(57)【要約】      （修正有）【課題】  力、重量あるいは位置を検出する多次元容量変換システムを提供する。【解決手段】第１の方向において力または運動を生成する、および／または力、重量あるいは位置を検出し、当該第１の容量変換器２０４内に設けられた駆動板１１８ｘ、１２０ｘに対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板１２２ｚと、遠隔にある物体に力を付与すべくそれを選択的に制御するための手段とを有する前記第１の容量変換器と、前記第１の方向とは異なる第２の方向において力または運動を生成する、および／または力、重量あるいは位置を検出し、当該第２の容量変換器２０６内に設けられた駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板と、遠隔にある物体に力を付与すべくそれを選択的に制御するための手段とを有し、前記第１の容量変換器に連結された前記第２の容量変換器と、を備える。【選択図】図７
2008070373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高精度多次元変換器であって、
第１の方向において力または運動を生成する、および／または前記第１の方向において力、重量あるいは位置を検出する第１の容量変換器であって、当該第１の容量変換器内に設けられた第１の容量変換器駆動板に対して相対移動可能に取り付けられた第１の容量変換器ピックアップ板と、遠隔にある物体に力を付与すべく前記第１の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための手段とを有する前記第１の容量変換器と、
前記第１の方向とは異なる第２の方向において力または運動を生成する、および／または前記第２の方向において力、重量あるいは位置を検出する第２の容量変換器であって、当該第２の容量変換器内に設けられた第２の容量変換器駆動板に対して相対移動可能に取り付けられた第２の容量変換器ピックアップ板と、遠隔にある物体に力を付与すべく前記第２の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための手段とを有し、前記第１の容量変換器に連結された前記第２の容量変換器と、
を備える高精度多次元変換器。
【請求項２】
前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、静電アクチュエータ手段を含む請求項１に記載の高精度多次元変換器。
【請求項３】
前記第１及び第２の容量変換器と結合されて、前記第１及び第２の方向と異なる第３の方向において力または運動を生成する、および／または前記第３の方向において力、重量あるいは位置を検出する第３の容量変換器であって、第３の容量変換器ピックアップ板と、遠隔にある物体に力を付与すべく前記第３の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための手段とを有する前記第３の容量変換器をさらに備える請求項１に記載の高精度多次元変換器。
【請求項４】
前記第１の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための前記手段、前記第２の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための前記手段、及び前記第３の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための前記手段は静電アクチュエータ手段を含む請求項３に記載の高精度多次元変換器。
【請求項５】
前記第１の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための前記手段及び前記第２の容量変換器ピックアップ板を選択的に制御するための前記手段の各々は、対応するピックアップ板の位置および／又は対応するピックアップ板によって付与する力を選択的に制御するための手段を含む請求項１に記載の高精度多次元変換器。
【請求項６】
対応するピックアップ板の位置および／又は対応するピックアップ板によって付与する力を選択的に制御するための前記手段は静電アクチュエータ手段を含む請求項５に記載の高精度多次元変換器。
【請求項７】
前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、各容量変換器に結合された静電アクチュエータを有する制御装置を含む請求項１に記載の高精度多次元変換器。
【請求項８】
前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、各ピックアップ板の位置を制御するための手段を含む請求項１に記載の高精度多次元変換器。
【請求項９】
前記第２の容量変換器と同様の構成を有する第３の容量変換器を含む、前記第２の方向のドリフトを補正する手段を更に備える請求項１に記載の高精度多次元変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連特許出願）
本特許出願は１９９３年１０月１日出願の米国特許出願第０８／１３１，４０５号の一部継続である１９９４年１０月２４日出願の特許出願第０８／３２７，９７９号の一部継続である１９９４年１１月１４日出願の同時係属出願第０８／３３７，７４１号の一部継続である。上記の早期出願の開示は本特許明細書に完全には含まれないのでこれらの出願は参考引例としてここに援用される。
【０００２】
本発明は高精度センサーシステムに関する。更に詳しくは、本発明は一つの多板式容量システムを含む高精度力伝達および／または（重量を含む）力および変位測定／指示変換器に関する。更に、本発明はそのような変換器を組み入れた装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
力、重量、および相対位置の精密測定のための多くの応用が従来から知られている。例えば、互いに相対的な孔、溝、または表面形状を精密に指示や製作するための機械工場の工具には正確な位置や変位測定が要求される。電子部品の製造では小さい部品の変位や位置の正確な測定は特に重要である。
【０００４】
そのような測定を遂行するための計器と共に微量で力や重量を正確に測定することはよく知られている。ひずみ計変換器類はそのような測定用の一つの工業認識計器である。これらの計器類はサンプルの微小硬さ試験のような実験室における分析で使われる。更に、微量の構成要素を高い分解能で測定する実験室の規模は化学、生物学、薬物や医学分野ではよく知られている。
【０００５】
ひずみゲージ変換器において知られている分解能の限界は計測装置のノイズ比率に対する信号である。ひずみゲージ変換器はわずか数ミリボルトの出力しか持たない。ひずみゲージ変換器用の最小可能なノイズレベルはひずみゲージ抵抗素子上に熱ノイズにより設定される。例えば、３５０オーム抵抗の商用ひずみゲージセンサー用に計算されたノイズは１ヘルツ帯域巾で２．４ｎＶである。
【０００６】
更に近年では、走査プローブ型顕微鏡の開発によって微細レベルでの力や位置のより高い分解能測定の必要性が生まれた。１９８９年１０月発行の雑誌Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ａｍｅｒｉｃａｎの９８−１０５頁に記載の「走査プローブ型顕微鏡」でウイックラマシング（Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ）により開示されたように、走査プローブ型顕微鏡類はたった一個の原子巾に過ぎないプローブを使って非常に近接した範囲の表面を調べることができ、他の顕微鏡類が認知出来ない規模の特徴や性質を解明する。
【０００７】
参考引例として本明細書に組み入れられたウイックラマシング（Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ）の開示は二種類の走査プローブ型顕微鏡を開示する。最初の種類は走査トンネル顕微鏡で、他は原子力顕微鏡である。
【０００８】
原子力顕微鏡では、走査プローブ装置はラスター状に試料を包んだ金属箔上に取り付けた極小鋭利なダイヤモンドのような微小チップを移動させる。測定機は力、すなわち表面原子の電子雲を有するチップにおける電子雲の部分的重なりにより生じた反発力の輪郭を記録する。事実、蓄音機の針のようなチップはその試料の表面を読む。金属箔はばねのように作用し、チップはその表面に押しつけられたまま原子地形により押し上げられ押し下げられる。
【０００９】
走査トンネル顕微鏡はプローブと表面の間の間隙を横切る電子により原子規模の地形を感知する。印加された電圧の変化に応じて寸法をわずかに変える圧電性セラミックは、三次元的に走査トンネル顕微鏡のタングステンプローブを動かす。電圧はチップに加えられ、電導または半電導する筈の表面に対してトンネル電流が流れ始めるまで移動する。チップはそのときラスター状に前後に走査される。トンネル電流は地形と共に変わろうとする。帰還機構は表面の起伏に従ってチップを上下に動かすことにより応答する。チップの運動は表面画像に変換される。
【００１０】
走査トンネル顕微鏡を使うと、表面地形の測定は、もし表面からのチップの距離が維持されないと不正確になるであろうことが認識される。このように、測定サイクルにわたってチップによりサンプル上に加えられた力の測定によりチップと表面の距離が維持されることが確認され、地形測定の正確さに対するクロスチェックを提供するであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
既に述べたように、ひずみゲージ変換器のような測定機はサンプルの微小硬度試験に使われ、一方走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡は表面地形の測定や作像方法として容認されている。もし結果を高分解能でただちに作像することが可能なら微小押込み硬さ試験に実質的な利点があるだろう。走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡用の現在知られているチップや制御機構のために、これまでこれらの計測機により表面地形を測定しかつ微小押込み硬さ試験を行うことが出来なかった。
【００１２】
これらの計測機に一般に使われているタングステン走査トンネル顕微鏡チップは非常に細くかつ幾分低い押込み負荷で魚釣形状に反り返る傾向があるので押込み後に作像がすこし疑わしい。原子力顕微鏡チップは、走査トンネル顕微鏡チップより硬いが、簡単に折れる華奢な片持ちばり上に取り付けられる。これだと原子力顕微鏡を使って加えられうる力の量は大部分の押込みに必要な量よりずっと小さく制限される。
【００１３】
代替方法としては走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡を押込み後作像能力を与えるがかなりの装置コストや付加時間がかかる内蔵走査電子顕微鏡を使って造る方法がある。また、走査電子顕微鏡は真空下で作動するだけであるから生物試料のような湿気を含んだサンプルの観察は不可能である。
【００１４】
顕微鏡的尺度で材料の機械的性質の研究を行う場合、押込みと引っかき試験の二つの手法がしばしば使われる。試験されている材料にダイヤモンドチップを押圧する押込み試験は通常は材料の硬さを求めるために使われ、材料の弾性係数を求めることから始まる。引っかき試験は基板上に付着されたフィルムや被膜の接着力を求めるために使われる。引っかき試験はダイヤモンドチップをある種の層間剥離や破損が起きる臨界荷重に達するまで荷重を増加しながらサンプル表面上を引きずって行われる。
【００１５】
通常は押込みや引っかきは、この目的のために設計された一つの機械上で行われ、その結果は押込み寸法や層間剥離の面積を求めるために顕微鏡を使って解析される。いくつかまたはそれ以上のマイクロメータの特徴寸法に対しては通常は光学顕微鏡が使われる。
【００１６】
数個以下のマイクロメータの特徴に対しては、半導体の微小化が進みかつ例えば磁気記憶ディスク上で使われる防護膜の厚みの減少と共にますます重要になるにつれ、その面積は通常は走査電子顕微鏡作像により求められる。これはサンプルの作成、特に電気的絶縁体や走査電子顕微鏡上に作像する前に金やカーボンで被覆する必要のあるサンプル作成に実質的な作業をもたらす。また、小さい押込みや引っかきを見つけるだけでも些細なことではない。最小の押込みや引っかきに対しては、走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡の原子レベルの分解能に要求されることは引っかき巾や層間剥離の面積を正確に解明することである。研究者の報告では押込みを別の微小押込み機上で作った後に原子力顕微鏡にその押込みを位置づけるのに最大８時間を費やしている。
【００１７】
不確かな他の情報源としてはあるサンプルに生じ得る塑性流動や緩衝である。もしこれが１時間あるいはそれ以下の期間にわたって起きると、別の押込み機で作られた押込みがそれが顕微鏡上で検査される前に消滅するかもしれない。５０オングストロームの範囲に作られた押込みは時には走査電子顕微鏡または原子力顕微鏡の作像では見ることができなかった塑性変形を示した。可能性のある説明としては実際には存在しない塑性変形を示す原因となる機械的履歴現象が押込み機に存在することである。研究者が検出できない押込みが実際には存在したこともまた可能性のある説明である。第３の可能性としては押込みが実際には存在しないでサンプルが顕微鏡で観察できる前にある塑性流動現象により消滅させられる場所にサンプルが緩衝効果を示したことである。
【００１８】
微小押込み硬さ試験や引っかき試験時に、もしその結果を高分解能力で直ちに作像することが可能であるとすれば、明らかに実質的利点があるであろう。そのような能力は測定にかかる時間と費用との両方を削減し、更に結果についての不確実性を削減するだろう。
【００１９】
マイクロメカニカル試験用のサンプルに押込みを形成する工程も限界がある。走査トンネル顕微鏡のＺ軸ピエゾを使ってチップをサンプル材に運ぶことにより力がサンプルに加えられる。この工程は顕微鏡制御システム下で作動する「リトグラフィスクリプト」を書くことにより制御される。これらのスクリプトは三軸全てにおけるチップ動作を制御するために使うことができる。Ｚ、Ｘ、またはＹ方向の同時動作は支持されないため、微小押込み試験の継続に必要な力傾斜路を階段型傾斜路を使って近似しなければならない。
【００２０】
加えられうるその力の大きさはそれがＺ軸上のピエゾの動程と力センサーのばね定数により決まるからその大きさはかなり制限される。より高い力はより高いばね定数を持ったセンサーを使って達成できたが、解像度を下げ、必要とする最小作像力を増すであろうし、作像中にサンプル摩耗の問題を起こす原因になるかもしれない。加えて、圧電アクチュエータのＺ軸上の動程はＸ軸Ｙ軸上でも同様直線性と履歴現象効果に関しては補償されない。この結果リトグラフィスクリプト中の指令されたＺ軸上の動程とＺ軸方向のチップの実際の動程との間にはかなりの差があるため計量補正問題が生じる。
【００２１】
マイクロメカニカル試験では指令されたＺ軸方向の運動とチップの実際の運動の間で高い分解能と直線性を維持しながらより高い最大力へ延びる範囲で制御されたサンプル材の押込みを提供する機構を有することで非常に利点がある。
【００２２】
ボーニン（Ｂｏｎｉｎ）ら（米国特許第４，６９４，５８７号）はＧ力の変化を検出しその変化に比例するディジタルカウント値を作るための容量加速度計を組み込む車両性能解析機を開示している。センサーは力の加速の変化に反応するビーム支持可動板の両対抗側上に配置された間隔をあけた一対の平行板からなる容量変換器を含む。ボーニン（Ｂｏｎｉｎ）らは、図３でビーム支持可動板が間隔をあけた一対の平行板の間にアクセスされないように密封されていることを開示している。このように、可動板には物理的にアクセスできないが、可動板は加速中にＧ力を受けその力に直交して取り付けられた場合曲がりかつ変位する。ボーニン（Ｂｏｎｉｎ）ら（米国特許第４，６９４，６８７号）は参考引例として本明細書に援用されている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は第１実施形態において力、重量、または位置変換器を提供している。第２実施形態では第１実施形態の変換器が微小押込み硬さ試験と、硬さ試験に続いて直ちに作像できる表面作像用装置に組み入れられている。
【００２４】
先ず、本発明の第１実施形態に話を戻すと、力、重量、または位置変換器が与えられている。装置の出力は重量、力、または測定されたサンプルの相対位置に比例してＤＣ信号に変換してもよい。この変換は例えばボーニン（Ｂｏｎｉｎ）らにより米国特許第４，６９４，６８７号に一般に開示されているように達成してもよい。
【００２５】
加えて、変換器は対象リモート上の力を装置から分けてもよいし、対象リモートを変換器から望む方向に分けてもよい。
一つの好ましい実施形態では、変換器は高精度の力および変位の変換器である。変換器は一対の容量変換器を含む。各容量変換器は分離した一枚の駆動板と分離駆動板の間に位置する一枚の共有ピックアップ板を含む。更に、遠隔点とピックアップ板の間で力を伝達するための機構を備えている。
【００２６】
一つの好ましい実施形態では、駆動板に対するピックアップ板の相対位置は静電作動を通して制御される。静電制御装置は選択的に電圧を駆動板の一つに加えピックアップ板と駆動板の間に吸引力を提供する。吸引力は伝達機構により遠隔点を移動させるためにピックアップ板から離れた点へ伝達されるかまたは力を遠隔点へ加える。静電制御装置は増幅装置へ連結された比較的高い電圧供給源を含む。
【００２７】
変換器はまた駆動板に関係するピックアップ板の位置に釣り合ったピックアップ板から出力信号を監視するための機構を含んでもよい。一つの実施形態では、監視機構は出力信号検出装置／調整装置を含む。その機構は搬送信号を一対の駆動板へ加えるための機構を含んでもよい。一つの実施形態では、搬送信号は駆動板の一つに加えられた信号が他の駆動板に加えられた信号と１８０度離れた位相のＡＣ電圧信号である。搬送信号の周波数は静電制御装置により加えられた電圧の周波数に比例して高い。
【００２８】
監視機構は駆動板に関係するピックアップ板の変位を表す変換器出力信号を監視するためにピックアップ板に連結される。その出力信号は変換器により遠隔にある物体に加えられた力または運動を表してもよい。
【００２９】
他の実施形態では、変換器は適切なサスペンションシステムに取り付けられた駆動板およびピックアップ板を有する多容量システムを使って、力がピックアップ板に加えられたときまたはピックアップ板が力または運動をピックアップ板から遠く離れた対象に加えたとき所望の相対運動を提供する。ピックアップ板の変位を表して、駆動板に関連し、且つ検知した力、重量又は変位に比例する出力信号を提供するために、駆動信号を互いに１８０度位相を異にして５０ＫＨｚ程度で、駆動板をＡＣ搬送信号で駆動しても良い。
【００３０】
出力信号は非常に高い入力インピーダンス（例えば１００ＭＯｈｍ−０．３ｐＦ）のバッファーアンプを通過し、力または変位に比例するＤＣ信号を作るために同期的に復調される。出力は変位の一方向に対して正で、反対方向に対して負である。
【００３１】
本発明に従えばセンサー素子は一対の容量変換器を含み、各変換器は一つの分離駆動板と一つの共有ピックアップ板を含む。一対の駆動板の一つは駆動板上に中心を通って配置された孔を含む。ピックアップ板は一対の駆動板の間に位置し各駆動板からは絶縁スペーサーにより隔てられている。このようにして、駆動板は好ましい実施形態では一般にピックアップ板が間に取り付けられた間隔をあけた対向導電表面を含む。ピックアップ板は一般には駆動板の間にばねにより宙に浮かされた導電中央板であることが可能で、その中央板は各駆動板の導電面間で偏向が可能である。
【００３２】
センサー素子は力を中央板から遠くにある点と中央板の間に伝達する方法を含む。この方法はピックアップ板にそれと一致して動くように取り付けられたサンプルホルダーを含むことができる。代わりに、一つの駆動板の孔を通過しかつ中央板と接触するどんなロッドや部材を使ってピックアップ板へ力を伝達してもよい。出力は実際にはピックアップ板の位置に比例するが、センサーは線形力対変位の関係を有するように構成されるため、出力は力を表すように簡単に較正される。
【００３３】
他の実施形態では、サンプルホルダーは一つの駆動板で中央に配置された孔を通過しピックアップ板の導電中央板の表面に接触しているステム部分を持つ受け台である。中央板との接触はほぼ中央板の中心点にある。このようにして、受け台は受け台に加えられた力を中央板へ伝達し、その結果として中央板が反る。受け台ステムと駆動板の孔との間の空間を通って入ってくるごみや他の汚染物質を予防するために一枚のダイヤフラムシールを含めることができる。
【００３４】
他の実施形態では、本発明による変換器は一対の容量変換器を含み、各変換器は分離駆動板と共有ピックアップ板を含む。ピックアップ板は一対の駆動板の間に可動的に取り付けられる。ピックアップ板は遠隔地点へ直接取り付け駆動板の一つを通過しないでピックアップ板と遠隔地点の間に力や運動を伝達してもよい。
【００３５】
開示された変換器は走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡のような走査プローブ顕微鏡類と共に特に有用である。しかしながら、変換器は微小測定に高分解能が要求される重量、力、または変位を測定するためのいかなる用途に利用してもよい。本発明の変換器は１００，０００から１までの分解能を持つ。変換器は１／２インチ平方（１．２７平方センチメートル）と深さ１／８インチ（０．３２センチメートル）の寸法を持っているから既存の走査プローブ顕微鏡のサンプルホルダー範囲に取り付け可能である。顕微鏡の対象となるサンプルは変換器のトップに取り付けられる。これにより顕微鏡チップによりサンプルに加えられた力は直接読み取られる。
【００３６】
本発明の変換器の信号対ノイズ比は既存のひずみゲージ変換器類に対して計算されたそれよりはるかに高い。先に述べたように、ひずみゲージ変換器に対する最小可能なノイズレベルはひずみゲージ素子の熱的ノイズにより設定される。対照的に、本発明の容量変換器は変換器のインピーダンスにより制御されるノイズレベルを持つ。これにより本発明の容量変換器の信号対ノイズ比はひずみゲージのそれより１０倍以上が可能である。この信号対ノイズ比は５０ＫＨｚを超える搬送信号を増加させることで更に増加させることが可能である。使用に適した分解能は熱平衡により制限されるが、熱平衡はより安定した材料を使うことにより改善することが可能であり基線のずれの自動修正も可能であると思われる。
【００３７】
一つの実施形態では、本発明のセンサー素子は従来のプリント回路エッチング技法を使って容易に作れる第１及び第２の直列に接続された可変コンデンサからなる。更に特定すると、センサーは積み重ねた形状の５枚の基板からなる。
【００３８】
二つの最も外側の基板、すなわち第１及び第５基板の各々は金属被覆を施した面を有する。最も外側の板の内側には金属面の部分はそれぞれ一個の異なった可変コンデンサの第１の板（駆動板）からなる。第１基板は更に力をピックアップ板へ（例えば、サンプルホルダーから）接触しない、すなわち孔や通路を通過する際に接触して摩擦を起こすことのないように伝達するため受取手段用の貫通した孔または通路を含む。ピックアップ板は以下に更に詳しく記述される。第５基板は更に正反対にかつ金属面が内面上に孔または通路からエッチングが行われる第１基板にある孔または通路の寸法に一致する領域を含む。これはセンサーの応答の直線性を維持するために行われる。第１基板と第５基板の外側の金属被覆された面は公知の方法でシールドとして作用する。
【００３９】
第１及び第５基板、すなわち外側基板はそれぞれ絶縁基板すなわち少なくとも以下に記述する第３基板の中央板の大きさの開いた中央部分を有するフレームメンバーからなる第２及び第４基板と境を接する。
【００４０】
第３基板はこれらの二つの絶縁フレームメンバーの間に挟まれる。第３基板の一部分は第１及び第４基板により定義される一対の可変コンデンサ用の共通第２板すなわちピックアップ板からなる。第３基板はばね状の部位により宙に浮いた平らな中央板を含む。好ましい実施形態では、ばね状の部位は４個の比較的薄いＬ型ばねを含む。金属集団は５個の基板が共に挟まれているときフレームオープニング内で置き換え可能である。
【００４１】
中央板へ力を伝達する手段、例えばサンプルホルダーや受け台、は接触しないで第１及び第２基板に接触することなく通過し、他方接し、接触すなわち宙づりの金属集団に接触して手段を中心に近付ける。この方法で、サンプルホルダーや受け台に加えられた力は宙づりの金属集団の変位に変換される。
【００４２】
上に略述した構造物にある各種の基板層への電気的接続は多層プリント配線組立に共通した従来の板通し孔技法を使って作られた金属孔に差し込み貫通された導電ピンにより作ることができる。
【００４３】
一対の駆動板へＡＣ搬送信号を加える手段が与えられる。高周波数発振器からのＡＣ信号は第１基板と第５基板すなわち変換器の二つの最外側の定常板に関連したターミナルを横切って印加され中央置き換え板（ピックアップ板）は出力を提供する。このようにして、中央可動板の反りの量に比例したプッシュプル信号が作られ増幅され、そして出力信号を監視するための手段により同期的に復調される。力、重量、または変位に比例したＤＣ電圧信号が作られる。
【００４４】
他の実施形態では、上記のセンサーも同時またはその直後の走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡作像能力でサンプルの超微小硬度を測定するための道具として利用可能である。本発明のセンサーは実寸範囲３グラムを３０マイクログラムの分解能で容易に提供できる。
【００４５】
本発明のセンサーが微小押込みや作像用の装置に利用されるとき、センサーは現在は原子力顕微鏡に得られる偏向信号をレーザを反射する片持ちばりの光学センサー出力から作るために利用される。更に、この第２実施形態で、サンプルは力センサー上に取り付けられ、適切な圧子チップまたは他の堅い鋭利なチップが走査トンネル顕微鏡圧電アクチュエータ上に取り付けられる。センサーからの出力が制御ユニットへ送り返され、システムがより標準原子力顕微鏡に似たように動作するように圧子チップまたはサンプルが導電性を有することは必要ないことが分かっている。
【００４６】
サンプルは接触力をサンプルに影響しないように適当に低い値に特定することにより作像することが可能である。作像後、制御装置は変換器と共に使われチップをサンプルに押し込んで押込みを作り、他方変換器は押込み工程中に加えられた負荷を読む。
【００４７】
第２の実施形態では、変換器はサンプルチップに押し込んで押込みを形成する。これは電圧を駆動板の一つに加えピックアップ板と帯電駆動板の間に吸引力を与えるために静電制御装置を使うことにより達成してもよい。サンプルはそのとき押込みの結果が別の押込み装置で行ったときのように時間刻みよりむしろ分刻みで見ることができるように同じチップを使って再作像できる。
【００４８】
代わりに、変換器ピックアップ板を押込み機チップに直接または間接に接続してもよい。この実施形態では、結果として生じたピックアップ板の運動は押込みを行うためにチップをサンプルに打ち込むために必要な力を生ずる。
【００４９】
更に本発明の他の実施形態は高精度多次元変換器を含む。多次元変換器は力や運動を付与し、および／または駆動板に関連して第１方向に動くように取り付けられたピックアップ板を持つ第１方向に力、重量、または位置を検出するための第１容量変換器を含む。第２容量変換器は力または運動を与えたりおよび／または駆動板に関連して第２方向に動くように取り付けられたピックアップ板を持つ第２方向に力、重量、または位置を検出するために含まれる。
【００５０】
第１容量変換器および第２容量変換器は各ピックアップ板からの対象遠隔と前記ピックアップ板の間で力を伝達するための手段を含んでもよい。第１変換器および第２変換器は更に前記の相対位置に比例した出力信号を与えるために駆動板に関連したピックアップ板の位置に応答する手段を含んでもよい。
【００５１】
変換器は更に各ピックアップ板を選択的に制御しピックアップ板を経由して遠隔にある物体に力を選択的に与えるための手段を含んでもよい。ピックアップ板により遠隔にある物体上に力を選択的に与えるための手段は静電作動を含んでもよい。各ピックアップ板を選択的に制御するための手段は各変換器に連結した静電アクチュエータを持った制御装置を含んでもよい。
【００５２】
多次元変換器は更に力や運動を与えるためのおよび／または可動的に取り付けられたピックアップ板を持った第３方向に力、重量、または位置を検出するための第３容量変換器を含んでもよい。更に、多次元変換器は力や運動を与えるためのおよび／または可動的に取り付けられたピックアップ板を持った第２方向に力、重量、または位置を検出するための第２容量変換器を含んでもよい。
【００５３】
多次元変換器はマイクロメカニカル試験システムにおける使用を含む多くの用途を持つ。一つの好ましい実施形態では、本発明は本発明による高精度多次元容量変換器を含む走査プローブ顕微鏡装置を含む。本発明によれば、多次元変換器はマイクロメカニカル試験システムに本来の作像を提供するために使ってもよい。
【００５４】
本発明は更にサンプルにマイクロメカニカル試験を行う方法を含む。その方法はサンプルを置く段階を含む。マイクロメカニカル試験は高精度、多次元容量変換器を使って行われる。
【００５５】
その方法は更に多次元容量変換器を使ってあるべき場所にサンプルを作像する段階を含む。多次元容量変換器を使ってマイクロメカニカル試験を行う段階は更に力や運動を与えることおよび／または第１方向に力、重量、または位置を検出すること；力や運動を与えたりおよび／または第２方向に力、重量、または位置を検出することを含んでもよい。マイクロメカニカル試験を行う段階は更に力や移動を与えおよび／または第３方向に力、重量、または位置を検出する段階を含んでもよい。
【００５６】
これらのそして本発明を特徴づける新規性の各種の他の利点や特徴は本明細書に添付され本発明の一部を形成する請求の範囲に詳細に指摘されている。しかしながら、本発明、その利点、そしてその利用により得られた目的をより良く理解するために、発明のさらなる部分を形成する図面、および本発明の図解そして記述された好ましい実施形態の説明事項が参照されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
添付した図面にわたって本発明の好ましい実施形態の対応する部品や素子が類似の参照符号によって示されている。
本発明の詳細の実施形態をここに記述する。しかしながら、開示された実施形態は各種のシステムに実施してよい本発明の単なる代表例であることを理解することである。それゆえに、ここに開示された詳細は限定を設けるように解釈されるものではなく、むしろ請求の範囲に対する基本としてまた本発明をいろいろに実行するために技術の習熟の一つを教えるための代表的な基本として解釈されるべきものである。
【００５８】
本発明は一般に二つの実施形態を含む。第１の実施形態は力を与えたり変換器から遠く離れた対象物を動かすことができる変換器に向けられ、それはまた力や位置を示す装置や変換器であってもよい、そして第２の実施形態は高分解能力を持った結果の微小押込み硬さ試験や引き続いて行われる表面作像用の装置に向けられる。第２の実施形態は、好ましい設計においては、第１の実施形態の変換器の要素を利用する。力や位置を与えたり指示する装置や変換器は先ずこのように記述される。変換器を利用する微小硬さ試験と引き続く表面作像用の装置が記述され、変換器のみに関する開示がそのような変換器を利用する試験機に同等に応用できることが認識される。
【００５９】
本発明の力（重量を含む）や位置を指示する装置や変換器は一般に三つの構成部分を持つ。第１構成部分は多板式容量システムを含む変換器である。第２構成部分は力を与えたり変換器から遠く離れた対象物を動かすために変換器を制御するための手段である。第３の構成部分はＡＣ搬送信号を加えたり、変換器の出力を監視するための手段を含み、好ましくは力、重量、または変位に比例して出力を変換器からＤＣ信号ヘ変換する出力信号検出機／調整機を含んでもよい。
【００６０】
図１を参照すると、そこには本発明のセンサー素子２の構成部分の分解図が示されている。機能的にはセンサー素子２は直列に接続されかつコンデンサー電圧分周期を形成する二つの可変コンデンサーとして機能する。総合的なセンサー素子２は共にサンドウィッチ状になった５個の基板層８、１０、１６、１４、１２を含み変換器を形成する。センサー素子２はよく知られるプリント配線回路エッチング技術を使って作られる。
【００６１】
第１基板層８と第５基板層１２は変換器の駆動板すなわち固定板を含み搬送信号で駆動される。搬送信号は５０ＫＨｚのオーダのＡＣ信号で互いに１８０度位相がずれたこれらの最外側の基板８と１２に対する信号である。
【００６２】
第１基板８と第５基板１２の外側のむき出しの表面は例えば銅などで金属被覆されている。この金属層はＥＭＩノイズに対するシールドとして機能する。第１基板８と第５基板１２の内側面上には金属被覆パターン３０が与えられている。この金属被覆されたパターンは各基板上に駆動板を形成する。第１基板８の内部の面上の金属被覆は一般に第５基板１２上の金属被覆に対応する。図１に示されているように、金属被覆パターン３０すなわち第５基板１２の内側の駆動板は一般に長方形フレームパターン３１を含む。基板金属被覆されたパターン３１の周囲に広がっているのは金属被覆されていない開口３２を定義するチャネルである。金属被覆されていない開口３２の中央に配置されているものが導電材料の長方形に金属被覆されたパターン３１で、導電ターミナル部分３４への導電リード３３を持っている。
【００６３】
第１基板８の内面上の金属被覆は二つの例外を持つ第５基板１２の内面の金属被覆に似ている。第一の違いは各基板３４と３６のターミナル部分はセンサー素子２を組立てるとき縦方向に一直線状になるというよりはむしろ互いに片寄る。第二の違いは第１基板８の厚みを通って中心に配置された貫通孔２２が与えられていることである。貫通孔２２はサンプルホルダー２７または力を貫通孔を通って伝達するための手段を受け取るために中心に配置され、更に詳しくは以下に述べる。
【００６４】
第５基板１２の内面は脱金属されまたは貫通孔２２に対応するエッチングが行われた部分３８を含む。一般に貫通孔２２に対応する脱金属が行われまたはエッチングが行われた部分３８を提供すると互いに鏡像になる層の内部の第１基板８と第５基板１２の各々に導電材の長方形の金属被覆されたパターン３０が与えられる。この提供は一対の容量変換器４と６からの線形応答を与えるために必要である。
【００６５】
センサー素子２または第１基板８と第５基板１２の外側層は両側に銅の１／１６インチ（０．１５センチメートル）のガラスエポキシのような標準配線板材から製造できる。労働条件を減らすために、多数の外層基板を一度に製造してもよい。例えば、６インチ（１５．２４センチメートル）のシート材を利用して約１／２インチ平方（１．２７平方センチメートル）の基板層を１００枚製造してもよい。第１基板８と第５基板１２の金属被覆部分３０に対するパターンを銅に最初にエッチングを施してもよい。基板は多数のシート材内に個々のデバイスの周囲に路線を施し、個々のデバイスと共に保持するために薄いタブ材だけを残してもよい。これらのタブによりデバイスは組立て後、ばらばらにすることができる。
【００６６】
第２基板層１０と第４基板層１４はスペーサー層からなる。図にしめしたように、これらの層１０と１４は一般に長方形で一般に長方形の開口部をそれが完全に基板を通って拡張するようにそこの中心に形成してもよい。スペーサー層、第２基板１０、および第４基板１４は絶縁体、すなわち絶縁被覆で覆われていなければならない。絶縁体１０、１４を通る開口部は以下に述べる第３基板１６上の中央板２０の寸法、および同じく以下に述べる関連した適当なサスペンションシステムに等しいか大きい。
【００６７】
第２基板１０と第４基板１４は両側を絶縁被覆したエッチングを施した金属から製造することができる。この絶縁被覆はエポキシまたはエナメル塗装のマグネットワイヤー上で使用する他の有機被覆であろうが、しかし最良の結果はスペーサーにアルミを使い酸化アルミの絶縁被覆を形成するためにそのアルミを陽極処理することにより達成できると信じられる。
【００６８】
絶縁スペーサー、第２基板層１０、および第４基板層１４は使われたフォトレジスト化学薬品の種類により先ずエッチングを施し次に陽極処理を行うかまたは陽極処理を先に行った後でエッチングを施すことができる。好ましい方法は両側に薄い（０．０００１２インチ（０．０００３０センチメートル））陽極処理した層と共に購入したアルミシート在庫品を使うことである。この陽極処理した層センサー素子２の他の層を作るために使うことができる正の液体フォトレジストと良く接着する。裸のアルミを使うと、レジストはエッチングされる端のところで剥がれる傾向があり望ましい寸法を維持することが難しい。
【００６９】
エッチングの後、フォトレジストと元の陽極処理は取り去られ、部品は所望の絶縁厚みに陽極処理される。０．０００５インチ（０．００１３センチメートル）またはそれ以下の陽極処理厚みの層は必要な電気的絶縁性を与えるが、外側の層のシールド、第１基板層８、第５基板層１２と以下に述べる中央板、第３基板層１６の間のキャパシタンスを最小にするためにできるだけ陽極処理の厚みを大きくすることが望ましい。
【００７０】
第３基板層１６は絶縁層、第２基板層１０、および第４基板層１４の間にサンドウィッチ状に挟まれる。第３基板層１６は一対の変換器４、６に共通のピックアップ板を含む。中央板２０は適当なサスペンションシステム１８に取り付けられ中央板２０すなわち第３基板層１６上のピックアップ板の所望の相対運動を提供する。第３すなわち中央基板層１６はスリット１９のパターンで定義されたサスペンションシステム１８により支持されたエッチングを施した金属層であることが可能である。中央板２０はこのように固体部分すなわちサスペンションシステム１８を取り巻くフレームワークにより宙づりされた塊である。第３基板層は更に電気的接続用ターミナル１７を含む。中央板として使われる好ましい金属はベリリウム銅合金である。
【００７１】
４個のＬ型スリット１９のパターンは図に示されているが、他のパターンを利用して中央板２０用に同じ種類のばね支持構造を与えてもよい。更に、効果的なばね定数を変えることにより、中央で支持される塊すなわち中央板２０が、この基板の材料の厚みやばね素子の寸法を変えることで達成してもよい。このように、第３基板層１６の中央板２０上に加えられる単位力あたりの全動程範囲は設計により変えてもよい。このように、全範囲を変えるセンサーを製造してもよい。
【００７２】
第５基板層８、１０、１６、１４、および１２はまとめて組立られ、第３基板層１６の中央板２０は絶縁基板、第２基板層１０、および第４基板層１４に形成された開口以内の中心に配置され、かくして中央板２０は第１基板層８と第５基板層１２に関連して自由に偏向する。
【００７３】
層類は基板類の全周辺に挿入され外部基板類に半田付けされたピンでこれらをまとめてとめ、手でまとめて組立ててもよい。組立られたとき、各種の内部層または基板類の間にある選択された電気的接続は米国特許第４，６９４，６８７にボーニン（Ｂｏｎｉｎ）らにより開示されているように容易に与えられる。
【００７４】
中央板２０から遠く離れた点と中央板２０の間に力２４を伝達する手段が与えられる。この手段はサンプルホルダー２７を含み、サンプルの重量により作られる力を第３基板層１６の中央板２０へ伝達し、力や運動を中央板２０からサンプルホルダー２７（または他の装置）へ伝達し押込みや他のマイクロメカニカル動作を行う。サンプルホルダー２７すなわち中央板２０の貫通接続から遠隔にある物体へといったように力や運動を中央板２０から遠く離れた対象物へ中央板２０から伝達するための手段はこの明細書に後で詳しく記述される。
【００７５】
好ましい実施形態では、サンプルホルダー２７はサンプル支持面２６とステム部分２８を含む受け台である。ステム部分２８は第１基板層８にある貫通孔２２と第２基板層１０にある開口を通って延びている。ステム部分２８の底面２９はセンサーを組立てるとき中心点２３で中央板２０の上面に接触する。ステム部分２８と貫通孔２２の壁の間の空間はダイヤフラムシールまたは汚物の侵入は防ぐが受け台や力２４を伝達する他の手段の運動を阻止する他の封止手段により好ましくは汚染物から封止される。
【００７６】
このように、機能的に、サンプルホルダー２７のサンプル支持面２６上にサンプルや他の手段により加えられた重量や力は第３基板層１６の中央板２０へ伝達され、サンプルホルダー２７の面上に加えられた力と同程度に中央板２０に偏向を生じさせる。このように、中央板２０は力の下に最も外側の基板類、第１基板層８、および第５基板層１２の一つまたは他のものに向かってより近くあるいは更に遠く離れて動く。無論、サンプルホルダー２７は動くあるいは力を加える要素へ面２６上に「負荷」を位置付けることなく直接接続してもよい。むしろ、面２６はこの目的のために適用されたコネクターにより置き換えてもよい。
【００７７】
搬送信号を最も外側の板すなわち第１基板層８および第５基板層１２へ与える手段が与えられる。この信号はＡＣ信号であることが可能である。このような手段は５０ＫＨｚの交流信号を生産する発振器を含めてもよい。最も外側の板の各々への信号は他の最も外側の板へ与えられた信号と１８０度位相が異なることが好ましい。
【００７８】
手段はまたセンサー素子２からの出力を読み、中央板２０の力、重量、または変位に比例した信号へ出力を変換するために与えられる。出力信号は一般に非常に高い入力インピーダンスのバッファーアンプ（１００メガオーム−０．３ｐＦ）を通過させられ、そのとき同期的に復調されＤＣ信号を作る。ＤＣ信号は中央板２０の力、重量、または変位に比例する。その出力は変位の一方向に対しては正、その逆方向に対しては負であるだろう。サンプルホルダー２７すなわち力を伝達する手段は中央板２０に取り付けられるかあるいは接触しこのような中央板２０に同調して動くことが認められる。センサー２の出力は実際には中央板２０に比例するが、センサーが線形の力対変位関係を持つから力（重量を含む）を表すように簡単に較正できる。
【００７９】
サンプルホルダー２７すなわち力を伝達する手段は絶縁材から製造するかまたは絶縁材で被覆しなければならないことが分かる。更に、センサー素子２の感度を下げるかもしれないどんな摩擦効果も避けるように貫通孔２２の内径とステム部分２８の外径の隙間は十分でなければならない。
【００８０】
本発明の容量変換器の信号対ノイズ比は現在使われている金属ひずみゲージ変換器のそれよりはるかに良い。ひずみゲージ変換器の最小ノイズレベルはひずみゲージ抵抗素子の熱的ノイズにより決定される。このノイズは抵抗値の平方根に比例する。出力信号は入力信号に比例はするが、それは非常にわずかなものである。商業規模のひずみゲージ変換器から得られる典型的な値は５ミリボルトの実寸で１７５オームの抵抗値である。
【００８１】
本発明の三枚式容量変換器は抵抗変換器のようにノイズを生成しないが、信号はそれをアンプに接続しないで使われ、アンプは非常に高い入力抵抗を有し、それゆえにアンプはノイズを作る。このノイズの下限はアンプの効果的な入力インピーダンスにより決定される。容量変換器はアンプの入力インピーダンスに並行し、アンプの入力インピーダンスは変換器のインピーダンスよりはるかに大きい（すなわちその出力は非常に非線形）であるから、効果的な入力インピーダンス変換器のそれに等しい。
【００８２】
変換器のインピーダンスはキャパシタンスと動作周波数により決定される。動作周波数が高ければ高いほど変換器のインピーダンスは低くなる（Ｘ０＝１／６．２８ＦＣ）。キャパシタンスは層間の空きが０．００５インチ（０．００１３センチメートル）の１／２インチ平方（１．２７平方センチメートル）の装置に対しては約１０ｐＦである。動作周波数はアンプおよび関連回路の周波数応答によってのみ制限を受け、どんな便利な値でも可能である。変換器の実出力信号は控えめに取って１０ボルトの入力電圧に等しい。容量変換器の実出力は１０ボルトで、これはひずみゲージ変換器のそれの２，０００倍以上である（５ｍＶ）。インピーダンス、そして従って生じたノイズは（かなり費用がかかるであろう非常に高い周波数の場合を除き）容量変換器ではずっと大きくなるが、はるかに高い固有の出力レベルのため容量変換器の信号対ノイズ比は有意義的にずっと良い。
【００８３】
以下の表は二つの変換器に対する信号対ノイズ比の関係を示す。
【００８４】
【表１】
2008070373.tif 000003
上の表より容易に分かるように、本発明の容量変換器は電子ノイズに関してはひずみゲージよりはるかに優れている。
【００８５】
容量変換器またはセンサー素子２の出力は中心の集団部分２０すなわち電極の変位に比例するから、物差しすなわち変位の測定に使う器具が製造されてもよいことが分かる。サンプルホルダー２７すなわち力を伝達する手段が測定されることになっている面に対して対象物を偏向しかつその実際の位置を変えるであろう過剰の力を加えることなく信頼して力を加えられるように中央板２０を支持するサスペンションシステム１８に対して適当な剛性を選択することが先ず必要である。次に、絶縁スペーサー、第２基板層１０、および第４基板層１４が中央板を十分にオフセットするために違った厚みに製造してもよい。これはデバイスの動作範囲を変更するであろう。今までの実験結果では１０オングストロームより良い分解能が得られている。
【００８６】
図２を参照して、本発明の変換器は一般に力または運動を与えるシステムとして１００で示されている。システム１００では、制御装置１０２は変換器１０４に連結される。変換器１０４は図１に示される多板容量変換器システムに似ている筈である。変換器１０４は、制御装置１０２に応答して、１０６で示されるように、力や運動の出力を変換器１０４から遠く離れた点に選択的に与える。
【００８７】
図２に示すシステム１００の好ましい実施形態では、システム１００は静電気制御装置１１２に対し１１４で示すように電気的に連結されたデータ取得制御システム１１０を持つ制御装置１０２を含む。静電気制御装置１１２は１１６で示すように電気的に変換器１０４に連結される。
【００８８】
図１に示された多板容量変換器と同様、変換器１０４は駆動板１１８、駆動板１２０、およびピックアップ板を持つ多板コンデンサーを含む。機械的に連結されたピックアップ板１２２は伝達手段１２４である。伝達手段１２４は中央板１２２と遠隔にある物体１０８の間に力または運動を伝達する。
【００８９】
動作中、静電気制御装置１１２は比較的高い電圧を変換器１０４の駆動板１１８および／または駆動板１２０へ加える。駆動板１１８と１２０は変換器１０４内に固定的に取り付けられ、ピックアップ板１２２は変換器１０４内に可動的に取り付けられる。好ましい実施形態では、静電気制御装置１１２は比較的高い電圧を駆動板１１８にかける。可動的に取り付けられたピックアップ板１２２と固定した駆動板１１８の間の静電吸引力はピックアップ板１２２を引いて駆動板１１８へより近付ける。ピックアップ板１２２が駆動板１１８へより近づくように動かされると力伝達機構１２４は対応した力または運動を遠隔にある物体１０８へ伝達する。
【００９０】
静電気制御装置１１２は手動または自動的にデータ取得制御システム１１０を通して制御される。一つの好ましい実施形態では、静電気制御装置１１２は駆動板１１８へＤＣ電圧をかけるためのアンプに連結されたＤＣ電源装置を含む。駆動板１１８にかけられた電圧はデータ取得制御システム１１０により選択的に変更してもよい。静電気制御装置１１２により駆動板１１８へかけられた電圧が増加するにつれピックアップ板１２２と駆動板１１８の間の静電吸引力は増加し、ピックアップ板１２２は駆動板１１８へより近づくように引かれる。
【００９１】
一つの好ましい実施形態では、静電気制御装置１１２は最大ＤＣ電圧を６００ボルトのピックアップ板１１８へかけるためアンプに連結されたＤＣ電源を含む。この実施形態では、遠隔にある物体１０８へ力伝達機構１２４を通して伝達された最大力は約１０ｍＮである。最大力１０ｍＮはほとんどの実際の試験装置には十分であるが、実質的に力を増加させることは可能であることが認められている。一つの実施形態では、力は駆動板１１８とピックアップ板１２２の間のスペースを少なくし、変換器１０４の組立に異なる厚みのスペーサーを使うことにより増加さる。
【００９２】
静電気制御装置１１２はピックアップ板１２２から遠く離れた対象の力や運動を与えるために駆動板１１８または駆動板１２０の何れかに連結してもよいことが認められている。代わりに、図２に示されるように、静電気制御装置１１２は力を与えおよび／または位置決め装置として変換器を使うために比較的高い電圧を駆動板１１８と駆動板１２０へ加えるため駆動板１１８と駆動板１２０に連結してもよい。その上、単一コンデンサーシステムを静電気制御装置１１２が単一駆動板１１８へ連結される場所に利用してもよい。多重コンデンサーシステムと同様、静電気制御装置１１２が電圧を駆動板１１８へ加えるとき、ピックアップ板１２２は駆動板１１８へ引かれ対応する力や運動を遠隔にある物体１０８へ伝える力を伝達機構１２４へ伝達することになる。
【００９３】
加えて、図２はピックアップ板１２２と遠隔にある物体１０８の間に力と運動を伝達するため力とピックアップ板１２２から駆動板１１８の中心に配置された孔を通って遠隔にある物体１０８へ延びた力伝達機構１２４を示す。変換器１０４は本発明の範囲に留まる限り多くの異なった形状や形態を取ってもよいことが認められている。力伝達機構１２４は駆動板１１８を通過しないで力や運動をピックアップ板１２２から遠隔にある物体１０８へ伝達してもよい、すなわちピックアップ板１２２と遠隔１０８の間に力や運動を与えるために対象１０８はピックアップ板１２２に直接接触することが出来る。
【００９４】
図２Ａに示す本発明の他の実施形態において、ピックアップ板１２２は駆動板１１８または駆動板１２０を通過しないで直接あるいは間接に遠隔にある物体１０８へ接続してもよい。この実施形態では、ピックアップ板１２２はピックアップ板１２２と遠隔にある物体１０８の間に力または運動を伝えることが出来る。図２Ａに示す一つの実施形態では、ピックアップ板１２２はサンプルホルダー１２４上に置かれたサンプル１０８の押込みを行うためにチップ１２５を持った遠隔にある物体１０８上に力を与えることが出来る。
【００９５】
静電作動により作られた力は以下のように計算できる。
F=KV２
ここに力の単位はニュートン、ｋは力定数で単位はニュートンボルト平方、Ｖはボルトである。力定数ｋの正確な値は遠隔にある物体１０８の重量で変化し得る、その理由はこれは変換器１０４の板１１８、１２２、１２０間の内部のスペーシングを変えるからである。図２に示す実施形態では、力定数ｋは試験重量を加え、これらの重量の力を釣り合わせるために必要な電圧を決定することにより定位置で変換器力対静電ポテンシャルを測定するような簡単なラボ試験を使って決定してもよい。この方法で、ピックアップ板１２２は常に同じ位置にあり、それゆえに電場は加えられた電圧に比例する。
【００９６】
本発明の範囲内で変更は多板容量変換器１０４で行われシステムの性能を変更または改善をしてもよいことが認められる。例えば、非導電スペーサーは駆動板１１８、駆動板１２０、およびピックアップ板１２２の間に設けてもよいし、代わりに変換器１０４はコロナ破壊のような現象を予防するため誘電流体で満たすこともできるであろう。もしコロナ放出が存在するなら、変換器１０４の内部のイオン化された空気は駆動板１１８、駆動板１２０、およびピックアップ板１２２の間の相対キャパシタンスを変えることもできるであろうし、変換器１０４に対して間違った出力を生じる可能性があろう。
【００９７】
図３は本発明の他の実施形態を示す。図２に示すシステム１００に加え、発振器１３０は駆動板１１８と１２０に関連するピックアップ板１２２の変位を計測するために搬送信号を変換器１０４の多板容量システムへかけるために含まれ、力、重量、または位置に比例する。一つの好ましい実施形態では、発振器１３０は電気的に駆動板１１８と１２０へ連結される。発振器１３０はＡＣ搬送すなわち他の駆動板に与えられた信号と１８０度位相がずれた各駆動板へ加えられる高い周波数信号を生産する。一般に、各駆動板に加えられた搬送周波数は静電制御信号の周波数より高く二つの信号間に干渉は取り除かれる。
【００９８】
加えて、バッファーＢ１とＢ２は静電気制御装置１１２、変換器１０４の間および発振器１３０と変換器１０４の間に絶縁のためにそれぞれ設けられる。バッファーＢ１とＢ２により発振器１３０は静電気制御装置１１２の高電圧供給には影響されないし静電気制御装置１１２は発振器１３０信号により影響を受けない。一つの好ましい実施形態では、バッファーＢ１は一対の１メガオーム抵抗装置でバッファーＢ２は一対の１，０００ピコファラッドコンデンサーを含む。
【００９９】
出力信号検出装置／調整装置１３２は搬送信号を駆動板１１８と１２０へ加える発振器１３０から生じる変換器１０４の出力信号１３１を読むためピックアップ板１２２へ連結される。変換器１０４の出力信号１３１は感知された力、重量、または変位を表すピックアップ板１２２の位置に比例する。
【０１００】
出力信号検出装置／調整装置１３２は出力信号１３１をピックアップ板１２２からピックアップ板１２２に関して力、重量、または変位に比例した信号へ変換する。一つの実施形態では、出力信号は非常に高い入力インピーダンス（１００ＭΩ−０．３ｐＦ）のバッファーアンプを通し、それから同期的に復調されＤＣ信号を作る。ＤＣ信号はピックアップ板１２２の力、重量、または変位に比例する。加えて、入力信号１３３は制御装置１０２を使って駆動板１１８と１２０に関連したピックアップ板１２２の位置を制御するとき出力信号検出装置／調整装置１３２からデータ取得制御システム１１０へ与えられる。
【０１０１】
図３Ａは図３に示す測定システムの等価回路ダイヤグラムで、発振器１３０と多板容量変換器１０４を含む。図３Ａのノード１、２、３は図３の変換器１０４のノード１、２、３に対応する。示されているように、変換器１０４は容量電圧分割装置として各ノード１と２でノード３の電圧出力信号と１８０度位相が異なるＡＣ搬送信号を与える発振器１３０でモデル化される。ノード３における電圧出力信号はノード１と３の間のキャパシタンスとノード２と３の間のキャパシタンスの比により決定される。
【０１０２】
前に詳述したように、搬送信号を変換器１０４の駆動板１１８と１２０へ与える発振器１３０により、出力信号検出装置／調整装置１３２は駆動板１１８と１２０に関連したピックアップ板１２２の位置に比例するピックアップ板１２２で出力信号を監視する。それゆえに、静電気制御装置１１２は電圧を駆動板１１８に加え力を遠隔にある物体１０８に与えるために駆動板１１８に向かってピックアップ板１２２を引き、遠隔にある物体１０８に与えられた力は以前に説明したように加えた電圧に力定数を掛けた平方の比により決定してもよい。ピックアップ板１２２上の出力信号は直接ピックアップ板１２２の位置に比例する。
【０１０３】
図４を参照すると、本発明の上記の変換器を組み入れて硬さ試験と面作像用の装置の略図が示されている。この実施形態を使うとサンプルの表面地形の走査、直ぐ後に微小押込み試験、続いて表面地形の第２の作像をすべて同じ装置の上で行うことが可能である。一般に、図４の略図は本来の高分解能作像と微小押込み試験を一つの装置で行うために修正されたディジタル装置から利用できるナノスコープＩＩＩのような商業走査トンネル顕微鏡を示す。
【０１０４】
以前に述べたように、参考として走査トンネル顕微鏡は商業的に知られている。本明細書に参考文献として組み入れられた１９８９年１０月号の雑誌Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ａｍｅｒｉｃａｎの９８−１０５頁にウィックラマシング（Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ）により開示された「走査プローブ顕微鏡」のように、走査トンネル顕微鏡は図４に示されるいくつかの標準部品を含む。
【０１０５】
走査トンネル顕微鏡を使うと、サンプル１５２は分析のためにサンプルプラットフォーム１５４上に置かれる。走査トンネル顕微鏡は原子尺度の地形をプローブ１５０とサンプル１５２の表面の間のギャップを横切って通じる電子の手段により感知する。走査ヘッド１５８はその上にプローブを持っている。走査ヘッド１５８（図示の実施形態では３次元圧電作動ヘッド）は加えられた電圧の変化に応じて３方向にプローブを動かすために利用される。圧電性セラミックが一般に利用されるがその理由は圧電性セラミックは電圧のそのような変化に応じてわずかに寸法を変え、かくしてプローブを３次元的に操作する。走査ヘッド１５８にかけられた電圧は走査トンネル顕微鏡制御装置１６０により制御される。
【０１０６】
使用中は電圧はプローブ１５０のチップに加えられトンネル電流が流れ始めるまで導電または半導電されなければならないサンプル１５２の表面に向かって動かされる。プローブ１５０のチップはそのとき水平動作を制御する圧電性セラミックへ電圧を変えることによりラスターパターン状に前後に走査する。トンネル電流はサンプルの地形と共に変わる傾向があり、それゆえに帰還機構を与えそのようなトンネル電流を監視する電流出力信号１６６はそのような信号を走査トンネル顕微鏡制御装置１６０へ送る。制御装置１６０はプローブ１５０のチップを表面からの離れに続いて上下に動かすことにより反応する走査ヘッド１５８へ出力を調整する。プローブ１５０の運動は表面のイメージに変換されイメージディスプレイ１６２上に表示される。
【０１０７】
走査トンネル顕微鏡を使うとプローブ１５０は一般にタングステンを使いチップは単一原子からなり巾は０．２ナノメータになるように精細に作る。
後に続く面の作像で微小押込み用の出願人の本発明の装置はいくつかの変形を伴って上記の走査トンネル顕微鏡を利用する。変換器１５６は第１実施形態に記述したように標準サンプルホルダーの代わりに走査トンネル顕微鏡ベース上に取り付ける。サンプル１５２はそれからサンプルプラットフォーム１５４上に取り付けられる。出力信号調整装置／検出装置１６４を変換器１５６へ接続し変換器１５６からの出力信号を監視しプローブ１５０によりプラットフォーム１５４上のサンプル１５２へ加えられた力に比例した信号へ変換する。出力信号調整装置／検出装置または変換器出力信号はそれからプローブ１５０の縦方向の位置すなわちＺ軸に沿った位置を表面作像中に走査トンネル顕微鏡制御装置１６０を通してそのような信号を送ることによりプローブ１５０の縦方向の位置を制御するために利用してもよい。代わりに、出力信号調整装置／検出装置１６４からの出力は微小押込みまたは微小硬さ試験中に加えられた力の測定のために監視できる。これらの手順は以下に述べる。
【０１０８】
上記の走査トンネル顕微鏡はまたタングステンプローブを微小押込み試験のためにより堅いチップと置き換えることで変更される。好ましい実施形態では、ブルーダイヤのようなダイヤモンドチップが使われる。チップは導電性を持つ必要はなく、または試験されるサンプルも導電性を持つ必要はないが、導電性ブルーダイヤモンド走査トンネル顕微鏡チップは利用できることが認められる。これらは出願人の装置で試験できることはいうまでもなく、導電性サンプルの走査トンネル顕微鏡作像用に使える。
【０１０９】
動作中に出願人の第２実施形態の変換器１５６は押込み中、または引っかき中に力を加え、押込み中、または引っかき中に加えた力を測定し、そして試験前後に作像するために使われる。原子力顕微鏡型イメージは先ず走査トンネル顕微鏡からそのトンネル電流出力信号１６６を断ち、次にそこへ出力信号調整装置／検出装置１６４からの出力信号１６８を代用することにより得られる。走査トンネル顕微鏡の走査機能は出力信号調整装置／検出装置１６４の出力信号が一定のトンネル電流よりはむしろプローブ１５０チップとサンプル１５２の間に一定力を維持するためにＺ軸圧電セラミックを制御して正常の方法で動作される。代わりに、一定の高さのイメージはプローブ１５０チップＺ位置すなわち縦方向の高さが一定に保たれている場所で得られ、そしてイメージは出力信号調整装置／検出装置１６４の変換器１５６出力信号から直接に得られ、再び走査トンネル顕微鏡制御装置１６０を通過しイメージディスプレイ１６２上に表面地形の表示が生じる。
【０１１０】
いったん表面のイメージが上記の手順を使って作られると制御装置は力センサーが押込み工程中に加えられた負荷の読み取りを与えてチップをサンプルに押し込み押込みを作る。加えて、変換器１５６はサンプルをチップに押し込み押込みを作ることができる。特に好ましい実施形態では、静電気制御装置１７０は選択的に電圧を変換器１５６へかけ、変換器１５６が力を与え押込みのためサンプルをチップ１５０に押し込むことができるように操作が可能である。代わりに、変換器１５６はチップ１５０に接続してチップを押込みのためサンプルに押し込んでもよい。
【０１１１】
押込みのため変換器１５６により与えられる力は静電気制御装置１７０を手動であるいはデータ取得制御システム１７２による静電気制御装置１７０の自動操作により選択的に制御してもよい。データ取得制御システム１７２はマイクロプロセッサーまたは同様のロジックに基づいたシステム１７２を変換器１５６から望ましい力をかける電圧を計算するために含んでもよい。加えて、出力信号調整装置／検出装置１６４は電気的にデータ取得制御システム１７２に連結される。データ取得制御システム１７２は押込みが発生するにつれサンプルの運動を補償するため変換器１５６により加えられた力を調整するために使ってもよいがこれは柔らかいサンプルに発生するものとして知られる。変換器１５６により加えられた力はまた変換器１５６から受けた出力信号に基づいた出力信号調整装置／検出装置１６４で変更してもよい。
【０１１２】
押込み後、サンプルは押込みの結果がサンプルを動かしたり押込みがサンプルに行われた場所に点を見つけることなく時間刻みよりむしろ分刻みで見ることができるように同じチップで再作像できる。更に第１の像、押込み、そして第２の像がすべて単一の位置にサンプルで作られるから、第１の表面像と第２の表面像が同じ表面積を持ち滑像痕段階の対応効果を示すことが確認される。
【０１１３】
上記のシステムを使うと、導電性と非導電性サンプルの両方とも別の押込み作像装置を使うときがあるように試験領域を設ける問題はないように機械的試験の前後でサンプル位置を妨害することなく高い分解能で作像できる。スイッチを入れて原子力顕微鏡から走査トンネル顕微鏡へ変えることにより同じサンプル表面の原子力顕微鏡像と走査トンネル顕微鏡像を並べて比べることも可能である。これはときには原子力顕微鏡信号が一般にサンプル地形の正確な表現であるために、他方  走査トンネル顕微鏡信号が導電性または表面の電子状態についてある情報を与えるかもしれないので有用である。
【０１１４】
本発明の微小押込み硬さ試験および／または表面作像用の装置はサンプルをそこに取り付けるベースとそこに取り付けたプローブを持つ圧電ヘッドを表面地形を測定するためにベースに取り付けたサンプルの動作の結合のために利用される好ましい実施形態について述べられている。この実施形態ではプローブは圧電作動ヘッドに取り付けられ、他方変換器はサンプルを取り付けるためベースに取り付けられる。この配置を使うと走査ヘッドまたは圧電作動ヘッドはプローブを表面寸法地形にわたってラスターパターン状に動かす。しかし、プローブ、変換器、走査ヘッドの他の配置は本発明の範囲内では可能であることが認められる。出願人の発明の取扱いの鍵は走査プローブ顕微鏡装置は表面地形を測定するためサンプルの表面の動作の組み合わせのために配置された走査ヘッドにプローブを組み入れていることである。プローブはテストされるサンプルよりも硬さが大きく、変換器はその表面に係合する場合、サンプルとプローブとの間の力を測定し易い位置に設置し、力や測定の変位を押込みや他のマイクロメカニカル試験に供している。
【０１１５】
前に述べたように、第１の好ましい実施形態では走査プローブ顕微鏡はサンプルを取り付けるベースとそこに取り付けられたプローブを持つ圧電作動ヘッドを含む、変換器と共にベースに取り付けられサンプルはそこに留まっている。第２の好ましい実施形態では変換器は固定面に取り付けられプローブは変換器に付けられている。サンプルは圧電作動ヘッドすなわち走査ヘッドを組み入れたサンプルホルダーに取り付けられている。この配置で、圧電作動ヘッドはプローブに対してサンプルを動かし、プローブへ加えられた力は変換器を通して変換され力を測定する。
【０１１６】
第３の別の実施形態では、走査の対象の面を持つサンプルは本発明の装置を取り付けてもよい大きいサンプルであってもよい。装置は圧電作動ヘッドすなわち走査ヘッドに順に付けられる変換器に付けられたプローブを含む。この配置では、プローブは大きいサンプルの面と係合するように置かれ変換器は接触の力を測定するために再度利用され、他方走査ヘッドはプローブを作像のため面にわたって動かされる。
【０１１７】
第４の別の実施形態では、プローブは固定面に付けられる。この配置によると、サンプルと変換器は圧電作動ヘッドすなわち走査ヘッドに付けられる。かくして、走査ヘッドはサンプルを固定プローブにわたって動かし、変換器はそのプローブとサンプルの間の力を測定する。
【０１１８】
図５は本発明の他の実施形態を示す。多次元変換器２０２を組み込んだ力または運動を与えおよび／または検出するシステム２００が概略的に示されている。多次元変換器２０２はシステム２００が力や運動を遠隔にある物体または位置に与え、および／または多方向における力や運動を検出することを許可する。
【０１１９】
図５に示す一つの好ましい実施形態では、多次元変換器２０２は２次元変換器である。多次元変換器２０２は第１方向に力／運動を与えたり検出するために第１またはＸ方向の変換器２０４、および第２方向に力／運動を検出または与えるために第２またはＺ方向変変換器２０６を含む。Ｘ方向の変換器２０４とＺ方向変変換器２０６は以前にこの明細書に記載した容量変換器と同様のはずであり、好ましい実施形態では多板変換器１０４（１０４ｘまたは１０４ｚと呼ぶ）で、これは多板変換器１０４内に固定的に取り付けた一対の駆動板と駆動板に関連して変換器１０４に可変的に取り付けた共通ピックアップ板を含む先に記載した容量変換器と同様であるはずである。
【０１２０】
システム２００は制御装置１０２、発振器１３０、多次元変換器２０２、および出力信号調整装置／検出装置１３２を含む。一般に制御装置１０２は力および／または運動出力を多次元変変換器２０２から遠く離れた位置／対象へ与えるために多次元変換器２０２に連結される（例えば遠隔にある物体２１８に示してあるように）。発振器１３０と出力信号調整装置／検出装置１３２は多次元変換器２０２により与えられおよび／または検出された力、重量、変位に比例した変換器２０２出力を監視するために多次元変換器２０２に連結される。
【０１２１】
制御装置１０２は２０８で示された静電制御装置１１２（ＥＣ）にそして２０９で示された出力信号調整装置／検出装置１３２に電気的に連結される。静電制御装置１１２は２１０ｘと２１０ｚで示された多次元変換器２０２へ連結される。
【０１２２】
発振器１３０は２１２で示される多次元変換器２０２へ連結される。多次元変換器２０２は出力信号調整装置／検出装置１３２へ電気的に連結される。とくに、Ｘ方向変換器２０４は２１４で示される出力信号調整装置／検出装置１３２へ、Ｚ方向変換器２０６は２１６で示される出力信号調整装置／検出装置１３２へ連結される。同様に、多次元変換器２０２は２２０ｘと２２０ｚで示される（一点鎖線）遠隔にある物体２１８へ機械的に連結される。
【０１２３】
多次元変換器２０２は選択的に制御され別の大きさの運動／力を各方向に与える。同様に、多次元変換器２０２は独立にｘとｚ方向に力や位置を感知する。
動作中には、静電制御装置１１２は選択的に比較的高い電圧を多次元変換器に加える。一つの実施形態では、静電制御装置１１２は選択的に比較的高い電圧を２１０ｘで示されるｘ方向変換器２０４の駆動板に加える。ｘ−方向変換器を可動的に取り付けたピックアップ板と固定駆動板の間の静電吸引力はピックアップ板を駆動板の方へ引っ張る。ピックアップ板が駆動板へより近く動かされると力や運動の伝達機構は対応力や運動を装置リンク２２０ｘで示す遠隔にある物体２１８へ伝達する。上記動作の結果遠隔にある物体２１８はｘ方向に動かされ遠隔にある物体２１８にかかる力はｘ方向に持つようになる。
【０１２４】
同様に、静電制御装置１１２はｘ方向変換器２０４に加わった電圧とは独立して選択的に比較的高い電圧を２１０ｚで示すｚ方向変換器２０６の駆動板へ加える。ｚ方向変換器２０６の可動的に取り付けられたピックアップ板と固定駆動板の間の静電吸引力はピックアップ板を駆動板へより近く引っ張る。ピックアップ板が駆動板へより近く動かされると、対応した力や運動は遠隔にある物体２１８へ伝達される。遠隔にある物体２１８に与えられる結果の力や運動は２２０ｚに示すｚ方向に向く。
【０１２５】
この明細書で先に述べたように、静電制御装置１１２はデータ取得制御システム１１０を通して手動または自動的に制御してもよい。データ取得制御システム１１０は入力２０８で示される静電制御装置１１２により加えられた電圧を選択的に変えるために出力信号調整装置／検出装置１３２からの出力信号２０９に応答してもよい。代わりにまたは加えて、データ取得制御システム１１０は静電制御装置１１２の出力２１０を独立に制御できる。データ取得制御システム１１０は出力信号２０９を通して出力信号調整装置／検出装置１３２から受け取ったデータ点を記録するために使ってもよい。
【０１２６】
発振器１３０は各方向に検出された力、重量、および／または位置に比例した出力信号２１４と２１６を与えるため搬送信号を多次元変換器２０２に加える。特に、発振器１３０はＡＣ搬送すなわち高い周波数信号をｘ方向変換器２０４に与え、ｘ方向変換器２０４は出力信号２１４をｘ方向にｘ方向変換器２０４により検出された（または与えられた）力、重量、および／または位置に比例した出力信号２１４を出力信号調整装置／検出装置１３２へ与える。同様に、発振器１３０はＡＣ搬送すなわち高い周波数信号をｚ方向変換器２０６に与え、ｚ方向変換器２０６は出力信号２１６をｚ方向にｚ方向変換器２０６により検出された（または与えられた）力、重量、および／または位置に比例した出力信号２１６を出力信号調整装置／検出装置１３２へ与える。出力信号調整装置／検出装置１３２は信号２１４および／または信号２１６に対応してもよいデータ取得制御システム１１０へ信号２０９を与える。
【０１２７】
多次元変換器２０２は力を遠隔にある物体に２方向に与えてもよい、および／または代わりに２方向に力や位置を検出してもよい２次元変換器である。ｘ方向変換器２０４とｚ方向変換器２０６は力、重量、位置を与えおよび／または検出変換器として独立に使ってもよい。例えば、一つの好ましい実施形態において、静電制御装置１１２は選択的に力や運動を遠隔にある物体２１８に与えるためにｚ方向変換器２０６へ電圧を印加するだけである。一つの実施形態において、その電圧は最大１０ｍＮの力を与えるための最大６００ボルトのＤＣ電圧である。発振器１３０は遠隔にある物体２１８上の力を検出するために同期的に搬送信号をｘ方向変換器２０４とｚ方向変換器２０６へ加える。ｚ方向変換器２０６は遠隔にある物体２１８に与えられ、力や運動、そして引き続き検出されたｚ方向の力を表す出力信号２１６を出力信号調整装置／検出装置１３２に与える。ｘ方向変換器２０４は検出されたｘ方向の力を表す出力信号２１４を出力信号調整装置／検出装置１３２に与える。
【０１２８】
図６と７を参照すると、２次元変換器として多次元変換器２０２の一つの好ましい実施形態が一般には示される。図６は平面図、図７は多次元変換器２０２の側面図である。多次元変換器２０２が機械的に遠隔にある物体２１８に連結されたものが示されている。
【０１２９】
図６を参照すると、ｘ方向変換器２０４が一般に示されており、駆動板１１８ｘ、駆動板１２０ｘ、およびピックアップ板１２２ｘを持った多板容量変換器１０４を含む。
ｘ方向変換器２０４は機械的に機械的リンク２２６を通じてｚ方向変換器２０６に連結される。同様に、ｚ方向変換器２０６は駆動板１１８ｚ、１２０ｚ、ピックアップ板１２２ｚを含む多板容量変換器１０４ｚを含む。多次元変換器２０２は力をｘ方向変換器２０４の選択的静電作動とｚ方向変換器２０６の静電作動を通してｘ方向とｚ方向に独立に遠隔にある物体２１８に与えてもよい。同様に、多次元変換器２０２は力および／または運動をｘ方向とｚ方向に検出してもよい。加えて、第２のｘ方向変換器２０４’は機械的安定性のため含まれている。
【０１３０】
図８を参照すると、本発明の更に他の実施形態が多次元変換器２０２を力または運動を与え／検出するシステム２００内に含めて示されている。多次元変換器２０２は更に第３方向すなわちｙ方向に力や運動を与えおよび／または力や運動を検出するための変換器２０５を含む。Ｙ方向変換器２０５は先にこの明細書に記載の容量変換器と同様で、好ましい実施形態では、先に記載のように多板変換器１０４（ラベルは１０４ｙ）を含む。
【０１３１】
静電制御装置１１２は電気的にｙ方向変換器２０５（２１０ｙ）と連結される。ｙ方向変換器２０５は機械的に出力信号調整装置／検出装置１３２（２１５）に連結される。更にｙ方向変換器２０５は機械的に遠隔にある物体２１８（２２０ｙ）に連結される。
【０１３２】
多次元変換器２０２は力を遠隔にある物体２１８に３方向に与えることを可能にし、および／または遠隔にある物体２１８の運動を３方向に与える。加えて、発振器１３０は各それぞれの方向に検出された力、重量または位置に比例する出力信号２１４、２１５、および２１６を出力信号調整装置／検出装置１３２に与えるためにｘ方向変換器２０４、ｙ方向変換器２０５、およびｚ方向変換器２０６を含む多次元変換器２０２へ搬送信号２１２を与える。
【０１３３】
図９と１０を参照すると、多次元変換器２０２の一つの好ましい構造的実施形態を３次元変換器として一般に２３０に示される。多次元変換器２０２の好ましい構造的構成は図６と７に示す２次元変換器の構造的実施形態と同様であり、そして更に第３方向すなわちｙ方向変換器２０５を含む。ｘ方向変換器２０４とｚ方向変換器２０６と同様、ｙ方向変換器２０５は駆動板１１８、駆動板１２０、およびピックアップ板１２２ｙを持つ多板容量変換器１０４ｙを含む。ｙ方向変換器２０５は機械的リンク２２７を通じてｘ方向変換器２０４に機械的に連結されている。ｙ方向変換器２０５は多次元変換器２０２が第３方向すなわちｙ方向に力と運動を検出または与えることを可能にする。
【０１３４】
この実施形態では、第２のｘ方向変換器２０４’と第２のｙ方向変換器２０５’は機械的安定性のために含まれる。変換器２０４’と変換器２０５’は変換器２０４と変換器２０５と同様に機能する。
【０１３５】
多次元変換器２０２は力／運動を与えおよび／または検出するためｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向に追加的変換器を含むことが認められる。例えば、図１１Ａと１１Ｂは追加的第２すなわちｚ方向変換器２０７を含む２次元変換器としての多次元変換器２０２を示す。示された実施形態では、発振器１３０（図示無し）はｘ方向変換器２０４、ｚ方向変換器２０６、およびｚ方向変換器２０７（２１２）と連結される。制御装置１０２（図示無し）はｚ方向変換器２０７（２１０）と連結される。ｘ方向変換器２０４（２１４）、ｚ方向変換器２０６（２１６）、およびｚ方向変換器２０７（２１７）は電気的に出力信号調整装置／検出装置１３２（図示無し）に連結される。ｘ方向変換器２０４（２２０ｘ）、ｚ方向制御装置２０６（２２０ｚ）およびｚ方向変換器２０７（２２０ｚｚ）は機械的に遠隔にある物体２１８へ連結される。
【０１３６】
動作中は、ｘ方向変換器２０４はｘ方向の遠隔にある物体２１８上の横方向の力または運動を感知し、検出された力を表す出力信号２１４を出力信号検出装置／調整装置１３２に与える。ｚ方向変換器２０６、およびｚ方向変換器２０７はｚ方向の遠隔にある物体２１８へ加えられた力を感知し、そして対応したｚ方向の遠隔にある物体２１８上に検出された力を表す出力信号２１６と出力信号２１７を出力信検出装置／調整装置１３２に与える。加えて、ｚ方向変換器２０６、およびｚ方向変換器２０７は静電気的に入力信号２１０ｚおよび入力信号２１０ｚｚを通じて出力信号（２２０ｚおよび／または２２０ｚｚ）をｚ方向に遠隔にある物体に対して加えるためにそれぞれ制御される、そして遠隔にある物体の変位を表す出力信号２１６および／または出力信号２１７を出力信号検出装置／調整装置１３２に与える。
【０１３７】
本発明の更に他の実施形態は図１１Ｃと１１Ｄに示され、付加的ｚ方向変換器２０７を持つ多次元変換器２０２を含む。この実施形態では、ｘ方向変換器２０４、ｙ方向変換器２０５、ｚ方向変換器２０６、およびｚ方向変換器２０７はそれぞれｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の遠隔にある物体２１８上の力を感知検出する。加えて、変換器２０２から変換器類２０４、２０５、２０６、２０７は選択的に力や運動をそれぞれの方向に遠隔にある物体２１８に与える。
【０１３８】
図１２を参照して、本発明の上記の多次元変換器２０２を組み込んで硬度試験や表面作像用につかってもよいマイクロメカニカル試験機の略図が示される。この実施形態を使うと、本来の作像が可能となる。サンプルの表面地形の走査が行われ、直ぐ後に所望のマイクロメカニカル試験が続き、その後に同じ装置を使って表面地形の第２の作像が続く。行われたマイクロメカニカル試験は押込み、引っかき試験、または同様の手順を含むかもしれない。
【０１３９】
引き続く表面作像を持つ微小押込み出願人の本発明の装置先に記載したいくつかの変形例を伴う図４に示した走査プローブ顕微鏡を利用する。走査ヘッド１５８（好ましい実施形態では三次元圧電作動機が含まれるかもしれない）は固定位置に取り付けられる。サンプルプラットホーム１５４は走査ヘッド１５８に連結される。サンプル１５２はサンプルプラットフォーム１５４に位置づけられる。多次元変換器２０２はサンプル１５２の上に位置づけられるプローブ１５０に連結される。
【０１４０】
一つの好ましい実施形態では、多次元変換器２０２は図１１Ａと１１Ｂに示され先に記載した多次元変換器２０２と同様であるはずの２次元変換器である。多次元変換器２０２はｘ方向変換器２０４を使ってｘ方向に、ｚ方向変換器２０６および／またはｚ方向変換器２０７を使ってｚ方向に力を感知検出でき、遠隔にある物体２１８（図ではプローブ１５０として示されている）にｚ方向変換器２０６および／またはｚ方向変換器２０７を使って力をｚ方向に与える。
【０１４１】
使用の際は、サンプル１５２の表面はビデオディスプレイモニター１６２（１６１）に連結されたＳＰＭ制御装置１６０を使って先に述べたように作像される。走査ヘッド１５８は先に述べた方法を使ってサンプル表面を作像するためにサンプル１５２を前後にラスターパターン状に動かす。
【０１４２】
出願人の発明の多次元変換器２０２は押込みや引っかき、押込みや引っかき中に加えた力の測定、そして試験の前後の作像のために使われる。いったんサンプル１５２の像が上記の手順を使って作られると、多次元変換器２０２はサンプル１５２の中にプローブ１５０のチップを押し込んで押込みを作るために使われる。多次元変換器２０２は押込み工程中にチップのサンプルへの貫入を表す出力信号２１７を出力信号検出装置／調整装置１３２へ与える。
【０１４３】
好ましい実施形態で、押込みを行うため、制御装置１０２（静電制御装置１１２を含む）を操作し選択的に電圧を多次元変換器２０２（２１０）に加え静電作動させプローブ１５０チップをサンプル１５２に押し込む。特に、押込みモードでｚ方向変換器２０７は対応の力をｚ方向にプローブ２１８へ伝送し静電気的に作動しプローブ１５０チップをサンプル１５２へ押し込む。押込み中ｚ方向変換器はチップのサンプルへの貫入と試験されるサンプル１５２の特性を表す出力信号検出装置／調整装置１３２へ出力信号２１７を与える。
【０１４４】
押込みのため多次元変換器２０２により与えられた力は選択的に静電制御装置１１２を手動により制御するかまたはデータ取得制御システム１１０により静電制御装置１１２を自動的に制御してもよい。データ取得制御システム１１０は変換器２０２から所望の力を作るために加える電圧を計算するマイクロプロセッサーあるいは同様のロジックに基づいたシステム１１０を含んでもよい。代わりにまたは付加的にデータ取得制御システム１１０は出力信号検出装置／調整装置１３２から受け取ったデータを記録するために使用してもよい。
【０１４５】
データ取得制御システム１１０は押込みが発生したときサンプルの運動を補償するため多次元変換器２０２により加えられた力を調整するために用いてもよい。それはより柔らかいサンプルに発生するものとして知られている。変換器２０２により与えられた力は変換器２０２から受け取った出力信号に基づいて出力信号検出装置／調整装置１３２により変更してもよい。多次元変換器２０２は更にサンプル１５２上で横方向の力を測定するためｘ方向変換器２０４を含む。（２１４で指示された出力）。
【０１４６】
押込み後、押込み試験の結果サンプルを動かす必要がなくあるいは押込みがサンプルに作られた点を見つけることなく時間刻みよりむしろ分刻みでサンプル１５２の表面を見ることができるように同じチップで再作像できる。更に、第１のイメージ、押込み、次のイメージはすべて同じサンプルで単一位置に作られるから、第１の表面イメージと第２の表面イメージとは同じ面積を持ちかつ押込み段階の対応効果を示すことが確認される。
【０１４７】
作像モードでは、ｚ方向変換器はｚ方向の遠隔にある物体２１８（図１２のプローブ１５０）上の力を感知し検出し、出力信号２１７を検出された力を表す出力信号検出装置／調整装置１３２へ与える。加えて、作像モードでは、ｚ方向変換器２０６は走査ヘッド１５８を使う代わりに位置決め変換器として使ってもよい。ｚ方向変換器２０６はｚ方向の位置決めの機能を引き継ぐ。ｚ方向変換器２０６は位置決め変換器として帰還ループで動作しサンプル１５２の表面に関連してプローブ２１８のｚ方向に位置を維持する。（図１２にチップ１５０として示す）。
【０１４８】
図１３Ａを参照すると、本発明の多次元変換器を使ったマイクロメカニカル試験装置の更に他の実施形態が示される。一つの好ましい実施形態では、多次元変換器２０２は先に記載されたように図１１Ｃと１１Ｄに示された多次元変換器と同様である。表面作像中は、多次元変換器２０２が使われサンプル表面を作像するためサンプル１５２の表面にわたってプローブ１５０のチップをラスターパターンで前後に走査するために使われる。加えて、多次元変換器２０２はサンプル１５２において押込みまたは引っかきを行うことを含めてもよい所望のマイクロメカニカル試験を行うためプローブ１５０のチップの制御に使われる。押込みの後、サンプル１５２は押込みや引っかき試験の結果が試験後すぐに作像ができるように同じチップで再び作像可能である。これらのモードの各々で、多次元変換器２０２は力を動かし、位置づけ、与え、または力を多方向に感知／検出するために使われる。
【０１４９】
図１３Ａに示すように、一つの好ましい実施形態では、出力信号検出装置／調整装置１３２は低域通過フィルタ（ＬＰＦ）に連結された同期復調装置を含む。低域通過フィルタは多次元変換器２０２から受け取った出力信号２０３の調整用にアンプに連結される。加えて、フロントパネルディスプレイ（ＦＰＤ）は出力信号２１４、２１５、２１６、および２１７を表す出力ディスプレイを与えるためにアンプへ連結してもよい。
【０１５０】
図１３Ｂを参照すると、本発明の多次元変換器を使ったマイクロメカニカル試験装置が示されており、それは図１３Ａに示すマイクロメカニカル試験装置と同様である。この実施形態では、単独型システムがＳＰＭ制御装置１６０の以前の機能を行う制御装置１０２で示されている。
【０１５１】
本発明の変換器が自身のスキャナ（典型的には圧電走査装置）を持つ走査プローブが使われていると、顕微鏡スキャナはサンプルをプローブから引っ込めるために使うことができ、変換器出力を定期的にゼロに設定できる。これには熱的ずれに対する補償が必要である。多次元変換器２０２が走査ヘッド（１５８）の機能を行うと、ずれに対する定期的な補償を見込んでおくなんらかの手段が与えられなければならない。一つの可能な方法はサンプルからプローブを引っ込めるためにねじを回すステッパーモータを使うことであろうが、もし像が走査されているときにこの方法が行われた場合はX方向とY方向の位置ずれが起きるかもしれないことが認められる。
【０１５２】
一つの好ましい実施形態では、ずれに対する補償の手段は二つのｚ方向の変換器（すなわちｚ方向変換器２０６とｚ方向変換器２０７）を使うことである。一つのｚ方向変換器は位置づけ器具として使い、それは第２のｚ方向変換器からの帰還信号に応答して一定の接触力を維持する。ずれに対する修正は第１のｚ方向変換器をわずかに引っ込めることでいつでも行える、その結果第２のｚ方向変換器に取り付けたチップはもうサンプルには接触せず、オフセット調整回路が出力をゼロにリセットする。ｚ方向変換器は横方向の遊びが無いから、この手順はサンプルに対するプローブ（２１８）の位置を妨げずにいつでも、例え像を走査している最中でさえ行うことがてきる。
【０１５３】
図１４を参照すると、別の取り付け構成は走査プローブ顕微鏡試験システムでサンプル１５２をテストするため多次元変換器２０２とプローブ１５０の間で使ってもよいことが認められている。図示されているように、ボックス２４０は多次元変換器２０２を含めてもよく、そしてボックス２４２は図１２に示されているものと同様な固定面であってもよい。代わりに、ボックス２４０は固定面であってもよく、そしてボックス２４２は多次元変換器２０２を含んでもよい。加えて、ボックス２４０またはボックス２４２はマイクロメカニカル試験手順中に各種の動作を行うために走査プローブ型顕微鏡に機械的に連結された走査ヘッドを含めてもよいことが認められている。
【０１５４】
多次元変換器２０２は本発明の範囲にある限り別の構造的実施形態をもってもよいことも認められている。例えば、図１５ではｘ方向変換器２０４とｙ方向変換器２０５を含めた２次元多次元変換器２０２が示されている。この実施形態では、ｘ方向変換器２０４はｙ方向変換器２０５に共通の共通中央板１２２ｘｙを有する駆動板１１８ｘと１２０ｘを有する容量変換器１０４ｘを含んでいる。Ｙ方向変換器２０５容量変換器１０４ｘもまた駆動板１１８ｙと１２０ｙを含んでいる。中央板１２２ｘｙは駆動板１１８ｘ、１１８ｙ、１２０ｘ、および１２０ｙ間に可動的に取り付けられている。機構２４４は中央板１２２ｘｙの運動のために中央板１２２ｘｙに連結される。多次元変換器２０２のこの構造的実施形態に対する一つの応用はコンピュータマウスまたは「ジョイスティック」である。
【０１５５】
本発明の多次元変換器２０２の更に別の実施形態は図１６と１７に示されている。この実施形態では、中央板１２２ｘｙはサスペンションシステム２４６を使って可動的に駆動板１１８ｘ、１１８ｙ、１２０ｘ、および１２０ｙの上方に取り付けられる。機構２４４は駆動板１１８ｘ、１１８ｙ、１２０ｘ、および１２０ｙに関連する中央板１２２ｘｙにその運動のために連結される。多次元変換器２０２のこの構造的実施形態に対する一つの応用もコンピュータマウスまたは「ジョイスティック」である。
【０１５６】
本発明は単一システムにおける本来の作像にナノ−マイクロメカニカル試験と高分解能を組み合わせた能力を与える。これは通常必要とするように別の押込み装置で作った後その痕を従来のＡＦＭやＳＥＭに移し替えようと試みることにより生じる努力、時間、不確かさを完全に払拭する。
【０１５７】
ナノの尺度での押込みや硬度試験に加えて、本発明は困難な保護塗装やマイクロメカニカル加工のような微小引っかき／引っかき試験、材料の摩耗試験に対して使われる。困難な保護塗装のような材料の摩耗試験は繰り返して範囲を走査し、いろいろな接触力での摩耗率の記録により評価できる。摩耗深さは外の領域と周りの局所的面を作像するため測定後に走査寸法を増やすことにより測定できる。この手順を使って摩耗深さを０．２ｎｍまで小さく測定することが可能であることが分かっている。
【０１５８】
本発明は眼鏡から磁気記録ディスクに至る項目に関する困難な塗装をテストする場合に極めて有効である。追加用途はマイクロエレクトロニック集積回路用の薄膜のマイクロメカニカル試験、コンデンサーとパッシベーション層を含む。集積回路の特徴がますます複雑になり金属熔射層の数が増すにつれ、機械的効果は熱膨脹係数や工程関連ストレスの不適当な組み合わせによりずっと重要になっている。これらの構造のマイクロメカニカル試験は本発明を使ってデバイスの信頼性に関して関係者が持つであろうストレスやありそうな影響を評価するために行われる。摩耗や腐食抵抗を増すための切削工具や他の機械的構成部分の塗装は本発明を使って評価できる。
【０１５９】
本発明で、ナノメートル尺度の分解能での本来の作像は達成され、以前には可能でなかった測定も可能となる。１００ｎｍまたはこれ以下の非常に小さい径の押込みが本発明で作られ作像されている。以前には別の押込み機上で作ったこの寸法の押込みを後で顕微鏡を使って位置付けることはほとんど不可能に近いであろう（１００ｎｍの形状はその作像のためには１μｍのオーダの走査寸法が必要だろう）。もしサンプルを１００μｍの合計誤差（０．００４インチ）で再位置付けできるとすると押込みが置かれる可能性のある１μｍの局所の数は１０，０００となる。もっと大きい押込みまたは他の形状でサンプル上に置かれて場所的に助成しても、サンプルがいったん動かされるとこれらの小さい押込みは場所的に信頼できない。
【０１６０】
非常に小さい負荷で、安定ではないＧａＡｓと単結晶銅に押込みが作られ、短時間のうちに元の平らな面へ戻ってしまう。検査のためにそれは押込みを顕微鏡にずっと以前にその押込みは消滅してしまっているために、この種の作用を持つ面は従来のマイクロ／ナノ押込みについて研究することは不可能だろう。
【０１６１】
加えて、本発明の微細装置加工能力は軌道巾を調整するかまたは空気の支え面を変えるように磁気記録ヘッドの実験的修正のために使うことができることが認められている。他の用途はデバッグまたは不良解析のため信号を厳密に調べることができるように変更した金属溶射層を集積回路に露出させることを含む。
【０１６２】
もし作像が必要ない場合は、本発明を従来の微小押込み作成機として操作することが可能であり、装置は他のマイクロ／ナノ押込み作成機の費用のほんのわずかで負荷／変位曲線を提供する。
【０１６３】
この文書で補った発明の新しい特性と長所は前の記述で明らかにされている。しかしながら、この開示は何れにしても例証的であることが理解されるであろう。変更は詳細に行われてもよい、特に部品の形態、寸法、および配置についてはこの発明の範囲を超えない限りにおいて。この発明の範囲は無論言語で定義され添付の請求の範囲はその言語で表現されている。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】本発明に従う容量変換器の分解図。
【図２】力や運動を与える装置として本発明の変換器を組み込んだ略図。
【図２Ａ】図２に示した変換器の他の実施形態の略図。
【図３】力や運動を与える装置と力、重量、または変位を測定する装置として本発明の変換器を組み込んだ他の好ましい実施形態の略図。
【図３Ａ】本発明の変換器を組み込んだ図３に示した測定機の等価回路。
【図４】本発明の変換器を組み込んだ硬度試験と表面作像のための装置の略図。
【図５】力や運動を与える装置としておよび／または力、重量、または変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた略図。
【図６】図５に示す多次元変換器の一つの構造的実施形態の平面図。
【図７】図６に示す本発明の構造的実施形態の側面図。
【図８】力や運動を与える装置としておよび／または力、重量、および／または変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた他の好ましい実施形態の略図。
【図９】図８に示す多次元容量変換器の一つの構造的実施形態の平面図。
【図１０】図９に示す多次元変換器の構造的実施形態の側面図。
【図１１Ａ】力や運動を与える装置としておよび／または力、重量、および／または変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた更に他の略図。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示す本発明に従った多次元変換器の好ましい実施形態の側面図。
【図１１Ｃ】力や運動を与える装置および／または力、重量、および／または変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた他の略図。
【図１１Ｄ】図１１Ｃに示す本発明に従った多次元変換器の一つの構造的実施形態、
【図１２】本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システムの略図。
【図１３Ａ】本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システムの他の略図。
【図１３Ｂ】本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システムの他の略図。
【図１４】本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システムの別の取り付け構成を示す略図。
【図１５】本発明に従った多次元変換器の更に他の構造的実施形態、
【図１６】本発明に従った多次元変換器の更に他の構造的実施形態の側面図。
【図１７】図１６に示す本発明に従った多次元変換器の平面図。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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