KR100634213B1 - Driving head and personal atomic force microscope having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구동 헤드 및 그를 구비하는 개인용 원자현미경에 관한 것으로, 휨 감지부가 구비되며 탐침을 이동시키는 캔티레버, 캔티레버를 상,하로 이동시키는 구동 헤드 및 시료를 x 축 및 y 축 방향으로 이동시키는 스캐너를 포함한다. 캔티레버는 휨 감지부를 구비하는 간단한 구조로 이루어지고, 구동 헤드 및 스캐너는 양방향 변위가 가능하고 유연 힌지의 탄성에 의해 큰 변위폭을 갖는다. 본 발명의 개인용 원자현미경은 높은 선형성을 갖기 때문에 히스테리시스나 크립 현상이 거의 발생되지 않는다. 그러므로 보정을 위한 별도의 센서 시스템이 필요하지 않으며, 한번의 초기 보정을 통해 원하는 이미지를 얻을 수 있다.The present invention relates to a driving head and a personal atomic force microscope having the same, comprising a cantilever for providing a bending detection part, a driving head for moving the probe up and down, and a scanner for moving a sample in the x and y axis directions. Include. The cantilever has a simple structure having a bending detection unit, and the driving head and the scanner have a large displacement width by bidirectional displacement and elasticity of the flexible hinge. Since the personal atomic force microscope of the present invention has high linearity, hysteresis and creep hardly occur. Therefore, a separate sensor system for calibration is not required, and the desired image can be obtained through one initial calibration.
원자현미경, 캔티레버, 구동 헤드, 유연 힌지, 스캐너 Atomic force microscope, cantilever, drive head, flexible hinge, scanner
Description
도 1은 본 발명에 따른 구동 헤드를 설명하기 위한 단면도.1 is a cross-sectional view for explaining a drive head according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 구동 헤드의 동작을 설명하기 위한 개략도.2 is a schematic view for explaining the operation of the drive head according to the present invention;
도 3은 도 1에 도시된 유연 힌지의 상세도. 3 is a detailed view of the flexible hinge shown in FIG.
도 4는 본 발명에 따른 원자현미경을 설명하기 위한 개략도.4 is a schematic view for explaining an atomic force microscope according to the present invention.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 스캐너를 설명하기 위한 평면도.5 to 7 are plan views for explaining the scanner shown in FIG.
도 8은 도 6에 도시된 스테이지의 이동을 위한 보이스 코일 모터(VCM)를 설명하기 위한 단면도.FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a voice coil motor VCM for moving a stage shown in FIG. 6.
도 9는 본 발명에 따른 개인용 원자현미경의 히스테리시스 측정 결과를 도시한 그래프.Figure 9 is a graph showing the hysteresis measurement results of personal atomic force microscope according to the present invention.
도 10은 본 발명에 따른 개인용 원자현미경으로 얻은 격자샘플의 표면 사진.10 is a surface photograph of a lattice sample obtained with a personal atomic force microscope according to the present invention.
도 11은 도 10의 A1-A2 부분을 절취한 단면도.FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the A1-A2 portion of FIG. 10; FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1: 탐침 2: 캔티레버1: probe 2: cantilever
3: 휨 감지부 4: 제어부3: bending detection part 4: control part
5: 전압 발생부 6: 액튜에이터5: voltage generator 6: actuator
7: 헤드 8: 부재7: head 8: absence
9: 시료 10: 스캐너9: sample 10: scanner
11: 유연 힌지 12, 30: 요크11:
13, 33: 마그네트 14, 31: 코일13, 33:
15: 지지대 20: 프레임15: support 20: frame
21: 제 1 개구부 22: 제 2 개구부21: first opening 22: second opening
23: 스테이지 24: 제 3 개구부23: stage 24: third opening
25: 유연 힌지 26: 구멍25: flexible hinge 26: hole
32: 이동 축32: movement axis
본 발명은 구동 헤드 및 그를 구비하는 개인용 원자현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상, 하 양방향 변위가 가능하고 큰 변위폭을 갖는 구동 헤드 및 그를 구비하는 개인용 원자현미경에 관한 것이다.The present invention relates to a driving head and a personal atomic force microscope having the same, and more particularly, to a driving head having a large displacement width capable of both up and down displacement and a personal atomic microscope including the same.
나노 미터 수준의 표면 형상이나 특성을 측정할 수 있는 SPM(Scanning Probe Mircoscope)은 나노 테크놀로지(NT) 분야의 연구 활성화와 더불어 중요한 역할을 하는 장치이며, STM(Scanning Tunneling Microscope), AFM(Atomic Force Microscope) 등이 이에 속한다. The Scanning Probe Mircoscope (SPM), which can measure nanometer-level surface shapes and properties, plays an important role along with active research in the field of nanotechnology (NT). ) And the like.
STM은 끝이 뾰족한 탐침을 포함한다. 탐침을 전도체 시료 표면에 가까이 접근시키고 탐침과 시료에 전압을 인가하면 두 도체 간의 간격이 아주 작은 경우 전자가 에너지벽을 뚫고 통과하여 전류가 흐르게 된다. 이를 양자역학적 터널링(Tunneling) 현상이라 한다. 반면, 탐침과 시료 간의 간격이 멀어지면 전자의 터널링 확률이 급격히 낮아져 전류가 급격히 감소한다. 이 때 구동기(scanner)는 탐침을 통해 일정한 전류가 흐르도록 탐침의 높이를 조정하며, 탐침을 좌우, 전후로 이동시키면서 시료 표면을 측정하도록 한다. STM은 전기적으로 부도체인 시료를 측정할 수 없는 단점을 가진다. STM includes a pointed probe. When the probe is brought close to the surface of the conductor sample and voltage is applied to the probe and the sample, electrons penetrate through the energy wall and the current flows when the gap between the two conductors is very small. This is called a quantum mechanical tunneling phenomenon. On the other hand, if the distance between the probe and the sample is far, the tunneling probability of the electron is sharply lowered, and the current is drastically reduced. At this time, the driver adjusts the height of the probe so that a constant current flows through the probe, and measures the surface of the sample while moving the probe from side to side and back and forth. STM has the disadvantage of not being able to measure electrically nonconducting samples.
이에 반해 AFM(이하, 원자현미경이라 한다)은 부도체인 시료도 측정이 가능한 장점을 가진다. In contrast, AFM (hereinafter referred to as atomic force microscope) has the advantage of being able to measure non-conducting samples.
원자현미경은 미세한 힘에 의해 상,하로 쉽게 휘어질 수 있도록 제작된 막대 모양의 캔티레버와, 캔티레버 종단에 설치된 탐침을 포함한다. 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 서로 끌어당기는 힘(인력) 또는 밀치는 힘(척력)이 작용한다. 이 때 발생되는 캔티레버의 휨을 측정하는 방법으로 여러가지 방법이 제안되었다. The atomic force microscope includes a rod-shaped cantilever that can be easily bent up and down by minute force, and a probe installed at the end of the cantilever. When the probe approaches the sample surface, a force (pulling force) or a pushing force (repulsive force) is applied between the atoms at the tip of the probe and the atoms at the sample surface. Various methods have been proposed as a method for measuring the deflection of the cantilever generated at this time.
광이 캔틸레버에 조사되고, 캔틸레버에 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(Photodiode)를 통해 검출하여 탐침과 시료 간의 간격이 일정하게 유지되도록 하는 방법이 있다("Method of controlling probe microscope", U.S Patent No.5,955,660, Seiko Instrument), ("Method and apparatus for measuring characteristics of surface using electrostatic force modulation microscopy which operats in contact mode", U.S Patent No.6,185,991, PSIA corp., 2001).There is a method in which light is irradiated to the cantilever and the angle of the light reflected by the cantilever is detected through a photodiode to maintain a constant distance between the probe and the sample ("Method of controlling probe microscope", US Patent No. .5,955,660, Seiko Instrument), ("Method and apparatus for measuring characteristics of surface using electrostatic force modulation microscopy which operats in contact mode", US Patent No. 6,185,991, PSIA corp., 2001).
캔티레버의 휨을 검출하기 위해 캔티레버에 센서를 장착한 기술들이 개발되었다("Atomic force microscopy probe with piezoresistive read-out and a highly symmetrical Wheatstone bridge arrangement", J. Thaysen et al., Sensor and Actuators 83(2000), pp47-53), ("Self-exciting and self-detecting probe and scanning probe apparatus", U.S patent No.6,422,069, 2002, Seiko instruments Inc.). To detect the deflection of the cantilever, techniques have been developed that incorporate sensors in the cantilever ("Atomic force microscopy probe with piezoresistive read-out and a highly symmetrical Wheatstone bridge arrangement", J. Thaysen et al., Sensor and Actuators 83 (2000) , pp 47-53), ("Self-exciting and self-detecting probe and scanning probe apparatus", US patent No. 6,422,069, 2002, Seiko instruments Inc.).
레이저 다이오드(Laser diode)와 포토 다이오드(Photo diode)를 사용하는 경우보다 센서를 캔티레버에 장착하는 경우가 분해능은 떨어지지만, 정렬이나 측정이 용이하다. 그러나 상기와 같이 구성되는 종래의 원자현미경은 z 방향이나, x 및 y 방향의 구동을 위해 압전 구동기를 이용하기 때문에 압전 구동기의 특성으로 인한 히스테리시스(Hysteresis)나 크립(Creep) 현상이 발생되고, x 축 및 y 축 방향으로 스캐닝을 할 때 일어나는 곡선 모양의 직선 운동(Curvilinear motion)으로 인해 후보정이 반드시 필요한 문제점이 있다. 이와 같이 기존의 원자현미경들은 레이저 다이오드와 포토 다이오드를 사용하는 광학적인 구조를 가지기 때문에 복잡하고, 압전 구동기의 사용에 따른 히스테리시스나 크립 등의 문제점으로 인해 비선형성을 가진다. 따라서 비선형성으로 인해 발생되는 문제를 해결하기 위한 부가 시스템을 필요로 하며 제작비용도 많이 소요된다.Although the resolution is lower when the sensor is mounted on the cantilever than when the laser diode and the photo diode are used, alignment and measurement are easy. However, since the conventional atomic force microscope configured as described above uses a piezoelectric driver for driving in the z direction or the x and y directions, hysteresis or creep occurs due to the characteristics of the piezoelectric driver, and x Candidate crystals are a necessity due to the curved linear motion occurring when scanning in the axial and y-axis directions. As such, the conventional atomic force microscopes are complicated because they have an optical structure using a laser diode and a photo diode, and have nonlinearity due to problems such as hysteresis and creep due to the use of a piezoelectric driver. Therefore, an additional system is required to solve the problems caused by nonlinearity and manufacturing costs are high.
본 발명의 목적은 상, 하 양방향 변위가 가능하고 큰 변위폭을 갖는 구동 헤 드를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a driving head capable of both up and down displacements and having a large displacement width.
본 발명의 다른 목적은 간단한 구조를 가지며, 제작비용이 낮은 개인용 원자현미경을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a personal atomic force microscope having a simple structure and low manufacturing cost.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 구동 헤드는 소정 부분에 탄성부를 구비하는 유연힌지(flexure hinge)와; 상기 유연힌지를 지지하고 유연힌지의 탄성부에 소정의 힘을 전달하는 지지대와; 상기 지지대와 대응되는 위치에서 상기 유연힌지와 연결되는 요크와; 상기 요크로부터 일 방향으로 돌출되어 구비되는 마그네트와; 상기 지지대 상에 고정되며 상기 마그네트와 중첩되는 형태로 구비되는 코일을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. The drive head according to the present invention for achieving the above object includes a flexible hinge having an elastic portion in a predetermined portion; A support for supporting the flexible hinge and transmitting a predetermined force to the elastic portion of the flexible hinge; A yoke connected to the flexible hinge at a position corresponding to the support; A magnet protruding from the yoke in one direction; It is characterized in that it comprises a coil is fixed on the support and provided in a form overlapping with the magnet.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개인용 원자현미경은 시료 상에 위치 되는 탐침; 상기 탐침을 이동시키기 위한 캔티레버; 상기 캔티레버의 휨 정도에 따라 전기전도도가 변화되는 휨 감지부; 상기 휨 감지부로부터 제공되는 전기전도도에 따라 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어신호에 따라 상기 탐침과 상기 시료 간의 간격을 일정하게 유지시키기 위해 상기 캔티레버를 상,하로 이동시키는 구동 헤드; 및 상기 시료를 이동시키기 위한 스캐너를 포함하며, 상기 구동 헤드는 상기 캔티레버에 연결되며 소정 부분에 탄성부를 구비하는 유연힌지(flexure hinge)와; 상기 유연힌지를 지지하고 유연힌지의 탄성부에 소정의 힘을 전달하는 지지대와; 상기 지지대와 대응되는 위치에서 상기 유연힌지와 연결되는 요크와; 상기 요크로부터 일 방향으로 돌출되어 구비되는 마그네트와; 상기 지지대 상에 고정되며 상기 마그네트와 중첩되는 형태로 구비되는 코일을 포함하여 구성됨 을 특징으로 한다. In addition, a personal atomic microscope according to the present invention for achieving the above object is a probe located on the sample; A cantilever for moving the probe; A warpage detector for changing electrical conductivity depending on the degree of warpage of the cantilever; A control unit for outputting a control signal in accordance with the electrical conductivity provided from the bending detection unit; A driving head for moving the cantilever up and down to maintain a constant distance between the probe and the sample according to the control signal; And a scanner for moving the sample, wherein the drive head is connected to the cantilever and has a flexible hinge having an elastic portion in a predetermined portion; A support for supporting the flexible hinge and transmitting a predetermined force to the elastic portion of the flexible hinge; A yoke connected to the flexible hinge at a position corresponding to the support; A magnet protruding from the yoke in one direction; It is characterized in that it comprises a coil is fixed on the support and provided in a form overlapping with the magnet.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. .
도 1은 본 발명에 따른 구동 헤드를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view for explaining a driving head according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 구동 헤드는 소정 부분에 탄성부를 구비하는 유연힌지(flexure hinge)(11)와; 상기 유연힌지를 지지하고 유연힌지의 탄성부에 소정의 힘을 전달하는 지지대(15)와; 상기 지지대와 대응되는 위치에서 상기 유연힌지와 연결되는 요크(12)와; 상기 요크로부터 일 방향으로 돌출되어 구비되는 마그네트(13)와; 상기 지지대 상에 고정되며 상기 마그네트와 중첩되는 형태로 구비되는 코일(14)을 포함하여 구성된다. 1, the drive head according to the present invention includes a flexible hinge (11) having an elastic portion in a predetermined portion; A
여기서, 상기 지지대(15)와 상기 유연 힌지(11)는 알루미늄 합금 등으로 형성될 수 있으며, 상기 유연 힌지(11)에서 탄성을 갖는 소정 부분은 도시된 바와 같이 휨을 원활하게 하기 위해 형성되는 원형, V 형, U 형 등의 홈(A 부분) 형성 영역이다. Here, the
이 때, 도 1에서는 상기 유연 힌지(11)의 탄성을 갖는 소정 부분(탄성부)이 지지대(15)와 연결되는 유연 인지(11)의 하단에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예로 이에 한정되지 아니하며, 상기 A 부분과 같은 홈 형태의 탄 성부는 유연 힌지(11)의 몸체의 소정 영역에 형성될 수 있는 것이다. At this time, in Figure 1 is shown a predetermined portion (elastic portion) having the elasticity of the
또한, 상기 요크에 구비되는 상기 마그네트(13)는 막대 또는 원통 형태의 영구자석으로 구성하며, 상기 코일(14)은 상기 마그네트(13)의 내측 또는 외측에 위치될 수 있는 원형, 사각형 등의 내부가 빈 통 형태로 구성되어, 상기 마그네트와 중첩 형성된다. In addition, the
도 1에서는 상기 코일(14)이 상기 마그네트(13) 내측에 위치하는 것이 도시되어 있으며, 이와 같은 상기 코일(14) 및 마그네트(13)는 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor, VCM)의 역할을 수행하게 된다.In FIG. 1, the
즉, 상기 코일(14) 및 마그네트(13)에 의해 특정 방향으로 로렌츠(Lorentz) 힘(F)이 생성되고, 상기 로렌츠 힘은 상기 코일(14)이 구비된 지지대(15)를 상측 또는 하측 방향으로 이동하게 한다. That is, the Lorentz force F is generated in a specific direction by the
이와 같은 구성을 갖는 구동 헤드의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다. 즉, 상기 코일(14)을 통해 소정의 전류(I)가 흐르도록 하면 상기 마그네트(13)에 의해 형성된 자기장(B)의 방향과 상기 코일(14)을 통해 흐르는 전류(I)의 방향이 수직이 되어 로렌츠(Lorentz) 힘(F)이 발생되고, 상기 로렌츠 힘에 의해 상기 코일(14)가 구비된 지지대(15)는 상부 또는 하부로 이동하게 된다.The operation of the drive head having such a configuration will be briefly described as follows. That is, when a predetermined current I flows through the
이에 상기 지지대(15)의 움직임에 의해 상, 하측 방향으로 발생되는 힘은 상기 지지대(15)와 연결된 상기 유연 힌지(11)에 전달되고, 이는 상기 유연 힌지(11)의 탄성부(A)의 탄성에 의해 상기 유연 힌지(11)가 좌, 우측으로 움직임으로써, 상기 지지대(15)의 종단에 예를 들어, 캔티레버(2)와 같이 구동시키고자 물체 가 연결된 경우 상기 캔티레버(2)가 하부 또는 상부로 이동하게 된다.The force generated in the up and down direction by the movement of the
즉, 상기 구동 헤드는 개인용 원자 현미경에 구비될 수 있으며, 이 경우 시료 상에 위치 되는 탐침(1)을 이동시키기 위한 캔티레버(2)가 상기 지지대(15)의 종단에 구비되어 상기 캔티레버(2)를 상, 하로 이동시킬 수 있는 것이다.That is, the driving head may be provided in a personal atomic microscope, in which case a
이하, 상기 구동 헤드의 동작을 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation of the driving head will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
도 2는 본 발명에 따른 구동 헤드의 동작을 설명하기 위한 개략도로서, 보이스 코일 모터(VCM) 역할을 수행하는 부분의 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 유연 힌지의 상세도이다.FIG. 2 is a schematic view for explaining the operation of the driving head according to the present invention, which is a cross-sectional view of a part serving as a voice coil motor (VCM), and FIG. 3 is a detailed view of the flexible hinge shown in FIG.
도 2을 참조하면, 본 발명에 의한 구동 헤드에 구비되는 보이스 코일 모터는 요크(12)와, 상기 요크(12)에 구비되는 상기 마그네트(13)와, 상기 마그네트(13)의 내측 또는 외측에 위치되는 코일(14) 및 상기 코일이 구비된 지지대(15)로 구성된다. Referring to FIG. 2, the voice coil motor provided in the driving head according to the present invention includes a
단, 도 2에서는 도 1과 달리 상기 코일(14)이 상기 마그네트(13) 외측을 둘러싸는 형태로 위치하는 것이 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하다. However, in FIG. 2, unlike FIG. 1, the
상기 마그네트(13)에 의해 자기장(B)이 형성된 상태에서 상기 코일(14)을 통해 전류(I)가 흐르면 상기 마그네트(13)에 의해 형성된 자기장(B)의 방향과 상기 코일(14)을 통해 흐르는 전류(I)의 방향이 수직이 되어 로렌츠 힘(F)이 발생된다. 이 때 발생되는 로렌츠 힘(F)은 상기 요크(12) 부분(공간)에서 얻어지는 자속밀도 (B), 전류(I), 코일(14)의 권선수(n) 및 유효길이(Le)에 의해 하기의 수학식 1과 같이 결정된다.When the current I flows through the
여기서, 마그네트 회로에 의해서 얻어지는 자속밀도(B)는 산출 과정이 복잡하고, 보이스 코일 모터의 구동 원리 등을 통해 잘 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. Here, the magnetic flux density (B) obtained by the magnet circuit is complicated and the calculation process is well known, and is well known through the driving principle of the voice coil motor.
즉, 도 1을 참조하면, 상기 힘(F)에 의해 상기 코일(14)이 구비된 지지대(15)가 상측으로 이동하게 되면, 이에 따라 상기 지지대(15)와 연결된 상기 유연 힌지(11)는 탄성부(A)의 탄성에 의해 유연 힌지(11)가 우측으로 휘게되고, 이로 인해 상기 유연 힌지(11)가 고정된 지지대(15)는 하부로 구동되어, 결과적으로 상기 지지대(15)에 연결된 상기 캔티레버(2)가 하부로 이동하게 되는 것이다. That is, referring to FIG. 1, when the
이와 반대로, 상기 힘(F)에 의해 상기 코일(14)가 구비된 지지대(15)가 하측으로 이동하게 되면, 이에 따라 상기 지지대(15)와 연결된 상기 유연 힌지(11)는 탄성부(A)의 탄성에 의해 유연 힌지(11)가 좌측으로 휘게 되고, 이로 인해 상기 유연 힌지(11)가 고정된 지지대(15)는 상부로 구동되어, 결과적으로 상기 지지대(15)에 연결된 상기 캔티레버(2)가 상부로 이동하게 된다. On the contrary, when the
여기서, 도 3에 도시된 상기 유연 힌지(11)는 상기 지지대(15)의 이동에 의해 인가되는 힘과 변위의 관계를 나타내는 하기의 수학식 2 내지 수학식 6을 통해 설계될 수 있다. Here, the
상기 유연 힌지(11)의 변형각도()는 하기의 수학식 2와 같다.Deformation angle of the flexible hinge 11 ( ) Is as shown in
여기서, t < R < 5t Where t <R <5t
보정상수(correction factor)(k)는 하기의 수학식 3과 같다. The correction factor ( k ) is given by
최대 질량관성(maximum moment of inertial)(M max )은 하기의 수학식 4와 같다.Maximum moment of inertial ( M max ) is given by
하중집중상수(Stress concentration factor)(k t )는 하기의 수학식 5와 같다.Stress concentration factor ( k t ) is expressed by
이 때 최대 변형각도()는 하기의 수학식 6을 통해 얻을 수 있다. 그러나 탄성범위 내에서만 구동되어야 하므로 최대 응력값에서 0.1 ~ 0.3의 안전계 수를 설정하여 설계한다. Where the maximum deformation angle ( ) Can be obtained through
상기 수학식 2 내지 수학식 6을 통해 알 수 있듯이, 도 3에 도시된 상기 유연 힌지(11)의 두께(b), 폭(H), 상기 홈(A 부분)의 반경(R)이 변수가 되므로 요구되는 변형각도 및 변위에 맞도록 값을 설정하여 설계하면 된다.As can be seen through the equations (2) to (6), the thickness (b), width (H), and radius (R) of the groove (A portion) of the
도 4는 도 1과 같이 구성된 본 발명에 따른 구동 헤드를 구비하는 개인용 원자현미경을 설명하기 위한 개략도이다.4 is a schematic diagram for explaining a personal atomic force microscope having a driving head according to the present invention configured as shown in FIG.
본 발명에 따른 개인용 원자현미경은 도 4에 도시된 바와 같이 시료(9) 상에 위치 되는 탐침(1), 상기 탐침(1)을 이동시키기 위한 캔티레버(2), 상기 캔티레버(2)의 휨 정도에 따라 전기전도도가 변화되는 휨 감지부(3), 상기 휨 감지부(3)로부터 제공되는 전기전도도에 따라 제어신호를 출력하는 제어부(4), 상기 제어신호에 따라 상기 탐침(1)과 상기 시료(9) 간의 간격을 일정하게 유지시키기 위해 상기 캔티레버(2)를 상,하로 이동시키는 구동 헤드(7)를 포함하여 구성되며, 상기 구동 헤드(7)가 앞서 도 1 내지 도 3을 통해 설명한 구동 헤드로 구현됨을 특징으로 한다.The personal atomic force microscope according to the present invention has a
상기 시료(9)는 스캐너(10) 상에 위치되며, 상기 스캐너(10)에 의해 x 축 및 y 축 방향으로 이동된다. 상기 구동 헤드(7)와 캔티레버(2) 사이에는 상기 캔티레버(2)를 소정의 기울기로 위치시키기 위한 부재(8)가 설치될 수 있다.The
상기 휨 감지부(3)는 상기 탐침(1)과 상기 시료(9) 사이에 작용하는 힘에 의해 상기 캔티레버(2)가 변형되는 정도를 감지한다. 상기 캔티레버(2)의 변형 정도에 따라 저항 즉, 전기전도도의 변화를 나타낸다. 상기 휨 감지부(3)는 상기 캔티레버(2)에 압전저항(Piezo resistive) 특성을 갖는 이온이 도핑된 층으로 형성하거나, 상기 캔티레버(2) 외부에 압전저항 특성을 갖는 물질을 부착하여 형성할 수 있다.The bending
상기 제어부(4)는 상기 전기전도도에 따른 전압신호를 출력하는 전압 발생부(5)와 상기 전압신호에 따라 소정의 전류량을 갖는 상기 제어신호를 출력하는 액튜에이터(6)로 구성된다. 상기 전압 발생부(5)는 디지털 신호처리기(DSP) 등으로 구성할 수 있다.The
상기 구동 헤드(7)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 캔티레버(2)에 일측 종단이 연결되며 소정 부분에 탄성부를 구비하는 유연힌지(flexure hinge)(11)와; 상기 유연힌지를 지지하고 유연힌지의 탄성부에 소정의 힘을 전달하는 지지대(15)와; 상기 지지대와 대응되는 위치에서 상기 유연힌지와 연결되는 요크(12)와; 상기 요크로부터 일 방향으로 돌출되어 구비되는 마그네트(13)와; 상기 지지대 상에 고정되며 상기 마그네트와 중첩되는 형태로 구비되는 코일(14)을 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 1, the driving head 7 includes a
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 스캐너(10)를 설명하기 위한 평면도이다.5 to 7 are plan views illustrating the
상기 스캐너(10)는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 중앙에 형성된 사각 형태의 제 1 개구부(21) 및 상기 제 1 개구부(21)의 각 모서리부에 형성된 사각 형태의 제 2 개구부(22)들을 갖는 프레임(20)(도 5 참조)과, 상기 제 1 개구부(21) 내에 위치되며 상기 시료(9)가 위치되는 사각 형태의 스테이지(23)와, 상기 제 2 개구부(22) 내에 각각 위치되며, 마주보는 두 모서리부 즉, 도 7을 참조할 경우 우측 하단 모서리부 및 좌측 상단 모서리부가 상기 스테이지(23) 및 상기 프레임(20)에 연결되고, 중앙에는 사각 형태의 제 3 개구부(24)가 형성된 유연 힌지(25)들을 포함한다.(도 6 및 도 7 참조) 도 7은 도 6에 도시된 B 부분의 상세도이다.As illustrated in FIGS. 5 to 7, the
여기서, 유연 힌지(25)는 도 7에 도시된 바와 같이 제 2 개구부(22) 외측의 프레임(20)과 소정 간격 이격되어 각 변의 4부분에 서로 연결된 제 1 내지 제 4 유연힌지부(25a, 25b, 25c, 25d)로 구성되며, 각각의 유연 힌지부(25a, 25b, 25c, 25d)는 앞서 설명한 상기 구동 헤드(7)의 유연 힌지(11)와 동일한 방식으로 설계되는 것이 바람직하다.Here, the
즉,각각의 유연힌지부들(25a, 25b, 25c, 25d)의 회전이 원활하게 이루어질 수 있도록 유연힌지부의 끝단의 너비가 중앙부보다 좁게 형성되어, 상기 끝단에 탄성부가 구비되도록 하는 것이 바람직하다. That is, the width of the end of the flexible hinge portion is formed narrower than the center portion so that the
이를 위해 상기 유연힌지부의 끝단에는 탄성부가 구비될 수 있도록 도 7에 도시된 바와 같이 다수의 원형 구멍(26)을 형성할 수 있다.To this end, a plurality of
상기 스테이지(23)는 보이스 코일 모터(VCM) 등에 의해 x 축 및 y 축 방향으로 이동하며, 상기 스테이지(23)의 x 축 및 y 축 이동에 따라 상기 유연 힌지(25)를 구성하는 제 1 내지 제 4유연힌지부(25a, 25b, 25c, 25d)가 서로 마주보며 도 7에 도시된 바와 같이 각각 y 축 및 x 축 방향으로 회전된다. The
즉, 제 2개구부(22)의 상, 하변에 위치하여 서로 마주보는 제 1유연힌지부 (25a) 및 제 3유연힌지부(25c)는 도시된 바와 같이 스테이지(23)의 이동에 의해 y축 방향으로 회전하고, 좌, 우변에 위치하여 서로 마주보는 제 2유연힌지부(25b) 및 제 4유연힌지부(25d)는 도시된 바와 같이 스테이지(23)의 이동에 의해 x축 방향으로 회전한다.That is, the first
상기 보이스 코일 모터(VCM)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 스테이지(23) 하부에 위치된 요크(30), 상기 요크(30)에 부착되며 서로 마주보도록 배치된 두 쌍의 마그네트(33), 상기 마그네트(33) 사이에 형성되는 자기장의 방향과 수직이 되도록 위치된 코일(31) 및 상기 코일(31)과 상기 스테이지(23)에 고정된 이동 축(32)으로 구성된다. 상기 두 쌍의 마그네트(33)에 의해 자기장의 방향이 결정되고, 상기 자기장의 방향과 상기 코일(31)을 통해 흐르는 전류의 방향에 따라 상기 코일(31)에 연결된 이동 축(32)이 x 축 및 y 축 방향으로 이동함에 따라 상기 스테이지(23)가 이동된다. As shown in FIG. 8, the voice coil motor VCM is provided with a
예를 들어, 보이스 코일 모터 등에 의해 상기 스테이지(23)가 x 축 방향으로 이동하면 상기 유연 힌지(25)의 제 2 및 제 4 유연힌지부들(25b, 25d)이 회전하고, 상기 스테이지(23)가 y 축 방향으로 이동하면 상기 유연힌지(25)의 제 1 및 제 3 유연힌지부들(25a, 25c)이 회전하여 상기 시료(9)를 x 축 및 y 축 방향으로 이동시킨다.For example, when the
이 때 상기 각 유연 힌지(25)를 구성하는 제 1 내지 제 4 유연힌지부(25a, 25b, 25c, 25d)들의 회전이 동일한 변위(예를 들어, 100㎛ 이상)로 이루어져야 전체적인 평형이 유지되므로 상기 유연 힌지부(25)들의 탄성이 동일해야 한다.At this time, the rotation of the first to fourth
따라서 상기 유연 힌지(25)의 x 축 및 y 축 회전이 상기 스테이지(23)의 이동 경로를 고정시키는 가이드 역할을 하기 때문에 상기 유연 힌지(25)의 회전에 의해 상기 스테이지(23)가 뒤틀리지 않고 정확하게 x 축 및 y 축으로만 이동하게 된다. Accordingly, since the x and y axis rotations of the
그러면 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 개인용 원자현미경의 동작을 설명하기로 한다.Then, the operation of the personal atomic force microscope according to the present invention configured as described above will be described.
상기 스캐너(10)의 스테이지(23) 상에 측정하고자 하는 시료(9)를 위치시킨 상태에서 상기 캔티레버(2)를 이동시켜 상기 탐침(1)이 상기 시료(9) 표면에 근접되도록 한다. 상기 탐침(1)이 상기 시료(9)에 근접되면 일반적인 원자현미경(AFM)에서와 마찬가지로 상기 탐침(1)과 상기 시료(9) 간의 상호 작용에 의해 힘이 발생되고, 발생된 힘에 의해 상기 캔티레버(2)가 윗쪽으로 휘게 된다. The
이 때 상기 캔티레버(2)의 휨 정도는 상기 휨 감지부(3)의 전기전도도 변화로 나타나기 때문에 상기 전압 발생부(5)는 상기 전기전도도에 따른 전압신호를 상기 액튜에이터(6)로 전달하고, 상기 액튜에이터(6)는 상기 전압신호에 따른 전류량을 가지는 제어신호를 상기 구동 헤드(7)의 코일(14)로 공급한다.At this time, since the bending degree of the
상기 코일(14)을 통해 소정 량의 전류(I)가 흐르게 됨에 따라 상기 마그네트(13)에 의해 형성된 자기장(B)의 방향과 상기 코일(14)을 통해 흐르는 전류(I)의 방향이 수직이 되므로 로렌츠(Lorentz) 힘(F)에 의해 상기 코일(14)가 구비된 지지대(15)가 상부 또는 하부로 이동하고, 상기 지지대(15)와 연결된 상기 유연 힌지(11)의 탄성에 의해 상기 지지대(15)의 끝단 연결된 상기 캔티레버(2)가 하부 또는 상부로 이동하게 된다.As a predetermined amount of current I flows through the
이와 같은 과정의 피드백(feed back)을 통해 상기 탐침(1)과 시료(9) 간의 간격 즉, 높이가 일정하게 유지되는 상태에서 상기 스캐너(10)에 의한 x 축 및 y 축 이동에 따라 상기 시료(9) 표면 전체를 측정하게 된다. Through the feedback (feed back) of this process, the sample between the
즉, x 축 및 y 축 위치에 따른 z 축의 값을 획득함으로써 시료(9)의 3차원 형상을 얻게 된다.That is, the three-dimensional shape of the
본 발명의 구동 헤드는 전류의 흐름 방향에 따라 양방향 변위가 가능하고 유연 힌지의 탄성을 최대한 이용하면 변위폭이 극대화되도록 구성할 수 있다. 그러므로 본 발명의 구동 헤드를 개인용 원자현미경에 적용하면 종래 원자현미경의 헤드보다 향상된 높이 방향의 변위폭을 갖게 된다. The drive head of the present invention can be configured to be bi-directional displacement in accordance with the flow direction of the current and to maximize the displacement width by using the elasticity of the flexible hinge to the maximum. Therefore, when the driving head of the present invention is applied to a personal atomic force microscope, it has an improved displacement width in the height direction than the head of the conventional atomic force microscope.
또한, 본 발명의 스캐너는 대칭적 구조를 가지기 때문에 열이나 진동, 왜란 등에 둔감하며, 양방향으로의 동역학적 특성이 동일하고, 히스테리시스나 크립 현상이 거의 발생하지 않으므로 스캐닝 방향에 따른 이미지의 왜곡이 발생되지 않으며, 유연 힌지의 탄성을 최대한 이용할 수 있으므로 종래 원자현미경의 스테이지보다 향상된 변위폭을 갖게 된다. In addition, since the scanner of the present invention has a symmetrical structure, it is insensitive to heat, vibration, and disturbance, and has the same dynamic characteristics in both directions, and almost no hysteresis or creep occurs, thereby causing distortion of the image along the scanning direction. In addition, since the elasticity of the flexible hinge can be utilized to the maximum, it has an improved displacement width than the stage of the conventional atomic force microscope.
도 9는 본 발명에 따른 개인용 원자현미경의 히스테리시스 측정 결과를 도시한 그래프이다.9 is a graph showing the hysteresis measurement results of the personal atomic force microscope according to the present invention.
상기 제어전압을 -10V 에서 +10V 까지 변화시키며 ADE 사의 캐패시티브(Capacitive) 센서를 이용하여 상기 캔티레버(2)의 변위량을 측정하였다.The control voltage was changed from -10V to + 10V, and the displacement amount of the
상기 제어전압의 변화에 따라 상기 캔티레버(2)의 이동 방향이 변화되어도 재현력이 거의 감소되지 않았으며, 시간의 변화에 따른 변위량의 변화도 거의 나타나지 않았다. 따라서 종래 원자현미경(AFM)의 헤드에 비해 히스테리시스 및 크립 현상이 거의 발생하지 않기 때문에 선형성이 매우 높아 한번의 초기 보정(Calibration)을 통해 원하는 이미지를 얻을 수 있으며, 오차 범위도 약 1% 이내로 감소된다.Even if the direction of movement of the
도 10은 본 발명에 따른 개인용 원자현미경으로 얻은 5㎛ 크기의 격자샘플(grating sample)의 표면 사진이며, 도 11은 도 10의 A1-A2 부분을 절취한 단면을 도시한다.FIG. 10 is a surface photograph of a grating sample having a size of 5 μm obtained with a personal atomic force microscope according to the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along a portion A1-A2 of FIG. 10.
100㎚의 높이를 측정함에 있어서, 약 5㎚ 이하의 분해능으로 표면 이미지를 획득할 수 있음을 알 수 있다. 이미지 획득 속도는 노이즈를 감소시키는 저역통과필터(Lowpass filter)의 대역과 밀접한 관계를 갖는다. 1Hz 정도의 스캐닝 속도에 맞추어 최적화되어 있다. In measuring the height of 100 nm, it can be seen that a surface image can be obtained with a resolution of about 5 nm or less. The image acquisition rate is closely related to the band of the lowpass filter that reduces noise. Optimized for scanning speeds of around 1Hz.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the preferred embodiment of the present invention has been disclosed through the detailed description and the drawings. The terms are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같이 본 발명의 개인용 원자현미경은 휨 감지부가 구비되며 탐침을 이동시키는 캔티레버, 캔티레버를 상,하로 이동시키는 구동 헤드 및 시료를 x 축 및 y 축 방향으로 이동시키는 스캐너를 포함한다. 캔티레버는 휨 감지부를 구비하는 간단한 구조로 이루어지고, 구동 헤드 및 스캐너는 양방향 변위가 가능하고 유연 힌지의 탄성에 의해 큰 변위폭을 갖는다. As described above, the personal atomic force microscope of the present invention includes a bend detection unit, a cantilever for moving the probe, a driving head for moving the cantilever up and down, and a scanner for moving the sample in the x and y axis directions. The cantilever has a simple structure having a bending detection unit, and the driving head and the scanner have a large displacement width by bidirectional displacement and elasticity of the flexible hinge.
본 발명의 개인용 원자현미경은 높은 선형성을 갖기 때문에 히스테리시스나 크립 현상이 거의 발생되지 않는다. 그러므로 보정을 위한 별도의 센서 시스템이 필요하지 않으며, 한번의 초기 보정을 통해 원하는 이미지를 얻을 수 있다.Since the personal atomic force microscope of the present invention has high linearity, hysteresis and creep hardly occur. Therefore, a separate sensor system for calibration is not required, and the desired image can be obtained through one initial calibration.
본 발명의 개인용 원자현미경은 기존의 시스템 및 사용자 환경에서 랩뷰(Labview) 기반으로 사용할 수 있기 때문에 시스템 구축에 소요되는 사용자 부담을 감소시킬 수 있다. 또한, 캔티레버, 구동 헤드 및 스테이지가 간단한 구조로 이루어지기 때문에 저가형으로 제작할 수 있으며, 바이오 분야의 시편 측정이나, 탐침형 정보저장 장치, 광정보 기록 및 재생 장치, 알파-스텝(alpa-step)과 같은 단차 측정 장치 등에도 적용할 수 있다. Since the personal atomic force microscope of the present invention can be used on a lab basis in an existing system and a user environment, a user burden on system construction can be reduced. In addition, the cantilever, the driving head and the stage have a simple structure, so that they can be manufactured at low cost. It can be applied to the same step measuring device.
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