JP2016170006A - Strain sensor and strain detection method - Google Patents
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Abstract
【課題】センサーの大きさをマイクロメートルオーダに小さくし、歪みまたは応力の局所的な検出を実現する。
【解決手段】歪みセンサーは、基板１と、基板１上に配置された、水分子７が吸着したグラフェン２と、グラフェン２上に形成されたソース電極３と、グラフェン２上に形成されたドレイン電極４と、グラフェン２にレーザ光８を照射し、水分子７の振動を通じてグラフェン２の格子を振動させる光源５と、グラフェン２の抵抗の変化またはグラフェン２に流れる電流の変化を電極３，４を介して検出することにより、グラフェン２の歪みまたはグラフェン２に加えられた応力を検出する検出手段６とから構成される。
【選択図】 図１The size of a sensor is reduced to the order of micrometers, and local detection of strain or stress is realized.
A strain sensor includes a substrate, a graphene that adsorbs water molecules disposed on the substrate, a source electrode that is formed on the graphene, and a drain that is formed on the graphene. The electrode 4, the graphene 2 is irradiated with the laser light 8, the light source 5 that vibrates the lattice of the graphene 2 through the vibration of the water molecules 7, and the change in the resistance of the graphene 2 or the change in the current flowing through the graphene 2 And detecting means 6 for detecting the strain of the graphene 2 or the stress applied to the graphene 2.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、一原子の厚みしかない平面状シートであるグラフェンを用いた歪みセンサーおよび歪み検出方法に関するものである。 The present invention relates to a strain sensor and a strain detection method using graphene which is a planar sheet having a thickness of only one atom.
歪みセンサー（歪みゲージ）は、歪みの検知部品である。一般に用いられている歪みゲージは金属の薄膜を用いたものであり、応力により箔の電気抵抗が変化することを利用し、歪みの評価を行う（非特許文献１参照）。 The strain sensor (strain gauge) is a strain detection component. A strain gauge generally used is a metal thin film, and the strain is evaluated by utilizing the fact that the electrical resistance of the foil changes due to stress (see Non-Patent Document 1).
ナノテクノロジーの分野では、素材の微細化に伴いナノメートルスケール（１ナノメートルは１０-6ミリメートル）の素子が研究されている。従来の歪みセンサーの大きさは１ミリメートルのオーダであり、ナノテクノロジーの領域で用いるのは不可能であるという問題があり、センサーの大きさを可能な限り小さくする、という研究開発の課題があった。 In the field of nanotechnology, devices on the nanometer scale (1 nanometer is 10 −6 millimeters) are being studied as the material becomes finer. The size of conventional strain sensors is on the order of 1 millimeter, and there is a problem that it cannot be used in the field of nanotechnology, and there is a problem of research and development to make the size of the sensor as small as possible. It was.
また、関連する問題として、歪みセンサーは、観測している領域の歪みの平均値を結果として出力するので、例えば、局所的に応力が集中している場合には、平均化された低い歪み値を示してしまう場合があった。歪みセンサーの大きさを小さくすれば局所的な測定も可能になるという利点がある。 Also, as a related problem, the strain sensor outputs the average value of strain in the observed area as a result, so for example, when stress is concentrated locally, the average strain value is low There was a case that showed. If the size of the strain sensor is reduced, there is an advantage that local measurement is possible.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサーの大きさを従来のミリメートルオーダからマイクロメートルオーダに小さくすることが可能で、歪みまたは応力の局所的な検出が可能な歪みセンサーおよび歪み検出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can reduce the size of a sensor from a conventional millimeter order to a micrometer order and can detect strain or stress locally. An object of the present invention is to provide a distortion detection method.
本発明の歪みセンサーは、基板上に配置された、水分子が吸着したグラフェンと、このグラフェン上に形成された電極と、前記グラフェンにレーザ光を照射し、前記水分子の振動を通じて前記グラフェンの格子を振動させる光源と、前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を前記電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出する検出手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の歪みセンサーの１構成例において、前記グラフェンは、シリコンカーバイド製の前記基板の熱融解によって基板上に作製されたエピタキシャルグラフェンであることを特徴とするものである。
The strain sensor of the present invention is a graphene that is disposed on a substrate and adsorbs water molecules, an electrode formed on the graphene, and irradiates the graphene with a laser beam, and the graphene through vibration of the water molecules. A light source that vibrates a lattice, and a detection unit that detects a change in the graphene resistance or a stress applied to the graphene by detecting a change in resistance of the graphene or a change in current flowing in the graphene through the electrode; It is characterized by providing.
In one configuration example of the strain sensor of the present invention, the graphene is epitaxial graphene produced on a substrate by thermal melting of the substrate made of silicon carbide.
また、本発明の歪み検出方法は、基板上に配置された、水分子が吸着したグラフェンにレーザ光を照射し、前記水分子の振動を通じて前記グラフェンの格子を振動させるステップと、前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を、前記グラフェン上に形成された電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出するステップとを含むことを特徴とするものである。 Further, the strain detection method of the present invention includes irradiating a graphene, which is disposed on a substrate, adsorbed with water molecules with laser light, and vibrating the graphene lattice through the vibration of the water molecules, and the resistance of the graphene Detecting a strain of the graphene or a stress applied to the graphene by detecting a change in current or a change in a current flowing through the graphene through an electrode formed on the graphene. It is what.
本発明によれば、歪みセンサーの大きさを従来のミリメートルからマイクロメートル程度に小さくすることが可能になり、ナノテクノロジーの領域で使用可能な歪みセンサーを実現することができる。また、本発明では、歪みまたは応力の局所的な検出を実現することができる。 According to the present invention, the size of a strain sensor can be reduced from a conventional millimeter to about a micrometer, and a strain sensor that can be used in the nanotechnology field can be realized. In the present invention, local detection of strain or stress can be realized.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る歪みセンサーの構成を示す斜視図である。本実施の形態の歪みセンサーは、基板１と、基板１上に配置された、水分子７が吸着したグラフェン２と、グラフェン２上に形成されたソース電極３と、同じくグラフェン２上に形成されたドレイン電極４と、グラフェン２にレーザ光８を照射し、水分子７の振動を通じてグラフェン２の格子を振動させる光源５と、グラフェン２の抵抗の変化またはグラフェン２に流れる電流の変化を電極３，４を介して検出することにより、グラフェン２の歪みまたはグラフェン２に加えられた応力を検出する検出手段６とから構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a strain sensor according to an embodiment of the present invention. The strain sensor of the present embodiment is formed on the substrate 1, the graphene 2 disposed on the substrate 1 on which the
本実施の形態では、従来の歪みゲージで用いられてきた金属箔をグラフェン２に置き換えることで、歪みセンサーの大きさをミリメートルからマイクロメートル（μｍ）程度に小さくすることを可能としている。一方、単純にグラフェンを用いたのでは歪みセンサーとしての用をなさない。グラフェン２に、（１）水分子などが吸着しており、（２）レーザ光が照射されている、ことが必要条件である。 In the present embodiment, by replacing the metal foil used in the conventional strain gauge with graphene 2, the size of the strain sensor can be reduced from millimeters to about micrometers (μm). On the other hand, simply using graphene does not serve as a strain sensor. The prerequisite is that (1) water molecules are adsorbed on the graphene 2 and (2) the laser beam is irradiated.
図１は、炭素原子が蜂の巣状に並んだシートである単層のグラフェン２がシリコンカーバイドなどの基板１に装着されている状況を示している。グラフェン２は、例えばシリコンカーバイドの熱融解によって基板１上にエピタキシャルグラフェンを作製することで実現できる。このようなグラフェン２上に、真空蒸着とリフトオフによってソース電極３およびドレイン電極４を形成すればよい。
FIG. 1 shows a situation where a single-layer graphene 2 which is a sheet in which carbon atoms are arranged in a honeycomb shape is mounted on a substrate 1 such as silicon carbide. The graphene 2 can be realized, for example, by producing epitaxial graphene on the substrate 1 by thermal melting of silicon carbide. The
グラフェン２には、水分子７のクラスターが吸着している。水分子７は、グラフェン２上にあってもよいし、グラフェン２と基板１との間にあっても差し支えない。水分子７がグラフェン２の表面を覆う割合を示す被覆率は、グラフェン２のアニーリング温度などで変えられるが、温度範囲を４００℃〜５００℃の加熱処理をした際の被覆率を念頭にしている（文献「S.Suzuki et al.，“Structural Instability of Transferred Graphene Grown by Chemical Vapor Deposition against Heating”，The Journal of Physical Chemistry C 2013，117，pp.22123-22130」参照）。被覆率としては、例えば１０％程度以上であればよい。
A cluster of
水分子７の役割は、光源５から照射されるレーザ光８との相互作用で水分子７が振動して、その振動がグラフェン２と水分子７の相互作用を通じてグラフェン２の格子を振動させることにある。照射するレーザ光８の波長範囲や強度は、グラフェン２のラマン分光が取れる程度あればよい。具体的には、レーザ光８の波長は４００ナノメートル以上、強度は数ミリワット程度までであればよい。なお、本発明はグラフェン２の格子の振動方向には影響されない。すなわち、グラフェン２の格子の振動方向については規定しなくてよい。
The role of the
レーザ照射によりグラフェン２の格子が振動している状況で、炭素原子が並んでいる方向（図１の矢印方向）に沿ってグラフェン２に一様な応力が加わると、この応力に比例した電流（抵抗）の変化がグラフェン２に生じる。 When a uniform stress is applied to the graphene 2 along the direction in which the carbon atoms are lined up (in the direction of the arrow in FIG. 1) in a situation where the lattice of the graphene 2 is oscillated by laser irradiation, a current proportional to this stress ( Resistance) changes in graphene 2.
検出手段６は、ソース電極３とドレイン電極４間の電気抵抗の変化を検出してグラフェン２の抵抗の変化を検出するか、またはソース電極３とドレイン電極４間の電流の変化を検出してグラフェン２に流れる電流の変化を検出することにより、グラフェン２の歪みまたはグラフェン２に加えられた応力を検出する。
The detection means 6 detects a change in resistance of the graphene 2 by detecting a change in electrical resistance between the
ここで電流（抵抗）の変化が生じる理由は通常の歪みゲージの抵抗変化と異なるので、グラフェン２に電流（抵抗）変化が生じる理由を以下で説明する。
グラフェン２のエネルギー分散関係構造を図２に示す。図２の垂直方向はエネルギーＥ（ｋ）を表し、水平方向は波数ｋを表している。グラフェン２のエネルギー分散関係構造は、Ｋ点とＫ’点と呼ばれる波数の値でそれぞれ、２つの円錐をつなげたような分散構造をしている。円錐１００が伝導帯のエネルギー、円錐１０１が価電子帯のエネルギーであり、円錐１００と１０１とが点で接しているので、半導体のようなエネルギーギャップが存在しない。つまり金属である。
Here, the reason why the current (resistance) changes is different from the resistance change of a normal strain gauge, so the reason why the current (resistance) change occurs in the graphene 2 will be described below.
The energy dispersion relational structure of graphene 2 is shown in FIG. The vertical direction in FIG. 2 represents energy E (k), and the horizontal direction represents the wave number k. The energy dispersion relational structure of graphene 2 has a dispersion structure in which two cones are connected by wave number values called K point and K ′ point, respectively. Since the
グラフェン２を用いた歪みセンサーでは、応力により生じる電流に注目する。電流は、Ｋ点の電子からなる成分とＫ’点の電子からなる成分の和で与えられるが、応力によって生じる電流は、Ｋ点とＫ’点で電流の流れる方向が逆のため、両者の電流がキャンセルしてしまい、実際には観測されない。ところが、グラフェン２に水分子７などが吸着し、水分子７がレーザ光８によって強制的に振動するようになると、図３に示すように、Ｋ点とＫ’点に符号が反対のポテンシャルφ（ｒ，ｔ）が生成され、電流がキャンセルされなくなる（文献「K.Sasaki et al.，“Valley-antisymmetric potential in graphene under dynamical deformation”，PHYSICAL REVIEW B 90，205402，2014」参照）。
In the strain sensor using graphene 2, attention is paid to the current generated by the stress. The current is given by the sum of the component consisting of the electrons at the K point and the component consisting of the electrons at the K ′ point, but the current caused by the stress is opposite in the direction in which the current flows at the K point and the K ′ point. The current cancels and is not actually observed. However, when
グラフェン２に歪みが加わったときの抵抗の変化は、数十ｋΩ程度である。この見積は抵抗のドーピング依存性（実験値）にＫ点とＫ’点で符号が反対のポテンシャルの大きさをかけた量で与えられる。具体的には抵抗の実測値のフッティングが３４０＋３．７×１０6／（２２＋（５００ＥＦ（／ｅＶ））2）Ωで、そのＥＦ微分にポテンシャル（１０ｍｅＶ程度）をかけた量が数十ｋΩのオーダになる。 The change in resistance when the graphene 2 is strained is about several tens of kΩ. This estimate is given by an amount obtained by multiplying the doping dependence (experimental value) of the resistance by the magnitude of the potential having opposite signs at the K point and the K ′ point. Specifically, the measured resistance footing is 340 + 3.7 × 10 6 / (22+ (500 EF (/ eV)) 2 ) Ω, and the amount obtained by multiplying the EF derivative by potential (about 10 meV) is several tens of kΩ. Become an order.
グラフェン２の抵抗の変化量（またはグラフェン２に流れる電流の変化量）とグラフェン２の歪みの大きさ（またはグラフェン２に加わる応力の大きさ）との関係を予め見積もっておけば、この関係を用いて、検出手段６は、グラフェン２の抵抗の変化または電流の変化から、歪みの大きさまたは応力の大きさを導き出すことができる。 If the relationship between the amount of change in resistance of graphene 2 (or the amount of change in current flowing through graphene 2) and the amount of strain in graphene 2 (or the amount of stress applied to graphene 2) is estimated in advance, this relationship By using the detection means 6, the magnitude of the strain or the magnitude of the stress can be derived from the change in the resistance of the graphene 2 or the change in the current.
このような検出手段６は、抵抗または電流の測定回路（不図示）と、コンピュータ（不図示）とから構成される。コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、メモリに格納されたプログラムに従って動作し、測定回路の測定結果から、上記のように歪みの大きさまたは応力の大きさを導き出す。 Such detection means 6 includes a resistance or current measurement circuit (not shown) and a computer (not shown). A CPU (Central Processing Unit) of the computer operates according to a program stored in the memory, and derives the magnitude of the strain or the magnitude of the stress as described above from the measurement result of the measurement circuit.
以上のように、本実施の形態では、グラフェン２を用いることにより、歪みセンサーの大きさを従来のミリメートルからマイクロメートル（μｍ）程度に小さくすることが可能になり、ナノテクノロジーの領域で使用可能な歪みセンサーを実現することができる。また、局所的に応力が集中している場合にも、平均化された低い歪み値を示してしまうことがなくなり、応力（歪み）の局所的な検出を実現することができる。 As described above, in the present embodiment, by using graphene 2, the size of the strain sensor can be reduced from the conventional millimeter to about micrometer (μm), and can be used in the nanotechnology area. Can be realized. In addition, even when stress is locally concentrated, it does not show an averaged low strain value, and local detection of stress (strain) can be realized.
なお、本実施の形態では、グラフェン２が基板１と接していることも、応力により電流（抵抗）の変化が生じることの重要な因子の１つである。つまり、グラフェン２が基板１と接触することで界面準位が生成され、グラフェン２の電子と界面準位との間で電気的な平衡状態になっていることが必要である。界面準位は所謂エピタキシャルグラフェンにおいて影響が強いことが知られており、上記で説明したグラフェン２の作製方法は界面準位を生成することを目的の１つとしている。 In the present embodiment, the fact that the graphene 2 is in contact with the substrate 1 is also an important factor that causes a change in current (resistance) due to stress. In other words, the interface state is generated when the graphene 2 is in contact with the substrate 1, and it is necessary that the graphene 2 is in an electrical equilibrium state between the electrons of the graphene 2 and the interface state. It is known that the interface state has a strong influence on so-called epitaxial graphene, and the method for manufacturing the graphene 2 described above has one purpose of generating the interface state.
本発明は、ナノテクノロジーの領域で用いる歪みセンサーの技術に適用することができる。 The present invention can be applied to strain sensor technology used in the nanotechnology field.
１…基板、２…グラフェン、３…ソース電極、４…ドレイン電極、５…光源、６…検出手段、７…水分子、８…レーザ光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 2 ... Graphene, 3 ... Source electrode, 4 ... Drain electrode, 5 ... Light source, 6 ... Detection means, 7 ... Water molecule, 8 ... Laser beam.
Claims (4)
このグラフェン上に形成された電極と、
前記グラフェンにレーザ光を照射し、前記水分子の振動を通じて前記グラフェンの格子を振動させる光源と、
前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を前記電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出する検出手段とを備えることを特徴とする歪みセンサー。 Graphene that is placed on the substrate and adsorbs water molecules;
An electrode formed on the graphene;
A light source that irradiates the graphene with laser light and vibrates the graphene lattice through vibration of the water molecules;
And detecting means for detecting strain applied to the graphene or stress applied to the graphene by detecting a change in resistance of the graphene or a change in current flowing through the graphene through the electrode. Strain sensor.
前記グラフェンは、シリコンカーバイド製の前記基板の熱融解によって基板上に作製されたエピタキシャルグラフェンであることを特徴とする歪みセンサー。 The strain sensor of claim 1, wherein
The strain sensor is an epitaxial graphene produced on a substrate by thermal melting of the substrate made of silicon carbide.
前記グラフェンの抵抗の変化または前記グラフェンに流れる電流の変化を、前記グラフェン上に形成された電極を介して検出することにより、前記グラフェンの歪みまたは前記グラフェンに加えられた応力を検出するステップとを含むことを特徴とする歪み検出方法。 Irradiating a graphene on which a water molecule is adsorbed with a laser beam, and vibrating the graphene lattice through the vibration of the water molecule;
Detecting a change in the graphene resistance or a stress applied to the graphene by detecting a change in the resistance of the graphene or a change in the current flowing through the graphene through an electrode formed on the graphene. A distortion detection method comprising:
前記グラフェンは、シリコンカーバイド製の前記基板の熱融解によって基板上に作製されたエピタキシャルグラフェンであることを特徴とする歪み検出方法。 The distortion detection method according to claim 3,
The strain detection method, wherein the graphene is epitaxial graphene produced on a substrate by thermal melting of the substrate made of silicon carbide.
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