JP2000214072A - Cantilever-type suction sensor and analytical method for suction force - Google Patents
Cantilever-type suction sensor and analytical method for suction forceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、湿度、各種ガス、
イオンなどの吸着現象、帯電および化学反応、又は微小
固体の吸着力検出のためのセンサー技術に関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to humidity, various gases,
The present invention relates to a sensor technology for detecting adsorption phenomena of ions and the like, charging and chemical reactions, or adsorption power of minute solids.
【0002】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
乾湿球型湿度計やセラミックス型センサーに代表される
ように多くの吸着型センサーが存在する。また、ゼータ
ー電位計などの帯電量の測定手法が存在する。しかし、
これらはいずれも、ごく低濃度および微量の対象物の検
出は難しい。たとえば、現実的には10%以下の湿度を
信頼性良く検出できる湿度センサーは無いに等しい。一
方、微小固体の基板上での吸着力を直接測定する手法お
よびセンサーはこれまでになかった。2. Description of the Related Art
There are many adsorption-type sensors typified by a wet and dry bulb type hygrometer and a ceramic type sensor. Further, there is a method for measuring the amount of charge such as a zeta potentiometer. But,
In all of these, it is difficult to detect very low concentrations and trace amounts of an object. For example, there is practically no humidity sensor that can reliably detect humidity of 10% or less. On the other hand, there has been no method or sensor for directly measuring the adsorption force of a fine solid on a substrate.
【0003】本発明は、従来の技術では困難とされてい
た上記の点を解決でき、高感度かつ信頼性を有したカン
チレバー型の吸着センサー並びに吸着力解析方法を提供
することを目的としている。An object of the present invention is to provide a cantilever-type adsorption sensor and a method for analyzing an adsorption force, which can solve the above-mentioned problems which have been difficult in the prior art, and have high sensitivity and reliability.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】添付図面を参照して本発
明の要旨を説明する。The gist of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
【0005】カンチレバー1の表面および裏面にそれぞ
れ異なる材質の薄膜2,3を形成し、この薄膜2,3に
水蒸気やガスなどの吸着物5が吸着した際に、その膜張
力が変化するために、張力の大きい方にこのカンチレバ
ー1が曲がることを利用し、この曲り7を検出して湿度
やガスセンサーとして使用できるように構成したことを
特徴とした吸着センサーに係るものである。[0005] Thin films 2 and 3 of different materials are formed on the front and back surfaces of the cantilever 1, respectively. When an adsorbent 5 such as water vapor or gas is adsorbed on the thin films 2 and 3, the film tension changes. The present invention relates to an adsorption sensor characterized by using the fact that the cantilever 1 bends in the direction of larger tension and detects the bend 7 so that it can be used as a humidity or gas sensor.
【0006】また、カンチレバー1の表面と裏面との表
面粗さを異ならせて表面積に差が生じるように形成し、
このカンチレバー1の表面若しくは裏面に水蒸気やガス
などの吸着物5が吸着した際に、その膜張力が変化する
ために、張力の大きい方にこのカンチレバー1が曲がる
ことを利用し、この曲り7を検出して湿度やガスセンサ
ーとして使用できるように構成したことを特徴とした吸
着センサーに係るものである。Further, the cantilever 1 is formed so that the surface roughness differs between the surface and the back of the cantilever 1 so that the surface area differs.
When the adsorbate 5 such as water vapor or gas is adsorbed on the front surface or the back surface of the cantilever 1, the film tension of the cantilever 1 changes. The present invention relates to an adsorption sensor characterized in that it can be detected and used as a humidity or gas sensor.
【0007】また、カンチレバー1の表面および裏面に
それぞれ異なる材質の薄膜2,3を形成又はカンチレバ
ー1の表面と裏面との表面粗さを異ならせて表面積に差
が生じるように形成し、溶液中において前記カンチレバ
ー1の表面若しくは裏面に各種イオンなどの吸着物5の
吸着および帯電の差を利用し、このカンチレバー1の表
面若しくは裏面で生じる化学変化を検出することを特徴
とした吸着センサーに係るものである。Further, thin films 2 and 3 of different materials are formed on the front and back surfaces of the cantilever 1, respectively, or formed so that the surface roughness differs between the front and back surfaces of the cantilever 1 so that a difference in surface area occurs. The present invention relates to an adsorption sensor characterized in that a difference in adsorption and charge of an adsorbate 5 such as various ions is used on the surface or back surface of the cantilever 1 to detect a chemical change occurring on the front surface or back surface of the cantilever 1. It is.
【0008】また、基板面などの所定面9上に吸着して
いる微小固体10にカンチレバー1の先端部を接触させ、
このカンチレバー1へ前記微小固体10が吸着することを
利用して、前記所定面9から微小固体10を取り除く(引
き抜く)時に生じる前記カンチレバー1の撓み7を測定
し、この時に要する力を検出することで、前記微小固体
10の所定面9への吸着力を解析し、前記カンチレバー1
の材質を変えることにより、様々な吸着力を有する固体
材料の解析に対応することができることを特徴とした吸
着力解析方法に係るものである。Further, the tip of the cantilever 1 is brought into contact with a fine solid 10 adsorbed on a predetermined surface 9 such as a substrate surface,
Utilizing the adsorption of the micro solids 10 to the cantilever 1, the bending 7 of the cantilever 1 generated when the micro solids 10 are removed (pulled out) from the predetermined surface 9 is measured, and the force required at this time is detected. In the said minute solid
The cantilever 1 is analyzed by analyzing the attraction force of the
The present invention relates to an adsorption force analysis method characterized in that it is possible to cope with the analysis of solid materials having various adsorption powers by changing the material.
【0009】また、前記微小固体10と前記カンチレバー
1との間に水蒸気の凝縮したメニスカス11を形成させ、
このカンチレバー1が離れる際に生じるメニスカス張力
を用いて、前記微小固体10の吸着力を測定することを原
理とし、この時、周囲の湿度を変化させることでメニス
カス形状をコントロールして微小固体10の吸着力を測定
することを特徴とする請求項4記載の吸着力解析方法に
係るものである。Further, a meniscus 11 in which water vapor is condensed is formed between the minute solid 10 and the cantilever 1,
The principle is to use the meniscus tension generated when the cantilever 1 separates to measure the adsorbing force of the micro solids 10. At this time, the meniscus shape is controlled by changing the ambient humidity to change the shape of the micro solids 10. The method according to claim 4, wherein the attraction force is measured.
【0010】また、前記カンチレバー1の撓み7の検出
は、レーザー差動型アンプによる光学方式若しくは非接
触の容量変化検出方式若しくは曲りを利用したスイッチ
方式などの検出手段4を用いて検出するように構成した
ことを特徴とした請求項1〜5のいずれか1項に記載の
カンチレバー型の吸着センサー並びに吸着力解析方法に
係るものである。The detection of the deflection 7 of the cantilever 1 is performed by using a detection means 4 such as an optical system using a laser differential amplifier, a non-contact capacitance change detection system, or a switch system using bending. The present invention relates to a cantilever-type adsorption sensor and an adsorption force analysis method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that they are configured.
【0011】また、前記請求項1から請求項6のいずれ
かに記載のカンチレバー1への吸着物5の解析および前
記基板面などの所定面9上に吸着している微小固体10の
吸着力を解析する方法であって、前記カンチレバー1を
予め共振周波数で振動させておいて、カンチレバー1に
吸着が生じた場合に、共振周波数の変化および振動の位
相変化として吸着特性の解析を行うことを特徴とした吸
着力解析方法に係るものである。Further, the analysis of the adsorbed material 5 on the cantilever 1 and the adsorbing power of the fine solid 10 adsorbed on a predetermined surface 9 such as the substrate surface according to any one of claims 1 to 6 described above. A method for analyzing, characterized in that the cantilever 1 is vibrated at a resonance frequency in advance, and when adsorption occurs on the cantilever 1, the adsorption characteristic is analyzed as a change in resonance frequency and a phase change in vibration. The present invention relates to an adsorption force analysis method described above.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】最も最良と考える本発明の実施の
形態(発明をどのように実施するか)を、図面に基づい
てその作用効果を示して簡単に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment (how to carry out the invention) of the present invention, which is considered to be the best, will be briefly described with reference to the drawings, showing its operational effects.
【0013】例えばカンチレバーの表面並びに裏面に形
成した薄膜表面に雰囲気中のガス分子や液体分子が吸着
した場合、それらは互いに引き付け合って凝集するため
に移動しようとする。しかし、実際にはそれらは薄膜表
面に吸着により固定されているために、容易に移動する
ことができない。そのため、この吸着層(薄膜)にはお
互いを引き付け合おうとする張力が働く事になる。この
張力は例えば薄膜を形成したカンチレバー自体にも影響
し、カンチレバーを内側に撓ませるように力が働く。For example, when gas molecules and liquid molecules in the atmosphere are adsorbed on the surface of the thin film formed on the front surface and the back surface of the cantilever, they attract each other and tend to move due to aggregation. However, in reality, they cannot be easily moved because they are fixed to the surface of the thin film by adsorption. Therefore, a tension acts to attract each other to the adsorption layer (thin film). This tension affects, for example, the cantilever itself on which the thin film is formed, and a force acts to deflect the cantilever inward.
【0014】また、この吸着層(薄膜)の膜厚に比例し
て大きくなるため、カンチレバーの撓みは増加する。Further, since the size of the cantilever increases in proportion to the thickness of the adsorption layer (thin film), the bending of the cantilever increases.
【0015】特に、カンチレバーを薄く形成しておけ
ば、吸着層の影響は大きくなるため、吸着層による僅か
な力によってカンチレバーは大きく撓むことが可能にな
る。吸着層およびカンチレバー材質によっては、吸着層
が膨張するように働く場合があり、この時には圧縮応力
が働きカンチレバーが撓む方向も逆になる。本発明にお
いては、例えばカンチレバー1の表裏面に夫々異なる薄
膜2,3を作製した構造としているため、その両面での
吸着特性が異なることを利用することで、各薄膜2,3
の撓み量とその方向が異なってくる。結果として、カン
チレバー1自体にそれぞれの特性の差に相当する撓み量
と方向が生ずることになる。In particular, if the cantilever is formed thin, the influence of the adsorbing layer increases, so that the cantilever can be largely bent by a small force of the adsorbing layer. Depending on the material of the adsorbing layer and the cantilever, the adsorbing layer may act to expand, and in this case, compressive stress acts to reverse the direction in which the cantilever bends. In the present invention, for example, different thin films 2 and 3 are formed on the front and back surfaces of the cantilever 1, respectively.
And the direction of the deflection are different. As a result, the cantilever 1 itself has a bending amount and a direction corresponding to the difference between the respective characteristics.
【0016】これを、例えば非接触式の高感度光学検出
手段4で測定すれば、このたわみ量と方向が定量化でき
ることになる。これらは溶液中、各種ガス雰囲気、真空
中など、環境を選ばないことが特徴であり、吸着物5も
イオン、ガス分子、水蒸気などや、微量電荷、又は微粒
子などと非常に幅が広いことも特長である。また、表裏
面が同一材質のカンチレバー1を用いた場合でも、表面
を荒らすことで表面と裏面とに表面積の違いを持たせ、
吸着面積を変化させることで、同様な吸着によるカンチ
レバー1の撓み7の差を検出できるようにして吸着セン
サーとすることができる。If this is measured by, for example, the non-contact type high-sensitivity optical detection means 4, the amount and direction of the deflection can be quantified. These are characterized in that they can be used in any environment, such as in a solution, various gas atmospheres, and in a vacuum, and the adsorbate 5 can have a very wide range of ions, gas molecules, water vapor, and a very small amount of charge or fine particles. It is a feature. Also, even when the cantilever 1 is made of the same material on the front and back surfaces, the surface is roughened so that the surface and the back surface have different surface areas,
By changing the suction area, it is possible to detect the difference in the bending 7 of the cantilever 1 due to the similar suction, and to obtain a suction sensor.
【0017】一方、例えばある基板9上に微小固体10が
吸着していた場合には、カンチレバー1の先端部に微小
固体10を吸着させて基板9から引き上げて、その時のカ
ンチレバー1の撓み7を測定して取り除く際の力を求め
ることでその吸着力を定量化することが出来る。これ
も、カンチレバー1の吸着特性を利用した検出方式であ
る。On the other hand, for example, when the minute solid 10 is adsorbed on a certain substrate 9, the minute solid 10 is adsorbed on the tip of the cantilever 1 and is pulled up from the substrate 9, and the bending 7 of the cantilever 1 at that time is reduced. By determining the force at the time of measurement and removal, the adsorption force can be quantified. This is also a detection method using the adsorption characteristics of the cantilever 1.
【0018】さらに、通常の大気中では、狭い空間には
優先的に水蒸気の凝縮によるメニスカス11が形成され
る。このメニスカス11は、それを挟む物体を互いに引き
付け合うように働き、大きい力である。Further, in the ordinary atmosphere, a meniscus 11 is formed preferentially in a narrow space by condensation of water vapor. The meniscus 11 acts to attract objects sandwiching the meniscus 11 to each other, and is a large force.
【0019】よって、カンチレバー1の先端部と基板9
上の微小固体10の間に生じさせたメニスカス張力を利用
して、微小固体10と基板9との間の吸着力よりも大きい
力で引き抜くことにより、微小固体10は基板9から離れ
ることとなり、その時に要した力を定量化することで、
微小固体10の基板9に対する吸着力を測定することがで
きる。Therefore, the tip of the cantilever 1 and the substrate 9
By utilizing the meniscus tension generated between the above micro solids 10 and pulling out with a force larger than the attraction force between the micro solid 10 and the substrate 9, the micro solid 10 is separated from the substrate 9, By quantifying the force required at that time,
The attraction force of the fine solid 10 on the substrate 9 can be measured.
【0020】また、カンチレバー1を共振周波数f[H
z]で振動させている状態で、カンチレバー1の表面又
は裏面に吸着物5が接近あるいは吸着すると、カンチレ
バー1の重さおよびばね定数が変化するため、共振周波
数がΔf[Hz]だけ変化する。また、カンチレバー1
の振動の位相θも僅かながらΔθだけずれる事になる。
これらの変化は、カンチレバー1の先端が、基板9に付
着している場合でも同様に生じる。Further, the cantilever 1 is set at the resonance frequency f [H
When the adsorbate 5 approaches or adheres to the front or back surface of the cantilever 1 while vibrating at z], the weight and the spring constant of the cantilever 1 change, so that the resonance frequency changes by Δf [Hz]. Also, cantilever 1
Is slightly shifted by Δθ.
These changes also occur when the tip of the cantilever 1 is attached to the substrate 9.
【0021】従って、カンチレバー1を共振周波数で振
動させることで、吸着物検出の感度が飛躍的に増幅され
る。これにより僅かな吸着特性の解析が可能になり、高
感度な吸着センサーの実現が可能になる。また、カンチ
レバー1の先端が基板9上の吸着物5に接近しただけで
も同様な共振周波数および位相変化が生じるために、非
接触タイプの吸着力解析センサーになりうる。Therefore, by vibrating the cantilever 1 at the resonance frequency, the sensitivity of the adsorbed substance detection is greatly increased. This makes it possible to analyze a slight adsorption characteristic and realize a highly sensitive adsorption sensor. Even if the tip of the cantilever 1 approaches only the adsorbate 5 on the substrate 9, the same resonance frequency and phase change occur, so that the sensor can be a non-contact type adsorption force analysis sensor.
【0022】これまで説明してきたカンチレバー1の形
状には様々なものが使用可能であり、たとえば先端にさ
らに曲率半径の小さい探針などを作製しておけば、検出
範囲の局所化が可能となり、検出感度の向上だけでな
く、検出情報の基板面内分布を測定することも可能であ
る。Various shapes can be used for the shape of the cantilever 1 described so far. For example, if a probe having a smaller radius of curvature is manufactured at the tip, the detection range can be localized. It is possible not only to improve the detection sensitivity but also to measure the distribution of the detection information in the plane of the substrate.
【0023】このように本発明によって、微少な吸着物
の解析が確実になる。これまでは、単一の変化のみを用
いていたが、本発明では作動型になっているために、僅
かな変化を確実に検出できるところが特徴であり画期的
な所である。また、温度や熱や振動、電界などのノイズ
となる要因を一切排除しているため、爆発の危険性、生
命に影響する環境などにおいても、その威力を発揮でき
るものである。また、非常に小型に作製することが可能
であり、汎用性も高いと考えられる。様々な形状のカン
チレバー1を用いる事が可能である。As described above, according to the present invention, the analysis of minute adsorbed substances is ensured. Until now, only a single change was used. However, since the present invention is of the operative type, it is a feature and an epoch-making feature that a small change can be reliably detected. In addition, since noise factors such as temperature, heat, vibration, and electric field are completely eliminated, the device can exert its power even in the danger of explosion and in environments that affect life. In addition, it can be manufactured in a very small size and is considered to have high versatility. It is possible to use cantilevers 1 of various shapes.
【0024】特に、請求項1〜請求項3記載の発明で
は、カンチレバーの薄膜表面での吸着現象を応力に変化
させているため、様々な化学反応に対して有効である。In particular, the inventions described in claims 1 to 3 are effective for various chemical reactions because the adsorption phenomenon on the thin film surface of the cantilever is changed into stress.
【0025】また、特に請求項2記載の発明において
は、単一の材料のカンチレバー1でも表面粗さを変える
ことで、同様な効果が得られ、一層現実的に有効な構造
であると言える。In particular, in the second aspect of the invention, the same effect can be obtained by changing the surface roughness even with the cantilever 1 of a single material, and it can be said that the structure is more practically effective.
【0026】また、二種類の表面間の反応の差を知りた
い時などには、非常に有効である。It is very effective when it is necessary to know the difference in the reaction between the two types of surfaces.
【0027】また、請求項4記載の発明では、今後電子
デバイスや液晶表示デバイスなどの産業および量子効果
デバイスなどの将来の技術開発において、微小固体の吸
着力の解析と制御は重要であるので非常に実用的とな
る。In the invention according to claim 4, the analysis and control of the adsorption force of minute solids is important in the future in the field of industry such as electronic devices and liquid crystal display devices and in the future development of technologies such as quantum effect devices. It becomes practical.
【0028】また、請求項5記載の発明においては、更
に常に弱い吸着力で吸着している微小固体に有効であ
り、微細加工に非常に有効である。Further, the invention according to claim 5 is effective for fine solids that are always adsorbed with a weak adsorption force, and is very effective for fine processing.
【0029】また、メニスカスは容易にかつ確実に固体
間に生じるため、これを利用することにより汎用性が高
まる。Further, since the meniscus is easily and surely generated between the solids, use of the meniscus increases versatility.
【0030】また、請求項7記載の発明においては、前
述のようにカンチレバーを共振周波数で振動させること
で、吸着物検出の感度が飛躍的に増幅される。これによ
り僅かな吸着特性の解析が可能になり、高感度な吸着セ
ンサーの実現が可能になる。また、カンチレバーの先端
が基板上の吸着物に接近しただけでも同様な共振周波数
および位相変化が生じるために、非接触タイプの吸着力
解析センサーになりうる。According to the seventh aspect of the present invention, as described above, by vibrating the cantilever at the resonance frequency, the sensitivity of detecting the adsorbed substance is greatly increased. This makes it possible to analyze a slight adsorption characteristic and realize a highly sensitive adsorption sensor. Further, even if the tip of the cantilever approaches only the adsorbate on the substrate, the same resonance frequency and phase change occur, so that the sensor can be a non-contact type adsorption force analysis sensor.
【0031】[0031]
【実施例】本発明の具体的な実施例について図面に基づ
いて説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0032】図1には請求項1および請求項3に基づく
吸着センサーの実施例を示している。FIG. 1 shows an embodiment of the suction sensor according to the first and third aspects.
【0033】図1(a)には本実施例と比較する例とし
て、カンチレバー1の両面に金膜2を成膜したものを図
示し、図1(b)には、どちらか片面にシリコン窒化膜3
を成膜したものを図示し、2種類の例を図示している。
このカンチレバー1のサイズは、小さいほど検出感度は
高くなる。たとえば、この場合は長さ200μm、厚さ
20μm、ばね定数が数N/mのものを使用できる。吸着
物5の検出時には、このカンチレバー1の撓み7を検出
手段4としてのレーザー光学系4を用いて測定する。図
2に示すように、カンチレバー1の表面に、水蒸気やガ
ス,イオンなどの吸着物5が吸着した場合、それらは凝
集するように力が働き、カンチレバー1は撓もうとす
る。この時、図3にあるように、カンチレバー1の両面
の吸着特性の差により、撓み7が生じることでセンサー
機能を有することになる。このセンサーを用いて、大気
中の湿度変化を測定したものが図4である。カンチレバ
ー1に金膜2とシリコン窒化膜3を作製した場合には、
材質による吸着特性の違いからレバー1に撓み7が生
じ、かなり高感度に湿度変化が測定できることを示して
いる。一方、カンチレバー1の両面に金膜2を形成して
いる場合は、湿度変化にほとんど影響していないことが
分かる。これらのことからも、この湿度センサーの信頼
性が高い事が分かる。FIG. 1A shows an example in which gold films 2 are formed on both surfaces of a cantilever 1 as an example for comparison with this embodiment, and FIG. 1B shows a silicon nitride film on one of the surfaces. Membrane 3
Are shown, and two examples are shown.
The smaller the size of the cantilever 1, the higher the detection sensitivity. For example, in this case, one having a length of 200 μm, a thickness of 20 μm, and a spring constant of several N / m can be used. At the time of detecting the adsorbate 5, the bending 7 of the cantilever 1 is measured by using the laser optical system 4 as the detecting means 4. As shown in FIG. 2, when the adsorbents 5 such as water vapor, gas, and ions are adsorbed on the surface of the cantilever 1, a force acts so as to coagulate, and the cantilever 1 tends to bend. At this time, as shown in FIG. 3, the bending 7 occurs due to the difference in the adsorption characteristics between the both surfaces of the cantilever 1, and the cantilever 1 has a sensor function. FIG. 4 shows a change in atmospheric humidity measured using this sensor. When the gold film 2 and the silicon nitride film 3 are formed on the cantilever 1,
The flexure 7 occurs in the lever 1 due to the difference in the adsorption characteristics depending on the material, indicating that the humidity change can be measured with extremely high sensitivity. On the other hand, when the gold films 2 are formed on both surfaces of the cantilever 1, it can be seen that there is almost no effect on the humidity change. These facts indicate that the reliability of the humidity sensor is high.
【0034】図5には、請求項4に基づく基板9上(所
定面9)に付着した微小固体10にカンチレバー1の片面
を付着させて吸着センサーとした例を示す。このよう
に、選択した微小固体10のみがカンチレバー1の吸着力
によって、基板面9から引き抜くことができる。図6に
は請求項5に基づくカンチレバー1と微小固体10間のメ
ニスカス11による張力を変化させた場合のセンサー吸引
力の変化を示している。これを利用して、固体上に吸着
している微小固体10を引き抜くことが可能になる。図7
には、請求項2に基づくカンチレバー1の表面と裏面と
の表面粗さを変化させて、吸着面積を変えた例を示して
いる。FIG. 5 shows an example in which one surface of the cantilever 1 is adhered to the fine solid 10 adhered on the substrate 9 (predetermined surface 9) according to claim 4 to form an adsorption sensor. As described above, only the selected minute solid 10 can be pulled out from the substrate surface 9 by the attraction force of the cantilever 1. FIG. 6 shows a change in the sensor suction force when the tension due to the meniscus 11 between the cantilever 1 and the minute solid 10 is changed according to claim 5. By utilizing this, it becomes possible to pull out the minute solid 10 adsorbed on the solid. FIG.
Shows an example in which the adsorption area is changed by changing the surface roughness of the front and back surfaces of the cantilever 1 based on claim 2.
【0035】図8と図9には、カンチレバー1と微小固
体10間に形成させたメニスカス11を利用して、湿度を下
げることによりメニスカス11は小さくなり、自ら微小固
体10が倒壊、あるいは引き抜かれることを示している。FIGS. 8 and 9 show that the meniscus 11 formed between the cantilever 1 and the micro solid 10 is used to reduce the meniscus 11 by lowering the humidity, and the micro solid 10 is collapsed or pulled out by itself. It is shown that.
【0036】[0036]
【発明の効果】本発明は上述のように構成したから、高
感度かつ信頼性を有したカンチレバー型の吸着センサー
並びに吸着力解析方法となる。Since the present invention is constructed as described above, it provides a cantilever type adsorption sensor and a method for analyzing an adsorption force, which have high sensitivity and reliability.
【0037】即ち、前述のように本発明によって、微少
な吸着物の解析が確実になる。これまでは、単一の変化
のみを用いていたが、本発明では作動型になっているた
めに、僅かな変化を確実に検出できるところが特徴であ
り画期的な所である。また、温度や熱や振動、電界など
のノイズとなる要因を一切排除しているため、爆発の危
険性、生命に影響する環境などにおいても、その威力を
発揮できるものである。また、非常に小型に作製するこ
とが可能であり、汎用性も高いと考えられる。That is, as described above, according to the present invention, the analysis of minute adsorbed substances is ensured. Until now, only a single change was used. However, since the present invention is of the operative type, it is a feature and an epoch-making feature that a small change can be reliably detected. In addition, since noise factors such as temperature, heat, vibration, and electric field are completely eliminated, the device can exert its power even in the danger of explosion and in environments that affect life. In addition, it can be manufactured in a very small size and is considered to have high versatility.
【0038】特に、請求項1〜請求項3記載の発明で
は、カンチレバーの薄膜表面での吸着現象を応力に変化
させているため、様々な化学反応に対して有効である。In particular, in the first to third aspects of the present invention, since the adsorption phenomenon on the surface of the thin film of the cantilever is changed into stress, it is effective for various chemical reactions.
【0039】また、特に請求項2記載の発明において
は、単一の材料のカンチレバーでも表面粗さを変えるこ
とで、同様な効果が得られ、一層現実的に有効な構造で
あると言える。In particular, in the second aspect of the invention, the same effect can be obtained by changing the surface roughness even with a cantilever made of a single material, and it can be said that the structure is more effective.
【0040】また、二種類の表面間の反応の差を知りた
い時などには、非常に有効である。Also, it is very effective when it is necessary to know the difference in the reaction between two types of surfaces.
【0041】また、請求項4記載の発明では、今後電子
デバイスや液晶表示デバイスなどの産業および量子効果
デバイスなどの将来の技術開発において、微小固体の吸
着力の解析と制御は重要であるので非常に実用的とな
る。Further, in the invention according to claim 4, the analysis and control of the adsorption force of a minute solid is important in the future in the development of industries such as electronic devices and liquid crystal display devices and future technology such as quantum effect devices. It becomes practical.
【0042】また、請求項5記載の発明においては、更
に常に弱い吸着力で吸着している微小固体に有効であ
り、微細加工に非常に有効である。Further, the invention according to claim 5 is effective for fine solids that are always adsorbed with a weak adsorption force, and is very effective for fine processing.
【0043】また、メニスカスは容易にかつ確実に固体
間に生じるため、これを利用することにより汎用性が高
まる。In addition, since the meniscus is easily and reliably generated between the solids, the versatility is enhanced by using the meniscus.
【0044】また、請求項6記載の発明においては、容
易にして確実に撓み量を測定できる。According to the sixth aspect of the present invention, the amount of deflection can be easily and reliably measured.
【0045】また、請求項7記載の発明においては、カ
ンチレバーを共振周波数で振動させることで、吸着物検
出の感度が飛躍的に増幅される。これにより僅かな吸着
特性の解析が可能になり、高感度な吸着センサーの実現
が可能になる。また、カンチレバーの先端が基板上の吸
着物に接近しただけでも同様な共振周波数および位相変
化が生じるために、非接触タイプの吸着力解析センサー
になりうる。According to the seventh aspect of the present invention, by vibrating the cantilever at the resonance frequency, the sensitivity of detecting the adsorbed substance is greatly increased. This makes it possible to analyze a slight adsorption characteristic and realize a highly sensitive adsorption sensor. Further, even if the tip of the cantilever approaches only the adsorbate on the substrate, the same resonance frequency and phase change occur, so that the sensor can be a non-contact type adsorption force analysis sensor.
【図1】本実施例のカンチレバーを示した説明図であ
る。FIG. 1 is an explanatory view showing a cantilever of the present embodiment.
【図2】カンチレバーへの吸着と凝集の様子を示した説
明図である。FIG. 2 is an explanatory view showing a state of adsorption and aggregation on a cantilever.
【図3】本実施例のカンチレバーへの水蒸気の吸着と凝
集による撓みの変化を示した説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a change in bending due to adsorption and aggregation of water vapor on a cantilever according to the present embodiment.
【図4】本実施例のカンチレバーの撓み量の湿度依存性
を示したグラフである。FIG. 4 is a graph showing the humidity dependence of the amount of deflection of the cantilever of the present embodiment.
【図5】本実施例の基板上に吸着している微小固体の吸
着力測定方法を示した説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a method for measuring an adsorbing force of a fine solid adsorbed on a substrate according to the present embodiment.
【図6】本実施例のカンチレバーと微小固体間に生じる
メニスカスを用いた吸着力の測定方法を示した説明図で
ある。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a method of measuring an attraction force using a meniscus generated between a cantilever and a fine solid according to the present embodiment.
【図7】本実施例の表面粗さの異なるカンチレバーを示
した説明図である。FIG. 7 is an explanatory view showing cantilevers having different surface roughness according to the present embodiment.
【図8】本実施例のメニスカス張力が湿度によって変化
することを利用した吸着力測定法w(倒壊法)を示した
説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing an attraction force measurement method w (collapse method) using the fact that the meniscus tension changes with humidity in the present embodiment.
【図9】本実施例のメニスカス張力が湿度によって変化
することを利用した吸着力測定法w(引き上げ倒壊法)
を示した説明図である。FIG. 9 shows an adsorption force measurement method w (pulling-down method) using the fact that the meniscus tension changes with humidity in this example.
FIG.
1 カンチレバー 2 薄膜 3 薄膜 4 検出手段 5 吸着物 7 曲がり・撓み 9 所定面 10 微小固体 11 メニスカス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cantilever 2 Thin film 3 Thin film 4 Detecting means 5 Adsorbed substance 7 Bending / bending 9 Predetermined surface 10 Micro solid 11 Meniscus
Claims (7)
れ異なる材質の薄膜を形成し、この薄膜に水蒸気やガス
などの吸着物が吸着した際に、その膜張力が変化するた
めに、張力の大きい方にこのカンチレバーが曲がること
を利用し、この曲りを検出して湿度やガスセンサーとし
て使用できるように構成したことを特徴とした吸着セン
サー。1. A thin film of a different material is formed on each of a front surface and a back surface of a cantilever. When an adsorbate such as water vapor or gas is adsorbed on the thin film, the film tension changes. An adsorption sensor characterized by using the fact that this cantilever bends and detecting this bend so that it can be used as a humidity or gas sensor.
を異ならせて表面積に差が生じるように形成し、このカ
ンチレバーの表面若しくは裏面に水蒸気やガスなどの吸
着物が吸着した際に、その膜張力が変化するために、張
力の大きい方にこのカンチレバーが曲がることを利用
し、この曲りを検出して湿度やガスセンサーとして使用
できるように構成したことを特徴とした吸着センサー。2. The cantilever is formed so that the surface roughness differs between the front surface and the back surface of the cantilever so that a difference in surface area occurs. When an adsorbate such as water vapor or gas is adsorbed on the front surface or the back surface of the cantilever, An adsorption sensor characterized by using the fact that the cantilever bends to the side with higher tension due to a change in the membrane tension, and detects this bend so that it can be used as a humidity or gas sensor.
れ異なる材質の薄膜を形成又はカンチレバーの表面と裏
面との表面粗さを異ならせて表面積に差が生じるように
形成し、溶液中において前記カンチレバーの表面若しく
は裏面に各種イオンなどの吸着物の吸着および帯電の差
を利用し、このカンチレバーの表面若しくは裏面で生じ
る化学変化を検出することを特徴とした吸着センサー。3. A thin film of a different material is formed on each of the front and back surfaces of the cantilever or the surface roughness of the cantilever is made different from the surface roughness of the cantilever so that a difference in surface area occurs. Alternatively, an adsorption sensor characterized by detecting a chemical change occurring on the front surface or the back surface of the cantilever by utilizing the difference between the adsorption and the charging of adsorbed substances such as various ions on the back surface.
小固体にカンチレバーの先端部を接触させ、このカンチ
レバーへ前記微小固体が吸着することを利用して、前記
所定面から微小固体を取り除く(引き抜く)時に生じる
前記カンチレバーの撓みを測定し、この時に要する力を
検出することで、前記微小固体の所定面への吸着力を解
析し、前記カンチレバーの材質を変えることにより、様
々な吸着力を有する固体材料の解析に対応することがで
きることを特徴とした吸着力解析方法。4. The method according to claim 1, wherein the tip of the cantilever is brought into contact with a micro solid adsorbed on a predetermined surface such as a substrate surface, and the micro solid is adsorbed to the cantilever by utilizing the adsorption of the micro solid to the cantilever. By measuring the bending of the cantilever generated when removing (pulling out), detecting the force required at this time, analyzing the adsorbing force of the micro solid on a predetermined surface, and changing the material of the cantilever, various suction An adsorption force analysis method characterized by being able to cope with the analysis of a solid material having a force.
に水蒸気の凝縮したメニスカスを形成させ、このカンチ
レバーが離れる際に生じるメニスカス張力を用いて、前
記微小固体の吸着力を測定することを原理とし、この
時、周囲の湿度を変化させることでメニスカス形状をコ
ントロールして微小固体の吸着力を測定することを特徴
とする請求項4記載の吸着力解析方法。5. In principle, a meniscus in which water vapor is condensed is formed between the micro solid and the cantilever, and the adsorption force of the micro solid is measured using a meniscus tension generated when the cantilever separates. 5. The method according to claim 4, wherein at this time, the meniscus shape is controlled by changing the ambient humidity to measure the attraction force of the fine solid.
ザー差動型アンプによる光学方式若しくは非接触の容量
変化検出方式若しくは曲りを利用したスイッチ方式など
の検出手段を用いて検出するように構成したことを特徴
とした請求項1〜5のいずれか1項に記載のカンチレバ
ー型の吸着センサー並びに吸着力解析方法。6. The method according to claim 1, wherein the bending of the cantilever is detected by a detecting means such as an optical system using a laser differential amplifier, a non-contact capacitance change detecting system, or a switch system using bending. The cantilever type adsorption sensor and adsorption force analysis method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
記載のカンチレバーへの吸着物の解析および前記基板面
などの所定面上に吸着している微小固体の吸着力を解析
する方法であって、前記カンチレバーを予め共振周波数
で振動させておいて、カンチレバーに吸着が生じた場合
に、共振周波数の変化および振動の位相変化として吸着
特性の解析を行うことを特徴とした吸着力解析方法。7. A method for analyzing an adsorbed substance to a cantilever according to any one of claims 1 to 6, and analyzing an adsorption force of a minute solid adsorbed on a predetermined surface such as the substrate surface. A method for analyzing an attraction force, characterized in that the cantilever is vibrated in advance at a resonance frequency, and when the cantilever is adsorbed, the adsorption characteristic is analyzed as a change in resonance frequency and a phase change in vibration. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11018566A JP2000214072A (en) | 1999-01-27 | 1999-01-27 | Cantilever-type suction sensor and analytical method for suction force |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11018566A JP2000214072A (en) | 1999-01-27 | 1999-01-27 | Cantilever-type suction sensor and analytical method for suction force |
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| Publication Number | Publication Date |
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ID=11975185
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP11018566A Pending JP2000214072A (en) | 1999-01-27 | 1999-01-27 | Cantilever-type suction sensor and analytical method for suction force |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000214072A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003101304A1 (en) | 2002-06-03 | 2003-12-11 | Arizona Board Of Regents | Embedded piezoelectric microcantilever sensors |
| US6823717B2 (en) | 2002-06-03 | 2004-11-30 | Timothy L. Porter | Hybrid microcantilever sensors |
| US7395693B2 (en) | 2004-12-02 | 2008-07-08 | The Arizona Board of Regents, a body corporate of the state of Arizona acting for Northern Arizona University | Embedded piezoelectric microcantilever sensors |
| US7794657B2 (en) | 2003-06-03 | 2010-09-14 | Cantimer, Inc. | Phase change sensor |
| JP2017181435A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 京セラ株式会社 | Stress sensor |
| US10866203B2 (en) | 2016-03-31 | 2020-12-15 | Kyocera Corporation | Stress sensor |
-
1999
- 1999-01-27 JP JP11018566A patent/JP2000214072A/en active Pending
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