JP4603036B2 - マクロカンチレバーのような複数のマイクロ及びナノメカニカル要素の変位を検出するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロカンチレバーの変位（撓みなど）及び／又は移動を検出することによって測定が実施される例えばマイクロカンチレバーに基づく測定システムでの使用に適する機械的要素の変位の検出のためのシステム及び方法に関する。

通信、小力検出、及び超高感度生化学センサ向けにマイクロ及びナノメカニカル要素に基づくシステムに対する関心が高まっている（Ｈ．Ｇ．Ｃｒａｉｇｈｅａｄ、サイエンス２９０、１５３２（２０００年））。例えば、マイクロカンチレバーは、原子間力顕微鏡法のナノメートル尺度での引力及び反発力の高感度マッピング向け（Ｙ．Ｍａｒｔｉｎ、Ｃ．Ｃ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、及びＨ．Ｋ．Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６１、４７２３（１９８７年））、超高感度ナノメカニカル生物及び化学センサ向け（Ｂ．Ｉｌｉｃ、Ｄ．Ｃｚａｐｌｅｗｓｋｉ、Ｈ．Ｇ．Ｃａｒｉｇｈｅａｄ、Ｐ．Ｎｅｕｚｉｌ、Ｃ．Ｃａｍｐａｇｎｏｌｏ、及びＣ．Ｂａｔｔ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７、４５０（２０００年））、荷電粒子検出向け（Ａ．Ｃ．Ｓｔｅｐｈａｎ、Ｔ．Ｇａｕｌｄｅｎ、Ａ．−Ｄ．Ｂｒｏｗｎ、Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｌ．Ｆ．Ｍｉｌｌｅｒ、及びＴ．Ｔｈｕｄｒａｔ、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７３、３６（２００２年））、超高密度データ格納の書込み及び読出し向け（Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ他、マイクロエレクトロニクス・エンジニアリング４６、１１（１９９９年））、及び重力波の検出器向け（Ｃ．Ｃａｖｅｓ、Ｋ．Ｔｈｏｒｎｅ、Ｒ．Ｄｒｅｖｅｒ、Ｖ．Ｓａｎｄｂｅｒｇ、及びＭ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ、Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．５２、３４１（１９８０年））に使用されている。

通常、システムは、固定端部及び移動端部を有するカンチレバーを基本とし、これらのシステムにおいては、通常、検出されるのは、「自由」端の変位及び／又は移動である。しかし、両端がクランプ締めされたカンチレバーを基本とするシステムもあり、従って、中央部分の移動を検出することができる。更に、「容易な」運動方向がパドルをフレームに連結するヒンジの軸線周りのパドルの捩れに対応する二重クランプ式パドルのような可動かつ可撓性である他のマイクロ及びナノメカニカル構造がある（基本的には、ラケットの２つの相対するハンドルによってフレームに固定されて軸線に沿って延びる正方形ラケットのようなもの）。他の公知のシステムでは、２組のヒンジによってフレームに連結された薄膜が使用され、これは、２つの角度的自由度を可能にするものである。これ以降、本発明の一般的な背景を説明する時には、１つの固定端（クランプ留め）と１つの自由端を有し、自由端の撓みが測定されるマイクロ又はナノカンチレバーに言及する（ここで、撓みは、マイクロカンチレバー自由端の変位である）。しかし、本発明はまた、上述のような他の機械的要素にも同様に適用することができる。

マイクロカンチレバーシステムにおいては、この撓みは、約数ナノメートルのものであり、用途によっては、０．１〜１ｎｍを超える解像度を必要とする場合がある。カンチレバー撓みの読出しに対しては、容量式検出、トンネル電流に基づく検出、干渉分光法、圧電抵抗読出し、並びにいわゆる光ビーム偏向技術のようないくつかの技術がある。

マイクロカンチレバーシステムの例は、例えば、Ｅｎｇｅｌ他著「原子間力顕微鏡法：活動中の生体高分子を観察する強力なツール」、「細胞生物学の動向」、第９巻、１９９９年２月、７７頁から８０頁、Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ他著「ミリピード−将来的なＡＦＭ格納のための１０００を超えるチップ」、ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．、第４４巻、第３号、２０００年５月、３２３頁から３３９頁、ＷＯ−Ａ−０１／３３２２６、及びＷＯ−Ａ−０３／０９１４５８に開示されている。

光ビーム偏向技術は、最も感度の高い方法であり、容易に実施することができるという利点がある。図１は、光ビーム偏向のための従来技術の構成を概略的に示している。光源３（通常はレーザ光源）により、要素１上に集束される（すなわち、直接に集束されるか、又は例えば１つ又はそれよりも多くのミラー９などを伴う誘導手段を通じて）光ビーム４（通常は、可視、紫外線、又は赤外線スペクトルにおけるレーザ光ビーム）が生成され、要素１の変位は、例えばマイクロ又はナノメカニカルカンチレバーの端部上に測定される。カンチレバーから反射されたビームの偏向は、光検知器５、例えば、分割式光検知器、連続位置感知光検知器、光検知器アレイなどで測定される。一般的に、カンチレバー運動軸に平行に配向された２つのセグメントに分割された分割式光検知器が使用される。カンチレバー撓みによって光検知器上に反射レーザスポット変位が生成される。従って、２つのセグメント間の光電流の差は、カンチレバー撓みに比例する。

このシステムは、要素／カンチレバーの静的及び動的挙動の両方、例えば、最大撓み、撓み平均値、基準周波数での振幅（要素は、基準周波数で振動する加振力によって外部から駆動することができる）、外部駆動信号に対する運動の位相、周波数などの測定に適している。測定された静的変位、振幅、周波数などは、次に、カンチレバーと相互作用する測定される対象物と、対象物及び／又はカンチレバーを刺激するのに使用される信号とに関連付けることができる。

ここで、上述の技術は、個々の要素／カンチレバーの変位／移動が測定される時に実用的なものである。しかし、マイクロ又はナノメカニカル要素測定システムの実際の使用では、アレイ状に配置された複数のカンチレバーを含んで並列に作動し、従ってより高速及び多機能性を提供するマイクロアレイの使用が必要なものが多い。先に概説したような光ビーム偏向技術では、僅か０．１ｎｍの撓みを解析することができるが、マイクロカンチレバーアレイでの読出しのためのこの技術の実施は、複雑な問題であることが判明している。今までのところ、アレイ状の光源が使用されているが、これらの光源は、カンチレバーアレイと同じピッチを有するものである。光源は、アレイの各カンチレバーの個別の照明、及び連続位置感知検出器（位置感応検出器とも呼ばれる）による各カンチレバーの撓みの連続的な読出しのために個別にオンオフが切り換えられる。この種のシステムは、例えば、Ｈ．Ｐ．Ｌａｎｇ他著「マイクロメカニカルカンチレバーセンサのアレイからの連続位置読出し」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７２巻、第３号、１９９８年１月１９日、３８３頁から３８５頁に開示されている。

しかし、これには、洗煉された技術の使用と、光ビーム、マイクロカンチレバー、及び光検知器の正確なアラインメントとが必要である。更に、１つの光ビームアレイは、同じピッチ（連続するカンチレバー間の距離）を有するマイクロカンチレバーアレイに対してだけ適切であることになる。

ＷＯ−Ａ−０１／３３２２６ ＷＯ−Ａ−０３／０９１４５８ Ｈ．Ｇ．Ｃｒａｉｇｈｅａｄ、サイエンス２９０、１５３２（２０００年） Ｙ．Ｍａｒｔｉｎ、Ｃ．Ｃ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、及びＨ．Ｋ．Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６１、４７２３（１９８７年） Ｂ．Ｉｌｉｃ、Ｄ．Ｃｚａｐｌｅｗｓｋｉ、Ｈ．Ｇ．Ｃａｒｉｇｈｅａｄ、Ｐ．Ｎｅｕｚｉｌ、Ｃ．Ｃａｍｐａｇｎｏｌｏ、及びＣ．Ｂａｔｔ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７、４５０（２０００年） Ａ．Ｃ．Ｓｔｅｐｈａｎ、Ｔ．Ｇａｕｌｄｅｎ、Ａ．−Ｄ．Ｂｒｏｗｎ、Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｌ．Ｆ．Ｍｉｌｌｅｒ、及びＴ．Ｔｈｕｄｒａｔ、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７３、３６（２００２年） Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ他、マイクロエレクトロニクス・エンジニアリング４６、１１（１９９９年） Ｃ．Ｃａｖｅｓ、Ｋ．Ｔｈｏｒｎｅ、Ｒ．Ｄｒｅｖｅｒ、Ｖ．Ｓａｎｄｂｅｒｇ、及びＭ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ、Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．５２、３４１（１９８０年） Ｅｎｇｅｌ他著「原子間力顕微鏡法：活動中の生体高分子を観察する強力なツール」、「細胞生物学の動向」、第９巻、１９９９年２月、７７頁から８０頁 Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ他著「ミリピード−将来的なＡＦＭ格納のための１０００を超えるチップ」、ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．、第４４巻、第３号、２０００年５月、３２３頁から３３９頁 Ｈ．Ｐ．Ｌａｎｇ他著「マイクロメカニカルカンチレバーセンサのアレイからの連続位置読出し」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７２巻、第３号、１９９８年１月１９日、３８３頁から３８５頁

本発明の１つの態様は、アレイの一部を形成する複数の要素（マイクロ又はナノメカニカル要素、例えば、一端又は両端がクランプ留めされたマイクロ又はナノメカニカルカンチレバー、弾性薄膜などのような）（又は、少なくとも、撓みによるカンチレバーの端部の変位のような要素の一部）の撓み、振れ又は変位、及びその時間変動を検出するためのシステムに関し、このシステムは、（アレイの少なくとも１つの要素上、例えば、カンチレバー要素の端部上への光ビームの入射時に光ビームが反射されるように、要素又は要素の関連部分の撓み又は変位によって判断される方向又は方法で光ビームが要素によって反射されるように）光ビームをアレイに向けて放出するように配置された光源（例えば、可視、紫外線、又は赤外線を放出するレーザ光源）と、アレイによる光ビームの反射時に光ビームを受光するように配置され、かつ位置検出器上での反射光ビームの入射位置を示す第１の出力を供給するように配置され、それによって入射位置が対応する要素（又は要素の一部）の変位によって判断されるか又はそれに関連する光学位置検出器（基本的に、連続的位置感知検出器又は４分割位置感知検出器のような分割位置感知検出器のような光センサを使用した非接触位置感知に適するあらゆる種類の検出器、例えば、各々が同じ程度か又はレーザビームの断面よりも小さいサイズを有する光検知器のアレイを含む光検知器配置を用いることができ、多数の適切な装置が市販されている）とを含む。

本発明によれば、本発明のシステムは、光ビームが個々の要素によりアレイに沿って位置検出器に向けて順番に反射されるように（一度に１つの要素によって又はいくつかの要素を含む群によって）、アレイに沿って光ビームを変位させる走査手段と、光ビームが要素によって反射される時（又は、１つの要素及び隣接する要素による「最大」反射がある時）を検出する反射検出手段とを更に含む。

システムは、反射検出手段が、光ビームが要素によって（又は要素の一部によって）反射されることを検出した時に、対応する第１の出力が要素（の一部）の撓み又は変位の指示として取られる（すなわち、例えば、ある一定の軸線に沿った位置検出器上での光ビームの入射の位置が要素の変位を表す値として取られる）ように配置される。

このようにして、１つの単一レーザ光源は、アレイの要素の全ての変位を連続的に測定するのに使用することができ、それは、複雑なアラインメント方法及び装置を使用することなく、異なるピッチを有するアレイに使用することができる。変位中、光ビームは、要素の１つ又はそれよりも多くによって順番に反射され、ビーム直径が要素間の距離よりも小さい場合、異なる要素を位置検出器からの出力と関連付けることが容易になることになる（光ビームが２つの要素間の空間に向けられた時に検出器に向う反射光ビームはないことになるので、位置検出器からの出力には明らかな「中断」があることになる）。しかし、光ビームの直径は、要素間の分離よりも大きい可能性があり、いくつかの要素を同時に照らすことができる。この場合、各要素／カンチレバーの個々の撓み又は変位は、位置検出器として光検知器のアレイを用いて推定することができ、その反射パターンから、個々の変位を推定することができる。

反射検出手段は、位置検出器によって受光された光の強度を検出するための手段と、強度の変動（例えば、ピーク）を検出するための手段とを含むことができ、それによってシステムは、その変動を解釈して要素による光ビームの反射にその強度が対応する時を判断するように配置することができる。

強度の変動を検出するための手段が強度のピークを検出するように配置された場合、システムは、強度のピークの検出を要素による光ビームの反射の検出として解釈するように配置することができる（強度のピークは、通常、レーザビームの最大部分が要素によって反射された時に得られることになるので、これは、最も実際的な手法であろう）。

システムは、強度に検出された変動に従って第１の出力をアレイに沿った特定の要素と関連付けるデータ処理手段を更に含むことができる。すなわち、例えば、アレイに沿ったビームの走査移動中に、第１の検出ピークは、アレイの第１の要素上での反射に対応すると考えることができ、第１の出力信号は、次に、要素（又は要素の一部）の撓み又は変位に対応することになる。

走査手段に関して、走査手段は、第１の位置から第２の位置に少なくとも１つの走査要素（ミラー又はレーザ光源それ自体など）を移動させることにより、光ビームが、第１の位置から第２の位置への走査要素の移動中にアレイに沿って個々の要素によって順番に反射されるように、アレイに沿って光ビームを連続的に変位させることによってアレイの第１の連続的走査（又は、第１の一連の連続的走査）を実施するための手段と、反射が反射検出手段によって（例えば、検出器によって表示された光の強度のピークの検出によって）検出される位置に対応する走査要素の選択された位置を第１の走査中に記録するための手段と、１つの選択された位置から次の選択された位置まで段階的に走査要素を変位させることによってマイクロカンチレバーアレイの次の走査を実施するための手段とを含むことができる。勿論、「段階的に」という表現は、広義に解釈すべきであり、走査要素は、１つの選択された位置から次の選択された位置まで「直接に」「ジャンプ」すべきであることを意味するように解釈すべきではない。基本的に、１つの選択された位置から次の選択された位置まで「直接に」ジャンプするのではなく、それは、連続的に又は殆ど連続的に移動することができるが、選択された位置から遠く離れている時には速度が速くなり、選択された位置の近くであり及び／又は選択された位置内にある時は速度が遅くなり、重要な問題は、走査要素が、選択された位置間よりも選択された位置内及び／又はその周りで相応により多くの時間を費やすべきであるということである。実際的な実施に対して、適度に良好な結果及び走査時間の効率的な使用が得られ、同時に走査要素を変位させるために過度に洗練された及び／又は高価な配置を必要としない手法が選択されることになる。すなわち、例えば、走査要素は、反射がない場所の上では迅速に移動し、アレイの要素による光ビームの反射がある（例えば、検出された強度がある一定の閾値を超える時）場所の上では遅く移動することができる。

すなわち、第１の又は複数の第１の連続走査は、走査要素のどの位置が要素による光ビームの（最大）反射を発生する位置であるかを判断するために使用される。この情報は、次の走査を段階的に行うことができ、従って時間が節約され（反射がない位置ではレーザビームが「費やす時間が少なくなる」）、アレイの要素が照らされる位置でより平均化された情報を得ることができるように、記録されて次の走査中に使用される。

位置検出器は、例えば、光検知器アレイ、又は連続位置感知検出器（位置感応検出器とも呼ばれる）とすることができる。
光源は、アレイの次の要素間の距離よりも小さい直径を有する光ビームを供給するように配置することができる。

本発明の別の態様は、アレイの一部を形成する複数の要素（又は、少なくとも、要素の一部）の撓み、振れ、又は変位を検出し、特に、このようなアレイの一部を形成する複数のマイクロ又はナノメカニカル要素の撓み又は変位を検出する方法に関する。本方法は、光ビームをアレイの方向に向ける段階と、アレイによる光ビームの反射時に光学位置検出器を使用して光ビームを受光し、位置検出器から第１の出力を供給する段階とを含み、第１の出力は、位置検出器上の反射された光ビームの入射位置を示し、それによって入射位置は、対応する要素の撓み又は変位によって判断される。

本発明によれば、本方法は、個々の要素によってアレイに沿って位置検出器に向けて光ビームが順番に反射されるように、光ビームをアレイに沿って変位又は走査する段階と、光ビームが要素によって反射される時を検出する段階と、光ビームが要素によって反射されることを検出する時に、その要素の撓み又は変位を示すものとして対応する第１の出力を取る段階とを更に含む。

光ビームが要素によって反射される時を検出する段階は、位置検出器によって受光された光の強度を検出する段階と、強度の変動を検出する段階と、強度が要素による光ビームの反射に対応する時を判断するように変動を解釈する段階とを含むことができる。

そうである場合、強度の変動を検出する段階は、強度のピークを検出する段階を含むことができ、変動を解釈する段階は、強度のピークの検出時に、ピークが要素による光ビームの反射に対応すると判断する段階を含むことができる。

本方法は、データ処理手段を使用して、位置検出器によって受光された光ビームの強度に検出された変動に従って、第１の出力をアレイに沿った特定の要素と関連付ける段階を更に含むことができる。

一方、光ビームを走査する段階は、少なくとも１つの走査要素を第１の位置から第２の位置に移動させることにより、光ビームが第１の位置から第２の位置への走査要素の移動中にアレイに沿って個々の要素によって順番に反射されるように、光ビームをアレイに沿って連続的に変位させることによってアレイの第１の連続的な走査を実施する段階と、それぞれの走査要素により光ビームの反射が検出される位置に対応する走査要素の選択された位置を第１の走査中に記録する段階と、１つの選択された位置から次の選択された位置まで段階的に走査要素を変位させることによってアレイの次の走査を実施する段階とを含むことができる。（「段階的」という用語は、先に概説したように広義の意味で解釈すべきである。）

図２は、複数のマイクロ（又はナノ）カンチレバー１のアレイ２を形成するように配置されたこのようなカンチレバーの個々の撓みの検出に適する配置を示している。従来技術の配置と同様に、撓みを測定するために、光ビーム４は、レーザ光源３によって生成され、位置検出器での反射光ビームの入射位置を示す第１の出力５１信号を供給するように配置された光学位置検出器５の感応面上、すなわち、光検知器アレイ、連続位置感知検出器、ＣＣＤ又は類似のもののような検出器上にマイクロカンチレバー１の１つ又はそれよりも多くによって反射されるようにアレイ２上に投影され（必要な時には、１つ又はそれよりも多くのミラー９、レンズなどの従来の投影手段を用いて）、それによって入射位置が、マイクロカンチレバー１の撓みで判断される。この場合、図２に示す配置を使用すると、及び、マイクロカンチレバーは、図２に示す座標系のｚ軸の方向に振動するように配置されるので、第１の出力は、ｚ軸に沿って反射光ビームが位置検出器の感応面でどこに当たるかに依存する。従って、位置検出器は、ｚ軸に沿って光ビームの入射の位置に比例する第１の出力信号５１を供給するように配置された光検知器のアレイ又はマトリックスを含むことができる。

一方、システムは、例えば、軸線（例えば、図２のｚ軸の軸線）周りに制御されて回転するように配置されたミラー、ｘ軸に沿って線形に変位可能なミラー装置を含むミラー配置、又は、走査手段を微小電気機械要素を使用して実施することができるｘ軸に沿ってレーザ光源３自体を変位させる手段を含む、走査手段７（図２に概略的にのみ示す）を含む（適切な走査手段の設計は、特定の用途に鑑みて、例えばコスト及び性能に関する要件を鑑みて、最も適切なデザインを用いて適切なシステムを選択することができる当業者によって容易に行うことができる仕事である）。いずれの場合にも、走査手段７は、光ビームが、図２に示すように位置検出器５に向けてアレイ２に沿って個々の要素１によって順番に反射されるように、アレイ２に沿って光ビーム４を変位させる（図２においては、ｘ軸の方向に移動する）ように配置される。

位置検出器は、光ビームを受光し、第１の出力５１（ｚ軸に沿った入射位置を示す）に加えて、位置検出器によって受光された光の強度の関数である値を有する信号に存在する第２の出力５２を供給する（例えば、強度に比例）。第１の出力５１及び第２の出力５２の両方は、第１の出力５１及び第２の出力５２に対応するデジタル信号を供給するアナログ／デジタルカード８を使用してサンプリングされる。デジタル信号は、図３により詳細に示す電子データ処理システム１０に転送される。ここで、図２に示すように、データ処理システム１０に第２の信号５２に対応する情報が供給される。この信号を図２に概略的に示すが、走査時期の時間に対応する第１の軸Ａ１と、位置検出器によって測定された光の強度の値に対応する第２の軸Ａ２とを有するダイアグラムＡを示している（すなわち、第２の出力５２）。図２のダイアグラムＡに示すように、強度は時間が経つと変化する。ピークは、光ビームがカンチレバー１の１つを中心とする時のモーメントに、すなわち、最大の光が位置検出器５に向けて反射された時のモーメントに対応する（少なくとも、以下に説明するようにほぼ対応する）。一方、ダイアグラムＢは、時間軸Ｂ１と、走査中のｘ軸に沿った光ビームの位置に対応する第２の軸Ｂ２とを有する（この情報は、光ビーム又は類似のものを振らせるためのミラーなどの走査要素の位置を示す走査手段７からの入力信号によって達成することができる）。

従って、ダイアグラムＡとダイアグラムＢを比較すると、ｘ軸に沿った光ビームの走査中に位置検出器５によって受光された光の強度にいくつかのピークがある方法が分る。本発明のシステムは、ピークが検出された時に、対応する第１の出力５１信号の値（例えば、ｚ軸に沿った位置検出器での光ビームの入射位置に対応する）が要素の撓みを示すものとして取られるように配置される。

実際には、位置検出器での光ビームの入射位置を読み取ることによって測定される撓みの値にピークを関連付けるいくつかの方法がある。例えば、いわゆる最大値法、固定法、及び平均法がある。

いわゆる最大値法においては、撓みは、位置検出器によって検出された光の強度がピークの最大値であるレーザ光源の位置に対して測定される（第１の出力は、読み取られて撓みを示すものとして取られる）。

いわゆる固定法においては、固定レーザ光源位置は、強度ピークに対応して指定され、位置検出器からの読出しによるマイクロカンチレバーの撓みは、光の強度の最大値に対応する固定レーザ光源位置（かならずしも検出器によって受光された光の強度の最大値に対応するわけではない）で起きる。本方法は、例えば、干渉過程のために単一のマイクロカンチレバーからのピークがいくつかある場合に有用である。例えば、レーザビームサイズによっては、マイクロカンチレバーの縁部に対応する２つの強度ピークを取得することができ、２つの強度ピークの間の小さな谷は、中心に対応するものである。従って、最大強度は、光がカンチレバーの「中心」に当たっている時のモーメントに対応しないことがあり得る。従って、固定法は、光がカンチレバーの（ほぼ）中心に当たる時のモーメントに位置の読出しが対応することを確実にするのに有用とすることができる。

いわゆる平均法も、複数のピークという問題を回避してＳＮ比を高めることができる。本方法では、各ピークの選択された幅に対応する定められた閾値よりも高い全ての強度値にわたって撓み信号の平均が取られる。すなわち、ピークの「幅」に沿ったレーザ光源位置に対応する強度値は、マイクロカンチレバー撓みを平均化するために重み関数として使用される。

この過程を図３に概略的に示し、反射検出手段１１を含む電子データ処理システム１０に位置検出器が第１及び第２の出力を供給する方法を示す。第２の出力は、反射検出手段１１のモジュール１１１で受信され、モジュール１１１は、位置検出器によって受光された光の強度を検出するように配置される（この強度は、第２の出力５２信号のレベルに対応することができる）。電子データ処理手段１１２は、強度の変動を検出するために特にピークを検出するように設けられる。システムは、ピークを要素による光ビームの反射の検出として解釈するように配置される。従って、モジュール１１２がピークを検出した時、第１の出力５１の電流値をこの特定の瞬間でのカンチレバー１の振れの値として取るサンプリングモジュール１３がトリガされる。

更に別のデータ処理手段１２は、特に、強度において検出された変動に従って、かつ走査手段と協働してアレイに沿って第１の出力の次のサンプルを特定のカンチレバー１と関連付けるように配置される。

全ての関連の信号をデータ処理システム１０に供給することができるので、信号解釈及び走査に洗練されたアルゴリズムを使用することができる。

図３はまた、少なくとも１つの走査要素７２（ピボット回転又は線形変位可能なミラー又はレーザ光源自体のような）を第１の位置から第２の位置に移動させることにより、光ビームが第１の位置から第２の位置への走査要素７２の移動中にアレイ２に沿って個々の要素１によって順番に反射されるように、光ビーム４をアレイに沿って連続的に変位させることによってアレイの第１の連続的な走査を実施するための手段７１を含む走査手段７を概略的に示している。走査手段は、反射が反射検出手段によって検出される位置に（例えば、上述のように強度のピークに）対応する走査要素の選択された位置（図２のダイアグラム２のＢ２軸の特定の点に対応する各位置）を第１の走査中に記録するための手段７３を更に含む。最後に、記録されたデータに従って、１つの選択された位置から次の選択された位置まで段階的に走査要素７２を変位させることによってマイクロカンチレバーの次の走査を実施するための手段がある。

本発明は、マイクロカンチレバーアレイのマイクロカンチレバーの個々の撓みを測定するための使用に実際的であることが見出されている。以下は、２５０ｎｍの距離だけ互いから分離された３つのシリコンマイクロカンチレバーで構成されたマイクロカンチレバーアレイの撓みを測定するように本発明を実用化する方法の一例である。カンチレバーは、各々、２００μｍ長、５０μｍ幅、１μｍ厚であった。この特定の用途においては、バイメタル効果に基づいて、マイクロカンチレバーの撓みは、局所的温度に関連付けられた。各マイクロカンチレバーの上部側には、２０ｎｍ厚の金層を被覆し、そのためにマイクロカンチレバー近くの温度変動によって金層とシリコンの異なる膨張率のために曲げが発生する。例えば、局所的温度が上がると、シリコンに対する金の膨張が大きくなり、マイクロカンチレバーの下方の撓みが発生し、逆に、温度が下がると上方の撓みが発生する。この原理を試験する目的で、マイクロカンチレバーの加熱及び冷却を行うためにアレイの近くに位置するペルチェセルを使用した。アレイの近くでサーミスタを通じて温度を測定し、温度の外部制御のために温度コントローラを含めた。

マイクロカンチレバーの曲げの検出は、先に概説した光ビーム検出法で実施し、そこでは、レンズを使用して、レーザダイオードからのレーザビームをマイクロカンチレバー端部に集束させ、マイクロカンチレバーから反射したレーザビームは、位置検出器内に集光された。アレイ上への入射レーザビームの走査は、ボイスコイルベースのシステム（すなわち、「Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ（ＰＩ） ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．ＫＧ」から販売されている「Ｖ−１０６．２Ｓ」ボイスコイル走査システム）でレーザダイオード光源を変位させることによって行われた。勿論、電導微小位置決め段階及び圧電システムに基づく他の走査システムも使用することができるであろう。

走査システムにより、マイクロカンチレバーのアレイに沿って入射レーザビームを変位させた。実験的な構成は、図２と類似のものであった。位置感知光検知器からの信号をアナログ／デジタルカードに接続し、ソフトウエアで処理し、ＰＣでリアルタイムで視覚化した。同様に、走査の制御は、ソフトウエアで行った。

データ取得システムは、位置検出器からの出力信号（すなわち、光の強度及び入射位置）、並びに走査レーザ光源の関連位置を連続的に測定した。

最初に、アレイの全幅にわたってレーザ光源の初期迅速（ｍｍ／ｓの程度）ｘ−走査が行われた。既に上述のように、レーザビームがアレイのマイクロカンチレバーに当たった時、光強度の著しい増加が光検知器内で検出される。従って、第１の迅速走査後に、レーザ光源位置の関数としての光強度が得られた。レーザビームがマイクロカンチレバー端部に当たるレーザ光源位置に対しては、強度ピークが得られた。閾値を超える反射が検出されたレーザ光源位置では、速度を落として以下の走査が行われた（それによってＳＮ比が改善すると共に、レーザ伝達の時間が最適化される）。レーザがマイクロカンチレバー表面に当たっている時に位置検出器上への反射レーザビームのｚ位置の信号を読み取ることにより、対応するマイクロカンチレバーの撓みを測定した。

これは、強度のある一定の閾値を定めることにより任意に判断された。閾値よりも高い強度は、レーザが少なくとも部分的にはマイクロカンチレバーに当たっていることを意味するとみなした。従って、閾値を超える各強度ピークは、レーザビームがマイクロカンチレバーに当たるレーザ光源位置に対応するとみなした（従って、強度閾値が高いほど、強度ピークが狭くなることを意味する）。

先に概説した３つの方法（すなわち、最大値法、固定法、及び平均法）のいずれかを用いて各マイクロカンチレバーの撓みを判断することができる（説明した例においては、平均法を用いた）。

図４は、アレイの加熱（下方の撓み、グラフの期間Ｉに対応）及び次の冷却（上方の撓み、グラフの期間ＩＩに対応）による３つのカンチレバー（シリコン＋金）の曲げを示すグラフである。各曲線は、カンチレバーの１つに対応する。

本明細書の説明及び特許請求の範囲を通じて、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」という語及び「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」のようなこの語の変形は、他の付加物、構成要素、完全体、又は段階を除外しないものとする。

光ビーム偏向技術を用いてマイクロカンチレバーの端部の変位を測定する従来技術の配置の概略図である。 本発明の好ましい実施形態による配置の概略図である（要素の一部は、図１の従来技術の配置で使用される要素と実質的に同一とすることができ、これらに対して同じ参照番号を使用する）。 図３に示す配置の関連の機能モジュールの概略図である。 本発明の実施形態を用いて実施された温度変化によるカンチレバー曲げに関する測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 要素
２ アレイ
４ 光ビーム
７ 走査手段

Claims (14)

1. アレイ（２）の一部を形成する複数の要素（１）の撓み、傾斜などの変位を検出するためのシステムであって、
   光ビーム（４）をアレイ（２）に向けて放出するように配置された光源（３）と、
   該アレイにより反射された光ビームを受光するように配置され、反射された光ビームの入射位置を示す第１の出力を供給するように配置された光学位置検出器であって、該入射位置が、対応する要素の変位によって判断される光学位置検出器と、
   光ビームが、アレイ（２）に含まれる個々の要素（１）により位置検出器（５）に向けて順番に反射されるように、該アレイ（２）に含まれる複数の要素（１）の配列方向に沿って該光ビーム（４）を変位させるための走査手段（７）と、
   前記光ビームが要素によって反射された時を検出するための反射検出手段（１１）とを含んでおり、
   前記光ビームが要素によって反射されたことを前記反射検出手段（１１）が検出した時に、対応する第１の出力が該要素の変位の指示として取り出されるように配置されており、
   そして、前記反射検出手段（１１）は、
   前記位置検出器によって受光された光の強度を検出するための手段（１１１）と、
   前記強度の変動を検出するための手段（１１２）と、
   を含み、
   前記強度の変動から、前記強度が要素による前記光ビームの反射に対応する時を判断できるよう配置されている、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記強度の変動を検出するための前記手段（１１２）は、該強度のピークを検出するように配置されており、
   前記強度のピークの検出が、要素による前記光ビームの反射の検出となるように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記強度に検出された前記変動に従って、前記第１の出力を前記アレイに沿った特定の要素に関連付けるためのデータ処理手段（１２）を更に含むことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載のシステム。
4. 前記走査手段（７）は、
   少なくとも１つの走査要素（７２）を第１の位置から第２の位置に移動することにより、該第１の位置から該第２の位置への該走査要素（７２）の移動中に前記光ビーム（４）が前記アレイに沿って前記個々の要素によって順番に反射されるように、該アレイに沿って該光ビームを連続的に変位させることによって該アレイの第１の連続的走査を実施するための手段（７１）と、
   前記反射検出手段によって反射が検出された位置に対応する前記走査要素の選択された位置を前記第１の走査中に記録するための手段（７３）と、
   １つの選択位置から次の選択位置まで段階的に前記走査要素（７２）を変位させることによって前記アレイの次の走査を実施するための手段（７４）と、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記位置検出器（５）は、光検知器アレイであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記位置検出器（５）は、連続位置感知検出器であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記光源（３）は、レーザ光源であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記光源（３）は、前記アレイの次に続く要素（１）間の距離よりも小さな直径を有する光ビームを供給するように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記要素は、マイクロ又はナノメカニカル要素であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記要素は、カンチレバーであることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. アレイの一部を形成する複数の要素の撓み又は傾斜のような変位を検出し、このようなアレイの一部を形成する複数のマイクロ又はナノメカニカル要素の変位を検出する方法であって、
    光ビーム（４）をアレイ（２）の方向に向ける段階と、該アレイによる該光ビームの反射時に光学位置検出器を使用して該光ビームを受光し、該位置検出器から第１の出力を供給する段階とを含み、該第１の出力が、該位置検出器上への該反射された光ビームの入射位置を示し、ここで該入射位置が、対応する要素の変位によって判断され、
    さらに、
    アレイ（２）に含まれる個々の要素（１）により、位置検出器（５）に向けて光ビーム（４）が順番に反射されるように、該光ビームを該アレイ（２）に含まれる各要素の配列方向に沿って走査する段階と、
    前記光ビームが要素によって反射される時を検出する段階と、
    前記光ビームが要素によって反射されたことを検出した時に、対応する第１の出力を該要素の変位の指示として取り出す段階と、を含み、
    前記光ビームが要素によって反射された時を検出する段階は、
    前記位置検出器によって受光された光の強度を検出する段階と、
    前記強度の変動を検出する段階と、
    前記強度の変動から、前記強度が要素による前記光ビームの反射に対応する時を判断する段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする方法。
12. 前記強度の変動を検出する前記段階は、該強度のピークを検出する段階を含み、
    前記判断する段階は、前記強度のピークの検出時に、該ピークが要素による前記光ビームの反射に対応すると判断する段階を含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記位置検出器によって受光された前記光ビームの前記強度の変動に従って、データ処理手段を使用して前記第１の出力を前記アレイに沿った特定の要素に関連付ける段階を更に含むことを特徴とする請求項１１及び請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記光ビームを走査する前記段階は、
    少なくとも１つの走査要素（７２）を第１の位置から第２の位置に移動することにより、該第１の位置から該第２の位置への該走査要素（７２）の移動中に前記光ビーム（４）が前記アレイに沿って前記個々の要素によって順番に反射されるように、該光ビームを該アレイに沿って連続的に変位させることによって該アレイの第１の連続走査を実施する段階と、
    前記走査要素による前記光ビームの反射が検出された位置に対応する該要素の選択された位置を前記第１の走査中に記録する段階と、
    １つの選択位置から次の選択位置まで段階的に前記走査要素（７１）を変位させることによって前記アレイの次の走査を実施する段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。

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