JP2000501842A - 多次元容量変換器 - Google Patents

多次元容量変換器

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Abstract

(57)【要約】 多次元容量変換システム(202)を含む高精度力伝達および/または(重量を含む)力および変位測定/指示装置(200)。多次元容量変換システム(202)は力または運動を伝達、および/または力、重量、または位置を第1方向において検出する第1容量変換器(204)と、力または運動を伝達、および/または力、重量、または位置を第2方向において検出する第2容量変換器(206)を含む。多次元容量変換システム(202)はマイクロメカニカル試験システムに本来の作像を提供するために使われる。

Description

【発明の詳細な説明】 多次元容量変換器 関連特許出願 本特許出願は1993年10月1日出願の米国特許出願第08/131,40 5号の一部継続である1994年10月24日出願の特許出願第08/327, 979号の一部継続である1994年11月14日出願の同時係属出願第08/ 337,741号の一部継続である。上記の早期出願の開示は本特許明細書に完 全には含まれないのでこれらの出願は参考引例としてここに援用される。技術分野 本発明は高精度センサーシステムに関する。更に詳しくは、本発明は一つの多 板式容量システムを含む高精度力伝達および/または(重量を含む)力および変 位測定/指示変換器に関する。更に、本発明はそのような変換器を組み入れた装 置に関する。発明の背景 力、重量、および相対位置の精密測定のための多くの応用が従来から知られて いる。例えば、互いに相対的な孔、溝、または表面形状を精密に指示や製作する ための機械工場の工具には正確な位置や変位測定が要求される。電子部品の製造 では小さい部品の変位や位置の正確な測定は特に重要である。 そのような測定を遂行するための計器と共に微量で力や重量を正確に測定する ことはよく知られている。ひずみ計変換器類はそのような測定用の一つの工業認 識計器である。これらの計器類はサンプルの微小硬さ試験のような実験室におけ る分析で使われる。更に、微量の構成要素を高い分解能で測定する実験室の規模 は化学、生物学、薬物や医学分野ではよく知られている。 ひずみゲージ変換器において知られている分解能の限界は計測装置のノイズ比 率に対する信号である。ひずみゲージ変換器はわずか数ミリボルトの出力しか持 たない。ひずみゲージ変換器用の最小可能なノイズレベルはひずみゲージ抵抗素 子上に熱ノイズにより設定される。例えば、350オーム抵抗の商用ひずみゲー ジセンサー用に計算されたノイズは1ヘルツ帯域巾で2.4nVである。 更に近年では、走査プローブ型顕微鏡の開発によって微細レベルでの力や位置 のより高い分解能測定の必要性が生まれた。1989年10月発行の雑誌Sci entific Americanの98−105頁に記載の「走査プローブ型 顕微鏡」でウイックラマシング(Wickramasinghe)により開示さ れたように、走査プローブ型顕微鏡類はたった一個の原子巾に過ぎないプローブ を使って非常に近接した範囲の表面を調べることができ、他の顕微鏡類が認知出 来ない規模の特徴や性質を解明する。 参考引例として本明細書に組み入れられたウイックラマシング(Wickra masinghe)の開示は二種類の走査プローブ型顕微鏡を開示する。最初の 種類は走査トンネル顕微鏡で、他は原子力顕微鏡である。 原子力顕微鏡では、走査プローブ装置はラスター状に試料を包んだ金属箔上に 取り付けた極小鋭利なダイヤモンドのような微小チップを移動させる。測定機は 力、すなわち表面原子の電子雲を有するチップにおける電子雲の部分的重なりに より生じた反発力の輪郭を記録する。事実、蓄音機の針のようなチップはその試 料の表面を読む。金属箔はばねのように作用し、チップはその表面に押しつけら れたまま原子地形により押し上げられ押し下げられる。 走査トンネル顕微鏡はプローブと表面の間の間隙を横切る電子により原子規模 の地形を感知する。印加された電圧の変化に応じて寸法をわずかに変える圧電性 セラミックは、三次元的に走査トンネル顕微鏡のタングステンプローブを動かす 。電圧はチップに加えられ、電導または半電導する筈の表面に対してトンネル電 流が流れ始めるまで移動する。チップはそのときラスター状に前後に走査される 。トンネル電流は地形と共に変わろうとする。帰還機構は表面の起伏に従ってチ ップを上下に動かすことにより応答する。チップの運動は表面画像に変換される 。 走査トンネル顕微鏡を使うと、表面地形の測定は、もし表面からのチップの距 離が維持されないと不正確になるであろうことが認識される。このように、測定 サイクルにわたってチップによりサンプル上に加えられた力の測定によりチップ と表面の距離が維持されることが確認され、地形測定の正確さに対するクロスチ ェックを提供するであろう。 既に述べたように、ひずみゲージ変換器のような測定機はサンプルの微小硬度 試験に使われ、一方走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡は表面地形の測定や作像 方法として容認されている。もし結果を高分解能でただちに作像することが可能 なら微小押込み硬さ試験に実質的な利点があるだろう。走査トンネル顕微鏡や原 子力顕微鏡用の現在知られているチップや制御機構のために、これまでこれらの 計測機により表面地形を測定しかつ微小押込み硬さ試験を行うことが出来なかっ た。 これらの計測機に一般に使われているタングステン走査トンネル顕微鏡チップ は非常に細くかつ幾分低い押込み負荷で魚釣形状に反り返る傾向があるので押込 み後に作像がすこし疑わしい。原子力顕微鏡チップは、走査トンネル顕微鏡チッ プより硬いが、簡単に折れる華奢な片持ちばり上に取り付けられる。これだと原 子力顕微鏡を使って加えられうる力の量は大部分の押込みに必要な量よりずっと 小さく制限される。 代替方法としては走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡を押込み後作像能力 を与えるがかなりの装置コストや付加時間がかかる内蔵走査電子顕微鏡を使って 造る方法がある。また、走査電子顕微鏡は真空下で作動するだけであるから生物 試料のような湿気を含んだサンプルの観察は不可能である。 顕微鏡的尺度で材料の機械的性質の研究を行う場合、押込みと引っかき試験の 二つの手法がしばしば使われる。試験されている材料にダイヤモンドチップを押 圧する押込み試験は通常は材料の硬さを求めるために使われ、材料の弾性係数を 求めることから始まる。引っかき試験は基板上に付着されたフィルムや被膜の接 着力を求めるために使われる。引っかき試験はダイヤモンドチップをある種の層 間剥離や破損が起きる臨界荷重に達するまで荷重を増加しながらサンプル表面上 を引きずって行われる。 通常は押込みや引っかきは、この目的のために設計された一つの機械上で行わ れ、その結果は押込み寸法や層間剥離の面積を求めるために顕微鏡を使って解析 される。いくつかまたはそれ以上のマイクロメータの特徴寸法に対しては通常は 光学顕微鏡が使われる。 数個以下のマイクロメータの特徴に対しては、半導体の微小化が進みかつ例え ば磁気記憶ディスク上で使われる防護膜の厚みの減少と共にますます重要になる につれ、その面積は通常は走査電子顕微鏡作像により求められる。これはサンプ ルの作成、特に電気的絶縁体や走査電子顕微鏡上に作像する前に金やカーボンで 被覆する必要のあるサンプル作成に実質的な作業をもたらす。また、小さい押込 みや引っかきを見つけるだけでも些細なことではない。最小の押込みや引っかき に対しては、走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡の原子レベルの分解能に要 求されることは引っかき巾や層間剥離の面積を正確に解明することである。研究 者の報告では押込みを別の微小押込み機上で作った後に原子力顕微鏡にその押込 みを位置づけるのに最大8時間を費やしている。 不確かな他の情報源としてはあるサンプルに生じ得る塑性流動や緩衝である。 もしこれが1時間あるいはそれ以下の期間にわたって起きると、別の押込み機で 作られた押込みがそれが顕微鏡上で検査される前に消滅するかもしれない。50 オングストロームの範囲に作られた押込みは時には走査電子顕微鏡または原子力 顕微鏡の作像では見ることができなかった塑性変形を示した。可能性のある説明 としては実際には存在しない塑性変形を示す原因となる機械的履歴現象が押込み 機に存在することである。研究者が検出できない押込みが実際には存在したこと もまた可能性のある説明である。第3の可能性としては押込みが実際には存在し ないでサンプルが顕微鏡で観察できる前にある塑性流動現象により消滅させられ る場所にサンプルが緩衝効果を示したことである。 微小押込み硬さ試験や引っかき試験時に、もしその結果を高分解能力で直ちに 作像することが可能であるとすれば、明らかに実質的利点があるであろう。その ような能力は測定にかかる時間と費用との両方を削減し、更に結果についての不 確実性を削減するだろう。 マイクロメカニカル試験用のサンプルに押込みを形成する工程も限界がある。 走査トンネル顕微鏡のZ軸ピエゾを使ってチップをサンプル材に運ぶことにより 力がサンプルに加えられる。この工程は顕微鏡制御システム下で作動する「リト グラフィスクリプト」を書くことにより制御される。これらのスクリプトは三軸 全てにおけるチップ動作を制御するために使うことができる。Z、X、またはY 方向の同時動作は支持されないため、微小押込み試験の継続に必要な力傾斜路を 階段型傾斜路を使って近似しなければならない。 加えられうるその力の大きさはそれがZ軸上のピエゾの動程と力センサーのば ね定数により決まるからその大きさはかなり制限される。より高い力はより高い ばね定数を持ったセンサーを使って達成できたが、解像度を下げ、必要とする最 小作像力を増すであろうし、作像中にサンプル摩耗の問題を起こす原因になるか もしれない。加えて、圧電アクチュエータのZ軸上の動程はX軸Y軸上でも同様 直線性と履歴現象効果に関しては補償されない。この結果リトグラフィスクリプ ト中の指令されたZ軸上の動程とZ軸方向のチップの実際の動程との間にはかな りの差があるため計量補正問題が生じる。 マイクロメカニカル試験では指令されたZ軸方向の運動とチップの実際の運動 の間で高い分解能と直線性を維持しながらより高い最大力へ延びる範囲で制御さ れたサンプル材の押込みを提供する機構を有することで非常に利点がある。 ボーニン(Bonin)ら(米国特許第4,694,587号)はG力の変化 を検出しその変化に比例するディジタルカウント値を作るための容量加速度計を 組み込む車両性能解析機を開示している。センサーは力の加速の変化に反応する ビーム支持可動板の両対抗側上に配置された間隔をあけた一対の平行板からなる 容量変換器を含む。ボーニン(Bonin)らは、図3でビーム支持可動板が間 隔をあけた一対の平行板の間にアクセスされないように密封されていることを開 示している。このように、可動板には物理的にアクセスできないが、可動板は加 速中にG力を受けその力に直交して取り付けられた場合曲がりかつ変位する。ボ ーニン(Bonin)ら(米国特許第4,694,687号)は参考引例として 本明細書に援用されている。発明の概要 本発明は第1実施形態において力、重量、または位置変換器を提供している。 第2実施形態では第1実施形態の変換器が微小押込み硬さ試験と、硬さ試験に続 いて直ちに作像できる表面作像用装置に組み入れられている。 先ず、本発明の第1実施形態に話を戻すと、力、重量、または位置変換器が与 えられている。装置の出力は重量、力、または測定されたサンプルの相対位置に 比例してDC信号に変換してもよい。この変換は例えばボーニン(Bonin) らにより米国特許第4,694,687号に一般に開示されているように達成し てもよい。 加えて、変換器は対象リモート上の力を装置から分けてもよいし、対象リモー トを変換器から望む方向に分けてもよい。 一つの好ましい実施形態では、変換器は高精度の力および変位の変換器である 。変換器は一対の容量変換器を含む。各容量変換器は分離した一枚の駆動板と分 離駆動板の間に位置する一枚の共有ピックアップ板を含む。更に、遠隔点とピッ クアップ板の間で力を伝達するための機構を備えている。 一つの好ましい実施形態では、駆動板に対するピックアップ板の相対位置は静 電作動を通して制御される。静電制御装置は選択的に電圧を駆動板の一つに加え ピックアップ板と駆動板の間に吸引力をを提供する。吸引力は伝達機構により遠 隔点を移動させるためにピックアップ板から離れた点へ伝達されるかまたは力を 遠隔点へ加える。静電制御装置は増幅装置へ連結された比較的高い電圧供給源を 含む。 変換器はまた駆動板に関係するピックアップ板の位置に釣り合ったピックアッ プ板から出力信号を監視するための機構を含んでもよい。一つの実施形態では、 監視機構は出力信号検出装置/調整装置を含む。その機構は搬送信号を一対の駆 動板へ加えるための機構を含んでもよい。一つの実施形態では、搬送信号は駆動 板の一つに加えられた信号が他の駆動板に加えられた信号と180度離れた位相 のAC電圧信号である。搬送信号の周波数は静電制御装置により加えられた電圧 の周波数に比例して高い。 監視機構は駆動板に関係するピックアップ板の変位を表す変換器出力信号を監 視するためにピックアップ板に連結される。その出力信号は変換器により遠隔に ある物体に加えられた力または運動を表してもよい。 他の実施形態では、変換器は適切なサスペンションシステムに取り付けられた 駆動板およびピックアップ板を有する多容量システムを使って、力がピックアッ プ板に加えられたときまたはピックアップ板が力または運動をピックアップ板か ら遠く離れた対象に加えたとき所望の相対運動を提供する。ピックアップ板の変 位を表して、駆動板に関連し、且つ検知力、重量又は変位に比例する出力信号を 提供するために、駆動信号を互いに180度位相を異にして50KHz程度で、 駆動板をAC搬送信号で駆動しても良い。 出力信号は非常に高い入力インピーダンス(例えば100MOhm−0.3p F)のバッファーアンプを通過し、力または変位に比例するDC信号を作るため に同期的に復調される。出力は変位の一方向に対して正で、反対方向に対して負 である。 本発明に従えばセンサー素子は一対の容量変換器を含み、各変換器は一つの分 離駆動板と一つの共有ピックアップ板を含む。一対の駆動板の一つは駆動板上に 中心を通って配置された孔を含む。ピックアップ板は一対の駆動板の間に位置し 各駆動板からは絶縁スペーサーにより隔てられている。このようにして、駆動板 は好ましい実施形態では一般にピックアップ板が間に取り付けられた間隔をあけ た対向導電表面を含む。ピックアップ板は一般には駆動板の間にばねにより宙に 浮かされた導電中央板であることが可能で、その中央板は各駆動板の導電面間で 偏向が可能である。 センサー素子は力を中央板から遠くにある点と中央板の間に伝達する方法を含 む。この方法はピックアップ板にそれと一致して動くように取り付けられたサン プルホルダーを含むことができる。代わりに、一つの駆動板の孔を通過しかつ中 央板と接触するどんなロッドや部材を使ってピックアップ板へ力を伝達してもよ い。出力は実際にはピックアップ板の位置に比例するが、センサーは線形力対変 位の関係を有するように構成されるため、出力は力を表すように簡単に較正され る。 他の実施形態では、サンプルホルダーは一つの駆動板で中央に配置された孔を 通過しピックアップ板の導電中央板の表面に接触しているステム部分を持つ受け 台である。中央板との接触はほぼ中央板の中心点にある。このようにして、受け 台は受け台に加えられた力を中央板へ伝達し、その結果として中央板が反る。受 け台ステムと駆動板の孔との間の空間を通って入ってくるごみや他の汚染物質を 予防するために一枚のダイヤフラムシールを含めることができる。 他の実施形態では、本発明による変換器は一対の容量変換器を含み、各変換器 は分離駆動板と共有ピックアップ板を含む。ピックアップ板は一対の駆動板の間 に可動的に取り付けられる。ピックアップ板は遠隔地点へ直接取り付け駆動板の 一つを通過しないでピックアップ板と遠隔地点の間に力や運動を伝達してもよい 。 開示された変換器は走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡のような走査プローブ 顕微鏡類と共に特に有用である。しかしながら、変換器は微小測定に高分解能が 要求される重量、力、または変位を測定するためのいかなる用途に利用してもよ い。本発明の変換器は100,000から1までの分解能を持つ。変換器は1/ 2インチ平方(1.27平方センチメートル)と深さ1/8インチ(0.32セ ンチメートル)の寸法を持っているから既存の走査プローブ顕微鏡のサンプルホ ルダー範囲に取り付け可能である。顕微鏡の対象となるサンプルは変換器のトッ プに取り付けられる。これにより顕微鏡チップによりサンプルに加えられた力は 直接読み取られる。 本発明の変換器の信号対ノイズ比は既存のひずみゲージ変換器類に対して計算 されたそれよりはるかに高い。先に述べたように、ひずみゲージ変換器に対する 最小可能なノイズレベルはひずみゲージ素子の熱的ノイズにより設定される。対 照的に、本発明の容量変換器は変換器のインピーダンスにより制御されるノイズ レベルを持つ。これにより本発明の容量変換器の信号対ノイズ比はひずみゲージ のそれより10倍以上が可能である。この信号対ノイズ比は50KHzを超える 搬送信号を増加させることで更に増加させることが可能である。使用に適した分 解能は熱平衡により制限されるが、熱平衡はより安定した材料を使うことにより 改善することが可能であり基線のずれの自動修正も可能であると思われる。 一つの実施形態では、本発明のセンサー素子は従来のプリント回路エッチング 技法を使って容易に作れる第1及び第2の直列に接続された可変コンデンサから なる。更に特定すると、センサーは積み重ねた形状の5枚の基板からなる。 二つの最も外側の基板、すなわち第1及び第5基板の各々は金属被覆を施した 面を有する。最も外側の板の内側には金属面の部分はそれぞれ一個の異なった可 変コンデンサの第1の板(駆動板)からなる。第1基板は更に力をピックアップ 板へ(例えば、サンプルホルダーから)接触しない、すなわち孔や通路を通過す る際に接触して摩擦を起こすことのないように伝達するため受取手段用の貫通し た孔または通路を含む。ピックアップ板は以下に更に詳しく記述される。第5基 板は更に正反対にかつ金属面が内面上に孔または通路からエッチングが行われる 第1基板にある孔または通路の寸法に一致する領域を含む。これはセンサーの応 答の直線性を維持するために行われる。第1基板と第5基板の外側の金属被覆さ れた面は公知の方法でシールドとして作用する。 第1及び第5基板、すなわち外側基板はそれぞれ絶縁基板すなわち少なくとも 以下に記述する第3基板の中央板の大きさの開いた中央部分を有するフレームメ ンバーからなる第2及び第4基板と境を接する。 第3基板はこれらの二つの絶縁フレームメンバーの間に挟まれる。第3基板の 一部分は第1及び第4基板により定義される一対の可変コンデンサ用の共通第2 板すなわちピックアップ板からなる。第3基板はばね状の部位により宙に浮いた 平らな中央板を含む。好ましい実施形態では、ばね状の部位は4個の比較的薄い L型ばねを含む。金属集団は5個の基板が共に挟まれているときフレームオープ ニング内で置き換え可能である。 中央板へ力を伝達する手段、例えばサンプルホルダーや受け台、は接触しない で第1及び第2基板に接触することなく通過し、他方接し、接触すなわち宙づり の金属集団に接触して手段を中心に近付ける。この方法で、サンプルホルダーや 受け台に加えられた力は宙づりの金属集団の変位に変換される。 上に略述した構造物にある各種の基板層への電気的接続は多層プリント配線組 立に共通した従来の板通し孔技法を使って作られた金属孔に差し込み貫通された 導電ピンにより作ることができる。 一対の駆動板へAC搬送信号を加える手段が与えられる。高周波数発信機から のAC信号は第1基板と第5基板すなわち変換器の二つの最外側の定常板に関連 したターミナルを横切って印加され中央置き換え板(ピックアップ板)は出力を 提供する。このようにして、中央可動板の反りの量に比例したプッシュプル信号 が作られ増幅され、そして出力信号を監視するための手段により同期的に復調さ れる。力、重量、または変位に比例したDC電圧信号が作られる。 他の実施形態では、上記のセンサーも同時またはその直後の走査トンネル顕微 鏡や原子力顕微鏡作像能力でサンプルの超微小硬度を測定するための道具として 利用可能である。本発明のセンサーは実寸範囲3グラムを30マイクログラムの 分解能で容易に提供できる。 本発明のセンサーが微小押込みや作像用の装置に利用されるとき、センサーは 現在は原子力顕微鏡に得られる偏向信号をレーザを反射する片持ちばりの光学セ ンサー出力から作るために利用される。更に、この第2実施形態で、サンプルは 力センサー上に取り付けられ、適切な圧子チップまたは他の堅い鋭利なチップが 走査トンネル顕微鏡圧電アクチュエータ上に取り付けられる。センサーからの出 力が制御ユニットへ送り返され、システムがより標準原子力顕微鏡に似たように 動作するように圧子チップまたはサンプルが導電性を有することは必要ないこと が分かっている。 サンプルは接触力をサンプルに影響しないように適当に低い値に特定すること により作像することが可能である。作像後、制御装置は変換器と共に使われチッ プをサンプルに押し込んで押込みを作り、他方変換器は押込み工程中に加えられ た負荷を読む。 第2の実施形態では、変換器はサンプルチップに押し込んで押込みを形成する 。これは電圧を駆動板の一つに加えピックアップ板と帯電駆動板の間に吸引力を 与えるために静電制御装置を使うことにより達成してもよい。サンプルはそのと き押込みの結果が別の押込み装置で行ったときのように時間刻みよりむしろ分刻 みで見ることができるように同じチップを使って再作像できる。 代わりに、変換器ピックアップ板を押込み機チップに直接または間接に接続し てもよい。この実施形態では、結果として生じたピックアップ板の運動は押込み を行うためにチップをサンプルに打ち込むために必要な力を生ずる。 更に本発明の他の実施形態は高精度多次元変換器を含む。多次元変換器は力や 運動を付与し、および/または駆動板に関連して第1方向に動くように取り付け られたピックアップ板を持つ第1方向に力、重量、または位置を検出するための 第1容量変換器を含む。第2容量変換器は力または運動を与えたりおよび/また は駆動板に関連して第2方向に動くように取り付けられたピックアップ板を持つ 第2方向に力、重量、または位置を検出するために含まれる。 第1容量変換器および第2容量変換器は各ピックアップ板からの対象遠隔と前 記ピックアップ板の間で力を伝達するための手段を含んでもよい。第1変換器お よび第2変換器は更に前記の相対位置に比例した出力信号を与えるために駆動板 に関連したピックアップ板の位置に応答する手段を含んでもよい。 変換器は更に各ピックアップ板を選択的に制御しピックアップ板を経由して遠 隔にある物体に力を選択的に与えるための手段を含んでもよい。ピックアップ板 により遠隔にある物体上に力を選択的に与えるための手段は静電作動を含んでも よい。各ピックアップ板を選択的に制御するための手段は各変換器に連結した静 電アクチュエータを持った制御装置を含んでもよい。 多次元変換器は更に力や運動を与えるためのおよび/または可動的に取り付け られたピックアップ板を持った第3方向に力、重量、または位置を検出するため の第3容量変換器を含んでもよい。更に、多次元変換器は力や運動を与えるため のおよび/または可動的に取り付けられたピックアップ板を持った第2方向に力 、重量、または位置を検出するための第2容量変換器を含んでもよい。 多次元変換器はマイクロメカニカル試験システムにおける使用を含む多くの用 途を持つ。一つの好ましい実施形態では、本発明は本発明による高精度多次元容 量変換器を含む走査プローブ顕微鏡装置を含む。本発明によれば、多次元変換器 はマイクロメカニカル試験システムに本来の作像を提供するために使ってもよい 。 本発明は更にサンプルにマイクロメカニカル試験を行う方法を含む。その方法 はサンプルを置く段階を含む。マイクロメカニカル試験は高精度、多次元容量変 換器を使って行われる。 その方法は更に多次元容量変換器を使ってあるべき場所にサンプルを作像する 段階を含む。多次元容量変換器を使ってマイクロメカニカル試験を行う段階は更 に力や運動を与えることおよび/または第1方向に力、重量、または位置を検出 すること;力や運動を与えたりおよび/または第2方向に力、重量、または位置 を検出することを含んでもよい。マイクロメカニカル試験を行う段階は更に力や 移動を与えおよび/または第3方向に力、重量、または位置を検出する段階を含 んでもよい。 これらのそして本発明を特徴づける新規性の各種の他の利点や特徴は本明細書 に添付され本発明の一部を形成する請求の範囲に詳細に指摘されている。しかし ながら、本発明、その利点、そしてその利用により得られた目的をより良く理解 するために、発明のさらなる部分を形成する図面、および本発明の図解そして記 述 された好ましい実施形態の説明事項が参照されるべきである。図面の簡単な説明 類似の参照符号がいくつかの図面にわたって本発明の好ましい実施形態の対応 する部品や素子を指示している図面において、 図1は本発明に従う容量変換器の分解図、 図2は力や運動を与える装置として本発明の変換器を組み込んだ略図、 図2Aは図2に示した変換器の他の実施形態の略図、 図3は力や運動を与える装置と力、重量、または変位を測定する装置として本 発明の変換器を組み込んだ他の好ましい実施形態の略図、 図3Aは本発明の変換器を組み込んだ図3に示した測定機の等価回路、 図4は本発明の変換器を組み込んだ硬度試験と表面作像のための装置の略図、 図5は力や運動を与える装置としておよび/または力、重量、または変位を測 定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた略図、 図6は図5に示す多次元変換器の一つの構造的実施形態の平面図、 図7は図6に示す本発明の構造的実施形態の側面図、 図8は力や運動を与える装置としておよび/または力、重量、および/または 変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた他の好ましい実施 形態の略図、 図9は図8に示す多次元容量変換器の一つの構造的実施形態の平面図、 図10は図9に示す多次元変換器の構造的実施形態の側面図、 図11Aは力や運動を与える装置としておよび/または力、重量、および/ま たは変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた更に他の略図 、 図11Bは図11Aに示す本発明に従った多次元変換器の好ましい実施形態の 側面図、 図11Cは力や運動を与える装置および/または力、重量、および/または変 位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた他の略図、 図11Dは図11Cに示す本発明に従った多次元変換器の一つの構造的実施形 態、 図12は本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システム の略図、 図13Aは本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システ ムの他の略図、 図13Bは本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システ ムの他の略図、 図14は本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システム の別の取り付け構成を示す略図、 図15は本発明に従った多次元変換器の更に他の構造的実施形態、 図16は本発明に従った多次元変換器の更に他の構造的実施形態の側面図、 図17は図16に示す本発明に従った多次元変換器の平面図。好ましい実施形態の詳細な説明 本発明の詳細の実施形態をここに記述する。しかしながら、開示された実施形 態は各種のシステムに実施してよい本発明の単なる代表例であることを理解する ことである。それゆえに、ここに開示された詳細は限定を設けるように解釈され るものではなく、むしろ請求の範囲に対する基本としてまた本発明をいろいろに 実行するために技術の習熟の一つを教えるための代表的な基本として解釈される べきものである。 本発明は一般に二つの実施形態を含む。第1の実施形態は力を与えたり変換器 から遠く離れた対象物を動かすことができる変換器に向けられ、それはまた力や 位置を示す装置や変換器であってもよい、そして第2の実施形態は高分解能力を 持った結果の微小押込み硬さ試験や引き続いて行われる表面作像用の装置に向け られる。第2の実施形態は、好ましい設計においては、第1の実施形態の変換器 の要素を利用する。力や位置を与えたり指示する装置や変換器は先ずこのように 記述される。変換器を利用する微小硬さ試験と引き続く表面作像用の装置が記述 され、変換器のみに関する開示がそのような変換器を利用する試験機に同等に応 用できることが認識される。 本発明の力(重量を含む)や位置を指示する装置や変換器は一般に三つの構成 部分を持つ。第1構成部分は多板式容量システムを含む変換器である。第2構成 部分は力を与えたり変換器から遠く離れた対象物を動かすために変換器を制御す るための手段である。第3の構成部分はAC搬送信号を加えたり、変換器の出力 を監視するための手段を含み、好ましくは力、重量、または変位に比例して出力 を変換器からDC信号へ変換する出力信号検出機/調整機を含んでもよい。 図1を参照すると、そこには本発明のセンサー素子2の構成部分の分解図が示 されている。機能的にはセンサー素子2は直列に接続されかつコンデンサー電圧 分周期を形成する二つの可変コンデンサーとして機能する。総合的なセンサー素 子2は共にサンドウィッチ状になった5個の基板層8、10、16、14、12 を含み変換器を形成する。センサー素子2はよく知られるプリント配線回路エッ チング技術を使って作られる。 第1基板層8と第5基板層12は変換器の駆動板すなわち固定板を含み搬送信 号で駆動される。搬送信号は50KHzのオーダのAC信号で互いに180度位 相がずれたこれらの最外側の基板8と12に対する信号である。 第1基板8と第5基板12の外側のむき出しの表面は例えば銅などで金属被覆 されている。この金属層はEMIノイズに対するシールドとして機能する。第1 基板8と第5基板12の内側面上には金属被覆パターン30が与えられている。 この金属被覆されたパターンは各基板上に駆動板を形成する。第1基板8の内部 の面上の金属被覆は一般に第5基板12上の金属被覆に対応する。図1に示され ているように、金属被覆パターン30すなわち第5基板12の内側の駆動板は一 般に長方形フレームパターン31を含む。基板金属被覆されたパターン31の周 囲に広がっているのは金属被覆されていない開口32を定義するチャネルである 。金属被覆されていない開口32の中央に配置されているものが導電材料の長方 形に金属被覆されたパターン31で、導電ターミナル部分34への導電リード3 3を持っている。 第1基板8の内面上の金属被覆は二つの例外を持つ第5基板12の内面の金属 被覆に似ている。第一の違いは各基板34と36のターミナル部分はセンサー素 子2を組立てるとき縦方向に一直線状になるというよりはむしろ互いに片寄る。 第二の違いは第1基板8の厚みを通って中心に配置された貫通孔22が与えられ ていることである。貫通孔22はサンプルホルダー24または力を貫通孔を通っ て伝達するための手段を受け取るために中心に配置され、更に詳しくは以下に述 べる。 第5基板12の内面は脱金属されまたは貫通孔22に対応するエッチングが行 われた部分38を含む。一般に貫通孔22に対応する脱金属が行われまたはエッ チングが行われた部分38を提供すると互いに鏡像になる層の内部の第1基板8 と第5基板12の各々にの導電材の長方形の金属被覆されたパターン30が与え られる。この提供は一対の容量変換器4と6からの線形応答を与えるために必要 である。 センサー素子2または第1基板8と第5基板12の外側層は両側に銅の1/1 6インチ(0.15センチメートル)のガラスエポキシのような標準配線板材か ら製造できる。労働条件を減らすために、多数の外層基板を一度に製造してもよ い。例えば、6インチ(15.24センチメートル)のシート材を利用して約1 /2インチ平方(1.27平方センチメートル)の基板層を100枚製造しても よい。第1基板8と第5基板12の金属被覆部分30に対するパターンを銅に最 初にエッチングを施してもよい。基板は多数のシート材内に個々のデバイスの周 囲に路線を施し、個々のデバイスと共に保持するために薄いタブ材だけを残して もよい。これらのタブによりデバイスは組立て後、ばらばらにすることができる 。 第2基板層10と第4基板層14はスペーサー層からなる。図にしめしたよう に、これらの層10と14は一般に長方形で一般に長方形の開口部をそれが完全 に基板を通って拡張するようにそこの中心に形成してもよい。スペーサー層、第 2基板10、および第4基板14は絶縁体、すなわち絶縁被覆で覆われていなけ ればならない。絶縁体10、14を通る開口部は以下に述べる第3基板16上の 中央板20の寸法、および同じく以下に述べる関連した適当なサスペンションシ ステムに等しいか大きい。 第2基板10と第4基板14は両側を絶縁被覆したエッチングを施した金属か ら製造することができる。この絶縁被覆はエポキシまたはエナメル塗装のマグネ ットワイヤー上で使用する他の有機被覆であろうが、しかし最良の結果はスペー サーにアルミを使い酸化アルミの絶縁被覆を形成するためにそのアルミを陽極処 理することにより達成できると信じられる。 絶縁スペーサー、第2基板層10、および第4基板層14は使われたフォトレ ジスト化学薬品の種類により先ずエッチングを施し次に陽極処理を行うかまたは 陽極処理を先に行った後でエッチングを施すことができる。好ましい方法は両側 に薄い(0.00012インチ(0.00030センチメートル))陽極処理し た層と共に購入したアルミシート在庫品を使うことである。この陽極処理した層 センサー素子2の他の層を作るために使うことができる正の液体フォトレジスト と良く接着する。裸のアルミを使うと、レジストはエッチングされる端のところ で剥がれる傾向があり望ましい寸法を維持することが難しい。 エッチングの後、フォトレジストと元の陽極処理は取り去られ、部品は所望の 絶縁厚みに陽極処理される。0.0005インチ(0.0013センチメートル )またはそれ以下の陽極処理厚みの層は必要な電気的絶縁性を与えるが、外側の 層のシールド、第1基板層8、第5基板層12と以下に述べる中央板、第3基板 層16の間のキャパシタンスを最小にするためにできるだけ陽極処理の厚みを大 きくすることが望ましい。 第3基板層16は絶縁層、第2基板層10、および第4基板層14の間にサン ドウィッチ状に挟まれる。第3基板層16は一対の変換器4、6に共通のピック アップ板を含む。中央板20は適当なサスペンションシステム18に取り付けら れ中央板20すなわち第3基板層16上のピックアップ板の所望の相対運動を提 供する。第3すなわち中央基板層16はスリット19のパターンで定義されたサ スペンションシステム18により支持されたエッチングを施した金属層であるこ とが可能である。中央板20はこのように固体部分すなわちサスペンションシス テム18を取り巻くフレームワークにより宙づりされた塊である。第3基板層は 更に電気的接続用ターミナル17を含む。中央板として使われる好ましい金属は ベリリウム銅合金である。 4個のL型スリット19のパターンは図に示されているが、他のパターンを利 用して中央板20用に同じ種類のばね支持構造を与えてもよい。更に、効果的な ばね定数を変えることにより、中央で支持される塊すなわち中央板20が、この 基板の材料の厚みやばね素子の寸法を変えることで達成してもよい。このように 、第3基板層16の中央板20上に加えられる単位力あたりの全動程範囲は設計 により変えてもよい。このように、全範囲を変えるセンサーを製造してもよい。 第5基板層8、10、16、14、および12はまとめて組立られ、第3基板 層16の中央板20は絶縁基板、第2基板層10、および第4基板層14に形成 された開口以内の中心に配置され、かくして中央板20は第1基板層8と第5基 板層12に関連して自由に偏向する。 層類は基板類の全周辺に挿入され外部基板類に半田付けされたピンでこれらを まとめてとめ、手でまとめて組立ててもよい。組立られたとき、各種の内部層ま たは基板類の間にある選択された電気的接続は米国特許第4,694,687に ボーニン(Bonin)らにより開示されているように容易に与えられる。 中央板20から遠く離れた点と中央板20の間に力24を伝達する手段が与え られる。この手段はサンプルホルダー24を含み、サンプルの重量により作られ る力を第3基板層16の中央板20へ伝達し、力や運動を中央板20からサンプ ルホルダー24(または他の装置)へ伝達し押込みや他のマイクロメカニカル動 作を行う。サンプルホルダー24すなわち中央板20の貫通接続から遠隔にある 物体へといったように力や運動を中央板20から遠く離れた対象物へ中央板20 から伝達するための手段はこの明細書に後で詳しく記述される。 好ましい実施形態では、サンプルホルダー24はサンプル支持面26とステム 部分28を含む受け台である。ステム部分28は第1基板層8にある貫通孔22 と第2基板層10にある開口を通って延びている。ステム部分28の底面29は センサーを組立てるとき中心点23で中央板20の上面に接触する。ステム部分 28と貫通孔22の壁の間の空間はダイヤフラムシールまたは汚物の侵入は防ぐ が受け台や力24を伝達する他の手段の運動を阻止する他の封止手段により好ま しくは汚染物から封止される。 このように、機能的に、サンプルホルダー24のサンプル支持面26上にサン プルや他の手段により加えられた重量や力は第3基板層16の中央板20へ伝達 され、サンプルホルダー24の面上に加えられた力と同程度に中央板20に偏向 を生じさせる。このように、中央板20は力の下に最も外側の基板類、第1基板 層8、および第5基板層12の一つまたは他のものに向かってより近くあるいは 更に遠く離れて動く。無論、サンプルホルダー24は動くあるいは力を加える要 素へ面26上に「負荷」を位置付けることなく直接接続してもよい。むしろ、面 26はこの目的のために適用されたコネクターにより置き換えてもよい。 搬送信号を最も外側の板すなわち第1基板層8および第5基板層12へ与える 手段が与えられる。この信号はAC信号であることが可能である。このような手 段は50KHzの交流信号を生産する発信機を含めてもよい。最も外側の板の各 々への信号は他の最も外側の板へ与えられた信号と180度位相が異なることが 好ましい。 手段はまたセンサー素子2からの出力を読み、中央板20の力、重量、または 変位に比例した信号へ出力を変換するために与えられる。出力信号は一般に非常 に高い入力インピーダンスのバッファーアンプ(100メガオーム−0.3pF )を通過させられ、そのとき同期的に復調されDC信号を作る。DC信号は中央 板20の力、重量、または変位に比例する。その出力は変位の一方向に対しては 正、その逆方向に対しては負であるだろう。サンプルホルダー24すなわち力を 伝達する手段は中央板20に取り付けられるかあるいは接触しこのような中央板 20に同調して動くことが認められる。センサー2の出力は実際には中央板20 に比例するが、センサーが線形の力対変位関係を持つから力(重量を含む)を表 すように簡単に較正できる。 サンプルホルダー24すなわち力を伝達する手段は絶縁材から製造するかまた は絶縁材で被覆しなければならないことが分かる。更に、センサー素子2の感度 を下げるかもしれないどんな摩擦効果も避けるように貫通孔22の内径とステム 部分28の外径の隙間は十分でなければならない。 本発明の容量変換器の信号対ノイズ比は現在使われている金属ひずみゲージ変 換器のそれよりはるかに良い。ひずみゲージ変換器の最小ノイズレベルはひずみ ゲージ抵抗素子の熱的ノイズにより決定される。このノイズは抵抗値の平方根に 比例する。出力信号は入力信号に比例はするが、それは非常にわずかなものであ る。商業規模のひずみゲージ変換器から得られる典型的な値は5ミリボルトの実 寸で175オームの抵抗値である。 本発明の三枚式容量変換器は抵抗変換器のようにノイズを生成しないが、信号 はそれをアンプに接続しないで使われ、アンプは非常に高い入力抵抗を有し、そ れゆえにアンプはノイズを作る。このノイズの下限はアンプの効果的な入力イン ピーダンスにより決定される。容量変換器はアンプの入力インピーダンスに並行 し、アンプの入力インピーダンスは変換器のインピーダンスよりはるかに大きい (すなわちその出力は非常に非線形)であるから、効果的な入力インピーダンス 変換器のそれに等しい。 変換器のインピーダンスはキャパシタンスと動作周波数により決定される。動 作周波数が高ければ高いほど変換器のインピーダンスは低くなる(X0=1/6 .28FC)。キャパシタンスは層間の空きが0.005インチ(0.0013 センチメートル)の1/2インチ平方(1.27平方センチメートル)の装置に 対しては約10pFである。動作周波数はアンプおよび関連回路の周波数応答に よ ってのみ制限を受け、どんな便利な値でも可能である。変換器の実出力信号は控 えめに取って10ボルトの入力電圧に等しい。容量変換器の実出力は10ボルト で、これはひずみゲージ変換器のそれの2,000倍以上である(5mV)。イ ンピーダンス、そして従って生じたノイズは(かなり費用がかかるであろう非常 に高い周波数の場合を除き)容量変換器ではずっと大きくなるが、はるかに高い 固有の出力レベルのため容量変換器の信号対ノイズ比は有意義的にずっと良い。 以下の表は二つの変換器に対する信号対ノイズ比の関係を示す。 表1 Fop=容量変換器の動作周波数 C=変換器のキャパシタンス=10pF Xc=変換器のインピーダンス=1/(6.28×Fop×C) R=ひずみゲージの抵抗値=175Ohm ノイズはRまたはXcの平方根に比例するから、ひずみゲージノイズに対する 容量変換器ノイズ比は(Xc/R)の平方根となり、容量対ひずみゲージのSN Rの改善係数は2000を(Xc/R)の平方根で割ったものである。 Fop Xc/R Xc/R 2000/Xc/R の平方根 の平方根 10KHz 11,400 107 19 100KHz 1,140 34 59 1MHz 114 11 190 10MHz 11.4 3.4 590 100MHz 1.14 1.1 1900 容量変換器のSNR はひずみゲージのそれ より上の欄では係数分 だけ良い。 上の表より容易に分かるように、本発明の容量変換器は電子ノイズに関しては ひずみゲージよりはるかに優れている。 容量変換器またはセンサー素子2の出力は中心の集団部分20すなわち電極の 変位に比例するから、物差しすなわち変位の測定に使う器具が製造されてもよい ことが分かる。サンプルホルダー24すなわち力を伝達する手段が測定されるこ とになっている面に対して対象物を偏向しかつその実際の位置を変えるであろう 過剰の力を加えることなく信頼して力を加えられるように中央板20を支持する サスペンションシステム18に対して適当な剛性を選択することが先ず必要であ る。次に、絶縁スペーサー、第2基板層10、および第4基板層14が中央板を 十分にオフセットするために違った厚みに製造してもよい。これはデバイスの動 作範囲を変更するであろう。今までの実験結果では10オングストロームより良 い分解能が得られている。 図2を参照して、本発明の変換器は一般に力または運動を与えるシステムとし て100で示されている。システム100では、制御装置102は変換器104 に連結される。変換器104は図1に示される多板容量変換器システムに似てい る筈である。変換器104は選択的に力や運動の出力を変換器104から遠く離 れた点に与えるために制御装置102に反応する、106に示されている。 図2に示すシステム100の好ましい実施形態では、システム100は静電気 制御装置112に電気的に連結されたデータ取得制御システム110を持つ制御 装置102を含む、114で示す。静電気制御装置112は電気的に変換器10 4に連結される、116で示される。 図1に示された多板容量変換器と同様、変換器104は駆動板118、駆動板 120、およびピックアップ板を持つ多板コンデンサーを含む。機械的に連結さ れたピックアップ板122は伝達手段124である。伝達手段124は中央板1 22と遠隔にある物体108の間に力または運動を伝達する。 動作中、静電気制御装置112は比較的高い電圧を変換器104の駆動板11 8および/または駆動板120へ加える。駆動板118と120は変換器104 内に固定的に取り付けられ、ピックアップ板122は変換器104内に可動的に 取り付けられる。好ましい実施形態では、静電気制御装置112は比較的高い電 圧を駆動板118にかける。可動的に取り付けられたピックアップ板122と固 定した駆動板118の間の静電吸引力はピックアップ板122を引いて駆動板1 18へより近付ける。ピックアップ板122が駆動板118へより近づくように 動かされると力伝達機構124は対応した力または運動を遠隔にある物体108 へ伝達する。 静電気制御装置112は手動または自動的にデータ取得制御システム110を 通して制御される。一つの好ましい実施形態では、静電気制御装置112は駆動 板118へDC電圧をかけるためのアンプに連結されたDC電源装置を含む。駆 動板118にかけられた電圧はデータ取得制御システム110により選択的に変 更してもよい。静電気制御装置112により駆動板118へかけられた電圧が増 加するにつれピックアップ板122と駆動板118の間の静電吸引力は増加し、 ピックアップ板122は駆動板118へより近づくように引かれる。 一つの好ましい実施形態では、静電気制御装置112は最大DC電圧を600 ボルトのピックアップ板118へかけるためアンプに連結されたDC電源を含む 。この実施形態では、遠隔にある物体108へ力伝達機構124を通して伝達さ れた最大力は約10mNである。最大力10mNはほとんどの実際の試験装置に は十分であるが、実質的に力を増加させることは可能であることが認められてい る。一つの実施形態では、力は駆動板118とピックアップ板122の間のスペ ースを少なくし、変換器104の組立に異なる厚みのスペーサーを使うことによ り増加さる。 静電気制御装置112はピックアップ板122から遠く離れた対象の力や運動 を与えるために駆動板118または駆動板120の何れかに連結してもよいこと が認められている。代わりに、図2に示されるように、静電気制御装置112は 力を与えおよび/または位置決め装置として変換器を使うために比較的高い電圧 を駆動板118と駆動板120へ加えるため駆動板118と駆動板120に連結 してもよい。その上、単一コンデンサーシステムを静電気制御装置112が単一 駆動板118へ連結される場所に利用してもよい。多重コンデンサーシステムと 同様、静電気制御装置112が電圧を駆動板118へ加えるとき、ピックアップ 板122は駆動板118へ引かれ対応する力や運動を遠隔にある物体108へ伝 える力を伝達機構124へ伝達することになる。 加えて、図2はピックアップ板122と遠隔にある物体108の間に力と運動 を伝達するため力とピックアップ板122から駆動板118の中心に配置された 孔を通って遠隔にある物体108へ延びた力伝達機構124を示す。変換器10 4は本発明の範囲に留まる限り多くの異なった形状や形態を取ってもよいことが 認められている。力伝達機構124は駆動板118を通過しないで力や運動をピ ックアップ板122から遠隔にある物体108へ伝達してもよい、すなわちピッ クアップ板122と遠隔遠隔108の間に力や運動を与えるために対象108は ピックアップ板122に直接接触することが出来る。 図2Aに示す本発明の他の実施形態において、ピックアップ板122は駆動板 118または駆動板120を通過しないで直接あるいは間接に遠隔にある物体1 08へ接続してもよい。この実施形態では、ピックアップ板122はピックアッ プ板122と遠隔にある物体108の間に力または運動を伝えることが出来る。 図2Aに示す一つの実施形態では、ピックアップ板122はサンプルホルダー1 27上に置かれたサンプル108の押込みを行うためにチップ125を持った遠 隔にある物体108上に力を与えることが出来る。 静電作動により作られた力は以下のように計算できる。 F=KV2 ここに力の単位はニュートン、kは力定数で単位はニュートンボルト平方、Vは ボルトである。力定数kの正確な値は遠隔にある物体108の重量で変化し得る 、その理由はこれは変換器104の板118、122、120間の内部のスペー シングを変えるからである。図2に示す実施形態では、力定数Kは試験重量を加 え、これらの重量の力を釣り合わせるために必要な電圧を決定することにより定 位置で変換器力対静電ポテンシャルを測定するような簡単なラボ試験を使って決 定してもよい。この方法で、ピックアップ板122は常に同じ位置にあり、それ ゆえに電場は加えられた電圧に比例する。 本発明の範囲内で変更は多板容量変換器104で行われシステムの性能を変更 または改善をしてもよいことが認められる。例えば、非導電スペーサーは駆動板 118、駆動板120、およびピックアップ板122の間に設けてもよいし、代 わりに変換器104はコロナ破壊のような現象を予防するため誘電流体で満たす こともできるであろう。もしコロナ放出が存在するなら、変換器104の内部の イオン化された空気は駆動板118、駆動板120、およびピックアップ板12 2の間の相対キャパシタンスを変えることもできるであろうし、変換器104に 対して間違った出力を生じる可能性があろう。 図3は本発明の他の実施形態を示す。図2に示すシステム100に加え、発信 機130は駆動板118と120に関連するピックアップ板122の変位を計測 するために搬送信号を変換器104の多板容量システムへかけるために含まれ、 力、重量、または位置に比例する。一つの好ましい実施形態では、発信機130 は電気的に駆動板118と120へ連結される。発信機130はAC搬送すなわ ち他の駆動板に与えられた信号と180度位相がずれた各駆動板へ加えられる高 い周波数信号を生産する。一般に、各駆動板に加えられた搬送周波数は静電制御 信号の周波数より高く二つの信号間に干渉は取り除かれる。 加えて、バッファーB1とB2は静電気制御装置112、変換器104の間お よび発信機130と変換器104の間に絶縁のためにそれぞれ設けられる。バッ ファーB1とB2により発信機130は静電気制御装置112の高電圧供給には 影響されないし静電気制御装置112は発信機130信号により影響を受けない 。一つの好ましい実施形態では、バッファーB1は一対の1メガオーム抵抗装置 でバッファーB2は一対の1,000ピコファラッドコンデンサーを含む。 出力信号検出装置/調整装置132は搬送信号を駆動板118と120へ加え る発信機130から生じる変換器104の出力信号131を読むためピックアッ プ板122へ連結される。変換器104の出力信号131は感知された力、重量 、または変位を表すピックアップ板122の位置に比例する。 出力信号検出装置/調整装置132は出力信号131をピックアップ板122 からピックアップ板122に関して力、重量、または変位に比例した信号へ変換 する。一つの実施形態では、出力信号は非常に高い入力インピーダンス(100 MΩ−0.3pF)のバッファーアンプを通し、それから同期的に復調されDC 信号を作る。DC信号はピックアップ板122の力、重量、または変位に比例す る。加えて、入力信号133は制御装置102を使って駆動板118と120に 関連したピックアップ板122の位置を制御するとき出力信号検出装置/調整装 置132からデータ取得制御システム110へ与えられる。 図3Aは図3に示す測定システムの等価回路ダイヤグラムで、発信機130と 多板容量変換器104を含む。図3Aのノード1、2、3は図3の変換器104 のノード1、2、3に対応する。示されているように、変換器104は容量電圧 分割装置として各ノード1と2でノード3の電圧出力信号と180度位相が異な るAC搬送信号を与える発信機130でモデル化される。ノード3における電圧 出力信号はノード1と3の間のキャパシタンスとノード2と3の間のキャパシタ ンスの比により決定される。 前に詳述したように、搬送信号を変換器104の駆動板118と120へ与え る発信機130により、出力信号検出装置/調整装置132は駆動板118と1 20に関連したピックアップ板122の位置に比例するピックアップ板122で 出力信号を監視する。それゆえに、静電気制御装置112は電圧を駆動板118 に加え力を遠隔にある物体108に与えるために駆動板118に向かってピック アップ板122を引き、遠隔にある物体108に与えられた力は以前に説明した ように加えた電圧に力定数を掛けた平方の比により決定してもよい。ピックアッ プ板122上の出力信号は直接ピックアップ板122の位置に比例する。 図4を参照すると、本発明の上記の変換器を組み入れて硬さ試験と面作像用の 装置の略図が示されている。この実施形態を使うとサンプルの表面地形の走査、 直ぐ後に微小押込み試験、続いて表面地形の第2の作像をすべて同じ装置の上で 行うことが可能である。一般に、図4の略図は本来の高分解能作像と微小押込み 試験を一つの装置で行うために修正されたディジタル装置から利用できるナノス コープIIIのような商業走査トンネル顕微鏡を示す。 以前に述べたように、参考として走査トンネル顕微鏡は商業的に知られている 。本明細書に参考文献として組み入れられた1989年10月号の雑誌Scie ntific Americanの98−105頁にウィックラマシング(Wi ckramasinghe)により開示された「走査プローブ顕微鏡」のように 、走査トンネル顕微鏡は図4に示されるいくつかの標準部品を含む。 走査トンネル顕微鏡を使うと、サンプル1は分析のためにサンプルプラットフ ォーム154上に置かれる。走査トンネル顕微鏡は原子尺度の地形をプローブ1 50とサンプル152の表面の間のギャップを横切って通じる電子の手段により 感知する。走査ヘッド158はその上にプローブを持っている。走査ヘッド15 8(図示の実施形態では3次元圧電作動ヘッド)は加えられた電圧の変化に応じ て3方向にプローブを動かすために利用される。圧電性セラミックが一般に利用 されるがその理由は圧電性セラミックは電圧のそのような変化に応じてわずかに 寸法を変え、かくしてプローブを3次元的に操作する。走査ヘッド158にかけ られた電圧は走査トンネル顕微鏡制御装置160により制御される。 使用中は電圧はプローブ150のチップに加えられトンネル電流が流れ始める まで導電または半導電されなければならないサンプル152の表面に向かって動 かされる。プローブ150のチップはそのとき水平動作を制御する圧電性セラミ ックへ電圧を変えることによりラスターパターン状に前後に走査する。トンネル 電流はサンプルの地形と共に変わる傾向があり、それゆえに帰還機構を与えその ようなトンネル電流を監視する電流出力信号166はそのような信号を走査トン ネル顕微鏡制御装置160へ送る。制御装置160はプローブ150のチップを 表面からの離れに続いて上下に動かすことにより反応する走査ヘッド158へ出 力を調整する。プローブ150の運動は表面のイメージに変換されイメージディ スプレイ162上に表示される。 走査トンネル顕微鏡を使うとプローブ150は一般にタングステンを使いチッ プは単一原子からなり巾は0.2ナノメータになるように精細に作る。 後に続く面の作像で微小押込み用の出願人の本発明の装置はいくつかの変形を 伴って上記の走査トンネル顕微鏡を利用する。変換器156は第1実施形態に記 述したように標準サンプルホルダーの代わりに走査トンネル顕微鏡ベース上に取 り付ける。サンプル152はそれからサンプルプラットフォーム154上に取り 付けられる。出力信号調整装置/検出装置164を変換器156へ接続し変換器 156からの出力信号を監視しプローブ150によりプラットフォーム154上 のサンプル152へ加えられた力に比例した信号へ変換する。出力信号調整装置 /検出装置または変換器出力信号はそれからプローブ150の縦方向の位置すな わちZ軸に沿った位置を表面作像中に走査トンネル顕微鏡制御装置160を通し てそのような信号を送ることによりプローブ150の縦方向の位置を制御するた めに利用してもよい。代わりに、出力信号調整装置/検出装置164からの出力 は微小押込みまたは微小硬さ試験中に加えられた力の測定のために監視できる。 これらの手順は以下に述べる。 上記の走査トンネル顕微鏡はまたタングステンプローブを微小押込み試験のた めにより堅いチップと置き換えることで変更される。好ましい実施形態では、ブ ルーダイヤのようなダイヤモンドチップが使われる。チップは導電性を持つ必要 はなく、または試験されるサンプルも導電性を持つ必要はないが、導電性ブルー ダイヤモンド走査トンネル顕微鏡チップは利用できることが認められる。これら は出願人の装置で試験できることはいうまでもなく、導電性サンプルの走査トン ネル顕微鏡作像用に使える。 動作中に出願人の第2実施形態の変換器156は押込み中、または引っかき中 に力を加え、押込み中、または引っかき中に加えた力を測定し、そして試験前後 に作像するために使われる。原子力顕微鏡型イメージは先ず走査トンネル顕微鏡 からそのトンネル電流出力信号166を断ち、次にそこへ出力信号調整装置/検 出装置164からの出力信号168を代用することにより得られる。走査トンネ ル顕微鏡の走査機能は出力信号調整装置/検出装置164の出力信号が一定のト ンネル電流よりはむしろプローブ150チップとサンプル152の間に一定力を 維持するためにZ軸圧電セラミックを制御して正常の方法で動作される。代わり に、一定の高さのイメージはプローブ150チップZ位置すなわち縦方向の高さ が一定に保たれている場所で得られ、そしてイメージは出力信号調整装置/検出 装置164の変換器156出力信号から直接に得られ、再び走査トンネル顕微鏡 制御装置160を通過しイメージディスプレイ162上に表面地形の表示が生じ る。 いったん表面のイメージが上記の手順を使って作られると制御装置は力センサ ーが押込み工程中に加えられた負荷の読み取りを与えてチップをサンプルに押し 込み押込みを作る。加えて、変換器156はサンプルをチップに押し込み押込み を作ることができる。特に好ましい実施形態では、静電気制御装置170は選択 的に電圧を変換器156へかけ、変換器156が力を与え押込みのためサンプル をチップ150に押し込むことができるように操作が可能である。代わりに、変 換器156はチップ150に接続してチップを押込みのためサンプルに押し込ん でもよい。 押込みのため変換器156により与えられる力は静電気制御装置170を手動 であるいはデータ取得制御システム172による静電気制御装置170の自動操 作により選択的に制御してもよい。データ取得制御システム172はマイクロプ ロセッサーまたは同様のロジックに基づいたシステム172を変換器156から 望ましい力をかける電圧を計算するために含んでもよい。加えて、出力信号調整 装置/検出装置164は電気的にデータ取得制御システム172に連結される。 データ取得制御システム172は押込みが発生するにつれサンプルの運動を補償 するため変換器156により加えられた力を調整するために使ってもよいがこれ は柔らかいサンプルに発生するものとして知られる。変換器156により加えら れた力はまた変換器156から受けた出力信号に基づいた出力信号調整装置/検 出装置164で変更してもよい。 押込み後、サンプルは押込みの結果がサンプルを動かしたり押込みがサンプル に行われた場所に点を見つけることなく時間刻みよりむしろ分刻みで見ることが できるように同じチップで再作像できる。更に第1の像、押込み、そして第2の 像がすべて単一の位置にサンプルで作られるから、第1の表面像と第2の表面像 が同じ表面積を持ち滑像痕段階の対応効果を示すことが確認される。 上記のシステムを使うと、導電性と非導電性サンプルの両方とも別の押込み作 像装置を使うときがあるように試験領域を設ける問題はないように機械的試験の 前後でサンプル位置を妨害することなく高い分解能で作像できる。スイッチを入 れて原子力顕微鏡から走査トンネル顕微鏡へ変えることにより同じサンプル表面 の原子力顕微鏡像と走査トンネル顕微鏡像を並べて比べることも可能である。こ れはときには原子力顕微鏡信号が一般にサンプル地形の正確な表現であるために 、他方 走査トンネル顕微鏡信号が導電性または表面の電子状態についてある情 報を与えるかもしれないので有用である。 本発明の微小押込み硬さ試験および/または表面作像用の装置はサンプルをそ こに取り付けるベースとそこに取り付けたプローブを持つ圧電ヘッドを表面地形 を測定するためにベースに取り付けたサンプルの動作の結合のために利用される 好ましい実施形態について述べられている。この実施形態ではプローブは圧電作 動ヘッドに取り付けられ、他方変換器はサンプルを取り付けるためベースに取り 付けられる。この配置を使うと走査ヘッドまたは圧電作動ヘッドはプローブを表 面寸法地形にわたってラスターパターン状に動かす。しかし、プローブ、変換器 、走査ヘッドの他の配置は本発明の範囲内では可能であることが認められる。出 願人の発明の取扱いの鍵は走査プローブ顕微鏡装置は表面地形を測定するためサ ンプルの表面の動作の組み合わせのために配置された走査ヘッドにプローブを組 み入れていることである。プローブはテストされるサンプルよりも硬さが大きく 、変換器はその表面に係合する場合、サンプルとプローブとの間の力を測定し易 い位置に設置し、力や測定の変位を押込みや他のマイクロメカニカル試験に供し ている。 前に述べたように、第1の好ましい実施形態では走査プローブ顕微鏡はサンプ ルを取り付けるベースとそこに取り付けられたプローブを持つ圧電作動ヘッドを 含む、変換器と共にベースに取り付けられサンプルはそこに留まっている。第2 の好ましい実施形態では変換器は固定面に取り付けられプローブは変換器に付け られている。サンプルは圧電作動ヘッドすなわち走査ヘッドを組み入れたサンプ ルホルダーに取り付けられている。この配置で、圧電作動ヘッドはプローブに対 してサンプルを動かし、プローブへ加えられた力は変換器を通して変換され力を 測定する。 第3の別の実施形態では、走査の対象の面を持つサンプルは本発明の装置を取 り付けてもよい大きいサンプルであってもよい。装置は圧電作動ヘッドすなわち 走査ヘッドに順に付けられる変換器に付けられたプローブを含む。この配置では 、プローブは大きいサンプルの面と係合するように置かれ変換器は接触の力を測 定するために再度利用され、他方走査ヘッドはプローブを作像のため面にわたっ て動かされる。 第4の別の実施形態では、プローブは固定面に付けられる。この配置によると 、サンプルと変換器は圧電作動ヘッドすなわち走査ヘッドに付けられる。かくし て、走査ヘッドはサンプルを固定プローブにわたって動かし、変換器はそのプロ ーブとサンプルの間の力を測定する。 図5は本発明の他の実施形態を示す。多次元変換器202を組み込んだ力また は運動を与えおよび/または検出するシステム200は一般に示されている。多 次元変換器202はシステム200が力や運動を遠隔にある物体または位置に与 え、および/または力や運動を多重方向に検出することを許可する。 図5に示す一つの好ましい実施形態では、多次元変換器202は2次元変換器 である。多次元変換器202は第1方向に力/運動を与えたり検出するために第 1またはX方向の変換器204、および第2方向に力/運動を検出または与える ために第2またはZ方向変変換器206を含む。X方向の変換器204とZ方向 変変換器206は以前にこの明細書に記載した容量変換器と同様のはずであり、 好ましい実施形態では多板変換器104(104xまたは104zと呼ぶ)で、 これは多板変換器104内に固定的に取り付けた一対の駆動板と駆動板に関連し て変換器104に可変的に取り付けた共通ピックアップ板を含む先に記載した容 量変換器と同様であるはずである。 システム200は制御装置102、発信機130、多次元変換器202、およ び出力信号調整装置/検出装置132を含む。一般に制御装置102は力および /または運動出力を多次元変変換器202から遠く離れた位置/対象へ与えるた めに多次元変換器202に連結される(例えば遠隔にある物体218に示してあ るように)。発信機130と出力信号調整装置/検出装置132は多次元変換器 202により与えられおよび/または検出された力、重量、変位に比例した変換 器202出力を監視するために多次元変換器202に連結される。 制御装置102は208で示された静電制御装置112(EC)にそして20 9で示された出力信号調整装置/検出装置132に電気的に連結される。静電制 御装置112は210xと210zで示された多次元変換器202へ連結される 。 発信機130は212で示される多次元変換器202へ連結される。多次元変 換器202は出力信号調整装置/検出装置132へ電気的に連結される。とくに 、X方向変換器204は214で示される出力信号調整装置/検出装置132へ 、Z方向変換器206は216で示される出力信号調整装置/検出装置132へ 連結される。同様に、多次元変換器202は220xと220zで示される(一 点鎖線)遠隔にある物体218へ機械的に連結される。 多次元変換器202は選択的に制御され別の大きさの運動/力を各方向に与え る。同様に、多次元変換器202は独立にxとz方向に力や位置を感知する。 動作中には、静電制御装置112は選択的に比較的高い電圧を多次元変換器に 加える。一つの実施形態では、静電制御装置112は選択的に比較的高い電圧を 210xで示されるx方向変換器204の駆動板に加える。x−方向変換器を可 動的に取り付けたピックアップ板と固定駆動板の間の静電吸引力はピックアップ 板を駆動板の方へ引っ張る。ピックアップ板が駆動板へより近く動かされると力 や運動の伝達機構は対応力や運動を装置リンク220xで示す遠隔にある物体2 18へ伝達する。上記動作の結果遠隔にある物体218はx方向に動かされ遠隔 にある物体218にかかる力はx方向に持つようになる。 同様に、静電制御装置112はx方向変換器204に加わった電圧とは独立し て選択的に比較的高い電圧を210zで示すz方向変換器206の駆動板へ加え る。z方向変換器206の可動的に取り付けられたピックアップ板と固定駆動板 の間の静電吸引力はピックアップ板を駆動板へより近く引っ張る。ピックアップ 板が駆動板へより近く動かされると、対応した力や運動は遠隔にある物体218 へ伝達される。遠隔にある物体218に与えられる結果の力や運動は220zに 示すz方向に向く。 この明細書で先に述べたように、静電制御装置112はデータ取得制御システ ム110を通して手動または自動的に制御してもよい。データ取得制御システム 110は入力208で示される静電制御装置112により加えられた電圧を選択 的に変えるために出力信号調整装置/検出装置132からの出力信号209に応 答してもよい。代わりにまたは加えて、データ取得制御システム110は静電制 御装置112の出力210を独立に制御できる。データ取得制御システム110 は出力信号209を通して出力信号調整装置/検出装置132から受け取ったデ ータ点を記録するために使ってもよい。 発信機130は各方向に検出された力、重量、および/または位置に比例した 出力信号214と216を与えるため搬送信号を多次元変換器202に加える。 特に、発信機130はAC搬送すなわち高い周波数信号をx方向変換器204に 与え、x方向変換器204は出力信号214をx方向にx方向変換器204によ り検出された(または与えられた)力、重量、および/または位置に比例した出 力信号214を出力信号調整装置/検出装置132へ与える。同様に、発信機1 30はAC搬送すなわち高い周波数信号をz方向変換器206に与え、z方向変 換器206は出力信号216をz方向にz方向変換器206により検出された( または与えられた)力、重量、および/または位置に比例した出力信号216を 出力信号調整装置/検出装置132へ与える。出力信号調整装置/検出装置13 2は信号214および/または信号216に対応してもよいデータ取得制御シス テム110へ信号209を与える。 多次元変換器202は力を遠隔にある物体に2方向に与えてもよい、および/ または代わりに2方向に力や位置を検出してもよい2次元変換器である。x方向 変換器204とz方向変換器206は力、重量、位置を与えおよび/または検出 変換器として独立に使ってもよい。例えば、一つの好ましい実施形態において、 静電制御装置112は選択的に力や運動を遠隔にある物体218に与えるために z方向変換器206へ電圧を印加するだけである。一つの実施形態において、そ の電圧は最大10mNの力を与えるための最大600ボルトのDC電圧である。 発信機130は遠隔にある物体218上の力を検出するために同期的に搬送信号 をx方向変換器204とz方向変換器206へ加える。z方向変換器206は遠 隔にある物体218に与えられ、力や運動、そして引き続き検出されたz方向の 力を表す出力信号216を出力信号調整装置/検出装置132に与える。x方向 変換器204は検出されたx方向の力を表す出力信号214を出力信号調整装置 /検出装置132に与える。 図6と7を参照すると、2次元変換器として多次元変換器202の一つの好ま しい実施形態が一般には示される。図6は平面図、図7は多次元変換器202の 側面図である。多次元変換器202が機械的に遠隔にある物体218に連結され たものが示されている。 図6を参照すると、x方向変換器204が一般に示されており、駆動板118 x、駆動板120x、およびピックアップ板122xを持った多板容量変換器1 04を含む。 x方向変換器204は機械的に機械的リンク226を通じてz方向変換器20 6に連結される。同様に、z方向変換器206は駆動板118z、120z、ピ ックアップ板122zを含む多板容量変換器104zを含む。多次元変換器20 2は力をx方向変換器204の選択的静電作動とz方向変換器206の静電作動 を通してx方向とz方向に独立に遠隔にある物体218に与えてもよい。同様に 、多次元変換器202は力および/または運動をx方向とz方向に検出してもよ い。加えて、第2のx方向変換器204’は機械的安定性のため含まれている。 図8を参照すると、本発明の更に他の実施形態が多次元変換器202を力また は運動を与え/検出するシステム200内に含めて示されている。多次元変換器 202は更に第3方向すなわちy方向に力や運動を与えおよび/または力や運動 を検出するための変換器205を含む。Y方向変換器205は先にこの明細書に 記載の容量変換器と同様で、好ましい実施形態では、先に記載のように多板変換 器104(ラベルは104y)を含む。 静電制御装置112は電気的にy方向変換器205(210y)と連結される 。y方向変換器205は機械的に出力信号調整装置/検出装置132(215) に連結される。更にy方向変換器205は機械的に遠隔にある物体218(22 0y)に連結される。 多次元変換器202は力を遠隔にある物体218に3方向に与えることを可能 にし、および/または遠隔にある物体218の運動を3方向に与える。加えて、 発信機130は各それぞれの方向に検出された力、重量または位置に比例する出 力信号214、215、および216を出力信号調整装置/検出装置132に与 えるためにx方向変換器204、y方向変換器205、およびz方向変換器20 6を含む多次元変換器202へ搬送信号212を与える。 図9と10を参照すると、多次元変換器202の一つの好ましい構造的実施形 態を3次元変換器として一般に230に示される。多次元変換器202の好まし い構造的構成は図6と7に示す2次元変換器の構造的実施形態と同様であり、そ して更に第3方向すなわちy方向変換器205を含む。x方向変換器204とz 方向変換器206と同様、y方向変換器205は駆動板118、駆動板120、 およびピックアップ板122yを持つ多板容量変換器104yを含む。y方向変 換器205は機械的リンク227を通じてx方向変換器204に機械的に連結さ れている。y方向変換器205は多次元変換器202が第3方向すなわちy方向 に力と運動を検出または与えることを可能にする。 この実施形態では、第2のx方向変換器204’と第2のy方向変換器205 ’は機械的安定性のために含まれる。変換器204’と変換器205’は変換器 204と変換器205と同様に機能する。 多次元変換器202は力/運動を与えおよび/または検出するためx方向、y 方向、およびz方向に追加的変換器を含むことが認められる。例えば、図11A と11Bは追加的第2すなわちz方向変換器207を含む2次元変換器としての 多次元変換器202を示す。示された実施形態では、発信機130(図示無し) はx方向変換器204、z方向変換器206、およびz方向変換器207(21 2)と連結される。制御装置102(図示無し)はz方向変換器207(210 )と連結される。x方向変換器204(214)、z方向変換器206(216 )、およびz方向変換器207(217)は電気的に出力信号調整装置/検出装 置132(図示無し)に連結される。x方向変換器204(220x)、z方向 制御装置206(220z)およびz方向変換器207(220zz)は機械的 に遠隔にある物体218へ連結される。 動作中は、x方向変換器204はx方向の遠隔にある物体218上の横方向の 力または運動を感知し、検出された力を表す出力信号214を出力信号検出装置 /調整装置132に与える。z方向変換器206、およびz方向変換器207は z方向の遠隔にある物体218へ加えられた力を感知し、そして対応したz方向 の遠隔にある物体218上に検出された力を表す出力信号216と出力信号21 7を出力信検出装置/調整装置132に与える。加えて、z方向変換器206、 およびz方向変換器207は静電気的に入力信号210zおよび入力信号210 zzを通じて出力信号(220zおよび/または220zz)をz方向に遠隔に ある物体に対して加えるためにそれぞれ制御される、そして遠隔にある物体の変 位を表す出力信号216および/または出力信号217を出力信号検出装置/調 整装置132に与える。 本発明の更に他の実施形態は図11Cと11Dに示され、付加的z方向変換器 207を持つ多次元変換器202を含む。この実施形態では、x方向変換器20 4、y方向変換器205、z方向変換器206、およびz方向変換器207はそ れぞれx方向,y方向,z方向の遠隔にある物体218上の力を感知検出する。 加えて、変換器202から変換器類204、205、206、207は選択的に 力や運動をそれぞれの方向に遠隔にある物体218に与える。 図12を参照して、本発明の上記の多次元変換器202を組み込んで硬度試験 や表面作像用につかってもよいマイクロメカニカル試験機の略図が示される。こ の実施形態を使うと、本来の作像が可能となる。サンプルの表面地形の走査が行 われ、直ぐ後に所望のマイクロメカニカル試験が続き、その後に同じ装置を使っ て表面地形の第2の作像が続く。行われたマイクロメカニカル試験は押込み、引 っかき試験、または同様の手順を含むかもしれない。 引き続く表面作像を持つ微小押込み出願人の本発明の装置先に記載したいくつ かの変形例を伴う図4に示した走査プローブ顕微鏡を利用する。走査ヘッド15 8(好ましい実施形態では三次元圧電作動機が含まれるかもしれない)は固定位 置に取り付けられる。サンプルプラットホーム154は走査ヘッド158に連結 される。サンプル152はサンプルプラットフォーム154に位置づけられる。 多次元変換器202はサンプル152の上に位置づけられるプローブ150に連 結される。 一つの好ましい実施形態では、多次元変換器202は図11Aと11Bに示さ れ先に記載した多次元変換器202と同様であるはずの2次元変換器である。多 次元変換器202はx方向変換器204を使ってx方向に、z方向変換器206 および/またはz方向変換器207を使ってz方向に力を感知検出でき、遠隔に ある物体218(図ではプローブ150として示されている)にz方向変換器2 06および/またはz方向変換器207を使って力をz方向に与える。 使用の際は、サンプル152の表面はビデオディスプレイモニター162(1 61)に連結されたSPM制御装置160を使って先に述べたように作像される 。走査ヘッド158は先に述べた方法を使ってサンプル表面を作像するためにサ ンプル152を前後にラスターパターン状に動かす。 出願人の発明の多次元変換器202は押込みや引っかき、押込みや引っかき中 に加えた力の測定、そして試験の前後の作像のために使われる。いったんサンプ ル152の像が上記の手順を使って作られると、多次元変換器202はサンプル 152の中にプローブ150のチップを押し込んで押込みを作るために使われる 。多次元変換器202は押込み工程中にチップのサンプルへの貫入を表す出力信 号217を出力信号検出装置/調整装置132へ与える。 好ましい実施形態で、押込みを行うため、制御装置102(静電制御装置11 2を含む)を操作し選択的に電圧を多次元変換器202(210)に加え静電作 動させプローブ150チップをサンプル152に押し込む。特に、押込みモード でz方向変換器207は対応の力をz方向にプローブ218へ伝送し静電気的に 作動しプローブ150チップをサンプル152へ押し込む。押込み中z方向変換 器はチップのサンプルへの貫入と試験されるサンプル152の特性を表す出力信 号検出装置/調整装置132へ出力信号217を与える。 押込みのため多次元変換器202により与えられた力は選択的に静電制御装置 112を手動により制御するかまたはデータ取得制御システム110により静電 制御装置112を自動的に制御してもよい。データ取得制御システム110は変 換器202から所望の力を作るために加える電圧を計算するマイクロプロセッサ ーあるいは同様のロジックに基づいたシステム110を含んでもよい。代わりに または付加的にデータ取得制御システム110は出力信号検出装置/調整装置1 32から受け取ったデータを記録するために使用してもよい。 データ取得制御システム110は押込みが発生したときサンプルの運動を補償 するため多次元変換器202により加えられた力を調整するために用いてもよい 。それはより柔らかいサンプルに発生するものとして知られている。変換器20 2により与えられた力は変換器202から受け取った出力信号に基づいて出力信 号検出装置/調整装置132により変更してもよい。多次元変換器202は更に サンプル152上で横方向の力を測定するためx方向変換器204をを含む。( 214で指示された出力)。 押込み後、押込み試験の結果サンプルを動かす必要がなくあるいは押込みがサ ンプルに作られた点を見つけることなく時間刻みよりむしろ分刻みでサンプル1 52の表面を見ることができるように同じチップで再作像できる。更に、第1の イメージ、押込み、次のイメージはすべて同じサンプルで単一位置に作られるか ら、第1の表面イメージと第2の表面イメージとは同じ面積を持ちかつ押込み段 階の対応効果を示すことが確認される。 作像モードでは、z方向変換器はz方向の遠隔にある物体218(図12のプ ローブ150)上の力を感知し検出し、出力信号217を検出された力を表す出 力信号検出装置/調整装置132へ与える。加えて、作像モードでは、z方向変 換器206は走査ヘッド158を使う代わりに位置決め変換器として使ってもよ い。z方向変換器206はz方向の位置決めの機能を引き継ぐ。z方向変換器2 06は位置決め変換器として帰還ループで動作しサンプル152の表面に関連し てプローブ218のz方向に位置を維持する。(図12にチップ150として示 す)。 図13Aを参照すると、本発明の多次元変換器を使ったマイクロメカニカル試 験装置の更に他の実施形態が示される。一つの好ましい実施形態では、多次元変 換器202は先に記載されたように図11Cと11Dに示された多次元変換器と 同様である。表面作像中は、多次元変換器202が使われサンプル表面を作像す るためサンプル152の表面にわたってプローブ150のチップをラスターパタ ーンで前後に走査するために使われる。加えて、多次元変換器202はサンプル 152において押込みまたは引っかきを行うことを含めてもよい所望のマイクロ メカニカル試験を行うためプローブ150のチップの制御に使われる。押込みの 後、サンプル152は押込みや引っかき試験の結果が試験後すぐに作像ができる ように同じチップで再び作像可能である。これらのモードの各々で、多次元変換 器202は力を動かし、位置づけ、与え、または力を多方向に感知/検出するた めに使われる。 図13Aに示すように、一つの好ましい実施形態では、出力信号検出装置/調 整装置132は低域通過フィルタ(LPF)に連結された同期復調装置を含む。 低域通過フィルタは多次元変換器202から受け取った出力信号203の調整用 にアンプに連結される。加えて、フロントパネルディスプレイ(FPD)は出力 信号214、215、216、および217を表す出力ディスプレイを与えるた めにアンプへ連結してもよい。 図13Bを参照すると、本発明の多次元変換器を使ったマイクロメカニカル試 験装置が示されており、それは図13Aに示すマイクロメカニカル試験装置と同 様である。この実施形態では、単独型システムがSPM制御装置160の以前の 機能を行う制御装置102で示されている。 本発明の変換器が自身のスキャナ(典型的には圧電走査装置)を持つ走査プロ ーブが使われていると、顕微鏡スキャナはサンプルをプローブから引っ込めるた めに使うことができ、変換器出力を定期的にゼロに設定できる。これには熱的ず れに対する補償が必要である。多次元変換器202が走査ヘッド(158)の機 能を行うと、ずれに対する定期的な補償を見込んでおくなんらかの手段が与えら れなければならない。一つの可能な方法はサンプルからプローブを引っ込めるた めにねじを回すステッパーモータを使うことであろうが、もし像が走査されてい るときにこの方法が行われた場合はX方向とY方向の位置ずれが起きるかもしれな いことが認められる。 一つの好ましい実施形態では、ずれに対する補償の手段は二つのz方向の変換 器(すなわちz方向変換器206とz方向変換器207)を使うことである。一 つのz方向変換器は位置づけ器具として使い、それは第2のz方向変換器からの 帰還信号に応答して一定の接触力を維持する。ずれに対する修正は第1のz方向 変換器をわずかに引っ込めることでいつでも行える、その結果第2のz方向変換 器に取り付けたチップはもうサンプルには接触せず、オフセット調整回路が出力 をゼロにリセットする。z方向変換器は横方向の遊びが無いから、この手順はサ ンプルに対するプローブ(218)の位置を妨げずにいつでも、例え像を走査し ている最中でさえ行うことがてきる。 図14を参照すると、別の取り付け構成は走査プローブ顕微鏡試験システムで サンプル152をテストするため多次元変換器202とプローブ150の間で使 ってもよいことが認められている。図示されているように、ボックス240は多 次元変換器202を含めてもよく、そしてボックス242は図12に示されてい るものと同様な固定面であってもよい。代わりに、ボックス240は固定面であ ってもよく、そしてボックス242は多次元変換器202を含んでもよい。加え て、ボックス240またはボックス242はマイクロメカニカル試験手順中に各 種の動作を行うために走査プローブ型顕微鏡に機械的に連結された走査ヘッドを 含めてもよいことが認められている。 多次元変換器202は本発明の範囲にある限り別の構造的実施形態をもっても よいことも認められている。例えば、図15ではx方向変換器204とy方向変 換器205を含めた2次元多次元変換器202が示されている。この実施形態で は、x方向変換器204はy方向変換器205に共通の共通中央板122xyを 有する駆動板118xと120xを有する容量変換器104xを含んでいる。Y 方向変換器205容量変換器104xもまた駆動板118yと120yを含んで いる。中央板122xyは駆動板118x、118y、120x、および120 y間に可動的に取り付けられている。機構244は中央板122xyの運動のた めに中央板122xyに連結される。多次元変換器202のこの構造的実施形態 に対する一つの応用はコンピュータマウスまたは「ジョイスティツク」である。 本発明の多次元変換器202の更に別の実施形態は図16と17に示されてい る。この実施形態では、中央板122xyはサスペンションシステム246を使 って可動的に駆動板118x、118y、120x、および120yの上方に取 り付けられる。機構244は駆動板118x、118y、120x、および12 0yに関連する中央板122xyにその運動のために連結される。多次元変換器 202のこの構造的実施形態に対する一つの応用もコンピュータマウスまたは「 ジョイスティツク」である。 本発明は単一システムにおける本来の作像にナノーマイクロメカニカル試験と 高分解能を組み合わせた能力を与える。これは通常必要とするように別の押込み 装置で作った後その痕を従来のAFMやSEMに移し替えようと試みることによ り生じる努力、時間、不確かさを完全に払拭する。 ナノの尺度での押込みや硬度試験に加えて、本発明は困難な保護塗装やマイク ロメカニカル加工のような微小引っかき/引っかき試験、材料の摩耗試験に対し て使われる。困難な保護塗装のような材料の摩耗試験は繰り返して範囲を走査し 、いろいろな接触力での摩耗率の記録により評価できる。摩耗深さは外の領域と 周りの局所的面を作像するため測定後に走査寸法を増やすことにより測定できる 。この手順を使って摩耗深さを0.2nmまで小さく測定することが可能である ことが分かっている。 本発明は眼鏡から磁気記録ディスクに至る項目に関する困難な塗装をテストす る場合に極めて有効である。追加用途はマイクロエレクトロニック集積回路用の 薄膜のマイクロメカニカル試験、コンデンサーとパッシベーション層を含む。集 積回路の特徴がますます複雑になり金属熔射層の数が増すにつれ、機械的効果は 熱膨脹係数や工程関連ストレスの不適当な組み合わせによりずっと重要になって いる。これらの構造のマイクロメカニカル試験は本発明を使ってデバイスの信頼 性に関して関係者が持つであろうストレスやありそうな影響を評価するために行 われる。摩耗や腐食抵抗を増すための切削工具や他の機械的構成部分の塗装は本 発明を使って評価できる。 本発明で、ナノメートル尺度の分解能での本来の作像は達成され、以前には可 能でなかった測定も可能となる。100nmまたはこれ以下の非常に小さい径の 押込みが本発明で作られ作像されている。以前には別の押込み機上で作ったこの 寸法の押込みを後で顕微鏡を使って位置付けることはほとんど不可能に近いであ ろう(100nmの形状はその作像のためには1μmのオーダの走査寸法が必要 だろう)。もしサンプルを100μmの合計誤差(0.004インチ)で再位置 付けできるとすると押込みが置かれる可能性のある1μmの局所の数は10,0 00となる。もっと大きい押込みまたは他の形状でサンプル上に置かれて場所的 に助成しても、サンプルがいったん動かされるとこれらの小さい押込みは場所的 に信頼できない。 非常に小さい負荷で、安定ではないGaAsと単結晶銅に押込みが作られ、短 時間のうちに元の平らな面へ戻ってしまう。検査のためにそれは押込みを顕微鏡 にずっと以前にその押込みは消滅してしまっているために、この種の作用を持つ 面は従来のマイクロ/ナノ押込みについて研究することは不可能だろう。 加えて、本発明の微細装置加工能力は軌道巾を調整するかまたは空気の支え面 を変えるように磁気記録ヘッドの実験的修正のために使うことができることが認 められている。他の用途はデバッグまたは不良解析のため信号を厳密に調べるこ とがてきるように変更した金属溶射層を集積回路に露出させることを含む。 もし作像が必要ない場合は、本発明を従来の微小押込み作成機として操作する ことが可能であり、装置は他のマイクロ/ナノ押込み作成機の費用のほんのわず かで負荷/変位曲線を提供する。 この文書で補った発明の新しい特性と長所は前の記述で明らかにされている。 しかしながら、この開示は何れにしても例証的であることが理解されるであろう 。変更は詳細に行われてもよい、特に部品の形態、寸法、および配置については この発明の範囲を超えない限りにおいて。この発明の範囲は無論言語で定義され 添付の請求の範囲はその言語で表現されている。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.高精度多次元変換器であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および/または検出力、重量あるいは位置を第1の方向に付与する第1 の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および/または検出力、重量あるいは位置を第2の方向に付与する第2 の容量変換器と、 を備える高精度多次元変換器。 2.前記各第1及び第2変換器は、前記ピックアップ板から遠隔にある物体と 前記ピックアップ板との間に力を伝達する手段を含む請求項1に記載の変換器。 3.前記駆動板に対する前記ピックアップ板の相対位置に応答して当該相対位 置に比例する出力信号を供給する手段を更に備える請求項2に記載の変換器。 4.前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段を更に備える請求項1に記 載の変換器。 5.前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、前記ピックアップ板を 介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する手段を更に含む請求項4に記 載の変換器。 6.前記ピックアップ板を介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する 手段は、静電作動を含むこと請求項5に記載の変換器。 7.前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、各変換器に結合された 静電アクチュエータを有する制御装置を含む請求項4に記載の変換器。 8.移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力または運動および/ または検出力、重量あるいは位置を第3の方向に付与する第3の容量変換器を更 に備える請求項1に記載の変換器。 9.駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力 または運動および/または検出力、重量あるいは位置を前記第2の方向に付与す る第4の容量変換器を更に備える請求項8に記載の変換器。 10.駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力 や運動および/または検出力、重量あるいは位置を前記第2の方向に付与する第 3の容量変換器を更に備える請求項1に記載の変換器。 11.高精度多次元変換器であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第1 の方向の力、重量あるいは位置を検出する第1の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第2 の方向の力、重量あるいは位置を検出する第2の容量変換器と、 前記各ピックアップ板を遠隔にある物体に結合する手段と、 前記検出された力、重量あるいは位置に比例する出力信号を発生する手段と 、 を備える高精度多次元変換器。 12.前記各ピックアップ板の位置および/または各ピックアップ板が発生する 力を選択的に制御する手段を更に備える請求項11に記載の変換器。 13.前記位置および/または力を選択的に制御する手段は、静電作動を含む請 求項12に記載の変換器。 14.前記第2変換器と類似した第3の変換器を含み、前記第2の方向のドリフ トを補正する手段を更に備える請求項12に記載の変換器。 15.駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第 3の方向の力、重量あるいは位置を検出する第3の容量変換器を更に備える請求 項11に記載の変換器。 16.走査プローブ型顕微鏡装置における高精度多次元変換器であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および/または検出力、重量あるいは位置を第1の方向に付与する第1 の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および/または検出力、重量あるいは位置を第2の方向に付与する第2 の容量変換器とを備える高精度多次元変換器。 17.前記各第1及び第2変換器は、前記ピックアップ板から遠隔にある物体と 前記ピックアップ板との間に力を伝達する手段を含む請求項16に記載の変換器 。 18.前記駆動板に対する前記ピックアップ板の相対位置に応答して当該相対位 置に比例する出力信号を供給する手段を更に備える請求項17に記載の変換器。 19.前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段を更に備える請求項16に 記載の変換器。 20.前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、前記ピックアップ板を 介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する手段を更に備える請求項19 に記載の変換器。 21.前記ピックアップ板を介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する 手段は、静電作動を含む請求項20記載の変換器。 22.前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、各変換器に結合された 静電アクチュエータを有する制御装置を含む請求項19に記載の変換器。 23.移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力や運動および/また は検出力、重量あるいは位置を第3の方向に付与する第3の容量変換器を更に備 える請求項16に記載の変換器。 24.移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力または運動および/ または検出力、重量あるいは位置を前記第2の方向に付与する第3の容量変換器 を更に備える請求項16に記載の変換器。 25.試料のマイクロメカニカル試験方法であって、 試料を載置する工程と、 高精度多次元容量変換器を用いてマイクロメカニカル試験を遂行する工程と を備える械試験方法。 26.前記多次元容量変換器を用いて前記試料を所定の位置に作像する工程を更 に備える請求項25に記載の方法。 27.前記多次元容量変換器を用いてマイクロメカニカル試験を遂行する工程は 、 力または運動および/または検出力、重量あるいは位置を第1の方向に付与 する工程と、 力または運動および/または検出力、重量あるいは位置を第2の方向に付与 する工程と、 を更に備える請求項25に記載の方法。 28.前記高精度多次元容量変換器を用いてマイクロメカニカル試験を遂行する 工程は、力または運動および/または検出力、重量あるいは位置を第3の方向に 付与する工程を更に備える請求項27に記載の方法。 29.尖端に対して試料を相対移動させるための圧電走査装置を有する走査プロ ーブ型顕微鏡装置であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第 1の方向の力、重量または位置を検出する第1の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第 2の方向の力、重量または位置を検出する第2の容量変換器と、 を有する多次元変換器を含む表面作像ならびに多軸力および/または変位測 定手段と、 前記各ピックアップ板を遠隔にある物体に結合する手段と、 検出された前記力、重量または位置に比例する出力信号を発生する手段と、 を備える走査プローブ型顕微鏡装置。 30.多軸力および/または変位を付与する手段を更に備える請求項29に記載 の装置。 31.走査プローブ型顕微鏡装置であって、 多次元容量変換器と、 当該変換器に結合されて表面作像ならびに多軸力および/または変位測定を 行う手段と、 前記変換器に結合されて多軸力および/または変位を付与する手段と、 を備える走査プローブ型顕微鏡装置。 32.高解像度の表面作像をし、かつ、マイクロメカニカル特性試験を遂行する ための装置であって、 プローブと、 多次元変換器を含み、前記プローブと試料との間に相対運動を与える走査手 段と、 データ取得及び制御システムと静電制御装置とを含み、前記多次元変換器に 結合された制御装置と、 を備える装置。 33.前記制御装置に結合されたビデオディスプレイモニターと、前記制御装置 に結合された操作盤とを更に備える請求項32に記載の装置。
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