JP2010112888A - 検出センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いに長さの異なる振動子30A、30B、…を備える検出センサ10において、任意の振動子の長さをL、共振周波数をf0としたとき、長さLの振動子と、他の振動子との長さの差ΔLを、
2(ΔL/L)>1/Q
となるように与える。このように互いに長さの異なる振動子30A、30B、…を、互いに異なる周波数で動作させることで、同時に動作させても互いの干渉がなく安定して動作する。振動子30A、30B、…のうち任意の一つを単独で動作させた場合にも他とは周波数が違うため機械的結合が小さくなり、影響が小さくできる。
【選択図】図1
Description
また近年、燃料電池の開発が盛んに行われている。燃料電池は水素を用いるため、水素ステーションや、燃料電池を使用する車両や装置、機器等において、水素の漏れが無いか監視するのが好ましい。このような用途にも、上記センサは適用できる。
上記用途以外にも、特定種の分子を吸着することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出するセンサは、空気中を漂う有機分子やにおい分子を検出することにより、例えば食物の鮮度や成分分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、さらには、人体等、生体の状態検知等に用いることが考えられる。
Δf/f0=−Δm/(m0) (1)
となることが知られている。m0は振動子の質量である。
いずれの場合も、その共振周波数変化は
Δf/f0=−Δm/(2m0) (2)
となり、式(1)とは係数が異なるが、振動子質量への依存性は変わらない。
f0=λn 2/((4√3)π)×t/L2×√(E/ρ) (3)
となる。ここで、tおよびLはカンチレバー型の振動子の厚さおよび長さ、Eおよびρはカンチレバー型の振動子を構成している物質のヤング率および密度である。シリコン単結晶によりカンチレバー型の振動子がシリコン単結晶の結晶方位<110>方向に平行に作製されている場合は、E=170GPaおよびρ=2.33×103kg/m3となる。また、λnは振動の次数nによって決まる定数で、λ1=1.875,λ2=4.964,λ3=7.855,…となる。高次モードほど高い周波数となる。
1つは、機械的な振動干渉である。カンチレバー型の振動子は1チップ内で同一の基板に固定されているため、どうしても近傍にある別のカンチレバー型の振動子の振動がわずかに伝わってしまう。同一の共振周波数を持つ複数のカンチレバー型の振動子間にわずかでも相互作用があると、共鳴が起こって共振ピークの形状が変化し、機械的振動特性が変わってしまう。例えば、図5(a)に示すように、共振周波数f0を有する1個のみのカンチレバー型の振動子1の場合、振動モードは図5(b)に示すように、一つのピークを有したものとなる。これに対し、図6(a)に示すように、同じ共振周波数f0を持つ2個のカンチレバー型の振動子1A、1B間に機械的相互作用があると、もはや2個の振動子1A、1Bは独立には動作しなくなる。図6(b)に示すように、2個の振動子1A、1Bが同一相で動く振動モードと、2個が逆相で動く振動モードに分裂する。一般には同一相のモードの方が振動子1A、1Bの共振周波数f0より低い周波数を持ち、逆相のモードが振動子1A、1Bの共振周波数f0より高い周波数となる。このような状況下では2個のカンチレバー型の振動子1A、1Bを独立させて動作させることは難しくなるばかりか、例えば1個の振動子1Aだけを動作させても別の振動子1Bの機械的影響を受けて複雑な動作モードになってしまう。そのため、それぞれの周波数変化を検出する本来の目的が困難になってしまう。
2(ΔL/L)>1/Q (ただし、Qは振動子のQ値)
となるよう設定されていることを特徴とする。
複数の振動子を備えた場合においても、任意の振動子と、他の振動子との長さの差ΔLが上記条件を満たすようにすれば、振動子間で振動が伝達することによる悪影響を回避することができる。
そして、検出部は、発振制御部で電極層に印加した電気的な信号の周波数に対応した共振周波数を有する振動子の振動の変化を検出する。これには、マルチプレクサ等を用いることができる。
以上の考察より式(3)に平均密度と厚さ変化を適用すると、密度ρ1、厚さt1の検出膜を塗布した後の振動子の共振周波数は、
f1=f0×[1+(t1/t)][1+(ρ1/ρ)×(t1/t)]−1/2 (4)
≒f0×[1−(1/2)×(ρ1/ρ))] (5)
とすることができる。ただし、この式では検出膜の厚さt1は振動子の厚さに比べて十分に小さいという近似を用いている。以上のように、検出膜を塗布したときの共振周波数は式(4)で計算することができる。
また、複数の振動子を同時に発振させた場合にも、駆動周波数が互いに違うため、電気的な干渉が起こりにくく、安定した発振が可能である。これにより、複数の振動子を同時に駆動して同時に計測することも可能となるため、多数の振動子の周波数変化を短時間で取り込み可能となる。また、全振動子の測定を一定時間内に行うならば、1個あたりの計測時間を長く取ることができ、結果として周波数計測制度が向上し、分子検出感度が上昇する。
したがって、単独の振動子と同じ時間で複数の振動子の測定を行うことができ、分子検出の分析・識別機能が向上する。その一方で検出センサを構成するチップ内の機械的絶縁、回路の電気的シールドを厳格に行う必要がなくなり、装置の小型化が可能になる。
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、分子を吸着する検出膜20を備えた複数組の振動子30A、30B、…と、検出膜20への分子の吸着を検出する駆動/検出部40とから構成されている。
振動子30A、30B、…の寸法の一例を挙げると、厚さは2〜5μm、長さは30〜1000μm、幅は10〜300μmとするのが好ましい。
検出膜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。検出膜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(TiO2)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、この検出膜20を、振動子30の上面を覆うように形成するのが好ましい。検出膜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、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。この検出膜20では、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。
検出膜20を形成する材料の振動子30A、30B、…の表面に対する付着性を高めるために、振動子30A、30B、…の表面にAu(金)/Cr(クロム)の下地膜を形成するのが好ましい。
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、BaTiO3セラミックス、KNbO3−NaNbO3系強誘電体セラミックス、(Bi42Na42)TiO3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、(Ba1−xSrx)2NaNb5O15[BSNN]、BaNa1−xBix/3Nb5O15[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43、44に用いても良い。
このような圧電層43、44に積層されて、図示しない電極層が形成されている。
駆動/検出部40においては、検出膜20に質量を有した物質が付着することによる振動子30A、30B、…の上記のたわみ量あるいは振動周波数の変化を検出する。このため、図1、図2に示したように、振動子30A、30B、…の固定端近傍に、ピエゾ抵抗素子48が設けられている。ピエゾ抵抗素子48は、基板50表面に不純物をドーピングすることによって形成されている。ピエゾ抵抗素子48には、基板50の表面に成膜した金属薄膜をパターニングすることにより電気的配線が接続されている。ピエゾ抵抗素子48は振動子30A、30B、…が変形したときの、振動子30A、30B、…の根元の部分における応力の変化に応じ、その抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を計測することで、振動子30A、30B、…のたわみ量あるいは振動周波数の変化を検出する。これによって、検出膜20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。
なお、図1に示した構成を採用する場合、図3に示したように、発振制御部45では、駆動回路中にマルチプレクサ49を設け、振動子30A、30B、…のうち、発振制御部45で圧電層43に印加する駆動電圧の周波数に対応したもの(振動子30A、30B、…のいずれか一つ)に設けられたピエゾ抵抗素子48の抵抗値変化を検出する。
複数の振動子30A、30B、…のそれぞれは、互いに、自身の長さLと他の振動子の長さとの差ΔLが、以下のような関係を満たすように形成されている。
一般的に式(3)より、長さLの振動子の共振周波数をf0としたとき、長さLの振動子と、長さL+ΔLの振動子との共振周波数の差Δf0は、
Δf0≒f0×2ΔL/L
となる。ただし、ΔL<<Lとして近似した。これが振動モードの半値幅fH=f0/Qよりも十分に大きければ共振ピークは重ならない。ここで、Qは振動子のQ値である。この条件はΔf0>fHとなるので、結果として
2(ΔL/L)>1/Q (6)
となるように長さの差ΔLを与えればよい。
また、図2に示した構成において、複数の振動子30A、30B、…を同時に発振させた場合にも、周波数が違うため、電気的な干渉が起こりにくく、安定した発振が可能である。複数の振動子30A、30B、…で同時に計測できるため、複数の振動子30A、30B、…の周波数変化を短時間で取り込み可能となる。また、全振動子30A、30B、…の測定を一定時間内に行うならば、1個あたりの計測時間を長く取ることができ、結果として周波数計測制度が向上し、分子検出感度が上昇する。
したがって、単独の振動子と同じ時間で複数の振動子30A、30B、…の測定を行うことができる。このような複数の振動子30A、30B、…を備えた検出センサによれば、複数の振動子30A、30B、…の検出膜20に複数種類の検出膜を塗り分けることで、検出膜20で吸着した物質の分析・識別機能を向上させることができる。その一方で検出センサ10を構成する基板50内の機械的絶縁、回路の電気的シールドを厳格に行う必要がなくなり、装置の小型化が可能になる。
振動子は、厚さ5μmのSOI層を持つSOI基板から製作した。SOI層をフォトリソグラフィ技術によって振動子の形状にエッチングし、微細な振動子構造を製作した。振動子の下部にあたる基板の層は裏面からエッチングすることでキャビティを形成し、振動子が空気中で自由に振動できるようにした。
振動子の振動による変形を検出するために、振動子の根元にピエゾ抵抗素子を配置した。ピエゾ抵抗素子は基板の表面に不純物をドーピングすることによって作製した。ピエゾ抵抗素子には、基板の表面に成膜した金属薄膜をパターニングすることにより電気的配線を接続した。ピエゾ抵抗素子は振動子の変形による根元の応力を感じ、その抵抗値が変化するので、これを計測することで振動子の振動を検出した。
また、各振動子上には検出膜を塗布するために、Au薄膜の塗布用下地膜を形成した。
また、この構成例では、圧電層を振動子の外部に設けるため、振動板は全ての振動子で共有されている。そのため、異なる共振周波数を持った振動子は同時に発振させることができない。そこで、マルチプレクサを利用し、順次測定を行った。
これにより各々の振動子は、互いに違う周波数で同時に振動させることができた。したがって、周波数の測定も同時に行うことができ、高速に並列検出が可能になる。
また、比較のため、長さを振動子Aと同一の500μmとし、検出膜を振動子Bと同じポリスチレンとした振動子Cを作製した。
2(ΔL/L)>1/Q+(t2/t)×[1−(ρ2/ρ)]−(t1/t)×[1−(ρ1/ρ)] (7)
となる。これに数値を入れると、ΔL>0.98μmとなる。製造誤差を考え、ΔL=2μmとして式(4)より共振周波数を計算したところ、表2のようになった。
一方で、振動子Bに対し、長さを振動子Aと同一とした振動子Cの場合は、検出膜の種類が異なる振動子Aとの共振周波数の差が0.03kHzと周波数応答の半値幅よりも狭くなり、互いに干渉すると考えられる。
以上のように、異種の検出膜を塗布した場合にも、長さに差を与えることで共振ピークが干渉しないように振動子を集積化することができる。
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。
Claims (5)
- 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し、一端部が固定された梁状の複数の振動子と、
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、
複数の前記振動子は互いに長さが異なり、任意の前記振動子を長さLとしたとき、長さLの前記振動子と他の前記振動子との長さの差ΔLが、
2(ΔL/L)>1/Q (ただし、Qは前記振動子のQ値)
となるよう設定され、
前記駆動部は、複数の前記振動子のそれぞれの共振周波数に応じた周波数で前記振動子を振動させることを特徴とする検出センサ。 - 前記駆動部は、
複数の前記振動子が設けられた基板の一面側に設けられた圧電層と、
前記圧電層に駆動電圧を印加する電極層と、
前記電極層に、前記駆動電圧として複数の前記振動子のいずれか一つの共振周波数に応じた周波数を有した電気的な信号を順次印加する発振制御部と、を備え、
前記検出部は、前記発振制御部で前記電極層に印加した電気的な信号の周波数に対応した共振周波数を有する前記振動子の振動の変化を検出することを特徴とする請求項1に記載の検出センサ。 - 前記駆動部は、
前記振動子のそれぞれの固定端近傍に設けられた圧電層と、
前記圧電層のそれぞれに駆動電圧を印加する電極層と、
前記電極層のそれぞれに設けられ、前気圧電層に電気的な信号を前記駆動電圧として印加する発振制御部と、を備え、
前記発振制御部は、前記電極層のそれぞれに、当該電極層に対応した前記振動子の共振周波数に応じた周波数を有した電気的な信号を印加することで、複数の前記振動子を同時に独立して振動させることを特徴とする請求項1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3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4のいずれかに記載の検出センサ。
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