JPH0436602A - Scanning probe controller - Google Patents

Scanning probe controller

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Publication number
JPH0436602A
JPH0436602A JP14426090A JP14426090A JPH0436602A JP H0436602 A JPH0436602 A JP H0436602A JP 14426090 A JP14426090 A JP 14426090A JP 14426090 A JP14426090 A JP 14426090A JP H0436602 A JPH0436602 A JP H0436602A
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JP
Japan
Prior art keywords
probe
error signal
clock
axis
integrating
Prior art date
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Pending
Application number
JP14426090A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Paul E West
ポール イー ウェスト
P Sharett Wilfred
ウィルフレッド ピー シャレット
Young Arthur
アーサー ヤング
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
QUANSKAN Inc
Original Assignee
QUANSKAN Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by QUANSKAN Inc filed Critical QUANSKAN Inc
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Publication of JPH0436602A publication Critical patent/JPH0436602A/en
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

PURPOSE: To control relative positioning between a probe and the surface by comparing a parameter with a reference threshold and generating an error signal indicative of one of at least two possible discrete positional conditions. CONSTITUTION: In operation, the sensor electronic unit (sensor circuit) 18 in a controller is connected between a probe and an adjacent plane in order to measure parameters variable depending on the relative position between the probe and the adjacent plane. The sensor circuit 18 compares the magnitude of a tunneling current traversing a gap 12 with a reference value and generates a positional error signal indicative of one of at least two positional conditions. An up/down counter 52 integrates 22 the error signal and sustains the up/down error count during execution and a probe position control servo 26 regulates the gap 12 in response to the up/down error count. According to the arrangement, relative positioning between the probe and the surface can be controlled in response to an error count signal.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、全体として、位置制御サーボシステム用制御
装置、殊に、走査用マイクロメカニカル計器を位置制御
するための適応フィードバック制御システムに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates generally to controllers for position control servo systems, and more particularly to adaptive feedback control systems for position control of scanning micromechanical instruments.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来より、機械加工装置とモータ駆動装置用に産業上、
種々の位置制御サーボシステムが開発されている。工具
の送り速度を変更してワークピースの体積や断面積の変
化を適応的に調節するためのシステムが知られている。
Traditionally, it has been used industrially for machining equipment and motor drive equipment.
Various position control servo systems have been developed. Systems are known for adaptively adjusting for changes in the volume or cross-sectional area of a workpiece by changing the feed rate of a tool.

即ち、大きな位置誤差値を計算するためにサーボ信号を
積分するアップ/ダウンデジタルコンピュータを活用し
て放電加工制御装置を位置決めする制御システムが知ら
れている。デジタル速度カウンタを使用して機械を加速
すべきか減速すべきかを判断するミシン用デジタル速度
制御システムもまた公知である。トンネル走査顕微鏡に
おけるトンネル効果度数を測定して一定に維持する閉ル
ープ制御システムも公知である。位置信号を積分するか
71する従来の計器は普通の場合、実際の位置を判断す
るためのアナログ積分回路と、同位置に対応するデジタ
ル値を判断するアナログデジタル変換器と、本位置を指
令位置と比較する論理回路と、位置誤差値を判断した後
それをデジタルアナログ変換器によりアナログ変換器に
変換し機械位置を補正するデジタルカウンタとを使用し
ている。
That is, a control system is known that positions an electrical discharge machining control device using an up/down digital computer that integrates a servo signal to calculate a large position error value. Digital speed control systems for sewing machines are also known that use digital speed counters to determine whether to accelerate or decelerate the machine. Closed loop control systems for measuring and keeping constant the tunneling power in tunnel scanning microscopes are also known. Conventional instruments that integrate or 71 position signals usually include an analog integration circuit to determine the actual position, an analog-to-digital converter to determine the digital value corresponding to the same position, and an analog-to-digital converter to determine the digital value corresponding to the same position, and convert this position to the command position. and a digital counter that determines the position error value and then converts it to an analog converter with a digital-to-analog converter to correct the machine position.

トンネル走査顕微鏡プローブの位置決めの如く、極端に
高速で正確な位置補正を要する位置制御システムの場合
、位置制御装置の移動軸に沿う相対運動速度を調節する
ために適応フィードバック回路を備えたかかる高精度で
応答性の高い位置制御システムを設けることが望ましい
であろう。また、時間のかかる中間のアナログデジタル
変換器を要するアナログ集積回路を不用にする回路設計
を使用することも同様に望ましいことであろう。
For position control systems that require extremely fast and precise position corrections, such as the positioning of tunnel scanning microscope probes, such high precision can be achieved with an adaptive feedback circuit to adjust the relative speed of movement along the axis of movement of the position controller. It would be desirable to provide a highly responsive position control system. It would also be desirable to use a circuit design that eliminates analog integrated circuits that require time-consuming intermediate analog-to-digital converters.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

本発明は、トンネル電流がセンサプローブと隣接ターゲ
ツト面間のギャップを横切って流れる走査用トンネル顕
微鏡の如き計器Sこついてセンサプローブと隣接面間の
t目射運動を制御するための改良された走査用マイクロ
メカニカルプローブで、所望のギヤノブサイズを維持す
る上で従来のものより相当有効で従来技術において得ら
れなかった高解像度走査をより一貫させたものを提供す
る。
The present invention provides an improved scanning method for controlling scanning motion between a sensor probe and an adjacent target surface in an instrument such as a scanning tunneling microscope, where the tunneling current flows across the gap between the sensor probe and the adjacent target surface. A micromechanical probe for use in the present invention is significantly more effective than conventional ones in maintaining a desired gear knob size and provides more consistent high resolution scanning than is available in the prior art.

フィードバック制御機構は、プローブギヤツブの大きさ
を調節するために使用される高速力が効率的なアップ/
ダウンカウンタ機構と共に、感応計器の高精度と速度を
確保することができる。センサ回路はギャップを横切る
トンネル電流の大きさを判断し、トンネル電流を基準値
と比較し、少なくとも2つの位置条件のうちの一つを示
す位置誤差信号を発生する。アップ/ダウンカウンタは
誤差信号を積分して実行中の上下誤差カウントを維持し
、位置制御機構は上下誤差カウントに呼応じてそのギャ
ップを調節する。
A feedback control mechanism provides efficient up/down of the high speed force used to adjust the size of the probe gear.
Together with the down counter mechanism, high precision and speed of the sensitive instrument can be ensured. A sensor circuit determines the magnitude of the tunneling current across the gap, compares the tunneling current to a reference value, and generates a position error signal indicative of one of at least two position conditions. The up/down counter integrates the error signal to maintain a running up/down error count, and the position control mechanism adjusts its gap in response to the up/down error count.

手短かに、そして−船釣な形で表現すれば、本発明によ
る走査装置は、プローブと隣接面の相対位置決めに応じ
て変化するパラメータを測定するセンサで、少なくとも
2つの離散的な位置条件のう−ちの一つを表示する誤差
信号を発生するものと、誤差信号を積分し、誤差カウン
ト信号を発生する手段と、誤差カウント信号に応答して
プローブと表面の相対的位置決めを制御する位置制御サ
ーボとを備える。
Briefly and - expressed in casual terms - a scanning device according to the invention is a sensor that measures a parameter that varies as a function of the relative positioning of a probe and an adjacent surface, in at least two discrete positional conditions. means for integrating the error signal and generating an error count signal; and a position control for controlling relative positioning of the probe and the surface in response to the error count signal. Equipped with a servo.

プローブ制御システムシよ少なくとも一つの調節可能な
りロックを備え、プローブとターゲット表面間の軸に対
して垂直な面内におけるラスタ走査速度を制御する適応
フィードバック制御機構で、上記クロックが操作上セン
サに接続され、クロ。
The probe control system comprises at least one adjustable clock and an adaptive feedback control mechanism for controlling the raster scan rate in a plane perpendicular to the axis between the probe and the target surface, the clock being operationally connected to the sensor. And black.

りのクロック速度が誤差信号に呼応じて調節させるよう
になったものを含んでいる。適応フィードバック制御機
構は、プローブとターゲツト面間のライン内の垂直軸に
沿うプローブの垂直位置決め速度と、水平面内のラスタ
走査速度を制御するようにすることが最も望ましい。
This includes one in which the clock speed of the clock is adjusted in response to an error signal. Most preferably, the adaptive feedback control mechanism controls the vertical positioning rate of the probe along the vertical axis in the line between the probe and the target surface, and the raster scanning rate in the horizontal plane.

本発明の他の面ならびに利点は以下の詳述と本発明の特
徴を例解する添附図面より明らかとなろつ。
Other aspects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, which illustrate features of the invention.

〔実施例〕〔Example〕

図面に示すように、本発明は走査用トンネル顕微鏡にお
ける如くセンサプローブと隣接するターゲツト面と組合
せて用いる走査用マイクロメカニカルプローブ制御シス
テムで、トンネル電流がセンサプローブとターゲツト面
間のギャップを横切って流れるようになったものに具体
化される。センサプローブとターゲツト面間に接続され
たギャップ検出回路はギャップを横切るトンネル電流を
測定し、測定された電流をプリセットもしくはダイナミ
ックに決定できる基準電流値ど比較して、少なくとも2
つの可能な位置条件のうちの一つを表示する誤差信号を
発生する。誤差信号は一般的にいって放電電流がスレシ
ョルド値より少ないかあるいはそれよりも大もしくは等
しいかを示す2値信号である。その後、誤差信号はアッ
プ/ダウンカウンタにより受取られ、誤差信号をデジタ
ル形に積分する。デジタルカウントはその後、アナログ
信号に変換され、同信号はその後、センサプローブとタ
ーゲツト面間の距離を制御する位置制御サーボ機構↓こ
よって受取られる。
As shown in the drawings, the present invention is a scanning micromechanical probe control system for use in conjunction with a sensor probe and an adjacent target surface, such as in a scanning tunneling microscope, in which a tunneling current flows across the gap between the sensor probe and the target surface. It is embodied in what has become. A gap detection circuit connected between the sensor probe and the target surface measures the tunneling current across the gap and compares the measured current to a preset or dynamically determinable reference current value, at least 2.
An error signal is generated indicating one of two possible position conditions. The error signal is generally a binary signal indicating whether the discharge current is less than, greater than, or equal to a threshold value. The error signal is then received by an up/down counter which digitally integrates the error signal. The digital count is then converted to an analog signal, which is then received by a position control servomechanism that controls the distance between the sensor probe and the target surface.

走査用トンぶル顕微鏡:ま全体としてセンサプローブを
プローブとターゲツト面間のZ軸に対して垂直なX−Y
面内で走査するため、Z軸アップ/ダウンカウンタのク
ロックサンプリング速度を加速もしくは減速し、XとY
軸に沿う走査速度を制御するX、Y軸りロックを加減速
するための適応フィードバック制御システムを含めるこ
とも望ましい。この適応フィードバンク制御はラスタ走
査が進行するにつれて走査用トンネル顕微鏡プローブが
ターゲツト面内の高度変化に対して迅速かつ正確に反応
するようにすることによって一貫して高い解像度を有す
るために最適のギャップ距離を維持することができる。
Scanning tunnel microscope: The sensor probe as a whole is moved perpendicular to the Z axis between the probe and the target surface in the
To scan within the plane, the clock sampling speed of the Z-axis up/down counter is accelerated or decelerated, and the X and Y
It is also desirable to include an adaptive feedback control system for accelerating and decelerating the X, Y axis locks to control the scan rate along the axes. This adaptive feedbank control optimizes the gap for consistently high resolution by allowing the scanning tunneling microscope probe to react quickly and accurately to elevation changes in the target plane as the raster scan progresses. Able to maintain distance.

以下、本発明は典型的な走査用トンネル顕微鏡に関して
説明するが、本発明の位置決め制御と適応フィードバッ
ク制御は、走査用キャパシタンス顕微鏡、原子力顕微鏡
、走査用磁気顕微鏡、走査用熱顕微鏡、もしくは所望ギ
ャップや原子力顕微鏡の場合の如く、ターゲツト面にあ
たるプローブの所望の力を維持するに役立つその池の走
査マイクロメカニカル計器と共に使用して常に計器の高
解像度を達成する際にも等しく適しているであろう。か
くして、オペレータもしくはシステム自体によってダイ
ナミックにひとたび最適センサ解像度の基準値が設定さ
れると、その解像度はサンプル全体の走査中に維持する
ことができる。
Although the present invention will be described with respect to a typical scanning tunneling microscope, the positioning control and adaptive feedback control of the present invention may be applied to a scanning capacitance microscope, an atomic force microscope, a scanning magnetic microscope, a scanning thermal microscope, or a scanning tunneling microscope. It would be equally suitable for use with scanning micromechanical instruments that serve to maintain the desired force of the probe on the target surface, as in the case of atomic force microscopy, to achieve consistently high resolution of the instrument. Thus, once a reference value for optimal sensor resolution is dynamically set by the operator or the system itself, that resolution can be maintained during scanning of the entire sample.

本発明によれば、それ故、センサプローブと隣接ターゲ
ツト面間の相対運動を制御する走査用マイクロメカニカ
ルプローブ制御システムで、操作上センサプローブとタ
ーゲツト面間に接続されプローブと面の相対的位置決め
に応じて変化するパラメータを測定し、2つの可能な離
散的位置条件のうちの一つを表示する誤差信号を生成す
るようになったセンサ手段と、誤差信号を積分し上下カ
ウント信号を生成するアップ/ダウンカウンタと、プロ
ーブと面の上下カウント信号に応じた相対的位置決めを
制御する位置制御サーボとより成るものが提供される。
In accordance with the present invention, there is therefore provided a scanning micromechanical probe control system for controlling the relative movement between a sensor probe and an adjacent target surface, which is operationally connected between the sensor probe and the target surface, and which controls the relative positioning of the probe and the surface. sensor means adapted to measure parameters that vary accordingly and generate an error signal indicative of one of two possible discrete position conditions; /down counter and a position control servo for controlling relative positioning of the probe and surface in response to up and down count signals.

本発明は、また、センサプローブと隣接するターゲツト
面間の相対運動制御用の走査用マイクロメカニカルプロ
ーブ制御システムで、センサプローブとターゲツト面間
に接続され、プローブと面の相対的位置決めに応じて変
化するパラ、l−夕を測定するためのセンサ手段で、少
なくとも2つの可能な離散的位置条件の一つを表示する
誤差信号を発生するようになったものと、誤差信号を積
分し上下カウント信号を生成する手段と、少なくとも一
つのラスタクロック手段を備え、センサプローブとター
ゲツト面間の軸に対して垂直な面内で走査するラスタ速
度を制御する適応フィードバック制御手段でラスタクロ
ソクが操作上同手段に接続され、ラスタクロック手段の
クロック速度が誤差信号に呼応じて調節されるようにな
ったものと、上下カウント信号に応じてプローブと表面
の相対位置を制御する位置制御サーボと、から成るもの
を提供する。
The present invention also provides a scanning micromechanical probe control system for relative motion control between a sensor probe and an adjacent target surface, the probe control system being connected between the sensor probe and the target surface and changing in response to the relative positioning of the probe and the surface. sensor means for measuring para, l - height, adapted to generate an error signal indicative of one of at least two possible discrete position conditions, and integrating the error signal to produce an upper and lower count signal; and at least one raster clock means, the raster clock being operationally controlled by an adaptive feedback control means for controlling the rate of the raster scanning in a plane perpendicular to the axis between the sensor probe and the target surface. connected such that the clock speed of the raster clock means is adjusted in response to the error signal; and a position control servo for controlling the relative position of the probe and the surface in response to the up and down count signals. provide.

図面に示すように、トンネル走査顕微鏡10は、センサ
プローブと隣接ターゲツト面16間のギャップ12を横
切るトンネル電流の通過を検出する。
As shown in the drawings, tunneling scanning microscope 10 detects the passage of tunneling current across a gap 12 between a sensor probe and an adjacent target surface 16.

ギャップ電圧源15はセンサプローブとターゲット間に
一定の電圧を提供する。その際、電流の流れる値はプロ
ーブとターゲット間のギヤ1.プの大きさが変化するに
つれて変化する。ギヤツブを横切って放電された電流は
ライン17に沿ってギャップ検出回路18へ運ばれそこ
で測定電流と基準電流値が比較され、比較の結果を表わ
すデジタル信号が発生する。検出電子装置は、測定電流
が基準電流よりも低くギャップが大きすぎることを示す
状態が、測定電流が基準電流よりも大きいか等しいかに
ギヤツブの大きさが小さすぎることを示す状態の何れか
を示す2値デジタル信号を発生することが望ましい。セ
ンサ装置によってその他のデジタルコードを発生できる
ことも容易であることはいうまでもない。例えば、2ビ
ツトコードを使用して上記した通りに小さすぎるが、あ
るいは大きすぎるかのギャップサイズ状態を選択的に示
す信号を発生させることもできよう。ギャップ検出回路
により発生させられたデジタルギャップ検出誤差信号は
積分回路22によって受取られ、同回路22は、ライン
24上にアナログ信号を生成し、蓄積された誤差信号を
表示しプローブ位置制御サーボ26に対してギヤノブサ
イズの補正調節を行うように命する。
Gap voltage source 15 provides a constant voltage between the sensor probe and the target. At that time, the value of the current flowing is the gear 1. between the probe and the target. changes as the size of the drop changes. The current discharged across the gear is carried along line 17 to a gap detection circuit 18 where the measured current is compared with a reference current value and a digital signal is generated representing the result of the comparison. The detection electronics detect either a condition in which the measured current is less than the reference current, indicating that the gap is too large, or a condition in which the measured current is greater than or equal to the reference current, indicating that the gear size is too small. It is desirable to generate a binary digital signal that indicates. It goes without saying that other digital codes can easily be generated by the sensor device. For example, a two-bit code could be used to generate a signal that selectively indicates gap size conditions that are too small or too large, as described above. The digital gap detection error signal generated by the gap detection circuit is received by an integrator circuit 22 that generates an analog signal on line 24 to display and transmit the accumulated error signal to the probe position control servo 26. It is ordered to make a correction adjustment of the gear knob size.

トンふル顕微鏡検出プローフは、集積回路からのアナロ
グカウント命令信号に応じてプローブとターゲットの面
間のZ軸に沿って線形の上下並行運動を行うように取付
けるのが望ましい。ギャップサイズを極度に精密に調節
するには、センサプローブを圧電トランスジューサ、普
通には電圧をかけた時Z軸に沿って延びる圧電セラミッ
クスタックと共に取付けるのが望ましい。かくして、ギ
ヤツブが比較的大きい場合、ギヤツブを横切る電流は比
較的低く、積分回路内のカウントは低下する。それに対
応する電圧増加は圧電トランスジューサに対して向けら
れ、ギャップサイズを適当に理想値に調節する。その代
わりに、センサプローブを逆に圧電トランスジューサに
より取付けてギヤツブが増加するにつれて積分回路のカ
ウントが小さくなり、圧電トランスジューサの電圧レヘ
ルがそ孔に応じて低くなりギャップの大きさを小さくす
るようにすることもできよう。サーボモータの如き、Z
軸に沿ってセンサを移動させるためのより精度の低い装
置を使用することもできよう。
The microscope detection probe is preferably mounted for linear up-and-down translation along the Z-axis between the plane of the probe and the target in response to analog counting command signals from the integrated circuit. For extremely precise adjustment of the gap size, it is desirable to mount the sensor probe with a piezoelectric transducer, typically a piezoceramic stack that extends along the Z-axis when a voltage is applied. Thus, if the gear is relatively large, the current across the gear will be relatively low and the count in the integrator circuit will drop. A corresponding voltage increase is directed against the piezoelectric transducer to suitably adjust the gap size to the ideal value. Instead, the sensor probe is mounted with a piezoelectric transducer in reverse so that as the gear increases, the count of the integrator circuit decreases, and the voltage level of the piezoelectric transducer decreases with increasing gear, reducing the size of the gap. You could do that too. Like a servo motor, Z
Less precise devices for moving the sensor along the axis could also be used.

Z@二二対して垂直なXY面内の並行運動は同様にして
実行することが望ましい。かくして、X圧電トランスジ
ューサに対する電圧を制御するためのデジタル波形がク
ロック30により提供されるクロックパルスと同期して
ラスタX28によりつくりだされ、圧電位置制御サーボ
32のX軸に沿って拡大と縮小がつくりだされる。同様
にして、ラスタY34は、クロック36のクロックパル
スと同期してY圧電トランスジューサに対する電圧を制
御し、Y軸に沿う圧電制御サーボ38の拡大と縮小をつ
くりだす走査デジタル波形をつくりだす。
It is desirable to perform parallel movement in the XY plane perpendicular to Z@22 in the same manner. Thus, a digital waveform for controlling the voltage to the X piezoelectric transducer is created by raster issued. Similarly, raster Y 34 controls the voltage to the Y piezoelectric transducer in synchronization with the clock pulses of clock 36, creating a scanning digital waveform that creates the expansion and contraction of piezoelectric control servo 38 along the Y axis.

第2図について述べると、ギャップ検出回路は、ライン
17によって走査トンネル顕微鏡プローブ先端40もし
くは直接、走査されるターゲット基板に接続される。ギ
ャップセンサ回路はピックアップアンプ42、同アンプ
により増幅された測定電流をオペレータもしくは電流ス
レショルド9定回路46によりダイナミノククこ決定さ
れる基$電流と比較する差動アンプ44を備える。現在
、望ましいギャップ検出回路においては、論理エンコー
ダ48が1状態が電流レヘルがスレショルド基準値を下
潮わることを示し、他の2値状態が、測定値か基準電流
より大きいかそれに等しいことを示す2値誤差信号をつ
くりだす。この2値信号はその後、積分回路のアップ/
ダウンカウンタ52に出力される。その代わり、2ビツ
トもしくはそれより以上のビットコードを使用してギャ
ップサイズが小さすぎる、大きすぎる、あるいは規定し
た通りであるかを示す信号、もしくは何処で多重スレシ
ョルドが使用されるかを示す信号を使用し、プローブ位
置に関するより正確な情報を有するデジタルコードを生
成することができよう。
Referring to FIG. 2, the gap detection circuit is connected by line 17 to the scanning tunneling microscope probe tip 40 or directly to the target substrate being scanned. The gap sensor circuit includes a pickup amplifier 42 and a differential amplifier 44 that compares the measured current amplified by the pickup amplifier with a base current dynamically determined by an operator or a current threshold constant circuit 46. In the presently preferred gap detection circuit, the logic encoder 48 has a one state indicating that the current level is below a threshold reference value and another binary state indicating that the measured value is greater than or equal to the reference current value. Create a binary error signal. This binary signal is then used as an up/down signal for the integrator circuit.
It is output to the down counter 52. Instead, two or more bit codes are used to signal whether the gap size is too small, too large, or as specified, or where multiple thresholds are used. could be used to generate a digital code with more accurate information regarding probe position.

アップ/ダウンカウンタ52は調節可能クロック54の
クロック率で決定される割合で2値エンコーダからの2
値信号をサンプリングし、カウント限界設定回路50に
より決定される上下カウント限界の間にルジスタ内の2
値誤差信号の経過カウントを蓄積し、レジスタ(普通の
場合、16ビノトレジスタ)が、カウントがその最小値
から最大値を通過する時に整数値をドラマチックに変化
させることを防止するようにする。デジタルアナログ変
換器56はアップ/ダウンカウンタからの経過カウント
をアンプ58により増幅されるアナログコマンド信号へ
変換し、アップ/ダウンZ軸サーボに対してセンサプロ
ーブギャップの並行調節を行うよう命令する。
The up/down counter 52 outputs two signals from a binary encoder at a rate determined by the clock rate of an adjustable clock 54.
The value signal is sampled and the two in the Lujistor are set between the upper and lower count limits determined by the count limit setting circuit 50.
A running count of the value error signal is accumulated and a register (usually a 16-bit register) prevents the integer value from changing dramatically as the count passes from its minimum value to its maximum value. Digital to analog converter 56 converts the elapsed count from the up/down counter to an analog command signal that is amplified by amplifier 58 to command the up/down Z-axis servo to make parallel adjustments to the sensor probe gap.

第4.5.6図について述べると、本発明は積分器のク
ロック率を調節し、X、Yラスタ波形の生成を制御する
クロック率を調節するフィードバック制御回路を備える
ことによって、ギャップサイズを大きく調節する必要が
ある場合に、Z軸のアップ/ダウンカウンタのサンプリ
ング率を大きくし、XとYのラスタ走査パターンのクロ
ック率小さくしてギャップサイズ調節中に高解像度を確
保するようにする。逆に、ギヤツブサイズを殆んどもし
くは全く調節する必要がない時は、XとY(75−7ス
タ走査パターンのクロック率は正規の比率に戻して増加
させることができる。このようにして、走査プロセス全
体にわたって最適ギャップサイズを効率的に維持するこ
とができる。
Referring to Figure 4.5.6, the present invention increases the gap size by adjusting the integrator clock rate and including a feedback control circuit that adjusts the clock rate to control the generation of the X, Y raster waveform. If adjustment is needed, increase the sampling rate of the Z-axis up/down counter and decrease the clock rate of the X and Y raster scan patterns to ensure high resolution during gap size adjustment. Conversely, when there is little or no need to adjust the gear size, the clock rate for the X and Y (75-7 star scan pattern can be increased back to the normal ratio. Optimum gap size can be efficiently maintained throughout the process.

第4.5.6図に示すように、ギャップ検出誤差信号は
ギャップ検出回路18′からアップ/ダウンカウンタ5
2のクロック54へ出力され、アップ/ダウンカウンタ
のサンプリング率を調節する。同様に、フィードバック
ライン62はY軸うスタクロックに接続され、ライン6
4はX軸うスタクロックに接続され、2値ギャップ誤差
信号に応じてXY面に沿って並行走査パターンの調節を
行うようになっている。このようにクロック率を連続的
に調節することによって、クロック54.36.30は
それ自体積分回路として動作し、アップ/ダウンカウン
タ内に維持されるカウントに比例するそれらのクロック
率を調節する。最も現在の望ましい実施例では、独立の
電流レベル比較を提供する別個の電流設定回路68を有
する別個の差動アンプ66は、独立に積分クロックに出
力されるZ軸上上運動用の別個の論理エンコーダ70と
、XY両軸ラうククロソク用論理エンコーダ72に対し
て信号を生成する。
As shown in Figure 4.5.6, the gap detection error signal is output from the gap detection circuit 18' to the up/down counter 5.
2 clock 54 to adjust the sampling rate of the up/down counter. Similarly, feedback line 62 is connected to the Y-axis star clock and line 6
4 is connected to the X-axis star clock, and the parallel scanning pattern is adjusted along the XY plane in accordance with the binary gap error signal. By continuously adjusting the clock rates in this manner, the clocks 54, 36, 30 themselves act as integrator circuits, adjusting their clock rates proportional to the counts maintained in the up/down counters. In most presently preferred embodiments, a separate differential amplifier 66 with a separate current setting circuit 68 providing independent current level comparisons provides separate logic for the Z-axis movement that is independently output to an integration clock. Signals are generated for the encoder 70 and the logic encoder 72 for both the X and Y axes.

X;Yラスタスキャナの走査デジタル波形を同期化する
方法を示すのは、第7図に示すタイミングダイヤグラム
である。クロックパルス74がXとYのラスタクロソク
により発生させられる時、X軸圧重位置制御サーボの比
較的スローな運動がX波形76により命ぜられ、一方、
比較的高速の前後走査パターンがY軸波形78により命
ぜられる。XとYのラスタ走査波形は組になって、全体
として矩形の面積を数回カバーする走査パターンを発生
し、プローブ失端のターゲツト面へ至る距離を表わす高
解像度データをつくりだし、同データは、ターゲツト面
の微視的な位相マツプを作成するために使用することが
できる。
A method of synchronizing the scanning digital waveforms of an X;Y raster scanner is illustrated in the timing diagram shown in FIG. When clock pulse 74 is generated by the X and Y raster crosses, relatively slow movement of the X-axis force position control servo is commanded by X waveform 76, while
A relatively fast back and forth scan pattern is dictated by the Y-axis waveform 78. The X and Y raster scan waveforms are combined to generate a scan pattern that collectively covers a rectangular area several times, producing high resolution data representing the distance of the probe loss to the target plane, which data is It can be used to create a microscopic phase map of the target surface.

上記に鑑みて、本発明の走査用マイクロメカニカルプロ
ーブ制御システムはトンネル走査顕微鏡の如き計器につ
いて最適の解像度を維持するに望ましいパラメータを維
持する上で有益であることが実証された。また、本発明
が検出回路と位置決め回路のサンプリングと走査速度を
適応フィードバック制御し、ギャップサイズの調節中に
高解像度を維持することも重要である。フィードバック
制御機構は、プローブギャップのサイズを調節するため
に使用される高速かつ効率的なアップ/ダウンカウンタ
機構と共に、感応計器の高精度と速度を確保することが
できる。
In view of the above, the scanning micromechanical probe control system of the present invention has proven useful in maintaining desirable parameters to maintain optimal resolution for instruments such as tunneling scanning microscopes. It is also important that the present invention provides adaptive feedback control of the sampling and scanning rates of the detection and positioning circuits to maintain high resolution during gap size adjustment. The feedback control mechanism, together with the fast and efficient up/down counter mechanism used to adjust the size of the probe gap, can ensure high accuracy and speed of the sensitive instrument.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はトンネル走査顕微鏡の位置制御回路のフィード
バック電子装置の概略線図、 第2図はギャップ検出回路(第1図)の概略図、第3図
は第1図の積分回路の概略線図、第4図は適応フィード
バック制御回路を含む代替例の概略線図、 第5図は第4図のセンサ回路の概略線図、第6図は第4
図の積分回路の概略線図、及び第7図は位置制御装置の
ラスタ走査波形のタイミング線図である。 ・トンネル走査顕微鏡、 ・隣接ターゲツト面、 ・ギャップ、 ・ライン1 、ギャップ検出回路、 ・積分回路、 ・プローブ位置制御サーボ、 ・クロック、 ・ラスタX、 ・ラスタY、 ・論理エンコーダ、 ・調節可能クロック、 ・アンプ/ダウンカウンタ。 手 続 補 正 畜(方式) 1、事件の表示 平成2年持許N第144260号 2、発明の名称 走査プローブ制御装置 3、補正をする者 事件との関係
Figure 1 is a schematic diagram of the feedback electronics of the position control circuit of a tunnel scanning microscope. Figure 2 is a schematic diagram of the gap detection circuit (Figure 1). Figure 3 is a schematic diagram of the integration circuit of Figure 1. , FIG. 4 is a schematic diagram of an alternative example including an adaptive feedback control circuit, FIG. 5 is a schematic diagram of the sensor circuit of FIG. 4, and FIG.
FIG. 7 is a schematic diagram of the integrating circuit, and FIG. 7 is a timing diagram of the raster scanning waveform of the position control device.・Tunnel scanning microscope, ・Adjacent target plane, ・Gap, ・Line 1, gap detection circuit, ・Integrator circuit, ・Probe position control servo, ・Clock, ・Raster X, ・Raster Y, ・Logic encoder, ・Adjustable clock , ・Amplifier/down counter. Procedure for amendment (method) 1. Indication of the case 1990 Permit No. N144260 2. Name of the invention Scanning probe control device 3. Person making the amendment Relationship with the case

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)プローブと隣接面間の相対運動を制御する走査装
置において、 上記プローブと隣接面間に操作上接続され上記プローブ
と隣接面の相対的位置に応じて変化するパラメータを測
定するセンサ手段と、 上記パラメータを基準スレショルドと比較し、少なくと
も2つの可能な離散的な位置条件のうちの一つを表示す
る誤差信号を発生する手段と、上記誤差信号を積分し、
誤差カウント信号を発生する手段と、 上記プローブと隣接面の上記誤差カウント信号に対する
相対的位置を制御する位置制御サーボ手段と、 から成る前記装置。
(1) A scanning device for controlling relative movement between a probe and an adjacent surface, comprising: sensor means operatively connected between the probe and the adjacent surface for measuring a parameter that varies depending on the relative position of the probe and the adjacent surface; , means for comparing said parameter with a reference threshold and generating an error signal indicative of one of at least two possible discrete position conditions; and integrating said error signal;
Said apparatus comprising: means for generating an error count signal; and position control servo means for controlling the relative position of said probe and adjacent surface with respect to said error count signal.
(2)上記誤差信号を積分する手段がアナログ積分器を
備える請求項1の装置。
2. The apparatus of claim 1, wherein said means for integrating said error signal comprises an analog integrator.
(3)上記誤差信号を積分する手段がデジタル積分器よ
り成る請求項1の装置。
3. The apparatus of claim 1, wherein said means for integrating said error signal comprises a digital integrator.
(4)上記センサ手段が2状態の誤差信号を発生し、そ
のうち誤差信号の一状態が、測定パラメータが上記基準
スレショルドよりも小さく、他の状態が測定パラメータ
が基準スレショルドより大きいかもしくはそれに等しい
ことを示すようになった請求項1の装置。
(4) the sensor means generates a two-state error signal, one state of the error signal in which the measured parameter is less than the reference threshold, and another state in which the measured parameter is greater than or equal to the reference threshold; 2. The apparatus of claim 1, wherein the apparatus is adapted to exhibit:
(5)上記パラメータがトンネル電流で、上記センサ手
段が基準トンネル電流を測定されたトンネル電流と比較
する手段と、上記測定されたトンネル電流と基準トンネ
ル電流間の差に基づいて2値誤差信号を発生する手段を
備える請求項1の装置。
(5) the parameter is a tunneling current, the sensor means includes means for comparing a reference tunneling current with a measured tunneling current, and generating a binary error signal based on the difference between the measured tunneling current and the reference tunneling current; 2. The apparatus of claim 1, comprising means for generating.
(6)基準トンネル電流を測定電流と比較する手段が基
準トンネル電流をセットする手段を備える請求項5の装
置。
6. The apparatus of claim 5, wherein the means for comparing the reference tunneling current with the measured current comprises means for setting the reference tunneling current.
(7)上記誤差信号の積分手段が増減分されたカウント
をストアするレジスタを含むデジタルカウンタであって
、上記カウントの上下限界を設定する手段を含む手段を
備える請求項1の装置。
7. The apparatus of claim 1, wherein said means for integrating said error signal is a digital counter including a register for storing incremented and decremented counts, and further comprising means for setting upper and lower limits of said count.
(8)上記誤差信号積分手段が上記誤差信号を積分する
サンプリング速度を制御する調節可能クロックを備える
請求項1の装置。
8. The apparatus of claim 1, wherein said error signal integrating means includes an adjustable clock for controlling the sampling rate at which said error signal is integrated.
(9)上記プローブと隣接面間のプローブ軸に対して垂
直な面内の上記隣接面に対する上記プローブのラスタ走
査速度を制御する少なくとも一つの調節可能ラスタクロ
ック手段を備える適応フィードバック制御手段を更に備
え、上記調節可能クロック手段がセンサ手段に対して操
作上接続され、調節可能クロック手段のクロック速度が
上記誤差信号に応じて調節可能である請求項1の装置。
(9) adaptive feedback control means comprising at least one adjustable raster clock means for controlling a raster scan rate of the probe relative to the adjacent surface in a plane perpendicular to the probe axis between the probe and the adjacent surface; 2. The apparatus of claim 1, wherein said adjustable clock means is operatively connected to sensor means, and wherein the clock speed of said adjustable clock means is adjustable in response to said error signal.
(10)上記誤差信号の積分手段が、上記誤差信号に応
じて誤差信号を積分する上記手段のサンプリング速度を
制御する調節可能クロックを備え、上記適応フィードバ
ック制御手段が、上記プローブのプローブ軸に対して垂
直な第2軸に沿う上記隣接面に対するラスタ走査速度を
制御する第1の調節可能ラスタクロックと、誤差信号に
応答して上記プローブ軸と第2軸に対する第3軸に沿う
ラスタ走査速度を制御する第2の調節可能ラスタクロッ
クとを備える請求項9の装置。
(10) said means for integrating said error signal comprises an adjustable clock for controlling a sampling rate of said means for integrating said error signal in response to said error signal, said adaptive feedback control means being adapted to a probe axis of said probe; a first adjustable raster clock that controls a raster scan rate along a second axis perpendicular to the probe axis relative to the adjacent surface; and a first adjustable raster clock that controls a raster scan rate along a third axis relative to the probe axis and the second axis in response to an error signal. and controlling a second adjustable raster clock.
(11)第1の軸に沿って整合するプローブと隣接面間
の相対運動を制御する走査用マイクロメカニカルプロー
ブ制御装置において、上記プローブと隣接面間に操作上
接続され、上記プローブと隣接面の相対的位置に応じて
変化するパラメータを測定し、上記パラメータを基準ス
レショルドと比較し、少なくとも2つの可能な離散的位
置条件の一つを表示する誤差信号を発生するセンサ手段
と、 上記誤差信号を積分し誤差カウント信号を生成する手段
と、 第1の軸に対して垂直な面内の上記プローブと隣接面間
の相対運動をラスタ走査する速度を制御する少なくとも
一つのラスタクロック手段を備え、上記ラスタクロック
手段が操作上上記センサ手段に接続され、上記ラスタク
ロック手段のクロック速度が上記誤差信号に呼応して調
節されるようになった適応フィードバック制御手段と、 上記誤差カウント信号に呼応して上記第1軸に沿い上記
プローブと隣接面の相対的位置を制御する位置制御サー
ボ手段と、 を備える前記装置。
(11) A scanning micromechanical probe controller for controlling relative motion between a probe and an adjacent surface aligned along a first axis, the scanning micromechanical probe controller being operatively connected between the probe and the adjacent surface; sensor means for measuring a parameter that varies with relative position, comparing said parameter to a reference threshold, and generating an error signal indicative of one of at least two possible discrete position conditions; means for integrating and generating an error count signal; and at least one raster clock means for controlling the speed of raster scanning the relative motion between the probe and the adjacent surface in a plane perpendicular to the first axis; raster clock means operatively connected to said sensor means, said adaptive feedback control means adapted to adjust the clock speed of said raster clock means in response to said error signal; and said adaptive feedback control means in response to said error count signal. Position control servo means for controlling the relative position of the probe and the adjacent surface along a first axis.
(12)上記センサ手段が2状態誤差信号を発生し、そ
のうち、2値誤差信号の一状態が上記測定パラメータが
上記スレショルド基準値よりも小さく、他の状態が上記
測定パラメータが基準スレショルドよりも大きいかもし
くはそれと等しいことを示すようになった請求項11の
制御装置。
(12) the sensor means generates a two-state error signal, one state of the binary error signal in which the measured parameter is less than the threshold reference value, and another state in which the measured parameter is greater than the reference threshold; 12. The control device of claim 11, wherein the control device is adapted to indicate that: or equal to the above.
(13)上記測定パラメータがトンネル電流で、上記誤
差信号が上記測定トンネル電流と基準トンネル電流間の
差に基づく請求項11の制御装置。
(13) The control device of claim 11, wherein the measured parameter is a tunnel current, and the error signal is based on a difference between the measured tunnel current and a reference tunnel current.
(14)上記センサ手段が上記基準電流を設定する手段
を備える請求項13の制御装置。
(14) The control device according to claim 13, wherein said sensor means includes means for setting said reference current.
(15)上記誤差信号を積分する手段が増減分カウント
をストアするレジスタを含むデジタルカウンタを備え、
上記カウントの上下限を設定する手段を内臓する請求項
11の制御装置。
(15) the means for integrating the error signal comprises a digital counter including a register for storing an increment/decrement count;
12. The control device according to claim 11, further comprising means for setting upper and lower limits of said count.
(16)上記誤差信号を積分する手段が上記誤差信号を
サンプリングする速度を制御する調節可能クロックを備
える請求項11の制御装置。
16. The apparatus of claim 11, wherein said means for integrating said error signal comprises an adjustable clock for controlling the rate at which said error signal is sampled.
JP14426090A 1990-06-01 1990-06-01 Scanning probe controller Pending JPH0436602A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003075322A (en) * 2001-09-07 2003-03-12 Mitsutoyo Corp probe

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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