JPH07318567A - 磁気的に取り付けられた揺動要素を含む力検出システム - Google Patents
磁気的に取り付けられた揺動要素を含む力検出システムInfo
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- JPH07318567A JPH07318567A JP6019774A JP1977494A JPH07318567A JP H07318567 A JPH07318567 A JP H07318567A JP 6019774 A JP6019774 A JP 6019774A JP 1977494 A JP1977494 A JP 1977494A JP H07318567 A JPH07318567 A JP H07318567A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 望ましくない自由度を極小化でき、コンパク
トで、軽く、機械的に簡素な力検知システムを提供す
る。 【構成】 本発明のシステムは、ａ）平坦で電気伝導性
の主面を有するベース４０と、ｂ）平坦で電気伝導性の
主面を有する揺動要素１０と、ｃ）ベース主面が揺動要
素主面に対向し、揺動要素はベース主面に平行な軸のま
わりに傾くことができ、ベース主面と揺動要素主面との
間でキャパシタンスが定義されるように、ベースの上で
揺動要素を支持する、揺動支持要素２０と、を具備する
力検出システムであって、ｅ）揺動支持要素は磁性材料
を有し、ｆ）揺動支持要素をベース主面上で支持するた
めの磁場を提供する手段を有する。
トで、軽く、機械的に簡素な力検知システムを提供す
る。 【構成】 本発明のシステムは、ａ）平坦で電気伝導性
の主面を有するベース４０と、ｂ）平坦で電気伝導性の
主面を有する揺動要素１０と、ｃ）ベース主面が揺動要
素主面に対向し、揺動要素はベース主面に平行な軸のま
わりに傾くことができ、ベース主面と揺動要素主面との
間でキャパシタンスが定義されるように、ベースの上で
揺動要素を支持する、揺動支持要素２０と、を具備する
力検出システムであって、ｅ）揺動支持要素は磁性材料
を有し、ｆ）揺動支持要素をベース主面上で支持するた
めの磁場を提供する手段を有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査力顕微鏡において
使用されるような力検出システムの分野に関し、特に、
揺動ビーム（梁）を有する力センサ要素を伴うシステム
に関する。
使用されるような力検出システムの分野に関し、特に、
揺動ビーム（梁）を有する力センサ要素を伴うシステム
に関する。
【０００２】
【従来の技術】力検出要素は、走査力顕微鏡において広
く使用されている。これらのシステムには揺動ビーム技
術が適用されているものがある。揺動ビームセンサは潜
在的優位性を持っている。それは、原理的に、機械的に
簡単であること、丈夫なこと、感度が高いこと、そして
製造費が比較的安いことによる。特に、これらのセンサ
は力フィードバックサーボループによって安定させるこ
とができるので、高い性能を提供する。さらに、傾斜ま
たは加速の測定を含む種々の微小力検出への利用ができ
ることも、揺動ビームセンサの利点である。
く使用されている。これらのシステムには揺動ビーム技
術が適用されているものがある。揺動ビームセンサは潜
在的優位性を持っている。それは、原理的に、機械的に
簡単であること、丈夫なこと、感度が高いこと、そして
製造費が比較的安いことによる。特に、これらのセンサ
は力フィードバックサーボループによって安定させるこ
とができるので、高い性能を提供する。さらに、傾斜ま
たは加速の測定を含む種々の微小力検出への利用ができ
ることも、揺動ビームセンサの利点である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の揺動ビームセン
サは必ずしも満足できるものではない。実務上、揺動機
構に十分な感度を持たせるようにすると、一般に、その
機構は、壊れ易く、通常の取扱いであまりに簡単に損傷
を受ける。また、センサの組立が困難のものもある。こ
れらセンサの揺動要素のうちには、取り外し及び取り替
えが困難なものもある。ここに、たとえば走査力顕微鏡
では、すばやい取り替えが重要である。なぜならば、揺
動要素に永久的に取り付けられた細くとがったプローブ
の先は比較的早く壊れ、または消耗するからである。さ
らに、従来、機械的運動の望ましくないモードに対して
揺動要素を安定化させるのが困難なこともあった。
サは必ずしも満足できるものではない。実務上、揺動機
構に十分な感度を持たせるようにすると、一般に、その
機構は、壊れ易く、通常の取扱いであまりに簡単に損傷
を受ける。また、センサの組立が困難のものもある。こ
れらセンサの揺動要素のうちには、取り外し及び取り替
えが困難なものもある。ここに、たとえば走査力顕微鏡
では、すばやい取り替えが重要である。なぜならば、揺
動要素に永久的に取り付けられた細くとがったプローブ
の先は比較的早く壊れ、または消耗するからである。さ
らに、従来、機械的運動の望ましくないモードに対して
揺動要素を安定化させるのが困難なこともあった。
【０００４】たとえば、薄いシート状のベリリウム銅合
金から作られる揺動ビームセンサについて、Ｓ．Ａ．ジ
ョイス(Joyce)ら著「インタフェース力微小顕微鏡の力
フィードバック制御を利用した新しい力センサ(A new f
orce sensor incorporatingforce-feedback control fo
r interfacial force microscopy)」Rev.Sci.Instrum.6
2(1991)710-715に記載されている。このセンサは、差動
キャパシタンス変位センサであって、一つの共通のキャ
パシタ（コンデンサ）プレートが複数のトーションバー
（ねじり棒）により吊り下げられている。それら共通の
キャパシタプレートおよびトーションバーはベリリウム
銅合金のシートと一体となっている。
金から作られる揺動ビームセンサについて、Ｓ．Ａ．ジ
ョイス(Joyce)ら著「インタフェース力微小顕微鏡の力
フィードバック制御を利用した新しい力センサ(A new f
orce sensor incorporatingforce-feedback control fo
r interfacial force microscopy)」Rev.Sci.Instrum.6
2(1991)710-715に記載されている。このセンサは、差動
キャパシタンス変位センサであって、一つの共通のキャ
パシタ（コンデンサ）プレートが複数のトーションバー
（ねじり棒）により吊り下げられている。それら共通の
キャパシタプレートおよびトーションバーはベリリウム
銅合金のシートと一体となっている。
【０００５】このセンサを実際に使用してみると、ベリ
リウム銅合金のシートが曲がることが多いために、適切
な動作のために重要な揺動の面を保持するのが困難であ
ることがわかった。また、揺動方向のトーションバーの
剛性により感度が制限されること、および、好ましくな
い機械的自由度が測定ノイズの主要な原因になることが
わかった。
リウム銅合金のシートが曲がることが多いために、適切
な動作のために重要な揺動の面を保持するのが困難であ
ることがわかった。また、揺動方向のトーションバーの
剛性により感度が制限されること、および、好ましくな
い機械的自由度が測定ノイズの主要な原因になることが
わかった。
【０００６】Ｇ．Ｌ．ミラー(Miller)ら著「小さな力の
測定のための揺動ビーム電気静的平衡(A rocking beam
electrostatic balance for the measurement of small
forces)」Rev.Sci.Instrum.62(1991)705-709には、他
の揺動ビームセンサが記載されている。このセンサはや
はり差動キャパシタンス変位センサであって、揺動体
は、共通キャパシタプレートを有し、炭素またはタング
ステンのファイバ（繊維）の上で揺動するシリコンビー
ム（梁）である。
測定のための揺動ビーム電気静的平衡(A rocking beam
electrostatic balance for the measurement of small
forces)」Rev.Sci.Instrum.62(1991)705-709には、他
の揺動ビームセンサが記載されている。このセンサはや
はり差動キャパシタンス変位センサであって、揺動体
は、共通キャパシタプレートを有し、炭素またはタング
ステンのファイバ（繊維）の上で揺動するシリコンビー
ム（梁）である。
【０００７】このセンサは、ファイバが損傷を受けやす
いことが欠点である。ファイバへの損傷により望ましく
ない機械的自由度がもたらされ、これにより信号出力に
ノイズが混入する。さらに、このセンサは揺動体の重み
により組み立てられているので、逆さの状態では使用で
きない。本発明の目的は、上述の課題を解決することに
ある。
いことが欠点である。ファイバへの損傷により望ましく
ない機械的自由度がもたらされ、これにより信号出力に
ノイズが混入する。さらに、このセンサは揺動体の重み
により組み立てられているので、逆さの状態では使用で
きない。本発明の目的は、上述の課題を解決することに
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、ａ）平坦でかつ導電性である主要表
面を有するベース４０と、ｂ）平坦でかつ導電性である
主要表面を有する揺動要素１０と、ｃ）ベース主要表面
が揺動要素主要表面に対向し、揺動要素はベース主要表
面に平行な少なくとも一つの軸のまわりに傾くことがで
き、ベース主要表面と揺動要素主要表面との間で少なく
とも一つのキャパシタンスが定義されるように、ベース
の上で揺動要素を支持する、揺動支持要素２０と、を具
備する力検出システムにおいて、ｅ）揺動支持要素は磁
性材料を有し、ｆ）揺動支持要素をベース主要表面上で
支持するための磁場を提供する手段９０を有すること、
を特徴とする力検出システムである。
するものであって、ａ）平坦でかつ導電性である主要表
面を有するベース４０と、ｂ）平坦でかつ導電性である
主要表面を有する揺動要素１０と、ｃ）ベース主要表面
が揺動要素主要表面に対向し、揺動要素はベース主要表
面に平行な少なくとも一つの軸のまわりに傾くことがで
き、ベース主要表面と揺動要素主要表面との間で少なく
とも一つのキャパシタンスが定義されるように、ベース
の上で揺動要素を支持する、揺動支持要素２０と、を具
備する力検出システムにおいて、ｅ）揺動支持要素は磁
性材料を有し、ｆ）揺動支持要素をベース主要表面上で
支持するための磁場を提供する手段９０を有すること、
を特徴とする力検出システムである。
【０００９】
【作用】上記手段によれば、ベース上で、揺動体を最小
限の接触点で支持することにより、望ましくない自由度
を極小化することができる。このセンサは、コンパクト
で、軽く、機械的に簡素であり、入手が容易な要素から
作ることができるので安価である。また、機械的に丈夫
で、揺動方向に対して感度が高い。また任意の向きで使
用できる。
限の接触点で支持することにより、望ましくない自由度
を極小化することができる。このセンサは、コンパクト
で、軽く、機械的に簡素であり、入手が容易な要素から
作ることができるので安価である。また、機械的に丈夫
で、揺動方向に対して感度が高い。また任意の向きで使
用できる。
【００１０】
【実施例】差動キャパシタンス変位センサにおける力平
衡の原理については、たとえば前出のＧ．Ｌ．ミラーら
著の文献に詳細な記載があるので、ここでは簡単に述べ
る。図１において、揺動ビーム１０は、剛性の高い、接
地された、導電性のビーム（梁）であって、中央支持２
０上で、２個の静止電極３０Ａ，３０Ｂの直上方で揺動
する。各静止電極３０Ａ，３０Ｂは、グラウンドに対し
て（揺動ビーム１０を介して）それぞれＣ1，Ｃ2のキャ
パシタンスを持つ。揺動ビーム１０が中央位置でバラン
スしているときは、それらのキャパシタンスは共にＣの
値であり、揺動ビーム１０と静止電極３０Ａ，３０Ｂと
の間には一定の間隙（ギャップ）ｄがある。
衡の原理については、たとえば前出のＧ．Ｌ．ミラーら
著の文献に詳細な記載があるので、ここでは簡単に述べ
る。図１において、揺動ビーム１０は、剛性の高い、接
地された、導電性のビーム（梁）であって、中央支持２
０上で、２個の静止電極３０Ａ，３０Ｂの直上方で揺動
する。各静止電極３０Ａ，３０Ｂは、グラウンドに対し
て（揺動ビーム１０を介して）それぞれＣ1，Ｃ2のキャ
パシタンスを持つ。揺動ビーム１０が中央位置でバラン
スしているときは、それらのキャパシタンスは共にＣの
値であり、揺動ビーム１０と静止電極３０Ａ，３０Ｂと
の間には一定の間隙（ギャップ）ｄがある。
【００１１】揺動ビーム１０の一端にたとえば外力Ｆ
（通常これが測定されるべきものである）が作用する。
この力により、中央支持２０のまわりにモーメントＦＬ
が生じる。ここにＬは、中央支持２０と力の作用点との
間のモーメントの腕である。たとえば原子力(atomic fo
rce)顕微鏡(microsopy)では、力Ｆは、標本（サンプ
ル）と図２および図３のプローブ５の先端との間の物理
的引力により与えられる。（他の配置例では、プローブ
でなくて標本の方が揺動ビーム上に取り付けられる。
（通常これが測定されるべきものである）が作用する。
この力により、中央支持２０のまわりにモーメントＦＬ
が生じる。ここにＬは、中央支持２０と力の作用点との
間のモーメントの腕である。たとえば原子力(atomic fo
rce)顕微鏡(microsopy)では、力Ｆは、標本（サンプ
ル）と図２および図３のプローブ５の先端との間の物理
的引力により与えられる。（他の配置例では、プローブ
でなくて標本の方が揺動ビーム上に取り付けられる。
【００１２】ビームの角度位置は、これらのキャパシタ
ンスの値により、電気的にうまくモニタできる。すなわ
ち、２個のキャパシタンスの差（インバランス）を、た
とえばラジオ周波数ブリッジ技術により検出する。各電
極は、一定の正電圧Ｖ1，Ｖ2に維持される。ここに、Ｖ
1＝Ｖ0＋ΔＶ，Ｖ2＝Ｖ0ーΔＶである。Ｖ0はあらかじ
め決められた一定の電圧であって、典型的には約３０Ｖ
またはそれよりやや小さい値であって、ΔＶは、キャパ
シタンスインバランス検出器により駆動されるフィード
バックループによって供給される付加電圧である。ΔＶ
の大きさは、外力に基づくモーメントＦＬを相殺する中
央支持２０まわりのトルクが生じるように調整される。
ンスの値により、電気的にうまくモニタできる。すなわ
ち、２個のキャパシタンスの差（インバランス）を、た
とえばラジオ周波数ブリッジ技術により検出する。各電
極は、一定の正電圧Ｖ1，Ｖ2に維持される。ここに、Ｖ
1＝Ｖ0＋ΔＶ，Ｖ2＝Ｖ0ーΔＶである。Ｖ0はあらかじ
め決められた一定の電圧であって、典型的には約３０Ｖ
またはそれよりやや小さい値であって、ΔＶは、キャパ
シタンスインバランス検出器により駆動されるフィード
バックループによって供給される付加電圧である。ΔＶ
の大きさは、外力に基づくモーメントＦＬを相殺する中
央支持２０まわりのトルクが生じるように調整される。
【００１３】たとえば、力Ｆが一方の電極の真ん中に加
えられると、ビーム１０を平衡させる条件は、Ｆ＝２Ｃ
Ｖ0ΔＶ／ｄで与えられる。このようにして、フィード
バック電圧ΔＶは、加えられる力Ｆに対する直線的測定
を可能ならしめる。
えられると、ビーム１０を平衡させる条件は、Ｆ＝２Ｃ
Ｖ0ΔＶ／ｄで与えられる。このようにして、フィード
バック電圧ΔＶは、加えられる力Ｆに対する直線的測定
を可能ならしめる。
【００１４】揺動角θに関するビームの剛性を一般に支
配する実効ばね定数λeは、フィードバックシステムに
よる影響を受ける。フィードバックシステムが一定の開
ループゲインＧ0をもつ場合（ただし、ΔＶ＝Ｇ0θ．Ｇ
0はボルトで、θはラジアンで表す。）、低周波限度内
では、ばね定数は、λe＝ＣＶ0Ｇ0／Ｌｄで与えられ
る。この式で各変数の典型的な値は、たとえば、Ｃ＝１
ｐｆ，Ｖ0＝３０Ｖ，Ｌ＝１ｍｍ，ｄ＝７μｍである。
この例の場合、λe＝０．０１Ｇ0Ｎ／ｍとなる。
配する実効ばね定数λeは、フィードバックシステムに
よる影響を受ける。フィードバックシステムが一定の開
ループゲインＧ0をもつ場合（ただし、ΔＶ＝Ｇ0θ．Ｇ
0はボルトで、θはラジアンで表す。）、低周波限度内
では、ばね定数は、λe＝ＣＶ0Ｇ0／Ｌｄで与えられ
る。この式で各変数の典型的な値は、たとえば、Ｃ＝１
ｐｆ，Ｖ0＝３０Ｖ，Ｌ＝１ｍｍ，ｄ＝７μｍである。
この例の場合、λe＝０．０１Ｇ0Ｎ／ｍとなる。
【００１５】図２及び図３に示す本発明の実施例におい
て、静止電極３０Ａ，３０Ｂは、ベース４０の平らな電
気絶縁表面の上に堆積された電気伝導体たとえば白金の
膜である。各静止電極は、キャパシティの差（インバラ
ンス）を検出する検出器５０および電圧源６０に電気的
に接続されている。電圧源６０は、前述のように、検出
器５０からのフィードバックループにより制御される。
て、静止電極３０Ａ，３０Ｂは、ベース４０の平らな電
気絶縁表面の上に堆積された電気伝導体たとえば白金の
膜である。各静止電極は、キャパシティの差（インバラ
ンス）を検出する検出器５０および電圧源６０に電気的
に接続されている。電圧源６０は、前述のように、検出
器５０からのフィードバックループにより制御される。
【００１６】この実施例では、揺動機構として、２個の
球７０を用い、これらの球７０はそれぞれ、揺動ビーム
１０の長さ方向の互いに向かい合う面８０に取り付けら
れる。これらの球７０の材料を適当に選ぶことにより、
図示のようにベース４０の上向きの面上で磁場により球
７０を保持する。発明者らの見いだしたところによる
と、図示のように、ベース４０の下面に永久磁石９０を
取り付けることにより、適当な磁場が得られる。
球７０を用い、これらの球７０はそれぞれ、揺動ビーム
１０の長さ方向の互いに向かい合う面８０に取り付けら
れる。これらの球７０の材料を適当に選ぶことにより、
図示のようにベース４０の上向きの面上で磁場により球
７０を保持する。発明者らの見いだしたところによる
と、図示のように、ベース４０の下面に永久磁石９０を
取り付けることにより、適当な磁場が得られる。
【００１７】この力検出システムを使用している最中に
球７０が横方向に動くのを防ぐのに十分な磁力を得るた
めに、球７０は強磁性材料からなることが望ましい。た
とえば磁性鋼からなるボールベアリングが適当である。
典型的な球７０の直径は１．６ｍｍである。しかし、こ
れらの球の大きさの使用可能範囲はきわめて広い。たと
えば、直径が０．１ｍｍ以下から１ｃｍ以上まで使用可
能であろう。
球７０が横方向に動くのを防ぐのに十分な磁力を得るた
めに、球７０は強磁性材料からなることが望ましい。た
とえば磁性鋼からなるボールベアリングが適当である。
典型的な球７０の直径は１．６ｍｍである。しかし、こ
れらの球の大きさの使用可能範囲はきわめて広い。たと
えば、直径が０．１ｍｍ以下から１ｃｍ以上まで使用可
能であろう。
【００１８】次に図４において、発明者らは、永久磁石
端部９２での磁場の勾配が高いことが、磁性球を保持す
る上で特に有用であることを見いだした。そのため、発
明者らは、２個の球の中心間距離にほぼ等しい直径を持
つ円板状の永久磁石９４を使用した。この磁石の磁性方
向は、ベース主要面９６，９８に垂直方向とする。永久
磁石は他の形状・配置も可能である。
端部９２での磁場の勾配が高いことが、磁性球を保持す
る上で特に有用であることを見いだした。そのため、発
明者らは、２個の球の中心間距離にほぼ等しい直径を持
つ円板状の永久磁石９４を使用した。この磁石の磁性方
向は、ベース主要面９６，９８に垂直方向とする。永久
磁石は他の形状・配置も可能である。
【００１９】球７０を揺動ビーム１０に取り付ける方法
には、たとえば導電性のエポキシセメントで接着する方
法がある。図示のように、一般に、揺動ビーム１０の下
面は電気的に接地される。（この接地接続は、電流計の
抵抗などの小さな抵抗を介してなされる場合もある。）
揺動ビーム１０の下面は、典型的には、白金などの電気
伝導材料の層１００でコーティングされている。（この
コーティングは、揺動ビーム１０が絶縁材料からできて
いる場合は必須であり、高ドープシリコンなどの伝導性
材料からなる場合にもあった方がよい。）
には、たとえば導電性のエポキシセメントで接着する方
法がある。図示のように、一般に、揺動ビーム１０の下
面は電気的に接地される。（この接地接続は、電流計の
抵抗などの小さな抵抗を介してなされる場合もある。）
揺動ビーム１０の下面は、典型的には、白金などの電気
伝導材料の層１００でコーティングされている。（この
コーティングは、揺動ビーム１０が絶縁材料からできて
いる場合は必須であり、高ドープシリコンなどの伝導性
材料からなる場合にもあった方がよい。）
【００２０】揺動ビーム１０をベース４０上に置いたと
き、層１００、球７０、接触パッド１１０を通して、電
気導通路ができる。ここに接触パッド１１０は、ベース
４０上に伝導性物質を堆積して作る。この導通路の伝導
性を高めるために、球７０の表面に白金などの高伝導性
物質の層１２０を堆積するのが望ましい。たとえば発明
者らは、球７０を揺動ビーム１０に接着した後に、揺動
ビームの下面に層１００を、そして球７０の下面に層１
２０を、一つの白金堆積工程で同時に行うことでうまく
いった。
き、層１００、球７０、接触パッド１１０を通して、電
気導通路ができる。ここに接触パッド１１０は、ベース
４０上に伝導性物質を堆積して作る。この導通路の伝導
性を高めるために、球７０の表面に白金などの高伝導性
物質の層１２０を堆積するのが望ましい。たとえば発明
者らは、球７０を揺動ビーム１０に接着した後に、揺動
ビームの下面に層１００を、そして球７０の下面に層１
２０を、一つの白金堆積工程で同時に行うことでうまく
いった。
【００２１】典型的なベース４０はガラス顕微鏡スライ
ドであって、この上に白金静止電極３０Ａ，３０Ｂ及び
白金接触パッド１１０が堆積せられる。たとえば揺動ビ
ームは、直方体のシリコンであって、長さ１０ｍｍ、幅
５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍである。これらの寸法は広い
範囲で変えうる。ただし、揺動ビームの厚さは、取扱い
に不便でない程度に、そして使用中にあまり極端に曲が
らない程度に厚い方がよい。
ドであって、この上に白金静止電極３０Ａ，３０Ｂ及び
白金接触パッド１１０が堆積せられる。たとえば揺動ビ
ームは、直方体のシリコンであって、長さ１０ｍｍ、幅
５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍである。これらの寸法は広い
範囲で変えうる。ただし、揺動ビームの厚さは、取扱い
に不便でない程度に、そして使用中にあまり極端に曲が
らない程度に厚い方がよい。
【００２２】各静止電極３０Ａ，３０Ｂは、それぞれに
キャパシタ（コンデンサ）の部分を構成する。ここで、
キャパシタの上側のプレートに相当する部分は、揺動ビ
ーム１０の下面の層１００の対応する重なり部分であ
る。揺動ビーム１０の長さと幅は、対応するキャパシタ
ンスに適した値となるように選択すべきである。たとえ
ば、発明者らの見いだしたところでは、これらのキャパ
シタンスとして１ｐｆ程度が適当であり、上側キャパシ
タプレートと下側キャパシタプレートの間の平衡ギャッ
プ１３０は約２５μｍが適当である。これらの値は、上
記の実施例の寸法にほぼ対応する。
キャパシタ（コンデンサ）の部分を構成する。ここで、
キャパシタの上側のプレートに相当する部分は、揺動ビ
ーム１０の下面の層１００の対応する重なり部分であ
る。揺動ビーム１０の長さと幅は、対応するキャパシタ
ンスに適した値となるように選択すべきである。たとえ
ば、発明者らの見いだしたところでは、これらのキャパ
シタンスとして１ｐｆ程度が適当であり、上側キャパシ
タプレートと下側キャパシタプレートの間の平衡ギャッ
プ１３０は約２５μｍが適当である。これらの値は、上
記の実施例の寸法にほぼ対応する。
【００２３】図５に示すように、１対のスペーサ１４０
をベース４０の上面に取り付け、そのスペーサ１４０の
上面に静止電極３０Ａ，３０Ｂを堆積させるようにして
ギャップ１３０を設定してもよい。発明者らは、スペー
サとして、厚さ０．２２９ｍｍのガラス顕微鏡カバース
リップを使用するとよいことを見いだした。組立工程の
一実施例では、取り外し可能な厚さ０．２５４ｍｍのス
ペーサを平らなワーク表面上に置く。ビームはスペーサ
の上に置く。しかし、各球は、ワーク表面上に直にビー
ムに隣接して置く。各球はビームの揺動軸に配設し、そ
の位置に接合する。これにより、スペーサ１４０の厚さ
が０．２２９ｍｍのとき、ギャップ１３０の幅は約２５
μｍとなる。
をベース４０の上面に取り付け、そのスペーサ１４０の
上面に静止電極３０Ａ，３０Ｂを堆積させるようにして
ギャップ１３０を設定してもよい。発明者らは、スペー
サとして、厚さ０．２２９ｍｍのガラス顕微鏡カバース
リップを使用するとよいことを見いだした。組立工程の
一実施例では、取り外し可能な厚さ０．２５４ｍｍのス
ペーサを平らなワーク表面上に置く。ビームはスペーサ
の上に置く。しかし、各球は、ワーク表面上に直にビー
ムに隣接して置く。各球はビームの揺動軸に配設し、そ
の位置に接合する。これにより、スペーサ１４０の厚さ
が０．２２９ｍｍのとき、ギャップ１３０の幅は約２５
μｍとなる。
【００２４】図６は本発明の他の実施例を示す。この例
では、揺動体１０はその中央において一つの球（または
他の揺動支持要素）１５０により支持されている。この
ためこの揺動体１０は２次元的に（たとえばベース表面
に平行な任意の軸のまわりに）揺動することができる。
フィードバックは、たとえば対角線上の電極の対１６０
Ａ−１６０Ｂおよび１７０Ａ−１７０Ｂによって与えら
れるキャパシタの配列によって与えられる。
では、揺動体１０はその中央において一つの球（または
他の揺動支持要素）１５０により支持されている。この
ためこの揺動体１０は２次元的に（たとえばベース表面
に平行な任意の軸のまわりに）揺動することができる。
フィードバックは、たとえば対角線上の電極の対１６０
Ａ−１６０Ｂおよび１７０Ａ−１７０Ｂによって与えら
れるキャパシタの配列によって与えられる。
【００２５】球状の揺動支持要素（単一または一対の）
は、揺動ビームが動きうることを保証するゆえに、優れ
ている。すなわち、この揺動支持された組み立て体は、
一つまたは複数の揺動の軸を定義するために必要な最小
数の点においてベースと接触する。揺動軸を余分に定義
するのを避けることにより、この種の取付方法は、ラン
ダムなシフト（余分な接触点がある場合それらの接触点
の間で起こりうる）によるノイズをなくすかまたは減ら
すことができる。しかし、この意味で、球状の揺動支持
要素に限定するものではない。他の形状でも運動支持は
可能であり、たとえば、角錘または円錐もありうる。そ
の場合、それらの頂点が、ベース表面と接触する揺動支
持点となる。
は、揺動ビームが動きうることを保証するゆえに、優れ
ている。すなわち、この揺動支持された組み立て体は、
一つまたは複数の揺動の軸を定義するために必要な最小
数の点においてベースと接触する。揺動軸を余分に定義
するのを避けることにより、この種の取付方法は、ラン
ダムなシフト（余分な接触点がある場合それらの接触点
の間で起こりうる）によるノイズをなくすかまたは減ら
すことができる。しかし、この意味で、球状の揺動支持
要素に限定するものではない。他の形状でも運動支持は
可能であり、たとえば、角錘または円錐もありうる。そ
の場合、それらの頂点が、ベース表面と接触する揺動支
持点となる。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、ベース上で、揺動体を
最小限の接触点で支持することにより、望ましくない自
由度を極小化することができる。またこのセンサは、コ
ンパクトで、軽く、機械的に簡素であり、入手が容易な
要素から作ることができるので安価である。また、機械
的に丈夫で、揺動方向に対して感度が高い。また任意の
向きで使用できる。
最小限の接触点で支持することにより、望ましくない自
由度を極小化することができる。またこのセンサは、コ
ンパクトで、軽く、機械的に簡素であり、入手が容易な
要素から作ることができるので安価である。また、機械
的に丈夫で、揺動方向に対して感度が高い。また任意の
向きで使用できる。
【図１】従来の揺動ビーム力センサの模式図。
【図２】本発明に係る力センサの一実施例の模式的一部
斜視図。
斜視図。
【図３】本発明に係る力センサの一実施例の模式的側面
図。
図。
【図４】本発明に係る力センサの一実施例の模式的正面
図。
図。
【図５】図３に示す力センサの詳細図であって、キャパ
シタギャップを設定する一方法を示す図。
シタギャップを設定する一方法を示す図。
【図６】ビームが一軸でなくて二軸のまわりを揺動す
る、本発明の力センサの他の実施例の模式図。
る、本発明の力センサの他の実施例の模式図。
５ プローブ １０ 揺動ビーム（揺動要素） ２０ 中央支持（揺動支持要素） ３０Ａ、３０Ｂ 静止電極 ４０ ベース ５０ 検出器 ６０ 電圧源 ７０ 球 ８０ ビームの長さ方向の面 ９０ 永久磁石 ９２ 永久磁石端部 ９４ 円板状永久磁石 ９６、９８ ベース主要面 １００ 層 １１０ 接触パッド １２０ 層 １３０ ギャップ １４０ スペーサ １５０ 球 １６０Ａ、１６０Ｂ、１７０Ａ、１７０Ｂ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ガブリエル ロリマ− ミラ− アメリカ合衆国、07090、ニュ−ジャ−ジ ー、ウエストフィ−ルド、ブ−ルバ−ド 614
Claims (8)
- 【請求項１】 ａ） 少なくとも一部がほぼ平坦でか
つ導電性である主要表面を有するベース（４０）と、 ｂ） 少なくとも一部がほぼ平坦でかつ導電性である主
要表面を有する揺動要素（１０）と、 ｃ） 前記ベース（４０）の主要表面の一部が、前記揺
動要素（１０）の主要表面の一部に対向し、前記揺動要
素は、ベース主要表面の前記一部に平行な少なくとも一
つの軸のまわりに傾くことができ、ベース主要表面の前
記一部と揺動要素主要表面の前記一部との間で少なくと
も一つのキャパシタンス（１３０）が形成されるよう
に、前記ベース（４０）の上で前記揺動要素（１０）を
支持する、少なくとも一つの揺動支持要素（７０）と、 を具備する力検出システムにおいて、 ｅ） 前記揺動支持要素（７０）は磁性材料を有し、 ｆ） 前記揺動支持要素（７０）をベース主要表面（４
０）上で支持するための磁場を提供する手段（９０）を
有すること、 を特徴とする力検出システム。 - 【請求項２】 前記磁場を提供する手段（９０）は、
前記ベースに取り付けられた永久磁石であることを特徴
とする請求項１に記載のシステム。 - 【請求項３】 前記ベース（４０）は、磁性材料製
で、そのベースの少なくとも一部は磁化されており、 前記磁場を提供する手段は、前記磁化されたベース部分
と共に広がることを特徴とする請求項１に記載のシステ
ム。 - 【請求項４】 前記揺動支持要素（７０）は、一つの
球体からなり、 前記揺動要素（７０）は、前記ベースの主要表面に平行
な二つの独立な軸のまわりに傾くことができることを特
徴とする請求項１に記載のシステム。 - 【請求項５】 前記揺動支持要素は、２個の回転長円
体からなることを特徴とする請求項１に記載のシステ
ム。 - 【請求項６】 前記揺動支持要素は、前記揺動要素が
前記ベースの主要表面上で動きうるように取り付けられ
ることを特徴とする請求項１に記載のシステム。 - 【請求項７】 前記永久磁石は、前記揺動支持要素が
比較的高い磁場勾配をもつように、その揺動支持要素と
の相対位置が決められていることを特徴とする請求項２
に記載のシステム。 - 【請求項８】 前記揺動要素は、前記揺動要素主要表
面に垂直な二つの長手方向の面を有する直方体であっ
て、前記回転長円体のそれぞれがこの長手方向の面に一
つずつ取り付けられていることを特徴とする請求項５に
記載のシステム。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US7304 | 1987-01-27 | ||
| US007304 | 1987-01-27 | ||
| US08/007,304 US5307693A (en) | 1993-01-21 | 1993-01-21 | Force-sensing system, including a magnetically mounted rocking element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07318567A true JPH07318567A (ja) | 1995-12-08 |
| JP2868406B2 JP2868406B2 (ja) | 1999-03-10 |
Family
ID=21725389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6019774A Expired - Lifetime JP2868406B2 (ja) | 1993-01-21 | 1994-01-21 | 磁気的に取り付けられた揺動要素を含む力検出システム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5307693A (ja) |
| EP (1) | EP0616193B1 (ja) |
| JP (1) | JP2868406B2 (ja) |
| DE (1) | DE69404059T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005297185A (ja) * | 2004-04-15 | 2005-10-27 | Fei Co | 微小構造を修正するためのスタイラス・システム |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5155361A (en) * | 1991-07-26 | 1992-10-13 | The Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Acting For And On Behalf Of Arizona State University | Potentiostatic preparation of molecular adsorbates for scanning probe microscopy |
| US5553486A (en) * | 1993-10-01 | 1996-09-10 | Hysitron Incorporated | Apparatus for microindentation hardness testing and surface imaging incorporating a multi-plate capacitor system |
| US5576483A (en) * | 1993-10-01 | 1996-11-19 | Hysitron Incorporated | Capacitive transducer with electrostatic actuation |
| US5440920A (en) | 1994-02-03 | 1995-08-15 | Molecular Imaging Systems | Scanning force microscope with beam tracking lens |
| US5866805A (en) * | 1994-05-19 | 1999-02-02 | Molecular Imaging Corporation Arizona Board Of Regents | Cantilevers for a magnetically driven atomic force microscope |
| US5513518A (en) * | 1994-05-19 | 1996-05-07 | Molecular Imaging Corporation | Magnetic modulation of force sensor for AC detection in an atomic force microscope |
| US5515719A (en) * | 1994-05-19 | 1996-05-14 | Molecular Imaging Corporation | Controlled force microscope for operation in liquids |
| US5753814A (en) * | 1994-05-19 | 1998-05-19 | Molecular Imaging Corporation | Magnetically-oscillated probe microscope for operation in liquids |
| US6520005B2 (en) | 1994-12-22 | 2003-02-18 | Kla-Tencor Corporation | System for sensing a sample |
| US5948972A (en) * | 1994-12-22 | 1999-09-07 | Kla-Tencor Corporation | Dual stage instrument for scanning a specimen |
| US5621210A (en) * | 1995-02-10 | 1997-04-15 | Molecular Imaging Corporation | Microscope for force and tunneling microscopy in liquids |
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| FR2755224B1 (fr) * | 1996-10-24 | 1998-12-04 | Suisse Electronique Microtech | Capteur a effet tunnel, notamment pour relever la topographie d'une surface |
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| US7258901B1 (en) | 2000-09-08 | 2007-08-21 | Fei Company | Directed growth of nanotubes on a catalyst |
| US6457350B1 (en) | 2000-09-08 | 2002-10-01 | Fei Company | Carbon nanotube probe tip grown on a small probe |
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| US8943611B2 (en) | 2013-07-23 | 2015-01-27 | National Institute Of Standards And Technology | Probe module, method for making and use of same |
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1993
- 1993-01-21 US US08/007,304 patent/US5307693A/en not_active Expired - Lifetime
-
1994
- 1994-01-12 EP EP94300203A patent/EP0616193B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-01-12 DE DE69404059T patent/DE69404059T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1994-01-21 JP JP6019774A patent/JP2868406B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JP2005297185A (ja) * | 2004-04-15 | 2005-10-27 | Fei Co | 微小構造を修正するためのスタイラス・システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0616193A1 (en) | 1994-09-21 |
| JP2868406B2 (ja) | 1999-03-10 |
| US5307693A (en) | 1994-05-03 |
| EP0616193B1 (en) | 1997-07-09 |
| DE69404059T2 (de) | 1998-01-29 |
| DE69404059D1 (de) | 1997-08-14 |
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