JP2000214072A

JP2000214072A - カンチレバ―型の吸着センサ―並びに吸着力解析方法

Info

Publication number: JP2000214072A
Application number: JP11018566A
Authority: JP
Inventors: Akira Kawai; 晃河合
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-04

Abstract

(57)【要約】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。【課題】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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のカンチレバーを示した説明図であ
る。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバーの表面および裏面にそれぞ
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。
【請求項２】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、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。
【請求項３】カンチレバーの表面および裏面にそれぞ
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。
【請求項４】基板面などの所定面上に吸着している微
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。
【請求項５】前記微小固体と前記カンチレバーとの間
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。
【請求項６】前記カンチレバーの撓みの検出は、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。
【請求項７】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。