JP2001324375A - Minute weighting detector and minute weighting measuring device - Google Patents

Minute weighting detector and minute weighting measuring device

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JP2001324375A
JP2001324375A JP2000143239A JP2000143239A JP2001324375A JP 2001324375 A JP2001324375 A JP 2001324375A JP 2000143239 A JP2000143239 A JP 2000143239A JP 2000143239 A JP2000143239 A JP 2000143239A JP 2001324375 A JP2001324375 A JP 2001324375A
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JP
Japan
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weight
minute
micro
deflection
hardness
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Application number
JP2000143239A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshiharu Shirakawabe
喜春 白川部
Hiroshi Takahashi
寛 高橋
Nobuhiro Shimizu
信宏 清水
Chiaki Yasumuro
千晃 安室
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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Publication date
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  • Measuring Volume Flow (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a minute weighting measuring device capable of executing simply measurement of the weight (static weighting) of a minute material or measurement of the weighting (dynamic weighting) by a cantilever. SOLUTION: By using this minute weighting detector 10 composed of a load acceptance part for accepting the weighting, a minute beam part having one end connected to the weighting acceptance part, and a support part for supporting the minute beam part at the other end of the minute beam part, a resistance change of a piezo resister mounted on the minute beam part is acquired s a deflection quantity of the minute beam part, and the magnitude of the load is known from the acquired resistance change (electric signal) and a corresponding relation table prepared beforehand, for showing the correspondence between the deflection quantity and the magnitude of the weighting.

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、先鋭化された探針
を用いて試料表面の微小領域(ナノメートルオーダ)を
観察するSPM(Scannning Probe M
icroscope)について、に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an SPM (Scanning Probe M) for observing a minute area (on the order of nanometers) of a sample surface using a sharpened probe.
(microscope).

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、粉末や液体の重量を正確に計測す
るのに、ディジタル表示可能な電子天びんが多く用いら
れている。特に、数マイクログラム以下といった精度の
高い計測や同程度のオーダの重量を有する極めて軽量な
物質に対しての重量計測を行う場合には、高価でかつ厳
格な測定雰囲気を条件とする特殊な電子天びんが使用さ
れている。
2. Description of the Related Art At present, electronic balances capable of digital display are often used to accurately measure the weight of powders and liquids. In particular, when performing high-precision measurement of several micrograms or less, or weighing extremely light substances having a weight on the order of magnitude, special electronic devices that are subject to expensive and strict measurement atmospheres are required. The balance is being used.

【0003】また、ナノメートルオーダの微小な領域を
観察する顕微鏡の分野において、先端部に探針を有する
カンチレバーを用いた走査型プローブ顕微鏡(SPM:
Scanning Probe Microscop
e)が知られている。このSPMは、上記したカンチレ
バーの探針を試料表面に沿って走査し、試料表面と探針
との間に発生する原子間力(引力または斥力)等をカン
チレバーの撓み量として検出することで試料表面の形状
測定を行うものである。
Further, in the field of microscopes for observing minute regions on the order of nanometers, a scanning probe microscope (SPM: SPM) using a cantilever having a probe at the tip is used.
Scanning Probe Microscope
e) is known. The SPM scans the probe of the above-mentioned cantilever along the surface of the sample, and detects an atomic force (attraction or repulsion) generated between the surface of the sample and the probe as an amount of bending of the cantilever. This is for measuring the shape of the surface.

【0004】SPMにおいて、カンチレバーの撓み量を
検出する方式としては、光てこ方式と自己検知方式が知
られている。光てこ方式とは、カンチレバーにレーザ光
を照射し、その反射角の変化を、カンチレバーの撓み変
化に置換するものである。但し、この光てこ方式は、カ
ンチレバーの撓み量を検出するために、レーザ装置やカ
ンチレバーからの反射光を検出する光検出器等のカンチ
レバーとは別体の検出系が必要であり、さらにカンチレ
バーの交換毎に、レーザ光の照射角度や光検出器の位置
等の微調整が必要になるという欠点を有している。
In the SPM, as a method for detecting the amount of bending of the cantilever, an optical lever method and a self-detection method are known. The optical lever method irradiates a laser beam to the cantilever and replaces the change in the reflection angle with the change in the bending of the cantilever. However, this optical lever system requires a detection system separate from the cantilever, such as a laser device or a photodetector that detects reflected light from the cantilever, in order to detect the amount of bending of the cantilever. There is a disadvantage in that fine adjustment of the irradiation angle of the laser beam, the position of the photodetector, and the like is required for each replacement.

【0005】他方、自己検知方式とは、表面にピエゾ抵
抗体が形成されたカンチレバーを用い、そのピエゾ抵抗
体の抵抗値の変動を計測することによってカンチレバー
の撓み量を検出するものである。但し、この自己検知方
式は、カンチレバーの構成が複雑になり、光てこ方式に
用いられるカンチレバーと比較して高価になるという欠
点を有している。
On the other hand, the self-detection method uses a cantilever having a piezoresistor formed on its surface, and detects the amount of deflection of the cantilever by measuring a change in the resistance value of the piezoresistor. However, this self-detection method has a disadvantage that the structure of the cantilever is complicated and the cost is higher than that of the cantilever used in the optical lever method.

【0006】いずれの方式においても、SPMでは、試
料とカンチレバーの探針との鉛直方向(Z軸方向)の変
位の絶対値、すなわち試料表面のZ方向における構造を
正確に把握するためにも、カンチレバーのばね定数を知
得する必要がある。特に、表面観察中においては、試料
の硬さに応じて観察結果が異なることから、カンチレバ
ーの探針先端が試料に及ぼす力(加重)が既知であるこ
とが重要である。
In any of the methods, the SPM is used to accurately grasp the absolute value of the vertical (Z-axis) displacement between the sample and the probe of the cantilever, that is, the structure of the sample surface in the Z direction. It is necessary to know the spring constant of the cantilever. In particular, during surface observation, since the observation results differ depending on the hardness of the sample, it is important that the force (weight) exerted on the sample by the tip of the probe of the cantilever is known.

【0007】現状において、この加重は、上記したばね
定数とカンチレバーの試料への押しつけ量とから算出し
ている。ここで、前者のばね定数は、カンチレバーの硬
さとしてそのカンチレバーの寸法から算出することが可
能であり、後者のカンチレバーの試料への押しつけ量
は、カンチレバーまたは試料台のZ軸方向制御を行うア
クチュエータの制御量から算出することができる。
At present, this weight is calculated from the above-mentioned spring constant and the amount of pressing the cantilever against the sample. Here, the former spring constant can be calculated from the dimensions of the cantilever as the hardness of the cantilever, and the amount of pressing of the latter cantilever against the sample is determined by the actuator that controls the cantilever or the sample stage in the Z-axis direction. Can be calculated from the control amount.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た電子天びんの測定範囲を超えるナノメートルオーダの
微小な物質(又は生物)の重量計測を行うことはでき
ず、特に、粒子形状のように個々に分離できる微小な物
質を単体で計測することは不可能であった。よって従来
においては、このような微小な物質の重量測定は、測定
可能範囲に至る程度まで物質を集合させる必要があっ
た。
However, it is impossible to measure the weight of a minute substance (or organism) on the order of nanometers exceeding the measurement range of the electronic balance described above. It was impossible to measure a minute substance that could be separated by itself. Therefore, conventionally, in the measurement of the weight of such a minute substance, it is necessary to collect the substances to the extent that they can be measured.

【0009】例えば、単一のコロイドに対しての物性評
価を行う際、電子顕微鏡等によりその形状や体積を観測
することはできるが、その重量を正確に測定する手段が
確立されていないため、密度等の一般に他の物質の物性
評価において取得可能な情報を得ることはできなかっ
た。
For example, when a single colloid is evaluated for its physical properties, its shape and volume can be observed with an electron microscope or the like, but a means for accurately measuring its weight has not been established. In general, it was not possible to obtain information that can be obtained in the physical property evaluation of other substances such as density.

【0010】一方、SPMにおいては、試料への加重を
知得するためにカンチレバーの物性値の一つである硬さ
(剛性:Stiffness)の計測を正確に行うの
に、上記した寸法からの算出では、カンチレバー形状が
単純な短冊形状である場合には特に差違は生じないが形
状が複雑になるほど信頼性は低かった。
On the other hand, in the SPM, in order to accurately measure the hardness (rigidity: Stiffness) which is one of the physical properties of the cantilever in order to know the weight on the sample, it is necessary to calculate the above-mentioned dimensions. When the shape of the cantilever is a simple strip, there is no particular difference, but the more complicated the shape, the lower the reliability.

【0011】また、この寸法から算出する方法以外に
も、専用の個別の硬さ測定装置を用いることが可能であ
るが、一般にそのような専用装置は高価であり、かつそ
の測定に要する作業も煩雑であるため、必ずしも簡便な
手段とは言えなかった。
In addition to the method of calculating from these dimensions, a dedicated individual hardness measuring device can be used. However, such a dedicated device is generally expensive and requires a work required for the measurement. Because of the complexity, it was not always a simple means.

【0012】さらに、試料と探針との間にかかる実際の
加重は、カンチレバーをSPMに装着した状態でのみ計
測可能であり、従来のSPMにおいてはこのような加重
測定を実時間でおこなうことができなかった。この結
果、柔らかい試料に対しては試料が損傷したり押し潰さ
れ、逆に硬い試料に対してはカンチレバーの探針先端が
破損するといった事態が生じ、これら事態の予測や検証
を正確に行うことができなかった。
Further, the actual weight applied between the sample and the probe can be measured only when the cantilever is attached to the SPM, and such a weight measurement can be performed in real time in the conventional SPM. could not. As a result, the sample may be damaged or crushed for a soft sample, and the tip of the cantilever may be damaged for a hard sample, and it is necessary to accurately predict and verify these situations. Could not.

【0013】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、従来測定できなかった微小な物質の重量
(静加重)の測定やカンチレバーによる加重(動加重)
の測定を簡便に行うことのできる微小加重検出器および
微小加重測定装置を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and measures the weight (static load) of a minute substance which cannot be measured conventionally and the load (dynamic load) by a cantilever.
It is an object of the present invention to provide a micro-weighted detector and a micro-weighted measurement device which can easily perform the measurement of the weight.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、請求項1の発明に係る微小加重
検出器は、加重を受ける加重受け部と、一端が前記加重
受け部に連結される微小梁部と、前記微小梁部の他端に
おいて当該微小梁部を支持する支持部と、を備え、前記
加重受け部に与えられた加重の大きさを前記微小梁部の
撓み量に変換することで前記加重を検出することを特徴
とする。
Means for Solving the Problems To solve the above-mentioned problems,
In order to achieve the object, a minute weight detector according to the invention of claim 1 includes a weight receiving portion receiving a weight, a minute beam portion having one end connected to the weight receiving portion, and the other end of the minute beam portion. A supporting portion for supporting the microbeam portion, wherein the weight is detected by converting a magnitude of the weight given to the weight receiving portion into a bending amount of the microbeam portion. .

【0015】この請求項1の発明によれば、加重受け部
を自由端とした微小梁部の撓み量を、加重受け部に与え
られた加重の大きさとして取得するので、微小梁部の形
状(長さ、厚み等)や材質を種々選択することで、微小
な加重に対してもその加重の大きさを鋭敏に検出するこ
とができる。
According to the first aspect of the present invention, the amount of deflection of the microbeam with the weight receiving portion as a free end is obtained as the magnitude of the weight given to the weight receiving portion, so that the shape of the microbeam is obtained. By selecting various (length, thickness, etc.) and materials, even the minute load, the magnitude of the load can be detected sharply.

【0016】また、請求項2の発明に係る微小加重検出
器は、請求項1の発明において、前記微小梁部にピエゾ
抵抗体を設け、前記微小梁部の撓み量を、前記ピエゾ抵
抗体の抵抗値変化を示す検出信号として出力することを
特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the micro-weighted detector according to the first aspect, wherein a piezoresistor is provided on the microbeam, and a deflection amount of the microbeam is measured by the piezoresistor. It is characterized in that it is output as a detection signal indicating a change in resistance value.

【0017】この請求項2の発明によれば、微小梁部の
撓み量を、微小梁部に設けられたピエゾ抵抗体の抵抗値
変化、すなわち電気信号として取得できるので、レーザ
光の反射角度を検出することで撓み量を検出するといっ
た別体で必要な撓み検出手段を用意せずとも、微小加重
検出器自体からその微小梁部の撓み量を電気信号変化と
して取り出すことが可能となる。
According to the second aspect of the present invention, the amount of deflection of the minute beam can be obtained as a change in the resistance value of the piezoresistor provided in the minute beam, that is, as an electric signal. It is possible to extract the amount of deflection of the minute beam portion from the minute weight detector itself as a change in the electric signal without preparing a separate required deflection detecting means such as detecting the amount of deflection by detecting the amount.

【0018】また、請求項3の発明に係る微小加重測定
装置は、加重を受ける加重受け部と一端が前記加重受け
部に連結される微小梁部と前記微小梁部の他端において
当該微小梁部を支持する支持部とを具備するとともに前
記加重受け部に与えられた加重の大きさを前記微小梁部
の撓み量に変換する微小加重検出手段と、前記撓み量を
電気信号に変換して出力する撓み検出手段と、前記撓み
検出手段から出力された電気信号から前記加重の大きさ
を演算する演算手段と、前記演算手段によって演算され
た加重の大きさを表示する表示手段と、を備えたことを
特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a micro-weight measuring device, comprising: a weight receiving portion receiving the weight; a micro beam portion having one end connected to the weight receiving portion; and a micro beam at the other end of the micro beam portion. A micro-weight detecting means for converting the magnitude of the weight given to the weight receiving portion into a bending amount of the micro-beam portion, and converting the bending amount into an electric signal. A deflection detecting means for outputting; a calculating means for calculating the magnitude of the weight from the electric signal output from the deflection detecting means; and a display means for displaying the magnitude of the weight calculated by the calculating means. It is characterized by having.

【0019】この請求項3の発明によれば、微小加重検
出手段の加重受け部に与えられた加重によって撓んだ微
小梁部の撓み量を、撓み検出手段により電気信号の変化
として取得でき、演算手段および表示手段によって、取
得した電気信号から上記加重の大きさを演算して、その
結果を表示することができる。
According to the third aspect of the present invention, the amount of bending of the minute beam portion bent by the load applied to the weight receiving portion of the minute load detecting means can be obtained as a change in the electric signal by the bending detecting means, The magnitude of the weight is computed from the obtained electric signal by the computing means and the display means, and the result can be displayed.

【0020】また、請求項4の発明に係る微小加重測定
装置は、請求項3の発明において、前記加重は、前記加
重受け部に載せられた測定対象物の重量に応じて生じ、
前記演算手段が、前記撓み検出手段から出力された電気
信号から前記重量を演算し、前記表示手段が、前記演算
手段によって演算された重量を表示することを特徴とす
る。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a micro-weight measuring apparatus according to the third aspect, wherein the weight is generated in accordance with the weight of the measuring object placed on the weight receiving portion,
The calculating means calculates the weight from the electric signal output from the deflection detecting means, and the display means displays the weight calculated by the calculating means.

【0021】この請求項4の発明によれば、加重受け部
に載せられた測定対象物の重量によって微小梁部が撓ん
だ際に、演算手段および表示手段が、その撓み量から、
上記測定対象物の重量を演算して、その結果を表示する
ことができる。
According to the fourth aspect of the present invention, when the minute beam portion is bent by the weight of the measuring object placed on the weight receiving portion, the calculating means and the display means determine the amount of bending from the bending amount.
The weight of the measurement object can be calculated and the result can be displayed.

【0022】また、請求項5の発明に係る微小加重測定
装置は、請求項3の発明において、前記加重は、前記加
重受け部に与えられた液流または気体流に応じて生じ、
前記演算手段が、前記撓み検出手段から出力された電気
信号から前記液流または気体流の流速または流量を演算
し、前記表示手段が、前記演算手段によって演算された
流速または流量を表示することを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the micro weight measuring apparatus according to the third aspect, the weight is generated according to a liquid flow or a gas flow given to the weight receiving portion,
The calculation means calculates the flow rate or flow rate of the liquid flow or gas flow from the electric signal output from the deflection detection means, and the display means displays the flow rate or flow rate calculated by the calculation means. Features.

【0023】この請求項5の発明によれば、加重受け部
に与えられた液流または気体流によって微小梁部が撓ん
だ際に、演算手段および表示手段が、その撓み量から、
上記液流または気体流の流速または流量を演算して、そ
の結果を表示することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, when the minute beam portion is bent by the liquid flow or the gas flow given to the weight receiving portion, the calculating means and the display means determine the amount of bending from the bending amount.
The flow velocity or flow rate of the liquid flow or gas flow can be calculated and the result can be displayed.

【0024】また、請求項6の発明に係る微小加重測定
装置は、請求項3の発明において、前記加重は、測定対
象物が前記加重受け部を所定の大きさで押し付けること
により生じ、前記演算手段が、前記撓み検出手段から出
力された電気信号から前記測定対象物の硬さを演算し、
前記表示手段が、前記演算手段によって演算された硬さ
を表示することを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the micro weight measuring apparatus according to the third aspect of the present invention, the weight is generated by an object to be measured pressing the weight receiving portion with a predetermined size, and the calculation is performed. The means calculates the hardness of the measurement object from the electric signal output from the deflection detection means,
The display means displays the hardness calculated by the calculation means.

【0025】この請求項6の発明によれば、測定対象物
が加重受け部を所定の大きさで押し付けることにより微
小梁部が撓んだ際に、演算手段および表示手段が、その
撓み量から、上記測定対象物の硬さを演算して、その結
果を表示することができる。
According to the sixth aspect of the present invention, when the object to be measured presses the weight receiving portion with a predetermined size to bend the minute beam portion, the calculating means and the display means determine the amount of the bending. , The hardness of the measurement object can be calculated and the result can be displayed.

【0026】また、請求項7の発明に係る微小加重測定
装置は、請求項3の発明において、前記加重受け部がS
PM(Scanning Probe Microsc
ope)の測定対象試料となるように前記微小加重検出
手段を当該SPMの試料台に固定するSPM用支持手段
を備え、前記加重は、前記SPMに用いられるカンチレ
バーが前記加重受け部を所定の大きさで押し付けること
により生じ、前記演算手段が、前記撓み検出手段から出
力された電気信号から前記カンチレバーの硬さを演算
し、前記表示手段が、前記演算手段によって演算された
硬さを表示することを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, in the micro weight measuring apparatus according to the third aspect of the present invention, the weight receiving portion may
PM (Scanning Probe Microsc)
and SPM support means for fixing the micro-weight detection means to the sample stage of the SPM so as to be a sample to be measured in ope), wherein the weight is such that the cantilever used for the SPM has a predetermined size. The calculation means calculates the hardness of the cantilever from the electric signal output from the deflection detection means, and the display means displays the hardness calculated by the calculation means. It is characterized by.

【0027】この請求項7の発明によれば、微小加重検
出手段が、SPM用支持手段によって、その加重受け部
がSPMの測定対象試料となるようにSPMの試料台に
固定され、この状態において、従来のSPM動作により
カンチレバーが上記加重受け部を所定の大きさで押し付
けられることで微小梁部が撓んだ際に、演算手段および
表示手段が、その撓み量から、上記カンチレバーの硬さ
を演算して、その結果を表示することができる。
According to the seventh aspect of the present invention, the minute weight detecting means is fixed to the SPM sample base by the SPM supporting means such that the weight receiving portion becomes the SPM measurement target sample. When the cantilever is pressed against the weight receiving portion with a predetermined size by the conventional SPM operation and the micro beam portion is bent, the calculating means and the display means determine the hardness of the cantilever from the amount of bending. The result can be calculated and displayed.

【0028】また、請求項8の発明に係る微小加重測定
装置は、請求項3〜7のいずれか一つの発明において、
前記撓み検出手段が、ピエゾ抵抗体として前記微小加重
検出手段の前記微小梁部に設けられ、前記撓み量を前記
ピエゾ抵抗体の抵抗値変化を示した電気信号に変換して
出力することを特徴とする。
[0028] Further, the minute weight measuring apparatus according to the invention of claim 8 is the invention according to any one of claims 3 to 7,
The deflection detecting means is provided as a piezoresistor on the microbeam portion of the micro weight detecting means, and converts the amount of deflection into an electric signal indicating a change in the resistance value of the piezoresistor and outputs the electric signal. And

【0029】この請求項8の発明によれば、撓み検出手
段が、ピエゾ抵抗体として微小梁部に一体に設けられ、
その抵抗値変化を微小梁部の撓み量として取得できるの
で、レーザ光の反射角度を検出することで撓み量を検出
するといった独立して必要な撓み検出手段を用意せずと
も、微小加重検出手段自体からその微小梁部の撓み量を
電気信号変化として取り出すことが可能となる。
According to the eighth aspect of the present invention, the deflection detecting means is provided integrally with the microbeam as a piezoresistor,
Since the change in the resistance value can be obtained as the amount of deflection of the minute beam portion, the minute load detecting means can be obtained without preparing an independent necessary deflection detecting means such as detecting the amount of deflection by detecting the reflection angle of the laser beam. It becomes possible to extract the amount of deflection of the minute beam portion from itself as an electric signal change.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る微小加重検
出器および微小加重測定装置の実施の形態を図面に基づ
いて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの
発明が限定されるものではない。また、本発明に係る微
小加重測定装置は、本発明に係る微小加重検出器を利用
することで重量や加重の測定を実現するものである。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a minute weight detector and a minute weight measuring apparatus according to the present invention. The present invention is not limited by the embodiment. Further, the minute weight measuring device according to the present invention realizes measurement of weight and weight by using the minute weight detector according to the present invention.

【0031】(実施の形態1)まず、実施の形態1に係
る微小加重検出器および微小加重測定装置について説明
する。特に、実施の形態1に係る微小加重検出器および
微小加重測定装置は、微小な物質の重量(静加重)の測
定を可能とすることを特徴としている。図1は、実施の
形態1に係る微小加重測定装置の概略構成を示すブロッ
ク図である。
(Embodiment 1) First, a micro weight detector and a micro weight measuring apparatus according to Embodiment 1 will be described. In particular, the minute weight detector and the minute weight measurement device according to the first embodiment are characterized in that the weight (static weight) of a minute substance can be measured. FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the minute weight measurement device according to the first embodiment.

【0032】図1に示すように、微小加重測定装置は、
微小加重検出器10と、測定ヘッド部50と、演算部6
0と、表示部70と、を備えて構成される。図1におい
て、微小加重検出器10は、測定対象となる微小物質が
載せられることにより生じる加重を検出するものであ
り、ここでは、上記した自己検知方式のSPMにおいて
用いられるカンチレバー(以下、自己検知型カンチレバ
ーと称する)と同様な構造であるとする。
As shown in FIG. 1, the minute weight measuring device is
Micro-weighted detector 10, measuring head unit 50, arithmetic unit 6
0 and a display unit 70. In FIG. 1, a micro-weight detector 10 detects a weight caused by a micro-substance to be measured being placed, and here, a cantilever (hereinafter, self-detection) used in the above-described self-detection type SPM. (Referred to as a mold cantilever).

【0033】図2は、この微小加重検出器10の構造を
説明するための概略図である。図2に示すように、微小
加重検出器10は、支持部12によって支持されたレバ
ー部11を備えている。特に、図2に示すレバー部は、
最も単純な短冊形状であり、支持部12において支持さ
れた支持点を基準として容易に撓む構造である。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the structure of the micro-weighted detector 10. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the micro weight detector 10 includes a lever unit 11 supported by a support unit 12. In particular, the lever shown in FIG.
It has the simplest strip shape, and has a structure that bends easily with reference to the support point supported by the support portion 12.

【0034】また、レバー部の固定点近傍(支持部12
と連結される領域)には、ピエゾ抵抗体13が形成され
ている。このピエゾ抵抗体13は、レバー部11の撓み
にともなってピエゾ抵抗体13自身の形状が歪むことか
ら、レバー部11の撓み量を抵抗値変化に変換すること
を可能にするものである。よって、この抵抗値変化を、
電極配線14を介して取り出すことにより、上記したレ
バー部の撓み状態を検出することが可能になる。
Further, the vicinity of the fixed point of the lever portion (support portion 12)
A piezoresistor 13 is formed in the region connected to the piezoresistor. The piezoresistor 13 allows the deflection of the lever 11 to be converted into a change in resistance value, since the shape of the piezoresistor 13 itself is distorted with the deflection of the lever 11. Therefore, this resistance change
By taking out via the electrode wiring 14, it is possible to detect the above-mentioned bending state of the lever portion.

【0035】このことから、測定対象となる微小物質
を、レバー部11の自由端近傍の上面に位置する加重受
け部(図中、点線15で囲まれた部分)に載せること
で、その微小物質の重量に応じてレバー部11が撓み、
結果的に、微小物質の重量に応じて変化する検出信号
が、電極配線14を通じて得ることができる。
From this, by placing the minute substance to be measured on the weight receiving portion (the portion surrounded by the dotted line 15 in the figure) located on the upper surface near the free end of the lever section 11, the minute substance is placed. The lever portion 11 bends according to the weight of
As a result, a detection signal that changes according to the weight of the minute substance can be obtained through the electrode wiring 14.

【0036】図3は、微小物質を載せた際のレバー部1
1の撓んだ状態を示す図である。図3に示すように、微
小物質30がレバー部11の自由端近傍に載せられるこ
とにより、レバー部11は、その微小物質30の重量に
比例した量の撓みを生じる。
FIG. 3 shows the lever 1 when a minute substance is placed thereon.
FIG. 2 is a diagram showing a bent state of the first embodiment. As shown in FIG. 3, when the minute substance 30 is placed near the free end of the lever section 11, the lever section 11 bends in an amount proportional to the weight of the minute substance 30.

【0037】また、図1において、測定ヘッド部50
は、上記した電極配線14を介してピエゾ抵抗体13に
所定の電圧を印加するとともに、その電圧印加の結果と
して通電された電流変化、すなわち微小加重検出器10
の検出信号を増幅する回路である。演算部60は、測定
ヘッド部50から出力された増幅後の検出信号と、後述
する校正方法により決定される対応関係表と、を用い
て、加重変化量を、実際の加重力の単位や重量の単位で
演算する回路である。
In FIG. 1, the measuring head 50
Applies a predetermined voltage to the piezoresistor 13 via the above-described electrode wiring 14, and changes the current supplied as a result of the voltage application, that is, the micro-weighted detector 10
Is a circuit for amplifying the detection signal. The arithmetic unit 60 calculates the weight change amount by using the amplified detection signal output from the measurement head unit 50 and a correspondence table determined by a calibration method described later, by using the actual weight unit and weight. Is a circuit that operates in units of

【0038】演算部60によって演算された加重変化量
は、表示部70において、数値またはグラフとして表示
され、これにより利用者は、測定対象である微小物質の
重量等の物性値を知得することが可能になる。なお、上
記した演算部60および表示部70による上記した各機
能は、汎用的なコンピュータ(CPUやCRTディスプ
レイ等)によって実現してもよい。
The weighted change amount calculated by the calculation unit 60 is displayed as a numerical value or a graph on the display unit 70, so that the user can know the physical property value such as the weight of the minute substance to be measured. Will be possible. The above-described functions of the arithmetic unit 60 and the display unit 70 may be realized by a general-purpose computer (CPU, CRT display, or the like).

【0039】また、微小加重検出器10は、図2に示し
たような単純な短冊形状以外にも、測定対象となる微小
物質が、レバー部の自由端近傍の上面に載せやすいよう
に、その部分を種々の形状に変更してもよい。図4は、
微小加重検出器の他の例の構造を説明するための概略図
である。図4(a)において上面図として示されるよう
に、微小加重検出器20は、支持部23によって支持さ
れたレバー部22の自由端側に、円弧状の加重受け部2
1が形成されており、微小物質30は、この加重受け部
21上に載せられる。
In addition to the simple strip shape as shown in FIG. 2, the micro-weighted detector 10 is designed so that a micro-substance to be measured can be easily placed on the upper surface near the free end of the lever. The part may be changed to various shapes. FIG.
It is the schematic for demonstrating the structure of another example of a micro weighted detector. As shown in the top view of FIG. 4A, the minute weight detector 20 includes an arc-shaped weight receiving section 2 on the free end side of the lever section 22 supported by the support section 23.
1 are formed, and the minute substance 30 is placed on the weight receiving portion 21.

【0040】この加重受け部21は、図4(b)におい
て微小加重検出器20の断面図として示されているよう
に、その中央部が窪んでおり、微小物質30が加重受け
部21から転がり落ちるのを防ぐとともに、レバー部2
2の撓みが水平方向の捩れを含むことなくZ軸方向(鉛
直方向)のみの変位として現れるように、微小物質を、
レバー部22の中心線上(固定端から自由端へと至る
線)に静止させる役割を果たす。
As shown in the sectional view of the micro weight detector 20 in FIG. 4 (b), the center of the weight receiving portion 21 is depressed, and the minute substance 30 is rolled from the weight receiving portion 21. Prevent from falling and lever part 2
In order that the deflection of No. 2 appears as a displacement only in the Z-axis direction (vertical direction) without including the horizontal twist,
It plays the role of stopping the lever portion 22 on the center line (line from the fixed end to the free end).

【0041】なお、上記したレバー部22および加重受
け部21の形状は、従来の半導体フォトプロセスによ
り、任意に設計・製造が可能であり、図4に示したよう
な形状以外にも、それら部分を例えば網目形状等の種々
の形状に変更することができる。
The shapes of the lever portion 22 and the weight receiving portion 21 can be arbitrarily designed and manufactured by a conventional semiconductor photo process. In addition to the shapes shown in FIG. Can be changed to various shapes such as a mesh shape.

【0042】図5は、微小加重検出器10の検出信号の
変化を示した図であり、特に、表示部70において表示
される形態の例を示している。図5に示すように、無負
荷状態での信号、すなわち微小物質30を微小加重検出
器10のレバー部11上に載せていない状態で得られる
検出信号と、負荷時の信号、すなわち微小物質30を微
小加重検出器10のレバー部11上に載せた状態で得ら
れる検出信号とから、それら信号の差分である重量変化
信号を得ることができる。
FIG. 5 is a diagram showing a change in the detection signal of the minute weight detector 10, and particularly shows an example of a form displayed on the display unit 70. As shown in FIG. 5, a signal in a no-load state, that is, a detection signal obtained in a state in which the minute substance 30 is not placed on the lever portion 11 of the minute weight detector 10, and a signal in a loaded state, that is, a minute substance 30 Can be obtained from a detection signal obtained in a state in which the signal is placed on the lever section 11 of the micro-weighted detector 10.

【0043】特に、図5に示すように検出結果をグラフ
表示させた場合には、検出応答性をも知得できるため、
例えば、微小物質の重量(静加重)の測定でなく、後述
する実施の形態2において説明するようにレバー部11
に与える加重(動加重)を測定したい場合に、その加重
速度を測定することもできる。
In particular, when the detection results are displayed as a graph as shown in FIG. 5, the detection response can be obtained,
For example, instead of measuring the weight (static load) of the fine substance, as described in a second embodiment described later, the lever 11 may be used.
When it is desired to measure the weight (dynamic weight) applied to the, the weight speed can be measured.

【0044】ここで、微小加重検出器10のレバー部1
1上に載せられた微小物質の重量(または加重量)を正
確に測定するためには、ピエゾ抵抗体13の抵抗値変化
と微小物質の重量変化との対応関係が精確である必要が
ある。ピエゾ抵抗体13の抵抗値変化、すなわちレバー
部11の撓み量は、レバー部11の硬さに応じて異なる
ため、結局は、レバー部11の硬さが異なる毎に、上記
した対応関係を精確に定めることが必要となる。
Here, the lever unit 1 of the micro weight detector 10
In order to accurately measure the weight (or weight) of the minute substance placed on the top 1, it is necessary that the correspondence between the change in the resistance value of the piezoresistor 13 and the change in the weight of the minute substance is accurate. Since the change in the resistance value of the piezoresistor 13, that is, the amount of bending of the lever portion 11, varies depending on the hardness of the lever portion 11, the correspondence described above is eventually accurately determined every time the hardness of the lever portion 11 changes. It is necessary to specify in.

【0045】よって、まず、レバー部11の正確な硬さ
を取得しておくことが要求される。図6は、レバー部1
1の硬さを算出するための方法を説明するための説明図
であり、特に硬さ基準用カンチレバーを示している。図
6(a)に示す上面図および図6(b)に示す断面図に
おいて、硬さ基準用カンチレバー40は、長手方向の長
さが異なる複数の短冊形状のレバー部42〜45が、支
持部41によって固定された構造であり、各レバー部4
2〜45は、上述したように、形状が単純であるため
に、その寸法と既知の材料(シリコン等)の物性値とか
ら、正確な硬さを理論的に算出することができる。
Therefore, first, it is required to obtain an accurate hardness of the lever portion 11. FIG. 6 shows the lever 1
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a method for calculating hardness of No. 1 and particularly shows a hardness reference cantilever. In the top view illustrated in FIG. 6A and the cross-sectional view illustrated in FIG. 6B, the hardness reference cantilever 40 includes a plurality of strip-shaped lever portions 42 to 45 having different longitudinal lengths. 41, and each lever 4
As described above, since the shape of each of Nos. 2 to 45 is simple, an accurate hardness can be theoretically calculated from the dimensions and physical properties of a known material (such as silicon).

【0046】なお、ここでいう硬さとは、各レバー部の
自由端に所定の加重を与えた際のその自由端の撓み量の
大小を示し、その撓み量が大きいほど、より硬いレバー
部であるとするものである。よって、図6においては、
レバー部42から順に、その長手方向の長さが所定量だ
け短くなるにつれて、その硬さは順に大きくなる。この
ように、複数の所定の長さのレバー部に対して各硬さを
既知としておくことで、任意の長さのレバー部に対して
も、容易にその硬さを知ることができる。また、この硬
さ基準用カンチレバー40の各レバー部42〜45の硬
さは、上記した寸法からの算出ではなく、専用の硬さ測
定装置を用いてあらかじめ取得しておいてもよい。
The term "hardness" as used herein refers to the degree of deflection of the free end of each lever when a predetermined load is applied to the free end. The larger the amount of deflection, the harder the lever. It is assumed that there is. Therefore, in FIG.
As the length in the longitudinal direction decreases by a predetermined amount in order from the lever portion 42, the hardness increases in order. In this way, by making each hardness known for a plurality of lever portions having a predetermined length, it is possible to easily know the hardness of a lever portion having an arbitrary length. The hardness of each of the lever portions 42 to 45 of the hardness reference cantilever 40 may be obtained in advance by using a dedicated hardness measuring device instead of calculating from the above-described dimensions.

【0047】さらに、上記した対応関係を精確に知得し
ておくためには、あらかじめ、実際に用いる微小加重検
出器10のレバー部11上に、例えば米国国家標準技術
局(NIST)のトレーサビリティを確保した信頼性の
高い標準物質を用いて、その対応関係の校正を行う必要
がある。
Further, in order to accurately know the above-mentioned correspondence, the traceability of, for example, the National Institute of Standards and Technology (NIST) must be set in advance on the lever 11 of the micro weight detector 10 to be actually used. It is necessary to calibrate the correspondence using the secured reliable reference material.

【0048】図7は、粒径の異なる複数の標準粒子を示
す図である。図7においては、4つの標準粒子が示され
ており、それら標準粒子の粒径は例えば数マイクロメー
トルから数百ナノメートルの範囲に属するものである。
なお、各標準粒子の重量は既知である。よって、このよ
うな標準粒子を上記した標準物質として用いることで、
上記した対応関係の校正を実現することができる。
FIG. 7 is a diagram showing a plurality of standard particles having different particle sizes. In FIG. 7, four standard particles are shown, and the particle sizes of the standard particles belong to, for example, a range from several micrometers to several hundred nanometers.
The weight of each standard particle is known. Therefore, by using such standard particles as the standard material described above,
Calibration of the correspondence described above can be realized.

【0049】具体的には、まず、図7に示すような重量
の異なる標準粒子を一つずつ、微小加重検出器10のレ
バー部11上に載せ、その結果、微小加重検出器10か
ら出力される検出信号(測定ヘッド部50および演算部
60を介して種々の処理が施された後の検出信号でもよ
い)が示す値(以下、検出値と称する)を、演算部60
等において記憶保持する。そして、複数の標準粒子に亘
って記憶保持された検出値と、各検出値に対応する標準
粒子の重量と、を用いて検出値と重量との関係を示した
検量線を算出する。
More specifically, first, standard particles having different weights as shown in FIG. 7 are placed one by one on the lever portion 11 of the micro-weighted detector 10, and as a result, output from the micro-weighted detector 10. (Hereinafter, referred to as a detection value) indicated by a detection signal (which may be a detection signal after various processes have been performed via the measuring head unit 50 and the calculation unit 60).
And so on. Then, a calibration curve indicating the relationship between the detected value and the weight is calculated using the detected values stored and held over the plurality of standard particles and the weight of the standard particle corresponding to each detected value.

【0050】図8は、検出値と重量との関係を示した検
量線を説明するためのグラフである。上記した検量線を
得るには、図8に示すように、上記記憶保持された各検
出値をそれぞれ重量に対応付けてプロットし、プロット
された値を用いて最小二乗法等を施す。最小二乗法によ
り精確な検量線が取得できない場合には、プロット結果
から得られる近似曲線を検量線とすることもできる。
FIG. 8 is a graph for explaining a calibration curve showing the relationship between the detected value and the weight. In order to obtain the above-mentioned calibration curve, as shown in FIG. 8, each of the stored and stored detection values is plotted in association with a weight, and a least square method or the like is performed using the plotted values. When an accurate calibration curve cannot be obtained by the least squares method, an approximate curve obtained from the plotted result can be used as the calibration curve.

【0051】このように算出された検量線は、結果的に
ピエゾ抵抗体13の抵抗値変化と微小物質の重量変化と
の対応関係を示すことになるため、この検量線を用いる
ことで、重量が未知の微小物質に対して得られた検出信
号から、その重量を特定することが可能となる。
Since the calibration curve calculated in this way shows the correspondence between the change in the resistance value of the piezoresistor 13 and the change in the weight of the minute substance, the weight of the calibration curve is calculated by using the calibration curve. It is possible to specify the weight from the detection signal obtained for the unknown minute substance.

【0052】以上に説明したように、実施の形態1に係
る微小加重測定装置によれば、SPMにおいて用いられ
る自己検知型カンチレバーと同様な構造の微小加重検出
器10を使用し、その微小加重検出器10のレバー部1
1上に、測定対象となる微小物質を載せることでその重
量を測定することができる。すなわち、その微小物質の
重量をレバー部11の撓み量の変化として取得すること
ができるため、従来の電子天びん等により測定不可能で
あった微小物質に対しても、その重量を測定することが
可能になる。
As described above, according to the minute weight measuring apparatus according to the first embodiment, the minute weight detector 10 having the same structure as the self-detecting cantilever used in the SPM is used, and the minute weight is detected. Lever part 1 of vessel 10
The weight can be measured by placing a minute substance to be measured on 1. That is, since the weight of the minute substance can be obtained as a change in the amount of deflection of the lever portion 11, it is possible to measure the weight of a minute substance that cannot be measured by a conventional electronic balance or the like. Will be possible.

【0053】(実施の形態2)つぎに、実施の形態2に
係る微小加重検出器および微小加重測定装置について説
明する。実施の形態2に係る微小加重検出器および微小
加重測定装置は、実施の形態1が微小な物質の重量の測
定を可能としていたのに対し、微小に変化する気体また
は液体の流速や流量の測定を可能としたことを特徴とし
ている。
(Second Embodiment) Next, a minute weight detector and a minute weight measuring apparatus according to a second embodiment will be described. The micro weight detector and the micro weight measurement device according to the second embodiment measure the weight or the flow rate of a gas or liquid that changes minutely, whereas the first embodiment enables the weight of a micro substance to be measured. It is characterized by being able to.

【0054】図9は、実施の形態2に係る微小加重測定
装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図9に
おいては、図1に示した演算部60および表示部70の
図示を省略しており、さらに図1および図2と共通する
部分は同一符号を付して、その説明を省略する。特に、
図9に示す微小加重測定装置は、レバー部11と支持部
12とから構成される微小加重検出器10を、気体や液
体の微小に変化する流れ92が導かれる管に取り付けて
いる点で、実施の形態1において説明した微小加重測定
装置の構成と異なっている。
FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of a minute weight measuring apparatus according to the second embodiment. In FIG. 9, the illustration of the calculation unit 60 and the display unit 70 shown in FIG. 1 is omitted, and the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. . In particular,
The micro-weight measuring device shown in FIG. 9 has a micro-weight detector 10 composed of a lever unit 11 and a support unit 12 attached to a pipe through which a minutely changing flow 92 of gas or liquid is guided. This is different from the configuration of the minute weight measuring device described in the first embodiment.

【0055】この微小加重測定装置による流速等の測定
方法は以下に説明するとおりである。まず、流速等の測
定を行うにあたって、図9に示すように、流れ92の流
速または流量の変化が顕著に現れる位置または特に測定
を行いたい位置に、微小加重検出器10のレバー部11
が位置するように、支持部12を固定する。
The method of measuring the flow velocity and the like by the minute weight measuring device is as described below. First, when measuring the flow velocity or the like, as shown in FIG. 9, the lever section 11 of the micro-weighted detector 10 is placed at a position where a change in the flow velocity or the flow rate of the flow 92 appears remarkably or particularly at a position where measurement is desired.
Is fixed so that is positioned.

【0056】特に、この支持部12の固定は、流れ92
の方向に対して、レバー部11の面が垂直となる位置で
行うのが好ましい。すなわち、流れ92に対して、レバ
ー部11が最も敏感に撓むことが要求され、これにより
微小加重検出器10は、その撓み量を流れ92の流速ま
たは流量に置換して検出信号として出力することができ
る。
In particular, the fixing of the support portion 12 is performed by the flow 92.
It is preferable to perform the operation at a position where the surface of the lever portion 11 is perpendicular to the direction. That is, it is required that the lever portion 11 bend most sensitively with respect to the flow 92, whereby the micro-weighted detector 10 replaces the amount of deflection with the flow velocity or flow rate of the flow 92 and outputs it as a detection signal. be able to.

【0057】なお、ここでも微小加重検出器10は、自
己検知型カンレバーと同構成とし、ピエゾ抵抗体13
(図示せず)の抵抗値変化の取得から、測定ヘッド部5
0、演算部60および表示部70へと至る信号処理は、
実施の形態1において説明したものと同様とする。
Here, the micro-weighted detector 10 has the same configuration as the self-detecting can lever, and the piezoresistor 13
From the acquisition of the resistance value change (not shown), the measurement head unit 5
0, the signal processing reaching the calculation unit 60 and the display unit 70
It is the same as that described in the first embodiment.

【0058】但し、実施の形態2に係る微小加重測定装
置においては、実施の形態1において説明したピエゾ抵
抗体13の抵抗値変化と微小物質の重量変化との対応関
係に換えて、ピエゾ抵抗体13の抵抗値変化と流れ92
によってレバー部11に及ぼされる動加重変化との対応
関係を知得しておく必要がある。
However, in the micro-weight measuring apparatus according to the second embodiment, the correspondence between the change in the resistance value of the piezoresistor 13 and the change in the weight of the minute substance described in the first embodiment is replaced with the piezoresistor. 13 Resistance change and flow 92
It is necessary to know the correspondence between the dynamic weight change applied to the lever portion 11 and the dynamic weight change.

【0059】なお、従来においても、液体の流量や流速
を測定するのに種々の流速センサが用いられていたが、
一般に、測定対象が液流か気体流かによってその装置構
成は異なっていた。例えば、液流の流速センサとして
は、電磁方式やドップラー方式のセンサが使用され、気
体流の流速センサとしては、風車カウンタ方式や散熱変
化検知方式のセンサが使用されている。このうち、散熱
変化検知方式の流速センサとは、ヒータの前後に熱検出
部を設けて、ヒータによる散熱の分布が気体流に応じて
変化することに注目したものであるが、特にこの方式の
流速センサは、半導体フォトプロセスにより小さなサイ
ズで製造できることから、微小な気体流変化を検出でき
る。
In the past, various flow rate sensors have been used to measure the flow rate and flow rate of a liquid.
In general, the configuration of the apparatus differs depending on whether the object to be measured is a liquid flow or a gas flow. For example, an electromagnetic type or Doppler type sensor is used as a liquid flow velocity sensor, and a windmill counter type or heat dissipation change detection type sensor is used as a gas flow velocity sensor. Among these, the flow rate sensor of the heat-dissipation change detection method focuses on the fact that the heat detection unit is provided before and after the heater, and the distribution of the heat dissipated by the heater changes according to the gas flow. Since the flow rate sensor can be manufactured in a small size by a semiconductor photo process, it can detect a minute change in gas flow.

【0060】このように従来においても、測定対象毎
(液体または気体)に専用のセンサを用いることでその
流速等を検出することは可能であったが、実施の形態2
に係る微小加重測定装置は、測定対象を液体か気体かに
区別することなく、共通の構成で、それらの流速等を検
出することができるため、この点についても特徴の一つ
と言える。
As described above, in the related art, it is possible to detect the flow velocity and the like by using a dedicated sensor for each measurement object (liquid or gas).
The micro-weighted measuring device according to the above can detect the flow velocity and the like of the object to be measured with a common configuration without distinguishing whether the object is a liquid or a gas.

【0061】以上に説明したように、実施の形態2に係
る微小加重測定装置によれば、SPMにおいて用いられ
る自己検知型カンチレバーと同様な構造の微小加重検出
器10を使用し、その微小加重検出器10のレバー部1
1を、測定対象となる液体や気体の流れ92中に配置す
ることで、その流れ92の流速や流量を測定することが
できる。すなわち、液体や気体の流れ92によって及ぼ
される動加重をレバー部11の撓み量の変化として取得
することができるため、気体か液体かの区別なく、同構
成においてその流速や流量を測定することが可能にな
る。
As described above, according to the minute weight measuring apparatus according to the second embodiment, the minute weight detector 10 having the same structure as the self-sensing cantilever used in the SPM is used, and the minute weight is detected. Lever part 1 of vessel 10
By arranging 1 in the flow 92 of the liquid or gas to be measured, the flow velocity and flow rate of the flow 92 can be measured. That is, since the dynamic load exerted by the flow 92 of the liquid or the gas can be obtained as a change in the amount of deflection of the lever portion 11, it is possible to measure the flow velocity and the flow rate in the same configuration without distinction between the gas and the liquid Will be possible.

【0062】(実施の形態3)つぎに、実施の形態3に
係る微小加重検出器および微小加重測定装置について説
明する。実施の形態3に係る微小加重検出器および微小
加重測定装置は、実施の形態1が微小な物質の重量の測
定を可能としていたのに対し、SPM等に探針として用
いられるカンレバーの硬さの測定を可能としたことを特
徴としている。
(Embodiment 3) Next, a micro weight detector and a micro weight measuring apparatus according to Embodiment 3 will be described. The micro weight detector and the micro weight measurement device according to the third embodiment are different from the first embodiment in that the weight of a micro substance can be measured. It is characterized by being able to measure.

【0063】図10は、実施の形態3に係る微小加重測
定装置の適用例を説明するための説明図であり、微小加
重測定装置の一部(微小加重検出器10、測定ヘッド部
50、支持台80)と従来のSPMの一部(カンチレバ
ー101、試料台110、アクチュエータ120)を示
している。なお、図10においては、図1に示した演算
部60および表示部70の図示を省略しており、さらに
図1および図2と共通する部分は同一符号を付して、そ
の説明を省略する。
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining an application example of the minute weight measuring apparatus according to the third embodiment. A part of the minute weight measuring apparatus (the minute weight detector 10, the measuring head unit 50, Table 80) and a part of the conventional SPM (cantilever 101, sample table 110, actuator 120). In FIG. 10, the illustration of the calculation unit 60 and the display unit 70 shown in FIG. 1 is omitted, and the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. .

【0064】特に、この実施の形態3に係る微小加重測
定装置を構成する微小加重検出器では、SPMの試料台
110上に、通常の試料に換えて設置できることを特徴
としている。そこで、図示するように、微小加重検出器
10を通常の試料のように固定する専用の支持台80
を、試料台110と微小加重検出器10との間に介在さ
せている。
In particular, the micro-weight detector constituting the micro-weight measuring apparatus according to the third embodiment is characterized in that it can be installed on the sample stage 110 of the SPM in place of a normal sample. Therefore, as shown in the figure, a dedicated support 80 for fixing the micro-weighted detector 10 like a normal sample is used.
Is interposed between the sample stage 110 and the micro-weighted detector 10.

【0065】特に、微小加重検出器10は、そのレバー
部11の自由端近傍の表面が、SPMのカンチレバー1
01の探針100と接触できるような位置に設置する必
要がある。これにより、SPMは、微小加重検出器10
のレバー部11を、測定対象である試料とみなして、従
来同様に、アクチュエータ120を制御することでカン
チレバー101をZ軸方向(鉛直方向)に微動させるこ
とが可能となる。
In particular, the surface of the micro-weighted detector 10 near the free end of the lever portion 11 has an SPM cantilever 1
It is necessary to install the probe at a position where it can come into contact with the probe 100 of No. 01. As a result, the SPM can detect the minutely weighted detector 10.
The cantilever 101 can be finely moved in the Z-axis direction (vertical direction) by controlling the actuator 120 in the same manner as in the related art by regarding the lever unit 11 as a sample to be measured.

【0066】すなわち、SPMにおいて従来から備わっ
ている機能により、カンチレバー101を用いて、レバ
ー部11の自由端近傍表面に加重を与えることができ
る。これは、微小加重検出器10によって、カンチレバ
ー101の硬さを検出することができることを意味す
る。但し、この場合、カンチレバー101の探針100
がレバー部11に接触した位置を基準にして、アクチュ
エータ120により微動される所定のZ軸変位量に対し
て与えられる加重量と、微小加重検出器10から得られ
る検出値と、の対応関係を知得している必要がある。こ
の対応関係は、例えば、図6に示したような硬さが既知
である硬さ基準用カンチレバー40をSPMのカンチレ
バー101に置換して求めることができる。
That is, with the function conventionally provided in the SPM, it is possible to apply a weight to the surface near the free end of the lever portion 11 using the cantilever 101. This means that the micro weight detector 10 can detect the hardness of the cantilever 101. However, in this case, the probe 100 of the cantilever 101
The relationship between the weight given to the predetermined amount of Z-axis displacement finely moved by the actuator 120 and the detection value obtained from the minute weight detector 10 with reference to the position where You need to know. This correspondence can be obtained, for example, by replacing the hardness reference cantilever 40 having a known hardness as shown in FIG. 6 with a cantilever 101 of SPM.

【0067】また、上記したアクチュエータ120によ
り微動される所定のZ軸変位量、すなわちカンチレバー
101の押しつけ量は、アクチュエータ120の制御量
から容易に算出することができるため、カンチレバー1
01の硬さを取得することは、試料に与える加重をも取
得することができることを意味する。
Further, the predetermined Z-axis displacement amount finely moved by the actuator 120, that is, the pressing amount of the cantilever 101, can be easily calculated from the control amount of the actuator 120.
Obtaining a hardness of 01 means that the weight given to the sample can also be obtained.

【0068】なお、上述した硬さ測定では、カンチレバ
ー101の探針100を、微小加重検出器10のレバー
部11の表面に接触させるとしたが、探針100の破損
が危惧される場合には、カンチレバー101の自由端近
傍でかつ探針100が設けられていない部分を、レバー
部11の表面に接触させて行うようにしてもよい。
In the hardness measurement described above, the probe 100 of the cantilever 101 is brought into contact with the surface of the lever portion 11 of the micro-weight detector 10, but if the probe 100 is likely to be damaged, A portion near the free end of the cantilever 101 and where the probe 100 is not provided may be brought into contact with the surface of the lever portion 11.

【0069】以上に説明したように、実施の形態3に係
る微小加重測定装置によれば、SPMにおいて用いられ
る自己検知型カンチレバーと同様な構造の微小加重検出
器10を使用し、その微小加重検出器10のレバー部1
1を、SPMの試料台110上にSPMの試料表面測定
対象となるように配置することで、SPMのカンチレバ
ー101の硬さを測定することができる。すなわち、カ
ンチレバー101の押し付けによって及ぼされる動加重
をレバー部11の撓み量の変化として取得することがで
きるため、カンチレバー101の硬さをSPMに装着し
た状態で簡便に測定することが可能になる。これによ
り、従来のSPMを、ナノビッカース硬度計のような正
確な硬さ計測が可能な超微小部硬度計として利用するこ
とができる。
As described above, according to the minute weight measuring apparatus according to the third embodiment, the minute weight detector 10 having the same structure as the self-detecting cantilever used in the SPM is used, and the minute weight is detected. Lever part 1 of vessel 10
By arranging 1 on the SPM sample stage 110 so as to be a target of SPM sample surface measurement, the hardness of the SPM cantilever 101 can be measured. That is, since the dynamic load exerted by the pressing of the cantilever 101 can be obtained as a change in the amount of deflection of the lever portion 11, the hardness of the cantilever 101 can be easily measured with the cantilever 101 mounted on the SPM. Thereby, the conventional SPM can be used as an ultra-fine part hardness tester such as a nano Vickers hardness tester that can accurately measure hardness.

【0070】また、上記手順によってSPMにおいて試
料の観察前にカンチレバーの物性を把握することで、試
料に与える力を制御可能になり、柔らかい試料へのダメ
ージ軽減や硬い試料の観察における探針の保護を容易に
実現することができる。
Further, by grasping the physical properties of the cantilever before observation of the sample in the SPM according to the above procedure, it becomes possible to control the force applied to the sample, thereby reducing damage to a soft sample and protecting the probe in observing a hard sample. Can be easily realized.

【0071】なお、実施の形態1〜3においては、微小
加重検出器10を自己検知型カンチレバーと同様な構造
として説明したが、光てこ方式で用いられるような、ピ
エゾ抵抗体13を設けないカンチレバー構造とすること
も可能である。但し、この場合は、カンチレバーの撓み
量を検出するために、レーザ装置やカンチレバーからの
反射光を検出する光検出器等のカンチレバーとは別体の
検出系が必要であり、上記した測定ヘッド部50は、こ
の光検出器等に置換される。
In the first to third embodiments, the micro-weighted detector 10 has been described as having the same structure as the self-detecting cantilever. However, the cantilever without the piezoresistor 13 as used in the optical lever system is used. A structure is also possible. However, in this case, in order to detect the amount of bending of the cantilever, a detection system separate from the cantilever, such as a laser device or a photodetector that detects reflected light from the cantilever, is required. Reference numeral 50 is replaced with the photodetector or the like.

【0072】[0072]

【発明の効果】請求項1および3に記載の発明によれ
ば、微小加重検出手段(微小加重検出器)の加重受け部
に与えられた加重によって撓んだ微小梁部の撓み量を、
撓み検出手段により電気信号の変化として取得でき、演
算手段および表示手段により、上記電気信号から上記加
重の大きさを演算して、その結果を表示するので、従来
測定することができなかった微小な加重をも、鋭敏に変
化する微小梁部の撓みによって検出することができると
いう効果を奏する。
According to the first and third aspects of the present invention, the amount of deflection of the minute beam portion bent by the weight given to the weight receiving portion of the minute weight detection means (the minute weight detector) is determined by:
It can be obtained as a change in the electric signal by the deflection detecting means, the magnitude of the weight is calculated from the electric signal by the calculating means and the display means, and the result is displayed. An effect is also obtained in which the load can be detected by the bending of the minute beam portion that changes sharply.

【0073】また、請求項2および8に記載の発明によ
れば、微小梁部にピエゾ抵抗体を設け、その抵抗値変化
を微小梁部の撓み量として取得するので、レーザ光の反
射角度を検出することで撓み量を検出するといった独立
して必要な撓み検出手段を用意せずとも、微小加重検出
手段(微小加重検出器)自体からその微小梁部の撓み量
を電気信号変化として取り出すことが可能となり、装置
構成を簡易にすることができるという効果を奏する。
According to the second and eighth aspects of the present invention, the piezoresistor is provided in the minute beam portion, and the change in the resistance value is obtained as the amount of deflection of the minute beam portion. Extracting the amount of deflection of the minute beam portion as a change in the electric signal from the minute load detecting means (small weight detector) itself without preparing an independent necessary deflection detecting means such as detecting the amount of deflection by detecting. This makes it possible to simplify the device configuration.

【0074】また、請求項4によれば、測定対象物を加
重受け部に載せることで撓んだ微小梁部の撓み量から、
上記測定対象物の重量を演算して、その結果を表示する
ので、従来測定することができなかった微小物質の重量
をも、鋭敏に変化する微小梁部の撓みによって検出する
ことができるという効果を奏する。
According to the fourth aspect, the amount of bending of the minute beam portion which is bent by placing the object to be measured on the weight receiving portion is calculated as follows.
Since the weight of the object to be measured is calculated and the result is displayed, the weight of the minute substance that could not be measured conventionally can be detected by the sharply changing deflection of the minute beam. To play.

【0075】また、請求項5によれば、加重受け部を液
流または気体流中に配置することで撓んだ微小梁部の撓
み量から、上記液流または気体流の流速または流量を演
算して、その結果を表示するので、流体物が気体か液体
かの区別なく、同構成においてその微小な流速や流量を
測定することが可能になるという効果を奏する。
According to the fifth aspect, the flow velocity or the flow rate of the liquid flow or the gas flow is calculated from the amount of bending of the minute beam bent by disposing the weight receiving portion in the liquid flow or the gas flow. Then, since the result is displayed, it is possible to measure the minute flow rate or flow rate in the same configuration without distinguishing whether the fluid is a gas or a liquid.

【0076】また、請求項6によれば、測定対象物が加
重受け部を所定の大きさで押し付けることで撓んだ微小
梁部の撓み量から、上記測定対象物の硬さを演算して、
その結果を表示するので、従来硬さの精確な測定が困難
であった物質に対しても、鋭敏に変化する微小梁部の撓
みによってその硬さを検出することができるという効果
を奏する。
According to the sixth aspect, the hardness of the measurement object is calculated from the amount of bending of the minute beam portion which is bent by the measurement object pressing the weight receiving portion with a predetermined size. ,
Since the result is displayed, even for a substance in which it has been difficult to accurately measure hardness in the past, there is an effect that the hardness can be detected by the bending of the minute beam portion that changes sharply.

【0077】また、請求項7によれば、微小加重検出手
段が、その加重受け部がSPMの測定対象試料となるよ
うにSPMの試料台に固定可能であり、その状態におい
て、従来のSPM動作によりカンチレバーが上記加重受
け部を所定の大きさで押し付け、これにより撓んだ微小
梁部の撓み量から、上記カンチレバーの硬さを演算し
て、その結果を表示するので、カンチレバーをSPMに
装着した状態でその硬さを簡便に測定することが可能に
なり、従来のSPMを超微小部硬度計として利用するこ
とができるという効果を奏する。
Further, according to the present invention, the minute weight detecting means can be fixed to the sample base of the SPM so that the weight receiving portion becomes a sample to be measured by the SPM. The cantilever presses the weight receiving portion with a predetermined size, and calculates the hardness of the cantilever from the amount of deflection of the minute beam portion bent by this, and displays the result, so the cantilever is mounted on the SPM. In this state, the hardness can be easily measured, and there is an effect that the conventional SPM can be used as an ultra-fine part hardness meter.

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

【図1】実施の形態1に係る微小加重測定装置の概略構
成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a minute weight measurement device according to a first embodiment.

【図2】実施の形態1に係る微小加重検出器の構造を説
明するための概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a structure of a micro-weighted detector according to the first embodiment.

【図3】実施の形態1に係る微小加重検出器において、
微小物質を載せた際のレバー部の撓んだ状態を示す図で
ある。
FIG. 3 shows a micro-weighted detector according to the first embodiment;
It is a figure showing the state where the lever part bent when the minute substance was loaded.

【図4】実施の形態1に係る微小加重検出器の他の例の
構造を説明するための概略図である。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a structure of another example of the micro-weighted detector according to the first embodiment.

【図5】実施の形態1に係る微小加重検出器の検出信号
の変化を示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing a change in a detection signal of the micro-weighted detector according to the first embodiment.

【図6】実施の形態1に係る微小加重検出装置におい
て、微小加重検出器のレバー部の硬さを算出するための
方法を説明するための説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a method for calculating the hardness of a lever portion of the micro weight detector in the micro weight detection device according to the first embodiment;

【図7】実施の形態1に係る微小加重検出装置の校正方
法の説明において、粒径の異なる複数の標準粒子を示す
図である。
FIG. 7 is a diagram showing a plurality of standard particles having different particle diameters in the description of the method of calibrating the micro weight detection device according to the first embodiment.

【図8】実施の形態1に係る微小加重検出装置の校正方
法の説明において、検出値と重量との関係を示した検量
線を説明するためのグラフである。
FIG. 8 is a graph for explaining a calibration curve showing a relationship between a detected value and a weight in the description of the calibration method of the minute weight detection device according to the first embodiment.

【図9】実施の形態2に係る微小加重測定装置の概略構
成を示すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a minute weight measurement device according to a second embodiment;

【図10】実施の形態3に係る微小加重測定装置の適用
例を説明するための説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining an application example of the minute weight measurement device according to the third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20 微小加重検出器 11,22 レバー部 12,23,41 支持部 13 ピエゾ抵抗体 14 電極配線 30 微小物質 40 基準用カンチレバー 50 測定ヘッド部 60 演算部 70 表示部 80 支持台 100 探針 101 カンチレバー 110 試料台 120 アクチュエータ 10, 20 Micro-weighted detector 11, 22 Lever part 12, 23, 41 Support part 13 Piezoresistor 14 Electrode wiring 30 Micro substance 40 Reference cantilever 50 Measurement head part 60 Calculation part 70 Display part 80 Support base 100 Probe 101 Cantilever 110 Sample stage 120 Actuator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 13/16 G01N 13/16 C G01P 5/04 G01P 5/04 F G12B 21/02 G12B 1/00 601A (72)発明者 清水 信宏 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 安室 千晃 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Fターム(参考) 2F030 CA04 CC01 CC11 2F049 BA15 2F077 AA25 EE07 VV01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 13/16 G01N 13/16 C G01P 5/04 G01P 5/04 F G12B 21/02 G12B 1/00 601A (72) Inventor Nobuhiro Shimizu 1-8-8 Nakase, Mihama-ku, Chiba City, Chiba Prefecture Inside Seiko Instruments Inc. (72) Inventor Chiaki Amuro 1-8-8 Nakase, Mihama-ku, Chiba City, Chiba Prefecture Seiko Instruments Inc. F-term (Reference) 2F030 CA04 CC01 CC11 2F049 BA15 2F077 AA25 EE07 VV01

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 加重を受ける加重受け部と、一端が前記
加重受け部に連結される微小梁部と、前記微小梁部の他
端において当該微小梁部を支持する支持部と、を備え、 前記加重受け部に与えられた加重の大きさを前記微小梁
部の撓み量に変換することで前記加重を検出することを
特徴とする微小加重検出器。
1. A weight receiving portion receiving a load, a micro beam portion having one end connected to the weight receiving portion, and a support portion supporting the micro beam portion at the other end of the micro beam portion, A small weight detector, wherein the weight is detected by converting a magnitude of the weight given to the weight receiving portion into a deflection amount of the small beam portion.
【請求項2】 前記微小梁部にピエゾ抵抗体を設け、前
記微小梁部の撓み量を、前記ピエゾ抵抗体の抵抗値変化
を示す検出信号として出力することを特徴とする請求項
1に記載の微小加重検出器。
2. The method according to claim 1, wherein a piezoresistor is provided on the microbeam, and the amount of deflection of the microbeam is output as a detection signal indicating a change in resistance of the piezoresistor. Micro weighted detector.
【請求項3】 加重を受ける加重受け部と一端が前記加
重受け部に連結される微小梁部と前記微小梁部の他端に
おいて当該微小梁部を支持する支持部とを具備するとと
もに前記加重受け部に与えられた加重の大きさを前記微
小梁部の撓み量に変換する微小加重検出手段と、 前記撓み量を電気信号に変換して出力する撓み検出手段
と、 前記撓み検出手段から出力された電気信号から前記加重
の大きさを演算する演算手段と、 前記演算手段によって演算された加重の大きさを表示す
る表示手段と、 を備えたことを特徴とする微小加重測定装置。
3. A load receiving device comprising: a load receiving portion receiving a load; a microbeam portion having one end connected to the weight receiving portion; and a support portion supporting the microbeam portion at the other end of the microbeam portion. A small load detecting means for converting the magnitude of the weight given to the receiving portion into a bending amount of the minute beam portion; a bending detecting means for converting the bending amount into an electric signal to output; and an output from the bending detecting means. A minute weight measuring device comprising: a calculating means for calculating the magnitude of the weight from the obtained electric signal; and a display means for displaying the magnitude of the weight calculated by the calculating means.
【請求項4】 前記加重は、前記加重受け部に載せられ
た測定対象物の重量に応じて生じ、 前記演算手段は、前記撓み検出手段から出力された電気
信号から前記重量を演算し、 前記表示手段は、前記演算手段によって演算された重量
を表示することを特徴とする請求項3に記載の微小加重
測定装置。
4. The method according to claim 1, wherein the weight is generated according to a weight of the measurement target placed on the weight receiving unit, and the calculating unit calculates the weight from an electric signal output from the deflection detecting unit. 4. The apparatus according to claim 3, wherein the display unit displays the weight calculated by the calculation unit.
【請求項5】 前記加重は、前記加重受け部に与えられ
た液流または気体流に応じて生じ、 前記演算手段は、前記撓み検出手段から出力された電気
信号から前記液流または気体流の流速または流量を演算
し、 前記表示手段は、前記演算手段によって演算された流速
または流量を表示することを特徴とする請求項3に記載
の微小加重測定装置。
5. The method according to claim 1, wherein the weight is generated according to a liquid flow or a gas flow applied to the weight receiving unit, and the calculating unit calculates the liquid flow or the gas flow from an electric signal output from the deflection detecting unit. The minute weight measuring device according to claim 3, wherein the flow velocity or the flow rate is calculated, and the display unit displays the flow velocity or the flow rate calculated by the calculation unit.
【請求項6】 前記加重は、測定対象物が前記加重受け
部を所定の大きさで押し付けることにより生じ、 前記演算手段は、前記撓み検出手段から出力された電気
信号から前記測定対象物の硬さを演算し、 前記表示手段は、前記演算手段によって演算された硬さ
を表示することを特徴とする請求項3に記載の微小加重
測定装置。
6. The weight is generated when the object to be measured presses the weight receiving portion with a predetermined size, and the calculating means calculates the hardness of the object from the electric signal output from the deflection detecting means. The micro weight measuring apparatus according to claim 3, wherein the hardness is calculated, and the display unit displays the hardness calculated by the calculation unit.
【請求項7】 前記加重受け部がSPM(Scanni
ng ProbeMicroscope)の測定対象試
料となるように前記微小加重検出手段を当該SPMの試
料台に固定するSPM用支持手段を備え、 前記加重は、前記SPMに用いられるカンチレバーが前
記加重受け部を所定の大きさで押し付けることにより生
じ、 前記演算手段は、前記撓み検出手段から出力された電気
信号から前記カンチレバーの硬さを演算し、 前記表示手段は、前記演算手段によって演算された硬さ
を表示することを特徴とする請求項3に記載の微小加重
測定装置。
7. The method according to claim 7, wherein the weight receiving unit is an SPM (Scanni).
ng Probe Microscope), comprising: a SPM support means for fixing the micro weight detection means to the sample base of the SPM so as to be a sample to be measured by the SPM. The calculation means calculates the hardness of the cantilever from the electric signal output from the deflection detection means, and the display means displays the hardness calculated by the calculation means. The minute weight measuring device according to claim 3, wherein:
【請求項8】 前記撓み検出手段は、ピエゾ抵抗体とし
て前記微小加重検出手段の前記微小梁部に設けられ、前
記撓み量を前記ピエゾ抵抗体の抵抗値変化を示した電気
信号に変換して出力することを特徴とする請求項3〜7
のいずれか一つに記載の微小加重測定装置。
8. The deflection detecting means is provided as a piezoresistor on the micro beam portion of the micro weight detecting means, and converts the amount of deflection into an electric signal indicating a change in the resistance value of the piezoresistor. 8. The method according to claim 3, wherein the output is performed.
The micro weight measurement device according to any one of the above.
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