(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力検出素子に加わる圧力、応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサであって、
前記力検出素子が単電子トランジスタであり、
前記単電子トランジスタは、金属製のソース電極と、金属製の島電極と、金属製のドレイン電極と、ゲート電極とを備えており、
前記ソース電極と前記島電極との間及び前記島電極と前記ドレイン電極との間はトンネル接合によりつながっており、前記島電極とゲート電極との間は静電的に接合されており、
前記島電極を構成する金属と前記ソース電極及び／またはドレイン電極を構成する金属とは異なっており、
前記力の変化により前記島電極、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の体積が変化するのを許容するように前記単電子トランジスタが支持体に支持されていることを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記島電極が銅によって形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極がアルミニウムによって形成されているか、または前記島電極がアルミニウムによって形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が銅によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
力検出素子に加わる圧力、応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサと、前記力センサから前記電気信号を出力させ且つ前記電気信号を信号処理する信号処理回路とを備えてなる力検出装置であって、
前記力検出素子として、金属製のソース電極と、金属製の島電極と、金属製のドレイン電極と、ゲート電極とを備え、前記ソース電極と前記島電極との間及び前記島電極と前記ドレイン電極との間はトンネル接合によりつながっており、前記島電極と前記ゲート電極との間は静電的に接合されており、前記島電極と前記ソース電極及び／またはドレイン電極とが異なる金属によって形成された単電子トランジスタが用いられ、
前記信号処理回路は、前記ソース電極にバイアス電圧を印加する直流バイアス電源と、前記ゲート電極をアースに接続する回路と、前記ドレイン電極から出力される電流信号を電圧信号に変換して出力する電流／電圧変換回路とを含んでいることを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
力検出素子に加わる圧力、応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサと、前記力センサから前記電気信号を出力させ且つ前記電気信号を信号処理する信号処理回路とを備えてなる力検出装置であって、
前記力検出素子として、金属製のソース電極と、金属製の島電極と、金属製のドレイン電極と、ゲート電極とを備え、前記ソース電極と前記島電極との間及び前記島電極と前記ドレイン電極との間はトンネル接合によりつながっており、前記島電極と前記ゲート電極との間は静電的に接合されており、前記島電極と前記ソース電極及び／またはドレイン電極とが異なる金属によって形成された単電子トランジスタが用いられ、
前記信号処理回路は、前記ソース電極にバイアス電圧を印加する直流バイアス電源と、振幅が所定の周期で変化する振幅変化電圧信号を前記ゲート電極に供給する振幅変化電圧信号発生回路と、前記ドレイン電極から出力される電流信号を電圧信号に変換して出力する電流／電圧変換回路とを含んでいることを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
前記島電極は銅によって形成されており、前記ソース電極及び前記ドレイン電極はアルミニウムによって形成されているか、または前記島電極がアルミニウムによって形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が銅によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記信号処理回路は、前記電圧信号を入力として前記力の変化量を求める力変化量演算回路を更に備えている請求項４または５に記載の力検出装置。
【請求項７】
力検出素子に加わる圧力、応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサを用いて前記力の変化を検出する力検出方法であって、
前記力検出素子として、金属製のソース電極と、金属製の島電極と、金属製のドレイン電極と、ゲート電極とを備え、前記ソース電極と前記島電極との間及び前記島電極と前記ドレイン電極との間はトンネル接合によりつながっており、前記島電極と前記ゲート電極との間は静電的に接合されており、前記島電極と前記ソース電極及び／またはドレイン電極とが異なる金属によって形成された単電子トランジスタを用い、
前記力の変化により前記島電極、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の体積が変化するのを許容するように前記単電子トランジスタを支持体に支持し、
前記ソース電極に直流バイアス電圧を印加し、
前記単電子トランジスタのゲート電極をアース電位にするかまたは前記ゲート電極に振幅が所定の周期で変化する振幅変化電流信号を与え、
前記力の変化に応じて前記単電子トランジスタのドレイン電極から出力される電流信号に現れるクーロン振動に基づいて前記力の変化を検出することを特徴とする力検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力検出素子に加わる圧力、応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサ、該力センサを用いた力検出装置、及び該力センサを用いて力の変化を検出する力検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量式力センサ、半導体力センサ、圧電式力センサ等の各種の力センサが、圧力、応力等の力を検出する目的のために提案されている。従来提案されている力センサは、いずれも力センサそれ自体の寸法がミリオーダの寸法を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の各種の方式の力センサでは、力センサそれ自体の寸法を小さくするのに限界がある。
【０００４】
本発明の目的は、従来の力センサよりも寸法が大幅に小さい力センサを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、単電子トランジスタを力センサとして用いて力の変化を検出することができる力検出装置及び力検出方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、力検出素子に加わる圧力、応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサを対象とする。本発明の力センサでは、力検出素子として単電子トランジスタを用いる。単電子トランジスタは、消費電力が少ない点で画期的なデバイスとして注目を集めており、現在多くの研究者によって研究がなされている。しかし研究者の多くは、単電子トランジスタをトランジスタそのものとして利用するための研究を行っており、その物理的特性についての研究は少ない。発明者は、一般の研究者が着目しない単電子トランジスタの物理的な特性について研究している過程において、単電子トランジスタの出力（ドレイン電極から出力される電流信号）に、単電子トランジスタに加わる圧力や応力等の力の変化によってクーロン振動が現れることを発見した。本発明は、この発見を基礎としてなされたものである。力の変化によって発生するクーロン振動は、力の変化に応じて周期的に変化する。予めこの変化の態様を調べておくことにより、単電子トランジスタの出力に基づいて力の変化量を知ることができる。
【０００７】
単電子トランジスタそれ自体の寸法はμｍのオーダであり、既存の力センサとは桁違いに寸法が小さい。実際にセンサの感応部として構成した場合でも、感応部は１μｍ程度の大きさとなる。そのため本発明によれば、従来よりも大幅に寸法が小さい力センサを提供することができる。また本発明によれば、従来測定できなかった微小な位置において、局所的な圧力・応力等の力の変化を検出することができるようになり、ナノテクノロジーにおいて多くの用途で利用が可能である。
【０００８】
単電子トランジスタは、金属製のソース電極と、金属製の島電極と、金属製のドレイン電極と、ゲート電極とを備えており、ソース電極と島電極との間及び島電極とドレイン電極との間はトンネル接合によりつながっており、島電極とゲート電極との間は静電的に接合されており、島電極を構成する金属とソース電極及び／またはドレイン電極を構成する金属とは異なっている。本発明においては、力の変化により島電極、ソース電極及びドレイン電極の体積が変化するのを許容するように単電子トランジスタを支持体に支持させる。例えば、気体の圧力を測定する場合には、気体の圧力が各電極に直接加わる状態にし、支持体としては気体の圧力の変化によって体積が容易に変形しないものを用いるのが好ましい。逆に、応力等を測定する場合には、応力によって支持体が変形し、その変形によって各電極の体積が変化し得るように、支持体は力を受けて撓む可撓性のあるものによって構成する。
【０００９】
各電極の材料は、直接または間接に単電子トランジスタに加わる力の変化によって体積が変化し、力の変化に応じてドレイン電極から出力される電気信号にクーロン振動が現れるものであれば、どのようなものでもよい。現在、各電極の材料についても研究を進めているが、今のところ、島電極を銅によって形成し、ソース電極及びドレイン電極をアルミニウムによって形成する場合または島電極をアルミニウムによって形成し、ソース電極及びドレイン電極を銅によって形成する場合において、圧力に対する高い感度が得られることが分かっている。なお今後の研究によって、他の異種金属材料の組み合わせが、この組み合わせよりも優れた結果を出すことが判明してくる可能性がある。したがってこの組み合わせのみに本発明が限定されるものではない。
【００１０】
本発明の技術的思想は、圧力や応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサと、力センサから電気信号を出力させ且つ電気信号を信号処理する信号処理回路とを備えてなる力検出装置として表現することもできる。その場合においても、力検出素子としては、単電子トランジスタを用いることができる。そして信号処理回路は、ソース電極に直流バイアス電圧を印加する直流バイアス電源と、ゲート電極をアースに接続する回路または振幅が所定の周期で変化する振幅変化電圧信号をゲート電極に供給する振幅変化電圧信号発生回路と、ドレイン電極から出力される電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換回路とを含んで構成することができる。単電子トランジスタの各電極に加わる力の変化に対して、ドレイン電極から出力される電流信号には力の変化に応じて周期的に変動するクーロン振動が現れる。そこで本発明の装置では、この電流信号を電圧信号に変換し、この電圧信号に基づいて力の変化を検出する。力の変化により単電子トランジスタの出力に現れるクーロン振動は、変換された電圧信号にも含まれる。ゲート電極をアース電位にした場合、ドレイン電極から出力される電流信号を変換した電圧信号は、加わる力の変化に応じて周期的に振動する。例えば力が徐々に増加する場合、電圧信号は極大値と極小値との間で周期的に振動または変動する。したがって予めこの振動特性を調べておくことにより、力の変化量を知ることができる。ゲート電極に交流信号のように振幅が変化する振幅変化電圧信号を供給すると、ドレイン電極から出力される電流信号はゲート電極に供給された電圧に応じて周期的に変動するが、その振動の位相が、力の変化に応じて周期的に変化することになる。したがってこの位相の変化量を知ることにより、力の変化量を知ることができる。なおこの場合、信号処理回路は、力の変化によりクーロン振動する電圧信号の位相の変化量に基づいて力の変化量を求める力変化量演算回路を更に備えていてもよい。高速読み出し回路と組み合わせることにより、ＭＨｚ以上の高速測定も可能になる。
【００１１】
本発明の思想を、力検出素子に加わる圧力、応力等の力の変化を電気信号の変化として出力する力センサを用いて力の変化を検出する力検出方法として捉えると、本発明の力検出方法は次のようなステップで構成される。
【００１２】
すなわち本発明の方法では、力検出素子として、金属製のソース電極と、金属製の島電極と、金属製のドレイン電極と、ゲート電極とを備え、前記ソース電極と島電極との間及び島電極と前記ドレイン電極との間にはトンネル接合が形成され、島電極とソース電極及び／またはドレイン電極とが異なる金属によって形成された単電子トランジスタを用い、力の変化により島電極、ソース電極及びドレイン電極の体積が変化するのを許容するように単電子トランジスタを支持体に支持する。その上で、ソース電極に直流バイアス電圧を印加する。そして単電子トランジスタのゲート電極をアース電位にするかまたはゲート電極に振幅が所定の周期で変化する振幅変化電流信号を与える。そして力の変化に応じて、単電子トランジスタのドレイン電極から出力される電流信号に現れるクーロン振動に基づいて力の変化を検出する。本発明の方法によれば、局所の圧力・応力を直接高い精度で測定することが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）は、本発明の力センサ１を用いた力検出装置の一実施の形態の回路構成を示す回路図である。図１（Ａ）に示した力検出装置は、単電子トランジスタＳＥＴをセンサ素子とする力センサ１と、バイアス用の直流バイアス電源２と、電流／電圧変換回路３とから構成されている。電流／電圧変換回路３は、増幅器ＯＰと抵抗体Ｒとから構成されている。そしてゲート電極Ｇはアース電位に固定されている。この例では、試験のために、力センサ１は、圧力の調整が可能な図示しない密閉空間内に配置されている。図２（Ａ）に示すように、単電子トランジスタＳＥＴは、金属製のソース電極Ｓと、金属製の島電極Ｉと、金属製のドレイン電極Ｄと、ゲート電極Ｇとを備えている。ソース電極Ｓと島電極Ｉとの間及び島電極Ｉとドレイン電極Ｄとの間はそれぞれ微小トンネル接合ＴＣによりつながっており、島電極Ｉとゲート電極Ｇとは静電的に接合されている。島電極Ｉを構成する金属とソース電極Ｓ及び／またはドレイン電極Ｄを構成する金属とは異なっている。この例では、具体的には、島電極Ｉを銅（Ｃｕ）で形成し、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄ及びゲート電極Ｇをアルミニウム（Ａｌ）で形成している。図２（Ａ）においては、密閉室内の圧力の変化により島電極Ｉ、ソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄの体積が変化するのを許容するように単電子トランジスタＳＥＴを絶縁材料からなる剛性を有する支持体Ｂ上に支持している。図２（Ｂ）は、単電子トランジスタＳＥＴの等価回路である。
【００１４】
図１に示す実施の形態においては、単電子トランジスタＳＥＴが配置された密閉空間の圧力を増加させると、図１（Ｂ）に示すように、力の増加に応じて電流／電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換回路）３の出力は、クーロン振動する。すなわち力の増加に応じて、出力電圧は極大点と極小点との間を所定の周期で変化する。クーロン振動の極大点と極小点の間の１／２周期の間であれば出力電圧と力の変化の関係はほぼ比例関係にある。一方、クーロン振動がこの１周期以上になるほどに力が変化する場合には、極大点及び極小点の発生個数を考慮することにより力の変化量を知ることができる。
【００１５】
クーロン振動が発生する理由について説明すると、クーロンブロッケイドが働くような条件下にある単電子トランジスタＳＥＴでは、特定のゲート電圧でのみソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間に電流が流れる。これは、帯電エネルギーによって島電極Ｉ内の電子数が量子化されるためであり、２つの異なる電荷状態の静電エネルギーが縮退するゲート電圧以外では電荷の移動が禁止されるからである。この電流のオン・オフ（クーロン振動）に要するゲート電荷は素電荷ｅに等しく、これが単電子トランジスタＳＥＴの高い電荷感度の基礎となっている。単電子トランジスタＳＥＴの応用の大部分はこの極めて高い電荷感度を利用したものであり、電荷計、単（少数）電子メモリ、単電子ロジック、電流標準のほか、単光子計測などの多岐の用途に用いられることが可能である。またこの他には、一次温度計（高温展開式の不変性）や、超伝導量子ビット（量子２準位系）などへの応用も考えられる。発明者は先に強磁性単電子トランジスタＳＥＴにおいてトランジスタのオン・オフがゲート電圧によってだけでなく外部磁場によっても起きること（磁気クーロン振動）を見出した（K.Ono, H.Shimada, and Y.Ootuka, Journal of Physical Society Japan 66 (1997) 1261-1264.）。さらに、外部磁場によるゼーマン効果と単電子トンネルの標準理論によってこの現象が説明できることを明らかにした（H.Shimada, K.Ono and Y.Ootuka,Journal of the Physical Society of Japan 67 (1998) 1359-1370.）。すなわち、外部磁場Ｈのもとで、強磁性金属中の伝導電子の化学ポテンシャル（フェルミエネルギー）はΔμ＝−（１／２）ＰｇμＢＨ変化する（Ｐはスピン偏極率、ｇはｇ−因子、μＢはボーア磁子）。島電極Ｉとソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄとの化学ポテンシャルの差が十分大きくなると電極間に電子の移動が生じ、この移動はゲート電極Ｇがするのと全く同じ働きを単電子トランジスタＳＥＴにもたらす。磁気クーロン振動の周期ΔＨは次式から決定される。
【００１６】
【数１】
0004074774.tif 000002
上記式が暗示するように、この原理を更に敷衍すると、一般にある外部変数Ｘについて島電極Ｉ及びソース電極Ｓの化学ポテンシャルμが異なった依存性を持つときには、外部変数Ｘによってクーロン振動が生じるはずであり、そのような単電子トランジスタＳＥＴは物理量Ｘのセンサーとして利用できる。この考え方が、本発明の技術的思想の基本である。
【００１７】
以下では、Ｘとして圧力Ｐや応力Ｓを考える。金属中の電子の化学ポテンシャルは一般に圧力や応力の関数である。簡単のために、自由電子モデルを考えた場合、化学ポテンシャル（フェルミエネルギー）μは次式で与えられる。
【００１８】
μ＝（ｈ２／８ｍ）×（３／πＶ）２／３
上記式で、ｍは電子の質量、Ｖはモル体積であり、ｈはプランク定数である。圧力を加えることにより、金属の体積は一般に減少し、その結果化学ポテンシャルは増加する。島電極Ｉ、ソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄもまた同様の圧力を受けると、その中の電子の化学ポテンシャルは増加する。しかしながら島電極Ｉとソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄとを異種の金属で作った場合は、ソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄの体積の増加・減少の程度は島電極Ｉの体積の増加・減少の程度とは異なってくる。たとえば、図３（Ａ）のように、圧力Ｐの変化が０のときにソース電極Ｓと島電極Ｉ内の化学ポテンシャルが等しいとしても、圧力が変化（増加）して島電極Ｉにおける化学ポテンシャルの増加がソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄにおける化学ポテンシャルの増加を上回るような場合には、図３（Ｂ）に示すように圧力の印加によって島電極Ｉ中の電子は相対的に不安定となり、電子はソース電極へ移動したほうが内部エネルギー的には安定である。しかし、一方で、電子の移動は静電エネルギーの増加を引き起こすため、島電極Ｉ内の電子数の変化はデバイスに固有なある圧力を周期として周期的に生じる。この電子数変化が生じる圧力では、島電極Ｉ内の２つの電荷状態のエネルギーが等しくなるため、電荷の揺らぎが許され、ソース電極・ドレイン電極間に絶対零度でも電流が流れる。これを利用すれば圧力を電気的に検知できる。
【００１９】
圧力による各電極の体積の減少は、弱い圧力領域ではΔＶ／Ｖ＝―αＰのように減少し（αは体積弾性率の逆数）、例えば、上記の自由電子モデルと体積弾性率の実測値に基づき、アルミニウムと銅について化学ポテンシャルの増加を評価するとそれぞれ1.0×10−10 eV/Pa, 0.7×10−10 eV/Paとなる。従ってソース電極をＡｌ、島電極をＣｕ、ドレイン電極ＤをＡｌとした単電子トランジスタＳＥＴにおいては、圧力の相違によって生じる銅の電気化学ポテンシャルの変化は、0.3×10−10 × P (Pa) eVとなる。室温動作の単電子トランジスタＳＥＴにおいては、Ｅｃは60meV程度以上である。そして１Ｋ動作（絶対温度１Ｋにおける動作）の単電子トランジスタＳＥＴにおいては、Ｅｃは0.2meV程度以上である。したがって、圧力の相違によるクーロン振動周期は、それぞれ室温動作においては2×109Paであり、１Ｋ動作では0.7×107 Pa程度となる。報告されている単電子トランジスタＳＥＴの電荷感度１０−５ｅ／Hz１／２を仮定すると、バンド幅１Ｈｚでの測定で、圧力感度はそれぞれ常温動作で0.2気圧、１Ｋ動作で0.7×10−4気圧と見積もられる。以上の評価はあくまでも自由電子モデルに基づくものである。現実の金属においては格子ポテンシャルの影響を考慮する必要があり、上記の評価はあくまでも定性的なものと考えなければならない。
【００２０】
予備的な実験結果を説明する。この実験で用いた単電子トランジスタＳＥＴは島電極Ｉがアルミニウム、ソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄが銅からなっている。接合部分の面積は約40nm×40nmであり、Ｅｃ（単電子帯電エネルギー）は約0.5meVと見積もられる。実験は高圧気密容器に入れられた単電子トランジスタＳＥＴを液体ヘリウムを用いて約２Ｋに冷却して行った。容器と高圧ガスボンベとをつなぐことにより、容器内の圧力を1MPa（約１０気圧）から4MPa（約４０気圧）の間で変化させた。この間、単電子トランジスタＳＥＴのゲートには一定振幅の三角波電圧を加え、これによって生じるクーロン振動の位相が圧力によってどのように変わるかを調べた。圧力を加えることでクーロン振動の位相はある方向にシフトすることが観測され、クーロン振動の等位相点を圧力に対してプロットして図４が得られた。圧力感度は上記の自由電子モデルに基づく荒い見積りより１０倍程度高くなっている。この実験結果から、主に電荷・電場・電圧敏感素子としての応用が考えられていた単電子トランジスタが機械的作用である圧力・応力（力）に敏感な素子としても利用可能であることが分かる。
【００２１】
図１（Ａ）の回路では、単電子トランジスタＳＥＴのゲート電極Ｇの電位を固定しているが、図５（Ａ）の実施の形態では、ゲート電極Ｇに交流変調電圧即ち振幅が所定の周期で変化する振幅変化電圧信号を加え、ドレイン電極Ｄから出力される電流信号を電流／電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換回路）３により電圧信号に変換して出力する。図５（Ａ）の実施の形態の力検出装置は、圧力の変化を視覚により確認するための構成を有している。この装置では、ソース電極Ｓを一定電圧でバイアスし、振幅変化電圧信号発生回路４から正弦波電圧信号や鋸歯状波電圧信号等からなる振幅変化電圧信号（交流信号）をゲート電極Ｇに供給し、オシロスコープ５のｙ入力に電流／電圧変換回路３の出力を入力し、オシロスコープ５のｘ入力には振幅変化電圧信号を供給している。図５（Ｂ）は、圧力の変化と電流／電圧変換回路３の出力電圧の変化の関係を概念的に説明するためにオシロスコープ５の画面を概略的に示したものである。図５（Ｂ）において、実線で示した正弦波は力センサ１が配置された密閉空間内の圧力を変える前の（基準圧力における）ゲート電圧に対する電流／電圧変換回路３の出力電圧波形であり、破線で示した正弦波は圧力を増加させた場合の電流／電圧変換回路３のゲート電圧に対する出力電圧波形である。この図から分かるように、電流／電圧変換回路３の出力電圧の波形はゲート電極に加えられた電圧に対して振動する（クーロン振動）が、圧力を増加させるとこの振動のゲート電圧に対する位相が単調に変化する。したがってこの位相の変化を見ることにより、力（圧力、応力）の変化を検出することが可能になる。
【００２２】
このような圧力によって生じたクーロン振動の位相差を線形化すれば、圧力の変化を客観的に測定することができる。図６（Ａ）は、これを可能にするための力検出装置の構成の一例を概略的に示す図である。図６（Ａ）おいて、図１及び図５（Ａ）に示した力検出装置の構成と同じ部分には、図１及び図５（Ａ）に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この図６（Ａ）の力検出装置では、移相器６、位相検波器７と低域通過フィルタ８と、フィードバックループ９とにより信号処理回路が構成されており、信号処理回路の中で電流／電圧変換回路３を除くその他の回路構成によって、電流／電圧変換回路３から出力される力変化表示電圧信号の位相の変化に基づいて力の変化量を求める力変化量演算回路が構成されている。この力変化量演算回路は、周知のロックイン増幅器によって構成されている。この実施の形態においては、正弦波電圧信号を発生する振幅変化電圧信号発生回路４´から増幅器ＯＰ３を介して単電子トランジスタＳＥＴのゲート電極Ｇに所定の周期の正弦波電圧信号（ｓｉｎωｔ）を供給する。増幅器ＯＰ３は、正弦波電圧信号と低域通過フィルタ８の出力とを加算して出力する。ゲート電極に加えられる正弦波電圧信号の振幅は図５（Ｂ）の振動の１／４周期を引き起こすに相当するゲート電圧値以下に設定する。このとき、電流／電圧変換回路３の出力電圧はゲート電圧による変調を受け、時間に対してゲート電極に加えられた正弦波電圧と同一の周期で変動するが、その波形は図５（Ｂ）のクーロン振動のゲート電圧に対する位相によって異なったものになる。特に、クーロン振動の極小あるいは極大点を中心として変調を受ける場合には、出力電圧の基本周波数（ω）成分はゼロとなる。増幅器ＯＰ１、移送器６、位相検波器７、低域通過フィルタ８からなるロックイン増幅によって電流／電圧変換回路３の出力電圧の基本周波数振幅に比例する直流電圧が低域通過フィルタ８から出力される。この回路ではこの出力電圧を増幅器ＯＰ３によってゲート電極にフィードバックしており、フィードバックループ９のループゲインを十分に大きく設定することにより、図５（Ｂ）に示した電流／電圧変換回路３の出力電圧の極大（あるいは極小）点のうちの一つの近傍に単電子トランジスタＳＥＴの動作点はロックされる。力センサとして用いる単電子トランジスタＳＥＴが配置されている密閉空間内の圧力が変化しなければ、電流／電圧変換回路３から出力される電圧信号は変化しない。これに対して密閉空間の圧力が変化すると、電流／電圧変換回路３から出力される電圧信号は変化するが、上記の回路によってこの変化を打ち消す方向にフィードバックが働く。これにより低域通過フィルタ８の出力電圧即ち位相検波器７の出力から低周波の電圧信号を除去した電圧信号は、図６（Ｂ）に示すように圧力（応力）の変化に実質的に直線状に比例するようになる。この電圧信号を計測すれば、力の変化量を直接知ることができる。
【００２３】
上記の実施の形態の力検出装置は、本発明の力検出センサを用いた力検出装置の例に過ぎず、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、従来よりも大幅に寸法が小さい力センサを提供することができる。また本発明によれば、従来測定できなかった微小な位置において、局所的な圧力・応力等の力の変化を検出することができる力検出装置を提供できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の力センサを用いた力検出装置の一実施の形態の回路構成を示す回路図であり、（Ｂ）はこの力検出装置の力の変化に対する出力電圧の変化を示す波形図である。
【図２】（Ａ）は力検出素子として用いる単電子トランジスタの構成を示す斜視図であり、（Ｂ）はその等価回路である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は単電子トランジスタで圧力の変化が測定できる原理を説明するために用いる図である。
【図４】圧力の変化によって生じるクーロン振動位相の変化を示す図である。
【図５】（Ａ）は本発明の他の実施の形態の力検出装置の構成の概略を示しており、（Ｂ）は圧力の変化と電流／電圧変換回路の出力変化との関係を概念的に説明するためにオシロスコープの画面を概略的に示した図である。
【図６】（Ａ）はロックイン増幅器を用いてクーロン振動の位相差を線形化する場合の力検出装置の一例の構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）はこの装置の出力の傾向を示す図である。
【符号の説明】
１  力センサ
２  直流バイアス電源
３  電流／電圧変換回路
４，４´  振幅変化電圧信号発生回路
５  オシロスコープ
６  移相器
７  位相検波器
８  低域通過フィルタ
ＳＥＴ  単電子トランジスタ
Ｓ  ソース電極
Ｉ  島電極
Ｄ  ドレイン電極
Ｇ  ゲート電極
【図１】
0004074774.tif 000003
【図２】
0004074774.tif 000004
【図３】
0004074774.tif 000005
【図４】
0004074774.tif 000006
【図５】
0004074774.tif 000007
【図６】
0004074774.tif 000008