способ и устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера

Формула изобретения

1. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, и расположенных группами по радиусам от спирального основания, освещают общим лазерным возбуждающим пятном с тем, чтобы одновременно возбудить собственные колебания множества кантилеверов постоянным световым возбуждением для измерения колебаний.

2. Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее

(a) множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, и расположенных группами по радиусам от спирального основания;

(b) средство для одновременного возбуждения собственных колебаний кантилеверов постоянным световым возбуждением;

(c) лазерный доплеровский измеритель для измерения колебаний.

3. Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее

(a) множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, и расположенных группами по радиусам от спирального основания;

(b) средство для одновременного возбуждения собственных колебаний кантилеверов с помощью постоянного светового возбуждения; и

(c) гомодинный интерферометр для измерения колебаний.

4. Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера по п.2 или 3, в котором кантилеверы расположены по радиусам в группы, так что кантилеверы могут быть облучены общим возбуждающим пятном.

5. Микроскоп со сканирующим зондом с использованием устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера п.2 или 3 для самовозбуждения собственных частот кантилеверов, для обнаружения взаимодействия между образцом и зондом на кончике каждого кантилевера в виде изменения частоты самовозбуждающегося колебания, амплитуды самовозбуждающегося колебания или фазы самовозбуждающегося колебания.

6. Устройство обнаружения массы/материала с использованием устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера по п.2 или 3 для самовозбуждения собственных частот кантилеверов, для обнаружения изменения массы/материала, присоединенной к зонду на одном кончике каждого кантилевера в виде изменения частоты самовозбуждающегося колебания, амплитуды самовозбуждающегося колебания или фазы самовозбуждающегося колебания.

7. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, расположены по радиусам от основания в форме островка и таким образом, что вытянуты от имеющего форму островка основания, и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают модулированным возбуждением в результате облучения кантилеверов лазерным пятном, для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции возбуждающего света с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

8. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, расположены по радиусам от основания в форме островка и таким образом, что вытянуты от имеющего форму островка основания, и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного возбуждения в результате облучения кантилеверов лазерным пятном, для измерения колебания гомодинным интерферометром, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции возбуждающего света с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

9. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, размещают группами по радиусам от основания в виде спирали, и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного возбуждения в результате облучения кантилеверов лазерным пятном, для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции возбуждающего света с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

10. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов имеющих различные длины и различные собственные частоты, размещают группами по радиусам от основания в виде спирали и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают модулированным возбуждением в результате облучения кантилеверов лазерным пятном, для измерения колебания гомодинным интерферометром, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции возбуждающего света с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

11. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, размещают группами по радиусам от основания в виде спирали и в котором множество кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, освещают общим лазерным возбуждающим пятном, с тем, чтобы одновременно возбудить собственные колебания множества кантилеверов постоянным световым возбуждением для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем.

12. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, размещают группами по радиусам от основания в виде спирали и в котором множество кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, освещают общим лазерным возбуждающим пятном с тем, чтобы одновременно возбудить собственные колебания множества кантилеверов постоянным световым возбуждением для измерения колебания гомодинным интерферометром.

13. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера по любому одному из пп.7-10, в котором модулированное возбуждение представляет собой модулированное оптическое возбуждение.

14. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором размещают множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного электрического возбуждения и облучают кантилеверы лазерным пятном, для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции электрического поля с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

15. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором размещают множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного электрического возбуждения и облучают кантилеверы лазерным пятном для измерения колебания гомодинным интерферометром, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции электрического поля с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

16. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, расположены по радиусам от основания в форме островка таким образом, что вытянуты от имеющего форму островка основания, и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного электрического возбуждения и облучают кантилеверы лазерным пятном, для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции электрического поля с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

17. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, расположены по радиусам от основания в форме островка таким образом, что вытянуты от имеющего форму островка основания, и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного электрического возбуждения и облучают кантилеверы лазерным пятном, для измерения колебания гомодинным интерферометром, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции электрического поля с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

18. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, размещают группами по радиусам от основания в виде спирали и в котором множество кантилеверов, имеющих различные собственные частоты и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного электрического возбуждения и облучают кантилеверы лазерным пятном, для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции электрического поля с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

19. Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, размещают группами по радиусам от основания в виде спирали и в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного электрического возбуждения и облучают кантилеверы лазерным пятном, для измерения колебания гомодинным интерферометром, и согласовывают сканирование лазерного пятна и частоту модуляции электрического поля с частотой и местоположением каждого из множества кантилеверов.

20. Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее

(a) множество кантилеверов, расположенных по радиусам от основания в форме островка, и таким образом вытянутых от имеющего форму островка основания и имеющих различные собственные частоты;

(b) средство для одновременного возбуждения собственных колебаний множества кантилеверов постоянным световым возбуждением в результате освещения множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, общим лазерным возбуждающим пятном; и

(c) лазерный доплеровский измеритель для измерения возбуждений.

21. Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее

(a) множество кантилеверов, расположенных по радиусам от основания в форме островка таким образом, что окружают указанное основание в форме островка и имеющих различные собственные частоты;

(b) средство для одновременного возбуждения собственных колебаний множества кантилеверов постоянным световым возбуждением в результате освещения множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, общим лазерным возбуждающим пятном; и

(c) гомодинный интерферометр для измерения возбуждений.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и к устройству для измерения частоты колебаний мультикантилевера, а более конкретно к измерению колебаний, к микроскопу со сканирующим зондом и к устройству обнаружения массы/материала.

Уровень техники

До настоящего времени для возбуждения колебания или отвода сигнала осуществляли подключение к каждому кантилеверу, или для каждого кантилевера предусматривали оптическую дифракционную решетку, для измерения смещения и частоты колебаний каждого кантилевера по относящейся к нему дифракционной картине.

Известные из уровня техники технические решения, в которых использованы такие родственные способы, раскрыты ниже в непатентных документах с 1 по 7.

Пример, в котором смещения приблизительно от пяти до десяти кантилеверов последовательно считывают посредством механизма, имеющего большое количество оптических затворов, работающих последовательно, раскрыт ниже в непатентном документе 8.

Лазерный доплеровский измеритель широко используют для измерения колебаний образца, который совершает колебания. В патентной заявке Японии №2002-184604 изобретатель уже предлагал способ для обнаружения силы, поля и материала путем использования лазерного доплеровского измерителя для измерения колебаний кантилевера.

Оптическая накачка представляет собой способ, который существует свыше 10 лет и используется для возбуждения колебаний, и результаты исследования способа раскрыты ниже в непатентных документах с 9 по 17.

В заявке PCT/JP02/05835 изобретатель предложил способ для обнаружения силы, поля и материала путем совместного использования лазерного доплеровского измерителя и оптической накачки.

[Non-Patent Document 1] Microelectromechanical scanning probe instruments for array architectures, Scott A. Miller, Kimberly L. Turner, and Noel C. MacDonald, Review of Scientific Instruments 68 (1997) 4155-4162.

[Non-Patent Document 2] 2D AFM cantilever arrays a first step towards a Terabit storage device, M. Lutwyche, C. Andreoli, G. Binnig, J. Brugger, U. Drechsler, W. Haeberle, H. Rohrer, H. Rothuizen, P. Vettiger, G. Yaralioglu and С F Quate: Sens. & Actuat. A73 (1999) 89.

[Non-Patent Document 3] Ultrahigh density, high-date-rate NEMS-based AFM data storage system, P. Vettiger, J. Brugger, M. Despont, U. Drechsler, U. Durig, W. Haeberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer and G. Binnig: Micro. Eng. 46 (1999) 11.

[Non-Patent Document 4] Integration of through-wafer interconnects with a two-dimensional cantilever array, E. M. Chow, H. T. Soh, H. С Lee, J. D. Adams, S. С Minne, G. Yaralioglu, A. Atalar, C. F. Quate and T. W. Kenny: Sens. & Actuat. A83 (2000) 118.

[Non-Patent Document 5] Fabrication and characterization of cantilevers with integrated sharp tips and piezoelectric elements for actuation and detection for parallel AFM applications, P. -F. Indermuhle, G. Schurmann, G. -A. Racine and N. F. de Rooij: Sens. & Actuat. A60 (1997) 186.

[Non-Patent Document 6] VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage, M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler, U. Duerig, W. Haeberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer and P. Vettiger: Sens. & Actuat, A80 (2000) 100.

[Non-Patent Document 7] An artificial nose based on a micromechanical cantilever array, H. P. Lang, M. K. Bailer, R. Berger, Ch. Gerber, J. K. Gimzewski, F. M. Battiston, P. Fornaro, J. P. Ramseyer, E. Meyer and H. -J. Guntherodt: Analytica Chimica Acta 393 (1999) 59.

[Non-Patent Document 8] Sequential position readout from arrays of micromechanical cantilever sensors, H. P. Lang, R. Berger, C. Andreoli, J. Brugger, M. Despont, P. Vettiger, Ch. Gerber, J. K. Gimzewski, J. P. Ramseyer, E. Meyer and H. -J. Guntherodt: Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 383.

[Non-Patent Document 9] D. W. Satchell, J. С Greenwood, "A thermally-excited silicon accelerometer," Sens. Act., 17 (1989) 241-245.

[Non-Patent Document 10] M. B. Othman and A. Brunnschweiler, "Electrothermally excited silicon beam mechanical resonators," Elect. Lett., 2 (1987) 728-730.

[Non-Patent Document 11] T. S. J. Lammerink, M. Elwenspoek, and J. H. J. Fluitman, "Frequency Dependence of thermal excitation of micromechanical resonators," Sens. Act. A, 25-27 (1991) 685-689.

[Non-Patent Document 12] H. Yu, Y. Wang, С Ding, Y. Wang, and Y. Xu, "The characteristics of point-heating excitation in silicon micro-mechanical resonators," Sens. Act., A77 (1999) 187-190.

[Non-Patent Document 13] J. Funk, J. Buehler, J. G. Korvink, and H. Baltes, "Thermomechanical modeling of an actuated micromirror," Sens. Act. A, 46-47 (1995) 632-636.

[Non-Patent Document 14] G. С Ratcliff, D. A. Erie, and R. Superfine, "Photothermal modulation for oscillating mode atomic force microscopy in solution," Appl. Phys. Lett., 72 (1998) 1911-1913.

[Non-Patent Document 15] N. Umeda, S. Ishizaki, and H. Uwai, "Scanning attractive force microscope using photothermal vibration," J. Vac. Sci. Technol., В 9 (1991)1318-1322.

[Non-Patent Document 16] M. Zalalutdinov, A. Zehnder, A. Olkhovets, S. Turner, L. Sekaric, B. Ilic, D. Czaplewski, J. M. Parpia, and H. G. Craighead, "Autoparametric optical drive for micromechanical oscillators," Appl. Phys. Lett., 79 (2001) 695-697.

[Non-Patent Document 17] Y. -C. Shen, A. Lomonosov, A. Frass, and P. Hess, "Excitation of higher harmonics in transient laser gratings by an ablative mechanism," Appl. Phys. Lett., 73 (1998) 1640-1642.

[Non-Patent Document 18] H. Kawakatsu, S. Kawai, D. Saya, M. Nagashio, D. Kobayashi, H. Toshiyoshi, and H. Fujita, "Towards Atomic Force Microscopy up to 100 MHz," Review of Scientific Instruments 73 (2002) 2317.

Однако, если при использовании указанных выше родственных способов обнаружения мультикантилевера число кантилеверов возрастает и находится в пределах от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов, становится трудно измерять частоту колебаний мультикантилевера.

Точнее говоря, в случае такого мультикантилевера, демонстрирующего самовозбужденное колебание и функционирующего при обнаружении самовозбужденного колебания, с увеличением числа кантилеверов усложняется структура матрицы кантилеверов и ухудшается характеристика каждого кантилевера, и это затрудняет осуществление различных модификаций матрицы кантилеверов. В дополнение к этому значение добротности колебаний кантилеверов снижается.

Поэтому в свете описанной выше ситуации задача настоящего изобретения заключается в создании способа и устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера с помощью оптической или электрической накачки и оптического измерения, при использовании которых исключается необходимость присоединения возбуждающего или измерительного элемента к каждому кантилеверу и упрощается структура матрицы кантилеверов, и могут обеспечиваться высокие значения добротности и применение разнообразных высокочастотных операций и способов для кантилеверов.

Путем осуществления этого можно определить число возбуждений многих кантилеверов, можно обнаружить одинаковый материал на множестве кантилеверов, вследствие чего может быть обнаружено множество материалов.

Для решения указанной выше задачи характерными признаками настоящего изобретения являются следующие:

(1) Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного возбуждения, для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем.

(2) Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью модулированного возбуждения, для измерения колебания гомодинным интерферометром.

(3) Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера по пункту (1) или (2), в котором модулированное возбуждение представляет собой модулированное оптическое возбуждение.

(4) Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера по пункту (1) или (2), в котором модулированное возбуждение представляет собой модулированное электрическое возбуждение.

(5) Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью постоянного светового возбуждения, для измерения колебания лазерным доплеровским измерителем.

(6) Способ для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором собственные колебания множества кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, последовательно возбуждают с помощью постоянного светового возбуждения, для измерения колебания гомодинным интерферометром.

(7) Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее множество кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, средство для последовательного возбуждения собственных колебаний кантилеверов с помощью модулированного возбуждения и лазерный доплеровский измеритель для измерения колебаний.

(8) Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее множество кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, средство для последовательного возбуждения собственных колебаний кантилеверов с помощью модулированного возбуждения и гомодинный интерферометр для измерения колебаний.

(9) Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее множество кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, средство для одновременного возбуждения собственных колебаний кантилеверов с помощью постоянного светового возбуждения и лазерный доплеровский измеритель для измерения колебаний.

(10) Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера, содержащее множество кантилеверов, имеющих различные собственные частоты, средство для одновременного возбуждения собственных колебаний кантилеверов с помощью постоянного светового возбуждения и гомодинный интерферометр для измерения колебаний.

(11) Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера по любому одному из пунктов (7), (8), (9) и (10), в котором кантилеверы расположены рядами в матрице.

(12) Устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера по любому одному из пунктов (7), (8), (9) и (10), в котором кантилеверы расположены по радиусам группами, так что кантилеверы могут быть облучены общим возбуждающим пятном.

(13) Микроскоп со сканирующим зондом с использованием устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера по любому одному из пунктов (7), (8), (9) и (10) для самовозбуждения собственных частот кантилеверов, для обнаружения взаимодействия между образцом и зондом на кончике каждого кантилевера в виде изменения частоты самовозбуждающегося колебания, амплитуды самовозбуждающегося колебания или фазы самовозбуждающегося колебания.

(14) Устройство обнаружения массы/материала с использованием устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера по любому одному из пунктов (7), (8), (9) и (10) для самовозбуждения собственных частот кантилеверов, чтобы обнаруживать изменение массы, присоединенной к зонду на одном конце каждого кантилевера, в виде изменения частоты самовозбуждающегося колебания, амплитуды самовозбуждающегося колебания или фазы самовозбуждающегося колебания.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - первый схематичный вид лазерного пятна и мультикантилевера для случая, когда возбуждение осуществляют модулированным светом, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - второй схематичный вид лазерного пятна и мультикантилевера для случая, когда возбуждение осуществляют модулированным светом, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 - схематичный вид устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера для случая, когда возбуждение осуществляют модулированным светом, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - схематичный вид устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера для случая, когда возбуждение осуществляют постоянным светом, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 - конструктивный вид компоновки кантилеверов согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения и

фиг.6 - конструктивный вид компоновки кантилеверов согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Ниже будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1 представлен первый схематичный вид лазерного пятна и мультикантилевера согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения для случая, когда возбуждение осуществляется модулированным светом, на фиг.2 представлен второй схематичный вид лазерного пятна и мультикантилевера для случая, когда осуществляется возбуждение и на фиг.3 представлен схематичный вид устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера для случая, когда осуществляется возбуждение.

На каждой из фиг.1 и 2 позицией 1 обозначена подложка, символами со 2 по N обозначены кантилеверы, позицией 11 обозначена матрица кантилеверов (в данном случае один ряд) и позицией 21 обозначено лазерное пятно. На фиг.1 направление сканирования лазерного пятна обозначено позицией 22, а на фиг.2 направление сканирования лазерного пятна обозначено позицией 23.

В соответствии с этим на фиг.1 сканирование лазерного пятна осуществляется снизу вверх, а на фиг.2 сканирование лазерного пятна осуществляется горизонтально, так что лазерное пятно 21 создает оптическое возбуждение и функционирует при оптическом обнаружении.

На фиг.3 позицией 30 показан измерительный свет лазерного доплеровского измерителя, позицией 31 обозначен лазерный доплеровский измеритель, позицией 32 обозначен системный анализатор, с которым соединен выход лазерного доплеровского измерителя 31, позицией 33 обозначен источник модулированного света, соединенный с системным анализатором 32, и позицией 34 обозначен модулированный свет (возбуждающий свет), излучаемый источником модулированного света.

В данном случае кантилевер 2 сканируется измерительным светом 30 и возбуждающим светом 34 посредством использования направляющих свет средств (не показанных) и осуществляется качание частоты возбуждающего сигнала системного анализатора 32, создающего колебания, в полосе частот, охватывающей собственную частоту кантилевера 2, облучаемого лазерным пятном. Когда лазерное пятно используют для сканирования от одного конца до другого конца ряда кантилеверов со 2 по N при синхронизации сканирования лазерного пятна и качания частоты, то измеряют собственную частоту и амплитуду каждого из кантилеверов 2 в ряду. Частотное разрешение и время, необходимое для качания, находятся в обратной зависимости по отношению друг к другу. Ограничение наблюдения группы кантилеверов, которые имеют выраженное изменение, и тщательное наблюдение окрестности группы делают измерительное устройство удобным для пользования.

Для модулированного оптического возбуждения требуется согласование сканирования лазерного пятна и частоты модуляции возбуждающего света с частотой и местоположением каждого из кантилеверов. Наличие полости между подложкой и каждым кантилевером не требуется.

Это будет пояснено при рассмотрении матрицы кантилеверов, имеющей, например, 1000×1000 кантилеверов.

Собственные частоты одного ряда кантилеверов равны f ₁, f₂, ...,f₁₀₀₀ . Индивидуальные собственные частоты удовлетворяют условию f ₁<f₂<f₃ <...<f₁₀₀₀.

Из кантилеверов со 2 по N в ряду N кантилеверов одновременно облучают измерительным светом 30 лазерного доплеровского измерителя 31. Когда матрицу 11 кантилеверов облучают модулированным светом 34 для возбуждения колебаний, то возбуждают колебания, при которых частота модулированного света 34 и собственная частота каждого кантилевера совпадают. Сигнал оптического возбуждения получают, используя выходной сигнал системного анализатора 32, а выход лазерного доплеровского измерителя 31 соединяют с системным анализатором 32, чтобы сделать возможным определение посредством системного анализатора 32 собственных частот множества кантилеверов со 2 по N в виде множества пиков.

Когда число N увеличивается, то, с одной стороны, возрастает число кантилеверов, которые могут быть измерены системным анализатором 32 без сканирования оптической оси, и, с другой стороны, снижается отношение сигнала к шуму лазерного доплеровского измерителя 31. Эффективная площадь измерения кантилеверов возрастает, и поэтому используют максимальное значение N, считающееся приемлемым с учетом отношения сигнала к шуму. Если N меньше числа кантилеверов в ряду, область наблюдения расширяют с помощью лазерного сканирования. Те же самые частоты f₁, f ₂, ..., f₁₀₀₀ из первого ряда могут быть повторены для других соответствующих рядов.

В предельном случае, когда N=1, в определенный момент времени осуществляют оптическую накачку и обнаружение только одного кантилевера. В данном случае частоту возбуждающего сигнала, создающего колебание, в системном анализаторе 32 устанавливают в полосе частот, достаточной для перекрытия собственной частоты кантилевера. При синхронизации сканирования оптического пятна по матрице 11 кантилеверов и частоты возбуждающего сигнала, создающего колебания, от системного анализатора 32 собственное колебание кантилевера, которое наблюдается в момент, когда существует лазерное пятно, может находиться в полосе частот наблюдения системного анализатора 32.

В соответствии с этим, когда ряд из, например, 1000 кантилеверов сканируют лазерным пятном, а частоту возбуждающего сигнала, создающего колебание, от системного анализатора 32 качают синхронно со сканированием, можно измерить частотную характеристику каждого кантилевера.

Когда частота и амплитуда колебания конкретного кантилевера, например кантилевера, обычно имеющего собственную частоту f ₀, изменяются, наблюдатель знает, что кантилевер имеет обнаруживаемые силу, поле и материал.

При наложении условия 1<N<10 могут быть приемлемыми как отношение сигнала к шуму оптического обнаружения, так и допустимые отклонения синхронизации качания частоты и сканирования лазерного пятна по кантилеверам.

Хотя в предшествующем описании для примера описано измерение каждого ряда кантилеверов, для одновременного выполнения измерений вся поверхность матрицы 11 кантилеверов может быть облучена измерительным светом 30 лазерного доплеровского измерителя 31.

Вместо измерения колебания вышеуказанным лазерным доплеровским измерителем колебание может быть измерено гомодинным интерферометром.

Вместо оптической накачки может быть осуществлено электрическое возбуждение. В этом случае используют электростатическую емкость между каждым кантилевером, подложкой и образцом. В данном случае частоту электрического возбуждения качают так, чтобы охватить собственную частоту кантилевера, который облучается измерительным светом 30 лазерного доплеровского измерителя.

Как описывалось выше, при изменении собственной частоты кантилевера можно надлежащим образом выбрать кантилевер, подлежащий измерению, и последовательно сделать кантилеверы всей матрицы кантилеверов объектами измерения.

Для постоянной оптической накачки требуется, чтобы длина полости относительно подложки была такой, при которой возбуждение происходит при определенной длине волны. Однако модуляция не требуется, так что частота возбуждения не должна регулироваться соответственно кантилеверу, который наблюдается.

Поэтому это обеспечивает получение каждого из преимуществ.

Дальше будет описано возбуждение постоянным светом.

На фиг.4 представлен схематичный вид устройства для измерения частоты колебаний мультикантилевера, в котором согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения возбуждение осуществляется постоянным светом.

На чертеже позицией 41 обозначен источник постоянного света, позицией 42 обозначена конденсорная линза, позицией 43 обозначен постоянный свет (возбуждающий свет), позицией 51 обозначена подложка, пропускающая свет, позицией 52 обозначен кантилевер и позицией 53 обозначен зазор (длина d полости) между подложкой 51 и кантилевером 52.

Пояснение будет сделано для матрицы кантилеверов, имеющей для примера 1000×1000 кантилеверов.

В данном случае для прохождения света между кантилевером 52 и подложкой 51 предусмотрен зазор 53. Зазор 53 имеет размер, который равен 1/2 числа, кратного длине волны возбуждающего света. Поэтому, когда для облучения используют постоянный свет, облучаемый кантилевер 52 начинает входить в состояние самовозбуждения.

Собственные частоты одного ряда кантилеверов составляют f₁, f₂, ..., f₁₀₀₀.

Из ряда кантилеверов N кантилеверов одновременно облучают измерительным светом 30 лазерного доплеровского измерителя 31. Когда для возбуждения колебаний матрицу кантилеверов облучают постоянным светом 43, кантилевер 52 находится в состоянии самовозбуждения. Становится возможным измерение собственных частот множества кантилеверов 52 лазерным доплеровским измерителем 31. При увеличении числа N, с одной стороны, возрастает число кантилеверов 52, которые могут быть измерены без сканирования оптической оси, и, с другой стороны, снижается отношение сигнала к шуму лазерного доплеровского измерителя 31. Поэтому эффективная площадь измерения кантилеверов 52 возрастает, и используют максимальное значение N, считающееся приемлемым с учетом отношения сигнала к шуму. Если N меньше числа кантилеверов 52 в ряду, область наблюдения расширяют с помощью лазерного сканирования. Те же самые частоты f ₁, f₂, ..., f₁₀₀₀ из первого ряда могут быть повторены для других соответствующих рядов.

В предельном случае, когда N=1, в определенный момент времени осуществляют оптическую накачку и обнаружение только одного кантилевера. В данном случае частоту качания устанавливают в полосе частот, достаточной для перекрытия собственной частоты кантилевера. При синхронизации сканирования оптического пятна по матрице кантилеверов и полосы частот лазерного доплеровского измерителя 31 собственное колебание кантилевера, которое наблюдается в момент, когда существует лазерное пятно, может находиться в полосе частот наблюдения лазерного доплеровского измерителя 31. Поэтому ряд из, например, 1000 кантилеверов сканируют лазерным пятном, и при этом может быть измерена частотная характеристика каждого кантилевера.

Когда частота и амплитуда колебания конкретного кантилевера, такого как кантилевер, имеющий собственную частоту f₀ Гц, изменяются, наблюдатель знает, что кантилевер имеет обнаруживаемые силу, поле и материал.

Хотя в предшествующем описании для примера описано измерение каждого ряда кантилеверов, для одновременного выполнения измерений вся поверхность матрицы кантилеверов может быть облучена измерительным светом 30 лазерного доплеровского измерителя 31.

Вместо измерения колебания вышеуказанным лазерным доплеровским измерителем колебание может быть измерено гомодинным интерферометром.

Как описывалось выше, при изменении собственной частоты кантилевера можно надлежащим образом выбрать кантилевер, подлежащий измерению, и последовательно сделать кантилеверы всей матрицы кантилеверов объектами измерения.

Когда изменение происходит в конкретном кантилевере, на этот кантилевер обращают внимание и с высоким частотным разрешением осуществляют измерения в зоне собственной частоты кантилевера, для облегчения возможности наблюдения очень малых изменений.

Для постоянной оптической накачки требуется, чтобы длина полости d между подложкой и кантилевером была такой, при которой возбуждение происходит при определенной длине волны. Однако модуляция не требуется, так что нет необходимости регулировать частоту возбуждения соответственно кантилеверу, который наблюдается.

Первый вариант осуществления изобретения является преимущественным в том отношении, что предоставляет возможность облегчить изготовление матрицы кантилеверов, а второй вариант осуществления изобретения является преимущественным в том отношении, что предоставляет возможность облегчить возбуждение, сканирование и качание частоты.

Хотя в описанных выше вариантах осуществления матрица кантилеверов описана как имеющая кантилеверы, расположенные рядами, нет необходимости располагать кантилеверы по прямым линиям, как описано выше.

На фиг.5 представлен конструктивный вид компоновки кантилеверов согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

На чертеже кантилеверы с 62 по N, имеющие различные собственные частоты (в данном случае различные длины), расположены группами по радиусам и вытянуты от имеющего форму островка основания 61, так что кантилеверы могут быть облучены общим лазерным (возбуждающим) пятном 71. Кантилеверы могут быть неравномерно сгруппированы по радиусам.

В таком случае освещение кантилеверов лазерным пятном 71, показанным пунктирными линиями, делает возможным измерение колебаний лазерным доплеровским измерителем (не показанным).

На фиг.6 представлен конструктивный вид компоновки кантилеверов согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

На чертеже кантилеверы с 82 по N, имеющие различные собственные частоты (в данном случае различные длины), расположены группами по радиусам от спирального основания 81, так что кантилеверы могут быть облучены общим лазерным пятном 91. Кантилеверы могут быть неравномерно сгруппированы по радиусам.

В таком случае освещение кантилеверов лазерным пятном 91, показанным пунктирными линиями, делает возможным измерение колебаний кантилеверов лазерным доплеровским измерителем (не показанным).

Для структур, показанных на фиг.5 и 6, равным образом можно сочетать модулированное электрическое возбуждение и оптическое обнаружение.

Настоящее изобретение не ограничено описанными выше вариантами осуществления, так что на основе сущности настоящего изобретения могут быть сделаны различные модификации, и при этом они не будут исключены из объема настоящего изобретения.

В соответствии с тем, что подробно описано выше, настоящим изобретением обеспечиваются следующие преимущества.

(А) Измерение частотных характеристик множества кантилеверов может быть осуществлено при синхронизации сканирования лазерного пятна и качания частоты посредством, например, системного анализатора или путем последовательного во времени считывания характеристик колебаний при сканировании лазерного пятна и приведения в состояние самовозбуждения постоянным светом. Поскольку частотные характеристики кантилеверов каждого ряда измеряются одновременно в результате сканирования каждого ряда, то нет необходимости осуществлять, например, сложное оптическое распознавание образов, и когда оптическое сканирование по рядам и столбцам кантилеверов завершается, завершаются измерения частот и амплитуд всех кантилеверов.

(В) Применение может быть осуществлено к по меньшей мере нескольким миллионам кантилеверов.

(С) Поскольку можно осуществить оптическую накачку и оптическое обнаружение кантилевера, имеющего ширину порядка 10 нм, то возможны возбуждение колебаний и обнаружение на более высокой частоте, более чувствительное обнаружение и более плотная компоновка кантилеверов.

(D) Механическая часть устройства для осуществления оптической накачки и оптического обнаружения с помощью света может быть упрощена, а ее размеры уменьшены, так что устройство станет более надежным и обеспечит более высокий уровень чистоты.

(Е) Осуществление оптической накачки и оптического обнаружения с помощью света обуславливает упрощение структуры матрицы кантилеверов, значение добротности колебаний будет высоким, могут быть выбраны различные модификации материалов, а кантилеверы могут быть расположены ближе друг к другу.

(F) Осуществление оптической накачки и оптического обнаружения с помощью света делает возможным использование устройства в особых окружающих условиях, например в условиях сверхвысокого вакуума или предельно низких температур, и при этом позволяет иметь более простую конструкцию меньших размеров и получить более высокий уровень чистоты.

(G) Осуществление оптического обнаружения и модулированного электрического возбуждения для модуляции электрического поля сразу относительно всех кантилеверов делает возможным использование устройства в особых окружающих условиях, например в условиях сверхвысокого вакуума или предельно низких температур, и при этом позволяет иметь более простую конструкцию меньших размеров и получить более высокий уровень чистоты.

Промышленная применимость

Согласно настоящему изобретению способ и устройство, предназначенные для измерения частоты колебаний мультикантилевера, пригодны для измерения колебаний мультикантилевера, для применения в микроскопах со сканирующим зонтом и в устройствах обнаружения массы/материала.