JP2986280B2 - Tunnel current sensing micro device - Google Patents
Tunnel current sensing micro deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、トンネル電流検知マ
イクロデバイスに関するものである。さらに詳しくは、
この発明は、メカトロニクス、エレクトロニクス等の諸
分野における加速度センサーやマイクロ走査トンネル顕
微鏡等に有用な新しいマイクロデバイスに関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tunnel current detecting micro device. For more information,
The present invention relates to a new micro device useful for an acceleration sensor, a micro scanning tunnel microscope, and the like in various fields such as mechatronics and electronics.
【０００２】[0002]
【従来の技術とその課題】近年、エレクトロニクス、メ
ディカルエレクトロニクス等の諸分野において、マイク
ロマシンや精密計測装置およびその微細要素についての
研究が精力的に進められてきている。これらの開発にお
いては、変位や力を取出すためのアクチュエータをどの
ように構成するのかが重要な課題になっており、すでに
そのためのいくつかの提案がなされている。2. Description of the Related Art In recent years, in various fields such as electronics and medical electronics, researches on micromachines, precision measuring devices and their fine elements have been vigorously advanced. In these developments, how to configure an actuator for extracting displacement and force has become an important issue, and several proposals have already been made.
【０００３】一方、このような微小変位を検知して、こ
れを超高精度の計測機器等のシステムに利用するため
に、トンネル電流の検知方法とその利用が注目されてい
る。原子的微小距離に接近させた２個の導体の間を流れ
るこのトンネル電流は、これらの導体間の距離（トンネ
ルギャップ）により、大きく変化を受ける。この原理を
利用して、走査トンネル顕微鏡が作られ、また走査トン
ネル顕微鏡は微小な変位の検出にも応用されている。On the other hand, in order to detect such a minute displacement and use it in a system such as an ultra-high-precision measuring instrument, a method of detecting a tunnel current and its use have been attracting attention. This tunnel current flowing between two conductors approaching an atomic distance is greatly changed by the distance between these conductors (tunnel gap). Using this principle, a scanning tunneling microscope has been made, and the scanning tunneling microscope has also been applied to the detection of minute displacements.
【０００４】このような装置において、トンネルギャッ
プは非常に精度よく制御されなければならないが、その
ためには震動と装置の熱膨張への対処が重要な課題とな
る。これを解決する理想的な手段は、装置を極力小さく
作ることである。しかし、走査トンネル顕微鏡は、トン
ネル電流を検知する探針と試料表面の間の距離を、人間
の手で扱える距離から原子的微小距離にまで接近させる
ために、粗動機構を持っており、この機構の寸法（ｃｍ
程度以上必要）により、小型化が制限される。In such a device, the tunnel gap must be controlled with very high precision. For this purpose, it is important to deal with vibration and thermal expansion of the device. The ideal solution to this is to make the device as small as possible. However, scanning tunneling microscopes have a coarse adjustment mechanism to reduce the distance between the probe that detects the tunnel current and the sample surface from a distance that can be handled by human hands to an atomically small distance. Mechanism dimensions (cm
Or more), miniaturization is limited.
【０００５】このため、従来の走査トンネル顕微鏡では
主として非常に厳重な除震と熱遮蔽を行うことで解決し
ようとしている。しかしながら、このような従来の方式
や機構によっては、より小型化や簡便化には制約がある
ため、この制約を超えるための新しい手段の実現が望ま
れていた。[0005] For this reason, the conventional scanning tunneling microscope attempts to solve the problem mainly by performing very severe vibration isolation and heat shielding. However, there is a restriction on downsizing and simplification depending on such a conventional system or mechanism, and it has been desired to realize a new means for overcoming this restriction.
【０００６】この発明は、以上の通りの課題を解決する
ためになされたものであり、トンネル電流の検知システ
ムとしての特徴を生かし、構造の小型・微細化が可能
で、しかも高精度な変位の検出が可能である新しいマイ
クロデバイスを提供することを目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and makes use of the features of a tunnel current detection system, which enables a structure to be miniaturized and miniaturized and has a highly accurate displacement. It is intended to provide a new micro device capable of detection.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、櫛歯端面の対向構造を有し、ト
ンネル電流を検知する微細探針を一方の櫛歯端面保有部
に配設したトンネル電流検知マイクロデバイスであっ
て、微細探針の対向面を、櫛歯端面の対向構造および微
細探針が形成されている基板に集積してなることを特徴
とするトンネル電流検知マイクロデバイスを提供する。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has a structure in which end faces of comb teeth are opposed to each other, and a fine probe for detecting a tunnel current is provided in one of the end faces of the comb teeth. Installed tunnel current sensing microdevice.
Te, the opposing surfaces of the fine probe, facing structure of the comb teeth end face and fine
Provided is a tunnel current detecting microdevice characterized by being integrated on a substrate on which a fine probe is formed .
【０００８】この発明のマイクロデバイスによって、微
細探針の対向面まで集積しているため、従来の粗動機構
が排除でき、非常に小型化でき、従来の走査トンネル顕
微鏡よりも遙かに簡単な除震装置および熱遮蔽で使用可
能となる。この発明のデバイスは微小な変位の検出器と
見なすことができ、変位を検出したい相手を対向面とし
て集積できる利点がある。このため、加速度センサ、原
子間力顕微鏡プローブ、さらにはマイクロ走査トンネル
顕微鏡をも可能とする。Since the microdevice of the present invention is integrated up to the opposing surface of the fine probe, the conventional coarse movement mechanism can be eliminated, the size can be reduced very much, and it is much simpler than the conventional scanning tunnel microscope. It can be used in seismic isolation devices and heat shields. The device of the present invention can be regarded as a detector for detecting a minute displacement, and has an advantage that a partner whose displacement is to be detected can be integrated as an opposing surface. For this reason, an acceleration sensor, an atomic force microscope probe, and a micro scanning tunnel microscope are also made possible.
【０００９】以下、添付した図面に沿って、この発明の
トンネル電流検知マイクロデバイスについて詳しく説明
する。Hereinafter, the tunnel current detecting microdevice of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
【００１０】[0010]
【実施例】添付した図面の図１は、この発明のマイクロ
デバイスの一例を示した模式図であり、図２は、その具
体的な構成例である。たとえばこの図１から明らかなよ
うに、この発明のトンネル電流検知マイクロデバイス
は、櫛歯端面（１）（２）の対向構造を有し、トンネル
電流を検知する微細探針（３）を、櫛歯端面（１）
（２）を有する平板部（１１）（１２）の一方の平板部
（１２）に配設している。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 of the accompanying drawings is a schematic diagram showing an example of the microdevice of the present invention, and FIG. 2 is a specific configuration example thereof. For example, as apparent from FIG. 1, the tunnel current detecting microdevice of the present invention has a structure in which comb tooth end faces (1) and (2) are opposed to each other, and a fine probe (3) for detecting tunnel current is provided with a comb. Tooth end surface (1)
It is arranged on one flat plate portion (12) of the flat plate portions (11) and (12) having (2).
【００１１】平板部（１２）は弾性支持されていて、図
の上下方向に動かすことができる。櫛歯端面（１）
（２）の間に駆動電圧を印加することにより、これらの
間に生じる静電引力で平板部および微細探針を図の上方
に動かし、トンネルギャップすなわち微細探針先端と対
向部（１３）の間の距離を調節することができる。トン
ネル電流の大きさはトンネルギャッの変化に敏感に反応
するので、トンネル電流の大きさを一定に制御すること
は、トンネルギャップを一定に制御することにもなる。
したがって、このデバイスにおいて上記の方法でトンネ
ルギャップを調節してトンネル電流一定の制御を行う
と、対向部の変位（図における上下方向）を駆動電圧の
変化から探知することができる。The flat plate portion (12) is elastically supported and can be moved up and down in the figure. End face of comb teeth (1)
By applying a driving voltage during (2), the flat plate portion and the fine probe are moved upward in the drawing by electrostatic attraction generated between them, and the tunnel gap, that is, the tip of the fine probe and the opposing portion (13) are moved. The distance between can be adjusted. Since the magnitude of the tunnel current is sensitive to the change in the tunnel gap, controlling the magnitude of the tunnel current to be constant also controls the tunnel gap to be constant.
Therefore, if the tunnel gap is adjusted by the above method to control the tunnel current constant in this device, the displacement of the opposing portion (vertical direction in the figure) can be detected from the change in the driving voltage.
【００１２】そして、この例として示したデバイスにつ
いては、たとえば図１のＡ−Ａ断面を示した図３のよう
に、シリコン基板（４）の上にたとえば２．５μｍ厚の
ＳｉＯ2 膜（５）を配設し、さらに４μｍ厚のポリシリ
コン（６）、さらにニッケル（７）の反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）に対するレジスト膜を配設した後に、
リソグラフィでデバイスの形を決定し、ＲＩＥによりポ
リシリコンを垂直にエッチングし、ＲＩＥレジストを除
去した後、ＨＦによるＳｉＯ2 膜（５）のエッチングを
行ない微細探針（３）部を形成することができる。この
ことは、櫛歯端面（１）（２）の対向構造を有するアク
チュエータの全体についての微細加工プロセスに連関し
てもいる。In the device shown as this example, for example, as shown in FIG. 3 showing a cross section taken along the line AA in FIG. 1, a 2.5 μm thick SiO 2 film (5) is formed on a silicon substrate (4). ), And a resist film for reactive ion etching (RIE) of polysilicon (6) and nickel (7) having a thickness of 4 μm is further provided.
After determining the shape of the device by lithography, vertically etching the polysilicon by RIE and removing the RIE resist, the SiO 2 film (5) is etched by HF to form a fine probe (3). it can. This is related to the microfabrication process for the entire actuator having the comb tooth end surfaces (1) and (2) facing each other.
【００１３】もちろん、この発明は、その構成素材、構
造パターンにおいて上記の例に限定されるものではな
く、様々な態様が可能であることは言うまでもない。た
とえば図４は、厚子間力顕微鏡のプローブを対向面とし
て集積した例を示している。図５は、ディスプレイスメ
ントとトンネル電流の検知例を示したものである。理論
的に予測されるトンネル電流と変位との間の非線形な関
係が観測された。Of course, the present invention is not limited to the above examples in the constituent materials and the structural patterns, and it goes without saying that various modes are possible. For example, FIG. 4 shows an example in which probes of the Atsushi Tsumi microscope are integrated as facing surfaces. FIG. 5 shows an example of detection of displacement and tunnel current. A non-linear relationship between the theoretically predicted tunnel current and displacement was observed.
【００１４】以上の例からも明らかなように、この発明
のデバイスは、トンネル電流を使って微小距離変化を検
知することができ、そのことを利用して原子間力の顕微
鏡、加速度センサ等に応用することができる。つまり、
原子間力顕微鏡の探針の取付けられたバネの変位や、加
速度計の重なりの変位を検出するのに利用できる。そし
て図４にも示したように、変位を検出する相手も同じ基
板上に集積できる利点がある。As is clear from the above examples, the device of the present invention can detect a minute distance change by using a tunnel current, and by utilizing this, it can be used for an atomic force microscope, an acceleration sensor, and the like. Can be applied. That is,
It can be used to detect the displacement of the spring attached to the probe of the atomic force microscope and the displacement of the overlap of the accelerometer. Then, as shown in FIG. 4, there is an advantage that the partner for detecting the displacement can be integrated on the same substrate.
【００１５】また、原子間力顕微鏡型プローブでは、１
０ｐｍ程度の変位を検出する必要かあるが、従来は光を
利用して変位を検出していた。それには大きな光学系が
必要で、そのためプローブを走査すると光学系全体を走
査する必要があるため、実際には試料側を動かすように
なっており、走査トンネル顕微鏡よりもかなり複雑な装
置である。しかしながら、図４のような構造を使えば、
変位の検出機構ごと走査できるため、走査トンネル顕微
鏡程度の装置で原子間力間顕微鏡が実現できる。なお、
図４は原子間力顕微鏡の探針を基板外に露出させてな
い、試験的に製作した段階を示している。In an atomic force microscope type probe, 1
Although it is necessary to detect a displacement of about 0 pm, the displacement has conventionally been detected using light. This requires a large optical system, and thus scanning the probe requires scanning the entire optical system. Therefore, the sample is actually moved on the sample side, which is considerably more complicated than a scanning tunneling microscope. However, if a structure as shown in FIG. 4 is used,
Since the scanning can be performed for each of the displacement detection mechanisms, an atomic force microscope can be realized with an apparatus such as a scanning tunnel microscope. In addition,
FIG. 4 shows a stage in which the probe of the atomic force microscope is experimentally manufactured without exposing the probe outside the substrate.
【００１６】そして、３次元走査機構に拡張すること
で、マイクロ走査トンネル顕微鏡への発展も可能であ
る。By expanding the scanning mechanism to a three-dimensional scanning mechanism, it is possible to develop a micro scanning tunnel microscope.
【００１７】[0017]
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、小型、微細化可能な、高感度、高精度なトンネル
電流検知マイクロデバイスが実現される。As described above in detail, according to the present invention, a high-sensitivity and high-accuracy tunnel current detecting microdevice which can be miniaturized and miniaturized is realized.
【図１】この発明の一例を示した模式平面図である。FIG. 1 is a schematic plan view showing an example of the present invention.
【図２】図１の具体例としての基板上に形成された微細
なパターンを表した図面に代わる写真である。FIG. 2 is a photograph replacing a drawing showing a fine pattern formed on a substrate as a specific example of FIG. 1;
【図３】探針部形成を示した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing formation of a probe part.
【図４】原子間力顕微鏡のプローブを対向面として集積
した例としての基板上に形成された微細なパターンを表
した図面に代わる写真である。FIG. 4 is a photograph replacing a drawing showing a fine pattern formed on a substrate as an example in which probes of an atomic force microscope are integrated as opposing surfaces.
【図５】トンネル電流の検知例を示したパターン図であ
る。FIG. 5 is a pattern diagram showing an example of detecting a tunnel current.
１、２ 櫛歯端面 ３ 微細探針 １１、１２ 平板部 １３ 対向部 ４ シリコン基板 ５ ＳｉＯ2 膜 ６ ポリシリコン ７ ニッケル1, 2 end face of comb teeth 3 fine probe 11, 12 flat plate 13 facing part 4 silicon substrate 5 SiO 2 film 6 polysilicon 7 nickel
Claims (1)
流を検知する微細探針を一方の櫛歯端面保有部に配設し
たトンネル電流検知マイクロデバイスであって、微細探
針の対向面を、櫛歯端面の対向構造および微細探針が形
成されている基板に集積してなることを特徴とするトン
ネル電流検知マイクロデバイス。A fine probe for detecting a tunnel current having a structure opposing a comb tooth end face is disposed in one of the comb tooth end face holding portions.
Tunneling current sensing microdevice, wherein the opposing surface of the fine probe is formed by the opposing structure of the comb tooth end surface and the fine probe.
A tunnel current sensing microdevice characterized by being integrated on a formed substrate .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4050559A JP2986280B2 (en) | 1992-03-09 | 1992-03-09 | Tunnel current sensing micro device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4050559A JP2986280B2 (en) | 1992-03-09 | 1992-03-09 | Tunnel current sensing micro device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06102005A JPH06102005A (en) | 1994-04-12 |
| JP2986280B2 true JP2986280B2 (en) | 1999-12-06 |
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| CN107807255B (en) * | 2017-10-19 | 2020-02-18 | 东南大学 | A Tunnel Magnetoresistive Accelerometer Device Based on Micro Hydraulic Amplification |
-
1992
- 1992-03-09 JP JP4050559A patent/JP2986280B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH06102005A (en) | 1994-04-12 |
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