with 1, and the position of the probe 101 can be determined by the V-groove 208 and the first elastic body 201.

【0034】第1の弾性体201の表面には圧電体20
2が形成されている。この圧電体202は軽く柔軟な材
料であって、可撓性を有することが必要で、具体的には
圧電ポリマ材料などによる薄膜が望ましい。圧電ポリマ
材料としては、代表的なものとして、PVDF(ポリフ
ッ化ビニルデン)や、P(VDCN/VAc)(シアン
化ビニルデン−酢酸ビニル共重合体)などがある。第1
の弾性体201の材質に関しては、金属、樹脂、ゴムな
どあらゆる種類のものを利用できる。ただし、形状・質
量・弾性などの諸特性から吟味する必要がある。好適に
は、ポリエチレン、ポリエステルなどのコンプライアン
スの大きいプラスチックを利用することができる。当然
のことながら、金属などの導電体を用いる場合は、絶縁
に留意する必要がある。
On the surface of the first elastic body 201, the piezoelectric body 20 is provided.
2 are formed. The piezoelectric body 202 is a light and flexible material and needs to have flexibility. Specifically, a thin film made of a piezoelectric polymer material or the like is desirable. Representative examples of the piezoelectric polymer material include PVDF (polyvinyl fluoride) and P (VDCN / VAc) (vinyl cyanide-vinyl acetate copolymer). First
As for the material of the elastic body 201, any kind of material such as metal, resin, and rubber can be used. However, it is necessary to examine it from various characteristics such as shape, mass and elasticity. Preferably, plastics having high compliance such as polyethylene and polyester can be used. As a matter of course, when using a conductor such as a metal, it is necessary to pay attention to insulation.

【0035】このように、圧電ポリマ材料を可撓性のあ
る弾性体と組み合わせることにより、プローブ101の
振動変位を弾性体の曲げ変形に変換し、その曲げ変形に
より圧電体202に引っ張り変形を与え、電荷を発生さ
せることが可能となる。本実施の形態では示していない
が、圧電ポリマ材料そのものにも弾性があるので、第1
の弾性体201を圧電ポリマ材料そのもので構成するこ
とも可能ではある。圧電体202の一面には第1の電極
203(a)が形成され、反対側にグランド電極203
(e)が形成される。図2では、グランド電極203
(e)の端子部分を第1の電極203(a)側に折り返
して形成した状態を示し、グランド電極203(e)全
体の表示は省略する。端子部分からは信号線が引き出さ
れ、図1に示したフィードバックコントローラ106に
接続される。この圧電体202は、例えば、圧電横効果
を利用する場合、長さ方向の伸縮に対し、厚み方向に電
位を発生する。第1の弾性体201は、その両端を与圧
調整手段207を介してプローブホルダー204に固定
される。プローブホルダー204は実質的な剛体からな
る。本実施の形態では与圧調整手段207は、2本のボ
ルトで構成され、ボルトを短冊部201(a)の長手方
向に調整することで、プローブ101に加える力(与
圧)を変化させることができる。この与圧を調整するこ
とにより、プローブ101の共振特性を最適な状態に調
整することが可能となる。
As described above, by combining the piezoelectric polymer material with the flexible elastic body, the vibration displacement of the probe 101 is converted into the bending deformation of the elastic body, and the bending deformation gives the piezoelectric body 202 a tensile deformation. , It is possible to generate electric charges. Although not shown in the present embodiment, since the piezoelectric polymer material itself has elasticity, the first
It is also possible to constitute the elastic body 201 of the piezoelectric polymer material itself. A first electrode 203 (a) is formed on one surface of the piezoelectric body 202, and a ground electrode 203 is formed on the opposite side.
(E) is formed. In FIG. 2, the ground electrode 203
(E) shows a state in which the terminal portion is folded back to the first electrode 203 (a) side, and the display of the entire ground electrode 203 (e) is omitted. A signal line is led out from the terminal portion and connected to the feedback controller 106 shown in FIG. For example, when the piezoelectric lateral effect is used, the piezoelectric body 202 generates a potential in the thickness direction with respect to expansion and contraction in the length direction. The first elastic body 201 has both ends fixed to the probe holder 204 via the pressurizing adjusting means 207. The probe holder 204 is made of a substantially rigid body. In the present embodiment, the pressurizing adjusting means 207 is composed of two bolts, and changes the force (pressurizing) applied to the probe 101 by adjusting the bolts in the longitudinal direction of the strip portion 201 (a). Can be. By adjusting this pressurization, the resonance characteristics of the probe 101 can be adjusted to an optimal state.

【0036】図2においては、第1の弾性体201を屈
曲させ、あらかじめ引っ張り変形を加えた状態で示して
あるが、ほとんど屈曲させない状態(与圧なし)で押さ
えることもできる。与圧調整手段207を構成しない場
合は、第1の弾性体201を接着材などによってプロー
ブホルダー204に固定することも可能である。第2の
弾性体206もプローブホルダー204に固定されてい
る。その固定は、振動を抑制しない限りにおいて、接着
材、締結手段いづれの方法でも良い。プローブ101
は、振動する部分以外の任意の部位をプローブ保持体2
05を介してプローブホルダー204に固定される。プ
ローブ101のプローブホルダー204への固定は、プ
ローブ保持体205を用いずに接着材によっても良い
が、プローブ101を交換することを鑑み、望ましくは
ボルトなどの脱着容易な締結手段による固定が良い。プ
ローブ101の励振手段である第2の弾性体206に
は、第2の弾性体206を振動させるための電圧波形を
発生する駆動回路112が接続される。
Although FIG. 2 shows the first elastic body 201 in a state in which the first elastic body 201 is bent and subjected to a tensile deformation in advance, the first elastic body 201 can be held down in a state in which the first elastic body 201 is hardly bent (no pressurization). When the pressurizing adjustment means 207 is not provided, the first elastic body 201 can be fixed to the probe holder 204 with an adhesive or the like. The second elastic body 206 is also fixed to the probe holder 204. The fixing may be performed by any of an adhesive and a fastening means as long as vibration is not suppressed. Probe 101
Means that any part other than the vibrating part is connected to the probe holder 2
05, and is fixed to the probe holder 204. The probe 101 may be fixed to the probe holder 204 using an adhesive without using the probe holder 205. However, in consideration of exchanging the probe 101, it is preferable to fix the probe 101 with a fastening means such as a bolt which is easily detachable. A drive circuit 112 that generates a voltage waveform for vibrating the second elastic body 206 is connected to the second elastic body 206 that is an excitation unit of the probe 101.

【0037】次に動作状態を説明する。今、プローブ1
01が第2の弾性体206によって紙面の上下に励振さ
れるものとする。プローブ101の振動は第1の弾性体
201に伝わるが、第1の弾性体201は、その両端を
固定されているため、プローブ101は接触している部
分を支点として曲げ振動を起こす。同時に、第1の弾性
体201はコンプライアンスが大きいため、プローブ1
01が接触している部分を作用点として曲げ変形を起こ
す。第2の弾性体206のコンプライアンスは、第1の
弾性体201のコンプライアンスより小さい(硬い)た
め、プローブ101は第1の弾性体201側に向かって
振動する。このように、プローブ101に対して振動異
方性を与えることにより、プローブ101の振動がより
効率よく第1の弾性体201に伝達される。
Next, the operation state will be described. Now probe 1
01 is excited by the second elastic body 206 above and below the plane of the paper. The vibration of the probe 101 is transmitted to the first elastic body 201. However, since the first elastic body 201 has both ends fixed, the probe 101 causes bending vibration with the contacting portion as a fulcrum. At the same time, since the first elastic body 201 has high compliance, the probe 1
Bending deformation is caused with the portion where 01 is in contact as an action point. Since the compliance of the second elastic body 206 is smaller (harder) than the compliance of the first elastic body 201, the probe 101 vibrates toward the first elastic body 201. Thus, by giving the vibration anisotropy to the probe 101, the vibration of the probe 101 is transmitted to the first elastic body 201 more efficiently.

【0038】この振動状態のうち、プローブ101が矢
印の方向に動く瞬間について考えると、このときに、第
1の弾性体201は矢印方向に曲げ変形を起こし、これ
により、第1の弾性体201の表面に位置する圧電体2
02は、第1の弾性体201の長手方向に引っ張り力を
受け、伸びる。この瞬間に、圧電体202は電荷を発生
し、第1の電極203(a)と、グランド電極203
(e)の間に電位差が生じる。このときの電位の極性は
圧電体202の分極方向により決まるが、ここでは仮に
(+)極性の電位とする。次の瞬間に、プローブ101
が矢印と反対方向に動くと、圧電体202は縮み(元の
長さに戻る)、逆極性(−)の電圧を発生する。振動体
を兼ねる第2の弾性体206の振動数を掃引していく
と、プローブ101の機械的固有振動数に接近するにつ
れ、プローブ101の振動振幅は大きくなり、共振状態
においてその振幅は最大となる。プローブ101の振動
振幅の増大に伴い、圧電体202の伸縮も大きくなり、
発生電圧も増大する。圧電体202の発生する電圧の変
化状態をモニターすれば、プローブ101の共振特性を
知ることができる。
Considering the moment when the probe 101 moves in the direction of the arrow in this vibration state, at this time, the first elastic body 201 bends and deforms in the direction of the arrow. Piezoelectric body 2 located on the surface of
Numerals 02 receive a tensile force in the longitudinal direction of the first elastic body 201 and extend. At this moment, the piezoelectric body 202 generates an electric charge, and the first electrode 203 (a) and the ground electrode 203
A potential difference occurs between (e). The polarity of the potential at this time is determined by the polarization direction of the piezoelectric body 202. Here, it is assumed that the potential has a (+) polarity. At the next moment, the probe 101
When moves in the direction opposite to the arrow, the piezoelectric body 202 contracts (returns to the original length) and generates a voltage of the opposite polarity (-). When the frequency of the second elastic body 206 also serving as a vibrating body is swept, the vibration amplitude of the probe 101 increases as the mechanical natural frequency of the probe 101 approaches, and the amplitude becomes maximum in the resonance state. Become. As the vibration amplitude of the probe 101 increases, the expansion and contraction of the piezoelectric body 202 also increases,
The generated voltage also increases. By monitoring the change in the voltage generated by the piezoelectric body 202, the resonance characteristics of the probe 101 can be known.

【0039】この共振特性を基準とすれば、プローブ1
01と試料102の距離変化を圧電体202の発生する
電圧変化より観察することができ、図1で説明したよう
な動作を経て試料102の表面形状を再現することがで
きる。以上説明したように、本発明における変位検出手
段は、プローブ101の振動変位を第1の弾性体201
上に形成した圧電体202の引っ張り変形に変換し、電
圧出力を得るものであるが、従来技術との違いについて
より具体的に記述する。本発明で利用する圧電ポリマ材
料は、すでに公知のように、コンプライアンスが大きく
軽いため、機械的Q値が小さく、明確な共振特性を示さ
ない。したがって、広い周波数範囲において、均一な感
度を有する。本発明では、プローブ101を可撓性のあ
る第1の弾性体201により弾性的に押さえる構造とし
たため、走査型プローブ顕微鏡の変位検出手段の構成に
おいて、圧電ポリマ材料の機能を有効に応用できる効果
を見いだした。その効果は、本発明における変位検出手
段が、広帯域の非共振型のセンサーとして働くことであ
る。一方、従来技術における水晶振動子や圧電素子は、
それ自体が共振する狭帯域の共振型センサーである。
Based on this resonance characteristic, the probe 1
The change in the distance between 01 and the sample 102 can be observed from the change in the voltage generated by the piezoelectric body 202, and the surface shape of the sample 102 can be reproduced through the operation described with reference to FIG. As described above, the displacement detecting means according to the present invention converts the vibration displacement of the probe 101 into the first elastic body 201.
It converts the tensile deformation of the piezoelectric body 202 formed above to obtain a voltage output. The difference from the prior art will be described more specifically. As is well known, the piezoelectric polymer material used in the present invention has a large mechanical compliance and a low mechanical Q value and does not show a clear resonance characteristic because of its large compliance. Therefore, it has uniform sensitivity over a wide frequency range. According to the present invention, since the probe 101 is elastically pressed by the flexible first elastic body 201, the function of the piezoelectric polymer material can be effectively applied to the configuration of the displacement detecting means of the scanning probe microscope. Was found. The effect is that the displacement detecting means in the present invention works as a broadband non-resonant sensor. On the other hand, quartz oscillators and piezoelectric elements in the prior art
It is a narrow-band resonant sensor that resonates itself.

【0040】非共振型のセンサーは水晶振動子などの共
振型センサーより振動振幅は小さい。しかしながら、水
晶振動子およびPZTの電圧出力定数(g31:機械→電
気の変換能力)がそれぞれ50×10-3Vm/N、10
×10-3Vm/N、であるのに対し、圧電ポリマ材料の
一つであるPVDFのそれは3〜10倍以上の170×
10-3Vm/Nを示す。従って、振動変位検出感度は水
晶振動子などと比して遜色のないものとなる。したがっ
て、プローブ101の固有振動数に係わらず、高い検出
感度の変位検出手段を構成できる。
A non-resonant sensor has a smaller vibration amplitude than a resonant sensor such as a quartz oscillator. However, the voltage output constants (g 31 : mechanical-to-electricity conversion capability) of the quartz oscillator and PZT are 50 × 10 −3 Vm / N and 10
× 10 −3 Vm / N, whereas that of PVDF, which is one of the piezoelectric polymer materials, is 170 ×, which is 3 to 10 times or more.
10 −3 Vm / N. Therefore, the vibration displacement detection sensitivity is comparable to that of a quartz oscillator or the like. Therefore, regardless of the natural frequency of the probe 101, a displacement detection unit having high detection sensitivity can be configured.

【0041】以上のように、本発明における変位検出手
段は、コンプライアンスの大きい圧電体を利用して広帯
域の非共振型のセンサーを構成することにより、従来技
術の課題を解決することができる。 [実施の形態2]図3は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態2の構成のうち、変位検出手段105の構
成を詳細に示したものである。図3において、プローブ
101は第1の弾性体201と第2の弾性体206によ
って弾性的に挟まれ、ここがプローブ101の振動支点
となる。第2の弾性体206は、圧電材料からなり振動
体を兼ねている。第2の弾性体206としては、広く用
いられているPZTのバイモルフ振動子や、積層圧電素
子を利用する。
As described above, the displacement detecting means in the present invention can solve the problems of the prior art by forming a non-resonant type sensor having a wide band by using a piezoelectric material having high compliance. [Second Embodiment] FIG. 3 shows in detail the configuration of a displacement detecting means 105 in the configuration of a second embodiment of the scanning probe microscope of the present invention. In FIG. 3, the probe 101 is elastically sandwiched between the first elastic body 201 and the second elastic body 206, and this serves as a vibration fulcrum of the probe 101. The second elastic body 206 is made of a piezoelectric material and also serves as a vibrator. As the second elastic body 206, a widely used PZT bimorph vibrator or a laminated piezoelectric element is used.

【0042】第2の弾性体206とプローブ101の接
触する面にはVミゾ208が形成されており、このVミ
ゾ208と第1の弾性体201により、プローブ101
の位置を決めることができる。第1の弾性体201の表
面には圧電体202が形成されている。この第1の弾性
体201および圧電体202の材質は、実施の形態1と
変わるところはない。
A V-groove 208 is formed on the surface where the second elastic body 206 and the probe 101 are in contact, and the V-groove 208 and the first elastic body 201 form the probe 101.
Position can be determined. A piezoelectric body 202 is formed on the surface of the first elastic body 201. The materials of the first elastic body 201 and the piezoelectric body 202 are not different from those of the first embodiment.

【0043】与圧調整手段207は、実施の形態1とは
異なり、矩形上の弾性体から構成され、その両端をプロ
ーブホルダー204に固定される。第1の弾性体201
は、与圧調整手段207とプローブホルダー204と間
に挟まれ、弾性的に保持される。このような構成とする
ことにより、第1の弾性体201と与圧調整手段207
を分離することができ、第1の弾性体201の取り付け
位置を前後に調整して最適な検出感度を得ることができ
る。その他の構成および動作・効果については、実施の
形態1と変わることはない。
Unlike the first embodiment, the pressurizing adjusting means 207 is formed of a rectangular elastic body, and both ends thereof are fixed to the probe holder 204. First elastic body 201
Is held between the pressurizing adjusting means 207 and the probe holder 204 and is elastically held. With such a configuration, the first elastic body 201 and the preload adjusting means 207
Can be separated, and the mounting position of the first elastic body 201 can be adjusted back and forth to obtain an optimum detection sensitivity. Other configurations, operations, and effects are the same as those in the first embodiment.

【0044】[実施の形態3]図4は、本発明の走査プ
ローブ顕微鏡の実施の形態3の構成のうち、変位検出手
段105の構成を詳細に示したものである。図4におい
て、プローブ101は第2の弾性体206の上に配置さ
れ、プローブ101の上に第1の弾性体201が配置さ
れる。第1の弾性体201はT字型をしており、短冊部
201(a)からプローブ101の軸に平行にIビーム
201(b)が伸びている構造を有する。プローブ10
1は、第1の弾性体201と第2の弾性体206によっ
て弾性支持され、ここがプローブ101の振動支点とな
る。
[Embodiment 3] FIG. 4 shows in detail the configuration of a displacement detecting means 105 in the configuration of Embodiment 3 of the scanning probe microscope of the present invention. In FIG. 4, the probe 101 is arranged on the second elastic body 206, and the first elastic body 201 is arranged on the probe 101. The first elastic body 201 has a T-shape, and has a structure in which an I-beam 201 (b) extends from the strip 201 (a) in parallel to the axis of the probe 101. Probe 10
1 is elastically supported by a first elastic body 201 and a second elastic body 206, and this serves as a vibration fulcrum of the probe 101.

【0045】第2の弾性体206は、圧電材料からなり
振動体を兼ねている。第2の弾性体206としては、広
く用いられているPZTのバイモルフ振動子や、積層圧
電素子を利用する。第2の弾性体206とプローブ10
1の接触する面にはVミゾ208が形成されており、こ
のVミゾ208と第1の弾性体201により、プローブ
101の位置を決めることができる。
The second elastic body 206 is made of a piezoelectric material and also serves as a vibrator. As the second elastic body 206, a widely used PZT bimorph vibrator or a laminated piezoelectric element is used. Second elastic body 206 and probe 10
A V-groove 208 is formed on the surface in contact with 1, and the position of the probe 101 can be determined by the V-groove 208 and the first elastic body 201.

【0046】第1の弾性体201のIビーム201
(b)の表面には圧電体202が形成されている。第1
の弾性体201および圧電体202の材質は、実施の形
態1の場合と同様である。 圧電体202の一面には
第1の電極203(a)が形成され、反対側にグランド
電極203(e)が形成される。図2では、グランド電
極203(e)の端子部分を第1の電極203(a)側
に折り返して形成した状態を示し、グランド電極203
(e)全体の表示は省略する。第1の電極203
(a)、グランド電極203(e)を短冊部201
(a)の範囲に拡大して形成することも可能である。端
子部分からは信号線が引き出され、図1に示したフィー
ドバックコントローラ106に接続される。この圧電体
202は、例えば、圧電横効果を利用する場合、長さ方
向の伸縮に対し、厚み方向に電位を発生する。第1の弾
性体201は、その両端を与圧調整手段207を介して
プローブホルダー204に固定される。プローブホルダ
ー204は実質的な剛体からなる。本実施の形態では与
圧調整手段207は、2本のボルトで構成され、ボルト
を短冊部201(a)の長手方向に調整することで、プ
ローブ101に加える力(与圧)を変化させることがで
きる。この与圧を調整することにより、プローブ101
の共振特性を最適な状態に調整することが可能となる。
図2においては、第1の弾性体201を屈曲させ、あら
かじめ引っ張り変形を加えた状態で示してあるが、ほと
んど屈曲させない状態(与圧なし)で押さえることもで
きる。第2の弾性体206もプローブホルダー204に
固定されている。その固定は、振動を抑制しない限りに
おいて、接着材、締結手段いづれの方法でも良い。プロ
ーブ101は、振動する部分以外の任意の部位をプロー
ブ保持体205を介してプローブホルダー204に固定
される。プローブ101のプローブホルダー204への
固定は、プローブ保持体205を用いずに接着材によっ
ても良いが、プローブ101を交換することを鑑み、望
ましくはボルトなどの脱着容易な締結手段による固定が
良い。プローブ101の励振手段である第2の弾性体2
06には、第2の弾性体206を振動させるための電圧
波形を発生する駆動回路112が接続される。
The I beam 201 of the first elastic body 201
The piezoelectric body 202 is formed on the surface of FIG. First
The materials of the elastic body 201 and the piezoelectric body 202 are the same as those in the first embodiment. A first electrode 203 (a) is formed on one surface of the piezoelectric body 202, and a ground electrode 203 (e) is formed on the opposite side. FIG. 2 shows a state in which the terminal portion of the ground electrode 203 (e) is folded back to the first electrode 203 (a) side.
(E) Display of the whole is omitted. First electrode 203
(A), the strip portion 201 is connected to the ground electrode 203 (e).
It is also possible to form it by enlarging it in the range of (a). A signal line is led out from the terminal portion and connected to the feedback controller 106 shown in FIG. For example, when the piezoelectric lateral effect is used, the piezoelectric body 202 generates a potential in the thickness direction with respect to expansion and contraction in the length direction. The first elastic body 201 has both ends fixed to the probe holder 204 via the pressurizing adjusting means 207. The probe holder 204 is made of a substantially rigid body. In the present embodiment, the pressurizing adjusting means 207 is composed of two bolts, and changes the force (pressurizing) applied to the probe 101 by adjusting the bolts in the longitudinal direction of the strip portion 201 (a). Can be. By adjusting this pressurization, the probe 101
Can be adjusted to an optimum state.
Although FIG. 2 shows the first elastic body 201 in a state where the first elastic body 201 is bent and subjected to a tensile deformation in advance, the first elastic body 201 can be pressed in a state where the first elastic body 201 is hardly bent (no pressurization). The second elastic body 206 is also fixed to the probe holder 204. The fixing may be performed by any of an adhesive and a fastening means as long as vibration is not suppressed. The probe 101 has an arbitrary part other than the vibrating part fixed to the probe holder 204 via the probe holder 205. The probe 101 may be fixed to the probe holder 204 using an adhesive without using the probe holder 205. However, in consideration of exchanging the probe 101, it is preferable to fix the probe 101 with a fastening means such as a bolt which is easily detachable. The second elastic body 2 which is an excitation unit of the probe 101
A drive circuit 112 that generates a voltage waveform for causing the second elastic body 206 to vibrate is connected to 06.

【0047】次に動作状態を説明する。今、プローブ1
01が第2の弾性体206によって紙面の上下に励振さ
れるものとする。プローブ101は短冊部201(a)
とIビーム201(b)によって弾性支持されている
が、構造による当然の帰結として、片端支持であるIビ
ーム201(b)のコンプライアンスは両端固定の短冊
部201(a)より大きいため、プローブ101は短冊
部201(a)を支点として振動する。このときに、プ
ローブ101の振動に合わせてIビーム201(b)も
短冊部201(a)を支点として振動する。一方、第2
の弾性体206のコンプライアンスは、第1の弾性体2
01のコンプライアンスより小さい(硬い)ため、プロ
ーブ101は第1の弾性体201側に向かって振動す
る。このように、プローブ101に対して振動異方性を
与えることにより、プローブ101の振動がより効率よ
くIビーム201(b)に伝達される。
Next, the operation state will be described. Now probe 1
01 is excited by the second elastic body 206 above and below the plane of the paper. The probe 101 has a strip 201 (a)
The I-beam 201 (b) is elastically supported by the I-beam 201 (b), but as a natural consequence of the structure, the compliance of the I-beam 201 (b) supported at one end is larger than that of the strip 201 (a) fixed at both ends. Vibrate around the strip 201 (a) as a fulcrum. At this time, the I-beam 201 (b) also vibrates with the strip 201 (a) as a fulcrum in accordance with the vibration of the probe 101. On the other hand, the second
Compliance of the elastic body 206 of the first elastic body 2
The probe 101 vibrates toward the first elastic body 201 because it is smaller (harder) than the compliance of No. 01. Thus, by giving the vibration anisotropy to the probe 101, the vibration of the probe 101 is transmitted to the I-beam 201 (b) more efficiently.

【0048】この振動状態のうち、プローブ101が矢
印の方向に動く瞬間について考えると、このときに、プ
ローブ101は短冊部201(a)を支点に曲がり変形
を起こし、これによりIビーム201(b)も矢印方向
に曲げ変形を生じる。これにより、Iビーム201
(b)の表面に位置する圧電体202は振動方向と垂直
の方向、すなわち、Iビーム201(b)の長手方向に
圧縮力を受け、縮む。この瞬間に、圧電体202は電荷
を発生し、第1の電極203(a)と、グランド電極2
03(e)の間に電位差が生じる。このときの電位の極
性は、圧電体202の分極方向を実施の形態1と同様と
すれば、(−)極性である。次の瞬間に、プローブ10
1が矢印と反対方向に動くと、圧電体202は伸び(元
の長さに戻る)、逆極性(+)の電圧を発生する。振動
体を兼ねる第1の弾性体201の振動数を掃引していく
と、プローブ101の機械的固有振動数に接近するにつ
れ、プローブ101の振動振幅は大きくなり、共振状態
においてその振幅は最大となる。プローブ101の振動
振幅の増大に伴い、圧電体202の伸縮も大きくなり、
発生電圧も増大する。圧電体202の発生する電圧の変
化状態をモニターすれば、プローブ101の共振特性を
知ることができる。
Considering the moment when the probe 101 moves in the direction of the arrow in this vibration state, at this time, the probe 101 bends around the strip 201 (a) as a fulcrum, thereby causing the I-beam 201 (b). ) Also bends in the direction of the arrow. Thereby, the I beam 201
The piezoelectric body 202 located on the surface of (b) receives a compressive force in a direction perpendicular to the vibration direction, that is, in the longitudinal direction of the I-beam 201 (b), and contracts. At this moment, the piezoelectric body 202 generates electric charges, and the first electrode 203 (a) and the ground electrode 2
A potential difference occurs during the period 03 (e). The polarity of the potential at this time is (-) polarity if the polarization direction of the piezoelectric body 202 is the same as in the first embodiment. The next moment, probe 10
When 1 moves in the direction opposite to the arrow, the piezoelectric body 202 expands (returns to its original length) and generates a voltage of the opposite polarity (+). When the frequency of the first elastic body 201 also serving as a vibrating body is swept, the vibration amplitude of the probe 101 increases as the mechanical natural frequency of the probe 101 approaches, and the amplitude becomes maximum in the resonance state. Become. As the vibration amplitude of the probe 101 increases, the expansion and contraction of the piezoelectric body 202 also increases,
The generated voltage also increases. By monitoring the change in the voltage generated by the piezoelectric body 202, the resonance characteristics of the probe 101 can be known.

【0049】この共振特性を基準とすれば、プローブ1
01と試料102の距離変化を圧電体202の発生する
電圧変化より観察することができ、図1で説明したよう
な動作を経て試料102の表面形状を再現することがで
きる。 [実施の形態4]図5は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態4の構成の、変位検出手段105の構成を
詳細に示したものである。変位検出手段105を除く全
体の構成は、図1と変わるところはない。図5におい
て、プローブ101は第1の弾性体201と第2の弾性
体206によって弾性的に挟まれ、ここがプローブ10
1の振動支点となる。プローブ101の外周側面には圧
電ポリマ薄膜からなる圧電体202が形成されている。
この圧電ポリマ薄膜は、プローブ101に蒸着、スパッ
タリングなどの化学的、物理的成膜方法によって形成す
るか、あるいは、あらかじめ成形された圧電ポリマ薄膜
を接着・張り付けする方法をとっても良い。
Based on this resonance characteristic, the probe 1
The change in the distance between 01 and the sample 102 can be observed from the change in the voltage generated by the piezoelectric body 202, and the surface shape of the sample 102 can be reproduced through the operation described with reference to FIG. [Fourth Embodiment] FIG. 5 shows in detail the configuration of a displacement detecting means 105 in the configuration of a fourth embodiment of the scanning probe microscope of the present invention. The entire configuration except for the displacement detection means 105 is the same as that of FIG. In FIG. 5, a probe 101 is elastically sandwiched between a first elastic body 201 and a second elastic body 206.
1 is a vibration fulcrum. A piezoelectric body 202 made of a piezoelectric polymer thin film is formed on the outer peripheral side surface of the probe 101.
This piezoelectric polymer thin film may be formed on the probe 101 by a chemical or physical film forming method such as vapor deposition or sputtering, or a method of bonding and attaching a previously formed piezoelectric polymer thin film.

【0050】実施の形態1と異なり、本実施の形態の場
合、第1の弾性体201はプローブ101を弾性的に押
さえる役割のみを有するが、コンプライアンスの大きい
材料を利用することに関しては実施の形態1と変わると
ころはない。圧電体202の外周側面には、第1の電極
203(a)と、第2の電極203(b)が形成されて
いる。また、圧電体202の内周側面には、グランド電
極203(e)が形成される。このグランド電極203
(e)は、圧電体202を形成する前にプローブ101
上に形成しておく必要がある。第1の電極203(a)
と、第2の電極203(b)は、矢印に示す振動方向に
対して、プローブ101の断面を2分割するように形成
される。より具体的には、紙面の上下に対して、上側半
分と、下側半分に電極を形成する。こうすることによ
り、例えば、矢印方向にプローブ101が動く場合、第
1の電極203(a)が形成される側の圧電体202に
は圧縮変形が、第2の電極203(b)が形成される側
の圧電ポリマ薄膜202には引っ張り変形が生じること
となり、第1の電極203(a)とグランド電極203
(e)の間には(−)電位が、第2の電極203(b)
とグランド電極203(e)の間には(+)電位が生じ
る。このため、プローブ101の変位量が実施の形態1
と同じであっても、より高い電位差を検出することがで
きるため、さらに検出感度が向上し、S/Nが良くな
る。また、この実施の形態2の場合、プローブ101は
光ファイバーより構成されており、弾性を有している。
したがって、プローブ101そのものが実施の形態1に
おける第1の弾性体201と同等の役割・効果を有する
ものである。当然のことながら、プローブ101の材質
が他の物質、例えば、Si(シリコン)やSiNx(シ
リコンナイトライド)であったとしても、その効果は変
わることはない。
Unlike the first embodiment, in the case of the present embodiment, the first elastic body 201 has only a role of elastically pressing down the probe 101, but the first embodiment uses a material having high compliance. There is no difference from 1. A first electrode 203 (a) and a second electrode 203 (b) are formed on the outer peripheral side surface of the piezoelectric body 202. A ground electrode 203 (e) is formed on the inner peripheral side surface of the piezoelectric body 202. This ground electrode 203
(E) shows the probe 101 before forming the piezoelectric body 202.
Must be formed on top. First electrode 203 (a)
And the second electrode 203 (b) is formed so as to divide the cross section of the probe 101 into two in the vibration direction indicated by the arrow. More specifically, electrodes are formed on the upper half and the lower half with respect to the top and bottom of the paper. By doing so, for example, when the probe 101 moves in the direction of the arrow, the piezoelectric body 202 on the side where the first electrode 203 (a) is formed undergoes compression deformation and the second electrode 203 (b) is formed. As a result, tensile deformation occurs in the piezoelectric polymer thin film 202 on the side of the first electrode 203 (a) and the ground electrode 203.
During (e), the (-) potential is applied to the second electrode 203 (b).
And a ground electrode 203 (e) generates a (+) potential. Therefore, the displacement of the probe 101 is smaller than that in the first embodiment.
Even if it is the same as above, since a higher potential difference can be detected, the detection sensitivity is further improved and the S / N is improved. In the case of the second embodiment, the probe 101 is made of an optical fiber and has elasticity.
Therefore, the probe 101 itself has a role and an effect equivalent to those of the first elastic body 201 in the first embodiment. Naturally, even if the material of the probe 101 is another material, for example, Si (silicon) or SiNx (silicon nitride), the effect does not change.

【0051】実施の形態4における電圧発生原理以外の
動作は、実施の形態1と変わるところはない。 [実施の形態5]図6は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態5の構成の、変位検出手段105の構成を
詳細に示したものである。変位検出手段105を除く全
体の構成は、図1と変わるところはない。図6におい
て、プローブ101は第2の弾性体206の上に配置さ
れ、第1の弾性体201によって弾性的に押さえられ
る。プローブ101の外周側面には圧電ポリマ薄膜から
なる圧電体202が形成されている。この圧電ポリマ薄
膜は、実施の形態2と同様、プローブ101に蒸着、ス
パッタリングなどの化学的、物理的成膜方法によって形
成するか、あるいは、あらかじめ成形された圧電ポリマ
薄膜を接着・張り付けする方法をとっても良い。
Operations other than the voltage generation principle in the fourth embodiment are the same as those in the first embodiment. [Fifth Embodiment] FIG. 6 shows in detail the configuration of the displacement detecting means 105 of the configuration of the fifth embodiment of the scanning probe microscope of the present invention. The entire configuration except for the displacement detection means 105 is the same as that of FIG. In FIG. 6, the probe 101 is disposed on the second elastic body 206 and is elastically pressed by the first elastic body 201. A piezoelectric body 202 made of a piezoelectric polymer thin film is formed on the outer peripheral side surface of the probe 101. This piezoelectric polymer thin film is formed on the probe 101 by a chemical or physical film forming method such as vapor deposition and sputtering, or a method of bonding and attaching a preformed piezoelectric polymer thin film, as in the second embodiment. Very good.

【0052】圧電体202の外周側面には、第1の電極
203(a)と、第2の電極203(b)、第3の電極
203(c)、第4の電極203(d)が形成されてい
る。また、圧電体202の内周側面には、グランド電極
203(e)が形成される。このグランド電極203
(e)は、圧電体202を形成する前にプローブ101
上に形成しておく必要がある。第1の電極203(a)
と、第2の電極203(b)は、実線矢印に示す振動方
向に対して垂直に、プローブ101の断面を2分割する
ように形成される。より具体的には、紙面の上下に対し
て、上側半分と、下側半分に電極を形成する。こうする
ことにより、例えば、実線矢印方向にプローブ101が
動く場合、第1の電極203(a)が形成される側の圧
電体202には圧縮変形が、第2の電極203(b)が
形成される側の圧電体202には引っ張り変形が生じる
こととなり、第1の電極203(a)とグランド電極2
03(e)の間には(−)電位が、第2の電極203
(b)とグランド電極203(e)の間には(+)電位
が生じる。
A first electrode 203 (a), a second electrode 203 (b), a third electrode 203 (c), and a fourth electrode 203 (d) are formed on the outer peripheral side surface of the piezoelectric body 202. Have been. A ground electrode 203 (e) is formed on the inner peripheral side surface of the piezoelectric body 202. This ground electrode 203
(E) shows the probe 101 before forming the piezoelectric body 202.
Must be formed on top. First electrode 203 (a)
And the second electrode 203 (b) is formed so as to divide the cross section of the probe 101 into two perpendicularly to the vibration direction indicated by the solid arrow. More specifically, electrodes are formed on the upper half and the lower half with respect to the top and bottom of the paper. By doing so, for example, when the probe 101 moves in the direction of the solid arrow, the piezoelectric body 202 on the side where the first electrode 203 (a) is formed undergoes compression deformation and the second electrode 203 (b) forms. As a result, the piezoelectric member 202 on the side to be deformed is subjected to tensile deformation, and the first electrode 203 (a) and the ground electrode 2
03 (e), the (−) potential is applied to the second electrode 203
A (+) potential is generated between (b) and the ground electrode 203 (e).

【0053】一方、第3の電極203(c)と、第4の
電極203(d)は、実線矢印に示す振動方向に対して
平行に、プローブ101の断面を2分割するように形成
される。より具体的には、紙面の左右に対して、左側半
分と、右側半分に電極を形成する。こうすることによ
り、例えば、波線矢印方向にプローブ101が動く場
合、第3の電極203(c)が形成される側の圧電体2
02には圧縮変形が、第4の電極203(d)が形成さ
れる側の圧電体202には引っ張り変形が生じることと
なり、第3の電極203(c)とグランド電極203
(e)の間には(−)電位が、第4の電極203(d)
とグランド電極203(e)の間には(+)電位が生じ
る。
On the other hand, the third electrode 203 (c) and the fourth electrode 203 (d) are formed so as to divide the cross section of the probe 101 into two parallel to the vibration direction indicated by the solid arrow. . More specifically, electrodes are formed on the left half and the right half with respect to the left and right sides of the paper. By doing so, for example, when the probe 101 moves in the direction of the wavy arrow, the piezoelectric body 2 on the side where the third electrode 203 (c) is formed
02 undergoes compressive deformation, and the piezoelectric body 202 on the side where the fourth electrode 203 (d) is formed undergoes tensile deformation, so that the third electrode 203 (c) and the ground electrode 203 are formed.
During (e), the (−) potential is applied to the fourth electrode 203 (d).
And a ground electrode 203 (e) generates a (+) potential.

【0054】この4分割の電極配置を行う場合の効果
は、摩擦力の測定などの場合に顕著である。一般的に、
走査型プローブ顕微鏡で摩擦力を測定する場合は、試料
102(図示せず)を波線矢印方向に動かして、プロー
ブ101のねじれ量を検出する。このときに、プローブ
101は摩擦によりねじりを受けると同時に、波線矢印
方向に微小な曲がり変形を起こす。この曲がり変形量
は、プローブ101の針部分の長さ、直径、材質によ
り、異なるものである。この曲がり変形によって、すで
に説明したように、第3の電極203(c)が形成され
る側の圧電体202には圧縮変形が、第4の電極203
(d)が形成される側の圧電体202には引っ張り変形
が生じることとなり、第3の電極203(c)とグラン
ド電極203(e)の間には(−)電位が、第4の電極
203(d)とグランド電極203(e)の間には
(+)電位が生じる。この電位差を検出することによ
り、摩擦力の変化を検出し、形状像と同じようにマッピ
ングすることが出来る。
The effect of the arrangement of the four electrodes is remarkable in the measurement of frictional force. Typically,
When the frictional force is measured by the scanning probe microscope, the amount of twist of the probe 101 is detected by moving the sample 102 (not shown) in the direction of the dashed arrow. At this time, the probe 101 is twisted due to friction and, at the same time, undergoes a slight bending deformation in the direction of the wavy arrow. The amount of bending deformation differs depending on the length, diameter, and material of the needle portion of the probe 101. As described above, the bending deformation causes the piezoelectric body 202 on the side where the third electrode 203 (c) is formed to undergo compression deformation, and the fourth electrode 203
Tensile deformation occurs in the piezoelectric body 202 on the side where (d) is formed, and the (−) potential is applied between the third electrode 203 (c) and the ground electrode 203 (e), and the fourth electrode A (+) potential is generated between 203 (d) and the ground electrode 203 (e). By detecting this potential difference, a change in the frictional force can be detected, and mapping can be performed in the same manner as a shape image.

【0055】[実施の形態6]図7は、本発明の走査プ
ローブ顕微鏡の実施の形態6の構成の、変位検出手段1
05の構成を詳細に示したものである。変位検出手段1
05を除く全体の構成は、図1と変わるところはない。
図7において、プローブ101は第2の弾性体206の
上に配置され、第1の弾性体201によって弾性的に押
さえられる。第2の弾性体206は、プローブ101を
励振させる振動体としての機能はないが、実施の形態1
と同等のコンプライアンスを有する材料を利用する。プ
ローブ101の外周側面には圧電ポリマ薄膜からなる圧
電体202が形成されている。この圧電ポリマ薄膜は、
プローブ101に蒸着、スパッタリングなどの化学的、
物理的成膜方法によって形成するか、あるいは、あらか
じめ成形された圧電ポリマ薄膜を接着・張り付けする方
法をとっても良い。
[Embodiment 6] FIG. 7 shows a displacement detecting means 1 of the configuration of Embodiment 6 of the scanning probe microscope of the present invention.
FIG. 5 shows a detailed configuration of the apparatus of FIG. Displacement detecting means 1
The entire configuration except 05 is the same as FIG.
In FIG. 7, the probe 101 is disposed on the second elastic body 206 and is elastically pressed by the first elastic body 201. Although the second elastic body 206 does not have a function as a vibrating body for exciting the probe 101, the first embodiment
Use a material with the same compliance as. A piezoelectric body 202 made of a piezoelectric polymer thin film is formed on the outer peripheral side surface of the probe 101. This piezoelectric polymer thin film
Chemical such as vapor deposition and sputtering on the probe 101,
It may be formed by a physical film forming method, or a method of bonding and pasting a piezoelectric polymer thin film formed in advance.

【0056】圧電体202の外周側面には、第1の電極
203(a)と、第2の電極203(b)が形成されて
いる。また、圧電体202の内周側面には、グランド電
極203(e)が形成される。このグランド電極203
(e)は、圧電体202を形成する前にプローブ101
上に形成しておく必要がある。第1の電極203(a)
と、第2の電極203(b)は、矢印に示す振動方向に
対して、プローブ101の断面を2分割するように形成
される。より具体的には、紙面の上下に対して、上側半
分と、下側半分に電極を形成する。第1の電極203
(a)とグランド電極(e)は、フィードバックコント
ローラ106に接続され、第2の電極203(b)とグ
ランド電極(e)は、振動させるための電圧波形を発生
する駆動回路112に接続される。このような構成とす
ることにより、第2の電極203(b)とグランド電極
(e)の間に電圧信号を印加し、圧電体を伸縮振動させ
ることができる。例えば、(+)電位を印加させた場合
に圧電体202が伸びるという特性を与えておけば、矢
印方向にプローブ101を曲げることができる。このと
き、第1の電極203(a)が形成される側の圧電体2
02には、圧縮変形が生じ、第1の電極203(a)と
グランド電極(e)の間には(−)電位が発生する。こ
のような構成とすることにより、プローブ101単体で
励振および振動変化検出ができることとなり、より単純
な変位検出手段を実現することができる。また、この実
施の形態6の場合も、実施の形態4と同様、プローブ1
01は光ファイバーより構成されており、弾性を有して
いる。したがって、プローブ101そのものが実施の形
態1における第1の弾性体201と同等の役割・効果を
有するものである。当然のことながら、プローブ101
の材質が他の物質、例えば、Si(シリコン)やSiN
x(シリコンナイトライド)であったとしても、その効
果は変わることはない。
A first electrode 203 (a) and a second electrode 203 (b) are formed on the outer peripheral side surface of the piezoelectric body 202. A ground electrode 203 (e) is formed on the inner peripheral side surface of the piezoelectric body 202. This ground electrode 203
(E) shows the probe 101 before forming the piezoelectric body 202.
Must be formed on top. First electrode 203 (a)
And the second electrode 203 (b) is formed so as to divide the cross section of the probe 101 into two in the vibration direction indicated by the arrow. More specifically, electrodes are formed on the upper half and the lower half with respect to the top and bottom of the paper. First electrode 203
(A) and the ground electrode (e) are connected to the feedback controller 106, and the second electrode 203 (b) and the ground electrode (e) are connected to the drive circuit 112 that generates a voltage waveform for vibrating. . With such a configuration, a voltage signal can be applied between the second electrode 203 (b) and the ground electrode (e) to cause the piezoelectric body to expand and contract and vibrate. For example, the probe 101 can be bent in the direction of the arrow by giving a characteristic that the piezoelectric body 202 expands when a (+) potential is applied. At this time, the piezoelectric body 2 on the side where the first electrode 203 (a) is formed
02 undergoes compressive deformation, and a (-) potential is generated between the first electrode 203 (a) and the ground electrode (e). With such a configuration, excitation and vibration change detection can be performed by the probe 101 alone, and a simpler displacement detection unit can be realized. Also, in the case of the sixth embodiment, similarly to the fourth embodiment, the probe 1
Reference numeral 01 is made of an optical fiber and has elasticity. Therefore, the probe 101 itself has a role and an effect equivalent to those of the first elastic body 201 in the first embodiment. Naturally, the probe 101
Is made of another material such as Si (silicon) or SiN.
Even if it is x (silicon nitride), its effect does not change.

【0057】本実施の形態における動作は、実施の形態
1と変わるところはない。 [実施の形態7]図8は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態7の構成の、変位検出手段105の構成を
詳細に示したものである。変位検出手段105を除く全
体の構成は、図1と変わるところはない。変位検出手段
105そのものは、実施の形態1〜4から90°回転さ
せた構成となっている。また、プローブ101は、実施
の形態1〜4とは異なり、先端を尖らせたストレート形
状を有し、その先端はサンプル102に対して鉛直に位
置する。変位検出手段105の配置角度、プローブ10
1の形状以外の構成については実施の形態1と変わると
ころはない。
The operation in this embodiment is not different from that in the first embodiment. [Seventh Embodiment] FIG. 8 shows in detail the configuration of a displacement detecting means 105 of the configuration of the seventh embodiment of the scanning probe microscope of the present invention. The entire configuration except for the displacement detection means 105 is the same as that of FIG. The displacement detection means 105 itself has a configuration rotated 90 ° from the first to fourth embodiments. Also, unlike the first to fourth embodiments, the probe 101 has a straight shape with a sharpened tip, and the tip is located perpendicular to the sample 102. Angle of arrangement of displacement detecting means 105, probe 10
The configuration other than the shape 1 is the same as that of the first embodiment.

【0058】次に、動作を説明する。実施の形態7の動
作は、図9の従来の技術において説明したところの、シ
アフォースフィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡
に準じる。プローブ101は第2の弾性体206によ
り、試料102の表面と平行に励振される。すなわち、
プローブ101は紙面左右に振動する。図8において、
プローブ101の形状以外は、実施の形態1と変わると
ころはない。
Next, the operation will be described. The operation of the seventh embodiment is based on the shear force feedback scanning probe microscope described in the related art of FIG. The probe 101 is excited by the second elastic body 206 in parallel with the surface of the sample 102. That is,
The probe 101 vibrates left and right on the paper. In FIG.
Other than the shape of the probe 101, there is no difference from the first embodiment.

【0059】動作状態を説明する。今、プローブ101
が第2の弾性体206によって紙面の左右に励振される
ものとする。プローブ101の振動は第1の弾性体20
1に伝わるが、第1の弾性体201は、その両端を固定
されているため、プローブ101は接触している部分を
支点として曲げ振動を起こす。同時に、第1の弾性体2
01はコンプライアンスが大きいため、プローブ101
が接触している部分を作用点として曲げ変形を起こす。
第2の弾性体206のコンプライアンスは、第1の弾性
体201のコンプライアンスより小さい(硬い)ため、
プローブ101は第1の弾性体201側に向かって振動
する。このように、プローブ101に対して振動異方性
を与えることにより、プローブ101の振動がより効率
よく第1の弾性体201に伝達される。
The operation state will be described. Now, probe 101
Is excited by the second elastic body 206 to the left and right of the drawing. The vibration of the probe 101 is
Although the first elastic body 201 is fixed at both ends, the probe 101 causes bending vibration with the contacting portion as a fulcrum. At the same time, the first elastic body 2
01 has a high compliance, so the probe 101
Bending deformation occurs at the point of contact with the point of action.
Since the compliance of the second elastic body 206 is smaller (harder) than the compliance of the first elastic body 201,
The probe 101 vibrates toward the first elastic body 201 side. Thus, by giving the vibration anisotropy to the probe 101, the vibration of the probe 101 is transmitted to the first elastic body 201 more efficiently.

【0060】この振動状態のうち、プローブ101が矢
印の方向に動く瞬間について考えると、このときに、第
1の弾性体201は矢印方向に曲げ変形を起こし、これ
により、第1の弾性体201の表面に位置する圧電体2
02は、第1の弾性体201の長手方向に引っ張り力を
受け、伸びる。この瞬間に、圧電体202は電荷を発生
し、第1の電極203(a)と、グランド電極203
(e)の間に電位差が生じる。このときの電位の極性は
圧電体202の分極方向により決まるが、ここでは仮に
(+)極性の電位とする。次の瞬間に、プローブ101
が矢印と反対方向に動くと、圧電体202は縮み(元の
長さに戻る)、逆極性(−)の電圧を発生する。振動体
を兼ねる第2の弾性体206の振動数を掃引していく
と、プローブ101の機械的固有振動数に接近するにつ
れ、プローブ101の振動振幅は大きくなり、共振状態
においてその振幅は最大となる。プローブ101の振動
振幅の増大に伴い、圧電体202の伸縮も大きくなり、
発生電圧も増大する。圧電体202の発生する電圧の変
化状態をモニターすれば、プローブ101の共振特性を
知ることができる。
Considering the moment when the probe 101 moves in the direction of the arrow in this vibration state, at this time, the first elastic body 201 bends and deforms in the direction of the arrow. Piezoelectric body 2 located on the surface of
Numerals 02 receive a tensile force in the longitudinal direction of the first elastic body 201 and extend. At this moment, the piezoelectric body 202 generates an electric charge, and the first electrode 203 (a) and the ground electrode 203
A potential difference occurs between (e). The polarity of the potential at this time is determined by the polarization direction of the piezoelectric body 202. Here, it is assumed that the potential has a (+) polarity. At the next moment, the probe 101
When moves in the direction opposite to the arrow, the piezoelectric body 202 contracts (returns to the original length) and generates a voltage of the opposite polarity (-). When the frequency of the second elastic body 206 also serving as a vibrating body is swept, the vibration amplitude of the probe 101 increases as the mechanical natural frequency of the probe 101 approaches, and the amplitude becomes maximum in the resonance state. Become. As the vibration amplitude of the probe 101 increases, the expansion and contraction of the piezoelectric body 202 also increases,
The generated voltage also increases. By monitoring the change in the voltage generated by the piezoelectric body 202, the resonance characteristics of the probe 101 can be known.

【0061】この共振特性を基準とすれば、プローブ1
01と試料102の距離変化を圧電体202の発生する
電圧変化より観察することができ、図1で説明したよう
な動作を経て試料102の表面形状を再現することがで
きる。
Based on this resonance characteristic, the probe 1
The change in the distance between 01 and the sample 102 can be observed from the change in the voltage generated by the piezoelectric body 202, and the surface shape of the sample 102 can be reproduced through the operation described with reference to FIG.

【0062】[0062]

【発明の効果】以上記述したように、本発明によれば、
プローブと圧電体を一体に固定するという困難な工程が
不要となると同時に、より単純、高感度、広帯域、高応
答速度の変位検出手段を実現するという優れた効果を有
する。より具体的には、先鋭化された先端部を有するプ
ローブと、プローブを振動させる振動体と、プローブの
振動の振動特性変化を検出する変位検出手段と、サンプ
ルをプローブに対して3次元的に走査するスキャナと、
変位検出手段の変位信号を増幅もしくは変調しスキャナ
にフィードバックするフィードバック回路を有する走査
型プローブ顕微鏡において、弾性体からなるプローブ
と、前記プローブを保持する2つの弾性体、すなわち第
1の弾性体と、第2の弾性体を有し、第1の弾性体と、
第2の弾性体により前記プローブを可撓自在に挟み、さ
らに前記第1の弾性体または前記プローブが圧電体を有
することにより変位検出手段を構成することを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡を考案した。
As described above, according to the present invention,
This eliminates the need for a difficult step of integrally fixing the probe and the piezoelectric body, and at the same time has an excellent effect of realizing a displacement detection unit with higher simplicity, higher sensitivity, wider bandwidth, and higher response speed. More specifically, a probe having a sharpened tip, a vibrating body for vibrating the probe, a displacement detecting means for detecting a change in the vibration characteristic of the vibration of the probe, and a three-dimensionally moving the sample relative to the probe. A scanner for scanning;
In a scanning probe microscope having a feedback circuit that amplifies or modulates a displacement signal of a displacement detection unit and feeds back the signal to a scanner, a probe made of an elastic body and two elastic bodies holding the probe, that is, a first elastic body, A second elastic body, the first elastic body;
A scanning probe microscope has been devised, wherein the probe is flexibly sandwiched by a second elastic body, and further, the first elastic body or the probe has a piezoelectric body to constitute a displacement detecting means. .

【0063】このような構成とすることにより、 1)水晶振動子などの圧電素子とプローブの接着という
作業が不要となり、接着状態によって、水晶振動子+プ
ローブの機械的特性値がばらつき易いという問題をなく
した。 2)Q値が小さく、特定の固有振動数を持たない圧電ポ
リマー材料が利用できるため、変位検出手段を広帯域の
非共振型変位センサーとして構成できる。これにより、
プローブの持つ固有振動数を調整する必要がなく、その
まま振動状態の変化を検出することが可能となり、固有
振動数の異なる多種多様のプローブを利用することが出
来る。
With such a configuration, 1) the work of bonding the probe to the piezoelectric element such as the crystal unit becomes unnecessary, and the mechanical characteristics of the crystal unit and the probe tend to vary depending on the bonding state. Lost. 2) Since a piezoelectric polymer material having a small Q value and having no specific natural frequency can be used, the displacement detecting means can be configured as a broadband non-resonant displacement sensor. This allows
It is not necessary to adjust the natural frequency of the probe, and it is possible to detect a change in the vibration state as it is, and it is possible to use various kinds of probes having different natural frequencies.

【0064】3)Q値が小さい圧電ポリマー材料が利用
できるため、高いQ値により起こる応答速度の低下を防
ぎ、速い試料走査が出来る。 4)プローブを変位検出手段により柔軟に弾性保持する
ため、その保持力を調整することによりプローブの振動
を減衰させることができ、プローブの持つQ値を適正に
調整することができる。
3) Since a piezoelectric polymer material having a small Q value can be used, a decrease in response speed caused by a high Q value can be prevented, and a fast sample can be scanned. 4) Since the probe is flexibly and elastically held by the displacement detecting means, the vibration of the probe can be attenuated by adjusting the holding force, and the Q value of the probe can be properly adjusted.

【0065】5)変位検出手段が柔らかいため、プロー
ブのばね定数に影響することがなく、柔らかい試料に損
傷を与えることがない。また、ばね定数の異なる多種多
様のプローブを利用することが出来る。という優れた効
果を発揮する。
5) Since the displacement detecting means is soft, it does not affect the spring constant of the probe and does not damage the soft sample. Further, various probes having different spring constants can be used. It has an excellent effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態1の
構成を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a scanning probe microscope according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態1の
構成を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a scanning probe microscope according to a first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態2の
構成を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態3の
構成を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to a third embodiment of the present invention.

【図5】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態4の
構成を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態5の
構成を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to a fifth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態6の
構成を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to a sixth embodiment of the present invention.

【図8】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態7の
構成を示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to a seventh embodiment of the present invention.

【図9】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示
す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of a configuration of a conventional scanning probe microscope.

【図10】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を
示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of a conventional scanning probe microscope.

【図11】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を
示す説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a configuration of a conventional scanning probe microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 プローブ 102 試料 103 試料台 104 スキャナ 105 変位検出手段 106 フィードバックコントローラ 107 スキャナコントローラ 108 X電極 109 Y電極 110 Z電極 111 オシロスコープ 112 駆動回路 201 第1の弾性体 201(a) 短冊部 201(b) Iビーム 202 圧電体 203(a) 第1の電極 203(b) 第2の電極 203(c) 第3の電極 203(d) 第4の電極 203(e) グランド電極 204 プローブホルダー 205 プローブ保持体 206 第2の弾性体 207 与圧調整手段 208 Vミゾ 901 プローブ 902 サンプル 903 試料台 904 スキャナ 905 変位検出手段 906 フィードバックコントローラ 907 スキャナコントローラ 908 X電極 909 Y電極 910 Z電極 911 オシロスコープ 912 駆動回路 1001 音叉型水晶振動子 1002 振動体 1003 プローブホルダー 1004 プローブ保持体 1101 振動検出用圧電体 1102 励振用圧電体 1103 プローブホルダー 1104 プローブ保持体 101 Probe 102 Sample 103 Sample stage 104 Scanner 105 Displacement detecting means 106 Feedback controller 107 Scanner controller 108 X electrode 109 Y electrode 110 Z electrode 111 Oscilloscope 112 Drive circuit 201 First elastic body 201 (a) Strip 201 (b) I Beam 202 Piezoelectric body 203 (a) First electrode 203 (b) Second electrode 203 (c) Third electrode 203 (d) Fourth electrode 203 (e) Ground electrode 204 Probe holder 205 Probe holder 206 Second elastic body 207 Pressurizing adjusting means 208 V groove 901 Probe 902 Sample 903 Sample table 904 Scanner 905 Displacement detecting means 906 Feedback controller 907 Scanner controller 908 X electrode 909 Y electrode 910 Z electrode 911 Oscilloscope 912 Drive circuit 1001 Tuning fork type crystal oscillator 1002 Vibration body 1003 Probe holder 1004 Probe holder 1101 Vibration detection piezoelectric body 1102 Excitation piezoelectric body 1103 Probe holder 1104 Probe holder

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 先鋭化された先端部を有するプローブ
と、 前記プローブを振動させる振動体と、 前記プローブの振動の振動特性変化を検出する変位検出
手段と、 試料を前記プローブに対して3次元的に走査するスキャ
ナと、 前記変位検出手段の変位信号を増幅もしくは変調し前記
スキャナにフィードバックするフィードバック回路を有
する走査型プローブ顕微鏡(SPM)において、 弾性体からなるプローブと、前記プローブを保持する2
つの弾性体、すなわち第1の弾性体と、第2の弾性体を
有し、 前記第1の弾性体と、前記第2の弾性体により前記プロ
ーブを可撓自在に挟み、さらに、前記第1の弾性体また
は前記プローブが圧電体を有することにより前記変位検
出手段を構成することを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。
A probe having a sharpened tip; a vibrating body for vibrating the probe; a displacement detecting means for detecting a change in vibration characteristic of the vibration of the probe; A scanning probe microscope (SPM) having a scanner that performs scanning in a dynamic manner, a feedback circuit that amplifies or modulates a displacement signal of the displacement detecting means and feeds back the signal to the scanner, a probe made of an elastic body, and a device that holds the probe.
Two elastic bodies, that is, a first elastic body and a second elastic body, the probe being flexibly sandwiched between the first elastic body and the second elastic body, and further comprising the first elastic body. A scanning probe microscope, wherein said displacement detecting means is constituted by said elastic body or said probe having a piezoelectric body.
【請求項2】 前記第1の弾性体が、前記プローブを挟
んで、前記第2の弾性体と反対側に配置されることを特
徴とする請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡。
2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein said first elastic body is disposed on the opposite side of said probe from said second elastic body.
【請求項3】 前記第1の弾性体が、可撓性を有してお
り、かつ、前記第2の弾性体のコンプライアンスが、前
記第1の弾性体のコンプライアンスより小さいことを特
徴とする請求項1または請求項2記載の走査型プローブ
顕微鏡。
3. The apparatus according to claim 2, wherein the first elastic body has flexibility, and compliance of the second elastic body is smaller than compliance of the first elastic body. The scanning probe microscope according to claim 1 or 2.
【請求項4】 前記圧電体が、圧電ポリマ材料からなる
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記
載の走査型プローブ顕微鏡。
4. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein said piezoelectric body is made of a piezoelectric polymer material.
【請求項5】 前記圧電体が、前記第1の弾性体を兼ね
ることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに
記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the piezoelectric body also serves as the first elastic body.
【請求項6】 前記第2の弾性体もしくは前記プローブ
が、前記プローブを振動させる振動体を兼ねることを特
徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の走査
型プローブ顕微鏡。
6. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the second elastic body or the probe also functions as a vibrating body for vibrating the probe.
【請求項7】 前記第1の弾性体の全部もしくは一部と
前記第2の弾性体の全部もしくは一部が、前記プローブ
の振動支点をなすことを特徴とする請求項1乃至請求項
6のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. The probe according to claim 1, wherein the whole or a part of the first elastic body and the whole or a part of the second elastic body form a vibration fulcrum of the probe. The scanning probe microscope according to any one of the above.
【請求項8】 前記第1の弾性体を前記プローブに押し
つける力を調整する与圧調整手段を有することを特徴と
する請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。
8. The scanning probe microscope according to claim 1, further comprising a pressurizing adjusting means for adjusting a force for pressing the first elastic body against the probe.
【請求項9】 前記第2の弾性体にVミゾが形成され、
前記Vミゾと前記第1の弾性体により前記プローブの位
置決めをすることを特徴とする請求項1乃至請求項8の
いずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. A V-groove is formed in the second elastic body,
The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 8, wherein the probe is positioned by the V groove and the first elastic body.
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