(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ（2）と、
前記プローブ（2）を振動させるためのピエゾ電気アクチュエイタ（1）と、
増幅器の反転入力（5）と、増幅器出力（7）と、前記増幅器（4）の出力と前記増幅器（4）の反転入力との間のフィードバックブランチとを有する反転増幅器（4）とを具備し、
前記ピエゾ電気アクチュエイタ（1）は前記フィードバックブランチ（3）を通るフィードバック電流により駆動され、
さらに前記増幅器（4）の反転入力へ振動入力電流を供給するための電流源（10）とを具備している走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
さらに、前記アクチュエイタ（1）に並列する前記フィードバックブランチ（3）中に配置されている第１のインピーダンス（12）を具備している請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記第１のインピーダンス（12）は１ＭΩ乃至１ＧΩの範囲の抵抗を有する請求項２記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記第１のインピーダンス（12）は１／（ｊ・ω・１００ｐＦ）乃至１／（ｊ・ω・１ｐＦ）の範囲の抵抗を有し、ωは前記プローブ（2）の共振角周波数である請求項２または３記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
さらに、前記アクチュエイタ（1）に直列に前記フィードバックブランチ（3）中に配置されている第２のインピーダンス（14）を具備している請求項１乃至４のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記第２のインピーダンス（14）は１ｋΩよりも小さい抵抗を有している請求項５記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
さらに、一次巻線（29）と二次巻線（30）とを有する変成器（28）を具備し、前記フィードバック電流は前記一次巻線（29）を通って流れ、前記アクチュエイタ（1）は前記二次巻線（30）に直列に接続されている請求項１乃至６のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記増幅器（4）は前記反転入力（5）に加えて非反転入力（6）を有する演算増幅器であり、前記非反転入力（6）は基準電位に接続されている請求項１乃至７のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記増幅器（4）はアナログ増幅器である請求項１乃至８のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
さらに、前記増幅器の出力（7）に存在する電圧の関数として前記電流源（10）の周波数を制御するループ（17）を具備している請求項１乃至９のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記ループ（17）は、
前記増幅器の出力（7）と、前記増幅器の出力（7）の電圧の位相を示す位相出力（19）とに接続されているロックイン増幅器（18）と、
前記位相を一定に維持するために前記電流源（10）の周波数を制御するループ制御装置（20）、特にＰＩＤ制御装置とを具備している請求項１０記載の走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はピエゾ電気アクチュエイタにより振動されるプローブを有する走査プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査プローブ顕微鏡の例はWO 2008/071013およびWO 2008/006229号明細書に記載されている。これらはサンプルに沿って移動されるチップを形成するプローブを有している。そのプローブはピエゾ電気アクチュエイタに与えられる電圧の振動手段により連続的に振動される。
【０００３】
通常の装置におけるピエゾ電気アクチュエイタＱを駆動するための典型的な設計が図１に示されている。図示されているように、振動電圧がアクチュエイタＱに与えられ、アクチュエイタＱを通って流れる電流は増幅器Ａにより増幅される。増幅器Ａの出力はアクチュエイタの振動の機械的な振幅の尺度である。この機械的振幅を一定に維持するために、発振器を適切に制御することにより増幅器Ａの出力の振幅を一定に維持しようと努めるフィードバックループが必要とされる。ピエゾ電気アクチュエイタは共振状態で駆動され、周波数シフトに対するこの応答の高い品質係数は周波数シフトの感度を高めるために特別な関心があるので、振幅の制御は励起信号の振幅のダイナミック範囲と制御装置の設計とに関して非常に需要がある。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一般的な目的はアクチュエイタの振動の振幅の制御を容易にする走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【０００５】
この目的は請求項１の走査プローブ顕微鏡により達成される。したがって反転増幅器が設けられ、アクチュエイタはその増幅器の出力と反転増幅器の入力との間のフィードバックブランチを通って流れる電流により駆動される。さらに、電流源は振動電流を反転増幅器の入力へ供給する。
【０００６】
このような回路では、増幅器はフィードバックブランチを通る電流を電流源からの電流に等しく維持しようとする。アクチュエイタを通る電流の振幅は振動電流に対しては（ピエゾ電気素子に並列の浮遊容量を通る電流を無視するとき）アクチュエイタの運動の機械的振幅に正比例するので、機械的振幅はしたがって電流源により直接制御されることができる。電流源からの電流が一定の振幅を有する限り、アクチュエイタの機械的振幅は同様に一定である。機械的振幅を制御するためのさらに別の手段は必要ない。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来技術の設計を示す図である。
【図２】フィードバックブランチにおいてアクチュエイタを動作するための基本回路を示す図である。
【図３】並列インピーダンスを有する別の形態を示す図である。
【図４】フィードバックブランチのより複雑な設計を示す図である。
【図５】共振状態でプローブを動作するための完全な制御ループを示す図である。
【図６】フィードバックブランチのさらに別の設計を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は以下のその詳細な説明を考慮するとき、さらに良好に理解され、先に説明した以外の目的も明瞭になるであろう。このような説明では添付図面を参照する。  
図２の装置はピエゾ電気アクチュエイタ１とプローブチップ２を有するプローブを具備している。ピエゾ電気アクチュエイタ１は当業者に知られているように、プローブ及び特にそのプローブチップ２を振動する役目を行う。これは反転増幅器４のフィードバックブランチ３中に配置されている。増幅器４はアナログ増幅器である。これは演算増幅器として設計され、増幅器の反転入力５、非反転入力６、増幅器出力７を有する。
【０００９】
非反転入力６は接地電位のように一定の基準電位に接続される。フィードバックブランチ３は増幅器出力７と前記増幅器の反転入力５との間に位置されている。
【００１０】
電流源10は振動電圧を発生する発振器８と例えば１０ＭΩの高インピーダンス抵抗９により形成され、即ち抵抗９のインピーダンスは増幅器４の入力インピーダンスよりも非常に小さいが、共振点におけるピエゾ電気のインピーダンスよりも大きい。
【００１１】
発振器８からの電圧の振幅は一定であるか少なくとも知られている。それ故、電流源10からの電流も一定であるか少なくとも知られた振幅を有する。
【００１２】
増幅器４はフィードバックループ３を通る電流が電流源10からの電流に正確に等しいようにフィードバックループ３にわたって電圧を制御しようとする。
【００１３】
アクチュエイタ１上の電荷はその機械的偏向又は変形に比例する。それ故、アクチュエイタ１の周期的な振動に対して、アクチュエイタ１の運動の機械的振幅はアクチュエイタ１を通って流れる電流の振幅に比例する。したがって図２の回路では、電流源10からの電流の振幅はアクチュエイタ１の機械的振幅に比例している。
【００１４】
それ故、図２の回路では、電流源10からの電流の所定の振幅は規定された機械的振動の振幅につながる。機械的振動の振幅を制御するための手段はさらに必要とされない。
【００１５】
フィードバックループ３はアクチュエイタ１に加えてさらに別のコンポーネントを具備することができる。図３の実施形態では、フィードバックブランチ３はアクチュエイタ１に並列に配置された第１のインピーダンス12を具備している。このようなインピーダンスはフィードバックブランチの特性を制御するために使用されることができる。
【００１６】
有効に、インピーダンス12はアクチュエイタ３が共振状態で振動しているとき比較的小さい電流しか流れないように選択され、即ちアクチュエイタ３を通る電流はインピーダンス12を通る電流よりも非常に大きい。それ故、インピーダンス12のインピーダンス値Ｚは次式のようになる。  
Ｚ＝Ｒ＋１／（ｊ・ω・Ｃ）  
ここでＲはインピーダンスＺの抵抗であり、１／（ｊ・ω・Ｃ）はその容量リアクタンスであり、ωは共振角周波数であり、抵抗および／またはリアクタンスはアクチュエイタ１の抵抗および／またはリアクタンスよりも非常に小さくなければならない。
【００１７】
典型的なアクチュエイタでは、共振におけるアクチュエイタ１の典型的な抵抗は１０−１００ｋΩであるので、抵抗Ｒが少なくとも１ＭΩであればよい。他方で、共振は増幅器４のＤＣ動作点を適切に規定するために非常に大きくてはならず、例えば抵抗Ｒは１ＧΩよりも小さくなければならない。したがって有効に、抵抗Ｒは１ＭΩと１ＧΩの間であるべきである。抵抗Ｒの有効な値は約１０ＭΩであることが発見されている。
【００１８】
他方で、容量リアクタンス１／（ｊ・ω・Ｃ）は１／（ｊ・ω・１００ｐＦ）よりも大きくてはならない。しかし非常に大きくてはならず、例えば１／（ｊ・ω・１ｐＦ）よりも小さくあるべきであり、その理由はそうでなければ増幅器の出力は不安定になる傾向があるためである。リアクタンスの有効な値は１／（ｊ・ω・５ｐＦ）であることが発見されている。
【００１９】
フィードバックループの設計は図４の実施形態で示されているようにさらに複雑にすることができる。ここで第２のインピーダンス14がアクチュエイタ３に対して直列に配置され、さらにインピーダンス15、16は任意の所望の特性を有するフィルタを形成するために設けられている。
【００２０】
有効に、第２のインピーダンス14、即ちアクチュエイタ１と直列のインピーダンスは共振におけるアクチュエイタ１の抵抗よりも非常に小さい抵抗を有しなければならず、即ちこれは典型的に１ｋΩよりも小さくなければならない。
【００２１】
図５は増幅器出力７に存在する電圧の関数として電流源10の周波数を制御するためのループ17を有する走査プローブ顕微鏡を示している。ループ17はロックイン増幅器18を具備しており、これは発振器８により発生される基準信号に関する増幅器の出力７での電圧の位相φを示す信号を伝送する位相出力19を有する。位相出力19はループ制御装置20、即ちＰＩまたはＰＩＤ制御装置の信号入力21に供給される。ループ制御装置20は所望の位相シフトφ０を示す信号を伝送する基準入力22を有し、位相φが所望の位相シフトφ０に等しくなるようにその出力23における電圧を制御するように動作する。ループ制御装置20の出力23は電流源10の発振器８の周波数を制御する。
【００２２】
図５の装置を動作するために、所望の位相シフトφ０はアクチュエイタ１が共振状態で動作するときの位相シフトに設定される。その後、ループ17は共振で振動するようにアクチュエイタ３を維持する。
【００２３】
図６はフィードバックループ３のための設計のさらに別のクラスを示している。ここでは、フィードバックループ３は一次巻線29と二次巻線30とを有する変成器28を具備している。アクチュエイタ１は二次巻線30と直列に配置されている。フィードバック電流は一次巻線29を通って流れており、二次ループ30とアクチュエイタ１で対応する電流を誘起し、アクチュエイタを付勢する。
【００２４】
図６の設計の利点は、プローブの先端２がアクチュエイタ１の電極の１つに電気的に接続されても、検査されているサンプルへまたはそのサンプルからプローブチップ２を通って流れるトンネル電流がアクチュエイタ１を励起する電流とは別に測定されることができるということである。この目的で、アクチュエイタ１の１つの電極は例えば増幅器33へ接続されることができ、この増幅器33はトンネル電流を選択的に測定する。
【００２５】
図６の設計は図１の従来技術の設計でも適用されることができることに注意しなければならない。
【００２６】
前述の実施形態では、電流源10は直列する電圧源と抵抗９からなる。当業者に知られているような他のタイプの電流源も同様に使用されることができる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態を示し説明したが、本発明はそれに限定されず、特許請求の範囲の技術的範囲内でその他の方法で様々に実施及び実践されることができることが明白に理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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