(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出質量体と一体に振動する片持ち梁状の被検出側微小機械振動子と前記被検出側微小機械振動子と並列配置して別個に振動する片持ち梁状の検出照準側微小機械振動子と前記被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子の梁中間連結部位で相互に架橋連結して被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子を相互に連結した状態で振動する架橋連結子とを有する質量検知手段と、
前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子を加振させる交流電圧印加手段と、
前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子にそれぞれ生じる微小振動の共振周波数を計測する微小振動計測手段と、
前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子に静電引力を発生させる被検出側直流電圧印加手段と、
前記被検出側直流電圧印加手段の直流電圧を制御して微小振動計測手段で計測された被検出側微小機械振動子の共振周波数を検出照準側微小機械振動子の共振周波数に一致させる共振周波数制御手段と、
前記被検出側直流電圧印加手段で印加した直流電圧に基づいて被検出質量体の質量を算出する質量算出手段とを少なくとも備えていることを特徴とする超微小質量検出装置。
【請求項２】
前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子が、シリコン基板上の絶縁層上に形成したアース電極と前記アース電極にそれぞれ離間対向して絶縁層上に形成した被検出側対向電極および検出照準側対向電極との間でそれぞれ微小振動自在に配置されていることを特徴とする請求項１記載の超微小質量検出装置。
【請求項３】
前記被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の自由端部位から架橋連結子との梁中間連結部位までの梁自由端側長さが、前記被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子のアース電極接続部位から架橋連結子との梁中間連結部位までの梁基端側長さよりも長く形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超微小質量検出装置。
【請求項４】
前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子と同一断面形状で対向配置する片持ち梁状の被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子が、前記被検出側対向電極および検出照準側対向電極からそれぞれ突出していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の超微小質量検出装置。
【請求項５】
前記被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の梁自由端側長さが、前記被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子の梁突出長さよりも長く形成されていることを特徴とする請求項４記載の超微小質量検出装置。
【請求項６】
前記被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子との共振周波数を質量検出前の初期設定時に補正して一致させる初期調整用直流電圧印加手段が、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の少なくともいずれか一方に静電引力を印加するように接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の超微小質量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電引力により共振周波数を制御可能な質量検知手段を用いた超微小質量検出装置に関するものであって、特に、被検出質量体と一体に振動する被検出側微小機械振動子とこれに並列配置されて別個に振動する検出照準側微小機械振動子とが連成振動（すなわち、相互に連結した状態で振動）する質量検知手段を用いた超微小質量検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の質量センサーとして、カーボンナノチューブを片持ち梁状振動子として用いた質量センサーがあり、この質量センサーでは、振動子の共振周波数の変化量を測定することによって付加質量を求めている（例えば、非特許文献１参照）。
以下の数式に共振周波数の変化量Δｆと付加質量Δｍの関係性を示す。
なお、ｆは、質量を付加する前の振動子の共振周波数、ｍは、質量を付加する前の振動子の質量である。
［式１］
Δｆ＝（Δｍ／２ｍ）×ｆ
【０００３】
このような質量センサーでは、検知対象の質量が付着した際に生じる共振周波数の変化量を大きくするために、上記の式１から明らかなように、センサー自体の質量を小さくしたり、あるいは、共振周波数自体を大きくしたりしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K. Jensen et al., ”An atomic-resolution nanomechanical mass sensor”, Nature Nanotechnology, 2008, 3, pp.533-537
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、センサーの素材としてカーボンナノチューブを使用しているためセンサー自体の軽量化は既に限界に達しており、共振周波数に関しても、その高いヤング率ゆえに数１００ＭＨｚからＧＨｚという高い共振周波数を既に達成し、これ以上高い共振周波数には物理的に困難となっている。
【０００６】
そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、被検出側微小機械振動子の固有振動数と検出照準側微小機械振動子の固有振動数とを静電引力で一致させる際の直流電圧に基づいて被検出質量体の質量を高精度に算出する超微小質量検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本請求項１に係る発明は、被検出質量体と一体に振動する片持ち梁状の被検出側微小機械振動子と前記被検出側微小機械振動子と並列配置して別個に振動する片持ち梁状の検出照準側微小機械振動子と前記被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子の梁中間連結部位で相互に架橋連結して被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子を相互に連結した状態で振動する架橋連結子とを有する質量検知手段と、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子を加振させる交流電圧印加手段と、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子にそれぞれ生じる微小振動の共振周波数を計測する微小振動計測手段と、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子に静電引力を発生させる被検出側直流電圧印加手段と、前記被検出側直流電圧印加手段の直流電圧を制御して微小振動計測手段で計測された被検出側微小機械振動子の共振周波数を検出照準側微小機械振動子の共振周波数に一致させる共振周波数制御手段と、前記被検出側直流電圧印加手段で印加した直流電圧に基づいて被検出質量体の質量を算出する質量算出手段とを少なくとも備えていることにより、前述した課題を解決するものである。
ここで、本発明で言う「被検出質量体の質量」とは、希薄ガス、タンパク質、重元素などの被検出質量体が有する超微小な質量を意味している。
【０００８】
本請求項２に係る発明は、請求項１記載の構成に加えて、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子が、シリコン基板上の絶縁層上に形成したアース電極とアース電極にそれぞれ離間対向して絶縁層上に形成した被検出側対向電極および検出照準側対向電極との間でそれぞれ微小振動自在に配置されていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【０００９】
本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２記載の構成に加えて、前記被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の自由端部位から架橋連結子との梁中間連結部位までの梁自由端側長さが、前記被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子のアース電極接続部位から架橋連結子との梁中間連結部位までの梁基端側長さよりも長く形成されていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１０】
本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の構成に加えて、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子と同一断面形状で対向配置する片持ち梁状の被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子が、前記被検出側対向電極および検出照準側対向電極からそれぞれ突出していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１１】
本請求項５に係る発明は、請求項４記載の構成に加えて、前記被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の梁自由端側長さが、前記被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子の梁突出長さよりも長く形成されていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１２】
本請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の構成に加えて、前記被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子との共振周波数を質量検出前の初期設定時に補正して一致させる初期調整用直流電圧印加手段が、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の少なくともいずれか一方に静電引力を印加するように接続されていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本請求項１に係る発明の超微小質量検出装置によれば、質量検知手段と交流電圧印加手段と微小振動計測手段と被検出側直流電圧印加手段と共振周波数制御手段と質量算出手段とを少なくとも備えていることにより、微小振動計測手段が交流電圧印加手段で加振した質量検知手段の被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子とにそれぞれ生じる微小振動を計測するとともに、共振周波数制御手段が被検出側直流電圧印加手段で静電引力を印加した被検出側微小機械振動子の共振周波数を検出照準側微小機械振動子の共振周波数に一致させるため、被検出側直流電圧印加手段で印加した直流電圧に基づいて質量算出手段で被検出質量体の質量を算出することができる。
【００１４】
本請求項２に係る発明の超微小質量検出装置によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子が、シリコン基板上の絶縁層上に形成したアース電極とこのアース電極にそれぞれ離間対向して絶縁層上に形成した被検出側対向電極および検出照準側対向電極との間でそれぞれ微小振動自在に配置されていることにより、被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子とにそれぞれ別個に静電引力を印加することが可能になるため、被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子のそれぞれの共振周波数を別個に制御することができる。
【００１５】
本請求項３に係る発明の超微小質量検出装置によれば、請求項１または請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の自由端部位から架橋連結子との梁中間連結部位までの梁自由端側長さが、被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子のアース電極接続部位から架橋連結子との梁中間連結部位までの梁基端側長さよりも長く形成されていることにより、梁自由端部の振幅を大きくすることが可能になるため、質量検出時の微小振動であっても被検出質量体の質量を感度良く検出することができる。
【００１６】
本請求項４に係る発明の超微小質量検出装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子と同一断面形状で対向配置する片持ち梁状の被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子が、被検出側対向電極および検出照準側対向電極からそれぞれ突出していることにより、質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子と被検出側対向電極側の被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極側の検出照準側対向電極端子との相互間で交流電圧や直流電圧が確実に印加されるため、共振による微小振動や静電引力による復元力が確実に発生して被検出質量体の質量をより超高精度に検出することができる。
【００１７】
本請求項５に係る発明の超微小質量検出装置によれば、請求項４に係る発明が奏する効果に加えて、被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の梁自由端側長さが、被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子の梁突出長さよりも長く形成されていることにより、静電引力による復元力が被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子に対して相対的に被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子で生じるため、共振周波数を確実に制御することができる。
【００１８】
本請求項６に係る発明の超微小質量検出装置によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子との共振周波数を質量検出前の初期設定時に補正して一致させる初期調整用直流電圧印加手段が、質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の少なくともいずれか一方に静電引力を印加するように接続されていることにより、質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の少なくともいずれか一方に静電引力を発生させて、質量検出前の初期設定時に被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子との作動誤差が補正可能になるため、質量検出前の初期設定作業を軽減し、被検出質量体の質量をより超高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例である超微小質量検出装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施例である質量検知手段の斜視図。
【図３】本発明の一実施例である質量検知手段の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の超微小質量検出装置は、被検出質量体と一体に振動する片持ち梁状の被検出側微小機械振動子とこの被検出側微小機械振動子と並列配置して別個に振動する片持ち梁状の検出照準側微小機械振動子と前記被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子の梁中間連結部位で相互に架橋連結して被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子を相互に連結した状態で振動する架橋連結子とを有する質量検知手段と、この質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子を加振させる交流電圧印加手段と、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子にそれぞれ生じる微小振動を計測する微小振動計測手段と、前記質量検知手段の被検出側微小機械振動子に静電引力を発生させる被検出側直流電圧印加手段と、この被検出側直流電圧印加手段の直流電圧を制御して微小振動計測手段で計測された被検出側微小機械振動子の共振周波数を検出照準側微小機械振動子の共振周波数に一致させる共振周波数制御手段と、前記被検出側直流電圧印加手段で印加した直流電圧に基づいて被検出質量体の質量を算出する質量算出手段とを少なくとも備え、被検出側直流電圧印加手段で印加した直流電圧に基づいて質量算出手段で被検出質量体の質量を算出するものであれば、その具体的な実施態様は、如何なるものであっても構わない。
【００２１】
ここで、本発明の超微小質量検出装置で検出可能な具体的な被検出質量体としては、希薄ガス、タンパク質、重元素などを例示するが、これら以外の超微小な質量を有する被検出質量体であっても何ら構わない。
換言すると、本発明の超微小質量検出装置の検出対象は、ｚｇ（１０＾（−２４）ｋｇ）オーダーの質量を有する物質である。
また、被検出側微小機械振動子に対する被検出質量体の付着位置については、被検出側微小機械振動子の先端であれば、幅方向の付着位置は何処であっても差し支えない。
【００２２】
また、本発明の超微小質量検出装置で用いる質量検知手段の具体的形態については、被検出質量体と一体に振動する片持ち梁状の被検出側微小機械振動子とこの被検出側微小機械振動子と並列配置して別個に振動する片持ち梁状の検出照準側微小機械振動子と前記被検出側微小機械振動子と検出照準側微小機械振動子の梁中間連結部位で相互に架橋連結して被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子を相互に連結した状態で振動する架橋連結子とを有するものであれば良く、さらに、被検出側微小機械振動子および被検出側対向電極端子の具体的な断面形状ついては、被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の断面形状が、被検出側対向電極端子および検出照準側対向電極端子の断面形状と同一であれば、矩形断面、円形断面、楕円断面などのいずれの断面形状であって何ら差し支えない。
【００２３】
さらに、本発明の超微小質量検出装置で用いる微小振動計測手段については、測定光のスポット径が約５．０μｍ程度の測定光を発生させる光ヘテロダイン微小振動測定装置を用いれば良いが、被検出側微小機械振動子および検出照準側微小機械振動子の振幅をさらに精度良く測定するためには、測定領域が５．０μｍよりもさらに小さい微小振動測定装置を用いるのが好ましい。
【００２４】
なお、以下の実施例で説明する質量検出手段の各寸法は、本発明を説明するための一例に過ぎず、共振による微小振動や静電引力による復元力が確実に発生して被検出質量体の質量を検出することができるものであれば、その各寸法に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
以下に、本発明の一実施例である超微小質量検出装置１００について、図１乃至図３に基づいて説明する。
【００２６】
図１に本発明の一実施例である超微小質量検出装置１００の全体構成を示すブロック図を示す。
本実施例の超微小質量検出装置１００は、被検出質量体Ｍの微小な質量を測定する質量検知手段１１０と、この質量検知手段１１０に交流電圧を印加する交流電圧印加手段である交流電源１２０と、質量検知手段１１０に直流電圧を印加する被検出側直流電圧印加手段である被検出側直流電源１４０と、質量検知手段１１０に直流電圧を印加することで質量検知手段１１０の初期調整を行う初期調整用直流電圧印加手段である初期調整用直流電源１５０とを備えている。
さらに、超微小質量検出装置１００は、質量検知手段１１０が備える微小機械振動子の振動を計測する微小振動計測手段である光ヘテロダイン微小振動測定装置１３０と、この光ヘテロダイン微小振動測定装置１３０から得られた振動情報Iｖを元に被検出側直流電源１４０を制御するための制御量Ｃを算出する共振周波数制御手段１６０と、被検出側直流電源１４０から質量検知手段１１０に印加した被検出側印加直流電圧Ｖ（ＤＣ−Ｔ）の被検出側印加直流電圧量Ｉ（Ｖ−ＤＣ）を元に質量を算出する質量算出手段１７０とを備えている。
【００２７】
まず、本実施例の超微小質量検出装置１００で用いる質量検出手段１１０について、図２及び図３により、詳しく説明する。
質量検出手段１１０は、図２に示すように、シリコン層Ｓ１とシリコン層Ｓ２の間に絶縁層Ｉを有したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に形成されている。
【００２８】
前述したシリコン層Ｓ１は、エッチングによりシリコン層Ｓ１１とシリコン層Ｓ１２及びシリコン層Ｓ１３とが対向離間され、さらにシリコン層Ｓ１２とシリコン層Ｓ１３とが対向離間されている。
そして、シリコン層Ｓ１１の上には、クロムと金からなるアース電極Ｅｂが形成され、シリコン層Ｓ１２の上には、クロムと金からなる被検出側対向電極Ｅｔが形成され、シリコン層Ｓ１３の上にはクロムと金からなる検出照準側対向電極Ｅｓが形成されている。
【００２９】
さらに、被検出側対向電極Ｅｔには、交流電源１２０の正極側および被検出側直流電源１４０の正極側が接続されている。
検出照準側対向電極Ｅｓには、交流電源１２０の正極側および初期調整用直流電源１５０の正極側が接続されている。
アース電極Ｅｂには、交流電源１２０の負極側および被検出側直流電源１４０の負極側および初期調整用直流電源１５０の負極側が接続されている。
【００３０】
そして、アース電極Ｅｂの上には、質量検出手段１１０が形成されており、被検出側対向電極Ｅｔからは、被検出側対向電極端子１１４が突出しており、検出照準側対向電極Ｅｓからは、検出照準側対向電極端子１１５が突出している。
これらにより、後述する質量検知手段１１０の被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２と被検出側対向電極側の被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極側の検出照準側対向電極端子１１５との相互間で交流電圧や直流電圧が確実に印加されるようになっている。
【００３１】
さらに、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２と同一断面形状で対向配置する片持ち梁状の被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５が、被検出側対向電極Ｅｔおよび検出照準側対向電極Ｅｓとからそれぞれ突出している。
これにより、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２と被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５との相互間で交流電圧や直流電圧が確実に印加される。
【００３２】
質量検出手段１１０の詳細な構造について、質量検出手段１１０の平面図である図３を用いて説明する。
アース電極Ｅｂから約６．０μｍの長さを有する被検出側微小機械振動子１１１と約６．０μｍの長さを有する検出照準側微小機械振動子１１２とが別個に突出しており、被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２とを梁中間連結部位で約２．０μｍの長さを有する架橋連結子１１３が架橋連結している。
これにより、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の共振を利用することができ、特に、エネルギー効率が最も良い１次の共振周波数および共振モードを利用することができる。
【００３３】
そして、前述した被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２とが梁中間連結部位で架橋連結子１１３によって架橋連結されている。
これにより、被検出側微小機械振動子１１１の１次共振における振動モードと検出照準側微小機械振動子１１２の１次共振における振動モードが同位相で振動する第一振動モードと、被検出側微小機械振動子１１１の１次共振における振動モードと検出照準側微小機械振動子１１２の１次共振における振動モードが逆位相で振動する第二振動モードとが現れる。
【００３４】
被検出側微小機械振動子１１１の矩形状の断面形状は、厚みが約０．２μｍであり、端子幅が約０．２μｍであり、被検出側対向電極端子１１４の断面形状と同一である。
また、検出照準側微小機械振動子１１２の矩形状の断面形状は、厚みが約０．２μｍであり、端子幅が約０．２μｍであり、検出照準側対向電極端子１１５の断面形状と同一である。
【００３５】
さらに、上述した被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の自由端部位から架橋連結子１１３との梁中間連結部位までの梁自由端側長さＬ１（約４．０μｍ）は、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２のアース電極接続部位から架橋連結子１１３との梁中間連結部位までの梁基端側長さＬ２（約２．０μｍ）よりも長く形成されている。
これにより、質量検出手段１１０における梁自由端部の振幅を大きくすることが可能になっている。
【００３６】
また、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の梁自由端側長さＬ１（約４．０μｍ）は、被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５の梁突出長さＬ３（約０．５μｍ）よりも長く形成されている。被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の梁自由端は、被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５の梁突出端に対して、約０．３μｍの離間間隔でそれぞれ対向している。
これにより、静電引力による復元力が、被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５に対して相対的に被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２で生じるようになっている。
【００３７】
図１に戻り、質量検出手段１１０以外の超微小質量検出装置１００の構成について説明する。
本実施例で用いる光ヘテロダイン微小振動測定装置１３０は、測定光のスポット径が約５．０μｍ程度の測定光を発生させることが可能なものであって、このような測定光を被検出側微小機械振動子１１１の先端１１１ａおよび検出照準側微小機械振動子１１２の先端１１２ａに照射し、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の振動を測定する。
【００３８】
本実施例で用い被検出側直流電源１４０は、後述する共振周波数制御手段１６０によって算出された制御量Ｃに基づいて被検出側微小機械振動子１１１の共振周波数を変化させるものであって、質量検知手段１１０の被検出側微小機械振動子１１１に静電引力を印加するように接続されている。
【００３９】
本実施例で用いる初期調整用直流電源１５０は、被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２との共振周波数を質量検出前の初期設定時に補正して一致させるものであって、質量検知手段１１０の検出照準側微小機械振動子１１２に静電引力を印加するように接続されている。
この初期調整用直流電源１５０により、質量検知手段１１０検出照準側微小機械振動子１１２に静電引力を発生させて、質量検出前の初期設定時に被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２との作動誤差を補正している。
【００４０】
つぎに、被検出質量体Ｍが付着されていない状態における本発明の第１実施例である超微小質量検出装置１００の挙動について説明する。
【００４１】
まず、交流電源１２０が被検出側対向電極Ｅｔとアース電極Ｅｂとの間に被検出側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｔ）を印可し、検出照準側対向電極Ｅｓとアース電極Ｅｂとの間に検出照準側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｓ）を印加する。
これにより、被検出側微小機械振動子１１１と被検出側対向電極端子１１４との間で周期的な静電引力Ｆ（ｄＴ）が、検出照準側微小機械振動子１１２と検出照準側対向電極端子１１５との間で周期的な静電引力Ｆ（ｄＳ）がそれぞれ働く。
つまり、被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２とにそれぞれ別個に静電引力が印加される。
このような別個の周期的な静電引力Ｆ（ｄＴ）および静電引力Ｆ（ｄＳ）によって、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２に周期的な復元力が働き、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２が自由振動する。
【００４２】
ここで、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の梁自由端側長さＬ１が、被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５の梁突出長さＬ３よりも長く形成されていることにより、静電引力による復元力が被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５に対して相対的に被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２で生じる。
【００４３】
さらに、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２に印加される被検出側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｔ）および検出照準側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｓ）の周波数を掃引させる。
これにより、被検出側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｔ）および検出照準側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｓ）の周波数と被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の固有振動数が一致すると、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２が共振する。
【００４４】
そして、上述したような振動している被検出側微小機械振動子１１１の先端１１１ａに対して光ヘテロダイン微小振動測定装置１３０から測定光を照射して、被検出側微小機械振動子１１１の振動の被検出側微小機械振動子振動情報Ｉ（ｖ−Ｔ）を得る。
なお、光ヘテロダイン微小振動測定装置１３０は、測定光を検出照準側微小機械振動子１１２の先端１１２ａにも照射することができ、検出照準側微小機械振動子１１２の検出照準側微小機械振動子振動情報Ｉ（ｖ−Ｓ）も得ることができる。
【００４５】
ここで、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の物性および寸法が完全に一致している場合、第一振動モードのみが現れる。これを完全結合状態と呼ぶ。
【００４６】
続いて、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の物性および寸法が完全に一致している場合における、本発明の第１実施例である超微小質量検出装置１００を用いた質量検出方法について説明する。
【００４７】
まず、超微小な質量を有する被検出質量体Ｍを質量検出手段１１０の被検出側微小機械振動子１１１に付着させる。
【００４８】
そして、交流電源１２０により、被検出側対向電極Ｅｔとアース電極Ｅｂとの間に被検出側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｔ）を周波数を掃引しつつ印可し、検出照準側対向電極Ｅｓとアース電極Ｅｂとの間に検出照準側印加交流電圧Ｖ（ＡＣ−Ｓ）を周波数を掃引しつつ印加する。
【００４９】
そして、光ヘテロダイン微小振動測定装置１３０から測定光を照射して、被検出側微小機械振動子１１１の被検出側微小機械振動子振動情報Ｉ（ｖ−Ｔ）を取得し、周波数スペクトル等の振動情報Ｉｖに変換する。
このとき、被検出側微小機械振動子１１１に被検出質量体Ｍが付着していると、第一振動モードに加え、第二振動モードも現れる。
【００５０】
そして、得られた振動情報Ｉｖに対して、共振周波数制御手段１６０が第二振動モードを打ち消すように制御量Ｃを算出する。
【００５１】
被検出側直流電源１４０は、共振周波数制御手段１６０と接続されている。
そして、制御量Ｃに応じて被検出側直流電源１４０が被検出側対向電極Ｅｔとアース電極Ｅｂとの間に被検出側印加直流電圧Ｖ（ＤＣ−Ｔ）を印加する。
これにより、被検出側微小機械振動子１１１と被検出側対向電極端子１１４との間に静的な静電引力Ｆ（ｓＴ）が働く。
【００５２】
被検出側微小機械振動子１１１に静的な静電引力Ｆ（ｓＴ）が働くと、被検出側微小機械振動子１１１に静的な復元力が働き、被検出側微小機械振動子１１１の固有振動数が変化する。
これにより、被検出側微小機械振動子１１１の周波数スペクトルが変化し、第一振動モードのみが現れるようになる。
【００５３】
このとき、被検出側微小機械振動子１１１の共振周波数を検出照準側微小機械振動子１１２の共振周波数に一致させるために印加した被検出側直流電源１４０の被検出側印加直流電圧量Ｉ（Ｖ−ＤＣ）に基づいて、質量算出手段１７０で被検出質量体Ｍの質量を算出して検出操作を完了する。
【００５４】
上述した超微小質量検出装置１００の動作は、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の物性および寸法が完全に一致した状態の動作であり、現実には被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の物性および寸法は一致していない。
そこで、以下に被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の物性および寸法が完全に一致していない場合について説明する。
【００５５】
被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の物性および寸法が完全に一致していない場合、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の固有振動数は一致しない。
すなわち、この場合、被検出側微小機械振動子１１１に被検出質量体Ｍを付着していないにも関わらず、第一振動モードのみならず第二振動モードも現れる。
【００５６】
そこで、被検出質量体Ｍを被検出側微小機械振動子１１１に付着させる前に、初期設定をして、第一振動モードのみが現れるようする必要がある。
このため、本実施例の超微小質量検出装置１００では、質量検出前の初期設定時に、被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２との共振周波数を補正して一致させるために初期調整用直流電源１５０を用いる。
【００５７】
したがって、本実施例の超微小質量検出装置１００では、初期調整用直流電源１５０を用いて、検出照準側対向電極Ｅｓとアース電極Ｅｂとの間に直流電圧を印加することによって、検出照準側微小機械振動子１１２と検出照準側対向電極端子１１５との間に静的な静電引力Ｆ（ｓＳ）が働き、検出照準側微小機械振動子１１２にかかる復元力が増すことで、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の物性および寸法の誤差を補正している。
【００５８】
このようにして得られた本発明の一実施例である超微小質量検出装置１００は、質量検知手段１１０と交流電源１２０と光ヘテロダイン微小振動測定装置１３０と被検出側直流電源１４０と初期調整用直流電源１５０と共振周波数制御手段１６０と質量算出手段１７０とを備えていることにより、被検出側直流電源１４０で印加した直流電圧に基づいて質量算出手段１７０で被検出質量体Ｍの質量を算出することができる。
【００５９】
そして、質量検知手段１１０の被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２が、シリコン基板上の絶縁層上に形成したアース電極Ｅｂとこのアース電極Ｅｂにそれぞれ離間対向して絶縁層Ｉ上に形成した被検出側対向電極Ｅｔおよび検出照準側対向電極Ｅｓとの間でそれぞれ微小振動自在に配置され、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２と同一断面形状で対向配置する片持ち梁状の被検出側対向電極端子１１４および検出照準側対向電極端子１１５が、被検出側対向電極Ｅｔおよび検出照準側対向電極Ｅｓからそれぞれ突出していることにより、被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２のそれぞれの共振周波数を別個に制御可能となり、共振による微小振動や静電引力による復元力が確実に発生して被検出質量体Ｍの質量をより超高精度に検出することができる。
【００６０】
さらに、被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２との共振周波数を質量検出前の初期設定時に補正して一致させる初期調整用直流電源１５０が、質量検知手段１１０の被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の少なくともいずれか一方に静電引力を印加するように接続されていることにより、質量検知手段１１０の被検出側微小機械振動子１１１および検出照準側微小機械振動子１１２の少なくともいずれか一方に静電引力を発生させて、質量検出前の初期設定時に被検出側微小機械振動子１１１と検出照準側微小機械振動子１１２との作動誤差が補正可能になるため、質量検出前の初期設定作業を軽減し、被検出質量体Ｍをより超高精度に質量検出することができるなど、その効果は甚大である。
【符号の説明】
【００６１】
１００              ・・・  超微小質量検出装置
１１０              ・・・  質量検知手段
１１１              ・・・  被検出側微小機械振動子
１１１ａ            ・・・  被検出側微小機械振動子自由端
１１２              ・・・  検出照準側微小機械振動子
１１２ａ            ・・・  検出照準側微小機械振動子自由端
１１３              ・・・  架橋連結子
１１４              ・・・  被検出側対向電極端子
１１５              ・・・  検出照準側対向電極端子
１２０              ・・・  交流電源（交流電圧印加手段）
１３０              ・・・  光ヘテロダイン微小振動測定装置（微小振動計測手段）
１４０              ・・・  被検出側直流電源（被検出側直流電圧印加手段）
１５０              ・・・  初期調整用直流電源（初期調整用直流電圧印加手段）
１６０              ・・・  共振周波数制御手段
１７０              ・・・  質量算出手段
Ｃ                  ・・・  制御量
Ｅｂ                ・・・  アース電極
Ｅｔ                ・・・  被検出側対向電極
Ｅｓ                ・・・  検出照準側対向電極
Ｆ（ｄＴ）、Ｆ（ｄＳ）              ・・・  周期的な静電引力
Ｆ（ｓＴ）、Ｆ（ｓＳ）              ・・・  静的な静電引力
Ｌ１                                ・・・  梁自由端側長さ
Ｌ２                                ・・・  梁基端側長さ
Ｌ３                                ・・・  梁突出長さ
Ｓ１、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ２  ・・・  シリコン層
Ｍ                                  ・・・  被検出質量体
Ｉ                                  ・・・  絶縁層
Ｉｖ                                ・・・  振動情報
Ｉ（Ｖ−ＤＣ）                      ・・・  被検出側印加直流電圧量
Ｉ（ｖ−Ｔ）                        ・・・  被検出側微小機械振動子振動情報
Ｉ（ｖ−Ｓ）                        ・・・  検出照準側微小機械振動子振動情報
Ｖ（ＡＣ−Ｔ）                      ・・・  被検出側印加交流電圧
Ｖ（ＤＣ−Ｔ）                      ・・・  被検出側印加直流電圧
Ｖ（ＡＣ−Ｓ）                      ・・・  検出照準側印加交流電圧
Ｖ（ＤＣ−Ｓ）                      ・・・  検出照準側印加直流電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
0006326659.tif 000004