(57)【要約】  明細書に記載される実施形態によりセンサが提供される。例示の実施形態では、センサは、（１）共振器、（２）共振器に取り付けられたプローブ及び（３）共振器を収容する収容具を有し、収容具は、開口部を有し、プローブは、この開口部を貫通して突き出ることができ、収容具の寸法は、共振器の寸法と同程度のものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサであって、
共振器と、
前記共振器に取り付けられたプローブと、
前記共振器を収納した収納具と、を有し、前記収納具は、開口部を有し、前記プローブは、前記開口部を貫通して突き出ることができ、前記収納具の寸法は、前記共振器の寸法と同程度である、センサ。
【請求項２】
前記共振器は、カンチレバーから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記カンチレバーの厚さは、約１０ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
前記カンチレバーの幅は、約１０ｎｍ〜２００ミクロンである、請求項２記載のセンサ。
【請求項５】
前記カンチレバーの長さは、約１０ｎｍ〜５００ミクロンである、請求項２記載のセンサ。
【請求項６】
前記収納具の厚さは、約１０ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項２記載のセンサ。
【請求項７】
前記収納具の幅は、約１０ｎｍ〜２５０ミクロンである、請求項２記載のセンサ。
【請求項８】
前記収納具の長さは、約１０ｎｍ〜５５０ミクロンである、請求項２記載のセンサ。
【請求項９】
前記共振器は、メンブレンから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
前記メンブレンの厚さは、約１０ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項９記載のセンサ。
【請求項１１】
前記メンブレンは、半径が約５０ｎｍ〜２５０ミクロンの円形の形状を有する、請求項９記載のセンサ。
【請求項１２】
前記メンブレンは、半径が約５０ｎｍ〜２５０ミクロンの正多角形の形状を有する、請求項９記載のセンサ。
【請求項１３】
前記メンブレンは、最大横方向寸法が約１００ｎｍ〜５００ミクロンの多角形の形状を有する、請求項９記載のセンサ。
【請求項１４】
前記収納具の厚さは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項９記載のセンサ。
【請求項１５】
前記収納具の最大横方向寸法は、約１００ｎｍ〜５５０ミクロンである、請求項９記載のセンサ。
【請求項１６】
前記共振器は、吊りビームから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項１７】
前記ビームの厚さは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項１６記載のセンサ。
【請求項１８】
前記ビームの幅は、約１００ｎｍ〜２００ミクロンである、請求項１６記載のセンサ。
【請求項１９】
前記ビームの長さは、約１００ｎｍ〜５００ミクロンである、請求項１６記載のセンサ。
【請求項２０】
前記収納具の厚さは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項１６記載のセンサ。
【請求項２１】
前記収納具の幅は、約１００ｎｍ〜２５０ミクロンである、請求項１６記載のセンサ。
【請求項２２】
前記収納具の長さは、約１００ｎｍ〜５５０ミクロンである、請求項１６記載のセンサ。
【請求項２３】
前記収納具は、ガラスから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項２４】
前記ガラスは、アモルファス窒化珪素、アモルファス二酸化珪素、アモルファス酸化アルミニウム、及びアモルファス酸化亜鉛から成る群から選択される、請求項２３記載のセンサ。
【請求項２５】
前記収納具は、プラスチックから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項２６】
前記プラスチックは、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリアクリル酸樹脂、ポリセルロース樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミド、ポリアセトニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリキシリレン、セルロースアセテートブチレート、グリコールモディファイドポリエチレンテレフタレート、及びスチレンブタジエンコポリマーから成る群から選択される、請求項２５記載のセンサ。
【請求項２７】
前記収納具は、絶縁材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項２８】
前記絶縁材料は、窒化珪素、二酸化珪素、ダイヤモンド、及び酸化アルミニウムから成る群から選択される、請求項２７記載のセンサ。
【請求項２９】
前記収納具は、半導体材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項３０】
前記半導体材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、ガリウムをドープした珪素、ガリウム砒素、ドープダイヤモンド、アモルファス炭素、酸化亜鉛、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物から成る群から選択される、請求項２９記載のセンサ。
【請求項３１】
前記収納具は、導電性材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項３２】
前記導電性材料は、アモルファス炭素、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、及びインジウムカドミウム酸化物から成る群から選択される、請求項３１記載のセンサ。
【請求項３３】
前記収納具は、金属から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項３４】
前記金属は、金、銀、白金、アルミニウム、チタン、クロム、窒化チタン、及び銅から成る群から選択される、請求項３３記載のセンサ。
【請求項３５】
前記共振器は、ガラスから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項３６】
前記ガラスは、アモルファス窒化珪素、アモルファス二酸化珪素、アモルファス酸化アルミニウム、及びアモルファス酸化亜鉛から成る群から選択される、請求項３５記載のセンサ。
【請求項３７】
前記共振器は、プラスチックから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項３８】
前記プラスチックは、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリアクリル酸樹脂、ポリセルロース樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミド、ポリアセトニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリキシリレン、セルロースアセテートブチレート、グリコールモディファイドポリエチレンテレフタレート、及びスチレンブタジエンコポリマーから成る群から選択される、請求項３７記載のセンサ。
【請求項３９】
前記共振器は、絶縁材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項４０】
前記絶縁材料は、窒化珪素、二酸化珪素、ダイヤモンド、及び酸化アルミニウムから成る群から選択される、請求項３９記載のセンサ。
【請求項４１】
前記共振器は、半導体材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項４２】
前記半導体材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、ガリウムをドープした珪素、ガリウム砒素、ドープダイヤモンド、アモルファス炭素、酸化亜鉛、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物から成る群から選択される、請求項４１記載のセンサ。
【請求項４３】
前記共振器は、圧電材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項４４】
前記圧電材料は、鉛・ジルコネート・タイタネート（ＰＺＴ）、石英、及びチタン酸鉛から成る群から選択される、請求項４３記載のセンサ。
【請求項４５】
前記共振器は、ピエゾ抵抗材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項４６】
前記ピエゾ抵抗材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、及びガリウムをドープした珪素から成る群から選択される、請求項４５記載のセンサ。
【請求項４７】
前記共振器は、導電性材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項４８】
前記導電性材料は、アモルファス炭素、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、及びインジウムカドミウム酸化物から成る群から選択される、請求項４７記載のセンサ。
【請求項４９】
前記共振器は、金属から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項５０】
前記金属は、金、銀、白金、アルミニウム、チタン、クロム、窒化チタン、及び銅から成る群から選択される、請求項４９記載のセンサ。
【請求項５１】
前記プローブは、ガラスから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項５２】
前記ガラスは、アモルファス窒化珪素、アモルファス二酸化珪素、アモルファス酸化アルミニウム、及びアモルファス酸化亜鉛から成る群から選択される、請求項５１記載のセンサ。
【請求項５３】
前記プローブは、プラスチックから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項５４】
前記プラスチックは、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリアクリル酸樹脂、ポリセルロース樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミド、ポリアセトニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリキシリレン、セルロースアセテートブチレート、グリコールモディファイドポリエチレンテレフタレート、及びスチレンブタジエンコポリマーから成る群から選択される、請求項５３記載のセンサ。
【請求項５５】
前記プローブは、絶縁材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項５６】
前記絶縁材料は、窒化珪素、二酸化珪素、ダイヤモンド、及び酸化アルミニウムから成る群から選択される、請求項５５記載のセンサ。
【請求項５７】
前記プローブは、半導体材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項５８】
前記半導体材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、ガリウムをドープした珪素、ガリウム砒素、ドープダイヤモンド、アモルファス炭素、酸化亜鉛、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物から成る群から選択される、請求項５７記載のセンサ。
【請求項５９】
前記プローブは、導電性材料から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項６０】
前記導電性材料は、アモルファス炭素、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、及びインジウムカドミウム酸化物から成る群から選択される、請求項５９記載のセンサ。
【請求項６１】
前記プローブは、金属から成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項６２】
前記金属は、金、銀、白金、アルミニウム、チタン、クロム、窒化チタン、及び銅から成る群から選択される、請求項６１記載のセンサ。
【請求項６３】
前記プローブは、少なくとも１本の多層ナノチューブから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項６４】
前記プローブは、少なくとも１本の単層ナノチューブから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項６５】
前記共振器、前記プローブ、及び前記収納具は、前記共振器の位置の光ビーム撓み式測定を可能にするよう構成されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項６６】
前記共振器、前記プローブ、及び前記収納具は、前記共振器の位置の干渉式測定を可能にするよう構成されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項６７】
前記共振器、前記プローブ、及び前記収納具は、前記共振器の位置の光ビーム回折式測定を可能にするよう構成されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項６８】
前記共振器、前記プローブ、及び前記収納具は、前記共振器の位置の容量式測定を可能にするよう構成されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項６９】
前記共振器、前記プローブ、及び前記収納具は、前記共振器の位置の圧電式測定を可能にするよう構成されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項７０】
前記共振器、前記プローブ、及び前記収納具は、前記共振器の位置のピエゾ抵抗式測定を可能にするよう構成されている、請求項１記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において説明する実施形態は、カンチレバー（片持ち梁）の分野に関し、特に液体中の低ノイズ力検出のためのセンサに関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１１年９月８日に出願された米国特許仮出願第６１／５３２，５０７号の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【０００３】
〔政府支援の声明〕
本発明は、米国エネルギー省によって認可された契約番号ＤＥ‐ＡＣ０２‐０５ＣＨ１１２３１のもとで政府支援によりなされたものである。政府は、本発明に関して或る特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、センサとしてのこれらの精巧な性能により多くの技術において普及している。ＭＥＭＳデバイス又はより具体的に言えば機械的共振器を用いると、加速度、質量の変化、これらの環境の粘度又は基板とのこれらの相互作用のスチフネスを測定することができる。センサの固有のノイズを減少させると、任意形式の測定の感度が向上する。
【発明の概要】
【０００５】
本発明によれば、センサであって、共振器と、共振器に取り付けられたプローブと、共振器を収納した収納具とを有し、収納具は、開口部を有し、プローブは、開口部を貫通して突き出ることができ、収納具の寸法は、共振器の寸法と同程度であることを特徴とするセンサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）の動作の一例を示す図である。
【図２】センサの断面説明図である。
【図３】センサの説明図である。
【図４】センサの説明図である。
【図５】センサの説明図である。
【図６】共振器の位置の光ビーム撓み式測定用に構成されたセンサの断面説明図である。
【図７】共振器の位置の干渉式測定用に構成されたセンサの断面説明図である。
【図８】共振器の位置の光ビーム回折式測定用に構成されたセンサの断面説明図である。
【図９】共振器の位置の容量式測定用に構成されたセンサの断面説明図である。
【図１０】共振器の位置の圧電式測定用に構成されたセンサの断面説明図である。
【図１１】共振器の位置のピエゾ抵抗式測定用に構成されたセンサの断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本願は、具体的には、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）に関する。というのは、ＡＦＭは、本明細書において説明する実施形態の１つの意図した用途だからであるが、幾つかの実施形態は、他のＭＥＭＳセンサ用途に良好に働くことができる。
【０００８】
図１は、ＡＦＭの動作の一例を示している。ＡＦＭは、表面が極めて鋭いプローブに加える力を検出することによって高い空間分解能で界面材料特性（トポグラフィ、磁気作用、特定の化学相互作用等）を測定する。鋭いプローブは、ばね（代表的には、長方形のカンチレバー）の端のところに取り付けられ、このプローブは、力が先端に加えられると撓む。しかしながら、ＡＦＭを用いて軟質材料、例えば生細胞の表面を測定することは、うまくいかなかった。というのは、器具の必要とする最小限の力が軟質材料を変形させるのに足るほどの場合があり、それにより分解能が低くなり、場合によっては損傷が生じるからである。
【０００９】
最小限の検出可能な力は、共振器の減衰に起因した損失と関連している。周囲の流体が１トルを超える圧力状態の空気か液体かのいずれかである場合、主な損失は、粘性減衰に起因している。水溶液では、増大した流体質量の加速は、共振周波数を著しく低下させ、水の高い粘度は、減衰を増大させる。空気中での測定と比較して、同じカンチレバーの力感度は、２桁以上減少する。研究者は、カンチレバーのサイズを減少させることによって粘性減衰を減少させようと試みている。同様に、小さな高周波数カンチレバーを用いた作業により、動的プロセスをモニタするための高速ＡＦＭが可能である。しかしながら、通常の検出機構は、レーザビームの反射を必要とするので、カンチレバーのサイズは、最適感度が得られるよう光の回折限界よりも大きいことが必要である。この問題を解決し、その結果として、小型カンチレバー又はそれどころかナノワイヤの使用を可能にする新たな検出方法が２０１０年２月５日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２３４０７号明細書に記載されており、この国際出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【００１０】
減衰を減少させる別のやり方では、カンチレバーを乾燥状態に保ち、ほんの僅かな部分を基板と相互作用するよう溶液中に浸漬させる。これにより、空気中での動作の低い減衰が維持され、他方、力相互作用を溶液中で実施することができる。しかしながら、実際問題として、これは実施するのが困難であった。これまでの幾つかの試みにおいて、共振器及びそのエンクロージャは、サイズが低い粘度に起因してゲインを相殺するほど大きい（例えばドイツ国ベルリン所在のスペックス（SPECS）社製のKolibri（商標）センサ又は音叉設計物）。これらの設計物は全て、専用器具を必要とし、これらを標準型ＡＦＭセットアップ上で容易に利用することができない。
【００１１】
本明細書において説明する実施形態により、センサが提供される。センサは、例えば加速度、質量の変化、その環境の粘度又は基板とのその相互作用のスチフネスを測定するために使用できる。例示の実施形態では、センサは、（１）共振器と、（２）共振器に取り付けられたプローブと、（３）共振器を収納した収納具とを有し、収納具は、開口部を有し、プローブは、開口部を貫通して突き出ることができ、収納具の寸法は、共振器の寸法と同程度である。
【００１２】
図２を参照すると、例示の実施形態では、この実施形態は、（１）共振器２１０、（２）共振器２１０に取り付けられたプローブ２１２及び（３）共振器２１０を収納した収納具２１４を有し、収納具２１４は、開口部２１６を有し、プローブ２１２は、この開口部２１６を通って突き出ることができ、収納具２１４の寸法は、共振器２１０の寸法と同程度である。液体、例えば水の中にいったん浸漬されると、表面張力により、液体は、開口部２１６を通って収納具２１４に入るのが阻止される。幾つかの実施形態では、プローブは、水が開口部２１６内に入るのを阻止するのを助けるために疎水性被膜を有するのが良い。
【００１３】
カンチレバー型共振器
図３を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０は、カンチレバー３１０を含む。
【００１４】
カンチレバーの寸法
図２及び図３を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０であるカンチレバー３１０の厚さＴは、約１０ｎｍ〜２０ミクロン又は約１００ｎｍ〜２０ミクロンである。例示の実施形態では、共振器２１０、即ちカンチレバー３１０の幅は、約１０ｎｍ〜２００ミクロン又は約１００ｎｍ〜２００ミクロンである。図２及び図３を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、即ちカンチレバー３１０の長さＬは、約１０ｎｍ〜５００ミクロン又は約１００ｎｍ〜５００ミクロンである。
【００１５】
収納具の寸法
図２及び図３を参照すると、例示の実施形態では、収納具２１４の厚さＴEは、約１０ｎｍ〜２０ミクロン又は約１００ｎｍ〜２０ミクロンである。例示の実施形態では、収納具２１４の幅は、約１０ｎｍ〜２５０ミクロン又は約１００ｎｍ〜２５０ミクロンである。図２及び図３を参照すると、例示の実施形態では、収納具２１４の長さＬ0は、約１０ｎｍ〜５５０ミクロン又は約１００ｎｍ〜５５０ミクロンである。例示の実施形態では、収納具２１４と共振器２１０との間の隙間Ｇは、約５００ミクロン以下又は約１０ｎｍ〜５００ミクロンである。
【００１６】
メンブレン型共振器
図４を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０は、メンブレン（膜）４１０を含む。
【００１７】
メンブレンの寸法
図２及び図４を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０であるメンブレン４１０の厚さＴは、約１０ｎｍ〜２０ミクロンである。例示の実施形態では、メンブレン４１０は、半径が約５０ｎｍ〜２５０ミクロンの円形の形状を有する。例示の実施形態では、メンブレン４１０は、半径が約５０ｎｍ〜２５０ミクロンの正多角形の形状を有する。例示の実施形態では、メンブレン４１０は、最大横方向寸法が約１００ｎｍ〜５００ミクロンの多角形の形状を有する。
【００１８】
収納具の寸法
図２及び図４を参照すると、例示の実施形態では、収納具２１４の厚さＴEは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンである。例示の実施形態では、収納具２１４の最大横方向寸法は、約１００ｎｍ〜５５０ミクロンである。例示の実施形態では、収納具２１４の幅は、約１００ｎｍ〜２５０ミクロンである。例示の実施形態では、収納具２１４と共振器２１０との間の隙間Ｇは、約５００ミクロン以下又は約１０ｎｍ〜５００ミクロンである。
【００１９】
吊りビーム型共振器
図５を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０は、吊りビーム５１０から成る。
【００２０】
吊りビームの寸法
図２及び図５を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０である吊りビーム５１０の厚さＴは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンである。例示の実施形態では、吊りビーム５１０の幅は、約１００ｎｍ〜２００ミクロンである。図２及び図５を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、即ち吊りビーム５１０の長さＬは、約１００ｎｍ〜５００ミクロンである。
【００２１】
収納具の寸法
図２及び図５を参照すると、例示の実施形態では、収納具２１４の厚さＴEは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンである。例示の実施形態では、収納具２１４の幅は、約１００ｎｍ〜２５０ミクロンである。図２及び図５を参照すると、例示の実施形態では、収納具２１４の長さＬ0は、約１００ｎｍ〜５５０ミクロンである。例示の実施形態では、収納具２１４と共振器２１０との間の隙間Ｇは、約５００ミクロン以下又は約１０ｎｍ〜５００ミクロンである。
【００２２】
収納具の材料
例示の実施形態では、収納具２１４は、ガラスから成る。特定の実施形態では、ガラスは、アモルファス窒化珪素、アモルファス二酸化珪素、アモルファス酸化アルミニウム、及びアモルファス酸化亜鉛から成る群から選択される。
【００２３】
例示の実施形態では、収納具２１４は、プラスチックから成る。特定の実施形態では、プラスチックは、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリアクリル酸樹脂、ポリセルロース樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミド、ポリアセトニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリキシリレン、セルロースアセテートブチレート、グリコールモディファイドポリエチレンテレフタレート、及びスチレンブタジエンコポリマーから成る群から選択される。
【００２４】
例示の実施形態では、収納具２１４は、絶縁材料から成る。特定の実施形態では、絶縁材料は、窒化珪素、二酸化珪素、ダイヤモンド、及び酸化アルミニウムから成る群から選択される。
【００２５】
例示の実施形態では、収納具２１４は、半導体材料から成る。特定の実施形態では、半導体材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、ガリウムをドープした珪素、ガリウム砒素、ドープダイヤモンド、アモルファス炭素、酸化亜鉛、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物から成る群から選択される。
【００２６】
例示の実施形態では、収納具２１４は、導電性材料から成る。特定の実施形態では、導電性材料は、アモルファス炭素、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、及びインジウムカドミウム酸化物から成る群から選択される。
【００２７】
例示の実施形態では、収納具２１４は、金属から成る。特定の実施形態では、金属は、金、銀、白金、アルミニウム、チタン、クロム、窒化チタン、及び銅から成る群から選択される。
【００２８】
共振器、カンチレバー、メンブレン及び吊りビームの材料
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、ガラスから成る。特定の実施形態では、ガラスは、アモルファス窒化珪素、アモルファス二酸化珪素、アモルファス酸化アルミニウム、及びアモルファス酸化亜鉛から成る群から選択される。
【００２９】
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、プラスチックから成る。特定の実施形態では、プラスチックは、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリアクリル酸樹脂、ポリセルロース樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミド、ポリアセトニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリキシリレン、セルロースアセテートブチレート、グリコールモディファイドポリエチレンテレフタレート、及びスチレンブタジエンコポリマーから成る群から選択される。
【００３０】
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、絶縁材料から成る。特定の実施形態では、絶縁材料は、窒化珪素、二酸化珪素、ダイヤモンド、及び酸化アルミニウムから成る群から選択される。
【００３１】
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、半導体材料から成る。特定の実施形態では、半導体材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、ガリウムをドープした珪素、ガリウム砒素、ドープダイヤモンド、アモルファス炭素、酸化亜鉛、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物から成る群から選択される。
【００３２】
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、圧電材料から成る。特定の実施形態では、圧電材料は、鉛・ジルコネート・タイタネート（ＰＺＴ）、石英、及びチタン酸鉛から成る群から選択される。
【００３３】
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、ピエゾ抵抗材料から成る。特定の実施形態では、ピエゾ抵抗材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、及びガリウムをドープした珪素から成る群から選択される。
【００３４】
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、導電性材料から成る。特定の実施形態では、導電性材料は、アモルファス炭素、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、及びインジウムカドミウム酸化物から成る群から選択される。
【００３５】
例示の実施形態では、共振器２１０、カンチレバー３１０、メンブレン４１０、及び吊りビーム５１０は、金属から成る。特定の実施形態では、金属は、金、銀、白金、アルミニウム、チタン、クロム、窒化チタン、及び銅から成る群から選択される。
【００３６】
プローブの材料
例示の実施形態では、プローブ２１２は、ガラスから成る。特定の実施形態では、ガラスは、アモルファス窒化珪素、アモルファス二酸化珪素、アモルファス酸化アルミニウム、及びアモルファス酸化亜鉛から成る群から選択される。
【００３７】
例示の実施形態では、プローブ２１２は、プラスチックから成る。特定の実施形態では、プラスチックは、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリアクリル酸樹脂、ポリセルロース樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミド、ポリアセトニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリキシリレン、セルロースアセテートブチレート、グリコールモディファイドポリエチレンテレフタレート、及びスチレンブタジエンコポリマーから成る群から選択される。
【００３８】
例示の実施形態では、プローブ２１２は、絶縁材料から成る。特定の実施形態では、絶縁材料は、窒化珪素、二酸化珪素、ダイヤモンド、及び酸化アルミニウムから成る群から選択される。
【００３９】
例示の実施形態では、プローブ２１２は、半導体材料から成る。特定の実施形態では、半導体材料は、珪素、硼素をドープした珪素、燐をドープした珪素、砒素をドープした珪素、ガリウムをドープした珪素、ガリウム砒素、ドープダイヤモンド、アモルファス炭素、酸化亜鉛、及びインジウムガリウム亜鉛酸化物から成る群から選択される。
【００４０】
例示の実施形態では、プローブ２１２は、導電性材料から成る。特定の実施形態では、導電性材料は、アモルファス炭素、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、及びインジウムカドミウム酸化物から成る群から選択される。
【００４１】
例示の実施形態では、プローブ２１２は、金属から成る。特定の実施形態では、金属は、金、銀、白金、アルミニウム、チタン、クロム、窒化チタン、及び銅から成る群から選択される。
【００４２】
例示の実施形態では、プローブ２１２は、少なくとも１本の多層ナノチューブから成る。例示の実施形態では、プローブ２１２は、少なくとも１本の単層ナノチューブから成る。
【００４３】
測定構成例
光ビーム撓み式
図６を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、プローブ２１２、及び収納具２１４は、共振器２１０の位置の光ビーム撓み式測定を可能にするよう構成されている。例示の実施形態では、光６１０は、共振器２１０の後側６２０で反射され、反射光６３０の位置は、位置敏感検出器６４０で検出される。反射光６３０の位置は、共振器２１０の位置を突き止めるために用いられる。特定の実施形態では、位置敏感検出器６４０は、セグメント化フォトダイオードから成る。
【００４４】
干渉式
図７を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、プローブ２１２、及び収納具２１４は、共振器２１０の位置の干渉式測定を可能にするよう構成されている。例示の実施形態では、収納具２１４で部分的に反射された光７１０は、共振器２１０で反射された光７２０と干渉する。共振器２１０の撓みは、２つのビームの光路長の差を変更し、反射ビームの合計の異なる結果としての強度をもたらし、これは、共振器２１０の位置を突き止めるために用いられる。
【００４５】
光ビーム回折式
図８を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、プローブ２１２、及び収納具２１４は、共振器２１０の位置の光ビーム回折式測定を可能にするよう構成されている。例示の実施形態では、収納具２１４に取り付けられた回折格子８１０が共振器２１０の位置の光回折を利用した検出を可能にする。共振器２１０の位置は、反射後の第１の回折次数８２０の強度に基づいて突き止められる。
【００４６】
容量式
図９を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、プローブ２１２、及び収納具２１４は、共振器２１０の位置の容量式測定を可能にするよう構成されている。例示の実施形態では、収納具２１４に被着された導電層９１０と共振器２１０に被着された導電層９２０との間のキャパシタンスが測定され、このキャパシタンスは、共振器２１０の位置を突き止めるために用いられる。
【００４７】
圧電式
図１０を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、プローブ２１２、及び収納具２１４は、共振器２１０の位置の圧電式測定を可能にするよう構成されている。例示の実施形態では、２つの電極１０１０が共振器２１０の両側面に配置され、共振器２１０は、圧電材料から成る。正弦波駆動信号（ＵＡＣ）１０２０が電極１０１０に印加されている間、共振器２１０の運動を結果として得られた電流（Ｉ）１０３０に基づいて検出することができる。図１０の下側の図は、上側の図に記載された点線に沿って取った断面である。
【００４８】
ピエゾ抵抗式
図１１を参照すると、例示の実施形態では、共振器２１０、プローブ２１２、及び収納具２１４は、共振器２１０の位置のピエゾ抵抗式測定を可能にするよう構成されている。例示の実施形態では、歪敏感材料（例えば、ドープ珪素）の抵抗率の変化を測定する。例示の実施形態では、ホイートストンブリッジ１１１０を用いて変化を測定する。歪敏感材料の抵抗率の変化は、共振器２１０の位置を突き止めるために用いられる。
【００４９】
作製方法
簡単なマスクレス作製技術を用いて本明細書において説明したセンサを作製することができる。市販のＡＦＭカンチレバーを本明細書において説明したカンチレバーとして用いることができる。幾つかの実施形態では、カンチレバーは、全体として犠牲層で被覆される。この犠牲層は、収納具とカンチレバー／共振器との間に隙間を生じさせる。収納具を構成するために第２の透明な層が犠牲層上に被着される。次に、小さなオリフィスをプローブの近くで収納具にあけた後、犠牲層を選択的に除去し、プローブ及びカンチレバー／共振器を露出させる。
【００５０】
例えば、犠牲層として機能する二酸化珪素を、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセスを用いて、珪素カンチレバー上に被着させてシリコンカンチレバーを一様に被覆するのが良い。窒化珪素を二酸化珪素上に被着させて二酸化珪素を一様に被覆するのが良い。収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いてカンチレバーの先端の近くに小さな開口部を切断形成するのが良い。弗化水素酸を用いたガスエッチングによって犠牲二酸化珪素層を除去し、カンチレバーの共振器部分を露出させる。幾つかの実施形態では、疎水性被膜をプローブに被着させて水が開口部に入るのを阻止するのを助けるのが良い。
【００５１】
結論
本明細書において説明した実施形態は、通常のカンチレバーの直ぐ周りに設けられた収納具を提供する。さらに、透明な収納具により、器具をそれ以上改造することなく、幾つかの市販のＡＦＭ上でプローブを用いることが可能である。
【００５２】
理解されるべきこととして、上述の説明及び実施例は、本発明を制限するものではなく例示である。上述の説明及び実施例を読むと当業者には多くの実施形態が明らかであろう。したがって、本明細書において説明した実施形態又は発明の範囲は、上述の説明及び実施例を参照して定められるものではなく、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲の均等範囲全体と一緒にかかる特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきである。
【図１】
2014526684.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014526684.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年5月12日(2014.5.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサであって、
共振器と、
前記共振器に取り付けられたプローブと、
前記共振器を収納した収納具と、を有し、前記収納具は、前記プローブが貫通して突き出る開口部を規定し、前記収納具の寸法は、前記共振器の寸法と同程度である、センサ。
【請求項２】
前記共振器は、カンチレバー、メンブレン、及び吊りビームから成る群から選択されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記共振器は、カンチレバーから成り、
前記カンチレバーの厚さは、約１０ｎｍ〜２０ミクロンであり、
前記カンチレバーの幅は、約１０ｎｍ〜２００ミクロンであり、
前記カンチレバーの長さは、約１０ｎｍ〜５００ミクロンである、請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記共振器は、カンチレバーから成り、
前記収納具の厚さは、約１０ｎｍ〜２０ミクロンであり、
前記収納具の幅は、約１０ｎｍ〜２５０ミクロンであり、
前記収納具の長さは、約１０ｎｍ〜５５０ミクロンである、請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記共振器は、メンブレンから成り、
前記メンブレンの厚さは、約１０ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
前記共振器は、メンブレンから成り、
前記メンブレンは、円形の形状、正多角形の形状、及び多角形の形状から成る群から選択された形状を有する、請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
前記共振器は、メンブレンから成り、
前記収納具の厚さは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンである、請求項１記載のセンサ。
【請求項８】
前記共振器は、吊りビームから成り、
前記ビームの厚さは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンであり、
前記ビームの幅は、約１００ｎｍ〜２００ミクロンであり、
前記ビームの長さは、約１００ｎｍ〜５００ミクロンである、請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
前記共振器は、吊りビームから成り、
前記収納具の厚さは、約１００ｎｍ〜２０ミクロンであり、
前記収納具の幅は、約１００ｎｍ〜２５０ミクロンであり、
前記収納具の長さは、約１００ｎｍ〜５５０ミクロンである、請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
前記収納具は、ガラス、プラスチック、絶縁材料、半導体材料、導電性材料、及び金属から成る群から選択された材料からなる、請求項１記載のセンサ。
【請求項１１】
前記収納具は、プラスチックから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項１２】
前記共振器は、ガラス、プラスチック、絶縁材料、半導体材料、圧電材料、ピエゾ抵抗材料、導電性材料、及び金属から成る群から選択された材料からなる、請求項１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記プローブは、ガラス、プラスチック、絶縁材料、半導体材料、導電性材料、及び金属から成る群から選択された材料からなる、請求項１記載のセンサ。
【請求項１４】
前記共振器、前記プローブ、及び前記収納具は、前記共振器の位置の測定を可能にするよう構成されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項１５】
前記測定は、光ビーム撓み式測定、干渉式測定、光ビーム回折式測定、容量式測定、圧電式測定、及びピエゾ抵抗式測定から成る群から選択されている、請求項１４記載のセンサ。
【国際調査報告】
2014526684.tif 000014
2014526684.tif 000015