JP3971305B2 - 機械式マイクロオシレータの動きを平行検知するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は複数のマイクロレバー、又は他の複数の機械式マイクロオシレータの動的応答を同時に特性付けるための装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
ナノテクノロジーは、９０年代の初期に出現して以来、科学学会において関心が高まっている研究分野である。ナノテクノロジーという名称は、数ナノメータから数マイクロメータまでのオーダーの対象物に関わる適用分野に関係する。今日まで、マイクロエレクトロニクス産業から生物学や医薬品分野に至るまで、この分野の可能性は非常に大きいものと見られている。
【０００３】
（珪素、シリカ、窒化物の機械加工などの）マイクロエレクトロニクスに由来する技術により、今日製造可能である機械構造は、センサ又はアクチュエータを実用化する上で重要な役割を果たしている。
【０００４】
例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）において、表面の画像は、共振点近辺のプローブ振動の振幅と位相とを検知することによって取得される。該プローブは、圧電アクチュエータにより共振振動を受ける支持体上に取り付けられた、レバーから構成される。次にレバーの共振周波数は、該レバーの自由端上に固定された、描画される表面を有するチップの相互作用によって変動する。ＡＦＭレバーのようなマイクロメカニカルオシレータは、化学反応又は生物学反応等のプローブとして使用されることができる。このような場合、オシレータは、際だった化学反応又は生物学反応に特有の反応性化合物によって覆われる。この反応の後オシレータの質量が変化し、その結果オシレータの機械的応答（例えば共振点）が変化することになる。
【０００５】
レバーの機械的な変位は、例えばレバーの自由端上に収束されたレーザ光の偏光によって、振幅及び位相で検知されることができる。次にレバーの変形の計測値を与える位置検知器によって反射ビームが検知される。レバーの共振周波数近辺に位置している周波数領域を走査することによってデータが取得される。
【０００６】
しかしながら、そのようなシステムは、ごく限られた数のレバーについての実施であるという点で、制約が残る。機械的な共振を計測する場合、検知システムはレバーを１つだけ使用することができる。従ってそれは単一の検出器である。静的な変形を検知する場合については、Ｂａｌｌｅｒ他〔Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、８２（２０００）１〕及びＦｅｒｉｔｚ他〔Ｓｃｉｅｎｃｅ、２８８（２０００）３１６〕により行なわれた最近の研究が、単一の検知器により８つのレバーセットの変形をほぼ同時に計測する測定方法を示していた。
【０００７】
これらの既存のシステムでは、多数のレバーに対して共振周波数の計測を同時に行なうことができない。
【０００８】
その上、マルチチャンネルのアナログ検知のための方法及び装置は、既知のものであり（フランス特許第２６６４０４８号）、その性能は、（感度がピコメータのオーダーの）表面側面計によって示されてきた。この方法及び装置では、検知される信号は、変調された光信号である。マルチチャンネル検知器によって送られる信号の読み周波数は、検知される信号の変調周波数から分離され、それにより信号／雑音比が、変調周波数とは関係無く大幅に改善される。
【０００９】
（発明の開示）
従って、本発明の目的は、その概念において、また操作方法において明解な装置を提案し、多くのマイクロレバー、又は他のマイクロオシレータの、共振点付近での振動の振幅及び位相を同時計測するマルチチャンネル検知装置を実施することである。
【００１０】
この目的を達成するために、本発明は、機械式マイクロオシレータの動きを平行検知する装置に関し、該装置は、試料と相互作用する支持体に取り付けられた機械式マイクロオシレータと、マイクロオシレータの振動の振幅と位相とを計測するための光学手段とを含む。
本発明によれば、前記光学手段は、分数１／ｎ（ｎは整数）周期の間アクティブ状態にあり、周期の可変位相ｐ／ｎ（ｐは整数）を有する周期的発光源と、マイクロオシレータの両端部の各々にそれぞれ配向された入射発光ビームを生成する手段と、入射発光ビームを分割する手段と、マイクロオシレータ上への入射発光ビームの反射によって生成され、それにより干渉画像を生成する、反射及び変調発光ビームの干渉手段と、少なくともマイクロオシレータが存在する数と同じチャンネルを含む、マルチチャンネル検知器と、を含む。
【００１１】
本装置は更に、マイクロオシレータを全体として周期的に変位させる手段と、パラメータｐ（ｐは整数）の値を変化させ、Ｎ個の基本的な計測値を積算して、各ｐ値の代表的な計測値を取得することを可能にする手段と、各ｐ値及び大量の集積値に関して取得された代表的データをバッファメモリ内に記憶させることが可能となり、次に各マイクロオシレータの振動の位相と振幅とを計算することができる、コンピュータと、を含む。
【００１２】
ここで、「機械式オシレータ」という用語は、長さが数十マイクロメータの細い構成要素であり、一般に梁形状で、弾性リンク手段によって装置のフレームと、両端部のひとつ、いわゆる第１の端部に連結された、マイクロレバーをいうものとする。
【００１３】
他方、すなわち第２の端部は動いている。この第２の端部の横断する動きが、試料を特徴付けるために計測される。
【００１４】
使用可能な機械的オシレータの中で、通常中心に形成された点の動きと通常周縁にある別の点の動きとが比較される、薄膜があることに言及する必要がある。
【００１５】
試料によるとは、マイクロオシレータと相互作用する方法か否かに関係なく、化学又は生物学の種を意味する。これらの試料で適合すべき唯一の条件は、試料の存在又は試料の集中が、マイクロオシレータの機械的特性に影響するということである。
【００１６】
各々が特有の利点を有し、技術的に可能な多数の組合せと互換性のある、別々の特定の実施形態において、マイクロオシレータを周期的に変位させる手段が圧電セラミックを有し、発光源と同期化させた、該セラミックスの電気的な励振周波数がｆであり、支持体は、圧電セラミック上に直接取り付けられたシリコンプレートであり、マイクロオシレータの自由端が、試料の選択的検知及び区別化検知のために機能化され、入射発光ビームを分割するための手段が、入射発光ビームを線形偏光する偏光キューブ型セパレータと、入射発光ビームを、２つの直交する偏光ビームに分割するためのウォラストン・プリズムとを有し、マイクロオシレータと、支持体と、圧電セラミックとから構成された組立体が、ベンチ上に載置され、該組立が大気圧中におかれ、パラメータｐの値を変化させ、検知器と、発光源と、圧電セラミックとを同期化させる手段が、シーケンサを含み、検知器組立体が、ズーム部とディジタルＣＣＤカメラとを含み、検知器組立体が、顕微鏡とアナログカメラとを含む。
本発明を添付図面を参照して更に詳細に説明する。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
光源１、例えば発光ダイオードは、シーケンサ２によって制御されて、二乗関数３で表される周期的な信号を出す。この関数は、分数１／ｎ周期の間は１の値を、それ以外では０の値を取る。光源１から出て来るビーム４の光軸は、図１の平面に対して４５度に配向されている。
【００１８】
入射ビーム４を分割し偏光するための手段は、例えば偏光キューブ型セパレータ５、及びウォラストン・プリズム６から構成される。偏光キューブ型セパレータ５は、ウォラストン・プリズム６の光軸に対して４５度の方向に直線偏光された発光ビームを生成する。次にウォラストン・プリズム６は、入射発光ビーム４を２つの直交する偏光ビーム７、８に分離する。次いで、偏光ビーム７、８は、マイクロオシレータ１２の両端部１０、１１の一方にレンズ９によってそれぞれ収束される。
【００１９】
干渉手段は、ウォラストン・プリズム６と、キューブ型セパレータ５と、干渉後に反射ビームをマルチチャンネル検知器上に収束させる、レンズ１３とから構成される。マルチチャンネル検知器は、ＣＣＤカメラ１４から構成される。検知器組立体は、レンズ１３と、ＣＣＤカメラ１４とから構成される。
【００２０】
一般には、種々の型式の干渉計によって本発明を実施することが可能である。マイクロオシレータは、マルチチャンネル・レシーバの面、殆どの場合はカメラのピクセルマトリクスの面と共役する平面内にある必要がある。
【００２１】
マイクロオシレータ１２は、サイズが７０×２０μｍ^２の梁である。マイクロオシレータ１２は、０．４５μｍ厚さの金の層で覆われた、０．７５μｍ厚さのＳｉＯ_２層で作られている。金の層を被着させることにより、梁の反射率を極めて大幅に向上させることができる。これらの梁の共振周波数は計算上で１２０．１９ｋＨｚである。
【００２２】
マイクロオシレータ１２は、シリコン基材である支持体１５上に取り付けられる。該支持体は、マイクロオシレータ１２を確実に周期的に変位させる、圧電セラミックスと直接接触するように配置される。マイクロオシレータ１２の良好な周波数応答を維持するために、支持体１５と圧電セラミックス１６間の良好な連結を実現させる必要がある。有利には、そのような連結は、パラフィンオイルを滴下することによって実現されるが、接着剤でも良好な結果が得られる。
【００２３】
シーケンサ２は、制御ライン１７を介して、干渉画像を捕捉するカメラ１４を制御するとともに、圧電セラミックス１６の電気励振信号１８と発光源１のトリガ信号１９とを同期させる。
【００２４】
コンピュータ２０は、相ｐ／ｎの各値及び大量の集積値に関して取得された代表的データをバッファメモリ内に記憶させることができる。次に該コンピュータは、各マイクロオシレータ１２の振動の位相と振幅を計算することができる。
【００２５】
図１の装置において、発光源１は、１／４周期（ｎ＝４）の間アクティブ状態にあり、位相値ｐ／ｎは、ｐが０から３まで変化する値である。次に４つの干渉画像が、ＣＣＤカメラ１４によって取得される。これら４つの画像が得られた結果、各マイクロオシレータ１２の振幅情報及び位相情報が、以下に示される式によって抽出される。
【００２６】
ｐが光源の１／４アクティブ状態の周期数を表す場合、Ｉ_ｓ，ｐを光源１の発光強度とすると、ＣＣＤカメラ１４によって計測された干渉信号Ｉｐの強度は、次の式で表される。
Ｉ_ｐ=Ｉ_ｓ，ｐ〔１-ｃｏｓ（Ψ_ｗ＋Δｃｏｓ（ωｔ＋φ））〕 （１）
【００２７】
マイクロオシレータの小さなパルス振動ω、及びマイクロオシレータ１２の端部に相当する点１１の位置のため、ウォラストン・プリズム６による、及びマイクロオシレータ１２の静的な変形による静的な位相シフトの合計Ψ_ｗは、π／２に等しい。
【００２８】
従って、式（１）は次のように簡略化される。
Ｉ_ｐ〜Ｉ_ｓ，ｐ〔１＋Δｃｏｓ（ωｔ＋ψ））〕
【００２９】
式Δｃｏｓ（ωｔ＋ψ）は、振動するマイクロオシレータ１２上へのビーム７、８の反射による光学位相シフトを表す。Δは、光学位相シフトとして表されたマイクロオシレータ１２の振動の振幅であり、ψは、圧電セラミック１６の機械的振動に対する、マイクロオシレータ１２の振動の電気的位相シフトである。
【００３０】
これらのパラメータψとΔの両方を確定する必要がある。
【００３１】
カメラ１４によって計測された信号は、Ｎ周期を超えるＩ_ｐの積分である。発光信号（二乗関数）の形を考慮に入れると、次の式が得られる。
Ｓ_ｐ＝（１／２π）Ｉ_０Ｎ２π／ω［π／２＋２Δｓｉｎ（π／４）ｃｏｓ（ｐπ／２＋ψ-Ψ_ｓ）］
上式で、Ψ_ｓは、発光光源１と圧電セラミック１６の励振電気基準間の、電気的な位相シフトである。また、Ψ_ｓは、セラミック１６の電気的励振１８と機械的応答との間の位相シフトを包含する。Ｉ_ｐは、光源１（発光ダイオード）の電源供給によって遮断される発光強度を表す。
【００３２】
以下のことが推定される。
Ｓ_０＋Ｓ_１＋Ｓ_２＋Ｓ_３＝Ｉ_０Ｎ２π／ω
ｔａｎ（ψ-Ψ_ｓ）＝（Ｓ_３-Ｓ_１）／（Ｓ_０-Ｓ_２）

【００３３】
従って、４つの画像Ｓ_ｐ（ρ＝０から３）の捕捉によって、マイクロオシレータ１２の振動の振幅と位相とを完全に確定することが可能となる。
【００３４】
本発明の装置の動作は下記の通りである。
【００３５】
光源１は、偏光キューブ型セパレータ５とウォラストン・プリズム６を通過した後、（ミリラジアンのオーダーの）小さな角度を共に形成し、直交偏光の、２つの入射ビーム７、８を生成する。入射偏光ビーム７、８は、次にレンズ９によって、マイクロオシレータ１２の両端部１０及び１１上に収束される。これらの偏光ビームは、次にマイクロオシレータ１２上の各反射によって変調される。ウォラストン・プリズム６は、レンズ９の焦点平面内に配置される。マイクロオシレータ上で反射した後の、偏光され、変調された複数のビームは、複数のマイクロオシレータで反射された後、逆の光路を通り、ウォラストン・プリズム６を通過する。折り返してキューブ型セパレータ５を通過後、変調された偏光ビームは、レンズ１３によってマルチチャンネル検知器上に収束される。これによりＣＣＤカメラ１４のピクセルは、干渉後の信号を検知する。ＣＣＤカメラ１４のピクセルによって受け取られた信号は、従ってビーム７と８との間の光路差に依存し、それ故マイクロオシレータ１２の点１０及び１１の振幅差に依存する。
【００３６】
この動作の説明は、光源１と、ビーム４のコリメーションレンズと、集束レンズ９との有効領域に関連する、光源１による表面における放射領域の直径を除いて、偏光ビーム７、８だけを考慮に入れている。図１で考慮された集束レンズ９と光源１に関しては、放射領域の直径は２．３５ｍｍである。従ってＣＣＤカメラ１４上の種々のピクセル上で受け取った信号のセットによって、マイクロオシレータ１２の多くのセットの振動の振幅と位相とが確定される。ＣＣＤカメラ１４のピクセルは、位相ｐ／ｎの各値に関する、Ｎ個の基本的な計測値を記憶した後に、読み込まれる。従って、ピクセルマトリックスのリフレッシュ周波数はｆ／Ｎである。次にマイクロオシレータ１２の変調周波数を数１００ｋＨｚのオーダーで追随することができる。
【００３７】
レンズ９の焦点距離の選定は、満足すべき光学解像度と、端部１０と１１を分離するのに十分な距離ｄとの間の妥協点である必要がある。距離ｄはレンズ９の焦点距離に比例する。高い倍率、従ってより良好な光学解像度を選定することによって、点１０と１１を分離している距離ｄを、マイクロオシレータ１２の両端の実際の振幅差をもはや検知できない程度まで小さくする。図１で考慮された、焦点距離５０ｍｍのレンズ９と焦点距離３００ｍｍのレンズ１３に関して、１０と１１の間のオフセットは７０μｍで、光学解像度は２．７μｍである。
【００３８】
この試料特性装置２１は、有利には化学的又は生物学的な種を検知するフレームワーク内で使用することができる。マイクロオシレータ１２の自由端部１１の機能化は、実際、種の選択的吸光及び区別化吸光をもたらす。結果として生じる質量の変動によって、検討された種に関する非アクティブ時のマイクロオシレータ１２の共振周波数に対する、アクティブ状態のマイクロオシレータ１２の共振周波数の移相が生じる。従って、そこから被吸光物の質量を推定することが可能である。
【００３９】
多重画像技術の結果、多数のマイクロオシレータの機械的応答を同時に検知する可能性と共に、この装置は、複数のデータを有利に取得することが可能である。従って、使用及び実施が簡単な装置によって、解析されるべき試料２１上の、区別化された多数のデータを取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による検知装置の概略図である。
【図２】 偏光の光路を示す。

Claims (10)

1. 複数の機械的マイクロオシレータの動きを同時に検知する装置であって、
   試料（２１）と相互作用する支持体(１５)上に取り付けられた複数の機械式マイクロオシレータ（１２）と、
   前記複数のマイクロオシレータ（１２）の振動の振幅と位相とを計測するための光学手段と、
   を含み、
   前記光学手段が、
   分数１／ｎ（ｎは整数）周期の間アクティブ状態にあり、該周期の可変位相ｐ／ｎ（ｐは整数）を有する周期的発光源（１）と、
   前記複数のマイクロオシレータ（１２）の両端部（１０、１１）の各々にそれぞれ配向された入射発光ビーム（７）及び（８）を生成する手段と、
   を有し、
   前記入射発光ビーム（７）及び（８）を生成する手段が、前記周期的発光源（１）からの入射発光ビーム（４）を偏光させる手段（５）および分割する手段（６）であり、
   更に前記装置が、
   前記マイクロオシレータ（１２）上の前記入射発光ビーム（７）および（８）の反射によって生成された反射発光ビームを干渉させる干渉手段
   を有し、
   前記反射発光ビームは、前記反射中に変調され、それにより干渉画像を生成するようになっており、
   更に前記装置が、
   少なくともマイクロオシレータ（１２）が存在するのと同じチャンネルを含む、マルチチャンネル検知器（１４）と、
   前記複数のマイクロオシレータ（１２）を全体（２１）として周期的に変位させる手段と、
   パラメータｐ（ｐは整数）の値を変化させ、Ｎ個の基本的な計測値を積算して、各ｐ値の代表的な計測値を取得することを可能にする手段と、
   各ｐ値及び大量の集積値に関して取得された代表的データをバッファメモリ内に記憶させることが可能となり、次に各マイクロオシレータ（１２）の振動の位相と振幅とを計算することができる、コンピュータ（２０）と、
   を含むことを特徴とする装置。
2. 前記複数のマイクロオシレータ（１２）を周期的に変位させる手段が圧電セラミックス（１６）を有し、該圧電セラミックスの電気的な励振周波数（１８）が、前記発光源（１）と同期させられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記支持体（１５）が、前記圧電セラミックス（１６）上に直接取り付けられたシリコンプレートであることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記複数のマイクロオシレータ（１２）の自由端（１１）が、前記試料（２１）の選択的検知及び区別化検知のために機能化されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
5. 前記周期的発光源（１）からの入射発光ビーム（４）を分割し、かつ偏光させる手段が、
   前記入射発光ビーム（４）を線形偏光する偏光キューブ型セパレータ（５）と、
   前記偏光キューブ型セパレータ（５）からの前記入射発光ビームを、２つの直交する偏光ビーム（７、８）に分割するためのウォラストン・プリズム（６）と、
   を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記複数のマイクロオシレータ（１２）と、前記支持体（１５）と、前記圧電セラミックス（１６）とから構成された組立体が、ベンチ上に載置され、該組立体が大気圧中におかれることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
7. 前記干渉手段がウォラストン・プリズム（６）であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
8. 前記パラメータｐの値を変化させ、前記検知器（１７）と、発光源（１）と、圧電セラミックス（１６）とを同期させる前記手段が、シーケンサ（２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
9. ズーム部（１３）とディジタルＣＣＤカメラ（１４）とを有する検知器組立体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. 顕微鏡とアナログカメラとを有する検知器組立体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。

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