(57)【要約】  照射光を片持ち梁に投射して、片持ち梁から反射又は透過した干渉縞を検出し、干渉縞の少なくとも一部分における強度変動を測定することにより片持ち梁の変形を算出することによって、固定型又は非固定型片持ち梁の変形を測定するための装置及び方法。
2010529417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
片持ち梁の変形を測定するための装置であって、
片持ち梁に照射光を投射するための投射システムと、
前記片持ち梁を透過した放射又は前記片持ち梁から反射した放射を検出するための測定システムと
を備え、
前記投射システムは、前記片持ち梁を透過した前記放射又は前記片持ち梁から反射した前記放射が干渉縞を形成するように構成され、
前記測定システムは、前記干渉縞の少なくとも一部分内における強度の空間変動を測定するように構成され、
前記装置は、更に、前記測定システムによって測定された強度の前記空間変動から前記片持ち梁の変形を算出するための変形算出システムを備える、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記干渉縞の少なくとも一部分は、前記片持ち梁中又は上に形成された透過性又は反射性微細パターンの結果として形成される、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置であって、前記微細パターンは、反射性又は透過性スリットの規則的な又は不規則なアレイと、透過性又は反射性スポットの規則的な又は不規則なアレイと、二次元アレイと、の内の少なくとも１つを含む、装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置であって、前記微細パターンは、個々の片持ち梁を識別するための識別情報を含み、前記装置は、更に、前記微細パターンに含まれる識別情報を読み出すことによって、前記片持ち梁の識別子を判断するように構成された片持ち梁識別装置を備える、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、前記識別装置は、前記測定システムによって測定された前記干渉縞から前記識別情報を読み出すように構成されている、装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置であって、前記片持ち梁は、流体、真空、又は気体内において自由に浮遊し且つ／又は移動する、装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置であって、片持ち梁が任意形状の帯状材から形成される場合、前記投射システムは、片持ち梁の少なくとも一部分に対して、片持ち梁の全幅に及ぶコヒーレント光で片持ち梁を照射するように構成されている、装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置であって、前記投射システムは、コヒーレント光で片持ち梁全体を照射するように構成されている装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、前記投射システムは、前記片持ち梁に複数光線を投射するように構成されており、前記干渉縞は、前記複数光線から形成されている、装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置であって、
前記変形算出システムは、測定された強度空間変動の以下の特性、
（ｉ）少なくとも１つの強度ピーク又は強度底の形状と、
（ｉｉ）少なくとも１つの強度ピーク又は強度底の幅と、
（ｉｉｉ）干渉縞の特定可能位置における強度値であって、ｎが任意の整数であるとき、ｎ次ピークの最大強度値及びｎ次ピークと（ｎ＋１）次ピークとの間の最小強度値の内の少なくとも１つを含む前記強度値と、
の内の１つ又は複数の特性に基づき、変形を算出するように構成されている、装置。
【請求項１１】
原子間力顕微鏡であって、
プローブの先端に一端が固定され、前記プローブの先端とサンプルとの間の離間距離の関数として変形するように構成されている片持ち梁と、
前記片持ち梁の前記変形を測定して先端とサンプルとの相互作用により前記先端のたわみを求めるための請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置と、
を備える、原子間力顕微鏡。
【請求項１２】
流体中の対象物質の有無を検出するためのシステムであって、
前記流体に接触し、前記対象物質の有無の関数として変形するように構成されている片持ち梁と、
前記片持ち梁の変形を測定して前記対象物質の有無を判断するための請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置と、
を備えるシステム。
【請求項１３】
温度センサであって、
片持ち梁であって、前記片持ち梁の温度の関数として変形するように構成された前記片持ち梁と、
前記片持ち梁の変形を測定して、前記片持ち梁の温度を求めるための請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置と、
を備える、温度センサ。
【請求項１４】
圧力センサであって、
流体導管端又は流体内部のいずれかにおいて、圧力勾配の関数として変形するように構成された片持ち梁と、
前記片持ち梁の変形を測定して、前記圧力勾配を求めるための請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置と、
を備える、圧力センサ。
【請求項１５】
片持ち梁の変形を測定する方法であって、
片持ち梁に照射光を投射する段階と、
前記片持ち梁を透過した放射又は前記片持ち梁から反射した放射を検出する段階と
を備え、
前記照射光は、前記透過した放射又は前記反射した放射において干渉縞を形成するように前記片持ち梁に投射され、
前記方法は、更に、
前記干渉縞の少なくとも一部分内における強度の空間変動を測定する段階と、
前記測定した強度の空間変動から前記片持ち梁の変形を算出する段階と、
を備える方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記干渉縞は、前記片持ち梁中又は上に形成された透過微細パターン又は反射微細パターンの結果として形成される、方法。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の方法であって、前記微細パターンは、個々の片持ち梁を識別するための識別情報を含み、前記方法は、更に、前記微細パターンに含まれる識別情報を読み出すことによって前記片持ち梁の識別子を判断する段階を備える、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記識別情報は、前記測定した干渉縞から読み出される、方法。
【請求項１９】
請求項１５〜１８のいずれか１つに記載の方法であって、更に、流体、真空、又は気体内において自由に浮遊し且つ／又は移動する前記片持ち梁を提供する段階を備える、方法。
【請求項２０】
請求項１５〜１８のいずれか１つに記載の方法であって、更に、一端において基板に固定された前記片持ち梁を提供する段階を備える、方法。
【請求項２１】
請求項１５〜２０のいずれか１つに記載の方法であって、更に、複数光線を前記片持ち梁に投射する段階であって、前記干渉縞は、前記複数光線から形成される、方法。
【請求項２２】
装置であって、実質的に、添付図面を参照してこれまで記載し、且つ添付図面に示すように動作するように構築及び構成された片持ち梁の変形を測定するための、装置。
【請求項２３】
方法であって、実質的に、添付図面を参照してこれまで記載し、且つ添付図面に示すように片持ち梁の変形を測定する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片持ち梁の変形を測定する問題に関し、特に、微細片持ち梁に関する。
【背景技術】
【０００２】
片持ち梁変形の正確な測定は、多数の様々な用途における重要な課題である。例えば、原子間力顕微鏡は、長い間、片持ち梁の先端におけるたわみを用いて先端とサンプル間の力を測定している。
【０００３】
最近になって、片持ち梁のアレイは、バイオセンサーとして用いられている。片持ち梁の片側に固定化した配位子と溶液中の受容体との間に生化学特有の相互作用が起こると、片持ち梁は、表面応力の変化により曲がるが、これは、光学的に検出できることが分かっている。
【０００４】
一般的に、センサアレイは、疾病診断、薬物選別、超低濃度の異なる物質の高感度検出、ノーズ（ＮＯＳＥ）用途、流体／気体流、圧力センサにおける用途、及び温度測定用に極めて有望である。ナノ機械駆動機構を用いると、これによって、片持ち梁は、標準的低コストシリコン技術によって微細加工され、また、実現可能なそのサイズのおかげで、小規模の分子化学的及び生物学的相互作用の存在に極めて敏感であり、例えば、フェムトモルのＤＮＡ生体分子、及び爆発物等の他の多くの化学物質を検出し得る。
【０００５】
多数の生体分子を検出する能力は、微細加工し得る固定端片持ち梁の数に制限されている。更に、物理的な測定装置は、生化学的環境から分離できないため、日常の臨床的用途は、困難であった。更に、アレイ内要素の数及び密度を大きくして拡大を行う全ての固定アレイベースの組み合わせ法でのように、化学的交差汚染及び物理的クロストークは、重大な障害の代表例である。これらの課題は、アイザックス（Ｅ．Ｄ．Ｉｓａａｃｓ）、マルカス（Ｍ．Ｍａｒｃｕｓ）、エイプリ（Ｇ．Ａｅｐｐｌｉ）、シャン（Ｘ．Ｄ．Ｘｉａｎｇ）、サン（Ｘ．Ｄ．Ｓｕｎ）、シュルツ（Ｐ．Ｓｃｈｕｌｔｚ）、カオ（Ｈ．Ｋ．Ｋａｏ）、カーギル（Ｇ．Ｓ．Ｃａｒｇｉｌｌ）、及びホーシャルタ（Ｒ．Ｈａｕｓｈａｌｔｅｒ）らによる、「組み合わせ合成のシンクロトロンＸ線マイクロビーム診断」と題された、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、７３（１３）、１８２０（１９９８）に記載されている。
【０００６】
図１は、典型的な従来技術による光学検出方法を示すが、これは、固定型片持ち梁の自由端への固定レーザ照射に依拠する。しかしながら、そのような方法では、曲げの特徴に関する情報が提供されず、また、マイクロアレイ技術の拡張性が限定されている。
【０００７】
多数の異なる方法が、公表され、片持ち梁の特徴の測定法について記載している。
タダ（Ｈ．Ｔａｄａ）、クンペル（Ａ．Ｅ．Ｋｕｍｐｅｌ）、ラスロフ（Ｒ．Ｅ．Ｌａｔｈｒｏｐ）、スラニナ（Ｊ．Ｂ．Ｓｌａｎｉｎａ）、ニーバ（Ｐ．Ｎｉｅｖａ）、ザフラキー（Ｐ．Ｚａｖｒａｃｋｙ）、ミアウリス（Ｉ．Ｎ．Ｍｉａｏｕｌｉｓ）、及びワン（Ｐ．Ｙ．Ｗｏｎｇ）らによる、「高温での微細湾曲測定のための新規撮像システム」と題された、Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、７１（１）、１６１（２０００）では、１００μｍ片持ち梁のたわみを１．５μｍの解像度で検出する方法が開示されている。片持ち梁バイオセンサーのたわみは、２００ｎｍ未満であると予想されることから（長さ５００ミクロン、幅１００ミクロン、厚さ１ミクロンのシリコン製片持ち梁であって、約３０ｍＮ／ｍの表面応力変化に対応する０．０２Ｎ／ｍのばね定数を有する片持ち梁に基づく）、タダ等による技法は、そのような用途に適していない。
【０００８】
ジョーン（Ｓ．Ｊｅｏｎ）及びサンダット（Ｔ．Ｔｈｕｎｄａｔ）、「微細片持ち梁センサ用即時湾曲測定法」と題された、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、８５（６）、１０８３（２００４）では、８つの発光ダイオードを片持ち梁の様々な位置に合焦する多点たわみ技法を用いた手法が開示されている。この方法の主な欠点は、８つのレーザの位置合わせの困難さ並びに多数の片持ち梁の評価の困難さである。
【０００９】
マーテンス（Ｊ．Ｍｅｒｔｅｎｓ）、アルバレス（Ｍ．Ａｌｖａｒｅｚ）、及びタマヨ（Ｊ．Ｔａｍａｙｏ）らによる、「検出用途のための微細片持ち梁の即時素描」と題された、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、８７（２３）（２００５）では、片持ち梁を光学的ラスタ処理によって曲げ特徴を取り込む技法が開示されている。この方法の欠点は、第一に、ラスタ処理により機械的に誤差が発生すること、第二に、より深刻なこととして、片持ち梁自体が測定中に動いてしまうことである。
【００１０】
光学干渉を用いる方法が、２件公表されている。
第１に、ヤラリオグル（Ｇ．Ｇ．Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕ）、アタラー（Ａ．Ａｔａｌａｒ）、マナリス（Ｓ．Ｒ．Ｍａｎａｌｉｓ）、及びクエート（Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ）、「変位センサとしての櫛形片持ち梁の分析及び設計」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ８３（１２）、７４０５（１９９８）に開示された方法では、櫛形片持ち梁が用いられ、これにより、片持ち梁の自由端のたわみだけを検出し得る。
【００１１】
第２に、ヘルム（Ｍ．Ｈｅｌｍ）、サーバント（Ｊ．Ｊ．Ｓｅｒｖａｎｔ）、ソーレンバッハ（Ｆ．Ｓａｕｒｅｎｂａｃｈ）、及びバーガー（Ｒ．Ｂｅｒｇｅｒ）による、「位相シフト干渉法によるマイクロ機械式片持ち梁センサの読出し」と題された、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、８７（６）（２００５）で開示された方法では、片持ち梁全体の曲げ特徴を求めることができる。しかしながら、開示された方法は、ａ）片持ち梁支持体上の参照点の使用、及びｂ）２つの光線の干渉、即ち、参照光及び片持ち梁からの反射光の干渉、に依拠する。それらの構成は、複雑であり、また、固定型片持ち梁のみに適用可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、従来技術における上記問題の幾つかを克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によれば、片持ち梁の変形を測定するための装置が提供される。本装置には、片持ち梁に照射光を投射するための投射システムと、前記片持ち梁から透過又は反射した放射を検出するための測定システムと、が含まれる。ここで、前記投射システムは、前記片持ち梁から透過又は反射した放射が干渉縞を形成するように構成され、前記測定システムは、前記干渉縞の少なくとも一部分内における強度の空間変動を測定するように構成され、また、前記装置には、更に、前記測定システムによって測定した強度の空間変動から前記片持ち梁の変形を算出するための変形算出システムが含まれる。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、片持ち梁の変形を測定する方法が提供される。本方法には、片持ち梁に照射光を投射する段階と、前記片持ち梁から透過又は反射した放射を検出する段階と、が含まれる。ここで、前記照射光は、干渉縞を形成するように前記片持ち梁に投射される。また、前記方法には、更に、前記干渉縞の少なくとも一部分内における強度の空間変動を測定する段階と、測定した強度の空間変動から前記片持ち梁の変形を算出する段階と、が含まれる。
【００１５】
言い換えると、片持ち梁の変形の性質及び／又は程度（例えば、片持ち梁の、方向よりもむしろ、曲げ及び／又は他の形状の変化）に関する情報は、入射光と片持ち梁の相互作用（例えば、片持ち梁からの反射又は片持ち梁の透過）によって生成された干渉縞の構造又は内容の変化（即ち、干渉縞内における強度の空間変動の変化）から抽出される。例えば、無歪片持ち梁の干渉縞を基準とした干渉縞のピーク及び／又は谷の形状変化を解析して、片持ち梁の変形に関する情報が得られる。
【００１６】
この手法により、反射又は透過放射の偏向を監視する従来技術による方法に固有な位置合わせの問題が回避される。その結果、多数の片持ち梁を扱うための拡張を更に効率的に達成できる。また、バイオセンシング用途に充分な感度が、簡単に達成できる。
【００１７】
本方法は、片持ち梁から反射又は透過した唯一のレーザ光を用いて実現し得る。追加の参照光は、不要である。更に、片持ち梁支持体上の参照点も不要である。本構成は、従って、更に効率的に実現し得る。
【００１８】
アレイ内要素の数及び密度を大きくして規模拡大を行う固定アレイベースの組み合わせ方法に対する上記化学的交差汚染及び物理的クロストークの問題は、従来方式において片持ち梁を固定する基板から片持ち梁を解放することによって、また、それらが溶液中で自由な物体であると、例えば、微細水路内を流れたり静止溶液中に浮遊したりしていると、それらの変形を測定することによって回避し得る。本構成は、理想的には、この測定作業の実施に適する。自由浮動式片持ち梁の特徴は、曲げに関する情報が、それ自体の干渉縞の変化に完全に含まれることから、検出し得る。自由浮動式片持ち梁の傾き（即ち、方向の変化）は、測定システム（ＣＣＤ）によって得た信号をシフトすることにより干渉縞から簡単に除去し得る。
【００１９】
干渉縞が片持ち梁の透過によって形成される実施形態は、密閉された微細流体形状に特別な利点を提供し、これにより、日常の臨床的利用の難しさを軽減する。
更に、本方法により、干渉縞をこれらの構成要素に解析することによって、単一ステップで片持ち梁の傾斜（方向の変化）と変形（形状の変化）との間の区別ができる。
【００２０】
干渉縞は、片持ち梁全体から形成してよい。例えば、片持ち梁が（入射放射と直交する面内において）ほぼ矩形状である場合、干渉縞は、「単一スリット」（正弦二乗）回折パターンに類似し得る。追加的に又は他の選択肢として、微細パターンを片持ち梁内に形成してよく、また、測定システムは、微細パターンから反射又は透過した放射に起因する干渉縞の強度変動を監視するように構成し得る。言い換えると、微細パターンは、高相対反射率の領域（この場合、パターンは、反射によって生成される）又は高透過率領域（この場合、パターンは、透過によって生成される）によって画成し得る。高透過率領域は、例えば、化学的エッチング又は機械的切開によって生成し得る。
【００２１】
微細パターンは、検出器に存在する画素と同じ数の数値強度を備えた完全な回折パターンを生成することから、片持ち梁の変形は、原理的に、上記画素の数とほぼ同じ数の片持ち梁上の点で、反射角測定を実施する場合と同じ高解像度で求めることができる。ここで提案された干渉方法の他の利点は、本方法が、ほとんど透明又は不透明及び／もしくは梨地（無光沢）の片持ち梁でも機能することである。
【００２２】
微細パターンには、反射性又は透過性スリットの規則又は不規則アレイと、透過性又は反射性スポットの規則又は不規則アレイと、二次元アレイと、の内の少なくとも１つ、及びそれらの組合せを含み得る。
【００２３】
二次元アレイは、一次元だけでなく二次元の構造を回折パターンに持たせる微細パターンである。これによって、異なる軸方向の曲げに関する情報を、単一の干渉縞から同時に抽出できる。完全な片持ち梁の曲率テンソル及び平均傾斜は、原理的に、そのようなパターンから抽出できる。
【００２４】
識別情報を微細パターンに追加すると、個々の片持ち梁を識別し得る。識別情報は、例えば、変形算出プロセスの一部として、微細パターンによって生成された干渉縞から抽出し得る。従って、個々の片持ち梁の識別は、追加ハードウェア及び／又は追加方法手順無しで、効率的に判断し得る。同じ干渉縞は、片持ち梁の変形を求めるために、また、片持ち梁を識別するための双方に用い得る。このことは、多数の異なる片持ち梁を含むアレイが測定されている場合及び／又は片持ち梁が基板に固定されていない場合、特に重要なことがある。例えば、バイオセンシング用途において、多数の異なる物質を同時に選別することが望まれる場合がある。
【００２５】
様々な光学構成が、可能である。１つのコヒーレント光又は複数のコヒーレント光（例えば、２つ、３つ、又はそれ以上）を片持ち梁の照射に用いることができる。多コヒーレント光の使用によって生成される効果は、片持ち梁が適切な反射性又は透過性回折格子でパターン化されている場合、単一のコヒーレント光でも達成し得る。
【００２６】
多光線（及び／又は微細パターンにおける複数スリット又は反射要素）を用いると、複数のピークが生成される。そのような測定を行う間に片持ち梁が動いてしまう可能性があり、早く読出したいという欲求があるので、たった１つのピークの代わりに複数ピークを同時に追跡することは、複数の測定を次々に実行することより良いためであり、このことは、測定精度を改善する。
【００２７】
上記したように、原子間力顕微鏡は、先端に取り付けた片持ち梁の変位の監視に依拠する。片持ち梁の曲げは、反射レーザスポットの変位を検出することによって測定する。ここで提案した干渉計による方法は、特に、二次元パターンが収集される場合、従来技術による方法を超える多くの利点を有する。特に、横方向の力は、片持ち梁の曲率テンソルから推定でき、また、先端の垂直変位は、複数の干渉縞の位置を測定することによって更に正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】固定型片持ち梁の傾きを測定するための従来技術による構成の概略図。
【図２Ａ】静止溶液中に浮遊する非固定型片持ち梁の変形を測定する本発明の実施形態の概略説明図。
【図２Ｂ】流動溶液中に浮遊する片持ち梁に入射して反射する放射を示す拡大概略図。
【図３Ａ】片持ち梁に投射される放射の様々な光学的形態を示す図。
【図３Ｂ】片持ち梁に投射される放射の様々な光学的形態を示す図。
【図３Ｃ】片持ち梁に投射される放射の様々な光学的形態を示す図。
【図３Ｄ】固定型片持ち梁の曲げ及び傾きを比較する図。
【図３Ｅ】非固定型片持ち梁の曲げを比較する図。
【図３Ｆ】片持ち梁に形成された微細パターンを透過して干渉縞が生成される一実施形態を示す図。
【図３Ｇ】片持ち梁上に形成された二次元微細パターンからの二次元干渉縞形成を示す図。
【図４Ａ】片持ち梁の様々な変形量に対して干渉縞を予測する数値計算の結果を示す図であって、固定型片持ち梁及び単一入射光の場合を示す図。
【図４Ｂ】片持ち梁の様々な変形量に対して干渉縞を予測する数値計算の結果を示す図であって、剛性を有する固定型片持ち梁（傾斜のみ可能）及び単一入射光の場合を示す図。
【図４Ｃ】片持ち梁の様々な変形量に対して干渉縞を予測する数値計算の結果を示す図であって、非固定型片持ち梁及び単一光の場合を示す図。
【図４Ｄ】片持ち梁の様々な変形量に対して干渉縞を予測する数値計算の結果を示す図であって、多入射光（２つ）の場合を示す図。
【図４Ｅ】片持ち梁の様々な変形量に対して干渉縞を予測する数値計算の結果を示す図であって、多入射光（３つ）の場合を示す図。
【図５Ａ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【図５Ｂ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【図５Ｃ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【図５Ｄ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【図５Ｅ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【図５Ｆ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【図５Ｇ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【図５Ｈ】様々な入射放射形態の干渉縞を予測する数値計算の結果を示し、また、片持ち梁の変形に伴う干渉縞構造の変化を定量化する様々な指標の使用を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の実施形態について、一例としてのみ、添付の図面を参照して記載する。添付図面では、同じする参照番号は、同じ部分を示す。
図１は、固定型片持ち梁９の傾きを求めるための従来技術による構成を示す。片持ち梁９は、一端においてチップ又は基板１６に固定される（固定型）。投射システム１は、レーザ光５を片持ち梁９の局部スポットに投射する。検出器３は、反射光７を検出する。反射光７が片持ち梁９を離れる角度は、片持ち梁９の傾き量の関数である。従って、反射光７が検出器に入射する位置を測定すると、片持ち梁９の傾き量を決定し得る。この方法は、レーザ、チップ及び検出器の正確な位置合わせに依存する。本方法は、片持ち梁が非固定の場合、例えば、静止溶液中に浮遊しているか又は流動している場合、適用できない。
【００３０】
図２Ａは、片持ち梁の変形を測定するための本発明の一実施形態による装置を示す。投射システム２は、測定対象の片持ち梁に照射光を投射するために設けられる。本実施形態によれば、測定対象の片持ち梁は、容器１０に含まれる静止流体媒体８内で浮遊している。他の選択肢としての実施形態によれば、測定対象の片持ち梁は、非静止又は流動流体内、真空中、又は空気を含むいずれか他の気体中に浮遊し得る。更に、片持ち梁は、一端が支持体に固定してよい（即ち、固定型）。
【００３１】
図２Ｂは、片持ち梁１８が、（図２Ａのような）静止流体でなく、（矢印１７によって概略的に示す）移動流体中に浮遊する異形態を示す詳細図である。
双方の場合、レーザ特性は、反射光６により、片持ち梁からの干渉縞が測定システム１２の検出面に形成されるようにするものである。測定システム１２は、干渉縞強度の空間変動を測定できる。測定システム１２は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）であってよい。
【００３２】
測定システム１２は、データを変形算出システム１４に伝達できるように構成されるが、変形算出システム１４は、測定システム１２によって一次元又は二次元で測定された強度の空間変動から片持ち梁の変形を算出するように構成されている。変形算出システム１４は、例えば、デスクトップコンピュータ又は専用集積回路を用いて実現し得る。
【００３３】
片持ち梁の変形は、測定した変動と、数値モデル及び／又は較正測定値を用いて予測した変動とを比較することによって、干渉縞の測定強度変動から抽出できる。
幾つかの数値調査の結果については、更に以下に記載する。干渉縞の変化の定量化に有用な指標の例についても更に記載する。
【００３４】
図３Ａは、片持ち梁１８全体を単一のコヒーレント光で照射する構成を示す。この場合、干渉縞の形は、片持ち梁１８の外形（及び、その変形）によって画成し得る。平型片持ち梁の場合、観察される干渉縞は、文献では、フラウンホーファー干渉として知られている。この構成には、実装及び解析が容易であるという利点がある。干渉縞の形は、片持ち梁の形状が細長い矩形である場合、単一スリットからの回折によって形成された正弦二乗パターンに類似し得る。図４Ａ乃至４Ｃに関する後述の議論を参照されたい。
【００３５】
他の選択肢として又は追加的に、投射システム２は、片持ち梁の一部分のみを照射するように構成し得る。例えば、片持ち梁の形が帯状である場合、投射システムは、片持ち梁の長さの少なくとも一部分に対し、片持ち梁の全幅に渡って片持ち梁を照射するように構成し得る。幅に垂直な軸を中心とする片持ち梁の曲げに関する情報は、従って、片持ち梁の干渉縞から詳細に抽出し得る。一般的に、片持ち梁は、任意の形状を有し得るが、製造の視点からは、矩形の片持ち梁を生成することが便利であり得る。この場合、上述した幅は、矩形の最短の寸法に対応し、長さは、最長の寸法に対応する。
【００３６】
図３Ｂ及び３Ｃは、片持ち梁がそれぞれ２つ及び３つのコヒーレントレーザ光で照射される構成を示す。もっと多くの光線を使用することも可能である。コヒーレント光は、ビームスプリッタによって生成することができる。複数光線の反射による干渉縞は、１光線照射方法（図３Ａ）及び特定の反射パターン（回折格子）を有する片持ち梁の微細パターンを用いることによって、同様に達成し得る。
【００３７】
微細片持ち梁の曲げを測定する干渉法の他の実施例は、片持ち梁の反射面でなく片持ち梁のスリット、例えば、化学的エッチング又は機械的切開によって生成されたスリットを用いて、反射でなく透過の関連干渉縞を見て確認することである。図３Ｆは、そのような構成を示す。
【００３８】
これらの回折格子は、個々の機能片持ち梁を識別するためのバーコードとしても用い得る。この場合、片持ち梁識別装置は、干渉縞を解析し、そこから片持ち梁の識別を抽出するために設け得る。片持ち梁識別装置の機能は、例えば、デスクトップコンピュータ（例えば、図２Ａにおける１４）のソフトウェアで実現し得る。他の選択肢として又は追加的に、この処理用に別個のハードウェアを設けてもよい。
【００３９】
光線並びに／又は片持ち梁の反射及び／もしくは透過領域のパターンは、一次元よりもむしろ二次元であってよいが、結果的に、平均傾斜及び完全な曲率テンソルを抽出し得る二次元干渉縞になる。図３Ｇは、そのような二次元干渉縞の形成を示す。
【００４０】
提案したシステムは、数値シミュレーションを用いて評価した。一般性を失うことなく、このシミュレーションは、一次元反射パターン、例えば、片持ち梁上の光沢スポット又は線の列に対して実施した。全シミュレーションにおいて、以下のパラメータは、一定に保持した。図３Ａ、Ｂ、及びＣは、幾何学的配置及び対応するパラメータ定義を示す。波長は、λ＝６５５ｎｍであり、また、ＣＣＤは、距離ｄ＝４ｃｍに搭載した。簡単にするために、しかし、一般性を失わずに、角度は、θ＝β＝０及びγ＝π／２であった。全ての実験について、片持ち梁の長さは、ｃ＝１００μｍであった。
【００４１】
シミュレーション結果は、図４に示す。図４において、５つのグラフは、各々、異なる変形量Δｚ（即ち、Δｚ＝０ｎｍ、１００ｎｍ、５００ｎｍ、及び６００ｎｍ。凡例参照）に対する干渉縞を表す２つ以上の曲線を含む。
【００４２】
第１シミュレーションは、固定型片持ち梁の場合を提示する（図３Ｄに図示）。結果（図４Ａ）は、面法線の傾きによる最大変位に加えて、片持ち梁の曲げからの修正フラウンホーファー干渉縞によるピーク形状の変化があることを示す。更に２つのシミュレーションを実施して、この問題が明らかになった。一方の場合、片持ち梁は、曲がらず傾くことができるのみであるチップ上のヒンジに取り付けられた１つの剛性切片を含む（図３Ｄの点線を参照）。記録されたパターン（図４Ｂ）は、フラウンホーファーパターン全体が単にシフトしていることを示す。他方の場合、曲がるが傾斜しない非固定型片持ち梁である（図３Ｅに図示）。結果（図４Ｃ）は、明らかに、干渉縞の形状だけが変化するが、パターンは、異なるΔｚに対してシフトしないことを示す（Δｚが小さい場合、Δｚ＝４＊Δｈを導くことができる）。このことは、一方の部分が、片持ち梁の傾きに帰属し、他方の部分が、曲げのみ表す状態で、干渉縞を解析できることを示す。
【００４３】
２つ又は３つのレーザ光による構成の干渉縞（図４Ｄ及び４Ｅ）は、複数スリット干渉計の櫛型構造特性を示す。片持ち梁が曲がると、これらの構造は、容易に測定可能なように変化する。最も顕著には、２つの光線／鏡／スリットパターンの場合、大半のノードは、水平軸から立ち上がり、正弦パターン（図４Ｄにおいて破線によって強調表示）を取る。他方、３つの光線／鏡／スリット構成の場合、明らかにパターンの対称性が、変化する（最大強度を有する単一のピークから最大値に達するように見える２つのピークへの変化、並びに、パターンの右側でピークが伸びて強度を得ることに注目）。更に、全てのピーク形状は、Δｚに関する変更の影響を受ける。この変化は、特に、外側のピークで大きい。
【００４４】
また、傾き及び曲げは、これらの光学構成（図３Ｂ及び３Ｃ）について別々にシミュレートされ、また、傾き及び曲げにより、ピーク変位を片持ち梁の傾きに帰属でき、また、ピーク形状の変化を片持ち梁の曲げに帰属できることが確認される。結果は、ここには示していない。
【００４５】
図５は、検出器面上で測定された干渉縞から導き得る様々な指標の依存性を示す。図示した全干渉縞（図５Ａ、５Ｃ、及び５Ｅ）は、片持ち梁の曲げのみに起因する。即ち、平均傾斜は存在しない。この状況は、図３Ｅに示す非固定型片持ち梁の幾何的配置に対応する。
【００４６】
図５Ａは、２つの異なるΔｚについて、図３Ａの光学幾何配置による片持ち梁からの反射に対する干渉縞を示す。図５Ｂは、図５Ａの干渉縞の強度における一次及び二次ピークの振幅Ａ０（実線）及びＡ１（破線）をΔｚの関数として示す。
【００４７】
図５Ｃは、図３Ｂの光学幾何配置による片持ち梁からの反射の干渉縞を示す。図５Ｄは、Δｚの関数として図５Ｃに示した谷の振幅Ａ０を示す。
図５Ｅは、図３Ｃの光学幾何配置による片持ち梁からの反射の干渉縞を示す。図５Ｆは、（図５Ｅのパターンにおける一次ピーク及び二次ピークの高さに対応する）２つの振幅Ａ０及びＡ１の比を示す。図５Ｇは、Δｚに伴う振幅Ａ２（図５Ｅのパターンにおけるもう１つの二次ピークの高さ）の変動を示す。図５Ｈは、Δｚに伴う振幅Ａ３（図５Ｅのパターンにおける特定の谷の強度値）の変動を示す。
【００４８】
提示した様々な振幅指標は、Δｚ＝０において対応する振幅に合わせて正規化する。
他の指標を用いて、干渉縞における曲線の形状を特徴付けたり、変形により誘発された干渉縞の変化の尺度を提供したりできる。干渉縞が大量の構造を有する場合（例えば、図５Ａ及び５Ｃの干渉縞と比較した図５Ｅの干渉縞）、この場合、干渉縞は、「スペックル・パターン」と称されることがあるが、更に複雑な及び／又は数多くの指標を用いて干渉縞を特徴付けることが適切であろう。これにより、実現するには、複雑になるが、片持ち梁の変形の性質に関する情報は、正確及び／又は詳細になり得る。
【００４９】
一般的に、上記例で述べた種類の指標は、ソフトウェアに組み込まれ平均的な片持ち梁の傾きや曲率を独立に求め得る単純なアルゴリズムを表す。
本発明の実施形態は、原子間力顕微鏡、流体における対象物質の有無を検出するためのシステム（例えば、バイオセンサー）、温度センサ、及び圧力センサに適用できる。
【００５０】
例えば、原子間力顕微鏡には、一端がプローブの先端に固定され、また、（「先端・サンプル相互作用」により）プローブの先端とサンプルとの間の間隔の関数として変形するように構成された片持ち梁を設け得る。上述の本実施形態の内の１つ又は複数による装置を用いて、変形を測定し、これによって、先端とサンプルとの間の間隔を求めると便利である。他の選択肢として又は追加的に、変形が求まると、先端環境に関する他の有用な情報を生成し得る。
【００５１】
流体における対象物質の有無を検出するためのシステムを設けてよいが、この場合、片持ち梁は、流体に接触するように、また、対象物質の有無の関数として変形するように配置される。上記した本実施形態の内の１つ又は複数による装置を用いて、片持ち梁の何らかの変形を測定（検出）し、これによって、対象物質の有無を検出すると便利である。そのような複数の片持ち梁を配置すると、ある範囲の異なる対象物質の有無を検出し得る。同じ測定システムを適用すると、全て又は一部の片持ち梁の変形を同時に測定し得る。他の選択肢として又は追加的に、複数の測定システムを設けてもよい。
【００５２】
温度センサは、その温度の関数として変形するように構成された片持ち梁を含んで設けてよい。上記した実施形態の１つ又は複数による装置を用いて、片持ち梁の変形を測定し、これによって、片持ち梁の温度を求めると都合がよい。そのようなシステムは、また、片持ち梁が熱平衡状態にある環境及び／又は近傍の物体（１つ又は複数）の温度を求めるために効果的である。
【００５３】
圧力センサは、片持ち梁の少なくとも一部分を囲む流体（１種類又は複数種類）の圧力勾配の関数として変形するように構成された片持ち梁を含んで設けてよい。圧力勾配は、例えば、流体導管の端又は流体内部におけるものであってよい。上記した実施形態の１つ又は複数による装置を用いて、片持ち梁の変形を測定し、これによって、片持ち梁が影響を受ける１つ又は複数の圧力勾配を測定すると都合がよい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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【国際調査報告】
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