JP2007232544A - マイクロカンチレバーのばね定数実測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロカンチレバーのばね定数を、ナノテクノロジーで必要とされるナノニュートンレベルの種々の力学特性を測定する場合と同様のより使用環境に近い状況で、信頼性が高い正確な測定を簡単な操作で可能とする。
【解決手段】マイクロカンチレバー１にピエゾアクチュエーター３で力を付与して変位させ、マイクロカンチレバー１の先端の探針９を電子天秤２の皿７に載置したシリコン基板８を介して当接させて該付与した力を前記電子天秤２により重さとして測定し、該測定により得られた前記変位と前記重さとの関係曲線の傾きからマイクロカンチレバー１のばね定数を求めることを特徴とするマイクロカンチレバー１のばね定数実測方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子間顕微鏡等に使用されるナノニュートンレベルの力を測定可能なマイクロカンチレバーのばね定数実測方法に関する。

近年、ナノレベルの技術開発が盛んに行われているが、このような技術開発において、原子間力顕微鏡が使用されている。原子間力顕微鏡に用いるようなマイクロカンチレバーは、支持部とレバー部とから一体に構成されている。レバー部の先端には探針が突設されており、探針を被計測体の表面にピエゾ素子（圧電素子）を用いて当接して、その際カンチレバーが受ける力をカンチレバーのたわみとして検出する．このたわみは、レーザーをカンチレバー背面に照射し、その反射角の変化を受光素子等で電気的な出力に変換して電気出力とし検出する。

ところで、ピエゾ素子及びカンチレバーも含めて原子間力顕微鏡の校正は、ナノレベルの測定を行うに際して精度の高い測定結果を得るために必須のことであり、精度が悪ければ測定そのものの意味を失うことになる。原子間力顕微鏡のようにカンチレバーを利用する機器を使用する研究開発では、校正において必要なカンチレバーのばね定数を簡単且つ正確に測定する方法が求められていた。

カンチレバーのばね定数を実測する方法としては、従来は、ピエゾ素子による励振により共振周波数を求めて、非接触でばね定数を計算する方法が知られている。

また、原子間力顕微鏡のカンチレバーの探針背面側からピペットを接近させ、ピペットからアルゴンガスを噴射してカンチレバーに流体力を与え、流体力とたわみの計測値の関係からカンチレバーのばね定数を求める計測方法は公知である（特許文献１参照）。
特開２００４−３４２８５０号公報

上記従来の方法（ピエゾ素子による励振により共振周波数を求めて、非接触でばね定数を計算する方法）により求めたばね定数では、その最小公称値と最大公称値は約１０倍異なる。よって、カンチレバーでの力学測定、特にナノレベルの測定を厳密に行うことは困難である。

また、上記のように非接触でばね定数を計算する方法では、共振振幅まで大きく励振させる。実際、カンチレバー探針と試料表面を接触させ、その吸着力により試料表面の構造を測定したり、或いは微小な構造物の力学特性を測定する場合は、試料に直接カンチレバーを押し付けて測定する。原子間力顕微鏡のようにナノニュートンレベルの小さな吸着力を測定対象とするときには、カンチレバーの変位量は、共振振幅よりも著しく小さく、この点でカンチレバーの使用環境が異なる。

よって、ピエゾ素子による励振により共振周波数を求める方法や、流体力とたわみの計測値の関係からカンチレバーのばね定数を求める計測方法等のように、非接触の方法で求めたばね定数は、カンチレバーを利用した通常の測定には適応できない。たとえ、使用しても、有効数字一桁の精度の測定結果が得られる保証はない。

本発明は、上記のとおり、従来問題であった、カンチレバーのばね定数を、研究開発の現場で、簡単、且つ正確に測定する方法が実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、マイクロカンチレバーを、ピエゾ素子を用いてナノメートル間隔で変位させ、該付与した力を電子天秤により重さとして測定し、前記変位と前記測定により得られた前記重さとの関係曲線の傾きから、前記カンチレバーのばね定数を求めることを特徴とするマイクロカンチレバーのばね定数実測方法を提供する。

前記カンチレバーに、ピエゾアクチュエーターで前記変位をさせ、その変位量がナノメートル、もしくはそれよりも良い精度で把握できることが好ましい。

前記マイクロカンチレバーの先端の探針を電子天秤の皿に載置した基板を介して当接させて前記付与した力を前記電子天秤により重さとして測定することが好ましい。

上記構成の本発明によれば、次のような効果が生じる。
（１）直接天秤の測定した重さからばね定数を求めるので、簡単な操作でマイクロカンチレバーのばね定数を正確に測定することができ、種々の力学特性を接触測定する場合と同様の環境でばね定数の測定が可能である。

（２）従来の技術で測定して得られるばね定数よりも、より使用環境に近い状況で測定できるため、既存の測定技術よりも汎用性、信頼性が高い。現在、盛んに研究されているナノテクノロジーで必要とされる、ナノニュートンレベルの力学測定が有効数字３桁、誤差数パーセントの範囲で正確に行える。

本発明の解決手段の特徴をさらに説明すると次のとおりである。ナノメートル精度の変位と、実際の接触時の荷重を電子天秤を用いてマイクログラム単位で測定し、マイクロメートルサイズのカンチレバーのばね定数を有効数字３桁、誤差数パーセント以下まで求め得る点が従来にない点である。

特に、原子間力顕微鏡で通常使用されるカンチレバーのばね定数は1 N/m程度であり、微小変位量がナノメートルのときに付与される力は数ナノニュートンになる。こうした測定に用いるカンチレバーのばね定数とそれを用いて計算される測定値が前記の３桁の有効数字、誤差数パーセント以下の範囲で求められることになる。すなわち、従来のばね定数の有効数字を１桁、もしくはその十分の一とすれば、それらの百倍から千倍の精度が達成されることになる。

本発明に係るマイクロカンチレバーのばね定数実測方法の最良の形態を実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。

ピエゾ素子で操作されたマイクロカンチレバーの変位（変位量：Δｘ）と、マイクロカンチレバーに付与された力（Ｆ）については、フックの法則に基づいて、Ｆ＝−ｋ・Δｘの関係が成立する。ここで、ｋはばね定数である。

本発明では、マイクロカンチレバーを変位させ、マイクロカンチレバーの先端を電子天秤の皿で受けて、付与された力Ｆを電子天秤で重さとして測定しデジタルデータを取得し、その測定で得られた重さと変位量Δｘの関係曲線からマイクロカンチレバーのばね定数を求めることを特徴とするものである。

図１は、本発明に係るマイクロカンチレバー１（以下、単に「カンチレバー１」という。）のばね定数実測方法の実施例を説明する図である。図２は、後述するが、本発明者らが、本発明のばね定数実測方法に沿って実験して得られた測定データに基づく、カンチレバー１の変位−重さの関係曲線である。本実施例では、カンチレバー１の全長は１００μｍ、幅は１０μｍ、厚みは１μｍである。

本発明に係るマイクロカンチレバー１のばね定数実測方法を実施するために必要な機器、手段は、電子天秤２（秤量値をデジタルデータとして出力する市販されている電子天秤、測定精度１〜１０μg）、ピエゾアクチュエーター３、カンチレバーホルダー４、望遠鏡５、パソコン６及びばね定数実測用制御ソフトである。

ピエゾアクチュエーター３は、パソコン６に搭載されたプログラムに基づき制御装置１０に制御されて動作し、カンチレバーホルダー４に変位を与える。そして、電子天秤２は、その秤量デジタルデータをパソコン６にデータ線１１を介して出力する。本発明の方法は、これらの機器、手段を利用して、次の（１）〜（５）の手順で行う。

（１）電子天秤２の皿７上に、シリコン基板８、あるいはそのシリコン基板８上にさらに任意の材料を堆積させたものを設置する。本実施例では、電子天秤２の皿７にシリコン基板８を載置した場合を示す。シリコン基板は接触面の平滑性を得るために用い、他には研磨されたガラス等も利用できる。

（２）次に、ピエゾアクチュエーター３に設置されたカンチレバーホルダー４に、測定すべきカンチレバー１を取り付ける。図１（ａ）に示すように、カンチレバー１の先端の探針９（高さ１０μｍ）を電子天秤２の皿７内に載置されたシリコン基板８に対向する位置で設置する。

（３）次に、ピエゾアクチュエーター３を動作させて、図１（ｂ）に示すように、図２の変位０の位置から点Ａ（変位約１７μｍ）までカンチレバー１を、変位を大まかに確認するため望遠鏡５で観察しながら接近させて、電子天秤２の皿７へ近づけ、探針９がほぼシリコン基板８に当接する状態にする。

（４）次に、制御用プログラムを起動し、ピエゾアクチュエーター３によって、カンチレバー１を電子天秤２の皿７方向へ数ｎｍ〜十ｎｍごとに動作させて、電子天秤２の皿７上のシリコン基板８に対してカンチレバー１を押しつけ、そのたびに電子天秤２により重さを秤量する。カンチレバー１のばね定数は、数ナノメートル、もしくはそれ以下の変位に対する力測定のためのものであるが、後述するように当該ばね定数は、カンチレバー１の変位−重さの関係の傾きより求めるので、この操作での変位間隔は前記数ｎｍ〜十ｎｍごとで十分となる。

そして、電子天秤２により重さはデジタルデータとしてコンピュータに得る。これにより、カンチレバー１の各変位と該各変位位置での重さ（秤量デジタルデータ）を、ともにパソコン６の中に取得することができる。

ところで、制御用プログラムはパソコン６に搭載されるものであり、 ピエゾアクチュエーター３がカンチレバー１を電子天秤２の皿７方向へ数ｎｍ〜十ｎｍごとに押しつけるように動作するプログラムである。このプログラムに基づきパソコン６は、制御信号を生成し、この制御信号をピエゾアクチュエーター３の駆動制御装置１０に送る。この制御信号によって、駆動制御装置１０は、 ピエゾアクチュエーター３がカンチレバー１を上記のように動作させる。

（５）以上の測定によって、図２に示すような、カンチレバーの変位−重さの関係曲線Ｓが得られる。このカンチレバーの変位−重さの関係曲線Ｓのほぼ線形部分Ａ−Ｂの傾きがばね定数に相当するため、この関係よりばね定数を求めることができる。

（実験例）
本発明者らは、本発明の方法に従って、カンチレバー１のばね定数の実測実験を行った。この実験で被測定物として使用したカンチレバー１のばね定数の公称平均値は１．７５Ｎ／ｍであり、公称値の最小は０．４５Ｎ／ｍ、最大は５Ｎ／ｍである。

このカンチレバー１を本発明の方法に従って得た図２に示す変位−重さの関係曲線Ｓの線形部分Ａ−Ｂの傾きを割り出しにより得られたカンチレバー１のばね定数は、３．９５Ｎ±０．０４／ｍである。この測定結果によると、実測データは公称平均値の約２．２６倍であり、公称平均値と大きく違うことが判明し、本発明に係るマイクロカンチレバー１のばね定数実測方法の重要性が明らかである。

以上、本発明に係るマイクロカンチレバーのばね定数実測方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。

上記構成から成る本発明に係るマイクロカンチレバーのばね定数実測方法は、特に、原子間顕微鏡等に使用されるナノニュートンレベルが測定が可能なマイクロカンチレバーのばね定数を実測する方法としてきわめて有用である。

本発明の実施例を説明する図である。 カンチレバーの変位−重さの関係曲線を示すグラフである。

符号の説明

１ マイクロカンチレバー
２ 電子天秤
３ ピエゾアクチュエーター
４ カンチレバーホルダー
５ 望遠鏡
６ パソコン
７ 電子天秤の皿
８ シリコン基板
９ 探針
１０ 駆動制御装置
１１ データ線

Claims (3)

1. ピエゾアクチュエーターを用いて、マイクロカンチレバーを基板に接触させながら変位させてたわませ、基板に付与された力を電子天秤により重さとして測定し、前記変位と前記測定により得られた前記重さとの関係曲線の傾きから、前記カンチレバーのばね定数を求めることを特徴とするマイクロカンチレバーのばね定数実測方法。
2. 前記カンチレバーにピエゾアクチュエーターでナノメートル単位で変位させ、前記力を付与させることを特徴とする請求項１記載のマイクロカンチレバーのばね定数実測方法。
3. 前記マイクロカンチレバーの先端の探針を電子天秤の皿に載置した基板を介して当接させて前記付与した力を前記電子天秤により重さとして測定することを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロカンチレバーのばね定数実測方法。

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