JP2010078334A - 検出センサ、振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の高感度化を図ることのできる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】ディスク状の振動子２０の一部を覆うように設けた駆動／検出部４０Ａによって振動子２０を駆動させる方式とすることで、圧電層や駆動電極等によって振動子２０の振動が阻害されるのを抑え、振動子２０のＱ値を向上する。また、駆動／検出部４０Ａを振動子２０の表面に形成することで、当該振動子２０を外部から静電容量変化を与えて振動させる場合に比較し、振動子２０の外周部と他の部材との間隙を広く確保することができ、製作時における加工容易性を高める。
【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。すなわち振動子の大きさが大幅に小さくなったことにより、振動子の周波数がＧＨｚレベルにまで高くなり、しかもＳｉを材料とすることができるため、半導体回路との一体化を目指した研究に発展しつつある。

振動子の一種として、ディスク状の振動子がある。ディスク状の振動子の機械的振動に関する基礎的研究は、古くから行われてきており、ディスク状の振動子の振動状態を規定する振動姿態（振動モード）等の基礎的研究は既に終了したと言ってもよく、現在はマイクロマシン／ＭＥＭＳ技術によって製作された振動子のＲＦ信号濾波器への応用を目的とした研究が盛んに行われている（例えば、非特許文献参照。）。

C. T.-C. Nguyen, "Vibrating RF MEMS Technology : Fuel for an Integrated Microchemical Circuit Revolution?." The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers `05), Korea, June 5-9, 2005

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や濾波器においては、さらなる高感度化、小型化、低価格化が常に求められている。そこで、ディスク状の振動子のＭＥＭＳ化に伴う研究課題として、高感度化のためのＱ値の向上、振動子の駆動・検出法、濾波器への応用を目的として振動子の組み合わせによる特性制御等があり、これらについては継続的に鋭意研究が行われている。
本発明は、上記のような技術的課題のうち、振動子の高感度化を図ることのできる技術を提供することを目的とする。

ところで、振動子を振動（駆動）させ、その振動変化を検出するには、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）等のシリコン系材料で形成されたカンチレバー本体の表面に、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等の各種圧電材料からなる圧電層と金属からなる電極層とを設ける手法がある。そして、電極層から圧電層に電圧を印加することでカンチレバーを振動させ、共振周波数の変化をモニタリングするようになっている。圧電層を形成する圧電材料としては、Ｐｂ（鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタニウム）を含む原料から形成した、いわゆる強誘電体薄膜が注目されている。

しかしながら、さらなる高感度化が常に求められている振動子においては、振動子表面に設けられている圧電層や電極層は、それ自体が減衰を有し、振動子の振動エネルギにロスが生じる。その結果、振動子のＱ値の低下を招き、センサとしての感度の低下につながる。この点において、現状の技術には改善の余地がある。

一方、振動子を振動させ、その振動変化を検出する手法として、静電力を用いるものもある。この手法によれば、振動子と駆動電極の間に生じさせる静電力によって振動子を駆動させ、振動子と検出電極との間の静電容量変化を検出することで、振動子の振動変化を検出する。ここで、この振動子と駆動電極、および検出電極間のギャップが大きいと、駆動や検出の能力が小さくなる。前記のギャップを小さくすれば、振動子の振動の変化を高感度に検出することが可能となる。さらに、ギャップが小さいほど、より少ない電力で振動子を駆動することができるため、省エネルギー化を図ることもできる。そこで、振動子と、電極とのギャップを、ナノオーダーまで限りなく小さくすることが望まれる。
しかしながら、振動子と駆動電極および検出電極とのギャップを小さくするには、ＭＥＭＳ技術を用いた場合においても現状技術レベル以上の微細加工が要求され、加工コストの飛躍的な上昇が避けられない。

そこでなされた本発明の検出センサは、ディスク状の振動子と、振動子の表面の一部に設けられて、質量を有した物質を付着または吸着する吸着部と、振動子の表面の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、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、を備えることを特徴とする。
アクチュエータを、振動子の表面の一部の領域のみに設けることで、アクチュエータを構成する層に起因して振動子の振動エネルギに生じるロスを抑えることができる。

ここで、振動子は、その外周部の複数箇所において、支持部材を介して基板に支持することができる。その場合、アクチュエータおよび検出部は、支持部材が振動子に連結された部位の近傍に設けられ、吸着部は、振動子の周方向において互いに隣接するアクチュエータ及び検出部の中間部に設けられているものとすることができる。
さらに、振動子は、振動子が振動したときにその変位がゼロとなる振動子の外周部の複数箇所において、支持部材を介して基板に支持するのが好ましい。
また、アクチュエータおよび検出部は、振動子が振動したときにその変位がゼロとなる振動子の外周部の複数箇所から、振動子の周方向および径方向の少なくとも一方に延びて形成するのが好ましい。これにより、振動子を確実に駆動できる。

また、アクチュエータおよび検出部は、振動子において、振動子を振動させたときに変位が最大となる部位を含む領域に設けられ、吸着部は、振動子の周方向において互いに隣接するアクチュエータ及び検出部の中間部に設けられているものとすることもできる。

アクチュエータは、アクチュエータに振動を生じさせるために設けられ、圧電材料からなる圧電層と、圧電層に電圧を印加する駆動電極と、を備えることを特徴とすることができる。
また、アクチュエータが検出部を兼ねることもできる。

また、本発明は、ディスク状の振動子本体と、振動子本体の表面の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、振動子本体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、を備えることを特徴とする振動子とすることもできる。
このような振動子は、前記したような検出センサの他、振動子の振動特性の変化をモニタリングすることで行える様々な用途に用いることが可能である。

本発明によれば、振動子の一部を覆うように設けたアクチュエータによって振動子を駆動させる方式とすることで、圧電層や駆動電極等によって振動子の振動が阻害されるのを抑え、振動子のＱ値を向上することができる。その結果、振動子およびこれを用いた検出センサを高感度なものとすることができる。また、同等の感度であれば従来よりもはるかに小型な検出センサ、振動子を実現することができる。
さらに、アクチュエータ及び検出部を振動子の表面に形成することで、当該振動子を外部から静電容量変化を与えて振動させる場合に比較し、振動子の外周部と他の部材との間隙を広く確保することができ、製作時における加工容易性が高まり、より低コストでの製造が可能となる。

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。
〔第一の実施形態〕
図１は、本実施の形態におけるセンサ（検出センサ）１０の基本的な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、ディスク状の振動子２０と、振動子２０上に設けられて分子を吸着する吸着部３０Ａと、振動子２０を駆動するとともに吸着部３０Ａへの分子の吸着を検出する駆動／検出部（アクチュエータ、検出部）４０Ａとから構成されている。

ディスク状の振動子２０は、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有しており、この振動子２０が設けられた基板６０を構成するシリコン系材料、特に好ましくは単結晶シリコンから形成されている。

振動子２０には、その中央部に開口部２１が形成されている。そして、この振動子２０は、外周部の所定の位置に接続された支持部材２２のみによって基板６０に支持され、残る他の部分は全てフリー状態とされている。
ここで、振動子２０の内径Ｒｂと外径Ｒａとの比Ｒｂ／Ｒａを、本出願人が提案した特開２００７−２４８３２４号に示す技術に基づいて適切に選定することにより、振動子２０の外径部分もしくは内径部分においてＲａｄｉａｌ方向の変位のｒ成分すなわちＵ（Ｒａ）もしくはＵ（Ｒｂ）、ならびにＴａｎｇｅｎｔｉａｌ方向の変位のｒ成分すなわちＶ（Ｒａ）もしくはＶ（Ｒｂ）が０になる場合がある（このような位置を不動点と称することがある。）。そこで、Ｒａｄｉａｌ方向またはＴａｎｇｅｎｔｉａｌ方向の変位のｒが０である位置において支持部材２２により振動子２０を支持するのが好ましい。このようなディスク状で開口部２１を有した振動子２０に特有な現象を用いることで、振動子２０の共振振動に全く影響を与えず振動子２０を保持することが可能となる。

振動子２０の上面には吸着部３０Ａが形成されている。ここで、振動子２０の表面には、吸着部３０Ａを形成する材料の振動子２０の表面に対する付着性を高めるために、Ａｕ（金）／Ｃｒ（クロム）の膜を形成するのが好ましい。
吸着部３０Ａは、振動子２０の周方向において、支持部材２２が設けられたのと同角度の位置を含む範囲に形成されている。

吸着部３０Ａ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３０Ａ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３０Ａを、振動子２０の上面を覆うように形成するのが好ましい。吸着部３０Ａ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、ポリブタジエン、ポリスチレン重合体等のあらゆる高分子等がある。この吸着部３０Ａ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。

駆動／検出部４０Ａは、例えば、振動子２０において、当該振動子２０を振動させたときに振幅が大きくなる位置を含むように設けられている。
図１は、振動子２０を振動させて検出を行う場合の例であり、周方向の４箇所で支持部材２２により振動子２０を支持し、互いに隣接する支持部材２２、２２の中間部に位置する領域に、駆動／検出部４０Ａが設けられている。
駆動／検出部４０Ａにおける駆動・検出を行うため、基板６０上に設けられた駆動電極、検出電極（図示無し）と振動子２０上の駆動／検出部４０Ａとを電気的に接続するための配線パターン７２は、基板６０から支持部材２２上を通って振動子２０の表面へと至るように配置されている。

図２に示すように、駆動／検出部４０Ａは、振動子２０と同層を形成するシリコン系材料、好ましくは単結晶シリコンまたはＳｉＯ_２からなる基材４１の表面に、ＳｉＯ_２からなる絶縁層４２、Ｐｔ（白金）／Ｔｉ（チタン）からなる電極層（駆動電極）４３、圧電材料からなる圧電層４４、Ｔｉ／Ｐｔ／ＴｉまたはＣｒ／Ａｕ／Ｃｒからなる電極層（駆動電極）４６、ＳｉＯ_２からなる表面保護層４８が順次積層されて形成されている。なお、基材４１をＳｉＯ_２から形成する場合、絶縁層４２を省略することができる。また、基材４１と電極層４３、圧電層４４と電極層４６、電極層４６と表面保護層４８の密着性をそれぞれ高めるため、それぞれの間にバインダ層を設けても良い。

圧電層４４を形成する圧電材料としては、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む原料から形成した、いわゆる強誘電体薄膜が注目されている。より詳しくは、圧電層４４は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む材料（以下、これをＰＺＴ材料と称することがある）から形成され、これが結晶化した状態で、例えば５００ｎｍ〜２μｍ程度の厚さに形成されている。この圧電層４４は、例えば一層当たり１００〜１３０ｎｍの薄膜を複数層積層することで、上記の厚さを実現することができる。
このような材料としては、例えば、Ｐｂペロブスカイト二成分・三成分系強誘電体セラミックス、非鉛系ペロブスカイト構造強誘電体セラミックス、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）セラミックス、ＫＮｂＯ_３（ニオブ酸カリウム）−ＮａＮｂＯ_３系強誘電体セラミックス、（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）ＴｉＯ_３系強誘電体セラミックス、タングステン・ブロンズ型強誘電体セラミックス、（Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘ）_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５［ＢＳＮＮ］、ＢａＮａ_１−ｘＢｉ_ｘ／３Ｎｂ_５Ｏ_１５［ＢＮＢＮ］、ビスマス層状構造強誘電体と粒子配向型強誘電体セラミックス、ビスマス層状構造強誘電体（ＢＬＳＦ）等を用いることができる。
また、ＰＺＴ材料以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）や、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等を圧電層４４に用いても良い。

このような駆動／検出部４０Ａ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を介して電極層４３、４６に印加すると、圧電層４４が変位を生じ、これにより振動子２０を駆動する。そして、振動子２０上の吸着部３０Ａ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２０の振動数が変化する。
駆動／検出部４０Ａに駆動電圧を印加すると、駆動／検出部４０Ａは膜状で、膜が連続する方向（振動子２０の表面に沿った方向）の寸法に対し、膜の厚さ方向（振動子２０の表面に直交する方向）の寸法が大幅に小さいため、駆動／検出部４０Ａの変位は、振動子２０の表面に沿った方向に多く出力され、これによって振動子２０が駆動される。

また、この駆動／検出部４０Ａにおいては、図示しない処理回路により、吸着部３０Ａに質量を有した物質が付着することによる振動子２０の振動数の変化を検出電極を介して検出することができる。振動子２０の振動周波数の変化を検出することで、吸着部３０Ａへの分子の吸着の有無またはその量を測定することが可能となっている。

このような構成によれば、振動子２０の一部を覆うように設けた駆動／検出部４０Ａによって振動子２０を駆動させる方式とすることで、圧電層や駆動電極等によって振動子２０の振動が阻害されるのを抑え、振動子２０のＱ値を向上することができる。その結果、検出センサ１０をより高感度なものとすることができ、また、同等の感度であれば従来よりもはるかに小型な検出センサ１０を実現することができる。
また、駆動／検出部４０Ａを、振動子２０において振幅が大きくなる位置に設けることで、効率のよい駆動が行える。
さらに、駆動／検出部４０Ａを振動子２０の表面に形成することで、当該振動子２０を外部から静電容量変化を与えて振動させる場合に比較し、振動子２０の外周部と他の部材との間隙を広く確保することができ、製作時における加工容易性が高まり、より低コストでの製造が可能となる。

また、上記したような構成の方式における振動子２０の挙動を、有限要素法解析プログラムＡＮＳＹＳ（商品名）を使用して解析した。その結果、図３に示すように、駆動／検出部（アクチュエータ、検出部）４０Ａにより振動子２０が駆動可能であることが確認された。
ここで、図３は、駆動／検出部４０Ａに静的な駆動力を与えたときの、振動子２０の挙動の解析結果である。なお、駆動／検出部４０Ａおよび振動子２０の挙動は、Ｓ１〜Ｓ９の９段階の変位で示した（Ｓ１が最小、Ｓ９が最大であり、濃色であるほど変位が大きい。）。

〔第二の実施形態〕
次に、本発明にかかる第二の実施形態について説明する。
ここで、上記第一の実施形態との相違は振動子２０の構成のみであるため、上記第一の実施形態と共通する構成については同符号を付してその説明を省略する。
図４に示すように、駆動／検出部４０Ｂは、ディスク状の振動子２０の表面に形成されている。
ここで、本実施の形態においては、駆動／検出部４０Ｂは、振動子２０の周方向において、支持部材２２が設けられたのと同角度の位置を含む範囲に形成されている。ここでは、駆動／検出部４０Ｂは、各支持部材２２に対応した位置に形成されている。

駆動／検出部４０Ｂは、振動子２０の不動点近傍から、振動子２０の周方向両側および径方向内側へと帯状に伸びるように形成され、全体として略Ｔ字状をなしている。

また、吸着部３０Ｂは、例えば、振動子２０において振幅が大きくなる位置を含むように設けられている。すなわち、振動子２０の周方向において互いに隣接する駆動／検出部４０Ｂ、４０Ｂの中間部に吸着部３０Ｂが形成されている。

このような構成によっても、上記第一の実施形態と同様、振動子２０の一部を覆うように設けた駆動／検出部４０Ｂによって振動子２０を駆動させる方式とすることで、振動子２０のＱ値を向上することができる。その結果、検出センサ１０をより高感度なものとすることができ、また、同等の感度であれば従来よりもはるかに小型な検出センサ１０を実現することができる。
また、駆動／検出部４０Ｂを振動子２０の表面に形成することで、振動子２０の外周部と他の部材との間隙を広く確保することができ、製作時における加工容易性が高まり、より低コストでの製造が可能となる。

さらに、駆動／検出部４０Ｂは、不動点近傍から、振動子２０の周方向および径方向に伸びて形成されているため、振動子２０において振幅がゼロとなる不動点ではなく、振幅の存在する位置を駆動することになるので、振動子２０を確実に駆動できる。

また、吸着部３０Ｂを、振動子２０の振幅がもっとも大きくなる位置に形成できるので、この点においても振動子２０における検出感度を向上させることができる。

なお、上記第二の実施の形態においては、駆動／検出部４０Ｂを、各支持部材２２に対応した位置に設けるようにしたが、これに限るものではない。図５に示すように、振動子２０の外周部の不動点のうちの一部に対応した位置を支持部材２２で支持し、その近傍に駆動／検出部４０Ｂを設けるようにしてもよい。
このようにして、駆動／検出部４０Ｂの設置数を減少させることで、吸着部３０Ｂの面積を拡大することができる。その結果、振動子２０における検出感度を高めることも可能である。

また、上記したような構成の方式における振動子２０の挙動を、有限要素法解析プログラムＡＮＳＹＳ（商品名）を使用して解析した。その結果、図６に示すように、駆動／検出部４０Ｂにより振動子２０が駆動可能であることが確認された。

なお、上記各実施の形態では、検出センサ１０の構成について例示して説明したが、例えば振動子２０の形状、支持部材２２による支持位置等については、例示した以外の構成に適宜変更しても良い。また、駆動／検出部４０Ａ、４０Ｂについても、例示した以外の位置に設けても良いし、例示した以外の形状・材質とすることができる。
上記各実施の形態においては、駆動／検出部４０Ａ、４０Ｂにおいて、駆動および検出を行うようにしたが、これらを駆動用と検出用とで別々に設けることも可能である。
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。

第一の実施形態における検出センサの構成を示す平面図である。 図１に示した検出センサの駆動／検出部の断面図である。 第一の実施形態における検出センサを、有限要素法により解析した結果を示す図である。 第二の実施形態における検出センサの構成を示す平面図である。 第二の実施形態における検出センサの他の例を示す平面図である。 第二の実施形態における検出センサを、有限要素法により解析した結果を示す図である。

符号の説明

１０…検出センサ、２０…振動子、２１…開口部、２２…支持部材、３０Ａ、３０Ｂ…吸着部、４０Ａ、４０Ｂ…駆動／検出部（アクチュエータ、検出部）、４３…電極層（駆動電極）、４４…圧電層、４６…電極層（駆動電極）、６０…基板

Claims (8)

1. ディスク状の振動子と、
   前記振動子の表面の一部に設けられて、質量を有した物質を付着または吸着する吸着部と、
   前記振動子の表面の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、
   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、
   を備えることを特徴とする検出センサ。
2. 前記振動子は、その外周部の複数箇所において、支持部材を介して基板に支持され、
   前記アクチュエータおよび前記検出部は、前記支持部材が前記振動子に連結された部位の近傍に設けられ、
   前記吸着部は、前記振動子の周方向において互いに隣接する前記アクチュエータ及び前記検出部の中間部に設けら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。
3. 前記振動子は、前記振動子が振動したときにその変位がゼロとなる前記振動子の外周部の複数箇所において、前記支持部材を介して基板に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の検出センサ。
4. 前記アクチュエータおよび前記検出部は、前記振動子が振動したときにその変位がゼロとなる前記振動子の外周部の複数箇所から、前記振動子の周方向および径方向の少なくとも一方に延びて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の検出センサ。
5. 前記振動子は、その外周部の複数箇所において、支持部材を介して基板に支持され、
   前記アクチュエータおよび前記検出部は、前記振動子において、前記振動子を振動させたときに変位が最大となる部位を含む領域に設けられ、
   前記吸着部は、前記振動子の周方向において互いに隣接する前記アクチュエータ及び前記検出部の中間部に設けら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。
6. 前記アクチュエータは、
   前記アクチュエータに振動を生じさせるために設けられ、圧電材料からなる圧電層と、
   前記圧電層に電圧を印加する駆動電極と、
   を備え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。
7. 前記アクチュエータが前記検出部を兼ねることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の検出センサ。
8. ディスク状の振動子本体と、
   前記振動子本体の表面の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、
   前記振動子本体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、
   を備えることを特徴とする振動子。