JP4095669B2 - 静電駆動式容量型トランスデューサ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は高精度センサ・システムに関する。より詳細には、本発明は力の伝達と、力（重量を含む）及び変位の測定／表示とのうちの少なくともいずれか一方を高精度で行うマルチプレート・コンデンサ・システムを有するトランスデューサに関する。更に、本発明は前記のトランスデューサを有する装置に関する。
発明の背景
力、重量及び相対位置を正確に測定する多くの装置が知られている。例えば、穴、溝または他の表面的特徴を正確に表示または形成する装置は正確な位置の測定または正確な変位の測定を必要とする。例えば、電子部品等の製造に使用される小型部品表面における変位または位置の正確な測定は特に重要である。
この種の測定を実現すべく力または重量を装置により精密、かつ正確に測定することが知られている。歪みゲージ・トランスデューサ（Strain gauge transducers）は前記の測定を実施する装置の１つである。歪みゲージ・トランスデューサはサンプルの微小硬さ試験等の研究室での分析に使用可能である。更に、部品を高い解像度で精密に測定するラボラトリ・スケール（Laboratory scales）は化学、生物学、薬学及び医学の分野において知られている。
歪みゲージ・トランスデューサの解像度に関する問題点としては、トランスデューサの信号対雑音比の問題が挙げられる。歪みゲージ・トランスデューサは僅か数ミリボルトの出力を有する。歪みゲージ・トランスデューサの最小ノイズ・レベルは歪みゲージ抵抗素子におけるサーマル・ノイズによって決定される。例えば、３５０オームの抵抗を有する市販の歪みゲージ・センサの計算されたノイズは１ヘルツの帯域幅において２．４ｎＶである。
走査プローブ顕微鏡の開発により、力及び位置を高い解像度で精密に測定することが必要になった。１９８９年１０月に発行されたサイエンティフィック・アメリカン（Scientific American）の９８〜１０５頁に記載されているウィックラーマシンジェ（Wickramasinghe）による“走査プローブ顕微鏡”と称される論文では、走査プローブ顕微鏡を使用することにより、プローブ（プローブは僅かに原子１つの幅を有し得る）を用いて非常に近距離での表面検査を実施できるとともに、他の顕微鏡より優れたスケールで表面の特徴及び特性を分解できることを開示している。
この開示をもってウィックラーマシンジェの論文の内容を本明細書に開示したものとする。更に、同ウィックラーマシンジェの論文には、２種類の走査プローブ顕微鏡が開示されている。第１の種類の走査プローブ顕微鏡は走査トンネル顕微鏡である。第２の種類の走査プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡である。
原子間力顕微鏡では、走査プローブ装置（Scanned-probe device）は金属フォイルに取付けたダイヤモンド等の微小チップ（Minute tip）をラスタ・パターンで試料上で移動させる。そして、ダイヤモンド等の微小チップは原子レベルの鋭い形状を有する。走査プローブ装置は力の輪郭（Contours of force）、即ちチップの電子雲を走査対象面の原子の電子雲に対して重ねることによって形成される反発力の輪郭を記録する。即ち、チップは蓄音機の触針のように表面を検出する。原子の表面構造によって上下動されるチップを表面に対して付勢した状態に維持すべく、フォイルはバネのように機能する。
走査トンネル顕微鏡はプローブ及び走査対象面の間の間隙をトンネル状に流れる電子を用いることにより、表面構造を原子レベルで検出する。印加された電圧の変化に基づいてサイズが僅かに変化するピエゾエレクトリック・セラミックス（Piezoelectric ceramics）は走査トンネル顕微鏡のタングステン・プローブを３次元で移動させる。電圧はチップに対して印加される。そして、チップはトンネル電流が形成されるまで走査対象面に向けて移動される。この際、走査対象面は導体または半導体であることを要する。次いで、チップは前後方向にラスタ・パターンで走査を行う。トンネル電流は走査対象面の表面構造に基づいて変化する。これに対応して、フィードバック・メカニズムはチップを表面の起伏に沿って上下動させる。そして、チップの移動は表面の画像に翻訳される。
走査トンネル顕微鏡では、走査対象面及びチップ間の所定距離を維持しない場合、表面構造の測定が不正確になる。これを防止すべく、チップからサンプルに加わる力は測定サイクル全体にわたって測定される。これにより、走査対象面及びチップ間の所定距離の維持を確認できるうえ、表面構造測定精度を別の観点からチェックできる。
前記のように、歪みゲージ・トランスデューサ等の装置はサンプルの微小硬さ試験に使用可能である。その一方、走査トンネル顕微鏡及び原子間力顕微鏡は表面構造の測定または画像形成を行い得る。試験面の画像を微小押込み硬さ試験直後に高解像度で形成し得る場合、同押込み硬さ試験は効果的である。走査トンネル顕微鏡及び原子間力顕微鏡に使用する従来のチップ及びコントロール・メカニズムは、表面構造の測定及び微小押込み硬さ試験の両方を１つの走査トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡を用いて実施することを阻害してきた。
これらの顕微鏡に使用する走査トンネル顕微鏡用タングステン・チップは非常に細く、さらには押込み硬さ試験時に加わる低い負荷において釣針状に屈曲する傾向がある。この結果、押込み硬さ試験後における画像形成は信頼性が低い。原子間力顕微鏡用チップは走査トンネル顕微鏡用タングステン・チップより高い硬度を有する。しかし、原子間力顕微鏡用チップは折れ易いカンチレバーに取付けられている。このため、原子間力顕微鏡を用いて加え得る力は、殆どの押込み硬さ試験において必要とされる力より低く制限される。
これに代わるアプローチとしては、押込み硬さ試験後に画像形成を可能にするビルトイン走査電子顕微鏡（Built in scanning electron microscope）を用いて走査トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡を形成することが挙げられる。しかし、このアプローチは高い装置コストを招来し、さらには画像形成までに長い時間を必要とする。また、走査電子顕微鏡は真空下においてのみ機能する。このため、生物学的試料等の水分を含有するサンプルを観察できない。
材料の機械的特性を顕微鏡スケールで研究する場合、押込み硬さ試験及びスクラッチ試験が頻繁に使用される。ダイヤモンド・チップを試験材料上に押圧する押込み硬さ試験は硬度の測定に一般的に使用される試験であるとともに、弾性係数の測定にも使用され始めている。スクラッチ試験は基層上に形成されたフィルムまたはコーティングの付着力の測定等に使用される。スクラッチ試験は負荷を膜剥離または膜損傷が生じる臨界負荷に到達するまで徐々に増大させながらダイヤモンド・チップをサンプル表面上で移動させることによって行われる。
通常、凹みまたはスクラッチは専用の１つの装置を使用して形成される。そして、形成された凹みまたはスクラッチは凹みサイズまたは膜剥離の面積を測定すべく顕微鏡を用いて分析される。数ミリメートル以上のサイズの凹みまたは膜剥離の場合、分析は光学顕微鏡を用いて常には実施される。
半導体の小型化と、磁気記憶ディスク等に使用される保護コーティングの薄膜化とに起因して、数ミリメートル未満のサイズの凹みまたは膜剥離が問題になっている。数ミリメートル未満のサイズの凹みまたは膜剥離では、面積は走査電子顕微鏡による画像形成を介して常には測定される。サンプル、特に絶縁体であって、かつ走査電子顕微鏡での走査前に金または炭素によるコーティングを必要とするサンプルの場合、サンプル準備に長い時間が必要である。更に、小さな凹みまたはスクラッチを発見することは容易ではない。最も小さい凹み及びスクラッチでは、スクラッチの幅及び膜剥離の面積を正確に測定するために走査トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡の原子レベルの解像度を必要とし得る。研究者はマイクロインデンター（Microindentor）を用いて凹みを形成した後、同凹みを原子間力顕微鏡を用いて確認するために最大で８時間を要したことを報告している。
別の不確定要素としては、特定のサンプルに生じる塑性流動、即ちリラクゼーションが挙げられる。１時間以内に塑性流動が生じた場合、インデンターによって形成された凹みは顕微鏡で検査する前に消失し得る。５０オングストロームの範囲内で形成された凹みは走査電子顕微鏡または原子間力顕微鏡で確認できない塑性流動を示した。この原因には、実際に存在しない塑性変形の表示を招来するインデンター内に生じた機械的ヒステリシスが含まれ得る。更に、研究者が確認できなかった凹みが実際に存在したことも考えられる。第３の可能性としては、サンプルがリラクゼーションを示したことが考えられる。即ち、凹みが実際に存在していたにも拘わらず、サンプルを顕微鏡で確認する前に凹みが塑性流動により消失したことが考えられる。
微小押込み硬さ試験及びスクラッチ試験の実施直後に同試験結果を示す表面画像を高解像度で形成し得る場合、非常に効果的である。これは測定に要する時間及びコストを低減し、さらには試験結果に関する不確定要素を低減し得る。
微小機械試験（Micro-mechanical testing）を実施すべくサンプル内に凹みを形成するプロセスも制限される。走査トンネル顕微鏡のｚ軸ピエゾ素子を使用することにより、チップをサンプル材料内へ押圧すべく押圧力をサンプルに加え得る。このプロセスは顕微鏡制御システムにおいて実行される“リソグラフィ・スクリプト（Lithography scripts）”を記述することにより制御し得る。リソグラフィ・スクリプトは３つの各軸方向へのチップの移動を制御すべく使用できる。Ｚ方向及びＸ方向またはＹ方向への同時移動はサポートされていない。このため、階段状ランプ（Staircase type ramp）を使用することにより、連続的な微小スクラッチ試験を実施するためのフォース・ランプ（Force ramp）に近いランプを形成する必要がある。
加え得る押圧力の大きさはＺ軸方向へのピエゾ素子の移動と、フォース・センサのバネ定数とによって決定される。このため、加え得る力が制限される。大きい力は大きいバネ定数を有するセンサを使用することにより実現できる。しかし、大きい力は解像度を低減し、さらには必要とされる最小画像形成力（Minimum imaging force）を増大させ得る。最小画像形成力の増大は画像形成中におけるサンプルの摩耗の問題を招来し得る。更に、Ｚ軸方向へのピエゾ・アクチュエータの移動はＸ軸方向及びＹ軸方向への移動とは異なり直線性及びヒステリシスの影響について補償されていない。リソグラフィ・スクリプトにおいて指示されているＺ軸方向へのチップの移動と、実際のＺ軸方向へのチップの移動とは大きく異なる。これにより、較正の問題が生じる。
高い解像度と、指示されたＺ軸方向へのチップの移動及び実際のＺ軸方向へのチップの移動の間の直線的関係とを維持する一方で、更に高い最大押圧力を実現する広い範囲でのサンプル材料の制御された凹み形成を提供するメカニズムを有することは微小機械試験において効果的である。
米国特許第４，６９４，６８７号において、ボニン他はＧ−フォースの変化を検出し、さらには同Ｇ−フォースの変化に比例したデジタル・カウント値を形成する容量型加速度計（Capacitive accelerometer）を含む車両性能分析装置（Vehicle performance analyzer）を開示している。センサは梁で支持した可動板の互いに対向する側部にそれぞれ取付けられた一対の平行板を含む容量型トランスデューサを有する。容量型トランスデューサは力の加速度の変化に反応する。図３において、梁で支持した可動板は互いに離間した平行板間へのアクセスを防止すべくシールされていることをボニン他は開示している。従って、可動板をＧ−フォースに直交する方向に取付けた場合、物理的なアクセスが不可能であるにも拘わらず、可動板は加速中にＧ−フォースに露出されることにより撓み、かつ変位される。ボニン他による米国特許第４，６９４，６８７号の内容については、この開示をもって本明細書中に開示したものとする。
発明の概要
本発明の第１の実施の形態では、力、重量または位置用トランスデューサ（Force, weight or position transducer）を提供する。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態のトランスデューサは微小押込み硬さ試験と、同押込み硬さ試験直後における試験面の画像形成を可能にする表面画像形成とを行う装置に組み込まれている。
最初に、力、重量または位置用トランスデューサを提供する本発明の第１の実施の形態の概要を示す。トランスデューサの出力は試験サンプルの重量、力または相対位置に比例した直流信号に変換可能である。例えば、この変換はボニン他による米国特許第４，６９４，６８７号の開示に基づいて実施し得る。
更に、トランスデューサから離間した遠位の物体に対して力を伝達するか、またはトランスデューサから離間した遠位の物体を所望の方向に移動させるべくトランスデューサを制御し得る。
１つの好ましい実施の形態において、トランスデューサは力及び変位用高精度トランスデューサ（High precision force and displacement transducer）である。トランスデューサは一対の容量型トランスデューサを有する。各容量型トランスデューサは独立したドライブ・プレート及び共有ピックアップ・プレートを有する。共有ピックアップ・プレートは複数の独立したドライブ・プレート間に配置されている。ドライブ・プレートに対するピックアップ・プレートの位置を制御するメカニズムが形成されている。更に、遠位の位置及びピックアップ・プレート間で力を伝達するメカニズムが提供されている。
１つの好ましい実施の形態において、ドライブ・プレートに対するピックアップ・プレートの位置は静電駆動（Electrostatic actuation）によって制御されている。静電コントローラ（Electrostatic controller）は複数のドライブ・プレートのうちの１つに対して電圧を選択的に印加することにより、ピックアップ・プレート及びドライブ・プレート間に引力を形成する。ピックアップ・プレートから離間した遠位の位置の移動または遠位の位置への力の伝達を実現すべく、引力は伝達メカニズムを介して遠位の位置に伝達できる。静電コントローラは増幅器に接続された比較的高い電圧の電源を有し得る。
トランスデューサはドライブ・プレートに対するピックアップ・プレートの位置に比例したピックアップ・プレートからの出力信号を監視するメカニズムを有し得る。１つの実施の形態において、監視メカニズムは出力信号検出器／出力信号調整器（Output signal detector/conditioner）を有する。メカニズムは一対のドライブ・プレートに対して搬送信号を入力するメカニズムを有し得る。１つの実施の形態において、搬送信号は交流電圧信号であり、一方のドライブ・プレートに入力される信号は他方のドライブ・プレートに入力される信号に対して位相が１８０度ずれている。搬送信号の周波数は静電コントローラによって印加される電圧の周波数より高い。
監視メカニズムはドライブ・プレートに対するピックアップ・プレートの変位を示すトランスデューサ出力信号を監視すべくピックアップ・プレートに対して接続されている。出力信号はトランスデューサによって遠位の物体に対して伝達された力または動作を示すか、または力、重量若しくは変位の測定値を示し得る。
別の実施の形態において、トランスデューサはドライブ・プレート及びピックアップ・プレートを有するマルチコンデンサ・システム（Multi-capacitor system）を使用している。ピックアップ・プレートに力が加えられた際、またはピックアップ・プレートが同ピックアップ・プレートから離間した遠位の物体に対して力または動作を伝達する際、所望の相対的移動を形成すべくピックアップ・プレートは適切な懸架システムに取付けられている。ドライブ・プレートは約５０ＫＨｚの交流信号で駆動し得る。ドライブ・プレートに対するピックアップ・プレートの変位を示すとともに、検出された力、重量または変位に比例する出力信号をピックアップ・プレートにおいて提供すべく、２つの駆動信号は互いに位相が１８０度ずれている。
出力信号は非常に高い入力インピーダンス（例：１００メガオーム−０．３ピコファラッド）を有する緩衝増幅器を通り、さらには力または変位に比例する直流信号を形成すべく同期復調される。出力は一方への変位に対して正の値を示し、他方への変位に対して負の値を示す。
本発明のセンサ・エレメントは一対の容量型トランスデューサを有する。各トランスデューサは独立したドライブ・プレートと、両トランスデューサに共通する共有ピックアップ・プレートとを有する。一対のドライブ・プレートのうちの一方のドライブ・プレートは中央に孔を有し得る。ピックアップ・プレートは一対のドライブ・プレート間に配置され、かつ絶縁スペーサにより各ドライブ・プレートから分離されている。従って、好ましい実施の形態において、ピックアップ・プレートを一対のドライブ・プレート間に取付けた際、一対のドライブ・プレートは互いに対向し、かつ離間した導電面をそれぞれ有する。一般的に、ピックアップ・プレートは一対のドライブ・プレート間に弾性手段によって懸架された導電性中央プレートからなる。中央プレートは一対のドライブ・プレートの導電面間において撓み得る。
センサ・エレメントは中央プレートから離間した位置と、中央プレートとの間で力を伝達する手段を有する。同手段はピックアップ・プレートに同調して移動するように同ピックアップ・プレートに取付けられたサンプル・ホルダを含み得る。これに代えて、１つのドライブ・プレートに形成された孔を貫通し、かつ中央プレートに当接する任意のロッドまたは部材はピックアップ・プレートに対して力を伝達し得る。出力はピックアップ・プレートの位置に実質的に比例する。しかし、センサは直線状をなす力及び変位の関係を示すように形成可能である。この結果、出力は力を示すべく簡単に較正できる。
別の実施の形態において、サンプル・ホルダは軸部を有する台座（Pedestal）を有する。軸部は一方のドライブ・プレートの中央に形成された孔を貫通し、かつピックアップ・プレートの導電性中央プレートの表面に当接している。軸部は中央プレートのほぼ中心点において同中央プレートに当接している。従って、台座は同台座に加えられた力を中央プレートに対して伝達し、これにより中央プレートを撓ませる。ダイヤフラム・シールは埃または他の汚染物質が台座の軸部と、ドライブ・プレートの孔との間に形成された空間を通って侵入することを防止すべく取付け可能である。
別の実施の形態において、本発明のトランスデューサは一対の容量型トランスデューサを有する。各トランスデューサは独立したドライブ・プレート及び共有ピックアップ・プレートを有する。ピックアップ・プレートは一対のドライブ・プレート間に移動可能に取付けられている。力または動作をピックアップ・プレート及び遠位の位置の間で伝達すべく、ピックアップ・プレートは一対のドライブ・プレートのうちの一方を通ることなく遠位の位置に対して直接取付け可能である。
本発明のトランスデューサは走査トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡等の走査プローブ顕微鏡に使用した際に効果的である。しかし、トランスデューサは高い解像度での精密な測定を必要とする重量、力または変位の測定を行う任意の用途に使用可能である。本発明のトランスデューサは１００，０００対１を越す解像度を有する。トランスデューサは一辺の長さが１／２インチ（約１．２７ｃｍ）の正方形であって、かつ１／８インチ（約０．３１８ｃｍ）の厚さを有し得る。このサイズは従来の走査プローブ顕微鏡のサンプル・ホルダの領域に対するトランスデューサの取付けを可能にする。顕微鏡検査を行うサンプルはトランスデューサの頂面に取付け可能である。これは顕微鏡チップからサンプルに加えられた力を直接検出することを可能にする。
本発明のトランスデューサの信号対雑音比は従来の歪みゲージ・トランスデューサの算出された信号対雑音比より更に高い。前記のように、歪みケージ・トランスデューサの最小ノイズ・レベルは歪みゲージ・エレメントのサーマル・ノイズによって決定される。これとは対照的に、本発明の容量型トランスデューサは同トランスデューサのインピーダンスによって制御されたノイズ・レベルを有する。これは本発明の容量型トランスデューサの信号対雑音比が歪みゲージの信号対雑音比の１０倍を越すことを可能にする。これは搬送信号を５０ＫＨｚを越す値まで増大させることにより更に増大可能である。使用可能な解像度は熱安定性によって制限される。しかし、熱安定性は更に安定した材料を使用することにより改善可能である。更に、ベース・ライン・ドリフトの自動補正も可能である。
１つの実施の形態において、本発明のセンサ・エレメントは従来の印刷回路エッチング技術を使用して容易に形成できる第１の可変コンデンサ及び第２の可変コンデンサを有し、同第１の可変コンデンサ及び第２の可変コンデンサは互いに直列に接続されている。より詳細には、センサは積み重ねられた５つの基層を有する。
両端にそれぞれ位置する２つの外側基層、即ち第１の基層及び第５の基層は金属化された外面及び内面をそれぞれ有する。外側プレートの内面に形成された金属面は別の可変コンデンサの第１のプレート（ドライブ・プレート）を有する。更に、第１の基層はピックアップ・プレートに力を伝達する手段（例えば、力はサンプル・ホルダからピックアップ・プレートに加え得る）を収容する貫通孔、即ち通路を有する。この際、力を伝達する手段は第１の基層に対して接触することなく貫通孔内を移動可能である。即ち、力を伝達する手段は貫通孔内を移動する際に摩擦によって移動を制限されない。ピックアップ・プレートを以下に詳述する。第５の基層の内面は第１の基層内の孔、即ち通路に対向し、かつ同孔の面積と同じ面積を備えた領域を有する。この領域内では、金属化された表面がエッチングされている。これはセンサの直線状の反応を維持すべく実施されている。第１の基層及び第５の基層の外面に形成された金属化された面は従来の要領で機能するシールドとして使用される。
第１の基層及び第５の基層、即ち外側基層は第２の基層及び第４の基層に対してそれぞれ当接している。第２の基層及び第４の基層は絶縁層、即ちフレーム部材を有する。フレーム部材は第３の基層の中央プレートとほぼ同じ面積を有する中央開口部を有する。
第３の基層は２つの絶縁フレーム部材の間に挟まれている。第３の基層は第１の基層及び第５の基層によって形成される一対の可変コンデンサに共通する第２のプレート、即ちピックアップ・プレートを有する。第３の基層は弾性部材で懸架された平坦な中央プレートを有する。好ましい実施の形態において、弾性部材は比較的薄い４つのＬ形バネを含む。従って、５つの基層を互いに結合した際、金属体はフレームの開口部内において移動可能である。
サンプル・ホルダまたは台座等の中央プレートに対して力を伝達する手段は第１の基層及び第２の基層に接触することなく同第１の基層及び第２の基層を貫通して延び、かつ金属体のほぼ中心において同金属体に当接している。これにより、サンプル・ホルダまたは台座に加えられた力は、懸架された金属体の移動を形成する。
前記の基層に対する電気的接続は金属化された孔内に挿入された導電性ピンを用いて形成し得る。金属化された孔は多層印刷回路組立体（Multi-layered printed circuit assemblies）に共通する従来のプレート貫通孔形成技術（Vonventional plate through hole techniques）を使用して形成されている。
一対のドライブ・プレートに対して交流搬送信号を供給する手段が提供されている。高周波オシレータから出力された交流信号は第１の基層及び第５の基層、即ちトランスデューサの２つの外側固定プレートに付随するターミナルに入力される。そして、移動可能な中央プレート（ピックアップ・プレート）は出力を形成する。移動可能な中央プレートの撓みの大きさに比例するプッシュ−プル信号（Push-pull signal）が形成され、かつ増幅される。次いで、同プッシュ−プル信号は出力信号を監視する手段によって同期復調される。力、重量または変位に比例した直流電圧信号を形成可能である。
別の実施の形態において、前記のセンサはサンプルの超微小硬さを測定する装置として使用可能であり、同装置は微小硬さ試験と同時または試験直後における走査トンネル顕微鏡画像または原子間力顕微鏡画像の形成が可能である。本発明のセンサは３０マイクログラムの分解能とともに３グラムのフルスケール・レンジ（Full scale range of 3 grams with resolution to 30 micrograms）を提供し得る。
本発明のセンサを微小押込み硬さ試験及び画像形成を行う装置に使用した場合、センサは撓み信号を形成すべく使用される。撓み信号はカンチレバーから反射されたレーザのフォトセンサ出力から原子間力顕微鏡において形成される。更に、第２の実施の形態において、サンプルはフォース・センサに取付けられている。更に、適切なインデンター・チップ（Indentor tip）または他の鋭い硬質チップが走査トンネル顕微鏡用ピエゾ・アクチュエータ（Scanning tunneling microscope piezp actuator）に取付けられている。センサからの力出力（Force output）がコントロール・ユニットに戻されることにより、システムは標準的な原子間力顕微鏡のように動作する。このため、インデンター・チップまたはサンプルが導電性を有することは必要不可欠な要件ではない。
サンプルに対するチップの付勢力をサンプルに影響を及ぼさない適切な低い値に設定することにより、サンプルの画像を形成し得る。画像形成後、コントローラはチップをサンプル内に押圧し、かつ凹みを形成すべくトランスデューサとの併用が可能である。この際、トランスデューサは凹み形成中に加えられた負荷の検出値を提供する。
第２の実施の形態において、トランスデューサは凹みを形成すべくサンプルをチップに対して押圧するために使用される。これはピックアップ・プレート及び帯電したドライブ・プレート間に引力を形成すべく一対のドライブ・プレートの一方に対して電圧を印加する静電コントローラを使用することにより実現可能である。次いで、同一チップを使用することにより、サンプルの画像を再度形成し得る。この結果、凹みの確認は独立した凹み形成装置を使用する場合のように数時間を要することはなく、寧ろ数分で行い得る。
これに代えて、トランスデューサ・ピックアップ・プレートをインデンター・チップ（Indentor tip）に対して直接または間接的に接続し得る。本実施の形態において、ピックアップ・プレートの移動は凹みを形成すべくチップをサンプルに対して押圧するのに必要な力を形成する。
本発明を特徴付ける効果及び特徴は請求の範囲に開示されている。しかし、本発明の内容、効果及び目的を理解するためには図面及び以下に詳述する実施の形態を参照する必要がある。
【図面の簡単な説明】
複数の図面において、同一の符号は本発明の好ましい実施の形態における同一の部材またはエレメントを示す。
図１は本発明の容量型トランスデューサの分解図である。
図２は力／動作の伝達を行う装置としての本発明のトランスデューサを有する装置の概略図である。
図２Ａは別の実施の形態に基づく図２のトランスデューサに対応するトランスデューサを示す概略図である。
図３は力または動作の伝達を行う装置であって、かつ力、重量または変位を検出する装置としても機能する本発明のトランスデューサを有する別の実施の形態に基づく装置。
図３Ａは本発明のトランスデューサを有する図３に示す検出装置の回路図である。
図４は硬さ試験及び表面画像形成を行う本発明のトランスデューサを有する装置の概略図である。
好ましい実施の形態の詳細な説明
本発明の実施の形態を以下に詳述する。しかし、本明細書中に開示する実施の形態は本発明を単に例示するものであり、本発明は各種の装置に使用可能である。従って、本明細書中に開示する実施の形態は本発明を制限するものではなく、寧ろ請求の範囲の基礎となるものであり、さらには当業者が本発明を各種の形態で実施することを可能にすることを目的とする。
本発明は大きく分けて２つの実施の形態を含む。第１の実施の形態はトランスデューサに関し、同トランスデューサは自身から離間した物体に対する力または動作の伝達が可能であり、さらには力または位置を表示する装置、即ちトランスデューサとして使用できる。第２の実施の形態は微小押込み硬さ試験と、同試験後における試験面の高解像度での画像形成とを行う装置に関する。好ましいデザインにおいて、第２の実施の形態は第１の実施の形態のトランスデューサ・エレメントを使用している。力または位置の伝達／表示を行う装置、即ちトランスデューサを最初に詳述する。次いで、同トランスデューサを使用した微小押込み硬さ試験と、同試験後における試験面の高解像度での画像形成とを行う装置について詳述する。本発明のトランスデューサを単独で試験装置に使用し得る。
一般的に、力（重量を含む）または位置を表示する本発明の装置、即ちトランスデューサは３つの構成部品を有する。第１の構成部品はマルチプレート・コンデンサ・システムを含むトランスデューサある。第２の構成部品はトランスデューサから離間した物体に力または動作を伝達するトランスデューサを制御する手段である。第３の部品は交流搬送信号を供給する手段と、トランスデューサの出力を監視する手段とを含む。トランスデューサの出力を監視する手段は出力信号検出器／出力信号調整器を含む。出力信号検出器／出力信号調整器はトランスデューサからの出力を力、重量または変位に比例した直流信号に変換することが好ましい。
図１は本発明のセンサ・エレメント２の構成部品の分解図である。センサ・エレメントは２つのトランスデューサ４，６を有する。２つのトランスデューサ４，６は直列に接続された２つの可変コンデンサとして機能し、さらには１つの容量型分圧器（Capacitive voltage divider）を形成している。センサ・エレメント２はトランスデューサを形成すべく結合された５つの基層８，１０，１６，１４，１２を有する。センサ・エレメント２は従来の印刷回路エッチング技術を使用して形成可能である。
外側基層、即ち第１の基層８及び第５の基層１２はトランスデューサのドライブ・プレート、即ち固定プレートを有し、かつ搬送信号によって駆動される。搬送信号は約５０ＫＨｚの交流信号であり得る。２つの外側基層８，１２に対する信号は位相が互いに１８０度ずれている。
第１の基層８及び第５の基層１２の各外面は銅等により金属化されている。この金属層はＥＭＩノイズに対するシールドとして機能する。第１の基層８及び第５の基層１２の内面には、金属化されたパターン３０が形成されている。金属化されたパターンは第１の基層８及び第５の基層１２にドライブ・プレートを形成している。第１の基層８の内面に位置する金属化されたパターンは第５の基層１２の内面に位置する金属化されたパターンにほぼ一致している。図１に示すように、第５の基層１２の内面に位置する金属化されたパターン３０、即ちドライブ・プレートはほぼ矩形のフレーム・パターン３１を含み得る。金属化されていない開口３２を形成する溝が金属化された基層パターン３１の周囲に延びている。金属化によって形成された導電性材料の矩形パターン３１が開口３２の中央に配置されている。金属化された矩形パターン３１は導電性ターミナル部３４まで延びる導電性リード３３を有する。
第１の基層８の内面における金属化は第５の基層１２の内面における金属化と２つの点を除いて類似している。第１の違いとしては、センサ・エレメント２を組み立てた際に、第１の基層８及び第５の基層１２のターミナル部３６，３４が垂直方向に整列せずに互いにオフセットしている点が挙げられる。第２の違いとしては、第１の基層８の厚さを貫通して延びる中央の孔２２が挙げられる。孔２２は以下に詳述するサンプル・ホルダ２４または力を伝達する他の手段を収容すべく中央に配置されている。
第５の基層１２の内面は孔２２に対応する脱金属化された部分、即ちエッチングされた部分３８を有する。孔２２にほぼ一致する脱金属化された部分、即ちエッチングが施された部分３８を形成することにより、第１の基層８及び第５の基層１２の各内面は導電性材料で金属化された鏡像をなす矩形パターン３０を有する。これは一対の容量型トランスデューサ４，６からの線形応答を提供するために必要である。
センサ・エレメント２の外側基層、即ち第１の基層８及び第５の基層１２は両面を銅で被覆した１／１６インチ（約０．１５９ｃｍ）のガラス・エポキシ（Glass epoxy）等の標準的な回路基板材料から形成可能である。作業量を低減すべく、外側基層を一度に多数製造し得る。例えば、６インチ（約１５．２４ｃｍ）のシート材料は一辺の長さが１／２インチ（約１．２７ｃｍ）の正方形である基層を約１００枚製造すべく使用できる。第１の基層８及び第５の基層１２の金属化された部分３０のパターンを銅表面のエッチングにより形成し得る。大きなシート材料内において、基層を個々の装置の周囲に形成し、さらには材料を互いに保持すべく材料の薄いタブのみを残すことが可能である。これらのタブは組立後に装置の簡単な取り外しを可能にする。
第２の基層１０及び第４の基層１４はスペーサ層を有する。図示するように、これらの層１０，１４はほぼ矩形をなし、かつ中央にほぼ矩形の開口を有する。開口は層１０，１４を貫通して延びている。スペーサ層、即ち第２の基層１０及び第４の基層１４は絶縁体であるか、または絶縁コーティングで被覆する必要がある。絶縁体１０，１４を貫通する開口は以下に詳述する第３の基層１６上の中央プレート２０及び適切な懸架システム１８の寸法と同じか、または同寸法より大きい。
第２の基層１０及び第４の基層１４は両面に絶縁コーティングを有するエッチングされた金属体から形成可能である。絶縁コーティングはエポキシまたは他の有機材料からなるコーティングであり得る。他の有機材料からなるコーティングの例としては、エナメルで被覆した磁気ワイヤに使用するコーティングが挙げられる。しかし、最も高い効果はスペーサにアルミニウムを使用し、さらには酸化アルミニウムからなる絶縁コーティングを形成すべく同アルミニウムを陽極酸化することによって得られる。
使用するフォトレジスト薬品に基づき、絶縁スペーサ、即ち第２の基層１０及び第４の基層１４を最初にエッチングし、次いで同第２の基層１０及び第４の基層１４を陽極酸化するか、または第２の基層１０及び第４の基層１４を最初に陽極酸化し、次いで同第２の基層１０及び第４の基層１４をエッチングし得る。好ましい方法としては、両側に陽極酸化された薄い層（０．０００１２インチ（約０．０００３ｃｍ）を有する市販のアルミニウム・シートを使用することが挙げられる。この陽極酸化された層はセンサ・エレメント２の他の層の形成に使用するポジティブ・タイプ液体フォトレジスト（Positive type liquid photoresist）に対して効果的に付着する。剥き出しのアルミニウムを使用した場合、フォトレジストはエッチングが施されたエッジにおいて剥離する傾向がある。これは所望の寸法の維持を困難にする。
エッチング後、フォトレジスト及びオリジナルの陽極酸化が除去される。そして、部品は所望の絶縁厚さまで陽極酸化される。０．０００５インチ（約０．００１２７ｃｍ）以下の厚さの陽極酸化された層は必要な電気的絶縁を形成すると信じられている。しかし、外側基層シールド、即ち第１の基層８及び第５の基層１２と、中央プレート、即ち第３の基層１６との間の静電容量を最小限に抑制すべく陽極酸化された層を可能な限り厚く形成することが望ましい。
第３の基層１６は絶縁層、即ち第２の基層１０及び第４の基層１４の間に挟まれている。第３の基層１６は一対のトランスデューサ４，６に共通するピックアップ・プレートを含む。中央プレート２０は第３の基層１６上における中央プレート２０、即ちピックアップ・プレートの所望の相対的移動を実現すべく適切な懸架システム１８に取付けられている。第３の基層、即ち中心基層１６はスリット・パターン１９によって形成された懸架システム１８によって支持されたエッチングした金属層であり得る。従って、中央プレート２０は懸架システム１８のフレームワークによって懸架されたソリッド部分である。第３の基層は電気的接続のためのターミナル１７を有する。中央プレートに使用する金属としては、ベリリウム−銅合金が好ましい。
４つのＬ形スリット１９のパターンを図示しているが、中央プレート２０に対して同様の弾性支持構造を提供する他のパターンを使用し得る。更に、第３の基層の厚さ及びバネ・エレメントのサイズを変更することにより、中央に懸架された物体、即ち中央プレート２０に対する各種の有効バネ係数を実現可能である。従って、第３の基層１６の中央プレート２０に加わる単位力あたりの移動距離を変更し得る。この結果、各種の測定範囲を有する複数のセンサを形成し得る。
５つの基層８，１０，１６，１４，１２を組み立てた際、第３の基層１６の中央プレート２０は絶縁層、即ち第２の基層１０及び第４の基層１４内に形成された開口の中央に配置されている。この結果、中央プレート２０は第１の基層８及び第５の基層１２に対して自由に撓み得る。
５つの基層を手作業で組み立て得る。５つの基層を同基層の外周部全体に沿って挿入されたピンで保持する。次いで、各基層を外側基層に対してハンダ付けする。組み立てる際、各内層、即ち基層間の電気的接続はボニン他が米国特許第４，６９４，６８７号に開示するように容易に形成可能である。
中央プレート２０と、同中央プレート２０から離間した遠位の位置との間で力を伝達する手段２４が提供されている。この手段はサンプル・ホルダ２４を含み得る。サンプル・ホルダ２４はサンプルの重量によって形成された力を第３の基層１６の中央プレート２０に伝達する。更に、サンプル・ホルダ２４は凹み形成または他の微小機械オペレーション（Micromachining operation）を実行すべく、力及び動作を中央プレート２０からサンプル・ホルダ２４（または他の装置）に伝達する。力及び動作を中央プレート２０から同中央プレート２０から離間した遠位の物体まで伝達する手段（例：サンプル・ホルダ２４）、即ち力及び動作を中央プレート２０の接続部を通って遠位の物体まで伝達する手段を以下に詳述する。
好ましい実施の形態において、サンプル・ホルダ２４はサンプル保持面２６及び軸部２８を有する台座である。軸部２８は第１の基層８内に形成された孔２２と、第２の基層１０内に形成された開口とを貫通して延びている。センサを組み立てた際、軸部２８の底面２９は中央プレート２０の頂面に対して中心点２３において当接している。軸部２８及び孔２２の壁の間の空間はダイヤフラム・シールまたは他のシール手段により汚染物質からシールすることが好ましい。ダイヤフラム・シールまたは他のシール手段は埃の侵入を防止し、さらには台座または力を伝達する他の手段２４の移動を阻害しない。
この結果、サンプルまたは他の手段によってサンプル・ホルダ２４のサンプル保持面２６に加えられた重量、即ち力は第３の基層１６の中央プレート２０に対して伝達される。これにより、サンプル・ホルダ２４の表面に加えられた力に比例した撓みが中央プレート２０に形成される。従って、力が加えられた中央プレート２０は２つの外側基層、即ち第１の基層８及び第５の基層１２のいずれか一方に接近する方向または離間する方向に移動する。サンプル・ホルダ２４は表面２６上に負荷を配置することなく移動し得るエレメント、即ち力を加えるエレメントに対して直接連結し得る。この目的に適したコネクタで表面２６を置換し得る。
外側プレート、即ち第１の基層８及び第５の基層１２に対して搬送信号を提供する手段が配置されている。そして、同搬送信号は交流信号であり得る。この種の手段は５０ＫＨｚの交流信号を形成するオシレータを含み得る。２つの外側プレートのうちの一方に対して供給する信号は他方に対して供給する信号に対して位相が１８０度ずれていることが好ましい。
センサ・エレメント２からの出力を検出する手段と、同出力を中央プレート２０の力、重量または変位に比例した信号に変換する手段とが提供されている。出力信号は非常に高い入力インピーダンス（１００メガオーム−０．３ｐＦ）を有する緩衝増幅器を通って流れる。そして、出力信号は直流信号を形成すべく同期復調される。直流信号は中央プレート２０の力、重量または変位に比例する。出力は一方の方向への変位に対して正の値を示し、さらには他方の方向への変位に対して負の値を示す。サンプル・ホルダ２４、即ち力を伝達する手段は中央プレート２０に同調して移動すべく同中央プレート２０に対して取付けられているか、または当接している。センサ２の出力は中央プレート２０の位置に対して比例する。更に、センサ２は直線状をなす力及び変位の関係を有する。このため、センサ２の出力は力（重量を含む）を示すべく簡単に較正できる。
サンプル・ホルダ２４、即ち力を伝達する手段は絶縁材料から形成するか、または絶縁材料で被覆する必要がある。更に、孔２２の内径及び軸部２８の外径の間のクリアランスはセンサ・エレメント２の感度を低減する摩擦を防止する十分な大きさを有する必要がある。
本発明に基づく容量型トランスデューサの信号対雑音比は従来の金属歪みゲージ・トランスデューサの信号対雑音比より更に高い値を有する。歪みゲージ・トランスデューサの最小ノイズ・レベルは歪みゲージ抵抗素子のサーマル・ノイズによって決定される。このノイズは抵抗の平方根に比例する。出力信号は入力信号に比例する一方、同入力信号に比べて非常に小さい。商業スケールの歪みゲージ・トランスデューサの一般的な値は５ミリボルトのフルスケール出力において１７５オームの抵抗値を示す。
本発明のスリー・プレート容量型トランスデューサ（Three-plate capacitive transducer）は抵抗トランスデューサのようにノイズを形成しない。しかし、信号は同信号を増幅器に入力しない限り使用できないうえ、増幅器は非常に高い入力抵抗を有する必要がある。このため、増幅器はノイズを形成する。このノイズの下限は増幅器の有効入力インピーダンスによって決定される。容量型トランスデューサは増幅器入力インピーダンスに対してパラレルであるうえ、増幅器入力インピーダンスはトランスデューサのインピーダンスより更に大きい（即ち、出力は非線形である）。このため、有効入力インピーダンスはトランスデューサのインピーダンスに等しい。
トランスデューサのインピーダンスは静電容量及び動作周波数によって決定される。高い動作周波数は低いトランスデューサ・インピーダンスを形成する（X_c=1／6.28FC）。０．００５インチ（約０．０１２７ｃｍ）のプレート間隔を有し、かつ一辺の長さが１／２インチ（約１．２７ｃｍ）の正方形をなす装置において、静電容量は約１０ｐＦである。動作周波数は増幅器及び付随する回路の周波数応答によって制限される以外は、任意の適切な値であり得る。トランスデューサのフルスケール出力信号（Full scale output signal）は入力電圧に等しく、同入力電圧は一般的に１０ボルトである。容量型トランスデューサのフルスケール出力は１０Ｖである。これは歪みゲージ・トランスデューサのフルスケール出力（５ｍＶ）の２，０００倍の大きさである。容量型トランスデューサを使用した場合、インピーダンス及び形成されるノイズは大きくなる（高価な部品の使用を必要とする非常に高い周波数を使用する場合を除く）。しかし、容量型トランスデューサは高い出力レベルを有するため、同容量型トランスデューサの信号対雑音比は更に効果的である。
以下の表は２つのトランスデューサの信号対雑音比の関係を示す。

前記の表から明らかように、本発明の容量型トランスデューサは電子ノイズに関して歪みゲージより遙かに優れている。
容量型トランスデューサ、即ちセンサ・エレメント２の出力は中央部分２０、即ち電極の変位に比例する。このため、変位を測定するスケール、即ち測定具として使用する装置を製造し得る。中央プレート２０を支持する懸架システム１８の適切な剛性を最初に選択する必要がある。この結果、サンプル・ホルダ２４、即ち力を伝達する手段は、対象物を撓ませて同対象物の実際の位置を変化させる過剰な力を形成することなく、測定対象面に対して確実に付勢可能である。更に、複数の絶縁スペーサ、即ち第２の基層１０及び第４の基層１４は中央プレートを十分にオフセットさせるべく異なる厚さにそれぞれ形成し得る。これは装置の動作範囲を変更し得る。実験結果は１０オングストロームより更に小さい分解能の実現が可能なことを示している。
図２は力または動作の伝達を行うシステムとしての本発明のトランスデューサ１００を示す。システム１００において、コントローラ１０２はトランスデューサ１０４に接続されている。トランスデューサ１０４は図１のマルチプレート容量型トランスデューサ・システムに類似した構造を有し得る。トランスデューサ１０４は同トランスデューサ１０４から離間した遠位の位置１０６に対して力または動作を選択的に伝達すべくコントローラ１０２に応答する。
図２に示す好ましい実施の形態に基づくシステム１００はコントローラ１０２を有する。コントローラ１０２は符号１１４で示すように静電コントローラ１１２に対して電気的に接続されたデータ収集及び制御システム（Data acquisition and control system）１１０を有する。静電コントローラ１１２は符号１１６で示すようにトランスデューサ１０４に対して電気的に接続されている。
図１に示すマルチプレート容量型トランスデューサ同様に、トランスデューサ１０４はマルチプレート・コンデンサを有する。マルチプレート・コンデンサは２つのドライブ・プレート１１８，１２０及びピックアップ・プレート１２２を有する。伝達手段１２４はピックアップ・プレート１２２に対して機械的に連結されている。伝達手段１２４は力または動作を中央プレート１２２及び遠位の物体１０８間で伝達する。
オペレーションにおいて、静電コントローラ１１２はトランスデューサ１０４の２つのドライブ・プレート１１８，１２０の少なくともいずれか一方に対して比較的高い電圧を印加する。２つのドライブ・プレート１１８，１２０はトランスデューサ１０４内に固定されている。ピックアップ・プレート１２２はトランスデューサ１０４内に移動可能に取付けられている。好ましい実施の形態において、静電コントローラ１１２はドライブ・プレート１１８に対して比較的高い電圧を印加する。移動可能に取付けられたピックアップ・プレート１２２及び固定ドライブ・プレート１１８間の静電引力はピックアップ・プレート１２２をドライブ・プレート１１８に向けて引き寄せる。ピックアップ・プレート１２２をドライブ・プレート１１８に近づけた場合、力伝達メカニズム１２４は遠位の物体１０８に対して対応する力または動作を伝達する。
静電コントローラ１１２はデータ収集及び制御システム１１０を通じて手動または自動で制御可能である。１つの好ましい実施の形態において、静電コントローラ１１２はドライブ・プレート１１８に入力する直流電圧を増幅する増幅器に対して接続された直流電源を有する。ドライブ・プレート１１８に対して印加する電圧はデータ収集及び制御システム１１０によって選択的に変更可能である。静電コントローラ１１２を通じてドライブ・プレート１１８に対して印加される電圧を増大させた場合、ピックアップ・プレート１２２及びドライブ・プレート１１８間の静電引力が増大することにより、ピックアップ・プレート１２２はドライブ・プレート１１８に引き寄せられる。
１つの実施の形態において、静電コントローラ１１２はピックアップ・プレート１１８に対して５００ボルトの最大直流電圧を印加する増幅器に対して接続された直流電源を有する。本実施の形態において、力伝達メカニズム１２４を通じて遠位の物体１０８に対して伝達される最大力は約２．５ｍＮである。殆どの実用的試験器具において、２．５ｍＮの最大力が適切である一方、同最大力を更に増大させ得る。１つの実施の形態において、ドライブ・プレート１１８及びピックアップ・プレート１２２間の間隙を減少させ、かつトランスデューサ組立体１０４に異なる厚さのスペーサを使用することにより、力を増大させ得る。
ピックアップ・プレート１２２から離間した遠位の物体に対して力または動作を伝達すべく、静電コントローラ１１２をドライブ・プレート１１８またはドライブ・プレート１２０に対して接続し得る。これに代えて、図２に示すように、トランスデューサを力伝達装置及び／または位置決め装置として使用すべくドライブ・プレート１１８，１２０に対して比較的高い電圧を印加するために、静電コントローラ１１２は２つのドライブ・プレート１１８，１２０の両方に対して接続可能である。更に、シングル・コンデンサ・システム（Single capacitor system）を使用し得る。この場合、静電コントローラ１１２はシングル・ドライブ・プレート１１８に対して接続されている。マルチプル・コンデンサ・システム（Multiple capacitor system）同様に、静電コントローラ１１２を通じて電圧をドライブ・プレート１１８に対して印加した際、ピックアップ・プレート１２２はドライブ・プレート１１８に引き寄せられる。これにより、力伝達メカニズム１２４は対応する力または動作を遠位の物体１０８に対して伝達する。
更に、図２は力及び動作をピックアップ・プレート１２２及び遠位の物体１０８の間で伝達する力伝達メカニズム１２４を示す。力伝達メカニズム１２４はピックアップ・プレート１２２からドライブ・プレート１１８の中央に形成された孔を通って遠位の物体１０８まで延びている。トランスデューサ１０４は本発明の範囲内において多くの異なる形状及び形態をなし得る。力伝達メカニズム１２４はドライブ・プレート１１８内を通ることなく力若しくは動作をピックアップ・プレート１２２から遠位の物体１０８まで伝達可能であるか、または遠位の物体１０８は力及び動作をピックアップ・プレート１２２及び遠位の物体１０８の間で伝達すべくピックアップ・プレート１２２に対して直接当接させ得る。
図２Ａに示す本発明の別の実施の形態において、ピックアップ・プレート１２２はドライブ・プレート１１８，１２０内を通ることなく遠位の物体１０８に対して直接または間接的に接続可能である。本実施の形態において、ピックアップ・プレート１２２は力または動作をピックアップ・プレート１２２及び遠位の物体１０８の間で伝達し得る。図２Ａに示す実施の形態において、ピックアップ・プレート１２２はサンプル・ホルダ１２４上に位置するサンプル１０８の表面に凹みを形成するチップ１２５を配置した遠位の物体１０８に対して力を伝達し得る。
静電駆動によって形成された力（Force）は以下の数式、即ち、
Ｆ＝ＫＶ²
によって算出可能である。この数式において力の単位はニュートンであり、Ｋはニュートン／ボルト²（Newtons/volt squared）によって表される力の定数であり、Ｖはボルトである。遠位の物体１０８の重量の変更はトランスデューサ１０４内の複数のプレート１１８，１２２，１２０間の間隙を変更する。このため、力の定数Ｋの正確な値は遠位の物体１０８の重量に基づいて変化し得る。図２に示す実施の形態において、力の定数Ｋは簡単な実験により決定し得る。簡単な実験の例としては、一定位置におけるトランスデューサの力及び静電位の関係を測定することが挙げらる。この測定は試験重量を加え、かつ同試験重量を釣り合わせるために必要な電圧を決定することにより測定可能である。この方法により、ピックアップ・プレート１２２は同一の位置に常に配置される。この結果、電界は印加された電圧に比例する。
システムの性能を変更または改善すべくマルチプレート容量型トランスデューサ１０４を本発明の範囲内で変更し得る。例えば、コロナ破壊等の現象を防止すべく非導電性スペーサをドライブ・プレート１１８，１２０及びピックアップ・プレート１２２間に配置するか、またはトランスデューサ１０４を誘電性流体で充填し得る。コロナ放電が存在する場合、トランスデューサ１０４内のイオン化された空気はドライブ・プレート１１８，１２０及びピックアップ・プレート１２２間の相対的静電容量を変化させ得る。そして、トランスデューサ１０４の誤った出力を招来し得る。
図３は本発明の別の実施の形態を示す。図２のシステム１００に加えて、力、重量または位置に比例するドライブ・プレート１１８，１２０に対するピックアップ・プレート１２２の変位を測定すべく、トランスデューサ１０４のマルチプレート・コンデンサ・システムに対して搬送信号を入力するオシレータ１３０が提供されている。１つの好ましい実施の形態において、オシレータ１３０はドライブ・プレート１１８，１２０に対して電気的に接続されている。オシレータ１３０は交流搬送信号、即ち高周波信号を形成し、同信号はドライブ・プレート１１８，１２０に対してそれぞれ入力される。この場合、一方のドライブ・プレートに入力される信号は他方のドライブ・プレートに入力される信号に対して位相が１８０度ずれている。一般的に、各ドライブ・プレートに入力される搬送周波数は静電制御信号の周波数より高い。この結果、２つの信号間の干渉を解消し得る。
更に、緩衝器Ｂ１，Ｂ２が絶縁のために静電コントローラ１１２及びトランスデューサ１０４間と、オシレータ１３０及びトランスデューサ１０４間とにそれぞれ配置されている。緩衝器Ｂ１，Ｂ２により、オシレータ１３０は静電コントローラ１１２の高電圧入力による影響を受けなくなるとともに、静電コントローラ１１２はオシレータ１３０の信号の影響を受けなくなる。１つの好ましい実施の形態において、緩衝器Ｂ１は１メガオームの一対の抵抗器であり、緩衝器Ｂ２は１，０００ピコファラッドの一対のコンデンサを含む。
ドライブ・プレート１１８，１２０に対して搬送信号を供給するオシレータ１３０が形成するトランスデューサ１０４の出力信号を検出すべく、出力信号検出器／出力信号調整器１３２は符号１３１で示すようにピックアップ・プレート１２２に対して接続されている。トランスデューサ１０４の出力信号１３１は検出された力、重量または変位を示すピックアップ・プレート１２２の位置に比例している。
出力信号検出器／出力信号調整器１３２はピックアップ・プレート１２２からの出力信号１３１をピックアップ・プレート１２２の力、重量または変位に比例した信号に変換する。１つの実施の形態において、出力信号は非常に高い入力インピーダンス（１００メガオーム−０．３ピコファラッド）を有する緩衝増幅器を通じて送られ、次いで直流信号を形成すべく同期復調される。直流信号はピックアップ・プレート１２２の力、重量または変位に比例している。更に、ドライブ・プレート１１８，１２０に対するピックアップ・プレート１２２の位置を制御すべくコントローラ１０２を使用した際、入力信号１３３を出力信号検出器／出力信号調整器１３２からデータ収集及び制御システム１１０に対して供給可能である。
図３Ａは図３の測定システムに相当する回路図であり、同回路はオシレータ１３０及びマルチプレート容量型トランスデューサ１０４を有する。図３Ａの接続点１，２，３は図３のトランスデューサ１０４の接続点１，２，３に対応している。トランスデューサ１０４は２つの接続点１，２に対して位相が互いに１８０度ずれた入力交流搬送信号をそれぞれ供給するオシレータ１３０を備えた容量型分圧器（Capacitive voltage divider）として形成されており、同容量型分圧器の電圧出力信号は接続点３から出力される。接続点３における電圧出力信号は接続点１及び接続点３の間の静電容量と、接続点２及び接続点３の間の静電容量との間の比率によって決定される。
前記のように、トランスデューサ１０４のドライブ・プレート１１８，１２０に対して搬送信号を供給するオシレータ１３０により、出力信号検出器／出力信号調整器１３２はピックアップ・プレート１２２における出力信号を監視する。同出力信号はドライブ・プレート１１８，１２０に対するピックアップ・プレート１２２の位置に比例している。この結果、遠位の物体１０８に対して力を伝達すべく、ピックアップ・プレート１２２をドライブ・プレート１１８に向けて引き寄せるために電圧を静電コントローラ１１２を通じてドライブ・プレート１１８に対して印加した際、遠位の物体１０８に伝達された力は前記のように印加された電圧を二乗した値に対して力の定数を乗じた値の比率によって決定し得る。ピックアップ・プレート１２２上の出力信号は同ピックアップ・プレート１２２の位置に直接比例する。
図４は硬さ試験及び表面画像形成を行う本発明に基づく前記のトランスデューサを有する装置を示す。本実施の形態では、サンプルの表面構造の走査を最初に実施する。この直後、微小押込み硬さ試験を行う。その後、２度目の表面構造の走査を実施する。これらは全て１つの装置を用いて実施される。一般的に、図４は自然位高解像度画像形成（In-situ high resolution imaging and microindentation testing）及び微小押込み硬さ試験を１つの装置で実施すべく改造されたディジタル・インスツルメンツ社（Digital Instruments）のナノスコープIII（NanoscopeIII）等の市販の走査トンネル顕微鏡を示す。
前記のように、走査トンネル顕微鏡は市販されている。１９８９年１０月に発行されたサイエンティフィック・アメリカンの９８〜１０５頁に記載されているウィックラーマシンジェによる“走査プローブ顕微鏡”と称される論文に開示されているように、走査トンネル顕微鏡は図４に示す幾つかの標準部品を有する。この開示をもって、前記のウィックラーマシンジェの記載を本明細書中に開示したものとする。
走査トンネル顕微鏡では、サンプル１５２は分析を実施すべくサンプル・プラットフォーム１５４上に配置される。走査トンネル顕微鏡はプローブ１５０及びサンプル１５２の間に形成された間隙をトンネル状に流動する電子を用いることにより、表面構造を原子レベルで検出する。三次元ピエゾ・アクチュエータ１５８は同アクチュエータ１５８上に取付けられたプローブを有する。三次元ピエゾ・アクチュエータ１５８は印加された電圧の変化に応じてプローブを３方向に移動させるべく使用される。一般的に、ピエゾエレクトリック・セラミックは印加された電圧の変化に応じてサイズが僅かに変化し、これによりプローブを三次元で駆動する。このため、三次元ピエゾ・アクチュエータ１５８を形成すべくピエゾエレクトリック・セラミックが一般的に使用される。三次元ピエゾ・アクチュエータ１５８に印加する電圧は走査トンネル顕微鏡コントローラ１６０によって制御される。
動作時、電圧はプローブ１５０のチップに印加される。そして、プローブ１５０のチップはトンネル電流が流動し始めるまで導体または半導体であるサンプル１５２の表面に向けて移動される。水平方向の移動を制御するピエゾエレクトリック・セラミックに印加する電圧を変化させることにより、プローブ１５０のチップはラスタ・パターンで前後方向に走査を行う。トンネル電流はサンプルの表面構造に基づいて変化する。この結果、フィードバック・メカニズムを提供し、かつトンネル電流を監視する電流出力信号１６６が変化する。そして、電流出力信号１６６は走査トンネル顕微鏡コントローラ１６０に対して入力される。コントローラ１６０は三次元ピエゾ・アクチュエータ１５８に対する出力を調整する。これに応じて、三次元ピエゾ・アクチュエータ１５８は表面の起伏に沿ってプローブ１５０のチップを上下動させる。プローブ１５０の移動は表面を示す画像に翻訳され、さらにはイメージ・ディスプレイ１６２上に表示される。
走査トンネル顕微鏡では、プローブ１５０はタングステンから形成されている。プローブ１５０のチップは非常に細く、かつ１つの原子のみから形成され得る。更に、同チップは０．２ナノメートルまでの幅を検出可能である。
微小押込み硬さ試験と、同試験後における表面画像形成を行う本発明の装置は幾つかの変更を施した前記の走査トンネル顕微鏡を使用している。第１の実施の形態において詳述したトランスデューサ１５６は、標準サンプル・ホルダの代わりに走査トンネル顕微鏡のベースに取付けられている。そして、サンプル１５２はサンプル・プラットフォーム１５４上に配置されている。出力信号調整器／出力信号検出器１６４はトランスデューサ１５６からの出力信号を監視するとともに、同出力信号をプローブ１５０からプラットフォーム１５４上のサンプル１５２に加えられた力に比例する信号に変換すべくトランスデューサ１５６に対して接続されている。出力信号調整器／出力信号検出器またはトランスデューサからの出力信号は同信号を表面画像形成中に走査トンネル顕微鏡コントローラ１６０を通じて送信することにより、プローブ１５０の垂直方向の位置、即ちｚ軸に沿った位置を制御すべく使用し得る。これに代えて、出力信号調整器／出力信号検出器１６４からの出力は微小押込み硬さ試験中に加えられた力を検出すべく監視可能である。これらの手順を以下に詳述する。
前記の走査トンネル顕微鏡では、タングステン・チップは微小押込み硬さ試験を行う更に硬いチップと交換されている。好ましい実施の形態において、ブルーダイヤモンド等のダイヤモンド・チップが使用されている。チップ及び試験サンプルは導電性を有する必要はない。しかし、導電性を有する走査トンネル顕微鏡用ブルーダイヤモンド・チップの使用が可能なことが認められている。これらのチップは走査トンネル顕微鏡による導電性サンプルの画像形成と、本発明の装置を使用した試験とに使用可能である。
オペレーションにおいて、本発明の第２の実施の形態のトランスデューサ１５６は凹み形成またはスクラッチ形成中に力を加えることと、同凹み形成またはスクラッチ形成中に加えられた力の検出と、試験の前後における画像形成とに使用される。走査トンネル顕微鏡のトンネル電流出力信号１６６を遮断し、同トンネル電流出力信号１６６に代えて出力信号調整器／検出器１６４からの出力信号１６８を使用することにより、原子間力顕微鏡画像を走査トンネル顕微鏡を用いて形成する。次いで、走査トンネル顕微鏡の走査機能を通常に動作させる。この際、出力信号調整器／出力信号検出器１６４の出力信号は一定のトンネル電流より、寧ろ一定の力をプローブ１５０のチップ及びサンプル１５２間に維持すべくｚ軸ピエゾ・セラミックを制御する。これに代えて、一定の高さの画像を形成し得る。この場合、プローブ１５０のチップのｚ位置、即ち垂直方向の高さを一定に維持し、画像を出力信号調整器／出力信号検出器１６４から出力されたトランスデューサ１５６の出力信号から直接形成する。出力信号調整器／出力信号検出器１６４から得られたトランスデューサ１５６の出力信号は走査トンネル顕微鏡コントローラ１６０を通って流れ、さらにはイメージ・ディスプレイ１６２上に表面構造を表示すべく使用される。
前記の手順により表面の画像が形成された後、コントローラはチップをサンプル内に押圧し、かつ凹みを形成すべく使用可能である。この際、フォース・センサは凹み形成中に加えられた負荷の検出値を出力する。更に、トランスデューサ１５６は凹みを形成すべくサンプルをチップに対して押圧するために使用できる。好ましい実施の形態では、静電コントローラ１７０は電圧をトランスデューサ１５６に対して選択的に印加すべく操作可能である。これはサンプルをチップ１５０に対して押圧して凹みを形成する力をトランスデューサ１５６を用いて形成することを可能にする。これに代えて、凹みを形成すべくチップ１５０をサンプルに対して押圧するために、トランスデューサ１５６をチップ１５０に対して接続し得る。
凹みを形成すべくトランスデューサ１５６によって形成された力は静電コントローラ１７０の手動操作、またはデータ収集及び制御システム１７２による静電コントローラ１７０の自動操作によって選択的に制御可能である。データ収集及び制御システム１７２は所望の力をトランスデューサ１５６を用いて形成するために必要な印加する電圧を算出すべくマイクロプロセッサまたは類似する論理システムを有し得る。更に、出力信号調整器／出力信号検出器１６４はデータ収集及び制御システム１７２に対して電気的に接続されている。柔らかいサンプルにおいて発生することが知られている凹み形成時のサンプルの移動を補償すべく、データ収集及び制御システム１７２をトランスデューサ１５６から加わる力の調整に使用できる。トランスデューサ１５６から加わる力はトランスデューサ１５６から出力された出力信号に基づいて出力信号調整器／出力信号検出器１６４を用いて変更できる。
凹みが形成された後、同一チップを使用してサンプルの画像を再び形成し得る。この結果、サンプルを移動させたり、凹みが形成されたサンプル上の位置を発見する必要をともなうことなく、凹みの結果を数分以内に確認可能である。更に、第１の表面画像形成、凹み形成及び第２の表面画像形成はサンプルを移動させることなく実施される。このため、第１の表面画像及び第２の表面画像は同一面を示し、かつ凹み形成工程の影響を示すことが保証される。
前記のシステムでは、サンプルの位置を変更することなく導電性サンプル及び非導電性サンプルの両方の画像を機械的試験の前後において高解像度で形成可能である。従って、それぞれ独立した凹み形成装置及び画像形成装置を使用した場合とは対照的に、試験領域の位置を探す問題がない。更に、原子間力顕微鏡から走査トンネル顕微鏡にスイッチを切替えることにより、同一のサンプル面を示す原子間力顕微鏡画像及び走査トンネル顕微鏡画像を並べて比較できる。原子間力顕微鏡の信号はサンプルの表面構造をほぼ正確に示す一方、走査トンネル顕微鏡の信号は表面の導電性、即ち電子の状態に関する情報を提供し得る。このため、原子間力顕微鏡画像及び走査トンネル顕微鏡画像を並べて比較し得ることは効果的である。
微小押込み硬さ試験及び表面画像形成を行う本発明の装置を好ましい実施の形態に基づいて詳述した。同好ましい実施の形態では、サンプルを取付けるベースと、プローブを取付けたピエゾ素子駆動式ヘッドとを有する走査トンネル顕微鏡装置を使用している。ピエゾ素子駆動式ヘッドはサンプルの表面構造を検出すべくベースに取付けられたサンプルとの係合を実現する。この実施の形態において、プローブはピエゾ素子駆動式ヘッドに取付けられている。更に、トランスデューサはサンプルを取付けるベースに取付けられている。この構成において、走査ヘッド、即ちピエゾ素子駆動式ヘッドはプローブを表面構造に沿ってラスタ・パターンで移動させる。しかし、プローブ、トランスデューサ及び走査ヘッドの別の構成が本発明の範囲内において可能である。本発明の走査プローブ顕微鏡装置の重要な点としては、サンプルの表面構造を検出すべくサンプルの表面との係合を実現する走査ヘッドに対してプローブを取付けている点が挙げられる。プローブは試験サンプルより更に高い硬度を有する。そして、プローブをサンプルの表面に対して係合させた際、トランスデューサはサンプル及びプローブ間の力を検出し、さらには微小機械加工中に凹みを形成する力を伝達すべく配置される。
前記のように、第１の好ましい実施の形態において、走査プローブ顕微鏡はサンプルを取付けるベースと、プローブを取付けたピエゾ素子駆動式ヘッドと、ベースに取付けられたトランスデューサと、ベース上に配置されたサンプルとを有する。第２の好ましい実施の形態において、トランスデューサは同トランスデューサに固定されたプローブとともに固定面に対して取付け可能である。サンプルはピエゾ素子駆動式ヘッド、即ち走査ヘッドを取付けたサンプル・ホルダに取付け可能である。この構成において、ピエゾ素子駆動式走査ヘッドはサンプルをプローブに対して移動させる。この際、プローブに加わる力は同力を測定すべくトランスデューサを通じて翻訳される。
第３の実施の形態において、走査対象面を有するサンプルは本発明の装置の取付けが可能な大きなサンプルであり得る。本発明の装置はトランスデューサに取付けられたプローブを含む。そして、トランスデューサはピエゾ素子駆動式ヘッド、即ち走査ヘッドに取付けられている。この構成において、プローブは大きなサンプルの表面に係合すべく配置されている。更に、トランスデューサは押圧力を検出すべく使用される。その一方、走査ヘッドは画像を形成すべくプローブをサンプルの表面上で移動させる。
第４の実施の形態において、プローブは固定面に取付け可能である。この構成において、サンプル及びトランスデューサはピエゾ素子駆動式ヘッド、即ち走査ヘッドに取付けられている。従って、走査ヘッドはプローブ及びサンプル間の力を検出するトランスデューサ並びにサンプルを固定プローブに対して移動させる。
本発明の特徴及び効果は本明細書中に開示されている。しかし、この開示は多くの点において例示を目的とするものである。本発明の変更、特に部品の形状、サイズ及び配置に関する変更は本発明の範囲から逸脱することなく実施可能である。本発明の範囲は請求の範囲に開示されている。

Claims (16)

1. 力または動作を伝達し、さらには力、重量または位置を検出する高精度トランスデューサであって、
   ａ．第一及び第二のドライブ・プレート及びピックアップ・プレートからなる一対の容量型トランスデューサであって、前記第一のドライブ・プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアップ・プレートは前記第一及び第二のドライブ・プレート間において絶縁スペーサにより前記第一及び第二のドライブ・プレートからそれぞれ電気的に分離されている、一対の容量型トランスデューサと、
   ｂ．力を遠位の物体に対して伝達すべく、前記第一及び第二のドライブ・プレートの少なくとも１つに対して電圧を印加する静電駆動により前記ピックアップ・プレートを制御する手段と、
   ｃ．遠位の位置及び前記ピックアップ・プレート間で力を伝達する手段とを備え、
   前記ピックアップ・プレートを制御する手段は、前記ドライブ・プレートに対する前記ピックアップ・プレートの位置を制御するとともに、力を前記ピックアップ・プレートから遠位の物体に伝達すべく制御し、前記力を伝達する手段は、前記第一のドライブ・プレートにおいて前記中心部に配置された貫通孔を通過するとともに、前記ピックアップ・プレートのほぼ中心点及び遠位の物体にそれぞれ当接する非導電性軸部を含む、トランスデューサ。
2. 前記ピックアップ・プレートの位置を制御する手段は静電コントローラを有する請求項１に記載のトランスデューサ。
3. 前記静電コントローラは電圧を前記複数のドライブ・プレートのうちの１つに対して印加することを含む請求項２に記載のトランスデューサ。
4. 前記静電コントローラは電圧を前記ドライブ・プレートに対して印加する可変電源を含む請求項３に記載のトランスデューサ。
5. 前記静電コントローラは各ドライブ・プレートに対して電気的に接続されている請求項２に記載のトランスデューサ。
6. 前記静電コントローラは電圧を各ドライブ・プレートに対して選択的に印加する請求項５に記載のトランスデューサ。
7. 力または動作を伝達し、さらには力、重量または位置を検出する高精度トランスデューサであって、
   ａ．第一及び第二のドライブ・プレート及びピックアップ・プレートからなる一対の容量型トランスデューサであって、前記第一のドライブ・プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアップ・プレートは前記第一及び第二のドライブ・プレート間において絶縁スペーサにより前記第一及び第二のドライブ・プレートからそれぞれ電気的に分離されている、一対の容量型トランスデューサと、
   ｂ．前記複数のドライブ・プレートの少なくとも１つに対して電圧を印加する静電駆動により前記ドライブ・プレートに対する前記ピックアップ・プレートの位置を制御する手段と、
   ｃ．前記ドライブ・プレートに対する前記ピックアップ・プレートの位置に比例した出力信号を形成すべく前記ドライブ・プレートに対する前記ピックアップ・プレートの位置に応答する手段と、
   ｄ．前記出力信号を監視する手段と、
   ｅ．前記ピックアップ・プレートから離間した位置と、前記ピックアップ・プレートとの間で力を伝達する手段とを備え、
   前記ピックアップ・プレートの位置を制御する手段は、力を前記ピックアップ・プレートから遠位の物体に伝達すべく制御し、前記力を伝達する手段は、前記第一のドライブ・プレートにおいて前記中心部に配置された貫通孔を通過するとともに、前記ピックアップ・プレートのほぼ中心点及び遠位の物体にそれぞれ当接する非導電性軸部を含む、トランスデューサ。
8. 前記監視する手段は、
   ａ．信号を一対のドライブ・プレートに対して入力する手段
   を含む請求項７に記載のトランスデューサ。
9. 前記ドライブ・プレートに入力される信号は交流信号であり、一方のドライブ・プレートに入力される信号は他方のドライブ・プレートに入力される信号に対して位相が１８０度ずれている請求項８に記載のトランスデューサ。
10. 前記ピックアップ・プレートの位置を制御する手段は静電コントローラを含み、前記静電コントローラは電圧を各ドライブ・プレートに対して選択的に印加する請求項８に記載のトランスデューサ。
11. 前記一対のドライブ・プレートに印加された信号は、静電コントローラによってドライブ・プレートに印加された電圧の周波数に対して高い周波数を有する請求項１０に記載のトランスデューサ。
12. 前記監視する手段は台座の変位に比例した直流信号を形成すべく前記出力信号を同期復調する請求項７に記載のトランスデューサ。
13. 顕微鏡試験システムに使用される力または動作を伝達し、さらには力、重量または位置を検出する高解像度トランスデューサ・システムであって、
    ａ．トランスデューサと、前記トランスデューサは、
    ｉ．第一及び第二のドライブ・プレート及びピックアップ・プレートからなる一対の容量型トランスデューサであって、前記第一のドライブ・プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアップ・プレートは前記第一及び第二のドライブ・プレート間おいて絶縁スペーサにより前記第一及び第二のドライブ・プレートからそれぞれ電気的に分離されている、一対の容量型トランスデューサと、
    ｉｉ．遠位の位置及び前記ピックアップ・プレート間で力を伝達する手段とを有することと、
    ｂ．前記ピックアップ・プレートを制御する手段と、前記ピックアップ・プレートを制御する手段は、前記複数のドライブ・プレートの少なくとも１つに対して電圧を印加する静電駆動により前記ドライブ・プレートに対する前記ピックアップ・プレートの位置を制御する手段と、力を前記ピックアップ・プレートから遠位の物体に伝達すべく制御する手段とを有することと、
    を含み、前記力を伝達する手段は、前記第一のドライブ・プレートにおいて前記中心部に配置された貫通孔を通過するとともに、前記ピックアップ・プレートのほぼ中心点及び遠位の物体にそれぞれ当接する非導電性軸部を含む、トランスデューサ・システム。
14. ａ．前記一対のドライブ・プレートに対して信号を入力する手段と、
    ｂ．前記ドライブ・プレートに対する前記ピックアップ・プレートの位置に比例したピックアップ・プレートからの出力信号を監視する手段と
    を含む請求項１３に記載のトランスデューサ。
15. 前記ピックアップ・プレートの位置を制御する手段は静電コントローラを有する請求項１３に記載のトランスデューサ。
16. 前記静電コントローラは電圧を前記複数のドライブ・プレートのうちの１つに対して印加する電圧可変電源を含む請求項１５に記載のトランスデューサ。

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