JP2005300490A - Mechanical detection element and detector - Google Patents

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Koji Yamaguchi
浩司 山口
Yoshio Hirayama
祥郎 平山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mechanical detection element and a detector high in sensitivity. <P>SOLUTION: The mechanical detection element, wherein the minute force impressed on a cantilever 1A is detected by the change of resistance caused by the piezoelectric resistance effect, is constituted of: the micro-fabricated cantilever 1A; electrodes 2, 3 capable of measuring the resistance value of a resistance body composed of the cantilever 1A, and a carbon nanotube 4 for measuring the objective resistance through the electrodes 2, and 3. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、梁状に加工した固体素片の弾性的な変形を検知することにより、この素片に加わった微小な力あるいは他の物理量を高感度に検出するメカニカルな検出素子および検出器に関する。   The present invention relates to a mechanical detection element and a detector for detecting a small force or other physical quantity applied to a unit with high sensitivity by detecting elastic deformation of a solid unit processed into a beam shape. .

メカニカルな検出素子は民生機器用素子として用いられる。この素子の一例は、次のように作られる。リソグラフィーに代表される半導体微細加工技術を用い、シリコン等の固体薄膜を梁状に加工して、メカニカル検出素子の梁が形成される。この検出素子によれば、梁の弾性的な変位による半導体の物性変化を、電気的あるいは光学的に検出することにより、梁に加わった微小な力や他の物理量を検知する。   The mechanical detection element is used as an element for consumer equipment. An example of this element is made as follows. Using a semiconductor microfabrication technique represented by lithography, a solid thin film such as silicon is processed into a beam shape to form a beam of a mechanical detection element. According to this detection element, a microscopic force or other physical quantity applied to the beam is detected by detecting a change in physical properties of the semiconductor due to elastic displacement of the beam electrically or optically.

このようなメカニカル検出素子は、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーや加速度センサーなど、民生機器用素子として広く用いられている。特に、以下の3種類の電気的メカニカル検出素子は、光学系等の外部部品を必要としない自己検知型センサーとして広く用いられている。
1.ピエゾ抵抗効果検出素子
2.静電容量型検出素子
3.トンネル電流型検出素子
Such a mechanical detection element is widely used as an element for consumer equipment such as a cantilever or an acceleration sensor of a scanning probe microscope. In particular, the following three types of electromechanical detection elements are widely used as self-detecting sensors that do not require external components such as an optical system.
1. 1. Piezoresistive effect detection element 2. Capacitance type detection element Tunnel current type detector

ピエゾ抵抗効果検出素子は、梁の全部あるいは一部分の抵抗値が測定できる電極を有し、梁に加わった微小な力を、この抵抗値の変化として検出する。静電容量型検出素子は、静電容量が測定できる1つあるいは2つの導電体を有し、梁に加わった微小な力を、この導電体の静電容量の変化として検出する(非特許文献1、2)。トンネル電流型検出素子は、電子の波長と同程度に近接した2つの導電体、すなわちトンネル接合と、そのトンネル接合に流れるトンネル電流を測定することができる電極を有し、梁に加わった微小な力を、このトンネル電流の変化として検出する(非特許文献3)。   The piezoresistive effect detecting element has an electrode capable of measuring the resistance value of all or a part of the beam, and detects a minute force applied to the beam as a change in the resistance value. The capacitance type detection element has one or two conductors whose capacitance can be measured, and detects a minute force applied to the beam as a change in the capacitance of the conductor (non-patent document). 1, 2). The tunnel current type detection element has two conductors close to the same wavelength as an electron, that is, a tunnel junction, and an electrode that can measure the tunnel current flowing through the tunnel junction. The force is detected as a change in the tunnel current (Non-patent Document 3).

これらの電気的メカニカル力検出素子は、微小な力の検出はもとより、加速度、電荷、磁気、変位センサーなど、梁の弾性変形を用いる、あらゆる高感度センサーの基本素子として重要である。   These electromechanical force detection elements are important as basic elements of all high-sensitivity sensors that use elastic deformation of beams such as acceleration, electric charge, magnetism, and displacement sensors as well as detection of minute forces.

自己検知型の力検出素子であるピエゾ抵抗効果検出素子の例を図4に示す。図4のピエゾ抵抗効果検出素子は、絶縁性Si薄膜101、導電性Si薄膜102、および電極103、104を備えている。この検出素子では、絶縁性の高いSi半導体(絶縁性Si薄膜101)上に、導電性を持つSi薄膜(導電性Si薄膜102)が、不純物の拡散などのドーピング手法を用いて作製されている。   FIG. 4 shows an example of a piezoresistive effect detection element that is a self-sensing type force detection element. The piezoresistive effect detecting element of FIG. 4 includes an insulating Si thin film 101, a conductive Si thin film 102, and electrodes 103 and 104. In this detection element, a conductive Si thin film (conductive Si thin film 102) is formed on a highly insulating Si semiconductor (insulating Si thin film 101) using a doping technique such as impurity diffusion. .

絶縁性Si薄膜101は、絶縁性をもつSi薄膜層である。導電性Si薄膜102は、絶縁性Si薄膜101の上に、ドーピングにより形成された導電性を持つSi薄膜層である。電極103、104は、導電層である導電性Si薄膜102に電流を注入するために用いられる、オーム型の電極である。そして、半導体微細加工技術を用いて、半導体薄膜を梁状に加工し、片持ち梁111が形成されている。   The insulating Si thin film 101 is an Si thin film layer having insulating properties. The conductive Si thin film 102 is a conductive Si thin film layer formed by doping on the insulating Si thin film 101. The electrodes 103 and 104 are ohmic electrodes used for injecting a current into the conductive Si thin film 102 which is a conductive layer. Then, the semiconductor thin film is processed into a beam shape by using a semiconductor microfabrication technique, and the cantilever 111 is formed.

この検出素子では、片持ち梁111の先端に力が加わり、片持ち梁111がたわむと、導電性Si薄膜102は面内の歪を受ける。たとえば、片持ち梁111が下向きにたわむと、導電性Si薄膜102は引っ張り応力を受け、体積が膨張する。この体積膨張に対し、半導体に顕著にみられる変形ポテンシャル効果および圧電効果の2つの効果(ピエゾ抵抗効果)により、導電性Si薄膜102の抵抗値が変化する。したがって、電極103と電極104との間の抵抗値の変化を、配線105、106に電流を流して検出することにより、片持ち梁111のたわみを検出することができる。この結果、片持ち梁111に加わった力を検出することが可能である。   In this detection element, when a force is applied to the tip of the cantilever 111 and the cantilever 111 is bent, the conductive Si thin film 102 is subjected to in-plane strain. For example, when the cantilever beam 111 bends downward, the conductive Si thin film 102 receives tensile stress and expands its volume. With respect to this volume expansion, the resistance value of the conductive Si thin film 102 changes due to two effects (piezoresistive effect) of the deformation potential effect and the piezoelectric effect that are noticeable in the semiconductor. Therefore, the deflection of the cantilever 111 can be detected by detecting a change in the resistance value between the electrode 103 and the electrode 104 by passing a current through the wirings 105 and 106. As a result, the force applied to the cantilever 111 can be detected.

つぎに、従来の技術の別の一例として、静電容量型およびトンネル電流型の加速度検出素子の例を図5に示す。図5の加速度検出素子は、導電性Si薄膜201、202、電極203、204、片持ち梁211、および空隙212を備えている。空隙212は、片持ち梁211の長尺方向に対し傾いた対向平面を持つ。片持ち梁211と空隙212とは、微細加工により作製した両持ち梁を、異方性エッチングや集積イオンビーム(FIB)加工することなどにより作製される。   Next, as another example of the prior art, examples of capacitance type and tunnel current type acceleration detecting elements are shown in FIG. The acceleration detection element of FIG. 5 includes conductive Si thin films 201 and 202, electrodes 203 and 204, a cantilever beam 211, and a gap 212. The air gap 212 has an opposing plane inclined with respect to the longitudinal direction of the cantilever beam 211. The cantilever beam 211 and the gap 212 are produced by anisotropic etching or integrated ion beam (FIB) machining of a cantilever beam produced by microfabrication.

この加速度検出素子では、素子全体に力が加わり、それにより生じた加速度によって片持ち梁211がたわむと、空隙212の間隔が変化する。その結果、導電性Si薄膜201と導電性Si薄膜202との間の静電容量が変化する。したがって、電極203と電極204との間の静電容量の変化を、配線205、206に交流電流を流して検出することにより、片持ち梁211のたわみを検出することができる。この結果、片持ち梁211の加速度、すなわち素子にかかった力を検出することが可能である。すなわち、この素子は静電容量型加速度検出素子として動作する。   In this acceleration detection element, when a force is applied to the entire element and the cantilever beam 211 is bent by the acceleration generated by the force, the gap 212 changes. As a result, the capacitance between the conductive Si thin film 201 and the conductive Si thin film 202 changes. Therefore, the deflection of the cantilever 211 can be detected by detecting the change in the capacitance between the electrode 203 and the electrode 204 by passing an alternating current through the wirings 205 and 206. As a result, it is possible to detect the acceleration of the cantilever 211, that is, the force applied to the element. That is, this element operates as a capacitive acceleration detecting element.

ところで、この加速度検出素子では、空隙212の間隔が電子の波長と同程度に近接している場合、量子力学的なトンネル効果により、導電性Si薄膜201と導電性Si薄膜202との間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は、空隙212の間隔の変化に対して極めて敏感なため、トンネル電流の変化を配線205、206に電流を流して検出することによっても、片持ち梁211の加速度を検出することが可能である。すなわち、この素子は、空隙212が十分に小さい場合、トンネル電流型加速度検出素子として作用する。
Sensors and Actuators, A21-A23,1990 pp.297 アプライド・フィジックス・レター誌、62巻、1993年、834−836頁(Applied Physics Letter, Volume62, 1993 pp.834-836) アプライド・フィジックス・レター誌、58巻、1991年、100頁(AppliedPhysics Letter, Volume58, 1991 pp.100)
By the way, in this acceleration detecting element, when the gap 212 is close to the wavelength of the electron, the tunnel between the conductive Si thin film 201 and the conductive Si thin film 202 is caused by the quantum mechanical tunnel effect. Current flows. Since this tunnel current is extremely sensitive to a change in the interval of the gap 212, the acceleration of the cantilever 211 can also be detected by detecting the change in the tunnel current by passing the current through the wirings 205 and 206. Is possible. That is, this element functions as a tunnel current type acceleration detecting element when the air gap 212 is sufficiently small.
Sensors and Actuators, A21-A23,1990 pp.297 Applied Physics Letter, 62, 1993, 834-836 (Applied Physics Letter, Volume 62, 1993 pp.834-836) Applied Physics Letter, 58, 1991, 100 (AppliedPhysics Letter, Volume 58, 1991 pp.100)

先に説明した従来の技術には、次の課題がある。通常用いられているピエゾ抵抗効果検出素子は、導電性半導体薄膜の変形ポテンシャル効果ならびに圧電効果によるバルク半導体固有の抵抗値変化を用いている。このため、梁の変位に対する抵抗値の変化が小さく、レーザー干渉計などを用いた変位センサーを応用した検出素子に比較して、感度が著しく低いという問題点がある。   The conventional techniques described above have the following problems. A commonly used piezoresistive effect detecting element uses a deformation potential effect of a conductive semiconductor thin film and a change in resistance value inherent to a bulk semiconductor due to a piezoelectric effect. For this reason, there is a problem that the change in the resistance value with respect to the displacement of the beam is small, and the sensitivity is remarkably lower than that of a detection element to which a displacement sensor using a laser interferometer or the like is applied.

また、通常用いられている静電容量型検出素子では、静電容量の変化比を測定するため、素子の感度を向上させるためには、非動作時の静電容量を小さくする必要がある。静電容量を測定する空隙は、電子ビーム露光やFIB加工により作製される。このため、対向する接合面は、最小でも数十ナノメートル程度の大きさを持ち、静電容量を小さくする目的において作製上の限界がある。特に、シリコン等の半導体を用いて静電接合を作製する場合には、半導体の空乏層により接合面間の距離も空乏層厚以下にはならず、感度向上に限界がある。同様の状況は、トンネル接合型力検出素子であるトンネル電流型検出素子の場合にも生じ、加工精度の限界により生じる感度限界が避けられない。   In addition, since the capacitance type detection element that is normally used measures the change ratio of the capacitance, in order to improve the sensitivity of the element, it is necessary to reduce the capacitance during non-operation. The gap for measuring the capacitance is produced by electron beam exposure or FIB processing. For this reason, the opposing joint surface has a size of about several tens of nanometers at the minimum, and there is a manufacturing limit for the purpose of reducing the capacitance. In particular, when an electrostatic junction is manufactured using a semiconductor such as silicon, the distance between the junction surfaces is not less than the depletion layer thickness due to the depletion layer of the semiconductor, and there is a limit to the improvement in sensitivity. A similar situation also occurs in the case of a tunnel current type detection element which is a tunnel junction type force detection element, and the sensitivity limit caused by the limit of processing accuracy is unavoidable.

したがって、いずれの検出素子においても、導電性を持つバルク材料をリソグラフィー等の微細加工技術を用いて作製を行うという共通点に、加工精度とバルク材料の特性とからくる感度限界が生じるという点が、最も大きな問題点として指摘できる。   Therefore, in any of the detection elements, the common point that a bulk material having conductivity is manufactured using a fine processing technique such as lithography is that a sensitivity limit is generated due to processing accuracy and characteristics of the bulk material. Can be pointed out as the biggest problem.

本発明は、前記の課題を解決し、感度の高いメカニカル検出素子および検出器を提供することにある。   The present invention solves the above-described problems and provides a highly sensitive mechanical detection element and detector.

前記課題を解決するために、請求項1の発明は、微細加工により作製した梁と、その梁の全部あるいは一部分からなる抵抗体の抵抗値が測定できる電極とを有し、前記梁に加わった微小な力を、ピエゾ抵抗効果により前記抵抗値の変化として検出するメカニカル検出素子において、前記電極を通じて抵抗値を測定する対象の全部あるいは一部がカーボンナノチューブにより構成されることを特徴とするメカニカル検出素子である。
請求項2の発明は、微細加工により作製した梁と、静電容量が測定できる1つあるいは2つの導電体を有し、前記梁に加わった微小な力を前記導電体の静電容量の変化として検出するメカニカル検出素子において、前記導電体の全部あるいは一部がカーボンナノチューブにより構成されることを特徴とするメカニカル検出素子である。
請求項3の発明は、微細加工により作製した梁と、電子の波長と同程度に近接した2つの導電体により形成されるトンネル接合と、このトンネル接合に流れるトンネル電流を測定することができる電極とを有し、前記梁に加わった微小な力をこのトンネル電流の変化として検出するメカニカル検出素子において、前記トンネル接合の全部あるいは一部がカーボンナノチューブにより構成されることを特徴とするメカニカル検出素子である。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載のメカニカル検出素子において、前記抵抗体、前記導電体、および前記トンネル接合を2個以上組み合わせた構造あるいは回路の電気的特性の変化を測定することにより、前記梁に加わった微小な力を検出するメカニカル検出素子において、前記構造あるいは前記回路の一部がカーボンナノチューブにより構成されることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1〜4記載のメカニカル検出素子と等価な構造をその全部あるいは構成要素として含む検出器であって、加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の1つによって、前記梁に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする検出器である。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 has a beam produced by microfabrication and an electrode capable of measuring a resistance value of a resistor composed of all or a part of the beam, and is added to the beam. In a mechanical detection element that detects a minute force as a change in the resistance value by a piezoresistance effect, mechanical detection is characterized in that all or a part of an object whose resistance value is measured through the electrode is composed of carbon nanotubes. It is an element.
The invention of claim 2 has a beam produced by microfabrication and one or two conductors whose capacitance can be measured, and a minute force applied to the beam is used to change the capacitance of the conductor. In the mechanical detection element to be detected, the mechanical detection element is characterized in that all or part of the conductor is composed of carbon nanotubes.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a tunnel junction formed by a beam fabricated by microfabrication, two conductors close to the same wavelength as an electron, and an electrode capable of measuring a tunnel current flowing through the tunnel junction. And a mechanical detection element for detecting a minute force applied to the beam as a change in the tunnel current, wherein all or part of the tunnel junction is composed of carbon nanotubes. It is.
According to a fourth aspect of the present invention, in the mechanical detection element according to any one of the first to third aspects, an electrical characteristic of a structure or circuit in which two or more of the resistor, the conductor, and the tunnel junction are combined. In the mechanical detection element for detecting a minute force applied to the beam by measuring the change in the above, the structure or a part of the circuit is constituted by carbon nanotubes.
The invention according to claim 5 is a detector including the structure equivalent to the mechanical detection element according to any one of claims 1 to 4 as a whole or as a component thereof, and includes acceleration, magnetism, charge, displacement, mass, molecule, and atomic One of the detectors has generating means for generating elastic deformation of the beam.

前記構成により、梁の変位が高感度に測定できる理由は以下のとおりである。カーボンナノチューブは、理想的な一次元電気伝導体であることが知られている。一次元電気伝導体における電気伝導率は、フェルミ準位以下に存在する量子化チャネル数に比例する。この量子化チャネルのエネルギー準位とフェルミ準位との相互関係は、カーボンナノチューブの直径、カイラリティーによって決定される。このナノチューブの形状を弾性的に変形すると、伝導電子のエネルギー準位の構造は大きく変化する。また、弾性変形の方向によっては、系の一次元性自体が消失する。このような効果により、カーボンナノチューブの電気伝導率すなわちその逆数である抵抗値は、カーボンナノチューブの弾性的な変形に対し、極めて敏感に変化する。   The reason why the displacement of the beam can be measured with high sensitivity is as follows. Carbon nanotubes are known to be ideal one-dimensional electrical conductors. The electric conductivity in the one-dimensional electric conductor is proportional to the number of quantized channels existing below the Fermi level. The correlation between the energy level and the Fermi level of this quantization channel is determined by the diameter and chirality of the carbon nanotube. When the shape of the nanotube is elastically deformed, the energy level structure of the conduction electrons changes greatly. Depending on the direction of elastic deformation, the one-dimensionality of the system itself disappears. Due to such an effect, the electrical conductivity of the carbon nanotube, that is, the resistance value which is the reciprocal thereof, changes extremely sensitively to the elastic deformation of the carbon nanotube.

実際、2000年度のNature405号、769ページにTombler等によって報告されているように、カーボンナノチューブは中央部分の変位に対して0.01nm−1の比抵抗変化がある。これは、半導体ピエゾ抵抗カンチレバーの典型的な変位感度である10−5〜10−6nm−1に比較して、3桁から4桁高い感度に相当する。これより、ピエゾ抵抗効果検出素子の抵抗体としてカーボンナノチューブを用いれば、従来に比較して高い感度の検出素子の作製が可能となる。 In fact, as reported by Tombler et al. In Nature 405, page 769 in 2000, carbon nanotubes have a specific resistance change of 0.01 nm −1 with respect to the displacement of the central portion. This corresponds to a sensitivity that is 3 to 4 orders of magnitude higher than the typical displacement sensitivity of a semiconductor piezoresistive cantilever, 10 −5 to 10 −6 nm −1 . From this, if a carbon nanotube is used as a resistor of a piezoresistive effect detection element, it becomes possible to produce a detection element with higher sensitivity than in the past.

また、一方、カーボンナノチューブは、直径がナノスケールという微細なサイズであることより、その静電容量も極めて小さい。したがって、このナノチューブにより接合を作製すれば、非常に小さな静電容量のコンデンサーが作製できる。このコンデンサーを静電容量型メカニカル検出素子に組み込むことにより、高い感度の検出素子の作製が可能となる。   On the other hand, the carbon nanotube has a very small capacitance because it has a fine diameter of nanoscale. Therefore, a capacitor having a very small capacitance can be manufactured by forming a junction using the nanotubes. By incorporating this capacitor into a capacitive mechanical detection element, it is possible to produce a detection element with high sensitivity.

また、同様に、このカーボンナノチューブと電極、あるいはカーボンナノチューブ同士でトンネル接合を作ることにより、接合の空隙の距離変化に極めて敏感なトンネル接合を形成することが可能であり、検出素子の感度を向上させることができる。   Similarly, by forming a tunnel junction between the carbon nanotube and the electrode or between the carbon nanotubes, it is possible to form a tunnel junction that is extremely sensitive to changes in the gap distance of the junction, improving the sensitivity of the detection element. Can be made.

したがって、このようにカーボンナノチューブを含む梁を作製し、それに力を加え、カーボンナノチューブの弾性的な変形あるいはカーボンナノチューブの変位を引き起こすことにより、従来技術に比較して桁違いに高い感度を実現することが可能である。言い換えれば、極めて微細かつ特徴的な電気伝導特性を持つカーボンナノチューブを用いることにより、従来のリソグラフィーを用いた技術における加工精度やバルク材料の物性から生じる限界を克服し、高い感度のメカニカル検出素子を作製することが本発明の本質である。   Therefore, by producing a beam containing carbon nanotubes in this way and applying force to them, elastic deformation of the carbon nanotubes or displacement of the carbon nanotubes is achieved, thereby realizing an order of magnitude higher sensitivity than conventional techniques. It is possible. In other words, the use of carbon nanotubes with extremely fine and characteristic electrical conduction characteristics overcomes limitations caused by processing accuracy and physical properties of bulk materials in conventional lithography technology, and provides a mechanical sensor with high sensitivity. Making is the essence of the present invention.

本発明によれば、検出素子を構成する部分の一部にカーボンナノチューブを用いることにより、極めて感度の高い検出素子を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a detection element with extremely high sensitivity by using carbon nanotubes in a part of the portion constituting the detection element.

つぎに、本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
[実施形態1]
本実施形態によるメカニカル検出素子はピエゾ抵抗効果力検出素子であり、このメカニカル検出素子には、梁を構成する材料として絶縁性シリコンが用いられている。本実施形態によるメカニカル検出素子を図1に示す。このメカニカル検出素子は、絶縁性シリコン薄膜1と、片持ち梁1Aと、金属電極2、3と、カーボンナノチューブ4とを備えている。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
The mechanical detection element according to the present embodiment is a piezoresistive effect detection element, and this mechanical detection element uses insulating silicon as a material constituting the beam. The mechanical detection element according to the present embodiment is shown in FIG. The mechanical detection element includes an insulating silicon thin film 1, a cantilever 1 </ b> A, metal electrodes 2 and 3, and a carbon nanotube 4.

絶縁性シリコン薄膜1は、絶縁性の高いSi半導体であり、片持ち梁1Aは、絶縁性シリコン薄膜1の一部の微細加工により作製されている。金属電極2、3は、絶縁性シリコン薄膜1に形成されている。金属電極2、3は、L字状の固定部2A、3Aを持っている。固定部2A、3Aは、L字状の先端である屈曲部分が互いに向かい合うように、片持ち梁1Aに配置されている。カーボンナノチューブ4は、金属電極2、3の固定部2A、3Aによって、片持ち梁1Aに固定されている。金属電極2、3の固定部2A、3Aは、カーボンナノチューブ4と良好なオーミック接合を形成する。つまり、金属電極2、3は、カーボンナノチューブ4の電極として作用すると同時に、カーボンナノチューブ4を片持ち梁1A上に固定するためにも用いられている。   The insulating silicon thin film 1 is a highly insulating Si semiconductor, and the cantilever 1 </ b> A is manufactured by microfabrication of a part of the insulating silicon thin film 1. The metal electrodes 2 and 3 are formed on the insulating silicon thin film 1. The metal electrodes 2 and 3 have L-shaped fixing portions 2A and 3A. The fixing portions 2A and 3A are arranged on the cantilever 1A so that the bent portions which are L-shaped tips face each other. The carbon nanotube 4 is fixed to the cantilever 1 </ b> A by the fixing portions 2 </ b> A and 3 </ b> A of the metal electrodes 2 and 3. The fixing portions 2 </ b> A and 3 </ b> A of the metal electrodes 2 and 3 form a good ohmic junction with the carbon nanotube 4. That is, the metal electrodes 2 and 3 act as electrodes of the carbon nanotube 4 and are also used to fix the carbon nanotube 4 on the cantilever 1A.

こうした構成のメカニカル検出素子の片持ち梁1Aにたわみを加えると、片持ち梁1A上に固定されたカーボンナノチューブ4は、たわみの方向に依存して、引っ張り歪あるいは圧縮歪を受ける。すでに記載したとおり、カーボンナノチューブ4の抵抗値は、これらの歪による弾性変形に極めて敏感である。したがって、金属電極2と金属電極3との間の抵抗値の変化を、配線5、6に流す電流を基にして測定することにより、従来の手法に比較して桁違いに高い感度で、片持ち梁1Aに加えられた、微小な力を検出できる。   When deflection is applied to the cantilever 1A of the mechanical detection element having such a configuration, the carbon nanotubes 4 fixed on the cantilever 1A are subjected to tensile strain or compression strain depending on the direction of deflection. As already described, the resistance value of the carbon nanotube 4 is extremely sensitive to elastic deformation due to these strains. Therefore, by measuring the change in the resistance value between the metal electrode 2 and the metal electrode 3 based on the current flowing through the wirings 5 and 6, the sensitivity is much higher than that of the conventional method. A minute force applied to the cantilever 1A can be detected.

[実施形態2]
つぎに、実施形態2について説明する。本実施形態によるメカニカル検出素子はピエゾ抵抗効果変位検出素子であり、本実施形態では、カーボンナノチューブが梁の先端部に取り付けられる構造を有する。本実施形態によるメカニカル検出素子を図2に示す。このメカニカル検出素子は、絶縁性シリコン薄膜11、14と、片持ち梁11Aと、金属電極12、15と、カーボンナノチューブ17とを備えている。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 will be described. The mechanical detection element according to the present embodiment is a piezoresistive effect displacement detection element. In this embodiment, the carbon nanotube has a structure in which the carbon nanotube is attached to the distal end portion of the beam. The mechanical detection element according to the present embodiment is shown in FIG. This mechanical detection element includes insulating silicon thin films 11 and 14, a cantilever 11 A, metal electrodes 12 and 15, and a carbon nanotube 17.

絶縁性シリコン薄膜11、14は、絶縁性の高いSi半導体である。片持ち梁11Aは、絶縁性シリコン薄膜11の一部の微細加工により作製され、同じく、突出部14Aは、絶縁性シリコン薄膜14に作製されている。そして、片持ち梁11Aと突出部14Aとは、それらの先端部が空隙18を介して互いに向かい合うように配置されている。金属電極12は絶縁性シリコン薄膜11に設けられ、金属電極15は絶縁性シリコン薄膜14に設けられている。金属電極12、14は、細長形状の固定部12A、15Aを持っている。カーボンナノチューブ17は、空隙18を橋渡しする位置で配置され、金属電極12、15の固定部12A、15Aによって、片持ち梁11Aと突出部14Aとに固定されている。金属電極12、15は、カーボンナノチューブ17の良好なオーミック電極として作用するとともに、カーボンナノチューブ17を固定する役割を果たしている。   The insulating silicon thin films 11 and 14 are highly insulating Si semiconductors. The cantilever 11 </ b> A is manufactured by microfabrication of a part of the insulating silicon thin film 11. Similarly, the protruding portion 14 </ b> A is formed on the insulating silicon thin film 14. The cantilever 11 </ b> A and the projecting portion 14 </ b> A are arranged such that their tip portions face each other through the gap 18. The metal electrode 12 is provided on the insulating silicon thin film 11, and the metal electrode 15 is provided on the insulating silicon thin film 14. The metal electrodes 12 and 14 have elongated fixed portions 12A and 15A. The carbon nanotube 17 is arranged at a position that bridges the gap 18 and is fixed to the cantilever 11A and the protruding portion 14A by the fixing portions 12A and 15A of the metal electrodes 12 and 15. The metal electrodes 12 and 15 function as good ohmic electrodes for the carbon nanotubes 17 and play a role of fixing the carbon nanotubes 17.

こうした構成のメカニカル検出素子の片持ち梁11Aにたわみを加えると、片持ち梁11Aの先端部の変位により、片持ち梁11Aに固定されているカーボンナノチューブ17には、大きな歪が加えられる。実施形態1と同様に、カーボンナノチューブ17の抵抗値は、この歪による弾性変形に極めて敏感である。したがって、金属電極12と金属電極15との間の抵抗値の変化を、配線13、16に流す電流を基にして測定することにより、従来の手法に比較して桁違いに高い感度で、片持ち梁11Aの先端部の微小な変位を検出することが可能である。   When bending is applied to the cantilever 11A of the mechanical detection element having such a configuration, a large strain is applied to the carbon nanotubes 17 fixed to the cantilever 11A due to the displacement of the tip of the cantilever 11A. Similar to the first embodiment, the resistance value of the carbon nanotube 17 is extremely sensitive to elastic deformation due to this strain. Therefore, by measuring the change in the resistance value between the metal electrode 12 and the metal electrode 15 based on the current flowing through the wirings 13 and 16, the sensitivity is remarkably higher than that of the conventional method. It is possible to detect a minute displacement of the tip of the cantilever 11A.

[実施形態3]
本実施形態によるメカニカル検出素子はトンネル接合型変位検出素子であり、このメカニカル検出素子では、切断したカーボンナノチューブをトンネル接合として用いる。なお、本実施形態によるメカニカル検出素子は静電容量型検出素子にも転用するが可能である。本実施形態によるメカニカル検出素子を図3に示す。このメカニカル検出素子は、絶縁性シリコン薄膜11、14と、片持ち梁11Aと、金属電極12、15と、カーボンナノチューブ21とを備えている。なお、図3では、先に説明した図2と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
The mechanical detection element according to the present embodiment is a tunnel junction type displacement detection element. In this mechanical detection element, a cut carbon nanotube is used as a tunnel junction. Note that the mechanical detection element according to the present embodiment can also be diverted to a capacitive detection element. The mechanical detection element according to the present embodiment is shown in FIG. This mechanical detection element includes insulating silicon thin films 11 and 14, a cantilever 11 </ b> A, metal electrodes 12 and 15, and a carbon nanotube 21. In FIG. 3, components that are the same as or the same as those in FIG. 2 described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

カーボンナノチューブ21は、収束イオンビームなどによって2つに切断され、一方のチューブ部分21Aは金属電極12の固定部12Aによって片持ち梁11Aに固定され、他方のチューブ部分21Bは金属電極15の固定部15Aによって突出部14Aに固定されている。カーボンナノチューブ21の切断部分にはトンネル接合21Cが形成されている。   The carbon nanotube 21 is cut into two by a focused ion beam or the like, one tube portion 21A is fixed to the cantilever 11A by the fixing portion 12A of the metal electrode 12, and the other tube portion 21B is fixed to the metal electrode 15. It is fixed to the protruding portion 14A by 15A. A tunnel junction 21 </ b> C is formed at the cut portion of the carbon nanotube 21.

こうした構成のメカニカル検出素子の片持ち梁11Aにたわみを加えると、片持ち梁11Aの先端部の変位により、片持ち梁11Aに固定されているカーボンナノチューブ21のチューブ部分21Aは上下に変位する。一方、カーボンナノチューブ21のチューブ部分21Bは片持ち梁11Aとは独立しているため、変位は生じない。したがって、トンネル接合21Cの間隔は片持ち梁11Aの先端部の変位距離だけ変化する。シリコンに比較してカーボンナノチューブでは、切断された先端まで良好な電気伝導を有するため、この変位に極めて敏感にトンネル電流が変化する。したがって、金属電極12と金属電極15との間に流れるトンネル電流の変化を、配線13、16を用いて測定することにより、従来の手法に比較して桁違いに高い感度で、片持ち梁11Aの先端部の微小な変位を検出することが可能である。   When bending is applied to the cantilever 11A of the mechanical detection element having such a configuration, the tube portion 21A of the carbon nanotube 21 fixed to the cantilever 11A is displaced up and down by the displacement of the tip of the cantilever 11A. On the other hand, since the tube portion 21B of the carbon nanotube 21 is independent of the cantilever 11A, no displacement occurs. Therefore, the distance between the tunnel junctions 21C changes by the displacement distance of the tip of the cantilever 11A. Compared to silicon, carbon nanotubes have good electrical conduction up to the cut tip, so the tunnel current changes very sensitively to this displacement. Therefore, by measuring the change in the tunnel current flowing between the metal electrode 12 and the metal electrode 15 using the wirings 13 and 16, the cantilever 11A has an extremely high sensitivity compared to the conventional method. It is possible to detect a minute displacement of the tip of the.

[実施形態4]
前記の各実施形態では、検出する対象が、メカニカル検出素子に加えられる力の場合についてのみ示したが、本実施形態では、各実施形態のメカニカル検出素子を用いて各種測定を行う検出器について説明する。本実施形態では、メカニカル検出素子の片持ち梁の先端近傍に、磁性材料を設ける。この構成によれば、メカニカル検出素子に磁気が加えられると、磁性材料を備える片持ち梁が変位するので、磁気の検出が可能である。なお、この場合には、弾性的な変形を発生させる発生手段が磁気材料である。
[Embodiment 4]
In each of the above-described embodiments, only the case where the object to be detected is a force applied to the mechanical detection element is shown. In this embodiment, a detector that performs various measurements using the mechanical detection element of each embodiment will be described. To do. In this embodiment, a magnetic material is provided near the tip of the cantilever beam of the mechanical detection element. According to this configuration, when magnetism is applied to the mechanical detection element, the cantilever beam including the magnetic material is displaced, so that magnetism can be detected. In this case, the generating means for generating elastic deformation is a magnetic material.

また、前記の磁性材料の代わりに、片持ち梁の先端近傍に導電体を設け、さらに、メカニカル検出素子に電界を加える。この構成によれば、片持ち梁の導電体が帯電すると、電界により片持ち梁がしなる。この結果、片持ち梁の導電体に帯電した電荷を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が導電体および電界である。   Further, instead of the magnetic material, a conductor is provided near the tip of the cantilever and an electric field is applied to the mechanical detection element. According to this configuration, when the conductor of the cantilever beam is charged, the cantilever beam is formed by the electric field. As a result, it is possible to detect the electric charge charged on the conductor of the cantilever beam. In this case, the generating means is a conductor and an electric field.

また、メカニカル検出素子の片持ち梁の先端近傍の質量変化により、片持ち梁の共振周波数が変化する。つまり、外部から加振した片持ち梁の共振周波数の変化を電気的に検出することにより、分子、原子、微小物質、微小粒子などの質量を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が、片持ち梁の加振構造である。   Further, the resonance frequency of the cantilever changes due to a change in mass near the tip of the cantilever of the mechanical detection element. That is, by electrically detecting a change in the resonance frequency of a cantilever beam vibrated from the outside, it is possible to detect masses of molecules, atoms, minute substances, minute particles, and the like. In this case, the generating means is a cantilever vibration structure.

さらに、片持ち梁の先端の変位や、素子全体が持つ加速度も、片持ち梁のしなりを引き起こすため、これらの変位や加速度の検出素子として、メカニカル検出素子を用いることができる。この場合には、前記の発生手段が片持ち梁自体である。   Furthermore, since the displacement of the tip of the cantilever and the acceleration of the entire element also cause bending of the cantilever, a mechanical detection element can be used as a detection element for these displacement and acceleration. In this case, the generating means is a cantilever beam itself.

こうして、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、等価の構造を用い、磁気、電荷、質量、分子、原子などあらゆる種類の物理量や微小物質・粒子の検出器の作製が可能である。   In this way, it is possible to produce detectors for all kinds of physical quantities, such as magnetism, charge, mass, molecules, atoms, and minute substances / particles, using an equivalent structure without departing from the spirit of the present invention.

以上、本発明の実施形態1〜4を詳述してきたが、具体的な構成は各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。たとえば、実施形態3においては、カーボンナノチューブを切断することによってトンネル接合を形成したが、単電子トランジスタとして機能するカーボンナノチューブをはじめ、自らトンネル接合として機能するカーボンナノチューブを用いることも可能である。   As mentioned above, although Embodiment 1-4 of this invention was explained in full detail, even if there is a design change etc. of the range which does not deviate from the gist of the present invention, the concrete composition is not restricted to each embodiment, It is included in the present invention. For example, in Embodiment 3, the tunnel junction is formed by cutting the carbon nanotubes. However, it is also possible to use carbon nanotubes that function as tunnel junctions, including carbon nanotubes that function as single-electron transistors.

また、各実施形態においては、梁を構成する材料としてシリコンを用いたが、半導体に限らず、あらゆる種類の固体材料を用いることも可能であることは言うまでもない。   Moreover, in each embodiment, although silicon was used as a material which comprises a beam, it cannot be overemphasized that not only a semiconductor but all kinds of solid materials can be used.

また、各実施形態においては、カーボンナノチューブは梁の表面に固定されているが、梁の内部に埋め込んだ構造を用いることも可能である。   In each embodiment, the carbon nanotubes are fixed to the surface of the beam, but a structure embedded in the beam can also be used.

また、各実施形態においては、梁の形状として片持ち梁を用いたが、両持ち梁はもとよりコイルばねなど、加えられた力による弾性変形を引き起こす、あらゆる形状の半導体あるいは固体素片を用いることができることも明らかである。   In each embodiment, a cantilever is used as the shape of the beam. However, a semiconductor or solid element of any shape that causes elastic deformation by an applied force, such as a coil spring, as well as a cantilever is used. It is clear that you can.

また、各実施形態においては、電極はカーボンナノチューブと直接オーミック接合を形成する場合について記載したが、カーボンナノチューブの特性の変化を測定する目的に構成された、あらゆる種類の金属電極を用いることが可能である。   In each embodiment, the electrode is described as directly forming an ohmic junction with the carbon nanotube. However, any type of metal electrode configured to measure the change in the characteristics of the carbon nanotube can be used. It is.

また、各実施形態においては、薄膜や素片の弾性変形として「たわみ」が生じる場合を用いたが、他の弾性変形である「ねじり」、「圧縮」や「伸張」など、あらゆる種類の弾性変形を用いても、同様に高感度な検出素子および検出器の作製が可能である。   In each embodiment, the case where “deflection” occurs as an elastic deformation of a thin film or a piece is used. However, other types of elastic deformation such as “torsion”, “compression” and “extension” are used. Even if a modification is used, a highly sensitive detection element and detector can be similarly produced.

また、各実施形態では、抵抗体やトンネル接合などが1個のみ含まれる構造について記載したが、これらを複数個組み合わせた構造あるいは回路の電気的特性の変化を検出することも可能である。   In each embodiment, a structure including only one resistor, tunnel junction, or the like has been described. However, it is also possible to detect a change in the electrical characteristics of a structure or circuit in which a plurality of these are combined.

本発明の実施形態1によるメカニカル検出素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mechanical detection element by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2によるメカニカル検出素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mechanical detection element by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3によるメカニカル検出素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mechanical detection element by Embodiment 3 of this invention. 絶縁性半導体上に導電層薄膜を形成して作製した、従来の半導体力検出素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional semiconductor force detection element produced by forming a conductive layer thin film on an insulating semiconductor. 従来の静電容量型/トンネル電流型加速度検出素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional electrostatic capacitance type / tunnel current type acceleration detection element.

符号の説明Explanation of symbols

1 絶縁性シリコン薄膜
1A 片持ち梁
2、3 金属電極
2A、3A 固定部
4 カーボンナノチューブ
5、6 配線
11、14 絶縁性シリコン薄膜
11A 片持ち梁
14A 突出部
12、15 金属電極
12A、15A 固定部
13、16 配線
17 カーボンナノチューブ
18 空隙
21 カーボンナノチューブ21
21A、21B チューブ部分
21C トンネル接合
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating silicon thin film 1A Cantilever 2, 3 Metal electrode 2A, 3A Fixed part 4 Carbon nanotube 5, 6 Wiring 11, 14 Insulating silicon thin film 11A Cantilever 14A Protrusion part 12, 15 Metal electrode 12A, 15A Fixed part 13, 16 Wiring 17 Carbon nanotube 18 Void 21 Carbon nanotube 21
21A, 21B Tube part 21C Tunnel junction

Claims (5)

微細加工により作製した梁と、その梁の全部あるいは一部分からなる抵抗体の抵抗値が測定できる電極(2、3)とを有し、前記梁に加わった微小な力を、ピエゾ抵抗効果により前記抵抗値の変化として検出するメカニカル検出素子において、
前記電極(2、3)を通じて抵抗値を測定する対象の全部あるいは一部がカーボンナノチューブ(4)により構成されることを特徴とするメカニカル検出素子。
A beam produced by microfabrication, and electrodes (2, 3) that can measure the resistance value of a resistor consisting of all or part of the beam, and the minute force applied to the beam is reduced by the piezoresistance effect. In the mechanical detection element that detects the change in resistance value,
A mechanical detection element characterized in that all or part of the object whose resistance value is measured through the electrodes (2, 3) is constituted by carbon nanotubes (4).
微細加工により作製した梁と、静電容量が測定できる1つあるいは2つの導電体を有し、前記梁に加わった微小な力を前記導電体の静電容量の変化として検出するメカニカル検出素子において、
前記導電体の全部あるいは一部がカーボンナノチューブ(21)により構成されることを特徴とするメカニカル検出素子。
In a mechanical detection element having a beam produced by microfabrication and one or two conductors whose capacitance can be measured, and detecting a minute force applied to the beam as a change in capacitance of the conductor ,
A mechanical detection element, wherein all or part of the conductor is composed of carbon nanotubes (21).
微細加工により作製した梁と、電子の波長と同程度に近接した2つの導電体により形成されるトンネル接合(21C)と、このトンネル接合(21C)に流れるトンネル電流を測定することができる電極(12、15)とを有し、前記梁に加わった微小な力をこのトンネル電流の変化として検出するメカニカル検出素子において、
前記トンネル接合(21C)の全部あるいは一部がカーボンナノチューブ(21)により構成されることを特徴とするメカニカル検出素子。
A tunnel junction (21C) formed by a beam produced by microfabrication, two conductors close to the same wavelength as an electron, and an electrode that can measure the tunnel current flowing through the tunnel junction (21C) ( 12 and 15), and a mechanical detection element for detecting a minute force applied to the beam as a change in the tunnel current,
A mechanical detection element, wherein all or part of the tunnel junction (21C) is composed of carbon nanotubes (21).
前記抵抗体、前記導電体、および前記トンネル接合を2個以上組み合わせた構造あるいは回路の電気的特性の変化を測定することにより、前記梁に加わった微小な力を検出するメカニカル検出素子において、
前記構造あるいは前記回路の一部がカーボンナノチューブにより構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のメカニカル検出素子。
In a mechanical detection element that detects a minute force applied to the beam by measuring a change in electrical characteristics of a structure or circuit combining two or more of the resistor, the conductor, and the tunnel junction,
The mechanical detection element according to any one of claims 1 to 3, wherein a part of the structure or the circuit is constituted by carbon nanotubes.
請求項1〜4記載のメカニカル検出素子と等価な構造をその全部あるいは構成要素として含む検出器であって、
加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の1つによって、前記梁に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする検出器。
A detector including a structure equivalent to the mechanical detection element according to claim 1 as a whole or a component thereof,
A detector comprising generating means for generating elastic deformation of the beam by one of acceleration, magnetism, charge, displacement, mass, molecule, and atom.
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