JP2011080925A - 検出センサ、物質検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】検出センサの高感度化を図ることを目的とする。
【解決手段】ＰＺＴ板１３０に振動子チップ１００を直接接合し、ＰＺＴ板１３０で発生した振動を振動子チップ１００に効率よく伝達する。また、ＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００とは、例えば接着剤２１０として硬化後の硬度の高いエポキシ系接着剤等を用いて強固に一体化する一方、チップ・パッケージ１２０とＰＺＴ板１３０は、ＰＺＴ板１３０で発生する振動をチップ・パッケージ１２０で阻害しないよう、接着剤２００によりＰＺＴ１３０の一部のみをチップ・パッケージ１２０に接合したり、接着剤２００としてＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００とを接合する接着剤２１０よりも硬化後の硬度の低いシリコーン系接着剤等を用いるようにした。
【選択図】図３

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、物質検出システムに関する。

従来より、爆発危険性や有害性のあるガス等の存在、あるいはその定量的な濃度を検出するためのセンサが存在した。このセンサでは、ガスに含まれる特定種の分子を吸着し、その吸着の有無、あるいは吸着量を検出することで、ガス等の存在の有無、あるいはその濃度を検出している。このようなセンサは、ガス等を取り扱う施設、設備、装置等に設置され、ガスの漏れやガス量のコントロールに用いられている。
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匂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。

空気中を漂う有機分子や匂い分子などを、その微小な分子質量によって検出するセンサ素子は、これらの分子を含む気体中で振動子を振動させ、分子が振動子表面に付着または吸着された際の振動子の質量変化を、振動子の共振周波数変化として検出する。

質量検出を行う振動子として、片持ち梁の横振動を利用するカンチレバー型の振動子が存在する（例えば、特許文献１、２参照）。このような振動子においては、その共振周波数ｆが、表面に質量Δｍの物体が付着すると、元の付着前の共振周波数ｆ_０からΔｆだけ下がる。その共振周波数変化は、
Δｆ／ｆ_０＝−Δｍ／（２ｍ_０） （１）
となる。ここで、ｍ_０は振動子の質量である。

このようなカンチレバー型の振動子は、シリコン薄膜等を写真技術（フォトリソグラフィ）で精密に加工するＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical Systems）と呼ばれる技術を用いることで、μｍ（マイクロメートル）単位の領域で作製することが可能となってきた。振動子のサイズを小さくすることで式（１）における振動子質量が大幅に減少し、付着質量に対する検出感度がアップする。

ここで、カンチレバー型の振動子において検知を行うにあたって、振動子を振動（駆動）させるには、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）等のシリコン系材料で形成された振動子の表面に、各種圧電材料からなる圧電素子と金属からなる電極層とを設けている。そして、電極層から圧電素子に電圧を印加することで振動子を振動させ、共振周波数の変化をモニタリングする。

しかし、カンチレバー型の振動子の表面に設けられた圧電素子や電極層は、それ自体が減衰を有するため、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。そして、振動子のサイズが小さくなればなるほど、圧電素子や電極層による感度低下の影響は相対的に大きくなる。

そこで、振動子と、圧電素子と、圧電素子に電圧を印加するチップ・パッケージとを積層することで、振動子の表面に圧電素子や電極層を設けないようにする構成がある（例えば、非特許文献１参照。）。このような構成においては、図９に示すように、カンチレバー型の振動子１と、振動子１を振動させるための圧電素子である、Ｐｂ（鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタニウム）を含む強誘電体材料からなるＰＺＴ板２との間に、チップ・パッケージ（ＩＣパッケージ）５が挟み込まれている。また、ＰＺＴ板２の電極を取り出すために、ＰＺＴ板２の一面側には、導電性材料（一般的にはＣｕ）からなる導電板４が設けられ、この導電板４がチップ・パッケージ５の一面側に貼り付けられている。

特開２００７−２４０２５２号公報 特開２００９−１３３７７２号公報

T.Mihara, T.Ikehara, J.Lu, R.Maeda, T.Fukawa, M.Kimura, Y.Liu, T.Hirai, "Sensitivity improvement of a chemical sensor system employing a micro cantilever sensor and an adsorption tube": Proc 25th Sensor symposium, 社団法人・日本電気学会, pp591-594(2008)

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。

しかし、上記の図９に示したような構成においては、振動子１とＰＺＴ板２との間に、チップ・パッケージ５および導電板４が介在するために、ＰＺＴ板２から振動子１に伝わる振動が阻害されていた。それにより、振動エネルギの損失が発生し、特に高周波では十分な振動変位が検出センサに伝達しない現象が生じた。一般に感度は共振周波数に比例する。その結果、検出センサの検出感度を高めるのが困難となっていた。
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、高感度化を図ることのできる検出センサ、物質検出システムを提供することを目的とする。

本発明の検出センサは、一端部または両端部が基板に固定された梁状で、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圧電素子と、圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、を備え、素子パッケージの一面側に圧電素子が接合され、振動子を有した基板が圧電素子に積層されて接合されていることを特徴とする。
このように、素子パッケージの一面側に圧電素子を接合し、その圧電素子に積層して振動子を有した基板を設けることで、圧電素子で発生する振動をダイレクトに基板に伝えることができるとともに、圧電素子の振動が素子パッケージにより阻害されるのを防ぐことができる。

また、素子パッケージと圧電素子との接合部が、圧電素子と振動子を有した基板との接合部よりも、低剛性であるのが好ましい。
これにより、圧電素子の振動が、振動子を有した基板に効率よく伝達されるとともに、圧電素子の振動が素子パッケージに伝わるのを防ぐことができる。
ここで、素子パッケージと圧電素子とが第一の接合剤により接合され、圧電素子と振動子を有した基板とが第二の接合剤により接合され、第一の接合剤と第二の接合剤を異ならせることで、素子パッケージと圧電素子との接合部が、圧電素子と振動子を有した基板との接合部よりも低剛性となるようにしても良い。第一の接合剤、第二の接合剤については、いかなるものを用いても良いが、例えば、第一の接合剤にシリコーン（Silicone）系接着剤を、第二の接合剤にエポキシ系接着剤、または無機系のセラミック系接着剤を用いることができる。

また、圧電素子の一端側と素子パッケージとの接合部が、圧電素子の他端側と素子パッケージとの接合部よりも低剛性であるようにしても良い。
これにより、圧電素子は、一端側を自由端、他端側を固定端とした片持ち梁状の挙動を呈することができ、圧電素子の振動の自由度を高めることができる。
ここで、圧電素子の一端側と素子パッケージとの接合部に用いる接着剤と、圧電素子の他端側と素子パッケージとの接合部に接着剤としては、いかなるものを用いても良いが、例えば、圧電素子の一端側と素子パッケージとの接合部に、前記の第一の接合剤を用い、圧電素子の他端側と素子パッケージとの接合部に前記の第二の接合剤を用いることができる。

また、圧電素子の振動の自由度を阻害しないよう、素子パッケージと圧電素子とを、複数箇所において点接合するようにしてもよい。
さらに、圧電素子の一端側の辺と素子パッケージとを直線状の数箇所において点接合するとともに、圧電素子の他端側の辺と素子パッケージとを直線状の数箇所において点接合することで、両端を固定端とした両持ち梁状の形状となり、両端部以外の振動が可能となり、面接合する場合に比べて圧電素子の振動の自由度を高め、ＰＺＴ板１３０の振動モードの次数を増やすことができる。

また、素子パッケージの他面側に、振動子を冷却する冷却部材を設けるのが好ましい。冷却部材により振動子を冷却することで、振動子の振動の安定化、振動子上に形成される分子認識膜の感度向上等を図ることができる。

本発明は、検出対象のガスに含まれる特定物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出する物質検出システムであって、検出対象のガスをシステム内に導入するとともに、導入したガスをシステム内で搬送するためのポンプと、ポンプでシステム内に導入したガスに含まれる特定物質を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した特定物質を吸着部から脱離させるヒータと、一端部または両端部が基板に固定された梁状で、吸着部から脱離した特定物質を吸着または付着する感応膜を備え、感応膜に特定物質が吸着または付着することにより振動周波数が変化する振動子と、振動子を振動させる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、振動子の振動周波数の変化を検出し、振動子の振動周波数の変化タイミングに基づいて得られる特定物質の種類、および振動周波数の変化量に基づいて得られる特定物質の濃度の少なくとも一方を検出する検出部と、を備え、素子パッケージの一面側に圧電素子が接合され、振動子を有した基板が圧電素子に積層されて接合されていることを特徴とする物質検出システムとすることもできる。

ここで、感応膜は、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、ポリイソプレン（ＰＩＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、酸化チタン多孔質膜（ＴｉＯ_２）のいずれかとするのが好ましい。

また、振動子は、吸着部から脱離した特定物質がポンプによって送り込まれるチャンバ内に設けられた構成とすることもできる。チャンバの容積は、小さい方が好ましい。これは、チャンバの容積が小さければ、ポンプにより導入したガスの濃縮効果が高まり、その検出性能が高まる。また、特定物質を検出したときの応答性も高まり、特定物質の特定精度が向上する。

本発明によれば、素子パッケージの一面側に圧電素子を接合し、その圧電素子に積層して振動子を有した基板を設けることで、圧電素子で発生する振動をダイレクトに基板に伝えることができるとともに、圧電素子の振動が素子パッケージにより阻害されるのを防ぐことができる。これにより、検出センサの高感度化を図ることが可能となる。

本実施の形態における物質検出システムの概略構成を示す図である。 吸着部を示す断面図である。 （ａ）はセンサ部の構成を示す断面図、（ｂ）は振動子、ＰＺＴ板、チップ・パッケージの積層構造を示す斜視図である。 ＰＺＴ板とチップ・パッケージの接合構造の３例を示す図である。 実施例１の結果を示す図であり、振動モードと振動子の先端の変位との関係を示す図である。 実施例１の結果を示す図であり、圧電素子の振動数と、振動子の変位との関係を示す図である。 実施例２の結果を示す図であり、振動子の冷却の有無による振動周波数の違いを示す図である。 実施例３の結果を示す図であり、ＰＺＴ板とチップ・パッケージの接合構造と、Ｑ値との関係を示す図である。 本発明者らが従来検討していたセンサ部の構成を示す断面図である。

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物質検出システム１０の全体構成を説明するための図である。
この図１に示す物質検出システム１０は、検知対象となる特定種の分子を吸着することで、ガス自体あるいはガスに含まれる複数種の特定物質や匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。
この物質検出システム１０は、検知対象のガスを吸い込むとともに、システム内でガスの流れを生じさせるポンプ２０と、ポンプ２０で吸い込んだガスを吸着する吸着部３０と、吸着部３０で吸着したガス中から、ガス成分中に含まれる特定種の分子を吸着し、その分子の吸着に応じた検出信号を出力するセンサ部（検出センサ）４０と、センサ部４０における検出信号に基づき、特定種の分子の有無またはその量を測定する測定処理部（検出部）５０と、を備えている。

ポンプ２０は、例えば電動であり、印加電圧・電流を制御することで、その吸入・吐出量を調整できる。図示しない吸い込みノズルから周囲雰囲気ガス、あるいは吸い込みノズルに接続されたサンプルボックス１５内のガスを吸い込み、吐出口から吐出する。また、ポンプ２０の吸い込みノズルには、開閉バルブ等を設け、ポンプ２０内へのガスの吸い込みを遮断できるようにするのが好ましい。

吸着部３０は、ポンプ２０の吐出口に、ガス搬送管６０によって接続されている。
図２に示すように、吸着部３０は、例えばステンレス製の円筒状の筒体３１の内部に、吸着体として、例えばカーボンファイバーが充填されている。吸着体としては、もちろんこれ以外のものを適宜用いることができる。
ポンプ２０から吐出されたガスは筒体３１内に送り込まれ、吸着体と接触することで吸着体にガス中の成分分子が低い選択性で物理吸着により吸着される。ここで、筒体３１の管径が小さすぎると、ガスの流路抵抗が大きくなり、管径が大きすぎても筒体３１内におけるガスの拡散に時間差が生じガス分離能の低下につながる。また、検出精度を高めるには、ガスの流量を多くするとともに、吸着体であるカーボンファイバーの比表面積を高めて、単位時間あたりの分子吸着量を高めるのが好ましい。
吸着部３０においては、ポンプ２０を所定時間作動させ、その作動中に送り込まれたガス中の分子を吸着体で吸着する。ポンプ２０の作動時間、すなわち吸着部３０における吸着時間の長さにより、ガスのサンプリング量を決定することができる。

筒体３１の外周面には、シースヒータ３４が巻きつけられている。シースヒータ３４は、図示しない熱伝導セメントにより筒体３１に固定され、その外周側が、断熱材３３により熱絶縁され、さらに空気層を介してケース３６に収容されている。また、シースヒータ３４の近傍には、温度計３５を設ける。
このシースヒータ３４に電圧が印加されることで、吸着体に吸着された成分分子が脱離し、ポンプ２０によって生じる流れによって成分分子はセンサ部４０へと搬送される。

図１に示したように、センサ部４０は、ガス搬送管６０により吸着部３０と接続されている。センサ部４０は、機械的振動を生じる振動子４１と、振動子４１の表面に形成され、吸着部３０で脱離した分子を吸着する分子認識膜４２と、を備える。ここで、分子認識膜４２が形成された振動子４１は、所定の容積（例えば０．１〜０．５ｃｃ）を有したチャンバ４３内に設けられている。
振動子４１は、幅２０〜４００μｍ、長さ１００〜１０００μｍで、基端部が固定されて他端部が自由端とされた片持ち梁状のカンチレバー型とする。

振動子４１は、駆動源として、例えばピエゾ駆動方式を用いており、所定周波数で振動子４１を振動させるようになっている。
また、振動子４１は、自身の振動状態（振動周波数）の変化を電気信号として検出するための振動検出部４４を備えている。この振動検出部４４は、例えばシリコンや圧電素子のピエゾ効果等を用いることにより実現できる。

分子認識膜４２は、有機系材料や、無機系材料で形成することができる。本実施の形態においては、分子認識膜４２として、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、ポリイソプレン（ＰＩＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）等を用いることができる。この他、分子認識膜４２として採用できる材料としては、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体などの金属錯体、ポリチオフェン、ポリアニリンなどの導電性高分子、酸化チタン多孔質膜などの無機材料がある。ＰＡＢは、オクタン、プロパノール等のＶＯＣに選択性を有する。ＰＢＤやＰＩＰはトルエンに選択性を有し、ＰＳはｎプロパノールやエタノールに高い選択性を有する。また、ＰＳは応答時間が遅い。これらの選択性の違いに基づき、複数種の分子認識膜を組み合わせることで、物質の選択精度を高めることができる。
分子認識膜４２は、滴下法、スピンコート法等、適宜の手法で振動子４１の表面に形成すればよい。

前記のチャンバ４３内には、上記したような分子認識膜４２を備えた振動子４１が、複数組設置されている。

測定処理部５０は、振動子４１を駆動するための駆動回路５１と、振動検出部４４からの電気信号を検出する検出回路５２とを有している。
測定処理部５０の制御により、センサ部４０の振動子４１を駆動回路５１からの電気信号によって駆動することで所定周波数で振動させた状態で、分子認識膜４２に質量を有した分子等の検出対象物が付着すると、振動子４１の振動周波数が変化する。測定処理部５０の検出回路５２は、振動検出部４４から出力される電気信号を受け、その電気信号の変化を検出することで、分子認識膜４２への特定種の分子の吸着の有無またはその量を測定する。
測定処理部５０における測定結果は、表示部５３において、ランプ、ブザー等のＯＮ／ＯＦＦ、測定値、測定レベルの表示、検出物質名称・濃度（量）の表示等によって出力できるようにするのが好ましい。

図１に示した物質検出システム１０においては、図示しない制御部によって、ポンプ２０の作動、シースヒータ３４への通電による加熱、振動子４１の駆動および検出、測定処理部５０における測定処理を制御する。
すなわち、まず、予め定めた一定時間の間、ポンプ２０でガスを吸い込み、ガスに含まれる分子を吸着部３０で吸着する。前記の一定時間の経過後、ポンプ２０を作動させたまま、ポンプ２０からのガスの吸い込みを中止する。
次いで、予め設定した流量でポンプ２０から空気、あるいは別に用意した不活性ガスを流し、シースヒータ３４に通電して吸着部３０を加熱し、吸着部３０で吸着した成分分子を分離させる。すると、分離した成分分子は、ガス搬送管６０によりセンサ部４０に搬送され、振動子４１の分子認識膜４２に吸着される。これによって振動子４１の振動周波数が変化する。測定処理部５０においては、振動子４１の振動周波数変化を検出する。測定処理部５０には、分子認識膜４２を備えた振動子４１のそれぞれにおいて、予め測定された、成分分子の種類、量（濃度）に応じた、振動周波数変化量、変化応答タイミング等のデータが記憶されている。測定処理部５０では、検出された振動子４１の振動周波数変化と、予め記憶されたデータを比較することで、分子認識膜４２に吸着された成分分子の種類、量（濃度）を測定（特定）する。

ここで、前記のチャンバ４３内には、上記したような分子認識膜４２を備えた振動子４１が、複数組設置されている。
さて、これら複数組の振動子４１間においては、例えば、分子認識膜４２の種類を互いに異ならせることができる。成分分子に対する感度（成分分子の吸着・捕捉度合い）が互いに異なる複数種の分子認識膜４２を用いることで、それぞれ分子認識膜４２を備えた振動子４１の振動変化を測定処理部５０で処理することで、捕捉した成分分子の種類を特定することができる。このようにして、様々な種類の成分分子に対し、分析・識別機能を向上させることができる。

このようにして、ガス中に含まれる物質の特定、及びその濃度を測定することができる。このとき、分子認識膜４２の材質を異ならせることで、その識別能は高まる。また、シースヒータ３４の加熱により吸着体から物質を脱離させたときの脱離タイミングをセンサ部４０、測定処理部５０で検出することで、物質の種類の識別能が高まる。
また、ポンプ２０においてガスを圧縮して送り込むことで、微小なガス量でも高感度な検出が可能となり、物質検出システム１０を、小型ながら、従来にない高感度な検出性能を備えるものとすることができる。このような物質検出システム１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等の微細加工技術により製造する振動子４１を除けば、簡易に製造することが可能であり、これによって低コスト化が可能となる。

さて、上記のような物質検出システム１０における、センサ部４０の振動子４１の駆動構造について説明する。
図３に示すように、振動子４１は、シリコン系材料からなる振動子チップ（基板）１００に形成されている。振動子４１は、振動子チップ１００を、フォトリソグラフィ法等によりパターン形成し、エッチング等により不要部分を除去することで形成され、基板本体１０１に一端４１ａが固定された固定端とされ、他端４１ｂがオーバーハングした自由端とされている。振動子４１の一端４１ａ上に振動検出部４４が配置されており、振動検出部４４は振動子４１の振動変位を電気信号として検出する。

このような振動子チップ１００は、センサ部４０のベースとなるベース基板１１０に、チップ・パッケージ（素子パッケージ）１２０、ＰＺＴ板（圧電素子）１３０を介して支持されている。

ベース基板１１０には、開口部１１１が形成されている。チップ・パッケージ１２０は、この開口部１１１を塞ぐよう、ベース基板１１０の一面側に、固定部材１１２により外周部を固定されて設けられている。チップ・パッケージ１２０は、ＩＣチップを搭載することができ、ＩＣチップの各電極に電気的に接続される配線パターンを有している。このようなチップ・パッケージ１２０としては、ＤＩＰ（Dual Inline Package）や、ＱＦＰ（Quad Flat Package）を用いることができる。

ＰＺＴ板１３０は、ＰＺＴ材料からなる板状体で、チップ・パッケージ１２０の一面側に、接着剤（第一の接合剤）２００を介して接合されている。
ＰＺＴ板１３０は、正極がチップ・パッケージ１２０側、負極が振動子チップ１００側として配置されている。ＰＺＴ板１３０の各電極は、チップ・パッケージ１２０の配線部と、ワイヤーボンディングによる配線１４０によって電気的に接続されている。ＰＺＴ板１３０は、外部の駆動回路からの制御信号に応じてチップ・パッケージ１２０から印加される電圧により、所定の周波数で振動を発生する。

振動子チップ１００は、基板本体１０１が、ＰＺＴ板１３０の他面側に、接着剤（第二の接合剤）２１０により接合されている。

ここで、ＰＺＴ板１３０で発生した振動を振動子チップ１００に効率よく伝達するため、ＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００とは、例えば接着剤２１０に硬化後の硬度（剛性）の高い、例えばエポキシ系接着剤等を用い、強固に一体化するのが好ましい。接着剤２１０によって、ＰＺＴ板１３０から振動子チップ１００に伝達される振動が減衰されるのを抑制するのである。

一方、チップ・パッケージ１２０とＰＺＴ板１３０は、ＰＺＴ板１３０で発生する振動をチップ・パッケージ１２０で阻害しないように接合するのが好ましい。このため、接着剤２００として、例えば、ＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００とを接合する接着剤２１０よりも硬化後の硬度（剛性）の低い、例えばシリコーン系接着剤（シリコン樹脂系接着剤）を用いるのが好ましい。
また、ＰＺＴ板１３０の全面をチップ・パッケージ１２０に接着するのではなく、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＰＺＴ板１３０の一部、例えば四隅等において、接着剤２００によりチップ・パッケージ１２０に接着するのも好ましい。この場合、接着剤２００には、接着剤２１０と同様、エポキシ系接着剤等を用いることもできる。なお、接着剤２００にエポキシ系接着剤を用いる場合、エポキシ系接着剤には導電性が無いため、接着剤２００による接着部位以外の部位において、ＰＺＴ板１３０とチップ・パッケージ１２０との間に銀ペースト等の導電性材料２２０を介在させ、ＰＺＴ板１３０とチップ・パッケージ１２０を電気的に接続する必要がある。
さらに、図４（ｃ）に示すように、ＰＺＴ板１３０の一端側１３０ａを、接着剤２００としての硬化後の硬度の高いエポキシ系接着剤等により接合し、ＰＺＴ板１３０の他端側１３０ｂを、接着剤２００としての硬化後の硬度の低いシリコーン系接着剤等により接合してもよい。これにより、ＰＺＴ板１３０の一端側１３０ａが固定端とされ、他端側１３０ｂが自由端とされた片持ち梁状となる。このようなＰＺＴ板１３０の支持構造によれば、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、ＰＺＴ板１３０を例えば四隅で固定した場合に比較して、ＰＺＴ板１３０は、振動モードに応じて、より自由に振動することが可能となる。

なお、上記において、接着剤２００、２１０の硬軟について言及したが、これは、接着剤２００と接着剤２１０との間、あるいはＰＺＴ板１３０の一端側の接着剤２１０と他端側の接着剤２１０との間における相対比較上における硬軟である。したがって、上記に示した以外の種類の接着剤、あるいは他の接合手段を用いてもよいことは言うまでもない。

さて、図３（ａ）に示したように、センサ部４０には、冷却機構（冷却部材）１５０が備えられている。この冷却機構１５０は、振動子４１と、振動子４１上の分子認識膜４２を冷却するものである。振動子４１は、冷却するとその振動特性が安定する。分子認識膜４２は、冷却すると感度が向上する。そこで、冷却機構１５０により、振動子４１および分子認識膜４２を、−２０〜２０℃、より望ましくは−５〜１０℃に温度制御するのが好ましい。

冷却機構１５０は、このような目的を満足できるのであればいかなる構成のものを用いてもよいが、例えば、以下に示すような構成が採用できる。
すなわち、冷却機構１５０は、ベース基板１１０の他面側に設けられており、開口部１１１に露出するチップ・パッケージ１２０の他面側に、ヒートシンク１５１を介して設けられた冷却素子１５２と、放熱フィン１５３および放熱ファン１５４からなる。
ヒートシンク１５１は、例えばＣｕからなり、冷却素子１５２で冷却されることで、チップ・パッケージ１２０から熱を奪う。
冷却素子１５２としては、いかなるものを用いてもよいが、応答性の面から、ペルチェ素子を用いるのが好ましい。冷却素子１５２は、図示しないコントローラによってその作動が制御される。
放熱フィン１５３および放熱ファン１５４は、冷却素子１５２の熱を放熱する。ここで、放熱フィン１５３は、冷却素子１５２の表面に、熱伝導性が高く導電性の低い材料（例えば金属酸化物を含むシリコーンペースト等）により接合するのが好ましい。

このような冷却機構１５０においては、センサ１５５で検出されたセンサ部４０の適宜位置（本実施形態では、ヒートシンク１５１）の温度に基づき、冷却素子１５２を作動させ、ヒートシンク１５１、チップ・パッケージ１２０、ＰＺＴ板１３０を介して振動子チップ１００を冷却することで、振動子４１および分子認識膜４２を冷却する。

上述したような構成によれば、ＰＺＴ板１３０に振動子チップ１００が直接接合されているため、ＰＺＴ板１３０で発生した振動を振動子チップ１００に効率よく伝達することができる。
ここで、ＰＺＴ板１３０で発生した振動を振動子チップ１００に、より効率よく伝達するため、ＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００とは、接着剤２１０に硬化後の硬度の高い、例えばエポキシ系接着剤等を用い、強固に一体化される一方、チップ・パッケージ１２０とＰＺＴ板１３０は、ＰＺＴ板１３０で発生する振動をチップ・パッケージ１２０で阻害しないよう、接着剤２００によりＰＺＴ１３０の一部のみをチップ・パッケージ１２０に接合したり、ＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００とを接合する接着剤２１０よりも硬化後の硬度の低いシリコーン系接着剤等を用いるようにした。これにより、ＰＺＴ板１３０で発生した振動が、チップ・パッケージ１２０で阻害されるのを抑え、振動子チップ１００に効率よく伝達することが可能となり、振動子４１における検出感度を高めることができ、その結果、物質検出システム１０としての物質の検出感度を向上させることができる。

また、冷却機構１５０により、振動子４１および分子認識膜４２を冷却することで、振動子４１における振動特性の安定化と、分子認識膜４２における検出感度の向上を図り、物質検出システム１０とにおける物質の検出感度の向上および安定化を図ることができる。

ここで、上記に示した構成の検証を行ったのでその結果を以下に示す。
センサ部４０の振動子４１としては、カンチレバー型のものを用意した。
カンチレバー型の振動子４１は、カンチレバーはＭＥＭＳプロセスを用い、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成した。最初にＮ型のＳＯＩ基板の厚さ５μｍの活性層の上に、酸化層の形成、フォトリソグラフィ法によるパターン形成、ボロンＰ型拡散を行って、検出回路としてのＳｉピエゾ抵抗層の作成を行ったあと、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）エッチング法によって、長さ５００μｍ、幅１００μｍの振動子４１を作成した。その後、空気のダンピングによる減衰を低減するために、裏面から支持層のシリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥエッチング法によって除去した。
検出回路としてのＳｉピエゾ抵抗（約２Ｋオーム）を振動子４１の根元に１個、或いは２個配置し、他の参照用ピエゾ抵抗と合わせてホイーストンブリッジを形成した。また、振動子４１表面にはシリコン酸化膜、接着層Ｃｒを介して約１００ｎｍの金膜を成膜した。

このカンチレバー型の振動子４１の上面に、分子認識膜４２として、トルエンやキシレンに吸着特性の優れた９８０ｎｍのＰＢＤ膜を、ディスペンサーを用いて成膜後、乾燥させて作成した。

振動子４１の駆動評価には、実施例として、図３に示した本実施形態の構成を用い、比較例として、図９に示した本発明者らが従来検討していた構成を用いた。なお、図３の構成においては、冷却機構１５０による冷却は行わなかった。また、ＰＺＴ板１３０は、その四隅において、接着剤２１０としてのエポキシ系接着剤によりチップ・パッケージ１２０に接着したものを用いた。
そして、ＰＺＴ板２、１３０により、周波数１．３ＭＨｚ以上の１次〜７次までの振動モードを振動子４１に印加したときの、振動子４１の先端４１bの変位をレーザドップラー変位計により測定した。
その結果を図５に示す。

図９に示した、ＰＺＴ板２と振動子チップ３との間に導電板４が介在している比較例においては、５次モード以上の高次モードでは、振動を検出することができなかった。
これに対し、図３に示すように、ＰＺＴ板１３０に振動子チップ１００が直接接合されている実施例では、１．３ＭＨｚの５次モードで５０ｎｍ、２．３ＭＨｚの６次モードで１００ｎｍと、７次までの高次モードで振動を検出することができた。

次に、実施例、比較例において、周波数１００〜３０００ｋＨｚの振動を振動子４１に印加したときの、振動子４１近傍の振動子チップ１００の変位量をＰＺＴ板２の駆動周波数依存性として計測した。
その結果を図６に示す。

図９に示した、ＰＺＴ板２と振動子チップ３との間に導電板４が介在している比較例においては、１５００ｋＨｚ以上の高周波域では、振動をほとんど検出することができなかった。
これに対し、図３に示すように、ＰＺＴ板１３０に振動子チップ１００が直接接合されているため、１５００ｋＨｚでも０．５ｎｍ以上、３０００ｋＨｚの高周波域においても、振動を検出することができた。
このようにして、本実施形態の構成を採用することで、すなわちＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００との機械的な結合が優れていることを示しており、振動子４１における高次モード・高周波での検出能を高めることが可能であることがわかる。

次に、振動子４１および分子認識膜４２の冷却の効果を評価した。
ここでは、図３に示した本実施形態の構成を用い、冷却機構１５０を作動させて振動子４１が設けられているチャンバ４３を１５℃とした場合と、冷却機構１５０を作動させず、振動子４１が設けられているチャンバ４３を２９℃とした場合について、分子認識膜４２をＰＢＤとしたときの、トルエン１０００ｐｐｍに対する吸着応答特性を計測した。
その結果、図７（ａ）に示すように、冷却機構１５０により振動子４１を冷却しなかった場合に比較して、図７（ｂ）に示すように、冷却機構１５０により振動子４１を冷却した場合、周波数変化量はほぼ倍となった。
これにより、冷却機構１５０により振動子４１を冷却することで、振動子４１の振動特性が大幅に向上し、検出感度が高まることが確認された。

次に、ＰＺＴ板１３０と、チップ・パッケージ１２０との接合方法について評価を行った。ＰＺＴ板１３０とチップ・パッケージ１２０は、以下の５通りの方法で接合した。いずれも、ＰＺＴ板１３０の中央部において、導電性材料２２０としての銀ペーストによりＰＺＴ板１３０とチップ・パッケージ１２０を電気的に接続した。
実施例３−１；接着剤２１０としてエポキシ系接着剤を用い、ＰＺＴ板１３０の四隅においてチップ・パッケージ１２０に接着。
実施例３−２；接着剤２１０としてシリコーン系接着剤を用い、導電性材料２２０としての銀ペーストが塗布されている部分以外のＰＺＴ板１３０の全面においてチップ・パッケージ１２０に接着。
実施例３−３；接着剤２１０としてエポキシ系接着剤を用い、ＰＺＴ板１３０の一端側においてチップ・パッケージ１２０に接着。
実施例３−４；接着剤２１０としてエポキシ系接着剤を用い、ＰＺＴ板１３０の両端側においてチップ・パッケージ１２０に接着。
実施例３−５；接着剤２１０としてエポキシ系接着剤を用い、ＰＺＴ板１３０の全周においてチップ・パッケージ１２０に接着。

実施例３−１〜３−５のそれぞれのサンプルについて、６５０ｋＨｚにピークを持つ４次の振動を与えたときのＱ値をネットワークアナライザー（製品名：4395A, Agilent社製）により測定した。
その結果を図８に示す。

図８に示すように、エポキシ系接着剤で、ＰＺＴ板１３０の全周、両端側でチップ・パッケージ１２０に接着した実施例３−４、３−５に対し、エポキシ系接着剤により、ＰＺＴ板１３０の一端側のみでチップ・パッケージ１２０に接着した実施例３−３、シリコーン系接着剤を用いてＰＺＴ板１３０をチップ・パッケージ１２０に接着した実施例３−２、エポキシ系接着剤を用いてＰＺＴ板１３０の四隅でチップ・パッケージ１２０に接着した実施例３−１では、Ｑ値が著しく高いことが判明した。
これにより、接着剤２００によりＰＺＴ１３０の一部のみをチップ・パッケージ１２０に接合、または、硬化後の硬度の低いシリコーン系接着剤等を用いてＰＺＴ板１３０をチップ・パッケージ１２０に接合することで、ＰＺＴ板１３０で発生した振動が、チップ・パッケージ１２０で阻害されるのを抑えることができることが確認された。

なお、上記実施の形態では、物質検出システム１０について説明したが、センサ部４０の振動子４１の駆動構造以外については、適宜他の構成とすることが可能である。
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。

１０…物質検出システム、２０…ポンプ、３０…吸着部、３４…シースヒータ、４０…センサ部（検出センサ）、４１…振動子、４１ａ…一端、４１ｂ…他端、４２…分子認識膜、４３…チャンバ、４４…振動検出部、５０…測定処理部（検出部）、６０…ガス搬送管、１００…振動子チップ（基板）、１０１…基板本体、１１０…ベース基板、１２０…チップ・パッケージ（素子パッケージ）、１３０…ＰＺＴ板（圧電素子）、１３０ａ…一端側、１３０ｂ…他端側、１４０…配線、１５０…冷却機構（冷却部材）、１５１…ヒートシンク、１５２…冷却素子、１５３…放熱フィン、１５４…放熱ファン、２００…接着剤（第一の接合剤）、２１０…接着剤（第二の接合剤）

Claims (9)

1. 一端部または両端部が基板に固定された梁状で、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圧電素子と、
   前記圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、
   を備え、
   前記素子パッケージの一面側に前記圧電素子が接合され、前記振動子を有した前記基板が前記圧電素子に積層されて接合されていることを特徴とする検出センサ。
2. 前記素子パッケージと前記圧電素子との接合部が、前記圧電素子と前記振動子を有した前記基板との接合部よりも、低剛性であることを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
3. 前記素子パッケージと前記圧電素子とが第一の接合剤により接合され、前記圧電素子と前記振動子を有した前記基板とが第二の接合剤により接合され、
   前記第一の接合剤がシリコーン系接着剤であり、前記第二の接合剤がエポキシ系接着剤またはセラミック系接着剤であることを特徴とする請求項２に記載の検出センサ。
4. 前記圧電素子の一端側と前記素子パッケージとの接合部が、前記圧電素子の他端側と前記素子パッケージとの接合部よりも低剛性であることを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
5. 前記素子パッケージと前記圧電素子とが、複数箇所において点接合されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の検出センサ。
6. 前記素子パッケージの他面側に、前記振動子を冷却する冷却部材が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の検出センサ。
7. 検出対象のガスに含まれる特定物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出する物質検出システムであって、
   検出対象のガスをシステム内に導入するとともに、導入した前記ガスを前記システム内で搬送するためのポンプと、
   前記ポンプで前記システム内に導入した前記ガスに含まれる前記特定物質を吸着する吸着部と、
   前記吸着部で吸着した前記特定物質を前記吸着部から脱離させるヒータと、
   一端部または両端部が基板に固定された梁状で、前記吸着部から脱離した前記特定物質を吸着または付着する感応膜を備え、前記感応膜に前記特定物質が吸着または付着することにより振動周波数が変化する振動子と、
   前記振動子を振動させる圧電素子と、
   前記圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、
   前記振動子の振動周波数の変化を検出し、前記振動子の振動周波数の変化タイミングに基づいて得られる前記特定物質の種類、および前記振動周波数の変化量に基づいて得られる前記特定物質の濃度の少なくとも一方を検出する検出部と、を備え、
   前記素子パッケージの一面側に前記圧電素子が接合され、前記振動子を有した前記基板が前記圧電素子に積層されて接合されていることを特徴とする物質検出システム。
8. 前記感応膜は、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、ポリイソプレン（ＰＩＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の物質検出システム。
9. 前記振動子は、前記吸着部から脱離した前記特定物質が前記ポンプによって送り込まれるチャンバ内に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の物質検出システム。

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