JP2008241619A - Cantilever, biosensor and probe microscope - Google Patents

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Sumio Hosaka
純男 保坂
Itsuhito Sone
逸人 曾根
Haruki Okano
晴樹 岡野
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Gunma University NUC
Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
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Gunma University NUC
Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To find out a shape of a cantilever for enhancing weight detecting sensitivity and to detect the physical quantitird related to a detection target. <P>SOLUTION: A cantilever type biosensor is attached to the leading end of a pedestal 12 so as to support one end of the cantilever 10, and a plurality of through-holes 10A opened to the surface of the cantilever 10 and pierce the cantilever 10 in its thickness direction, are provided to the cantilever 10 by drilling. The openings of the through-holes 10A, respectively have rectangular shapes, and a plurality of the through-holes 10A are provided by drilling so as to enlarge the opening areas of the through-holes 10A to the utmost. According to this constitution, since the movement of molecules becomes smooth, when the cantilever 10 is vibrated, the occurrence of large viscosity resistance is prevented and viscosity resistance is reduced. Accordingly, the change quantity of a change in frequency with respect to a mass change becomes large. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、抗原抗体反応及び蛋白質等を高感度で検出することができるカンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡に係り、特に、片持ち張り(カンチレバー)を用いて液体中に溶解している物質や大気中に浮遊している物質を高感度で検出することができるカンチレバー、バイオセンサ、及び試料表面形状を高分解能で検出できるプローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a cantilever, a biosensor, and a probe microscope that can detect an antigen-antibody reaction and a protein with high sensitivity, and more particularly, a substance dissolved in a liquid using a cantilever (cantilever), The present invention relates to a cantilever capable of detecting a substance suspended in the atmosphere with high sensitivity, a biosensor, and a probe microscope capable of detecting a sample surface shape with high resolution.

原子間力電子顕微鏡で用いられているカンチレバーは、共振点を持ち、外部から受ける力により共振点がシフトすることを利用して微小な力であるpN(ピコニュートン)単位の力を計測できるセンサとして利用されている。   A cantilever used in an atomic force electron microscope has a resonance point, and a sensor capable of measuring a force in units of pN (piconewton), which is a minute force, by utilizing the fact that the resonance point is shifted by the force received from the outside. It is used as.

カンチレバーをバイオセンサとして利用した論文としては、ラング等が発表したセンサ(非特許文献1)が知られている。   As a paper using a cantilever as a biosensor, a sensor (Non-Patent Document 1) published by Lang et al. Is known.

このセンサは、光てこを利用して小さなカンチレバーの共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出するセンサである。   This sensor is a sensor that detects a physical quantity, chemical quantity, temperature, stress, or the like by detecting a change in the resonance frequency of a small cantilever using an optical lever.

また、カンチレバー共振型バイオセンサでは、カンチレバー表面に分子等を多数吸着させるために、板状のものを使用している。
”人工ノーズ”(アナリティカ ケミカ アクタ Analytica Chamica Acta 第393巻(1999年)59頁)
Further, in the cantilever resonance type biosensor, a plate-like one is used in order to adsorb a large number of molecules and the like on the cantilever surface.
"Artificial Nose" (Analytica Chemica Acta Analyca Chemical Acta 393 (1999) p. 59)

しかしながら、上記のカンチレバー共振型バイオセンサでは、液中でカンチレバーを共振する際に液を動かすため、大きな粘性抵抗が発生し、Q値が下がり、検出感度が落ちてしまう、という問題がある。また、検出感度を向上させるためには、共振周波数を増加させること、及びカンチレバーの重さを小さくすることが必要である。   However, the above-described cantilever resonance type biosensor has a problem that since the liquid is moved when the cantilever is resonated in the liquid, a large viscous resistance is generated, the Q value is lowered, and the detection sensitivity is lowered. In order to improve detection sensitivity, it is necessary to increase the resonance frequency and reduce the weight of the cantilever.

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、検出感度を向上させて、検出対象物に関する物理量を高感度で検出することができるカンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problem, and provides a cantilever, a biosensor, and a probe microscope that can detect a physical quantity related to a detection object with high sensitivity by improving detection sensitivity. Objective.

上記の目的を達成するために本発明に係るカンチレバーは、支持部を介して基板に支持された板状のカンチレバーであって、表面に開口し、かつ、前記カンチレバーの厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を穿設したことを特徴としている。   In order to achieve the above object, a cantilever according to the present invention is a plate-like cantilever supported by a substrate via a support portion, and is a plurality of cantilevers that open on the surface and penetrate in the thickness direction of the cantilever. This is characterized in that a through hole is formed.

本発明に係るカンチレバーによれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができる。また、共振周波数をあまり低下させずにカンチレバーの重量を小さくすることができるので、検出感度を向上させることができる。さらに、2つの支持部や大きな開口部を持つカンチレバーはねじれ成分を多くもつが、本発明ではねじれ成分の増加を防ぐことができる。   According to the cantilever according to the present invention, when the cantilever is vibrated, the movement of molecules is smoothed by the plurality of through-holes of the cantilever, so that it is possible to prevent a large viscous resistance from being generated. Moreover, since the weight of the cantilever can be reduced without significantly reducing the resonance frequency, the detection sensitivity can be improved. Further, the cantilever having two support portions and a large opening has a lot of twist components, but in the present invention, an increase in the twist components can be prevented.

従って、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、検出感度を向上させて、検出対象物に関する物理量を高感度で検出することができる。   Therefore, by making a plurality of through holes on the surface of the cantilever, it is possible to prevent the occurrence of a large viscous resistance, thereby improving the detection sensitivity and detecting the physical quantity related to the detection object with high sensitivity. Can do.

本発明に係る貫通孔の開口部を、一辺が3μm〜6μmの大きさの矩形状とすることができる。   The opening part of the through-hole which concerns on this invention can be made into the rectangular shape of a magnitude | size whose side is 3 micrometers-6 micrometers.

上記のカンチレバーの貫通孔が穿設されていない未開口部分に探針を形成することができる。これによって、検出感度を向上させて、検出対象物の表面の形状を高感度かつ高分解能で検出することができる。   The probe can be formed in an unopened portion where the through hole of the cantilever is not drilled. Thereby, the detection sensitivity can be improved, and the shape of the surface of the detection target can be detected with high sensitivity and high resolution.

また、本発明に係るカンチレバーの貫通孔が穿設されていない未開口部分の少なくとも一部分を反射面とすることができる。   Further, at least a part of the unopened portion where the through hole of the cantilever according to the present invention is not drilled can be used as the reflecting surface.

また、本発明に係るカンチレバーの支持部に歪み抵抗素子を設けることができる。これによって、歪み抵抗素子の出力に基づいて、検出感度を劣化させずに、検出対象物に関する物理量を検出することができる。   Moreover, a strain resistance element can be provided in the support part of the cantilever according to the present invention. Thereby, based on the output of the strain resistance element, it is possible to detect the physical quantity related to the detection target without degrading the detection sensitivity.

また、カンチレバーの貫通孔が穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とすることができる。   Further, an unopened portion where the through-hole of the cantilever is not drilled can be made a part of the capacitance element.

上記のカンチレバーを、液中に浸漬するか、又は大気中に配置することができる。これによって、カンチレバーが液中又は大気中で振動される場合であっても、検出感度を劣化させずに、検出対象物に関する物理量を検出することができる。   The above cantilevers can be immersed in the liquid or placed in the atmosphere. As a result, even when the cantilever is vibrated in the liquid or the atmosphere, the physical quantity related to the detection target can be detected without deteriorating the detection sensitivity.

また、本発明に係るバイオセンサは、上記のカンチレバーと、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出する検出手段とを含んで構成されている。   In addition, a biosensor according to the present invention includes the above-described cantilever and detection means for detecting the amount of substance attached to the cantilever.

本発明に係るバイオセンサによれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗を発生させることなく、検出手段によって、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出することができる。これによって、重量検出感度が向上する。また、カンチレバーの重量が減少し、共振周波数がほとんど変化しないため、重量検出感度が向上する。   According to the biosensor of the present invention, when the cantilever is vibrated, the movement of the molecules is smoothed by the plurality of through holes of the cantilever, so that the detection means adheres to the cantilever without generating a large viscous resistance. The amount of adhered substance can be detected. This improves the weight detection sensitivity. Further, since the weight of the cantilever is reduced and the resonance frequency hardly changes, the weight detection sensitivity is improved.

従って、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぎ、また、重量を減少させるため、カンチレバーに付着した物質の付着量を高感度で検出することができる。   Therefore, by forming a plurality of through-holes on the surface of the cantilever, it is possible to prevent the occurrence of a large viscous resistance and to detect the amount of substance adhering to the cantilever with high sensitivity in order to reduce the weight. Can do.

また、本発明に係るプローブ顕微鏡は、上記の未開口部分に探針が形成されたカンチレバーを備え、カンチレバーを、探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように配置して構成されている。   The probe microscope according to the present invention includes a cantilever in which a probe is formed in the above-described unopened portion, and the cantilever is arranged so that an atomic force acts between the probe and the surface of the sample. It is configured.

本発明に係るプローブ顕微鏡によれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗を発生させることなく、高感度で探針と試料の表面との間に作用する原子間力を検出することができる。   According to the probe microscope of the present invention, when the cantilever is vibrated, the movement of the molecules is smoothed by the plurality of through-holes of the cantilever, so that the probe and the sample are highly sensitive without generating a large viscous resistance. It is possible to detect an interatomic force acting between the surface and the surface.

従って、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、高感度で探針と試料の表面との間に作用する原子間力を検出することができる。   Therefore, by making a plurality of through-holes on the surface of the cantilever, it is possible to prevent the occurrence of a large viscous resistance, so that the atomic force acting between the probe and the sample surface can be generated with high sensitivity. Can be detected.

以上説明したように、本発明のカンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、重量検出感度を向上させて、検出対象物に関する物理量、カンチレバーに付着した物質の付着量を高感度で検出することができ、又は探針と試料の表面との間に作用する原子間力を高感度で検出することができる、という効果が得られる。   As described above, according to the cantilever, biosensor, and probe microscope of the present invention, it is possible to prevent a large viscous resistance from being generated by drilling a plurality of through holes on the surface of the cantilever. By improving the weight detection sensitivity, it is possible to detect the physical quantity related to the object to be detected and the amount of substance attached to the cantilever with high sensitivity, or increase the atomic force acting between the probe and the sample surface. The effect that it can detect with a sensitivity is acquired.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、基板としての台座12に支持された薄板状のカンチレバー10を備えている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the cantilever-type biosensor according to the first embodiment of the present invention includes a thin plate-like cantilever 10 supported by a base 12 as a substrate.

台座12には、台座12を加振することによりカンチレバー10を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ14が取り付けられている。アクチュエータ14は、台座12に接着又は機械的に接合させて、台座12と一体化するように取り付けられている。また、アクチュエータ14を取り付ける位置は、カンチレバー10をカンチレバー10の厚み方向に振動させることができる位置であればよく、図示したように台座12のカンチレバーが形成されていない側、又はカンチレバーが形成されている側に取り付けられる。   An actuator 14 composed of a piezoelectric element that vibrates the cantilever 10 by vibrating the pedestal 12 is attached to the pedestal 12. The actuator 14 is attached so as to be integrated with the pedestal 12 by being bonded or mechanically bonded to the pedestal 12. Further, the position where the actuator 14 is attached may be a position where the cantilever 10 can be vibrated in the thickness direction of the cantilever 10, and as shown in the figure, the side where the cantilever is not formed or the cantilever is formed. It is attached to the side.

また、カンチレバー10の台座12との支持部としての接合部16には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子が埋め込まれている。アクチュエータ14によりカンチレバー10を厚み方向に振動させることにより、カンチレバー10の台座12との接合部16に引張り及び圧縮応力が生じ、歪み抵抗素子の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化からカンチレバー10の振動状態を検出することができる。   In addition, a strain resistance element, which is a self-detecting sensor, is embedded in the joint portion 16 as a support portion of the cantilever 10 with the base 12. When the cantilever 10 is vibrated in the thickness direction by the actuator 14, tensile and compressive stress is generated in the joint 16 with the base 12 of the cantilever 10, and the resistance value of the strain resistance element changes. Ten vibration states can be detected.

カンチレバー10は、シリコン、SiN、SiO等で形成された半導体基板を台座12に相当する部分を残存させて薄板状にエッチングすることにより、台座12と一体的に形成することができる。また、歪み抵抗素子については、カンチレバー10の台座12との接合部16に、半導体技術で一対の電極が形成されており、ボロン等の不純物原子を電極間にイオン打ち込みすることにより歪み抵抗パターンが形成されて作成されている。歪み抵抗の抵抗値は、2kΩ以下が望ましい。なお、カンチレバー10と台座12とは、シリコン基板で形成することが好ましいが、イオン打ち込みすることなく、電極を形成して歪み抵抗素子を貼着するようにしてもよい。 The cantilever 10 can be formed integrally with the pedestal 12 by etching a semiconductor substrate formed of silicon, SiN, SiO 2 or the like into a thin plate shape with a portion corresponding to the pedestal 12 remaining. As for the strain resistance element, a pair of electrodes is formed by a semiconductor technology at the junction 16 with the pedestal 12 of the cantilever 10, and a strain resistance pattern is formed by ion implantation of impurity atoms such as boron between the electrodes. Formed and created. The resistance value of the strain resistance is desirably 2 kΩ or less. The cantilever 10 and the pedestal 12 are preferably formed of a silicon substrate, but an electrode may be formed and a strain resistance element may be attached without ion implantation.

歪み抵抗素子の電極には、歪み抵抗素子の抵抗値の変化を検出するための検出回路18が接続されている。検出回路18は、歪み抵抗素子の電極が接続されたホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路、及びブリッジ回路に電圧を印加する電源を備えており、歪み抵抗素子の抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した信号を出力する。この検出回路18は、アクチュエータ14を駆動してカンチレバー10を共振させるための正帰還回路20、及び周波数を電圧に変換するF−V変換回路(FM復調回路)22に接続されている。F−V変換回路22には、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ26が接続されている。   A detection circuit 18 for detecting a change in the resistance value of the strain resistance element is connected to the electrode of the strain resistance element. The detection circuit 18 includes a bridge circuit that configures a Wheatstone bridge to which electrodes of the strain resistance element are connected, and a power source that applies a voltage to the bridge circuit, detects a resistance change of the strain resistance element as a voltage change, Output the detected signal. The detection circuit 18 is connected to a positive feedback circuit 20 for driving the actuator 14 to resonate the cantilever 10 and an FV conversion circuit (FM demodulation circuit) 22 for converting a frequency into a voltage. A personal computer 26 that performs data processing and display is connected to the FV conversion circuit 22.

パーソナルコンピュータ26は、一般的なパーソナルコンピュータの構成であり、CPU、ROM、RAM、ハードディスク、ディスプレイ等を備えており、F−V変換回路22から入力されたデータをハードディスクに保存し、また、保存したデータに基づいて所定のデータ処理を行う。   The personal computer 26 has a general personal computer configuration and includes a CPU, a ROM, a RAM, a hard disk, a display, and the like. The personal computer 26 stores data input from the FV conversion circuit 22 in the hard disk, and also stores the data. Predetermined data processing is performed based on the processed data.

次に、本実施の形態のカンチレバーに付着した物質の質量を検出するための原理について説明する。カンチレバーは、外力が加わると撓み、共振している状態で質量が変化すると共振周波数が変化する。カンチレバーを振動子として考えると、カンチレバーの動作は以下の(1)式の運動方程式で表すことができる。   Next, the principle for detecting the mass of the substance attached to the cantilever of this embodiment will be described. The cantilever bends when an external force is applied, and the resonance frequency changes when the mass changes in a resonating state. Considering the cantilever as a vibrator, the operation of the cantilever can be expressed by the following equation of motion (1).

Figure 2008241619
Figure 2008241619

ここで、mはカンチレバーの有効質量、aはカンチレバーが浸漬されている液体等の粘性係数、kはカンチレバーのバネ定数、Asinωtはアクチュエータの励振力、F(x)はアクチュエータの加振力、xはカンチレバーの変位である。また、F(x)は力勾配F´と変位xとの積で表されるので、以下の(2)式で表わすことができる。   Here, m is the effective mass of the cantilever, a is the viscosity coefficient of the liquid in which the cantilever is immersed, k is the spring constant of the cantilever, Asinωt is the excitation force of the actuator, F (x) is the excitation force of the actuator, x Is the displacement of the cantilever. Further, since F (x) is represented by the product of the force gradient F ′ and the displacement x, it can be represented by the following equation (2).

Figure 2008241619
Figure 2008241619

また、一般式は、以下の(3)式で表すことができる。   Further, the general formula can be expressed by the following formula (3).

Figure 2008241619
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上記(1)式より、aやF´がほとんど無視できるものとすると、カンチレバーの共振周波数f0は、カンチレバーの有効質量m及びばね定数kを用いて以下の(4)式で表わされる。   If a and F ′ are almost negligible from the above equation (1), the resonance frequency f0 of the cantilever is expressed by the following equation (4) using the effective mass m of the cantilever and the spring constant k.

Figure 2008241619
Figure 2008241619

ここで、カンチレバーが周波数f0で共振している状態で、カンチレバーの質量がΔm増加すると、周波数の変化Δfは、上記(4)式より、以下の(5)式のように表される。   Here, when the cantilever resonates at the frequency f0 and the mass of the cantilever increases by Δm, the frequency change Δf is expressed by the following equation (5) from the above equation (4).

Figure 2008241619
Figure 2008241619

したがって、上記(5)式より、カンチレバーの共振周波数の変化を検出することにより、カンチレバーの質量の変化、すなわちカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。周波数の変化を1Hz以下の精度で計測できることから、上記(5)式ではピコグラムまたはフェムトグラムでカンチレバーの質量の変化が計測できることを意味する。例えば、共振周波数f0を100kHz、カンチレバーの有効質量mを10ngとすると、約0.2pg/Hzの感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。   Therefore, by detecting the change in the resonance frequency of the cantilever from the above equation (5), the change in the mass of the cantilever, that is, the mass of the substance attached to the cantilever can be detected. Since the change in frequency can be measured with an accuracy of 1 Hz or less, the above equation (5) means that the change in the mass of the cantilever can be measured with a picogram or a femtogram. For example, if the resonance frequency f0 is 100 kHz and the effective mass m of the cantilever is 10 ng, the mass of the substance attached to the cantilever can be detected with a sensitivity of about 0.2 pg / Hz.

ここで、大気中測定と水中測定とでは粘性係数aが変化することを考慮する必要がある。以下で、粘性を考慮する場合(水中)の周波数変化Δfの解析について説明する。   Here, it is necessary to consider that the viscosity coefficient a changes between the atmospheric measurement and the underwater measurement. Hereinafter, the analysis of the frequency change Δf when viscosity is considered (underwater) will be described.

粘性係数aを考慮した場合には、aが0でないとして、上記(3)式より、以下の(6)式で表わされる。   When the viscosity coefficient a is considered, it is expressed by the following equation (6) from the above equation (3), assuming that a is not 0.

Figure 2008241619
Figure 2008241619

上記(6)式を、m、kで全微分すると、以下の(7)式が得られる。   When the above equation (6) is fully differentiated with respect to m and k, the following equation (7) is obtained.

Figure 2008241619
Figure 2008241619

バネ定数の変化Δkを無視すると、Δk=0となるため、上記(7)式は以下の(8)式で表わされる。   If the change Δk of the spring constant is ignored, Δk = 0, and the above expression (7) is expressed by the following expression (8).

Figure 2008241619
Figure 2008241619

ここで、上記(8)式について、実験で用いたピエゾ抵抗カンチレバーの質量mを45.6×10−9とし、バネ定数kを40とした場合に、aをパラメータとしたΔmとΔf1との関係は、図2に示すような関係となる。 Here, in the above equation (8), when the mass m of the piezoresistive cantilever used in the experiment is 45.6 × 10 −9 and the spring constant k is 40, Δm and Δf1 with a as a parameter The relationship is as shown in FIG.

上記図2に示すように、Δmの増加とともにΔf1は減少する。また、a=0.0005のときの変化量Δf1/Δmは、−0.022[Hz・ng−1]であり、a=0.00075のときの変化量Δf1/Δmは、−0.0185[Hz・ng−1]であり、a=0.001のときの変化量Δf1/Δmは、−0.01185[Hz・ng−1]である。 As shown in FIG. 2, Δf1 decreases as Δm increases. The change Δf1 / Δm when a = 0.0005 is −0.022 [Hz · ng −1 ], and the change Δf1 / Δm when a = 0.00075 is −0.0185. [Hz · ng −1 ] and the change amount Δf1 / Δm when a = 0.001 is −0.01185 [Hz · ng −1 ].

上記図2の結果により、粘性抵抗aが大きくなると、質量変化に対する周波数変化の変化量が小さくなるため、質量の検出感度が低下することが分かる。これより、検出感度を低下させないためには、粘性抵抗aを小さくすることが必要である。すなわち、カンチレバーを振動させた際に、分子の移動がスムーズなほど、検出感度が良くなる。   From the result of FIG. 2, it can be seen that when the viscous resistance a is increased, the change amount of the frequency change with respect to the mass change is reduced, so that the mass detection sensitivity is lowered. Thus, in order not to lower the detection sensitivity, it is necessary to reduce the viscous resistance a. That is, when the cantilever is vibrated, the detection sensitivity is improved as the movement of the molecule is smoother.

以下、本実施の形態のカンチレバー10の構成について図3を用いて説明する。図3(A)に示すように、台座12の先端にカンチレバー10の一端が支持されて取り付けられており、また、台座12の中には、2つの電極12A、12Bが形成されている。また、図3(B)に示すように、2つの電極12A、12Bは、接合部16で接続されている。また、カンチレバー10の表面には、表面に開口し、かつ、カンチレバー10の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔10Aを穿設されている。貫通孔10Aの開口部は、各々矩形状のフレーム構造となっており、一辺が3μm〜6μmの大きさとなっている。上記図2の結果より、粘性抵抗を小さくするために、分子の移動をスムーズにするとよいことから、開口面積をできるだけ大きくするために、複数の貫通孔10Aを穿設する。また、物質が付着する部分の面積を増やすために、カンチレバー10の表面積ができるだけ大きくなるように構成するとよい。   Hereinafter, the configuration of the cantilever 10 of the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, one end of the cantilever 10 is supported and attached to the tip of the pedestal 12, and two electrodes 12 </ b> A and 12 </ b> B are formed in the pedestal 12. Further, as shown in FIG. 3B, the two electrodes 12 </ b> A and 12 </ b> B are connected by a joint portion 16. The surface of the cantilever 10 is provided with a plurality of through holes 10 </ b> A that open to the surface and penetrate in the thickness direction of the cantilever 10. The openings of the through holes 10A each have a rectangular frame structure, and each side has a size of 3 μm to 6 μm. From the result shown in FIG. 2, since it is preferable to move the molecules smoothly in order to reduce the viscous resistance, a plurality of through holes 10A are formed in order to enlarge the opening area as much as possible. Moreover, in order to increase the area of the part to which the substance adheres, the cantilever 10 may be configured so that the surface area becomes as large as possible.

また、図3(C)に示すように、接合部16の中には、2つの電極12A、12Bを接続するための配線16Aが設けられており、配線16Aと電極12A、12Bとの接続部分の各々には、歪み抵抗素子(ピエゾ抵抗素子)16Bが各々設けられている。   Further, as shown in FIG. 3C, a wiring 16A for connecting the two electrodes 12A and 12B is provided in the joint portion 16, and a connection portion between the wiring 16A and the electrodes 12A and 12B. Each is provided with a strain resistance element (piezoresistive element) 16B.

以下、本実施の形態のカンチレバー型バイオセンサを用いた計測方法について説明する。正帰還回路20から加振信号がアクチュエータ14に入力されると、台座12が加振され、これによってカンチレバー10がカンチレバーの厚み方向に加振される。容器24中の反応溶液にカンチレバー10を浸漬すると、カンチレバー10に反応溶液が付着すると共に反応溶液の粘性の影響によってカンチレバー10の振動数が若干減少する。しかしながら、このとき種々の振動モードが発生するので、カンチレバー10は当初の共振周波数とは異なる周波数で共振する。このときのカンチレバー10と台座12との動きが一体ではないので、歪み抵抗素子16Bに引張り及び圧縮応力が発生し、歪み抵抗素子16Bの抵抗が変化するため歪み抵抗素子16Bに一定電圧を印加していると、電流がカンチレバー10の振動に応じて変化する。この電流変化を検出回路18のブリッジ回路で電圧変化として検出することにより、カンチレバー10の振動周波数を検出することができ、これによりカンチレバー10の振動状態を検出することができる。   Hereinafter, a measurement method using the cantilever biosensor of the present embodiment will be described. When a vibration signal is input to the actuator 14 from the positive feedback circuit 20, the pedestal 12 is vibrated, and thereby the cantilever 10 is vibrated in the thickness direction of the cantilever. When the cantilever 10 is immersed in the reaction solution in the container 24, the reaction solution adheres to the cantilever 10, and the frequency of the cantilever 10 slightly decreases due to the influence of the viscosity of the reaction solution. However, since various vibration modes are generated at this time, the cantilever 10 resonates at a frequency different from the original resonance frequency. Since the movement of the cantilever 10 and the pedestal 12 at this time is not integrated, tensile and compressive stress is generated in the strain resistance element 16B, and the resistance of the strain resistance element 16B changes, so that a constant voltage is applied to the strain resistance element 16B. The current changes according to the vibration of the cantilever 10. By detecting this current change as a voltage change by the bridge circuit of the detection circuit 18, the vibration frequency of the cantilever 10 can be detected, and thereby the vibration state of the cantilever 10 can be detected.

ここで、カンチレバー10を振動させるときに、カンチレバー10の複数の貫通孔10Aによって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗が発生することを防ぎ、粘性抵抗が小さくなる。従って、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなっている。   Here, when the cantilever 10 is vibrated, the plurality of through-holes 10A of the cantilever 10 can smoothly move the molecules, so that a large viscous resistance is prevented and the viscous resistance is reduced. Therefore, the amount of change in frequency with respect to mass change is large.

また、検出回路18で検出された電圧変化は、正帰還回路20で増幅され、位相が揃えられ、アクチュエータ14に入力される。これによって、カンチレバー10は共振周波数で振動される。また、検出回路18で検出された電圧変化は、F−V変換回路22でアナログ信号(出力V)に変換され、パーソナルコンピュータ26に入力される。   In addition, the voltage change detected by the detection circuit 18 is amplified by the positive feedback circuit 20, the phase is aligned, and is input to the actuator 14. As a result, the cantilever 10 is vibrated at the resonance frequency. The voltage change detected by the detection circuit 18 is converted to an analog signal (output V) by the FV conversion circuit 22 and input to the personal computer 26.

次に、コンピュータによる演算処理について図4を参照して説明する。ステップ100では、F−V変換回路から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して取り込み、ステップ102において出力Vをコンピュータのメモリに記憶する。   Next, calculation processing by a computer will be described with reference to FIG. In step 100, the analog signal output from the FV conversion circuit is converted into a digital signal, and in step 102, the output V is stored in the memory of the computer.

次のステップ104では、前回取り込んだ出力を今回取り込んだ出力とを比較し、出力の変化量ΔVを演算し、ステップ106において、上記(5)式に基づいてカンチレバーに付着した物質の質量を演算する。これにより、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出することができる。また、この質量の時間変化を所定時間にわたって積算することにより、所定時間内にカンチレバーに付着した物質の総量を検出することができる。このようにして検出したカンチレバーに付着した物質の質量は、コンピュータに接続されているLCD等の表示装置に表示される。   In the next step 104, the output captured last time is compared with the output captured this time, the output change ΔV is calculated, and in step 106, the mass of the substance attached to the cantilever is calculated based on the above equation (5). To do. Thereby, the time change of the mass of the substance adhering to the cantilever can be detected. Further, by integrating the time change of the mass over a predetermined time, the total amount of the substance attached to the cantilever within the predetermined time can be detected. The mass of the substance attached to the cantilever detected in this way is displayed on a display device such as an LCD connected to the computer.

そして、ステップ108において、一定時間内で出力Vが変化したか否かを判定し、変化したと判断された場合には、ステップ100へ戻るが、一定時間内で出力Vの変化がなかった場合には、カンチレバーに付着する物質の質量変化がなくなったと判断し、演算処理を終了する。この他にコンピュータでは、ノイズ除去や反応速度等を処理、演算することができる。   In step 108, it is determined whether or not the output V has changed within a predetermined time. If it is determined that the output V has changed, the process returns to step 100, but the output V has not changed within the predetermined time. Is determined that the mass change of the substance adhering to the cantilever has ceased, and the calculation process is terminated. In addition, the computer can process and calculate noise removal, reaction speed, and the like.

本実施の形態のバイオセンサを抗原抗体反応の検出に利用するには、最初に抗体をカンチレバーの表面に付着してカンチレバーを反応溶液に浸漬し、その後抗原を持つ測定試料を反応容器24の反応溶液中に投入する。これにより、アレルギー等の要因を持つ体質か否かが明らかになる。また、このような場合と逆に、最初に抗体を反応容器に入れてから抗原を投入すると、人間の体内にアレルギー物質が生成しているのが分かる。   In order to use the biosensor of this embodiment for detection of an antigen-antibody reaction, the antibody is first attached to the surface of the cantilever and the cantilever is immersed in the reaction solution, and then the measurement sample having the antigen is reacted in the reaction vessel 24. Put into the solution. This makes it clear whether or not the constitution has factors such as allergies. Contrary to this case, it can be seen that allergens are produced in the human body when the antibody is first placed in the reaction container and then the antigen is introduced.

次に、カンチレバー10の貫通孔10Aの開口部の大きさに関する検討結果について説明する。図5に示すように、カンチレバーの貫通孔の開口部の矩形状の大きさが、3μm×3μm(図5(A)参照)、4μm×4μm(図5(B)参照)、5μm×5μm(図5(C)参照)、6μm×6μm(図5(D)参照)の各々となる場合について検討を行った結果を以下に示す。なお、上述したカンチレバーは、長さが100μmであり、幅が49〜51μmであり、厚さが4μmである。   Next, the examination result regarding the magnitude | size of the opening part of 10 A of through-holes of the cantilever 10 is demonstrated. As shown in FIG. 5, the rectangular size of the opening of the through hole of the cantilever is 3 μm × 3 μm (see FIG. 5A), 4 μm × 4 μm (see FIG. 5B), 5 μm × 5 μm ( (See FIG. 5 (C)) and 6 μm × 6 μm (see FIG. 5 (D)) are shown below. The above-described cantilever has a length of 100 μm, a width of 49 to 51 μm, and a thickness of 4 μm.

貫通孔の開口部の大きさの変化に対する検出感度の変化について調べると、図6に示すように、貫通孔の開口部の大きさが大きくなるについて、検出感度が向上していくことが分かる。また、貫通孔の開口部の大きさの変化に対する共振周波数の変化について調べると、図7に示すように、貫通孔の開口部の大きさが大きくなるにつれて、共振周波数が高くなるが、ほぼ同じ共振周波数であることが分かる。また、貫通孔の開口部の大きさの変化に対する表面積の変化について調べると、図8に示すように、貫通孔の開口部の大きさが大きくなるにつれて、表面積が縮小していくことが分かる。   Examining the change in detection sensitivity with respect to the change in the size of the opening of the through hole shows that the detection sensitivity improves as the size of the opening of the through hole increases, as shown in FIG. Further, when the change in the resonance frequency with respect to the change in the size of the opening of the through hole is examined, as shown in FIG. 7, the resonance frequency increases as the size of the opening of the through hole increases. It turns out that it is a resonance frequency. Further, when the change in the surface area with respect to the change in the size of the opening of the through hole is examined, it can be seen that the surface area decreases as the size of the opening of the through hole increases, as shown in FIG.

以上の検討結果から、貫通孔の開口部を、一辺が3μm〜6μmの大きさの矩形状とすればよく、検出感度を高くするためには、一辺が6μmの大きさの矩形状とすることが好ましい。   From the above examination results, it is sufficient that the opening of the through hole has a rectangular shape with a side of 3 μm to 6 μm, and in order to increase detection sensitivity, a rectangular shape with a side of 6 μm is used. Is preferred.

また、表面積を大きくするためには、一辺の大きさが小さい矩形状とすればよく、例えば、一辺が3μmの大きさの矩形状とすればよい。   Further, in order to increase the surface area, a rectangular shape with one side having a small size may be used. For example, a rectangular shape with one side having a size of 3 μm may be used.

次に、カンチレバー10の全体の長さに関する検討結果について説明する。図9に示すように、カンチレバーの全体の長さが、100μm(図9(A)参照)、80μm(図9(B)参照)、60μm(図9(C)参照)の各々となる場合について検討を行った結果を以下に説明する。なお、上述したカンチレバーは、貫通孔の開口部の大きさが6μm×6μmであり、幅が50μmであり、厚さが4μmである。   Next, the examination result regarding the entire length of the cantilever 10 will be described. As shown in FIG. 9, the cantilever has a total length of 100 μm (see FIG. 9A), 80 μm (see FIG. 9B), and 60 μm (see FIG. 9C). The results of the examination will be described below. The above-described cantilever has a through hole having a size of 6 μm × 6 μm, a width of 50 μm, and a thickness of 4 μm.

カンチレバーの全体の長さの変化に対する検出感度の変化について調べると、図10に示すように、カンチレバーの全体の長さが長くなるについて、検出感度が低下していくことがわかる。また、カンチレバーの全体の長さの変化に対する共振周波数の変化について調べると、図11に示すように、カンチレバーの全体の長さが長くなるにつれて、共振周波数が低下していくことがわかる。また、カンチレバーの全体の長さの変化に対する表面積の変化について調べると、図12に示すように、カンチレバーの全体の長さが長くなるにつれて、表面積が拡大していくことが分かる。   Examining the change in detection sensitivity with respect to the change in the overall length of the cantilever, it can be seen that the detection sensitivity decreases as the overall length of the cantilever increases, as shown in FIG. Further, when the change in the resonance frequency with respect to the change in the overall length of the cantilever is examined, it can be seen that as shown in FIG. 11, the resonance frequency decreases as the overall length of the cantilever increases. Further, when the change in the surface area with respect to the change in the overall length of the cantilever is examined, it can be seen that the surface area increases as the overall length of the cantilever increases as shown in FIG.

重量検出には、図10と図12とを考慮すればよく、総合的にはカンチレバーの全体の長さを短くすれば良いことが分かる。また、周波数を低くするために、カンチレバーの厚さを薄くすればよい。   FIG. 10 and FIG. 12 may be taken into consideration for the weight detection, and it can be understood that the overall length of the cantilever may be shortened comprehensively. Further, in order to reduce the frequency, the thickness of the cantilever may be reduced.

以上の検討結果から、検出感度を高くするためには、カンチレバーの全体の長さを短くすればよい。また、共振周波数を高くするためには、カンチレバーの全体の長さを短くすればよく、共振周波数を低くするためには、カンチレバーの全体の長さを長くすればよい。 また、表面積を大きくするためには、カンチレバーの全体の長さを長くすればよい。   From the above examination results, in order to increase the detection sensitivity, the entire length of the cantilever may be shortened. In order to increase the resonance frequency, the entire length of the cantilever may be shortened, and in order to decrease the resonance frequency, the entire length of the cantilever may be increased. In order to increase the surface area, the entire length of the cantilever may be increased.

以上説明したように、本発明の第1の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサによれば、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設して、分子を通り易くしたフレーム構造としたことにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、液中の中でもQ値を落とさずに、検出感度を向上させて、カンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。   As described above, according to the cantilever-type biosensor according to the first embodiment of the present invention, a plurality of through holes are formed in the surface of the cantilever so as to facilitate the passage of molecules. Since it is possible to prevent the occurrence of a large viscous resistance, the detection sensitivity can be improved and the mass of the substance attached to the cantilever can be detected without reducing the Q value even in the liquid.

また、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、分子の移動が滑らかになり、粘性抵抗が小さくなって、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、液中でも、高い検出感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。   Also, by making multiple through-holes on the surface of the cantilever, the movement of molecules becomes smooth, the viscosity resistance is reduced, and the amount of change in frequency with respect to mass change is increased. The mass of the substance attached to the cantilever can be detected with sensitivity.

また、センサとして歪み抵抗素子をカンチレバーに埋め込むことより、光てこ方式を使用しないため、溶液中などでカンチレバー型バイオセンサを使用する際に光軸調整する必要がなく、簡便に使用することができる。   In addition, since a strain resistance element is embedded in the cantilever as a sensor, the optical lever method is not used, so that it is not necessary to adjust the optical axis when using a cantilever biosensor in a solution or the like, and can be used easily. .

また、検出回路で検出された電圧変化を示す信号をデジタルデータに変換し、このデジタルデータに基づいて計測対象物に関する物理量を計測することにより、検出できる電圧変化の周波数領域に制限がなく、また、電圧変化が大きくても高精度に電圧変化を検出できるため、高精度かつ広範囲に計測対象物に関する物理量を計測することができる。   Further, by converting a signal indicating the voltage change detected by the detection circuit into digital data and measuring a physical quantity related to the measurement object based on the digital data, there is no limit to the frequency region of the voltage change that can be detected, and Since the voltage change can be detected with high accuracy even when the voltage change is large, the physical quantity relating to the measurement object can be measured with high accuracy and in a wide range.

本実施の形態では、アクチュエータ14を圧電素子で構成した例について説明したが、本実施の形態においては図13に示すように圧電素子の電極部分の各々に絶縁皮膜28を被覆し、電気的に絶縁するようにしてもよい。この場合においても、上記と同様に、アクチュエータ14の一方の絶縁皮膜を台座12に接着または機械的に接合させてアクチュエータ14を台座12とを一体化させる。アクチュエータ14の電極が絶縁皮膜28により被覆されているため、このカンチレバー10を反応溶液に浸漬することにより直ちに計測を開始することができる。   In the present embodiment, an example in which the actuator 14 is configured by a piezoelectric element has been described. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 13, each electrode portion of the piezoelectric element is covered with an insulating film 28 to electrically It may be insulated. Also in this case, similarly to the above, one of the insulating films of the actuator 14 is bonded or mechanically bonded to the base 12 to integrate the actuator 14 with the base 12. Since the electrode of the actuator 14 is covered with the insulating film 28, the measurement can be started immediately by immersing the cantilever 10 in the reaction solution.

また、上記では、カンチレバーを溶液中に浸漬した場合を例に説明したが、計測対象物が浮遊している大気中にカンチレバーを配置するようにしてもよい。   In the above description, the case where the cantilever is immersed in the solution has been described as an example. However, the cantilever may be disposed in the atmosphere in which the measurement target is floating.

また、図14に示すように、カンチレバー10及び台座12を絶縁皮膜28で被覆するようにしてもよい。この場合には、アクチュエータ14は図13に示したように絶縁皮膜により被覆してもよいし、被覆しないようにしてもよい。これにより、カンチレバー10を反応溶液中に浸漬したときに、カンチレバー10の表面にリーク電流が流れるのを防止し、検出回路18によって正確に電流を計測することができる。   Further, as shown in FIG. 14, the cantilever 10 and the base 12 may be covered with an insulating film 28. In this case, the actuator 14 may be covered with an insulating film as shown in FIG. 13, or may not be covered. Thereby, when the cantilever 10 is immersed in the reaction solution, a leak current is prevented from flowing on the surface of the cantilever 10, and the current can be accurately measured by the detection circuit 18.

次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は、カンチレバーの振動状態の変化を検出するセンサとして第1の実施の形態の歪み抵抗素子に代えて、カンチレバーの振動に応じて静電容量が変化する静電容量素子を使用するものである。本実施の形態では、図15に示すように、カンチレバー10と台座12との接合部16には、歪み抵抗素子が設けられていない。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, instead of the strain resistance element of the first embodiment, a capacitance element whose capacitance changes according to the vibration of the cantilever is used as a sensor for detecting a change in the vibration state of the cantilever. It is what you use. In the present embodiment, as shown in FIG. 15, the strain resistance element is not provided at the joint portion 16 between the cantilever 10 and the base 12.

また、図16に示すように、カンチレバー10と対向して平行になるように対向電極30が台座12に固定され、対向電極30により、カンチレバー10の貫通孔10Aが穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とし、対向電極30とカンチレバー10の未開口部分との間に静電容量素子が構成されている。そして、カンチレバー10及び対向電極30は、上記と同様に静電容量素子と共にホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路を備えた検出回路18に接続されている。これにより、カンチレバーが振動すると静電容量素子の静電容量が周期的に変化するため、検出回路のブリッジ回路によってカンチレバーの振動を検出し、振動信号を出力することができる。   Further, as shown in FIG. 16, the counter electrode 30 is fixed to the pedestal 12 so as to face and parallel to the cantilever 10, and the through-hole 10 </ b> A of the cantilever 10 is not opened by the counter electrode 30. Is a part of the capacitance element, and the capacitance element is configured between the counter electrode 30 and the unopened portion of the cantilever 10. And the cantilever 10 and the counter electrode 30 are connected to the detection circuit 18 provided with the bridge circuit which comprises a Wheatstone bridge with an electrostatic capacitance element similarly to the above. As a result, when the cantilever vibrates, the capacitance of the capacitive element periodically changes. Therefore, the bridge circuit of the detection circuit can detect the vibration of the cantilever and output a vibration signal.

ここで、カンチレバー10を振動させるときに、カンチレバー10の複数の貫通孔10Aによって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗が発生することを防ぎ、粘性抵抗が小さくなる。従って、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなっている。   Here, when the cantilever 10 is vibrated, the plurality of through-holes 10A of the cantilever 10 can smoothly move the molecules, so that a large viscous resistance is prevented and the viscous resistance is reduced. Therefore, the amount of change in frequency with respect to mass change is large.

本実施の形態によれば、検出回路から出力される振動信号から共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。   According to the present embodiment, the change in the resonance frequency is detected from the vibration signal output from the detection circuit, and the change in the mass of the substance adhering to the cantilever is detected from the change in the resonance frequency as described above. Can do.

また、カンチレバーの複数の貫通孔によって、粘性抵抗が小さくなり、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、高い検出感度で、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出することができる。   In addition, since the viscous resistance is reduced by the plurality of through holes of the cantilever and the change amount of the frequency change with respect to the mass change is increased, the time change of the mass of the substance attached to the cantilever can be detected with high detection sensitivity. .

次に、図17を参照して本発明の第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第2の実施の形態の対向電極をアクチュエータとして使用するようにしたものである。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第1の実施の形態と同様の歪み抵抗素子16Bが用いられている。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the counter electrode of the second embodiment is used as an actuator. As a sensor for detecting the vibration of the cantilever, the strain resistance element 16B similar to that of the first embodiment is used.

歪み抵抗素子16Bは、第1の実施の形態と同様に、検出回路18のブリッジ回路に接続されている。また、カンチレバー10の基端側は接地され、静電容量素子を構成する対向電極30は、正帰還回路20に接続されている。   The strain resistance element 16B is connected to the bridge circuit of the detection circuit 18 as in the first embodiment. Further, the proximal end side of the cantilever 10 is grounded, and the counter electrode 30 constituting the capacitance element is connected to the positive feedback circuit 20.

本実施の形態によれば、歪み抵抗素子16Bの電圧変化を検出回路18のブリッジ回路で検出し、検出した信号が正帰還回路20に入力され、対向電極30に加振信号として入力されるので、カンチレバー10が共振振動するように制御される。また、検出回路18のブリッジ回路で検出された信号は、F−V変換回路22を介してパーソナルコンピュータ26に入力され、パーソナルコンピュータ26において共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバー10に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。   According to the present embodiment, the voltage change of the strain resistance element 16B is detected by the bridge circuit of the detection circuit 18, and the detected signal is input to the positive feedback circuit 20 and input to the counter electrode 30 as an excitation signal. The cantilever 10 is controlled to resonate. The signal detected by the bridge circuit of the detection circuit 18 is input to the personal computer 26 via the FV conversion circuit 22, and the substance attached to the cantilever 10 in the personal computer 26 due to the change in the resonance frequency in the same manner as described above. Changes in the mass of the time are detected.

次に、図18を参照して本発明の第4の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第3の実施の形態の静電誘導アクチュエータに代えて、電磁誘導型アクチュエータを用いたものである。本実施の形態では、カンチレバー10と対向して略並行になるように電磁誘導コイル32が台座12に固定され、カンチレバー10の表面側には磁性材で構成された磁性薄膜34がコーティングされている。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第1の実施の形態と同様の歪み抵抗素子16Bが用いられている。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, an electromagnetic induction actuator is used instead of the electrostatic induction actuator of the third embodiment. In the present embodiment, the electromagnetic induction coil 32 is fixed to the pedestal 12 so as to face the cantilever 10 and be substantially parallel thereto, and the magnetic thin film 34 made of a magnetic material is coated on the surface side of the cantilever 10. . As a sensor for detecting the vibration of the cantilever, the strain resistance element 16B similar to that of the first embodiment is used.

本実施の形態によれば、上記と同様に歪み抵抗素子16Bからの信号を検出回路18のブリッジ回路で検出し、検出した信号が正帰還回路20に入力され、電磁誘導コイル32に加振信号として入力されるので、カンチレバー10が共振振動される。また、検出回路18のブリッジ回路で検出された信号は、上記と同様にF−V変換回路22を介してパーソナルコンピュータ26に入力され、パーソナルコンピュータ26において共振周波数の変化からカンチレバー10に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。図18では片面だけにコーティングしたが、両面にコーティングしてもよく、図18と反対の面にコーティングしてもよい。   According to the present embodiment, the signal from the strain resistance element 16B is detected by the bridge circuit of the detection circuit 18 in the same manner as described above, and the detected signal is input to the positive feedback circuit 20 and applied to the electromagnetic induction coil 32 as an excitation signal. Therefore, the cantilever 10 is resonantly oscillated. Further, the signal detected by the bridge circuit of the detection circuit 18 is inputted to the personal computer 26 through the FV conversion circuit 22 in the same manner as described above, and the substance attached to the cantilever 10 from the change of the resonance frequency in the personal computer 26. Changes in the mass of the time are detected. Although only one side is coated in FIG. 18, it may be coated on both sides, or may be coated on the opposite side to FIG.

図19は、本発明の第5の実施の形態を示すものであり、図14に示したカンチレバーの絶縁皮膜に、検出対象の物質を付着させるために、特別な化学反応基を付着させるための金等で構成された薄膜36を被覆したものである。薄膜の種類は、付着させる物質に応じて適宜選択される。これにより、チオール基等を介在して人為的に選択された蛋白質、DNA、抗体、または抗原等の計測対象物に関する物理量の時間変化等を検出することができる。   FIG. 19 shows a fifth embodiment of the present invention, for attaching a special chemically reactive group to the insulating film of the cantilever shown in FIG. 14 in order to attach a substance to be detected. The thin film 36 made of gold or the like is covered. The kind of thin film is appropriately selected according to the substance to be deposited. Thereby, it is possible to detect a temporal change in a physical quantity relating to a measurement target such as a protein, DNA, antibody, or antigen that is artificially selected via a thiol group or the like.

次に、第6の実施の形態について説明する。第6の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図20に示すように、レーザ光を照射する半導体レーザ212と、半導体レーザ212から照射されたレーザ光であって、かつ、レンズ(図示省略)によって集光された光を反射させるための反射面を有するカンチレバー210と、カンチレバー210の反射面で反射されたレーザ光を入射させるように設けられたフォトダイオード等で構成された位置検出器214とを備えており、光てこを利用して小さなカンチレバー210の共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出する。   Next, a sixth embodiment will be described. As shown in FIG. 20, the cantilever biosensor according to the sixth embodiment includes a semiconductor laser 212 that irradiates laser light, laser light emitted from the semiconductor laser 212, and a lens (not shown). The position detector 214 is configured by a cantilever 210 having a reflecting surface for reflecting the light collected by (2) and a photodiode or the like provided so that the laser light reflected by the reflecting surface of the cantilever 210 is incident. A change in the resonance frequency of the small cantilever 210 is detected using an optical lever, and a physical quantity, chemical quantity, temperature, stress, or the like is detected.

また、カンチレバー型バイオセンサは、台座215を加振することによりカンチレバー210を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ216と、カンチレバー210の共振周波数の変化を検出するための検出回路218と、アクチュエータ216を駆動してカンチレバー210を共振させるための正帰還回路220、周波数を電圧に変換するF−V変換回路(FM復調回路)222と、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ226とを備えている。   Further, the cantilever type biosensor includes an actuator 216 composed of a piezoelectric element that vibrates the cantilever 210 by vibrating the pedestal 215, a detection circuit 218 for detecting a change in the resonance frequency of the cantilever 210, and an actuator 216. Are provided, a positive feedback circuit 220 for causing the cantilever 210 to resonate, an FV conversion circuit (FM demodulation circuit) 222 for converting the frequency into a voltage, and a personal computer 226 for performing data processing and display.

また、図21に示すように、カンチレバー210は、貫通孔10Aが穿設されていない未開口部分を反射面としている。なお、カンチレバー210の反射面は平坦である。   Further, as shown in FIG. 21, the cantilever 210 has an unopened portion where the through-hole 10A is not formed as a reflecting surface. The reflective surface of the cantilever 210 is flat.

本実施の形態によれば、半導体レーザからレーザ光をカンチレバーの反射面に照射し、カンチレバーからの反射光を位置検出器に入射し、位置検出器から出力される振動信号から共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。   According to the present embodiment, the laser beam from the semiconductor laser is irradiated onto the reflecting surface of the cantilever, the reflected light from the cantilever is incident on the position detector, and the change in the resonance frequency is detected from the vibration signal output from the position detector. It is possible to detect a change in the mass of the substance attached to the cantilever over time and the like from the change in the resonance frequency.

また、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになって、粘性抵抗が小さくなり、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、高い検出感度で、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。   Also, when the cantilever is vibrated, the plurality of through-holes of the cantilever smooth the movement of the molecule, the viscosity resistance is reduced, and the amount of change in the frequency change with respect to the mass change is increased. Changes in the mass of the substance attached to the cantilever over time can be detected.

次に、第7の実施の形態について説明する。なお、第7の実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡に本発明を適用した場合を説明する。   Next, a seventh embodiment will be described. In the seventh embodiment, a case where the present invention is applied to a scanning probe microscope will be described.

第7の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、図22に示すように、カンチレバー310の貫通孔が穿設されていない未開口部分に探針310Aが形成されている。また、カンチレバー310と台座との接合部16には、第1の実施の形態と同様に、歪み抵抗素子16Bが設けられている。   In the scanning probe microscope according to the seventh embodiment, as shown in FIG. 22, a probe 310A is formed in an unopened portion where a through hole of the cantilever 310 is not formed. Further, the strain resistance element 16B is provided at the joint 16 between the cantilever 310 and the pedestal, as in the first embodiment.

また、カンチレバー310は、光てこ検出器に固定され、あるいは走査機構に片持ち支持され、カンチレバー310の探針310Aと試料の表面との間に原子間力が作用するように、カンチレバー310が配置されている。   The cantilever 310 is fixed to the optical lever detector or cantilevered by the scanning mechanism, and the cantilever 310 is arranged so that an atomic force acts between the probe 310A of the cantilever 310 and the surface of the sample. Has been.

光てこのレーザ光は探針310Aの裏側に入射され、反射して光てこ光学系を形成する。該裏面は金コートやAlコートしたものが使用される。   The laser beam is incident on the back side of the probe 310A and reflected to form an optical lever optical system. The back surface is coated with gold or Al.

第7の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡では、走査機構によって、カンチレバー310をX方向、Y方向、Z方向の各々へ移動させると共に、カンチレバー310を共振振動させるように、アクチュエータが制御される。そして、歪み抵抗素子16Bから出力された信号を、第1の実施の形態と同様に、検出回路のブリッジ回路で検出し、F−V変換回路を介してコンピュータに入力される。そして、コンピュータにおいて共振周波数の変化から、カンチレバー310の探針310Aと試料の表面との間の原子間力の変化を検出し、試料の3次元的な表面形状を計測する。   In the scanning probe microscope according to the seventh embodiment, the actuator is controlled by the scanning mechanism so that the cantilever 310 is moved in each of the X direction, the Y direction, and the Z direction, and the cantilever 310 is resonantly oscillated. . Then, similarly to the first embodiment, the signal output from the strain resistance element 16B is detected by the bridge circuit of the detection circuit and input to the computer via the FV conversion circuit. Then, the change in the atomic force between the probe 310A of the cantilever 310 and the surface of the sample is detected from the change in the resonance frequency in the computer, and the three-dimensional surface shape of the sample is measured.

本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになって、粘性抵抗が小さくなり、Q値が向上し、原子間力の変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、高い検出感度で、探針と試料の表面との間の原子間力の変化を検出することができ、試料の3次元的な表面形状を高精度に計測することができる。   According to the scanning probe microscope according to the present embodiment, when the cantilever is vibrated, the plurality of through-holes of the cantilever smooth the movement of molecules, the viscosity resistance is reduced, and the Q value is improved. Since the amount of change in frequency relative to the change in atomic force is large, the change in atomic force between the probe and the sample surface can be detected with high detection sensitivity, and the three-dimensional surface of the sample. The shape can be measured with high accuracy.

なお、上記の実施の形態では、自己検知素子として、歪み抵抗素子または静電容量素子を用いた例について説明したが、圧電素子、電磁誘導素子、または温度検知素子等を用いるようにしてもよい。また、アクチュエータとしても圧電素子、静電駆動の静電容量素子に代えて、温度駆動のアクチュエータ、または光駆動のアクチュエータ等を用いるようにしてもよい。さらに、カンチレバーを絶縁皮膜で被覆した例について説明したが、自然酸化膜で覆うようにしてもよい。   In the above-described embodiment, an example in which a strain resistance element or a capacitance element is used as the self-sensing element has been described, but a piezoelectric element, an electromagnetic induction element, a temperature sensing element, or the like may be used. . Further, as an actuator, a temperature-driven actuator, a light-driven actuator, or the like may be used instead of the piezoelectric element or the electrostatic-drive capacitance element. Furthermore, although the example which coat | covered the cantilever with the insulating film was demonstrated, you may make it cover with a natural oxide film.

本発明の第1の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the cantilever type | mold biosensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 粘性係数を考慮した場合における質量の変化に対する周波数の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the change of the frequency with respect to the change of the mass at the time of considering a viscosity coefficient. (A)本発明の第1の実施の形態に係るカンチレバー及び台座の構成を示す図、(B)カンチレバーの構成を示す図、及び(C)カンチレバーと台座との接合部の構成を示す図である。(A) The figure which shows the structure of the cantilever and pedestal which concerns on the 1st Embodiment of this invention, (B) The figure which shows the structure of a cantilever, and (C) The figure which shows the structure of the junction part of a cantilever and a pedestal. is there. 本発明の第1の実施の形態のカンチレバーに付着した物質を検出する処理ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process routine which detects the substance adhering to the cantilever of the 1st Embodiment of this invention. 貫通孔の開口部の大きさが異なる複数のカンチレバーの構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of the several cantilever from which the magnitude | size of the opening part of a through-hole differs. 貫通孔の開口部の大きさの変化に対する検出感度の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the change of the detection sensitivity with respect to the change of the magnitude | size of the opening part of a through-hole. 貫通孔の開口部の大きさの変化に対する共振周波数の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the change of the resonant frequency with respect to the change of the magnitude | size of the opening part of a through-hole. 貫通孔の開口部の大きさの変化に対する表面積の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the change of a surface area with respect to the change of the magnitude | size of the opening part of a through-hole. 全体の長さが異なる複数のカンチレバーの構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of the several cantilever from which the whole length differs. カンチレバーの全体の長さの変化に対する検出感度の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the change of the detection sensitivity with respect to the change of the whole length of a cantilever. カンチレバーの全体の長さの変化に対する共振周波数の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the change of the resonant frequency with respect to the change of the whole length of a cantilever. カンチレバーの全体の長さの変化に対する表面積の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the change of a surface area with respect to the change of the whole length of a cantilever. 本発明の第1の実施の形態の変形例を示す概略図である。It is the schematic which shows the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の他の変形例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cantilever which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the cantilever type | mold biosensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the cantilever type | mold biosensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the cantilever type | mold biosensor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the cantilever type | mold biosensor which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the cantilever type | mold biosensor which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cantilever which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cantilever which concerns on the 7th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10、210、310 カンチレバー
10A 貫通孔
12、215 台座
12A 電極
14、216 アクチュエータ
16 接合部
16B 歪み抵抗素子
18、218 検出回路
20、220 正帰還回路
22 変換回路
26、226 パーソナルコンピュータ
30 対向電極
212 半導体レーザ
214 位置検出器
310A 探針
10, 210, 310 Cantilever 10A Through hole 12, 215 Base 12A Electrode 14, 216 Actuator 16 Joint 16B Strain resistance element 18, 218 Detection circuit 20, 220 Positive feedback circuit 22 Conversion circuit 26, 226 Personal computer 30 Counter electrode 212 Semiconductor Laser 214 Position detector 310A Probe

Claims (11)

支持部を介して基板に支持された板状のカンチレバーであって、表面に開口し、かつ、前記カンチレバーの厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を穿設したカンチレバー。   A plate-shaped cantilever supported by a substrate via a support part, the cantilever having a plurality of through holes that open in the surface and penetrate in the thickness direction of the cantilever. 前記貫通孔の開口部を、一辺が3μm〜6μmの大きさの矩形状とした請求項1記載のカンチレバー。   The cantilever according to claim 1, wherein the opening of the through hole has a rectangular shape with a side of 3 μm to 6 μm. 前記カンチレバーの前記貫通孔が穿設されていない未開口部分に探針を形成した請求項1又は2記載のカンチレバー。   The cantilever according to claim 1 or 2, wherein a probe is formed in an unopened portion where the through hole of the cantilever is not drilled. 前記カンチレバーの前記貫通孔が穿設されていない未開口部分の少なくとも一部分を反射面とした請求項1又は2記載のカンチレバー。   The cantilever according to claim 1 or 2, wherein at least a part of an unopened portion where the through hole of the cantilever is not drilled is a reflective surface. 前記カンチレバーの支持部に歪み抵抗素子を設けた請求項1〜請求項3の何れか1項記載のカンチレバー。   The cantilever according to any one of claims 1 to 3, wherein a strain resistance element is provided on a support portion of the cantilever. 前記カンチレバーの前記貫通孔が穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とした請求項1又は2記載のカンチレバー。   The cantilever according to claim 1 or 2, wherein an unopened portion of the cantilever where the through hole is not formed is a part of the capacitance element. 前記カンチレバーを、液中に浸漬するか、又は大気中に配置した請求項1〜請求項6の何れか1項記載のカンチレバー。   The cantilever according to any one of claims 1 to 6, wherein the cantilever is immersed in a liquid or disposed in the atmosphere. 前記カンチレバーの母材が、シリコン、SiN、及びSiOの少なくとも一つで形成された請求項1〜請求項7の何れか1項記載のカンチレバー。 The base material of the cantilever, silicon, SiN, and any one cantilever according to claim 1 to claim 7 which is formed of at least one of SiO 2. 表面が、金、白金、SiO、絶縁物、有機物、及び磁性材の少なくとも一つで被覆された請求項1〜請求項8の何れか1項記載のカンチレバー。 Surface, gold, platinum, SiO 2, insulator, organic, and any one cantilever according to claim 1 to claim 8 which is coated with at least one magnetic material. 請求項1〜請求項9の何れか1項記載のカンチレバーと、
前記カンチレバーに付着した物質の付着量を検出する検出手段と、
を含むバイオセンサ。
A cantilever according to any one of claims 1 to 9,
Detection means for detecting the amount of the substance attached to the cantilever;
Including biosensors.
請求項3記載のカンチレバーを備え、
前記カンチレバーを、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように配置したプローブ顕微鏡。
A cantilever according to claim 3,
A probe microscope in which the cantilever is arranged so that an atomic force acts between the probe and the surface of a sample.
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