JP2007017366A - 歪センサおよび歪センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象に対して探針の成す角度が常に一定に保たれるようにし、生体細胞等に微小な探針を押し込んだ際の貫通力を正確に計測できるようにした歪センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の歪センサは、ダイアフラム３の一方の面の中央部に針状突起４が設けられたセンサ基板１と、センサ基板１のダイアフラム３中央部の変移を検出する検出手段である第一電極６と第二電極１０とからなる静電容量を有する。この歪センサは、基板の一面に、所定の点を取り囲む帯状の窓を設けたパターンを形成するパターニング工程と、このパターニング工程の後に帯状窓に沿って基板を所定量エッチングし、基板に帯状の窓の外形に倣ったダイアフラムとダイアフラムの中央に支持された針状突起とを一体に形成する工程によって製造される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、創薬の研究分野などにおいて生体細胞に微小なニードルを差し込んだ際の貫通力を求める歪センサおよび歪センサの製造方法に関する。

創薬の研究分野などにおいては、生体細胞の力学的反応など、その各種情報を正確に把握することが求められている。しかし、生体細胞は、形状が微細でありしかも柔らかいので、微小な力を加えることにより変形しやく、その力学的特性を正確に把握することが極めて困難であった。特に、生体細胞に微小なニードルを差し込んだ際の貫通力などは、その情報が微弱な力学量であるばかりか、ニードルを差し込む角度制御が定め難いので、正確な計測が極めて困難であった。

微小ニードルを利用したセンサしては、特許文献１に開示されているような変移センサ、いわゆるAFMセンサが知られている。特許文献１に開示されているAFMセンサは、図８に示すように、支持部１０３に一端を支持された片持ち梁部１０１の自由端の裏面に窒化シリコンからなる探針部１０２を取り付け、ボロンを拡散したシリコンからなる抵抗層１０４にて片持ち梁部１０１の変位を検出するようにしたものである。

しかし、片持ち梁部１０１の自由端に探針部１０２を取り付けたセンサにおいては、測定対象に対して探針部１０２を押し込んでいくと、その反発力により片持ち梁部１０１が支持部１０３を支点に回転するので、測定対象に対して探針部１０２の成す角度も片持ち梁部１０１の変位に合わせて回転する。従って、生体細胞のように測定対象が柔らかいものにおいては、誤差が大きくなるという問題があった。
特開平６−３０７８５２号公報

本発明は、従来の微小ニードルセンサの問題点を解消し、測定対象に対して探針の成す角度が常に一定に保たれるようにし、生体細胞などのように柔らかい測定対象に微小な探針を押し込んだ際の貫通力を正確に計測できるようにした歪センサを提供するとともにその製造方法を提供することを目的としている。

本発明によれば、ダイアフラムが形成され、該ダイアフラムの一方の面の中央部に針状突起が設けられたセンサ基板と、該センサ基板のダイアフラム中央部の変移を検出する検出手段とを有することを特徴とする歪センサが得られる。

また、前記検出手段が、前記センサ基板のダイアフラムの他方の面の中央部に形成された第１電極と、該第１電極と対向し、平行に形成された第２電極からなる静電容量を有することを特徴とする歪センサを提供する。

さらに、前記検出手段が、前記センサ基板のダイアフラムの他方の面の中央部に接合され、前記ダイアフラム中央部の変移に対応して伝播特性が変化する表面弾性波素子を有することを特徴とする歪センサを提供する。

また、前記針状突起が円錐状あるいは多角錐状であることを特徴とする歪センサを提供する。さらに、前記センサ基板がシリコンあるいは水晶であることを特徴とする歪センサを提供する。

また本発明によれば、基板の一面に、所定の点を取り囲む帯状の窓を設けたパターンを形成するパターニング工程と、該パターニング工程の後に前記帯状窓に沿って前記基板を所定量エッチングし、前記基板に前記帯状の窓の外形に倣ったダイアフラムと該ダイアフラムの中央に支持された針状突起とを一体に形成する工程とを有することを特徴とする歪センサの製造方法が得られる。

本発明によれば、センサ基板に形成されたダイアフラムの中央部に針状突起を設けたので、センサ基板を測定対象に対して一定の姿勢に保ちながら近づけることにより、針状突起を生体細胞などのように柔らかい測定対象に対しても一定の角度を保って押し込むことができる。その際の反撥力によりダイアフラム中央部に生じる変移を検出手段が検出するので、その貫通力を正確に計測することができる。針状突起がセンサ基板面およびダイアフラム面に対して垂直であれば、測定対象に対して針状突起の姿勢を一定に保つことが極めて容易である。

また、検出手段が、ダイアフラムの他方の面の中央部に形成された第１電極と、第１電極と対向して平行に形成された第２電極からなる静電容量であれば、電極間の距離を適宜調整して微小な圧力を検出することが容易である。加えて、検出手段を形成するプロセスが容易である。

さらに、検出手段が、ダイアフラムの他方の面の中央部に接合され、ダイアフラム中央部の変移に対応して伝播特性が変化する表面弾性波素子であれば、共振周波数変化あるいは位相変化を利用して高感度の圧力センサを得ることが容易である。表面弾性波素子がATカット水晶基板にくし歯型電極を形成したものであると、温度変化に対して安定した弾性表面波を発生させることができるので、周囲の温度に左右されずに正確な計測ができる。

針状突起が円錐状であると、等方性エッチングを適用して、センサ基板に針状突起とダイアフラムを一体形成することが容易である。針状突起が多角錐状であると、異方性エッチングを適用して、センサ基板に針状突起とダイアフラムを一体形成することが容易である。

センサ基板がシリコンであると、針状突起をセンサ基板に一体形成し、疎水性の針状突起を得ることができる。センサ基板が水晶であると、針状突起をセンサ基板に一体形成し、親水性の針状突起を得ることができる。

さらに本発明によれば、基板の一面に帯状の窓の外形に倣ったダイアフラムとダイアフラムの中心に支持された針状突起とを一体に形成できるので、基板の姿勢を測定対象に対して一定に保ちながら基板を測定対象に近づけ、生体細胞などのように柔らかい測定対象に対しても針状突起の成す角度を一定に保って押し込むことができるセンサ基板が得られる。

従って、その反撥力によりダイアフラムが撓む量を、ダイアフラムに形成した静電容量あるいは表面弾性波素子により検出することにより、その貫通力を正確に計測できる歪センサを作ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の歪センサの構成を示す要部斜視図であり、図１において、１はセンサ基板であるシリコン基板、２はシリコン基板１に接合された支持基板であるシリコン基板であり、シリコン基板１とシリコン基板２とが図中左右方向にずらして接合されている。シリコン基板１の一方の面は、その一部が丸鉢状に掘り込まれ、底部が円形のダイアフラム３となっていて、ダイアフラム３の中央に針状突起である円錐状突起４が形成されている。

図２は、図１に示した歪センサの円錐状突起４の左右方向に延びる中心線Aに沿った要部断面図であり、図２に示すように、ダイアフラム３と円錐状突起４はシリコン基板１に一体形成されている。ダイアフラム３は、厚さｔ１のシリコン基板１が、表面部の径がΦ１、深さがｔ２、底部の径がΦ２、の丸鉢状に掘り込まれて形成されたものである。その形状は、径がΦ２、厚さｔ３の円板であり、その中央部にダイアフラム３と一体に形成され、底部の径がΦ３、高さがｈ１の円錐状突起４を支持しており、その周辺部がテーパー部５を介してシリコン基板１と一体になっている。

シリコン基板１の円錐状突起４と反対側の面には径がΦ４の円形状の薄膜電極６が円錐状突起４と同心円状に形成され、薄膜電極６の引出し部７がシリコン基板１の図中左側に取り出されている。

シリコン基板２は、厚さがｔ４であり、ダイアフラム３と対向する面が、円錐状突起４と同心円に、かつ表面部の径がΦ５、底部に径Φ６の円形平坦部９を設けて深さがｔ５の丸鉢状に掘り込まれ、凹部８が形成されている。凹部８の平坦部９には径がΦ４の円形状の薄膜電極１０が薄膜電極６と対向して形成され、その引出し部１１がシリコン基板２の図中右側に取り出されている。尚、ここでは、Φ４とΦ６を等しい値としている。シリコン基板１とシリコン基板２の凹部８で囲まれた空間には空気あるいは希ガス等が充填されており、薄膜電極６と薄膜電極１０が静電容量を形成している。

このような構成の歪センサは、円錐状突起４にその先端を軸方向に押し付ける力が加えられると、ダイアフラム３がシリコン基板２の方向に撓む。その結果、薄膜電極６と薄膜電極１０の距離が接近し、静電容量が増加するので、その静電容量の変化を適宜計測することにより、円錐状突起４に加わる力を求めることができる。

次に、図１に示した本発明の第１の実施の形態の歪センサの製造方法について、図面を参照して説明する。

図３は、本発明の第１の実施の形態の歪センサの製造工程を示す要部工程断面図であり、図３において図３（a）ないし図３（d）はシリコン基板１の加工工程を示している。

まず、厚さｔ１の所定の大きさのシリコン基板１を用意し、その表面および裏面に金等をスパッタ法などにより所定厚さに成膜して、図３（a）に示すように、導電性薄膜５０、６０を形成する。

次に、導電性薄膜５０をフォトリソグラフィー技術によりパターニングして導電性薄膜５０の一部をリング状にエッチング除去し、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１の表面１ｓを露出させる。

続いて、図３（ｂ）にて得られたシリコン基板１を、例えば、エッチャント（HF：HNO3：CH3COOH＝１：１０：３）を用いて表面１ｓから等方性エッチングし、図３（ｃ）に示すように、シリコン基板１にダイアフラム３を、表面部の径がΦ１、深さがｔ２、底部の径がΦ２、厚さがｔ３の丸鉢状に形成するとともに、その中央部にダイアフラム３と一体に底部の径がΦ３、高さがｈ１の円錐状突起４を形成する。なお、ダイアフラム３は、その周辺部がテーパー部５を介してシリコン基板１と一体になっている。

その後、図３（ｃ）にて得られたシリコン基板１を、フォトリソグラフィー技術によりパターニングして導電性薄膜６０の一部をエッチング除去し、図３（ｄ）に示すようにシリコン基板１の円錐状突起４と反対側の面に、径がΦ４の円形状の薄膜電極６を円錐状突起４と同心円状に形成するとともに、薄膜電極６の引出し部７を形成する。尚、このとき、残余の導電性薄膜５０は必要に応じて除去できる。

図４は、本発明の第１の実施の形態の歪センサの他の製造工程を示す要部工程断面図であり、図４において図４（a）ないし図４（d）はシリコン基板２の加工工程を示している。

まず、厚さｔ４の所定の大きさのシリコン基板２を用意し、シリコン基板２の一方の面に酸化シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によりパターニングする。その後、例えば、エッチャント（HF：NH４F＝１：７）を用いて酸化シリコン膜表面より等方性エッチングを行い、図４（a）に示すように、シリコン基板２に表面部の径がΦ５、深さがｔ５、底部の径がΦ６の丸鉢状の凹部８を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板２の凹部８が形成された面に、薄膜電極１０およびその引出し部１１を除く形状にポジレジストのパターン７１を形成する。

続いて、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板２のパターン７１が形成された面全体に、金等をスパッタ法などにより所定厚さに成膜し、導電性薄膜７０を形成する。

次に、ポジレジストのパターン７１に従って、導電性薄膜７０をリフトオフし、図４（ｄ）に示すように、ダイアフラム３と対向する面に径がΦ４の円形状の薄膜電極１０とその引出し部１１を形成する。

図５は、これら加工工程で作られたシリコン基板１とシリコン基板２とを用いて歪センサを組立てる工程を示す要部工程断面図であり、図３（ｄ）に示すシリコン基板１と図４（ｄ）に示すシリコン基板２とを、例えば常温接合により接合し、歪センサを完成させたものである。

本発明の第１の実施の形態の歪センサにおいては、円錐状突起４の先端を軸方向に押し付けた際にダイアフラム３が撓むのを利用し、その撓み量を静電容量の変化により検出して、円錐状突起４に加わる力を求めるようにしたものである。
しかし、撓み量を、ダイアフラム３の変形に対応して伝播特性が変化するくし歯型電極を有する表面弾性波素子により検出することもできる。

以下このような本発明の第２の実施の形態の歪センサについて説明する。
図６は、本発明の第２の実施の形態の歪センサの構成を示す要部斜視図であり、図６において、２１はセンサ基板であるシリコン基板、２２はシリコン基板２１に接合された表面弾性波素子となる水晶基板であり、シリコン基板２１と水晶基板２２とが図中左右方向にずらして接合されている。シリコン基板２１の一方の面は、第１の実施の形態の歪センサのシリコン基板１と全く同様にその一部が丸鉢状に掘り込まれ、底部が円形のダイアフラム２３となっていて、ダイアフラム２３の中央に針状突起である円錐状突起２４が形成されている。

ダイアフラム２３と円錐状突起２４はシリコン基板２１に一体形成されており、ダイアフラム２３および円錐状突起２４の構成は、図1に示したものと同じであるので、その説明を省略する。シリコン基板２１とシリコン基板１との相違は、シリコン基板２１の円錐状突起２４と反対側の面が平坦で、薄膜電極と引出し部が形成されていないことである。

図７は、水晶基板２２の構成を示す要部斜視図であり、水晶基板２２は、厚さｔ６のＡＴカットの水晶基板であり、水晶基板２２の一面には送信用くし歯型電極２６と受信用くし歯型電極２７が設けられ、くし歯型電極２６には信号源２８が接続され、くし歯型電極２７には、図示を省略しているが、受信回路が接続される。

このような水晶基板２２は、くし歯型電極２６とくし歯型電極２７が設けられていない面が、シリコン基板２１の円錐状突起２４と反対側の平坦な面と、くし歯型電極２６とくし歯型電極２７間の中心Cが円錐状突起２４の中心と重なるように位置づけられ、接合されている。

このような本発明の第２の実施の形態の歪センサは、信号源２８によりくし歯型電極２６を励振すると、水晶基板２２が伝播特性に応じた周波数で共振し、くし歯型電極２７に接続された受信回路にその共振特性が検出される。ここで、円錐状突起２４にその先端を軸方向に押し付ける力が加えられると、ダイアフラム２３が水晶基板２２の方向に撓む。その結果、水晶基板２２が撓み、水晶基板２２の伝播特性が変化し、その共振周波数が変化するので、その共振周波数の変化を適宜計測することにより、円錐状突起２４に加わる歪を求めることができる。

次に、図６に示した本発明の第２の実施の形態の歪センサの製造方法について、説明する。シリコン基板２１は、図３に示したシリコン基板１と殆ど同じ工程で作ることができる。シリコン基板１の工程と異なる点は、シリコン基板２１が、薄膜電極６とその引出し部７を形成する工程、即ち、導電性薄膜６０の形成およびそのパターニングが不要となることである。ここでは、その詳細な説明を省略する。

また一方で、厚さｔ６の所定の大きさのＡＴカットの水晶基板２２を用意し、所定の厚さにアルミニウムなどの導電性薄膜をスパッタ形成する。次に、導電性薄膜を所定のパターンにエッチングしてくし歯型電極２６とくし歯型電極２７を形成する。また適宜、くし歯型電極２６とくし歯型電極２７のための引出し線を形成し、図７に示すような水晶基板２２に加工する。

その後、このような工程で得られたシリコン基板２１と水晶基板２２とを位置合わせして接合し、図６に示したような一体構造とし、歪センサを完成する。

以上の実施の形態の歪センサにおいて、針状突起を円錐状としたが、針状突起は異等方性エッチングを適用して、多角錐状に形成することもできる。

また、センサ基板は、シリコンとしたが、水晶を用いて針状突起をセンサ基板に一体形成し、親水性の針状突起を得ることもできる。

更に、表面弾性波素子はＡＴカット水晶基板を用いたが、ＡＴカット水晶基板に限られるものではなく、他の圧電性材料の基板を用いてもよい。

本発明の第１の実施の形態の歪センサの構成を示す要部斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の歪センサに係わる要部断面図である。 本発明の第１の実施の形態の歪センサの製造工程を示す要部工程断面図である。（a）は、シリコン基板１に導電性薄膜５０、６０を形成した図。（ｂ）は、電性薄膜５０の一部をリング状にエッチング除去し、シリコン基板１の表面１ｓを露出させた図。（ｃ）は、シリコン基板１を等方性エッチングし、ダイアフラム３と円錐状突起４を形成した図。（ｄ）は、シリコン基板１の円錐状突起４と反対側の面に、薄膜電極６とその引出し部７を形成した図。 本発明の第１の実施の形態の歪センサの他の製造工程を示す要部工程断面図である。（a）は、シリコン基板２に凹部８を形成した図。（ｂ）は、シリコン基板２に、ポジレジストのパターン７１を形成した図。（ｃ）は、シリコン基板２のパターン７１が形成された面に、導電性薄膜７０を形成した図。（ｄ）は、ダイアフラム３と対向する面に薄膜電極１０とその引出し部１１を形成した図。 本発明の第１の実施の形態の歪センサの組立工程を示す要部工程断面図である。 本発明の第２の実施の形態の歪センサの構成を示す要部斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の歪センサに係わる水晶基板２２の構成を示す要部斜視図である。 特許文献１に掲載の歪センサの説明図である。

符号の説明

１、２、２１ シリコン基板
３、２３ ダイアフラム
４、２４ 円錐状突起
５ テーパー部
６、１０ 薄膜電極
７、１１ 引出し部
８ 凹部
９ 平坦部
２２ 水晶基板
２６、２７ くし歯型電極
２８ 信号源

Claims (6)

1. ダイアフラムが形成され、該ダイアフラムの一方の面の中央部に針状突起が設けられたセンサ基板と、該センサ基板のダイアフラム中央部の変移を検出する検出手段とを有することを特徴とする歪センサ。
2. 前記検出手段が、前記センサ基板のダイアフラムの他方の面の中央部に形成された第１電極と、該第１電極と対向し、平行に形成された第２電極からなる静電容量を有することを特徴とする請求項１記載の歪センサ。
3. 前記検出手段が、前記センサ基板のダイアフラムの他方の面の中央部に接合され、前記ダイアフラム中央部の変移に対応して伝播特性が変化する表面弾性波素子を有することを特徴とする請求項１記載の歪センサ。
4. 前記針状突起が円錐状あるいは多角錐状であることを特徴とする請求項１記載の歪センサ。
5. 前記センサ基板がシリコンあるいは水晶であることを特徴とする請求項１記載の歪センサ。
6. 基板の一面に、所定の点を取り囲む帯状の窓を設けたパターンを形成するパターニング工程と、該パターニング工程の後に前記帯状窓に沿って前記基板を所定量エッチングし、前記基板に前記帯状の窓の外形に倣ったダイアフラムと該ダイアフラムの中央に支持された針状突起とを一体に形成する工程とを有することを特徴とする歪センサの製造方法。