JP2010512505A - 磁気ひずみ性物質検出システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気成分を有する電気機械カンチレバーを用いた物質検出方法と物質検出システムを提供する。
【解決手段】物質検出方法は、磁気ひずみ性物質層（３４）を備え、固有共振周波数を有するカンチレバー（３０）を提供し、カンチレバー（３０、３６）上に物質を受けることでカンチレバー（３０）の共振周波数を変化させ、カンチレバー（３０）に磁界を印加することで共振周波数を基準共振周波数に変化させ、共振周波数が基準共振周波数になった時に検出を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は物質検出方法と検出システム、特に磁気成分を有する電気機械カンチレバーを用いた物質検出方法と物質検出システムに関する。

マイクロ電気機械システム（MEMS）カンチレバーは周知の技術であり、高感度検出器において典型的に用いられている。シンプルなカンチレバーシステムにおいては、梁が横断方向に振動する際の基本共振周波数は、何よりも梁のヤング率（E）と密度（ρ）の関数であることが知られている。共振周波数はEの平方根（√E）に比例するが、ρの平方根（√ρ）には反比例する。

磁気ひずみ性材料あるいは磁気弾性材料とは、磁界を印加された場合にその形状を変える物質のことである。したがって、磁気ひずみ性材料のヤング率は、加えられる磁界に依存する（これはΔE効果と呼ばれる）。

本発明は、これら二つの効果を利用して新しい物質検出方法および物質検出システムを提供しようとするものである。

本発明の一側面によれば、磁気ひずみ性材料から成り、固有共振周波数を有するカンチレバーを提供し、前記カンチレバーに物質を受けることで、前記カンチレバーの固有共振周波数を変化させ、前記カンチレバーに磁界を印加することで前記固有共振周波数を基準共振周波数に変化させ、前記固有共振周波数が前記基準共振周波数になった時に検出を行うことを特徴とする物質検出方法が提供される。

本発明の別の側面によると、磁気ひずみ性材料から成り、固有共振周波数を有するカンチレバーと、前記カンチレバーに磁界を印加する磁界発生器と、センサーと、から成る物質検知システムが提供される。前記カンチレバーは物質を受けると前記カンチレバーの固有共振周波数を変化させ、前記磁界発生器は前記カンチレバーに磁界を印加して前記固有共振周波数を基準共振周波数に変化させ、前記センサーは前記固有共振周波数が前記基準共振周波数になった時に検出を行うことを特徴とする。

該カンチレバーは磁気ひずみ性材料を有するため、ある特定の周波数（カンチレバーの共振周波数）の磁界が印加されると共振する。

好ましくは、本方法およびシステムにおいては、カンチレバーの共振周波数が磁場に依存するという知識を利用し、共振周波数を操作して所望の値（基準共振周波数）を得ようとするものである。また、本発明は、カンチレバーの固有共振周波数が基準共振周波数になった時を検出するものであるため、基準共振周波数周辺の広周波数レンジを検出する必要がない。したがって、高品質かつ低ノイズの検出器が提供される。

本発明の一つの実施例にかかる物質検出システムを概略的に示した図である。 図１の実施例にかかる方法を概略的に図示したフローチャートである。 本発明の別の実施例にかかるMEMSカンチレバーの概略図である。 本発明の更なる実施例にかかる検出システムの概略図である。

図１を参照すると、本発明の第一の実施例にかかる物質検出システム１０は磁性カンチレバー１２、磁界発生器１４、センサー１６から成る。磁性カンチレバー１２は固有共振周波数を有し、被検出物質を受けるよう構成されている。もし実際に物質を受けると、カンチレバーの共振周波数が変化する。これは、カンチレバーの有効密度が変化するからである。シンプルなカンチレバーの共振周波数と有効密度との関係は、上述したとおりである。説明を簡略かつ明解にするため、ここではカンチレバーの有効密度は物質の質量によって増加するものとする（物質の体積はカンチレバーの体積よりずっと少ないものと仮定する）。したがって、こうした状況下では、カンチレバーの共振周波数は物質を受けると減少する。他の実施例においては、特定の形状と振動モードによって周波数は増加する。

磁界発生器１４はカンチレバー１２に磁界を印加するための電磁石を備える。印加された磁界の下では磁性カンチレバーのヤング率が変化するので、共振周波数も変化する（この場合、磁性カンチレバーが初期段階において（本来）電磁的に飽和状態にないと更に仮定する）。その他の実施例として、磁界発生器としてコイルのセットを用いてもよい。

センサー１６は共振周波数が基準共振周波数になる時を検出する。基準共振周波数は、カンチレバー上に何らかの物質を受けたことを示唆するように決定される。磁界発生器１４が磁性カンチレバー１２に印加する磁界を増大すると、カンチレバー１２の共振周波数は基準共振周波数になるまで変化する。これは、磁界発生器１４が印加する磁界が、カンチレバー１２の共振周波数を変化させるのに十分なほど強大であるからである。基準共振周波数に達すると、そのとき印加された磁界が記録される。この磁界は、捕捉された物質が引き起こした共振周波数の変化を示す指標であり、捕捉された物質の質量を示す指標でもある。

図２を参照すると、図１のシステムを用いて物質の存在を検出する方法が図示されている。この方法２０は、固有共振周波数を有する磁性カンチレバーを提供するステップ２２、カンチレバー上に物質を受けてカンチレバーの共振周波数を変化させるステップ２４と、カンチレバーに磁界を変化させながら印加してカンチレバーの共振周波数が基準共振周波数と等しくなるまで変化させるステップ２６（これは物質の検出を示す）と、共振周波数が基準共振周波数になった時を検知するステップ２８と、から成る。

ある実施形態においては、カンチレバーはある特定の印加磁場において特定の固有共振周波数を有するよう構成される。実際使用するには、背景磁場はあってもなくてもよく、したがって、カンチレバーの共振周波数は当初の磁場の印加に応じて選定された初期共振周波数に設定される。カンチレバーが何らかの被検出物質を捕捉すると、上述したように、カンチレバーの密度の増加によってカンチレバーの共振周波数が減少する。その後、磁界発生器が初期磁場の値周辺の磁場を変化させながらカンチレバーに印加すると、磁場の変化に応じてカンチレバーの共振周波数も変化する。ある時点で、カンチレバーの共振周波数が基準共振周波数（つまり、センサーが作動する周波数）を超える。この実施例では、基準共振周波数は初期磁場における固有共振周波数となる。

カンチレバー上に物質を受けるとカンチレバーの共振周波数は増加するような実施形態もあれば、物質を受けることによって共振周波数が減少するような実施例も考えられる。これは、受ける物質が何であるのか、及びカンチレバーにどう受け取られるのかによって異なる。これは既知の因子である。つまり、カンチレバー上での反応／受容のタイプを知った上で、検出システムは作られる。共振周波数を所望の基準共振周波数にするために共振周波数の増加が必要な場合には、磁界印加器がカンチレバーに印加する磁界のレベルを下げるような構成の実施例になる。カンチレバーの共振周波数を基準共振周波数に近づけるために共振周波数を減少させる必要がある場合には、磁界発生器がカンチレバーに印加する磁界のレベルを上げるような構成の実施例となる。

図３を参照すると、本発明の更なる実施形態にかかる磁性カンチレバー３０がベース３２に接続されている。磁性カンチレバー３０は、磁気ひずみ性物質層３４とその上部の物質戴置層３６とを備える。これらの層３４、３６は本実施例においては平面視略同一な平面部を有する。これらの層３４、３６は略矩形の断面を有する。その他の実施例では、磁気ひずみ性物質層３４は物質戴置層３６より大きな平面部を有していてもよく、その場合、物質戴置層３６は磁気ひずみ性物質層３４の略上方に形成される。

物質戴置層３６は、その材料特性によって、表面に特定の被検出物質を受け取りやすいよう構成されている。本実施例では物質戴置層３６の表面上に物質が吸収されるようになっている。

その他の実施例では、これとは異なった物質戴置層を用いてもよい。例えば、受ける物質の吸収あるいは反応を促すような物質戴置層であってもよい。

本実施例において、磁性カンチレバー３０は空中粒子を介して接触することで所望の物質を検出する。例えば、カンチレバーは人が着用するバッジの一部であってもよいし、人が持ち歩くチケットの一部であってもよいし、持ち運び可能であるかないかに関係なく、その他の機器の一部であってもよい。その他の実施例としては、カンチレバーは例えば液体や溶液等の流体中粒子を介して接触して物質を検出するようにしてもよい。この用途においては、マイクロ電気機械システム（MEMS）カンチレバーが特に優れて機能する。というのも、液中で作動すること自体が、そのパフォーマンスに過度に影響を及ぼすことがないからである。これは、その小さな構成やなされる計測の規模からみれば、物質の質量による有効密度の変化の影響が、液体/溶液いずれかによってもたらされるドラッグ効果（drag effect）をはるかに上回るからである。

実施例によっては、センサーに超固有周波数センサー（very frequency-specific sensor）を用いることも可能である。高い周波数固有性を有し、Q値が高く、ノイズも低く、廉価で効率的なセンサーを提供することもできる。センサーは、ある特定の、既定された基準共振周波数の信号を検出するためだけに必要なものであるので、本発明においてこのセンサーを利用することもできる。そのため、広周波数レンジの検出が必要な他のシステムに比べて、非常に有利である。本実施例において、この利点は、磁界印加器がカンチレバーの共振周波数を、（当初物質を戴置して変化した後）固有共振周波数まで戻せる程強大な磁場を印加することができるという事実と関連付けられている。ある時点で、共振周波数はセンサーが稼働する基準共振周波数に到達（そして恐らく通過）する。したがって、本発明の本実施例を利用すると、カンチレバーがどの共振周波数まで行き着くのかに関する正確な知識を必要とすることなく、高感度で正確な検出システムを提供することができる。

したがって、高感度検出器においては、基準共振周波数は、共振周波数の磁場依存性が最も高い領域に設定されることが望ましい。しかしながら、ごく少量の物質しか検出されない場合は無視するような構成の実施例であってもよい。このような実施例の場合、センサーは、固有共振周波数からかけ離れた要求レベルの基準共振周波数において作動するよう設定される。このシナリオにおいては、磁界の印加によって共振周波数が基準共振周波数を確実に通過し、よってセンサーが確実に検出できるよう、カンチレバーに十分な量の物質が戴置される必要がある。

また、カンチレバーの固有共振周波数を、例えば常に、カンチレバーが晒されている初期磁界にしておくことも可能である。例えば、ある建物内にはある背景磁場が存在する。こうした状況下においても、まだ、磁界を印加してカンチレバーの共振周波数を変化させることは可能であり、上述したようなヤング率の磁場依存性をカンチレバー上の物質の検出に利用することも可能である。

さらなる実施形態として、カンチレバー上に質量を受けるとカンチレバーの密度が実際減少するようにし、それによってカンチレバーの共振周波数が増加するようにしてもよい。例えば、カンチレバー上の物質戴置層と物質が反応するような場合、その反応は恐らくカンチレバーの有効質量（つまり、有効密度）を減少させるような影響をもたらすと考えられる。その場合、印加する磁界を増大すると、カンチレバーの共振周波数は、初期磁界の固有共振周波数にセットされた基準共振周波数にまで減少することになる。このようにして、磁界発生器は、カンチレバー上に物質を受けることで生じる影響を相殺するような（共振周波数に対する）効果を保ち続けることができる。この実施例においては、高感度のセンサーが必要とされる。というのも、カンチレバー上に極少量の物質を受領した場合でも、磁界発生器がカンチレバーに印加すれば、ある時点で固有共振周波数、つまり基準共振周波数に達するからである。

このシナリオは、受け取られる物質が、カンチレバーの密度の低下を引き起こす程カンチレバーに対して高容量である場合にも成立する。

本実施例においては、磁界発生器はカンチレバーを磁界に晒す際に直流磁場を印加する。

その他の実施例においては、共振周波数を基準共振周波数に変化させるのに必要な磁界の量が計測され、カンチレバー上に受けた物質の質量を算出するのに使用される。これが可能なのは、カンチレバーの共振周波数が印加された磁場に依存することが知られているからである。カンチレバーの基礎的な知識から、その共振周波数は以下の式によって求められる。

ここでは、Eはヤング率、tは厚さ、ρは密度、そしてlはカンチレバーの長さを表している。もし、質量受領後の共振周波数をf’rとすると、

であり、Δρ<<ρであるならば、

である。
したがって、共振周波数は密度の変化に一次で依存するといえる。

図３に示すカンチレバー３０の長さは約１００μm、幅は約１０μm、磁気ひずみ性物質層３４の厚さは約５００μm、物質戴置層３６の厚さは約１００μmである。長さ、幅、厚さは特定の共振要件、及び追加される質量に合わせて選定される。典型的には、この検出器はアトグラムの検出感度、つまり、その表面上に受けた１アトグラムの物質をも検出することができるほどの高感度を有する。この検出器のさらなる利点は、性能をほとんど劣化させることなくワイヤレスで機能することができることである。この検出器は（既存の原理に基づいて）簡単に製造でき、また応答時間も速い。当業者にとっては、この検出器が、高感度の物質検出を必要とする様々な分野でいかに利用可能であるかは自明であろう。例えば、空港の警備システム等のセキュリティーシステムにおいては、爆発物やリシン(rycin)などの痕跡を検出することは必須である。生命科学の分野では、この種の検出器はタンパク質測定に有用であろう。医療分野においては、この検出器は病院などの環境におけるメチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）の存在を監視するのに使用できるであろう。

さらなる実施形態として、図４を参照して、空港において、チケット５２を持った人間５０が検出ゲート５４を通過するよう要求される場合が挙げられる。
チケット５２は例えば図３に示されるような磁性カンチレバーを備える。検出ゲート５４には磁界発生器５６とセンサー５８をコントロールするためのコントローラ６０が備えられる。コントローラ６０は磁界発生器５６によって発生された磁界をコントロールし、検出ゲート５４の近傍に磁界を印加する。こうして磁性カンチレバー３０に印加される磁界をコントロールしている。何らかの物質がカンチレバー３０上に存在する場合は必ず陽性（ポジティブ）が検出されるようにするため、磁界発生器５６は検出ゲート５４近傍に、直流磁場として、ゼロから最大値までの間で変化する磁界を印加するよう構成されている。印加される磁界の最小値と最大値は、必要に応じて個々の実施例によって異なるように構成可能である。最大値とは、カンチレバー上に物質を受けたことによって付加される質量・密度が引き起こすヤング率の変化を相殺できるくらいにカンチレバー３０のヤング率を引き上げるのに十分なものである。これは非常に迅速に発生し、磁性カンチレバー３０の反応もまたとても速い。典型的には、一つのサイクルが完了するまで、つまり、ゼロから最大値まで磁界が印加されるまで、一秒未満しかかからない。

人間５０が検出ゲート５４を通過すると、チケット５２上の磁性カンチレバー３０の共振周波数は、印加されている磁場によって固有共振周波数から変化する。センサー５８は固有共振周波数の信号を検知する、つまり、基準共振周波数が固有共振周波数と等しくなった時の信号を検知するよう構成されている。

コントローラ６０は、磁性カンチレバー３０の共振周波数が基準共振周波数になったか否かを検知するセンサー５８の働きをもコントロールする。センサー５８は送信機５８ａと受信機５８ｂとを備える。送信機５８ａは印加される直流磁場が増大すると、基準共振周波数のパルス列で電磁輻射を送信する。受信機５８ｂは基準共振周波数で電磁輻射を受信する。センサー５８は、磁性カンチレバー３０の共振周波数が基準共振周波数に達したとき、磁性カンチレバー３０を励磁しようと基準共振周波数で電磁輻射を送信する。カンチレバーの共振周波数が基準共振周波数に等しくなった場合、その磁気ひずみ性によって、カンチレバーは共振し、基準共振周波数で電磁輻射を放出する。このカンチレバー３０によって放出された輻射を受信機５８ｂが検出する。

その他の実施例として、カンチレバーが共振すると音響輻射するようにしてもよい。また、カンチレバーが共振すると音響輻射と電磁輻射を放出するような実施形態も考えられる。

受信機５８ｂが磁性カンチレバー３０から（カンチレバーの共振周波数が基準共振周波数に達したため）放出された共振信号を検出した場合、センサー５８はその旨を示す出力信号を生成し、コントローラ６０に伝達する。

送信機５８ａと受信機５８ｂは、送信機５８ａが送信した信号を受信機５８ｂが直接検出しないよう、周知の方法で同期化される。このことは、例えば、本実施例においては、コントローラ６０を、送信機５８ａが基準共振周波数で電磁パルスを送信してから所定時間の間は、受信機５８ｂが基準共振周波数で検出したいかなる信号も無視するように構成することで、実現される。この時間間隔は、送信機５８ａからのパルスを直接検出しないよう、周知の方法で設定される。

コントローラ６０はセンサー５８からの出力信号を受信し、共振が起こった時に印加されていた磁界の振幅を決定する。これが、カンチレバー上に捕捉された物質の質量を示す。コントローラ６０は次に、その物質が所定の質量以上検出されたか否かを決定し、それによって物質が存在することを肯定的に示唆する。あるいは、捕捉された物質の質量を計測した情報を示すようにしてもよい。コントローラ６０は次に、視覚的あるいは可聴式アラームシステムといった周知の警戒態勢に接続され、チケット５２上に物質が存在することを示唆する警報を鳴らす。

その他の実施例としては、人間５０が近傍にいる場合にのみ、コントローラ６０が磁界発生器５６とセンサー５８とを作動させるようにしてもよい。あるいは、これらは略連続的に作動するような構成としてもよい。

また、共振周波数が基準共振周波数に到達したこと、それ自体によって、物質が検出されたことを示唆するような構成としてもよい。つまり、この場合、共振周波数を基準共振周波数にするために印加された磁界のレベル・量を記録する必要がないことになる。これは、磁界を印加すると被検出物質の影響が相殺されるようなケース（例えば、被検出物質がカンチレバーの共振周波数を増加し、印加された磁界がカンチレバーの共振周波数を減少させる、あるいはその逆）において、特に好ましい。

あるいは、カンチレバーの共振周波数を（周知の）基準共振周波数にするために必要な磁界の量・レベルを（特定の範囲において）知ることが求められる実施例もある。例えば、被検出物質によってカンチレバーの共振周波数が減少し、磁界を印加しても同様にカンチレバーの共振周波数を減少させるような場合、共振周波数を基準共振周波数にするために必要な磁界のレベルが、ある物質をカンチレバー上に受けたか否かを決定するのに用いられる。あるいは、被検出物質を受けていない状態で、共振周波数を十分に減少させて基準共振周波数に近づけるために、ある特定レベルの磁界が必要となるような場合も考えられる。実際、共振周波数を基準共振周波数にするために低いレベルの磁界が必要であることが判明した場合、これはカンチレバー上に何らかの物質がすでに存在しており、したがって、（そのカンチレバーの平均密度に及ぼす影響により）すでにある程度カンチレバーの共振周波数を低下させていることを示唆する。また、物質を受けると共振周波数が増加し、印加する磁界を変化させることで共振周波数を増加するような構成としてもよい。

本発明には、特許請求の範囲を超えない範囲で様々な変更を加えることが可能である。例えば、被検出物質が何か、どんなタイプの物質かに応じて様々な物質戴置層を用いることが可能である。また、検出器は一つ以上の物質、あるいは一種類以上の物質を受容できるような構成であってもよい。この目的のためには、一つのカンチレバーに一つ以上の物質戴置層が設けられる。

その他の実施の形態として、センサーは、基準共振周波数に加えて、あるいはその代わりに、基本共振周波数の高調波を検出するような構成としてもよい。この構成が可能なのは、カンチレバーの励磁には高調波（基準共振周波数の高次の周波数の信号）を利用することができるからである。

本発明は、特に、マイクロ電気機械システムカンチレバーに利用することができる。

１０ 物質検出システム
１２ 磁性カンチレバー
１４ 磁界発生器
１６ センサー
３０ 磁性カンチレバー
３２ ベース
３４ 磁気ひずみ性物質層
３６ 物質戴置層
５０ 人間
５２ チケット
５４ 検出ゲート
５６ 磁界発生器
５８ センサー
５８ａ 送信機
５８ｂ 受信機
６０ コントローラ

Claims (15)

1. 磁気ひずみ性材料から成り、固有共振周波数を有するカンチレバーを提供し、
   前記カンチレバーに物質を受けることで、前記カンチレバーの固有共振周波数を変化させ、
   前記カンチレバーに磁界を印加することで前記固有共振周波数を基準共振周波数に変化させ、
   前記固有共振周波数が前記基準共振周波数になった時に検出を行うことを特徴とする、物質検出方法。
2. 前記物質を受けることで前記固有共振周波数が増加するようにし、前記磁界を印加することで前記固有共振周波数が減少するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の物質検出方法。
3. 前記物質を受けることで前記固有共振周波数が減少するようにし、前記磁界を印加することで前記固有共振周波数が減少するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の物質検出方法。
4. 前記基準共振周波数は前記固有共振周波数と等しいことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一に記載の物質検出方法。
5. 前記固有共振周波数が前記基準共振周波数になった時に検出を行うことには、前記基準共振周波数での励振信号を受けて、前記カンチレバーから放出された共振示唆信号を検出することを含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一に記載の物質検出方法。
6. 前記磁界を変化させ、前記固有共振周波数が前記基準共振周波数になった時を検出して、前記固有共振周波数を前記基準共振周波数に変化させるのに必要な前記磁界の強度を決定することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一に記載の物質検出方法。
7. 前記カンチレバーはマイクロ電気機械システム（MEMS）カンチレバー、あるいはナノ電気機械システム（NEMS）カンチレバーであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一に記載の物質検出方法。
8. 前記物質を受けることは物質を吸収することであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一に記載の物質検出方法。
9. 前記磁界の印加は直流磁場の印加であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一に記載の物質検出方法。
10. 磁気ひずみ性材料から成り、固有共振周波数を有するカンチレバーと、
    前記カンチレバーに磁界を印加する磁界発生器と、
    センサーと、から成り、
    前記カンチレバーは、物質を受けると前記カンチレバーの固有共振周波数を変化させ、
    前記磁界発生器は、前記カンチレバーに磁界を印加して前記固有共振周波数を基準共振周波数に変化させ、
    前記センサーは前記固有共振周波数が前記基準共振周波数になった時に検出を行うことを特徴とする、物質検出システム。
11. 前記センサーは、前記基準共振周波数での励振信号を受けて、前記カンチレバーから放出された共振示唆信号を検出することを特徴とする、請求項１０に記載の物質検出システム。
12. 前記基準共振周波数は前記固有共振周波数と等しいことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の物質検出システム。
13. 前記磁界発生器は直流磁場を印加することを特徴とする、請求項１０乃至１２のいずれか一に記載の物質検出システム。
14. 前記カンチレバーは、マイクロ電気機械システム（MEMS）カンチレバー、あるいはナノ電気機械システム（NEMS）カンチレバーであることを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれか一に記載の物質検出システム。
15. 一つ、またはそれ以上の添付図面を参照して実質的に説明されたシステムまたは方法。
    
    

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