JP3091897B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JP3091897B2 JP3091897B2 JP05049717A JP4971793A JP3091897B2 JP 3091897 B2 JP3091897 B2 JP 3091897B2 JP 05049717 A JP05049717 A JP 05049717A JP 4971793 A JP4971793 A JP 4971793A JP 3091897 B2 JP3091897 B2 JP 3091897B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】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探針位置制御に利用
される。
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探針位置制御に利用
される。
【０００２】
【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡における探
針位置制御方法としては、例えばトンネル電流、光検出
器等の電流を適当な電圧レベルに変換増幅した後の検出
信号に対し探針の目標位置を比較し、この結果である誤
差信号に制御部を設けている。
針位置制御方法としては、例えばトンネル電流、光検出
器等の電流を適当な電圧レベルに変換増幅した後の検出
信号に対し探針の目標位置を比較し、この結果である誤
差信号に制御部を設けている。
【０００３】制御部にはー般にＩ制御もしくはＰＩ制御
が採用されており、制御部の演算結果は必要に応じて増
幅され圧電素子の駆動信号となる。試料表面像信号とし
ては、制御部の演算結果すなわち圧電素子の駆動信号に
相当する信号が使用される。
が採用されており、制御部の演算結果は必要に応じて増
幅され圧電素子の駆動信号となる。試料表面像信号とし
ては、制御部の演算結果すなわち圧電素子の駆動信号に
相当する信号が使用される。
【０００４】制御部及び探針の目標位置の設定を構成す
る為に、アナログ信号をそのままアナログ演算素子によ
り処理する方法と、検出信号をＡ／Ｄ変換しデジタル信
号を高速なマイクロプロセッサ例えばＤＳＰ（デジタル
シグナルプロセッサ）等により演算処理し、試料表面像
データ及び圧電素子の駆動信号に相当する信号を導出す
るデジタル制御方法とが存在する。
る為に、アナログ信号をそのままアナログ演算素子によ
り処理する方法と、検出信号をＡ／Ｄ変換しデジタル信
号を高速なマイクロプロセッサ例えばＤＳＰ（デジタル
シグナルプロセッサ）等により演算処理し、試料表面像
データ及び圧電素子の駆動信号に相当する信号を導出す
るデジタル制御方法とが存在する。
【０００５】図２は従来技術のデジタル制御ブロック図
である。Ｓ１はトンネル電流、光検出器等の電流を適当
な電圧レベルに変換増幅した後の検出信号であり、制御
系の入力信号となる。Ｓ１はＡ／Ｄ変換器２０１により
適当なビット数のデータに変換され、該データは制御部
２０２において演算される。制御部２０２では一般的な
ＰＩ制御の演算処理がなされる。データは次段補正部２
０７で整数演算に対する値の補正が行われる。これは、
制御部２０２において設定された係数がＮ倍の整数であ
る為、この結果を１／Ｎにして補正するものである。補
正されたデータは、Ｄ／Ａ変換器２０６でＤ／Ａ変換さ
れ圧電素子の駆動信号となる。さらに、データは処理部
２０３において試料表面像データを算出する為に種々の
演算処理がなされる。
である。Ｓ１はトンネル電流、光検出器等の電流を適当
な電圧レベルに変換増幅した後の検出信号であり、制御
系の入力信号となる。Ｓ１はＡ／Ｄ変換器２０１により
適当なビット数のデータに変換され、該データは制御部
２０２において演算される。制御部２０２では一般的な
ＰＩ制御の演算処理がなされる。データは次段補正部２
０７で整数演算に対する値の補正が行われる。これは、
制御部２０２において設定された係数がＮ倍の整数であ
る為、この結果を１／Ｎにして補正するものである。補
正されたデータは、Ｄ／Ａ変換器２０６でＤ／Ａ変換さ
れ圧電素子の駆動信号となる。さらに、データは処理部
２０３において試料表面像データを算出する為に種々の
演算処理がなされる。
【０００６】一方、Ｓ２は第２の検出信号であり、トン
ネル電流、光検出器等の電流を適当な電圧レベルに変換
増幅した後の検出信号もしくはその他の物理量の検出信
号であるが制御系の入力信号とは関係なく、Ａ／Ｄ変換
器２０９でＡ／Ｄ変換したのち、そのまま処理部２０３
と同等の処理が処理部２０５にてなされ、補正部２０７
で整数演算に対する値の補正が行われた後データ２とな
り、ホストコンピュータ側のメモリに転送され、データ
１と同等の画像処理が処されデータ１と同時に表示、解
析される。
ネル電流、光検出器等の電流を適当な電圧レベルに変換
増幅した後の検出信号もしくはその他の物理量の検出信
号であるが制御系の入力信号とは関係なく、Ａ／Ｄ変換
器２０９でＡ／Ｄ変換したのち、そのまま処理部２０３
と同等の処理が処理部２０５にてなされ、補正部２０７
で整数演算に対する値の補正が行われた後データ２とな
り、ホストコンピュータ側のメモリに転送され、データ
１と同等の画像処理が処されデータ１と同時に表示、解
析される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前記デジタル制御方法
において、量子化ビット数は一般に１６ビット程度であ
る。Ａ／ＤもしくはＤ／Ａ変換器にビット数の多いもの
を用いたとしてもＤＳＰにおける処理ビット数は１６ビ
ットである。ビット数の多いＡ／ＤもしくはＤ／Ａ変換
器では変換時間が長くなる為、サンプル周期が長くなり
制御系の応答速度が低下する。さらに、ＤＳＰにおける
処理を３２ビット単位で行うことも可能であるが、例え
ばＤＳＰでのＡ／Ｄ入力データが１６ビットであればＡ
／Ｄ変換器の入力信号に対しては１６ビット分解能とな
る。
において、量子化ビット数は一般に１６ビット程度であ
る。Ａ／ＤもしくはＤ／Ａ変換器にビット数の多いもの
を用いたとしてもＤＳＰにおける処理ビット数は１６ビ
ットである。ビット数の多いＡ／ＤもしくはＤ／Ａ変換
器では変換時間が長くなる為、サンプル周期が長くなり
制御系の応答速度が低下する。さらに、ＤＳＰにおける
処理を３２ビット単位で行うことも可能であるが、例え
ばＤＳＰでのＡ／Ｄ入力データが１６ビットであればＡ
／Ｄ変換器の入力信号に対しては１６ビット分解能とな
る。
【０００８】走査型プローブ顕微鏡において、前記分解
能は一般の測定においては充分であるが、さらに高い分
解能が要求される原子オーダでの解析や半導体材料等の
マイクロラフネス測定においては不充分となる。また走
査型プローブ顕微鏡においては、試料表面像信号として
制御部の演算結果すなわち圧電素子の駆動信号に相当す
る信号が使用されている為、仮に前記Ａ／Ｄ変換器の入
力信号を増幅し分解能を向上させようとすると、制御系
の開ループゲインが増大し、制御系のパラメータが変化
するという問題点が生ずる。
能は一般の測定においては充分であるが、さらに高い分
解能が要求される原子オーダでの解析や半導体材料等の
マイクロラフネス測定においては不充分となる。また走
査型プローブ顕微鏡においては、試料表面像信号として
制御部の演算結果すなわち圧電素子の駆動信号に相当す
る信号が使用されている為、仮に前記Ａ／Ｄ変換器の入
力信号を増幅し分解能を向上させようとすると、制御系
の開ループゲインが増大し、制御系のパラメータが変化
するという問題点が生ずる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明では、探針位置制
御の為の制御部と試料表面像信号を算出する為の制御部
とを設け、該試料表面像信号を算出する為の制御部では
該探針位置制御の為の制御部と同一の制御部を具備し、
前段の信号すなわち請求項２記載の検出信号または請求
項３記載の誤差信号に増幅器を設けることにより該試料
表面像信号を算出する。また、算出された該試料表面像
信号に対しては前記増幅器の増幅率を考慮し、試料表面
像データは該増幅率データを合わせ持ち、試料表面像を
表示もしくは解析する段階において増幅率分を除算した
結果である目盛り表示や解析を行う手段により前記問題
点を解決している。
御の為の制御部と試料表面像信号を算出する為の制御部
とを設け、該試料表面像信号を算出する為の制御部では
該探針位置制御の為の制御部と同一の制御部を具備し、
前段の信号すなわち請求項２記載の検出信号または請求
項３記載の誤差信号に増幅器を設けることにより該試料
表面像信号を算出する。また、算出された該試料表面像
信号に対しては前記増幅器の増幅率を考慮し、試料表面
像データは該増幅率データを合わせ持ち、試料表面像を
表示もしくは解析する段階において増幅率分を除算した
結果である目盛り表示や解析を行う手段により前記問題
点を解決している。
【００１０】
【作用】本発明では、探針位置制御の為の制御部と試料
表面像信号を算出する為の制御部とを設けることによ
り、制御系の開ループゲインや制御系のパラメータが変
化することなく試料表面像信号を演算処理し、最適な信
号形態もしくは最適な信号レベルとなるような回路を構
成することができる。また、前段の信号すなわち請求項
２記載の検出信号または請求項３記載の誤差信号に増幅
器を設けることにより、Ａ／Ｄ変換器の入力信号を増幅
することが出来る為、微小な検出信号をもデジタル制御
部において適当な信号レベルで処理することが出来る。
表面像信号を算出する為の制御部とを設けることによ
り、制御系の開ループゲインや制御系のパラメータが変
化することなく試料表面像信号を演算処理し、最適な信
号形態もしくは最適な信号レベルとなるような回路を構
成することができる。また、前段の信号すなわち請求項
２記載の検出信号または請求項３記載の誤差信号に増幅
器を設けることにより、Ａ／Ｄ変換器の入力信号を増幅
することが出来る為、微小な検出信号をもデジタル制御
部において適当な信号レベルで処理することが出来る。
【００１１】
【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は本発明の１実施例に基づいたデジタ
ル制御ブロック図である。前記図２のブロック図に対
し、該検出信号Ｓ１を増幅する為の可変ゲイン増幅器１
０６、Ａ／Ｄ変換器１０７、制御部１０２と同一の制御
部１０８を追加し具備した構成となっている。可変ゲイ
ン増幅器１０６においては、測定試料の性質もしくは測
定に要求される分解能に対応してゲイン設定がなされ
る。ー般の測定で分解能を要求されない場合は低ゲイン
に設定され、原子オーダの測定等で高分解能を要求され
る場合は高ゲインに設定される。Ａ／Ｄ変換器１０７及
び制御部１０８は制御系側と同一である為、可変ゲイン
増幅器１０６で設定されるゲイン値Ｇ１を除いては図２
に基づいた構成と等価となる。すなわち、制御部１０２
に設定される制御パラメータは連動して制御部１０８に
同一値が同時に設定される。従って、算出された試料表
面像データに対しては可変ゲイン増幅器１０６で設定さ
れるゲイン値Ｇ１を考慮し、試料表面像データすなわち
データ１はゲイン値Ｇ１データを合わせ持ち、試料表面
像を表示もしくは解析する段階においてゲイン値Ｇ１分
を除算した結果である目盛り表示や解析を行っている。
て説明する。図１は本発明の１実施例に基づいたデジタ
ル制御ブロック図である。前記図２のブロック図に対
し、該検出信号Ｓ１を増幅する為の可変ゲイン増幅器１
０６、Ａ／Ｄ変換器１０７、制御部１０２と同一の制御
部１０８を追加し具備した構成となっている。可変ゲイ
ン増幅器１０６においては、測定試料の性質もしくは測
定に要求される分解能に対応してゲイン設定がなされ
る。ー般の測定で分解能を要求されない場合は低ゲイン
に設定され、原子オーダの測定等で高分解能を要求され
る場合は高ゲインに設定される。Ａ／Ｄ変換器１０７及
び制御部１０８は制御系側と同一である為、可変ゲイン
増幅器１０６で設定されるゲイン値Ｇ１を除いては図２
に基づいた構成と等価となる。すなわち、制御部１０２
に設定される制御パラメータは連動して制御部１０８に
同一値が同時に設定される。従って、算出された試料表
面像データに対しては可変ゲイン増幅器１０６で設定さ
れるゲイン値Ｇ１を考慮し、試料表面像データすなわち
データ１はゲイン値Ｇ１データを合わせ持ち、試料表面
像を表示もしくは解析する段階においてゲイン値Ｇ１分
を除算した結果である目盛り表示や解析を行っている。
【００１２】ー方、第２の検出信号Ｓ２に対しても同様
に可変ゲイン増幅器１１１を設け、データ１と同様に、
データ２はゲイン値Ｇ２データを合わせ持ち、試料表面
像を表示もしくは解析する段階においてゲイン値Ｇ２分
を除算した結果である目盛り表示や解析を行っている。
に可変ゲイン増幅器１１１を設け、データ１と同様に、
データ２はゲイン値Ｇ２データを合わせ持ち、試料表面
像を表示もしくは解析する段階においてゲイン値Ｇ２分
を除算した結果である目盛り表示や解析を行っている。
【００１３】図３は本発明の他の実施例に基づいたデジ
タル制御ブロック図である。前記図２のブロック図に対
して、図３のブロック図では、該検出信号Ｓ１に対し探
針の目標位置を比較器３１６で比較し、この比較した結
果である誤差信号Ｓ３を算出し、該誤差信号Ｓ３に対し
て前記図１の説明で述べた同様の処理がなされる。誤差
信号Ｓ３は検出信号Ｓ１に対し探針の目標位置を比較し
た結果である為、探針の制御時すなわちデータ取得時に
おいては、ほぼ０付近となる。従って、可変ゲイン増幅
器３０６の入力段で直流成分が小さい為、ゲイン値Ｇ１
の値を大きく設定できるのが特徴である。
タル制御ブロック図である。前記図２のブロック図に対
して、図３のブロック図では、該検出信号Ｓ１に対し探
針の目標位置を比較器３１６で比較し、この比較した結
果である誤差信号Ｓ３を算出し、該誤差信号Ｓ３に対し
て前記図１の説明で述べた同様の処理がなされる。誤差
信号Ｓ３は検出信号Ｓ１に対し探針の目標位置を比較し
た結果である為、探針の制御時すなわちデータ取得時に
おいては、ほぼ０付近となる。従って、可変ゲイン増幅
器３０６の入力段で直流成分が小さい為、ゲイン値Ｇ１
の値を大きく設定できるのが特徴である。
【００１４】図４に処理部１０９もしくは３０９及び処
理部１１３もしくは３１３の詳細ブロック図を示す。Ｈ
ＰＦ４０１は高域通過フィルタであり、データに含まれ
る直流成分はここで遮断される。ＬＰＦ４０２は低域通
過フィルタであり、データに含まれる高周波成分はここ
で遮断される。ＯＦＦＳＥＴ４０３はオフセット電圧加
算部であり、データに含まれる直流成分はここで補正さ
れる。それぞれの演算はデータの持つ特性や信号レベル
により必要に応じて選択される。
理部１１３もしくは３１３の詳細ブロック図を示す。Ｈ
ＰＦ４０１は高域通過フィルタであり、データに含まれ
る直流成分はここで遮断される。ＬＰＦ４０２は低域通
過フィルタであり、データに含まれる高周波成分はここ
で遮断される。ＯＦＦＳＥＴ４０３はオフセット電圧加
算部であり、データに含まれる直流成分はここで補正さ
れる。それぞれの演算はデータの持つ特性や信号レベル
により必要に応じて選択される。
【００１５】処理部１０９もしくは３０９で算出された
試料表面像データは、同様に次段で整数演算に対する値
の補正が行われる。これは、処理部１０９もしくは３０
９において設定された係数がＮ倍の整数である為、この
結果を補正するものである。補正された試料表面像デー
タはデータ１となり、ホストコンピュータ側のメモリに
転送され、種々の画像処理が処され表示、解析される。
試料表面像データは、同様に次段で整数演算に対する値
の補正が行われる。これは、処理部１０９もしくは３０
９において設定された係数がＮ倍の整数である為、この
結果を補正するものである。補正された試料表面像デー
タはデータ１となり、ホストコンピュータ側のメモリに
転送され、種々の画像処理が処され表示、解析される。
【００１６】
【発明の効果】本発明のデジタル制御方法に基づいた走
査型プローブ顕微鏡において、検出信号のレベルが小さ
くなる原子オーダでの解析や半導体材料等のマイクロラ
フネス測定では、前記増幅器のゲインを増大させること
によりＡ／ＤもしくはＤ／Ａ変換器のビット数に関わら
ず分解能を向上させることが可能となる。
査型プローブ顕微鏡において、検出信号のレベルが小さ
くなる原子オーダでの解析や半導体材料等のマイクロラ
フネス測定では、前記増幅器のゲインを増大させること
によりＡ／ＤもしくはＤ／Ａ変換器のビット数に関わら
ず分解能を向上させることが可能となる。
【図１】本発明の一実施例に基づいたデジタル制御ブロ
ック図である。
ック図である。
【図２】従来技術のデジタル制御ブロック図である。
【図３】本発明の他の実施例に基づいたデジタル制御ブ
ロック図である。
ロック図である。
【図４】本発明の処理部の詳細ブロック図である。
Ｓ１ 検出信号 Ｓ２ 第２の検出信号 Ｓ３ 誤差信号 １０１、１０７、１１２、３０１、３０７、３１２ Ａ
／Ｄ変換器 １０５、３０５ Ｄ／Ａ変換器 １０６、３０６ 可変ゲイン増幅器 １１１、３１１ 可変ゲイン増幅器 １０４、１１０、１１４、３０４、３１０、３１４ 補
正部 ４０１ 高域通過フィルタ ４０２ 低域通過フィルタ ４０３ オフセット電圧加算部
／Ｄ変換器 １０５、３０５ Ｄ／Ａ変換器 １０６、３０６ 可変ゲイン増幅器 １１１、３１１ 可変ゲイン増幅器 １０４、１１０、１１４、３０４、３１０、３１４ 補
正部 ４０１ 高域通過フィルタ ４０２ 低域通過フィルタ ４０３ オフセット電圧加算部
───────────────────────────────────────────────────── 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 7/34 G01N 37/00 H01J 37/28
Claims (2)
- 【請求項１】 検出信号をＡ／Ｄ変換し該デジタル信号
を演算処理する制御部を有し、試料表面像データ及び圧
電素子の駆動信号に相当する信号を導出する走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記制御部は前記検出信号を入力
し探針位置制御の為の前記圧電素子の駆動信号に相当す
る信号を導出する第１の制御部と、該第１の制御部とは
別に、前記検出信号を入力し前記試料表面像信号を算出
する為の第２の制御部とを具備し、前記試料表面像信号
を増幅する為に、前記第２の制御部の前段に前記検出信
号を増幅する可変ゲイン増幅器を具備することを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 検出信号に対し探針の目標位置を比較し
た結果である誤差信号をＡ／Ｄ変換し該デジタル信号を
演算処理する制御部を有し、試料表面像データ及び圧電
素子の駆動信号に相当する信号を導出する走査型プロー
ブ顕微鏡において、前記制御部は前記誤差信号を入力し
探針位置制御の為の前記圧電素子の駆動信号に相当する
信号を導出する第１の制御部と、該第１の制御部とは別
に、前記誤差信号を入力し前記試料表面像信号を算出す
る為の第２の制御部とを具備し、前記試料表面像信号を
増幅する為に、前記第２の制御部の前段に、前記誤差信
号を増幅する可変ゲイン増幅器を具備することを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05049717A JP3091897B2 (ja) | 1993-03-10 | 1993-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05049717A JP3091897B2 (ja) | 1993-03-10 | 1993-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06265341A JPH06265341A (ja) | 1994-09-20 |
| JP3091897B2 true JP3091897B2 (ja) | 2000-09-25 |
Family
ID=12838945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05049717A Expired - Fee Related JP3091897B2 (ja) | 1993-03-10 | 1993-03-10 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3091897B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016158850A (ja) * | 2015-03-01 | 2016-09-05 | 幸爾 奥田 | クッション付枕カバー |
| US9827432B2 (en) | 2014-10-08 | 2017-11-28 | Chun-Hung Wu | Headrest structure |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9260577B2 (en) | 2009-07-14 | 2016-02-16 | Toray Plastics (America), Inc. | Crosslinked polyolefin foam sheet with exceptional softness, haptics, moldability, thermal stability and shear strength |
-
1993
- 1993-03-10 JP JP05049717A patent/JP3091897B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9827432B2 (en) | 2014-10-08 | 2017-11-28 | Chun-Hung Wu | Headrest structure |
| JP2016158850A (ja) * | 2015-03-01 | 2016-09-05 | 幸爾 奥田 | クッション付枕カバー |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06265341A (ja) | 1994-09-20 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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