圧電微小力センサーによる液中走査型力顕微鏡の開発

使用压电微力传感器开发水下扫描力显微镜

• 批准号: 07750074
• 负责人: 伊藤 寿浩
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1995
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1995 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07750074/
• 关键词: 圧電微小力センサー; 走査型力顕微鏡; AFM; 圧電薄膜; 液中動作; SFM; 自己励振

本研究では、高粘性抵抗下でも自己励振が可能な圧電微小力センサーを用いることにより、液中で動作することが可能なダンナミック走査型力顕微鏡を開発を行った。具体的には、まず液体環境での使用に耐えると共に、機械的Q値が低い共振状態でも振動状態を検出することが可能な高感度の圧電微小力センサーを設計・開発した。そして、圧電微小力センサーの液中での振動特性を特定を行った。さらに、開発した圧電微小力センサーを使って液中走査型力顕微鏡を構成し、試料観察によってその有効性を確認した。(1)圧電微小力センサーの設計:圧電微小力センサーの振動特性や感度は、層構造やレバ-長,幅に大きく依存する。さらに、走査型力顕微鏡の力情報の分解能もカンチレバ-の剛性や固有振動数に関係している。そこで、伝達マトリックス法を用いて、液中における粘性抵抗などを考慮したカンチレバ-振動の解析を行った。また、上記の項目を総合的に検討して、圧電微小力センサーの形状の設計を行った。特に、自己励振時に圧電効果による動アドミッタンス成分のみを検出するため、補償パターンを付加した構造を採用することにした。そして、これらの結果に基づいてセンサー製作プロセスおよびマスクパターンの設計を行った。(2)圧電微小力センサーの製作:設計した製作プロセスに基づいて圧電微小力センサーの試作を行った。特に重要なプロセスは、圧電薄膜の形成とパターンを液体から保護する膜の形成である。圧電薄膜としてゾルゲル法によるPZTを用いるとともに、保護膜としてシリコン酸化膜を用いて、所要の構造を有するセンサーを試作することができた。(3)液中振動特性の測定:センサーのカンチレバ-部をプロパノール中に入れた状態で圧電電流の周波数特性を測定することにより、液中での機械的Q値約6の共振を確認することができた。(4)走査型力顕微鏡実験:液中動作の走査型力顕微鏡を構成し、プロパノール中で1μmピッチの回折格子の観察を行うことに成功した。以上により、本研究では圧電微小力センサーSFMシステムの液中観察における有効性を実証した。

In this study, the development of self-excited micromirrors with high viscosity resistance was studied. Specific design and development of high sensitivity and low voltage micro-force in liquid environment, mechanical Q value, low resonance state and vibration state The vibration characteristics of the liquid with low voltage and small force are specified. For example, the development of micro-electric force in the solution to explore the micro-mirror structure, sample detection and effectiveness of (1)Design of voltage micro-force: vibration characteristics, sensitivity, layer structure, length and amplitude of voltage micro-force In this paper, we investigate the relationship between the force information decomposition and the number of rigid and natural vibrations of a walk-through force microscope. The method of viscosity resistance in liquid is used to analyze vibration. The above items are integrated into the design of the shape of the electric micro-force device. In particular, when excited, the vibration of the motor is reduced. The results of the survey are as follows: (2)The manufacture of voltage micro-force equipment: design, manufacture, test and implementation of voltage micro-force equipment Especially important is the formation of a thin film of high voltage and high voltage. For example, if a film is used, it may be used as a protective film. (3)Measurement of vibration characteristics in liquid: measurement of cycle number characteristics of voltage current in liquid state, mechanical Q value of about 6, and confirmation of resonance. (4)Walking force microscope: Walking force microscope working in liquid is composed of 1μm and 1μm folding lattice. In this study, we demonstrated the effectiveness of low voltage SFM system in fluid monitoring.

项目成果

T. Itoh and T. Suga: "Self-excited force sensing micuocatilevers with piezoelechic thin films for dynamic Scanning force microscopy" Sensors and Actuators A. (発表予定). (1996)

T. Itoh 和 T. Suga：“用于动态扫描力显微镜的自激力传感微猫”传感器和执行器 A.（即将发表）。

C. Lee, T. Itoh and T. Suga: "Micromachined piezo electric force sensors based on PZT thin films." IEEE Trans. on Ultrasonics, Piezoelectric and Fregguercy Conpol. (発表予定). (1996)

C. Lee、T. Itoh 和 T. Suga：“基于 PZT 薄膜的微机械压电力传感器。”超声波、压电和 Fregguercy Conpol（即将发表）。