Development of Scanning Probe Microscopy Using Precise Force Detection

使用精确力检测的扫描探针显微镜的开发

基本信息

批准号：
21K18162
负责人：
水野毅
金额：
$ 16.39万
依托单位：
Saitama University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

前年度に引き続き，探針先端に力が作用しても，先端の位置及び姿勢が変わらないプローブの開発を試みた．3自由度ゼロコンプライアンス機構をMEMS技術を利用して実現するのは技術的に難しいので，１自由度の支持機構を二つ組み合わせるような構造の２自由度支持機構を設計・製作することとした．（１）２自由度ゼロコンプライアンス機構の設計　目標とするプローブ支持機構では，カンチレバーを固定している部材（以下では検出体と呼ぶ）の鉛直方向の位置と姿勢を変えることによって，探針先端の位置及び姿勢（角度）を制御する．本年度は，このような２自由度を対象としたゼロコンプライアンス機構を設計した．装置を設計する上で考慮したことは，作用点となる可動体（作用体）の変位検出とアクチュエータである．作用体が回転運動をすると，これらの電極間隔が変わって，短絡を引き起こす可能性があるので，二つの可動体を板ばねによってそれぞれ1自由度の並進運動をするように拘束し，さらに二つの可動体を板ばねで結合したものを作用体とした．ばねで拘束された二つの可動体に対してゼロコンプライアンスが達成されたとき，作用体は元の状態を保っている．したがって作用体が一つの剛体の場合と同じ原理で力とモーメントの測定が実現できる．（２）２自由度ゼロコンプライアンス機構の製作　２自由度ゼロコンプライアンス機構をMEMS技術を利用して製作した．約6.8×3.6×0.2 mmの大きさとなった．（３）ゼロコンプライアンス機構の性能評価　　製作した装置において，検出体及び作用体の位置検出及びそれぞれの静電アクチュエータによって力を発生できることを確認した．（４）３自由度ゼロコンプライアンス機構の設計　カンチレバー先端の変位と姿勢をMEMS技術技術を利用して測定することが難しいので，カンチレバーを用いない新たな３自由度力検出機構を設計・製作することとした．

从上一年开始，我们试图开发一个探测器，即使将力施加到尖端，也不会改变小费的位置和姿势。由于技术在技术上很难使用MEMS技术实现3度零遵守机制，因此我们决定设计和制造一种两度自由的支持机制，该结构将两种支持机制与一级自由的支撑机制结合在一起。（1）在目标探针支持机制中设计一个两度自由度的零遵守机制，探针尖端的位置和方向（角度）可以通过更改确保悬臂（以下称为检测物体称为检测物体）的成员的垂直位置和方向来控制。今年，我们设计了一个零合规机制，涵盖了两个自由度。设计设备时，可作为作用点和执行器的可移动体（作用体）的位移检测。当工作主体旋转时，这些电极的间距可能会发生变化，从而导致短路，因此两个移动的身体被限制以通过叶子弹簧转化一个自由度，并且两个移动的物体通过叶子弹簧连接起来，形成表演体。当两个弹簧式移动物体实现零依从性时，代理仍然处于其原始状态。因此，可以使用与工作体是一个刚体时相同的原理来实现力和力矩的测量。（2）使用MEMS技术制造了两度自由兼容机制的两度零遵守机制。大约为6.8 x 3.6 x 0.2毫米。（3）零依从性机制的性能评估：在制造的设备中，可以通过检测检测器和执行器的位置以及使用相应的静电执行器来确认产生力。（4）设计3度零兼式机制，因为很难使用MEMS技术测量悬臂尖端的位移和姿势，因此我们决定设计和制造一种新的3度力量检测机制，该机制不使用悬臂。