JP3986944B2 - Excitation sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は加振型センサ、特にその振動モードの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、試料に損傷を与えることなくナノメートルオーダの高分解能で試料測定面の観察を行うために走査型顕微鏡が用いられている。走査型顕微鏡は、試料測定面と触針間に作用する力が一定となるように触針を試料測定面に沿って走査し、試料測定面の形状情報を測定しており、例えば試料測定面と触針間に作用する力として原子間力を検出する原子間力顕微鏡がある。
【0003】
原子間力顕微鏡は、カンチレバー(例えば特許文献1、特許文献2、特許文献3等参照)を備えた加振型センサを用いている。そして、カンチレバーの曲げ振動を行いながら、試料測定面と触針間に作用する力が一定となるように触針を試料測定面に沿って走査し、測定面の形状情報を測定していた。
【0004】
図7には一般的な加振型センサの概略構成が示されている。
同図に示す従来の加振型センサ10は、カンチレバー取付台12と、カンチレバー14と、触針16と、絶縁層18と、下部電極20と、曲げ振動する圧電材料部(加振手段)22と、加振用電極24及び検出用電極26を備える。
カンチレバー14の一端(固定端)はカンチレバー取付台12に固定され、カンチレバー取付台12は絶縁層18が設けられている。該絶縁層18上に下部電極20が設けられている。該カンチレバー14の根元側の下部電極20上に圧電材料部22が設けられ、該圧電材料部22上に加振用電極24及び検出用電極26が設けられている。
【0005】
そして、下部電極20と加振用電極24間に適切な周波数の電圧を印加すると、実質的には圧電材料部22のうちの、下部電極20及び加振用電極24間の圧電材料部分(根元側)のみが、振動を発生するので、カンチレバー14は曲げモードで共振振動を起こす。この共振状態で、カンチレバー14の触針先端16aを試料測定面に軽く接触させ、触針先端16aが試料測定面より拘束を受けると、共振状態が変化する。この共振状態の変化を検出用電極22と下部電極20間の電圧差として検出し、この変化が一定となるようにカンチレバー14を試料測定面に沿って走査することにより、試料測定面の形状を測定している。
【0006】
このように一般的な加振型センサ10では、カンチレバー14の根元(固定端)に圧電材料部22を設けており、これがカンチレバー14を曲げの共振周波数で励起する。このとき、圧電材料部22の分極は接着面に対し、直角方向となっている。圧電材料部22はポアソン運動を行うため、上下に伸縮しているときでもそれと直角方向に180度の位相差で伸縮する。このような圧電材料部22がカンチレバー14の片側、つまり根元の固定端側に設けられているので、該固定端近傍のカンチレバー14の一部が連動し、曲げ振動を発生しやすくしている。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−21816号公報
【特許文献2】
特開平8−211078号公報
【特許文献3】
特開平9−159681号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、走査型顕微鏡には早い走査速度が要求される。走査型顕微鏡の走査速度を早くするには、加振型センサの応答周波数を高める必要がある。
すなわち、前記走査型顕微鏡の走査速度は様々な要因によって決定されるが、加振型センサに関しては、応答周波数によって決定される。例えばカンチレバーのQ値を小さくしたり、共振周波数fを高くすることが考えられる。
【0009】
すなわち、加振型センサの応答周波数fは近似的に
=πf/Q
によって決定されるので、カンチレバーのQ値が小さいほど、また共振周波数fが高いほど、加振型センサの応答周波数は高くなり、一般的には共振周波数を上げることにより加振型センサの応答性を上げている。
【0010】
ここで、従来はカンチレバーの曲げ振動を行っており、共振周波数を高めるためにはカンチレバーの長さを短くする必要がある。
すなわち、断面が一様矩形形状カンチレバーの曲げ振動の共振周波数fbrはカンチレバーの長さをlとするとき
br=(αh/2πl)√(Eg/12γ)
によって決まる。
【0011】
ここで、前記αは境界条件によって決まる定数であり、カンチレバーの片側固定、片側自由の場合は
α=1.875
である。
【0012】
また前記Eはヤング率、gは重力加速度、γは単位体積重量、hはカンチレバーの厚さである。
例えばカンチレバーの材料をシリコンとし、l=1mm、h=0.02mmとすると、カンチレバーの曲げ振動の共振周波数fbr=27kHz程度となり、カンチレバーの長さが短いほど、共振周波数fbrを高くすることができるので、従来はカンチレバーの長さを短くするための工夫が色々試みられていた。
しかしながら、カンチレバーは人手で交換する必要があるので、人手で扱える程度の長さは必要であるが、その長さが1mmでは人手で扱い難く、共振周波数をもう一桁上げようとすると、カンチレバーの長さは更に短くなり、到底人手では扱えなくなる。
【0013】
このようにカンチレバーに関して、従来技術がいずれも曲げ振動により振動を与えているためにそのままでは高周波数化が難しい。このために従来は、例えば特許文献2等に開示されるように高次モード(高調波成分)での振動を与えることも考えられる。しかしながら、この方法では振動周波数が不安定になりやすい上、振動振幅も小さくなってS/N比が低下し、測定の信頼性が得難いので、前記解決手段として採用するには至らなかった。
【0014】
このように従来は加振型センサにおいて、取り扱い易い大きさを得ることと、共振周波数を高めることの両立は極めて困難であった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は取り扱い易い大きさを得ることと、共振周波数を高めることを両立させることのできる加振型センサを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが加振型センサについて鋭意検討を行った結果、前記カンチレバーの曲げ振動に代えて、縦振動を採用することにより、カンチレバーの長さを人手で扱い易い大きさとしても、共振周波数を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0016】
本発明において、例えばカンチレバーの長さをlとするときの縦振動の共振周波数flr
lr=(1/4l)√(Eg/γ)
で表せる。
従来はカンチレバーの長さl=1mmの場合は、共振周波数fbr=27kHz程度であるのに対し、本発明はカンチレバーの長さl=1mmの場合、共振周波数flr=2100kHz程度となり、同じカンチレバーの長さでも縦方向の共振周波数の方がはるかに高くなることがわかる。そして、本発明においては、共振周波数flr=100kHz以上を得るにはカンチレバーの長さl=10mmあれば足りるので、カンチレバーの長さを人手で扱い易い大きさとしても、共振周波数を高めることができるのである。
【0017】
すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかる加振型センサは、基部と、触針と、加振手段と、を備え、前記触針と試料測定部位間に作用する力により変化する共振状態の変化を一定に保ちながら試料測定部位の形状情報を得る加振型センサにおいて、突起部を備え、前記加振手段は、前記触針及び前記突起部間に設けられ、該触針と該突起部の軸方向に縦振動し、該加振手段が振動の節に位置し且つ該触針先端及び該突起部先端が該振動の腹に位置するように、該触針及び該突起部をその軸方向に縦振動させることを特徴とする。
【0018】
ここで、前記触針は、前記基部の試料側面に設けられ、試料測定部位と対向する。
また前記加振手段は、前記基部を振動させる。
前記突起部は、前記基部の試料側面とは反対側の背面に設けられ、前記触針と同一軸上において該触針先端とは逆向きに突出する。
ここにいう試料測定部位とは、試料の測定点、測定線、測定面等を含めていう。またここにいう試料測定部位と対向する触針とは、触針と試料測定部位との近接ないし接触を含めていう。従って触針は、必ずしも試料測定部位に接触しない非接触型スタイラスも含む。
【0019】
なお、本発明において、前記基部は一端が固定され、その他端がフリーな試料側カンチレバー部材及び背面側カンチレバー部材を含み、
前記触針は前記試料側カンチレバー部材の試料側面の自由端寄りに設けられ、前記突起部は前記背面側カンチレバー部材の背面の自由端寄りに、前記触針と略同一形状のものが該触針先端とは逆向きに設けられ、
前記加振手段は縦振動する圧電材料部を含み、前記試料側カンチレバー部材と背面側カンチレバー部材間において前記触針及び突起部の軸線を中心とするその周囲に、該圧電材料部の縦振動方向が該触針及び突起部の軸方向と一致するように設けられ、
また前記加振手段を間に挟み対向配置され、該加振手段を振動させる加振用電極、及び前記触針と試料測定部位間に作用する力により変化する共振状態の変化を検出する検出用電極を備えることが好適である。
【0020】
また本発明において、前記加振手段は、電圧変位変換効率に非常に優れた圧電薄膜及びバルク状圧電素子よりなる群より選択された少なくとも一の圧電材料部であることが好適である。
【0021】
【発明の実施の形態】
第一実施形態
図1には本発明の第一実施形態にかかる加振型センサを用いた測定装置の概略構成が示されている。同図(A)は測定装置の全体図、同図(B)は加振型センサを上方より見た図である。なお前記図7と対応する部分には符号100を加えて示し説明を省略する。
【0022】
同図に示す測定装置130は、支柱132と、例えばバルク状の圧電素子等よりなる三次元アクチュエータ134と、加振型センサ110を備え、例えば原子間力顕微鏡等の走査型顕微鏡を想定している。
すなわち、前記加振型センサ110は、カンチレバー取付台112と、カンチレバー(基部)114と、触針116と、圧電材料部(加振手段)122と、加振用電極124と、検出用電極126を備える。
前記加振型センサ110は三次元アクチュエータ134を介して支柱132に設けられている。
【0023】
また前記測定装置130は、測定力一定化回路136と、増幅器138と、XY方向駆動手段140と、Z方向駆動手段142と、メモリ144と、データ処理手段146と、外部出力手段148を備える。
前記検出用電極126は測定力一定化回路136と接続され、測定力一定化回路136は増幅器138と接続され、増幅器138は加振用電極124と接続されている。
【0024】
前記三次元アクチュエータ134はXY方向駆動手段140、Z方向駆動手段142と接続され、XY方向駆動手段140、Z方向駆動手段142はメモリ144と接続されている。メモリ144はデータ処理手段146と接続され、データ処理手段146は外部出力手段148と接続されている。
【0025】
そして、前記加振用電極124に適切な周波数の電圧を印加すると、カンチレバー114は共振振動を起こす。この共振状態でカンチレバー114の触針先端116aを試料測定面(試料測定部位)150に軽く接触させ、触針先端116aが試料測定面150より拘束を受けると、前記共振状態が変化する。この共振状態の変化を検出用電極126で検出する。
【0026】
前記検出用電極126よりの信号は測定力一定化回路136で処理され、増幅器138で増幅され、加振用電極124にフィードバックされると共にZ方向駆動手段142に入力され、触針116と試料測定面150間に作用する平均的な力を一定に保ちながら、試料測定面150の形状を測定している。
すなわち、前記検出用電極126よりの信号、つまり前記共振状態の変化が一定となるように三次元アクチュエータ134によりカンチレバー114をZ方向に駆動しながら、カンチレバー114の触針116aを試料測定面(XY方向)に沿って走査することにより、試料測定面150の形状を測定している。
【0027】
ここで、前記共振状態の変化を一定にするために三次元アクチュエータ134に加えた電圧の変化、つまり三次元アクチュエータ134のZ方向変位量は試料測定面150の形状に対応している。このためZ方向駆動手段142より得られる三次元アクチュエータ134のZ方向変位量情報を、XY方向駆動手段140より得られるカンチレバー114の触針116aのXY座標情報と対応させてメモリ144に記憶する。このメモリ144の情報をデータ処理手段146で処理することにより、試料測定面150の形状を得ることができる。これを外部出力手段148に画像として出力することができる。
【0028】
ところで、走査型顕微鏡には早い走査速度が要求されており、加振型センサの応答周波数を例えば100kHz以上に高めることが好ましいが、従来は曲げ振動を採用していたので、高周波数化が難しい。このために従来は例えば特開平8−211078号等に開示されるように高次モード(高調波成分)での振動を与えることも考えられるが、振動周波数が不安定になりやすい上、振動振幅も小さくなってS/N比が低下するので、測定の信頼性が得られ難かった。
【0029】
そこで、本発明において特徴的なことは、従来の曲げ振動に代えて、縦振動を採用したことである。このために本発明においては、背面側カンチレバー部材の背面の自由端寄りに、触針と同軸上において触針先端とは逆向きに突出する突起部を設けている。そして、加振手段が振動の節に位置し且つ触針先端及び突起部先端が振動の腹に位置するように、触針及び突起部をその軸方向である図中Z軸方向に縦振動させており、加振型センサの構造、特に触針先端及び突起部の軸方向の構造を、圧電材料部を中心(境面)として、その上下方向である図中Z軸方向に対称構造としている。
【0030】
このために本実施形態においては、例えばシリコン基台等よりなるカンチレバー取付台112にカンチレバー114の一端が固定されており、カンチレバー114の他端をフリーとする。
すなわち、前記カンチレバー取付台112は試料側カンチレバー取付台112aと、背面側カンチレバー取付台112bを備える。カンチレバー114は、試料側カンチレバー部材114aと、背面側カンチレバー部材114bを備える。前記試料側カンチレバー取付台112aに試料側カンチレバー部材114aの一端(固定端側)が固定され、背面側カンチレバー取付台112bに背面側カンチレバー部材114bの一端(固定端側)が固定されている。
【0031】
前記触針116は試料側カンチレバー部材114aの試料側面の自由端寄りに、該試料測定面と直交するZ方向へ伸長するように設けられている。
前記背面側カンチレバー部材114bの背面の自由端寄りに、触針116と同軸上において触針116と略同一形状の突起部152を設けており、突起部先端152bは触針先端116aとは逆向きに突出している。
【0032】
前記圧電材料部122は、例えば圧電薄膜等よりなり、試料側カンチレバー部材114aと背面側カンチレバー部材114b間における、突起部152及び触針116の軸線を中心とするその周囲のみに設けられている。
前記加振用電極124は、圧電材料部122を間に挟み図中Z軸方向に対向配置される。前記検出用電極126は、前記加振用電極124と並列となるように、圧電材料部122を間に挟み図中Z軸方向に対向配置される。
前記加振用電極124は増幅器138に接続され、前記検出用電極126は測定力一定化回路136に接続されている。
【0033】
ここで、前記加振用電極124による圧電材料部122への加振と、検出用電極126による共振状態の変化の検出を一定周期毎に交互に行う。
すなわち、前記増幅器138より加振用電極124に適切な周波数の電圧が印加されると、圧電材料部122は触針116と突起部152の軸方向に縦振動し、該圧電材料部122が振動の節に位置し且つ触針先端116a及び突起部先端152bが該振動の腹に位置するように、触針116及び突起部152をその軸方向に縦振動させる。
【0034】
この共振状態で、カンチレバー114の触針先端116aを試料測定面150に軽く接触させ、触針先端116aが試料測定面150より拘束を受けると、共振状態が変化する。検出用電極126よりの共振状態の変化情報が一定となるようにカンチレバー114の触針116を試料測定面150に沿って走査することにより、試料測定面150の形状を測定することができる。
【0035】
次に本実施形態にかかる加振型センサ110の製造方法について、図2に示される加振型センサ110の分解図を参照しつつ説明する。
まず例えばシリコン(Si)の単結晶よりなる基台より、例えばエッチング等によりカンチレバーを作る。これを2つ作り、それぞれ試料側カンチレバー、背面側カンチレバーとする。すなわち、試料側カンチレバー部材114a及び試料側カンチレバー取付台112a、背面側カンチレバー部材114b及び背面側カンチレバー取付台112bとする。
【0036】
そして、前記カンチレバー部材114a,114bの自由端寄りの面に、例えば窒化珪素(Si)製等の針状体を作り、それぞれ触針116、突起部152とする。
次に前記カンチレバー部材114a,114bの表面に、例えば窒化珪素膜等の絶縁層を形成し、それぞれ試料側絶縁層118a、背面側絶縁層118bとすする。その上に例えば白金等の電極を各カンチレバー部材に例えばスパッタリング法、蒸着等で、それぞれ2つ(全部で4つ)設け、それぞれ下部加振用電極124a、下部検出用電極126aとする。また上部加振用電極124b、上部検出用電極126bとする。さらに触針116、突起部152と対向する例えばカンチレバー部材114aの表面に、圧電材料部122として例えば酸化亜鉛あるいはPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電薄膜を設ける。
【0037】
また前記加振用電極124は、下部加振用電極124aと、上部加振用電極124bを備え、該下部加振用電極124a及び上部加振用電極124bは、圧電材料部122を間に挟み図中Z軸方向に対向配置される。
また前記検出用電極126は、下部検出用電極126aと、上部検出用電極126bを備え、該下部検出用電極126a及び上部検出用電極126bは、前記加振用電極124a,124bと並列となるように、圧電材料部122を間に挟み図中Z軸方向に対向配置される。
【0038】
またカンチレバー取付台112a,112bの表面に絶縁薄膜を、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法等により、圧電材料部と同じ厚さに形成し、それぞれ下部絶縁薄膜154a、上部絶縁薄膜154bとする。
このようにして製作された2つのカンチレバー部材114a,114bを同図に示されるように背中合わせに貼り付け、前記各電極にリード線を接続している。
すなわち、下部加振用電極124aに下部加振用リード線156aを、上部加振用電極124bに上部加振用リード線156bを接続し、各リード線156a,156bを増幅器138に接続している。また下部検出用電極126aに下部検出用リード線158aを、上部検出用電極126bに上部検出用リード線158bを接続し、各リード線158a,158bを測定力一定化回路136に接続している。このようにして本実施形態にかかる加振型センサ110を完成する。
【0039】
ここで、本実施形態においては、従来の曲げ振動に代えて、縦振動を励振させる構造としている。
すなわち、従来の曲げ振動方式では、カンチレバーの根元(固定端)に圧電材料部を設けており、これがカンチレバーを曲げの共振周波数で励起する。このとき、圧電材料部の分極(電極面は接触面に平行)は接着面に対し、直角方向となっている。圧電材料部はポアソン運動を行うため、上下に伸縮しているときでもそれと直角方向に180度の位相差で伸縮する。このような圧電材料部がカンチレバーの片側(根元の固定端側)に設けられているので、該固定端近傍のカンチレバーの一部が連動し、曲げ振動が発生しやすくなっている。
【0040】
これに対し、本実施形態では、加振型センサ110の構造、特に触針116及び突起部152の軸方向の構造を、圧電材料部122を中心(境面)として、図中Z軸方向に対称構造としており、基本的にはその上下方向(図中Z軸方向)に伸びる触針116、突起部152の曲げ振動よりも高い共振周波数で振動させることができる。
すなわち、本実施形態では、前述のように加振型センサ110の構造が上下対称なので、仮に曲げ振動がカンチレバー114に生じても、それは上下対称に発生し、その境面では中立を保ち、その振動をキャンセルすることができるからである。
【0041】
また本実施形態においては、前記縦振動をより励振し易くするためには、さらに例えば圧電材料の結晶方位等を正しく選ぶことも、好ましい。
すなわち、従来は圧電材料部として曲げ振動するものを用いており、カンチレバーの曲げ振動を行っていた。
【0042】
これに対し、本実施形態においては、圧電材料部122として縦振動するものを用いている。すなわち、本実施形態において、圧電材料部122としてZ方向に伸び縮みする結晶構造のものを選択している。このような圧電材料部122を触針116及び突起部152を中心とするその周囲のみに設けている。
【0043】
したがって、本実施形態においては、圧電材料部122を間に挟んで対向する一対の加振用電極124a,124bに適切な周波数、例えば曲げ振動よりも高い共振周波数の電圧を印加すると、圧電材料部122は触針116及び突起部152の軸方向(図中Z軸方向)に縦振動する。これにより図3に示されるように圧電材料部122を振動の節とし、且つ触針先端116a及び突起部先端152bを振動の腹として、触針先端116及び突起部152の軸方向(Z方向)に共振振動を起こす。この共振振動は触針116及び突起部152の長手方向を軸とする縦振動となるため、その共振周波数は非常に高いものとなる。
【0044】
例えば従来の曲げ振動ではカンチレバーの長さl=1mmの場合は、共振周波数fbr=27kHz程度であるのに対し、本実施形態においてはカンチレバー114の長さl=1mmの場合、共振周波数flr=2100kHz程度となり、従来と同じカンチレバーの長さでも、縦方向の共振周波数の方がはるかに高くなることがわかる。
【0045】
そして、本発明においては、共振周波数flr=100kHz以上を得るにはカンチレバー114の長さをl=10mmとすれば足りる。しかもカンチレバー取付台112を用いているので、カンチレバー114及びカンチレバー取付台112を含めた長さは20mm以上となるため、本実施形態にかかる加振型センサ110は人手で扱い易い大きさで、共振周波数を高めることができる。
【0046】
以上のように本実施形態にかかる加振型センサ110によれば、従来の曲げ振動に代えて、触針116及び突起部152の縦振動を用いているので、カンチレバー114の大きさを例えば10mm以上等の取り扱い易い大きさとしても、例えば100kHz以上の高い共振周波数を実現することができる。これにより本実施形態においては振動周波数の安定化、振動振幅の改善も図られる。
【0047】
第二実施形態
図4には本発明の第二実施形態にかかる加振型センサを用いた測定装置の概略構成が示されている。なお前記第一実施形態と対応する部分には符号100を加えて示し説明を省略する。
同図に示す加振型センサ210は、カンチレバー214を、前述のようなカンチレバー取付台に設けることなく、背面側カンチレバー部材214bの背面の固定端寄りをアクチュエータ234に直接設けている。
【0048】
また本実施形態においては、図5に示されるように試料側カンチレバー部材214a及び背面側カンチレバー部材214bが、例えばりん青銅やステンレス等の金属薄膜等よりなり、それぞれ触針216、突起部252が設けられている。前記試料側カンチレバー部材214aの触針側とは反対側の表面、背面側カンチレバー部材214bの突起部側とは反対側の表面には、絶縁層218a,218bがそれぞれ設けられ、その上に加振用電極224a,224b及び検出用電極226a,226bが設けられている。さらにその上面に圧電薄膜等の圧電材料部222、絶縁薄膜254a,254bを形成している。
【0049】
このようにして製作された試料側カンチレバー部材214aと背面側カンチレバー部材214bを背中合わせに貼り付けることにより本実施形態にかかる加振型センサ210を製作しても、前記第一実施形態と同様、加振型センサ210の構造、特に触針216及び突起部252の軸方向の構造を、圧電材料部222を境面として、図中Z軸方向に対称構造とすることができるので、前記第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0050】
なお、前記構成では、縦振動を得るために、加振型センサの構造を上下対称としており、圧電材料部を中心(境面)として、背面側カンチレバー部材と試料側カンチレバー部材が完全に同一形状のカンチレバーとした例について説明したが、満足のゆく縦振動が得られるのであれば、背面側カンチレバー部材と試料側カンチレバー部材とで形状が多少違っていてもよい。
例えば前記触針及び突起部は、圧電材料部を中心に該触針及び突起部の軸方向に対称構造としているが、カンチレバー背面の突起部に、圧電材料部が振動の節となるような任意形状の質量体を配置することも好ましい。
【0051】
また前記構成では、触針及び突起部の作り方として、例えば電解研磨等で作った別材料の触針及び突起部を、カンチレバー部材に接着や溶接で固着する等の方法が一例として挙げられるが、本実施形態においては、カンチレバー等の平板状の基部を用いているので、一般的な一体成形に代えて、例えばMEMS(Mechanical Electrical Micro System)の複合成形の技術(例えば特開平7−311207号等)で、例えば窒化珪素や窒化シリコン等の材料より製作することも、製作が容易な点等から好適である。この結果、前記MEMSの製作容易性等と、人手で扱い易い大きさで共振周波数を高めることのできる縦振動の両者の長所を利用することができるので、人手で扱い易く応答性の高い本実施形態にかかる加振型センサの実現が、より容易に行える。
【0052】
また前記構成では圧電材料部として圧電薄膜を用いた例について説明したが、これに代えて、バルク状の圧電体を用いることも好ましい。また前記構成では圧電薄膜の形成に例えばCVD法を用いた例について説明したが、その他、例えばゾルゲル法、スパッタリング法、水熱合成法、スクリーン印刷法等を採用することができる。
【0053】
また加振型センサを、前記検出用電極を用いた自己検出型に代えて、光検出型とすることもできるが、自己検出型の方が、以下の点でより好ましい。
すなわち、光検出型では、高S/N化のため、例えば図6に示されるように加振型センサを構成する。なお、同図(A)はその全体を側方より見た図、同図(B)は光学系の位置よりカンチレバーを見た図である。前記第一実施形態と対応する部分には符号200を加えて示し説明を省略する。
【0054】
同図に示す加振型センサ310は、例えば触針316(バランサ等の突起部352)の真上方に光学系(発光素子360、受光素子362等)を例えば並列に配置する。また前記光学系による光検出用の光364の通り道を作るために圧電材料部322、カンチレバー314に孔366を形成し円管型とし、バランサ等の突起部352を光透過性材料とする。あるいは突起部352を中空円筒状とする。
【0055】
しかしながら、光検出型の構成では、袋小路が計れない等の計測の対象ワークのアプリケーションが2.5次元構造までと限定されてしまう。また光学系は、圧電材料に比較し高価である。
これに対し、自己検出型であれば、このような限定がない点が、加振型センサにおいては非常に有利となる。さらに前記比較的高価な光学系を必要としない分、コストをより安価にできるからである。
【0056】
本実施形態においては、触針が試料測定面と接触する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、触針の振動が試料測定面からの影響によって変化する場合(原子間力や超音波による近接場現象を生じる場合)についても、実施できることは言うまでもない。
またカンチレバーの振動の検出を行うために、カンチレバーに歪ゲージを形成し、あるいは歪ゲージを接着して、この歪ゲージの抵抗値の変化から振動の変化を検出するようにしても良い。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる加振型センサによれば、基部の試料側面とは反対側の背面に、触針と同軸上において触針先端とは逆向きに突出する突起部を設け、加振手段により触針及び突起部をその軸方向に縦振動させることとしたので、取り扱い易い大きさを得ることと、共振周波数を高めることを両立させることができる。
また本発明においては、前記加振手段は電圧変位変換効率に優れた圧電薄膜及びバルク状圧電素子よりなる群より選択された少なくとも一の圧電材料部であることにより、前記触針及び前記突起部の軸方向の縦振動が確実に行えるので、人手で取り扱い易い大きさを得ることと、共振周波数を高めることの両立を、より高いレベルで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態にかかる加振型センサを用いた測定装置の概略構成の説明図である。
【図2】図1に示した加振型センサの説明図である。
【図3】図1に示した加振型センサにおいて特徴的な縦振動の説明図である。
【図4】本発明の第二実施形態にかかる加振型センサを用いた測定装置の概略構成の説明図である。
【図5】図4に示した加振型センサの説明図である。
【図6】本実施形態にかかる加振型センサを光検出型とする概略構成の説明図である。
【図7】一般的な加振型センサの説明図である。
【符号の説明】
110,210 加振型センサ
114,214 カンチレバー(基部)
116,216 触針
122,222 加振手段
124a,124b,224a,224b 加振用電極
126a,126b,226a,226b 検出用電極
152,252 突起部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an excitation type sensor, and more particularly to improvement of its vibration mode.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a scanning microscope has been used to observe a sample measurement surface with high resolution on the order of nanometers without damaging the sample. The scanning microscope scans the stylus along the sample measurement surface so that the force acting between the sample measurement surface and the stylus is constant, and measures the shape information of the sample measurement surface. For example, the sample measurement surface There is an atomic force microscope that detects an atomic force as a force acting between the stylus and the stylus.
[0003]
The atomic force microscope uses an excitation type sensor equipped with a cantilever (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, etc.). Then, while performing bending vibration of the cantilever, the stylus was scanned along the sample measurement surface so that the force acting between the sample measurement surface and the stylus was constant, and the shape information of the measurement surface was measured.
[0004]
FIG. 7 shows a schematic configuration of a general excitation type sensor.
The conventional vibration type sensor 10 shown in FIG. 1 includes a cantilever mounting base 12, a cantilever 14, a stylus 16, an insulating layer 18, a lower electrode 20, and a piezoelectric material portion (vibration means) 22 that bends and vibrates. And an excitation electrode 24 and a detection electrode 26.
One end (fixed end) of the cantilever 14 is fixed to the cantilever mounting base 12, and the cantilever mounting base 12 is provided with an insulating layer 18. A lower electrode 20 is provided on the insulating layer 18. A piezoelectric material portion 22 is provided on the lower electrode 20 on the base side of the cantilever 14, and an excitation electrode 24 and a detection electrode 26 are provided on the piezoelectric material portion 22.
[0005]
When a voltage having an appropriate frequency is applied between the lower electrode 20 and the excitation electrode 24, the piezoelectric material portion (the root) between the lower electrode 20 and the excitation electrode 24 in the piezoelectric material portion 22 is substantially included. Since only the side) generates vibration, the cantilever 14 causes resonance vibration in the bending mode. In this resonance state, when the stylus tip 16a of the cantilever 14 is lightly brought into contact with the sample measurement surface and the stylus tip 16a is restrained by the sample measurement surface, the resonance state changes. The change in the resonance state is detected as a voltage difference between the detection electrode 22 and the lower electrode 20, and the shape of the sample measurement surface is changed by scanning the cantilever 14 along the sample measurement surface so that the change is constant. Measuring.
[0006]
Thus, in the general excitation type sensor 10, the piezoelectric material part 22 is provided in the base (fixed end) of the cantilever 14, and this excites the cantilever 14 with the resonance frequency of bending. At this time, the polarization of the piezoelectric material portion 22 is perpendicular to the bonding surface. Since the piezoelectric material portion 22 performs Poisson motion, it expands and contracts with a phase difference of 180 degrees in the direction perpendicular to it even when it expands and contracts vertically. Since such a piezoelectric material portion 22 is provided on one side of the cantilever 14, that is, on the fixed end side at the root, a part of the cantilever 14 in the vicinity of the fixed end is interlocked to easily generate bending vibration.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-21816
[Patent Document 2]
JP-A-8-211078
[Patent Document 3]
JP-A-9-159681
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a high scanning speed is required for a scanning microscope. In order to increase the scanning speed of the scanning microscope, it is necessary to increase the response frequency of the vibration type sensor.
That is, the scanning speed of the scanning microscope is determined by various factors, but the excitation type sensor is determined by the response frequency. For example, the Q value of the cantilever can be reduced or the resonance frequency frIt is possible to increase the value.
[0009]
That is, the response frequency f of the excitation type sensor0Is approximately
f0= Πfr/ Q
As the Q value of the cantilever is smaller, the resonance frequency f0The higher the is, the higher the response frequency of the vibration type sensor. Generally, the response of the vibration type sensor is increased by increasing the resonance frequency.
[0010]
Here, conventionally, bending vibration of the cantilever is performed, and it is necessary to shorten the length of the cantilever in order to increase the resonance frequency.
That is, the resonance frequency f of the bending vibration of the cantilever having a uniform rectangular cross sectionbrIs when the cantilever length is l
fbr= (Α2h / 2πl2) √ (Eg / 12γ)
It depends on.
[0011]
Where α is a constant determined by the boundary condition, and cantilever is fixed on one side and free on one side.
α = 1.875
It is.
[0012]
E is the Young's modulus, g is the acceleration of gravity, γ is the unit volume weight, and h is the thickness of the cantilever.
For example, if the material of the cantilever is silicon, and l = 1 mm and h = 0.02 mm, the resonance frequency f of the bending vibration of the cantileverbr= 27 kHz, and the shorter the cantilever length,brIn the past, various attempts have been made to shorten the length of the cantilever.
However, since the cantilever needs to be replaced manually, it needs to be long enough to be handled manually. However, if the length is 1 mm, it is difficult to handle manually, and if the resonance frequency is increased by another digit, The length is even shorter, and it can no longer be handled manually.
[0013]
As described above, with respect to the cantilever, since all the conventional techniques give vibration by bending vibration, it is difficult to increase the frequency as it is. For this reason, conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 2 and the like, it is also conceivable to apply vibration in a higher-order mode (harmonic component). However, in this method, the vibration frequency is likely to be unstable, the vibration amplitude is decreased, the S / N ratio is lowered, and measurement reliability is difficult to obtain, so that it has not been adopted as the solution.
[0014]
As described above, in the conventional vibration type sensor, it has been extremely difficult to obtain both a size that is easy to handle and a resonance frequency.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide an excitation type sensor capable of achieving both a size that is easy to handle and an increase in resonance frequency.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on the excitation type sensor by the present inventors, even if the length of the cantilever can be easily handled manually by adopting longitudinal vibration instead of bending vibration of the cantilever, the resonance frequency The present invention has been completed.
[0016]
In the present invention, for example, the resonance frequency f of longitudinal vibration when the length of the cantilever is 1lrIs
flr= (1 / 4l) √ (Eg / γ)
It can be expressed as
Conventionally, when the cantilever length l = 1 mm, the resonance frequency fbr= 27 kHz, however, in the present invention, when the cantilever length l = 1 mm, the resonance frequency flr= 2100 kHz, and it can be seen that the longitudinal resonance frequency is much higher even with the same cantilever length. In the present invention, the resonance frequency flrSince the cantilever length l = 10 mm is sufficient to obtain 100 kHz or more, the resonance frequency can be increased even if the cantilever length is easily handled by hand.
[0017]
That is, the vibration type sensor according to the present invention for achieving the above object includes a base, a stylus, and a vibration means, and is a resonance that varies depending on a force acting between the stylus and a sample measurement site. A vibration-type sensor that obtains shape information of a sample measurement site while keeping a change in state constant, includes a protrusion, and the vibration means is provided between the stylus and the protrusion, and the stylus and the stylus The stylus and the protrusion are placed so that they vibrate longitudinally in the axial direction of the protrusion, the excitation means is located at the vibration node, and the tip of the stylus and the tip of the protrusion are located at the antinode of the vibration. It is characterized by longitudinal vibration in the axial direction.
[0018]
Here, the stylus is provided on the sample side of the base and faces the sample measurement site.
The vibration means vibrates the base.
The protrusion is provided on the back surface of the base opposite to the sample side surface, and protrudes in the direction opposite to the tip of the stylus on the same axis as the stylus.
Here, the sample measurement site includes a measurement point, a measurement line, a measurement surface, and the like of the sample. Further, the stylus facing the sample measurement site mentioned here includes the proximity or contact between the stylus and the sample measurement site. Accordingly, the stylus also includes a non-contact stylus that does not necessarily contact the sample measurement site.
[0019]
In the present invention, the base includes a sample-side cantilever member and a back-side cantilever member that are fixed at one end and free at the other end,
The stylus is provided near the free end of the sample side surface of the sample side cantilever member, and the protrusion has a shape substantially the same as the stylus near the free end of the back surface of the back side cantilever member. It is provided in the opposite direction to the tip,
The vibration means includes a piezoelectric material portion that vibrates longitudinally, and a longitudinal vibration direction of the piezoelectric material portion around the axis of the stylus and the protrusion between the sample-side cantilever member and the back-side cantilever member. Is provided so as to coincide with the axial direction of the stylus and the protrusion,
In addition, an excitation electrode that is disposed oppositely with the excitation means interposed therebetween, and a detection electrode that detects a change in a resonance state that changes due to a force acting between the stylus and the sample measurement site. It is preferable to provide an electrode.
[0020]
In the present invention, it is preferable that the excitation means is at least one piezoelectric material part selected from the group consisting of a piezoelectric thin film and a bulk piezoelectric element that are very excellent in voltage displacement conversion efficiency.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First embodiment
FIG. 1 shows a schematic configuration of a measuring apparatus using a vibration type sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is an overall view of the measuring apparatus, and FIG. 2B is a view of the vibration type sensor as viewed from above. The parts corresponding to those in FIG.
[0022]
The measurement apparatus 130 shown in the figure includes a support 132, a three-dimensional actuator 134 made of, for example, a bulk piezoelectric element, and an excitation sensor 110, and assumes a scanning microscope such as an atomic force microscope. Yes.
That is, the vibration type sensor 110 includes a cantilever mounting base 112, a cantilever (base portion) 114, a stylus 116, a piezoelectric material portion (vibration means) 122, a vibration electrode 124, and a detection electrode 126. Is provided.
The excitation type sensor 110 is provided on the support column 132 via a three-dimensional actuator 134.
[0023]
The measuring device 130 includes a measuring force stabilizing circuit 136, an amplifier 138, an XY direction driving unit 140, a Z direction driving unit 142, a memory 144, a data processing unit 146, and an external output unit 148.
The detection electrode 126 is connected to a measurement force stabilization circuit 136, the measurement force stabilization circuit 136 is connected to an amplifier 138, and the amplifier 138 is connected to an excitation electrode 124.
[0024]
The three-dimensional actuator 134 is connected to the XY direction driving unit 140 and the Z direction driving unit 142, and the XY direction driving unit 140 and the Z direction driving unit 142 are connected to the memory 144. The memory 144 is connected to the data processing unit 146, and the data processing unit 146 is connected to the external output unit 148.
[0025]
When a voltage having an appropriate frequency is applied to the excitation electrode 124, the cantilever 114 causes resonance vibration. In this resonance state, when the stylus tip 116a of the cantilever 114 is lightly brought into contact with the sample measurement surface (sample measurement site) 150 and the stylus tip 116a is restrained by the sample measurement surface 150, the resonance state changes. This change in the resonance state is detected by the detection electrode 126.
[0026]
A signal from the detection electrode 126 is processed by a measurement force stabilizing circuit 136, amplified by an amplifier 138, fed back to the excitation electrode 124, and input to the Z-direction driving means 142, and the stylus 116 and the sample are measured. The shape of the sample measurement surface 150 is measured while keeping the average force acting between the surfaces 150 constant.
That is, while the cantilever 114 is driven in the Z direction by the three-dimensional actuator 134 so that the signal from the detection electrode 126, that is, the change in the resonance state becomes constant, the stylus 116a of the cantilever 114 is moved to the sample measurement surface (XY). The shape of the sample measurement surface 150 is measured by scanning along (direction).
[0027]
Here, the change in voltage applied to the three-dimensional actuator 134 in order to make the change in the resonance state constant, that is, the amount of displacement in the Z direction of the three-dimensional actuator 134 corresponds to the shape of the sample measurement surface 150. For this reason, the Z direction displacement amount information of the three-dimensional actuator 134 obtained from the Z direction driving means 142 is stored in the memory 144 in correspondence with the XY coordinate information of the stylus 116 a of the cantilever 114 obtained from the XY direction driving means 140. By processing the information in the memory 144 by the data processing means 146, the shape of the sample measurement surface 150 can be obtained. This can be output to the external output means 148 as an image.
[0028]
By the way, a high scanning speed is required for the scanning microscope, and it is preferable to increase the response frequency of the vibration type sensor to, for example, 100 kHz or more. However, since bending vibration has been conventionally used, it is difficult to increase the frequency. . For this reason, conventionally, for example, as disclosed in JP-A-8-211078, it is conceivable to give vibration in a higher-order mode (harmonic component). However, the vibration frequency tends to become unstable and the vibration amplitude And the S / N ratio is lowered, so that it is difficult to obtain measurement reliability.
[0029]
Therefore, what is characteristic in the present invention is that longitudinal vibration is employed instead of the conventional bending vibration. For this reason, in the present invention, a protrusion that protrudes in the direction opposite to the tip of the stylus is provided coaxially with the stylus near the free end of the back of the back side cantilever member. Then, the stylus and the projection are longitudinally vibrated in the Z-axis direction in the figure, which is the axial direction thereof, so that the vibration means is positioned at the vibration node and the tip of the stylus and the protrusion are positioned at the antinode of the vibration The structure of the vibration type sensor, in particular, the axial structure of the tip of the stylus and the protrusion is symmetrical with the piezoelectric material portion as the center (boundary surface) in the Z-axis direction in the figure, which is the vertical direction. .
[0030]
Therefore, in this embodiment, one end of the cantilever 114 is fixed to the cantilever mounting base 112 made of, for example, a silicon base, and the other end of the cantilever 114 is free.
That is, the cantilever mounting base 112 includes a sample side cantilever mounting base 112a and a back side cantilever mounting base 112b. The cantilever 114 includes a sample-side cantilever member 114a and a back-side cantilever member 114b. One end (fixed end side) of the sample side cantilever member 114a is fixed to the sample side cantilever mounting base 112a, and one end (fixed end side) of the back side cantilever member 114b is fixed to the back side cantilever mounting base 112b.
[0031]
The stylus 116 is provided near the free end of the sample side surface of the sample side cantilever member 114a so as to extend in the Z direction perpendicular to the sample measurement surface.
Near the free end of the back surface of the back side cantilever member 114b, a protrusion 152 is provided which is coaxial with the stylus 116 and has substantially the same shape as the stylus 116. The protrusion tip 152b is opposite to the stylus tip 116a. Protruding.
[0032]
The piezoelectric material portion 122 is made of, for example, a piezoelectric thin film or the like, and is provided only between the sample-side cantilever member 114a and the back-side cantilever member 114b around the axis of the protrusion 152 and the stylus 116.
The excitation electrode 124 is disposed so as to face the Z-axis direction in the drawing with the piezoelectric material portion 122 interposed therebetween. The detection electrode 126 is disposed opposite to the Z-axis direction in the figure with the piezoelectric material portion 122 interposed therebetween so as to be in parallel with the excitation electrode 124.
The excitation electrode 124 is connected to an amplifier 138, and the detection electrode 126 is connected to a measuring force stabilizing circuit 136.
[0033]
Here, excitation to the piezoelectric material portion 122 by the excitation electrode 124 and detection of a change in the resonance state by the detection electrode 126 are alternately performed at regular intervals.
That is, when a voltage having an appropriate frequency is applied from the amplifier 138 to the excitation electrode 124, the piezoelectric material part 122 vibrates longitudinally in the axial direction of the stylus 116 and the protrusion 152, and the piezoelectric material part 122 vibrates. The stylus 116 and the protrusion 152 are longitudinally vibrated in the axial direction so that the stylus tip 116a and the protrusion tip 152b are located at the antinode of the vibration.
[0034]
In this resonance state, when the stylus tip 116a of the cantilever 114 is lightly brought into contact with the sample measurement surface 150 and the stylus tip 116a is restrained by the sample measurement surface 150, the resonance state changes. The shape of the sample measurement surface 150 can be measured by scanning the stylus 116 of the cantilever 114 along the sample measurement surface 150 so that the change information of the resonance state from the detection electrode 126 is constant.
[0035]
Next, a manufacturing method of the vibration type sensor 110 according to the present embodiment will be described with reference to an exploded view of the vibration type sensor 110 shown in FIG.
First, a cantilever is made from a base made of a single crystal of silicon (Si), for example, by etching or the like. Two of these are prepared, which are a sample side cantilever and a back side cantilever. That is, the sample-side cantilever member 114a and the sample-side cantilever mounting base 112a, the back-side cantilever member 114b, and the back-side cantilever mounting base 112b are used.
[0036]
And, on the surface near the free end of the cantilever members 114a and 114b, for example, silicon nitride (Si3N4) A needle-shaped body made of a product or the like is made, and a stylus 116 and a protrusion 152 are formed.
Next, an insulating layer such as a silicon nitride film is formed on the surface of the cantilever members 114a and 114b to form a sample-side insulating layer 118a and a back-side insulating layer 118b, respectively. Two electrodes (for example, a total of four) are provided on each cantilever member by sputtering, vapor deposition, or the like, for example, to form a lower excitation electrode 124a and a lower detection electrode 126a, respectively. The upper excitation electrode 124b and the upper detection electrode 126b are used. Further, a piezoelectric thin film such as zinc oxide or PZT (lead zirconate titanate) is provided as the piezoelectric material portion 122 on the surface of the cantilever member 114a facing the stylus 116 and the protrusion 152, for example.
[0037]
The excitation electrode 124 includes a lower excitation electrode 124a and an upper excitation electrode 124b. The lower excitation electrode 124a and the upper excitation electrode 124b sandwich the piezoelectric material portion 122 therebetween. Oppositely arranged in the Z-axis direction in the figure.
The detection electrode 126 includes a lower detection electrode 126a and an upper detection electrode 126b, and the lower detection electrode 126a and the upper detection electrode 126b are arranged in parallel with the excitation electrodes 124a and 124b. In addition, the piezoelectric material part 122 is sandwiched therebetween and disposed opposite to each other in the Z-axis direction in the drawing.
[0038]
In addition, an insulating thin film is formed on the surface of the cantilever mounting bases 112a and 112b by the CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like, for example, to have the same thickness as the piezoelectric material portion, which are defined as a lower insulating thin film 154a and an upper insulating thin film 154b, respectively.
The two cantilever members 114a and 114b thus manufactured are attached back to back as shown in the figure, and lead wires are connected to the respective electrodes.
That is, the lower excitation lead wire 156a is connected to the lower excitation electrode 124a, the upper excitation lead wire 156b is connected to the upper excitation electrode 124b, and the lead wires 156a and 156b are connected to the amplifier 138. . Further, the lower detection lead wire 158a is connected to the lower detection electrode 126a, the upper detection lead wire 158b is connected to the upper detection electrode 126b, and the lead wires 158a and 158b are connected to the measuring force stabilizing circuit 136. In this way, the vibration type sensor 110 according to the present embodiment is completed.
[0039]
Here, in this embodiment, it is set as the structure which excites a longitudinal vibration instead of the conventional bending vibration.
That is, in the conventional bending vibration system, a piezoelectric material portion is provided at the base (fixed end) of the cantilever, and this excites the cantilever at the resonance frequency of bending. At this time, the polarization of the piezoelectric material portion (the electrode surface is parallel to the contact surface) is perpendicular to the bonding surface. Since the piezoelectric material portion performs a Poisson motion, it expands and contracts with a phase difference of 180 degrees in a direction perpendicular to it even when it expands and contracts vertically. Since such a piezoelectric material portion is provided on one side of the cantilever (base fixed end side), a part of the cantilever in the vicinity of the fixed end is interlocked and bending vibration is likely to occur.
[0040]
In contrast, in the present embodiment, the structure of the vibration sensor 110, particularly the axial structure of the stylus 116 and the protrusion 152, is centered on the piezoelectric material portion 122 (boundary surface) in the Z-axis direction in the figure. It has a symmetrical structure, and can basically be vibrated at a resonance frequency higher than the bending vibration of the stylus 116 and the protrusion 152 extending in the vertical direction (Z-axis direction in the figure).
That is, in this embodiment, since the structure of the excitation sensor 110 is vertically symmetrical as described above, even if bending vibration occurs in the cantilever 114, it occurs vertically symmetrically, and the boundary surface is kept neutral, This is because vibration can be canceled.
[0041]
In the present embodiment, it is also preferable to select, for example, the crystal orientation of the piezoelectric material correctly in order to make the longitudinal vibration easier to excite.
That is, conventionally, a piezoelectric material part that vibrates and vibrates is used, and the cantilever bends and vibrates.
[0042]
On the other hand, in this embodiment, the piezoelectric material portion 122 that vibrates longitudinally is used. That is, in this embodiment, the piezoelectric material portion 122 having a crystal structure that expands and contracts in the Z direction is selected. Such a piezoelectric material part 122 is provided only around the stylus 116 and the protrusion 152.
[0043]
Therefore, in this embodiment, when a voltage having an appropriate frequency, for example, a resonance frequency higher than bending vibration, is applied to the pair of excitation electrodes 124a and 124b facing each other with the piezoelectric material portion 122 interposed therebetween, the piezoelectric material portion 122 vibrates longitudinally in the axial direction (Z-axis direction in the figure) of the stylus 116 and the protrusion 152. As a result, as shown in FIG. 3, the piezoelectric material portion 122 is used as a vibration node, and the stylus tip 116a and the projection tip 152b are used as vibration antinodes. Causes resonance vibration. Since this resonance vibration becomes a longitudinal vibration with the longitudinal direction of the stylus 116 and the protrusion 152 as an axis, the resonance frequency is very high.
[0044]
For example, in the conventional bending vibration, when the length of the cantilever is 1 = 1 mm, the resonance frequency fbrIn the present embodiment, when the length l of the cantilever 114 is 1 mm, the resonance frequency f is about 27 kHz.lr= 2100 kHz, and it can be seen that the resonance frequency in the longitudinal direction is much higher even with the same cantilever length as before.
[0045]
In the present invention, the resonance frequency flr= To obtain 100 kHz or more, it is sufficient to set the length of the cantilever 114 to 1 = 10 mm. Moreover, since the cantilever mounting base 112 is used, the length including the cantilever 114 and the cantilever mounting base 112 is 20 mm or more. Therefore, the vibration type sensor 110 according to the present embodiment has a size that can be easily handled by hand, and is resonant. The frequency can be increased.
[0046]
As described above, according to the vibration type sensor 110 according to the present embodiment, since the longitudinal vibration of the stylus 116 and the protrusion 152 is used instead of the conventional bending vibration, the size of the cantilever 114 is, for example, 10 mm. Even when the size is easy to handle, a high resonance frequency of, for example, 100 kHz or more can be realized. As a result, in this embodiment, the vibration frequency is stabilized and the vibration amplitude is also improved.
[0047]
Second embodiment
FIG. 4 shows a schematic configuration of a measuring apparatus using the vibration type sensor according to the second embodiment of the present invention. Note that portions corresponding to those of the first embodiment are denoted by reference numeral 100 and description thereof is omitted.
In the vibration type sensor 210 shown in the figure, the cantilever 214 is not provided on the cantilever mounting base as described above, but the back end of the back side cantilever member 214 b is provided directly on the actuator 234.
[0048]
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the sample side cantilever member 214a and the back side cantilever member 214b are made of a metal thin film such as phosphor bronze or stainless steel, and are provided with a stylus 216 and a projection 252 respectively. It has been. Insulating layers 218a and 218b are provided on the surface of the sample-side cantilever member 214a opposite to the stylus side and on the surface of the back-side cantilever member 214b opposite to the protruding portion side, respectively. Electrodes 224a and 224b and detection electrodes 226a and 226b are provided. Further, a piezoelectric material portion 222 such as a piezoelectric thin film and insulating thin films 254a and 254b are formed on the upper surface.
[0049]
Even if the vibration-type sensor 210 according to this embodiment is manufactured by attaching the sample-side cantilever member 214a and the back-side cantilever member 214b thus manufactured back to back, the same as in the first embodiment, Since the structure of the vibration sensor 210, in particular, the axial structure of the stylus 216 and the protrusion 252 can be made symmetrical with respect to the Z-axis direction in the drawing with the piezoelectric material portion 222 as a boundary surface, the first embodiment The same effect as the form can be obtained.
[0050]
In the above configuration, in order to obtain the longitudinal vibration, the structure of the excitation type sensor is vertically symmetric, and the back side cantilever member and the sample side cantilever member are completely the same shape with the piezoelectric material portion as the center (boundary surface). However, the shape may be slightly different between the back side cantilever member and the sample side cantilever member as long as satisfactory longitudinal vibration can be obtained.
For example, the stylus and the protrusion have a symmetrical structure about the piezoelectric material portion in the axial direction of the stylus and the protrusion. It is also preferable to arrange a shaped mass.
[0051]
In the above configuration, as a method of making the stylus and the protrusion, for example, a method such as fixing the stylus and the protrusion of another material made by electrolytic polishing or the like to the cantilever member by adhesion or welding is exemplified. In the present embodiment, since a flat base such as a cantilever is used, instead of general integral molding, for example, a MEMS (Mechanical Electrical Micro System) composite molding technique (for example, JP-A-7-311207) For example, it is also preferable to manufacture from a material such as silicon nitride or silicon nitride from the viewpoint of easy manufacturing. As a result, the advantages of both the ease of manufacturing the MEMS, etc., and the longitudinal vibration that can increase the resonance frequency in a size that can be easily handled by hand can be used, so this implementation is easy to handle by hand and has high responsiveness. The vibration-type sensor according to the embodiment can be realized more easily.
[0052]
In the above configuration, an example in which a piezoelectric thin film is used as the piezoelectric material portion has been described, but it is also preferable to use a bulk piezoelectric body instead. In the above configuration, an example in which, for example, the CVD method is used to form the piezoelectric thin film has been described. However, for example, a sol-gel method, a sputtering method, a hydrothermal synthesis method, a screen printing method, or the like can be employed.
[0053]
In addition, the vibration type sensor may be a light detection type instead of the self detection type using the detection electrode, but the self detection type is more preferable in the following points.
That is, in the light detection type, for example, an excitation type sensor is configured as shown in FIG. 6 in order to increase the S / N ratio. 2A is a view of the entirety as viewed from the side, and FIG. 2B is a view of the cantilever as viewed from the position of the optical system. Parts corresponding to those in the first embodiment are denoted by reference numeral 200 and description thereof is omitted.
[0054]
In the vibration type sensor 310 shown in the figure, for example, an optical system (light emitting element 360, light receiving element 362, etc.) is arranged in parallel, for example, directly above the stylus 316 (protruding portion 352 such as a balancer). Further, in order to create a path for light 364 for light detection by the optical system, a hole 366 is formed in the piezoelectric material portion 322 and the cantilever 314 to form a circular tube shape, and a projection portion 352 such as a balancer is made of a light transmitting material. Alternatively, the protrusion 352 is a hollow cylinder.
[0055]
However, in the light detection type configuration, the application of the workpiece to be measured such as a short path cannot be measured is limited to a 2.5-dimensional structure. The optical system is more expensive than the piezoelectric material.
On the other hand, the self-detection type is very advantageous in the excitation type sensor in that there is no such limitation. Furthermore, the cost can be further reduced because the relatively expensive optical system is not required.
[0056]
In the present embodiment, the case where the stylus is in contact with the sample measurement surface has been described. However, the present invention is not limited to this, and the case where the vibration of the stylus changes due to the influence from the sample measurement surface (atomic force or Needless to say, it is possible to carry out the case of a near-field phenomenon caused by sound waves.
In order to detect vibration of the cantilever, a strain gauge may be formed on the cantilever, or a strain gauge may be attached, and a change in vibration may be detected from a change in the resistance value of the strain gauge.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the vibration type sensor according to the present invention, the back surface of the base opposite to the sample side surface is provided with a protruding portion that is coaxial with the stylus and protrudes in the direction opposite to the stylus tip. Since the stylus and the protrusion are longitudinally vibrated in the axial direction by the vibration means, it is possible to achieve both obtaining a size that is easy to handle and increasing the resonance frequency.
In the present invention, the oscillating means is at least one piezoelectric material part selected from the group consisting of a piezoelectric thin film excellent in voltage displacement conversion efficiency and a bulk piezoelectric element, so that the stylus and the protrusion Since the longitudinal vibration in the axial direction can be reliably performed, it is possible to achieve both a high level of obtaining a size that can be easily handled by hand and an increase in the resonance frequency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a measuring apparatus using a vibration type sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the vibration type sensor shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram of longitudinal vibration characteristic of the vibration type sensor shown in FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a measuring apparatus using an excitation type sensor according to a second embodiment of the present invention.
5 is an explanatory diagram of the vibration type sensor shown in FIG. 4. FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a schematic configuration in which the vibration type sensor according to the present embodiment is a light detection type.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a general vibration sensor.
[Explanation of symbols]
110, 210 Excitation sensor
114,214 Cantilever (base)
116,216 stylus
122,222 Excitation means
124a, 124b, 224a, 224b Excitation electrodes
126a, 126b, 226a, 226b Detection electrodes
152,252 Protrusion

Claims (3)

基部と、前記基部の試料側面に設けられ、試料測定部位と対向する触針と、前記基部を振動させる加振手段と、を備え、前記触針と試料測定部位間に作用する力を一定に保ちながら試料測定部位の形状情報を得る加振型センサにおいて、
前記基部の試料側面とは反対側の背面に設けられ、前記触針と同一軸上において該触針先端とは逆向きに突出する突起部を備え、
前記加振手段は、前記触針及び前記突起部間に設けられ、該触針と該突起部の軸方向に縦振動し、該加振手段が振動の節に位置し且つ該触針先端及び該突起部先端が該振動の腹に位置するように、該触針及び該突起部をその軸方向に縦振動させることを特徴とする加振型センサ。
A base, a stylus provided on a sample side surface of the base, and facing the sample measurement site; and a vibration means for vibrating the base, and the force acting between the stylus and the sample measurement site is constant. In the vibration type sensor that obtains the shape information of the sample measurement site while maintaining
Provided on the back surface of the base opposite to the sample side surface, provided with a protrusion that protrudes in the opposite direction to the tip of the stylus on the same axis as the stylus,
The vibration means is provided between the stylus and the protrusion, and longitudinally vibrates in the axial direction of the stylus and the protrusion, the vibration means is located at a vibration node, and the tip of the stylus and An excitation-type sensor characterized by longitudinally vibrating the stylus and the protrusion in the axial direction so that the tip of the protrusion is positioned at the antinode of the vibration.
請求項1記載の加振型センサにおいて、前記基部は一端が固定され、その他端がフリーな試料側カンチレバー部材及び背面側カンチレバー部材を含み、
前記触針は前記試料側カンチレバー部材の試料側面の自由端寄りに設けられ、
前記突起部は前記背面側カンチレバー部材の背面の自由端寄りに、前記触針と略同一形状のものが該触針先端とは逆向きに設けられ、
前記加振手段は縦振動する圧電材料部を含み、前記試料側カンチレバー部材と背面側カンチレバー部材間において前記触針及び突起部の軸線を中心とするその周囲に、該圧電材料部の縦振動方向が該触針及び突起部の軸方向と一致するように設けられ、
また前記加振手段を間に挟み対向配置され、該加振手段を振動させる加振用電極、及び前記触針と試料測定部位間に作用する力により変化する共振状態の変化を検出する検出用電極を備えたことを特徴とする加振型センサ。
2. The vibration-type sensor according to claim 1, wherein the base includes a sample-side cantilever member and a back-side cantilever member that are fixed at one end and free at the other end.
The stylus is provided near the free end of the sample side surface of the sample side cantilever member,
The protruding portion is provided near the free end of the back surface of the back side cantilever member, and is substantially the same shape as the stylus and is provided in the direction opposite to the stylus tip,
The vibration means includes a piezoelectric material portion that vibrates longitudinally, and a longitudinal vibration direction of the piezoelectric material portion around the axis of the stylus and the protrusion between the sample-side cantilever member and the back-side cantilever member. Is provided so as to coincide with the axial direction of the stylus and the protrusion,
In addition, an excitation electrode that is disposed oppositely with the excitation means interposed therebetween, and a detection electrode that detects a change in a resonance state that changes due to a force acting between the stylus and the sample measurement site. An excitation type sensor comprising an electrode.
請求項2記載の加振型センサにおいて、前記加振手段は圧電薄膜及びバルク状圧電素子よりなる群より選択された少なくとも一の圧電材料部であることを特徴とする加振型センサ。  3. The vibration type sensor according to claim 2, wherein the vibration means is at least one piezoelectric material portion selected from the group consisting of a piezoelectric thin film and a bulk piezoelectric element.
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