JP2005331509A - Method and device for measuring object by variable natural oscillation cantilever - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for measuring an object to be measured using a variable natural vibration type cantilever.
従来、カンチレバーアレーを用いた物質の検出には、以下の二つの方法がある。 Conventionally, there are the following two methods for detecting a substance using a cantilever array.
(1)物質と反応ないし吸着する物質をカンチレバーにあらかじめ塗布し、物質導入に伴うカンチレバーの反りを光学的、ないし電気的に検出する(下記非特許文献1参照)。
(1) A substance that reacts with or adsorbs to a substance is previously applied to the cantilever, and the warpage of the cantilever accompanying the substance introduction is detected optically or electrically (see Non-Patent
(2)カンチレバーを振動させ、物質捕捉に伴う質量変化や、カンチレバーのダンピングの変化を振動周波数や振動振幅の変化として検出する(下記非特許文献2参照)。
(2) The cantilever is vibrated, and a change in mass associated with substance capture or a change in damping of the cantilever is detected as a change in vibration frequency or vibration amplitude (see Non-Patent
また、本願発明者らは、以下のようなナノメートルオーダーの機械振動子およびそれを用いた測定装置を提案している。 Further, the inventors of the present application have proposed the following nanometer-order mechanical vibrator and a measuring apparatus using the same.
(1)ナノメートルオーダーの飛躍的な力や質量変化の検出分解能を有する安定で感度の高いナノメートルオーダー機械振動子およびそれを用いた測定装置(下記特許文献1参照)。
(1) A stable and highly sensitive nanometer order mechanical vibrator having a nanometer order dramatic force and mass change detection resolution and a measuring apparatus using the same (see
(2)試料表面の検出を行うカンチレバー、それを用いた走査型プローブ顕微鏡、ホモダインレーザ干渉計、試料の励振機能を有するレーザドップラー干渉計など(下記特許文献2参照)。
従来のカンチレバー型振動子をその固有振動数で振動させてセンサ、AFM(原子間力顕微鏡)カンチレバーならびにアクチュエータとして用いる場合、その固有振動数はその機械的寸法によって一意的に固定されるものであった。 When a conventional cantilever type vibrator is vibrated at its natural frequency and used as a sensor, an AFM (atomic force microscope) cantilever or an actuator, the natural frequency is uniquely fixed by its mechanical dimensions. It was.
すなわち、従来はカンチレバー型振動子の周波数を変化させることは困難であり、マイクロアクチュエータ等でカンチレバーの長さを変化させる手法はあるが、構造が複雑になり、簡便な方法とはいえない。 That is, conventionally, it is difficult to change the frequency of the cantilever-type vibrator, and there is a method of changing the length of the cantilever using a microactuator or the like, but the structure becomes complicated and it cannot be said that it is a simple method.
本発明は、上記状況に鑑みて、カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変にして高精度の計測を行うことができる固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法および装置を提供することを目的とする。 In view of the above situation, the present invention provides a measuring method and apparatus for a measurement object using a variable natural vibration type cantilever capable of performing high-accuracy measurement by varying the natural frequency of the cantilever by a predetermined width. With the goal.
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、カンチレバーに外部エネルギーを加え、このカンチレバーの固有振動数を所定幅で可変とすることにより、測定対象物の特性を前記カンチレバーの固有振動数に対応させて測定することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a method for measuring an object to be measured by a natural vibration variable type cantilever, external energy is applied to the cantilever, and the natural frequency of the cantilever is made variable by a predetermined width, whereby the characteristic of the object to be measured is changed to that of the cantilever. Measured according to the natural frequency.
〔2〕上記〔1〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーがナノカンチレバーであり、前記測定対象物が微小物質であり、その計測を行うことを特徴とする。 [2] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] above, the cantilever is a nano-cantilever, the object to be measured is a minute substance, and the measurement is performed. To do.
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが光量であり、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光(DC成分)を重畳させる光励振用のレーザダイオードを有し、該レーザダイオードからの照射光を前記振動計測を行うレーザーに重畳することにより固有振動数を可変にすることを特徴とする。 [3] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] or [2] above, vibration measurement is performed using a heterodyne laser Doppler meter in which the external energy is a light amount and has a light excitation function. In addition to the optical system that performs the above, there is a laser diode for optical excitation that superimposes constant light (DC component), and the natural frequency is obtained by superimposing the irradiation light from the laser diode on the laser that performs the vibration measurement. It is characterized by being variable.
〔4〕上記〔1〕又は〔2〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが光量であり、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光(DC成分)および変調光(AC成分)を重畳させる光励振用のレーザダイオードを有し、このレーザダイオードからの照射光を前記振動計測を行うレーザーに重畳することにより固有振動数を可変にすることを特徴とする。 [4] In the method for measuring an object to be measured using the natural vibration variable type cantilever described in [1] or [2] above, vibration measurement is performed using a heterodyne laser Doppler meter in which the external energy is a light amount and has a light excitation function. In addition to the optical system that performs the above, there is a laser diode for optical excitation that superimposes constant light (DC component) and modulated light (AC component), and the irradiation light from this laser diode is superimposed on the laser that performs vibration measurement By doing so, the natural frequency is made variable.
〔5〕上記〔1〕又は〔2〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの長手方向の中心軸を避けた位置に位置決めし、前記カンチレバーの撓み、および捩れに相当する周波数成分で光を変調することを特徴とする。 [5] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] or [2] above, the cantilever is positioned at a position avoiding the central axis in the longitudinal direction, the cantilever is bent, and The light is modulated with a frequency component corresponding to twist.
〔6〕上記〔1〕又は〔2〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの幅方向の中心線より片側に、カンチレバー材料とは異なる、照射光による熱量の吸収率の高い被膜を設けることにより、照射光により前記カンチレバーの捩れを生成させることを特徴とする。 [6] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] or [2] above, the amount of heat by irradiation light, which is different from the cantilever material on one side from the center line in the width direction of the cantilever. By providing a coating film having a high absorption rate, twisting of the cantilever is generated by irradiation light.
〔7〕上記〔1〕〜〔6〕の何れか一項記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、カンチレバー先端に配置した探針先端に、このカンチレバーの撓みと捩れを用いてリサージュ図形に沿った運動を行わせ、それにより前記探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことを特徴とする。 [7] In the method of measuring an object to be measured by the natural vibration variable cantilever according to any one of [1] to [6], the cantilever is bent and twisted at a tip of the probe disposed at the tip of the cantilever. It is used to move along the Lissajous figure, thereby transferring and positioning the substance in contact with the tip of the probe.
〔8〕上記〔7〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記カンチレバーの撓みと捩れの発生を、撓みと捩れの固有振動数の2周波数成分を有する変調光を用いた光励振により行うことを特徴とする。 [8] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [7] above, the cantilever is bent and twisted, and modulated light having two frequency components of the natural frequency of bending and torsion is used. It is characterized by being performed by the light excitation used.
〔9〕上記〔8〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を変化させて、前記探針先端のリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させ、前記探針先端に接触する物質を1自由度両方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする。 [9] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable cantilever described in [8] above, the frequency of the torsion and the deflection is locked to an integer ratio using the frequency variable cantilever, and the cantilever of the cantilever is Changing the phase relationship between deflection and torsion, changing the rotational direction of movement along the Lissajous figure at the tip of the probe, and transferring and positioning the substance in contact with the tip of the probe in both directions in one degree of freedom. It is characterized by.
〔10〕上記〔8〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、高次のモードも含めて変化させて、前記探針先端のリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させ、前記探針先端に接触する物質を2自由度両方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする。 [10] In the method of measuring an object to be measured by the natural vibration variable cantilever described in [8] above, the frequency of torsion and deflection is locked to an integer ratio using a frequency variable cantilever, and the cantilever of the cantilever is Changing the phase relationship between bending and twisting, including higher order modes, changing the rotational direction of movement along the Lissajous figure at the tip of the probe, and moving the material in contact with the tip of the probe in two directions with two degrees of freedom It is characterized in that it is transferred and positioned.
〔11〕上記〔8〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、前記変調光の2周波数成分を電気的に変化させて得ることを特徴とする。 [11] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable cantilever described in [8] above, the frequency of torsion and deflection is locked to an integer ratio using a frequency variable cantilever, and the cantilever of the cantilever is The phase relationship between bending and twisting is obtained by electrically changing two frequency components of the modulated light.
〔12〕上記〔8〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、前記カンチレバーの撓みと捩れの位相関係を、前記変調光の2周波数成分を電気的に変化させ、前記探針先端に接触する物質を複数の方向への移送および位置決めを行うことを特徴とする。 [12] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [8] above, the frequency of the torsion and the deflection is locked to an integer ratio using the frequency variable type cantilever, and the cantilever of the cantilever is The phase relationship between bending and twisting is characterized in that the two frequency components of the modulated light are electrically changed to transfer and position the substance in contact with the probe tip in a plurality of directions.
〔13〕上記〔1〕又は〔2〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、前記外部エネルギーが熱量であることを特徴とする。 [13] In the method for measuring an object to be measured with the variable natural vibration cantilever according to [1] or [2], the external energy is a heat quantity.
〔14〕上記〔1〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが物質捕捉によって周波数変化をなくすようにすることを特徴とする。 [14] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] above, the cantilever oscillating in the vicinity of the resonance point by an external oscillator is made to eliminate frequency change due to substance capture. Features.
〔15〕上記〔1〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いてカンチレバーの物質捕捉を計測することを特徴とする。 [15] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] above, the material capture of the cantilever is measured using a control amount for applying a heat amount for controlling the frequency change to zero. It is characterized by that.
〔16〕上記〔1〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが、そのおかれた場の力の勾配によって周波数変化をなくすようにすることを特徴とする。 [16] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] above, the cantilever oscillating in the vicinity of the resonance point by an external oscillator has a frequency depending on the gradient of the force of the placed field. It is characterized by eliminating changes.
〔17〕上記〔1〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いて固体測定対象物とカンチレバーに固定した探針との平均距離を制御し、固体試料表面の力の場を原子レベルでマッピングすることを特徴とする。 [17] In the method of measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] above, the solid measurement object and the cantilever are used by using a control amount for applying heat for controlling the frequency change to zero. The average distance from the fixed probe is controlled, and the force field on the surface of the solid sample is mapped at the atomic level.
〔18〕上記〔1〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法において、櫛形カンチレバーアレーを配置し、各カンチレバーの共振周波数を設定し、それにより各カンチレバーの振動計測を異なる周波数で行うことを特徴とする。 [18] In the method for measuring an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [1] above, a comb-shaped cantilever array is arranged, a resonance frequency of each cantilever is set, and thereby vibration measurement of each cantilever is performed at different frequencies. It is characterized by being performed by.
〔19〕固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部からのエネルギーの付加によりカンチレバーの固有振動数を所定幅に制御する制御手段と、このカンチレバーの固有振動数の制御によって、測定対象物の特性を計測する手段とを備えることを特徴とする。 [19] In a measuring device for a measurement object using a natural vibration variable type cantilever, by control of the natural frequency of the cantilever by control means for controlling the natural frequency of the cantilever to a predetermined width by adding external energy, And a means for measuring a characteristic of the measurement object.
〔20〕上記〔19〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーの固有振動数の制御手段がこのカンチレバーへの光照射装置であることを特徴とする。 [20] The measuring device for a measuring object using the variable natural vibration cantilever according to [19] above, wherein the control means for the natural frequency of the cantilever is a light irradiation device for the cantilever.
〔21〕上記〔19〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーがナノカンチレバーであり、前記測定対象物が微小物質であり、その計測を行うことを特徴とする。 [21] In the measuring device for a measurement object using the natural vibration variable type cantilever according to [19], the cantilever is a nano-cantilever, the measurement object is a minute substance, and the measurement is performed. To do.
〔22〕上記〔20〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記光照射装置は、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光(DC成分)を重畳させる光励振用のレーザダイオードを備えることを特徴とする。 [22] In the measuring device for a measurement object using the variable natural vibration cantilever according to [20], the light irradiation device is an optical system that performs vibration measurement using a heterodyne laser Doppler meter having a light excitation function. In addition, a laser diode for optical excitation that superimposes constant light (DC component) is provided.
〔23〕上記〔20〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記光照射装置は、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計を用いて振動計測を行う光学系とは別に、一定光(DC成分)および変調光(AC成分)を重畳させる光励振用のレーザダイオードを備えることを特徴とする。 [23] In the measuring device for a measurement object using the variable natural vibration cantilever according to [20], the light irradiation device is an optical system that performs vibration measurement using a heterodyne laser Doppler meter having a light excitation function. In addition, a laser diode for optical excitation that superimposes constant light (DC component) and modulated light (AC component) is provided.
〔24〕上記〔21〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記カンチレバーの固有振動数の制御手段がこのカンチレバーへの加熱装置であることを特徴とする。 [24] In the measuring device for a measuring object using the variable natural vibration cantilever according to [21], the control means for the natural frequency of the cantilever is a heating device for the cantilever.
〔25〕上記〔24〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記加熱装置は、前記カンチレバーのベースに配置された加熱用抵抗線であることを特徴とする。 [25] In the measuring device for a measurement object using the natural vibration variable type cantilever described in [24] above, the heating device is a heating resistance wire disposed on a base of the cantilever.
〔26〕上記〔25〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、前記加熱用抵抗線は、前記カンチレバーのベース中の前記カンチレバーの基部の近傍に配置することを特徴とする。 [26] In the measuring device for an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [25], the heating resistance wire is disposed in the vicinity of the base of the cantilever in the base of the cantilever. To do.
〔27〕上記〔19〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが物質捕捉によって周波数変化をなくすように構成することを特徴とする。 [27] In the measuring device for a measurement object using the natural vibration variable type cantilever described in [19] above, the cantilever vibrating in the vicinity of the resonance point by the external oscillator is configured to eliminate the frequency change by capturing the substance. It is characterized by.
〔28〕上記〔19〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いてカンチレバーの物質捕捉を計測するように構成することを特徴とする。 [28] In the measuring device for a measuring object using the variable natural vibration cantilever according to [19], the material capture of the cantilever is measured using a control amount for applying a heat amount for controlling the frequency change to zero. It is characterized by comprising as follows.
〔29〕上記〔19〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、外部発振器によってその共振点近傍で振動しているカンチレバーが、そのおかれた場の力の勾配によって周波数変化をなくすように構成することを特徴とする。 [29] In the measuring device for an object to be measured by the natural vibration variable type cantilever described in [19] above, the cantilever oscillating in the vicinity of the resonance point by an external oscillator has a frequency depending on the gradient of the force of the placed field. It is characterized by comprising so that a change may be eliminated.
〔30〕上記〔19〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、周波数変化をゼロに制御するための熱量印加のための制御量を用いて固体測定対象物とカンチレバーに固定した探針との平均距離を制御し、固体試料表面の力の場を原子レベルでマッピングするように構成することを特徴とする。 [30] In the measuring device for a measurement object using the natural vibration variable type cantilever described in [19] above, the solid measurement object and the cantilever are used by using a control amount for applying a heat amount for controlling the frequency change to zero. The average distance from the fixed probe is controlled, and the force field on the surface of the solid sample is mapped at the atomic level.
〔31〕上記〔19〕記載の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置において、櫛形カンチレバーアレーを配置し、各カンチレバーの共振周波数を設定し、それにより各カンチレバーの振動計測を異なる周波数で行うように構成することを特徴とする。 [31] In the measuring device of a measurement object using the natural vibration variable type cantilever described in [19] above, a comb-shaped cantilever array is arranged, and a resonance frequency of each cantilever is set, whereby vibration measurement of each cantilever is performed at different frequencies. It is comprised so that it may be performed by.
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
(1)カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変にして高精度の計測を行うことができる。
(2)振動型微小アクチュエータとして用いることにより、周波数可変型のカンチレバーを用いて捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、捩れと撓みの位相を変化させることにより、探針の軌跡を変化させ、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。
(3)カンチレバーの固有振動数を所定幅で可変することができることを利用して、カンチレバーへの質量の付加や、カンチレバーのおかれた場の変化による周波数変化を打ち消す制御量を用いて質量変化や場を精密に計測することができる。
According to the present invention, the following effects can be achieved.
(1) The natural frequency of the cantilever can be varied within a predetermined range, and highly accurate measurement can be performed.
(2) By using it as a vibration type micro actuator, the frequency of the torsion and deflection is locked to an integer ratio using a variable frequency cantilever, and the locus of the probe is changed by changing the phase of torsion and deflection. Can be changed to transfer and position the substance in contact with the probe tip.
(3) Utilizing the fact that the natural frequency of the cantilever can be varied within a predetermined range, mass change using a control amount that cancels frequency change due to mass addition to the cantilever and changes in the field where the cantilever is placed It is possible to measure the field precisely.
すなわち、固定長カンチレバーにおいて、一定の光をその根本近傍に照射すると、材料の軟化や若干の熱膨張による寸法増大によって固有振動数が低くなる現象を見いだし、変調光と一定光を同時に照射し、一定光の光量を変化させることにより、カンチレバーの固有振動数を制御対象とし、共振の生じる周波数をある範囲で制御することが可能となる。この方法は、光に限らず、通電によるジュール熱、渦流電損など、様々な加熱方法で同様に実現可能である。 That is, in a fixed-length cantilever, when a constant light is irradiated to the vicinity of the root, a phenomenon that the natural frequency is lowered due to a softening of the material or a dimensional increase due to a slight thermal expansion is found, and the modulated light and the constant light are simultaneously irradiated. By changing the amount of constant light, the natural frequency of the cantilever can be controlled, and the frequency at which resonance occurs can be controlled within a certain range. This method is not limited to light, and can be similarly realized by various heating methods such as Joule heat by energization and eddy current loss.
光や電流によりカンチレバーの固有振動数が選択可能になると、様々な機能を実現することが可能になる。 When the natural frequency of the cantilever can be selected by light or current, various functions can be realized.
従来、カンチレバーの固有振動数がその機械的寸法によって一意に決まっていたのを、本発明の計測装置により、ある幅をもってほぼリアルタイムで可変にすることができる。また、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。 Conventionally, the natural frequency of a cantilever is uniquely determined by its mechanical dimensions, but can be made substantially variable in real time with a certain width by the measuring device of the present invention. Further, it is possible to transfer and position the substance that contacts the tip of the probe.
カンチレバーに光量や熱量が一定、もしくは変調された光を照射することによって自由にその固有振動数を所定幅で可変とする。それにより、アクチュエータの特性を変化させたり、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。 By irradiating the cantilever with light whose amount of light or heat is constant or modulated, its natural frequency is freely variable within a predetermined range. Thereby, the characteristics of the actuator can be changed, and the substance contacting the tip of the probe can be transferred and positioned.
つまり、カンチレバーに光学的に光を照射し、固有振動数を変化させる。 That is, the cantilever is optically irradiated with light to change the natural frequency.
また、カンチレバーに加熱用の配線を施し、通電加熱により固有振動数を変化させる。 Further, the cantilever is provided with heating wiring, and the natural frequency is changed by energization heating.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図1は本発明の実施例を示す固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図であり、ここでは、ヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有する測定装置について説明する。 FIG. 1 is a configuration diagram of a measuring apparatus for measuring an object using a variable oscillation nanocantilever according to an embodiment of the present invention. Here, a measuring apparatus having a light excitation function using a heterodyne laser Doppler meter will be described.
この図に示されるように、この測定装置は、光学的励起部1、信号処理部10、レーザドップラー干渉部20、AFM(原子間力顕微鏡)試料ステージ50、ネットワークアナライザー60からなる。
As shown in this figure, the measurement apparatus includes an
光学的励起部1は、レーザダイオード(LD)ドライバー2、そのLDドライバー2によって駆動されるレーザダイオード(LD)3、ミラー4からなる。
The
また、信号処理部10は、第1スイッチ(sw1)11、第2スイッチ(sw2)12、ディジタイザー13、位相シフター14、フィルター15、増幅器16からなる。
The
レーザドップラー干渉部20は、He−Neレーザ21、第1のPBS(ポラライジングビームスプリッタ)22、第2のPBS23、合波器24、レンズ25、偏波面保存ファイバ26、センサヘッド(レーザ出射部)27(レンズ27A−λ/4波長板27B−レンズ組み立て体27C)、ナノカンチレバー28、〔探針(プローブ)28A、ナノカンチレバー28のベース28B〕、ミラー29、AOM(音響光変調器)30、λ/2波長板31、第3のPBS32、偏光子33、フォトダイオード34、BPF(バンドパスフィルタ)35、アンプ36,38,43、ディジタイザー37,39、遅延ライン40、DBM(Double Balanced Mixer;ダブルバランスドミキサ)41、LPF(ローパスフィルタ)42からなる。
The laser
さらに、AFM試料ステージ50は、LO(ローカルオシレータ)に接続されるDBM51、コントローラ52、試料としての微小物質53、その試料53のピエゾ素子54からなる。
Further, the
ネットワークアナライザー60は、信号入力端子61、評価出力端子62を有している。
The
そこで、例えば、780nmの波長を有するレーザダイオード(LD)3の出力光を、632nmの波長を有するHe−Ne(ヘリウム−ネオン)レーザ21のレーザドップラー干渉部20での計測光に重畳させ、それを4μmコアの偏波面保存ファイバ26に導入し、レーザ出射部27、ナノカンチレバー28を経て試料としての微小物質53に照射する。ただし、波長は、上記に限定されない。
Therefore, for example, the output light of the laser diode (LD) 3 having a wavelength of 780 nm is superimposed on the measurement light in the laser
この実施例では、特に、図1に示すように、LDドライバー2が一定値の信号(DC信号)を発生し、LD3がその値で定まる光量で発光すると、その光が対象物であるナノカンチレバー28に照射されて、ナノカンチレバー28の所定の固有振動数が変化を生じる。
In this embodiment, in particular, as shown in FIG. 1, when the
また、LDドライバ2が正弦波状に変化する信号(AC信号)を発生し、LD3がその値で定まる光量の変化する光を発光すると、それに応じて対象物であるカンチレバー28に照射されて、カンチレバー28の周波数変化を生じる。
Further, when the
さらに、増幅器16の増幅率を変化させると、ナノカンチレバー28の自励振幅が変化するとともに、対象物であるナノカンチレバー28に作用するエネルギーも変化するために、ナノカンチレバー28の周波数が変化する。
Furthermore, when the amplification factor of the
このように、AC信号成分およびDC信号成分によるナノカンチレバー28の周波数の制御が行われ、探針先端に接触する物質の移送および位置決めを行うことができる。
In this way, the frequency of the nano-
また、かかる計測装置を用いて以下のような計測方法が可能である。 Moreover, the following measuring methods are possible using this measuring apparatus.
(1)レーザドップラー干渉部20の出力信号を移相、増幅、場合によってはフィルタリングや2値化し、その信号を用いて780nmの波長を有するレーザダイオード3の変調を行う。これにより、ナノカンチレバー28の試料としての微小物質53の固有振動数において自励を生じさせることが可能となる。つまり、フィルター特性を選択することにより、特定の振動モードを励振することが可能となり、ナノメートルオーダーからミクロンオーダーの試料としての物質の自励を実現することが可能となる。
(1) The output signal of the laser
また、走査型プローブ顕微鏡の力検出素子であるナノカンチレバー28に光を照射することにより、ナノカンチレバー28の自励を生じさせ、自励周波数の変化からナノカンチレバー28先端に配置した探針28Aと試料としての微小物質53の相互作用や質量変化を検出することが可能となる。
Further, by irradiating the nano-
これに加えて、780nmの波長を有するレーザダイオード(LD)3の出力光を変調することにより、ナノカンチレバー28の固有振動数を所定幅で可変とし、試料の特性をナノカンチレバー28の固有振動数に対応させて測定できる。レーザダイオード(LD)3の出力光の変調方法としては、レーザダイオード(LD)3への通電電流の調整による直接変調、光学系における機械的(ミラー、プリズムなど)変調、熱的(屈折率変化など)変調がある。
In addition, by modulating the output light of the laser diode (LD) 3 having a wavelength of 780 nm, the natural frequency of the nano-
(2)ネットワークアナライザー60で周波数を掃引した信号を発生させ、その信号を用いて780nmの波長を有するレーザダイオード3の出力光の変調を行う。
(2) A signal whose frequency is swept by the
レーザドップラー干渉部20の出力信号をネットワークアナライザー60の信号入力端子61に接続する。これにより、試料としての微小物質53の周波数特性を、ネットワークアナライザー60と、光励振機能を有するレーザドップラー干渉部20を用いて計測することが可能となる。
The output signal of the laser
また、レーザドップラー干渉部20のHe−Neレーザ(光計測プローブ光)21にナノカンチレバー28の振動を励振するためのレーザダイオード3で発生した光を重畳させる。その際、励振のための光は、レーザドップラー干渉部20の速度信号出力に移相、2値化、増幅等の処理を行い、その信号を用いてレーザダイオード3等の光源の変調を行ったものか、発信器によって指定された周波数、もしくは掃引された周波数で変調したものを用いる。
Further, the light generated by the
特に、この実施例では、振動計測のための光学系とは別に、光励振用のレーザダイオード3を有する。
In particular, in this embodiment, a
ここでは、例としてヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有するものに、周波数を可変とするものを示す。光励振用レーザにDCオフセットを持たせることにより周波数を変化させることが可能である。 Here, as an example, a heterodyne laser Doppler meter having an optical excitation function and a variable frequency is shown. It is possible to change the frequency by giving the optical excitation laser a DC offset.
すなわち、この実施例では、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー計で、振動計測のための光学系とは別に、光励振用のレーザダイオードを有する。このレーザダイオードは通常輝度変調して光励振に用いられるが、一定光(DC成分)を重畳させると、その輝度により固有振動数を変化させることが可能である。 That is, in this embodiment, a heterodyne laser Doppler meter having an optical excitation function has a laser diode for optical excitation separately from an optical system for vibration measurement. This laser diode is normally used for light excitation after luminance modulation, but when constant light (DC component) is superimposed, the natural frequency can be changed by the luminance.
その結果の一例を図2に示す。 An example of the result is shown in FIG.
図2はカンチレバーへの光線の照射による光学的パワー(mW)に対する共振周波数(Hz)特性図であり、図2(a)はカンチレバーの撓みの共振周波数(Hz)を、図2(b)はカンチレバーの捩れの共振周波数(Hz)を示している。 FIG. 2 is a characteristic diagram of resonance frequency (Hz) with respect to optical power (mW) by irradiation of a light beam to the cantilever. FIG. 2A shows the resonance frequency (Hz) of bending of the cantilever, and FIG. The resonance frequency (Hz) of torsion of the cantilever is shown.
この図2では、ピエゾ素子でカンチレバーを振動させて、ヘテロダインレーザドップラー計で振動計測を行っているところにレーザダイオード(LD)3の光を照射するようにしている。 In FIG. 2, the cantilever is vibrated by a piezo element, and the vibration of the heterodyne laser Doppler meter is measured and the light from the laser diode (LD) 3 is irradiated.
図2に示すように、レーザダイオード(LD)3の光学的パワー(mW)を変化させると、共鳴周波数を変化させることができる。 As shown in FIG. 2, when the optical power (mW) of the laser diode (LD) 3 is changed, the resonance frequency can be changed.
したがって、試料としての物質を計測するナノカンチレバー28の共鳴周波数を変化させることにより、その物質の物理的特性を高精度に測定することができる。
Therefore, by changing the resonance frequency of the nano-
上記したようにここまでナノカンチレバーへの光線の照射によりナノカンチレバーの固有振動数を変化させる場合について述べたが、構成を簡便にするために、カンチレバーへの加熱により、カンチレバーの固有振動数を変化させるようにしてもよい。 As described above, the case where the natural frequency of the nanocantilever is changed by irradiating the nanocantilever with light has been described so far. In order to simplify the configuration, the natural frequency of the cantilever is changed by heating the cantilever. You may make it make it.
シリコン透過量が大きく、効率の悪い780nmの光を用いても1.6mWで200Hz程度の周波数可変範囲を確保している。405nmの光では、その3倍強の効率が確認できており、2mW程度のレーザ光で1kHz、現在容易に入手可能な405nm、30mWのレーザで10kHzオーダの周波数ロック可能範囲が確保できる。 Even if 780 nm light having a large silicon transmission amount and poor efficiency is used, a frequency variable range of about 200 Hz is secured at 1.6 mW. In the case of 405 nm light, it is possible to confirm a frequency lockable range of about 1 kHz with a laser beam of about 2 mW and a frequency lockable range of about 10 kHz with a 405 nm and 30 mW laser that are readily available.
図3は本発明の複数のナノカンチレバーへ捩れと撓みを与える励起光の説明図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram of excitation light that imparts torsion and deflection to a plurality of nanocantilevers of the present invention.
この図において、71はナノカンチレバーの共通基部、72はナノカンチレバー、73は探針、74は試料台、75はナノカンチレバー72への捩れと撓みを生成させる励起光(AC信号成分を有する励起光)、76は捩れと撓みの周波数を整数比となるようにロックし、かつ位相差を変化させる励起光(DC信号成分を有する励起光)であり、励起光75に重畳される。
In this figure,
図4は本発明のナノカンチレバーへ捩れと撓みを与えるためにナノカンチレバーの中心線から偏奇した位置に光を照射して励振させる例を示す平面図、図5はその励振結果を示す図である。 FIG. 4 is a plan view showing an example in which light is irradiated to a position deviated from the center line of the nano cantilever in order to give twist and deflection to the nano cantilever of the present invention, and FIG. 5 is a diagram showing the excitation result. .
図4において、81はナノカンチレバー、82はそのナノカンチレバー81の中心線、83は照射光位置、84は検出位置である。
In FIG. 4, 81 is a nano-cantilever, 82 is a center line of the nano-
そこで、照射光位置83に周波数303.1kHzの成分を有する照射光を照射して、ナノカンチレバー81を励振させたところ、検出位置84では、ピーク86に見られるように、周波数303.1kHzの撓み1次振動モードが生成された。また、照射光位置83に周波数1.914MHzの成分を有する照射光を照射して、ナノカンチレバー81を励振させたところ、検出位置84では、ピーク88に見られるように、周波数1.914MHzの捩れ1次振動モードが生成された。その他の固有な振動数の光を照射光位置83に照射すると、ピーク87,89に見られるように、捩れや撓みの高次モード(撓み2次振動モード及び捩れ2次振動モード)がカンチレバー81に生成された。
Therefore, when the
なお、ナノカンチレバーの捩れと撓みの状態を、図6および図7に示す。 The state of twisting and bending of the nanocantilever is shown in FIGS.
図6において、91はナノカンチレバー、92はそのナノカンチレバー91の先端に配置される探針であり、撓みAの方向をz軸、捩れBの方向をx軸とすると、探針92の先端は、xz面内におけるリサージュ図形に沿った運動93,94として示され、双方向性を有する。なお、図6においては、捩れと撓みの周波数が一致する場合を示している。
In FIG. 6, 91 is a nano-cantilever, and 92 is a probe disposed at the tip of the nano-
また、図7において、95はナノカンチレバー、96はそのナノカンチレバー95の先端に配置される探針であり、撓み1次Cの方向をz軸、撓み高次Dの方向をy軸とすると、探針96の先端は、yz面内におけるリサージュ図形に沿った運動97として示される。なお、図7においては、捩れと撓みの周波数が一致する場合を示している。
In FIG. 7, 95 is a nano-cantilever, and 96 is a probe disposed at the tip of the nano-
このように、1個(ないし多数)のナノカンチレバーの光励振を行わせる際、ナノカンチレバーに照射する励振光を、ナノカンチレバーの長手方向の中心軸を避けた位置、たとえば、ナノカンチレバーの長手方向の1辺に位置決めし、ナノカンチレバーの撓み、および捩れに相当する周波数成分で光を変調させると、図6に示すように、ナノカンチレバー91先端に配置した探針92の先端はxz面内でリサージュ図形に沿った運動93,94を行う。その際、変調光による光励振の2周波数成分の位相関係を電気的に変化させ、それにより変調光の2周波数成分の位相関係を変化させると、ナノカンチレバー91の撓みと捩れの位相関係が変化し、結果的に、リサージュ図形に沿った運動93,94がy軸から見て時計方向や反時計方向になる状態をつくることが可能である。それにより、探針92の先端に接触する物体をx軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。
In this way, when performing optical excitation of one (or many) nanocantilevers, the excitation light applied to the nanocantilevers is positioned away from the central axis in the longitudinal direction of the nanocantilevers, for example, the longitudinal direction of the nanocantilevers As shown in FIG. 6, the tip of the
また、図7に示すように、1個(ないし多数)のカンチレバー95の光励振において、カンチレバーの捩れや撓みの高次モードを励起することが可能である。 Further, as shown in FIG. 7, in the optical excitation of one (or many) cantilevers 95, it is possible to excite higher-order modes of torsion and deflection of the cantilevers.
特に、撓みの高次モードを発生させると、探針96の先端はyz面内のリサージュ図形に沿った運動97となり、探針96の先端に接触する物体のy方向への移送および位置決めが可能である。この場合も、撓みと捩れの位相関係を電気的ないし、光による固有振動数の変化により変化させ、探針96の先端に接触する物体をy軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。
In particular, when a higher-order mode of bending is generated, the tip of the
撓みおよび捩れの1次モードおよび高次モードを同時、ないしそれぞれ独立に用いることにより、探針先端に接触する物体をxおよびy軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。この場合も、電気的にリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させる方法と、光ないし熱(後述)により固有振動数を変化させ、結果的にリサージュ図形に沿った運動の回転方向を変化させることが可能である。 By using the first and higher modes of bending and twisting simultaneously or independently, it is possible to move and position an object contacting the probe tip in the positive and negative directions in the x and y axes. is there. In this case as well, a method of electrically changing the rotational direction of the motion along the Lissajous figure and a natural frequency is changed by light or heat (described later), resulting in a change of the rotational direction of the motion along the Lissajous figure. It is possible to make it.
以上のように、光による固有振動数を変化させる方法を用いると、試料との共鳴現象を用いた計測のためにカンチレバーの固有振動数を可変とし、計測の感度を向上させることが可能である。また、カンチレバーの周波数が可変であるという点を生かし、捩れや撓みのモードの周波数比を制御によりロックし、相互の位相関係を変化させ、それにより探針先端の運動が制御可能であるという特徴を生かし、探針先端のリサージュ図形に沿った運動の方向を変化させ、探針先端の接触している物体をx軸ならびにy軸方向の正および負の方向に移送および位置決めすることが可能である。 As described above, if the method of changing the natural frequency by light is used, it is possible to make the natural frequency of the cantilever variable for measurement using the resonance phenomenon with the sample and improve the sensitivity of measurement. . In addition, taking advantage of the fact that the frequency of the cantilever is variable, the frequency ratio of the torsional and bending modes is locked by control, and the mutual phase relationship is changed, whereby the movement of the tip of the probe can be controlled. It is possible to move and position the object in contact with the probe tip in the positive and negative directions in the x-axis and y-axis direction by changing the direction of movement along the Lissajous figure at the tip of the probe. is there.
図8は本発明のナノカンチレバーへ捩れを与えるためにナノカンチレバーの幅方向の中心線より片側に、カンチレバー材料とは異なる、照射光による熱量の吸収率の高い被膜を設けたナノカンチレバーの模式図である。 FIG. 8 is a schematic diagram of a nano-cantilever in which a coating film having a high heat absorption rate by irradiation light different from the cantilever material is provided on one side of the center line in the width direction of the nano-cantilever to twist the nano-cantilever of the present invention. It is.
この図において、98はナノカンチレバー、99はそのナノカンチレバー98の片側に設けられた、ナノカンチレバー材料とは異なる、照射光による熱量の吸収率の高い被膜である。例えば、ナノカンチレバー材料がシリコンである場合に、Au、Alなどの被膜99を設けるようにしている。
In this figure,
このようにすることにより、ナノカンチレバー98の全体に照射光が照射されると、被膜99での熱吸収率が被膜99がない部分に比べて高くなり、ナノカンチレバー98に撓みと捩れを意図した位相で生成させることが可能である。
In this way, when the
図9は本発明の実施例を示す通電によって発生する熱を用いた固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図であり、図9(a)はその上面図、図9(b)はその側面図である。 FIG. 9 is a configuration diagram of a measuring object measuring apparatus using a natural vibration variable nano-cantilever using heat generated by energization according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9A is a top view thereof, FIG. (B) is the side view.
これらの図において、101はナノカンチレバー、102はナノカンチレバー101のベース、104はそのナノカンチレバーのベース102内に配置される加熱線(抵抗線)103を有する配線、105,106はその配線104の電極である。
In these figures, 101 is a nano-cantilever, 102 is a base of the nano-
このように、カンチレバーのベース102の、カンチレバーの基部101Aの近傍に通電加熱のための抵抗線103を配置するようにしたので、通電加熱によりカンチレバー101の固有振動数を変化させることができる。
As described above, since the
次に、カンチレバーを電圧制御振動子(VCXO)として用いる例について説明する。 Next, an example in which a cantilever is used as a voltage controlled oscillator (VCXO) will be described.
カンチレバーを用いて質量検出を行う場合、通常は質量付加にともなう周波数変化を計測していた。しかし、狭帯域かつ高分解能の計測を行う場合、電気的に鋭く狭いフィルター特性の回路を用いるため、周波数変化が生じると、回路の信号通過帯域を外れることによる信号レベルの激減が見られ、計測が困難になるという問題点があった。この問題点に対し、カンチレバーに熱量を印加することによりその周波数を制御する方法で、カンチレバーの固有振動数の制御を行うと、周波数が変化しないようにカンチレバーの振動周波数を制御しつつ、質量付加を高分解能で検出することが可能となる。以下、詳述する。 When mass detection is performed using a cantilever, a change in frequency with mass addition is usually measured. However, when measuring with a narrow band and high resolution, a circuit with an electrically sharp and narrow filter characteristic is used. Therefore, when the frequency changes, the signal level is drastically reduced due to deviation from the signal pass band of the circuit. There was a problem that it became difficult. In response to this problem, when the natural frequency of the cantilever is controlled by applying heat to the cantilever, the mass can be added while controlling the vibration frequency of the cantilever so that the frequency does not change. Can be detected with high resolution. Details will be described below.
図10は本発明の実施例を示す固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置の構成図であり、ここでは、ヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有する測定装置について説明する。 FIG. 10 is a configuration diagram of a measuring device for a measuring object using a variable natural vibration cantilever according to an embodiment of the present invention. Here, a measuring device having a light excitation function using a heterodyne laser Doppler meter will be described.
この図に示されるように、この計測装置は、201はカンチレバー、202はそのカンチレバー201のベース、203はHe−Neレーザ、204,206はミラー、205,208,210はPBS、207はAOM(音響光変調器)、209,211はλ/4波長板、212,229,230はレンズ、213はフォトダイオード、214はバンドパスフィルタ、215は遅延ライン、216,219はDBM、217,220はローパスフィルタ、218は移相回路、221はVCO(電圧制御発振器)、222は積分項ゲインをえるための積分回路、223はゲインP1(比例項ゲイン)を得るための比例回路、224は自励用AC信号1、自励用AC信号2の何れかを選択するための選択スイッチ、225はゲインP2(比例項ゲイン)を得るための比例回路、227は比例回路225からの出力信号と、積分回路222と比例回路223の並列回路からの出力信号である周波数一定保持用制御信号と、基準電圧発生器226からの基準信号とを加算する加算器、228はカンチレバー201の励振用AC光と、カンチレバー201を軟化させてそのカンチレバー201の周波数を低下させるためのDC光を照射するためのレーザダイオードである。 As shown in this figure, this measuring apparatus includes a cantilever 201, a base 202 of the cantilever 201, a He-Ne laser 203, mirrors 204 and 206, PBS 205, 208 and 210, and an AOM (207 Acousto-optic modulator), 209 and 211 are λ / 4 wavelength plates, 212, 229 and 230 are lenses, 213 are photodiodes, 214 are band pass filters, 215 are delay lines, 216 and 219 are DBMs, 217 and 220 are Low-pass filter, 218 is a phase shift circuit, 221 is a VCO (voltage controlled oscillator), 222 is an integration circuit for obtaining an integral term gain, 223 is a proportional circuit for obtaining a gain P1 (proportional term gain), and 224 is self-excited Selection switch 225 for selecting either the AC signal 1 for self-use or the AC signal 2 for self-excitation, and 225 a gain P2 (proportional term In), a proportional circuit 227, an output signal from the proportional circuit 225, a constant frequency holding control signal which is an output signal from a parallel circuit of the integrating circuit 222 and the proportional circuit 223, and a reference voltage generator 226 228 is a laser diode for irradiating the excitation AC light of the cantilever 201 and DC light for softening the cantilever 201 and lowering the frequency of the cantilever 201.
このように、カンチレバー201と、カンチレバー201の励振用AC光と、カンチレバー201を軟化させてそのカンチレバー201の周波数を低下させるためのDC光を照射するためのレーザダイオード228と、カンチレバー201の振動を計測するためのヘテロダインレーザドップラー計を備えている。ヘテロダインレーザドップラー計の出力であるカンチレバー201の速度信号は、フォトダイオード213で検出され、ローパスフィルタ217を介して得られ、移相回路218により自励用AC信号1が得られ、その自励用AC信号1をレーザダイオード228のドライブ信号に用いることにより、ある値より大きなゲインP2を用いることによってカンチレバー201の自励が発生する。
In this way, the
ヘテロダインレーザドップラー計の速度信号とVCO(電圧制御発振器)221をDBM219に入力し、その出力をローパスフィルタ220を介してVCO221に入力することにより、VCO221出力を自励用AC信号2として、ある値よりも大きなゲインP2を用いることによってカンチレバー201の自励を発生させることができる。なお、選択スイッチ224により、自励用AC信号1、自励用AC信号2の何れかが選択されて用いられる。VCO221の入力は、それまでの振動周波数との比較的短時間での差分の情報を含んでおり、カンチレバー201に付加する質量変化に対応する。この差分量を横軸に、その発生頻度を縦軸にプロットすると、カンチレバー201に付加する様々な質量の素質量の分布が計測可能になる。これはカンチレバーを用いた質量分析器である。
A speed signal of the heterodyne laser Doppler meter and a VCO (voltage controlled oscillator) 221 are input to the
この構成は、ゲインP2をある閾値よりも小さく保つことにより、いわゆる”Qコントロール法”に周波数変化ヌル法を適用したものとなる。 In this configuration, the frequency change null method is applied to the so-called “Q control method” by keeping the gain P2 smaller than a certain threshold value.
基準信号発生器226からの基準信号VO は、予め一定光量をカンチレバー201に照射するためのものであり、カンチレバー201の周波数が高く、もしくは低く変化したときに、その効果を打ち消すことが可能なように設定したオフセット光量である。
The reference signal V O from the
このように、一定の光量の光と強度変調された光をカンチレバーに照射し、質量付加による周波数低下が生じると、その変化を基準周波数との比較から電気的に検出し、その信号に基づいて、周波数が高まるように一定光量を弱め、カンチレバーの硬化を生じさせて一定の周波数を維持する。これは周波数変化をゼロに保つヌル制御であり、極めて鋭いフィルター特性とカンチレバーの共振特性を生かして高感度の変化を検出する方法となる。ここで、図10中の積分回路222と比例回路223の並列回路の前の信号は瞬時の質量変化量に対応し、積分回路222と比例回路223の並列回路の出力は質量変化の総和に相当する。そのため、質量変化の差分を横軸、その累積発生頻度を縦軸にヒストグラムとして取ると、カンチレバーに付加する質量の頻度がわかる。例えば、Aダルトンの粒子を100回付加し、Bダルトンの粒子を2000回付加した、というグラフが得られる。これにより、図10に示すカンチレバーを用いた質量分析器(マススペクトロメータ)が実現できる。
In this way, when a cantilever is irradiated with a certain amount of light and intensity-modulated light and a frequency drop due to mass addition occurs, the change is electrically detected from comparison with the reference frequency, and based on the signal The constant light quantity is weakened so that the frequency is increased, and the cantilever is hardened to maintain the constant frequency. This is a null control that keeps the frequency change to zero, and is a method for detecting a highly sensitive change by making use of extremely sharp filter characteristics and cantilever resonance characteristics. Here, the signal before the parallel circuit of the
図11は本発明の実施例を示すカンチレバーがアレー状に並んでいる場合のDC光に勾配を持たせて精度の高いカンチレバーごとの独立した計測態様を示す図であり、図11の上段にカンチレバーに対応した周波数と振幅とを示している。 FIG. 11 is a diagram showing an independent measurement mode for each high-precision cantilever by giving a gradient to DC light when the cantilevers according to the embodiment of the present invention are arranged in an array. The frequency and the amplitude corresponding to are shown.
図11において、301はカンチレバーのベース、302はそのベース301に配置されたアレー状に並んでいるカンチレバー、303はDC光を示しており、左側から右側へとDC光強度が弱くなるようにしている。
In FIG. 11, 301 is a base of a cantilever, 302 is a cantilever arranged in an array arranged on the
このようにカンチレバー302がアレー状に並んでいる場合、通常は、その周波数が近接していると振動の連成が生じ、カンチレバーごとの独立した計測が困難となるという問題がある。この問題に対し、強度に位置の勾配を持ったDC光303を照射することにより、強度の高いDC光303の照射されているカンチレバー302の周波数は低く、その逆の場合は高い、というように、周波数の勾配をカンチレバーアレーに持たせることが可能になる。これにより、連成の問題が無くなると共に、周波数ですみ分けた計測が可能となる。
When the
図12は本発明の実施例を示す周波数一定保持用信号を用いて試料台を上下に変位させ、AFM撮像を行う計測装置の構成図であり、ここでも、ヘテロダインレーザドップラー計で、光励振機能を有する測定装置について説明する。 FIG. 12 is a configuration diagram of a measuring apparatus that performs AFM imaging by displacing a sample stage up and down using a constant frequency holding signal according to an embodiment of the present invention. Here, too, a heterodyne laser Doppler meter has an optical excitation function. A measuring apparatus having the following will be described.
この図に示されるように、この計測装置は、401はカンチレバー、402はそのカンチレバーのベース、403はHe−Neレーザ、404,406はミラー、405,408,410はPBS、407はAOM(音響光変調器)、409,411はλ/4波長板、412,429,430はレンズ、413はフォトダイオード、414はバンドパスフィルタ、415は遅延ライン、416,419はDBM、417,420はローパスフィルタ、418は移相回路、421はVCO(電圧制御発振器)、422は積分項ゲインI1 を得るための積分回路、423はゲインP1(比例項ゲイン)を得るための比例回路、424は自励用AC信号1、自励用AC信号2の何れかを選択するための選択スイッチ、425はゲインP2(比例項ゲイン)を得るための比例回路、427は比例回路425からの出力信号と、積分回路422と比例回路423との並列回路からの出力信号である周波数一定保持用制御信号と、基準電圧発生器426からの基準信号とを加算する加算器、428はカンチレバー401の励振用AC光と、カンチレバー401を軟化させてそのカンチレバー401の周波数を低下させるためのDC光を照射するためのレーザダイオードであり、かかるカンチレバー401〜レンズ430の部分は、前記した図10におけるカンチレバー201〜レンズ230の部分と同じ構成と機能を有しているが、この実施例では、さらに、カンチレバー401は探針505を有しており、そのカンチレバー401のベース402は固定部502を備え、その固定部502は基台501に固定されている。この基台501上にピエゾ素子(試料台)503が配置され、そのピエゾ素子503に試料504がセットされるように構成されている。このピエゾ素子503には、比例積分制御回路222,223の出力信号である周波数一定保持用制御信号が、積分項ゲインI2 を得るための積分回路506と、ゲインP3(比例項ゲイン)を得るための比例回路507との並列回路を介した信号が印加されるように構成されている。つまり、AFMの撮像機能が付加され、周波数一定保持用制御信号を用いて、すなわち、ピエゾ素子503からなる試料台を上下させることができるように構成している。その結果、狭帯域、低ノイズで、周波数シフトなしに原子レベルの撮像が可能になり、超高真空雰囲気だけでなく、大気や液中の雰囲気での応用が可能になる。
As shown in this figure, this measuring apparatus has a
また、カンチレバーの捻れと撓み振動を同時に発生させると、カンチレバー先端に固定した探針の先端はある軌跡で振動する。ここで、捻れ振動と撓み振動の相対位相を変化させることができれば、探針が接触する物体を、カンチレバーの長手方向と直交する方向に、双方向で移動させることが可能となる。本発明のカンチレバーに熱を印加することによりその周波数を制御する方法は、この位相差を生じさせるために用いることが可能である。また、カンチレバーの撓みの複数のモードと、その位相関係を用いることにより、探針先端の接触する物体をカンチレバーの長手方向に、双方向に移動させることが可能となる。 Further, if the torsional and flexural vibrations of the cantilever are generated simultaneously, the tip of the probe fixed to the cantilever tip vibrates along a certain locus. Here, if the relative phase of the torsional vibration and the bending vibration can be changed, the object with which the probe contacts can be moved in both directions in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever. The method of controlling the frequency by applying heat to the cantilever of the present invention can be used to produce this phase difference. Further, by using a plurality of modes of bending of the cantilever and the phase relationship thereof, it is possible to move the object in contact with the tip of the probe bidirectionally in the longitudinal direction of the cantilever.
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.
本発明の固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測方法および装置は、高精度の物質の特性を計測する固有振動可変型のナノカンチレバーによる測定対象物の計測に好適である。 The method and apparatus for measuring a measurement object using a natural vibration variable type cantilever according to the present invention is suitable for measuring a measurement object using a natural vibration variable type nano cantilever that measures a characteristic of a highly accurate substance.
1 光学的励起部
2 レーザダイオード(LD)ドライバー
3,228,428 レーザダイオード(LD)
4,29,204,206,404,406 ミラー
10 信号処理部
11 第1スイッチ(sw1)
12 第2スイッチ(sw2)
13,37,39 ディジタイザー
14 位相シフター
15 フィルター
16 増幅器
20 レーザドップラー干渉部
21,203,403 He−Neレーザ
22 第1のPBS(ポラライジングビームスプリッタ)
23 第2のPBS
24 合波器
25,27A,212,229,230,412,429,430 レンズ
26 偏波面保存ファイバ
27 センサヘッド(レーザ出射部)
27B,209,211,409,411 λ/4波長板
27C レンズ組み立て体
28,72,81,91,95,98,101,201,401 ナノカンチレバー
28A,73,92,96 探針(プローブ)
28B,102,202,301,402 ナノカンチレバーのベース
30,207,407 AOM(音響光変調器)
31 λ/2波長板
32 第3のPBS
33 偏光子
34,213,413 フォトダイオード
35,214,414 BPF(バンドパスフィルタ)
36,38,43 アンプ
40,215,415 遅延ライン
41,51,216,219,416,419 DBM
42,217,220,417,420 LPF(ローパスフィルタ)
50 AFM(原子間力顕微鏡)試料ステージ
52 コントローラ
53 試料としての微小物質
54 ピエゾ素子
60 ネットワークアナライザー
61 信号入力端子
62 評価出力端子
71 ナノカンチレバーの共通基部
74 試料台
75 捩れと撓みを生成させる励起光
76 捩れと撓みの位相差を変化させる励起光
82 ナノカンチレバーの中心線
83 照射光位置
84 検出位置
86 撓み1次振動モード
87 撓み2次振動モード
88 捩れ1次振動モード
89 捩れ2次振動モード
93,94,97 リサージュ図形に沿った運動
99 被膜
101A ナノカンチレバーの基部
103 加熱線(抵抗線)
104 配線
105,106 電極
205,208,210,405,408,410 PBS
218,418 移相回路
221,421 VCO(電圧制御発振器)
222,422 積分項ゲインを得るための積分回路
223,423 ゲインP1(比例項ゲイン)を得るための比例回路
224,424 選択スイッチ
225,425 ゲインP2(比例項ゲイン)を得るための比例回路
226,426 基準電圧発生器
227,427 加算器
302 ベースに配置されたアレー状に並んでいるカンチレバー
303 DC光
505 カンチレバーの探針
501 基台
502 カンチレバーのベースの固定部
503 ピエゾ素子(試料台)
504 試料
506 積分項ゲインI2 を得るための積分回路
507 ゲインP3(比例項ゲイン)を得るための比例回路
DESCRIPTION OF
4, 29, 204, 206, 404, 406
12 Second switch (sw2)
13, 37, 39
23 Second PBS
24
27B, 209, 211, 409, 411 λ / 4
28B, 102, 202, 301, 402 Nanocantilever base 30,207,407 AOM (acoustic light modulator)
31 λ / 2
33
36, 38, 43
42, 217, 220, 417, 420 LPF (low pass filter)
50 AFM (Atomic Force Microscope)
104
218, 418
222, 422 Integration circuit for obtaining
Claims (31)
(b)該カンチレバーの固有振動数の制御によって、測定対象物の特性を計測する手段とを備えることを特徴とする固有振動可変型のカンチレバーによる測定対象物の計測装置。 (A) control means for controlling the natural frequency of the cantilever to a predetermined width by adding energy from the outside;
(B) An apparatus for measuring a measurement object using a variable natural vibration cantilever, comprising means for measuring the characteristic of the measurement object by controlling the natural frequency of the cantilever.
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Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008122091A (en) * | 2006-11-08 | 2008-05-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method for evaluating cantilever resonance characteristics |
JP2010508502A (en) * | 2006-10-31 | 2010-03-18 | インフィニティシマ エルティーディー | Probe assembly for scanning probe microscope |
JP2010210609A (en) * | 2009-02-10 | 2010-09-24 | Sii Nanotechnology Inc | Approach method for probe and sample in scanning probe microscope |
JP2013178287A (en) * | 2009-02-10 | 2013-09-09 | Hitachi High-Tech Science Corp | Method for proximity between probe and sample in scanning probe microscope |
EP2670703A1 (en) * | 2011-01-31 | 2013-12-11 | Infinitesima Limited | Adaptive mode scanning probe microscope |
JP2015505617A (en) * | 2012-01-31 | 2015-02-23 | インフィニテシマ リミテッド | Beam scanning system |
JP2015040767A (en) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 日本電信電話株式会社 | Photodetection vibrator, light wavelength measurement device, light wavelength measurement method, and method of manufacturing photodetection vibrator manufacturing method |
JP2017506754A (en) * | 2014-02-28 | 2017-03-09 | インフィニテシマ リミテッド | Probe actuation system with feedback controller |
JP2017521655A (en) * | 2014-06-26 | 2017-08-03 | カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー | Scanning probe microscope and method for inspecting surfaces with high aspect ratio |
KR20200066010A (en) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 이화여자대학교 산학협력단 | Nanomechanical detecting system and method |
JP2021001905A (en) * | 2012-08-31 | 2021-01-07 | インフィニテシマ リミテッド | Detection and operation of plurality of probes |
-
2005
- 2005-04-19 JP JP2005120492A patent/JP2005331509A/en not_active Withdrawn
Cited By (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8910311B2 (en) | 2006-10-31 | 2014-12-09 | Infinitesima Ltd. | Probe assembly for a scanning probe microscope |
JP2010508502A (en) * | 2006-10-31 | 2010-03-18 | インフィニティシマ エルティーディー | Probe assembly for scanning probe microscope |
KR101474576B1 (en) * | 2006-10-31 | 2014-12-18 | 인피니트시마 리미티드 | Probe assembly for a scanning probe microscope |
JP2008122091A (en) * | 2006-11-08 | 2008-05-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method for evaluating cantilever resonance characteristics |
JP2010210609A (en) * | 2009-02-10 | 2010-09-24 | Sii Nanotechnology Inc | Approach method for probe and sample in scanning probe microscope |
JP2013178287A (en) * | 2009-02-10 | 2013-09-09 | Hitachi High-Tech Science Corp | Method for proximity between probe and sample in scanning probe microscope |
KR101915333B1 (en) * | 2011-01-31 | 2018-11-05 | 인피니트시마 리미티드 | Adaptive mode scanning probe microscope |
JP2014504737A (en) * | 2011-01-31 | 2014-02-24 | インフィニテシマ リミテッド | Adaptive mode scanning probe microscope |
US9557347B2 (en) | 2011-01-31 | 2017-01-31 | Infinitesima Limited | Adaptive mode scanning probe microscope |
KR20140039165A (en) * | 2011-01-31 | 2014-04-01 | 인피니트시마 리미티드 | Adaptive mode scanning probe microscope |
EP2670703B1 (en) * | 2011-01-31 | 2021-06-16 | Infinitesima Limited | Adaptive mode scanning probe microscope |
EP2670703A1 (en) * | 2011-01-31 | 2013-12-11 | Infinitesima Limited | Adaptive mode scanning probe microscope |
JP2015505617A (en) * | 2012-01-31 | 2015-02-23 | インフィニテシマ リミテッド | Beam scanning system |
JP2015505616A (en) * | 2012-01-31 | 2015-02-23 | インフィニテシマ リミテッド | Probe actuation |
JP2021001905A (en) * | 2012-08-31 | 2021-01-07 | インフィニテシマ リミテッド | Detection and operation of plurality of probes |
JP2015040767A (en) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 日本電信電話株式会社 | Photodetection vibrator, light wavelength measurement device, light wavelength measurement method, and method of manufacturing photodetection vibrator manufacturing method |
JP2017506754A (en) * | 2014-02-28 | 2017-03-09 | インフィニテシマ リミテッド | Probe actuation system with feedback controller |
US10119990B2 (en) | 2014-06-26 | 2018-11-06 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Scanning probe microscope and method for examining a surface with a high aspect ratio |
JP2017521655A (en) * | 2014-06-26 | 2017-08-03 | カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー | Scanning probe microscope and method for inspecting surfaces with high aspect ratio |
KR20200066010A (en) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 이화여자대학교 산학협력단 | Nanomechanical detecting system and method |
KR102126081B1 (en) * | 2018-11-30 | 2020-06-23 | 이화여자대학교 산학협력단 | Nanomechanical detecting system and method |
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