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JPH0650706A - Fine movement mechanism of scanning tunneling microscope - Google Patents

Fine movement mechanism of scanning tunneling microscope

Info

Publication number
JPH0650706A
JPH0650706A JP4223203A JP22320392A JPH0650706A JP H0650706 A JPH0650706 A JP H0650706A JP 4223203 A JP4223203 A JP 4223203A JP 22320392 A JP22320392 A JP 22320392A JP H0650706 A JPH0650706 A JP H0650706A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
movement mechanism
fine movement
piezoelectric element
coupling member
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4223203A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryuji Takada
龍二 高田
Kojiro Ogata
浩二郎 緒方
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority to JP4223203A priority Critical patent/JPH0650706A/en
Publication of JPH0650706A publication Critical patent/JPH0650706A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 STMの微動機構において、直交3次元方向
に設けられた3つの圧電素子において、各圧電素子が伸
縮して探針を移動させても他の2方向ではその影響を受
けないようにする。また微動機構による探針移動量の精
度を向上させる。 【構成】 試料測定面に対し対向するように配置された
探針3を、支持部材8と共に前記測定面に沿って走査さ
せる圧電素子2A,2Bと、その軸方向に微動させる圧
電素子2Cを備え、3つの圧電素子が互いに直交する位
置関係で支持部材に結合され、圧電素子のそれぞれと支
持部材との結合箇所に、各圧電素子の動作方向には変形
が生じない高い剛性を有し、この動作方向に直交する他
の2つの圧電素子の動作方向には容易に変形が起きる低
い剛性を有する結合部材10A〜10Cを配設するよう
に構成される。結合部材は例えば二段重ね平行平板構造
である。さらに圧電素子の動作量を制御する制御手段2
5と、結合部材の低い剛性を有する部分に付設した変位
検出手段20z1〜20z4,23を備え、圧電素子の動作
制御に関しフィードバック制御系を設ける。
(57) [Abstract] [Purpose] In the fine movement mechanism of the STM, in three piezoelectric elements arranged in orthogonal three-dimensional directions, even if each piezoelectric element expands and contracts and the probe moves, the effect in the other two directions Do not receive Further, the precision of the probe movement amount by the fine movement mechanism is improved. [Structure] Piezoelectric elements 2A and 2B for scanning a probe 3 arranged so as to face the sample measurement surface along with the support member 8 along the measurement surface, and a piezoelectric element 2C for finely moving in the axial direction thereof. The three piezoelectric elements are coupled to the support member in a positional relationship orthogonal to each other, and at the coupling points between each of the piezoelectric elements and the support member, there is high rigidity that does not cause deformation in the operation direction of each piezoelectric element. It is configured to dispose the coupling members 10A to 10C having low rigidity in which deformation easily occurs in the operation directions of the other two piezoelectric elements orthogonal to the operation direction. The coupling member has, for example, a two-tiered parallel plate structure. Further, control means 2 for controlling the amount of movement of the piezoelectric element
5 and the displacement detecting means 20z1 to 20z4, 23 attached to the portion of the coupling member having low rigidity, and a feedback control system is provided for controlling the operation of the piezoelectric element.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡の
微動機構に係り、特に、トンネル電流を利用して原子レ
ベルの極めて微細な対象物の観察・測定または操作に使
用される走査型トンネル顕微鏡に適用され、その探針の
位置を変化させるのに適したトライポッド式微動機構で
あって、探針位置を正確に所望位置に移動する微動機構
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine movement mechanism of a scanning tunnel microscope, and more particularly to a scanning tunnel microscope used for observing, measuring or manipulating an extremely fine atomic level object by utilizing a tunnel current. And a tripod type fine movement mechanism suitable for changing the position of the probe and adapted to accurately move the probe position to a desired position.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡(以下STMとい
う)は、例えば、試料表面の原子レベルの凹凸を測定す
るために利用される。STMでは、試料に臨む探針が、
その軸が試料表面に対し垂直となる姿勢で配置される。
この探針が試料表面を測定する場合、探針先端と試料表
面との間に流れるトンネル電流を利用する。2つの物質
の間に設定された一定のトンネル電流を流すため、探針
は、試料表面に原子レベルの微細距離で接近するよう
に、その位置が調整される。探針の位置調整は、微動機
構によって行われる。
2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as "STM") is used, for example, for measuring atomic level irregularities on a sample surface. In STM, the probe facing the sample is
It is arranged with its axis perpendicular to the sample surface.
When this probe measures the sample surface, a tunnel current flowing between the tip of the probe and the sample surface is used. The position of the probe is adjusted so as to approach the sample surface at a fine distance on an atomic level in order to allow a constant tunneling current to flow between the two substances. The fine adjustment mechanism adjusts the position of the probe.

【0003】かかる探針微動機構は、試料表面と探針の
間隔を常に一定距離に保持するため試料表面の凹凸に応
じて探針を高さ方向(Z方向)に移動させる一定間隔保
持のための圧電素子と、探針を試料表面に平行な方向
(X,Y方向)に移動させる走査のための圧電素子を備
える。この微動機構によって、探針を、試料表面との間
で一定距離を保ってかつ試料表面に沿って移動させ、探
針の移動制御に要した制御量に基づいて試料表面の凹凸
状態を測定する。
In order to maintain a constant distance between the sample surface and the probe, the fine movement mechanism of the probe keeps the constant distance by moving the probe in the height direction (Z direction) according to the unevenness of the sample surface. And a piezoelectric element for scanning for moving the probe in a direction (X, Y direction) parallel to the sample surface. With this fine movement mechanism, the probe is moved along the sample surface while maintaining a constant distance from the sample surface, and the unevenness state of the sample surface is measured based on the control amount required for movement control of the probe. .

【0004】STMの探針微動機構には、文献「精密位
置決め技術」井沢 実,工業調査会(1989),250頁の
表1,2に記載されるように、各種のものが存在する。
その中でもトライポッド形式はSTMにおいて広く使用
されている。その一例を図9に示す。
There are various kinds of STM probe fine movement mechanisms, as described in the literature "Precision Positioning Technology", Minoru Izawa, Industrial Research Society (1989), Tables 1 and 2 on page 250.
Among them, the tripod format is widely used in STM. An example thereof is shown in FIG.

【0005】図9において1は、微動機構を本体に固定
するための基部部材である。基部部材1は、図示されな
い固着手段を用いてSTMの粗動機構等の本体に取付け
られる。2A,2B,2Cはロッド形状を有する圧電素
子である。図9中で基部部材1の手前に位置する2本の
圧電素子2A,2Bは、探針3を走査させるためのアク
チュエータである。圧電素子2A,2Bは、それぞれの
軸方向が互いに直交している。基部部材1の後方位置に
配設された圧電素子2Cは、探針3を、その軸方向に微
動(前進・後退)させるためのアクチュエータである。
各圧電素子2A,2B,2Cは、所要の伸縮量が生じる
ように圧電要素を積層させた構造で形成される。基部部
材1の形態は全体的にほぼL字型を有し、前縁に圧電素
子2A,2Bのそれぞれの下端を支持固定する片部1
a,1bが形成され、後縁に圧電素子2Cの後端を支持
固定する立設された片部1cが形成される。
In FIG. 9, reference numeral 1 is a base member for fixing the fine movement mechanism to the main body. The base member 1 is attached to the main body such as the coarse movement mechanism of the STM by using a fixing means (not shown). 2A, 2B, and 2C are rod-shaped piezoelectric elements. In FIG. 9, two piezoelectric elements 2A and 2B located in front of the base member 1 are actuators for scanning the probe 3. The piezoelectric elements 2A and 2B have their axial directions orthogonal to each other. The piezoelectric element 2C arranged at the rear position of the base member 1 is an actuator for finely moving (advancing / retracting) the probe 3 in its axial direction.
Each of the piezoelectric elements 2A, 2B, 2C is formed of a structure in which piezoelectric elements are laminated so that a required amount of expansion / contraction occurs. The base member 1 has a substantially L-shape as a whole, and a piece 1 for supporting and fixing the lower ends of the piezoelectric elements 2A and 2B to the front edge.
a and 1b are formed, and an upright piece 1c for supporting and fixing the rear end of the piezoelectric element 2C is formed at the rear edge.

【0006】基部部材1での圧電素子2A,2B,2C
の配置状態では、圧電素子2A,2Bはその伸縮方向が
互いに直交する位置関係に配置され、圧電素子2Cの軸
方向は探針3の軸方向と同じ方向であり、かつ圧電素子
2Cはその伸縮方向が圧電素子2A,2Bの各伸縮方向
に直交している。なお図9中において、4A〜4Cは圧
電素子2A〜2Cのそれぞれに駆動電圧を給電する電源
ラインである。
Piezoelectric elements 2A, 2B, 2C in the base member 1
In the arrangement state, the piezoelectric elements 2A and 2B are arranged such that their expansion and contraction directions are orthogonal to each other, the axial direction of the piezoelectric element 2C is the same as the axial direction of the probe 3, and the piezoelectric element 2C expands and contracts. The directions are orthogonal to the expansion and contraction directions of the piezoelectric elements 2A and 2B. In FIG. 9, reference numerals 4A to 4C are power supply lines that supply a driving voltage to each of the piezoelectric elements 2A to 2C.

【0007】探針3は、その先端が図9中において手前
方向に向くように配置され、探針取付け部5にネジ6で
固定される。探針3および探針取付け部5は導電部材で
形成される。探針取付け部5に接続されたライン7は、
探針3に対しトンネル電流を流す電圧を印加するための
電源ラインである。トンネル電流は、探針3と試料の測
定面との間隔が原子レベルの所定の微細距離になったと
き探針・試料間に流れる。
The probe 3 is arranged so that its tip end faces the front side in FIG. 9, and is fixed to the probe mounting portion 5 with a screw 6. The probe 3 and the probe mounting portion 5 are formed of a conductive member. The line 7 connected to the probe attachment part 5 is
It is a power supply line for applying a voltage for flowing a tunnel current to the probe 3. The tunnel current flows between the probe and the sample when the distance between the probe 3 and the measurement surface of the sample reaches a predetermined fine distance at the atomic level.

【0008】STMのその他の構成として、印加電圧を
発生する電圧源、探針3に流れるトンネル電流を検出す
る検出回路、流れたトンネル電流を一定に保持するた
め、試料測定面に対する探針3の距離を一定に調整する
探針位置制御回路部、試料測定面に沿って探針を走査さ
せる走査部、探針3の位置変化に関するデータを収集
し、データ処理する演算部等の電気系統の構成要素を備
える。これらの構成要素の図示は、本発明の要部との関
係が薄いため省略する。
As other configurations of the STM, a voltage source for generating an applied voltage, a detection circuit for detecting a tunnel current flowing through the probe 3, and a probe circuit for the sample measurement surface in order to keep the tunnel current flowing constant. Configuration of electrical system such as a probe position control circuit unit for adjusting the distance to a constant value, a scanning unit for scanning the probe along the sample measurement surface, and a calculation unit for collecting and processing data regarding the position change of the probe 3. With elements. Illustrations of these components are omitted because they have little relation to the main part of the present invention.

【0009】8は探針取付け部5を支持する支持部材
で、支持部材8は絶縁体で形成されている。圧電素子2
A〜2Cのそれぞれの他端は支持部材8の下面に結合さ
れる。探針取付け部5は、接着剤によって支持部材8の
上に固定される。支持部材8の機能は、トンネル電流が
流れる探針取付け部5と、駆動電圧の作用を受けて伸縮
する圧電素子2A〜2Cとの間を電気的に遮断すること
である。
Reference numeral 8 is a support member for supporting the probe mounting portion 5, and the support member 8 is formed of an insulator. Piezoelectric element 2
The other end of each of A to 2C is coupled to the lower surface of the support member 8. The probe mounting portion 5 is fixed on the support member 8 with an adhesive. The function of the support member 8 is to electrically disconnect between the probe mounting portion 5 through which the tunnel current flows and the piezoelectric elements 2A to 2C that expand and contract under the action of the drive voltage.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】図9に示されたトライ
ポッド式微動機構の問題を、図10と図11を参照して
説明する。圧電素子2A,2B,2Cの各伸縮方向に対
応させて、図9中に示す如く直交する3つの軸X,Y,
Zの各方向を定義する。上記位置関係において、圧電素
子2Cを伸縮して探針3をZ方向に移動させると、探針
3はXおよびYの各方向にも動くという問題が生じる。
The problem of the tripod type fine movement mechanism shown in FIG. 9 will be described with reference to FIGS. 10 and 11. Corresponding to the expansion and contraction directions of the piezoelectric elements 2A, 2B, 2C, three axes X, Y, which are orthogonal to each other as shown in FIG.
Define each direction of Z. In the above positional relationship, when the piezoelectric element 2C is expanded and contracted to move the probe 3 in the Z direction, the probe 3 also moves in each of the X and Y directions.

【0011】図10および図11は、圧電素子2Cを伸
長させた場合において、変形前と変形後の探針3の状態
を側方から見た図を示している。圧電素子2Cが伸長す
る前には探針3の軸方向はZ方向に対し平行に向いてい
るとする。この状態であれば探針3と試料表面との間の
距離を正確に知ることができる。次に、圧電素子2Cが
Z方向に所定量伸長した仮定する。この場合、探針取付
け部5を支持する支持部材8は圧電素子2Cの伸長で左
方に移動しようとするが、その下部を他の2つの走査用
圧電素子2A,2Bで支持されているので、圧電素子2
A,2Bでは曲げの変形が生じる。その結果、支持部材
8を含むヘッド部が、図11に示すごとくθだけ傾くよ
うに姿勢変化が生じる。この姿勢変化によって、探針3
の先端はZ方向にΔZだけ変位すると共に、図11中上
下方向にΔhだけ変位する。図11において点P1は変
形前の探針3の先端位置である。
FIG. 10 and FIG. 11 are views showing the states of the probe 3 before and after deformation when the piezoelectric element 2C is expanded, as viewed from the side. It is assumed that the axial direction of the probe 3 is parallel to the Z direction before the piezoelectric element 2C extends. In this state, the distance between the probe 3 and the sample surface can be known accurately. Next, assume that the piezoelectric element 2C extends in the Z direction by a predetermined amount. In this case, the support member 8 supporting the probe mounting portion 5 tries to move to the left due to the extension of the piezoelectric element 2C, but since the lower portion thereof is supported by the other two scanning piezoelectric elements 2A and 2B. , Piezoelectric element 2
Bending deformation occurs in A and 2B. As a result, the head portion including the supporting member 8 changes its posture so as to be inclined by θ as shown in FIG. 11. By this change in posture, the probe 3
11 is displaced by ΔZ in the Z direction and is displaced by Δh in the vertical direction in FIG. In FIG. 11, a point P1 is the tip position of the probe 3 before deformation.

【0012】上記の場合、圧電素子2A,2Bは紙面に
対し45度傾斜しているので、X方向およびY方向の変
位は、Δh/(21/2)となる。
In the above case, since the piezoelectric elements 2A and 2B are inclined by 45 degrees with respect to the paper surface, the displacements in the X and Y directions are Δh / (2 1/2 ).

【0013】上記説明で明らかなように、圧電素子2C
によって探針3がZ方向に動かされると、探針先端では
X方向およびY方向への変位が生じるという問題があ
る。試料測定面に対する実際の測定で、探針3は、圧電
素子2Cの伸縮作用により試料表面の凹凸をなぞるよう
に常にZ方向に微動する。この結果、探針3の先端は、
圧電素子2A,2BによるXY走査動作に関係なく、X
方向およびY方向に微小に動いている。このような探針
3のZ方向の移動に伴うXおよびYの各方向の微小な動
きは、XY座標値の誤差となり、得られたSTM像の歪
み要素となる。
As is apparent from the above description, the piezoelectric element 2C
When the probe 3 is moved in the Z direction by the above, there is a problem that the tip of the probe is displaced in the X direction and the Y direction. In the actual measurement on the sample measurement surface, the probe 3 always finely moves in the Z direction so as to trace the unevenness of the sample surface due to the expansion and contraction of the piezoelectric element 2C. As a result, the tip of the probe 3 is
X regardless of the XY scanning operation by the piezoelectric elements 2A and 2B.
It moves slightly in the Y and Y directions. Such a minute movement in each of the X and Y directions due to the movement of the probe 3 in the Z direction causes an error in the XY coordinate value, which becomes a distortion element of the obtained STM image.

【0014】また圧電素子2A,2Bのいずれかを伸縮
させた時にも、探針3の先端では、上記と同様な作用に
より、本来望んだ方向以外の方向にも微小変位が生じ
る。すなわち、圧電素子2AでX方向の移動を行うと、
探針先端ではYおよびZの各方向にΔhだけ微小変位が
生じる。圧電素子2BでY方向の移動を行うと、探針先
端ではXおよびZの各方向にΔhだけ微小変位が生じ
る。
Also, when either of the piezoelectric elements 2A and 2B is expanded or contracted, the tip of the probe 3 causes a minute displacement in a direction other than the originally desired direction by the same action as described above. That is, when the piezoelectric element 2A is moved in the X direction,
At the tip of the probe, a slight displacement occurs in the Y and Z directions by Δh. When the piezoelectric element 2B is moved in the Y direction, the tip of the probe is slightly displaced by Δh in each of the X and Z directions.

【0015】さらに、一般的な問題として、探針微動機
構の各圧電素子を駆動して探針を所要の方向に移動させ
る場合、従来では、目標通りの移動量が探針において正
確に生じているか否か不明確であった。そこで、従来か
ら、微動機構による探針移動量の精度を向上させること
が要望されていた。
Further, as a general problem, in the case where each piezoelectric element of the probe fine movement mechanism is driven to move the probe in a desired direction, conventionally, a desired amount of movement is accurately generated in the probe. It was unclear whether or not there was. Therefore, it has been conventionally demanded to improve the accuracy of the probe movement amount by the fine movement mechanism.

【0016】本発明の第1の目的は、上記の問題に鑑
み、直交する3次元の各方向に探針を移動させるために
設けられた3つの圧電素子の関係において、いずれかの
圧電素子が伸縮して探針を1つの方向に移動させても、
残りの2方向ではその影響を受けず変位が発生しないよ
うにしたSTMの微動機構を提供することにある。
In view of the above problems, the first object of the present invention is to provide one of the three piezoelectric elements provided for moving the probe in each of the three-dimensional directions orthogonal to each other. Even if it expands and contracts and moves the probe in one direction,
It is to provide a fine movement mechanism of an STM that is not affected by the influence in the remaining two directions and does not cause displacement.

【0017】本発明の第2の目的は、上記第1の目的を
達成する構成を利用して、微動機構による探針移動量の
精度を向上させる制御系を備えたSTMの微動機構を提
供することにある。
A second object of the present invention is to provide a fine movement mechanism of an STM having a control system for improving the accuracy of the probe movement amount by the fine movement mechanism by utilizing the constitution for achieving the above first purpose. Especially.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明に係るSTMの微
動機構は、支持部材に支持された状態で、試料の測定面
に対しその先端が対向するように配置された探針と、支
持部材に支持された探針を支持部材と共に前記測定面に
沿って走査させるための2つの圧電素子と、同様にして
探針をその軸方向に微動させるための圧電素子とを備
え、3つの圧電素子が、その各動作方向が互いに直交す
る位置関係にて支持部材に結合される構成を有し、3つ
の圧電素子のそれぞれと支持部材との結合箇所に、各圧
電素子の動作方向には変形が生じない高い剛性を有し、
この動作方向に直交する他の2つの圧電素子の動作方向
には容易に変形が起きる低い剛性を有する結合部材を配
設するように構成される。
A fine movement mechanism of an STM according to the present invention includes a probe arranged so that its tip faces a measurement surface of a sample while being supported by a support member, and a support member. Three piezoelectric elements provided with two piezoelectric elements for scanning the probe supported along with the support member along the measurement surface and piezoelectric elements for similarly finely moving the probe in its axial direction. However, it has a configuration in which the respective operation directions are coupled to the support member in a positional relationship orthogonal to each other, and there is no deformation in the operation direction of each piezoelectric element at the location where the three piezoelectric elements are coupled to the support member. It has high rigidity that does not occur,
It is configured to dispose a coupling member having low rigidity in which deformation easily occurs in the operation directions of the other two piezoelectric elements orthogonal to the operation direction.

【0019】前記の構成において、好ましくは、前記結
合部材は、第1方向に変形容易性を有する平行平板構造
部と、第1方向に直交する第2方向に変形容易性を有す
る平行平板構造部を、対応する圧電素子の伸縮動作方向
に重ねて設けることにより、形成される。
In the above structure, preferably, the coupling member has a parallel plate structure having a deformability in a first direction and a parallel plate structure having a deformability in a second direction orthogonal to the first direction. Are overlapped with each other in the expansion / contraction operation direction of the corresponding piezoelectric element.

【0020】前記の構成において、好ましくは、前記結
合部材は、二段重ね平行平板構造である。
In the above structure, preferably, the connecting member has a two-stage parallel plate structure.

【0021】前記の構成において、好ましくは、圧電素
子の動作量を制御する制御手段と、結合部材の低い剛性
を有する部分に付設した変位検出手段を備え、変位検出
手段から出力された変位量に係る検出信号を前記制御手
段に入力することにより、圧電素子の動作制御に関しフ
ィードバック制御系を設けるように構成される。
In the above construction, preferably, the control means for controlling the operation amount of the piezoelectric element and the displacement detecting means attached to the portion of the coupling member having a low rigidity are provided, and the displacement amount output from the displacement detecting means is adjusted. By inputting such a detection signal to the control means, a feedback control system is provided for controlling the operation of the piezoelectric element.

【0022】前記の構成において、好ましくは、変位検
出手段は、結合部材の変形可能面に配置された歪みゲー
ジで構成されるブリッジ回路である。
In the above structure, preferably, the displacement detecting means is a bridge circuit composed of a strain gauge arranged on the deformable surface of the coupling member.

【0023】[0023]

【作用】本発明によるSTMの微動機構では、各圧電素
子と探針支持部材との間の結合部において、例えば二段
重ね平行平板構造のごとき、圧電素子の動作方向には高
い剛性を有し、この動作方向に直交する他の2つの圧電
素子の動作方向には低い剛性を有する結合部材を介設す
ることにより、探針を必要な1つの方向に移動させ、そ
の他の方向には変位を発生させないようにした。これに
よって、探針の先端部を、所望方向に正確に移動させる
ことが可能となる。
In the fine movement mechanism of the STM according to the present invention, the joint between each piezoelectric element and the probe supporting member has a high rigidity in the operating direction of the piezoelectric element, such as a two-stage parallel plate structure. , By interposing a coupling member having low rigidity in the operation directions of the other two piezoelectric elements orthogonal to this operation direction, the probe is moved in one necessary direction, and displacement is made in the other directions. I tried not to generate it. This makes it possible to accurately move the tip of the probe in a desired direction.

【0024】また上記結合部材の構造を利用し、その容
易に変形する変形部分に所定数の歪みゲージ等を設け、
かつこの歪みゲージを利用してブリッジ回路を組み、結
合部材に変形が発生したとき、その変形量を検出し、探
針移動量を検出する。この検出回路の構成を利用し、検
出回路の検出信号を、圧電素子の伸縮動作を制御する制
御手段に戻すことにより、フィードバック制御系を構成
する。これによって、微動機構の動作による探針移動量
の精度を高める。
Further, by utilizing the structure of the above-mentioned coupling member, a predetermined number of strain gauges or the like are provided in the deformed portion which is easily deformed,
Moreover, a bridge circuit is assembled using this strain gauge, and when the coupling member is deformed, the deformation amount is detected and the probe movement amount is detected. By utilizing the configuration of this detection circuit and returning the detection signal of the detection circuit to the control means for controlling the expansion / contraction operation of the piezoelectric element, a feedback control system is configured. This improves the accuracy of the probe movement amount due to the operation of the fine movement mechanism.

【0025】[0025]

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図1は本発明に係るSTMの微動機構の斜
視図を示し、前述の図9と同様な図であり、図2は微動
機構の側面図である。図1において図9で説明した要素
には同一の符号を付す。また図1に示すように互いに直
交する3つの軸X,Y,Zの各方向が定義される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 is a perspective view of a fine movement mechanism of an STM according to the present invention, which is a view similar to FIG. 9 described above, and FIG. 2 is a side view of the fine movement mechanism. In FIG. 1, the same reference numerals are given to the elements described in FIG. Further, as shown in FIG. 1, each direction of three axes X, Y, and Z orthogonal to each other is defined.

【0026】1は基部部材、2A,2B,2Cはロッド
形状を有する微動用の圧電素子、3は探針である。基部
部材1は、微動機構を本体に固定するための部材であ
る。各圧電素子2A,2B,2Cは、印加電圧の大きさ
を制御することによりその軸方向に伸縮動作を行う。伸
縮動作の動作量は、試料の測定面の原子レベルの凹凸に
対応して探針3を移動させるための微小量である。各圧
電素子について、伸縮作用を生じる軸方向が圧電素子の
動作方向となる。各圧電素子は、微小な伸縮量を有する
素子要素を多数積層することにより形成される。探針3
は導電性を有する針である。
Reference numeral 1 is a base member, 2A, 2B and 2C are rod-shaped piezoelectric elements for fine movement, and 3 is a probe. The base member 1 is a member for fixing the fine movement mechanism to the main body. Each piezoelectric element 2A, 2B, 2C expands and contracts in the axial direction by controlling the magnitude of the applied voltage. The operation amount of the expansion / contraction operation is a minute amount for moving the probe 3 corresponding to the atomic level unevenness of the measurement surface of the sample. For each piezoelectric element, the axial direction in which the expansion / contraction effect occurs is the operating direction of the piezoelectric element. Each piezoelectric element is formed by stacking a large number of element elements having a small amount of expansion and contraction. Probe 3
Is a conductive needle.

【0027】探針3は、その先端が試料(図示せず)の
測定面に臨み、当該測定面に対向するように配置され
る。探針3は、その基端で、ネジ6を用いて探針取付け
部5に固定される。探針取付け部5は導電部材で形成さ
れる。探針取付け部5に接続されたライン7は、探針3
にトンネル電流を流すための印加電圧を与える電源ライ
ンである。8は探針取付け部5を固定する支持部材で、
探針3を支持する部材である。支持部材8は、その下面
の対応する箇所に、圧電素子2A〜2Cのそれぞれの一
端が結合部材10A〜10Cを介して結合される。
The probe 3 is arranged so that its tip faces the measurement surface of the sample (not shown) and faces the measurement surface. The probe 3 is fixed at its base end to the probe mounting portion 5 by using a screw 6. The probe mounting portion 5 is formed of a conductive member. The line 7 connected to the probe mounting portion 5 is connected to the probe 3
This is a power supply line that applies an applied voltage for causing a tunnel current to flow through. 8 is a support member for fixing the probe mounting portion 5,
It is a member that supports the probe 3. One end of each of the piezoelectric elements 2A to 2C is coupled to the corresponding portion of the lower surface of the support member 8 via coupling members 10A to 10C.

【0028】2つの圧電素子2A,2Bは、探針3をX
Y方向に走査させるためのアクチュエータであり、圧電
素子2Cは、探針3と試料との間の距離を調整するた
め、探針3をその軸方向(Z方向)に微動させるアクチ
ュエータである。圧電素子2A,2Bは、探針3の先端
を試料測定面に平行に移動させる。圧電素子2Cは、そ
の軸方向が探針3の軸方向に対して平行になるように配
置される。圧電素子2Aはその動作方向がX方向を向
き、圧電素子2Bはその動作方向がY方向を向き、圧電
素子2Cがその動作方向がZ方向を向く。3つの圧電素
子2A〜2Cは、各動作方向が直交するように配置され
る。
The two piezoelectric elements 2A and 2B are connected to the probe 3 in the X direction.
The piezoelectric element 2C is an actuator for scanning in the Y direction, and is an actuator for finely moving the probe 3 in its axial direction (Z direction) in order to adjust the distance between the probe 3 and the sample. The piezoelectric elements 2A and 2B move the tip of the probe 3 parallel to the sample measurement surface. The piezoelectric element 2C is arranged so that its axial direction is parallel to the axial direction of the probe 3. The piezoelectric element 2A has its operation direction oriented in the X direction, the piezoelectric element 2B has its operation direction oriented in the Y direction, and the piezoelectric element 2C has its operation direction oriented in the Z direction. The three piezoelectric elements 2A to 2C are arranged so that their operation directions are orthogonal to each other.

【0029】基部部材1において、その前縁の片部1
a,1bは圧電素子2A,2Bのそれぞれの下端を固定
して支持し、後縁の片部1cは圧電素子2Cの後端を固
定して支持する。圧電素子2A〜2Cの他の端部は、前
述の通り、それぞれ支持部材8の下面における対応する
箇所に結合部材10A〜10Cを介して結合される。基
部部材1における圧電素子2A〜2Cの配置状態におい
て、圧電素子2Cの軸方向はZ方向であり、圧電素子2
A,2Bは、その軸方向がXY平面内にて互いに直交し
かつ圧電素子2Cの軸方向に直交する位置関係に配置さ
れる。図1中において、4A〜4Cは圧電素子2A〜2
Cのそれぞれに駆動電圧を給電する電源ラインである。
In the base member 1, the piece 1 at the front edge thereof
a and 1b fix and support the lower ends of the piezoelectric elements 2A and 2B, respectively, and the trailing edge piece 1c fixes and supports the rear end of the piezoelectric element 2C. As described above, the other ends of the piezoelectric elements 2A to 2C are respectively coupled to the corresponding positions on the lower surface of the support member 8 via the coupling members 10A to 10C. In the arrangement state of the piezoelectric elements 2A to 2C in the base member 1, the axial direction of the piezoelectric element 2C is the Z direction, and the piezoelectric element 2
A and 2B are arranged so that their axial directions are orthogonal to each other in the XY plane and orthogonal to the axial direction of the piezoelectric element 2C. In FIG. 1, 4A to 4C are piezoelectric elements 2A to 2C.
It is a power supply line that supplies a drive voltage to each of C.

【0030】前述の結合部材10A〜10Cと、結合部
材10A〜10Cおよび圧電素子2A〜2Cの作用関係
について詳述する。
The working relationship between the above-mentioned coupling members 10A to 10C, the coupling members 10A to 10C and the piezoelectric elements 2A to 2C will be described in detail.

【0031】代表として結合部材10Aの構造の一例を
図4に示す。結合部材10B,10Cの構造も基本的に
同じである。図4において、結合部材10Aは、いわゆ
る平行平板構造と呼ばれる構造を有し、特にこの図示例
では二段重ね平行平板構造をを示す。結合部材10A
は、その下面が圧電素子2Aの支持部材8側の端部に固
着され、その上面11が支持部材8の下面に固着され
る。結合部材10Aは、X方向、すなわち圧電素子2A
の伸縮方向に二段に重ねて設けられた平行平板構造部1
2a,12bを有する。平行平板構造部12aでは2枚
の薄い平板13が平行に形成され、平行平板構造部12
bでは2枚の薄い平板14が平行に形成される。平板1
3はY方向に直交するように配置され、平板14はZ方
向に直交するように配置される。結合部材10Aで、平
板13と平板14は互いに直交するように形成されてい
る。図4で15は端部剛体部、16は中間剛体部であ
る。かかる構造を有する結合部材10Aは一体的に形成
される。
FIG. 4 shows an example of the structure of the connecting member 10A as a representative. The structures of the coupling members 10B and 10C are basically the same. In FIG. 4, the coupling member 10A has a so-called parallel plate structure, and in particular, the illustrated example shows a two-stage parallel plate structure. Coupling member 10A
Has its lower surface fixed to the end of the piezoelectric element 2A on the support member 8 side, and its upper surface 11 fixed to the lower surface of the support member 8. The coupling member 10A is in the X direction, that is, the piezoelectric element 2A.
Parallel flat plate structure part 1 provided in two layers in the direction of expansion and contraction of
It has 2a and 12b. In the parallel plate structure portion 12a, two thin flat plates 13 are formed in parallel, and the parallel plate structure portion 12
In b, two thin flat plates 14 are formed in parallel. Flat plate 1
3 is arranged so as to be orthogonal to the Y direction, and the flat plate 14 is arranged so as to be orthogonal to the Z direction. In the coupling member 10A, the flat plate 13 and the flat plate 14 are formed so as to be orthogonal to each other. In FIG. 4, 15 is an end rigid body portion, and 16 is an intermediate rigid body portion. The coupling member 10A having such a structure is integrally formed.

【0032】上記構造に基づいて、結合部材10Aは、
X方向には変形せず、高い剛性を有し、Y方向には平行
平板構造部12aの変形特性によりたわみ変形を生じ易
く、Z方向には平行平板構造部12bの変形特性により
たわみ変形を生じ易い。換言すれば、結合部材10A
は、圧電素子2Aの伸縮方向であるX方向には高い剛性
を有し、X方向に直交するY方向およびZ方向には容易
に変形する低い剛性を有する。
Based on the above structure, the connecting member 10A is
It does not deform in the X direction, has high rigidity, is easily deformed flexibly in the Y direction due to the deformation characteristics of the parallel plate structure 12a, and is deformed in the Z direction due to the deformation characteristics of the parallel plate structure 12b. easy. In other words, the connecting member 10A
Has a high rigidity in the X direction, which is the expansion / contraction direction of the piezoelectric element 2A, and a low rigidity that is easily deformed in the Y and Z directions orthogonal to the X direction.

【0033】結合部材10B,10Cについても構造は
同じである。相違する点は、それぞれの設置箇所で配置
姿勢を変えることにより変形作用が生じる方向を異なら
せた点である。すなわち、圧電素子2Bに結合される結
合部材10Bは、圧電素子2Bの伸縮方向であるY方向
には高い剛性を有し、Y方向に直交するX方向およびZ
方向には、容易に変形する低い剛性を有する。また圧電
素子2Cに結合される結合部材10Cは、圧電素子2C
の伸縮方向であるZ方向には高い剛性を有し、Z方向に
直交するX方向およびY方向には、容易に変形する低い
剛性を有する。結合部材10A〜10Cのそれぞれは、
上記の変形特性を生じるように、対応する設置箇所に配
置される。
The structures of the coupling members 10B and 10C are the same. The difference is that the direction in which the deformation action occurs is different by changing the arrangement posture at each installation location. That is, the coupling member 10B coupled to the piezoelectric element 2B has high rigidity in the Y direction, which is the expansion / contraction direction of the piezoelectric element 2B, and is orthogonal to the Y direction in the X and Z directions.
In the direction, it has a low rigidity that is easily deformed. The coupling member 10C coupled to the piezoelectric element 2C is the piezoelectric element 2C.
It has high rigidity in the Z direction, which is the direction of expansion and contraction, and low rigidity in which it is easily deformed in the X and Y directions orthogonal to the Z direction. Each of the coupling members 10A to 10C is
It is placed at a corresponding installation location so as to produce the above deformation characteristics.

【0034】結合部材10A〜10Cは、図示例では一
体的に形成されているが、平行平板構造部12a,12
bを別部材として形成し、中間剛体部で連結して形成す
ることもできる。
Although the connecting members 10A to 10C are integrally formed in the illustrated example, they are parallel plate structure portions 12a and 12c.
It is also possible to form b as a separate member and connect the intermediate rigid body portions.

【0035】探針3を支持する支持部材8を各圧電素子
2A〜2Cで支持する構成において、上記結合部材10
A〜10Cを介設して支持するようにしたため、微動機
構の動作上、次のような作用が生じる。例えば図2およ
び図3に示すように圧電素子2Cが伸長動作を行ったと
する。圧電素子2CはZ方向に伸びる動作を行う。この
とき、結合部材10Cは、Z方向には高い剛性を有する
ので、圧電素子2Cの伸長による力を支持部材8および
探針3に正確に伝達し、探針3は圧電素子2Cが伸長し
た分だけZ方向へ正確に移動する。これに対して、探針
3のXおよびYの各方向への変位については、結合部材
10A,10Bで前述した変形作用が発生するので、ほ
とんど発生しない。すなわち、図3に示すように、圧電
素子2CがZ方向に伸びると、圧電素子2Bに結合され
た結合部材10Bはその上部の平行平板構造部でZ方向
に平行変形し、XおよびYの各方向にはほとんど変位を
生じない。圧電素子2Aに結合された結合部材10Aに
ついても、同様な作用が生じる。従って、探針3の先端
は、圧電素子2Cの伸長動作によりZ方向のみに所望の
変位を発生し、XおよびYの方向については変位を発生
しない。こうして探針3を、その軸方向、すなわち試料
測定面の凹凸から見るとその高さ方向に正確に微動させ
ることができる。
In the structure in which the support member 8 supporting the probe 3 is supported by the piezoelectric elements 2A to 2C, the coupling member 10 is used.
Since A to 10C are provided so as to be supported, the following action occurs in the operation of the fine movement mechanism. For example, it is assumed that the piezoelectric element 2C performs an extension operation as shown in FIGS. The piezoelectric element 2C operates to extend in the Z direction. At this time, since the coupling member 10C has a high rigidity in the Z direction, the force due to the extension of the piezoelectric element 2C is accurately transmitted to the support member 8 and the probe 3, and the probe 3 corresponds to the extension of the piezoelectric element 2C. It moves exactly in the Z direction. On the other hand, the displacement of the probe 3 in each of the X and Y directions hardly occurs because the deforming action described above occurs in the coupling members 10A and 10B. That is, as shown in FIG. 3, when the piezoelectric element 2C extends in the Z direction, the coupling member 10B coupled to the piezoelectric element 2B is parallel-deformed in the Z direction by the parallel plate structure portion above the coupling member 10B, and each of X and Y. Almost no displacement occurs in the direction. The same action occurs with the coupling member 10A coupled to the piezoelectric element 2A. Therefore, the tip of the probe 3 generates a desired displacement only in the Z direction by the extension operation of the piezoelectric element 2C, and does not generate a displacement in the X and Y directions. In this way, the probe 3 can be precisely moved in the axial direction thereof, that is, in the height direction when viewed from the unevenness of the sample measurement surface.

【0036】他の結合部材10A,10Bについても、
それぞれ対応する圧電素子2A,2Bが伸長するとき
に、その伸長方向に高い剛性を有する部材として機能
し、当該伸長方向に直交する他の2つの方向について外
力が加わったときには容易に変形を発生する部材として
機能する。
Regarding the other coupling members 10A and 10B,
When the corresponding piezoelectric elements 2A and 2B extend, they function as members having high rigidity in the extension direction, and easily deform when external force is applied in the other two directions orthogonal to the extension direction. Functions as a member.

【0037】前記実施例では、探針3をその軸方向に微
動させる手段または探針3を走査させる手段として圧電
素子を用いる微動機構について説明したが、同様な動作
機能を有する他のアクチュエータを備えた微動機構に対
しても本発明の構成を適用することができる。また結合
部材の例としては、二段重ね平行平板構造を用いること
が望ましいが、類似した機能を有する他の機械要素を用
いることもできる。
In the above-mentioned embodiment, the fine movement mechanism using the piezoelectric element as the means for finely moving the probe 3 in the axial direction or the means for scanning the probe 3 has been described, but other actuators having the same operation function are provided. The configuration of the present invention can be applied to the fine movement mechanism. Further, as an example of the connecting member, it is desirable to use a two-stage parallel plate structure, but other mechanical elements having similar functions can also be used.

【0038】次に図5〜図8を参照して本発明の他の実
施例について説明する。この実施例では、前記実施例の
構成において、結合部材10A〜10Cのそれぞれの所
定の箇所に歪みゲージを設け、対応する圧電素子の伸縮
動作で当該結合部材に変形が生じた時、その変形を利用
して当該圧電素子による移動量を測定するように構成し
ている。
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, in the configuration of the above-described embodiment, strain gauges are provided at predetermined positions of the coupling members 10A to 10C, and when deformation occurs in the coupling member due to expansion and contraction of the corresponding piezoelectric element, the deformation is prevented. It is configured to utilize the piezoelectric element to measure the amount of movement.

【0039】図5および図6では、一例として結合部材
10Bを示す。結合部材10Bは前述の通り平行平板構
造部12a,12bを有する。結合部材10Bの下面は
圧電素子2Bに固着され、上面は支持部材8の下面に固
着される。圧電素子2Bおよび支持部材8の図示は、説
明の便宜上省略している。図5における平行平板構造部
12bの手前側平板14の外面に歪みゲージ20z1,2
0z2が取り付けられ、向う側平板14の外面に歪みゲー
ジ20z3,20z4が取り付けられる。この取付け関係
は、図6によって明らかである。平行平板構造部12b
に配設された4つの歪みゲージ20z1〜20z4を用いる
ことによって、Z方向の力が発生して結合部材10Bの
平行平板構造部12bが変形した時、Z方向の変位量を
正確に検出することができる。
5 and 6, the coupling member 10B is shown as an example. The coupling member 10B has the parallel plate structure portions 12a and 12b as described above. The lower surface of the coupling member 10B is fixed to the piezoelectric element 2B, and the upper surface thereof is fixed to the lower surface of the support member 8. Illustration of the piezoelectric element 2B and the support member 8 is omitted for convenience of description. Strain gauges 20z1, 2 are provided on the outer surface of the front side flat plate 14 of the parallel flat plate structure portion 12b in FIG.
0z2 is attached, and strain gauges 20z3 and 20z4 are attached to the outer surface of the opposite flat plate 14. This mounting relationship is apparent from FIG. Parallel plate structure 12b
By accurately detecting the displacement amount in the Z direction when a force in the Z direction is generated and the parallel plate structure portion 12b of the coupling member 10B is deformed by using the four strain gauges 20z1 to 20z4 arranged in the. You can

【0040】4つの歪みゲージ20z1〜20z4を用いて
変形の変位量を検出するには、図7示す検出回路を利用
する。この検出回路では、4つの歪みゲージ20z1〜2
0z4でブリッジ回路を形成し、このブリッジ回路に電源
21で所要の電圧を印加し、ブリッジ回路の出力端子か
ら増幅器22を介して出力電圧を取り出すように構成し
ている。この検出回路によれば、例えば図3に示すよう
な状態で結合部材10Bが変形した時、歪みゲージ20
z1,20z3は伸び、歪みゲージ20z2,20z4は縮むこ
とになる。その結果、図7に示すブリッジ回路では、バ
ンランスがくずれ、その出力端子から変位量に比例する
電圧を感度よく取り出すことができる。こうして探針3
と試料表面との間隔を調整する圧電素子2Cが伸びた
時、探針3のZ方向の微小な移動量を、結合部材2Bの
平行平板構造部12bに配設した歪みゲージ20z1〜2
0z4を利用して正確に測定することができる。
In order to detect the displacement amount of deformation using the four strain gauges 20z1 to 20z4, the detection circuit shown in FIG. 7 is used. In this detection circuit, four strain gauges 20z1-2
A bridge circuit is formed by 0z4, a required voltage is applied to the bridge circuit by a power source 21, and an output voltage is taken out from an output terminal of the bridge circuit via an amplifier 22. According to this detection circuit, for example, when the coupling member 10B is deformed in the state as shown in FIG.
z1 and 20z3 will expand, and strain gauges 20z2 and 20z4 will contract. As a result, in the bridge circuit shown in FIG. 7, the lance is broken and a voltage proportional to the amount of displacement can be taken out from the output terminal with high sensitivity. Thus the probe 3
When the piezoelectric element 2C for adjusting the distance between the sample and the sample surface is extended, a small amount of movement of the probe 3 in the Z direction is applied to the strain gauges 20z1 to 2z arranged in the parallel plate structure portion 12b of the coupling member 2B.
It is possible to measure accurately using 0z4.

【0041】同様な構成にて、結合部材2Bの平行平板
構造部12aにも4つの歪みゲージを配設してブリッジ
回路を形成し、X方向の力が発生して変形が生じた時、
この変形による変位量を検出するように構成される。図
5および図6では、4つの歪みゲージのうち2つの歪み
ゲージ20x1,20x2を示している。
With the same configuration, four strain gauges are also arranged in the parallel plate structure portion 12a of the coupling member 2B to form a bridge circuit, and when a force in the X direction is generated and deformation occurs,
It is configured to detect the amount of displacement due to this deformation. 5 and 6, two of the four strain gauges 20x1 and 20x2 are shown.

【0042】さらに、他の結合部材10A,10Cにつ
いても、結合部材10Bと同様な構成にてそれぞれ歪み
ゲージおよびそれらよって構成される変位量を検出する
ための検出回路が設けられる。
Further, with respect to the other coupling members 10A and 10C, a strain gauge and a detection circuit for detecting the displacement amount constituted by the strain gauges are provided in the same configuration as that of the coupling member 10B.

【0043】図7に示した検出回路を利用することによ
り、図8に示す圧電素子2の制御系を構成することがで
きる。圧電素子2は、前述の圧電素子2A〜2Cのうち
のいずれかである。23は図7に示された検出回路であ
り、圧電素子2に対応するものである。検出回路23
は、前述の通り、ブリッジ回路24と電源21と増幅器
22を含む。検出回路23の出力、すなわち検出された
信号はコントローラ25に供給される。
By utilizing the detection circuit shown in FIG. 7, the control system of the piezoelectric element 2 shown in FIG. 8 can be constructed. The piezoelectric element 2 is any of the piezoelectric elements 2A to 2C described above. Reference numeral 23 denotes the detection circuit shown in FIG. 7, which corresponds to the piezoelectric element 2. Detection circuit 23
As described above, includes the bridge circuit 24, the power supply 21, and the amplifier 22. The output of the detection circuit 23, that is, the detected signal is supplied to the controller 25.

【0044】コントローラ25は、圧電素子2の伸縮動
作を制御する機能を有し、圧電素子駆動電源26に必要
な制御信号を送る。圧電素子駆動電源26は、入力した
制御信号に対応する電圧を出力し、圧電素子2に対して
当該電圧を印加し、圧電素子2を所要の長さに伸縮す
る。
The controller 25 has a function of controlling the expansion / contraction operation of the piezoelectric element 2, and sends a necessary control signal to the piezoelectric element drive power supply 26. The piezoelectric element driving power supply 26 outputs a voltage corresponding to the input control signal, applies the voltage to the piezoelectric element 2, and expands / contracts the piezoelectric element 2 to a required length.

【0045】上記の制御系において、圧電素子2が制御
信号に基づいて伸縮すると、その伸縮による変位量は検
出回路23によって検出され、コントローラ25に入力
される。コントローラ25は検出回路23で検出された
変位量と最初に設定した制御目標量とを比較し、その差
が0になるようにさらに制御信号を圧電素子駆動電源2
6に対して出力する。こうして、上記制御系では、フィ
ードバック制御が行われ、探針3を目標位置に正確に移
動させる制御が行われる。
In the above control system, when the piezoelectric element 2 expands and contracts based on the control signal, the displacement amount due to the expansion and contraction is detected by the detection circuit 23 and input to the controller 25. The controller 25 compares the displacement amount detected by the detection circuit 23 with the initially set control target amount, and further outputs a control signal so that the difference becomes 0.
Output to 6. Thus, in the control system, feedback control is performed, and control for accurately moving the probe 3 to the target position is performed.

【0046】探針微動機構に上記制御系を設けたため、
圧電素子2がその電圧・伸縮量特性おいて本来有するヒ
ステリシス特性や非直線性の影響を排除することがで
き、微動機構で発生する変位量の精度を向上することが
できる。
Since the above fine control mechanism is provided in the fine movement mechanism of the probe,
It is possible to eliminate the influence of the hysteresis characteristic and non-linearity which the piezoelectric element 2 originally has in the voltage / expansion / contraction amount characteristic, and it is possible to improve the accuracy of the displacement amount generated in the fine movement mechanism.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果が生じる。探針微動機構において、探針
支持部材と動作方向が直交する3つの圧電素子との間
に、各圧電素子の動作方向には高い剛性を有し、この動
作方向に直交する他の2つの圧電素子の動作方向には低
い剛性を有する結合部材を介設するようにしたため、圧
電素子に伸縮動作を行わせたとき必要な方向にのみ探針
を移動させることができ、その他の方向には変位を発生
させないようにすることができる。これによって、微動
機構の各圧電素子による探針移動では、誤差が発生せ
ず、歪みを含まない精度の高いSTM像を得ることがで
きる。
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects. In the fine movement mechanism of the probe, between the probe support member and the three piezoelectric elements whose operation directions are orthogonal to each other, each piezoelectric element has a high rigidity in the operation direction and the other two piezoelectric elements orthogonal to the operation direction. Since a coupling member with low rigidity is provided in the direction of movement of the element, the probe can be moved only in the necessary direction when the piezoelectric element is expanded and contracted, and it can be displaced in other directions. Can be prevented from occurring. As a result, an error does not occur in the movement of the probe by each piezoelectric element of the fine movement mechanism, and a highly accurate STM image that does not include distortion can be obtained.

【0048】前記結合部材を探針微動機構に設けた構成
において、前記結合部材の変形部を利用して変位検出手
段を設けるようにしたため、圧電素子の動作を制御する
制御系においてフィードバック制御系を実現することが
でき、圧電素子による探針の移動量を正確に制御するこ
とができる。
In the structure in which the coupling member is provided in the fine movement mechanism of the probe, the displacement detecting means is provided by utilizing the deformed portion of the coupling member. Therefore, a feedback control system is used in the control system for controlling the operation of the piezoelectric element. This can be realized, and the amount of movement of the probe by the piezoelectric element can be accurately controlled.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の微動機構
の正面斜視図である。
FIG. 1 is a front perspective view of a fine movement mechanism of a scanning tunnel microscope according to the present invention.

【図2】本発明に係る微動機構の伸長動作前の状態を示
す側面図である。
FIG. 2 is a side view showing a state before the extension operation of the fine movement mechanism according to the present invention.

【図3】本発明に係る微動機構の伸長動作後の状態を示
す側面図である。
FIG. 3 is a side view showing a state after the extension operation of the fine movement mechanism according to the present invention.

【図4】結合部材の一例を拡大して示す斜視図である。FIG. 4 is an enlarged perspective view showing an example of a coupling member.

【図5】結合部材の他の実施例を示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing another embodiment of the coupling member.

【図6】他の実施例の結合部材の側面図である。FIG. 6 is a side view of a coupling member according to another embodiment.

【図7】歪みゲージを利用した変位量検出回路を示す回
路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a displacement amount detection circuit using a strain gauge.

【図8】本発明に係る微動機構のフィードバック制御系
の一例を示す構成図である。
FIG. 8 is a configuration diagram showing an example of a feedback control system of a fine movement mechanism according to the present invention.

【図9】従来の微動機構の斜視図である。FIG. 9 is a perspective view of a conventional fine movement mechanism.

【図10】従来の微動機構の伸長動作前の状態を示す側
面図である。
FIG. 10 is a side view showing a state before the extension operation of the conventional fine movement mechanism.

【図11】従来の微動機構の伸長動作後の状態を示す側
面図である。
FIG. 11 is a side view showing a state after the extension operation of the conventional fine movement mechanism.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 …基部部材 1a〜1c …片部 2,2A〜2C …圧電素子 3 …探針 4A〜4C …電源ライン 5 …探針取付け部 8 …支持部材 10A〜10B …結合部材 12a,12b …平行平板構造部 13,14 …平板 20z1〜20z4 …歪みゲージ 23 …検出回路 24 …ブリッジ回路 25 …コントローラ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base member 1a-1c ... One part 2, 2A-2C ... Piezoelectric element 3 ... Probe 4A-4C ... Power line 5 ... Probe attachment part 8 ... Support member 10A-10B ... Coupling member 12a, 12b ... Parallel plate Structure part 13, 14 ... Flat plate 20z1-20z4 ... Strain gauge 23 ... Detection circuit 24 ... Bridge circuit 25 ... Controller

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料の測定面に対しその先端が対向する
ように配置された探針と、この探針を支持する支持部材
と、この支持部材に支持された前記探針を前記測定面に
沿って走査させるための2つのアクチュエータと、前記
探針をその軸方向に微動させるためのアクチュエータを
備え、前記3つのアクチュエータが、その各動作方向が
互いに直交する位置関係にて前記支持部材に結合される
走査型トンネル顕微鏡の微動機構において、 前記3つのアクチュエータのそれぞれと前記支持部材と
の結合箇所に、各アクチュエータの動作方向には高い剛
性を有し、この動作方向に直交する他の2つのアクチュ
エータの動作方向には低い剛性を有する結合部材を配設
したことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の微動機
構。
1. A probe arranged such that its tip faces a measurement surface of a sample, a support member for supporting the probe, and the probe supported by the support member on the measurement surface. Two actuators for scanning along and an actuator for finely moving the probe in the axial direction are provided, and the three actuators are coupled to the support member in a positional relationship in which respective operation directions are orthogonal to each other. In the fine movement mechanism of the scanning tunnel microscope, each of the three actuators has a high rigidity in the operating direction of each actuator at the joint between the supporting member and the other two actuators. A fine movement mechanism of a scanning tunneling microscope characterized in that a coupling member having low rigidity is arranged in the movement direction of the actuator.
【請求項2】 請求項1記載の走査型トンネル顕微鏡の
微動機構において、前記結合部材は、第1方向に変形容
易性を有する平行平板構造部と、第1方向に直交する第
2方向に変形容易性を有する平行平板構造部を、対応す
る前記アクチュエータの駆動方向に重ねて設けることに
より、形成されることを特徴とする走査型トンネル顕微
鏡の微動機構。
2. The fine movement mechanism of the scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the coupling member is deformed in a parallel plate structure having a deformability in a first direction and in a second direction orthogonal to the first direction. A fine movement mechanism of a scanning tunneling microscope, characterized in that the parallel plate structure portion having ease is formed by being overlapped in the driving direction of the corresponding actuator.
【請求項3】 請求項2記載の走査型トンネル顕微鏡の
微動機構において、前記結合部材は、二段重ね平行平板
構造であることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の微
動機構。
3. The fine movement mechanism of the scanning tunneling microscope according to claim 2, wherein the coupling member has a two-stage parallel plate structure.
【請求項4】 請求項1記載の走査型トンネル顕微鏡の
微動機構において、前記アクチュエータの動作量を制御
する制御手段と、前記結合部材の低い剛性を有する部分
に付設した変位検出手段を備え、前記変位検出手段から
出力される変位量に係る検出信号を前記制御手段に入力
することにより、前記アクチュエータのフィードバック
制御系を構成したことを特徴とする走査型トンネル顕微
鏡の微動機構。
4. The fine movement mechanism of the scanning tunneling microscope according to claim 1, further comprising a control means for controlling an operation amount of the actuator, and a displacement detection means attached to a portion of the coupling member having low rigidity. A fine movement mechanism of a scanning tunnel microscope, wherein a feedback control system of the actuator is configured by inputting a detection signal relating to a displacement amount output from a displacement detection means to the control means.
【請求項5】 請求項4記載の走査型トンネル顕微鏡の
微動機構において、前記変位検出手段は、前記結合部材
の変形可能面に配置された歪みゲージで構成されるブリ
ッジ回路であることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡
の微動機構。
5. The fine movement mechanism of the scanning tunneling microscope according to claim 4, wherein the displacement detecting means is a bridge circuit configured by a strain gauge arranged on the deformable surface of the coupling member. Fine movement mechanism of scanning tunneling microscope.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6264698B1 (en) * 1993-10-29 2001-07-24 Howmedica International S. De R.L. Method and apparatus for implanting an acetabular cup
KR20120135895A (en) * 2009-10-29 2012-12-17 브루커 나노, 인코퍼레이션. Scanning probe microscope having support stage incorporating a kinematic flexure arrangement

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6264698B1 (en) * 1993-10-29 2001-07-24 Howmedica International S. De R.L. Method and apparatus for implanting an acetabular cup
KR20120135895A (en) * 2009-10-29 2012-12-17 브루커 나노, 인코퍼레이션. Scanning probe microscope having support stage incorporating a kinematic flexure arrangement
JP2013509592A (en) * 2009-10-29 2013-03-14 ブルカー ナノ インコーポレイテッド Scanning probe microscope with a support base incorporating a dynamic flexure array

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