(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部を有する機械振動素子の前記振動部の機械振動を検出するための振動検出装置であって、
一端が前記振動部に近接して配置される探針と、
一端が前記探針の他端に接続された第１インダクタと、
前記第１インダクタの他端に交流信号を印加するとともに、前記第１インダクタの他端から出力される前記交流信号の反射信号の変化を検出する反射信号検出部と、
を有する
ことを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の振動検出装置において、
抵抗を更に有し、
前記抵抗は、前記探針の前記他端と前記振動部との間、または前記探針の前記他端と前記第１インダクタの一端との間に接続される
ことを特徴とする振動検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の振動検出装置において、
容量を更に有し、
前記容量は、前記探針の前記他端と前記振動部との間、または前記探針の前記他端と前記第１インダクタの一端との間に接続される
ことを特徴とする振動検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の振動検出装置において、
前記探針の前記他端と前記反射信号検出部との間に共振回路を更に有し、
前記共振回路は、
前記第１インダクタの他端と前記反射信号検出部との間に直列に接続される第２インダクタと、
前記第１インダクタと前記第２インダクタとが接続されるノードと前記振動部との間に接続されるキャパシタとを含む
ことを特徴とする振動検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の振動検出装置において、
前記共振回路は、
前記キャパシタと並列に接続される抵抗を更に含む
ことを特徴とする振動検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載の振動検出装置において、
交流信号を生成する交流信号生成部を更に有し、
前記機械振動素子は、
導電性を有する材料から構成された基板と、
絶縁性を有する材料から構成され、前記基板に前記振動部を支持するための支持部と、を更に有し、
前記交流信号生成部は、生成した交流信号を前記振動部と前記基板との間に印加する
ことを特徴とする振動検出装置。
【請求項７】
振動部を有する機械振動素子の振動を検出するための振動検出装置であって、
一端が前記振動部に近接して配置される探針と、
一端が前記振動部に接続されるインダクタと、
前記インダクタの他端に交流信号を印加するとともに、前記インダクタの他端から出力される前記交流信号の反射信号を検出する反射信号検出部と、
を有する
ことを特徴とする振動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動部を有する機械振動素子の機械的な振動を検出するための振動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、片持ち梁構造や橋桁構造のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）は、質量センサや原子間力顕微鏡等に用いられている。例えば、図１７に示すように、ＭＥＭＳ技術による機械振動素子は、ベースとなる基板と、上記基板に支持され、宙吊りにされた両持ち梁構造の機械振動部とを有し、上記振動部と上記基板との間に交流電圧を印加することにより、静電気力によって上記機械振動部が上下に振動する素子である。
【０００３】
上記機械振動素子は、上記交流電圧として当該機械振動素子の共振周波数の交流信号を印加することにより、効率的に振動させることができる。上記機械振動素子の共振周波数ｆは、機械振動部における宙吊りされている部分の長さ等によって決まる。例えば、上記長さが短いほど共振周波数ｆは高くなる。
【０００４】
機械振動部に質量ｄｍの物質が付着した場合、共振周波数ｆは、“ｄｆ＝ｆ＊ｄｍ／２ｍ”だけ変化する。ここで、ｍは機械振動部の質量である。この共振周波数の変化量ｄｆをモニタすることにより、上記機械振動素子は、機械振動部に付着した物質を検出する質量センサとして利用できる。
【０００５】
このとき、機械振動部の質量ｍを小さくするほど、また、機械振動素子の共振周波数ｆを大きくするほど、共振周波数の変化量ｄｆが大きくなるので、より小さなｄｍを検出できるようになり、質量センサとしての検出感度を向上させることができる。そのため、近年では、微細化加工技術を用いることにより、機械振動部のサイズを小さくするだけでなく、機械振動部として原子１層の厚さからなるグラフェンや層状物質を用いることが試みられている。例えば、非特許文献１には、金原子数個分に相当する１０-21グラムの感度をもつセンサが報告されている。その他、量子化振動や非線形振動を検出するための素子として、学術的観点からもＭＥＭＳは非常に有益な素子と言える。
【０００６】
一般に、ＭＥＭＳの機械振動素子を質量センサや原子間力顕微鏡等に用いる場合、機械振動素子の振動部による機械振動を検出することが必須となる。上述のようなＭＥＭＳの機械振動を高感度に検出するための従来技術として、光を用いた検出手法と電気的な検出手法が知られている。
【０００７】
例えば、光を用いた検出手法として、非特許文献２に、ＭＥＭＳの機械振動部分に光を照射し、その反射光をモニタすることによってＭＥＭＳの機械振動を検出する技術が開示されている。また、レーザドップラ振動計を用いることによって、優れた振動検出感度を得る手法も知られている。
【０００８】
また、例えば、電気的な検出手法として、上述の非特許文献１に、機械振動部分として宙吊りにしたグラフェンを用い、そのグラフェンから離れて配置したゲート電極からの静電気力によって上記グラフェンを振動させることにより、グラフェンを流れる電流を変調させ、その電流をモニタすることで機械振動を検出する技術が開示されている。この技術によれば、小さな構造でも検出でき、また２００ＭＨｚの振動検出も可能になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Changyao Chen, et al., “Performance of monolayer graphene nanomechanical resonatorswith electrical readout”, Nature Nanotechnology, vol. 4, p. 861, December 2009.
【非特許文献２】R.van Leeuwen, et al., “Time-domain response of atomically thin MoS2 nanomechanical resonators”, Applied Physics Letters, vol. 105, p. 041911 ,2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のＭＥＭＳの機械振動を検出する技術では、以下に示すような問題がある。
例えば、非特許文献２に開示された光を用いた検出手法では、機械振動部のサイズが光の波長よりも小さい場合、その振動を検出することは非常に難しい。また、ＭＥＭＳのサイズが小さくなるにしたがい、機械振動素子の共振周波数が上昇する傾向がある。そのため、その共振周波数が数百ＭＨｚ以上になると、光で検出するのは容易ではない。すなわち、上記の光を用いた検出手法では、高速な機械振動を検出することが困難である。更に、機械振動部として原子数層レベルの層状の物質を用いた場合や、その物質が透過性を有する場合には、光の反射が非常に小さくなるため、光を用いた検出手法を適用することはできないという問題もある。
【００１１】
一方、非特許文献１に開示された電気的な検出手法では、上記の光を用いた検出手法に比べて高速な機械振動を検出することができるが、ゲート電極とグラフェンとの距離に比べて機械振動による変化量が相対的に小さいので、検出の感度が低いという問題がある。そのため、上記の電気的な検出手法では、強い振動を発生させる必要があり、量子化振動などを検出することは非常に困難である。また、上記の電気的な検出手法では、機械振動部の抵抗成分が大きい場合、その抵抗成分と浮遊容量等で構成されるＲＣ時定数の影響により、検出速度が遅くなるという問題がある。
【００１２】
更に、上記の電気的な検出手法は、当該グラフェンを流れる電流の変化をモニタすることによって機械的な振動を検出するものであるが、ゲート電極からの静電気力によって上記電流が変化しない材料（例えば金属材料等）を機械振動部の構成材料として用いた場合には、機械的な振動を検出することができない。
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、機械振動を高速且つ高感度に検出するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る、振動部（５１）を有する機械振動素子（５）の前記振動部の機械振動を検出するための振動検出装置（１００〜１０７）は、一端が機械振動素子の振動部に近接して配置される探針（４）と、一端が探針の他端に接続された第１インダクタ（３）と、第１インダクタの他端に交流信号（２０）を印加するとともに、第１インダクタの他端から出力される交流信号の反射信号（２１）を検出する反射信号検出部（１）とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記振動検出装置（１０１、１０２）において、抵抗（８）を更に有し、抵抗は探針の他端と振動部との間、または探針の他端と第１インダクタの一端との間に接続されてもよい。
【００１６】
上記振動検出装置（１０３、１０４）において、キャパシタ（９）を更に有し、キャパシタは、探針の他端と振動部との間、または探針の他端と第１インダクタの一端との間に接続されてもよい。
【００１７】
上記振動検出装置（１０５、１０６）において、探針の他端と反射信号検出部との間に接続された共振回路（３０＿１〜３０＿ｎ（４０＿１〜４０＿ｎ））を更に有し、共振回路は、第１インダクタの他端と反射信号検出部との間に直列に接続される第２インダクタ（３１）と、第１インダクタと第２インダクタとが接続されるノードと振動部との間に接続されるキャパシタ（３２）とを含んでもよい。
【００１８】
上記振動検出装置（１０６）において、共振回路（４０＿１〜４０＿ｎ）は、キャパシタと並列に接続される抵抗（３３）を更に含んでもよい。
【００１９】
上記振動検出装置（１０７）において、交流信号を生成する交流信号生成部（６０）を更に有し、機械振動素子は、導電性を有する材料から構成された基板（５０）と、絶縁性を有する材料から構成され、基板に振動部を支持するための支持部（５２）とを更に有し、交流信号生成部は、生成した交流信号を振動部と基板との間に印加してもよい。
【００２０】
本発明に係る、振動部（５１）を有する機械振動素子（５）の前記振動部の機械振動を検出するための別の振動検出装置は、一端が振動部に近接して配置される探針（４）と、一端が振動部に接続されるインダクタ（３）と、インダクタの他端に交流信号（２０）を印加するとともに、インダクタの他端から出力された交流信号の反射信号（２１）を検出する反射信号検出部（１）とを有することを特徴とする。
【００２１】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって表している。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、機械振動を高速且つ高感度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施の形態１に係る振動検出装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る振動検出装置における共振回路の共振特性を示す図である。
【図３】図３は、振動検出素子が振動したときの振動部の形状の一例を示す図である。
【図４】図４は、振動検出素子の振動部が変形したときの実施の形態１に係る振動検出装置の共振特性の変化を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る振動検出装置の具体的な構成を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係る振動検出装置の別の具体的な構成を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る振動検出装置の構成を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態２に係る振動検出装置の別の構成を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態３に係る振動検出装置の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３に係る振動検出装置の別の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態４に係る振動検出装置の構成を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４に係る振動検出装置の共振特性を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態５に係る振動検出装置の構成を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態５に係る振動検出装置の共振特性を示す図である。
【図１５】図１５は、実施の形態６に係る振動検出装置の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態７に係る振動検出装置の構成を示す図である。
【図１７】図１７は、従来の機械振動素子の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２５】
≪実施の形態１≫
図１は、実施の形態１に係る振動検出装置の構成を示す図である。
同図に示される振動検出装置１００は、機械振動素子５の機械的な振動を検出するための装置である。
【００２６】
機械振動素子５は、振動を発生する振動部（振動面）を有する機械部品である。例えば、機械振動素子５は、外部から電圧等を印加することによって振動部が強制的な振動を発生するものでもよいし、熱振動等によって振動部が微小な振動を発生するものであってもよい。本実施の形態では、機械振動素子５が、ＭＥＭＳのような微細加工技術（例えば半導体製造技術）によって形成された機械部品である場合を一例として説明する。
機械振動素子５は、例えば公知の半導体製造技術によって形成されている。具体的に、図１に示すように、機械振動素子５は、例えば、基板５０、振動部５１、および支持部５２から構成されている。
【００２７】
基板５０は、機械振動素子５を形成するためのベースとなるものである。基板５０としては、シリコン基板、ガラス基板、および導電性を有する材料から成る基板等を例示することができる。
【００２８】
振動部５１は、例えば板状に形成されており、支持部材５２によって基板５０上に支持されている。振動部５１は、例えば、シリコン、化合物半導体、カーボンナノチューブ、または導電性のポリマー等によって構成されている。また、支持部材５２は、絶縁性を有する材料、例えばシリコン酸化膜等によって基板５０上に形成されている。
【００２９】
なお、本実施の形態では、機械振動素子５が、図１に示すように板状の振動部５１の４辺のうち１組の対向する２辺を支持部材５２によって支持する両持ち梁の橋桁構造を有するものとして説明する。
【００３０】
振動検出装置１００は、探針４、インダクタ３、方向性結合器（方向性カプラ）２、および反射信号検出部１を備えている。
【００３１】
探針４は、振動部５１の振動を検知するための部品である。探針４は、例えば、導電性を有する材料、例えば、シリコンやカーボンナノチューブ、またはタングステンやプラチナ等の金属材料を含む材料によって形成されている。図１に示されるように、探針４の一端（先端部）は、振動部５１に近接して配置される。
【００３２】
インダクタ３の一端は、探針４の他端（探針４の先端部の反対側の端部）に接続されている。インダクタ３としては、市販のチップインダクタやコイルの他に、基板上に金属材料をパターニングすることによって構成したインダクタ等を例示することができる。
【００３３】
反射信号検出部１は、インダクタ３の他端と振動部５１との間に交流信号２０を印加するとともに、インダクタ３の他端から出力される、交流信号２０に対する反射信号２１の変化を検出する機能部である。
反射信号検出部１からインダクタ３への交流信号２０の入力と、インダクタ３から反射信号検出部１への反射信号２１の入力は、例えば、方向性結合器２によって実現される。
【００３４】
方向性結合器２は、進行波と反射波を分離して取り出すための部品である。方向性結合器２は、反射信号検出部１の出力端子から出力された進行波としての交流信号２０をインダクタ３の他端に入力するとともに、インダクタ３の他端から出力された反射波としての反射信号２１を反射信号検出部１の入力端子に入力する。
【００３５】
ここで、振動検出装置１００の動作原理について説明する。
図１に示すように、機械振動素子５における振動部５１に近接して探針４の先端部を設置すると、探針４と振動部５１との間にキャパシタ６が形成される。また、探針４の他端（先端部の反対側の端部）にはインダクタ３が接続されているため、インダクタ３とキャパシタ６とにより、電気的な共振回路７が構成される。
この共振回路７の共振周波数ｆｅは、式（１）で表すことができる。ここで、Ｌはインダクタ３のインダクタンスであり、Ｃはキャパシタ６の容量値である。
【００３６】
【数１】
0006352854.tif 000002
【００３７】
図２は、実施の形態１に係る振動検出装置における共振回路の共振特性を示す図である。同図において、縦軸は共振回路７に蓄積（入力）される信号（エネルギー）を表し、横軸は周波数を表している。
同図に示されるように、共振回路７は、共振周波数ｆｅと等しい周波数の信号を蓄積し、それ以外の信号を反射する。しかしながら、実際には共振回路７に抵抗成分（例えば５０Ω成分等）が存在することから、図２に示されるように、共振周波数ｆｅ付近の周波数の信号も一部蓄積される。
【００３８】
したがって、図１に示すように交流信号２０をインダクタ３の端部から入力した場合、共振回路７の共振周波数ｆｅと等しい周波数成分と共振周波数ｆｅ付近の周波数成分（図２に示される周波数領域２０１の信号）は共振回路７に蓄積（入力）され、それら以外の周波数成分（図２に示される周波数領域２０２の信号）は共振回路７に入力されずに反射し、反射信号２１として反射信号検出部１に入力されることになる。
【００３９】
一般に、共振回路に蓄積される周波数範囲、すなわち共振特性の広がりはＱ値として表現され、その共振特性の半値幅をｄｆｅとした場合、Ｑ値は式（２）で表される。
【００４０】
【数２】
0006352854.tif 000003
【００４１】
ここで、共振回路７を構成するキャパシタ６の容量値Ｃは、探針４の先端部と振動部５１の振動面との間の距離に応じて変化する。例えば、図３に示すように、機械振動素子５における振動部５１の振動面が図３の上方向から下方向に撓んだ場合、探針４の先端部と振動部５１の振動面との間の距離が長くなるので、キャパシタ６の容量値Ｃは小さくなる。このとき、共振回路７の共振周波数は高周波側にシフトする。例えば、図４に示すように、共振回路７の共振周波数は“ｆｅ０”から“ｆｅ１”に変化する。これにより、共振回路７から反射される信号が増加する。すなわち、周波数ｆｅ０の交流信号２０を共振回路７に入力しているときに振動部５１が振動すると、共振回路７の共振周波数が変化するので、共振回路７に入力（蓄積）されずに反射する信号が増加する。
【００４２】
このように、機械振動素子５が振動すると、キャパシタ６の容量値の変化により共振回路７の共振周波数ｆｅが変化するので、共振回路７から反射される反射信号２１が変化する。振動検出装置１００では、この反射信号２１の変化量をモニタすることにより、機械振動素子５の振動を検出する。このとき、Ｑ値が大きいほど反射信号の変化量が大きくなることから、共振回路７のＱ値を大きくすることにより、キャパシタ６のより微小な変化、すなわち機械振動素子５のより微小な機械振動を検出できるようになる。
【００４３】
次に、振動検出器１００による検出可能な機械振動の速度について説明する。
上述の図２で示した共振特性（Ｑ値）は、共振回路の反応速度も表している。例えば、“１／ｄｆｅ”は共振回路に信号を蓄積する時間に相当する。そのため、時間“１／ｄｆｅ”よりも早い変化に、共振回路は追随することができない。すなわち、共振回路７は、“ｄｆｅ”よりも高い周波数の機械振動を検出することができない。
【００４４】
したがって、振動検出器１００における共振回路７は、“ｄｆｅ＝ｆｅ／Ｑ”が検出可能な上限の速度となる。一方、機械振動素子５の振動に応じて発生する信号は、共振回路７内でやり取りされるため、従来の電気的な検出手法のように、ＲＣ時定数による速度の制限がなく、高速化が容易となる。
【００４５】
振動検出器１００では、キャパシタ６を構成する探針４の先端部と機械振動素子５の振動部５１の振動面との間の距離を短くすることが望ましい。探針４の先端部と機械振動素子５の振動部５１の振動面との間の距離は、例えば公知の原子間力顕微鏡を用いることにより、数ｎｍまで近づけることが可能である。上記距離を短くすることにより、機械振動によるキャパシタ６の変化量を大きくすることができるので、検出感度を向上させることができる。
【００４６】
また、インダクタ３のインダクタンスＬは、振動検出の精度と振動検出の速度とを考慮して決定すればよい。例えば、インダクタ３のインダクタンスＬを大きくすると、共振回路７のＱ値の大きくなるため、振動検出器１００による振動検出の精度が向上する。しかしながら、共振回路７のＱ値を大きくすると、上述したように共振回路７の半値幅ｄｆｅが小さくなるため、検出速度が遅くなる。すなわち、振動検出の精度と振動検出の速度検出精度とはトレードオフの関係にあるので、上記関係を考慮してインダクタ３のインダクタンスＬを決定することが望ましい。
【００４７】
なお、信号を反射なく共振回路７に入力するためには、インダクタ３および探針４を含んだインピーダンスが５０Ωで整合が取れていることが望ましいが、必須ではない。
【００４８】
次に、振動検出装置１００を用いた機械振動の具体的な検出手法について説明する。
ここでは、反射信号検出部１として、市販のロックインアンプを用いる場合とロックインアンプ以外の装置を用いる場合について分けて説明する。
【００４９】
図５は、実施の形態１に係る振動検出装置１００の具体的な構成を示す図である。
同図には、反射信号検出部１として、市販のロックインアンプを用いる場合が例示されている。
図５に示すように、ロックインアンプ１Ａは、信号を入力するための入力端子Ｐ１と、信号を出力するための出力端子Ｐ２と、コモン端子Ｐ３と、交流信号を生成する交流信号源１２と、測定部１１とを有している。
【００５０】
入力端子Ｐ１は、インダクタ３の他端と方向性結合器２を介して接続され、共振回路７で反射した反射信号２１を入力する。交流信号源１２は、出力端子Ｐ２とコモン端子Ｐ３との間に接続され、生成した交流信号２０を出力端子Ｐ２から出力する。出力端子Ｐ２は、インダクタ３の他端と方向性結合器３を介して接続され、交流信号源１２によって生成された交流信号２０を共振回路７（インダクタ３）に対して出力する。
【００５１】
コモン端子Ｐ３は、ロックインアンプ１Ａ内において、基準となる電位（例えばグラウンド電位）に接続されている。コモン端子Ｐ３は、ロックインアンプ１Ａの外部において機械振動素子５の振動部５１に接続されている。
【００５２】
測定部１１は、入力端子Ｐ１に入力された反射信号２１の変化量を測定するための機能部である。
【００５３】
図５に示すように、ロックインアンプ１Ａから、例えば周波数ｆｃの交流信号２０を出力し、方向性結合器２を介してインダクタ３に入力する。ここで、交流信号２０の周波数ｆｃは、例えば、機械振動素子５が振動していないときの共振回路７の共振周波数ｆｅ、または共振周波数ｆｅの近傍（例えば半値幅ｄｆｅの範囲）の周波数である。
【００５４】
機械振動素子５が振動していない場合、共振回路７の共振周波数が“ｆｅ”であるので、ロックインアンプ１Ａから出力された交流信号２０の主に共振回路７に蓄積され、反射信号２１は少ない。一方、機械振動素子５が振動している場合、上述したように、共振回路７の共振周波数が“ｆｅ”からずれるため、共振回路７からの反射信号２１が増加する。測定部１１は、周波数ｆｃの交流信号２０を出力しているときの反射信号２１の変化量を測定することにより、機内振動素子５の振動を検出する。
【００５５】
次に、反射信号検出部１として、ロックインアンプ以外の装置を用いる場合について説明する。
図６は、振動検出装置１００の別の具体的な構成を示す図である。
図６に示すように、反射信号検出部１は、交流信号源１４、ミキサ（混合器）１５、および測定器１６から構成される。
【００５６】
図６に示す振動検出装置において、交流信号源１４によって生成した周波数ｆｃ（≒ｆｅ）の交流信号２０を方向性結合器２を介して共振回路７に入力するとともに、共振回路７からの反射信号２１と交流信号２０をミキサ１５に入力し、ミキサ１５の出力を電圧計やオシロスコープ、スペクトラムアナライザなどの測定器１６に入力し、反射信号２１の変化量を検出する。これによれば、図５のロックインアンプ１Ａを用いる場合と同様に、機械振動素子５の振動を検出することができる。
【００５７】
図６に示す振動検出装置は、上述したロックインアンプ１Ａで扱える周波数帯域が共振周波数ｆｅよりも狭い場合に、特に有効である。なお、ミキサ１５と測定器１６との間にアンプを接続することにより、微小な信号を増幅してから測定器１６に入力するようにしてもよい。
【００５８】
以上、実施の形態１に係る振動検出装置１００によれば、検出対象の機械振動素子５の振動面と探針４との間に形成されるキャパシタ６と探針４に直列に接続したインダクタ３とによって共振回路７を形成し、その共振回路７に交流信号を入力したときの反射信号を検出することによって機械振動素子５の振動を検出するので、高速な機械振動を検出することができる。すなわち、振動検出装置１００では、機械振動に起因する信号は共振回路７内でやり取りされるので、振動部（グラフェン）を流れる電流をモニタすることによって機械振動を検出する従来の電気的な検出手法のように、機械振動素子５の振動部５１の抵抗成分に起因するＲＣ時定数による速度の制限を受けない。これにより、従来の振動検出装置よりも高速な機械振動を検出することができる。
【００５９】
また、振動検出装置１００によれば、探針４と機械振動素子５の振動面との距離を近づけることにより、反射信号２１の変化量を大きくすることができるので、振動検出の高感度化が容易となる。例えば、上述したように、原子間力顕微鏡を用いて探針４と機械振動素子５の振動面との距離も数ｎｍまで近づけることにより、振動検出の更なる高感度化が可能となる。これにより、従来の電気的な検出手法のように、強い振動を発生させる必要がないので、量子化振動や熱振動等の微小な振動を検出することが可能となる。
【００６０】
したがって、実施の形態１に係る振動検出装置１００によれば、機械振動を高速且つ高感度に検出することができる。
【００６１】
また、実施の形態１に係る振動検出装置１００によれば、従来の電気的な検出手法のように、振動部（グラフェン）を流れる電流をモニタするものではないため、機械振動素子５の振動部を構成する材料は特に制限されない。
【００６２】
更に、本実施の形態に係る振動検出装置１００によれば、原子間力顕微鏡と組み合わせることにより、より高精度な機械振動の検出が可能となる。例えば、原子間力顕微鏡のカンチレバーの振動を検出するための機能部として本実施の形態に係る振動検出装置１００を適用することにより、面内サイズが１００ｎｍ以下の機械振動も検出することも可能となる。また、これにより、機械振動素子５の振動部５１の面内における変位量を知ることもできるので、単一の周波数の振動だけなく、その周波数の高次周波数を含む高次モード振動の分布を測定することも可能となる。
【００６３】
≪実施の形態２≫
図７は、実施の形態２に係る振動検出装置の構成を示す図である。
同図に示される振動検出装置１０１は、探針４に抵抗を接続する点において、実施の形態１に係る振動検出装置１００と相違する一方、その他の構成は振動検出装置１００と同様である。以下の説明においては、実施の形態１に係る振動検出装置１００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。
【００６４】
具体的に、振動検出装置１０１は、探針４の先端部の反対側の端部と機械振動素子５の振動部５１との間に接続された抵抗８を更に有する。
図７に示すように抵抗８を接続することにより、キャパシタ６とインダクタ３によって構成される共振回路のＱ値が小さくなる。これにより、上記共振回路の半値幅ｄｆｅが大きくなるので、より高速な機械振動を検出できるようになる。
キャパシタ６とインダクタ３によって構成される共振回路のＱ値はインダクタ３のインダクタンスＬを調整することによって変化させることができるが、インダクタンスＬを変化させると共振周波数ｆｅも変化する。そのため、インダクタンスＬを調整する場合には、交流信号２０の周波数（例えば反射信号検出部１内の交流信号源の周波数）も変える必要がある。これに対し、上記のように抵抗８を接続する場合には、交流信号２０の周波数を変えることなく、Ｑ値（半値幅ｄｆｅ）を調整することができる。
【００６５】
また、抵抗８は、探針４とインダクタ３との間に直列に接続してもよい。
図８は、実施の形態２に係る振動検出装置の別の構成を示す図である。
同図に示す振動検出装置１０２において、抵抗８は、探針４の先端部と反対側の端部とインダクタ３の一端との間に接続されている。
【００６６】
これによれば、図７に示した振動検出装置１０１と同様に、上記共振回路の半値幅ｄｆｅを大きくすることができるので、より高速な機械振動を検出できるようになる。
【００６７】
また、振動検出装置１０１、１０２における抵抗８として、可変抵抗素子を用いてもよい。これによれば、反射信号２１の検出感度や交流信号２０の周波数等に応じて抵抗値を変えることにより、Ｑ値を適宜調整することが可能となる。
【００６８】
≪実施の形態３≫
図９は、実施の形態３に係る振動検出装置の構成を示す図である。
同図に示される振動検出装置１０３は、探針４にキャパシタを接続する点において、実施の形態１に係る振動検出装置１００と相違する一方、その他の構成は振動検出装置１００と同様である。以下の説明においては、実施の形態１に係る振動検出装置１００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。
【００６９】
具体的に、振動検出装置１０３は、探針４の先端部の反対側の端部と機械振動素子５の振動部５１との間に接続されたキャパシタ９を更に有する。
図９に示すようにキャパシタ９を接続することにより、キャパシタ６とインダクタ３によって構成される共振回路のＱ値と共振周波数ｆｅを調整することが容易となる。振動検出装置において、キャパシタ６の容量値は、探針４の形状や探針４と振動部５１との距離等によって決まるため、意図的に値に設定することは容易ではない。しかしながら、図９に示すようにキャパシタ９を接続し、キャパシタ９の容量値をキャパシタ６よりも大きくすることにより、キャパシタ９によって上記共振回路の共振周波数ｆｅとＱ値を決めることができる。
【００７０】
また、キャパシタ９は、探針４とインダクタ３との間に直列に接続してもよい。
図１０は、実施の形態２に係る振動検出装置の別の構成を示す図である。
同図に示す振動検出装置１０４において、キャパシタ９は、探針４の先端部と反対側の端部とインダクタ３の一端との間に接続されている。
【００７１】
これによれば、図９に示した振動検出装置１０３と同様に、上記共振回路のＱ値と共振周波数ｆｅを調整することが容易となる。すなわち、キャパシタ９の容量値をキャパシタ６よりも小さくすることにより、キャパシタ９によって上記共振回路の共振周波数ｆｅとＱ値を決めることができる。
【００７２】
また、振動検出装置１０３、１０４におけるキャパシタ９として、可変容量素子を用いてもよい。これによれば、反射信号２１の検出感度や交流信号２０の周波数等に応じて、Ｑ値と共振周波数ｆｅを任意に調整することが可能となる。
【００７３】
≪実施の形態４≫
図１１は、実施の形態４に係る振動検出装置の構成を示す図である。
同図に示される振動検出装置１０５は、探針４と振動部５１との間に形成されるキャパシタ６とインダクタ３とによって構成される共振回路に加えて、ＬＣ共振回路を有する点において実施の形態１に係る振動検出装置１００と相違する一方、その他の構成は、振動検出装置１００と同様である。以下の説明においては、実施の形態１に係る振動検出装置１００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。
【００７４】
具体的に、図１１に示すように、振動検出装置１０５は、探針４の先端部の反対側の端部と反射信号検出部１との間に接続されたＬＣ共振回路３０＿１〜３０＿ｎ（ｎは１以上の整数）を有する。
ＬＣ共振回路３０＿１〜３０＿ｎ（総称する場合には、「ＬＣ共振回路３０」と表記する。）は、インダクタ３の他端と反射信号検出部１との間に直列に接続されるインダクタ３１と、インダクタ３１とインダクタ３とが接続されるノードと振動部５１との間に接続されるキャパシタ３２とを夫々含む。
【００７５】
これによれば、ＬＣ共振回路３０の個数だけ共振周波数を追加することができる。
図１２は、実施の形態４に係る振動検出装置１０５の共振特性を示す図である。同図には、振動検出装置１０５においてＬＣ共振回路３０を２つ追加した場合（ｎ＝２の場合）の共振特性が示されている。
【００７６】
図１２に示されるように、キャパシタ６とインダクタ３とによって構成される共振回路の共振周波数がｆｅ２である振動検出装置１０５に、共振周波数が夫々“ｆｅ１”，“ｆｅ３”であるＬＣ共振回路３０＿１、３０＿２を追加することにより、振動検出装置１０５の共振特性の山部分を２つ追加することができる。
【００７７】
このように、ＬＣ共振回路を追加することにより、振動検出装置１０５における回路が機械振動に応答できる速度を、複数の共振周波数領域（図１２におけるハッチングを付した領域）まで広げることができる。すなわち、振動検出装置が前述の図２の共振特性を有する場合と比べて、より高速な機械振動を検出することが可能となる。
【００７８】
また、ＬＣ共振回路３０におけるキャパシタ３２として、可変容量素子を用いることにより、検出可能な振動の周波数領域を調整することが可能となる。
【００７９】
≪実施の形態５≫
図１３は、実施の形態５に係る振動検出装置の構成を示す図である。
同図に示される振動検出装置１０６は、探針４と振動部５１との間に形成されるキャパシタ６とインダクタ３とによって構成される共振回路に加えて、更にＬＣＲ共振回路を有する点において実施の形態１に係る振動検出装置１００と相違する一方、その他の構成は、振動検出装置１００と同様である。以下の説明においては、実施の形態１に係る振動検出装置１００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。
【００８０】
具体的に、図１３に示すように、振動検出装置１０６は、探針４の先端部の反対側の端部と反射信号検出部１との間に接続されたＬＣＲ共振回路４０＿１〜４０＿ｎを有する。
ＬＣＲ共振回路４０＿１〜４０＿ｎ（総称する場合には、「ＬＣＲ共振回路４０」と表記する。）は、インダクタ３の他端と反射信号検出部１との間に直列に接続されるインダクタ３１と、インダクタ３１とインダクタ３とが接続されるノードと振動部５１との間に接続されるキャパシタ３２と、キャパシタ３２と並列に接続される抵抗３３とを夫々含む。
【００８１】
これによれば、ＬＣＲ共振回路４０の個数だけ共振周波数を追加することができる。
図１４は、実施の形態５に係る振動検出装置１０６の共振特性を示す図である。同図には、振動検出装置１０６においてＬＣＲ共振回路４０を２つ追加した場合（ｎ＝２の場合）の共振特性が示されている。
【００８２】
図１４に示されるように、実施の形態４に係る振動検出装置１０５と同様に、追加したＬＣＲ共振回路４０の個数だけ振動検出装置１０６の共振周波数を追加することができる。また、抵抗３３の抵抗値によって、夫々のＬＣＲ共振回路４０のＱ値を変えることができるので、振動検出装置１０６による検出可能な振動の周波数領域を調整することが容易となる。例えば、図１４に示すように、Ｑ値を小さくして共振周波数領域（図１４におけるハッチングを付した領域）を広げることにより、検出可能な振動の周波数帯域を広げることができる。
【００８３】
≪実施の形態６≫
図１５は、実施の形態６に係る振動検出装置の構成を示す図である。
同図に示される振動検出装置１０６は、機械振動素子５に交流信号を印加するための交流信号源を有する点において実施の形態１に係る振動検出装置１００と相違する一方、その他の構成は、振動検出装置１００と同様である。以下の説明においては、実施の形態１に係る振動検出装置１００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。
【００８４】
図１５に示すように、振動検出装置１０７は、機械振動素子５における振動部５１と基板５０との間に交流信号を供給する交流信号源６０を有する。この場合、機械振動素子５における振動部５１を支持する基板５０は、導電性を有する材料で形成されている。
【００８５】
これによれば、機械振動素子５による振動が小さくて振動が検出できない場合等において、振動部５１を強制的に振動させることにより、振動を検出することができる。
【００８６】
≪実施の形態７≫
図１６は、実施の形態７に係る振動検出装置の構成を示す図である。
同図に示される振動検出装置１０８は、インダクタ３を探針４側ではなく、機械振動素子５の振動部５１側に接続する点において実施の形態１に係る振動検出装置１００と相違する一方、その他の構成は、振動検出装置１００と同様である。以下の説明においては、実施の形態１に係る振動検出装置１００と共通する構成要素については同一の符号を用いて表し、その詳細な説明は省略する。また、図１６には、反射信号検出部１として、前述したロックインアンプ１Ａを用いた場合が例示されている。
【００８７】
図１６に示されるように、振動検出装置１０８において、インダクタ３は、一端が機械振動素子５の振動部５１に接続され、他端が方向性結合器２を介してロックインアンプ１Ａの入力端子Ｐ１および出力端子Ｐ３に接続されている。また、探針４の先端部の反対側の端部は、ロックインアンプ１Ａのコモン端子Ｐ３に接続されている。
【００８８】
実施の形態７に係る振動検出装置１０８によれば、実施の形態１に係る振動検出装置１００と同様に、機械振動を高速且つ高感度に検出することができる。
【００８９】
また、実施の形態７に係る振動検出装置１０８によれば、回路の電気的な整合条件を満たすことが容易となる。
例えば、高周波信号を探針４に入力する際に、回路の電気的な整合が取れていないと、信号が探針４（共振回路）に入力されずに反射してしまう。しかしながら、実施の形態１に係る振動検出装置１００のようにインダクタ３が探針４に接続された構成の場合、その整合を調整することは容易ではない。これに対し、実施の形態７に係る振動検出装置１０８のようにインダクタ３を振動部５１側に接続する構成であれば、例えば機械振動素子５の構造などを工夫することで回路の整合条件を満たすことが容易になる。
【００９０】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【００９１】
例えば、上記実施の形態では、機械振動素子５が、板状の振動部５１の４辺のうち１組の対向する２辺を支持する両持ち梁の橋桁構造を有する場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、機械振動素子５は、板状の振動部５１の１辺を支持する片持ち梁構造や、ドラムのように板状の振動部５１の４辺を支持する構造を有していてもよい。
【００９２】
また、上記説明では、振動検出装置１００〜１０８によって機械振動素子の振動を検出する場合を例示したが、これに限られず、振動検出装置１００〜１０８によって検出対象物のキャパシタの容量値の変化を検出ことも可能である。例えば、図１において、探針４を機械振動素子の振動部５１の振動面に接触させ、基板５０と振動部５１との間のキャパシタの容量値を検出することも可能である。また、これによれば、キャパシタの虚数成分の変化も検出することができる。この虚数部分の成分は、例えば、抵抗成分等であり、トランジスタのゲート電極とソース電極（またはドレイン電極）の間のキャパシタ変化や、ソース電極とドレイン電極の間のキャパシタ変化なども検出対象となり得る。この場合、探針を該当する電極に接触させればよい。
【００９３】
また、実施の形態２乃至６に係る振動検出装置１０１〜１０７として例示した実施の形態１に係る振動検出装置１００の変形例として例示した実施の形態２乃至６に係る振動検出装置１０１〜１０７の構成は、実施の形態７に係る振動検出装置１０８にも同様に適用することができる。例えば、実施の形態７に係る振動検出装置１０８にも抵抗８やキャパシタ９、ＬＣ共振回路３０、ＬＣＲ共振回路４０、交流信号源６０を接続することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１００〜１０８…振動検出装置、１…反射信号検出部、１Ａ…ロックインアンプ、２…方向性結合器、３，３１…インダクタ、４…探針、５…機械振動素子、６，９，３２…キャパシタ、７…共振回路、８，３３…抵抗、１１…測定部、１２、１４…交流信号源、１５…ミキサ、１６…測定器、２０…交流信号、２１…反射信号、３０＿１〜３０＿ｎ，４０＿１〜４０＿ｎ…共振回路、５０…基板、５１…振動部、５２…支持部、Ｐ１…入力端子、Ｐ２…出力端子、Ｐ３…コモン端子。
【図１】
0006352854.tif 000004
【図２】
0006352854.tif 000005
【図３】
0006352854.tif 000006
【図４】
0006352854.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
0006352854.tif 000010
【図８】
0006352854.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0006352854.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
0006352854.tif 000016
【図１４】
0006352854.tif 000017
【図１５】
0006352854.tif 000018
【図１６】
0006352854.tif 000019
【図１７】
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