JP3216093B2 - Scanning probe microscope - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、走査形プローブ顕
微鏡（Scanning Probe Microscope、略称ＳＰＭ）に関
し、特に、探針または探針が連結されたカンチレバーな
どの機械共振部をその共振周波数で振動させ、探針と試
料とが近接した際の共振周波数の変化量△ｆを、位相同
期ループ回路（Phase Locked Loop、略称ＰＬＬ）を用
いて周波数検出する動的観察法の構成に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope (Scanning Probe Microscope, abbreviated as SPM), and more particularly, to vibrating a mechanical resonance part such as a probe or a cantilever to which the probe is connected at its resonance frequency, The present invention relates to a dynamic observation method for detecting a change amount Δf of a resonance frequency when a probe and a sample come close to each other using a phase-locked loop (Phase Locked Loop, PLL).
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、原子間力顕微鏡（Atomic For
ce Microscope、略称ＡＦＭ）は、走査形プローブ顕微
鏡の１つであって、固体試料の表面を、原子オーダの分
解能で観察することができる。原子間力顕微鏡では動的
観察法が採用されている。カンチレバーの先端部と試料
表面との間に相互に作用する微小な力に対応して、カン
チレバーの共振周波数が変化し、その共振周波数の変化
量△ｆを一定に保つようにカンチレバーと試料との間隔
を一定に保持しつつカンチレバーによる試料の表面の走
査を行い、画像を形成する。この動的観察法は、大気中
で用いた場合、カンチレバーが試料に与えるダメージが
少なく、特に有機生体材料の観察などにおいて、高分解
能が得られ、また真空中で用いた場合、試料表面の吸着
分子などの影響が少なく、半導体表面の観察などにおい
て高分解能が得られる。真空中で用いた場合、カンチレ
バーの共振のＱ値が高く、また空気中であっても、カン
チレバーのＱ値が高い場合、カンチレバーの共振周波数
の変化量△ｆを周波数検出する構成が有利であることが
知られており、すなわちこのようにして共振周波数の変
化量△ｆを、周波数検出する先行技術によれば、その共
振周波数の変化量Δｆに対応した発振信号の振幅を検出
する構成に比べて、カンチレバーの先端部と試料との間
の距離を制御を、高感度で行うことができる。2. Description of the Related Art Conventionally, an atomic force microscope (Atomic For
The ce Microscope (abbreviation: AFM) is one of the scanning probe microscopes, and can observe the surface of a solid sample at a resolution of an atomic order. In the atomic force microscope, a dynamic observation method is adopted. The resonance frequency of the cantilever changes in response to a small force acting between the tip of the cantilever and the sample surface, and the cantilever and the sample are moved so that the amount of change Δf of the resonance frequency is kept constant. The surface of the sample is scanned by the cantilever while keeping the interval constant to form an image. This dynamic observation method has less damage to the sample by the cantilever when used in the atmosphere, and provides high resolution especially for observation of organic biomaterials. There is little influence of molecules and the like, and high resolution can be obtained in observation of a semiconductor surface and the like. When used in a vacuum, the Q value of the resonance of the cantilever is high, and even in air, when the Q value of the cantilever is high, it is advantageous to detect the variation Δf of the resonance frequency of the cantilever in frequency. That is, according to the prior art for detecting the change amount Δf of the resonance frequency in this manner, the frequency is detected as compared with the configuration for detecting the amplitude of the oscillation signal corresponding to the change amount Δf of the resonance frequency. Thus, the distance between the tip of the cantilever and the sample can be controlled with high sensitivity.
【０００３】この周波数検出のために用いられる位相同
期ループ回路は、使用上簡便性があり、集積回路を用い
て容易に実現することができ、またカンチレバーの広い
共振周波数の範囲にわたって、周波数検出が可能である
という優れた利点があり、さらに、消耗品であるカンチ
レバーの交換のたびに、回路素子の回路定数の正確な設
定を行う必要がなく、したがって市販の原子間力顕微鏡
に好適する。[0003] The phase locked loop circuit used for this frequency detection is simple to use, can be easily realized using an integrated circuit, and can detect the frequency over a wide resonance frequency range of the cantilever. There is an excellent advantage that it is possible, and furthermore, it is not necessary to accurately set the circuit constant of the circuit element every time the consumable cantilever is replaced, so that it is suitable for a commercially available atomic force microscope.
【０００４】位相同期ループ回路を用いる先行技術で
は、位相同期ループ回路の基準周波数を発振する電圧制
御発振回路（Voltage Controlled Oscillator、略称Ｖ
ＣＯ）はＱ値が低く周波数可変範囲が広いため、周波数
検出感度が低い。したがって、共振周波数の微小な変化
量△ｆを正確に検出することができない。また、発振周
波数が受動素子の定数で決定されるため、温度安定性が
低く、環境温度の変化に影響されやすい。In the prior art using a phase locked loop circuit, a voltage controlled oscillator (hereinafter abbreviated as V) oscillating a reference frequency of the phase locked loop circuit.
Since CO) has a low Q value and a wide frequency variable range, the frequency detection sensitivity is low. Therefore, the minute change Δf in the resonance frequency cannot be accurately detected. Further, since the oscillation frequency is determined by the constant of the passive element, the temperature stability is low and the oscillation frequency is easily affected by a change in the environmental temperature.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｑ値
が高くかつ発振周波数が温度に影響されにくい電圧制御
発振回路を有する位相同期ループ回路により、環境温度
の変化に拘わらず高感度で正確な観察を行うことができ
るようにした走査形プローブ顕微鏡を提供することであ
る。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a phase-locked loop circuit having a voltage-controlled oscillation circuit having a high Q value and an oscillation frequency that is hardly affected by temperature, and has a high sensitivity regardless of a change in environmental temperature. An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of performing accurate observation.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）探針ま
たは探針が連結する機械的共振部を共振させ、探針と試
料との距離に応じて共振周波数ｆ１が変化し、その共振
周波数ｆ１の発振信号７を出力する機械的発振手段と、 （ｂ）周波数変換回路１３であって、水晶発振子または
高安定圧電発振子を用いて安定化された予め定める局部
発振周波数で発振し、機械的発振手段の少なくとも一部
分が交換されることによる前記共振周波数ｆ１の変化に
かかわらず、位相同期ループ回路１４の位相同期が行わ
れるように、予め定める発振周波数に変化調整されてい
る局部発振器３９を有し、機械的発振手段からの発振信
号７と、局部発振器３９からの局部発振信号４０とによ
って、中間周波信号４４を演算処理により導出する周波
数変換回路１３と、 （ｃ）位相同期ループ回路１４であって、もう１つの水
晶発振子または高安定圧電発振子を用いて安定化された
電圧制御発振回路４６と、中間周波信号４４と電圧制御
発振回路４６からの基準周波数信号４７とが与えられる
位相検波器４５とを有し、中間周波信号と基準周波数信
号とが位相同期することで、前記共振周波数ｆ１からの
変化量を検出する位相同期ループ回路１４と、 （ｄ）位相同期ループ回路１４の出力に応答し、前記共
振周波数ｆ１からの変化量が予め定める値となるように
探針または試料の変位制御を行う手段９，１２とを含む
ことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡である。また本
発明は、探針または探針が連結する機械的共振部を共振
させ、探針と試料との距離に応じて共振周波数ｆ１が変
化し、その共振周波数ｆ１の発振信号７を出力する機械
的発振手段と、機械的発振手段からの発振信号７が与え
られ、前記共振周波数ｆ１からの変化量を検出する周波
数検出装置と、周波数検出装置の出力に応答し、前記共
振周波数ｆ１からの変化量が予め定める値となるように
探針または試料の変位制御を行う手段９，１２とを含む
走査形プローブ顕微鏡に用いられる周波数検出装置にお
いて、 （ａ）周波数変換回路１３であって、水晶発振子または
高安定圧電発振子を用いて安定化された予め定める局部
発振周波数で発振し、機械的発振手段の少なくとも一部
分が交換されることによる前記共振周波数ｆ１の変化に
かかわらず、位相同期ループ回路１４の位相同期が行わ
れるように、予め定める発振周波数に変化調整されてい
る局部発振器３９を有し、機械的発振手段からの発振信
号７と、局部発振器３９からの局部発振信号４０とによ
って、中間周波信号４４を演算処理により導出する周波
数変換回路１３と、 （ｂ）位相同期ループ回路１４であって、もう１つの水
晶発振子または高安定圧電発振子を用いて安定化された
電圧制御発振回路４６と、中間周波信号４４と電圧制御
発振回路４６からの基準周波数信号４７とが与えられる
位相検波器４５とを有し、中間周波信号と基準周波数信
号とが位相同期することで、前記共振周波数ｆ１からの
変化量を検出する位相同期ループ回路１４とを含むこと
を特徴とする走査形プローブ顕微鏡に用いられる周波数
検出装置である。According to the present invention, there is provided (a) a probe or a mechanical resonance portion to which the probe is connected resonates, and the resonance frequency f1 changes according to the distance between the probe and the sample. (B) a frequency conversion circuit 13, which oscillates at a predetermined local oscillation frequency stabilized using a crystal oscillator or a high-stable piezoelectric oscillator. The local oscillation frequency is adjusted to a predetermined oscillation frequency so that the phase-locked loop circuit 14 performs phase synchronization regardless of a change in the resonance frequency f1 due to replacement of at least a part of the mechanical oscillation means. A frequency conversion circuit 13 which has an oscillator 39 and derives an intermediate frequency signal 44 by arithmetic processing from an oscillation signal 7 from a mechanical oscillation means and a local oscillation signal 40 from a local oscillator 39; (C) a phase-locked loop circuit 14, which is stabilized by using another crystal oscillator or a high-stability piezoelectric oscillator, from an intermediate frequency signal 44 and a voltage-controlled oscillation circuit 46; And a phase locked loop circuit 14 for detecting a change amount from the resonance frequency f1 by synchronizing the phase of the intermediate frequency signal with the reference frequency signal. (D) means for controlling displacement of the probe or the sample in response to the output of the phase locked loop circuit so that the amount of change from the resonance frequency f1 becomes a predetermined value. Is a scanning probe microscope. Further, according to the present invention, there is provided a machine which resonates a probe or a mechanical resonance unit connected to the probe, changes a resonance frequency f1 according to a distance between the probe and the sample, and outputs an oscillation signal 7 at the resonance frequency f1. And a frequency detecting device that receives an oscillation signal 7 from the mechanical oscillating device, detects a change amount from the resonance frequency f1, and responds to an output of the frequency detecting device to change from the resonance frequency f1. A frequency detecting device used in a scanning probe microscope including means 9 and 12 for controlling displacement of a probe or a sample so that the amount becomes a predetermined value. Oscillates at a predetermined local oscillation frequency stabilized by using a resonator or a high-stability piezoelectric oscillator, and changes in the resonance frequency f1 due to replacement of at least a part of the mechanical oscillation means. Instead, it has a local oscillator 39 whose change is adjusted to a predetermined oscillation frequency so that the phase lock of the phase locked loop circuit 14 is performed, and the oscillation signal 7 from the mechanical oscillator and the local oscillator 39 A frequency conversion circuit 13 that derives an intermediate frequency signal 44 by arithmetic processing based on the local oscillation signal 40; and (b) a phase locked loop circuit 14, which uses another crystal oscillator or a highly stable piezoelectric oscillator. It has a stabilized voltage controlled oscillation circuit 46, and a phase detector 45 to which an intermediate frequency signal 44 and a reference frequency signal 47 from the voltage controlled oscillation circuit 46 are provided. A frequency detector used in a scanning probe microscope, comprising: a phase locked loop circuit 14 that detects the amount of change from the resonance frequency f1 by synchronizing. Output device.
【０００７】本発明に従えば、試料に対向して設けられ
るカンチレバーなどの探針または探針が連結する機械的
共振部を、機械的発振手段によって、その共振周波数ｆ
１で振動させて発振し、位相同期ループ回路を用いて、
探針と試料との非接触状態で相互に作用する微小な力に
対応する共振周波数の変化量△ｆを、電圧に変換して検
出し、その変化量△ｆが予め定める値に保たれるよう
に、探針と試料とを近接および離反変位させ、走査によ
る試料表面の像を求めることができる。こうして機械的
発振手段において、探針または探針が連結する機械的共
振部は、その探針と試料との間に相互に作用する力に依
存して変化する共振周波数ｆ１で常時振動して発振動作
を行っている。周波数検出装置は、周波数変換回路１３
と、位相同期ループ回路１４とを含む。周波数変換回路
１３は、水晶発振子または高安定圧電発振子を用いて安
定化された、予め定める局部発振周波数ｆ２で発振する
局部発振器からの局部発振信号と、機械的発振手段から
の発振信号から中間周波数ｆ３を有する中間周波信号を
演算処理により導出し、位相同期ループ回路の位相検波
器に与える。共振周波数ｆ１が予め定める周波数ｆ５に
保たれるように、したがって共振周波数ｆ１と前記予め
定める周波数ｆ５との差である変化量△ｆが予め定める
値になるように、変位制御手段は、変位駆動手段を駆動
制御して探針と試料とを近接／離反変位させる。According to the present invention, a probe such as a cantilever provided to face a sample or a mechanical resonance portion to which the probe is coupled is connected to the resonance frequency f by a mechanical oscillation means.
Oscillate by oscillating at 1 and use a phase locked loop circuit to
The change amount Δf of the resonance frequency corresponding to the minute force interacting in a non-contact state between the probe and the sample is converted into a voltage and detected, and the change amount Δf is maintained at a predetermined value. As described above, the probe and the sample are displaced toward and away from each other, and an image of the sample surface by scanning can be obtained. In this way, in the mechanical oscillating means, the probe or the mechanical resonance section to which the probe is connected always oscillates by oscillating at the resonance frequency f1 which changes depending on the force acting between the probe and the sample. Is working. The frequency detection device includes a frequency conversion circuit 13
And a phase locked loop circuit 14. The frequency conversion circuit 13 converts a local oscillation signal from a local oscillator oscillated at a predetermined local oscillation frequency f2, stabilized using a crystal oscillator or a high-stable piezoelectric oscillator, and an oscillation signal from a mechanical oscillation unit. An intermediate frequency signal having the intermediate frequency f3 is derived by arithmetic processing, and given to a phase detector of the phase locked loop circuit. The displacement control means controls the displacement drive so that the resonance frequency f1 is maintained at a predetermined frequency f5, and thus the variation Δf, which is the difference between the resonance frequency f1 and the predetermined frequency f5, is a predetermined value. The means is driven and controlled to move the probe toward and away from the sample.
【０００８】位相同期ループ回路の位相検波器には、機
械的発振手段からの発振信号と、もう１つの水晶発振子
または高安定圧電発振子を用いて発振する基準周波数ｆ
４が環境温度に依存することなく安定化された電圧制御
発振回路からの基準周波数信号４７とが与えられ、発振
信号と基準周波数信号との位相差に対応する電圧を有す
る信号が位相検出器から導出され、ローパスフィルタを
介して変位制御手段に与えられる。こうして前述のよう
に変位駆動手段によって探針と試料とが近接／離反変位
される。電圧制御発振回路は、上述のように水晶発振子
または高安定圧電発振子を有するので、その基準周波数
ｆ４が安定化されており、これによって共振周波数ｆ１
の微小な変化量△ｆを正確に検出することができ、した
がって感度を高くすることができる。The phase detector of the phase locked loop circuit includes an oscillation signal from a mechanical oscillator and a reference frequency f oscillated by using another crystal oscillator or a highly stable piezoelectric oscillator.
4 is provided with a reference frequency signal 47 from a voltage controlled oscillation circuit stabilized without depending on the environmental temperature, and a signal having a voltage corresponding to the phase difference between the oscillation signal and the reference frequency signal is output from the phase detector. It is derived and provided to the displacement control means via a low-pass filter. Thus, the probe and the sample are displaced toward and away from each other by the displacement driving means as described above. Since the voltage-controlled oscillation circuit has the crystal oscillator or the high-stability piezoelectric oscillator as described above, the reference frequency f4 is stabilized, and the resonance frequency f1
Can be accurately detected, and thus the sensitivity can be increased.
【０００９】[0009]
【００１０】本発明に従えば、水晶発振子または高安定
圧電発振子を有する基準周波数発振回路を備えた位相同
期ループ回路が同期した状態となる周波数範囲は、比較
的狭く、探針または探針が連結する機械的共振部が消耗
品であって頻繁に交換されて使用され、その交換のたび
に共振周波数が異なる場合でも、共通の位相同期ループ
回路を用いることができるようにするために、機械的発
振手段と位相検波器との間に、周波数変換回路を介在す
る。機械的発振手段の発振信号を、この周波数変換回路
で中間周波数信号ｆ３に変換する。これによって位相同
期ループ回路の構成、定数などを変更することなく、位
相同期ループ回路を、共振周波数ｆ１が異なる各種の探
針または探針が連結する機械的共振部に共通に用いるこ
とができるようになる。According to the present invention, the frequency range in which the phase locked loop circuit provided with the reference frequency oscillating circuit having the crystal oscillator or the high-stability piezoelectric oscillator is in a synchronized state is relatively narrow, and the probe or the probe is used. In order to be able to use a common phase-locked loop circuit even when the mechanical resonance unit connected to is a consumable and is frequently replaced and used and the resonance frequency is different each time it is replaced, A frequency conversion circuit is interposed between the mechanical oscillation means and the phase detector. The oscillation signal of the mechanical oscillation means is converted into an intermediate frequency signal f3 by this frequency conversion circuit. Accordingly, the phase locked loop circuit can be commonly used for various probes having different resonance frequencies f1 or a mechanical resonance unit to which the probes are connected without changing the configuration, constant, and the like of the phase locked loop circuit. become.
【００１１】周波数変換回路に備えられる局部発振器３
９は、水晶発振子または高安定圧電発振子を有し、これ
によって環境温度に依存することなく安定した局部発振
周波数ｆ２を発振し、正確な中間周波数ｆ３を有する信
号を得ることができる。The local oscillator 3 provided in the frequency conversion circuit
Reference numeral 9 denotes a crystal oscillator or a high-stability piezoelectric oscillator, whereby a stable local oscillation frequency f2 is oscillated without depending on the environmental temperature, and a signal having an accurate intermediate frequency f3 can be obtained.
【００１２】機械的発振手段の発振周波数ｆ１は、主と
して探針などの機械的構成によって定まる。基準周波数
ｆ４は、ローパスフィルタから得られる電圧制御信号の
電圧Ｖ１の変動電圧△Ｖが、機械的発振手段の共振周波
数ｆ１の変化量△ｆに応じてできるだけ大きくなるよう
にして高感度な周波数検出を可能にするために、定めら
れる。したがって周波数変換回路の局部発振周波数ｆ２
は、機械的発振手段の発振周波数ｆ１と基準周波数ｆ４
とに依存して、定められることになる。The oscillating frequency f1 of the mechanical oscillating means is determined mainly by a mechanical structure such as a probe. The reference frequency f4 is set so that the fluctuation voltage ΔV of the voltage V1 of the voltage control signal obtained from the low-pass filter becomes as large as possible in accordance with the variation Δf of the resonance frequency f1 of the mechanical oscillating means. It is determined to enable Therefore, the local oscillation frequency f2 of the frequency conversion circuit
Are the oscillation frequency f1 of the mechanical oscillation means and the reference frequency f4
And will be determined depending on
【００１３】本発明に従えば、高感度な周波数検出を可
能にするために、機械的発振手段における発振周波数ｆ
１の変化量△ｆがわずかであっても、位相同期ループ回
路のローパスフィルタから得られる電圧Ｖ１の変動電圧
△Ｖをできるだけ大きく得ることができるようになる。
本発明では、位相同期ループ回路における電圧制御発振
回路に、もう１つの水晶発振子または高安定圧電発振子
を用いることによって、その基準周波数ｆ４を、環境温
度に依存することなく安定化し、これによって感度の向
上を図ることができる。According to the present invention, in order to enable high-sensitivity frequency detection, the oscillation frequency f
Even if the change amount Δf of 1 is small, the fluctuation voltage ΔV of the voltage V1 obtained from the low-pass filter of the phase locked loop circuit can be obtained as large as possible.
In the present invention, the reference frequency f4 is stabilized without depending on the environmental temperature by using another crystal oscillator or a high-stability piezoelectric oscillator for the voltage-controlled oscillation circuit in the phase-locked loop circuit. The sensitivity can be improved.
【００１４】また機械的発振手段と位相同期ループ回路
の位相検波器との間に周波数変換回路を介在する構成で
は、局部発振器にもう１つの水晶発振子または高安定圧
電発振子を用い、これによって局部発振周波数ｆ２が環
境温度に依存することなく安定化させることができるよ
うになる。このことによってもまた、発振周波数ｆ１の
わずかな変化量△ｆを正確に検出して感度の向上を図る
ことができるようになる。In a configuration in which a frequency conversion circuit is interposed between the mechanical oscillating means and the phase detector of the phase locked loop circuit, another crystal oscillator or a high-stable piezoelectric oscillator is used for the local oscillator. The local oscillation frequency f2 can be stabilized without depending on the environmental temperature. This also makes it possible to accurately detect the slight variation Δf of the oscillation frequency f1 and improve the sensitivity.
【００１５】本発明に従えば、局部発振器は、水晶発振
子または高安定圧電発振子を用い、局部発振周波数ｆ２
が環境温度に依存することなく安定化することによっ
て、共振周波数ｆ１の微小な変化量△ｆに対応する変動
電圧△Ｖを、正確に得ることができるようになり、感度
をさらに向上することができる。According to the present invention, the local oscillator uses a crystal oscillator or a high-stability piezoelectric oscillator, and has a local oscillation frequency f2.
Is stabilized without depending on the environmental temperature, the fluctuation voltage ΔV corresponding to the minute variation Δf of the resonance frequency f1 can be accurately obtained, and the sensitivity can be further improved. it can.
【００１６】本発明に従えば、原子間力顕微鏡を、高感
度で安定して実現することができる。本発明は、原子間
力顕微鏡だけでなく、そのほかの走査形プローブ顕微
鏡、たとえば走査形トンネル顕微鏡（Scanning Tunneli
ng Microscope、略称ＳＴＭ）、走査形静電気力顕微
鏡、走査形磁気力顕微鏡、走査形ケルビンプローブ顕微
鏡およびそのほかの構成に関連して広範囲に実施するこ
とができる。According to the present invention, an atomic force microscope can be stably realized with high sensitivity. The present invention is applicable not only to an atomic force microscope but also to other scanning probe microscopes such as a scanning tunneling microscope.
ng Microscope (abbreviated as STM), scanning electrostatic force microscope, scanning magnetic force microscope, scanning Kelvin probe microscope, and other configurations.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
全体の構成を示すブロック図である。走査形プローブ顕
微鏡の１つである原子間力顕微鏡１は、試料２の表面３
に、共振周波数ｆ１で振動される探針であるカンチレバ
ー４の先端部５を相対的に走査し、表面３を原子オーダ
の分解能で、動的観察法によって観察する。この原子間
力顕微鏡１は、基本的に、カンチレバー４を共振周波数
ｆ１で振動させて発振する機械的発振手段６と、その共
振周波数ｆ１を表す信号７を周波数検出する半導体集積
回路から成る周波数検出手段８と、試料２をカンチレバ
ー４と相対的に変位駆動する変位駆動手段９と、周波数
検出手段８からの電圧制御信号１１に応答して変位駆動
手段９を変位制御する変位制御手段１２とを含む。周波
数検出手段８は、周波数変換回路１３と、位相同期ルー
プ回路１４とを含む。FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an embodiment of the present invention. An atomic force microscope 1 which is one of the scanning probe microscopes has a surface 3 of a sample 2.
Next, the tip 5 of the cantilever 4 which is a probe vibrated at the resonance frequency f1 is relatively scanned, and the surface 3 is observed at a resolution of an atomic order by a dynamic observation method. The atomic force microscope 1 basically includes a mechanical oscillation unit 6 that oscillates the cantilever 4 at a resonance frequency f1 and oscillates, and a semiconductor integrated circuit that detects a frequency of a signal 7 representing the resonance frequency f1. Means 8, a displacement driving means 9 for driving the sample 2 relatively to the cantilever 4, and a displacement control means 12 for controlling the displacement driving means 9 in response to a voltage control signal 11 from the frequency detecting means 8. Including. The frequency detecting means 8 includes a frequency conversion circuit 13 and a phase locked loop circuit 14.
【００１８】図２は、カンチレバー４とその付近の簡略
化した図である。カンチレバー４は、駆動手段である圧
電素子１５によって試料２に近接／離反する方向に振動
される。FIG. 2 is a simplified view of the cantilever 4 and its vicinity. The cantilever 4 is vibrated in a direction approaching / separating from the sample 2 by a piezoelectric element 15 as a driving means.
【００１９】図３は、カンチレバー４の先端部５と試料
２の表面３との相互作用を説明するための図である。カ
ンチレバー４と試料２との間の相互作用によって、生じ
る吸引力または反発力によって起因して、カンチレバー
４の共振周波数ｆ１が変化する。本発明の実施の一形態
では、この相互作用による共振周波数ｆ１が予め定める
周波数ｆ５に一定に保たれるように、したがって共振周
波数ｆ１と予め定める周波数ｆ５との差である変化量△
ｆが予め定める値に一定保たれるように、変位制御手段
１２は、変位駆動手段９を駆動制御し、すなわち試料２
を変位駆動手段９によって上下方向であるｚ方向に変位
して、カンチレバー４と試料２とを近接／離反変位させ
る。この変位駆動手段９はまた、ｚ方向に垂直な平面内
で相互に直交するｘ方向およびｙ方向に試料２を変位し
て走査する。こうして試料２の表面３の画像を得ること
ができる。FIG. 3 is a diagram for explaining the interaction between the tip 5 of the cantilever 4 and the surface 3 of the sample 2. The resonance frequency f1 of the cantilever 4 changes due to the attraction or repulsion generated by the interaction between the cantilever 4 and the sample 2. In one embodiment of the present invention, the amount of change △ is the difference between the resonance frequency f1 and the predetermined frequency f5 so that the resonance frequency f1 due to this interaction is kept constant at the predetermined frequency f5.
The displacement control means 12 drives and controls the displacement drive means 9 so that f is kept constant at a predetermined value.
Is displaced in the z direction, which is the vertical direction, by the displacement driving means 9 so that the cantilever 4 and the sample 2 are displaced toward and away from each other. The displacement driving means 9 also scans the sample 2 while displacing the sample 2 in the x direction and the y direction orthogonal to each other in a plane perpendicular to the z direction. Thus, an image of the surface 3 of the sample 2 can be obtained.
【００２０】図４は、カンチレバー４の先端部５と試料
２の表面３との間の相互作用２０を説明するための図で
ある。カンチレバー４を、図４に示されるように重錘１
７が連結されたばねで近似することができ、相互作用２
０を、もう１つのばねで近似することができる。カンチ
レバー４の先端部５が、試料２の表面３に近づくと、等
価的にカンチレバー４のばね定数が変化し、これによっ
て共振周波数ｆ１が変化する。FIG. 4 is a diagram for explaining the interaction 20 between the tip 5 of the cantilever 4 and the surface 3 of the sample 2. The cantilever 4 is attached to the weight 1 as shown in FIG.
7 can be approximated by a connected spring and the interaction 2
0 can be approximated by another spring. When the tip 5 of the cantilever 4 approaches the surface 3 of the sample 2, the spring constant of the cantilever 4 equivalently changes, thereby changing the resonance frequency f1.
【００２１】図５は、カンチレバー４に関連する機械的
発振手段６の一部の構成を示す図である。レーザ源１８
は、たとえば半導体レーザ装置であって、そのレーザ光
１９は、カンチレバー４に照射される。レーザ光１９は
カンチレバー４によって反射され、ミラー２１によって
反射されて導かれ、受光素子２２に受光される。受光素
子２２は、一対のフォトダイオード２３，２４を有す
る。フォトダイオード２３，２４の各出力は、差動増幅
器２５に与えられ、これによって、カンチレバー４の変
位量を表す電圧の信号２６が得られる。こうしてカンチ
レバー４の変位は、ミラー２１および受光素子２２を含
む光てこによって拡大して検出され、カンチレバー４の
変位を高精度で検出することができる。FIG. 5 is a diagram showing a partial configuration of the mechanical oscillating means 6 related to the cantilever 4. Laser source 18
Is a semiconductor laser device, for example, and the laser beam 19 is applied to the cantilever 4. The laser light 19 is reflected by the cantilever 4, reflected and guided by the mirror 21, and received by the light receiving element 22. The light receiving element 22 has a pair of photodiodes 23 and 24. Each output of the photodiodes 23 and 24 is supplied to a differential amplifier 25, whereby a voltage signal 26 representing the amount of displacement of the cantilever 4 is obtained. Thus, the displacement of the cantilever 4 is enlarged and detected by the optical lever including the mirror 21 and the light receiving element 22, and the displacement of the cantilever 4 can be detected with high accuracy.
【００２２】図６は、カンチレバー４と機械的発振手段
６とによる発振動作特性を示す図である。カンチレバー
４は、調和振動系を構成し、共振周波数ｆ１で、差動増
幅器２５の出力信号２６は、圧電素子１５を駆動制御す
る信号２８に対して９０度の位相遅れを生じる。共振周
波数ｆ１よりも低い周波数範囲では、位相遅れは小さ
く、共振周波数ｆ１よりも高い周波数では位相遅れは大
きい。FIG. 6 is a view showing the oscillation operation characteristics of the cantilever 4 and the mechanical oscillation means 6. The cantilever 4 forms a harmonic vibration system, and the output signal 26 of the differential amplifier 25 has a phase delay of 90 degrees with respect to the signal 28 for driving and controlling the piezoelectric element 15 at the resonance frequency f1. In a frequency range lower than the resonance frequency f1, the phase delay is small, and at a frequency higher than the resonance frequency f1, the phase delay is large.
【００２３】再び図１を参照して、差動増幅器２５の出
力信号２６は、位相シフタ２９に与えられ、ここで位相
が９０度遅延される。位相シフタ２９の出力は、振幅制
御装置３１に与えられて反転され、これによって１８０
度の位相遅れを生じ、圧電素子１５に制御信号２８が正
帰還される。したがって機械的発振動作が、カンチレバ
ー４の共振周波数ｆ１で継続される。Referring again to FIG. 1, output signal 26 of differential amplifier 25 is provided to phase shifter 29, where the phase is delayed by 90 degrees. The output of the phase shifter 29 is applied to the amplitude controller 31 and inverted, whereby
This causes a phase lag, and the control signal 28 is positively fed back to the piezoelectric element 15. Therefore, the mechanical oscillation operation is continued at the resonance frequency f1 of the cantilever 4.
【００２４】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面
３との相互作用２０の働きによって共振周波数ｆ１が、
予め定める周波数ｆ５から変位量△ｆだけ変化する。こ
のようにカンチレバー４の周波数と振幅との特性は、参
照符３３，３４で示される。カンチレバー４において生
じる位相遅れが９０度となる周波数はｆ５，ｆ１であ
り、周波数と位相との特性は、参照符３５，３６で示さ
れる。By the interaction 20 between the tip 5 of the cantilever 4 and the surface 3 of the sample 2, the resonance frequency f1 is
It changes from the predetermined frequency f5 by the amount of displacement Δf. Thus, the characteristics of the frequency and amplitude of the cantilever 4 are indicated by reference numerals 33 and 34. The frequencies at which the phase delay occurring in the cantilever 4 becomes 90 degrees are f5 and f1, and the characteristics of the frequency and the phase are indicated by reference numerals 35 and 36.
【００２５】機械的発振手段６の差動増幅器２５の出力
７は、周波数検出手段８における周波数変換回路１３に
与えられる。この差動増幅器２５の出力７は、前述の出
力信号２６と同一の信号であって、図解の便宜のため
に、個別的に示してある。差動増幅器２５の出力７は、
共振周波数ｆ１を有し、周波数混合器３８に与えられ
る。周波数混合器３８にはまた、局部発振器３９から、
予め定める局部発振周波数ｆ２を有する信号４０が与え
られる。局部発振器３９は、水晶発振子４１を有し、環
境温度の変化に拘わらず、局部発振周波数ｆ２が一定に
保たれる。局部発振器３９はまた、水晶発振子４１によ
って発振された信号が分周されて得られてもよい。周波
数混合器３８は、差動増幅器２５の出力７と局部発振器
３９の出力４０とを混合し、その混合した信号４２をフ
ィルタ４３に与える。こうして中間周波数ｆ３を有する
信号４４が得られる。中間周波数ｆ３は、共振周波数ｆ
１と局部発振周波数ｆ２との和または差の周波数であ
る。The output 7 of the differential amplifier 25 of the mechanical oscillating means 6 is given to the frequency conversion circuit 13 in the frequency detecting means 8. The output 7 of the differential amplifier 25 is the same signal as the output signal 26 described above, and is individually shown for the sake of illustration. The output 7 of the differential amplifier 25 is
It has a resonance frequency f1 and is provided to a frequency mixer. The frequency mixer 38 also has a local oscillator 39,
A signal 40 having a predetermined local oscillation frequency f2 is provided. The local oscillator 39 has a crystal oscillator 41, and the local oscillation frequency f2 is kept constant irrespective of a change in environmental temperature. The local oscillator 39 may be obtained by dividing a signal oscillated by the crystal oscillator 41. The frequency mixer 38 mixes the output 7 of the differential amplifier 25 and the output 40 of the local oscillator 39, and supplies the mixed signal 42 to the filter 43. Thus, a signal 44 having the intermediate frequency f3 is obtained. The intermediate frequency f3 is equal to the resonance frequency f
This is the sum or difference frequency between 1 and the local oscillation frequency f2.
【００２６】周波数変換回路１３からの中間周波数ｆ３
を有する信号４４は、位相同期ループ回路１４の位相検
波器４５の一方の入力に与えられる。位相検波器４５の
他方の入力には、電圧制御発振回路４６からの基準周波
数ｆ４を有する信号４７が与えられる。この電圧制御発
振回路４６は、水晶発振子４８を有し、環境温度の変化
に拘わらず、基準周波数ｆ４が安定化される。位相検波
器４５の出力信号５１は、機械的発振手段６からの共振
周波数信号７に対応する中間周波数信号４４と、基準周
波数発振回路４６からの基準周波数信号４７との位相差
に対応する。The intermediate frequency f3 from the frequency conversion circuit 13
Is supplied to one input of a phase detector 45 of the phase locked loop circuit 14. The other input of the phase detector 45 is supplied with a signal 47 having a reference frequency f4 from the voltage controlled oscillation circuit 46. This voltage controlled oscillation circuit 46 has a crystal oscillator 48, and the reference frequency f4 is stabilized irrespective of a change in environmental temperature. The output signal 51 of the phase detector 45 corresponds to the phase difference between the intermediate frequency signal 44 corresponding to the resonance frequency signal 7 from the mechanical oscillating means 6 and the reference frequency signal 47 from the reference frequency oscillating circuit 46.
【００２７】この信号５１は、ローパスフィルタ５３に
よって濾波され、変位制御手段１２の出力１１として与
えられるとともに、参照符５４で示されるように、基準
周波数発振回路４６に、基準周波数ｆ４を変化するため
の信号として与えられる。こうして位相同期ループ回路
１４では、位相検波器４５に与えられる中間周波数信号
４４に同期した状態となる。This signal 51 is filtered by a low-pass filter 53 and provided as an output 11 of the displacement control means 12 and, as indicated by reference numeral 54, is supplied to a reference frequency oscillating circuit 46 for changing the reference frequency f4. As a signal. Thus, the phase locked loop circuit 14 is in a state synchronized with the intermediate frequency signal 44 given to the phase detector 45.
【００２８】周波数変換回路１３のフィルタ４３からの
出力４４は、周波数ｆ３を有し、その周波数ｆ３は、共
振周波数ｆ１の変化量△ｆと同じ変化量△ｆだけ変化す
る。フィルタ５３の出力１１，５４は同一の信号であ
り、その電圧Ｖ１は、図７に示されるように、共振周波
数ｆ１、したがって中間周波数ｆ３の変化量△ｆに対応
して電圧Ｖ１が変動電圧△Ｖだけ変化する。The output 44 from the filter 43 of the frequency conversion circuit 13 has a frequency f3, and the frequency f3 changes by the same change Δf as the change Δf of the resonance frequency f1. The outputs 11 and 54 of the filter 53 are the same signal, and the voltage V1 is, as shown in FIG. 7, the voltage V1 corresponding to the variation Δf of the resonance frequency f1 and therefore the intermediate frequency f3. V changes.
【００２９】変位制御手段１２では、フィルタ５３の出
力１１が制御回路５６に与えられ、この制御回路５６に
はまた、目標値設定回路６１からの予め定める電圧を有
する信号が与えられる。制御回路５６は、出力１１の電
圧と目標値設定回路６１からの目標値出力との差が零と
なるように制御信号６２を導出して増幅器６３に与え
る。増幅器６３は、変位駆動手段９のｚ方向駆動機構６
４を動作させる。こうしてカンチレバー４の先端部５と
試料２の表面３との距離が、目標値設定回路６１で設定
された電圧に対応する値に保たれる。変位駆動手段９は
また、試料２をｚ方向に垂直な平面内でｘ方向およびｙ
方向に移動して走査するための駆動機構６５を含む。各
駆動機構６４，６５は、たとえば圧電素子、ボイスコイ
ルなどによって実現することができる。In the displacement control means 12, the output 11 of the filter 53 is supplied to a control circuit 56. The control circuit 56 is also supplied with a signal having a predetermined voltage from a target value setting circuit 61. The control circuit 56 derives the control signal 62 so that the difference between the voltage of the output 11 and the target value output from the target value setting circuit 61 becomes zero and supplies the control signal 62 to the amplifier 63. The amplifier 63 includes a z-direction driving mechanism 6 of the displacement driving unit 9.
4 is operated. In this way, the distance between the tip 5 of the cantilever 4 and the surface 3 of the sample 2 is kept at a value corresponding to the voltage set by the target value setting circuit 61. The displacement driving means 9 also moves the sample 2 in the x direction and the y direction in a plane perpendicular to the z direction.
And a drive mechanism 65 for moving and scanning in the direction. Each of the driving mechanisms 64 and 65 can be realized by, for example, a piezoelectric element, a voice coil, or the like.
【００３０】本発明の実施の他の形態では、試料２を固
定位置に設けておき、カンチレバー４をｚ方向に変位し
てもよく、またカンチレバー４をｘ方向およびｙ方向に
走査するようにしてもよい。In another embodiment of the present invention, the sample 2 may be provided at a fixed position, the cantilever 4 may be displaced in the z direction, and the cantilever 4 may be scanned in the x and y directions. Is also good.
【００３１】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面
３との相互作用２０は、上述の実施の形態では力である
が、本発明の実施の他の形態では、トンネル電流であ
り、またはそのほかの物理量であってもよい。The interaction 20 between the tip 5 of the cantilever 4 and the surface 3 of the sample 2 is a force in the embodiment described above, but is a tunnel current in another embodiment of the present invention, or otherwise. May be a physical quantity.
【００３２】本発明の実施の他の形態では、機械的発振
手段６の出力７を、位相検波器４５に直接に与えるよう
に構成することもまた可能であり、このとき周波数変換
回路１３は省略されることができる。機械的発振手段６
から周波数検出回路８に与えられる出力７は、上述の実
施の形態では、差動増幅器２５の出力であったが、本発
明の実施の他の形態では、位相シフタ２９または振幅制
御回路３１などからの出力であってもよい。In another embodiment of the present invention, it is also possible to provide the output 7 of the mechanical oscillating means 6 directly to the phase detector 45, in which case the frequency conversion circuit 13 is omitted. Can be done. Mechanical oscillation means 6
Is output from the differential amplifier 25 in the above embodiment, but is output from the phase shifter 29 or the amplitude control circuit 31 in another embodiment of the present invention. May be output.
【００３３】[0033]
【発明の効果】本発明によれば、探針が連結された機械
的共振部の共振周波数ｆ１を周波数検出するために用い
られる位相同期ループ回路では、電圧制御発振回路が水
晶発振子または高安定圧電発振子を有するので、その基
準周波数ｆ４が環境温度の変化に拘わらず安定化され、
これによって共振周波数ｆ１の微小な変化量△ｆを正確
に検出することができ、高感度で正確に、試料の表面の
観察を行うことができるようになる。According to the present invention, in a phase locked loop circuit used to detect the resonance frequency f1 of a mechanical resonance unit to which a probe is connected, the voltage controlled oscillation circuit is a crystal oscillator or a highly stable crystal oscillator. Because of having the piezoelectric oscillator, its reference frequency f4 is stabilized irrespective of changes in the environmental temperature,
As a result, the minute variation Δf of the resonance frequency f1 can be accurately detected, and the surface of the sample can be observed with high sensitivity and accuracy.
【００３４】本発明によれば、機械的共振部の共振周波
数ｆ１を、周波数変換回路によって周波数変換して、位
相同期ループ回路の位相検波器に与えるようにしたの
で、探針または探針が連結された機械的共振部が交換さ
れ、その共振周波数ｆ１が変化しても、周波数変換回路
の局部発振器の発振周波数を変化調整することによっ
て、後続の位相同期ループ回路などの構成を、共通に用
いることができるようになる。またこの周波数変換回路
を用いることによって、位相同期ループ回路において最
適な基準周波数ｆ４を選択することができ、これによっ
て環境温度に拘わらず、前記変化量△ｆを高感度で検出
することができるようになる。According to the present invention, the resonance frequency f1 of the mechanical resonance section is frequency-converted by the frequency conversion circuit and is applied to the phase detector of the phase-locked loop circuit. Even if the changed mechanical resonance unit is replaced and its resonance frequency f1 changes, the configuration such as the subsequent phase locked loop circuit is commonly used by changing and adjusting the oscillation frequency of the local oscillator of the frequency conversion circuit. Will be able to do it. Further, by using this frequency conversion circuit, the optimum reference frequency f4 can be selected in the phase locked loop circuit, whereby the variation Δf can be detected with high sensitivity regardless of the environmental temperature. become.
【図１】本発明の実施の一形態の全体の構成を示すブロ
ック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an embodiment of the present invention.
【図２】カンチレバー４とその付近の簡略化した図であ
る。FIG. 2 is a simplified view of a cantilever 4 and its vicinity.
【図３】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面３と
の相互作用を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an interaction between a tip 5 of a cantilever 4 and a surface 3 of a sample 2;
【図４】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面３と
の間の相互作用２０を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining an interaction 20 between the tip 5 of the cantilever 4 and the surface 3 of the sample 2;
【図５】カンチレバー４に関連する機械的発振手段６の
一部の構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a part of a mechanical oscillation unit 6 related to the cantilever 4;
【図６】カンチレバー４と機械的発振手段６とによる発
振動作特性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing oscillation characteristics of the cantilever 4 and the mechanical oscillation means 6;
【図７】位相同期ループ回路１４の動作を説明するため
の図である。FIG. 7 is a diagram for explaining an operation of the phase locked loop circuit 14.
１ 原子間力顕微鏡 ２ 試料 ３ 表面 ４ カンチレバー ５ 先端部 ６ 機械的発振手段 ８ 周波数検出手段 ９ 変位駆動手段 １２ 変位制御手段 １３ 周波数変換回路 １４ 位相同期ループ回路 ３８ 周波数混合器 ３９ 局部発振器 ４１，４８ 水晶発振子 ４３，５３ フィルタ ４５ 位相検波器 ４６ 基準周波数発振回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Atomic force microscope 2 Sample 3 Surface 4 Cantilever 5 Tip 6 Mechanical oscillation means 8 Frequency detection means 9 Displacement drive means 12 Displacement control means 13 Frequency conversion circuit 14 Phase locked loop circuit 38 Frequency mixer 39 Local oscillator 41, 48 Crystal oscillator 43, 53 Filter 45 Phase detector 46 Reference frequency oscillation circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28 H03L 7/00 - 7/26 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37 / 28 H03L 7/00-7/26 JICST file (JOIS)
Claims (2)
共振部を共振させ、探針と試料との距離に応じて共振周
波数ｆ１が変化し、その共振周波数ｆ１の発振信号７を
出力する機械的発振手段と、 （ｂ）周波数変換回路１３であって、 水晶発振子または高安定圧電発振子を用いて安定化され
た予め定める局部発振周波数で発振し、機械的発振手段
の少なくとも一部分が交換されることによる前記共振周
波数ｆ１の変化にかかわらず、位相同期ループ回路１４
の位相同期が行われるように、予め定める発振周波数に
変化調整されている局部発振器３９を有し、 機械的発振手段からの発振信号７と、局部発振器３９か
らの局部発振信号４０とによって、中間周波信号４４を
演算処理により導出する周波数変換回路１３と、 （ｃ）位相同期ループ回路１４であって、 もう１つの水晶発振子または高安定圧電発振子を用いて
安定化された電圧制御発振回路４６と、 中間周波信号４４と電圧制御発振回路４６からの基準周
波数信号４７とが与えられる位相検波器４５とを有し、 中間周波信号と基準周波数信号とが位相同期すること
で、前記共振周波数ｆ１からの変化量を検出する位相同
期ループ回路１４と、 （ｄ）位相同期ループ回路１４の出力に応答し、前記共
振周波数ｆ１からの変化量が予め定める値となるように
探針または試料の変位制御を行う手段９，１２とを含む
ことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。1. (a) Resonating a probe or a mechanical resonance part to which the probe is coupled, the resonance frequency f1 changes according to the distance between the probe and the sample, and the oscillation signal 7 of the resonance frequency f1 is changed. (B) a frequency conversion circuit 13, which oscillates at a predetermined local oscillation frequency stabilized by using a crystal oscillator or a high-stability piezoelectric oscillator; Regardless of the change of the resonance frequency f1 due to the exchange of a part, the phase locked loop circuit 14
And a local oscillator 39 whose change is adjusted to a predetermined oscillating frequency so that phase synchronization of the oscillating signal is performed. The oscillating signal 7 from the mechanical oscillating means and the local oscillating signal 40 from the A frequency conversion circuit 13 for deriving a frequency signal 44 by arithmetic processing; and (c) a phase-locked loop circuit 14, which is a voltage-controlled oscillation circuit stabilized using another crystal oscillator or a highly stable piezoelectric oscillator. 46, and a phase detector 45 to which an intermediate frequency signal 44 and a reference frequency signal 47 from a voltage controlled oscillation circuit 46 are provided. The resonance frequency is obtained by synchronizing the phase of the intermediate frequency signal and the reference frequency signal. (d) responding to the output of the phase-locked loop circuit 14, the amount of change from the resonance frequency f1 is predetermined. Scanning probe microscope characterized in that it comprises a means 9, 12 for performing displacement control of the probe or sample so that.
を共振させ、探針と試料との距離に応じて共振周波数ｆ
１が変化し、その共振周波数ｆ１の発振信号７を出力す
る機械的発振手段と、 機械的発振手段からの発振信号７が与えられ、前記共振
周波数ｆ１からの変化量を検出する周波数検出装置と、 周波数検出装置の出力に応答し、前記共振周波数ｆ１か
らの変化量が予め定める値となるように探針または試料
の変位制御を行う手段９，１２とを含む走査形プローブ
顕微鏡に用いられる周波数検出装置において、 （ａ）周波数変換回路１３であって、 水晶発振子または高安定圧電発振子を用いて安定化され
た予め定める局部発振周波数で発振し、機械的発振手段
の少なくとも一部分が交換されることによる前記共振周
波数ｆ１の変化にかかわらず、位相同期ループ回路１４
の位相同期が行われるように、予め定める発振周波数に
変化調整されている局部発振器３９を有し、 機械的発振手段からの発振信号７と、局部発振器３９か
らの局部発振信号４０とによって、中間周波信号４４を
演算処理により導出する周波数変換回路１３と、 （ｂ）位相同期ループ回路１４であって、 もう１つの水晶発振子または高安定圧電発振子を用いて
安定化された電圧制御発振回路４６と、 中間周波信号４４と電圧制御発振回路４６からの基準周
波数信号４７とが与えられる位相検波器４５とを有し、 中間周波信号と基準周波数信号とが位相同期すること
で、前記共振周波数ｆ１からの変化量を検出する位相同
期ループ回路１４とを含むことを特徴とする走査形プロ
ーブ顕微鏡に用いられる周波数検出装置。2. Resonating a probe or a mechanical resonance unit to which the probe is connected, and setting a resonance frequency f according to a distance between the probe and the sample.
1 changes, and a mechanical oscillating means for outputting an oscillation signal 7 of the resonance frequency f1; and a frequency detection device which receives the oscillation signal 7 from the mechanical oscillating means and detects an amount of change from the resonance frequency f1. Means for controlling the displacement of the probe or the sample so that the amount of change from the resonance frequency f1 becomes a predetermined value in response to the output of the frequency detection device. In the detection device, (a) the frequency conversion circuit 13 oscillates at a predetermined local oscillation frequency stabilized using a crystal oscillator or a highly stable piezoelectric oscillator, and at least a part of the mechanical oscillation means is replaced. Irrespective of the change of the resonance frequency f1 due to the
And a local oscillator 39 whose change is adjusted to a predetermined oscillating frequency so that phase synchronization of the oscillating signal is performed. The oscillating signal 7 from the mechanical oscillating means and the local oscillating signal 40 from the A frequency conversion circuit 13 for deriving a frequency signal 44 by arithmetic processing; and (b) a phase-locked loop circuit 14, which is a voltage-controlled oscillation circuit stabilized using another crystal oscillator or a highly stable piezoelectric oscillator. 46, and a phase detector 45 to which an intermediate frequency signal 44 and a reference frequency signal 47 from a voltage controlled oscillation circuit 46 are provided. The resonance frequency is obtained by synchronizing the phase of the intermediate frequency signal and the reference frequency signal. and a phase locked loop circuit (14) for detecting an amount of change from f1.
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