KR20080098837A - 캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한고속고정밀 원자현미경 - Google Patents

캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한고속고정밀 원자현미경 Download PDF

Info

Publication number
KR20080098837A
KR20080098837A KR1020070044188A KR20070044188A KR20080098837A KR 20080098837 A KR20080098837 A KR 20080098837A KR 1020070044188 A KR1020070044188 A KR 1020070044188A KR 20070044188 A KR20070044188 A KR 20070044188A KR 20080098837 A KR20080098837 A KR 20080098837A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
actuator
cantilever
atomic force
displacement
force microscope
Prior art date
Application number
KR1020070044188A
Other languages
English (en)
Inventor
박기환
염우섭
정종규
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR1020070044188A priority Critical patent/KR20080098837A/ko
Publication of KR20080098837A publication Critical patent/KR20080098837A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/30—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/04—Self-detecting probes, i.e. wherein the probe itself generates a signal representative of its position, e.g. piezoelectric gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/30—Scanning potential microscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/02—General constructional details
    • G01R1/06—Measuring leads; Measuring probes
    • G01R1/067—Measuring probes
    • G01R1/06711—Probe needles; Cantilever beams; "Bump" contacts; Replaceable probe pins
    • G01R1/06716—Elastic
    • G01R1/06727—Cantilever beams

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

측정물의 원자단위 3차원 정보를 얻기 위한 현미경인 원자현미경(AFM)은 힘 센서의 한 종류인 캔틸레버를 이용하여 시편 표면의 나노 형상정보를 얻는다. 그러나 한 가지 센서를 사용하여 형상정보를 얻어내는 제어 알고리즘에서는 최적의 제어기를 설계하지 못한다면, 탁월한 힘 제어 뿐 아니라, 이 제어신호를 이용한 시편의 형상획득에서도 높은 신뢰성을 얻을 수 없다. 특히 원자현미경의 정확한 수학적 모델링을 구하지 못한다면, 최적 제어기를 구현하였다 하더라도 제어기를 통해 나오는 신호와 캔틸레버를 움직이는 액추에이터(이하 액추에이터라 칭함.)의 수학적 모델링에 기반한 측정물의 나노 형상정보의 오차는 더욱 더 커질 수밖에 없다. 이를 위해 인터페로미터와 같은 액추에이터의 절대 변위를 측정하는 센서, 액추에이터와 캔틸레버의 상대적 움직임을 측정하는 상대 변위센서를 사용한다면, 힘 피이드 백 제어기의 성능 및 시스템의 정확한 수학적 모델에 구애받지 않고 나노 형상정보를 정확하게 얻을 수 있다.
원자 현미경(AFM), 레이저 위치 간섭계

Description

캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한 고속고정밀 원자현미경{High speedultra precision atomic force microscope using displacement sensors which measure both ends of cantilever}
도 1a는 액추에이터와 캔틸레버의 상대적 움직임만을 측정하는 상대 변위센서를 이용한 기존의 원자 현미경(AFM)의 구성도
도 1b는 기존의 원자 현미경(AFM)의 블록 다이어그램
도 2a는 액추에이터가 움직인 절대 변위를 측정하는 절대 변위센서와 액추에이터와 캔틸레버의 상대 움직임 변위를 측정하는 상대 변위센서를 이용한 본 발명에 따른 원자 현미경(AFM)의 구성도
도 2b는 본 발명에 따른 원자 현미경(AFM)의 블록 다이어그램
도 3은 본 발명에 따른 원자 현미경(AFM)의 시스템 구성
{도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명}
101 : 시료 102 : 캔틸레버
103 : 액추에이터 104 : 제 1센싱수단
201 : 제 2센싱수단
본 발명은 원자현미경에 관한 것으로써, 특히 2개의 센서를 사용하여 액추에이터 절대변위 및 액추에이터와 캔틸레버 사이의 상대변위를 직접적으로 얻음으로써, 이 신호들로부터 추출되는 측정물의 형상정보는 최적화 되지 않은 제어기와 정확하지 못한 동역학식의 영향으로부터 독립되어 정확한 형상정보를 얻을 수 있는 원자현미경에 관한 것이다.
종래의 1가지 센서를 이용하여 측정물의 나노 형상을 측정하는 원자 현미경에서는 측정물에 직접 접촉시키는 캔틸레버 프로브를 이용한다. 캔틸레버는 측정물의 형상의 높낮이에 따라 상하로 움직인다. 이 움직임을 측정하는 방법으로는 광센서를 사용하여 캔틸레버가 받고 있는 힘에 해당하는 거리를 측정하는 방법과 압전 저항센서를 사용하여 캔틸레버가 받는 힘을 직접 측정하는 방법 등이 있다.
도 1a에서 보듯, 캔틸레버가 측정물의 전 영역에서 원하는 일정한 힘을 받도록 압전 저항센서에서 나오는 신호와 제어기를 이용하여 액추에이터를 제어한다. 비접촉식 방식에서도 이와 같은 원리로 캔틸레버와 측정물의 표면을 구성하고 있는 원자사이에 발생하는 인력이 일정하도록 액추에이터를 구동한다.
도 1b는 기존의 원자현미경의 블록 다이어그램인데, 도 1b를 참조하면,
제어기와 앰프를 통해 나온 신호 : GV
액추에이터의 정확한 수학적 모델링 식 : Zin
액추에이터의 부정확한 수학적 모델링 식 : Zin’
측정물의 변위 :
Figure 112007033909713-PAT00001
액추에이터와 캔틸레버의 상대 변위 : △Z
라고 정의 할 때
이들 사이에 다음과 같은 관계식이 성립된다.
Figure 112007033909713-PAT00002
이때, 액추에이터의 수학적 모델인 Zin과 제어기와 앰프를 통해 나온 신호인 GV를 알면 측정물의 나노 형상정보는 다음의 식을 통해 구할 수 있다.
Figure 112007033909713-PAT00003
그러나, 최적의 제어기를 설계하지 못했다면 제어기와 앰프를 통해 나온 신 호인 GV는 딜레이와 오버 슛을 포함하게 되고, 이 신호를 이용하여 측정물의 형상정보를 얻는다면, 측정을 통해 얻은 최종 형상에도 오버 슛과 딜레이가 포함된 부정확한 형상을 얻게 된다. 또한 최적의 제어기를 설계했다 하더라도 Zin의 수학적 모델링이 Zin’와 같이 정확하지 못하다면, Zin’GV의 연산결과는 ZinGV와는 다른 연산 결과를 출력하게 되므로 정확한 측정물의 나노 형상정보를 얻지 못하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 원자 현미경(AFM)을 통한 측정물의 3차원 나노 형상 측정에 있어, 측정물의 형상측정 정밀도의 향상을 위해 측정기에 2가지 센서를 이용하여 측정하는 방식을 취하는 원자현미경을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 원자현미경은 측정물 형상의 높낮이 따라 상하로 이동하는 캔틸레버와, 상기 캔틸레버가 일정한 힘을 받도록 제어하는 액추에이터와, 캔틸레버 일단에 구비되고 액추에이터의 절대변위를 측정하는 제 2센싱수단 및 상기 캔틸레버 타단에 구비되고, 상기 액추에이터와 상기 캔틸레버의 상대변위를 측정하는 제 1센싱수단을 포함한다.
본 발명에서 상기 제 2센싱수단은 인터페로미터를 사용하고, 압전 저항센서 및 광센서 중 선택되는 1종의 센싱수단을 사용할 수 있다.
본 발명에서 측정물의 변위는
Figure 112007033909713-PAT00004
(상기에서, C는 측정물의 기저와 액추에이터 상단 사이의 거리에서 액추에이터의 높이 및 액추에이터 하단과 캔틸레버 사이의 거리를 뺀 값이며, Z는 액추에이터의 변위, △Z는 액추에이터와 캔틸레버의 상대변위이다)로 결정된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터가 움직인 절대 변위를 측정하는 절대 변위 센서와 액추에이터와 캔틸레버의 상대 움직임 변위를 측정하는 센서를 이용한 본 발명에 따른 원자 현미경(AFM)의 구성도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자 현미경(AFM)의 블록 다이어그램이다.
도 2a를 참조하면, 표면의 형상을 측정하고자 하는 시료(101) 상부에 캔틸레 버(102)가 위치하고, 캔틸레버(102) 일단에 캔틸레버(102)의 위치를 조절하는 액추에이터(103)와 엑추에이터의 위치를 측정하는 제 1센싱수단(201)이 구비된다. 상기 캔틸레버(102) 끝단에는 상기 캔틸레버(102)와 상기 액추에이터(103)의 상대적인 위치를 측정하기 위한 제 1센싱수단(104)이 구비된다. 상기 제 2센싱수단(201) 및 상기 제 1센싱수단(104)에 의해 측정된 소정의 값은 기준 저압과 비교되어 컨트롤러(106)에 입력되어 캔틸레버(102)의 상대 변위를 일정하게 제어하게 된다.
도 2b를 참조하면, 기 설정된 소정의 기준전압값과 제 1센싱수단에 의해 측정된 캔틸레버(102)와 액추에이터의 상대적인 위치값의 차이가 컨트롤러(106)에 입력되고, 입력된 값은 특정 크기로 증폭된다. 이렇게 증폭된 값은 액추에이터(Zin)를 거치면 캔틸레버의 변위를 유발, 캔틸레버와 측정시료간의 접촉력을 일정하게 유지한다. 이러한 제어조건에서 액추에이터(103)의 절대 변위와 액추에이터(103)와 캔틸레버(102)의 상대변위를 동시에 측정, 시료의 형상정보를 얻게된다. 보다 구체적인 구성 및 측정방법은 이하 도 3에서 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자현미경의 단면도이다.
상기 실시예에서, 원자현미경은 시료(101), 액추에이터(103), 캔틸레버(102), 제 1센싱수단(103) 및 제 2센싱수단(201)을 포함한다.
상기 실시예는, 액추에이터(103)의 절대변위와 액추에이터(103)와 캔틸레 버(102)의 상대변위를 측정하여 시료의 정확한 형상정보를 얻어내는 원자현미경의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 캔틸레버(102)의 첫단과 끝단에 각각 인터페로미터와 인터페로미터, 또는 인터페로미터와 압전 저항센서 혹은 광센서 등의 각각 2개의 센서를 배치시킴으로써 액추에이터(103)의 절대변위와 액추에이터(103)와 캔틸레버(102)의 상대변위를 직접 측정하는 방식을 사용한다. 상기 2개의 센서를 사용하면 액추에이터(103) 절대변위 및 액추에이터(103)와 캔틸레버(102) 사이의 상대변위, 즉 Z와 △Z를 직접적으로 얻음으로써, 이 신호들로부터 추출되는 측정물의 형상정보는 최적화 되지 않은 제어기와 정확하지 못한 동역학식의 영향으로부터 독립되어 정확한 형상정보를 얻을 수 있다.
이하 도 3을 참조하여, 시료의 정확한 표면형상을 구하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 3에서
측정물의 기저와 액추에이터 상단 사이의 거리 : r
액추에이터의 높이 :
Figure 112007033909713-PAT00005
액추에이터 하단과 캔틸레버 사이의 거리 : δ
측정물의 변위 :
Figure 112007033909713-PAT00006
액추에이터와 캔틸레버의 상대 변위 : △Z
액추에이터의 변위 : Z
로 정의한다.
상기와 같이 정희한 원자현미경은 액추에이터와 캔틸레버 그리고 측정물 사이에서는 다음과 같은 식이 성립하게 된다.
Figure 112007033909713-PAT00007
Figure 112007033909713-PAT00008
Figure 112007033909713-PAT00009
상기에서 r과
Figure 112007033909713-PAT00010
그리고 δ 는 이미 알고 있는 상수이다. 따라서 이들의 연산 결과를 수학식 5와 같이 상수 C로 표현할 수 있다.
Figure 112007033909713-PAT00011
는 액츄에터의 절대 변위인 Z와 액추에이터와 캔틸레버의 상대 변위 △Z 를 알면 다음과 같이 계산으로 얻을 수 있다.
Figure 112007033909713-PAT00012
Z와 △Z를 두 개의 센서로부터 직접 얻어내기 때문에 제어기의 영향이나 동역학 방정식의 영향을 받지 않고 정확한 형상정보를 얻어낼 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기존에 1개의 센서를 이용한 측정결과는 오차가 존재하게 되기 때문에 액추에이터의 절대 변위, 액추에이터와 캔틸레버의 상대변위를 각각 측정하는 2개의 센서를 이용하여 이 두 신호를 이용함으로써 액추에이터의 수학적 모델 및 제어기의 특성과는 무관하게 정확한 나노 형상 측정 정보를 얻을 수 있다.
레이저 위치 측정용 인터페로미터(interferometer)와 캔틸레버(cantilever) 단에 있는 힘 센서와 같이 두개의 센서를 이용하면 기존의 피이드 백 힘 제어기의 성능과 원자 현미경(AFM)을 구성하는 각 부품의 수학적 모델에 크게 구애받지 않고 더욱 정확한 형상정보를 얻어낼 수 있다. 특히 최근에 원자 현미경(AFM)의 고속 형상 이미지 추출이 요구되고 있어 기존 하나의 센서를 사용하는 방법으로는 한계에 와 있다. 레이저 위치 측정용 인터페로미터와 힘 센서 또는 두 개의 위치 측정용 인터페로미터를 사용하면 고속고정밀 원자 현미경의 개발이 기대된다.

Claims (4)

  1. 측정물 형상의 높낮이 따라 상하로 이동하는 캔틸레버;
    상기 캔틸레버가 일정한 힘을 받도록 제어하는 액추에이터;
    캔틸레버 일단에 구비되고 액추에이터의 절대변위를 측정하는 제 2센싱수단 및 상기 캔틸레버 타단에 구비되고, 상기 액추에이터와 상기 캔틸레버의 상대변위를 측정하는 제 1센싱수단을 포함하는 원자현미경.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2센싱수단은 인터페로미터, 압전 저항센서 및 광센서 중 선택되는 1종의 센싱수단을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자현미경.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2센싱수단은 인터페로미터, 압전 저항센서 및 광센서 중 선택되는 1종의 센싱수단을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자현미경.
  4. 제 1항에 있어서,
    측정물의 변위(
    Figure 112007033909713-PAT00013
    )는 다음식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 원자현미경.
    Figure 112007033909713-PAT00014
    (상기에서, C는 측정물의 기저와 액추에이터 상단 사이의 거리에서 액추에이터의 높이 및 액추에이터 하단과 캔틸레버 사이의 거리를 뺀 값이며, Z는 액추에이터의 변위, △Z는 액추에이터와 캔틸레버의 상대변위이다)
KR1020070044188A 2007-05-07 2007-05-07 캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한고속고정밀 원자현미경 KR20080098837A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070044188A KR20080098837A (ko) 2007-05-07 2007-05-07 캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한고속고정밀 원자현미경

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070044188A KR20080098837A (ko) 2007-05-07 2007-05-07 캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한고속고정밀 원자현미경

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20080098837A true KR20080098837A (ko) 2008-11-12

Family

ID=40286068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070044188A KR20080098837A (ko) 2007-05-07 2007-05-07 캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한고속고정밀 원자현미경

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20080098837A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115112922A (zh) * 2022-06-28 2022-09-27 长春理工大学 一种亚纳米尺度的三维原子坐标测量方法及测量系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115112922A (zh) * 2022-06-28 2022-09-27 长春理工大学 一种亚纳米尺度的三维原子坐标测量方法及测量系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9970851B2 (en) Measuring head for nanoindentation instrument and measuring method
Diethold et al. Determination of force to displacement curves using a nanopositioning system based on electromagnetic force compensated balances
JP5810244B1 (ja) 形状測定機
CN203310858U (zh) 基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统
KR100814638B1 (ko) 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템 및 그 오차 보정 방법
US9689892B2 (en) Scanning probe microscope
BG66806B1 (bg) Контактен микроелектромеханичен сензор и метод за определяне на позиция с него
CN105320152A (zh) 三维微动装置
KR102520501B1 (ko) 지형 프로파일 및／또는 지형 이미지의 측정 방법
KR20080098837A (ko) 캔틸레버 프로브 양단의 변위를 측정하는 센서를 이용한고속고정밀 원자현미경
CN106855389B (zh) 基于视觉传感的afm系统机械漂移补偿方法
CN115183930A (zh) 一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置及其测量方法
CN104076826B (zh) 致动器的位置计算装置和位置计算方法
Danzebrink et al. Dimensional nanometrology at PTB
US20100192267A1 (en) Scanning Probe Microscope with Independent Force Control and Displacement Measurements
Ma et al. Multi-sensor control for precise assembly of optical components
Cai et al. A nano measurement machine equipped with a 3D piezo-resistive micro tactile probe
JP5009560B2 (ja) 薄片状の被測定物の形状測定装置
JP2008224587A (ja) 表面形状測定器の較正方法及び表面形状測定器
JP2019109260A5 (ko)
Hermann et al. Construction of tactile measuring probes for coordinate measurement
Hermann et al. Calibration system for tactile measuring probes
Xu et al. Biomechanical analysis of yeast cell based a piezoresistive cantilever sensor
Stadnyk et al. Development of Noise Measurements. Part 6. Opposing Method in Stepless Shifting Regulation
WO2008070746A2 (en) System and method for shifting phase in a multi-wavelength interferometric imaging system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application