原子間力の顕微鏡用タンデム形圧電アクチュエータ及び単一駆動回路
【課題】比較的高速でスキャンしかつ適当な画像品質を維持する。
【解決手段】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用の装置は、軸に沿ってカンチレバー３０１を移動するように構成された第１のアクチュエータ３１０と、この軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第２のアクチュエータ３１１と、増幅器３０８と、この増幅器３０８と第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１との間に接続されたクロスオーバ回路網３０９とを具備する。このクロスオーバ回路網３０９は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で第１のアクチュエータ３１０に与え、また第２の駆動信号を第２の周波数範囲で第２のアクチュエータ３１１に与えるように適合される。
【解決手段】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用の装置は、軸に沿ってカンチレバー３０１を移動するように構成された第１のアクチュエータ３１０と、この軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第２のアクチュエータ３１１と、増幅器３０８と、この増幅器３０８と第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１との間に接続されたクロスオーバ回路網３０９とを具備する。このクロスオーバ回路網３０９は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で第１のアクチュエータ３１０に与え、また第２の駆動信号を第２の周波数範囲で第２のアクチュエータ３１１に与えるように適合される。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、比較的高解像度タイプの走査プローブ顕微鏡である。ナノメートルの何分の１もの実証された解像度で、ＡＦＭは光回折限界よりも１０００倍以上も大きい解像度を約束している。
【０００２】
多くの周知のＡＦＭは、被検査物の表面をスキャンするために使用される鋭いチップ（プローブ）が端部に付いた、微小規模のカンチレバーを備えている。このカンチレバーは、一般に、チップの曲率半径がナノメートル程度のシリコン又は窒化ケイ素である。チップがサンプル面に接触されると、チップとサンプルとの間の力がカンチレバーに偏位（deflection）をもたらす。１つ以上の種々の力が、カンチレバー形プローブ・チップの偏位を介して測定される。これらの力には、ほんの僅かの種類を上げると、機械的な力、静電気及び静磁気の力が含まれる。
【０００３】
一般に、カンチレバー形プローブ・チップの偏位は、カンチレバーの頂部から位置検出器に反射されたレーザ・スポットを用いて測定される。使用される他の方法には、光干渉法及び圧電抵抗ＡＦＭカンチレバー感知方式が含まれる。
【０００４】
多くのＡＦＭでは、フィードバック機構が採用されて、チップの角度偏位がほぼ一定に保たれる。一定の角度偏位を支持するためにチップに要求させる動きは、サンプルの形状を表す領域ｓ＝ｆ（ｘ，ｙ）のマップを提供する。
【０００５】
ＡＦＭ計器の１つの構成部品は、サンプルの表面をスキャンするチップの角度偏位を支持するアクチュエータである。たいていのＡＦＭ計器は、サンプルをスキャンするために３個の正規直交軸を使用する。第１の２個の軸（例えば、Ｘ及びＹ軸）は、各方向を１００μｍの代表的なレンジで表面をラスタ・スキャンするように駆動される。第３の軸（例えば、Ｚ軸）は、表面の形状をトラッキングするために、Ｘ及びＹ軸に直交するようにチップを駆動する。
【０００６】
全体的に、ほぼ一定の偏位を維持するために、チップのＺ軸動作用のアクチュエータは、比較的小さい動作範囲を必要とする（例えば、約１μｍ（又は１μｍ未満）から約１０μｍまで）。しかしながら、ＡＦＭのスキャン速度に関する要求事項が増加するにつれて、Ｚ軸動作用のアクチュエータは、表面形状の変動に比較的迅速に応答する必要がある。例えば、比較的高速（０．５フレーム／秒以上又は約２５０Ｈｚ以上）でスキャンしかつ適当な画像品質を維持するためには、一般に、２０ｋＨｚ以上の閉ループ応答ができるＺ軸用アクチュエータ・システムが必要である。そのような動作速度及び範囲が可能な周知のアクチュエータは、全体的に圧電技術に制限される。残念なことに、動作範囲の大きさが約１０μｍの既知の圧電式アクチュエータの設計は、比較的大きなキャパシタンスを有し、かつ閉ループ応答を制限する共振に関連した欠点を招くことなく高い周波数で駆動することが困難である。このため、周知のＺ軸アクチュエータは、良好な画像品質を実現するために、遙かに遅いスキャン速度（一般に、０．５分／フレーム〜３分／フレーム）で動作するように構成されるか、又はスキャン範囲（一般に、１μｍ未満）を犠牲にする必要がある。
【０００７】
従って、少なくとも前述された周知のアクチュエータの欠点を克服するＡＦＭ用の圧電アクチュエータに対する要求が存在する。
【発明の概要】
【０００８】
代表的な実施形態では、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）用の装置は、軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第１のアクチュエータと、この軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第２のアクチュエータと、増幅器と、この増幅器と第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網（crossover network）とを具備する。このクロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で第１のアクチュエータに与え、また第２の駆動信号を第２の周波数範囲で第２のアクチュエータに与えるように適合される。
【０００９】
別の代表的な実施形態では、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）用装置の第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータを駆動するための駆動回路は、増幅器と、この増幅器と第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網とを具備する。このクロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で第１のアクチュエータに与え、また第２の駆動信号を第２の周波数範囲で第２のアクチュエータに与えるように適合される。
【００１０】
本教義は、添付された図面と一緒に下記の詳細な説明を読めば、最も良く理解される。機構は必ずしも縮尺通りに描かれていない。可能な限り、同じ参照番号は同じ機構を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】代表的な実施形態によるＡＦＭ装置の斜視図である。
【図２】代表的な実施形態によるプローブ・アセンブリの斜視図である。
【図３】代表的な実施形態によるＡＦＭ装置の単純化された概略ブロック図である。
【図４】代表的な実施形態による駆動回路の単純化された概略図である。
【図５】代表的な実施形態によるプリアンプの出力電圧対周波数のグラフである。
【図６Ａ】代表的な実施形態によるアクチュエータの利得（ｄＢ）対周波数のグラフである。
【図６Ｂ】代表的な実施形態によるアクチュエータの利得（ｄＢ）対周波数のグラフである。
【図６Ｃ】代表的な実施形態によるアクチュエータの組合せの利得（ｄＢ）対周波数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
下記の詳細な説明では、限定ではなく説明するために、特定の細部を開示する代表的な実施形態が、本教義を完全に理解してもらうために明記される。周知の装置、材料及び製造方法の説明は、実施形態の説明が不明瞭にされるのを避けるために省かれる。それにもかかわらず、技術的に通常の技術の１つの中にあるそのような装置、材料及び方法は、代表的な実施形態に基づいて使用されうる。
【００１３】
概して、図面やその中で示される種々の部品が、縮尺通りに描かれていないことは理解されよう。さらに、「〜の上に」、「下方に」、「一番上の」、「底」、「より上の」、「下方の」、「左」、「右」、「垂直」及び「水平」などの相対語は、添付された図面で例示されているように、様々な部品の互いに対する関係を説明するために使用される。これらの相対語が、図面の中で示された方向に加えて、装置及び／又は部品の種々の方向を含むように意図されることは理解されよう。例えば、装置が図面の中の表示に関して反転される場合、他の部品の「上」として説明された部品は、例えば、今はその部品の「下に」存在する。同様に、装置が図面の中の表示に対して９０度回転される場合、例えば、「垂直」と説明された部品は、今は「水平」になる。
【００１４】
代表的な実施形態が、ＡＦＭの応用例に関連して説明される。しかしながら、これは単に例示するものであり、他の応用例も考えられる。特に、本教義は、その場で位置合わせすることが比較的難しい部品に対して正確な位置合わせが必要な状態で適用されることができる。
【００１５】
図１は、代表的な実施形態による原子間力顕微鏡用の装置１００（以後、「ＡＦＭ１００」と呼ぶ）の斜視図である。当業者は容易に理解できるように、本願は、走査型力顕微鏡（scanning force microscope）（ＳＦＭ）として知られている様々な種類のＡＦＭに適用できる。このＡＦＭ１００は、多数の電気的及び機械的構成部品を備えているが、それを説明することは、本願の範囲から外れている。ＡＦＭ１００はプローブ・アセンブリ１０１を備えている。その幾つかの構成部品は、本願の代表的な実施形態に関連して説明される。特に、アクチュエータ及び単一の増幅器を有する駆動回路（図１には図示されていない）は、本願の代表的な実施形態に基づいて、以下でより完全に説明される。
【００１６】
サンプル１０２は、ＡＦＭ１００によって測定及び試験のために図示のように保持される。本願でより完全に説明されるように、サンプル１０２は全体的に図１の座標系のｘ−ｙ面内で移動されて、アクチュエータ（図示せず）でサンプルの表面がラスタ・スキャンされ、表面形状がプローブ・アセンブリ１０１のｚ方向の動きによってマップされる。
【００１７】
図２は、プローブ・アセンブリ１０１のより詳細に示された斜視図である。このプローブ・アセンブリ１０１は、ベース２０３に取り付けられた第１のアクチュエータ２０１及び第２のアクチュエータ２０２を備えている。ベース２０３は、ＡＦＭ１００に固着されている。以下により詳細に説明されるように、駆動回路（図１及び図２では図示せず）が第１のアクチュエータ２０１及び第２のアクチュエータ２０２に電気的に接続され、またクロスオーバ回路網（crossover network）（図２には示されていない）を含んでいる。この駆動回路は、電力を第１のアクチュエータ２０１及び第２のアクチュエータ２０２の両方に提供し、またそれらを制御している。
【００１８】
カンチレバー２０４は第２のアクチュエータ２０２から伸長し、プローブ・チップ２０５を有している。プローブ・チップ２０５及びカンチレバー２０４は、周知の半導体処理技術を用いて共通の基板から一体となって形成され、第２のアクチュエータ２０２に固定されることができる。別の方法では、第２のアクチュエータ２０２、カンチレバー２０４及びプローブ・チップ２０５は、共通の基板から一体となって形成されることができる。本願でさらに完全に説明されるように、カンチレバー２０４の実質的に（substantially）一定な角度偏位又はプローブ・チップ２０５とサンプル１０２の表面との間の実質的に一定な距離を維持するために、第１及び第２のアクチュエータ２０１、２０２は協力して機能し、またプローブ・チップ２０５及びカンチレバー２０４が示された座標系の±ｚ方向に有効に動作させる。代表的な実施形態では、第１及び第２のアクチュエータ２０１、２０２は、一般に知られている１９９９年１１月１６日に出願されたS. Hoenらへの「Electrostatic Actuator with Spatially Alternating Voltage Patterns」という名称の米国特許第５，９８６，３８１号の中で説明されているような、圧電ナノステッパー式アクチュエータとすることができる。この特許は参照することによって、本願に組み込まれるものとする。
【００１９】
代表的な実施形態では、この第１のアクチュエータ２０１は、Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.から入手できるプリ・ロードされた圧電スタック式アクチュエータであり、約１００Ｖの電圧が印加されたときのｚ方向の動作範囲は約１５．０μｍである。第１のアクチュエータ２０１は、比較的低い動作周波数で比較的大きな動作範囲を提供するように選択される。具体例として、この第１のアクチュエータ２０１の周波数応答は、約１．０ｋＨｚ以下である。以下でより完全に説明されるように、第１のアクチュエータ２０１は、より大きな距離にわたって比較的遅いトラッキング動作を行う。第１のアクチュエータ２０１には、第２のアクチュエータ２０２と比べて大きな固有キャパシタンスがある。一例として、この第１のアクチュエータの固有キャパシタンスは約１．５μＦである。具体例として、第１のアクチュエータ２０１の共振周波数は、約１０ｋＨｚ〜約２０ｋＨｚの範囲である。
【００２０】
代表的な実施形態では、第２のアクチュエータ２０２は、第１のアクチュエータ２０１よりも寸法的に小さい圧電スタックを備えている。この第２のアクチュエータ２０２は、比較的狭い動作範囲を提供するように選択される。具体例として、第２のアクチュエータ２０２のｚ方向の動作範囲は、約１００Ｖの電圧が印加されたとき約１．０μｍ〜約３．０μｍである。具体例として、第２のアクチュエータ２０２の周波数応答は約１．０ｋＨｚ以上であり、動作時の代表的な周波数応答は約２０．０ｋＨｚである。別の方法では、第２のアクチュエータ２０２の周波数応答は、約ＤＣ〜約２０ｋＨｚである。以下でより完全に説明されるように、第２のアクチュエータ２０２は、より狭い動作範囲にわたって比較的高速のトラッキングを行う。第２のアクチュエータ２０２は、第１のアクチュエータ２０１よりも小さい固有キャパシタンスを有している。一例として、この第２のアクチュエータ２０２の固有キャパシタンスは、約０．０３μＦである。具体例として、第２のアクチュエータ２０２の共振周波数は、約２００ｋＨｚ〜約３００ｋＨｚである。特に、この第２のアクチュエータ２０２の共振周波数は、プローブ・アセンブリ１０１の最大動作周波数よりもかなり高い。
【００２１】
図３は、代表的な実施形態によるＡＦＭ３００の単純化された概略ブロック図である。ＡＦＭ３００の幾つかの態様は、図１及び図２の代表的な実施形態に関連して前述されたＡＦＭ１００及びプローブ・アセンブリ１０１に共通する。ＡＦＭ１００及びプローブ・アセンブリ１０１に関するこれらの態様の多くの細部の説明は、現在説明されている代表的な実施形態の説明が分かりにくくなるのを避けるために繰り返さない。
【００２２】
ＡＦＭ３００は、チップ及びカンチレバー３０１並びに光学系３０２を備えている。代表的な実施形態では、このチップ及びカンチレバー３０１は、図１及び図２に関連して説明されたプローブ・アセンブリ１０１の構成部品である。光学系３０２は、特定の座標軸（例えば、図１及び図２のｚ軸）に沿った動きによって引き起こされるチップ及びカンチレバー３０１の偏位を検出するのに有用な光源（図示せず）と光検出器（図示せず）とを備えている。光源はレーザを有し、光検出器は、例えば、４象限光センサを備えることができる。光学系３０２は当業者には周知であるため、本願ではその詳細は説明されない。
【００２３】
光学系３０２は、チップ及びカンチレバー３０１の動きを示すアナログ信号を、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）３０３に提供する。ＡＤＣ３０３は、ディジタル信号をプログラム可能論理回路（ＰＬＤ）３０４に提供する。このＰＬＤ３０４は、実例では、フィールド・プログラム可能ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）である。別の方法では、ＰＬＤ３０４は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はマイクロプロセッサを備えることができる。
【００２４】
このＰＬＤ３０４は、チップ及びカンチレバー３０１の測定された偏位と、チップ及びカンチレバー３０１の設定された偏位点の値との間の差に基づいて誤差信号を決定するのに適当なコントローラ３０５を備えている。より具体的に言うと、コントローラ３０５は、チップ及びカンチレバー３０１の移動を示すディジタル化信号をＡＤＣ３０３から受け取り、このディジタル化信号を設定点の値と比較することによって誤差信号の値を決定する。この設定点は、例えば、ルックアップ・テーブル（ＬＵＴ）、データベース又は他の種類のメモリの中に記憶されうる。代表的な実施形態では、実例として、比例−積分−微分動作方式（ＰＩＤ）のコントローラ又は当業者に周知の適当なフィードバック・コントローラである。
【００２５】
コントローラ３０５は、前置増幅器（プリアンプ）３０６に誤差信号を与える。以下でより完全に説明されるように、プリアンプ３０６は、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの伸長（extension）が第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの伸長と異なる場合は、駆動信号を等しくする。従って、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の単位電圧当たりの伸長が等しい場合は、プリアンプ３０６は必要とされない。
【００２６】
プリアンプ３０６は、ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）３０７に誤差信号を与える。ＤＡＣ３０７はアナログ形式の誤差信号を増幅器３０８に与え、この増幅器３０８は、アナログの誤差信号に基づいてクロスオーバ回路網３０９に対して入力信号を提供する。一般的に、増幅器３０８は、ＤＡＣ３０７から誤差信号を受け取り、かつ入力信号をクロスオーバ回路網３０９に与えるのに適当な利得要素又はシステムを有している。クロスオーバ回路網３０９は、第１のアクチュエータ３１０と第２のアクチュエータ３１１とに、それぞれ駆動信号を与える。とりわけ、増幅器３０８は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方を駆動する。以下でより詳細に説明されるように、このクロスオーバ回路網３０９は、比較的低い周波数の駆動信号を第１のアクチュエータ３１０に与え、また比較的高い周波数の駆動信号を第２のアクチュエータ３１１に与える。高い周波数動作と低い周波数動作との「間に」あるクロスオーバ周波数領域（「クロスオーバ周波数範囲」と呼ぶ）では、クロスオーバ回路網３０９はクロスオーバ周波数の駆動信号を、第１のアクチュエータ３１０と第２のアクチュエータ３１１とに与える。
【００２７】
クロスオーバ回路網３０９は、第１のアクチュエータ３１０とＤＣ結合を、第２のアクチュエータ３１１とはＡＣ結合を行う。この結果、増幅器３０８からの入力信号が比較的低い周波数の場合は、増幅器３０８により第１のアクチュエータ３１０が駆動され、また増幅器３０８からの入力信号が比較的高い周波数の場合は、増幅器３０８により第２のアクチュエータ３１１が駆動される。このため、前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は低周波数の入力信号に対応して、特定の軸（例えば、図１及び図２のｚ軸）に沿ってチップ及びカンチレバーのより大きな動きを提供し、そして第２のアクチュエータは高周波数の入力信号に応答して、特定の軸に沿ってチップ及びカンチレバー３０１のより小さな動きを提供する。クロスオーバ周波数範囲では、増幅器３０８からの入力信号が高周波数と低周波数との「間」にある場合、増幅器３０８からの入力信号は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方に提供される。このため、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は、クロスオーバ周波数の範囲では同時に駆動される。第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対的な入力は、増幅器３０８からの入力信号の周波数に依存する。従って、クロスオーバ周波数範囲の比較的低い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第１のアクチュエータ３１０の動作によって支配され、またクロスオーバ周波数範囲の比較的高い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第２のアクチュエータ３１１の動作によって支配される。
【００２８】
第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は電気的及び機械的に連結されているため、チップ及びカンチレバー３０１は比較的大きな周波数範囲にわたって、また対応する比較的大きな動作範囲にわたって動作できる。実例として、このチップ及びカンチレバー３０１は、約０Ｈｚ（ＤＣ）〜約２０ｋＨｚの周波数範囲、及び約０μｍ〜約１０．０μｍの動作範囲にわたって応答する。
【００２９】
以下でより詳細に説明されるように、１つの実施例では、クロスオーバ回路網３０９はローパス周波数フィルタ及びハイパス周波数フィルタを備えている。特に、ローパス周波数フィルタのローパス周波数特性及びハイパス周波数フィルタのハイパス周波数特性は、第１のアクチュエータ３１０の位相及び第２のアクチュエータ３１１の位相が、両方のアクチュエータがそれぞれの動作範囲の−３ｄＢすなわち約７０％で動作する周波数において、相対位相シフトが０°になるように設定される。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１が−３ｄＢで動作する周波数は、「クロスオーバ周波数」と呼ばれる。結果として、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１が両方とも一直線に並んで（タンデムで）動作する場合、伸長と周波数との幾つかの組合せでは、実質的に相対的な位相シフトは存在せず、またアクチュエータは好ましいことに単一ユニットとして機能する。
【００３０】
以下でより詳細に説明されるように、代表的な実施形態では、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタは、第２のアクチュエータ３１１の固有キャパシタンスと電気的に直列に接続されたＤＣブロッキング・コンデンサ（図３には示されていない）、及びこのＤＣブロッキング・コンデンサに電気的に直列に接続されたハイパス抵抗（図３には示されていない）を有している。クロスオーバ回路網３０９のローパス周波数フィルタは、第１のアクチュエータ３１０の固有キャパシタンスと電気的に直列に接続された抵抗（図３には示されていない）を有している。クロスオーバ回路網３０９の抵抗の値の選択により、クロスオーバ回路網３０９のクロスオーバ周波数が規定される。例えば、大きな伸長／低い周波数応答が要求される場合、第１のアクチュエータ３１０が、チップ及びカンチレバー３０１の動作範囲のより広い部分にわたって動作するように、クロスオーバ周波数が比較的高く選択される。対照的に、小さな伸長／高い周波数応答が要求される場合、第２のアクチュエータ３１１が、チップ及びカンチレバー３０１の動作範囲のより広い部分にわたって動作するように、クロスオーバ周波数が比較的低く選択される。
【００３１】
図４は、代表的な実施形態による駆動回路４００の単純化された概略図を示し、プリアンプ３０６、増幅器３０８、及びクロスオーバ回路網３０９の構成部品を備えている。図４に示された構成部品の幾つかの態様は、図１〜図３の代表的な実施形態に関連して前述されたものと共通している。構成部品の共通の態様の細部の説明は、代表的な実施形態の説明が分かりにくくなるのを避けるために繰り返さない。
【００３２】
プリアンプ３０６は、コントローラ３０５（図４には示されていない）から誤差信号を受け取る。以下でより詳細に説明されるように、プリアンプ３０６は、第１のアクチュエータ３１０（図４には示されていない）の単位電圧当たりの伸長が第２のアクチュエータ３１１（図４には示されていない）の単位電圧当たりの伸長と等しくない場合、駆動信号を等しくする。プリアンプ３０６は、１．０の低い周波数利得と、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の単位電圧当たりの伸長の比によって決定される高い周波数利得とを有する。高い周波数利得は、抵抗４０９の値の抵抗４１１の値に対する比によって設定される。
【００３３】
増幅器３０８は、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２に対して入力信号を提供する。ハイパス周波数フィルタ４０１は、第２のアクチュエータ３１１の固有キャパシタンス４０４に電気的に直列に接続されたＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と、このＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と電気的に直列に接続されたハイパス抵抗４０５とを有する。
【００３４】
第２のアクチュエータ３１１は、バイアス電圧４０８に直列に接続されたハイパス抵抗４０５によって、その可動域の中点にバイアスされる。このバイアス電圧４０８は、電源（図示せず）又は増幅器３０８用の電源などの既存の電源から電圧分圧器（図示せず）によって与えられる、バイアス電圧４０８は、静止位置で第２のアクチュエータ３１１のＤＣ伸長を維持する。これは、本実施例では、その全伸長値の約１／２である。増幅器３０８からの出力は第２のアクチュエータ３１１を駆動して、その静止位置から離してサンプル（例えば、サンプル１０２）の表面を追跡させる。その全伸長の１／２を第２のアクチュエータ３１１の静止位置に選択することは、説明のための例示である。例えば、サンプルの表面が概ね「平坦」（例えば、図１の座標系によればｚ方向の振幅変動が小さい）であり、「鋭い」ピーク（例えば、図１の座標系によればｚ方向の振幅変動が大きい）が散在する場合、例えば、第２のアクチュエータ３１１の静止位置をその全伸長の別の値（例えば、２５％又は７５％）に設定して、第２のアクチュエータ３１１の図１及び図２に示された座標系のｚ軸に沿った動作範囲を、より大きくできるようにする。このため、静止位置で第２のアクチュエータ３１１の伸長を調整可能にするために、バイアス電圧４０８が調整されることができる。
【００３５】
前述されたように、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタ４０１は、第２のアクチュエータ３１１の固有キャパシタンス４０４に電気的に直列に接続されたＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と、このＤＣブロッキング・コンデンサ４０３に電気的に直列に接続されたハイパス抵抗４０５とを備えている。ハイパス周波数フィルタ４０１は、比較的高い周波数信号（例えば、３ｋＨｚから１０ｋＨｚ以上）を増幅器３０８から第２のアクチュエータ３１１に通過させる。第２のアクチュエータ３１１の高周波数応答が、チップ及びカンチレバー３０１を比較的急速に動かす能力を提供するが、振幅がかなり小さい振動（例えば、約２０ｋＨｚ、１．０μｍ以下）が存在する。このため、代表的な実施形態では、第２のアクチュエータ３１１はＡＣ結合され、ハイパス周波数フィルタ４０１のために増幅器３０８からのＤＣ駆動信号には応答しない。別の実施形態では、ＤＣブロッキング・コンデンサ４０３が除かれ、そして第２のアクチュエータ３１１の動作範囲が、ＤＣからかなり高い周波数（例えば、１０ｋＨｚ以上）まで拡張される。
【００３６】
クロスオーバ回路網３０９のローパス周波数フィルタ４０２は、第１のアクチュエータ３１０の固有キャパシタンス４０７に電気的に直列に接続された抵抗４０６を備えている。このローパス周波数フィルタ４０２は、比較的低い周波数信号（例えば、ＤＣ〜約１ｋＨｚ）を増幅器３０８から第１のアクチュエータ３１０に通過させる。抵抗４０６は、第１のアクチュエータ３１０の電流負荷を減らすように選択された値を有している。このことは、かなり高い固有キャパシタンスを有する第１のアクチュエータ３１０を容易に駆動できるようにし、また利得に対する比較的急速にドロップ・オフする周波数応答を提供する。第１のアクチュエータ３１０の周波数応答が低いため、振幅はかなり大きい（例えば、１０．０μｍ以上）が周波数は比較的低い（例えば、ＤＣ）振動で、チップ及びカンチレバー３０１を動作させる能力が与えられる。このように、第１のアクチュエータ３１０は低周波数接続され、また増幅器３０８からの高周波数の駆動信号には応答しない。
【００３７】
クロスオーバ周波数範囲では、ハイパス周波数フィルタ４０１とローパス周波数フィルタ４０２との通過域は重なっている。このため、クロスオーバ周波数範囲では、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタ４０１とクロスオーバ回路網３０９のローパス周波数フィルタ４０２とは両方とも、増幅器３０８からの入力信号を、それぞれ、第２のアクチュエータ３１１と第１のアクチュエータ３１０とに送る。このため、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は、クロスオーバ周波数範囲では同時に駆動される。第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対入力は、増幅器３０８からの入力信号の周波数に依存する。クロスオーバ周波数範囲の比較的低い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第１のアクチュエータ３１０の動作によって支配され、クロスオーバ周波数範囲のかなり高い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第２のアクチュエータ３１１の動作によって支配される。
【００３８】
ローパス周波数フィルタ４０２のＲＣ時定数は抵抗４０６と固有キャパシタンス４０７とによって形成され、ハイパス周波数フィルタ４０１のＲＣ時定数に実質的に一致するように選択される。それぞれの共振状態では、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は等価回路においてコンデンサとして動作しないが、駆動するのが難しい、インダクタ−抵抗−コンデンサ（ＲＬＣ）共振回路と並列なコンデンサとして動作する。抵抗４０６はかなり大きな抵抗値を有して、第１のアクチュエータ３１０からのどのような応答もその共振周波数（例えば、約１０ｋＨｚ〜約２０ｋＨｚ）では確実に比較的小さくなるようにする。
【００３９】
都合が良いことに、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２に対するＲＣ時定数は実質的に同一である。第１のアクチュエータ３１０用のローパス周波数フィルタ４０２に対するＲＣ時定数と第２のアクチュエータ３１１用のハイパス周波数フィルタ４０１に対するＲＣ時定数との整合により、ＡＦＭ３００の動作周波数が、特定の寸法のサンプルの表面形状に応答して（例えば、図１及び図２の座標系のｚ方向）、比較的低い周波数（例えば、１ｋＨｚ未満）から比較的高い周波数（例えば、１０ｋＨｚより大きい）に変化するとき、第１のアクチュエータ３１０から第２のアクチュエータ３１１への間で「円滑な」遷移が行われる。図６Ｃに関連して以下で説明されるように、ローパス周波数フィルタ４０２のＲＣ時定数が、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対的な位相及び振幅に起因して、ハイパス周波数フィルタ４０１のＲＣ時定数よりも大きい場合は、それらの組み合わされた可動域は１．０より大きくなり、結果としてクロスオーバ周波数における応答に「バンプ（bump：隆起）」が生じる。ローパス周波数フィルタ４０２のＲＣ時定数が、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対的な位相及び振幅に起因して、ハイパス周波数フィルタ４０１のＲＣ時定数よりも小さい場合は、それらの組み合わされた可動域は１．０より小さくなり、結果としてクロスオーバ周波数における応答に「ディップ（dip：窪み）」が生じる。
【００４０】
代表的な実施形態では、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２は、オクターブ当たり約６ｄＢのロール・オフを有し−３ｄＢのセット・ポイントに整合する１次バターワース・フィルタである。さらに、クロスオーバ点が、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２の両方の−３ｄＢのセット・ポイントに設定されるため、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の位相は、クロスオーバ点において反対であり、それらの組み合わされた伸長は１であり、また第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１は単一ユニットとして動作する。その結果、増幅器３０８の出力周波数が比較的低い周波数から比較的高い周波数に変化すると、第１のアクチュエータ３１０はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより小さくし、第２のアクチュエータ３１１はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより大きくする。
【００４１】
増幅器３０８からの入力信号の周波数が比較的高い周波数から比較的低い周波数に変化すると、第２のアクチュエータ３１１はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより小さくし、第１のアクチュエータ３１０はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより大きくする。このため、比較的低い周波数／高い伸長（振幅）応答に対して、第１のアクチュエータ３１０はチップ及びカンチレバー３０１の動きの大部分を行い、比較的高い周波数／低い伸長（振幅）応答に対しては、第２のアクチュエータ３１１がチップ及びカンチレバー３０１の動きの大部分を行う。クロスオーバの周波数範囲では、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方が関与される。
【００４２】
クロスオーバ周波数は、スキャンされる表面形状に基づいて変化されうる。例えば、第２のアクチュエータ３１１が増幅器３０８の出力の限界近くで駆動される場合、クロスオーバ周波数を変えることができる。これにより、第１のアクチュエータ３１０は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１のより多くの組み合わされた伸長をもたらす。対照的に、第２のアクチュエータ３１１が増幅器３０８によって低い電力で駆動される場合、クロスオーバ周波数は低下されうる。これにより、第２のアクチュエータ３１１は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１のより多くの組み合わされた伸長をもたらす。
【００４３】
抵抗４０９及びコンデンサ４１２は、プリアンプの利得が１．０よりも大きくなる周波数を設定する（図５の領域５０３）。以下で説明される代表的な実施形態では、利得は始め約１００Ｈｚで１．０を超える。プリアンプ３０６の一方の入力部に接続された抵抗４１１は、プリアンプ３０６の最も高い周波数利得を設定する。抵抗４１０及び４１３は、増幅器３０８の利得を設定する。
【００４４】
図５は、代表的な実施形態に関連して前述されたプリアンプ３０６の出力電圧対周波数のグラフ５００を示している。前述されたように、多くの場合、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの可動域は、第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの可動域に等しくない。一般的に、プリアンプ３０６の利得は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの伸長の比に、第２のアクチュエータ３１１のＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と固有キャパシタンス４０４とによって形成される容量分割器（capacitive divider）による第２のアクチュエータ３１１に印加される電圧の減少を補償するのに必要な付加的な利得を加えることにより決定される。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の応答が駆動周波数に依存するため、プリアンプ３０６の利得は、コントローラ３０５からの入力周波数の変化と共に変わる必要がある。
【００４５】
実例として、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの可動域は１５μｍ／１００Ｖであり、第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの可動域は３μｍ／１００Ｖである。平坦な周波数応答を維持するために、本実施例では、プリアンプ３０６から増幅器３０８への駆動信号は、低い周波数利得の５倍（１５μｍ／３μｍ）の高い周波数利得を持つように等しくされる必要がある。このため、第１のアクチュエータ３１０の比較的低い周波数応答に対応する領域５０１では、プリアンプ３０６の利得はほぼ１．０である。
【００４６】
第２のアクチュエータ３１１の比較的高い周波数応答に対応する領域５０２では、第２のアクチュエータ３１１のＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と固有キャパシタンス４０４とによって形成された容量分割器に対する補償を確実にするために、プリアンプ３０６の利得は、本実施例では、約１２．０である。
【００４７】
第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方が関与される周波数範囲に対応する領域５０３では、利得が変化して、適当な利得が第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方に確実に与えられるようにする。特に、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの伸長が第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの伸長に等しくない場合に、駆動信号を等しくするためにプリアンプ３０６の利得を増加することは、クロスオーバ周波数を移動することになる。例えば、代表的な実施形態では、オクターブ当たり約−６ｄＢのロール・オフを有する第１のアクチュエータ３１０はプリアンプ３０６によるオクターブ当たり＋６ｄＢの利得によって高められる。前述されたように、クロスオーバ周波数は、コンデンサ４１２と抵抗４０９、４１１との組合せによって設定される。プリアンプ３０６の最終的な（高周波数）利得は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の「利得」（ｎｍ／ボルト）における差に基づいている。例えば、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの伸長が第２のアクチュエータ３１１のそれよりも５倍大きい場合、プリアンプ３０６は５倍の利得を高周波数の入力信号に与える。プリアンプ３０６の周波数特性は、領域５０３におけるハイパス及びローパス特性に一致する。この実施例では、ＡＦＭ３００の動作周波数が増加するにつれて、プリアンプ３０６の利得が増加されて、第２のアクチュエータ３１１が領域５０３でより多く使用される。それに対して、ＡＦＭ３００の動作周波数が低くなると、プリアンプ３０６の利得は減少されて、第１のアクチュエータ３１０が領域５０３ではより多く使用される。
【００４８】
図６Ａは、代表的な実施形態による第１のアクチュエータ３１０の利得対周波数のグラフ６０１を示している。領域６０２では、第１のアクチュエータ３１０の利得は、増幅器３０８からの比較的低周波数の入力信号では１である。領域６０２はＡＦＭ３００の比較的低い周波数の動作領域であり、チップ及びカンチレバー３０１の動きは、ほぼ全体的に第１のアクチュエータ３１０によって行われる。前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は、比較的低い周波数（例えば、ＤＣ）の動作において比較的大きな振幅の可動域（例えば、１０μｍ）を提供するように選択される。
【００４９】
領域６０３では、第１のアクチュエータ３１０の利得は、増幅器３０８からの入力周波数が高くなるにつれて、１より低下する。特に、約５００Ｈｚでは、第１のアクチュエータ３１０の利得は−３ｄＢである。領域６０３は、ＡＦＭ３００のクロスオーバ周波数の動作領域である。
【００５０】
下記のように、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の両方が動作している間に、増幅器３０８からの入力周波数が高くなると、チップ及びカンチレバー３０１の動作は、第１のアクチュエータ３１０によってより少なく行われ、第２のアクチュエータ３１１によってより多く行われる。例えば、増幅器３０８からの入力周波数が約２５０Ｈｚであるポイント６０４において、第１のアクチュエータ３１０の利得は約−１ｄＢであり、また第１のアクチュエータ３１０によってチップ及びカンチレバー３０１の大部分の動作が行われる。ポイント６０４では、チップ及びカンチレバー３０１のいくらかの動作が、第２のアクチュエータ３１１によって提供される。それに対して、増幅器３０８からの入力周波数が約１．０ｋＨｚのポイント６０５では、第１のアクチュエータ３１０の利得は約−５ｄＢであり、第１のアクチュエータ３１０によってチップ及びカンチレバー３０１の動作のわずかな部分が行われる。ポイント６０５では、チップ及びカンチレバー３０１のほぼ全ての動作が、第２のアクチュエータ３１１によって提供される。
【００５１】
図６Ｂは、代表的な実施形態による第２のアクチュエータ３１１の利得対周波数のグラフ６０６を示しており、グラフ６０１の上に重ね合わされている。領域６０７では、第２のアクチュエータ３１１の利得は、増幅器３０８からの比較的高い入力周波数では１である。領域６０７はＡＦＭ３００の比較的高い周波数の動作領域であり、チップ及びカンチレバー３０１の動きは、全体的に第２のアクチュエータ３１１によって行われる。前述されたように、第２のアクチュエータ３１１は、比較的高い周波数（例えば、１０ｋＨｚ）の動作において比較的小さい振幅の可動域（例えば、０．１μｍ）を提供するように選択される。
【００５２】
領域６０８では、第２のアクチュエータ３１１の利得は、増幅器３０８からの入力周波数が低くなるにつれて、１より低下する。特に、約５００Ｈｚでは、第２のアクチュエータ３１１の利得は−３ｄＢである。領域６０８は、ＡＦＭ３００のクロスオーバ周波数の動作領域である。
【００５３】
第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の両方が動作している間に、増幅器３０８からの入力周波数が低くなると、チップ及びカンチレバー３０１の動作は、第２のアクチュエータ３１１によってより少なく行われ、第１のアクチュエータ３１０によってより多く行われる。例えば、増幅器３０８からの入力周波数が約１．６ｋＨｚであるポイント６０９において、第２のアクチュエータ３１１の利得は約−１ｄＢであり、また第２のアクチュエータ３１１によってチップ及びカンチレバー３０１の大部分の動作が行われる。ポイント６０９では、チップ及びカンチレバー３０１のいくらかの動作が、第１のアクチュエータ３１０によって提供される。それに対して、増幅器３０８からの入力周波数が約２５０Ｈｚのポイント６１０では、第２のアクチュエータ３１１の利得は約−５ｄＢであり、第２のアクチュエータ３１１によってチップ及びカンチレバー３０１の動作のわずかな部分が行われる。ポイント６１０では、チップ及びカンチレバー３０１のほぼ全ての動作が、第１のアクチュエータ３１０によって提供される。
【００５４】
図６Ｃは、代表的な実施形態による第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた利得（ｄＢ）対周波数のグラフ６１１を示している。領域６０２では、増幅器３０８は比較的低い周波数の駆動信号を提供するため、結果として第１のアクチュエータ３１０が使用される。特に、第１のアクチュエータ３１０の利得は約１．０であり、この第１のアクチュエータ３１０は比較的低い周波数で機能して、チップ及びカンチレバー３０１の実質的に全ての動作を行う。前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は、増幅器３０８からの比較的大きな振幅信号に応答するように構成される。このため、第１のアクチュエータ３１０は、例えば、図１及び図２に示された座標系でチップ及びカンチレバー３０１をｚ方向により大きな距離を動かすように構成される。従って、例えば、サンプル（例えば、サンプル１０２）が、図２に示された座標系のｘ−ｙ平面におけるラスタ・スキャンに対して、比較的平坦であるが、徐々に高くなる場合、第１のアクチュエータ３１０が使用されてチップ及びカンチレバー３０１を移動する。
【００５５】
領域６１２では、増幅器３０８は低周波数の駆動信号を提供し、その結果、第２のアクチュエータ３１１は解放される。特に、領域６１２では、第２のアクチュエータ３１１の利得は約−２０．０ｄＢ〜約−５５ｄＢであり、比較的高い周波数で機能する第２のアクチュエータ３１１は、チップ及びカンチレバー３０１の動きに対してほとんど何も行わない。前述されたように、第２のアクチュエータ３１１は、増幅器３０８からの比較的高い周波数及び小さい振幅信号に応答するように構成されている。このため、第２のアクチュエータ３１１は、この動作範囲では、チップ及びカンチレバー３０１の動きには、ほとんど寄与しない。
【００５６】
領域６１３では、増幅器３０８は比較的高い周波数の駆動信号を提供するため、結果として、第２のアクチュエータ３１１が使用される。特に、第２のアクチュエータ３１１の利得は約１．０であり、また比較的高い周波数で機能するこの第２のアクチュエータ３１１は、チップ及びカンチレバー３０１の実質的に全ての動作を行う。前述されたように、第２のアクチュエータ３１１は、増幅器３０８からの比較的小さな振幅信号に応答するように構成される。このため、第２のアクチュエータ３１１は、例えば、図２に示された座標系でチップ及びカンチレバー３０１をｚ方向により小さな距離を動かすように構成される。従って、例えば、サンプル（例えば、サンプル１０２）が、図１及び図２に示された座標系のｘ−ｙ平面におけるラスタ・スキャンに対して、実質的な表面粗さがｚ方向に比較的小さい振幅の変動である場合、第２のアクチュエータ３１１が使用されてチップ及びカンチレバー３０１を動かす。
【００５７】
同様に、領域６１３では、増幅器３０８は高周波数の駆動信号を提供し、その結果、第１のアクチュエータ３１０は解放される。特に、領域６１３では、第１のアクチュエータ３１０の利得は約−２０．０ｄＢから約−５５ｄＢにロール・オフするため、比較的低い周波数で機能する第１のアクチュエータ３１０は、チップ及びカンチレバー３０１の動きに対してほとんど何も行わない。前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は、増幅器３０８からの比較的低い周波数及び大きい振幅信号に応答するように構成されている。このため、第１のアクチュエータ３１０は、この動作範囲では、チップ及びカンチレバー３０１の動きには、ほとんど寄与しない。
【００５８】
クロスオーバ点６１４が、領域６０２と６０７との間に示されている。クロスオーバ点６１４の周波数（クロスオーバ周波数と呼ばれる）は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の利得がそれぞれ−３ｄＢ（−３ｄＢ点と呼ばれる）であるように選択される。クロスオーバ点６１４では、第１のアクチュエータ３１０の位相は増幅器３０８からの入力信号に４５°遅れ、また第２のアクチュエータ３１１の位相は、増幅器３０８からの入力信号よりも４５°先行する。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の利得の合計が１．０（すなわち、１．４１４）を超える間は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の相対位相のために、それらの組み合わされた利得は約１．０である。これは、領域６０２及び６０７の実質的に「平坦な」利得を接続するクロスオーバ領域６１５において示されており、動作周波数範囲の全体にわたって約１．０の利得が発生する。
【００５９】
クロスオーバ領域６１５では、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の両方が使用され、このため、両方がチップ及びカンチレバー３０１を駆動する。従って、クロスオーバ領域６１５では、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１からの入力の組合せがチップ及びカンチレバー３０１を駆動することになる。しかしながら、クロスオーバ領域６１５の全体的にわたるそれらの相対位相のために、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１は単一ユニットとして機能する。クロスオーバ周波数では、第１のアクチュエータ３１０の利得は−３ｄＢ（そのＤＣ値の０．７０７倍）であり、その位相は例示的に−４５°である。（プリアンプ３０６によって利得に一致するように調整された後の）第２のアクチュエータ３１１の利得は−３ｄＢ（その高周波数値の０．７０７倍）であり、その位相は例示的に＋４５°である。クロスオーバ周波数において第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の結果として生じる利得は、１．０であり位相角度は０度である。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組合せによる利得は、クロスオーバ領域６１５において、約１．０に維持されるため、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１は実質的に単一ユニットとして機能する。
【００６０】
前述したように、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２の時定数が一致しない場合は、クロスオーバ領域６１５は円滑でなくなり、「バンプ」又は「ディップ」が生じる可能性がある。例えば、本実施例において、クロスオーバ周波数（すなわち、クロスオーバ点６１４における周波数）が５００Ｈｚよりも大きく、かつハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２のそれぞれの−３ｄＢ点が同じ周波数でない場合は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の伸長の合計は１．０よりも大きくなり、クロスオーバ領域６１５に「バンプ」が生じる可能性がある。例示目的のために、クロスオーバ点６１４が第２のアクチュエータの−２ｄＢの利得に一致するように、グラフ６０６が「移動される」と仮定する場合、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた利得はクロスオーバ領域６１５にわたって「平坦」ではなくなり、クロスオーバ領域６１５内に「バンプ」が生じる可能性がある。それに対して、本実施例において、クロスオーバ周波数（すなわち、クロスオーバ点６１４における周波数）が５００Ｈｚよりも大きく、かつハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２の−３ｄＢ点が同じ周波数でない場合は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の伸長の合計は１．０よりも小さくなり、クロスオーバ領域６１５に「ディップ」が生じる可能性がある。例示目的のために、クロスオーバ点６１４が第２のアクチュエータの−４ｄＢの利得に一致するように、グラフ６０６が「移動される」と仮定する場合、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた利得はクロスオーバ領域６１５にわたって「平坦」ではなくなり、クロスオーバ領域６１５内に「ディップ」が生じる可能性がある。クロスオーバ領域６１５の中に「バンプ」又は「ディップ」が存在するというシナリオは、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた可動域が１．０に等しくない、またＡＦＭ３００の応答が線形ではないため、避ける必要がある。このことは、ＡＦＭ３００による測定誤差が結果として発生する可能性があることは、理解されるべきである。
【００６１】
この開示内容に照らして、ＡＦＭ用の種々の装置及びそのための駆動回路が、本教義に沿って様々な構成の中でまた様々な部品を用いて実現されることができることに注意されたい。さらに、種々の部品、構造体及びパラメータが、単に例示するため及び実施例を示すために含まれるが、本願を何ら限定するつもりはない。この開示内容に鑑みて、当業者は、添付された請求項の範囲の中で、自身の応用及び必要な部品、材料、構造体及びこれらの応用を実現するための機器を判断するために本教義を実行することができる。
【符号の説明】
【００６２】
３００：原子間力顕微鏡
３０１：チップ及びカンチレバー
３０２：光学系
３０３：アナログ−ディジタル変換器
３０４：プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）
３０５：コントローラ
３０６：プリアンプ
３０７：ディジタル−アナログ変換器
３０８：増幅器
３０９：クロスオーバ回路網
３１０：第１のアクチュエータ
３１１：第２のアクチュエータ
【背景技術】
【０００１】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、比較的高解像度タイプの走査プローブ顕微鏡である。ナノメートルの何分の１もの実証された解像度で、ＡＦＭは光回折限界よりも１０００倍以上も大きい解像度を約束している。
【０００２】
多くの周知のＡＦＭは、被検査物の表面をスキャンするために使用される鋭いチップ（プローブ）が端部に付いた、微小規模のカンチレバーを備えている。このカンチレバーは、一般に、チップの曲率半径がナノメートル程度のシリコン又は窒化ケイ素である。チップがサンプル面に接触されると、チップとサンプルとの間の力がカンチレバーに偏位（deflection）をもたらす。１つ以上の種々の力が、カンチレバー形プローブ・チップの偏位を介して測定される。これらの力には、ほんの僅かの種類を上げると、機械的な力、静電気及び静磁気の力が含まれる。
【０００３】
一般に、カンチレバー形プローブ・チップの偏位は、カンチレバーの頂部から位置検出器に反射されたレーザ・スポットを用いて測定される。使用される他の方法には、光干渉法及び圧電抵抗ＡＦＭカンチレバー感知方式が含まれる。
【０００４】
多くのＡＦＭでは、フィードバック機構が採用されて、チップの角度偏位がほぼ一定に保たれる。一定の角度偏位を支持するためにチップに要求させる動きは、サンプルの形状を表す領域ｓ＝ｆ（ｘ，ｙ）のマップを提供する。
【０００５】
ＡＦＭ計器の１つの構成部品は、サンプルの表面をスキャンするチップの角度偏位を支持するアクチュエータである。たいていのＡＦＭ計器は、サンプルをスキャンするために３個の正規直交軸を使用する。第１の２個の軸（例えば、Ｘ及びＹ軸）は、各方向を１００μｍの代表的なレンジで表面をラスタ・スキャンするように駆動される。第３の軸（例えば、Ｚ軸）は、表面の形状をトラッキングするために、Ｘ及びＹ軸に直交するようにチップを駆動する。
【０００６】
全体的に、ほぼ一定の偏位を維持するために、チップのＺ軸動作用のアクチュエータは、比較的小さい動作範囲を必要とする（例えば、約１μｍ（又は１μｍ未満）から約１０μｍまで）。しかしながら、ＡＦＭのスキャン速度に関する要求事項が増加するにつれて、Ｚ軸動作用のアクチュエータは、表面形状の変動に比較的迅速に応答する必要がある。例えば、比較的高速（０．５フレーム／秒以上又は約２５０Ｈｚ以上）でスキャンしかつ適当な画像品質を維持するためには、一般に、２０ｋＨｚ以上の閉ループ応答ができるＺ軸用アクチュエータ・システムが必要である。そのような動作速度及び範囲が可能な周知のアクチュエータは、全体的に圧電技術に制限される。残念なことに、動作範囲の大きさが約１０μｍの既知の圧電式アクチュエータの設計は、比較的大きなキャパシタンスを有し、かつ閉ループ応答を制限する共振に関連した欠点を招くことなく高い周波数で駆動することが困難である。このため、周知のＺ軸アクチュエータは、良好な画像品質を実現するために、遙かに遅いスキャン速度（一般に、０．５分／フレーム〜３分／フレーム）で動作するように構成されるか、又はスキャン範囲（一般に、１μｍ未満）を犠牲にする必要がある。
【０００７】
従って、少なくとも前述された周知のアクチュエータの欠点を克服するＡＦＭ用の圧電アクチュエータに対する要求が存在する。
【発明の概要】
【０００８】
代表的な実施形態では、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）用の装置は、軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第１のアクチュエータと、この軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第２のアクチュエータと、増幅器と、この増幅器と第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網（crossover network）とを具備する。このクロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で第１のアクチュエータに与え、また第２の駆動信号を第２の周波数範囲で第２のアクチュエータに与えるように適合される。
【０００９】
別の代表的な実施形態では、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）用装置の第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータを駆動するための駆動回路は、増幅器と、この増幅器と第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網とを具備する。このクロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で第１のアクチュエータに与え、また第２の駆動信号を第２の周波数範囲で第２のアクチュエータに与えるように適合される。
【００１０】
本教義は、添付された図面と一緒に下記の詳細な説明を読めば、最も良く理解される。機構は必ずしも縮尺通りに描かれていない。可能な限り、同じ参照番号は同じ機構を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】代表的な実施形態によるＡＦＭ装置の斜視図である。
【図２】代表的な実施形態によるプローブ・アセンブリの斜視図である。
【図３】代表的な実施形態によるＡＦＭ装置の単純化された概略ブロック図である。
【図４】代表的な実施形態による駆動回路の単純化された概略図である。
【図５】代表的な実施形態によるプリアンプの出力電圧対周波数のグラフである。
【図６Ａ】代表的な実施形態によるアクチュエータの利得（ｄＢ）対周波数のグラフである。
【図６Ｂ】代表的な実施形態によるアクチュエータの利得（ｄＢ）対周波数のグラフである。
【図６Ｃ】代表的な実施形態によるアクチュエータの組合せの利得（ｄＢ）対周波数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
下記の詳細な説明では、限定ではなく説明するために、特定の細部を開示する代表的な実施形態が、本教義を完全に理解してもらうために明記される。周知の装置、材料及び製造方法の説明は、実施形態の説明が不明瞭にされるのを避けるために省かれる。それにもかかわらず、技術的に通常の技術の１つの中にあるそのような装置、材料及び方法は、代表的な実施形態に基づいて使用されうる。
【００１３】
概して、図面やその中で示される種々の部品が、縮尺通りに描かれていないことは理解されよう。さらに、「〜の上に」、「下方に」、「一番上の」、「底」、「より上の」、「下方の」、「左」、「右」、「垂直」及び「水平」などの相対語は、添付された図面で例示されているように、様々な部品の互いに対する関係を説明するために使用される。これらの相対語が、図面の中で示された方向に加えて、装置及び／又は部品の種々の方向を含むように意図されることは理解されよう。例えば、装置が図面の中の表示に関して反転される場合、他の部品の「上」として説明された部品は、例えば、今はその部品の「下に」存在する。同様に、装置が図面の中の表示に対して９０度回転される場合、例えば、「垂直」と説明された部品は、今は「水平」になる。
【００１４】
代表的な実施形態が、ＡＦＭの応用例に関連して説明される。しかしながら、これは単に例示するものであり、他の応用例も考えられる。特に、本教義は、その場で位置合わせすることが比較的難しい部品に対して正確な位置合わせが必要な状態で適用されることができる。
【００１５】
図１は、代表的な実施形態による原子間力顕微鏡用の装置１００（以後、「ＡＦＭ１００」と呼ぶ）の斜視図である。当業者は容易に理解できるように、本願は、走査型力顕微鏡（scanning force microscope）（ＳＦＭ）として知られている様々な種類のＡＦＭに適用できる。このＡＦＭ１００は、多数の電気的及び機械的構成部品を備えているが、それを説明することは、本願の範囲から外れている。ＡＦＭ１００はプローブ・アセンブリ１０１を備えている。その幾つかの構成部品は、本願の代表的な実施形態に関連して説明される。特に、アクチュエータ及び単一の増幅器を有する駆動回路（図１には図示されていない）は、本願の代表的な実施形態に基づいて、以下でより完全に説明される。
【００１６】
サンプル１０２は、ＡＦＭ１００によって測定及び試験のために図示のように保持される。本願でより完全に説明されるように、サンプル１０２は全体的に図１の座標系のｘ−ｙ面内で移動されて、アクチュエータ（図示せず）でサンプルの表面がラスタ・スキャンされ、表面形状がプローブ・アセンブリ１０１のｚ方向の動きによってマップされる。
【００１７】
図２は、プローブ・アセンブリ１０１のより詳細に示された斜視図である。このプローブ・アセンブリ１０１は、ベース２０３に取り付けられた第１のアクチュエータ２０１及び第２のアクチュエータ２０２を備えている。ベース２０３は、ＡＦＭ１００に固着されている。以下により詳細に説明されるように、駆動回路（図１及び図２では図示せず）が第１のアクチュエータ２０１及び第２のアクチュエータ２０２に電気的に接続され、またクロスオーバ回路網（crossover network）（図２には示されていない）を含んでいる。この駆動回路は、電力を第１のアクチュエータ２０１及び第２のアクチュエータ２０２の両方に提供し、またそれらを制御している。
【００１８】
カンチレバー２０４は第２のアクチュエータ２０２から伸長し、プローブ・チップ２０５を有している。プローブ・チップ２０５及びカンチレバー２０４は、周知の半導体処理技術を用いて共通の基板から一体となって形成され、第２のアクチュエータ２０２に固定されることができる。別の方法では、第２のアクチュエータ２０２、カンチレバー２０４及びプローブ・チップ２０５は、共通の基板から一体となって形成されることができる。本願でさらに完全に説明されるように、カンチレバー２０４の実質的に（substantially）一定な角度偏位又はプローブ・チップ２０５とサンプル１０２の表面との間の実質的に一定な距離を維持するために、第１及び第２のアクチュエータ２０１、２０２は協力して機能し、またプローブ・チップ２０５及びカンチレバー２０４が示された座標系の±ｚ方向に有効に動作させる。代表的な実施形態では、第１及び第２のアクチュエータ２０１、２０２は、一般に知られている１９９９年１１月１６日に出願されたS. Hoenらへの「Electrostatic Actuator with Spatially Alternating Voltage Patterns」という名称の米国特許第５，９８６，３８１号の中で説明されているような、圧電ナノステッパー式アクチュエータとすることができる。この特許は参照することによって、本願に組み込まれるものとする。
【００１９】
代表的な実施形態では、この第１のアクチュエータ２０１は、Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.から入手できるプリ・ロードされた圧電スタック式アクチュエータであり、約１００Ｖの電圧が印加されたときのｚ方向の動作範囲は約１５．０μｍである。第１のアクチュエータ２０１は、比較的低い動作周波数で比較的大きな動作範囲を提供するように選択される。具体例として、この第１のアクチュエータ２０１の周波数応答は、約１．０ｋＨｚ以下である。以下でより完全に説明されるように、第１のアクチュエータ２０１は、より大きな距離にわたって比較的遅いトラッキング動作を行う。第１のアクチュエータ２０１には、第２のアクチュエータ２０２と比べて大きな固有キャパシタンスがある。一例として、この第１のアクチュエータの固有キャパシタンスは約１．５μＦである。具体例として、第１のアクチュエータ２０１の共振周波数は、約１０ｋＨｚ〜約２０ｋＨｚの範囲である。
【００２０】
代表的な実施形態では、第２のアクチュエータ２０２は、第１のアクチュエータ２０１よりも寸法的に小さい圧電スタックを備えている。この第２のアクチュエータ２０２は、比較的狭い動作範囲を提供するように選択される。具体例として、第２のアクチュエータ２０２のｚ方向の動作範囲は、約１００Ｖの電圧が印加されたとき約１．０μｍ〜約３．０μｍである。具体例として、第２のアクチュエータ２０２の周波数応答は約１．０ｋＨｚ以上であり、動作時の代表的な周波数応答は約２０．０ｋＨｚである。別の方法では、第２のアクチュエータ２０２の周波数応答は、約ＤＣ〜約２０ｋＨｚである。以下でより完全に説明されるように、第２のアクチュエータ２０２は、より狭い動作範囲にわたって比較的高速のトラッキングを行う。第２のアクチュエータ２０２は、第１のアクチュエータ２０１よりも小さい固有キャパシタンスを有している。一例として、この第２のアクチュエータ２０２の固有キャパシタンスは、約０．０３μＦである。具体例として、第２のアクチュエータ２０２の共振周波数は、約２００ｋＨｚ〜約３００ｋＨｚである。特に、この第２のアクチュエータ２０２の共振周波数は、プローブ・アセンブリ１０１の最大動作周波数よりもかなり高い。
【００２１】
図３は、代表的な実施形態によるＡＦＭ３００の単純化された概略ブロック図である。ＡＦＭ３００の幾つかの態様は、図１及び図２の代表的な実施形態に関連して前述されたＡＦＭ１００及びプローブ・アセンブリ１０１に共通する。ＡＦＭ１００及びプローブ・アセンブリ１０１に関するこれらの態様の多くの細部の説明は、現在説明されている代表的な実施形態の説明が分かりにくくなるのを避けるために繰り返さない。
【００２２】
ＡＦＭ３００は、チップ及びカンチレバー３０１並びに光学系３０２を備えている。代表的な実施形態では、このチップ及びカンチレバー３０１は、図１及び図２に関連して説明されたプローブ・アセンブリ１０１の構成部品である。光学系３０２は、特定の座標軸（例えば、図１及び図２のｚ軸）に沿った動きによって引き起こされるチップ及びカンチレバー３０１の偏位を検出するのに有用な光源（図示せず）と光検出器（図示せず）とを備えている。光源はレーザを有し、光検出器は、例えば、４象限光センサを備えることができる。光学系３０２は当業者には周知であるため、本願ではその詳細は説明されない。
【００２３】
光学系３０２は、チップ及びカンチレバー３０１の動きを示すアナログ信号を、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）３０３に提供する。ＡＤＣ３０３は、ディジタル信号をプログラム可能論理回路（ＰＬＤ）３０４に提供する。このＰＬＤ３０４は、実例では、フィールド・プログラム可能ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）である。別の方法では、ＰＬＤ３０４は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はマイクロプロセッサを備えることができる。
【００２４】
このＰＬＤ３０４は、チップ及びカンチレバー３０１の測定された偏位と、チップ及びカンチレバー３０１の設定された偏位点の値との間の差に基づいて誤差信号を決定するのに適当なコントローラ３０５を備えている。より具体的に言うと、コントローラ３０５は、チップ及びカンチレバー３０１の移動を示すディジタル化信号をＡＤＣ３０３から受け取り、このディジタル化信号を設定点の値と比較することによって誤差信号の値を決定する。この設定点は、例えば、ルックアップ・テーブル（ＬＵＴ）、データベース又は他の種類のメモリの中に記憶されうる。代表的な実施形態では、実例として、比例−積分−微分動作方式（ＰＩＤ）のコントローラ又は当業者に周知の適当なフィードバック・コントローラである。
【００２５】
コントローラ３０５は、前置増幅器（プリアンプ）３０６に誤差信号を与える。以下でより完全に説明されるように、プリアンプ３０６は、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの伸長（extension）が第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの伸長と異なる場合は、駆動信号を等しくする。従って、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の単位電圧当たりの伸長が等しい場合は、プリアンプ３０６は必要とされない。
【００２６】
プリアンプ３０６は、ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）３０７に誤差信号を与える。ＤＡＣ３０７はアナログ形式の誤差信号を増幅器３０８に与え、この増幅器３０８は、アナログの誤差信号に基づいてクロスオーバ回路網３０９に対して入力信号を提供する。一般的に、増幅器３０８は、ＤＡＣ３０７から誤差信号を受け取り、かつ入力信号をクロスオーバ回路網３０９に与えるのに適当な利得要素又はシステムを有している。クロスオーバ回路網３０９は、第１のアクチュエータ３１０と第２のアクチュエータ３１１とに、それぞれ駆動信号を与える。とりわけ、増幅器３０８は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方を駆動する。以下でより詳細に説明されるように、このクロスオーバ回路網３０９は、比較的低い周波数の駆動信号を第１のアクチュエータ３１０に与え、また比較的高い周波数の駆動信号を第２のアクチュエータ３１１に与える。高い周波数動作と低い周波数動作との「間に」あるクロスオーバ周波数領域（「クロスオーバ周波数範囲」と呼ぶ）では、クロスオーバ回路網３０９はクロスオーバ周波数の駆動信号を、第１のアクチュエータ３１０と第２のアクチュエータ３１１とに与える。
【００２７】
クロスオーバ回路網３０９は、第１のアクチュエータ３１０とＤＣ結合を、第２のアクチュエータ３１１とはＡＣ結合を行う。この結果、増幅器３０８からの入力信号が比較的低い周波数の場合は、増幅器３０８により第１のアクチュエータ３１０が駆動され、また増幅器３０８からの入力信号が比較的高い周波数の場合は、増幅器３０８により第２のアクチュエータ３１１が駆動される。このため、前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は低周波数の入力信号に対応して、特定の軸（例えば、図１及び図２のｚ軸）に沿ってチップ及びカンチレバーのより大きな動きを提供し、そして第２のアクチュエータは高周波数の入力信号に応答して、特定の軸に沿ってチップ及びカンチレバー３０１のより小さな動きを提供する。クロスオーバ周波数範囲では、増幅器３０８からの入力信号が高周波数と低周波数との「間」にある場合、増幅器３０８からの入力信号は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方に提供される。このため、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は、クロスオーバ周波数の範囲では同時に駆動される。第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対的な入力は、増幅器３０８からの入力信号の周波数に依存する。従って、クロスオーバ周波数範囲の比較的低い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第１のアクチュエータ３１０の動作によって支配され、またクロスオーバ周波数範囲の比較的高い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第２のアクチュエータ３１１の動作によって支配される。
【００２８】
第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は電気的及び機械的に連結されているため、チップ及びカンチレバー３０１は比較的大きな周波数範囲にわたって、また対応する比較的大きな動作範囲にわたって動作できる。実例として、このチップ及びカンチレバー３０１は、約０Ｈｚ（ＤＣ）〜約２０ｋＨｚの周波数範囲、及び約０μｍ〜約１０．０μｍの動作範囲にわたって応答する。
【００２９】
以下でより詳細に説明されるように、１つの実施例では、クロスオーバ回路網３０９はローパス周波数フィルタ及びハイパス周波数フィルタを備えている。特に、ローパス周波数フィルタのローパス周波数特性及びハイパス周波数フィルタのハイパス周波数特性は、第１のアクチュエータ３１０の位相及び第２のアクチュエータ３１１の位相が、両方のアクチュエータがそれぞれの動作範囲の−３ｄＢすなわち約７０％で動作する周波数において、相対位相シフトが０°になるように設定される。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１が−３ｄＢで動作する周波数は、「クロスオーバ周波数」と呼ばれる。結果として、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１が両方とも一直線に並んで（タンデムで）動作する場合、伸長と周波数との幾つかの組合せでは、実質的に相対的な位相シフトは存在せず、またアクチュエータは好ましいことに単一ユニットとして機能する。
【００３０】
以下でより詳細に説明されるように、代表的な実施形態では、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタは、第２のアクチュエータ３１１の固有キャパシタンスと電気的に直列に接続されたＤＣブロッキング・コンデンサ（図３には示されていない）、及びこのＤＣブロッキング・コンデンサに電気的に直列に接続されたハイパス抵抗（図３には示されていない）を有している。クロスオーバ回路網３０９のローパス周波数フィルタは、第１のアクチュエータ３１０の固有キャパシタンスと電気的に直列に接続された抵抗（図３には示されていない）を有している。クロスオーバ回路網３０９の抵抗の値の選択により、クロスオーバ回路網３０９のクロスオーバ周波数が規定される。例えば、大きな伸長／低い周波数応答が要求される場合、第１のアクチュエータ３１０が、チップ及びカンチレバー３０１の動作範囲のより広い部分にわたって動作するように、クロスオーバ周波数が比較的高く選択される。対照的に、小さな伸長／高い周波数応答が要求される場合、第２のアクチュエータ３１１が、チップ及びカンチレバー３０１の動作範囲のより広い部分にわたって動作するように、クロスオーバ周波数が比較的低く選択される。
【００３１】
図４は、代表的な実施形態による駆動回路４００の単純化された概略図を示し、プリアンプ３０６、増幅器３０８、及びクロスオーバ回路網３０９の構成部品を備えている。図４に示された構成部品の幾つかの態様は、図１〜図３の代表的な実施形態に関連して前述されたものと共通している。構成部品の共通の態様の細部の説明は、代表的な実施形態の説明が分かりにくくなるのを避けるために繰り返さない。
【００３２】
プリアンプ３０６は、コントローラ３０５（図４には示されていない）から誤差信号を受け取る。以下でより詳細に説明されるように、プリアンプ３０６は、第１のアクチュエータ３１０（図４には示されていない）の単位電圧当たりの伸長が第２のアクチュエータ３１１（図４には示されていない）の単位電圧当たりの伸長と等しくない場合、駆動信号を等しくする。プリアンプ３０６は、１．０の低い周波数利得と、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の単位電圧当たりの伸長の比によって決定される高い周波数利得とを有する。高い周波数利得は、抵抗４０９の値の抵抗４１１の値に対する比によって設定される。
【００３３】
増幅器３０８は、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２に対して入力信号を提供する。ハイパス周波数フィルタ４０１は、第２のアクチュエータ３１１の固有キャパシタンス４０４に電気的に直列に接続されたＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と、このＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と電気的に直列に接続されたハイパス抵抗４０５とを有する。
【００３４】
第２のアクチュエータ３１１は、バイアス電圧４０８に直列に接続されたハイパス抵抗４０５によって、その可動域の中点にバイアスされる。このバイアス電圧４０８は、電源（図示せず）又は増幅器３０８用の電源などの既存の電源から電圧分圧器（図示せず）によって与えられる、バイアス電圧４０８は、静止位置で第２のアクチュエータ３１１のＤＣ伸長を維持する。これは、本実施例では、その全伸長値の約１／２である。増幅器３０８からの出力は第２のアクチュエータ３１１を駆動して、その静止位置から離してサンプル（例えば、サンプル１０２）の表面を追跡させる。その全伸長の１／２を第２のアクチュエータ３１１の静止位置に選択することは、説明のための例示である。例えば、サンプルの表面が概ね「平坦」（例えば、図１の座標系によればｚ方向の振幅変動が小さい）であり、「鋭い」ピーク（例えば、図１の座標系によればｚ方向の振幅変動が大きい）が散在する場合、例えば、第２のアクチュエータ３１１の静止位置をその全伸長の別の値（例えば、２５％又は７５％）に設定して、第２のアクチュエータ３１１の図１及び図２に示された座標系のｚ軸に沿った動作範囲を、より大きくできるようにする。このため、静止位置で第２のアクチュエータ３１１の伸長を調整可能にするために、バイアス電圧４０８が調整されることができる。
【００３５】
前述されたように、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタ４０１は、第２のアクチュエータ３１１の固有キャパシタンス４０４に電気的に直列に接続されたＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と、このＤＣブロッキング・コンデンサ４０３に電気的に直列に接続されたハイパス抵抗４０５とを備えている。ハイパス周波数フィルタ４０１は、比較的高い周波数信号（例えば、３ｋＨｚから１０ｋＨｚ以上）を増幅器３０８から第２のアクチュエータ３１１に通過させる。第２のアクチュエータ３１１の高周波数応答が、チップ及びカンチレバー３０１を比較的急速に動かす能力を提供するが、振幅がかなり小さい振動（例えば、約２０ｋＨｚ、１．０μｍ以下）が存在する。このため、代表的な実施形態では、第２のアクチュエータ３１１はＡＣ結合され、ハイパス周波数フィルタ４０１のために増幅器３０８からのＤＣ駆動信号には応答しない。別の実施形態では、ＤＣブロッキング・コンデンサ４０３が除かれ、そして第２のアクチュエータ３１１の動作範囲が、ＤＣからかなり高い周波数（例えば、１０ｋＨｚ以上）まで拡張される。
【００３６】
クロスオーバ回路網３０９のローパス周波数フィルタ４０２は、第１のアクチュエータ３１０の固有キャパシタンス４０７に電気的に直列に接続された抵抗４０６を備えている。このローパス周波数フィルタ４０２は、比較的低い周波数信号（例えば、ＤＣ〜約１ｋＨｚ）を増幅器３０８から第１のアクチュエータ３１０に通過させる。抵抗４０６は、第１のアクチュエータ３１０の電流負荷を減らすように選択された値を有している。このことは、かなり高い固有キャパシタンスを有する第１のアクチュエータ３１０を容易に駆動できるようにし、また利得に対する比較的急速にドロップ・オフする周波数応答を提供する。第１のアクチュエータ３１０の周波数応答が低いため、振幅はかなり大きい（例えば、１０．０μｍ以上）が周波数は比較的低い（例えば、ＤＣ）振動で、チップ及びカンチレバー３０１を動作させる能力が与えられる。このように、第１のアクチュエータ３１０は低周波数接続され、また増幅器３０８からの高周波数の駆動信号には応答しない。
【００３７】
クロスオーバ周波数範囲では、ハイパス周波数フィルタ４０１とローパス周波数フィルタ４０２との通過域は重なっている。このため、クロスオーバ周波数範囲では、クロスオーバ回路網３０９のハイパス周波数フィルタ４０１とクロスオーバ回路網３０９のローパス周波数フィルタ４０２とは両方とも、増幅器３０８からの入力信号を、それぞれ、第２のアクチュエータ３１１と第１のアクチュエータ３１０とに送る。このため、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は、クロスオーバ周波数範囲では同時に駆動される。第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対入力は、増幅器３０８からの入力信号の周波数に依存する。クロスオーバ周波数範囲の比較的低い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第１のアクチュエータ３１０の動作によって支配され、クロスオーバ周波数範囲のかなり高い周波数では、チップ及びカンチレバー３０１の動きは第２のアクチュエータ３１１の動作によって支配される。
【００３８】
ローパス周波数フィルタ４０２のＲＣ時定数は抵抗４０６と固有キャパシタンス４０７とによって形成され、ハイパス周波数フィルタ４０１のＲＣ時定数に実質的に一致するように選択される。それぞれの共振状態では、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１は等価回路においてコンデンサとして動作しないが、駆動するのが難しい、インダクタ−抵抗−コンデンサ（ＲＬＣ）共振回路と並列なコンデンサとして動作する。抵抗４０６はかなり大きな抵抗値を有して、第１のアクチュエータ３１０からのどのような応答もその共振周波数（例えば、約１０ｋＨｚ〜約２０ｋＨｚ）では確実に比較的小さくなるようにする。
【００３９】
都合が良いことに、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２に対するＲＣ時定数は実質的に同一である。第１のアクチュエータ３１０用のローパス周波数フィルタ４０２に対するＲＣ時定数と第２のアクチュエータ３１１用のハイパス周波数フィルタ４０１に対するＲＣ時定数との整合により、ＡＦＭ３００の動作周波数が、特定の寸法のサンプルの表面形状に応答して（例えば、図１及び図２の座標系のｚ方向）、比較的低い周波数（例えば、１ｋＨｚ未満）から比較的高い周波数（例えば、１０ｋＨｚより大きい）に変化するとき、第１のアクチュエータ３１０から第２のアクチュエータ３１１への間で「円滑な」遷移が行われる。図６Ｃに関連して以下で説明されるように、ローパス周波数フィルタ４０２のＲＣ時定数が、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対的な位相及び振幅に起因して、ハイパス周波数フィルタ４０１のＲＣ時定数よりも大きい場合は、それらの組み合わされた可動域は１．０より大きくなり、結果としてクロスオーバ周波数における応答に「バンプ（bump：隆起）」が生じる。ローパス周波数フィルタ４０２のＲＣ時定数が、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の相対的な位相及び振幅に起因して、ハイパス周波数フィルタ４０１のＲＣ時定数よりも小さい場合は、それらの組み合わされた可動域は１．０より小さくなり、結果としてクロスオーバ周波数における応答に「ディップ（dip：窪み）」が生じる。
【００４０】
代表的な実施形態では、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２は、オクターブ当たり約６ｄＢのロール・オフを有し−３ｄＢのセット・ポイントに整合する１次バターワース・フィルタである。さらに、クロスオーバ点が、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２の両方の−３ｄＢのセット・ポイントに設定されるため、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の位相は、クロスオーバ点において反対であり、それらの組み合わされた伸長は１であり、また第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１は単一ユニットとして動作する。その結果、増幅器３０８の出力周波数が比較的低い周波数から比較的高い周波数に変化すると、第１のアクチュエータ３１０はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより小さくし、第２のアクチュエータ３１１はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより大きくする。
【００４１】
増幅器３０８からの入力信号の周波数が比較的高い周波数から比較的低い周波数に変化すると、第２のアクチュエータ３１１はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより小さくし、第１のアクチュエータ３１０はチップ及びカンチレバー３０１の動きをより大きくする。このため、比較的低い周波数／高い伸長（振幅）応答に対して、第１のアクチュエータ３１０はチップ及びカンチレバー３０１の動きの大部分を行い、比較的高い周波数／低い伸長（振幅）応答に対しては、第２のアクチュエータ３１１がチップ及びカンチレバー３０１の動きの大部分を行う。クロスオーバの周波数範囲では、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方が関与される。
【００４２】
クロスオーバ周波数は、スキャンされる表面形状に基づいて変化されうる。例えば、第２のアクチュエータ３１１が増幅器３０８の出力の限界近くで駆動される場合、クロスオーバ周波数を変えることができる。これにより、第１のアクチュエータ３１０は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１のより多くの組み合わされた伸長をもたらす。対照的に、第２のアクチュエータ３１１が増幅器３０８によって低い電力で駆動される場合、クロスオーバ周波数は低下されうる。これにより、第２のアクチュエータ３１１は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１のより多くの組み合わされた伸長をもたらす。
【００４３】
抵抗４０９及びコンデンサ４１２は、プリアンプの利得が１．０よりも大きくなる周波数を設定する（図５の領域５０３）。以下で説明される代表的な実施形態では、利得は始め約１００Ｈｚで１．０を超える。プリアンプ３０６の一方の入力部に接続された抵抗４１１は、プリアンプ３０６の最も高い周波数利得を設定する。抵抗４１０及び４１３は、増幅器３０８の利得を設定する。
【００４４】
図５は、代表的な実施形態に関連して前述されたプリアンプ３０６の出力電圧対周波数のグラフ５００を示している。前述されたように、多くの場合、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの可動域は、第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの可動域に等しくない。一般的に、プリアンプ３０６の利得は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの伸長の比に、第２のアクチュエータ３１１のＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と固有キャパシタンス４０４とによって形成される容量分割器（capacitive divider）による第２のアクチュエータ３１１に印加される電圧の減少を補償するのに必要な付加的な利得を加えることにより決定される。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の応答が駆動周波数に依存するため、プリアンプ３０６の利得は、コントローラ３０５からの入力周波数の変化と共に変わる必要がある。
【００４５】
実例として、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの可動域は１５μｍ／１００Ｖであり、第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの可動域は３μｍ／１００Ｖである。平坦な周波数応答を維持するために、本実施例では、プリアンプ３０６から増幅器３０８への駆動信号は、低い周波数利得の５倍（１５μｍ／３μｍ）の高い周波数利得を持つように等しくされる必要がある。このため、第１のアクチュエータ３１０の比較的低い周波数応答に対応する領域５０１では、プリアンプ３０６の利得はほぼ１．０である。
【００４６】
第２のアクチュエータ３１１の比較的高い周波数応答に対応する領域５０２では、第２のアクチュエータ３１１のＤＣブロッキング・コンデンサ４０３と固有キャパシタンス４０４とによって形成された容量分割器に対する補償を確実にするために、プリアンプ３０６の利得は、本実施例では、約１２．０である。
【００４７】
第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方が関与される周波数範囲に対応する領域５０３では、利得が変化して、適当な利得が第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の両方に確実に与えられるようにする。特に、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの伸長が第２のアクチュエータ３１１の単位電圧当たりの伸長に等しくない場合に、駆動信号を等しくするためにプリアンプ３０６の利得を増加することは、クロスオーバ周波数を移動することになる。例えば、代表的な実施形態では、オクターブ当たり約−６ｄＢのロール・オフを有する第１のアクチュエータ３１０はプリアンプ３０６によるオクターブ当たり＋６ｄＢの利得によって高められる。前述されたように、クロスオーバ周波数は、コンデンサ４１２と抵抗４０９、４１１との組合せによって設定される。プリアンプ３０６の最終的な（高周波数）利得は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の「利得」（ｎｍ／ボルト）における差に基づいている。例えば、第１のアクチュエータ３１０の単位電圧当たりの伸長が第２のアクチュエータ３１１のそれよりも５倍大きい場合、プリアンプ３０６は５倍の利得を高周波数の入力信号に与える。プリアンプ３０６の周波数特性は、領域５０３におけるハイパス及びローパス特性に一致する。この実施例では、ＡＦＭ３００の動作周波数が増加するにつれて、プリアンプ３０６の利得が増加されて、第２のアクチュエータ３１１が領域５０３でより多く使用される。それに対して、ＡＦＭ３００の動作周波数が低くなると、プリアンプ３０６の利得は減少されて、第１のアクチュエータ３１０が領域５０３ではより多く使用される。
【００４８】
図６Ａは、代表的な実施形態による第１のアクチュエータ３１０の利得対周波数のグラフ６０１を示している。領域６０２では、第１のアクチュエータ３１０の利得は、増幅器３０８からの比較的低周波数の入力信号では１である。領域６０２はＡＦＭ３００の比較的低い周波数の動作領域であり、チップ及びカンチレバー３０１の動きは、ほぼ全体的に第１のアクチュエータ３１０によって行われる。前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は、比較的低い周波数（例えば、ＤＣ）の動作において比較的大きな振幅の可動域（例えば、１０μｍ）を提供するように選択される。
【００４９】
領域６０３では、第１のアクチュエータ３１０の利得は、増幅器３０８からの入力周波数が高くなるにつれて、１より低下する。特に、約５００Ｈｚでは、第１のアクチュエータ３１０の利得は−３ｄＢである。領域６０３は、ＡＦＭ３００のクロスオーバ周波数の動作領域である。
【００５０】
下記のように、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の両方が動作している間に、増幅器３０８からの入力周波数が高くなると、チップ及びカンチレバー３０１の動作は、第１のアクチュエータ３１０によってより少なく行われ、第２のアクチュエータ３１１によってより多く行われる。例えば、増幅器３０８からの入力周波数が約２５０Ｈｚであるポイント６０４において、第１のアクチュエータ３１０の利得は約−１ｄＢであり、また第１のアクチュエータ３１０によってチップ及びカンチレバー３０１の大部分の動作が行われる。ポイント６０４では、チップ及びカンチレバー３０１のいくらかの動作が、第２のアクチュエータ３１１によって提供される。それに対して、増幅器３０８からの入力周波数が約１．０ｋＨｚのポイント６０５では、第１のアクチュエータ３１０の利得は約−５ｄＢであり、第１のアクチュエータ３１０によってチップ及びカンチレバー３０１の動作のわずかな部分が行われる。ポイント６０５では、チップ及びカンチレバー３０１のほぼ全ての動作が、第２のアクチュエータ３１１によって提供される。
【００５１】
図６Ｂは、代表的な実施形態による第２のアクチュエータ３１１の利得対周波数のグラフ６０６を示しており、グラフ６０１の上に重ね合わされている。領域６０７では、第２のアクチュエータ３１１の利得は、増幅器３０８からの比較的高い入力周波数では１である。領域６０７はＡＦＭ３００の比較的高い周波数の動作領域であり、チップ及びカンチレバー３０１の動きは、全体的に第２のアクチュエータ３１１によって行われる。前述されたように、第２のアクチュエータ３１１は、比較的高い周波数（例えば、１０ｋＨｚ）の動作において比較的小さい振幅の可動域（例えば、０．１μｍ）を提供するように選択される。
【００５２】
領域６０８では、第２のアクチュエータ３１１の利得は、増幅器３０８からの入力周波数が低くなるにつれて、１より低下する。特に、約５００Ｈｚでは、第２のアクチュエータ３１１の利得は−３ｄＢである。領域６０８は、ＡＦＭ３００のクロスオーバ周波数の動作領域である。
【００５３】
第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の両方が動作している間に、増幅器３０８からの入力周波数が低くなると、チップ及びカンチレバー３０１の動作は、第２のアクチュエータ３１１によってより少なく行われ、第１のアクチュエータ３１０によってより多く行われる。例えば、増幅器３０８からの入力周波数が約１．６ｋＨｚであるポイント６０９において、第２のアクチュエータ３１１の利得は約−１ｄＢであり、また第２のアクチュエータ３１１によってチップ及びカンチレバー３０１の大部分の動作が行われる。ポイント６０９では、チップ及びカンチレバー３０１のいくらかの動作が、第１のアクチュエータ３１０によって提供される。それに対して、増幅器３０８からの入力周波数が約２５０Ｈｚのポイント６１０では、第２のアクチュエータ３１１の利得は約−５ｄＢであり、第２のアクチュエータ３１１によってチップ及びカンチレバー３０１の動作のわずかな部分が行われる。ポイント６１０では、チップ及びカンチレバー３０１のほぼ全ての動作が、第１のアクチュエータ３１０によって提供される。
【００５４】
図６Ｃは、代表的な実施形態による第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた利得（ｄＢ）対周波数のグラフ６１１を示している。領域６０２では、増幅器３０８は比較的低い周波数の駆動信号を提供するため、結果として第１のアクチュエータ３１０が使用される。特に、第１のアクチュエータ３１０の利得は約１．０であり、この第１のアクチュエータ３１０は比較的低い周波数で機能して、チップ及びカンチレバー３０１の実質的に全ての動作を行う。前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は、増幅器３０８からの比較的大きな振幅信号に応答するように構成される。このため、第１のアクチュエータ３１０は、例えば、図１及び図２に示された座標系でチップ及びカンチレバー３０１をｚ方向により大きな距離を動かすように構成される。従って、例えば、サンプル（例えば、サンプル１０２）が、図２に示された座標系のｘ−ｙ平面におけるラスタ・スキャンに対して、比較的平坦であるが、徐々に高くなる場合、第１のアクチュエータ３１０が使用されてチップ及びカンチレバー３０１を移動する。
【００５５】
領域６１２では、増幅器３０８は低周波数の駆動信号を提供し、その結果、第２のアクチュエータ３１１は解放される。特に、領域６１２では、第２のアクチュエータ３１１の利得は約−２０．０ｄＢ〜約−５５ｄＢであり、比較的高い周波数で機能する第２のアクチュエータ３１１は、チップ及びカンチレバー３０１の動きに対してほとんど何も行わない。前述されたように、第２のアクチュエータ３１１は、増幅器３０８からの比較的高い周波数及び小さい振幅信号に応答するように構成されている。このため、第２のアクチュエータ３１１は、この動作範囲では、チップ及びカンチレバー３０１の動きには、ほとんど寄与しない。
【００５６】
領域６１３では、増幅器３０８は比較的高い周波数の駆動信号を提供するため、結果として、第２のアクチュエータ３１１が使用される。特に、第２のアクチュエータ３１１の利得は約１．０であり、また比較的高い周波数で機能するこの第２のアクチュエータ３１１は、チップ及びカンチレバー３０１の実質的に全ての動作を行う。前述されたように、第２のアクチュエータ３１１は、増幅器３０８からの比較的小さな振幅信号に応答するように構成される。このため、第２のアクチュエータ３１１は、例えば、図２に示された座標系でチップ及びカンチレバー３０１をｚ方向により小さな距離を動かすように構成される。従って、例えば、サンプル（例えば、サンプル１０２）が、図１及び図２に示された座標系のｘ−ｙ平面におけるラスタ・スキャンに対して、実質的な表面粗さがｚ方向に比較的小さい振幅の変動である場合、第２のアクチュエータ３１１が使用されてチップ及びカンチレバー３０１を動かす。
【００５７】
同様に、領域６１３では、増幅器３０８は高周波数の駆動信号を提供し、その結果、第１のアクチュエータ３１０は解放される。特に、領域６１３では、第１のアクチュエータ３１０の利得は約−２０．０ｄＢから約−５５ｄＢにロール・オフするため、比較的低い周波数で機能する第１のアクチュエータ３１０は、チップ及びカンチレバー３０１の動きに対してほとんど何も行わない。前述されたように、第１のアクチュエータ３１０は、増幅器３０８からの比較的低い周波数及び大きい振幅信号に応答するように構成されている。このため、第１のアクチュエータ３１０は、この動作範囲では、チップ及びカンチレバー３０１の動きには、ほとんど寄与しない。
【００５８】
クロスオーバ点６１４が、領域６０２と６０７との間に示されている。クロスオーバ点６１４の周波数（クロスオーバ周波数と呼ばれる）は、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１の利得がそれぞれ−３ｄＢ（−３ｄＢ点と呼ばれる）であるように選択される。クロスオーバ点６１４では、第１のアクチュエータ３１０の位相は増幅器３０８からの入力信号に４５°遅れ、また第２のアクチュエータ３１１の位相は、増幅器３０８からの入力信号よりも４５°先行する。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の利得の合計が１．０（すなわち、１．４１４）を超える間は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の相対位相のために、それらの組み合わされた利得は約１．０である。これは、領域６０２及び６０７の実質的に「平坦な」利得を接続するクロスオーバ領域６１５において示されており、動作周波数範囲の全体にわたって約１．０の利得が発生する。
【００５９】
クロスオーバ領域６１５では、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の両方が使用され、このため、両方がチップ及びカンチレバー３０１を駆動する。従って、クロスオーバ領域６１５では、第１のアクチュエータ３１０及び第２のアクチュエータ３１１からの入力の組合せがチップ及びカンチレバー３０１を駆動することになる。しかしながら、クロスオーバ領域６１５の全体的にわたるそれらの相対位相のために、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１は単一ユニットとして機能する。クロスオーバ周波数では、第１のアクチュエータ３１０の利得は−３ｄＢ（そのＤＣ値の０．７０７倍）であり、その位相は例示的に−４５°である。（プリアンプ３０６によって利得に一致するように調整された後の）第２のアクチュエータ３１１の利得は−３ｄＢ（その高周波数値の０．７０７倍）であり、その位相は例示的に＋４５°である。クロスオーバ周波数において第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の結果として生じる利得は、１．０であり位相角度は０度である。第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組合せによる利得は、クロスオーバ領域６１５において、約１．０に維持されるため、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１は実質的に単一ユニットとして機能する。
【００６０】
前述したように、ハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２の時定数が一致しない場合は、クロスオーバ領域６１５は円滑でなくなり、「バンプ」又は「ディップ」が生じる可能性がある。例えば、本実施例において、クロスオーバ周波数（すなわち、クロスオーバ点６１４における周波数）が５００Ｈｚよりも大きく、かつハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２のそれぞれの−３ｄＢ点が同じ周波数でない場合は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の伸長の合計は１．０よりも大きくなり、クロスオーバ領域６１５に「バンプ」が生じる可能性がある。例示目的のために、クロスオーバ点６１４が第２のアクチュエータの−２ｄＢの利得に一致するように、グラフ６０６が「移動される」と仮定する場合、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた利得はクロスオーバ領域６１５にわたって「平坦」ではなくなり、クロスオーバ領域６１５内に「バンプ」が生じる可能性がある。それに対して、本実施例において、クロスオーバ周波数（すなわち、クロスオーバ点６１４における周波数）が５００Ｈｚよりも大きく、かつハイパス周波数フィルタ４０１及びローパス周波数フィルタ４０２の−３ｄＢ点が同じ周波数でない場合は、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の伸長の合計は１．０よりも小さくなり、クロスオーバ領域６１５に「ディップ」が生じる可能性がある。例示目的のために、クロスオーバ点６１４が第２のアクチュエータの−４ｄＢの利得に一致するように、グラフ６０６が「移動される」と仮定する場合、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた利得はクロスオーバ領域６１５にわたって「平坦」ではなくなり、クロスオーバ領域６１５内に「ディップ」が生じる可能性がある。クロスオーバ領域６１５の中に「バンプ」又は「ディップ」が存在するというシナリオは、第１及び第２のアクチュエータ３１０、３１１の組み合わされた可動域が１．０に等しくない、またＡＦＭ３００の応答が線形ではないため、避ける必要がある。このことは、ＡＦＭ３００による測定誤差が結果として発生する可能性があることは、理解されるべきである。
【００６１】
この開示内容に照らして、ＡＦＭ用の種々の装置及びそのための駆動回路が、本教義に沿って様々な構成の中でまた様々な部品を用いて実現されることができることに注意されたい。さらに、種々の部品、構造体及びパラメータが、単に例示するため及び実施例を示すために含まれるが、本願を何ら限定するつもりはない。この開示内容に鑑みて、当業者は、添付された請求項の範囲の中で、自身の応用及び必要な部品、材料、構造体及びこれらの応用を実現するための機器を判断するために本教義を実行することができる。
【符号の説明】
【００６２】
３００：原子間力顕微鏡
３０１：チップ及びカンチレバー
３０２：光学系
３０３：アナログ−ディジタル変換器
３０４：プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）
３０５：コントローラ
３０６：プリアンプ
３０７：ディジタル−アナログ変換器
３０８：増幅器
３０９：クロスオーバ回路網
３１０：第１のアクチュエータ
３１１：第２のアクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用の装置であって、
軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第１のアクチュエータと、
前記軸に沿って前記カンチレバーを移動するように構成された第２のアクチュエータと、
増幅器と、
前記増幅器と前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網と、
を具備し、
前記クロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で前記第１のアクチュエータに与え、かつ第２の駆動信号を第２の周波数範囲で前記第２のアクチュエータに与えるように適合されている、装置。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータが第１の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第１の固有キャパシタンスを有するハイパス周波数フィルタを形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２のアクチュエータが第２の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第２の固有キャパシタンスを有するローパス周波数フィルタを形成する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ハイパス周波数フィルタ及び前記ローパス周波数フィルタが電気的に並列に接続されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータがそれぞれ圧電素子を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記増幅器の入力に接続されたプリアンプをさらに具備し、該プリアンプは、前記第１のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長が前記第２のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長に等しくない場合、前記増幅器からの駆動信号を等しくする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記クロスオーバ回路網が、第３の信号をクロスオーバ周波数範囲にわたって前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとに与えるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータが、それぞれ、クロスオーバ周波数において実質的に−３ｄＢの利得を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の周波数範囲が比較的低い周波数範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の周波数範囲が比較的高い周波数範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置の第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータを駆動するための駆動回路であって、
増幅器と、
前記増幅器と前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網と、
を具備し、
前記クロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で前記第１のアクチュエータに与え、かつ第２の駆動信号を第２の周波数範囲で前記第２のアクチュエータに与えるように適合される、駆動回路。
【請求項１２】
前記第１のアクチュエータが第１の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第１の固有キャパシタンスを有するハイパス周波数フィルタを形成する、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１３】
前記第２のアクチュエータが第２の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第２の固有キャパシタンスを有するローパス周波数フィルタを形成する、請求項１２に記載の駆動回路。
【請求項１４】
前記ハイパス周波数フィルタ及び前記ローパス周波数フィルタが電気的に並列に接続されている、請求項１３に記載の駆動回路。
【請求項１５】
前記増幅器の入力に接続されたプリアンプをさらに備えている、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１６】
前記プリアンプが、前記第１のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長が前記第２のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長に等しくない場合、前記増幅器からの駆動信号を等しくする、請求項１５に記載の駆動回路。
【請求項１７】
前記クロスオーバ回路網が、第３の信号をクロスオーバ周波数範囲で前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとに与えるように構成されている、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１８】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータが、それぞれ、クロスオーバ周波数において実質的に−３ｄＢの利得を有する、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１９】
前記第１の周波数範囲が比較的低い周波数範囲である、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項２０】
前記第２の周波数範囲が比較的高い周波数範囲である、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用の装置であって、
軸に沿ってカンチレバーを移動するように構成された第１のアクチュエータと、
前記軸に沿って前記カンチレバーを移動するように構成された第２のアクチュエータと、
増幅器と、
前記増幅器と前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網と、
を具備し、
前記クロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で前記第１のアクチュエータに与え、かつ第２の駆動信号を第２の周波数範囲で前記第２のアクチュエータに与えるように適合されている、装置。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータが第１の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第１の固有キャパシタンスを有するハイパス周波数フィルタを形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２のアクチュエータが第２の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第２の固有キャパシタンスを有するローパス周波数フィルタを形成する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ハイパス周波数フィルタ及び前記ローパス周波数フィルタが電気的に並列に接続されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータがそれぞれ圧電素子を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記増幅器の入力に接続されたプリアンプをさらに具備し、該プリアンプは、前記第１のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長が前記第２のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長に等しくない場合、前記増幅器からの駆動信号を等しくする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記クロスオーバ回路網が、第３の信号をクロスオーバ周波数範囲にわたって前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとに与えるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータが、それぞれ、クロスオーバ周波数において実質的に−３ｄＢの利得を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の周波数範囲が比較的低い周波数範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の周波数範囲が比較的高い周波数範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置の第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータを駆動するための駆動回路であって、
増幅器と、
前記増幅器と前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータとの間に接続されたクロスオーバ回路網と、
を具備し、
前記クロスオーバ回路網は、第１の駆動信号を第１の周波数範囲で前記第１のアクチュエータに与え、かつ第２の駆動信号を第２の周波数範囲で前記第２のアクチュエータに与えるように適合される、駆動回路。
【請求項１２】
前記第１のアクチュエータが第１の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第１の固有キャパシタンスを有するハイパス周波数フィルタを形成する、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１３】
前記第２のアクチュエータが第２の固有キャパシタンスを有し、前記クロスオーバ回路網が前記第２の固有キャパシタンスを有するローパス周波数フィルタを形成する、請求項１２に記載の駆動回路。
【請求項１４】
前記ハイパス周波数フィルタ及び前記ローパス周波数フィルタが電気的に並列に接続されている、請求項１３に記載の駆動回路。
【請求項１５】
前記増幅器の入力に接続されたプリアンプをさらに備えている、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１６】
前記プリアンプが、前記第１のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長が前記第２のアクチュエータの単位電圧当たりの伸長に等しくない場合、前記増幅器からの駆動信号を等しくする、請求項１５に記載の駆動回路。
【請求項１７】
前記クロスオーバ回路網が、第３の信号をクロスオーバ周波数範囲で前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとに与えるように構成されている、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１８】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータが、それぞれ、クロスオーバ周波数において実質的に−３ｄＢの利得を有する、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項１９】
前記第１の周波数範囲が比較的低い周波数範囲である、請求項１１に記載の駆動回路。
【請求項２０】
前記第２の周波数範囲が比較的高い周波数範囲である、請求項１１に記載の駆動回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【公開番号】特開２０１２−７３２３５（Ｐ２０１２−７３２３５Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３７２１（Ｐ２０１１−１８３７２１）
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
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