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．

继去年之后，我们尝试开发一种即使对探针尖端施加力，尖端位置和方向也不会改变的探针。由于利用MEMS技术实现3自由度零柔顺机构在技术上存在一定难度，因此我们决定设计并制造一种结合两个1自由度支撑的2自由度支撑机构机制．． (1)二自由度零柔度机构的设计在目标探头支撑机构中，控制探头尖端的位置和姿态(角度)。今年，我们针对这两个自由度设计了一个零合规机制。在设计装置时，我们考虑了作为作用点的可移动体（作用体）和执行器的位移检测。当工作体进行旋转运动时，这些电极之间的距离会发生变化，这可能会导致短路，因此，两个可移动体受到板簧的约束，使得它们各自进行一个自由度的平移运动，并且两个可移动体之间的距离会发生变化。两个活动体为作用体，活动体为与板簧连接的活动体。当由弹簧约束的两个移动体实现零柔量时，作用体保持在其原始状态。因此，可以使用与作用体是单个刚体时相同的原理来测量力和力矩。 (2)二自由度零柔度机构的制作利用MEMS技术制作了二自由度零柔度机构。尺寸约为 6.8 x 3.6 x 0.2 毫米。 (3)零柔量机构的性能评估经证实，所制造的装置能够检测传感体和作用体的位置，并使用它们各自的静电致动器产生力。 (4)三自由度零柔度机构的设计由于利用MEMS技术测量悬臂尖端的位移和姿态较困难，我们设计并制造了一种新型的三自由度力检测装置不使用悬臂的机构。