JP2004156959A - Scanning probe microscope - Google Patents

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Nobuaki Sakai
信明 酒井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope for submergence that does not require the positioning of a cantilever precisely and can stably excite the cantilever in liquid. <P>SOLUTION: The scanning probe microscope 100 comprises a liquid stage 110 for retaining liquid 102, the cantilever 124 having a probe 122 at a free end, a holder 126 for retaining the cantilever 124 in the liquid 102, a sample stand 132 for retaining the biological sample 104 in the liquid 102, an XYZ scanner 134 for scanning the biological sample 104 in XY directions and a Z direction to the cantilever 124, an excitation signal generation section 158 for generating an excitation signal having a frequency near the mechanical resonance frequency in the cantilever 124 for exciting the cantilever 124 at the mechanical resonance frequency, and a transducer 170 for generating ultrasonic waves according to the excitation signal and uniformly irradiating the cantilever and the periphery with the ultrasonic waves. The biological sample can be more accurately measured by this sort of scanning probe microscope. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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E(一定)、カンチレバーの振動エネルギーをE、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Eとし、それ以外の損失は無視できるものとすると、E=E+Eとなり、励振効率E/Eは、E/E=1−E/E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E=0となるので、励振効率はE/E=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)Eが生じるため、励振効率はE/E<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E/E=0となる。このとき、E/E=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Eがすべて漏れエネルギーEとなって試料に注入される。
【0101】
以上より、漏れエネルギーE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Eを小さくすればよいことがわかる(E/E≦1であるため)。しかし、単純にEを小さくするのでは、カンチレバーの振動エネルギーE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E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Eを大きくし、カンチレバーと試料の接触が強い状態ではE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ω、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Asinωt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Asin(ωt−π/2)となる。また、位相シフト回路582の出力はAsinωt、ゲイン調整回路586の出力はKAsinωt、加算回路588の出力は(A+KA)sinωtとなる。ここで、A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】

Figure 2004156959
【0111】
ここで、Hは角振動数ω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Aである。
【0112】
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(χ)、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】
Figure 2004156959
【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/χ)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】
Figure 2004156959
【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】
Figure 2004156959
【0119】
KH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≦KH<1である。なお、KHが1以上になると発振が起きる。
【0120】
とAk0は定数として扱えるので、規格化のためにH=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】
Figure 2004156959
【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KH≒1)とするのが望ましいように思える。しかし、K(正確にはKH)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KH)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χ(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】
Figure 2004156959
χは定数と見なせるので、規格化のためにχ=1とおくと、式(6)のDは次のように表せる。
【0129】
【数7】
Figure 2004156959
【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 stage 10 has been subjected to a water-repellent treatment, and can hold the liquid 14 by surface tension. The sample 7 held by the XYZ scanner 6 is arranged in the liquid 14, and can be scanned in the XYZ directions by the X drive circuit 3, the Y drive circuit 4, and the Z drive circuit 5 based on a signal output from the controller 2. It has become.
[0011]
In the liquid 14, a cantilever 8 having a probe at a free end is disposed so as to face the sample 7. This cantilever 8 is held by a holder 9 provided on a stage 10. A piezoelectric element 11 is provided on the holder 9 and can mechanically vibrate the cantilever 8 at a predetermined amplitude and frequency in response to an excitation signal from the controller 2.
[0012]
An optical lever sensor 16 for detecting the displacement of the cantilever 8 is arranged below the stage 10. The optical lever sensor 16 has a configuration similar to that shown in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-82037, and outputs the laser beam 13 converged through the objective lens 15 and the transmission glass 12 provided on the stage 10. The free end of the cantilever 8 is irradiated to detect the displacement of the cantilever 8. The optical lever sensor 16 outputs a displacement signal indicating the detected displacement of the cantilever 8 to the amplitude detection circuit 17.
[0013]
The amplitude detection circuit 17 calculates the amplitude value of the displacement signal output from the optical lever sensor 16 and outputs an amplitude signal indicating the calculated amplitude value of the cantilever 8 to the Z control circuit 18 in the controller 2. The Z control circuit 18 controls the displacement of the XYZ scanner 6 in the Z direction through the Z drive circuit 5 so as to keep the amplitude signal output from the amplitude detection circuit 17 constant.
[0014]
In this AFM, the piezoelectric element 11 receives an excitation signal from the controller 2 and excites the cantilever 8 with a mechanical resonance frequency of the cantilever 8 and a predetermined amplitude. Further, the displacement of the cantilever 8 is detected by the optical lever sensor 16, and the XYZ scanner 6 is moved by the Z control circuit 18 and the Z drive circuit 5 in the Z direction (normal line of the sample 7) so that the vibration amplitude of the cantilever 8 becomes constant. Direction) to control the position of the sample 7 held by the XYZ scanner 6 in the Z direction.
[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 sample 7 is two-dimensionally scanned with respect to the cantilever 8. The host computer 1 acquires drive signals of the X drive circuit 3 and the Y drive circuit 4, that is, applied voltage signals for displacing the XYZ scanner 6 in the X direction and the Y direction as position signals on the sample surface, and performs Z control. An output signal of the circuit 18, that is, an applied voltage signal for displacing the XYZ scanner 6 in the Z direction is acquired as a concavo-convex signal on the sample surface, and an image is formed and displayed based on the acquired position signal and concavo-convex signal.
[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 scanning probe microscope 100 includes a liquid stage 110 for holding a liquid 102 such as water, a cantilever 124 having a probe 122 at a free end, and a holder 126 for holding the cantilever 124 in the liquid 102 held on the liquid stage 110. Then, the sample stage 132 holding the biological sample 104 in the liquid 102 held on the liquid stage 110, the biological sample 104 is moved along the X axis and the Y axis with respect to the cantilever 124 (XY scanning), and Z And an XYZ scanner 134 for moving (Z-scanning) along the axis.
[0039]
The liquid stage 110 has a transmission glass 112 that transmits light and a frame 114 that holds the transmission glass 112. The liquid stage 110 has a water-repellent surface, and can hold the liquid 102 by surface tension. Here, to hold the liquid 102 means to keep the liquid 102 at one place.
[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 liquid stage 110. Further, the liquid 102 may be held in a liquid cell such as a petri dish.
[0041]
The scanning probe microscope 100 further includes a displacement detection sensor 140 that optically detects the displacement of the free end of the cantilever 124 and outputs a displacement signal reflecting the displacement, and a cantilever based on the displacement signal from the displacement detection sensor 140. And an amplitude detection circuit 148 for calculating an amplitude of the vibration and outputting an amplitude signal reflecting the vibration amplitude.
[0042]
The displacement detection sensor 140 is composed of, for example, an optical lever sensor. Details of the optical lever sensor are disclosed in, for example, JP-A-2002-82037. However, the displacement detection sensor 140 is not limited to the optical lever sensor, and may be constituted by another sensor.
[0043]
The optical lever sensor 140 includes a light source that emits a light beam, an objective lens 142 that converges the light beam from the light source and irradiates the free end of the cantilever 124, and a photodetector that detects a light beam reflected from the cantilever 124. Contains. The objective lens 142 is disposed below the transmission glass 112.
[0044]
The light beam 146 emitted from the light source is converged by the objective lens 142, passes through the transmission glass 112, and irradiates the free end of the cantilever 124. The light beam reflected by the cantilever 124 enters the objective lens 142 through the transmission glass 112, and is guided to the photodetector. The photodetector has a light receiving surface, and the reflected light beam from the cantilever 124 forms a light spot on the light receiving surface. The light spot moves on the light receiving surface of the photodetector according to the displacement of the free end of the cantilever 124. The photodetector outputs a signal reflecting the position of the light spot formed on the light receiving surface, that is, a signal reflecting the displacement of the free end of the cantilever 124.
[0045]
The scanning probe microscope 100 has a controller 150. The controller 150 moves the XYZ scanner along the X-axis to generate an X-scan signal, and the XYZ scanner along the Y-axis. A Y-scan signal generation unit 154 for generating a Y-scan signal to be displaced; and a target value of a distance between the cantilever and the sample along the Z-axis is determined based on the amplitude signal from the amplitude detection circuit, and Z control corresponding to the target value is obtained. And a Z control circuit 156 for outputting a signal.
[0046]
The Z control circuit 156 may be of either analog control or digital control (software control).
[0047]
The scanning probe microscope 100 further includes an X drive circuit 162 that controls the displacement of the XYZ scanner along the X axis according to the X scan signal, and a Y drive circuit 164 that controls the displacement of the XYZ scanner along the Y axis according to the Y scan signal. And a Z drive circuit 166 for controlling the displacement of the XYZ scanner along the Z axis according to the Z control signal.
[0048]
Further, the scanning probe microscope 100 calculates the information on the surface of the biological sample 104 based on the X-scanning signal, the Y-scanning signal, and the Z control signal, and displays the obtained information on the surface of the biological sample 104. A host computer 160 functioning as a display unit.
[0049]
The scanning probe microscope 100 further has cantilever excitation means for exciting the cantilever at a frequency near its mechanical resonance frequency. The cantilever excitation means includes an excitation signal generation unit 158 that generates an excitation signal having a frequency near the mechanical resonance frequency of the cantilever 124, generates an ultrasonic wave according to the excitation signal, and transmits the ultrasonic wave almost uniformly to the cantilever and its surroundings. And a transducer 170 for irradiating the light.
[0050]
The excitation signal generator 158 is provided, for example, inside the controller 150, but is not limited to this. In other words, the controller 150 partially constitutes the excitation signal generator 158. That is, the controller 150 and the transducer 170 constitute cantilever excitation means.
[0051]
The transducer 170 includes a vibrator 172 that generates an ultrasonic wave according to an input excitation signal, and an ultrasonic wave propagation unit 174 that propagates the ultrasonic wave generated by the vibrator 172. Is fixed to the liquid stage 110 via the vibration damping rubber 178.
[0052]
The vibrator 172 includes, but is not limited to, a piezoelectric element, for example. The vibrator 172 and the ultrasonic wave propagation unit 174 are mechanically coupled, and the ultrasonic wave propagation unit 174 has an output end 176 for emitting ultrasonic waves to the outside. As shown in FIGS. 1 and 2, at least the output end 176 of the ultrasonic wave propagation unit 174 is located in the liquid 102 held on the liquid stage 110. The output end 176 is preferably located as close to the cantilever 124 as possible.
[0053]
The transducer 170 is arranged such that the irradiation surface of the output end 176 of the ultrasonic wave propagation unit 174 is orthogonal to the X axis, and emits ultrasonic waves in the X direction. Since the cantilever 124 is held at an angle of about 5 to 20 degrees with respect to the liquid stage 110 by the holder 126, the ultrasonic wave is applied to the surface of the cantilever 124 at an angle of about 5 to 20 degrees.
[0054]
Of course, the irradiation direction of the ultrasonic wave is not limited to this. In order to efficiently excite the cantilever 124, the ultrasonic wave may be irradiated at a small incident angle with respect to the surface of the cantilever 124, in other words, in a state close to vertical. For this reason, the ultrasonic wave may be irradiated from the lower left of the paper surface so as to impinge on the surface of the cantilever 124 at a small incident angle. The ultrasonic waves may be emitted in parallel with the YZ plane, for example, from above the paper surface.
[0055]
The output end 176 of the ultrasonic wave propagation unit 174 has a size sufficiently larger than the size of the cantilever 124. Therefore, the ultrasonic wave emitted from the output end 176 of the ultrasonic wave propagation unit 174 has a sufficiently large wavefront as compared with the size of the cantilever. For this reason, the ultrasonic wave is applied almost uniformly to the cantilever and its surroundings.
[0056]
Specifically, the large cantilever 124 has a length of about 100 μm and a width of about 30 μm, and the small cantilever 124 has a length of about 10 μm and a width of about 2 μm. On the other hand, the output end 176 of the ultrasonic wave propagation unit 174 has, for example, a size of about 1 mm in height (dimension in the Z direction) and about 1 mm in width (dimension in the Y direction).
[0057]
Ultrasound is not emitted vertically to the cantilever 124 but can be considered substantially uniform. The resonance frequency of the cantilever 124 is generally 100 kHz to 1 MHz, corresponding to the magnitude described above. Assuming that the speed of the ultrasonic wave in the liquid 102 is 1500 m / s, the wavelength of the ultrasonic wave is 15 mm to 1.5 mm. Therefore, the ultrasonic wave applied to the cantilever 124 can be considered substantially uniform not only for a small one but also for a large one.
[0058]
The material of the ultrasonic wave propagation section 174 may have a relatively small acoustic impedance in order to reduce reflection at the boundary surface with water. For this reason, the ultrasonic wave propagation section 174 is made of, for example, a polymer material such as Teflon, silicone, or acrylic resin. The polymer material is easy to mold and efficiently transmits ultrasonic waves.
[0059]
The vibration isolation rubber 178 is for preventing the ultrasonic waves generated by the vibrator 172 from being transmitted to the liquid stage 110 and the holder 126, and is preferably made of a material having low rigidity. In particular, the vibration isolation rubber 178 may be a material whose resonance frequency is much lower than the resonance frequency of the cantilever 124, for example, silicone rubber. The vibration isolation rubber 178 may be integrally formed with the ultrasonic wave propagation unit 174.
[0060]
The ultrasonic wave propagation unit 174 preferably has a horn that amplifies the ultrasonic wave propagating inside the ultrasonic wave propagation unit 174. For example, as shown in FIG. 3, the ultrasonic wave propagation unit 174 has a truncated quadrangular pyramid horn extending in the X direction to amplify the ultrasonic wave. The ultrasonic wave propagation unit 174 has a rectangular input end (an end face to which the vibrator 172 is joined) and an output end 176. For example, the input end has a height (dimension in the Z direction) of about 3 mm and a width (dimension in the Y direction) of about 3 to 20 mm, and the output end 176 has a height of about 1 mm and a width of about 1 mm.
[0061]
The horn has a cross-sectional area perpendicular to the X-axis that decreases as approaching the output end 176. Further, the cross section is reduced at a higher rate in the Y direction than in the Z direction. Thus, the horn amplifies higher in the Y direction than in the Z direction. This is because the degree of freedom in arranging the cantilever 124 in the Y direction is higher than in the Z direction (because there is a dimensional allowance in the Y direction than in the Z direction).
[0062]
As described above, in the transducer 170, the output end 176 of the ultrasonic wave propagation unit 174 is set to a size of 1 mm × 1 mm. This is a specific example of a preferable size in which the ultrasonic intensity around the cantilever 124 becomes substantially uniform and a horn effect (amplification factor) as large as possible can be obtained. Therefore, the output end 176 of the ultrasonic wave propagation unit 174 is not limited to this. If there is room in the space, it may be larger in order to obtain a more uniform ultrasonic wave. Also, if sufficiently uniform, it may be smaller in order to obtain stronger ultrasonic waves.
[0063]
Although the ultrasonic wave propagation section 174 of the transducer 170 has a horn having a truncated pyramid shape, the shape of the horn is not limited to this. Another transducer with a differently shaped horn, which can be applied in place of the transducer 170, is shown in FIG.
[0064]
As shown in FIG. 4, the transducer 170A includes a vibrator 172A such as a piezoelectric element that generates ultrasonic waves, and an ultrasonic wave propagation unit 174A that propagates the ultrasonic waves generated by the vibrator 172A. The sound wave propagating unit 174A has a horn shaped like a truncated elliptical cone extending in the X direction. The ultrasonic wave propagation unit 174A has a rectangular input terminal elongated in the Y direction and a circular output terminal 176A. The horn has a cross-sectional area orthogonal to the X-axis which decreases as approaching the output end 176A. Further, the cross section is reduced at a higher rate in the Y direction than in the Z direction. Thus, the horn amplifies higher in the Y direction than in the Z direction.
[0065]
Each of the ultrasonic wave propagating section 174 and the ultrasonic wave propagating section 174A is a conical horn whose cross-sectional area is reduced at a constant rate, but is an exponential type or catenoidal horn having a higher amplification factor. You may.
[0066]
Still another transducer that can be used in place of the transducer 170 is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the transducer 170B has a vibrator 172B such as a piezoelectric element that generates ultrasonic waves, and an ultrasonic wave propagation unit 174B that propagates the ultrasonic waves generated by the vibrator 172B. The sound wave propagation section 174B has a horn having an amplifying function only in the Y direction. The horn has a cross-sectional area perpendicular to the X-axis that decreases as approaching the output end 176B. Further, in the cross section, the dimension in the Z direction is constant, and only the dimension in the Y direction decreases at a constant rate. Therefore, the horn does not amplify the ultrasonic wave in the Z direction, but only in the Y direction.
[0067]
Still another transducer that can be used in place of the transducer 170 is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the transducer 170C has a vibrator 172C such as a piezoelectric element that generates ultrasonic waves, and an ultrasonic wave propagation unit 174C that propagates the ultrasonic waves generated by the vibrator 172C. The sound wave propagation section 174C does not have a horn for amplifying the ultrasonic wave. Therefore, the intensity of the ultrasonic wave emitted from the output end 176C of the transducer 170C for the same excitation signal is lower than that of the other transducers. For this reason, a piezoelectric element having a large output is preferably applied to the vibrator 172C.
[0068]
In the scanning probe microscope 100 of the present embodiment, an excitation signal is output from the excitation signal generator 158 in the controller 150. The excitation signal has a predetermined amplitude, and has the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever 124. The excitation signal is input to the transducer 172 of the transducer 170. The vibrator 172 receives the input of the excitation signal and generates ultrasonic waves having a predetermined amplitude having the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever 124. The ultrasonic wave propagates through the ultrasonic wave propagating section 174 and the liquid 102 and is uniformly applied to the cantilever 124 and its surroundings. As a result, the cantilever 124 vibrates (is excited) at a predetermined amplitude at the mechanical resonance frequency.
[0069]
In this state, the displacement detection sensor 140 detects the displacement of the free end of the cantilever 124, and the amplitude detection circuit 148 outputs an amplitude signal indicating the amplitude of the vibration of the free end of the cantilever 124. The Z control circuit 156 outputs a Z control signal for keeping the vibration amplitude of the cantilever 124 at a predetermined value based on the amplitude signal of the cantilever 124 input from the amplitude detection circuit 148. The Z drive circuit 166 drives the XYZ scanner 134 according to the Z control signal supplied from the Z control circuit 156, and moves the biological sample 104 held by the XYZ scanner 134 in the Z direction.
[0070]
That is, the Z control circuit 156 and the Z drive circuit 166 cooperate to control the position of the biological sample 104 in the Z direction with respect to the cantilever 124 by the XYZ scanner 134. The Z control circuit 156 and the Z drive circuit 166 cause the biological sample 104 to approach the cantilever 124 until the biological sample 104 and the cantilever 124 (more precisely, the probe 122) come into contact with each other. The position of the biological sample 104 in the Z direction is controlled so that the vibration amplitude of the cantilever 124 is kept constant.
[0071]
In parallel with such Z control, the X drive circuit 162 and the Y drive circuit 164 respectively control the XYZ scanner according to the X scan signal and the Y scan signal supplied from the X scan signal generation unit 152 and the Y scan signal generation unit 154, respectively. By driving the 134 in the X direction and the Y direction, the biological sample 104 is two-dimensionally scanned, that is, XY scanned with respect to the cantilever 124.
[0072]
During the XY scanning and the Z control, the host computer 160 obtains and displays information on the surface of the biological sample 104, for example, unevenness information, based on the X scanning signal, the Y scanning signal, and the Z control signal. To form and display an image of the surface of the sample.
[0073]
In the scanning probe microscope 100 of the present embodiment, since the cantilever 124 is excited by ultrasonic waves, vibration of members other than the cantilever 124, for example, vibration of the holder 126 and the like is relatively reduced. As a result, the output characteristics of the displacement detection sensor 140 are free from noise as shown in FIG.
[0074]
Further, since the cantilever 124 is excited by ultrasonic waves having a wavefront sufficiently larger than the size of the cantilever 124, the positioning accuracy of the transducer 170 required in the scanning probe microscope 100 of the present embodiment can be low. Further, since the intensity of the ultrasonic wave around the cantilever 124 is substantially uniform, it is hardly affected by vibration noise and thermal drift of the transducer 170. As a result, the scanning probe microscope 100 of the present embodiment can more stably excite the cantilever 124, so that a more accurate measurement result can be obtained.
[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 scanning probe microscope 200 of the present embodiment has a transducer 280 that constitutes a cantilever excitation unit that excites the cantilever 124 at a frequency near its mechanical resonance frequency, together with an excitation signal generation unit 158 in the controller 150. . The transducer 280 generates an ultrasonic wave according to the excitation signal from the excitation signal generation unit 158, and irradiates the ultrasonic wave almost uniformly to the cantilever 124 and its surroundings.
[0077]
The transducer 280 has a vibrator 282 such as a piezoelectric element that generates an ultrasonic wave in accordance with an excitation signal, and an ultrasonic wave propagation unit 284 that propagates the ultrasonic wave generated by the vibrator 282. The transducer 280 is held by the XYZ scanner 134, and the ultrasonic wave propagation unit 284 also serves as a sample stage. In other words, the sample stage 284 is connected to the XYZ scanner 134 via the transducer 282 of the transducer 280.
[0078]
The ultrasonic wave propagation unit 284 may be variously modified similarly to the ultrasonic wave propagation unit 174 of the first embodiment.
[0079]
The excitation signal generator 158 outputs an excitation signal having a frequency near the resonance frequency of the cantilever 124 and having a predetermined amplitude. The vibrator 282 generates ultrasonic waves of a predetermined amplitude having the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever 124 according to the input excitation signal. The ultrasonic wave propagates through the ultrasonic wave propagation section 284, the biological sample 104, and the liquid 102, and is uniformly applied to the cantilever 124 and its surroundings, and excites the cantilever 124 at a predetermined amplitude at its mechanical resonance frequency.
[0080]
The scanning probe microscope 200 of the present embodiment has the same advantages as the scanning probe microscope 100 of the first embodiment. In addition, since the surface of the cantilever 124 is irradiated with ultrasonic waves at a small incident angle, that is, almost perpendicular, the scanning probe microscope 200 of the present embodiment is different from the scanning probe microscope of the first embodiment. The cantilever 124 can be excited more efficiently than 100. Further, since the vibrator 282 for generating the ultrasonic wave is arranged away from the liquid stage 110 and the holder 126, the vibration damping rubber used in the first embodiment is not required. Therefore, the scanning probe microscope 200 has a simpler configuration than the scanning probe microscope 100 of the first embodiment.
[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 scanning probe microscope 300 of the present embodiment, the XYZ scanner 334 moves the biological sample 104 along the X axis and the Y axis with respect to the cantilever 124 (XY scanning). And a Z scanner 338 that moves (scans) the biological sample 104 along the Z axis.
[0083]
At the lower end of the Z scanner 338, a sample table 332 holding the biological sample 104 is fixed. The Z scanner 338 also functions as a transducer of the transducer, and the sample stage 332 also functions as an ultrasonic wave propagation unit of the transducer. That is, the Z scanner 338 and the sample stage 332 constitute a transducer. The sample stage 332, that is, the ultrasonic wave propagation unit may be variously deformed similarly to the ultrasonic wave propagation unit 174 of the first embodiment.
[0084]
In addition, the scanning probe microscope 300 includes an adder 382 that adds the Z control signal output from the Z control circuit 156 and the excitation signal output from the excitation signal generation unit 158. The output signal of the adder 382 is input to the Z drive circuit 166.
[0085]
Eventually, the excitation signal generator 158, the adder 382, the Z drive circuit 166, the Z scanner 338, and the sample table 332 cooperate to constitute cantilever excitation means for exciting the cantilever 124 at a frequency near its mechanical resonance frequency. ing.
[0086]
The excitation signal generator 158 outputs an excitation signal having a frequency near the resonance frequency of the cantilever 124 and having a predetermined amplitude. The excitation signal is superimposed on the Z control signal by the adder 382 and input to the Z drive circuit 166. Z drive circuit 166 causes Z scanner 338 to vibrate in the Z direction according to the excitation signal component. Accordingly, the Z scanner 338 generates an ultrasonic wave having a predetermined amplitude having the same frequency as the mechanical resonance frequency of the cantilever 124. The ultrasonic wave propagates through the sample table 332, the biological sample 104, and the liquid 102, and is uniformly applied to the cantilever 124 and its surroundings, and excites the cantilever 124 at a predetermined amplitude at its mechanical resonance frequency.
[0087]
The scanning probe microscope 300 of the present embodiment has the same advantages as the scanning probe microscope 100 of the first embodiment. In addition, since the surface of the cantilever 124 is irradiated with ultrasonic waves at a small incident angle, that is, near vertical, the scanning probe microscope 300 of the present embodiment has the same structure as the second embodiment, The cantilever 124 can be excited more efficiently than the scanning probe microscope 100 of one embodiment. Further, since the Z scanner 338 also serves as a transducer for generating ultrasonic waves, the scanning probe microscope 300 of the present embodiment can have a simpler configuration than the scanning probe microscope 200 of the second embodiment.
[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 scanning probe microscope 400 of the present embodiment includes a self-excited oscillation circuit 480 that generates an excitation signal based on a displacement signal from the displacement detection sensor 140. The self-excited oscillation circuit 480 is a circuit that causes the cantilever 124 to self-oscillate (self-excited oscillation) at its mechanical resonance frequency. Therefore, the self-excited oscillation circuit 480 constitutes an excitation signal generator. That is, the self-excited oscillation circuit 480 and the transducer 170 constitute a cantilever excitation unit.
[0090]
Accordingly, the controller 450 of the scanning probe microscope 400 according to the present embodiment does not have an excitation signal generation unit. That is, the controller 450 has a configuration in which the excitation signal generator 158 is omitted from the controller 150 of the first embodiment.
[0091]
As shown in FIG. 11, the self-excited oscillation circuit 480 includes a phase shift circuit 482 that advances the phase of the displacement signal from the displacement detection sensor 140 by 90 degrees, and an auto gain control that keeps the level of the output signal of the phase shift circuit constant. And a circuit 484.
[0092]
The displacement detection sensor 140, the phase shift circuit 482, the auto gain control circuit 484, the transducer 170, and the cantilever 124 form a positive feedback at the mechanical resonance frequency of the cantilever 124. Further, the feedback gain of the positive feedback is adjusted to 1 or more by the auto gain control circuit 484. Therefore, the cantilever 124 is oscillated at its mechanical resonance frequency. The vibration amplitude is maintained at a predetermined level by the auto gain control circuit 484.
[0093]
The scanning probe microscope 400 of the present embodiment excites the cantilever 124 using ultrasonic waves, similarly to the scanning probe microscope 100 of the first embodiment. Therefore, vibrations of members other than the cantilever 124, for example, vibrations of the holder 126 and the like are relatively reduced. As a result, the output characteristic of the displacement detection sensor 140 does not include noise as shown in FIG. Therefore, it is possible to configure a self-excited oscillation circuit of the cantilever.
[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 scanning probe microscope 400 of the present embodiment has the same advantages as the scanning probe microscope 100 of the first embodiment. In addition, since the scanning probe microscope 400 of the present embodiment has the self-excited oscillation circuit 480 for self-oscillating the cantilever 124, the cantilever 124 can be provided without separately providing an excitation signal generation unit. It can be vibrated at the mechanical resonance frequency. This is useful for improving the operability of the scanning probe microscope (simplification of operation procedures and reduction of operation time).
[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 scanning probe microscope 500 includes an excitation control circuit 580 that adjusts an excitation signal from the excitation signal generator 158. The excitation control circuit 580 is a circuit that reduces damage to the sample during measurement. The excitation control circuit 580, together with the excitation signal generator 158 and the transducer 170, constitutes a cantilever excitation unit.
[0105]
As shown in FIG. 13, the excitation control circuit 580 includes a phase shift circuit 582 that advances the phase of the displacement signal from the displacement detection sensor 140 by 90 degrees, and a gain adjustment circuit that applies a predetermined gain to the output signal of the phase shift circuit 582. 586, and an addition circuit 588 for adding the excitation signal from the excitation signal generation unit 158 to the output signal of the gain adjustment circuit 586. Excitation control circuit 580 outputs the output signal of addition circuit 588 as an excitation signal.
[0106]
The displacement detection sensor 140, the phase shift circuit 582, the gain adjustment circuit 586, the addition circuit 588, the transducer 170, and the cantilever 124 form a positive feedback at the mechanical resonance frequency of the cantilever 124. Further, the feedback gain of the positive feedback is adjusted to less than 1 by the gain adjustment circuit 586.
[0107]
The excitation control circuit 580 can adjust an excitation signal for exciting the cantilever 124 according to the contact state between the biological sample 104 and (the probe 122 of) the cantilever 124. Hereinafter, this principle will be described.
[0108]
In FIG. 13, the angular frequency of the cantilever 124 at the mechanical resonance frequency is ω c The excitation signal output from the excitation signal generator 158 in the controller 150 is 0 sinω c Let it be t. When the cantilever 124 is vibrating at the resonance frequency, the displacement of the cantilever 124 has a phase delayed by 90 degrees with respect to the excitation signal, so that the signal output from the displacement detection sensor 140 is A k sin (ω c t−π / 2). The output of the phase shift circuit 582 is A k sinω c t, the output of the gain adjustment circuit 586 is KA k sinω c t, the output of the adder circuit 588 is (A 0 + KA k ) Sinω c t. Where A k Is the amplitude of the output signal of the displacement detection sensor 140, and K is the gain of the gain adjustment circuit 586.
[0109]
In a stable state when the cantilever 124 is not in contact with the biological sample 104, the following relational expression holds.
[0110]
(Equation 1)
Figure 2004156959
[0111]
Where H c Is the angular frequency ω c , Input / output characteristics (gain) from the input to the vibrator 172 to the output of the displacement detection sensor 140, k0 Is the amplitude A of the output signal of the displacement detection sensor 140 when the cantilever 124 and the biological sample 104 are not in contact with each other (initial state). k It is.
[0112]
H c Are the conversion efficiency when the vibrator 172 receives an electric signal to generate an ultrasonic wave, the ultrasonic wave propagation efficiency in the ultrasonic wave propagation unit 174, the transmittance of the ultrasonic wave at the boundary between the ultrasonic wave propagation unit 174 and the liquid 102, The propagation efficiency of the ultrasonic wave in the liquid 102, the excitation efficiency of the cantilever 124 by the ultrasonic wave when the cantilever 124 is not in contact with the biological sample 104 (χ 0 ), The conversion efficiency (detection sensitivity) when the vibration of the cantilever 124 is converted into an electric signal by the displacement detection sensor 140.
[0113]
In a stable state when the cantilever 124 and the biological sample 104 are in contact with each other, the following relational expression holds.
[0114]
(Equation 2)
Figure 2004156959
[0115]
Here, χ is the excitation efficiency of the cantilever 124 by ultrasonic waves when the cantilever 124 and the biological sample 104 are in contact with each other. (Χ / χ 0 ) Indicates a contact state between the cantilever 124 and the biological sample 104, which is defined as an excitation efficiency ratio α (0 ≦ α ≦ 1) of the cantilever 124 by ultrasonic waves. The excitation efficiency ratio α is expressed by the following equation from equation (2).
[0116]
[Equation 3]
Figure 2004156959
[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)
Figure 2004156959
[0119]
KH c Is a positive feedback feedback gain composed of the displacement detection sensor 140, the phase shift circuit 582, the gain adjustment circuit 586, the addition circuit 588, the vibrator 172, the ultrasonic wave propagation unit 174, and the cantilever 124, and 0 ≦ KH c <1. In addition, KH c Oscillation occurs when is greater than one.
[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)
Figure 2004156959
[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 cantilever 124 according to the contact state α between the biological sample 104 and the cantilever 124, in other words, according to the excitation efficiency ratio α of the cantilever 124. I understand. That is, it can be seen that S can be increased when the cantilever 124 is not in contact with the biological sample 104, and S can be reduced when the cantilever 124 is in contact with the biological sample 104. It can be seen that the effect increases as K approaches 1.
[0124]
If K = 0, it is the same as supplying the excitation signal output from the excitation signal generator 158 to the vibrator 172 as it is, as described in the first to third embodiments.
[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 cantilever 124 in accordance with the contact state α between the biological sample 104 and the cantilever 124, the damage to the biological sample 104 can be reduced. Evaluate whether there is any effect.
[0127]
The damage D to the biological sample 104 is the loss of the excitation efficiency of the cantilever 124 due to the ultrasonic waves. 0 It can be considered that (1-α) is multiplied by a signal (signal supplied to the vibrator 172) S for vibrating the cantilever 124. That is, the damage D can be expressed as a function of K and α as follows.
[0128]
(Equation 6)
Figure 2004156959
χ 0 Can be regarded as a constant. 0 Assuming that = 1, D in equation (6) can be expressed as follows.
[0129]
(Equation 7)
Figure 2004156959
[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 cantilever 124 according to the contact state α between the biological sample 104 and the cantilever 124, damage to the biological sample 104 is sharply reduced. It can be seen that it can be reduced. It can be seen that the effect increases as K approaches 1.
[0132]
Therefore, by appropriately setting the gain K of the gain adjustment circuit 586 in consideration of the type of the biological sample 104 and information to be measured, it is possible to appropriately reduce damage to the biological sample 104 during measurement.
[0133]
The scanning probe microscope 500 of the present embodiment has the same advantages as the scanning probe microscope 100 of the first embodiment. In addition to this, the scanning probe microscope 500 of the present embodiment is configured to drive the excitation 172 supplied to the vibrator 172 based on the contact state between the biological sample 104 and the cantilever 124, in other words, based on the output signal of the displacement detection sensor 140. Since the excitation control circuit 580 for adjusting the signal is provided, damage to the biological sample 104 during measurement can be significantly reduced.
[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 excitation control circuit 680 that outputs an excitation signal adjusted based on a displacement signal from the displacement detection sensor 140. The excitation control circuit 680 is a circuit that causes the cantilever 124 to spontaneously vibrate (self-excited oscillation) at its mechanical resonance frequency and to reduce damage to the sample during measurement.
[0136]
That is, the excitation control circuit 680 of the present embodiment has the functions of the self-excited oscillation circuit 480 of the fourth embodiment and the excitation control circuit 580 of the fifth embodiment. In other words, the excitation control circuit 680 partially constitutes an excitation signal generation unit. Therefore, the excitation control circuit 680 and the transducer 170 constitute a cantilever excitation unit.
[0137]
Accordingly, the controller 450 of the scanning probe microscope 600 of the present embodiment does not have an excitation signal generation unit. That is, the controller 450 has a configuration in which the excitation signal generator 158 is omitted from the controller 150 of the first embodiment.
[0138]
As shown in FIG. 17, the excitation control circuit 680 includes a phase shift circuit 682 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 682 constant. 684, a gain adjustment circuit 686 that applies a predetermined gain to the output signal of the phase shift circuit 682, and an addition circuit 688 that adds the output signal of the auto gain control circuit 684 to the output signal of the gain adjustment circuit 686. .
[0139]
The displacement detection sensor 140, the phase shift circuit 682, the auto gain control circuit 684, the addition circuit 688, the transducer 170, and the cantilever 124 form a positive feedback at the mechanical resonance frequency of the cantilever 124. Further, the feedback gain of the positive feedback is adjusted to 1 or more by the auto gain control circuit 684. This positive feedback constitutes a circuit equivalent to the self-excited oscillation circuit shown in FIG. Therefore, the cantilever 124 is oscillated at its mechanical resonance frequency. The vibration amplitude is maintained at a predetermined level by the auto gain control circuit 684.
[0140]
The displacement detection sensor 140, the phase shift circuit 682, the gain adjustment circuit 686, the addition circuit 688, the transducer 170, and the cantilever 124 form a positive feedback at the mechanical resonance frequency of the cantilever 124. Further, the feedback gain of the positive feedback is adjusted to less than 1 by the gain adjustment circuit 686. Therefore, the positive feedback forms a circuit equivalent to the excitation control circuit 580 shown in FIG. Therefore, by appropriately setting the gain K of the gain adjustment circuit 686 in consideration of the type of the biological sample 104 and information to be measured, it is possible to appropriately reduce damage to the biological sample 104 during measurement.
[0141]
The scanning probe microscope 600 of the present embodiment has the same advantages as the scanning probe microscope 100 of the first embodiment. In addition, since the scanning probe microscope 600 of this embodiment has the excitation control circuit 680 having a function of causing the cantilever 124 to self-oscillate, the cantilever 124 is not provided separately. At its mechanical resonance frequency. This is useful for improving the operability of the scanning probe microscope (simplification of operation procedures and reduction of operation time).
[0142]
Further, the scanning probe microscope 600 of the present embodiment adjusts the excitation signal supplied to the vibrator 172 based on the contact state between the biological sample 104 and the cantilever 124, in other words, based on the output signal of the displacement detection sensor 140. Since the excitation control circuit 680 has a function of performing the measurement, damage to the biological sample 104 during measurement can be significantly reduced.
[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)

液体中の生体試料を探針(プローブ)により観察する液中用走査型プローブ顕微鏡であって、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、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.
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、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おり、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、請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanner can move (XY scan) the sample along the X axis and the Y axis with respect to the cantilever in addition to the Z scan, and the scanning probe microscope displaces the scanner along the X axis. An X scan signal generator for generating a scan signal; a Y scan signal generator for generating a Y scan signal for displacing the scanner along the Y axis; and an X for controlling the displacement of the scanner along the X axis in accordance with the X scan signal. A driving circuit for controlling displacement of the scanner along the Y-axis in accordance with the Y-scanning signal, wherein the calculation display unit is based on the X-scanning signal and the Y-scanning signal in addition to the Z control signal; 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein information on the surface of the sample is obtained by calculation. 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、請求項1または請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡。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 portion has an output end for emitting ultrasonic waves to the outside, and at least the output end of the ultrasonic wave propagation portion is located in the liquid held on the liquid stage. Alternatively, the scanning probe microscope according to claim 2. 超音波伝搬部は超音波を増幅するホーンを有している、請求項1または請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the ultrasonic wave propagation unit has a horn for amplifying the ultrasonic wave. 超音波伝搬部は高分子材料で作られている、請求項1〜請求項4のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the ultrasonic wave propagation unit is made of a polymer material. 超音波伝搬部は除振ゴムを介して液体ステージに固定されている、請求項1〜請求項5のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 5, wherein the ultrasonic wave propagation unit is fixed to the liquid stage via an anti-vibration rubber. トランスデューサーはスキャナーに保持されており、トランスデューサーの超音波伝搬部は試料台を兼ねている、請求項1〜請求項5のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 5, wherein the transducer is held by a scanner, and the ultrasonic wave propagation part of the transducer also serves as a sample stage. スキャナーは、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スキャナーを含んでおり、Zスキャナーはトランスデューサーの振動子を兼ねており、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、加算器の出力信号がZ駆動回路に入力される、請求項7に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanner includes a Z scanner that moves (samples) the sample along the Z axis with respect to the cantilever. The Z scanner also functions as a transducer of the transducer, and the scanning probe microscope uses a Z control signal and a Z control signal. The scanning probe microscope according to claim 7, further comprising an adder for adding the excitation signal, wherein an output signal of the adder is input to the Z drive circuit. 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る、請求項1〜請求項8のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 8, wherein the excitation signal generation unit is a self-excited oscillation circuit that generates an excitation signal based on a displacement signal from a displacement detection sensor. 自励発振回路は、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を有している、請求項9に記載の走査型プローブ顕微鏡。10. The self-excited oscillation circuit includes a phase shift circuit for advancing the phase of the displacement signal from the displacement detection sensor by 90 degrees, and an auto gain control circuit for keeping the level of the output signal of the phase shift circuit constant. 2. The scanning probe microscope according to 1. 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おり、励振コントロール回路は、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を有しており、励振コントロール回路は加算回路の出力信号を励振信号として出力する、請求項1〜請求項8のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。The cantilever excitation means further includes an excitation control circuit that adjusts an excitation signal from the excitation signal generation unit, the excitation control circuit includes 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 shift circuit; and an addition circuit that adds the excitation signal from the excitation signal generation unit to the output signal of the gain adjustment circuit. The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 8, which outputs an output signal as an excitation signal. 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する、請求項1〜請求項8のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 8, wherein the excitation signal generation unit outputs an excitation signal adjusted based on a displacement signal from the displacement detection sensor. 励振信号生成部は、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を有している、請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡。The excitation signal generation unit includes a phase shift circuit for advancing the phase of the displacement signal from the displacement detection sensor by 90 degrees, an auto gain control circuit for keeping the level of the output signal of the phase shift circuit constant, and a predetermined signal for the output signal of the phase shift circuit. 13. The scanning probe microscope according to claim 12, further comprising: a gain adjustment circuit that applies the gain of (1), and an addition circuit that adds an output signal of the auto gain control circuit to an output signal of the gain adjustment circuit.
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