JP3986944B2

JP3986944B2 - 加振型センサ

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Publication number: JP3986944B2
Application number: JP2002325519A
Authority: JP
Inventors: 国俊西村; 和彦日高
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2004157093A

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_ｒ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_０は近似的に
ｆ_０＝πｆ_ｒ／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_０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ｆ_ｂｒはカンチレバーの長さをｌとするとき
ｆ_ｂｒ＝（α^２ｈ／２πｌ^２）√（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ｆ_ｂｒ＝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ｆ_ｂｒ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ｆ_ｌｒは
ｆ_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ｆ_ｂｒ＝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ｆ_ｌｒ＝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ｆ_ｌｒ＝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_３Ｎ_４）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ｆ_ｂｒ＝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ｆ_ｌｒ＝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ｆ_ｌｒ＝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

Claims

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。
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。
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。