JP5059871B2 - 周期的に位相シフトされたac励起を有する走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
[定義]
特定の実施形態の説明の前に、この説明及び請求項で使用されている以下の用語を明確に定義する。
機械的共振器(カンチレバー)の用語「自由共振」はサンプルから大きい距離、即ちプローブとサンプルとの間の静電気の相互作用が無視できる程度である距離で機械的共振器を動作するときの機械的共振器(カンチレバー)の共振を指している。
図2はフィールドプログラム可能なゲートアレイ(FPGA)として図1の実施形態の構成を示している。この図面では、以下の略称が用いられている。
−CORDIC:座標回転デジタルコンピュータ。このような装置はベクトルを回転するために使用されることができるアルゴリズムを実行する。これは入力ベクトルを記述する2つの入力(x,y)と、回転角度を示す入力ψと、回転されたベクトルを記述する2つの出力を有する。
−CC:座標変換器、即ちガウス座標を極座標に変換する装置。この機能は例えばCORDICにより実行されることができる。
−PID:比例、積分、微分制御装置。
−SIN:一連の連続的な整数から正弦(又は余弦)波形を発生するための正弦(又は余弦)値用のルックアップテーブル。
−DAC:デジタルアナログ変換器。
2つの位相累算器は各サイクルで所定の値によりインクリメントされるレジスタであり、その値は周波数を表している。累算器はオーバーフローするときラップする。各累算器からの値は信号SとUacを発生するためにSINルックアップテーブルに与えられる。
−IIR:無限インパルス応答フィルタ。構成が容易なデジタルローパスフィルタ。
前述の全ての例では、以下の制御信号の少なくとも1つが電圧制御ループで使用される。
−マスター信号の周波数fおよび/または、
−マスター信号の振幅Kおよび/または、
−マスター信号に関する偏向の位相シフトψ。
Claims (11)
- サンプルの特性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、
機械的共振器(1)上のプローブ(2)と、
マスター信号(S)を発生する発振器(4;6、34、5、1)と、
前記マスター信号(S)により駆動され、周波数fにおいて前記機械的共振器(1)へ機械力を与えるアクチュエイタ(5)と、
DC電圧(Udc)を前記プローブ(2)に供給するDC電圧源(9)と、
実質的に前記周波数fにおけるAC電圧(Uac)を前記プローブ(2)に与えるAC電圧源(22)と、
マスター信号の周波数(f)と、マスター信号の振幅(K)と、および/またはマスター信号(S)に関する機械的共振器(1)の偏向の位相シフト(ψ)にしたがって少なくとも1つの観察された信号を測定する検出アセンブリ(20)とを具備し、
前記走査型プローブ顕微鏡はさらに、
前記マスター信号に関して前記AC電圧の位相を、周波数fmodで周期的に位相変調する位相変調器(21、22)と、
前記周波数fmodにおける観察された信号のスペクトル成分を測定し、前記スペクトル成分をゼロに維持するため前記DC電圧(Udc)を制御する電圧制御ループ(9,20)とを具備している走査型プローブ顕微鏡。 - さらに、前記アクチュエイタ(5)を制御し、前記偏向のそれぞれの位相設定点(ψ0)および/または振幅設定点(A0)を有し、前記位相設定点(ψ0)および/または振幅設定点(A0)に前記偏向の位相および/または振幅をそれぞれ維持するために前記マスター信号(S)の周波数(f)および/または振幅(K)をそれぞれ制御する一次制御ループ(11、12)を具備している請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡。
- さらに、前記AC電圧(Uac)を発生するための発振器(22)を具備し、前記発振器(22)は周波数f+fmodで動作する請求項2記載の走査型プローブ顕微鏡。
- さらに、前記AC電圧(Uac)を発生するための発振器(22)を具備し、前記発振器(22)は周波数fで動作し、変調入力に供給される周波数fmodにおいて変化する信号により前記AC電圧(Uac)の位相を変調する位相変調入力を有する請求項2記載の走査型プローブ顕微鏡。
- さらに、前記マスター信号(S)に関して前記偏向の位相(ψ)を測定し、および/または前記マスター信号(S)の周波数における前記偏向の振幅(A)を測定するためのロックイン検出器(7)を具備している請求項1乃至4のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。
- さらに、前記アクチュエイタ(5)へ戻る前記偏向から得られる信号(D)を供給するフィードバックループ(34)を具備してそれにより自励振ループを形成している請求項1乃至5のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 周波数fmodを決定する差周波数発生器(37、38)を具備している請求項6記載の走査型プローブ顕微鏡。
- さらに固定周波数で動作し、前記AC電圧(Uac)を発生する発振器(22)を具備している請求項6または7項記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記検出アセンブリ(20)は前記周波数fmodで動作するロックイン増幅器を具備している請求項1乃至8のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。
- fmod<<fである請求項1乃至9のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。
- さらに前記アクチュエイタ(5)を制御し、位相およびまたは前記偏向の振幅を一定に維持するように構成されている駆動装置(11、12;34)を具備している請求項1乃至10のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。
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