JP2004156959A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。特に、生物試料を観察可能な原子間力顕微鏡に関する。原子間力顕微鏡は、生物試料のマニピュレーションや生物試料以外の試料の観察や加工なども行なえる。
【0002】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る装置の総称であり、走査型トンネリング顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)、走査型磁気力顕微鏡(MFM)、走査型電気容量顕微鏡(SCaM)、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)、走査型熱顕微鏡(SThM)などを含んでいる。
【0003】
走査型プローブ顕微鏡は、機械的探針と試料とを相対的にXY方向にラスター走査し、所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得てモニターTV上にマッピング表示することができる。
【0004】
走査型プローブ顕微鏡の中でも特に原子間力顕微鏡は、液体中の生きた生物試料の動く様子を光学顕微鏡より高い解像度で観察できる可能性があるとして注目されている。
【0005】
これまで生物試料の動く様子を観察できる装置は光学顕微鏡だけであるが、光学顕微鏡は回折限界のため光の波長以下の解像度で試料を観察することができない。
【0006】
また電子顕微鏡は、ナノメートルオーダーの高い解像度を実現できるが、測定対象物を液体中に配置できないため、液体中の生きた生物試料を観察することはできない。
【0007】
これに対してAFMは、ナノメートルオーダーの高い解像度を期待でき、試料が液体中にあっても観察可能である。しかも、光学顕微鏡と組み合わせ易いことも注目されている理由の一つである。
【0008】
このような生体用AFMでは、カンチレバーの振動特性から試料探針間に働く相互作用を検出する方式(ACモード)を採用することが多い。それは、試料と探針の間に働く力を通常のモードに比べて弱く保つことができる利点があるからである。
【0009】
例えば図18は従来の生体用AFMの一例の構成を示すブロック図である。
【0010】
図18において、ステージ10は撥水処理されており、液体14を表面張力により保持できる。液体14中にはXYZスキャナー6で保持された試料7が配置されており、コントローラー2から出力される信号に基づいてX駆動回路3、Y駆動回路4、Z駆動回路5によりXYZ方向に走査可能となっている。
【0011】
また液体14中には、自由端に探針を有するカンチレバー8が試料7と正対するように配置されている。このカンチレバー8は、ステージ10上に設けられたホルダー9で保持されている。ホルダー9上には圧電素子11が設けられており、コントローラー2からの励振信号を受けて、カンチレバー8を所定の振幅と周波数で機械的に振動させることができる。
【0012】
ステージ10の下部にはカンチレバー8の変位を検出するための光てこセンサー16が配置されている。光てこセンサー16は、例えば特開2002−82037号公報に示されたものと同様に構成されており、対物レンズ15、ステージ10に設けられた透過ガラス12を介して収束されたレーザー光13をカンチレバー8の自由端に照射し、カンチレバー8の変位を検出する。光てこセンサー16は、検出したカンチレバー8の変位を示す変位信号を振幅検出回路17に出力する。
【0013】
振幅検出回路17は、光てこセンサー16が出力する変位信号の振幅値を算出し、算出したカンチレバー8の振幅値を示す振幅信号をコントローラー2内のZ制御回路18に出力する。Z制御回路18は、振幅検出回路17が出力する振幅信号を一定に保つように、Z駆動回路5を通してXYZスキャナー6のZ方向変位を制御する。
【0014】
このAFMにおいて、圧電素子11は、コントローラー2からの励振信号を受けて、カンチレバー8の機械的共振周波数と所定の振幅でカンチレバー8を励振する。さらに、光てこセンサー16によりカンチレバー8の変位を検出し、カンチレバー8の振動振幅が一定になるように、Z制御回路18とZ駆動回路5とによりXYZスキャナー6をZ方向(試料7の法線方向)に駆動し、XYZスキャナー6で保持された試料7のZ方向位置を制御する。
【0015】
これに平行してX駆動回路3とY駆動回路4とによりXYZスキャナー6をXY平面方向に駆動し、カンチレバー8に対して試料7を二次元走査する。ホストコンピューター1は、X駆動回路3とY駆動回路4の駆動信号、すなわちXYZスキャナー6をX方向とY方向への変位させるための印加電圧信号を試料表面の位置信号として取得すると共に、Z制御回路18の出力信号、すなわちXYZスキャナー6をZ方向へ変位させるための印加電圧信号を試料表面の凹凸信号として取得し、取得した位置信号と凹凸信号とに基づいて画像を形成して表示する。
【0016】
上述したACモードのAFMでは、液体によるカンチレバーの振動の減衰が大きいため、カンチレバーの励振効率が非常に悪い。このため、カンチレバーを支持するホルダーの振動特性がノイズとなって表れてしまうという不具合がある。
【0017】
図19は、あるカンチレバーの大気中での振動特性を示し、図20は、同じカンチレバーの液中での振動特性を示している。図19に示されるように、大気中では機械的共振周波数において高い励振効率(Q値)を示すカンチレバーであっても、液中では、図20に示されるように、機械的共振周波数が低下すると共に励振効率(Q値)が極端に低下してしまう。
【0018】
このため、ホルダーに対するカンチレバーの励振効率が下がり、カンチレバーを支持するホルダーの振動特性が光てこセンサーで検出されるカンチレバーの変位信号にノイズとなって現れるようになる。図21は、図20に示される振動特性のカンチレバーに対する光てこセンサーの出力特性を示している。このような光てこセンサーの出力特性からは、もはやカンチレバーの機械的共振周波数を判別することはできない。これは機械的振動をホルダーを介してカンチレバーに伝達していることに起因している。
【0019】
特開平7−174767号公報は、機械的振動をホルダーを介してカンチレバーに伝達することによりカンチレバーを励振するのではなく、収束した超音波をカンチレバーの自由端に照射することによりカンチレバーを励振する手法を提案している。
【0020】
【特許文献1】
特開2002−82037号公報
【0021】
【特許文献2】
特開平7−174767号公報
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平7−174767号公報は次のような課題をかかえている。
【0023】
カンチレバーの大きさは、大型のもので長さ100μm、幅30μm程度であり、小型のものでは長さ10μm、幅2μm程度と非常に小さい。このように小さいカンチレバーの自由端部に超音波を正確に照射するには、超音波を数十μm以下に収束するとともに、超音波に対してカンチレバーを高い精度で位置決めする必要がある。このため、カンチレバーの位置を高い精度で制御する位置調整機構を設ける必要がある。しかし、このような位置調整機構を設けることは、装置の大型化と複雑化を招くだけでなく、カンチレバー交換等の測定準備の所要時間を増大させる。
【0024】
加えて、数十μm以下に収束された超音波は、急峻なピークを持つ強度分布を有する。このため、カンチレバーと超音波の焦点距離の相対的ドリフト、すなわち、位置調整機構やトランスデューサーのドリフトでカンチレバーの励振効率が変化してしまう。従って、カンチレバーを安定に励振するためには、位置調整機構およびトランスデューサーの振動ノイズや熱ドリフトを極力抑える必要がある。
【0025】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、高い精度でのカンチレバーの位置決めを必要とせず、液体中においてカンチレバーを安定に励振することのできる液中用走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液体中の生体試料を探針により観察する液中用走査型プローブ顕微鏡であり、水平面に共に平行で互いに直交するX軸とY軸と、水平面に直交するZ軸とを有しており、走査型プローブ顕微鏡は、液体を保持する液体ステージと、自由端に探針を有するカンチレバーと、液体ステージに保持された液体中においてカンチレバーを保持するホルダーと、液体ステージに保持された液体中において試料を保持する試料台と、カンチレバーに対して試料を少なくともZ軸に沿って移動させる(Z走査する)スキャナーと、カンチレバーをその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段と、カンチレバーの自由端の変位を光学的に検出し、その変位を反映する変位信号を出力する変位検出センサーと、変位検出センサーからの変位信号に基づいてカンチレバーの振動振幅を算出し、その振動振幅を反映する振幅信号を出力する振幅検出回路と、振幅検出回路からの振幅信号に基づいてZ軸に沿ったカンチレバーと試料の間隔の目標値を求め、その目標値に対応するZ制御信号を出力するZ制御回路と、Z制御信号に従ってスキャナーのZ軸に沿った変位を制御するZ駆動回路と、Z制御信号に基づいて試料の表面の情報を演算により求めると共に、求めた試料の表面の情報を表示する演算表示部とを有しており、カンチレバー励振手段は、励振信号を生成する励振信号生成部と、励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射するトランスデューサーを有している。
【0027】
スキャナーは、Z走査に加えて、カンチレバーに対して試料をX軸とY軸に沿って移動させる(XY走査する)ことができるとよく、これに対応して、走査型プローブ顕微鏡は、スキャナーをX軸に沿って変位させるX走査信号を生成するX走査信号生成部と、スキャナーをY軸に沿って変位させるY走査信号を生成するY走査信号生成部と、X走査信号に従ってスキャナーのX軸に沿った変位を制御するX駆動回路と、Y走査信号に従ってスキャナーのY軸に沿った変位を制御するY駆動回路とを更に有しているとよく、演算表示部はZ制御信号に加えてX走査信号とY走査信号とに基づいて試料の表面の情報を演算により求める。
【0028】
トランスデューサーは、入力される励振信号に従って超音波を発生させる振動子と、振動子で発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部とを有しており、振動子と超音波伝搬部は機械的に結合されており、超音波伝搬部は超音波を外に射出する出力端を持ち、超音波伝搬部の少なくとも出力端は液体ステージに保持された液体中に位置している。
【0029】
超音波伝搬部は超音波を増幅するホーンを有しているとよい。また、超音波伝搬部は高分子材料で作られているとよい。
【0030】
超音波伝搬部は、例えば、除振ゴムを介して液体ステージに固定されている。
【0031】
トランスデューサーはスキャナーに保持され、トランスデューサーの超音波伝搬部が試料台を兼ねてもよい。
【0032】
スキャナーがカンチレバーに対して試料をZ軸に沿って移動させる(Z走査する)Zスキャナーを含み、Zスキャナーがトランスデューサーの振動子を兼ねてもよい。この場合、走査型プローブ顕微鏡はZ制御信号と励振信号を加算する加算器を更に有しており、加算器の出力信号がZ駆動回路に入力される。
【0033】
励振信号生成部は、変位検出センサーからの変位信号に基づいて励振信号を生成する自励発振回路であってもよい。自励発振回路は、例えば、変位検出センサーからの変位信号の位相を90度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路とで構成される。
【0034】
カンチレバー励振手段は、励振信号生成部からの励振信号を調整する励振コントロール回路を更に有していてもよい。励振コントロール回路は、例えば、変位検出センサーからの変位信号の位相を90度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路と、ゲイン調整回路の出力信号に励振信号生成部からの励振信号を加算する加算回路とで構成される。
【0035】
励振信号生成部は、変位検出センサーからの変位信号に基づいて調整された励振信号を出力してもよい。このような励振信号生成部は、例えば、変位検出センサーからの変位信号の位相を90度進める位相シフト回路と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路と、位相シフト回路の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路と、ゲイン調整回路の出力信号にオートゲインコントロール回路の出力信号を加算する加算回路とで構成される。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【0037】
第一実施形態
本発明は、探針(プローブ)により液体中の生体試料を観察する走査型プローブ顕微鏡に向けられており、その第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図1に示す。続く説明においては、水平面に共に平行で互いに直交する二本の軸または二つの方向をそれぞれX軸・Y軸またはX方向・Y方向と呼び、水平面に直交する軸または方向をZ軸またはZ方向と呼ぶものとする。
【0038】
走査型プローブ顕微鏡100は、水等の液体102を保持する液体ステージ110と、自由端に探針122を有するカンチレバー124と、液体ステージ110に保持された液体102中においてカンチレバー124を保持するホルダー126と、液体ステージ110に保持された液体102中において生体試料104を保持する試料台132と、カンチレバー124に対して生体試料104をX軸とY軸に沿って移動させる(XY走査する)と共にZ軸に沿って移動させる(Z走査する)XYZスキャナー134とを有している。
【0039】
液体ステージ110は、光を通す透過ガラス112と、透過ガラス112を保持している枠部114とを有している。液体ステージ110は、その表面が撥水処理されており、表面張力により液体102を保持し得る。ここで、液体102を保持するとは、液体102を一箇所に留めておくことを言う。
【0040】
液体102は撥水性のあるスライドガラスに保持されてもよく、その場合、液体102を保持したスライドガラスが液体ステージ110に載置される。また、液体102はシャーレ等の液体セルに保持されてもよい。
【0041】
走査型プローブ顕微鏡100は更に、カンチレバー124の自由端の変位を光学的に検出し、その変位を反映する変位信号を出力する変位検出センサー140と、変位検出センサー140からの変位信号に基づいてカンチレバーの振動振幅を算出し、その振動振幅を反映する振幅信号を出力する振幅検出回路148とを有している。
【0042】
変位検出センサー140は例えば光てこセンサーで構成される。光てこセンサーの詳細は例えば特開2002−82037号に開示されている。しかし、変位検出センサー140は、光てこセンサーに限定されるものではなく、他のセンサーで構成されてもよい。
【0043】
光てこセンサー140は、光ビームを発射する光源と、光源からの光ビームを収束してカンチレバー124の自由端に照射する対物レンズ142と、カンチレバー124からの反射光ビームを検出する光検出器とを含んでいる。対物レンズ142は透過ガラス112の下方に配置されている。
【0044】
光源から発射された光ビーム146は対物レンズ142によって収束され、透過ガラス112を通って、カンチレバー124の自由端に照射される。カンチレバー124で反射された光ビームは、透過ガラス112を通って対物レンズ142に入射し、光検出器に案内される。光検出器は受光面を有し、カンチレバー124からの反射光ビームは受光面に光スポットを形成する。光スポットは、カンチレバー124の自由端の変位に応じて、光検出器の受光面上を移動する。光検出器は、受光面に形成された光スポットの位置を反映する信号、すなわちカンチレバー124の自由端の変位を反映する信号を出力する。
【0045】
走査型プローブ顕微鏡100はコントローラー150を有しており、コントローラー150は、XYZスキャナーをX軸に沿って変位させるX走査信号を生成するX走査信号生成部152と、XYZスキャナーをY軸に沿って変位させるY走査信号を生成するY走査信号生成部154と、振幅検出回路からの振幅信号に基づいてZ軸に沿ったカンチレバーと試料の間隔の目標値を求め、その目標値に対応するZ制御信号を出力するZ制御回路156とを含んでいる。
【0046】
Z制御回路156は、アナログ制御とデジタル制御(ソフトウエア制御)のどちらの方式であってもよい。
【0047】
走査型プローブ顕微鏡100は更に、X走査信号に従ってXYZスキャナーのX軸に沿った変位を制御するX駆動回路162と、Y走査信号に従ってXYZスキャナーのY軸に沿った変位を制御するY駆動回路164と、Z制御信号に従ってXYZスキャナーのZ軸に沿った変位を制御するZ駆動回路166とを有している。
【0048】
また、走査型プローブ顕微鏡100は、X走査信号とY走査信号とZ制御信号とに基づいて生体試料104の表面の情報を演算により求めると共に、求めた生体試料104の表面の情報を表示する演算表示部として機能するホストコンピューター160とを有している。
【0049】
走査型プローブ顕微鏡100は更に、カンチレバーをその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段を有している。カンチレバー励振手段は、カンチレバー124の機械的共振周波数近傍の周波数を持つ励振信号を生成する励振信号生成部158と、励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射するトランスデューサー170とで構成されている。
【0050】
励振信号生成部158は、これに限定されるわけではないが、例えばコントローラー150の内部に設けられている。言い換えれば、コントローラー150は部分的に励振信号生成部158を構成している。つまり、コントローラー150はトランスデューサー170と共にカンチレバー励振手段を構成している。
【0051】
トランスデューサー170は、入力される励振信号に従って超音波を発生させる振動子172と、振動子172で発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部174とを有しており、超音波伝搬部174は除振ゴム178を介して液体ステージ110に固定されている。
【0052】
振動子172は、これに限らないが、例えば圧電素子で構成される。振動子172と超音波伝搬部174は機械的に結合されており、超音波伝搬部174は超音波を外に射出する出力端176を有している。図1と図2に示されるように、超音波伝搬部174の少なくとも出力端176は液体ステージ110に保持された液体102中に位置している。出力端176は出来る限りカンチレバー124の近くに配置されるとよい。
【0053】
トランスデューサー170は、超音波伝搬部174の出力端176の照射面がX軸に直交するように配置されており、超音波をX方向に射出する。カンチレバー124はホルダー126により液体ステージ110に対して約5〜20度傾けて保持されているため、超音波はカンチレバー124の面に対して約5〜20度の角度で照射される。
【0054】
勿論、超音波の照射方向はこれに限定されるものではない。超音波は、カンチレバー124を効率良く励振するために、カンチレバー124の面に対して小さい入射角で、言い換えれば、垂直に近い状態で照射されるとよい。このため、超音波は、カンチレバー124の面に小さい入射角で当たるように、紙面の左下方から照射されてもよい。また超音波は、YZ面と平行に、例えば紙面の上方向から照射されてもよい。
【0055】
超音波伝搬部174の出力端176は、カンチレバー124の大きさに比べて十分に大きい大きさを有している。従って、超音波伝搬部174の出力端176から射出される超音波はカンチレバーの大きさに比べて十分に大きな波面を持つ。このため、超音波はカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射される。
【0056】
具体的には、カンチレバー124は、大きなものでは、長さ100μm、幅30μm程度の大きさを有し、小型のものでは、長さ10μm、幅2μm程度の大きさを有している。これに対して、超音波伝搬部174の出力端176は、例えば、高さ(Z方向の寸法)1mm、幅(Y方向の寸法)1mm程度の大きさを有している。
【0057】
超音波はカンチレバー124の垂直に照射されないが、実質的に均一と見なせる。カンチレバー124の共振周波数は、前述の大きさに対応して、一般に100kHz〜1MHzである。液体102中における超音波の速度を1500m/sとすると、超音波の波長は15mm〜1.5mmとなる。従って、カンチレバー124に照射される超音波は、小型のものに対しては勿論、大型のものに対しても、実質的に均一と見なせる。
【0058】
超音波伝搬部174の材質は、水との境界面での反射を少なくするために、比較的小さい音響インピーダンスを有しているとよい。このため、超音波伝搬部174は、例えば、テフロンやシリコーンやアクリル樹脂などの高分子材料で作られている。高分子材料は、成形が簡単であり、また、効率良く超音波を伝達する。
【0059】
除振ゴム178は、振動子172で生成された超音波が液体ステージ110やホルダー126に伝わるのを防止するためのもので、その材料は剛性の低いものであるとよい。特に、除振ゴム178は、その共振周波数がカンチレバー124の共振周波数よりも格段に低いもの、例えばシリコーンゴムなどであるとよい。除振ゴム178は、超音波伝搬部174と一体成形されてもよい。
【0060】
超音波伝搬部174は、その内部を伝搬する超音波を増幅するホーンを有しているとよい。例えば、超音波伝搬部174は、図3に示されるように、超音波を増幅するために、X方向に延びる四角錐台形状のホーンを有している。超音波伝搬部174は、共に矩形の入力端(振動子172が接合されている端面)と出力端176とを有している。例えば、入力端は高さ(Z方向の寸法)が3mm程度、幅(Y方向の寸法)が3〜20mm程度であり、出力端176は高さが1mm程度、幅が1mm程度である。
【0061】
ホーンは、X軸に直交する断面の面積は出力端176に近づくにつれて減少している。さらに断面は、Z方向の寸法よりもY方向の寸法が高い割合で減少している。従って、ホーンは、Z方向に関してよりもY方向に関して高く増幅する。これは、Z方向よりもY方向に関するカンチレバー124の配置の自由度が高いため(Z方向よりもY方向に寸法的な余裕があるため)である。
【0062】
前述したように、トランスデューサー170では、超音波伝搬部174の出力端176は1mm×1mmの大きさに設定されている。これは、カンチレバー124の周囲における超音波強度がほぼ一様となり、しかも出来るだけ大きいホーン効果(増幅率)が得られる好適な大きさの具体例の一つである。従って、超音波伝搬部174の出力端176はこれに限定されない。空間に余裕があれば、より一様性の高い超音波を得るために、これより大きくてもよい。また、十分に一様であれば、より強度の大きい超音波を得るために、これより小さくてもよい。
【0063】
トランスデューサー170の超音波伝搬部174は、四角錐台形状のホーンを有しているが、ホーンの形状はこれに限定されない。トランスデューサー170に代えて適用可能な、別の形状のホーンを持つ別のトランスデューサーを図4に示す。
【0064】
図4に示されるように、トランスデューサー170Aは、超音波を発生させる圧電素子等の振動子172Aと、振動子172Aで発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部174Aとを有し、超音波伝搬部174Aは、X方向に延びる楕円錐台形状のホーンを有している。超音波伝搬部174Aは、Y方向に細長い矩形の入力端と円形の出力端176Aを有している。ホーンは、X軸に直交する断面の面積は出力端176Aに近づくにつれて減少している。さらに断面は、Z方向の寸法よりもY方向の寸法が高い割合で減少している。従って、ホーンは、Z方向に関してよりもY方向に関して高く増幅する。
【0065】
超音波伝搬部174と超音波伝搬部174Aはいずれも、断面の面積が一定の割合で減少するコニカル形のホーンであるが、より高い増幅率を持つエキスポネンシャル形やカテノイダル形のホーンであってもよい。
【0066】
トランスデューサー170に代えて適用可能な更に別のトランスデューサーを図5に示す。図5に示されるように、トランスデューサー170Bは、超音波を発生させる圧電素子等の振動子172Bと、振動子172Bで発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部174Bとを有し、超音波伝搬部174Bは、Y方向に関してのみ増幅機能を持つホーンを有している。ホーンは、X軸に直交する断面の面積は出力端176Bに近づくにつれて減少している。さらに断面は、Z方向の寸法は一定で、Y方向の寸法だけが一定の割合で減少している。従って、ホーンは、超音波をZ方向に関しては増幅せず、Y方向に関してのみ増幅する。
【0067】
トランスデューサー170に代えて適用可能なまた更に別のトランスデューサーを図6に示す。図6に示されるように、トランスデューサー170Cは、超音波を発生させる圧電素子等の振動子172Cと、振動子172Cで発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部174Cとを有し、超音波伝搬部174Cは、超音波を増幅するホーンを有していない。従って、トランスデューサー170Cは、他のトランスデューサーと比較して、同じ励振信号に対して出力端176Cから射出される超音波の強度が低くなる。このため、振動子172Cには、出力の大きい圧電素子が適用されるとよい。
【0068】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡100では、コントローラー150内の励振信号生成部158から励振信号が出力される。励振信号は、所定の振幅を有し、カンチレバー124の機械的共振周波数と同じ周波数を有している。励振信号はトランスデューサー170の振動子172に入力される。振動子172は励振信号の入力を受けて、カンチレバー124の機械的共振周波数と同じ周波数を持つ所定の振幅の超音波を発生させる。超音波は超音波伝搬部174と液体102を伝搬してカンチレバー124とその周囲に一様に照射される。その結果、カンチレバー124は、その機械的共振周波数で所定の振幅で振動する(励振される)。
【0069】
この状態において、変位検出センサー140はカンチレバー124の自由端の変位を検出し、振幅検出回路148はカンチレバー124の自由端の振動の振幅を示す振幅信号を出力する。Z制御回路156は、振幅検出回路148から入力されるカンチレバー124の振幅信号に基づいて、カンチレバー124の振動振幅を所定値に保つためのZ制御信号を出力する。Z駆動回路166は、Z制御回路156から供給されるZ制御信号に従ってXYZスキャナー134を駆動して、XYZスキャナー134に保持された生体試料104のZ方向に移動させる。
【0070】
つまり、Z制御回路156とZ駆動回路166は共働して、XYZスキャナー134により、カンチレバー124に対する生体試料104のZ方向位置を制御する。Z制御回路156とZ駆動回路166は、最初、生体試料104とカンチレバー124(正確にはその探針122)とが接触するまで、生体試料104をカンチレバー124に接近させ、両者が接触した後は、カンチレバー124の振動振幅を一定に保つように、生体試料104のZ方向位置を制御する。
【0071】
このようなZ制御と平行して、X駆動回路162とY駆動回路164は、それぞれ、X走査信号生成部152とY走査信号生成部154から供給されるX走査信号とY走査信号に従ってXYZスキャナー134をX方向とY方向に駆動し、生体試料104をカンチレバー124に対して二次元走査すなわちXY走査させる。
【0072】
XY走査とZ制御の間、ホストコンピューター160は、X走査信号とY走査信号とZ制御信号とに基づいて生体試料104の表面の情報、例えば凹凸情報を求めて表示したり、その情報に基づいて試料の表面の画像を形成して表示したりする。
【0073】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡100では、超音波によってカンチレバー124を励振するので、カンチレバー124以外の部材の振動、例えばホルダー126等の振動が相対的に減少される。その結果、変位検出センサー140の出力特性は、図7に示されるようなノイズのないものとなる。
【0074】
さらに、カンチレバー124の大きさよりも十分に大きな波面の超音波でカンチレバー124を励振するので、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡100において要求されるトランスデューサー170の位置決め精度が低くて済む。また、カンチレバー124の周囲における超音波の強度はほぼ一様であるので、トランスデューサー170の振動ノイズや熱ドリフトの影響も受け難い。その結果、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡100は、カンチレバー124をより安定に励振することができるため、より正確な測定結果を得られる。
【0075】
第二実施形態
本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図8に示す。図8において、図1の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【0076】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡200は、コントローラー150内の励振信号生成部158と共に、カンチレバー124をその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段を構成するトランスデューサー280を有している。トランスデューサー280は、励振信号生成部158からの励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバー124とその周囲にほぼ一様に照射する。
【0077】
トランスデューサー280は、励振信号に従って超音波を発生させる圧電素子等の振動子282と、振動子282で発生された超音波を伝搬させる超音波伝搬部284とを有している。トランスデューサー280は、XYZスキャナー134に保持されており、超音波伝搬部284は試料台を兼ねている。言い換えれば、試料台284はトランスデューサー280の振動子282を介してXYZスキャナー134に連結されている。
【0078】
超音波伝搬部284は、第一実施形態の超音波伝搬部174と同様に、様々に変形されてもよい。
【0079】
励振信号生成部158は、カンチレバー124の共振周波数近傍の周波数を持つ所定の振幅の励振信号を出力する。振動子282は、入力される励振信号に従って、カンチレバー124の機械的共振周波数と同じ周波数を持つ所定の振幅の超音波を発生させる。超音波は、超音波伝搬部284と生体試料104と液体102を伝搬してカンチレバー124とその周囲に一様に照射され、カンチレバー124をその機械的共振周波数で所定の振幅で励振する。
【0080】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡200は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100と同様の利点を有している。これに加えて、カンチレバー124の面に対して超音波を小さい入射角すなわち垂直に近い状態で照射しているため、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡200は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100よりも効率良くカンチレバー124を励振できる。また、超音波を発生させる振動子282が液体ステージ110やホルダー126から離して配置されているので、第一実施形態で用いた除振ゴムが必要ない。従って、走査型プローブ顕微鏡200は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100よりも簡単な構成で済む。
【0081】
第三実施形態
本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図9に示す。図9において、図1の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【0082】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡300では、XYZスキャナー334は、カンチレバー124に対して生体試料104をX軸とY軸に沿って移動させる(XY走査する)XYスキャナー336と、カンチレバー124に対して生体試料104をZ軸に沿って移動させる(Z走査する)Zスキャナー338とを有している。
【0083】
Zスキャナー338の下端には、生体試料104を保持する試料台332が固定されている。Zスキャナー338はトランスデューサーの振動子を兼ね、試料台332はトランスデューサーの超音波伝搬部を兼ねている。つまり、Zスキャナー338と試料台332はトランスデューサーを構成している。試料台332すなわち超音波伝搬部は、第一実施形態の超音波伝搬部174と同様に、様々に変形されてもよい。
【0084】
また、走査型プローブ顕微鏡300は、Z制御回路156から出力されるZ制御信号と励振信号生成部158から出力される励振信号とを加算する加算器382を有している。加算器382の出力信号は、Z駆動回路166に入力される。
【0085】
結局、励振信号生成部158と加算器382とZ駆動回路166とZスキャナー338と試料台332は共働して、カンチレバー124をその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段を構成している。
【0086】
励振信号生成部158は、カンチレバー124の共振周波数近傍の周波数を持つ所定の振幅の励振信号を出力する。励振信号は加算器382によりZ制御信号に重畳されてZ駆動回路166に入力される。Z駆動回路166は、励振信号成分に従ってZスキャナー338をZ方向に振動させる。これにより、Zスキャナー338は、カンチレバー124の機械的共振周波数と同じ周波数を持つ所定の振幅の超音波を発生させる。超音波は、試料台332と生体試料104と液体102を伝搬してカンチレバー124とその周囲に一様に照射され、カンチレバー124をその機械的共振周波数で所定の振幅で励振する。
【0087】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡300は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100と同様の利点を有している。これに加えて、カンチレバー124の面に対して超音波を小さい入射角すなわち垂直に近い状態で照射しているため、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡300は、第二実施形態と同様に、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100よりも効率良くカンチレバー124を励振できる。また、Zスキャナー338が超音波を発生させる振動子を兼ねているため、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡300は、第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡200よりも簡単な構成で済む。
【0088】
第四実施形態
本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図10に示す。図10において、図1の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【0089】
図10に示されるように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡400は、変位検出センサー140からの変位信号に基づいて励振信号を生成する自励発振回路480を有している。自励発振回路480は、カンチレバー124をその機械的共振周波数で自発的に振動させる(自励発振させる)回路である。従って、自励発振回路480は励振信号生成部を構成している。つまり、自励発振回路480はトランスデューサー170と共に、カンチレバー励振手段を構成している。
【0090】
これに伴い、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡400のコントローラー450は、励振信号生成部を有していない。つまり、コントローラー450は、第一実施形態のコントローラー150から励振信号生成部158を省いた構成となっている。
【0091】
図11に示されるように、自励発振回路480は、変位検出センサー140からの変位信号の位相を90度進める位相シフト回路482と、位相シフト回路の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路484とを有している。
【0092】
変位検出センサー140と位相シフト回路482とオートゲインコントロール回路484とトランスデューサー170とカンチレバー124はカンチレバー124の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはオートゲインコントロール回路484によって1以上に調整される。このため、カンチレバー124はその機械的共振周波数で発振される。その振動振幅は、オートゲインコントロール回路484により所定のレベルに保たれる。
【0093】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡400は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100と同様に、超音波を利用してカンチレバー124を励振している。このため、カンチレバー124以外の部材の振動、例えばホルダー126等の振動が相対的に減少されている。その結果、変位検出センサー140の出力特性は、図7に示されるように、ノイズを含んでいない。このために、カンチレバーの自励発振回路を構成することが可能となっている。
【0094】
なお、ホルダーに固定された振動子を用いてカンチレバーを振動させる従来の走査型プローブ顕微鏡では、光てこセンサーの出力特性は、図21に示されるように、多くのノイズを含んでいるため、カンチレバーの自励発振回路を構成することは不可能であった。
【0095】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡400は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100と同様の利点を有している。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡400は、カンチレバー124を自励発振させる自励発振回路480を有しているため、励振信号生成部を別途に設けることなく、カンチレバー124をその機械的共振周波数で振動させることができる。これは走査型プローブ顕微鏡の操作性の向上(操作手順の簡略化や操作時間の短縮)にとって有益である。
【0096】
第五実施形態
走査型プローブ顕微鏡は、測定対象物に機械的探針を実際に接触させて測定するため、測定対象物が柔らかい生体試料である場合には、少なからずダメージ(損傷)を生体試料に与えてしまうが、生体試料に与えるダメージは小さいほど好ましい。
【0097】
本実施形態は、走査型プローブ顕微鏡が測定時に試料に与えるダメージの低減に向けられている。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡について説明する前に、まず、走査型プローブ顕微鏡が試料にダメージを与える現象について説明する。
【0098】
カンチレバーと試料が接触すると、カンチレバーの振動振幅が小さくなる、すなわち励振効率が低下する。この現象は次のように考えられる。
【0099】
カンチレバーを振動させるための注入エネルギーをE0(一定)、カンチレバーの振動エネルギーをEk、カンチレバーと試料の接触による試料への漏れエネルギー(損失エネルギー)をEsとし、それ以外の損失は無視できるものとすると、E0=Ek+Esとなり、励振効率Ek/E0は、Ek/E0=1−Es/E0と表される。
【0100】
カンチレバーと試料が接触していない状態ではEs=0となるので、励振効率はEk/E0=1となる。カンチレバーと試料が接近して接触すると、漏れエネルギー(損失エネルギー)Esが生じるため、励振効率はEk/E0<1となる。カンチレバーと試料が更に接近して完全に接触する(常に接触している状態になる)と、励振効率はEk/E0=0となる。このとき、Es/E0=1であり、カンチレバーを振動させるための注入エネルギーE0がすべて漏れエネルギーEsとなって試料に注入される。
【0101】
以上より、漏れエネルギーEsが試料にタメージを与える原因と考えることができる。従って、試料へのダメージを減らすためにはE0を小さくすればよいことがわかる(Es/E0≦1であるため)。しかし、単純にE0を小さくするのでは、カンチレバーの振動エネルギーEkも小さくなってしまい、実用的ではない。
【0102】
従って、カンチレバーと試料の接触状態に応じてE0の大きさを変えるとよい。すなわち、カンチレバーと試料が接触していない状態ではE0を大きくし、カンチレバーと試料の接触が強い状態ではE0を小さくすることことにより、測定時に試料に与えるダメージを低減することができる。
【0103】
以下、このような考察の基づいて試料に与えるダメージの低減を図った本発明の第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図12に示す。図12において、図1の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【0104】
図12に示されるように、走査型プローブ顕微鏡500は、励振信号生成部158からの励振信号を調整する励振コントロール回路580を有している。励振コントロール回路580は、測定時に試料に与えるダメージを低減する回路である。励振コントロール回路580は励振信号生成部158とトランスデューサー170と共にカンチレバー励振手段を構成している。
【0105】
図13に示されるように、励振コントロール回路580は、変位検出センサー140からの変位信号の位相を90度進める位相シフト回路582と、位相シフト回路582の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路586と、ゲイン調整回路586の出力信号に励振信号生成部158からの励振信号を加算する加算回路588とを有している。励振コントロール回路580は加算回路588の出力信号を励振信号として出力する。
【0106】
変位検出センサー140と位相シフト回路582とゲイン調整回路586と加算回路588とトランスデューサー170とカンチレバー124はカンチレバー124の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはゲイン調整回路586によって1未満に調整される。
【0107】
励振コントロール回路580は、生体試料104とカンチレバー124(の探針122)の接触状態に応じて、カンチレバー124を励振するための励振信号を調整し得る。以下、この原理について述べる。
【0108】
図13において、カンチレバー124の機械的共振周波数における角振動数をωc、コントローラー150内の励振信号生成部158から出力される励振信号をA0sinωctとする。カンチレバー124が共振周波数で振動しているとき、カンチレバー124の変位は励振信号に対して位相が90度遅れるため、変位検出センサー140から出力される信号はAksin(ωct−π/2)となる。また、位相シフト回路582の出力はAksinωct、ゲイン調整回路586の出力はKAksinωct、加算回路588の出力は(A0+KAk)sinωctとなる。ここで、Akは変位検出センサー140の出力信号の振幅、Kはゲイン調整回路586のゲインである。
【0109】
カンチレバー124と生体試料104が接触していないときの安定状態では次の関係式が成り立つ。
【0110】
【数1】
【0111】
ここで、Hcは角振動数ωcにおける振動子172への入力から変位検出センサー140の出力までの入出力特性(ゲイン)、Ak0はカンチレバー124と生体試料104が非接触状態時(初期状態)の変位検出センサー140の出力信号の振幅Akである。
【0112】
Hcは、振動子172が電気信号を受けて超音波を発生させるときの変換効率、超音波伝搬部174における超音波の伝搬効率、超音波伝搬部174と液体102の境界における超音波の透過率、液体102における超音波の伝搬効率、カンチレバー124と生体試料104が非接触状態のときの超音波によるカンチレバー124の励振効率(χ0)、カンチレバー124の振動が変位検出センサー140で電気信号に変換されるときの変換効率(検出感度)を含んでいる。
【0113】
カンチレバー124と生体試料104が接触しているときの安定状態では次の関係式が成り立つ。
【0114】
【数2】
【0115】
ここで、χはカンチレバー124と生体試料104が接触状態のときの超音波によるカンチレバー124の励振効率である。(χ/χ0)はカンチレバー124と生体試料104の接触状態を示しており、これを超音波によるカンチレバー124の励振効率比α(0≦α≦1)とする。励振効率比αは式(2)より次式で表されれる。
【0116】
【数3】
【0117】
従って、カンチレバー124を振動させるための信号(振動子172へ供給する信号)Sは、式(1)と式(3)より次式で表すことができる。
【0118】
【数4】
【0119】
KHcは、変位検出センサー140と位相シフト回路582とゲイン調整回路586と加算回路588と振動子172と超音波伝搬部174とカンチレバー124とで構成される正帰還の帰還ゲインであり、0≦KHc<1である。なお、KHcが1以上になると発振が起きる。
【0120】
HcとAk0は定数として扱えるので、規格化のためにHc=1、Ak0=1とおくと、式(4)のSは、Kとαの関数として、次のように表せる。
【0121】
【数5】
【0122】
S(K,α)をKのいくつかの代表値に対してプロットしたものを図14に示す。図14は、αをパラメーターとするS(0,α)とS(0.1,α)とS(0.5,α)とS(0.8,α)とS(0.99,α)とを示している。
【0123】
図14より、生体試料104とカンチレバー124の接触状態α、言い換えれば、カンチレバー124の励振効率比αに応じて、カンチレバー124を振動させるための信号(振動子172へ供給する信号)Sをコントロールできることがわかる。すなわち、カンチレバー124と生体試料104が接触していない状態ではSを大きくし、カンチレバー124と生体試料104が接触している状態ではSを減らすことができることがわかる。その効果は、Kを1に近づけていくほど、より大きくなることがわかる。
【0124】
なお、K=0とすると、第一実施形態〜第三実施形態で示したように、励振信号生成部158から出力される励振信号をそのまま振動子172に供給することと同様になる。
【0125】
上述によると、K≒1(正確にはKHc≒1)とするのが望ましいように思える。しかし、K(正確にはKHc)を1に近づけるほど正帰還による発振が生じやすくなり動作が不安定になる。このため、K(正確にはKHc)は実際には0.5〜0.8の値に設定されるとよい。
【0126】
次に、生体試料104とカンチレバー124の接触状態αに応じてカンチレバー124を振動させるための信号(振動子172へ供給する信号)Sをコントロールすることによって、生体試料104へ与えるダメージの低減にどれだけの効果があるかを評価する。
【0127】
生体試料104に与えるダメージDは、超音波によるカンチレバー124の励振効率の損失分χ0(1−α)とカンチレバー124を振動させるための信号(振動子172へ供給する信号)Sを掛け合わせたものとして考えることができる。すなわち、ダメージDは、Kとαの関数として、次のように表せる。
【0128】
【数6】
χ0は定数と見なせるので、規格化のためにχ0=1とおくと、式(6)のDは次のように表せる。
【0129】
【数7】
【0130】
D(K,α)をKのいくつかの代表値に対してプロットしたものを図15に示す。図15は、αをパラメーターとするD(0,α)とD(0.1,α)とD(0.5,α)とD(0.8,α)とD(0.99,α)とを示している。
【0131】
図15より、生体試料104とカンチレバー124の接触状態αに応じて、カンチレバー124を振動させるための信号(振動子172へ供給する信号)Sをコントロールすることによって、生体試料104に与えるダメージを急激に低減できることがわかる。その効果は、Kを1に近づけていくほど、より大きくなることかわかる。
【0132】
従って、生体試料104の種類や測定する情報などを考慮して、ゲイン調整回路586のゲインKを適切に設定することにより、測定時に生体試料104に与えるダメージを適切に低減することができる。
【0133】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡500は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100と同様の利点を有している。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡500は、生体試料104とカンチレバー124の接触状態に基づいて、言い換えれば、変位検出センサー140の出力信号に基づいて、振動子172に供給する励振信号を調整する励振コントロール回路580を有しているため、測定時に生体試料104に与えるダメージを大幅に低減することができる。
【0134】
第六実施形態
第六実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図16に示す。図16において、図1の部材と同一の参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、それらの詳しい説明は記載の重複を避けて省略する。
【0135】
走査型プローブ顕微鏡は、変位検出センサー140からの変位信号に基づいて調整された励振信号を出力する励振コントロール回路680を有している。励振コントロール回路680は、カンチレバー124をその機械的共振周波数で自発的に振動させる(自励発振させる)とともに、測定時の試料に与えるダメージを低減する回路である。
【0136】
つまり、本実施形態の励振コントロール回路680は、第四実施形態の自励発振回路480と第五実施形態の励振コントロール回路580の機能を兼ね備えている。励振コントロール回路680は、言い換えれば、部分的に励振信号生成部を構成している。従って、励振コントロール回路680はトランスデューサー170と共にカンチレバー励振手段を構成している。
【0137】
これに伴い、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡600のコントローラー450は、励振信号生成部を有していない。つまり、コントローラー450は、第一実施形態のコントローラー150から励振信号生成部158を省いた構成となっている。
【0138】
図17に示されるように、励振コントロール回路680は、変位検出センサーからの変位信号の位相を90度進める位相シフト回路682と、位相シフト回路682の出力信号のレベルを一定に保つオートゲインコントロール回路684と、位相シフト回路682の出力信号に所定のゲインをかけるゲイン調整回路686と、ゲイン調整回路686の出力信号にオートゲインコントロール回路684の出力信号を加算する加算回路688とを有している。
【0139】
変位検出センサー140と位相シフト回路682とオートゲインコントロール回路684と加算回路688とトランスデューサー170とカンチレバー124はカンチレバー124の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはオートゲインコントロール回路684によって1以上に調整される。この正帰還は、図11に示した自励発振回路と等価な回路を構成している。このため、カンチレバー124はその機械的共振周波数で発振される。その振動振幅は、オートゲインコントロール回路684により所定のレベルに保たれる。
【0140】
変位検出センサー140と位相シフト回路682とゲイン調整回路686と加算回路688とトランスデューサー170とカンチレバー124はカンチレバー124の機械的共振周波数において正帰還を構成する。さらに、正帰還の帰還ゲインはゲイン調整回路686によって1未満に調整される。このため、この正帰還は、図13に示した励振コントロール回路580と等価な回路を構成している。このため、生体試料104の種類や測定する情報などを考慮して、ゲイン調整回路686のゲインKを適切に設定することにより、測定時に生体試料104に与えるダメージを適切に低減することができる。
【0141】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡600は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡100と同様の利点を有している。これに加えて、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡600は、カンチレバー124を自励発振させる機能を有する励振コントロール回路680を有しているため、励振信号生成部を別途に設けることなく、カンチレバー124をその機械的共振周波数で振動させることができる。これは走査型プローブ顕微鏡の操作性の向上(操作手順の簡略化や操作時間の短縮)にとって有益である。
【0142】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡600は、生体試料104とカンチレバー124の接触状態に基づいて、言い換えれば、変位検出センサー140の出力信号に基づいて、振動子172に供給する励振信号を調整する機能を有する励振コントロール回路680を有しているため、測定時に生体試料104に与えるダメージを大幅に低減することができる。
【0143】
【発明の効果】
本発明によれば、高い精度でのカンチレバーの位置決めを必要とせず、液体中においてカンチレバーを安定に励振できる液中用走査型プローブ顕微鏡が提供される。これにより、生体試料をより正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図2】図1のステージを上方から見た図である。
【図3】図1と図2に示されたトランスデューサーの上面図(A)と側面図(B)と正面図(出力端側端面図)(C)とを示している。
【図4】図3に示されたトランスデューサーに代えて適用可能な別のトランスデューサーの上面図(A)と側面図(B)と正面図(出力端側端面図)(C)とを示している。
【図5】図3に示されたトランスデューサーに代えて適用可能な別のトランスデューサーの上面図(A)と側面図(B)と正面図(出力端側端面図)(C)とを示している。
【図6】図3に示されたトランスデューサーに代えて適用可能な別のトランスデューサーの上面図(A)と側面図(B)と正面図(出力端側端面図)(C)とを示している。
【図7】図1に示された変位検出センサーの出力特性を示している。
【図8】本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図9】本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図10】本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図11】図10に示された走査型プローブ顕微鏡の部分的に示す図であり、図10に示された自励発振回路の構成を示している。
【図12】本発明の第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図13】図12に示された走査型プローブ顕微鏡の部分的に示す図であり、図12に示された励振コントロール回路の構成を示している。
【図14】式(5)で表されたS(K,α)をKのいくつかの代表値に対してプロットしたグラフを示している。
【図15】式(7)で表されたD(K,α)をKのいくつかの代表値に対してプロットしたグラフを示している。
【図16】本発明の第六実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図17】図16に示された走査型プローブ顕微鏡の部分的に示す図であり、図16に示された励振コントロール回路の構成を示している。
【図18】従来の生体用原子間力顕微鏡の一例の構成を示している。
【図19】あるカンチレバーの大気中での振動特性を示している。
【図20】大気中において図19に示された振動特性を持つカンチレバーの液中での振動特性を示している。
【図21】液体中において図20に示された振動特性を持つカンチレバーに対する、図18に示された光てこセンサーの出力特性を示している。
【符号の説明】
100 走査型プローブ顕微鏡
102 液体
104 生体試料
110 液体ステージ
122 探針
124 カンチレバー
126 ホルダー
132 試料台
134 XYZスキャナー
140 変位検出センサー
148 振幅検出回路
152 X走査信号生成部
154 Y走査信号生成部
156 Z制御回路
158 励振信号生成部
160 ホストコンピューター
162 X駆動回路
164 Y駆動回路
166 Z駆動回路
170 トランスデューサー
172 振動子
174 超音波伝搬部
176 出力端[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning probe microscope. In particular, it relates to an atomic force microscope capable of observing a biological sample. The atomic force microscope can perform manipulation of a biological sample, observation and processing of a sample other than the biological sample, and the like.
[0002]
[Prior art]
A scanning probe microscope (SPM) is a general term for a device that mechanically scans a mechanical probe to obtain information on a sample surface, and includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), and a scanning type microscope. It includes a magnetic force microscope (MFM), a scanning capacitance microscope (SCaM), a scanning near-field optical microscope (SNOM), a scanning thermal microscope (SThM), and the like.
[0003]
The scanning probe microscope can perform raster scanning of the mechanical probe and the sample relatively in the X and Y directions, obtain surface information of a desired sample region through the mechanical probe, and display the information on a monitor TV by mapping. it can.
[0004]
Atomic force microscopes, among other scanning probe microscopes, have attracted attention as having the potential to observe the movement of living biological samples in liquids at higher resolution than optical microscopes.
[0005]
Until now, the only device that can observe the movement of a biological sample is an optical microscope, but the optical microscope cannot observe the sample at a resolution equal to or less than the wavelength of light because of the diffraction limit.
[0006]
An electron microscope can realize high resolution on the order of nanometers, but cannot observe a living biological sample in a liquid because an object to be measured cannot be arranged in the liquid.
[0007]
In contrast, the AFM can be expected to have a high resolution on the order of nanometers, and can observe even a sample in a liquid. Moreover, it is one of the reasons that attention has been paid to the fact that it can be easily combined with an optical microscope.
[0008]
Such a biological AFM often employs a method (AC mode) of detecting an interaction acting between sample probes from the vibration characteristics of a cantilever. This is because there is an advantage that the force acting between the sample and the probe can be kept weak as compared with the normal mode.
[0009]
For example, FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration of an example of a conventional biological AFM.
[0010]
In FIG. 18, the
[0011]
In the
[0012]
An
[0013]
The
[0014]
In this AFM, the piezoelectric element 11 receives an excitation signal from the
[0015]
In parallel with this, the XYZ scanner 6 is driven by the X drive circuit 3 and the Y drive circuit 4 in the XY plane direction, and the
[0016]
In the AFM in the AC mode described above, since the vibration of the cantilever is greatly attenuated by the liquid, the excitation efficiency of the cantilever is very poor. For this reason, there is a problem that the vibration characteristics of the holder that supports the cantilever appear as noise.
[0017]
FIG. 19 shows the vibration characteristics of a certain cantilever in the atmosphere, and FIG. 20 shows the vibration characteristics of the same cantilever in a liquid. As shown in FIG. 19, even in a cantilever exhibiting high excitation efficiency (Q value) at a mechanical resonance frequency in the atmosphere, the mechanical resonance frequency decreases in a liquid as shown in FIG. At the same time, the excitation efficiency (Q value) is extremely reduced.
[0018]
Therefore, the excitation efficiency of the cantilever with respect to the holder is reduced, and the vibration characteristics of the holder supporting the cantilever appear as noise in the displacement signal of the cantilever detected by the optical lever sensor. FIG. 21 shows the output characteristics of the optical lever sensor with respect to the cantilever having the vibration characteristics shown in FIG. It is no longer possible to determine the mechanical resonance frequency of the cantilever from the output characteristics of such an optical lever sensor. This is because mechanical vibration is transmitted to the cantilever via the holder.
[0019]
JP-A-7-174767 discloses a method of exciting a cantilever by irradiating a free end of the cantilever with a focused ultrasonic wave, instead of exciting the cantilever by transmitting mechanical vibration to the cantilever via a holder. Is proposed.
[0020]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-82037
[0021]
[Patent Document 2]
JP-A-7-174767
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
However, JP-A-7-174767 has the following problem.
[0023]
The size of the cantilever is as large as about 100 μm in length and about 30 μm in width, and as small as about 10 μm in length and about 2 μm in width. In order to accurately irradiate the free end of such a small cantilever with ultrasonic waves, it is necessary to converge the ultrasonic waves to several tens of μm or less and to position the cantilever with respect to the ultrasonic waves with high accuracy. Therefore, it is necessary to provide a position adjusting mechanism for controlling the position of the cantilever with high accuracy. However, providing such a position adjusting mechanism not only increases the size and complexity of the apparatus, but also increases the time required for measurement preparation such as cantilever replacement.
[0024]
In addition, an ultrasonic wave converged to several tens μm or less has an intensity distribution having a steep peak. Therefore, the excitation efficiency of the cantilever changes due to the relative drift of the focal length of the cantilever and the ultrasonic wave, that is, the drift of the position adjustment mechanism and the transducer. Therefore, in order to stably excite the cantilever, it is necessary to minimize vibration noise and thermal drift of the position adjustment mechanism and the transducer.
[0025]
The present invention has been made in view of such a situation, and has as its object the use in a liquid that can stably excite the cantilever in a liquid without requiring high-precision positioning of the cantilever. An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a submerged scanning probe microscope for observing a biological sample in a liquid with a probe, and has an X axis and a Y axis that are both parallel to a horizontal plane and orthogonal to each other, and a Z axis that is orthogonal to the horizontal plane. The scanning probe microscope includes a liquid stage for holding a liquid, a cantilever having a probe at a free end, a holder for holding the cantilever in the liquid held on the liquid stage, and a liquid held for the liquid stage. A sample stage for holding the sample therein, a scanner for moving the sample with respect to the cantilever at least along the Z axis (Z scanning), a cantilever exciting means for exciting the cantilever at a frequency near its mechanical resonance frequency, A displacement detection sensor that optically detects the displacement of the free end of the cantilever and outputs a displacement signal reflecting the displacement, and a displacement detection sensor An amplitude detection circuit that calculates an oscillation amplitude of the cantilever based on a displacement signal from the sensor and outputs an amplitude signal reflecting the oscillation amplitude, and a cantilever and a sample along the Z axis based on the amplitude signal from the amplitude detection circuit. A Z control circuit that determines a target value of the interval and outputs a Z control signal corresponding to the target value; a Z drive circuit that controls displacement of the scanner along the Z axis according to the Z control signal; Along with calculating the information on the surface of the sample by calculation, it has a calculation display unit for displaying the obtained information on the surface of the sample, and the cantilever excitation unit generates an excitation signal according to the excitation signal generation unit and the excitation signal. It has a transducer that generates ultrasonic waves and irradiates the cantilever and its surroundings almost uniformly.
[0027]
The scanner should be able to move the sample along the X and Y axes (XY scan) relative to the cantilever in addition to the Z scan, and correspondingly, the scanning probe microscope should An X-scan signal generator for generating an X-scan signal for displacing along the X-axis, a Y-scan signal generator for generating a Y-scan signal for displacing the scanner along the Y-axis, and an X-axis of the scanner according to the X-scan signal It is preferable to further include an X drive circuit that controls displacement along the Y axis and a Y drive circuit that controls displacement along the Y axis of the scanner according to the Y scanning signal. Information on the surface of the sample is obtained by calculation based on the X scan signal and the Y scan signal.
[0028]
The transducer has a vibrator that generates ultrasonic waves according to an input excitation signal, and an ultrasonic wave propagation unit that propagates the ultrasonic waves generated by the vibrator. The ultrasonic wave propagation unit has an output end for emitting ultrasonic waves to the outside, and at least the output end of the ultrasonic wave propagation unit is located in the liquid held on the liquid stage.
[0029]
The ultrasonic wave propagation section preferably has a horn for amplifying the ultrasonic wave. Further, the ultrasonic wave propagation section is preferably made of a polymer material.
[0030]
The ultrasonic wave propagation unit is fixed to the liquid stage via, for example, a vibration isolating rubber.
[0031]
The transducer may be held by the scanner, and the ultrasonic wave propagation part of the transducer may also serve as the sample stage.
[0032]
The scanner may include a Z scanner for moving (Z scanning) the sample along the Z axis with respect to the cantilever, and the Z scanner may also serve as a transducer of the transducer. In this case, the scanning probe microscope further includes an adder for adding the Z control signal and the excitation signal, and the output signal of the adder is input to the Z drive circuit.
[0033]
The excitation signal generation unit may be a self-excited oscillation circuit that generates an excitation signal based on a displacement signal from the displacement detection sensor. The self-excited oscillation circuit includes, for example, a phase shift circuit that advances the phase of the displacement signal from the displacement detection sensor by 90 degrees, and an auto gain control circuit that keeps the level of the output signal of the phase shift circuit constant.
[0034]
The cantilever excitation unit may further include an excitation control circuit that adjusts an excitation signal from the excitation signal generation unit. The excitation control circuit includes, for example, a phase shift circuit that advances the phase of the displacement signal from the displacement detection sensor by 90 degrees, a gain adjustment circuit that applies a predetermined gain to the output signal of the phase shift circuit, and an excitation signal that is applied to the output signal of the gain adjustment circuit. And an addition circuit for adding the excitation signal from the signal generation unit.
[0035]
The excitation signal generator may output an excitation signal adjusted based on the displacement signal from the displacement detection sensor. Such an excitation signal generation unit includes, for example, a phase shift circuit that advances the phase of the displacement signal from the displacement detection sensor by 90 degrees, an auto gain control circuit that keeps the level of the output signal of the phase shift circuit constant, and a phase shift circuit. A gain adjustment circuit that applies a predetermined gain to the output signal of the first control circuit, and an addition circuit that adds the output signal of the automatic gain control circuit to the output signal of the gain adjustment circuit.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0037]
First embodiment
The present invention is directed to a scanning probe microscope for observing a biological sample in a liquid with a probe, and a scanning probe microscope of the first embodiment is shown in FIG. In the following description, two axes or two directions that are both parallel to the horizontal plane and that are orthogonal to each other will be referred to as the X axis and Y axis or the X and Y directions, respectively, and the axis or direction that is orthogonal to the horizontal plane will be the Z axis or the Z direction. Shall be called.
[0038]
The
[0039]
The
[0040]
The liquid 102 may be held on a water-repellent slide glass. In this case, the slide glass holding the liquid 102 is placed on the
[0041]
The
[0042]
The
[0043]
The
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
The
[0047]
The
[0048]
Further, the
[0049]
The
[0050]
The
[0051]
The
[0052]
The
[0053]
The
[0054]
Of course, the irradiation direction of the ultrasonic wave is not limited to this. In order to efficiently excite the
[0055]
The
[0056]
Specifically, the
[0057]
Ultrasound is not emitted vertically to the
[0058]
The material of the ultrasonic
[0059]
The
[0060]
The ultrasonic
[0061]
The horn has a cross-sectional area perpendicular to the X-axis that decreases as approaching the
[0062]
As described above, in the
[0063]
Although the ultrasonic
[0064]
As shown in FIG. 4, the
[0065]
Each of the ultrasonic
[0066]
Still another transducer that can be used in place of the
[0067]
Still another transducer that can be used in place of the
[0068]
In the
[0069]
In this state, the
[0070]
That is, the
[0071]
In parallel with such Z control, the
[0072]
During the XY scanning and the Z control, the
[0073]
In the
[0074]
Further, since the
[0075]
Second embodiment
FIG. 8 shows a scanning probe microscope according to the second embodiment of the present invention. 8, members denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same members, and a detailed description thereof will be omitted to avoid duplication of description.
[0076]
The
[0077]
The
[0078]
The ultrasonic
[0079]
The
[0080]
The
[0081]
Third embodiment
FIG. 9 shows a scanning probe microscope according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 9, members denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same members, and a detailed description thereof will be omitted to avoid duplication of description.
[0082]
In the
[0083]
At the lower end of the
[0084]
In addition, the
[0085]
Eventually, the
[0086]
The
[0087]
The
[0088]
Fourth embodiment
FIG. 10 shows a scanning probe microscope according to a fourth embodiment of the present invention. 10, members denoted by the same reference numerals as the members in FIG. 1 indicate the same members, and a detailed description thereof will be omitted to avoid duplication of description.
[0089]
As shown in FIG. 10, the
[0090]
Accordingly, the
[0091]
As shown in FIG. 11, the self-
[0092]
The
[0093]
The
[0094]
In a conventional scanning probe microscope in which a cantilever is vibrated by using a vibrator fixed to a holder, the output characteristic of the optical lever sensor includes a lot of noise as shown in FIG. It was impossible to construct a self-excited oscillation circuit.
[0095]
The
[0096]
Fifth embodiment
Since a scanning probe microscope measures by actually bringing a mechanical probe into contact with an object to be measured, when the object to be measured is a soft biological sample, the biological sample is considerably damaged. However, the smaller the damage to the biological sample, the better.
[0097]
The present embodiment is directed to reducing the damage that a scanning probe microscope gives to a sample during measurement. Before describing the scanning probe microscope of the present embodiment, a phenomenon in which the scanning probe microscope damages a sample will be described first.
[0098]
When the cantilever comes into contact with the sample, the vibration amplitude of the cantilever decreases, that is, the excitation efficiency decreases. This phenomenon is considered as follows.
[0099]
The injection energy for vibrating the cantilever is E 0 (Constant), the vibration energy of the cantilever is E k , The leakage energy (loss energy) to the sample due to contact between the cantilever and the sample s And the other losses are negligible, then E 0 = E k + E s And the excitation efficiency E k / E 0 Is E k / E 0 = 1-E s / E 0 It is expressed as
[0100]
E when the cantilever is not in contact with the sample s = 0, the excitation efficiency is E k / E 0 = 1. When the cantilever and the sample come into close contact, the leakage energy (loss energy) E s , The excitation efficiency becomes E k / E 0 <1. When the cantilever and the sample come closer and come into full contact (they are always in contact), the excitation efficiency becomes E k / E 0 = 0. At this time, E s / E 0 = 1 and the injection energy E for oscillating the cantilever 0 Are all leak energy E s And injected into the sample.
[0101]
From the above, the leakage energy E s Can be considered as a cause of damaging the sample. Therefore, to reduce damage to the sample, E 0 Can be reduced (E s / E 0 ≤ 1). However, simply E 0 Is small, the vibration energy E of the cantilever k Is also small and not practical.
[0102]
Therefore, E depends on the contact state between the cantilever and the sample. 0 It is good to change the size of. That is, when the cantilever and the sample are not in contact with each other, E 0 Is increased, and when the contact between the cantilever and the sample is strong, E 0 Can reduce the damage to the sample during measurement.
[0103]
FIG. 12 shows a scanning probe microscope according to a fifth embodiment of the present invention in which damage to a sample is reduced based on such considerations. 12, members denoted by the same reference numerals as the members in FIG. 1 indicate the same members, and detailed descriptions thereof will be omitted to avoid duplication of description.
[0104]
As shown in FIG. 12, the
[0105]
As shown in FIG. 13, the
[0106]
The
[0107]
The
[0108]
In FIG. 13, the angular frequency of the
[0109]
In a stable state when the
[0110]
(Equation 1)
[0111]
Where H c Is the angular frequency ω c , Input / output characteristics (gain) from the input to the
[0112]
H c Are the conversion efficiency when the
[0113]
In a stable state when the
[0114]
(Equation 2)
[0115]
Here, χ is the excitation efficiency of the
[0116]
[Equation 3]
[0117]
Therefore, a signal S for vibrating the cantilever 124 (signal supplied to the vibrator 172) can be expressed by the following equation from the equations (1) and (3).
[0118]
(Equation 4)
[0119]
KH c Is a positive feedback feedback gain composed of the
[0120]
H c And A k0 Can be treated as a constant. c = 1, A k0 If = 1, S in equation (4) can be expressed as a function of K and α as follows:
[0121]
(Equation 5)
[0122]
FIG. 14 shows S (K, α) plotted against some representative values of K. FIG. 14 shows S (0, α), S (0.1, α), S (0.5, α), S (0.8, α) and S (0.99, α) with α as a parameter. ).
[0123]
From FIG. 14, it is possible to control the signal (signal supplied to the vibrator 172) S for vibrating the
[0124]
If K = 0, it is the same as supplying the excitation signal output from the
[0125]
According to the above, K ≒ 1 (more precisely, KH c It seems that 望 ま し い 1) is desirable. However, K (exactly KH c ) Is closer to 1, oscillation due to positive feedback is more likely to occur, and the operation becomes unstable. Therefore, K (exactly KH c ) Is actually set to a value of 0.5 to 0.8.
[0126]
Next, by controlling a signal (signal supplied to the vibrator 172) S for vibrating the
[0127]
The damage D to the
[0128]
(Equation 6)
χ 0 Can be regarded as a constant. 0 Assuming that = 1, D in equation (6) can be expressed as follows.
[0129]
(Equation 7)
[0130]
FIG. 15 shows D (K, α) plotted against some representative values of K. FIG. 15 shows D (0, α), D (0.1, α), D (0.5, α), D (0.8, α) and D (0.99, α) with α as a parameter. ).
[0131]
From FIG. 15, by controlling a signal (signal supplied to the vibrator 172) S for vibrating the
[0132]
Therefore, by appropriately setting the gain K of the
[0133]
The
[0134]
Sixth embodiment
FIG. 16 shows a scanning probe microscope of the sixth embodiment. In FIG. 16, members denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same members, and detailed descriptions thereof will be omitted to avoid duplication of description.
[0135]
The scanning probe microscope has an
[0136]
That is, the
[0137]
Accordingly, the
[0138]
As shown in FIG. 17, the
[0139]
The
[0140]
The
[0141]
The
[0142]
Further, the
[0143]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a submerged scanning probe microscope capable of stably exciting a cantilever in a liquid without requiring high-precision positioning of the cantilever. Thereby, the biological sample can be measured more accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a scanning probe microscope according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view of the stage of FIG. 1 as viewed from above.
FIG. 3 shows a top view (A), a side view (B), and a front view (output end side end view) (C) of the transducer shown in FIGS. 1 and 2;
FIG. 4 shows a top view (A), a side view (B), and a front view (output end side end view) (C) of another transducer that can be used in place of the transducer shown in FIG. ing.
5 shows a top view (A), a side view (B), and a front view (output end side end view) (C) of another transducer that can be used in place of the transducer shown in FIG. 3; ing.
6 shows a top view (A), a side view (B), and a front view (output end side end view) (C) of another transducer that can be used in place of the transducer shown in FIG. ing.
FIG. 7 shows output characteristics of the displacement detection sensor shown in FIG.
FIG. 8 shows a scanning probe microscope according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows a scanning probe microscope according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows a scanning probe microscope according to a fourth embodiment of the present invention.
11 is a diagram partially showing the scanning probe microscope shown in FIG. 10 and shows a configuration of the self-excited oscillation circuit shown in FIG. 10;
FIG. 12 shows a scanning probe microscope according to a fifth embodiment of the present invention.
13 is a diagram partially showing the scanning probe microscope shown in FIG. 12, and shows a configuration of the excitation control circuit shown in FIG. 12;
FIG. 14 shows a graph in which S (K, α) represented by equation (5) is plotted against some representative values of K.
FIG. 15 shows a graph in which D (K, α) represented by equation (7) is plotted against some representative values of K.
FIG. 16 shows a scanning probe microscope according to a sixth embodiment of the present invention.
17 is a diagram partially showing the scanning probe microscope shown in FIG. 16, and shows a configuration of the excitation control circuit shown in FIG. 16;
FIG. 18 shows a configuration of an example of a conventional atomic force microscope for a living body.
FIG. 19 shows vibration characteristics of a certain cantilever in the atmosphere.
20 shows the vibration characteristics of the cantilever having the vibration characteristics shown in FIG. 19 in the liquid in the air.
21 shows the output characteristics of the optical lever sensor shown in FIG. 18 for a cantilever having the vibration characteristics shown in FIG. 20 in a liquid.
[Explanation of symbols]
100 scanning probe microscope
102 liquid
104 biological sample
110 liquid stage
122 probe
124 cantilever
126 holder
132 Sample stand
134 XYZ scanner
140 Displacement detection sensor
148 Amplitude detection circuit
152 X scan signal generator
154 Y scan signal generator
156 Z control circuit
158 Excitation signal generator
160 host computer
162 X drive circuit
164 Y drive circuit
166 Z drive circuit
170 transducer
172 vibrator
174 Ultrasonic wave propagation part
176 output terminal
Claims (13)
液体を保持する液体ステージと、
自由端に探針を有するカンチレバーと、
液体ステージに保持された液体中においてカンチレバーを保持するホルダーと、
液体ステージに保持された液体中において試料を保持する試料台と、
カンチレバーに対して試料を少なくともZ軸に沿って移動させる(Z走査する)スキャナーと、
カンチレバーをその機械的共振周波数近傍の周波数で励振するカンチレバー励振手段と、
カンチレバーの自由端の変位を光学的に検出し、その変位を反映する変位信号を出力する変位検出センサーと、
変位検出センサーからの変位信号に基づいてカンチレバーの振動振幅を算出し、その振動振幅を反映する振幅信号を出力する振幅検出回路と、
振幅検出回路からの振幅信号に基づいてZ軸に沿ったカンチレバーと試料の間隔の目標値を求め、その目標値に対応するZ制御信号を出力するZ制御回路と、
Z制御信号に従ってスキャナーのZ軸に沿った変位を制御するZ駆動回路と、
Z制御信号に基づいて試料の表面の情報を演算により求めると共に、求めた試料の表面の情報を表示する演算表示部とを有しており、
カンチレバー励振手段は、励振信号を生成する励振信号生成部と、励振信号に従って超音波を発生させ、その超音波をカンチレバーとその周囲にほぼ一様に照射するトランスデューサーを有している、走査型プローブ顕微鏡。A submerged scanning probe microscope for observing a biological sample in a liquid with a probe, having an X axis and a Y axis that are both parallel to a horizontal plane and orthogonal to each other, and a Z axis that is orthogonal to the horizontal plane. Scanning probe microscope
A liquid stage for holding liquid,
A cantilever having a probe at its free end,
A holder for holding the cantilever in the liquid held on the liquid stage,
A sample stage for holding the sample in the liquid held on the liquid stage,
A scanner for moving (Z-scanning) the sample at least along the Z-axis with respect to the cantilever;
Cantilever exciting means for exciting the cantilever at a frequency near its mechanical resonance frequency,
A displacement detection sensor that optically detects the displacement of the free end of the cantilever and outputs a displacement signal reflecting the displacement;
An amplitude detection circuit that calculates a vibration amplitude of the cantilever based on a displacement signal from the displacement detection sensor, and outputs an amplitude signal reflecting the vibration amplitude;
A Z control circuit for obtaining a target value of the distance between the cantilever and the sample along the Z axis based on the amplitude signal from the amplitude detection circuit and outputting a Z control signal corresponding to the target value;
A Z drive circuit that controls displacement of the scanner along the Z axis according to the Z control signal;
A calculation display unit for calculating the information on the surface of the sample based on the Z control signal and displaying the obtained information on the surface of the sample;
The cantilever excitation unit has an excitation signal generation unit that generates an excitation signal, and a transducer that generates an ultrasonic wave according to the excitation signal and irradiates the ultrasonic wave to the cantilever and its surroundings almost uniformly. Probe microscope.
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