JP2500331B2 - Micro displacement detector - Google Patents

Micro displacement detector

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JP2500331B2
JP2500331B2 JP3168849A JP16884991A JP2500331B2 JP 2500331 B2 JP2500331 B2 JP 2500331B2 JP 3168849 A JP3168849 A JP 3168849A JP 16884991 A JP16884991 A JP 16884991A JP 2500331 B2 JP2500331 B2 JP 2500331B2
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JP
Japan
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cantilever
resistance
displacement detector
displacement
free end
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一司 三木
洋志 徳本
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Agency of Industrial Science and Technology
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、微小な変位を高感度、
高精度に検出するための微小変位検出器に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention is highly sensitive to minute displacements.
The present invention relates to a small displacement detector for highly accurate detection.

【0002】[0002]

【従来の技術】昨今、原子力間顕微鏡の登場により、カ
ンチレバーの自由端における微小な変位(例えば0.1
nmオーダ)を高感度に検出する必要が生じてきた。こ
のような微小変位を検出するということは、もちろん、
当該微小変位を生じせしめた原子間力(一般には10-7
〜10-9N以下のオーダ)を検出することにもなるが、
現在の所、このための具体的な方法としては、以下に述
べるような二つの装置ないし手法が提案されている。
2. Description of the Related Art Recently, with the advent of atomic force microscopes, minute displacements (for example, 0.1
It has become necessary to detect (nm order) with high sensitivity. Of course, to detect such a small displacement,
Atomic force (generally 10 -7
It is also possible to detect the order of 10 -9 N or less),
At present, the following two devices or methods have been proposed as specific methods for this purpose.

【0003】一つは、図9に示されるようなトンネル電
子顕微鏡を組合せる方法である。まず同図(A) に即し、
装置的な構造から説明すると、一端が固定端33とな
り、他端が自由端34となったカンチレバー31があ
り、当該カンチレバー31の自由端の上面近傍には、ピ
エゾ素子41の先端に設けた探針42が臨んでいる。こ
の探針42とカンチレバー自由端34の上面との間の離
間距離δを1nm程度以下とし、それらの間に適当なる
バイアス電圧Vを印加すると、真空障壁を介してトンネ
ル電流it が流れるようになる。そこで、このトンネル
電流量を一定にするように、ピエゾ素子41の両端に設
けた一対の電極43,43間に印加するピエゾ電圧Eを
制御し、ピエゾ素子41を伸縮させる。このような手法
によると、図9(B) に示されるように、原子間力等によ
って自由端34がΔyだけ変位した場合、トンネル電流
t を一定にするべくピエゾ電圧Eを制御することによ
って、結果としてピエゾ素子41の長さもΔyだけ変化
する。したがって逆に言えば、当該物理的ないしは寸法
的な変位Δyを電気量の変化に変換して検出することが
でき、事実、この手法による変位検出の最大感度は、通
常のトンネル電子顕微鏡の感度に準じ、0.01nm程
度の良好な値が得られる。
One is a method of combining tunnel electron microscopes as shown in FIG. First, according to the same figure (A),
Describing from the structure of the device, there is a cantilever 31 having one end serving as a fixed end 33 and the other end serving as a free end 34. Near the upper surface of the free end of the cantilever 31, there is a probe provided at the tip of the piezo element 41. The needle 42 faces. When the separation distance δ between the probe 42 and the upper surface of the free end 34 of the cantilever is set to about 1 nm or less and a proper bias voltage V is applied between them, the tunnel current i t flows through the vacuum barrier. Become. Therefore, the piezo voltage E applied between the pair of electrodes 43 provided at both ends of the piezo element 41 is controlled so that the tunnel current amount is constant, and the piezo element 41 is expanded and contracted. According to this method, as shown in FIG. 9 (B), when the free end 34 by atomic force or the like is displaced by [Delta] y, by controlling the piezo voltage E to a constant tunneling current i t As a result, the length of the piezo element 41 also changes by Δy. Therefore, conversely, the physical or dimensional displacement Δy can be converted into a change in the amount of electricity to be detected, and in fact, the maximum sensitivity of displacement detection by this method is the same as that of a normal tunnel electron microscope. Accordingly, a good value of about 0.01 nm can be obtained.

【0004】微小変位を検出する従来例のもう一つの手
法としては、図10に示されるような、いわゆる「光て
こ」を利用するものがある。これは、ある点の物理的な
変位量を光点の動きとして幾何的に増幅し、検出するも
ので、装置構成としては同図(A) に示されるようにな
る。一端が固定端33、他端が自由端34となったカン
チレバー31を使用する点では先の従来例と同様である
が、別途に発光源、それも特に指向性の良いことが望ま
しいので、一般にはレーザ光源50とその受光部51を
必要とする。ここで、カンチレバー31に変位が生じて
いない場合にレーザ光源50からのレーザ光がカンチレ
バー自由端34の上面近傍を入射角θにて照射したとす
ると、当該カンチレバー自由端近傍の被照射位置におけ
る表面の平滑性が十分高く保たれているならば、当然の
ことながら、反射光は入射角と同じ角度の出射角θ方向
に出射して行くので、これを受光部51の基準位置にて
捕らえるように測定系を初期設定する。初期設定後、同
図(B) に示されるように、カンチレバー31が固定端3
3を支点にして微小変位Δyしたとすると、レーザ光源
50からの照射光の入射角も先のθからわずかに変化し
てψとなり、鏡面反射光には2(ψ−θ)の角度変化が
起き、これに伴って受光部51にはΔxの受光位置変化
が生ずる。そして、実際の変位Δyに対するこのΔxの
変化量は、カンチレバー自由端近傍の反射位置と受光部
51の受光位置との間の距離(受光距離)Lが長い程、
幾何的に増幅されたものとなる。例えば、カンチレバー
31の長さlを1mmとし、最大感度として0.1nm
までの微小変位Δyを検出することを考えると、レーザ
光の反射角度変化は1.1×10-5度と見積もれるの
で、受光距離Lが1mあれば受光位置の変化Δxは10
-2mm程度となり、既存の光点位置検出系でも十分に高
い分解能で検出が可能な範囲に入る。
Another conventional method for detecting a minute displacement is to use a so-called "optical lever" as shown in FIG. This is to physically amplify and detect the physical displacement amount of a certain point as the movement of the light spot, and the device configuration is as shown in FIG. This is the same as the conventional example in that the cantilever 31 whose one end is the fixed end 33 and the other end is the free end 34 is used. However, since it is desirable to separately provide a light emitting source, which also has particularly good directivity, Requires a laser light source 50 and a light receiving portion 51 thereof. Here, if the laser light from the laser light source 50 irradiates the vicinity of the upper surface of the cantilever free end 34 at the incident angle θ when the cantilever 31 is not displaced, the surface at the irradiated position near the free end of the cantilever. If the smoothness of is kept sufficiently high, the reflected light is naturally emitted in the direction of the emission angle θ which is the same as the incident angle, so that it should be captured at the reference position of the light receiving unit 51. Initialize the measurement system to. After the initial setting, the cantilever 31 moves to the fixed end 3 as shown in FIG.
If a slight displacement Δy is made with 3 as the fulcrum, the incident angle of the irradiation light from the laser light source 50 slightly changes from the previous θ to ψ, and the specular reflected light has an angle change of 2 (ψ−θ). As a result, the light receiving position of the light receiving unit 51 changes by Δx. The amount of change in Δx with respect to the actual displacement Δy increases as the distance L between the reflection position near the free end of the cantilever and the light receiving position of the light receiving unit 51 (light receiving distance) L increases.
It will be geometrically amplified. For example, the length l of the cantilever 31 is 1 mm, and the maximum sensitivity is 0.1 nm.
Considering that the minute displacement Δy up to is detected, the change in the reflection angle of the laser light is estimated to be 1.1 × 10 −5 degrees, so that if the light receiving distance L is 1 m, the change Δx in the light receiving position is 10
It becomes about -2 mm, which is within the range that can be detected with sufficiently high resolution even with the existing light spot position detection system.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、トンネ
ル電子顕微鏡との組合せを利用した従来法でも、あるい
はまた光てこを利用した従来法でも、カンチレバー先端
自由端の微小変位検出に関する感度自体については満足
な値が得られていると言って良い。しかし、実用的な装
置であるか否かにつき考えると、それぞれに下記のよう
な欠点を有している。
As described above, with respect to the conventional method using the combination with the tunnel electron microscope or the conventional method using the optical lever, the sensitivity itself regarding the minute displacement detection of the free end of the cantilever tip can be considered. Can be said to have obtained a satisfactory value. However, each of them has the following drawbacks when considering whether or not they are practical devices.

【0006】トンネル電子顕微鏡を利用する手法では、
トンネル電流が検出可能となる位置まで、探針を近付け
る必要があるが、そのための装置は複雑で高い精度の要
求されるものとなり、装置全体としても大型化する外、
振動に対しても弱いものとなる。振動の除去は、この種
の微小変位検出にとってその原理上、必須かつ最も重要
な測定環境条件の一つとなる。また、この手法では、測
定の都度、トンネル電流が一定になるようにカンチレバ
ーと探針間の離間距離を制御せねばならないので、作業
能率の向上は望めず、操作性も極めて悪い。
In the method using a tunnel electron microscope,
It is necessary to bring the probe closer to the position where the tunnel current can be detected, but the device for that is complicated and requires high accuracy, and the device as a whole becomes large,
It is also weak against vibration. The elimination of vibration is one of the essential and most important measurement environmental conditions in principle for this type of minute displacement detection. In addition, in this method, the distance between the cantilever and the probe must be controlled so that the tunnel current is constant at each measurement, so that improvement in work efficiency cannot be expected and operability is extremely poor.

【0007】これに対して光てこを利用した手法は、ト
ンネル電子顕微鏡を利用する方法にも増して、装置全体
が極めて大型化することが最大の問題である。図10に
即して説明した通り、この方法により微小変位を検出し
ようとすると、カンチレバーと受光器との間の離間距離
はかなり大きく採らねばならない。トンネル電子顕微鏡
を利用する方法に比し、感度こそ、一桁低い0.1nm
程度で満足であったにしても、そのために必要となるカ
ンチレバーと受光器との間の離間距離ないし受光距離L
は、実際上、既述のように1mにもなってしまう。微小
変位の幾何的な増幅量をさらに高め、検出分解能をさら
に向上しようとすると、この方法の原理からして当然の
ことながら、より一層、長い受光距離を要することにな
る。してみるに、このように極めて大きな装置系の全体
を除振することは、殆ど至難の技である。また、この光
てこを利用する方法では、レーザ光の照射を受けるカン
チレバー表面での散乱ないし乱反射が無視し得ない。測
定上満足な範囲にまで当該カンチレバー表面の鏡面化を
果たすには、かなり進んではいる既存の研磨技術をして
もなお、極めて高い加工精度を要する。
On the other hand, in the method using the optical lever, the biggest problem is that the entire apparatus becomes extremely large in comparison with the method using the tunnel electron microscope. As described with reference to FIG. 10, in order to detect a minute displacement by this method, the separation distance between the cantilever and the light receiver has to be set to be considerably large. Compared to the method using a tunnel electron microscope, the sensitivity is 0.1 nm, which is one order of magnitude lower.
Even if the degree is satisfactory, the distance between the cantilever and the light receiver or the light receiving distance L necessary for that is required.
Is actually 1 m as described above. In order to further increase the geometrical amplification amount of the minute displacement and further improve the detection resolution, it goes without saying from the principle of this method that a longer light receiving distance is required. As a matter of fact, it is almost a difficult technique to isolate the whole of such an extremely large system. Further, in the method utilizing the optical lever, scattering or irregular reflection on the surface of the cantilever which is irradiated with laser light cannot be ignored. In order to achieve a mirror surface on the surface of the cantilever to the extent that is satisfactory for measurement, extremely high processing accuracy is required even with the existing polishing technology that has been considerably advanced.

【0008】さらに、これらいずれの従来法も、共に装
置系全体の除振が困難であることの外、超高真空装置や
極低温装置との複合的な利用も難しい欠点がある。超高
真空環境内で行われる微細加工(特に半導体プロセスに
おいて)や極低温環境下での各種の現象に基づく微小変
位量の観測は、将来的に見ても益々もって様々な技術分
野から要求されてくるに違いないが、これに応え得ない
ということは大変な損失である。本発明は、上記のよう
な実情に鑑み、新たなる原理に従い、上記従来例の持っ
ていた欠点を全て解消し得る、簡易かつ高精度な微小変
位検出器を提供せんとするものである。
Further, all of these conventional methods have the drawback that, in addition to the difficulty in vibration isolation of the entire system, it is difficult to use them in combination with an ultrahigh vacuum device or a cryogenic device. Microfabrication performed in an ultra-high vacuum environment (especially in the semiconductor process) and observation of micro-displacement amount based on various phenomena in a cryogenic environment are increasingly required by various technical fields in the future. It must come, but being unable to respond to this is a huge loss. In view of the above situation, the present invention provides a simple and highly accurate micro-displacement detector that can solve all the drawbacks of the above-described conventional example according to a new principle.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、固定端と自由端との間に長さを持ち、固定
端を支点として微小変位できるカンチレバーを持つ点で
は上記した従来例と同様ではあっても、まず、当該カン
チレバーを真性またはほぼ真性に近い半導体製とした上
で、カンチレバーの一表面上に、当該半導体材料に対し
ての適当なる不純物のドーピングによりいわゆる特定の
導電型を持つ半導体線路として、上記固定端から自由端
に向けて伸びるストリップ状パタン部分を有し、ピエゾ
抵抗効果によって抵抗値の変化する抵抗線路を設けて成
る微小変位検出器を提案する。本発明で用いる真性また
はほぼ真性に近い半導体は、周知のようにその比抵抗が
極めて高く、ほぼ絶縁体として取扱うことができる。
In order to achieve the above object, the present invention has been described above in that it has a length between a fixed end and a free end and has a cantilever which can be finely displaced with the fixed end as a fulcrum. Even though it is similar to the example, first, the cantilever is made of a semiconductor that is intrinsic or nearly-intrinsic, and then the semiconductor material is attached to one surface of the cantilever.
By doping with appropriate impurities,
As a semiconductor line having conductivity type , we propose a micro-displacement detector having a strip-shaped pattern portion extending from the fixed end to the free end and having a resistance line whose resistance value changes by the piezoresistance effect. As is well known, the intrinsic or near-intrinsic semiconductor used in the present invention has an extremely high specific resistance and can be treated as an insulator.

【0010】[0010]

【実施例】図1(A) には、本発明に従って構成された微
小変位検出器の基本的な一実施例の要部が示されてい
る。まず、一端は適当なる支持部材9によって安定かつ
堅固に支持された固定端3となっているが、他端は変位
できる自由端4となったカンチレバー(片持ち梁)1が
あり、材質は実質的に絶縁体とみなせる真性またはほぼ
真性の半導体である。図示の場合、このカンチレバー1
は長さがl、幅がb、厚みがhの直方体棒状形状となっ
ている。もっとも、厚みhは実際上、極めて薄く作成さ
れるので、長方形の板状といった方がむしろ適当であ
る。しかるに、長さlと幅bとで規定されるこのカンチ
レバー1の表裏両主面の中、一面(例えば図示されてい
る面を表面とするなら当該表面)5上には、当該カンチ
レバー 1を構成する半導体材料に対する不純物の導入に
よって形成された抵抗線路2が設けられている。そして
特に、図示実施例の場合には、当該抵抗線路2は、カン
チレバー1の固定端側と自由端側との間に伸びる互いに
平行な一対のストリップ状パタン部分21,21と、そ
れら一対のストリップ状パタン部分の長さ方向両端部の
中、一端部相互(図示の場合はカンチレバー自由端側の
端部相互)を電気的に接続する折返し状パタン部分22
とから成っている。これにより、抵抗線路2はこの場
合、全体としてヘアピン形状をなしており、カンチレバ
ー1の固定端側にあって当該ヘアピンの開いた一対の端
部相互の間、すなわち図示実施例においてはそれぞれに
電極8,8が付されている端部間に所要の電気抵抗値を
得ることができる。そして、この抵抗線路2が、文字通
り通常の意味で電気抵抗を有する限り、これにはピエゾ
抵抗効果が見込まれる。というよりも、後述の微小変位
検出メカニズムにより、検出可能な範囲内の抵抗値変化
を起こし得る変化率を呈する材料ないし物質により形成
された線路2を本発明では抵抗線路2と呼び、これに対
してピエゾ抵抗効果が認められないか、あっても抵抗線
路2のそれに比し、無視可能な範囲となる材料または物
質の持つ電気的性質を絶縁性と呼ぶ。したがって、カン
チレバー1の材質である真性またはそれに近い半導体等
も本発明の用途では絶縁性物質と呼ぶことができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1A shows the essential part of a basic embodiment of a micro displacement detector constructed according to the present invention. First, one end is has a fixed end 3 which is stable and firmly supported by Naru suitable support member 9, the other end has a cantilever (cantilever) 1 which a free end 4 which can be displaced, the material is substantially Intrinsically or almost as an insulator
It is an intrinsic semiconductor. In the case shown, this cantilever 1
Has a rectangular parallelepiped rod shape with a length of 1, a width of b and a thickness of h. However, since the thickness h is actually made extremely thin, a rectangular plate shape is more appropriate. However, in this front and back both principal surfaces of the cantilever 1, which is defined by the length l and width b, and on (the surface if, for example illustrated by that face surface) 5 one aspect, the cantilever
For introducing impurities into the semiconductor material that makes up lever 1
Therefore, the resistance line 2 formed is provided. And
Particularly, in the case of the illustrated embodiment, the resistance line 2 includes a pair of parallel strip-shaped pattern portions 21 and 21 extending between the fixed end side and the free end side of the cantilever 1 and the pair of strip-shaped pattern portions 21 and 21. A folded-back pattern portion 22 for electrically connecting one end portion (in the illustrated case, the end portion on the free end side of the cantilever) of both lengthwise ends of the pattern portion.
And consists of. As a result, in this case, the resistance line 2 has a hairpin shape as a whole, and is located between the pair of open ends of the hairpin on the fixed end side of the cantilever 1, that is, in the illustrated embodiment. It is possible to obtain the required electrical resistance value between the ends marked with 8. Then, as long as the resistance line 2 literally has an electric resistance in a normal sense, a piezoresistive effect is expected in this. Rather, the line 2 formed of a material or substance exhibiting a change rate capable of causing a change in resistance value within a detectable range by a later-described minute displacement detection mechanism is referred to as a resistance line 2 in the present invention. The piezoresistive effect is not recognized, or even if it is present, the electrical property of a material or substance that is in a negligible range compared to that of the resistance line 2 is called insulating property. Therefore, cans
Semiconductor or the like which is the material of the chilever 1 or is close to it
Also in applications of the present invention can be referred to as insulation material.

【0011】カンチレバー1の一面上に対し、抵抗線路
2を形成する具体的手法の如何については後述するが、
図1(A) に示されているような構成の本発明微小変位検
出器では、同図(B) に横から見た状態が示されているよ
うに、それまで平らに伸びていたカンチレバー1の自由
端4に対し、例えば下から上に向けて何らかの力Fが加
わると、カンチレバー1の表面5には圧縮応力が、裏面
6には引っ張り応力が働く。この応力は、この実施例で
カンチレバー1の表面5上に形成されている抵抗線路2
の両端間の抵抗値を変化させる。したがって、当該抵抗
線路2の両端に設けた電極8,8を適当なる電気的信号
線路を介して適当なる測定系(図示せず)に導き、この
微小な抵抗値変化を捕らえれば、印加された力Fによっ
てカンチレバー1の自由端4に生じた微小な変位Δyを
電気量に変換して検出することができ、ひいては印加さ
れた力Fの大きさを知ることができる。もちろん、変位
Δyの方向ないしは力Fの方向も検知できる。上記と異
なり、印加される力Fが上から下に向けてのものである
場合には、抵抗線路2に加わる応力も圧縮応力から引っ
張り応力に変わるので、抵抗値の変化の方向も変わるか
らである。
A specific method of forming the resistance line 2 on one surface of the cantilever 1 will be described later.
In the micro-displacement detector of the present invention configured as shown in FIG. 1 (A), the cantilever 1 that has been flatly extended until then, as shown in FIG. 1 (B) when viewed from the side. When some force F is applied to the free end 4 of the cantilever 1 from the bottom to the top, compressive stress acts on the surface 5 of the cantilever 1 and tensile stress acts on the back surface 6. This stress is due to the resistance line 2 formed on the surface 5 of the cantilever 1 in this embodiment.
Change the resistance value between both ends of. Therefore, if the electrodes 8, 8 provided at both ends of the resistance line 2 are led to an appropriate measurement system (not shown) via an appropriate electric signal line and the minute change in the resistance value is captured, it is applied. The minute displacement Δy generated in the free end 4 of the cantilever 1 by the applied force F can be converted into an electric quantity and detected, and the magnitude of the applied force F can be known. Of course, the direction of the displacement Δy or the direction of the force F can also be detected. Unlike the above, when the applied force F is from top to bottom, the stress applied to the resistance line 2 also changes from compressive stress to tensile stress, so the direction of change in resistance value also changes. is there.

【0012】こうした原理による本発明微小変位検出器
の実用性を実証するため、具体的な作成例につき検討し
てみる。本発明ではカンチレバー1が真性またはほぼ真
性の半導体であるので、既存の半導体加工プロセスを
利用し、その表面上に所定のパタンに従っての不純物導
入を図ることで、図1(A) に示されるような平面形状の
抵抗線路2を比較的簡単に作り込むことができる。カン
チレバー1の構造物半導体がシリコンであるならば、抵
抗線路2は砒素の導入により導電型がn型の半導体線路
として形成することができる。実際、長さlが200μ
m、幅bが20μm、厚さhが2μmの真性シリコン製
カンチレバー1の表面5に対し、砒素のドープ量を10
19/cmとして、それぞれの長さはカンチレバーの長さ
とほぼ同じ約200μmであるが、各々の線幅が5μ
m、深さ1μmのストリップ状パタン部分21,21を
有する抵抗線路2(したがって、折返しパタン部分22
の長さを無視すると抵抗線路2としての全長はほぼ40
0μm)を形成したものでは、当該シリコンのヤング率
が11.26×1010N/m2(出典:AIP Handbook 3rd
ed.. McGRAW-HILL)であるので、カンチレバー自由端4
が例えば0.18nm変位したとすると、抵抗線路2の
設けられているカンチレバー表面にて受ける横方向の圧
縮歪みは−10-8程度となる。一方、歪みに対する感度
は[100]方向に−133(出典1:C.S.Smith, Phy
s. Rev. 94,(1954)42 ; 出典2:「センサ基礎技術に関
する調査研究報告書1」,日本電子工業振興協会,1985
年)と報告されているので、その時の抵抗線路2の抵抗
変化率は10-6程度となる。したがって、定常状態下で
計った抵抗線路2の抵抗値は、上記条件により作成され
た場合、1KΩ程度となるので、上記の圧縮歪みを受け
たことによる抵抗値の変化分も1mΩ程度は得られ、こ
れは既存の電気的測定系をして十分に検出し得る範囲と
なる。換言すれば本発明の微小変位検出器は、サブナノ
メータのオーダの微小変位に関し、十分なる検出能力を
有することになる。なお、上記条件でのカンチレバー1
の共振周波数はほぼ36KHzと計算できる。
In order to demonstrate the practicality of the micro displacement detector of the present invention based on such a principle, a concrete example of preparation will be examined. Because cantilever 1 in the present invention is made of intrinsic or substantially intrinsic semiconductor, using an existing semiconductor fabrication process, by achieving impurity introduction in accordance with a predetermined pattern on its surface, shown in FIG. 1 (A) the resistance track 2 of planar shape can Komu Ri relatively simple work, such as. If the structural semiconductor of the cantilever 1 is silicon, the resistance line 2 can be formed as a semiconductor line of n-type conductivity by introducing arsenic. Actually, the length l is 200μ
For the surface 5 of the intrinsic silicon cantilever 1 having m, width b of 20 μm and thickness h of 2 μm, the arsenic doping amount is 10
Assuming 19 / cm, each length is about 200 μm, which is almost the same as the length of the cantilever, but each line width is 5 μm.
m, and the resistance line 2 having strip-shaped pattern portions 21 and 21 having a depth of 1 μm (thus, the folded pattern portion 22).
Ignoring the length of, the total length of the resistance line 2 is about 40
0 μm), the Young's modulus of the silicon is 11.26 × 10 10 N / m 2 (Source: AIP Handbook 3rd
ed .. M c GRAW-HILL), so cantilever free end 4
If, for example, is displaced by 0.18 nm, the lateral compressive strain on the surface of the cantilever provided with the resistance line 2 is about −10 −8 . On the other hand, the sensitivity to distortion is -133 in the [100] direction (Source 1: CSSmith, Phy
s. Rev. 94, (1954) 42; Source 2: "Survey and research report 1 on basic sensor technology", Japan Electronic Industry Development Association, 1985
Since it is reported that the resistance change rate of the resistance line 2 at that time is about 10 −6 . Therefore, the resistance value of the resistance line 2 measured under the steady state is about 1 KΩ when created under the above conditions, and thus the change in the resistance value due to the above-mentioned compressive strain is also about 1 mΩ. , This is the range that can be sufficiently detected by using the existing electrical measurement system. In other words, the micro-displacement detector of the present invention has sufficient detection capability for micro-displacement on the order of sub-nanometers. The cantilever 1 under the above conditions
The resonant frequency can be calculated to be approximately 36 KHz.

【0013】また、微小変位の検出感度は、カンチレバ
ー1の幾何的サイズ、材質の如何によって異なってくる
が、一般的に言うと、許される限りカンチレバー1の長
さを長くし、幅を短く、厚さを薄くする程、感度は向上
する。もちろん、抵抗線路2を形成するために用いた不
純物の如何によっても、ひいては当該抵抗線路2の導電
率の如何によっても感度を向上するか、ないしは調整す
ることができる。
The sensitivity for detecting a small displacement varies depending on the geometrical size and material of the cantilever 1, but generally speaking, the length of the cantilever 1 is made long and the width is made short as much as possible. The smaller the thickness, the higher the sensitivity. Of course, the sensitivity can be improved or adjusted depending on the impurities used to form the resistance line 2 and thus the conductivity of the resistance line 2.

【0014】もちろん、上記において微小な変位を検出
できるという事実は、当該微小変位を生起させた力Fの
大きさを測定できることをも意味する。例えば上記の具
体例の場合、バネ定数は0.56N/mであるので、既
述したように、微小変位Δyが0.18nmと検出され
た場合には、このときに加わっている力Fの大きさは1
-10 Nであることが分かる。したがって本発明の微小
変位検出器は、この程度のオーダの微小な力Fを検出す
る能力を持つことができる。
Of course, the fact that a minute displacement can be detected in the above also means that the magnitude of the force F that causes the minute displacement can be measured. For example, in the case of the above specific example, the spring constant is 0.56 N / m, so as described above, when the minute displacement Δy is detected to be 0.18 nm, the force F applied at this time is Size is 1
It can be seen that it is 0 -10 N. Therefore, the micro-displacement detector of the present invention can have the ability to detect the micro-force F of this order.

【0015】なお、力Fを検出する部位ないし変位Δy
の生ずる部位が、カンチレバー1の自由端4ではなく、
固定端3から自由端4に向かう長さ方向途中の部位に限
定されることが分かっている場合には、その点近傍で抵
抗線路2を折り返しておくことで当該力Fないし変位Δ
yを検出可能であるし、そのことにより感度を高めるこ
ともできる。例えば当該力Fないし変位Δyの生ずる部
位を界にして、固定端側と自由端側とで逆方向の反りが
生じ得るような場合には、カンチレバー1の長さ方向の
ほぼ全長に亙って伸びる抵抗線路があると抵抗の変化が
打ち消され、実効感度が低下するが、変位点までの形成
に留められていればその恐れがない。
The portion for detecting the force F or the displacement Δy
Is not the free end 4 of the cantilever 1 but
If it is known that the resistance line 2 is limited to a part in the middle of the length direction from the fixed end 3 to the free end 4, the resistance line 2 is folded back in the vicinity of that point, whereby the force F or the displacement Δ.
It is possible to detect y, which can increase the sensitivity. For example, in the case where a warp in the opposite direction may occur between the fixed end side and the free end side with the part where the force F or the displacement Δy is generated as a boundary, the cantilever 1 is almost entirely lengthwise. If there is a resistance line that extends, the change in resistance is canceled out and the effective sensitivity decreases, but there is no fear of this if the formation is limited to the displacement point.

【0016】本発明の微小変位検出器はまた、加速度の
検出もなすことができる。例えば図1に示される検出系
に対し、地震等によって急激な加速度が掛かったとす
る。ここで、加速を生じさせる振動周波数が本測定系の
共振周波数(上記で挙げた具体例の場合には既述の通り
36KHz)に比して十分に大きく、かつ、加速に対す
る抵抗力が速度に比例し、この比例係数自体が加速が掛
かる周期に対して十分に大きいとすると、この時には図
2に示されるように、カンチレバー1の重心Gは空間に
静止する。そして、この重心Gを中心とし、カンチレバ
ー1の自由端4の側はΔy1 だけ変位し、固定端3の側
はΔy2 だけ変位する。これらの両変位にともない、抵
抗線路2の抵抗値は変化することになるが、自由端側の
変位Δy1と固定端側の変位Δy2 との関係は予測可能
であるから、実際に突然の加速αにより変位したΔy2
も換算により検出可能である。さらに、重心Gの所で抵
抗線路2を折り返しておけば、先に述べた理屈により、
自由端側の変位Δy1 の影響を受けることなく、加速に
伴う変位Δy2 のみ、ひいては当該加速度をのみ、検出
することができる。
The micro-displacement detector of the present invention can also detect acceleration. For example, it is assumed that a sudden acceleration is applied to the detection system shown in FIG. 1 due to an earthquake or the like. Here, the vibration frequency that causes acceleration is sufficiently larger than the resonance frequency of the present measurement system (36 KHz as described above in the case of the specific examples given above), and the resistance force to acceleration changes in speed. If it is proportional and the proportional coefficient itself is sufficiently large with respect to the period in which acceleration is applied, then the center of gravity G of the cantilever 1 is stationary in space, as shown in FIG. Then, with the center of gravity G as the center, the free end 4 side of the cantilever 1 is displaced by Δy 1 , and the fixed end 3 side is displaced by Δy 2 . The resistance value of the resistance line 2 changes with both of these displacements, but since the relationship between the displacement Δy 1 on the free end side and the displacement Δy 2 on the fixed end side can be predicted, it is actually abrupt. Δy 2 displaced by acceleration α
Can also be detected by conversion. Furthermore, if the resistance line 2 is folded back at the center of gravity G, the reason described above will lead to
Without being affected by the displacement Δy 1 on the free end side, it is possible to detect only the displacement Δy 2 associated with acceleration, and thus only the acceleration.

【0017】以下では、上記した本発明微小変位検出器
の基本的な一実施例に対する構造的な改変例や抵抗線路
パタン形状に関する改変例等々、種々の改変例につき説
明する。図1に示される本発明実施例においては、カン
チレバー1の表面5上に形成される抵抗線路2はヘアピ
ン状のものであったが、図3に示されるように、全体と
しては蛇行形状のパタンとすることもできる。すなわ
ち、図3に示される実施例の場合、カンチレバー1の固
定端3と自由端4との間に伸びる互いに平行なストリッ
プ状パタン部分21,・・・・・は全部で六本あり、それらが
順に、隣接するもの同志、交互に固定端側と自由端側と
で折返し状パタン部分22,・・・・・により電気的に接続さ
れたものとなっている。このようにすると、当然のこと
ながら、抵抗線路2の一対の両端電極8,8間における
抵抗値が高くなるのみならず、微小変位に伴う応力によ
る抵抗値の変化分も大きくなるので、感度の向上を生む
ことができる。この場合、蛇行の回数は任意設計的に定
めることができる。つまり、一般にnを3以上の数とし
て、全部でn本の互いに平行なストリップ状パタン部分
21,・・・・・がある場合、これらを交互に対向端部相互で
連結しながら、全体として蛇行形状の抵抗線路2を形成
する時、必要な折返し状パタン部分の数はn−1個とな
るが、当該nの値に原理上の制約はない。実際の製品と
して同一のカンチレバー一面上に作り込め得る範囲であ
れば良い。
Various modifications, such as a structural modification to the basic embodiment of the micro-displacement detector of the present invention and a modification relating to the resistance line pattern shape, will be described below. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the resistance line 2 formed on the surface 5 of the cantilever 1 has a hairpin shape, but as shown in FIG. 3, the pattern has a meandering shape as a whole. Can also be That is, in the case of the embodiment shown in FIG. 3, there are a total of six strip-shaped pattern portions 21, ... Which extend between the fixed end 3 and the free end 4 of the cantilever 1 and are parallel to each other. In the order, adjacent ones are alternately electrically connected by the folded pattern portions 22, ... Between the fixed end side and the free end side. By doing so, as a matter of course, not only the resistance value between the pair of both-end electrodes 8, 8 of the resistance line 2 becomes high, but also the change amount of the resistance value due to the stress due to the minute displacement becomes large. Can make a difference. In this case, the number of meanderings can be arbitrarily determined. That is, in general, when n is a number of 3 or more and there are a total of n strip-shaped pattern portions 21, ... When forming the resistance line 2 having a shape, the number of folded pattern portions required is n−1, but the value of n is not limited in principle. It may be a range that can be built on the same cantilever surface as an actual product.

【0018】当然、上記のnの値が大きくなる程、微小
変位検出感度は向上することになるが、上記を逆に考え
ると、感度上の問題が生じない場合には、本発明の微小
変位検出器として最も基本的な抵抗線路形状は、図1
(A) に示されているヘアピン形状よりもさらに単純にな
り、例えば単なる一本のストリップ状パタン部分21の
みからなる形状であって良いことも分かる。この場合、
図1(A) や図3においては、当該抵抗線路2の両端に設
けられる電極8,8は共にカンチレバー1の固定端側、
特に支持部材9の表面上に形成されていたが、これに代
えて、その中の一つは自由端側に形成されることにな
る。しかし、そうであっても問題はない。カンチレバー
の自由端側に設けられた電極に対し、測定系への有線配
線をすることも既存の微細配線技術をして簡単に行える
し、そうではなく、例えばこの電極に対して接触はしな
いが極めて近接する探針状の電極を設け、トンネル電流
の存在を介して当該抵抗線路への電気的接続を図ること
もできる。したがってまた、一対の電極8,8が共にカ
ンチレバー1の長さ方向の一端側に揃う場合にあって
も、既述の実施例のように、何もカンチレバー1の固定
端3の側にて揃えねばらない必要もなく、要すれば自由
端4の側にて揃えるようにしても良い。例えば図1(A)
に示されるヘアピン形状や、図3に示される蛇行形状が
図示の方向とは逆向きになっていても良いということで
ある。さらに、上記を総合的に考えれば、図3に示され
る蛇行形状を採るにしても、並設されているストリップ
状パタン部分21,・・・・・の数nが奇数であるがため、一
方の電極8は少なくともカンチレバーの自由端側に形成
しなければならないような場合にも、それで差し支えな
いということである。第一、このような電極8,8自
体、説明的なものであり、実際に例えばドット状パタン
としてこれを形成して良いことはもちろんではあるが、
いわゆる既存のプリント基板配線技術に見られるよう
に、支持部材9上に形成された連続線路パタン部分(図
示せず)を介し、抵抗線路両端の測定系への連絡が図ら
れていても良い。
Naturally, the larger the value of n, the higher the sensitivity for detecting the minute displacement. However, conversely, if the problem of sensitivity does not occur, the minute displacement of the present invention is considered. The most basic resistance line shape for a detector is shown in Fig. 1.
It is also understood that the hairpin shape is simpler than the hairpin shape shown in (A), and may be, for example, a shape including only one strip-shaped pattern portion 21. in this case,
In FIG. 1 (A) and FIG. 3, the electrodes 8 provided at both ends of the resistance line 2 are both the fixed end side of the cantilever 1,
In particular, it was formed on the surface of the support member 9, but instead of this, one of them is formed on the free end side. But even so, there is no problem. Wired wiring to the measurement system can be easily done for the electrode provided on the free end side of the cantilever by using the existing fine wiring technology, but this is not the case. It is also possible to provide a probe-shaped electrode which is extremely close to the electrode and establish electrical connection to the resistance line through the presence of a tunnel current. Therefore, even when the pair of electrodes 8 and 8 are both aligned on one end side in the longitudinal direction of the cantilever 1, nothing is aligned on the fixed end 3 side of the cantilever 1 as in the above-described embodiment. It does not need to be sticky and may be aligned on the side of the free end 4 if necessary. For example, Figure 1 (A)
It means that the hairpin shape shown in Fig. 3 and the meandering shape shown in Fig. 3 may be opposite to the direction shown. Further, considering the above comprehensively, even if the meandering shape shown in FIG. 3 is adopted, the number n of the strip-shaped pattern portions 21 ,. This means that even if the electrode 8 of (1) has to be formed at least on the free end side of the cantilever, this is sufficient. First, the electrodes 8 and 8 themselves are descriptive, and it is needless to say that they may be actually formed as, for example, a dot pattern.
As seen in the so-called existing printed circuit board wiring technology, communication with the measurement system at both ends of the resistance line may be achieved via a continuous line pattern portion (not shown) formed on the support member 9.

【0019】なお、上記においてストリップ状パタン部
分と述べた部分に関しても、それは大略的に見ると長さ
方向に伸びていれば良いという程度の意味であって、細
幅でまっすぐな線路パタンにのみ限定されるものではな
い。途中でうねっていたり、あるいは太い部分と細い部
分とが交互になっている等しても良い。特に変位部位が
予想できる場合にあって、その部位に関し適当なる基準
抵抗値を設定することにより、抵抗線路全長としての変
位に対する抵抗値の変化度合いを所望の値に設定したい
ようなときには、このような幾何的かつ部分的なパタン
形状の変更も有効である(同様の目的はまた、既述した
不純物導入による場合、局所的なドープ量の変化によっ
ても満たすことができる)。当然、折返しパタン部分22
に関しても同様で、任意適当なる線路パタン形状であっ
て良い。
It should be noted that the portion described as a strip-shaped pattern portion in the above means that it only needs to extend in the lengthwise direction when viewed roughly, and only for a narrow and straight line pattern. It is not limited. It may be undulating in the middle, or thick and thin portions may alternate. In particular, when a displacement part can be predicted, and when it is desired to set the degree of change in resistance value with respect to displacement as the entire length of the resistance line to a desired value by setting an appropriate reference resistance value for that part, It is also effective to change the geometrical and partial pattern shapes (the same purpose can also be satisfied by a local change in the doping amount when the impurities are introduced as described above). Naturally, the folded back pattern portion 22
The same applies to, and any suitable line pattern shape may be used.

【0020】さらに、カンチレバー1に対して設けられ
る抵抗線路2は複数個であっても良い。例えば図4に示
されるように、二本のヘアピン状抵抗線路2,2がカン
チレバー1の表面5上に並設されている等しても良い。
この場合にも、並設数は任意であるし、個々の抵抗線路
2,2の全体形状もそれぞれ任意であり、必ずしも同じ
形状である必要はない。蛇行回数が異なったり、少なく
とも一つの抵抗線路2は単なるストリップ状パタン部分
だけで形成されていたりしても良い。そして、それぞれ
に独立な抵抗線路は、電気的にも各々独立に使用されて
良い外、外部の配線により、用途ないしは目的に応じ、
互いに直列接続されたり、並列接続されて使用されても
良い。直列接続は感度向上のため、並列接続は抵抗線路
2の電流容量増強のためと考えるのが一般的であるが、
他の特殊な応用を妨げるものではない。場合により、変
位に重畳するノイズ成分の除去のため、各抵抗線路2の
全体パタンやその方向に工夫することにより、そのよう
な直列接続ないし並列接続が有効に作用することもあ
る。
Further, the resistance line 2 provided for the cantilever 1 may be plural. For example, as shown in FIG. 4, two hairpin resistance lines 2 and 2 may be arranged in parallel on the surface 5 of the cantilever 1.
Also in this case, the number of juxtapositions is arbitrary, and the overall shape of the individual resistance lines 2 and 2 is also arbitrary, and they do not necessarily have to have the same shape. The number of meandering may be different, or at least one resistance line 2 may be formed only by a strip-shaped pattern portion. In addition, the resistance lines independent of each other may be used electrically independently of each other, or by external wiring, depending on the use or purpose,
They may be connected in series with each other or connected in parallel. It is generally considered that the series connection is for improving the sensitivity and the parallel connection is for increasing the current capacity of the resistance line 2.
It does not prevent other special applications. In some cases, such series connection or parallel connection may work effectively by devising the overall pattern of each resistance line 2 and the direction thereof in order to remove the noise component superimposed on the displacement.

【0021】一つのカンチレバー1に対し、複数個の抵
抗線路を設けるにしても、図5(A)にカンチレバー1の
表面5側から見た斜視図を、また図5(B) に裏面6側か
ら見た斜視図をそれぞれ示すように、カンチレバー1の
表裏面のそれぞれに互いに独立な抵抗線路2,2を設け
て、これらを独立に使用しても良い。図5は図1(A)に
示されていると同様のヘアピン状パタンを持つ抵抗線路
をカンチレバー1の表裏面に一つづつ形成した実施例で
あるが、既述の通り、カンチレバーの表面5の側でも裏
面6の側でも、それぞれに形成される抵抗線路2の数や
各々の全体形状は任意である。また、原則として、これ
ら複数の抵抗線路は独立に使用されることの外、すでに
説明したように、目的に応じ、互いに直列ないしは並列
接続して用いられても良い。ただし、同一の二次元平面
パタンであってカンチレバー表裏面に振り分けて形成さ
れている抵抗線路同志を接続すると、変位に対して抵抗
値の変化方向が逆方向になり、かつ絶対値においては同
程度となって打ち消しあってしまう場合もある。当然、
こうなってしまうような使用は考えられない。
Even if a plurality of resistance lines are provided for one cantilever 1, a perspective view seen from the front surface 5 side of the cantilever 1 is shown in FIG. 5 (A), and a back surface 6 side is shown in FIG. 5 (B). As shown in each of the perspective views seen from above, independent resistance lines 2 and 2 may be provided on each of the front and back surfaces of the cantilever 1, and these can be used independently. FIG. 5 shows an example in which resistance lines having hairpin-shaped patterns similar to those shown in FIG. 1 (A) are formed on the front and back surfaces of the cantilever 1, respectively. The number and the overall shape of the resistance lines 2 formed on each of the side and the back surface 6 are arbitrary. In principle, the plurality of resistance lines may be used independently of each other, and as described above, they may be connected in series or in parallel depending on the purpose. However, if resistance lines that have the same two-dimensional plane pattern and are distributed to the front and back of the cantilever are connected, the direction of change in resistance will be opposite to the displacement, and the absolute value will be the same. In some cases, they cancel each other out. Of course,
I can't think of such a use.

【0022】カンチレバー1の二次元的、三次元的形状
についても、原則として大きな制約はない。例えば図6
に示されるように、固定端側から自由端側に行く程、厚
みが薄くなった楔形状等であっても良いし、図示されて
いないが、先端に行く程幅の狭くなった先細り形状等で
あって良い外、固定端と自由端という概念があれば、殆
ど任意の平面形状、断面形状を許容することができる
(ただし、微小変位検出感度に関しては、薄く細く、そ
して長い形状のもの程優れていること、既述の通り)。ま
た、図7に示されるように、カンチレバー1の平面的な
外形輪郭こそ三角形状ではあるが、中抜きの枠状になっ
ているようなものでも良い。このような場合には、実質
的に固定端3が二ケ所になっていると見ることもでき
る。
In principle, there are no major restrictions on the two-dimensional or three-dimensional shape of the cantilever 1. For example, in FIG.
As shown in Fig. 3, the wedge shape may be thinner as it goes from the fixed end side to the free end side, or, although not shown, the taper shape may be narrower as it goes to the tip end. If there is a concept of fixed end and free end, almost any planar shape and cross-sectional shape can be allowed (however, with regard to small displacement detection sensitivity, thin and thin and long shapes are acceptable. Excellent, as mentioned above). Further, as shown in FIG. 7, the planar outer contour of the cantilever 1 has a triangular shape, but it may have a hollow frame shape. In such a case, it can be considered that the fixed end 3 is substantially at two places.

【0023】これから推して、固定端の数は何ケ所であ
っても良い。例えば面内で直交する二点に固定端があ
り、ここからそれぞれ適当なる距離の点に自由端がある
ような形状のカンチレバーを考えると、こうしたカンチ
レバーは面内の直交する二方向に沿っての変位が可能と
なるので、抵抗線路2を少なくとも二つ用い、これらが
直交するように図れば、それぞれの抵抗値変化を監視す
ることにより、そうした面内二方向に関する微小変位の
検出が可能となり、ひいては全方向に関する微小変位の
検出が可能となる。もちろん、図8に示されるように、
例えばカンチレバー1の裏面6にチップ状の突起10等
を設け、変位する物体に対してこの突起10を接触さ
せ、当該変位を測定し易いようにする等の工夫も自由で
ある。
Inferring this, the number of fixed ends may be any number. For example, when considering a cantilever having a shape in which two fixed points are orthogonal to each other in the plane and free ends are provided at points at appropriate distances from each other, such a cantilever is formed along two orthogonal directions in the plane. Since the displacement becomes possible, if at least two resistance lines 2 are used and these are arranged so as to be orthogonal to each other, it is possible to detect such a minute displacement in two in-plane directions by monitoring the change in each resistance value. As a result, it becomes possible to detect minute displacements in all directions. Of course, as shown in FIG.
For example, a tip-shaped protrusion 10 or the like may be provided on the back surface 6 of the cantilever 1 and the protrusion 10 may be brought into contact with the object to be displaced so that the displacement can be easily measured.

【0024】構造上、形態上の観点からしてさらに言う
なら、本発明で言うカンチレバーの自由端4とは、意図
的に安定かつ堅固に固定の図られている固定端3に対し
ての比較において、意図的に変位が許容できるように構
成されている端部を指す。したがって、仮に自由端4が
脆弱な部材により、何等かの固定部分に機械的に接続さ
れているような場合、つまり、ちょっと見には両持ち梁
のような形状をしていても、ある部位の変位が許容され
るように仕組まれているものであれば、当該部位を自由
端相当の部分として、そのような構造体は実質的に本発
明で言うカンチレバー構成を満たしているものと看做
す。これが上記で述べたように、二次元方向の変位検出
に展開される場合には、見た目にはいわゆるダイアフラ
ム形状のカンチレバーとなることも考えられる。
From a structural and morphological point of view, the free end 4 of the cantilever referred to in the present invention is compared with the fixed end 3 which is intentionally stable and firmly fixed. In, the end portion is configured to allow the displacement intentionally. Therefore, if the free end 4 is mechanically connected to some fixed part by a fragile member, that is, even if it has a shape like a doubly supported beam at first glance, If the structure is designed to allow the displacement of the structure, it is considered that such a structure substantially satisfies the cantilever structure referred to in the present invention, with the part as a part corresponding to the free end. You As described above, when it is developed for displacement detection in the two-dimensional direction, it may be a so-called diaphragm-shaped cantilever in appearance.

【0025】[0025]

【0026】[0026]

【0027】[0027]

【0028】[0028]

【発明の効果】本発明の微小変位検出器は、カンチレバ
ーと、これに形成された抵抗線路とだけで最も基本的な
微小変位検出系が構成されており、これ以上削ることが
できない程に簡単な構成である点で、まずもって既述し
た従来例に比し、著しく優れている。当然、装置構成も
小型化でき、除振も容易になる。そして、カンチレバー
は真性半導体またはほぼ真性の半導体で作られ、抵抗線
路はこれに対する不純物のドーピングにより作られてい
るので、得るべき検出器に必要なそれぞれの特性に応
じ、任意所望のパタンの抵抗線路を極めて高い寸法精度
で比較的簡単に作ることができる。さらに、検出感度も
満足なものが得られ、簡単な構成であるが故に結局は電
気量への変換精度も向上することができる。また、原則
として、超高真空環境下や、極低温環境下での使用も可
能であるため、将来的に見ても広い応用分野が期待でき
る。
Minute displacement detector of the present invention exhibits, cantilever and which most are basic fine displacement detection system is composed only of a formed resistance wire path, to the extent that can not be cut further The simple structure is remarkably superior to the above-described conventional example. Naturally, the device configuration can be downsized, and vibration isolation can be facilitated. And cantilever
Is made of intrinsic semiconductor or almost intrinsic semiconductor, resistance wire
The tract is made by doping impurities into it
Therefore, it is necessary to adjust the characteristics required for the detector
The resistance line of any desired pattern with extremely high dimensional accuracy
Can be made relatively easily. Furthermore, satisfactory detection sensitivity can be obtained, and since it has a simple structure, the conversion accuracy into an electric quantity can be improved in the end. Further, in principle, since it can be used in an ultra-high vacuum environment or an extremely low temperature environment, a wide range of application fields can be expected in the future.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によって作成される微小変位検出器の基
本的実施例の構造及び動作の説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view of a structure and an operation of a basic embodiment of a micro displacement detector made according to the present invention.

【図2】加速度の印加時における本発明微小変位検出器
の作用の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory view of the operation of the micro displacement detector of the present invention when an acceleration is applied.

【図3】抵抗線路を蛇行形状に形成した本発明実施例の
概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention in which a resistance line is formed in a meandering shape.

【図4】抵抗線路を複数個形成した本発明実施例の概略
構成図である。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention in which a plurality of resistance lines are formed.

【図5】カンチレバーの表裏面にそれぞれ抵抗線路を形
成した本発明実施例の概略構成図である。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention in which resistance lines are formed on the front and back surfaces of a cantilever, respectively.

【図6】カンチレバーの形状を楔形にした本発明実施例
の概略構成図である。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention in which the cantilever has a wedge shape.

【図7】カンチレバーを三角形の枠状にした本発明実施
例の概略構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention in which the cantilever has a triangular frame shape.

【図8】カンチレバーに突起状のチップを設けた本発明
実施例の概略構成図である。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention in which a cantilever is provided with a projecting tip.

【図9】トンネル電子顕微鏡を利用して微小変位を検出
する従来例の構成及び作用の説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a configuration and an operation of a conventional example in which a minute displacement is detected by using a tunnel electron microscope.

【図10】「光てこ」を利用して微小変位を検出する従
来例の構成及び作用の説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a configuration and an operation of a conventional example in which a minute displacement is detected by using an “optical lever”.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カンチレバー 2 抵抗線路または絶縁材料線路 3 固定端 4 自由端 5 カンチレバー表面 6 カンチレバー裏面 8 電極 9 支持部材 1 cantilever 2 resistance line or insulating material line 3 fixed end 4 free end 5 cantilever front surface 6 cantilever back surface 8 electrode 9 support member

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−253289(JP,A) 特開 昭55−52924(JP,A) 特開 昭54−44562(JP,A) 特開 昭62−73102(JP,A) 特開 昭62−2101(JP,A) 実開 昭62−108807(JP,U) 実開 平1−67508(JP,U) 実開 平2−105108(JP,U)Continuation of front page (56) Reference JP-A-1-253289 (JP, A) JP-A-55-52924 (JP, A) JP-A-54-44562 (JP, A) JP-A-62-73102 (JP , A) JP 62-2101 (JP, A) Actual opening 62-108807 (JP, U) Actual opening 1-67508 (JP, U) Actual opening 2-105108 (JP, U)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 固定端と自由端との間に長さを持ち、該
固定端を支点として微小変位できる真性またはほぼ真性
半導体材料製のカンチレバーと;該カンチレバーに対する不純物のドーピングにより設け
られ、 該カンチレバーの一面上において上記固定端から
上記自由端に向けて伸びるストリップ状パタン部分を有
し、該カンチレバーの微小変位に伴う応力に応じピエゾ
抵抗効果によって抵抗値の変化する抵抗線路と; を有して成る微小変位検出器。
1. Intrinsic or near-intrinsic , which has a length between a fixed end and a free end and can be minutely displaced with the fixed end as a fulcrum.
A cantilever made of a semiconductor material ; provided by doping the cantilever with impurities
Are, on one side of the cantilever has a strip-like pattern portion extending toward said free end from the fixing part, the resistance line for a change in the resistance value by response Ji piezo-resistive stress caused by the minute displacement of the cantilever And a small displacement detector comprising;
【請求項2】 請求項1記載の微小変位検出器であっ
て; 上記抵抗線路は、上記カンチレバーの一面上において、
上記固定端から上記自由端に向けて伸びる互いに平行な
二本のストリップ状パタン部分と、該二本のストリップ
状パタン部分の長さ方向両端の中、いずれか一方の端部
相互を電気的に接続する折返し状パタン部分とを有する
こと; を特徴とする微小変位検出器。
2. The micro displacement detector according to claim 1, wherein the resistance line is on one surface of the cantilever,
Two strip-shaped pattern portions that are parallel to each other and extend from the fixed end toward the free end, and both ends of the two strip-shaped pattern portions in the longitudinal direction are electrically connected to each other. A folded displacement pattern portion to be connected;
【請求項3】 請求項1記載の微小変位検出器であっ
て; 上記抵抗線路は、上記カンチレバーの一面上において、
上記固定端から上記自由端に向けて伸びる互いに平行な
三本以上n本のストリップ状パタン部分と、該n本のス
トリップ状パタン部分をその並設方向に沿って順に、か
つ長さ方向の一端部側と他端部側とで交互に電気的に接
続する全部でn−1個の折返し状パタン部分とを有する
こと; を特徴とする微小変位検出器。
3. The small displacement detector according to claim 1, wherein the resistance line is on one surface of the cantilever,
Three or more strip-shaped pattern portions that are parallel to each other and extend from the fixed end toward the free end, and the strip-shaped pattern portions of the n strips are sequentially arranged along the arranging direction and one end in the length direction. A total of (n-1) folded-back pattern parts which are electrically connected alternately on the part side and the other end part side;
【請求項4】 請求項1,2または3記載の微小変位検
出器であって; 上記抵抗線路は複数個設けられていること; を特徴とする微小変位検出器。
4. The micro displacement detector according to claim 1, 2, or 3, wherein a plurality of the resistance lines are provided.
【請求項5】 請求項4記載の微小変位検出器であっ
て; 上記複数個の抵抗線路は、それら全てが上記カンチレバ
ーの上記一面上にのみ設けられるのに代えて、該複数個
の抵抗線路の中、少なくとも幾つかの抵抗線路は該カン
チレバーの上記一面に対向する他面上に設けられている
こと; を有して成る微小変位検出器。
5. The small displacement detector according to claim 4, wherein the plurality of resistance lines are provided only on the one surface of the cantilever, and the plurality of resistance lines are provided. And at least some resistance lines are provided on the other surface of the cantilever opposite to the one surface.
【請求項6】 請求項4または5記載の微小変位検出器
であって; 上記複数個の抵抗線路の中、少なくとも幾つかは、互い
に電気的に直列接続されていること; を特徴とする微小変位検出器。
6. The micro displacement detector according to claim 4 or 5, wherein at least some of the plurality of resistance lines are electrically connected in series with each other. Displacement detector.
【請求項7】 請求項4または5記載の微小変位検出器
であって; 上記複数個の抵抗線路の中、少なくとも幾つかは、互い
に電気的に並列接続されていること; を特徴とする微小変位検出器。
7. The minute displacement detector according to claim 4 or 5, wherein at least some of the plurality of resistance lines are electrically connected in parallel to each other. Displacement detector.
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