JP3087202B2 - 振幅検出方法 - Google Patents
振幅検出方法Info
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- JP3087202B2 JP3087202B2 JP05067131A JP6713193A JP3087202B2 JP 3087202 B2 JP3087202 B2 JP 3087202B2 JP 05067131 A JP05067131 A JP 05067131A JP 6713193 A JP6713193 A JP 6713193A JP 3087202 B2 JP3087202 B2 JP 3087202B2
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Description
【０００１】
【産業利用分野】本発明はＳＴＭ（走査型トンネル顕微
鏡）、ＡＦＭ（走査型原子間力顕微鏡）等の原理を利用
した走査型プローブ顕微鏡の計測制御部に利用される。
鏡）、ＡＦＭ（走査型原子間力顕微鏡）等の原理を利用
した走査型プローブ顕微鏡の計測制御部に利用される。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡に属するノンコン
タクトＡＦＭ、ＭＦＭ（走査型磁化力顕微鏡）における
計測制御部の構成として、探針を加振し、検出部より該
加振周波数に依存する信号を検出し、該検出信号の振幅
変化分を探針制御系の入力信号とする方法を利用してい
る。このような振幅変調方法に於いて、該検出信号の振
幅変化分をアナログ的手段により算出する為に、該加振
周波数に依存する信号を平均値もしくは実効値検波後低
域通過フィルタにより平坦化している。これは、一般に
良く利用されているＡＭ（振幅変調）信号の復調方法で
ある。
タクトＡＦＭ、ＭＦＭ（走査型磁化力顕微鏡）における
計測制御部の構成として、探針を加振し、検出部より該
加振周波数に依存する信号を検出し、該検出信号の振幅
変化分を探針制御系の入力信号とする方法を利用してい
る。このような振幅変調方法に於いて、該検出信号の振
幅変化分をアナログ的手段により算出する為に、該加振
周波数に依存する信号を平均値もしくは実効値検波後低
域通過フィルタにより平坦化している。これは、一般に
良く利用されているＡＭ（振幅変調）信号の復調方法で
ある。
【０００３】図２は従来技術のノンコンタクトＡＦＭ計
測制御系ブロック図である。カンチレバー１０１は、発
振器１０２及び励振用圧電素子１０３により励振させら
れ、レーザ発光部１２０からのレーザ光１０４及び位置
検出器１０５により構成されるカンチレバー１０１の変
位検出系において、位置検出信号Ｓ１は探針１２１先端
と試料１２２表面間に働く力により振幅変調された信号
である。ＩＮ変換器及び差動増幅器１１９通過後、信号
軸方向の変位成分に対応した差動信号Ｓ２は絶対値回路
１０６を通過し、検波信号ＳＤ１となる。
測制御系ブロック図である。カンチレバー１０１は、発
振器１０２及び励振用圧電素子１０３により励振させら
れ、レーザ発光部１２０からのレーザ光１０４及び位置
検出器１０５により構成されるカンチレバー１０１の変
位検出系において、位置検出信号Ｓ１は探針１２１先端
と試料１２２表面間に働く力により振幅変調された信号
である。ＩＮ変換器及び差動増幅器１１９通過後、信号
軸方向の変位成分に対応した差動信号Ｓ２は絶対値回路
１０６を通過し、検波信号ＳＤ１となる。
【０００４】さらに検波信号ＳＤ１は低域通過フィルタ
１０７を通過して制御入力信号Ｓ３となり、走査型プロ
ーブ顕微鏡の一般的な制御系により走査用圧電素子１０
８が駆動される構成である。
１０７を通過して制御入力信号Ｓ３となり、走査型プロ
ーブ顕微鏡の一般的な制御系により走査用圧電素子１０
８が駆動される構成である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記一般的なＡＭ（振
幅変調）の復調方法では、該加振周波数に依存する信号
すなわち振幅変調された信号を絶対値化し該絶対値化信
号を直接平坦化する為、振幅変化分に対して変調信号す
なわちキャリア分が相対的にレベルが大きい場合は、振
幅変化分に対してリップル成分が無視出来なくなる。リ
ップル成分は制御系において、試料表面の観察像信号に
対してもノイズ成分となり、試料表面の観察像での分解
能を低下させる。
幅変調）の復調方法では、該加振周波数に依存する信号
すなわち振幅変調された信号を絶対値化し該絶対値化信
号を直接平坦化する為、振幅変化分に対して変調信号す
なわちキャリア分が相対的にレベルが大きい場合は、振
幅変化分に対してリップル成分が無視出来なくなる。リ
ップル成分は制御系において、試料表面の観察像信号に
対してもノイズ成分となり、試料表面の観察像での分解
能を低下させる。
【０００６】該リップル成分を低減させる為には、キャ
リア周波数を高周波にする方法と平坦化の為の低域通過
フィルタの次数を上げる方法とがあるが、前者では検出
部すなわち光検出器の周波数特性やカンチレバーの共振
周波数等により制約を受け、後者では制御系の高域応答
の低下や、位相回りにより制御系が不安定になる問題点
がある。
リア周波数を高周波にする方法と平坦化の為の低域通過
フィルタの次数を上げる方法とがあるが、前者では検出
部すなわち光検出器の周波数特性やカンチレバーの共振
周波数等により制約を受け、後者では制御系の高域応答
の低下や、位相回りにより制御系が不安定になる問題点
がある。
【０００７】図４は、従来技術のブロック図（図２）に
おける各信号波形図である。差動信号Ｓ２は探針先端と
試料表面間に働く力により振幅変調されており、検波信
号ＳＤ１より平坦化された制御入力信号Ｓ３で振幅変化
分のみが抽出されるが、差動信号Ｓ２の振幅値が大き
く、キャリア成分に対して振幅変化分が小さい場合はリ
ップル成分が無視できない。
おける各信号波形図である。差動信号Ｓ２は探針先端と
試料表面間に働く力により振幅変調されており、検波信
号ＳＤ１より平坦化された制御入力信号Ｓ３で振幅変化
分のみが抽出されるが、差動信号Ｓ２の振幅値が大き
く、キャリア成分に対して振幅変化分が小さい場合はリ
ップル成分が無視できない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明では、該加振周波
数に依存する信号を周波数逓倍し、該周波数てい倍され
た信号をコンパレータにより２値化し、２値化信号によ
り元の加振周波数に依存する信号の絶対値化した信号を
サンプリングし、該検出信号の振幅変化分を算出するこ
とにより前記問題点を解決している。
数に依存する信号を周波数逓倍し、該周波数てい倍され
た信号をコンパレータにより２値化し、２値化信号によ
り元の加振周波数に依存する信号の絶対値化した信号を
サンプリングし、該検出信号の振幅変化分を算出するこ
とにより前記問題点を解決している。
【０００９】
【作用】本発明では、２値化信号により元の加振周波数
に依存する信号の絶対値化した信号をサンプリングし、
該検出信号の振幅変化分を算出する為、絶対値化した信
号波形を１点で保持することができる。したがって、キ
ャリア振幅値に対して相対的に振幅変化分が極めて小さ
い場合でも、従来の方法のように該振幅変化分がリップ
ル成分以下となり、検出できなかったり、仮に検出でき
たとしても振幅変化分に対してリップル成分が大きくＳ
／Ｎ比が悪くなることがなく、振幅変化分を検出するこ
とができる。また、平坦化用低域通過フィルタ前の信号
変化レベルは、従来の方法では差動信号Ｓ２の振幅値の
１／２であるのに対し、本発明に基づいた方法では１サ
ンプル前との差分値となり小さな値となる。従って、本
発明に基づいた方法では平坦化用低域通過フィルタの次
数を小さくかつ遮断周波数をキャリア周波数の１／２、
すなわち、ナイキスト周波数付近まで高く設定できる。
に依存する信号の絶対値化した信号をサンプリングし、
該検出信号の振幅変化分を算出する為、絶対値化した信
号波形を１点で保持することができる。したがって、キ
ャリア振幅値に対して相対的に振幅変化分が極めて小さ
い場合でも、従来の方法のように該振幅変化分がリップ
ル成分以下となり、検出できなかったり、仮に検出でき
たとしても振幅変化分に対してリップル成分が大きくＳ
／Ｎ比が悪くなることがなく、振幅変化分を検出するこ
とができる。また、平坦化用低域通過フィルタ前の信号
変化レベルは、従来の方法では差動信号Ｓ２の振幅値の
１／２であるのに対し、本発明に基づいた方法では１サ
ンプル前との差分値となり小さな値となる。従って、本
発明に基づいた方法では平坦化用低域通過フィルタの次
数を小さくかつ遮断周波数をキャリア周波数の１／２、
すなわち、ナイキスト周波数付近まで高く設定できる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面に基づい
て説明する。図１は本発明に基づいたノンコンタクトＡ
ＦＭ計測制御系ブロック図である変位検出系は図２と同
一であるが、差動信号Ｓ２は２乗回路１０９を通過して
周波数がてい倍され、直流成分及びノイズ成分を遮断す
るために帯域通過フィルタ１１０を介し２乗信号ＳＳと
なる。２乗信号ＳＳはコンパレータ１１１により０Ｖと
比較され、２値信号であるサンプル信号ＳＰとなる。一
方、絶対値信号ＳＡはサンプル信号ＳＰにより一周期ご
とにサンプルホールド回路１１２でサンプルホールドさ
れ、図２に記載のものに比較して遮断周波数が高く、次
数の小さい低域通過フィルタ１０７を介して制御入力信
号Ｓ３となる。制御入力信号Ｓ３は、目標値設定部１１
３で発生されるあらかじめ設定された引力値に相当する
電圧と比較器１１４で比較される。比較された結果は、
誤差信号となり積分器１１５に入力される。積分器１１
５ではあらかじめ設定された時定数で誤差信号を積分
し、その結果である制御信号Ｚを圧電素子駆動増幅器１
１７に与える。圧電素子駆動増幅器１１７では、該制御
信号Ｚ及び走査信号発生部１１８で発生されるＸ、Ｙ軸
の走査信号を圧電素子を駆動するに充分な電圧に電圧増
幅して走査用圧電素子１０８を駆動する。
て説明する。図１は本発明に基づいたノンコンタクトＡ
ＦＭ計測制御系ブロック図である変位検出系は図２と同
一であるが、差動信号Ｓ２は２乗回路１０９を通過して
周波数がてい倍され、直流成分及びノイズ成分を遮断す
るために帯域通過フィルタ１１０を介し２乗信号ＳＳと
なる。２乗信号ＳＳはコンパレータ１１１により０Ｖと
比較され、２値信号であるサンプル信号ＳＰとなる。一
方、絶対値信号ＳＡはサンプル信号ＳＰにより一周期ご
とにサンプルホールド回路１１２でサンプルホールドさ
れ、図２に記載のものに比較して遮断周波数が高く、次
数の小さい低域通過フィルタ１０７を介して制御入力信
号Ｓ３となる。制御入力信号Ｓ３は、目標値設定部１１
３で発生されるあらかじめ設定された引力値に相当する
電圧と比較器１１４で比較される。比較された結果は、
誤差信号となり積分器１１５に入力される。積分器１１
５ではあらかじめ設定された時定数で誤差信号を積分
し、その結果である制御信号Ｚを圧電素子駆動増幅器１
１７に与える。圧電素子駆動増幅器１１７では、該制御
信号Ｚ及び走査信号発生部１１８で発生されるＸ、Ｙ軸
の走査信号を圧電素子を駆動するに充分な電圧に電圧増
幅して走査用圧電素子１０８を駆動する。
【００１１】以上述べた構成により、本発明に基づいた
ブロック図はフィードバック系を構成するものである。
観察像信号増幅器１１６は、制御信号Ｚを所望の電圧に
増幅するための可変利得増幅器であり、ホストコンピュ
ータにデータとして取り込むに最適なレベルである観察
像信号を出力する。
ブロック図はフィードバック系を構成するものである。
観察像信号増幅器１１６は、制御信号Ｚを所望の電圧に
増幅するための可変利得増幅器であり、ホストコンピュ
ータにデータとして取り込むに最適なレベルである観察
像信号を出力する。
【００１２】図３は本発明に基づいたブロック図（図
１）における各信号波形図である。差動信号Ｓ２及び絶
対値信号ＳＡまでは図４と同一であるが、サンプル信号
ＳＰの立ち上がりにより絶対値信号ＳＡがサンプルホー
ルドされ検波信号ＳＤ２となる。検波信号ＳＤ２の段差
分は低減通過フィルタ１０７によって平坦化され、制御
入力信号Ｓ３となる。
１）における各信号波形図である。差動信号Ｓ２及び絶
対値信号ＳＡまでは図４と同一であるが、サンプル信号
ＳＰの立ち上がりにより絶対値信号ＳＡがサンプルホー
ルドされ検波信号ＳＤ２となる。検波信号ＳＤ２の段差
分は低減通過フィルタ１０７によって平坦化され、制御
入力信号Ｓ３となる。
【００１３】
【発明の効果】本発明に基づいた計測制御系において
は、平坦化用低域通過フィルタの次数を小さくかつ遮断
周波数をキャリア周波数の１／２付近まで高く設定でき
る為、制御系の高帯域化、高速安定化、リップルの低減
によるノイズレベルの低減化により高分解能化が可能と
なる。
は、平坦化用低域通過フィルタの次数を小さくかつ遮断
周波数をキャリア周波数の１／２付近まで高く設定でき
る為、制御系の高帯域化、高速安定化、リップルの低減
によるノイズレベルの低減化により高分解能化が可能と
なる。
【００１４】さらに、本発明ではサンプリング方式を採
用している為、制御入力信号を該サンプル信号によりＡ
／Ｄ変換することにより計測制御系のデジタル化、ソフ
トウエア化に容易に対応できる。
用している為、制御入力信号を該サンプル信号によりＡ
／Ｄ変換することにより計測制御系のデジタル化、ソフ
トウエア化に容易に対応できる。
【図１】本発明に基づいたノンコンタクトＡＦＭ計測制
御系ブロック図である。
御系ブロック図である。
【図２】従来技術のノンコンタクトＡＦＭ計測制御系ブ
ロック図である。
ロック図である。
【図３】本発明に基づいたブロック図（図１）における
各信号波形図である。
各信号波形図である。
【図４】従来技術のブロック図（図２）における各信号
波形図である。
波形図である。
Ｓ１ 位置検出信号 Ｓ２ 差動信号 Ｓ３ 制御入力信号 ＳＤ２ 検波信号 ＳＡ 絶対値信号 ＳＳ ２乗信号 ＳＰ サンプル信号 Ｘ Ｘ軸駆動信号 Ｙ Ｙ軸駆動信号 Ｚ Ｚ軸駆動信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 102 G01N 37/00
Claims (1)
- 【請求項１】 探針を加振し、検出部より該加振周波数
に依存する信号を検出し、該検出信号の振幅変化分を探
針制御系の入力信号として利用する走査型プローブ顕微
鏡の計測制御部において、該加振周波数に依存する信号
を周波数てい倍し、該周波数てい倍された信号をコンパ
レータにより２値化し、２値化信号により元の加振周波
数に依存する信号の絶対値化した信号をサンプリングす
ることにより、該検出信号の振幅変化分を算出すること
を特徴とする振幅検出方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05067131A JP3087202B2 (ja) | 1993-03-25 | 1993-03-25 | 振幅検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05067131A JP3087202B2 (ja) | 1993-03-25 | 1993-03-25 | 振幅検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06281447A JPH06281447A (ja) | 1994-10-07 |
| JP3087202B2 true JP3087202B2 (ja) | 2000-09-11 |
Family
ID=13336045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05067131A Expired - Fee Related JP3087202B2 (ja) | 1993-03-25 | 1993-03-25 | 振幅検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3087202B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103645348A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-03-19 | 中国科学院电工研究所 | 一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法 |
| CN103645347A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-03-19 | 中国科学院电工研究所 | 微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法 |
-
1993
- 1993-03-25 JP JP05067131A patent/JP3087202B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103645348A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-03-19 | 中国科学院电工研究所 | 一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法 |
| CN103645347A (zh) * | 2013-12-03 | 2014-03-19 | 中国科学院电工研究所 | 微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法 |
| CN103645347B (zh) * | 2013-12-03 | 2016-08-17 | 中国科学院电工研究所 | 微纳米尺度动态耦合振动的单点跟踪测量方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06281447A (ja) | 1994-10-07 |
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