JP2021505921A - 変換が統合された光ファイバベースの有機カンチレバー - Google Patents
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Abstract
本発明は、レーザビーム（２）と結合される光ファイバ（１０）、前記光ファイバ（１０）の一端（１０１）上へのスルーファイバ製造のカンチレバー（１１）、および光コレクタ（７）を含むセンサデバイス（１）に関する。本発明によれば、スルーファイバ製造のカンチレバー（１１）は、少なくとも１つの感光性モノマー種を光構造化することによって得られるポリマーから作製される。本発明はまた、本発明のデバイスを使用して、温度、質量、粘度、検体の濃度、および重合プロセスの程度などのパラメータを測定する方法に関する。
Description
本発明は、光ファイバに基づく、特に、スルーファイバ製造のカンチレバーを含む、有機微小電気機械センサの分野に関する。
スルーファイバの製造によるポリマーチップの製造と、センシング用途の実現可能性は、既に説明されている。
スルーファイバ製造のカンチレバーは、振動計などの標準的な読み取り方法で分析できる。振動計は、１Ｈｚ未満の周波数分解能でカンチレバービームの信頼性の高い動的な研究を可能にする。使用される振動計は、市販のデバイスであり、使用者に対して分析することを非常に簡単にする。しかし、装置がかなり高価であり、実験のセットアップがかなりかさばったものになるため、振動計の使用は不便な場合がある。さらに、スルーファイバ製造のカンチレバービームの分析は、空気または真空での適用に限定される。
本発明は、これらのポリマーカンチレバーのための統合された読み出し方式に関し、新規の感知および特性決定の研究への利用をもたらす。したがって、レーザビームが光ファイバに結合され、取り付けられたカンチレバーを介して導かれる。次に、出現する光は、適切な手段、例えばレンズと４象限アバランシェフォトダイオードで収集される。この統合された読み出しコンセプトは、完全に統合されたセットアップへの道を開く。この状況では、特に過酷な環境での遠隔操作が利用可能になるため、光ファイバの使用が特に魅力的になる。
本発明の第１の目的は、レーザビームと結合される光ファイバ、前記光ファイバの一端上への、１つの自由端を有するスルーファイバ製造のカンチレバー、およびフォトダイオードなどの光コレクタを含むセンサデバイスであって、前記スルーファイバ製造のカンチレバーは、少なくとも１つの感光性モノマーの光重合によって得られるポリマーでできたパターン化カンチレバーであることを特徴とするセンサデバイスである。
パターン化とは、本発明の趣旨において、光構造化（または光重合）感光性モノマーによる製造のカンチレバーを意味する。
したがって、本発明のセンサデバイスのスルーファイバ製造のカンチレバーは、ポリマーチップから作製され、動的または静的モードで操作されるカンチレバービームとして使用され得る。
本発明のセンサデバイスのスルーファイバ製造のカンチレバーは、好ましくは１０ミクロンから２００ミクロンの間の長さを示し、好ましくは８０から２００ミクロンの間に含まれる。
本発明のセンサデバイスのスルーファイバ製造のカンチレバーは、好ましくは、５〜２５ミクロン、好ましくは約１０ミクロンを含む直径を示す。例えば、スルーファイバ製造のカンチレバーの直径は、光ファイバのコアと等しいか、または光ファイバのコアによって閉じ込められる。
スルーファイバ製造のカンチレバーの寸法の例は、非限定的なものである。
本発明のセンサデバイスのスルーファイバ製造のカンチレバーは、任意の光重合性材料、例えばペンタエリスリトールトリアクリレート（ＰＥＴＩＡ）または分子刷り込みポリマー（ＭＩＰ）などの機能性ポリマーを含み得る。
本発明の第１の実施形態では、本発明のカンチレバー式センサデバイスのスルーファイバカンチレバーの自由端の少なくとも一部は、金属またはポリマーから選択されるコーティングで処理される。
本発明の第２の実施形態では、本発明のカンチレバー式センサデバイスのスルーファイバカンチレバーの自由端は、入射光を反射させるコーティングで処理されていない。
本発明の別の目的は、本発明によるセンサデバイスを用いて少なくとも１つのパラメータを測定するための方法であって、前記方法は、
ａ．センサデバイスの光ファイバにレーザビームを注入するステップと、
ｂ．フォトダイオードを使用して、スルーファイバ製造のカンチレバーから反射された光の光強度を測定するステップと、
を含む。
ａ．センサデバイスの光ファイバにレーザビームを注入するステップと、
ｂ．フォトダイオードを使用して、スルーファイバ製造のカンチレバーから反射された光の光強度を測定するステップと、
を含む。
本発明のさらに別の目的は、本発明によるセンサデバイスを用いて少なくとも１つのパラメータを測定するための方法であって、前記方法は、
ａ．センサデバイスの光ファイバにレーザビームを注入するステップと、
ｂ．スルーファイバ製造のカンチレバーの自由端から出現する（透過するという趣旨で）光を集めるステップと、
ｃ．出現した光を分析して（収集されるという意味で）、前記少なくとも１つのパラメータの値を判定するステップと、
を含む。
ａ．センサデバイスの光ファイバにレーザビームを注入するステップと、
ｂ．スルーファイバ製造のカンチレバーの自由端から出現する（透過するという趣旨で）光を集めるステップと、
ｃ．出現した光を分析して（収集されるという意味で）、前記少なくとも１つのパラメータの値を判定するステップと、
を含む。
これらの方法に従って測定することができるパラメータの例は、温度、質量、液体の粘度、検体の濃度、および重合プロセスの程度であり得る。
これらのパラメータおよびその他の測定は、変位またはたわみ、共振周波数のシフト、またはカンチレバーの品質係数を測定し、その後、取得したデータを分析することで実現できる。
本発明による少なくとも１つのパラメータの測定は、静的モードまたは動的モードのいずれかで実行することができる。
本発明のセンサデバイスはまた、任意に異なる材料、例えば異なるポリマーで作製された複数のスルーファイバカンチレバーを含んでもよい。複数のスルーファイバカンチレバーは、少なくとも２個のスルーファイバカンチレバー、好ましくは少なくとも３個、少なくとも４個、少なくとも５個、より好ましくは少なくとも１０個、さらにより好ましくは少なくとも５０個のスルーファイバカンチレバーを含む。前記の実施形態において、複数のスルーファイバ製造のカンチレバーは、複数のコアを有する１つの光ファイバ上に存在してもよく、または光ファイバの束上に存在してもよく、光ファイバは、同じシースまたはジャケットに含まれてもよい。
オンライン式の測定は、センシングの用途にとって非常に重要であり、分子刷り込みポリマー（ＭＩＰ）などの機能性ポリマー材料の結合プロセスに関する追加の運動情報にアクセスできる。カンチレバーセンサによる液体媒体でのオンライン式の測定は、周囲の媒
体の粘性減衰のため、困難な作業である。
体の粘性減衰のため、困難な作業である。
提示された発明の利点は、読み出しの小型化および／または簡略化、遠隔操作の可能性（過酷な環境または非常に小さなサンプルの場合）、および液体および／または粘性媒体でオンライン式の測定を操作する可能性である。
材料および方法
ａ．材料、化学物質、デバイス
特に明記されていない限り、すべての化学物質と溶媒は分析グレードのものであり、Ｓｉｇｍａ−ＡｌｄｒｉｃｈまたはＶＷＲ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから購入した。ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルホスフィンオキシド（Ｉｒｇａｃｕｒｅ ８１９）は、Ｃｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（サンフォン、フランス）から惜しみなく提供された。ＳＵ−８ ３０５０およびＳＵ−８ ３００５はＭｉｃｒｏＣｈｅｍから入手した。Ｍｅｎｚｅｌ製の顕微鏡用カバーガラス（１５ｍｍ×１５ｍｍ）を基板として使用した。光ファイバ、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ ２８）、および光学要素は、ＴＨＯＲＬＡＢＳまたはカスタムメイドによって用意された。ピエゾリニアアクチュエータは、ＰＩ ｐｉｅｚｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（モデル：ＰＬ０２２．３０）から購入した。
ａ．材料、化学物質、デバイス
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光重合には、ｏｘｘｉｕｓ製の３７５ｎｍレーザ（ｌｂｘ−３７５−７０）を使用した。レーザ出力の強度は、Ｇｅｎｔｅｃ−ＥＯのパワーメーター（ｍａｅｓｔｒｏ）で測定した。読み出しには、Ｈｅ−Ｎｅレーザチューブ（ＨＲＰ ０５０）、ＴＨＯＲＬＡＢＳの４象限光検出器、およびＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓのネットワークアナライザ（Ｅ５０６１Ｂ）を使用した。
ｂ．カンチレバービーム１１のスルーファイバ製造
この章で提示されたすべての研究は、スルーファイバ製造のカンチレバービーム１１を使用して行われた。
この章で提示されたすべての研究は、スルーファイバ製造のカンチレバービーム１１を使用して行われた。
カンチレバービームは、５０重量％のアセトニトリルと１モル％の（重合性の基の）開始剤ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−フェニルホスフィンオキシドを混合した３官能性モノマーペンタエリスリトールトリアクリレート（ＰＥＴＩＡ）から作られた。
光ファイバ１０は、ポリマー構造が重合される前に、ＳＵ−８（ＵＶ光（３６５ｎｍ）により６０分間硬化され、後に１００℃で一晩露光ベークされた）４でガラス基板３に取り付けられた。次に、ファイバ１０の端部を伴うガラス支持体３は、ＰＺＴアクチュエータ５に接着テープにより固定された。そして、３７５ｎｍのレーザ光源２が光ファイバに結合され、ポリ（ＰＥＴＩＡ）カンチレバービーム１１が製造された。カンチレバー１１の長さは約２００μｍに固定されている。
ＰＺＴアクチュエータ５に固定された、結果として得られるスルーファイバ製造のカンチレバービーム１１が図１にて見て取れる。
ｃ．読み出しのセットアップ
共振カンチレバーの統合された光学的な読み出しのために、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２がファイバ１０とカンチレバービーム１１を介して結合された（図２を参照）。出現する光はレンズ６で収集され、４象限アバランシェフォトダイオード７に焦点が当てられた。ネットワークアナライザ（９）が光検出器とＰＺＴアクチュエータ５に接続された。
共振カンチレバーの統合された光学的な読み出しのために、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２がファイバ１０とカンチレバービーム１１を介して結合された（図２を参照）。出現する光はレンズ６で収集され、４象限アバランシェフォトダイオード７に焦点が当てられた。ネットワークアナライザ（９）が光検出器とＰＺＴアクチュエータ５に接続された。
ｄ．ポリ（ＰＥＴＩＡ）カンチレバー構造の特性評価
ペルチェ素子とデジタル温度計をカンチレバービームに近づけ、徐々に温度を変化させることにより、温度の研究が行われた。
ペルチェ素子とデジタル温度計をカンチレバービームに近づけ、徐々に温度を変化させることにより、温度の研究が行われた。
光熱効果は、Ｈｅ−Ｎｅレーザのレーザ強度を光学フィルターで変更することで評価した。
カンチレバービームの質量感受性は、ポリスチレン（Ｍｗ：約２８００００ｇ／ｍｏｌ）をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解して評価した。カンチレバービームの先端（約２０μｍ）を注意深く溶液に浸した。溶液からカンチレバーを取り外した後、カンチレバーの先端にポリスチレンの液滴が形成された。質量は、この液滴の溶媒が蒸発した後（空気で１時間乾燥）に評価された。
液体での測定のために、対象の液体媒体の液滴を顕微鏡のスライドガラスに置いた。次に、カンチレバー全体が液体環境に浸るまで、マイクロポジショナーで位置を調整することにより、カンチレバーを慎重に液滴に接触させた。
質量密度および粘度が変化する液体媒体での測定には、エチレングリコールの濃度を増加させた（０％、２０％、４０％、６０％、８０％、１００％（重量％））水を使用した。
例：統合された変換方式のスルーファイバ製造の有機マイクロカンチレバー
ａ．セットアップの展開と実装
このセクションでは、スルーファイバのパターン化または製造されたマイクロカンチレバー用の新規である統合された読み出し方式を提案する。
ａ．セットアップの展開と実装
このセクションでは、スルーファイバのパターン化または製造されたマイクロカンチレバー用の新規である統合された読み出し方式を提案する。
この革新的なコンセプトでは、ポリマービームが取り付けられた光ファイバ１０に結合された６３２ｎｍ Ｈｅ−Ｎｅレーザと、変換の中心要素としての４象限アバランシェフォトダイオード７とを採用した。位置感知フォトダイオードは、市販のＡＦＭで最も一般的なトランスデューサ方式である。これは、それらの高感受性、および優れた信号対雑音比に対して処理することができる。従来の光ビーム偏向方法では、単色レーザビームがカンチレバーの表面から反射され、それによってセンサ表面にカンチレバーの動きを投影する。レーザビームの動きは、光がカンチレバーの表面からフォトダイオードに向かって移動する必要がある距離の分増幅され、そのためナノメートルスケールの解像度を可能にする。
別の魅力的な光学読み出しコンセプトは、導波路カンチレバーに基づいている。ここでは、単色の光ビームが、単一のクランプされたカンチレバーとして機能するスラブ導波路に結合される。出現する光が２番目のカンチレバーに結合される導波路カンチレバーの端から、結合効率（出力の光強度）を測定することにより、ビームの偏向を計算できる。
本発明の導入された読み出しコンセプトは、光ビームの偏向および導波路結合の読み出しのこれら２つのアプローチに基づいている。
最初の実験では、図３（３ａ）に示すように、位置感知フォトダイオードでカンチレバーの動きを変換する実現可能性を簡単なセットアップでテストした。６３２ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ２は、光ファイバ１０と取り付けられたカンチレバービーム１１（ポリ（ＰＥＩＴＡ））を介して結合された。出現する光はレンズ６で収集され、４象限アバランシェフォトダイオード７に焦点を合わせ、そこから出力信号がオシロスコープで分析された。この最初の概念実証では、カンチレバーの動きが外部の物理的刺激によって強制された。空気ジェット（窒素の流れ）２０がカンチレバービームに向けられ、カンチレバーの動きが、記載された装置で記録された。図３ｂは、変化する気流に対するオシロスコープ８の出力信号を示す。
オシロスコープ８の記録された信号（図３（右））は、時間の経過に伴う電圧の変化を示し、そのためカンチレバービームの動きに対する読み取り方式の感受性を証明した。こ
のセットアップは、カンチレバービームの曲がりをリアルタイムで記録できるため、静的モードで動作するカンチレバーの読み取りに関する興味深い概念を示している。しかし、静的なカンチレバーの動きを分析するには、システムは、より制御された実験用のセットアップが必要になる。比較可能な結果を得るには、センサ表面の偏向、したがって出力信号がこの距離に依存するため、光検出器とカンチレバービームの間の距離を正確に制御する必要がある（三角法の関係）。さらに、使用される４象限フォトダイオードの応答は線形ではないため、同等の結果を得るために、フォトダイオード上のレーザスポットの位置を較正する必要がある。
のセットアップは、カンチレバービームの曲がりをリアルタイムで記録できるため、静的モードで動作するカンチレバーの読み取りに関する興味深い概念を示している。しかし、静的なカンチレバーの動きを分析するには、システムは、より制御された実験用のセットアップが必要になる。比較可能な結果を得るには、センサ表面の偏向、したがって出力信号がこの距離に依存するため、光検出器とカンチレバービームの間の距離を正確に制御する必要がある（三角法の関係）。さらに、使用される４象限フォトダイオードの応答は線形ではないため、同等の結果を得るために、フォトダイオード上のレーザスポットの位置を較正する必要がある。
動的モードでスルーファイバ製造のマイクロカンチレバーを変換するために、提示された読み出し方式には２つの調整が必要であった。カンチレバーは外部のピエゾ素子によって加えられる作動インパルスを必要とし、オシロスコープはゲインフェーズネットワークアナライザ９に置き換えられた。統合された光トランスデューサの概念を図４に示す。
しかし、作動インパルスはまた、取り付けられたスルーファイバ製造のカンチレバーで光ファイバに結合された強度変調された光ビームによって生成され得る。
理論的には、ほとんどの最新のオシロスコープは統合された高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のアルゴリズムを備えているため、オシロスコープはカンチレバーの動きを周波数領域で表示することもできるはずである。しかし、提示されたケースでは、ゲインフェーズネットワークアナライザ９が使用され、圧電アクチュエータをフォトダイオードと同期させることにより出力電圧を分析した。この器具９は、（ＰＺＴアクチュエータ５を介して）カンチレバービーム１１に周波数の掃引を導入し、入力信号を位置感知フォトダイオードから得られた出力信号と比較した。共振時、出力信号は入力信号と異なり、そのためカンチレバービームの共振周波数を判定した。
実験的なセットアップでは、セットアップが動的モードで使用されたため、フォトダイオードにてレーザの位置を較正する必要はなかった。フォトダイオード上のレーザスポットの位置の変更は、共振のピークをシフトせずに信号の振幅を変更することによってのみ発生し、そのことで実験用のセットアップが非常に簡単に使用できた。
図５には、カンチレバービームと、統合されたセットアップで得られた対応する周波数スペクトルが示されている。図５ａから、Ｈｅ／Ｎｅレーザは主にカンチレバービームを介して誘導され、構造の端から出ることがわかる。そこからレンズで収集され、位置に対する感受性のある光検出器に焦点を合わせた。図５ｂは、未処理の共振周波数スペクトルと、ゲインフェーズネットワークアナライザから取得した対応する位相を示している。それは、構築されたセットアップがカンチレバーの最小の動き（ナノメートルスケール）を分析するのに十分感受性があり、したがってレーザ式ドップラー振動計を使用せずに動的応答の特性評価を可能にしたことを証明する。これは、完全に統合かつ小型化されたセットアップに向けた注目すべきステップと見なすことができる。
提示されたサンプル（長さ：２１３μｍ、直径：１１μｍ）の共振周波数は４４．６ｋＨｚで見出された。それは、式１に従って、ヤング率２．１ＧＰａ（質量密度１１００ｋｇ／ｍ３と仮定）に至った。
ｂ．温度変化と光誘起光熱効果に対するスルーファイバ製造のカンチレバーの特性評価
得られたデータが既知の値と比較できるため、スルーファイバ製造のカンチレバービームの動的挙動に対する温度の影響は、特性評価の研究にとって優れたパラメータである。したがって、周波数スペクトルは、ペルチェ素子とデジタル温度計をカンチレバービームの近くに配置し、温度を徐々に上げながら、統合された設定で記録された。カンチレバーの周波数スペクトルを継続的に記録した。図６は得られたスペクトルを示す。
得られたデータが既知の値と比較できるため、スルーファイバ製造のカンチレバービームの動的挙動に対する温度の影響は、特性評価の研究にとって優れたパラメータである。したがって、周波数スペクトルは、ペルチェ素子とデジタル温度計をカンチレバービームの近くに配置し、温度を徐々に上げながら、統合された設定で記録された。カンチレバーの周波数スペクトルを継続的に記録した。図６は得られたスペクトルを示す。
予想通り、共振周波数は温度の上昇とともに減少した。線形適合の傾きは、Ｒ２＝０．９３６６で−０．１２％ｆ／℃と計算された。
熱の影響に関しては、提示された読み出し方式では、Ｈｅ−Ｎｅレーザのガイド光がカンチレバービームとその動的挙動にどのように影響するかを調査することが重要である。光が、放射の圧力によって、または吸収された光によって誘発される光熱効果によって、カンチレバービームの運動に影響を与える可能性があることは、周知であり、文献にも記載されている。
Ｈｅ／Ｎｅレーザの照射がポリ（ＰＥＴＡ）カンチレバー材料に及ぼす影響を調査するために、ポリ（ＰＥＴＩＡ）の吸収スペクトルを取得した。したがって、ポリ（ＰＥＴＩＡ）フィルムをスライドガラス上にスピンコートし、重合させ、ＵＶ／Ｖｉｓスペクトルを取得した（図７）。予想通り、透明なポリマーは可視領域（約４００〜７００ｎｍ）でほとんど吸収を示さなかった。したがって、光熱効果は最小になると予想された。ただし、少量の光は常に各材料によって吸収され、温度の変動を引き起こす可能性がある。
共振周波数を監視しながらＨｅ／Ｎｅプローブレーザの光強度を徐々に変化させることにより、スルーファイバ製造のカンチレバーの動的挙動に対するプローブの光強度の影響をテストした。結果を図８に示す。
スルーファイバ製造のカンチレバービームの共振周波数は、光強度の増加に伴って直線的に減少した。最低限の光強度で記録された（周波数スペクトルを記録することは依然可能である）共振周波数は、最大限の光強度で得られた共振周波数と比較して、１．５％の差を示した。完全な光がカンチレバーから出たわけではないため、構造に導入された光強度の合計値を取得することが困難であった点に留意されたい。かくして、相対的な光強度が、図８のｘ軸にプロットされている。しかし、光ファイバ（カンチレバー無し）から取得できる最大出力は２ｍＷで見出され、それは１００％の値に近いはずである。
観測された周波数のシフトは、放射の圧力が非常に弱い効果であるため、光熱効果に起因する可能性が非常に高い可能性がある。Ａｌｌｅｇｒｉｎｉと同僚の研究では、７ｍＷの強度の垂直入射光線（λ＝６７０ｎｍ）の放射の圧力は１．６×１０−１１Ｎと計算された。３ 本発明者らの研究では光ビームはカンチレバービームと同じ平面上にあり、使用されるレーザ光源がより弱いため、放射圧の影響ははるかに低くなるはずであり、そのため無視できる。１．５％の最大デルタｆ／ｆ値を、温度依存の測定から導出された線形適合に挿入することにより（図６ａ）、レーザ誘起の熱はΔＴ＝４．７℃と計算された。
プローブのレーザ誘起光熱効果は、検証する重要なパラメータである。長期間にわたる正確な測定と同等の研究では、レーザ照射の力が一定に保たれていること、または記録された値が（レーザ強度に応じて）修正されていることを確認する必要がある。
ｃ．スルーファイバ製造のカンチレバービームの重合プロセスの特性評価
次の実験では、２つのカンチレバービームの架橋後のプロセスをオンラインで監視した。
次の実験では、２つのカンチレバービームの架橋後のプロセスをオンラインで監視した。
したがって、２つのカンチレバービーム１１（ｌ１：１９５μｍ、ｄ１：１１μｍおよびｌ２：２６０μｍ、ｄ２：１１μｍ）が、２μＷ（Ｉ：０．１６ｍＷ／ｃｍ２）の露光パワーと６秒の露光時間で製造された。製造後、カンチレバー１１を６３２ｎｍのＨｅ／Ｎｅレーザ２に結合し、共振周波数を測定した。次に、カンチレバー１１を、さらに架橋させるために、３７５ｎｍレーザ２（Ｉ：約１．６ｍＷ／ｃｍ２）に再結合した。
このプロセスの間、共振周波数は複数回記録された。結果を図９に示す。スルーファイバ製造のカンチレバービームの共振周波数は、さらに照射時間と強度を増すと大幅に増加した。約６０分の照射時間の後、両方の構造でプラトーに達した。
共振周波数の増加は、未反応のモノマーをエタノールで洗い流した後のカンチレバーの乾燥プロセスによってわずかに影響を受ける可能性がある。ただし、この効果を主な推進力にすることはできない。大きな周波数シフトは、ポリマー構造のさらなる架橋が原因である可能性が高い見込みがある。主な重合プロセス（カンチレバービームの形成）の後でも、多くの未処理の鎖がまだ利用可能である。これらの残りの二重結合は、ＵＶ照射によって活性化され、さらに架橋されて、剛性が増加した。この動的プロセスは通常、特徴的な二重結合のピークの消失を介して振動分光法によって分析される。
２つの構造の違いは、わずかに異なる重合条件が原因である可能性がある。構造は、３７５ｎｍのＵＶレーザから６３２ｎｍのプローブレーザ、またはその逆に複数回結合された。したがって、両方の構造の重合の強度が変化し、互いに比較できない場合がある。
ｄ．スルーファイバ製造のカンチレバーの質量感受性
動的モードで動作するカンチレバーセンサは、以前に指摘したように、非常に質量に対する感受性が高いデバイスである。カンチレバーの機械的特性を変更せずに、規定された質量をカンチレバーに追加しなければならないため、マイクロスケールでのカンチレバービームの質量感受性の実験的な検証は困難である。
動的モードで動作するカンチレバーセンサは、以前に指摘したように、非常に質量に対する感受性が高いデバイスである。カンチレバーの機械的特性を変更せずに、規定された質量をカンチレバーに追加しなければならないため、マイクロスケールでのカンチレバービームの質量感受性の実験的な検証は困難である。
高ヤング率の無機材料の場合、これは定義されたポリマー層の熱蒸発によって達成される可能性がある。カンチレバーの剛性に対して有機材料のヤング率の低さが及ぼす影響が、無視できるためである。しかし、提示された有機カンチレバービームの場合、カンチレバーの全長にわたる薄膜の堆積が剛性に干渉すると考えられ、したがって、質量だけでなくカンチレバーの機械的特性も変化し、そのことが、２つのパラメータの１つの評価を困難なものにする。したがって、提示された実験では、カンチレバーの先端をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解したポリスチレンに浸すことにより、カンチレバーの端に点状質量部を追加した。カンチレバーをこの溶液から注意深く引き出した後、カンチレバーの端に小さな液滴が形成され、揮発性溶媒ＴＨＦが蒸発した後に硬化した（図１０）。
ヤング率Ｅ、長さＬ、質量Ｍｂ、およびビームの端での追加の点状質量部Ｍによって特徴付けられるカンチレバービームの最初の基本モードの共振周波数は、式２で計算できる。
Ｉは、形状に依存する面積の２次モーメントであり、理想円柱に対して次のように表すことができる。
Ｉは、形状に依存する面積の２次モーメントであり、理想円柱に対して次のように表すことができる。
無負荷のカンチレバーの特性は次のように評価された。
・長さ：２３４μｍ
・直径：１０μｍ
・ヤング率：２．２ＧＰａ
・共振周波数：３５９８３Ｈｚ
・カンチレバーの質量（Ｍｂ）：２０．２６ｎｇ（２．０２６ｘ１０−１１ｋｇ）
・ポリスチレン１の質量（ＰＳ１）：４．１８ｎｇ（４．１８ｘ１０−１２ｋｇ）
・ポリスチレン２の質量（ＰＳ２）：２３．８ｎｇ（２．３８ｘ１０−１１ｋｇ）
・長さ：２３４μｍ
・直径：１０μｍ
・ヤング率：２．２ＧＰａ
・共振周波数：３５９８３Ｈｚ
・カンチレバーの質量（Ｍｂ）：２０．２６ｎｇ（２．０２６ｘ１０−１１ｋｇ）
・ポリスチレン１の質量（ＰＳ１）：４．１８ｎｇ（４．１８ｘ１０−１２ｋｇ）
・ポリスチレン２の質量（ＰＳ２）：２３．８ｎｇ（２．３８ｘ１０−１１ｋｇ）
ヤング率は、方程式１（オイラー・ベルヌーイのビーム方程式の解）を解くことによって評価された。カンチレバーの質量は、質量密度を１１００ｋｇ／ｍ３と仮定して計算した。付着したポリスチレンの質量は、質量密度を１０４７ｋｇ／ｍ３（製品のデータシートから得られた値）と仮定して、顕微鏡画像（図１０）から推定された。理論的な周波数の値と実験で得られた値を表１にまとめる。
カンチレバー先端に取り付けられたポリスチレンの点状質量部の理論的および実験的に得られた共振周波数
カンチレバー先端に取り付けられたポリスチレンの点状質量部の理論的および実験的に得られた共振周波数
式２は、エネルギー（レイリー）技法を使用して導出された近似式であることに留意されたい。ただし、この式を使用した結果は、正確な解の約１％以内であるはずである。８
無負荷カンチレバービームの共振周波数（式２で計算）の測定値に対する差は、０．５５％であった。得られた共振周波数から計算された質量と顕微鏡画像から評価された質量の間の約５０％の誤差は、２つの影響に起因する可能性がある。まず、端部点状質量部は、１０４７ｋｇ／ｍ３の均一密度の対称的な回転体を想定して評価された。顕微鏡画像から質量部の体積を検証したことにより、誤差が発生した可能性がある。次に、式２は端部点状質量部に対してのみ有効であることに留意されたい。顕微鏡画像からわかるように、ポリスチレンの質量部はカンチレバービームの約５０μｍ（サンプルＭ１）および約８０μｍ（サンプルＭ２）をカバーしており、カンチレバー全長の２１％および３４％に相当する。したがって、式２の質量の項には、値が１（端部点状質量部）から０．２４（分散している質量部はカンチレバーの全長をカバー）である、補正係数κ（κＭ＋０．２４Ｍｂ）が必要である。この値κは非線形の値であり、提示された研究でそれぞれ０．５２９５および０．４５５５６であることが見出された。どちらの値も理論（０．２４＜κ＜１）と一致している。点状質量部とカンチレバービーム上のそれらの位置の分析は、より高度な分析モデルを使用して、いくつかのグループ９〜１１によって既に調査されている。２０１５年、ＨｅｉｎｒｉｃｈとＤｕｆｏｕｒは、ベルヌーイ・オイラーのビーム理論から導かれた理論研究を発表した。この研究では、カンチレバービームの吸着質量と位置だ
けでなく、付着した粒子の回転の慣性とビームの中立軸に対する偏心との影響も考慮した。１２ しかし、この提示された事例は、議論したように、追加された質量部が点状質量部ではなく、カンチレバーの長さの最大３０％をカバーする分散した質量部であるため、より複雑になる。さらに、質量部の形状はこの距離にわたって均一ではなく、構造の全体的な剛性も同様に、追加された質量の影響を受ける可能性がある。図１１では、集中した端部点状質量部（黒いグラフ；係数κ＝１）およびカンチレバーの全長にわたって分散する質量部（赤いグラフ；係数κ＝０．２４）の効果が視覚化されている。微視的に評価された質量部の測定された周波数の値は、これらの極値（緑色のひし形）の範囲内である。
無負荷カンチレバービームの共振周波数（式２で計算）の測定値に対する差は、０．５５％であった。得られた共振周波数から計算された質量と顕微鏡画像から評価された質量の間の約５０％の誤差は、２つの影響に起因する可能性がある。まず、端部点状質量部は、１０４７ｋｇ／ｍ３の均一密度の対称的な回転体を想定して評価された。顕微鏡画像から質量部の体積を検証したことにより、誤差が発生した可能性がある。次に、式２は端部点状質量部に対してのみ有効であることに留意されたい。顕微鏡画像からわかるように、ポリスチレンの質量部はカンチレバービームの約５０μｍ（サンプルＭ１）および約８０μｍ（サンプルＭ２）をカバーしており、カンチレバー全長の２１％および３４％に相当する。したがって、式２の質量の項には、値が１（端部点状質量部）から０．２４（分散している質量部はカンチレバーの全長をカバー）である、補正係数κ（κＭ＋０．２４Ｍｂ）が必要である。この値κは非線形の値であり、提示された研究でそれぞれ０．５２９５および０．４５５５６であることが見出された。どちらの値も理論（０．２４＜κ＜１）と一致している。点状質量部とカンチレバービーム上のそれらの位置の分析は、より高度な分析モデルを使用して、いくつかのグループ９〜１１によって既に調査されている。２０１５年、ＨｅｉｎｒｉｃｈとＤｕｆｏｕｒは、ベルヌーイ・オイラーのビーム理論から導かれた理論研究を発表した。この研究では、カンチレバービームの吸着質量と位置だ
けでなく、付着した粒子の回転の慣性とビームの中立軸に対する偏心との影響も考慮した。１２ しかし、この提示された事例は、議論したように、追加された質量部が点状質量部ではなく、カンチレバーの長さの最大３０％をカバーする分散した質量部であるため、より複雑になる。さらに、質量部の形状はこの距離にわたって均一ではなく、構造の全体的な剛性も同様に、追加された質量の影響を受ける可能性がある。図１１では、集中した端部点状質量部（黒いグラフ；係数κ＝１）およびカンチレバーの全長にわたって分散する質量部（赤いグラフ；係数κ＝０．２４）の効果が視覚化されている。微視的に評価された質量部の測定された周波数の値は、これらの極値（緑色のひし形）の範囲内である。
小さな質量変動（０ｎｇ＜ｍ＜３ｎｇ）の場合、周波数応答は線形と見なすことができ、カンチレバーの長さ全体にわたって２１％（ＰＳ２）の分散した質量部を持つカンチレバーの質量感受性は−１．８Ｈｚ／ｐｇになり、カンチレバーの長さにわたって３４％（ＰＳ１）の分散した質量部を持つカンチレバーの場合、−１．６Ｈｚ／ｐｇであった。有機カンチレバービームの場合、この質量感受性は非常に顕著で、同様の寸法のシリコンカンチレバーと同等の値を示す。Ｗａｎｇらは質量感受性が２．３〜３．５Ｈｚ／ｐｇの２００〜３００ｋＨｚ（Ｑ：５３１空気中）で共振するシリコンマイクロカンチレバー（長さ１５０〜３００μｍ、幅５０〜１００μｍ、厚さ５μｍ）について２０１６年に報告した。
ｅ．水中でのスルーファイバ製造のカンチレバービームの動作
水滴をカンチレバービームの下のスライドガラスに置いた。次に、カンチレバー全体を液体に浸すまで、カンチレバービームを水滴に注意深く接触させた（図１２）。
水滴をカンチレバービームの下のスライドガラスに置いた。次に、カンチレバー全体を液体に浸すまで、カンチレバービームを水滴に注意深く接触させた（図１２）。
空気中で記録された共振周波数は４８．１ｋＨｚであり、対応する位相を持つ明確なピークを測定できた。カンチレバーの長さの半分を水に浸すことにより、共振周波数は２７．５ｋＨｚに下がり、完全に水に浸すとさらに２０．２ｋＨｚに下がる。この周波数の低下は、カンチレバーで強制的に動かされた周囲の流体に起因し、変位した流体の塊として見ることができる。１６ さらに、共振のピークの振幅は、カンチレバーを水に浸したときの方が広かった。このことは、振幅ピークがはっきりと見えないため、振幅ピークの分析を困難にする。したがって、共振周波数は、記録された周波数スペクトルの振幅からではなく、対応する位相から抽出された。これは、共振時に９０°のシフトを示した。共振周波数の分析に位相を使用することの実現可能性は、Ｂｏｕｄｊｉｅｔらによって既に研究されており、位相スペクトルはノイズ低下に至ることが示された。１７ Ｓｅｐｕｌｖｅｄａと同僚が説明したように、データにはシグモイドボルツマン関数が適合された。１８ 適合データの変曲点（Δ＝９０°位相シフト）は、２次導関数（ｆ”＝０）を分析することによって評価された。また、カンチレバーの品質係数は、位相スペクトル（＋４５および−４５度の位相シフトに対応する２つの周波数）を分析することで計算でき、空気ではＱ空気：１０で検出され、水中ではＱ液体：約２に下落した。品質係数のこの低下は、カンチレバービームに作用する散逸力に起因する可能性がある。周囲の液体媒体は、カンチレバーの動きと必ずしも同相であるとは限らず、エネルギー散逸と品質係数の低下をもたらす。１９ 低いＱ値は、ＭＥＭＳが液体に浸され、液体環境での感受性を制限するときに古典的に得られる。
ｆ．有機溶剤中のスルーファイバ製造のカンチレバーの動的特性評価
スルーファイバ製造のカンチレバーの動的応答を、様々な有機溶媒について評価した。ポリアクリレートが、それらの組成および物理的特性に応じて、ある程度膨潤できることはよく知られている効果である。次のセクションでは、アセトニトリルとエタノールに浸したカンチレバービームの動的応答をオンラインで６０分以上追跡した（図１２）。スルーファイバ製造のカンチレバービームの共振周波数は、空気中では５８ｋＨｚで検出され、この初期値の半分以上低下した。テストした溶媒であるアセトニトリルとエタノールの
両方で、測定の最初の約１０分で共振周波数が大幅に低下し、その後約２０分で安定した。エタノールで得られた共振周波数は、アセトニトリルよりも大幅に低い値を示した（図１３を参照）。
スルーファイバ製造のカンチレバーの動的応答を、様々な有機溶媒について評価した。ポリアクリレートが、それらの組成および物理的特性に応じて、ある程度膨潤できることはよく知られている効果である。次のセクションでは、アセトニトリルとエタノールに浸したカンチレバービームの動的応答をオンラインで６０分以上追跡した（図１２）。スルーファイバ製造のカンチレバービームの共振周波数は、空気中では５８ｋＨｚで検出され、この初期値の半分以上低下した。テストした溶媒であるアセトニトリルとエタノールの
両方で、測定の最初の約１０分で共振周波数が大幅に低下し、その後約２０分で安定した。エタノールで得られた共振周波数は、アセトニトリルよりも大幅に低い値を示した（図１３を参照）。
液体環境でのカンチレバーの動的応答は、粘度や質量密度などの様々なパラメータに依存する。しかし、現在のケースでは、エタノールとアセトニトリルの質量密度はほぼ同じであり、異なる粘度値（表２を参照）が周波数が低下するほど寄与するはずはない。応答は、ヤング率の変化が原因である可能性があり、実験条件（蒸発する液滴、表面張力）が測定に影響を与える可能性もある。
様々な溶媒の減衰効果は非常によく似ていることがわかり、共振周波数が空気中で測定された値の約５０％まで低下することが示された。溶媒のアセトニトリル、エタノール、トルエンは、質量密度は似ているが、動的粘度の値が異なる。これは、減衰効果の主要な推進力の１つである。
その結果、カンチレバービームの周波数は、テストした溶媒の中で最も粘度の低いエタノールの影響を受けた。興味深いことに、水はより高い質量密度と粘度を持っているが、周波数の低下は、アセトニトリルまたはトルエンよりも水に対して顕著ではなかった。超疎水性表面の場合、静摩擦が減少することはよく知られており、これにより減衰が少なくなる。しかし、この場合、材料ポリ（ＰＥＴＩＡ）は、その極性ヒドロキシル基により、それほど疎水性ではないので、これはありそうもない。それにもかかわらず、溶媒浸透は、他の溶媒よりも水に対してはそれほど顕著ではない可能性がある。
さらに、静摩擦の影響は、質量密度と粘度の影響に比べて低くなる。水中で減衰が少ないという観察は、液体の表面張力の影響である可能性がある。前に示したように、時間に依存する測定は、溶媒の蒸発のために安定していなかった。表面張力の影響も減衰効果に寄与している可能性がある。
ｇ．粘性液体中でのスルーファイバ製造のカンチレバーの作動
実験の部分では、スルーファイバ製造のカンチレバーの動的応答が、より粘性で密度の高い溶媒であるエチレングリコールの濃度を増加させながら水中で評価された。サンプル溶液の質量密度を計算し、動的粘度を粘度計で測定した。結果を図１４に示す。
実験の部分では、スルーファイバ製造のカンチレバーの動的応答が、より粘性で密度の高い溶媒であるエチレングリコールの濃度を増加させながら水中で評価された。サンプル溶液の質量密度を計算し、動的粘度を粘度計で測定した。結果を図１４に示す。
サンプル混合物の質量密度は、サンプル組成の比率によって簡単に計算できる。しかし、サンプルの粘度は、エチレングリコールの量の増加に伴って指数関数的に増加した。
サンプル混合物の質量密度は、サンプル組成の比率によって簡単に計算できる。しかし、サンプルの粘度は、エチレングリコールの量の増加に伴って指数関数的に増加した。
スルーファイバ製造のカンチレバーの共振周波数は、空気中および調製されたサンプル溶液で測定され、図１４に示されている。得られたグラフから、質量密度と粘度の増加に伴い、共振周波数が低い値にシフトすることがわかる。さらに、振幅のピークは、完全に消失する前に顕著ではなくなった（サンプル水４０）。共振周波数の評価は、位相を分析することによって行われ、理論計算値とともに表２にまとめられている。
エチレングリコール濃度の増加に伴う、水中でのスルーファイバパターン化または製造のカンチレバーの動的応答の実験的および理論的結果。
エチレングリコール濃度の増加に伴う、水中でのスルーファイバパターン化または製造のカンチレバーの動的応答の実験的および理論的結果。
得られた実験データおよび理論データの品質係数は、互いに類似しており、十分に一致していた。
Claims (8)
- レーザビーム（２）と結合される光ファイバ（１０）、前記光ファイバ（１０）の一端（１０１）上への、１つの自由端（１１１）を有するスルーファイバ製造のカンチレバー（１１）、および光コレクタ（７）を含むセンサデバイス（１）であって、前記スルーファイバ製造のカンチレバー（１１）は、少なくとも１つの感光性モノマーの光重合によって得られるポリマーでできたパターン化カンチレバーであることを特徴とするセンサデバイス（１）。
- 前記光コレクタ（７）がフォトダイオードである、請求項１に記載のセンサデバイス（１）。
- 前記スルーファイバカンチレバー（１１）の少なくとも一部が、金属またはポリマーから選択されたコーティングで処理されている、請求項１に記載のセンサデバイス（１）。
- 前記スルーファイバカンチレバー（１１）が、部分的または全体的に機能化されている、請求項１に記載のセンサデバイス（１）。
- 請求項１から４のいずれか一項のセンサデバイス（１）を用いた少なくとも１つのパラメータの測定するための方法であって、
ａ．前記センサデバイス（１）の前記光ファイバ（１０）にレーザビームを注入するステップと、
ｂ．フォトダイオードを使用して、前記スルーファイバ製造のカンチレバー（１１）から反射された光の光強度を測定するステップと、
を含む、方法。 - 前記光ファイバから出現する前記光を収集するための手段が遠隔手段である、請求項５に記載の方法。
- 請求項１から５のセンサデバイス（１）を用いて少なくとも１つのパラメータを測定するための方法であって、
ａ．センサデバイス（１）の前記光ファイバ（１０）にレーザビームを注入するステップと、
ｂ．前記スルーファイバ製造のカンチレバー（１１）の前記自由端（１１１）から出現する光を集めるステップと、
ｃ．前記出現した光を分析して、前記少なくとも１つのパラメータの値を判定するステップと、
を含む、方法。 - 前記少なくとも１つのパラメータが、温度、質量、液体の粘度、検体の濃度および重合プロセスの程度である、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
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