JP2007240252A

JP2007240252A - 検出センサ、振動子

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Publication number: JP2007240252A
Application number: JP2006061123A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ikehara; 毅池原; Yoshio Konno; 舜夫昆野; Takashi Mihara; 孝士三原
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Olympus Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Olympus Corp
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】より高感度化を図ることのできる検出センサ、振動子を提供することを目的とする。
【解決手段】貫通孔６０や凹部を振動子３０に形成し、その表面積を増大させることによって、振動子３０の検出感度を向上させ、検出センサ１０の高感度化を図る。このとき、貫通孔６０は、一辺の長さがａの正方形で、開口面積Ａ（＝ａ^２）、開口周長Ｃ（＝４ａ）としたときに、貫通孔６０を形成することによる振動子３０の表面積変化量が正となる条件
ｐ（（ＣＴ／（２Ａ））−１）＞０
を満足するように、空孔率ｐ、開口面積Ａ、開口周長Ｃを設定するのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、質量を有した物質の有無の検出、物質の質量の検出等を行うために用いるのに適した検出センサ、振動子に関する。

マイクロマシン／ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術などの微細加工技術の進展により、機械的な振動子を極めて小さく作ることが可能となっている。これにより振動子そのものの質量を小さく作ることが可能になったことから、分子レベルの極微小な物質（例えば分子やウイルス等）の付着による質量変化によっても、周波数やインピーダンス特性の変動が生ずるほどに高感度な振動子が実現しつつある。このような高感度な振動子を用いれば、極微小な物質の存在や量を検出できるセンサ等を構成することが可能となる。
また、空気の粘性などによる振動エネルギー損失の小さい振動のさせ方（振動モード）を用いることにより、空気中においても極めてＱ値（Quality Factor）の高い振動を振動子に起こさせることが可能になり、これにより精度良く周波数の変動を観測することができるようになってきた。

振動子の周波数変化等によって物質の量を検出する装置としては、ＱＣＭ(Quarts Crystal Micro balance：水晶天秤)センサが知られている。これは、水晶振動子に物質が付着するとその質量に応じて振動周波数が変動する（下がる）性質を利用したもので、微小な質量変化を計測する質量センサとして優れた性能を有しており、例えば膜厚計（蒸着モニタ）としてもよく用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
また、味覚や嗅覚を与える分子を、水晶発振器の表面に形成した脂質二重膜に吸着させ、この質量変化を測定する技術も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

このような方式を採用することで、白金やパラジウムを水素分子の吸着膜として適用した水素ガス検知センサや、ＰＭＭＡポリマーを用いたアルコール成分検知、また食物の匂い検知等が実現できることが既に報告されている。

"ＱＣＭ水晶センサとは・・・・・"、[online]、株式会社多摩デバイス、[平成１７年４月２０日検索]、インターネット＜URL: http://www.tamadevice.co.jp/whats-qcm.htm＞岡畑恵雄、"味覚や嗅覚を重さで計る"、ぶんせき、日本分析化学会、２００３年、１０号、ｐ．６０６−６０９

しかしながら、上記したような、微小質量の付着によって振動特性が変化する振動子を用いたセンサにおいては、さらなる高感度化が常に求められている。
また、従来のＱＣＭセンサでは、振動子の加工は、切断・研磨等の機械加工によるものであり、現状レベル以上への小型化・高感度化は困難であった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より高感度化を図ることのできる検出センサ、振動子を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の検出センサは、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子と、振動子を振動させる駆動部と、振動子における振動の変化を検出することで、物質を検出する検出部と、を備える。そして、振動子に、その表面積を増大させるための孔、凹部、凸部の少なくとも一種が形成されていることを特徴とする。
このようにして、孔や凹部や凸部によって振動子の表面積を増大させることで、振動子に対する物質の付着または吸着量を増大させることができるので、振動子の質量に対し、この振動しに付着または吸着する物質の質量の比が大きくなり、検出センサの感度を向上させることができる。なお、振動子の表面積を増大させることができるのであれば、孔、凹部、凸部はいかなる形状であってもよく、凹部としては溝も含み、凸部としては突条をも含みうるものとする。さらには、孔、凹部、凸部を組み合わせ、例えば凹凸を形成するような構成とすることも可能である。いずれも、孔、凹部、凸部を形成することで、これを形成しない場合に比較して振動子の表面積を向上させることが必要である。
特に、孔や凹部を振動子に形成した場合、これによって振動子は軽量化されるため、振動子の質量に対する物質の質量の比が一層大きくなり、感度向上効果はさらに高まる。

振動子に孔を形成する場合、孔を形成しない状態での振動子の体積に対する孔の体積の比である空孔率をｐ、孔の開口面積をＡ、孔の開口周長をＣとしたときに、
ｐ（（ＣＴ／（２Ａ））−１）＞０
を満足するように、空孔率ｐ、孔の開口面積Ａ、孔の開口周長Ｃを設定するのが好ましい。
これによって、振動子に孔を形成しない状態に対し、孔を形成することで振動子の表面積を増大させることができる。

このような振動子は、一端部が固定された片持ち梁状または両端部が固定された両持ち梁状、あるいはディスク状とすることができる。
そして、検出部は、振動子に付着した物質の量を検出することができる。このとき、検出する物質としては、特定種の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子がある。

ところで、本発明は、上記のような検出センサに用いることのできる振動子とすることもできる。その場合、本発明の振動子は、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子であって、その表面積を増大させるための孔、凹部、凸部の少なくとも一種が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、孔や凹部や凸部によって振動子の表面積を増大させることで、振動子に対する物質の付着または吸着量を増大させることができるので、振動子の質量に対する物質の質量の比を増大させ、検出センサの感度を向上させることができる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における検出センサ１０の構成を説明するための図である。
この図１に示す検出センサ１０は、検知対象となる特定種の分子（以下、単に分子と称する）を吸着することで、ガスや匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。この検出センサ１０は、分子を吸着する吸着部２０を備えた振動子３０、吸着部２０への分子の吸着を検出する検出部（図示無し）から構成されている。

振動子３０には、例えば、図１に示すような一端部が固定された片持ち梁状のカンチレバー式の振動子３０Ａ、あるいは図２に示すようなディスク状の振動子３０Ｂがある。これらの振動子３０Ａ、３０Ｂの表面に吸着部２０を形成し、吸着部２０に分子が吸着されたときの振動子３０Ａ、３０Ｂの状態変化から、分子の吸着を検出するのである。
図１に示したカンチレバー式の振動子３０Ａは、吸着部２０に分子が吸着されると、吸着部２０の質量が増加し、これによって振動子３０Ａのたわみ量が変化するので、その変化量から、検出部（図示無し）にて分子の吸着を検出できるのである。また、分子の吸着により吸着部２０の質量が増加すると、振動子３０Ａと吸着部２０とからなる系の共振周波数が変化するので、その変化から分子の吸着を検出することもできる。この場合、振動子３０Ａは、これを所定の周波数で駆動するための駆動部（図示無し）を備える。このような駆動部としては、静電容量方式と、ピエゾ駆動方式等があり、いずれも所定周波数で振動子３０Ａを振動させるようになっている。検出部（図示無し）では、静電容量方式等により、振動子３０Ａの振動周波数の変化を電気信号として検出し、これによって、吸着部２０への分子の吸着の有無またはその量を測定する。

図２に示したディスク状の振動子３０Ｂは、例えばＳｉによって形成され、支持部３１のみが固定された状態で、残る外周部が自由端となるように支持されている。この振動子３０Ｂの近傍に、駆動電極３２と、検出電極３３とが設けられ、駆動電極３２、検出電極３３は、振動子３０Ｂに対し所定の電圧を印加したときに、静電結合が生じるよう、微小の間隙を隔てて配置されている。

このような振動子３０Ｂにおいては、所定の周波数を有した電気的な信号を電源から駆動電極３２に印加すると、静電結合等により、振動子３０Ｂが前記の周波数で振動する。検出電極３３では、振動子３０Ｂの電気的な振動を、静電結合により検出し、これを検出部（図示無し）に出力する。このとき、振動子３０Ｂに質量を有した物質が付着すると、その質量の影響を受けて振動子３０Ｂの振動数が変化する。したがって、検出部（図示無し）では、検出電極３３から出力される電気的な振動をモニタリングすることで、振動子３０Ｂへの物質の付着の有無、あるいは振動子３０Ｂへの物質の付着量を検出することが可能となっている。

吸着部２０は、無機系材料や、有機系材料からなる膜によって形成することができる。
吸着部２０を構成する無機系材料とすれば、代表的なものに二酸化チタン（ＴｉＯ_２）があり、吸着効率を高めるために二酸化チタンを多孔体状とするのが好ましい。そして、この吸着部２０を、振動子３０Ａ、３０Ｂの全面を覆うように形成するのが好ましい。吸着部２０を構成する有機系材料としては、ポリアクリル酸、ポリスチレン、ポリアクリルアミン、ポリジメチルシロキサン、ポリ塩化ビニル、ポリメタクリル酸メチル等のあらゆる高分子等がある。
この吸着部２０では、特定種の分子のみを吸着する、分子に対する選択性を有したものとすることができ、その選択性は、高分子を形成する官能基や、架橋の状態等の様々な要素で決まると考えられる。

さて、本発明においては、上記のような構成を有する検出センサ１０において、検出部（図示無し）を構成する振動子３０Ａ、３０Ｂの表面に、貫通孔（孔）６０や凹部等が多数形成されている。
貫通孔６０や凹部は、これを形成することで振動子３０Ａ、３０Ｂの表面積を増大させるとともに、振動子３０Ａ、３０Ｂの質量を減少させるために形成されている。

このような貫通孔６０を形成するには、シリコン等の薄膜をエッチングして振動子３０Ａを作製する際に、振動子３０Ａの外形形状を形成するためのフォトマスクに、貫通孔６０を形成するための開口を形成しておけば良い。これにより、通常の振動子３０Ａを形成するためのエッチング工程で、貫通孔６０も同時に形成することができる。つまり、従来に比較し、フォトマスクの形状を変更するのみで、貫通孔６０を形成することができるのである。

さて、貫通孔６０を形成することによる検出感度向上について、カンチレバー式の振動子３０Ａの場合を例に挙げて考える。
振動子３０Ａにおいては、表面に質量Δｍの物質が付着すると、元の共振周波数ｆ０からΔｆだけ共振周波数が低下する。その変化量Δｆは、振動子３０Ａの質量をｍ０としたとき、
Δｆ／ｆ０＝−Δｍ／（２ｍ０） …（１）
であることが知られている。
振動子３０Ａに、貫通孔６０を形成した場合、その質量検出感度は、式（１）より、
Δｆ／ｆ０＝−Δｍ／（２（１−ｐ）ｍ０） …（２）
となる。但しここで、ｐは、振動子３０Ａに貫通孔６０を形成しない場合を０とし、その全てが貫通孔６０となる（すなわち振動子３０Ａが存在しない）場合を１としたときの、振動子３０Ａの体積に対する貫通孔６０の体積の比を示す空孔率である。
また、振動子３０Ａに貫通孔６０を形成することによって、振動子３０Ａの表面積も変化する。振動子３０Ａの長さをＬ、幅をＷ、厚さＴ（但しＬ＞Ｔ，Ｗ＞Ｔ）としたときに、振動子３０Ａの元々の表面積Ｓは、
Ｓ≒２ＬＷ …（３）
である。これに対し、振動子３０Ａの上下を貫通するように、一辺の長さがａの正方形の貫通孔６０を形成した場合、開口面積Ａ＝ａ^２、開口周長Ｃ＝４ａであり、貫通孔６０の上下の開口相当分の面積減少と、貫通孔６０の内周面による面積増加分を考えると、貫通孔６０を形成することによる振動子３０Ａの表面積変化率ΔＳ／Ｓは、
ΔＳ／Ｓ＝ｐ（（２Ｔ／ａ）−１） …（４）
となる。
したがって、貫通孔６０を形成する場合、その開口の一辺の長さａが、振動子３０Ａの厚さＴの２倍（２Ｔ）より小さければ（ａ＜２Ｔ）、式（４）の表面積変化率ΔＳ／Ｓが正となることがわかる。

上記条件を満足するように振動子３０Ａに貫通孔６０を形成することで、振動子３０Ａの表面積を増大させることができる。検出対象となる分子が、周囲の雰囲気中に一定濃度で存在する場合、振動子３０Ａへの分子の付着質量は、振動子３０Ａの表面積に比例する。したがって、振動子３０Ａの質量感度自体は同じであっても、分子に対する振動子３０Ａにおける検出感度は、その表面積に応じて増大する。
また、貫通孔６０を形成することで、振動子３０Ａの軽量化が図られる。これにより、振動子３０Ａの質量感度が向上することになる。

例えば、厚さＴ＝５μｍの振動子３０Ａに、寸法ａ＝２μｍの貫通孔６０を、振動子３０Ａの空孔率がｐ＝０．２５となるように形成したとする。この場合、振動子３０Ａの質量感度は、式（１）および（２）から、貫通孔６０を形成しない場合の１．３３倍となる。また、振動子３０Ａの表面積は、式（４）から、貫通孔６０を形成しない場合の２．０倍（１＋ΔＳ／Ｓ＝２．０倍）となる。
したがって、振動子３０Ａにおける分子の検出感度は、両者の積の約２．７倍となる。

貫通孔６０の開口形状は、上記例のような正方形に限らず、図３に示すような形状をはじめ、様々な形状とすることができる。その場合、貫通孔６０であれば、貫通孔６０の開口面積をＡ、開口周長をＣとしたときに、振動子３０Ａの表面積変化率ΔＳ／Ｓは、
ΔＳ／Ｓ＝ｐ（（ＣＴ／（２Ａ））−１） …（５）
となる。このとき、ΔＳ／Ｓ＞０となるように、空孔率ｐ、開口面積Ａ、開口周長Ｃを設定することで、上記と同様の効果を得ることが可能となる。

なお、ここでは貫通孔６０を用いて説明したが、同じような効果が出せる凹部や凸部であっても良い。凹部は、振動子３０Ａの表面にフォトリソグラフィ法等を用いて作成した穴を、振動子３０Ａの厚さ方向の途中までエッチングすることで形成される。また凸部は穴の反転パターンを用いて振動子３０Ａの表面にフォトリソグラフィ法等で作成したパターンを、振動子３０Ａの厚さ方向の途中までエッチングすることで形成される。
貫通孔６０に変えて凹部や凸部を形成する場合、振動子３０Ａの上下面の表面積は、凹部や凸部を形成しない場合と変わらないため、凹部や凸部の側面積の分だけ単純に振動子３０Ａの表面積が増大するため、振動子３０Ａの検出感度を向上させることができる。
また、ディスク状の振動子３０Ｂの場合や、両端部が固定された両持ち端状の振動子の場合も、同様の考え方を適用することができるのは言うまでもない。

このようにして、貫通孔６０や凹部を振動子３０Ａに形成し、その表面積を増大させることによって、振動子３０Ａの検出感度を向上させ、その結果、検出センサ１０の高感度化を図ることが可能となる。
しかも、貫通孔６０や凹部は、工程を増やすことなく、振動子３０Ａを形成するためのＭＥＭＳ加工によって形成することができるため、低コストで上記効果を得ることができ、非常に有効な技術となっている。

また、上記実施の形態では、吸着部２０を振動子３０Ａ上に設ける構成としたが、これに限るものではなく、振動子３０Ａやディスク状の振動子３０Ｂ自体を二酸化チタンからなる多孔体によって形成するようにしても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態におけるカンチレバー状の振動子を備えた検出センサを示す斜視図である。本実施の形態におけるディスク状の振動子を備えた検出センサを示す斜視図である。振動子に形成した孔の他の例を示す図である。

符号の説明

１０…検出センサ、２０…吸着部、３０、３０Ａ、３０Ｂ…振動子、６０…貫通孔（孔）

Claims

質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子と、
前記振動子を振動させる駆動部と、
前記振動子における振動の変化を検出することで、前記物質を検出する検出部と、を備え、
前記振動子に、その表面積を増大させるための孔、凹部、凸部の少なくとも一種が形成されていることを特徴とする検出センサ。
前記振動子に前記孔が形成され、
前記孔を形成しない状態での前記振動子の体積に対する前記孔の体積の比である空孔率をｐ、前記孔の開口面積をＡ、前記孔の開口周長をＣとしたときに、
ｐ（（ＣＴ／（２Ａ））−１）＞０
とされていることを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
前記振動子は、一端部または両端部が固定された梁状であることを特徴とする請求項１または２に記載の検出センサ。
前記振動子は、ディスク状であることを特徴とする請求項１または２に記載の検出センサ。
前記検出部は、前記振動子に付着した前記物質の量を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の検出センサ。
前記物質が特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の検出センサ。
質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子であって、
その表面積を増大させるための孔、凹部、凸部の少なくとも一種が形成されていることを特徴とする振動子。