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(In Japanese)信号検出回路及び走査型プローブ顕微鏡

Patent code P170014275
Posted date Jun 26, 2017
Application number P2015-508003
Patent number P6025082
Date of filing Mar 4, 2014
Date of registration Oct 21, 2016
International application number JP2014001198
International publication number WO2014155983
Date of international filing Mar 4, 2014
Date of international publication Oct 2, 2014
Priority data
  • P2013-070575 (Mar 28, 2013) JP
Inventor
  • (In Japanese)福間 剛士
  • (In Japanese)宮田 一輝
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人金沢大学
Title (In Japanese)信号検出回路及び走査型プローブ顕微鏡
Abstract (In Japanese)信号検出回路(1)は、参照信号を生成するVCO(23)と、入力信号と参照信号とから複素信号を生成する複素信号生成回路と、ベクトル演算により複素信号の偏角を算出するベクトル演算回路(27)と、偏角と参照信号との位相比較を減算により行う減算式位相比較器(28)とを備え、複素信号生成回路は、入力信号と参照信号とを乗算する乗算回路(24)と、乗算回路(24)から出力された信号から直流成分を除去するHPF(26)とを有する。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、探針(プローブ)を試料に対して近づけて、探針と試料の間に働く相互作用(トンネル電流や相互作用力など)を検出することで、試料表面の凹凸、電位分布等の情報分布を得ることができる顕微鏡である。

SPMの一つとして、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy:AFM)が知られている。AFMは、探針-試料間に働く相互作用力を検出し、試料表面の凹凸像を得ることができる。詳細には、AFMでは、探針-試料間の相互作用力を一定に保つように、探針-試料間の距離をフィードバック制御する。AFMは、鋭くとがった探針を先端に備えたカンチレバー(片持ち梁)を力検出器として用いる。探針を試料に近づけると、探針-試料間の相互作用力によりカンチレバーが変位する。この変位量から相互作用力を検出する。このようなタイプのAFMは、コンタクトモードAFMまたはスタティックモードAFMと呼ばれる。

一方、カンチレバーをその共振周波数近傍の周波数で機械的に励振するタイプのAFMは、ダイナミックモードAFMと呼ばれる。ダイナミックモードAFMは、探針-試料間の相互作用力によって生じる振動振幅、位相又は周波数の変化から相互作用力を検出する。振幅、位相及び周波数を用いて相互作用力を検出するAFMは、それぞれ、振幅変調型AFM(AM-AFM)、位相変調型AFM(PM-AFM)及び周波数変調型AFM(FM-AFM)と呼ばれている。

AFMにおいて、振幅、位相及び周波数を検出するために、振幅位相周波数検出回路(信号検出回路)が用いられている。信号検出回路として、従来、ローパスフィルタ(LPF)を備えた乗算式位相比較器を用いた信号検出回路、または、遅延回路とπ/2移相回路とを備えた減算式位相比較器を用いた信号検出回路が開示されている(例えば、特許文献1参照)。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、振動振幅、位相及び周波数に係る信号の検出を行うための信号検出回路に関し、特に、プローブ体の振動振幅、位相及び周波数に係る信号の検出を行う技術に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
カンチレバーの変位信号と励振周波数fで変化する励振位相信号とに基づいて、位相差信号を検出する信号検出回路であって、
前記励振位相信号を生成する第1発振回路と、
前記カンチレバーの変位信号と前記励振位相信号とから複素信号を生成する複素信号生成回路と、
ベクトル演算により前記複素信号の偏角を算出するベクトル演算回路と、
前記偏角と前記励振位相信号との位相比較を減算により行う減算式位相比較器とを備え、
前記複素信号生成回路は、
前記カンチレバーの変位信号と前記励振位相信号とを乗算する乗算回路と、
前記乗算回路から出力された信号から直流成分を除去するハイパスフィルタとを有する
ことを特徴とする信号検出回路。

【請求項2】
 
カンチレバーの変位信号と励振周波数fで変化する励振位相信号とに基づいて、周波数信号を検出する信号検出回路であって、
前記励振位相信号を生成する第1発振回路と、
前記カンチレバーの変位信号と前記励振位相信号とから複素信号を生成する複素信号生成回路と、
ベクトル演算により前記複素信号の偏角を算出するベクトル演算回路と、
前記偏角と前記励振位相信号との位相比較を減算により行う減算式位相比較器とを備え、
前記複素信号生成回路は、
前記カンチレバーの変位信号と前記励振位相信号とを乗算する乗算回路と、
前記乗算回路から出力された信号から直流成分を除去するハイパスフィルタとを有する
ことを特徴とする信号検出回路。

【請求項3】
 
カンチレバーの変位信号と励振周波数fで変化する励振位相信号とに基づいて、振幅信号を検出する信号検出回路であって、
前記励振位相信号を生成する第1発振回路と、
前記カンチレバーの変位信号と前記励振位相信号とから複素信号を生成する複素信号生成回路と、
ベクトル演算により前記複素信号の偏角を算出するベクトル演算回路と、
前記偏角と前記励振位相信号との位相比較を減算により行う減算式位相比較器とを備え、
前記複素信号生成回路は、
前記カンチレバーの変位信号と前記励振位相信号とを乗算する乗算回路と、
前記乗算回路から出力された信号から直流成分を除去するハイパスフィルタとを有する
ことを特徴とする信号検出回路。

【請求項4】
 
前記減算式位相比較器は、少なくとも位相差信号を出力する
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の信号検出回路。

【請求項5】
 
前記信号検出回路は、さらに、前記第1発振回路及び前記減算式位相比較器と共に位相ロックループ回路を形成するループフィルタを有し、
前記位相ロックループ回路は、前記偏角と前記励振位相信号の位相差が所定の位相オフセットに一致するように前記第1発振回路を制御すると共に、位相ロックループにより得られ、前記カンチレバーの変位信号の周波数変化に応じた周波数信号を生成し、
前記信号検出回路は、前記周波数信号を出力する
ことを特徴とする請求項2に記載の信号検出回路。

【請求項6】
 
前記ベクトル演算回路は、前記複素信号の絶対値を前記カンチレバーの変位信号の振幅信号として算出し、
前記信号検出回路は、前記振幅信号を出力する
ことを特徴とする請求項3に記載の信号検出回路。

【請求項7】
 
前記信号検出回路は、前記第1発振回路で生成された前記励振位相信号の周波数を、前記ベクトル演算回路から出力された前記偏角の周波数に合わせるための乗算器を備える
ことを特徴とする請求項2に記載の信号検出回路。

【請求項8】
 
前記信号検出回路は、前記第1発振回路と異なる第2発振回路を備え、
前記第1発振回路は、前記ベクトル演算回路から出力された前記偏角の周波数と同じ周波数の前記励振位相信号を前記減算式位相比較器に出力し、
前記第2発振回路は、前記カンチレバーの変位信号の周波数とほぼ等しい周波数の前記励振位相信号を、前記乗算器に出力する
ことを特徴とする請求項2に記載の信号検出回路。

【請求項9】
 
請求項1~8の少なくともいずれか1項に記載の信号検出回路と、
試料の表面の情報を検出するプローブ体と、
前記プローブ体を励振する励振部と、
前記プローブ体の変位信号を検出するセンサと、
前記プローブ体と前記試料の相互作用を一定に保つフィードバック制御を行うフィードバック回路と、を備え、
前記信号検出回路は、
前記センサで検出された前記変位信号を、前記カンチレバーの変位信号とし、
前記励振位相信号に基づいて前記プローブ体を励振するための励振信号を生成して、前記励振信号を前記励振部に出力し、
前記フィードバック回路は、前記信号検出回路からの出力信号に基づいて、前記フィードバック制御を行う
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
IPC(International Patent Classification)
Drawing

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JP2015508003thum.jpg
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