JP5462698B2

JP5462698B2 - Resonant sensor device having a cantilever array

Info

Publication number: JP5462698B2
Application number: JP2010103209A
Authority: JP
Inventors: イリナ・キミロバ; エレーナ・シェスタコバ
Original assignee: University of Aizu
Current assignee: University of Aizu
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2011232194A

Description

この発明は対象物質を検出するための共振センサ装置に関する。 The present invention relates to a resonance sensor device for detecting a target substance.

非特許文献１は、半導体基板に形成されたソースおよびドレイン、およびカンチレバー・フローティングゲートを有する共振ゲート・トランジスタを記載している。カンチレバー・フローティングゲートはフローティングゲートと基板表面上の表面電極との間に可変周波数信号を加えて、ソート、ドレイン間のチャンネルに流れる電流を変調すると振動する。 Non-Patent Document 1 describes a resonant gate transistor having a source and a drain formed on a semiconductor substrate, and a cantilever floating gate. The cantilever floating gate vibrates when a variable frequency signal is applied between the floating gate and the surface electrode on the substrate surface to modulate the current flowing in the channel between the sort and drain.

非特許文献２は、２次元電子ガス（2DEG）チャンネルのソース、ドレイン電流を制御するフローティングゲートとして作用する浮きカンチレバーを有するフローティングゲート高電子移動度トランジスタ（HEMT）を開示している。 Non-Patent Document 2 discloses a floating gate high electron mobility transistor (HEMT) having a floating cantilever that acts as a floating gate that controls the source and drain currents of a two-dimensional electron gas (2DEG) channel.

2DEGを感知システムに使用する考えは、多くの応用分野で実践されており、非特許文献３には2DEGを含む応力感知低温GaAs/AlGaAs FETが記載され、非特許文献４には、集積2DEGを有する微細加工されたカンチレバー磁力計が記載され、非特許文献５には、メカニカルな共振器を有するAlGaAs/GaAsヘテロ構造の2DEGが記載されている。２DEGは半導体ヘテロ接合、たとえば小さいバンドギャップの非ドープの真性GaAs層（i-GaAs層）と大きいバンドギャップのδドープのｎ型Al_xGa_1-xAs層(n-AlGaAs層)との接合で形成されることが知られており、i-GaAs層は、i-GaAs層に形成される2DEGチャンネルに電子を供給するソースとして作用する。 The idea of using 2DEG for sensing systems has been practiced in many applications, Non-Patent Document 3 describes stress-sensing low-temperature GaAs / AlGaAs FETs containing 2DEG, and Non-Patent Document 4 describes integrated 2DEG. A micromachined cantilever magnetometer is described, and Non-Patent Document 5 describes a 2DEG of an AlGaAs / GaAs heterostructure having a mechanical resonator. 2DEG is a semiconductor heterojunction, for example, a junction between a small band gap undoped intrinsic GaAs layer (i-GaAs layer) and a large band gap δ-doped n-type Al _x Ga _1-x As layer (n-AlGaAs layer). The i-GaAs layer acts as a source for supplying electrons to the 2DEG channel formed in the i-GaAs layer.

特許文献１は、基板と、基板に形成されたソース、ドレインと、カーボン・ナノチューブとを備える共振トランジスタを開示しており、カーボン・ナノチューブは、トランジスタのチャンネル領域上に片持ち梁(カンチレバー)状に設けられている。基板上でカンチレバーのゲートの下に入力電極が設けられている。ナノチューブ・ゲートと入力電極との間に可変周波数信号を加えると、加えた信号の周波数でナノチューブ・ゲートが振動し、その結果、時間とともに変化する電界が生じ、FETの電流を変調し、入力電極とソース、ドレイン出力との間のインピーダンスが変化する。FETのソース、ドレイン電流の変化はナノチューブの共振周波数で最大となる。 Patent Document 1 discloses a resonant transistor including a substrate, a source and a drain formed on the substrate, and a carbon nanotube. The carbon nanotube is in a cantilever shape on a channel region of the transistor. Is provided. An input electrode is provided on the substrate under the cantilever gate. When a variable frequency signal is applied between the nanotube gate and the input electrode, the nanotube gate vibrates at the frequency of the applied signal, resulting in an electric field that changes over time, modulating the FET current and the input electrode. And the impedance between the source and drain outputs. The change in the source / drain current of the FET is maximized at the resonance frequency of the nanotube.

特許文献２は、様々の環境状態において目的物質の存在を正確に検出し測定する集積カンチレバー感知アレイを開示している。カンチレバー・センサシステムは、光学計測ヘッドを有するカンチレバーが発生する発振特性を測定する。このヘッドは、光源およびカンチレバーアレイのカンチレバーによって反射された入射光を検出するよう配置された検出器を備えている。 Patent Document 2 discloses an integrated cantilever sensing array that accurately detects and measures the presence of a target substance in various environmental conditions. The cantilever sensor system measures an oscillation characteristic generated by a cantilever having an optical measurement head. The head includes a detector arranged to detect incident light reflected by the light source and the cantilever of the cantilever array.

計測ヘッドは、応力によって生じた曲がり、熱による曲がりによるカンチレバーの偏光を検出し測定することによってアレイのカンチレバーの動きを検出し測定し、またはAC（交流）集団（mass）の検出を使用して共振周波数のシフトを検出する。化学的感知の応用では、カンチレバーは感知対象のオブジェクトの分子を吸収し、曲がるなどの反応を示す感知層で被覆されている。ターゲットの分子がカンチレバーにくっつくと、カンチレバーの質量、応力、または温度が変化する。カンチレバーの動きを測定することによって、この変化を検出することができる。カンチレバー・センサの一つの動作モードは、交流（AC）集団の検出である。共振周波数のシフトを測定することによって、カンチレバーにくっついた材料の量を推測することができる。 The measuring head detects and measures the movement of the cantilever in the array by detecting and measuring the polarization of the cantilever due to bending caused by stress and bending due to heat, or using AC (alternating current) mass detection Resonance frequency shift is detected. In chemical sensing applications, the cantilever is coated with a sensing layer that exhibits a reaction such as absorbing and bending molecules of the object to be sensed. As the target molecule sticks to the cantilever, the cantilever's mass, stress, or temperature changes. This change can be detected by measuring the movement of the cantilever. One mode of operation of the cantilever sensor is the detection of an alternating current (AC) population. By measuring the resonance frequency shift, the amount of material stuck to the cantilever can be inferred.

生物学および薬学におけるプロセスの総合的な理解のためには、分子、細胞および組織のレベルで複数のパラメータの変化をモニタする必要がある。従来のシステムにおける単一のバイオマーカーの検出では、限られた特殊性のため、十分に満足のいく情報は得られない。たとえば、癌の診断は、従来の単一のバイオマーカーのモニターから複数のマーカーの検出にシフトしてきている。理想的には一つのセンサ・プラットフォームを使用して複数のバイオマーカーを同時に検出する技術が非常に魅力的である。カンチレバーアレイに基づくバイオ感知技術は、高感度および選択性をもつ複数ターゲット検出の要請に応えることができる潜在性をもっている。 For a comprehensive understanding of processes in biology and pharmacy, it is necessary to monitor changes in multiple parameters at the molecular, cellular and tissue level. Detection of a single biomarker in a conventional system does not provide sufficiently satisfactory information due to limited specificity. For example, cancer diagnosis has shifted from traditional single biomarker monitoring to detection of multiple markers. Ideally, a technology that uses a single sensor platform to detect multiple biomarkers simultaneously is very attractive. Biosensing technology based on cantilever arrays has the potential to meet the demand for multi-target detection with high sensitivity and selectivity.

非特許文献６は、共振カンチレバー・フローティングゲートHEMTの等価回路モデルを開示している。 Non-Patent Document 6 discloses an equivalent circuit model of a resonant cantilever / floating gate HEMT.

非特許文献７は、くぼみをもつカンチレバーを使用する、流体におけるバイオマーカー検出を記載している。 Non-Patent Document 7 describes biomarker detection in fluids using cantilevers with indentations.

米国特許番号 7,579,618 B2U.S. Patent No. 7,579,618 B2 米国特許出願公開番号 2005/0121615 A1US Patent Application Publication No. 2005/0121615 A1

エイチ.シー.ナザンソン、IEEE トランザクションエレクトロンデバイセズ ED-14、117-133ページ、1967年H. Nathanson, IEEE Transactions Electron Devices ED-14, pp. 117-133, 1967 ダブリュ.エイチ.テー他、「微細加工のフローティングゲート高電子移動度トランジスタの4.2Kにおける特性」、ジャーナルオブアプライドフィジックス Vol. 97、114-507ページ、2005年W. H. et al., "Characteristics of microfabricated floating gate high electron mobility transistors at 4.2K", Journal of Applied Physics Vol. 97, pages 114-507, 2005 アール.ジー.ベック他、「AsAs/GaAlAs マイクロ・エレクトロメカニカルシステムにおける統合応力検出のための応力感知低温電界効果トランジスタ」、アプライドフィジックスレター vol. 68、3763-3765ページ、1996年R. G. Beck et al., "Stress-sensing low-temperature field-effect transistors for integrated stress detection in AsAs / GaAlAs micro-electromechanical systems", Applied Physics Letter vol. 68, 3763-3765, 1996 エム.ピー.シュワルツ他、「集積２次元電子システムを有するマイクロメカニカル・カンチレバー磁力計」、アプライドフィジックスレター Vol. 76、3564-3566ページ、2000年MP Schwarz et al., "Micromechanical cantilever magnetometer with integrated two-dimensional electronic system", Applied Physics Letter Vol. 76, pages 3654-3566, 2000 ジェイ.カーシュバウム他、「ナノメカニクス応用のための増大サスペンド量子ドット回路」、アプライドフィジックスレター vol. 81、280-282ページ、2002年J. Kirshbaum et al., “Increasing Suspended Quantum Dot Circuits for Nanomechanics Applications”, Applied Physics Letter vol. 81, 280-282, 2002 アイ.キミロバ、「共振カンチレバーフローティングゲートHEMTの等価回路モデル」、マイクロおよびナノエンジニアリングについての32回国際コンファレンス（MNE 2006）、スペイン、バルセロナ、2006年、811-812ページI. Kimirova, “Equivalent Circuit Model of Resonant Cantilever Floating Gate HEMT”, 32nd International Conference on Micro and Nano Engineering (MNE 2006), Barcelona, Spain, 2006, pp. 811-812 ティー.ピー.バーグ他、「流体中のバイオ分子、単細胞、単ナノ粒子の重さ軽量」、ネイチャー vol. 446、1066-1069ページ、2007年T. P. Berg et al., “Biomolecules in fluids, single cells, single nanoparticle weight and weight”, Nature vol. 446, pp. 1066-1069, 2007

この発明は、高感度、高い選択精度でオブジェクトを検出するための共振センサ装置を提供することを目的とする。また、この発明は、複数のオブジェクトを検出するため異なる長さのカンチレバーのアレイを有する共振センサ装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a resonance sensor device for detecting an object with high sensitivity and high selection accuracy. Another object of the present invention is to provide a resonance sensor device having an array of cantilevers of different lengths for detecting a plurality of objects.

上記の課題は、特許請求の範囲に記載される共振センサ装置によって解決される。典型的にはこの発明の共振センサ装置は、半導体基板、および２次元電子ガス層を提供する、その界面にヘテロ接合を有する活性層およびバリア層を備える。ソース、ドレイン電極が半導体基板に設けられている。ソース、ドレイン電極の間でセンサ装置の表面に表面電極が設けられている。この表面電極の上方でソース、ドレイン電極の間に一つまたは複数の共振カンチレバーアレイが設けられている。共振センサ装置は、さらに共振カンチレバーに可変周波数の入力信号を加えるための信号源を備えている。検出器がソース、ドレイン間の電流を検出する。 Said subject is solved by the resonance sensor apparatus described in a claim. The resonant sensor device of the present invention typically includes a semiconductor substrate and an active layer and a barrier layer that provide a two-dimensional electron gas layer and have a heterojunction at its interface. Source and drain electrodes are provided on the semiconductor substrate. A surface electrode is provided on the surface of the sensor device between the source and drain electrodes. One or more resonant cantilever arrays are provided between the source and drain electrodes above the surface electrode. The resonance sensor device further includes a signal source for applying an input signal having a variable frequency to the resonance cantilever. A detector detects the current between the source and drain.

この発明の一形態では、可変周波数信号がカンチレバーを駆動して振動させる。この振動は、加えた信号の周波数がカンチレバーの固有の基礎共振周波数またはその高調波に一致するときピークに達する。 In one form of the invention, the variable frequency signal drives the cantilever to vibrate. This vibration peaks when the frequency of the applied signal matches the natural fundamental resonant frequency of the cantilever or its harmonics.

この発明のもう一つの形態では、共振カンチレバーには少なくとも一つの感応材料が被覆されており、感知対象のオブジェクト分子との間で相互作用を生じる。ターゲットとして選ばれたオブジェクト分子を吸収すると、カンチレバーの特性が変わり、特に質量が増すとカンチレバーの共振周波数が低くなる。 In another form of the invention, the resonant cantilever is coated with at least one sensitive material and causes an interaction with the object molecule to be sensed. Absorption of the object molecule selected as the target changes the characteristics of the cantilever, especially when the mass increases, the cantilever resonance frequency decreases.

この発明の一形態では、検出器は、入力信号の周波数を予め定めた範囲で変えるとき、ソース、ドレインの間の電流のピークを検出するよう構成されている。 In one aspect of the present invention, the detector is configured to detect a current peak between the source and the drain when the frequency of the input signal is changed within a predetermined range.

この発明の一実施形態では、共振センサ装置は、共振センサ装置の少なくとも一つのピーク電流の基準特性（周波数および波形）を格納するメモリを備えている。検出器は、検出された電流のピークをこのメモリに記憶された基準特性と比較し、オブジェクト分子の検出を判定する。検出器は、検出されたピークの周波数シフトの大きさに基づいて検出された分子の濃度を判定する。 In one embodiment of the present invention, the resonance sensor device includes a memory that stores reference characteristics (frequency and waveform) of at least one peak current of the resonance sensor device. The detector compares the detected current peak with the reference characteristic stored in this memory to determine the detection of the object molecule. The detector determines the concentration of the detected molecule based on the magnitude of the frequency shift of the detected peak.

この実施形態では、アレイに含まれる同じカンチレバーの数が多いと検出電流の振幅が大きくなるので、検出された信号とバックグラウンドとの比率は大きくなる。 In this embodiment, when the number of the same cantilevers included in the array is large, the amplitude of the detection current increases, so that the ratio between the detected signal and the background increases.

この発明のもう一つの実施形態では、カンチレバーアレイは異なる長さの少なくとも二つのカンチレバーを含んでおり、異なる共振周波数で共振する。共振センサ装置のメモリは、少なくとも二つのピーク電流の基準特性（周波数および波形）を記憶している。 In another embodiment of the invention, the cantilever array includes at least two cantilevers of different lengths and resonates at different resonant frequencies. The memory of the resonance sensor device stores reference characteristics (frequency and waveform) of at least two peak currents.

この発明の一実施例の共振センサ装置の斜視図。The perspective view of the resonance sensor apparatus of one Example of this invention. 図１Aの装置のA−A’断面を示す図。The figure which shows the A-A 'cross section of the apparatus of FIG. 1A. 異なる長さのカンチレバーを有する実施例の共振センサ装置の斜視図。The perspective view of the resonance sensor apparatus of the Example which has a cantilever of different length. 中空の溝を有するカンチレバーを示す図。The figure which shows the cantilever which has a hollow groove | channel. この発明の共振センサ装置を用いた検出システムの実施例のブロック図。The block diagram of the Example of the detection system using the resonance sensor apparatus of this invention. 異なる長さのカンチレバーを有する正規化されたソース、ドレイン電流の波形図。FIG. 6 is a waveform diagram of normalized source and drain currents having cantilevers of different lengths. 異なるカンチレバーの二つのアレイを有するセンサ装置の正規化されたソース、ドレイン電流の波形図。FIG. 4 is a waveform diagram of normalized source and drain currents of a sensor device having two arrays of different cantilevers.

この発明は、複数の共振カンチレバーがフローティングゲートの作用をするＨＥＭＴ状の構造をもつ共振センサ装置を提供する。カンチレバーは、電気的に刺激されると振動しカンチレバーの下方の２ＤＥＧ表面の電界を変え、その結果、２ＤＥＧの濃度が変わり、２ＤＥＧチャンネルの抵抗が変わる。 The present invention provides a resonant sensor device having a HEMT-like structure in which a plurality of resonant cantilevers act as floating gates. The cantilever vibrates when electrically stimulated and changes the electric field on the 2DEG surface below the cantilever, resulting in a change in 2DEG concentration and a change in resistance of the 2DEG channel.

カンチレバーに加えられる交流電圧の周波数がカンチレバーの機械的な共振周波数に一致するとき、ソース、ドレイン電流にピークが現れる。アレイのカンチレバーがすべて同じもので同じ共振周波数をもつならば、単一の機械的な共振周波数に対応する周波数で単一のピークが現れる。カンチレバーアレイが、２つ以上のグループのカンチレバーを含み、一つのカンチレバー・グループが他のカンチレバー・グループとは異なる機械的共振周波数をもつならば、加える交流電圧の周波数を予め決めた範囲で変えていくとき、異なるグループに対応する複数のピークがソース、ドレイン電流に現れる。 When the frequency of the alternating voltage applied to the cantilever matches the mechanical resonance frequency of the cantilever, peaks appear in the source and drain currents. If the cantilevers of the array are all the same and have the same resonance frequency, a single peak appears at a frequency corresponding to a single mechanical resonance frequency. If the cantilever array includes two or more groups of cantilevers, and one cantilever group has a different mechanical resonance frequency than the other cantilever groups, the frequency of the applied AC voltage can be varied within a predetermined range. As time passes, multiple peaks corresponding to different groups appear in the source and drain currents.

図１Ａは、この発明による共振カンチレバーデバイスの一実施例の斜視図である。典型的には、基板21は、半誘電性のGaAs層を含み、その上に非ドープの真性GaAs層24およびnドープのAlGaAs層25がエピタキシャル成長により重ねられている。AlGaAs層25とのヘテロ界面において真性GaAs層に２DEGが生成されることが知られている。AlGaAs層25は、GaAs層24に形成された２DEG層への電子の供給源として作用し、２DEG層と表面電極26との間のバリアとしても作用する。この明細書では、２DEG層を含むGaAs層24を全体的に活性層24と呼び、AlGaAs層25は、２DEGチャンネルを提供する限り他のヘテロ接合でもよいので、全体的にバリア層と呼ぶ。通常の電界効果トランジスタと同様にソース接点22およびドレイン接点23が設けられている。 FIG. 1A is a perspective view of one embodiment of a resonant cantilever device according to the present invention. Typically, the substrate 21 includes a semi-dielectric GaAs layer on which an undoped intrinsic GaAs layer 24 and an n-doped AlGaAs layer 25 are overlaid by epitaxial growth. It is known that 2DEG is generated in the intrinsic GaAs layer at the heterointerface with the AlGaAs layer 25. The AlGaAs layer 25 acts as a source of electrons to the 2DEG layer formed in the GaAs layer 24 and also acts as a barrier between the 2DEG layer and the surface electrode 26. In this specification, the GaAs layer 24 including the 2DEG layer is generally referred to as the active layer 24, and the AlGaAs layer 25 may be another heterojunction as long as it provides the 2DEG channel, and is therefore generally referred to as the barrier layer. Similar to a normal field effect transistor, a source contact 22 and a drain contact 23 are provided.

浮いた微細加工のカンチレバー27は、一端が基板に一体的に留められており、上述の非特許文献１および２に記載される構造と同様にソース、ドレイン電流を制御するフローティングゲートとして作用する。カンチレバーに加えられる電圧Vgによりカンチレバーの変位を生じ、カンチレバーと装置の上面との間のギャップおよび電界が変化し、カンチレバーの下の２DEGチャンネルに誘起される電子の濃度を変える。その結果、その結果、活性層24の抵抗が変化しソース、ドレイン電流が変化する。 The floated microfabricated cantilever 27 is integrally fixed to the substrate at one end, and acts as a floating gate for controlling the source and drain currents in the same manner as the structures described in Non-Patent Documents 1 and 2 above. The voltage Vg applied to the cantilever causes displacement of the cantilever, changing the gap and electric field between the cantilever and the top surface of the device, changing the concentration of electrons induced in the 2DEG channel under the cantilever. As a result, the resistance of the active layer 24 changes, and the source and drain currents change.

カンチレバーに加えられる電圧に可変周波数ωの交流成分が含まれるとき、カンチレバーは同じ周波数で振動する。可変周波数ωがｎ番目のカンチレバーの機械振動の共振周波数ω_mnと一致すると、ソース、ドレイン電流にピークが現れる。各カンチレバーに加えられる電圧Vg(t)が直流成分V0および小さな交流成分δVを含むとき、電圧Vg(t)は次の式で表すことができる。
Vg(t) = V₀ + δVexp(jωt)
( δV << V₀ ) When the voltage applied to the cantilever includes an AC component of variable frequency ω, the cantilever vibrates at the same frequency. When the variable frequency ω matches the resonance frequency ω _mn of the mechanical vibration of the nth cantilever, peaks appear in the source and drain currents. When the voltage Vg (t) applied to each cantilever includes a DC component V0 and a small AC component ΔV, the voltage Vg (t) can be expressed by the following equation.
Vg (t) = V ₀ + δVexp (jωt)
(δV << V ₀ )

ｎ番目のカンチレバーの下のHEMTにおけるシート電子の密度は、非特許文献６に記載されるように次の形で表すことができる。

The density of sheet electrons in the HEMT under the nth cantilever can be expressed in the following form as described in Non-Patent Document 6.

ここで、Σ₀はVg=0における２DEGのシート電子密度であり、d_gは広いバンドギャップのバリア層の厚みであり、d_anはカンチレバーとHEMT表面との間隔であり、ε_rは比誘電率、ξ_nはｎ番目のカンチレバーの変位である。浮いたカンチレバーを点質量モデルに置き換えれば、ξ_nは非特許文献６に記載される強制減衰同調発信器についての次の式を解くことにより求めることができる。

Where Σ ₀ is the sheet electron density of 2DEG at Vg = 0, d _g is the thickness of the wide bandgap barrier layer, d _an is the distance between the cantilever and the HEMT surface, and ε _r is the dielectric constant The rate, ξ _n is the displacement of the nth cantilever. If the floating cantilever is replaced with a point mass model, ξ _n can be obtained by solving the following equation for the forced decay tuning oscillator described in Non-Patent Document 6.

ここで、ω_0nは、実行質量M_nでばね係数k_cnのｎ番目の点質量のカンチレバーの機械振動の基本モードの共振周波数であり、γ_nは減衰係数、ξ_0nは直流バイアスによるカンチレバーの変位、C_anはC_an= ε₀WL_n/d_anで表されるキャパシタンス、ε₀は真空の誘電率、Wはカンチレバーの幅、L_nはｎ番目のカンチレバーの長さである。 Where ω _0n is the resonance frequency of the fundamental mode of mechanical vibration of the nth point mass cantilever with the _effective mass M _n and the spring coefficient k _cn , γ _n is the damping coefficient, ξ _0n is the cantilever of the cantilever due to DC bias Displacement, C _an is a capacitance represented by C _an = ε ₀ WL _n / d _an , ε ₀ is a vacuum dielectric constant, W is the width of the cantilever, and L _n is the length of the nth cantilever.

R_2DEGで示される２DEGの抵抗およびI_sdで示されるソース、ドレイン電流は、次の式で表される。

The resistance of 2DEG indicated by R _2DEG and the source and drain currents indicated by I _sd are expressed by the following equations.

ソース、ドレイン電流の周波数依存成分δI_ωは次の式から求めることができる。

The frequency dependent component ΔI _ω of the source / drain current can be obtained from the following equation.

I⁰ _sdはソース、ドレイン電流で、R₀はδV=0での２DEGチャンネルの抵抗、すなわち直流電圧がカンチレバーに加えられたときの２DEGチャンネルの抵抗である。ｎ番目のカンチレバーの下の２DEGチャンネル抵抗の周波数依存成分δR_ωnは次の式で求めることができる。

I ⁰ _sd is the source / drain current, and R ₀ is the resistance of the 2DEG channel when δV = 0, that is, the resistance of the 2DEG channel when a DC voltage is applied to the cantilever. The frequency dependent component δR _ωn of the 2DEG channel resistance under the nth cantilever can be determined by the following equation.

ここで、eおよびμはそれぞれ電子電荷および移動度を示す。V’_thおよびξ’_0nはそれぞれ次の式で与えられる。

Here, e and μ indicate the electronic charge and mobility, respectively. V ′ _th and ξ ′ _0n are given by the following equations, respectively.

たとえば、共振センサ装置が長さL₁のカンチレバーをN個、長さL₂のカンチレバーをM個もっているとき、正規化した周波数依存ソースドレイン電流成分δIω/I ⁰ _sd は次の式で与えられる。

ここで

For example, when the resonant sensor device has N cantilevers with length L ₁ and M cantilevers with length L ₂ , the normalized frequency-dependent source-drain current component δIω / I ⁰ _sd Is given by:

here

再度図１を参照すると、カンチレバー27の上面は感応層28で被覆されている。カンチレバー27はドーピングされたポリシリコン、または金属導電層で被覆されたSiNまたはプラスチックのような導電性材料で作られているので、カンチレバーに電圧を加えることができる。導電性であるか、または導電性被覆によって導電性にすることができれば、特許文献２に記載されるような既知のカンチレバー材料を使用することもできる。 Referring again to FIG. 1, the upper surface of the cantilever 27 is covered with a sensitive layer 28. Since the cantilever 27 is made of doped polysilicon or a conductive material such as SiN or plastic coated with a metal conductive layer, a voltage can be applied to the cantilever. Known cantilever materials such as those described in US Pat. No. 6,057,836 can also be used if they are conductive or can be made conductive by a conductive coating.

感応層28は、カンチレバー27の上面に付着されている。感応層の厚みは数十ナノメートルの範囲である。感応層28は、感知対象のオブジェクト物質の分子を吸収、拘束またはなんらかの態様でこれと相互作用する材料で作られている。ターゲットの分子が感応層28に拘束されると、カンチレバー27の質量が変わり、その結果、機械的共振の周波数が変わる。 The sensitive layer 28 is attached to the upper surface of the cantilever 27. The thickness of the sensitive layer is in the range of tens of nanometers. The sensitive layer 28 is made of a material that absorbs, constrains or otherwise interacts with molecules of the object material to be sensed. When the target molecule is constrained by the sensitive layer 28, the mass of the cantilever 27 changes, resulting in a change in the frequency of mechanical resonance.

図２Aを参照すると、一実施例では、共振カンチレバーデバイスは、長さL₁のカンチレバー27-1を１個と長さL₂のカンチレバー27-2を１個備えている。もう一つの実施例では、共振カンチレバーデバイスは、長さL₁の同じカンチレバー27-1を４個含む第１のアレイと長さL₂の同じカンチレバー27-2を３個含む第２のアレイを備えている。 Referring to Figure 2A, in one embodiment, a resonant cantilever device comprises one one cantilever 27-2 length L ₂ of the cantilever 27-1 length L _1. In another embodiment, the resonant cantilever device, the second array comprising three first same cantilever 27-2 array and the length L ₂ which includes four identical cantilevers 27-1 length L ₁ I have.

この発明の共振カンチレバーデバイスは複数のタイプのカンチレバーを含むことができる。図の例では、カンチレバー27-1は、長さL₁が6.15ミクロンで機械的な共振周波数が7.0MHzであり、カンチレバー27-2は、長さL₂が3.94ミクロンで機械的共振周波数が11.9MHzである。 The resonant cantilever device of the present invention can include multiple types of cantilevers. In the illustrated example, cantilever 27-1 has a length L ₁ of 6.15 microns and a mechanical resonance frequency of 7.0 MHz, and cantilever 27-2 has a length L ₂ of 3.94 microns and a mechanical resonance frequency of 11.9 microns. MHz.

カンチレバー27-1は、第１のオブジェクト物質と相互作用するための感応層28-1を備えており、カンチレバー27-2は第２のオブジェクト物質を相互作用するための感応層28-2を備えている。共振カンチレバーデバイスは、さらに異なるタイプのカンチレバーを含むことができる。 The cantilever 27-1 includes a sensitive layer 28-1 for interacting with the first object material, and the cantilever 27-2 includes a sensitive layer 28-2 for interacting with the second object material. ing. The resonant cantilever device can further include different types of cantilevers.

図２Bは、カンチレバーのもう一つの実施例を示す。この実施例では、非特許文献７で教示されている、流体感知のための中空の溝（トレンチ）すなわちマイクロチャンネルを感応層に代えて備えている。 FIG. 2B shows another embodiment of a cantilever. In this embodiment, a hollow groove (trench) or microchannel for fluid sensing as taught in Non-Patent Document 7 is provided instead of the sensitive layer.

この発明の共振カンチレバーデバイスは、既知の技術または将来開発される技術を使用して制作することができる。活性層24は、典型的には２次元電子ガス（２DEG）である２次元のキャリアガスを有する層とすることができる。 The resonant cantilever device of the present invention can be fabricated using known or future developed technologies. The active layer 24 can be a layer having a two-dimensional carrier gas, typically a two-dimensional electron gas (2DEG).

個々の微細加工制作されたカンチレバーは、駆動電圧を加えることによって機械的振動が励起される。カンチレバーの下面と鏡面電極の上面との間のギャップd_aがカンチレバーの振動によって変化し、２次元キャリアガスの上面における電界の強度が変化する。その結果、２次元キャリアガスの濃度が変化する。カンチレバーの下の２次元キャリアガスの濃度は、その領域の電気抵抗を決める。抵抗が変化すると、ソースとドレインの間を流れる電流が変わり、この変化は既知の技術を用いて電流を測定することにより検出することができる。 Individual microfabricated cantilevers are excited by mechanical vibrations by applying a drive voltage. Gap d _a between the upper surface of the cantilever of the lower surface and the mirror surface electrode is changed by the vibration of the cantilever, the electric field intensity of the upper surface of the two-dimensional carrier gas is changed. As a result, the concentration of the two-dimensional carrier gas changes. The concentration of the two-dimensional carrier gas under the cantilever determines the electrical resistance in that region. As the resistance changes, the current flowing between the source and drain changes, and this change can be detected by measuring the current using known techniques.

図３は、この発明の共振センサ装置の一実施例の機能ブロック図である。一実施例では、共振センサ装置は、共振カンチレバーデバイス11を備え、共振カンチレバーデバイス11は、オブジェクト物質を検出するため、オブジェクト物質を含んでいる環境に配置される。共振カンチレバーデバイス11は、可変周波数源13から加えられるＲＦ信号によって活性化される。可変周波数源13は、既知の電圧制御可変周波数発信器で構成することができる。ＲＦ信号の周波数は、３MHzから15MHｚの範囲で変えることができる。ソース・ドレイン電流検出器15が共振カンチレバーデバイス11のソース、ドレイン電流を測定する。RF信号の周波数がカンチレバーの機械的振動の共振周波数と一致するとき、ソース、ドレイン電流がこの共振周波数でピークを示す。ピーク検出器16がそのようなピークを検出する。 FIG. 3 is a functional block diagram of an embodiment of the resonance sensor device of the present invention. In one embodiment, the resonant sensor device comprises a resonant cantilever device 11, which is placed in an environment containing the object material for detecting the object material. The resonant cantilever device 11 is activated by the RF signal applied from the variable frequency source 13. The variable frequency source 13 can be composed of a known voltage controlled variable frequency transmitter. The frequency of the RF signal can vary from 3 MHz to 15 MHz. The source / drain current detector 15 measures the source / drain current of the resonant cantilever device 11. When the frequency of the RF signal matches the resonance frequency of the mechanical vibration of the cantilever, the source and drain currents show a peak at this resonance frequency. A peak detector 16 detects such a peak.

ピーク検出器16は、サンプルアンドホールド(sample and hold)回路で構成することができ、アナログ・ディジタル変換器がソース、ドレイン電流のアナログ波形を一定間隔でサンプリングし、変化する周波数に関しソース、ドレイン電流のディジタル値（サンプル値）のシーケンスを生成する。ピーク検出器16は、サンプル値を保持し、変化する周波数に関し一定の間隔でソース、ドレイン電流のサンプル値を保持することによりソース、ドレイン電流のピークを検出し、最大値を検出することができる。 The peak detector 16 can be composed of a sample and hold circuit, and an analog / digital converter samples an analog waveform of the source and drain currents at regular intervals, and the source and drain currents with respect to the changing frequency. A sequence of digital values (sample values) is generated. The peak detector 16 holds the sample value and can detect the peak of the source and drain currents by holding the sample value of the source and drain currents at a constant interval with respect to the changing frequency, and can detect the maximum value. .

異なるタイプのカンチレバーのそれぞれについて、予め共振周波数が測定され、共振周波数およびピークの大きさ（振幅）がメモリ18に記憶されている。物質検出ユニット19は、検出されたピークを予め求められた基準ピークと周波数および大きさについて比較することによって、目的物質の検出を判定する。物質検出ユニット19は、こうして検出された物質を示す出力を提供する。この出力は、検出された物質の濃度の表示を含むことができる。 The resonance frequency is measured in advance for each of the different types of cantilevers, and the resonance frequency and the magnitude (amplitude) of the peak are stored in the memory 18. The substance detection unit 19 determines the detection of the target substance by comparing the detected peak with a reference peak obtained in advance in terms of frequency and magnitude. The substance detection unit 19 provides an output indicating the substance thus detected. This output can include an indication of the concentration of the detected substance.

図４は、長さL₁=6.15ミクロンの一つのカンチレバーおよび長さL₂=3.94ミクロンの一つのカンチレバーを備える共振カンチレバーデバイス11から得られる波形を示す。この発明の共振センサ装置の一実施例について、RF周波数を7MHzから13MHzの範囲で変化させてソース、ドレイン電流を測定した。図４の波形は、共振カンチレバーデバイスの正規化したソース、ドレイン電流δI_ω / I⁰ _sdを表す。長い方のカンチレバーはその共振周波数においてピークAを示し、短い方のカンチレバーはその共振周波数においてピークBを示す。ピークAおよびBは、それぞれ長いカンチレバーおよび短いカンチレバーに固有である。ピークAおよびBの特性はメモリ18に基準データとして記憶されており、測定データとの比較に用いられる。この特性は、共振周波数および正規化したソース、ドレイン電流δI_ω / I⁰ _sd を含む。 FIG. 4 shows the waveform obtained from a resonant cantilever device 11 comprising one cantilever with a length L ₁ = 6.15 microns and one cantilever with a length L ₂ = 3.94 microns. With respect to one embodiment of the resonance sensor device of the present invention, the source and drain currents were measured while changing the RF frequency in the range of 7 MHz to 13 MHz. The waveform in FIG. 4 represents the normalized source and drain currents δI _ω / I ⁰ _sd of the resonant cantilever device. The longer cantilever shows a peak A at its resonance frequency, and the shorter cantilever shows a peak B at its resonance frequency. Peaks A and B are unique to long and short cantilevers, respectively. The characteristics of the peaks A and B are stored as reference data in the memory 18 and are used for comparison with measurement data. This characteristic includes the resonant frequency and the normalized source and drain currents ΔI _ω / I ⁰ _sd .

短いカンチレバーはオブジェクト物質と相互作用しターゲットの分子を拘束する感応材料で被覆されている。長いカンチレバーは、異なるオブジェクト物質と相互作用する他の感応材料で被覆されていてよい。共振カンチレバーデバイスがオブジェクト物質にさらされるとき、短いカンチレバーの感応材料がそのターゲット分子と相互作用して分子を吸収し拘束する。拘束されたターゲット分子の質量だけ短いカンチレバーの質量が増し、その結果、共振周波数が低くなる。短いカンチレバーの共振周波数はピークB’に対応する周波数として検出される。電流ピークBとB’との間の周波数シフトΔfを計測することができ、この周波数シフトの大きさに基づいてターゲット物質の濃度を求めることができる。こうして共振センサ装置は、共振周波数のシフトを検出し計測することにより、オブジェクト物質を探査する。 The short cantilever is coated with a sensitive material that interacts with the object material and restrains the target molecule. Long cantilevers may be coated with other sensitive materials that interact with different object materials. When a resonant cantilever device is exposed to an object material, a short cantilever sensitive material interacts with its target molecule to absorb and restrain the molecule. The mass of the cantilever that is shorter by the mass of the constrained target molecule increases, resulting in a lower resonant frequency. The resonance frequency of the short cantilever is detected as a frequency corresponding to the peak B '. The frequency shift Δf between the current peaks B and B ′ can be measured, and the concentration of the target substance can be obtained based on the magnitude of this frequency shift. In this way, the resonance sensor device searches for the object substance by detecting and measuring the shift of the resonance frequency.

図５は、共振センサ装置11のもう一つの実施例で、図２Aに示すように２つの異なるカンチレバーアレイを有するものでの正規化されたソース、ドレイン電流の波形を示す。第１のカンチレバーアレイは、長さ6.15ミクロンの複数のカンチレバー27-1を含み、第２のカンチレバーアレイは、長さ3.94ミクロンの複数のカンチレバー27-2を含んでいる。波形は、ピークAおよびBと同じ周波数において二つのピークASとBSを有する。ピークAおよびBは、図４に示したピークである。図５からわかるように、この実施例の共振カンチレバーデバイス11は、ただ一つのカンチレバーをもつデバイスよりも大きい出力信号を生成する。 FIG. 5 shows the normalized source and drain current waveforms for another embodiment of the resonant sensor device 11 having two different cantilever arrays as shown in FIG. 2A. The first cantilever array includes a plurality of cantilevers 27-1 having a length of 6.15 microns, and the second cantilever array includes a plurality of cantilevers 27-2 having a length of 3.94 microns. The waveform has two peaks AS and BS at the same frequency as peaks A and B. Peaks A and B are the peaks shown in FIG. As can be seen from FIG. 5, the resonant cantilever device 11 of this embodiment produces a larger output signal than a device with only one cantilever.

したがって、同じ長さの複数のカンチレバーを有する共振カンチレバーデバイスは、大きい信号対背景比を提供する。 Thus, a resonant cantilever device having multiple cantilevers of the same length provides a large signal to background ratio.

２１基板
２４２次元電子ガス
２６表面電極
２７カンチレバー
２８感応層 21 Substrate 24 Two-dimensional electron gas 26 Surface electrode 27 Cantilever 28 Sensitive layer

Claims

共振カンチレバーデバイスを備える共振センサ装置であって、前記共振カンチレバーデバイスは、
２次元電子ガス(2DEG)層を形成するヘテロ接合、ソースおよびドレイン電極、および前記共振カンチレバーデバイスの上面において前記ソースおよびドレイン電極の間に形成された表面電極を備える基板と、
前記表面電極の上方に設けられ、前記基板に一端において取り付けられている共振カンチレバーのアレイと、を備え、
前記共振センサ装置は、
前記共振カンチレバーのアレイにRF信号を加えるためのRF信号源と、
前記ソースおよびドレインの間を流れる電流を検出するための検出器と、
を備える、共振センサ装置。 A resonant sensor device comprising a resonant cantilever device, wherein the resonant cantilever device is
A substrate comprising a heterojunction forming a two-dimensional electron gas (2DEG) layer, source and drain electrodes, and a surface electrode formed between the source and drain electrodes on an upper surface of the resonant cantilever device;
An array of resonant cantilevers provided above the surface electrode and attached at one end to the substrate;
The resonance sensor device includes:
An RF signal source for applying an RF signal to the array of resonant cantilevers;
A detector for detecting a current flowing between the source and drain;
A resonance sensor device comprising:

前記共振カンチレバーのそれぞれは、前記RF信号源から加えられるRF信号によって駆動されて振動し、該RF信号がそれぞれの共振カンチレバーの共振周波数と一致するとき該共振カンチレバーがより大きな振幅で振動する、請求項１に記載の共振センサ装置。 Each of the resonant cantilever, said vibrating is driven by an RF signal applied from the RF signal source, said resonant cantilever vibrates with a greater amplitude when said RF signal coincides with the resonant frequency of the respective resonant cantilever, wherein Item 5. The resonance sensor device according to Item 1.

前記共振カンチレバーが感知対象の分子と相互作用して該共振カンチレバーの共振周波数をシフトさせる少なくとも一つの感性層で被覆されている、請求項２に記載の共振センサ装置。 It said resonant cantilever interacts with the sensed molecules are coated with at least one sensitive layer shifting the resonant frequency of the resonant cantilever resonant sensor device according to claim 2.

前記検出器は、前記RF信号の周波数が変化されるとき、前記ソース、ドレイン間の電流のピークを検出するよう構成されている、請求項３に記載の共振センサ装置。 The resonance sensor device according to claim 3, wherein the detector is configured to detect a peak of a current between the source and the drain when the frequency of the RF signal is changed.

前記共振カンチレバーを前記RF信号で駆動するときの、該共振カンチレバーの振動の基準特性を記憶するメモリを備え、
前記検出器は、検出した電流のピークの特性を前記基準特性と比較して前記感性層と相互作用した物質を判定する、請求項４に記載の共振センサ装置。 When driving the resonant cantilever by said RF signal, a memory for storing reference characteristics of the vibration of the resonant cantilever,
The resonance sensor device according to claim 4, wherein the detector determines a substance that interacts with the sensitive layer by comparing a characteristic of a detected current peak with the reference characteristic.

前記検出器は、前記周波数のシフトの大きさに基づいて前記物質の濃度を判定する、請求項５に記載の共振センサ装置。 The resonance sensor device according to claim 5, wherein the detector determines a concentration of the substance based on a magnitude of the frequency shift.

前記共振カンチレバーのアレイが異なる長さで異なる共振周波数の少なくとも２つの共振カンチレバーを含む、請求項１から６のいずれかに記載の共振センサ装置。 Comprising at least two resonant cantilever different resonant frequencies in the array is different from the length of the resonant cantilever resonant sensor device according to any one of claims 1 to 6.

少なくとも一つの共振カンチレバーが流体を感知するための中空の溝を有する、請求項１または２に記載の共振センサ装置。 The resonance sensor device according to claim 1 or 2, wherein at least one resonance cantilever has a hollow groove for sensing fluid.