JP2011203005A

JP2011203005A - Detection sensor, and material detection system

Info

Publication number: JP2011203005A
Application number: JP2010068533A
Authority: JP
Inventors: Takashi Mihara; 孝士三原; Takeshi Ikehara; 毅池原
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: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP5470536B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize detection sensitivity of a vibrator by vibrating the vibrator by optimum conditions.SOLUTION: The gain of an amplifier 100, the amount of the phase shift of a phase shifter 103 and the central frequency of a band pass filter 104 are adjusted to preset values set according to the vibrator 41. The vibrator 41 is driven by optimum conditions by vibrating a PZT plate 75 by an adjusted driving signal. Even if a plurality of vibrators 41 are provided, each of the vibrators 41 is oscillated on the optimum conditions using the preset value according to each vibrator 41 by sequentially switching the vibrator 41 connected to a control circuit 51B by a multiplexor.

Description

本発明は、ＶＯＣ（Volatile Organic Compounds：揮発性有機化合物）等の物質の検出等を行うことのできる検出センサ、物質検出システムに関する。 The present invention relates to a detection sensor and a substance detection system capable of detecting a substance such as VOC (Volatile Organic Compounds).

従来より、空気中を漂う各種物質や匂いの存在、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、特定物質等の存在の有無、あるいはその濃度を検出している。 Conventionally, there are sensors for detecting the presence of various substances and odors in the air, or their quantitative concentrations. In this sensor, the presence or absence of a specific substance or the concentration thereof is detected by adsorbing a specific type of molecule contained in the gas and detecting the presence or absence or the amount of adsorption.

空気中を漂う分子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１参照）。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向上する。 A sensor element that detects molecules floating in the air by their minute molecular mass vibrates the vibrator in a gas containing these molecules, and the mass change of the vibrator when molecules are attached or adsorbed to the vibrator surface Is detected as a change in the resonance frequency of the vibrator. As a vibrator that performs mass detection, there is a cantilever-type vibrator that uses lateral vibration of a cantilever (see, for example, Patent Document 1). Such a cantilever type vibrator is manufactured in a micrometer (micrometer) unit area by using a technology called MEMS (Micro Electrical Mechanical Systems) that precisely processes a silicon thin film or the like by photographic technology (photolithography). It has become possible to do. By reducing the size of the vibrator, the mass of the vibrator is greatly reduced, and the detection sensitivity for the attached mass is improved.

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。ここでカンチレバー型の振動子の表面には、振動子を駆動させるために強誘電体薄膜からなる駆動素子や電極層が設けられている。これら駆動素子や電極層はそれ自体が減衰を有し、カンチレバー型の振動子の振動エネルギーにロスが生じる。その結果、カンチレバー型の振動子のＱ値の低下を招き、センサとしての検出感度の低下に繋がる。この駆動素子や電極層による感度低下の影響は、振動子のサイズが小さくなればなるほど相対的に多くなる。 In a sensor using a vibrator whose vibration characteristics change due to adhesion of a minute mass, higher sensitivity is always required. Here, on the surface of the cantilever type vibrator, a driving element and an electrode layer made of a ferroelectric thin film are provided to drive the vibrator. These drive elements and electrode layers themselves have attenuation, and a loss occurs in the vibration energy of the cantilever type vibrator. As a result, the Q value of the cantilever type transducer is lowered, leading to a reduction in detection sensitivity as a sensor. The influence of the sensitivity reduction due to the driving element and the electrode layer is relatively increased as the size of the vibrator is reduced.

そこで、振動子を駆動素子上に積層することで、振動子の表面に駆動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、カンチレバー型の振動子と、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り、振動子を振動させるための駆動素子であるＰＺＴ板とが積層されている。 Therefore, there is a configuration in which a driving element or an electrode layer is not provided on the surface of the vibrator by stacking the vibrator on the driving element (see, for example, Non-Patent Document 1). In such a configuration, a PZT plate, which is a drive element for oscillating the vibrator, made of a cantilever vibrator and a ferroelectric material containing Pb (lead), Zr (zirconium), and Ti (titanium). And are stacked.

特開２００９−１３３７７２号公報JP 2009-133772 A

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・電気学会, pp591-594(2008)T.Mihara, T.Ikehara, J.Lu, R.Maeda, T.Fukawa, M.Kimura, Y.Liu, T.Hirai, "Sensitivity improvement of a chemical sensor system containing a micro cantilever sensor and an adsorption tube" : Proc 25th Sensor symposium, The Institute of Electrical Engineers of Japan, pp591-594 (2008)

しかしながらこのような構成においては、プレート状のＰＺＴ板は、その表面が一様に振動するわけではなく、表面の位置によって振動の状態（振幅および位相）が異なる。このためＰＺＴ板上の振動子の位置により、振動子の振動状態が変わってしまうという問題がある。したがって、複数個の検出センサを製作した場合、ＰＺＴ板上の振動子の取付位置により、検出センサ間で検出感度にばらつきが生じることになる。
さらに、同じ振動子であっても、その表面に形成されて分子を付着または吸着する感応膜の材料によって、振動子の振動状態が変わる。 However, in such a configuration, the surface of the plate-like PZT plate does not vibrate uniformly, and the state of vibration (amplitude and phase) varies depending on the position of the surface. For this reason, there is a problem that the vibration state of the vibrator changes depending on the position of the vibrator on the PZT plate. Therefore, when a plurality of detection sensors are manufactured, the detection sensitivity varies among the detection sensors depending on the mounting position of the vibrator on the PZT plate.
Furthermore, even in the same vibrator, the vibration state of the vibrator changes depending on the material of the sensitive film that is formed on the surface and adheres or adsorbs molecules.

したがって、同じ駆動信号によって振動子を駆動させたとしても、複数の振動子間において振動状態が異なる。 Therefore, even if the vibrator is driven by the same drive signal, the vibration state differs among the plurality of vibrators.

また、このようなＰＺＴ板上に積層された振動子は、フィードバック発振回路を使用した自励振動により駆動させる。このため、ＰＺＴ板の駆動（振動）により振動子に振動を励起させるには、フィードバック発振回路のゲイン、位相、フィルタ周波数を最適に調整しなければならない。しかし、前述したように、複数の振動子間におけるバラつきがあるため、個々の振動子に合わせてゲイン、位相、フィルタ周波数を最適に調整するのは、トライアンドエラーで行わなければならず、非常に手間のかかるものとなっていた。またこのように、ゲイン、位相、周波数が互いに異なる複数の振動子を同時に動作させることができない場合、あるいは最適に調整が行えないままに無理やりに動作させた場合は、大きな位相ノイズ（大きな短時間周波数変動）や時間的な周波数変動を引き起こした。
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、振動子を最適条件で振動させてその検出感度を安定させることのできる検出センサ等を提供することを目的とする。 Further, the vibrator laminated on such a PZT plate is driven by self-excited vibration using a feedback oscillation circuit. For this reason, in order to excite the vibration by driving the PZT plate (vibration), the gain, phase, and filter frequency of the feedback oscillation circuit must be adjusted optimally. However, as described above, since there are variations among multiple vibrators, optimal adjustment of gain, phase, and filter frequency to each vibrator must be done by trial and error. It was time-consuming. In addition, if multiple transducers with different gain, phase, and frequency cannot be operated simultaneously, or if they are forced to operate without optimal adjustment, large phase noise (a large short time) Frequency fluctuations) and temporal frequency fluctuations.
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a detection sensor or the like capable of stabilizing the detection sensitivity by vibrating a vibrator under an optimum condition.

かかる目的のもとになされた本発明は、振動子と、振動子に振動を加えることで当該振動子を発振させる駆動素子と、駆動素子に駆動信号を入力する駆動回路と、振動子の振動に応じた出力信号を出力する信号出力部と、振動子ごとに設定された駆動回路のパラメータのプリセット値を記憶するメモリと、を備えた検出センサであって、駆動回路は、当該駆動回路のパラメータを、メモリに記憶されたプリセット値に応じて調整するパラメータ調整部と、パラメータが調整された駆動回路で前記出力信号の波形を加工し駆動信号を生成する波形調整部と、を備えることを特徴とする。
このように、振動子ごとにメモリに記憶された駆動回路のパラメータのプリセット値を用いて駆動回路のパラメータを調整し、これによって生成された駆動信号により駆動素子を駆動することで、振動子の材質、寸法、振動子の表面に形成された感応膜の種類、振動子を振動させるときの振動モード、振動子に対する駆動素子の位置等に関わらず、振動子を最適な条件で振動させることができる。 The present invention made for this purpose includes a vibrator, a drive element that oscillates the vibrator by applying vibration to the vibrator, a drive circuit that inputs a drive signal to the drive element, and vibration of the vibrator. And a memory for storing preset values of drive circuit parameters set for each transducer, wherein the drive circuit A parameter adjusting unit that adjusts parameters according to preset values stored in a memory; and a waveform adjusting unit that processes a waveform of the output signal by a drive circuit in which the parameter is adjusted to generate a drive signal. Features.
As described above, the drive circuit parameters are adjusted using the preset values of the drive circuit parameters stored in the memory for each vibrator, and the drive element is driven by the drive signal generated thereby. Regardless of the material, dimensions, type of sensitive film formed on the surface of the vibrator, vibration mode when vibrating the vibrator, position of the drive element relative to the vibrator, etc., the vibrator can be vibrated under optimal conditions. it can.

ここで、振動子を複数備えることもできる。その場合、メモリは、それぞれの振動子に応じたプリセット値を記憶し、パラメータ調整部は、それぞれの振動子に対応したプリセット値をメモリから読み出して、駆動回路のパラメータを調整する。
また、複数の振動子のうちの一つを選択的に駆動回路に接続する切替部をさらに備え、パラメータ調整部は、切替部により選択されて接続された振動子に対応したプリセット値をメモリから読み出して、駆動回路のパラメータを調整することもできる。 Here, a plurality of vibrators can be provided. In this case, the memory stores preset values corresponding to the respective vibrators, and the parameter adjustment unit reads the preset values corresponding to the respective vibrators from the memory and adjusts the parameters of the drive circuit.
In addition, a switching unit that selectively connects one of the plurality of transducers to the drive circuit is further provided, and the parameter adjustment unit stores preset values corresponding to the transducers selected and connected by the switching unit from the memory. It is also possible to adjust the parameters of the driving circuit by reading.

調整する駆動回路のパラメータとしては、いかなるものがあっても良いが、駆動回路を構成する位相シフト回路の位相シフト量、バンドパス型周波数フィルタの周波数範囲、増幅器のゲインの少なくとも一つを含むのが好ましい。 The drive circuit parameter to be adjusted may be any parameter, but includes at least one of the phase shift amount of the phase shift circuit constituting the drive circuit, the frequency range of the bandpass frequency filter, and the gain of the amplifier. Is preferred.

本発明は、検出対象のガスに含まれる物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出し、システム内に導入したガスに含まれる物質を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した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物質を吸着または付着する感応膜を備え、感応膜に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、振動子に振動を加えることで当該振動子に振動を励起させる駆動素子と、駆動素子に駆動信号を印加する駆動回路と、振動子の振動に応じた出力信号を出力する信号出力部と、振動子ごとに設定された駆動回路のパラメータのプリセット値を記憶するメモリと、信号出力部から出力される出力信号に基づいて振動子の振動周波数の変化を検出する検出部と、を備えた物質検出システムであって、駆動回路は、当該駆動回路のパラメータを、メモリに記憶されたプリセット値に応じて調整するパラメータ調整部と、パラメータが調整された駆動回路で出力信号の波形を加工し駆動信号を生成する波形調整部と、を備え、当該波形調整部で生成された駆動信号を駆動素子に印加することを特徴とすることもできる。 The present invention detects at least one of the type and concentration of a substance contained in a gas to be detected and adsorbs the substance contained in the gas introduced into the system, and the substance adsorbed in the adsorption part from the adsorption part. It has a heater to be desorbed and a sensitive film that adsorbs or adheres to the substance released from the adsorption part in the form of a beam with one or both ends fixed to the substrate. A vibrator that changes frequency, a drive element that excites the vibrator by applying vibration to the vibrator, a drive circuit that applies a drive signal to the drive element, and an output signal corresponding to the vibration of the vibrator. A signal output unit to output, a memory for storing preset values of drive circuit parameters set for each transducer, and a change in the oscillation frequency of the transducer based on an output signal output from the signal output unit A substance detection system including a parameter adjustment unit that adjusts a parameter of the drive circuit according to a preset value stored in a memory, and a drive circuit in which the parameter is adjusted And a waveform adjustment unit that processes the waveform of the output signal and generates a drive signal, and the drive signal generated by the waveform adjustment unit is applied to the drive element.

ここで、感応膜は、いかなる材料で形成しても良いが、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、のいずれかとするのが好ましい。 Here, the sensitive film may be formed of any material, but it is preferably polybutadiene (PBD) or polyacrylonitrile-butadiene (PAB).

また、振動子は、一つのシリコンチップに複数が形成される。シリコンチップは、駆動素子の上に積層され、メモリは、それぞれの振動子に応じたプリセット値を記憶し、パラメータ調整部は、それぞれの振動子に対応したプリセット値をメモリから読み出して、駆動回路のパラメータを調整する。 A plurality of vibrators are formed on one silicon chip. The silicon chip is stacked on the drive element, the memory stores preset values corresponding to the respective vibrators, and the parameter adjustment unit reads the preset values corresponding to the respective vibrators from the memory, and drives the drive circuit. Adjust the parameters.

また、システム内に導入するとともに、導入したガスを圧縮して吸着部に送り込む圧縮部或いは吸引して吸着部に導入する吸引部をさらに備えることもできる。 In addition to being introduced into the system, a compression unit that compresses the introduced gas and sends it to the adsorption unit or a suction unit that sucks and introduces the gas into the adsorption unit can be further provided.

本発明によれば、振動子ごとに設定されたプリセット値によりパラメータが調整された駆動回路によって駆動信号によって駆動素子を駆動することで、振動子の材質、寸法、振動子の表面に形成された感応膜の種類、振動子を振動させるときの振動モード、振動子のＰＺＴ板上の位置等に関わらず、振動子を最適な条件で振動させることができる。これにより、検出感度を安定させることができる。 According to the present invention, the driving element is driven by the driving signal by the driving circuit in which the parameter is adjusted by the preset value set for each vibrator, so that the vibrator material, the dimensions, and the surface of the vibrator are formed. Regardless of the type of sensitive film, the vibration mode when vibrating the vibrator, the position of the vibrator on the PZT plate, etc., the vibrator can be vibrated under optimum conditions. Thereby, detection sensitivity can be stabilized.

本実施の形態における物質検出システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the substance detection system in this Embodiment. 吸着部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an adsorption | suction part. センサ部を構成する振動子、ＰＺＴ板の積層構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the laminated structure of the vibrator | oscillator which comprises a sensor part, and a PZT board. 第一の実施形態における振動子の駆動回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the drive circuit of the vibrator | oscillator in 1st embodiment. 第二の実施形態における振動子の駆動回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the drive circuit of the vibrator | oscillator in 2nd embodiment. マルチプレクサで駆動する振動子を切り替えるときの出力電圧変動の例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output voltage fluctuation when switching the vibrator | oscillator driven with a multiplexer. プリセット値による調整を行わない場合における、複数の振動子の周波数変化を示す図である。It is a figure which shows the frequency change of several vibrator | oscillators when not adjusting by a preset value. 図７に示した各振動子における出力電圧変動を示す図である。It is a figure which shows the output voltage fluctuation | variation in each vibrator | oscillator shown in FIG. プリセット値による調整を行った場合における、複数の振動子の周波数変化を示す図である。It is a figure which shows the frequency change of several vibrator | oscillators when adjustment by a preset value is performed. プリセット値による調整を行わない場合における、ＶＯＣガスを吸着したときの周波数変化を示す図である。It is a figure which shows the frequency change when VOC gas is adsorb | sucked when not adjusting by a preset value. プリセット値による調整を行った場合における、ＶＯＣガスを吸着したときの周波数変化を示す図である。It is a figure which shows the frequency change when adsorb | sucking VOC gas in the case of adjusting by a preset value.

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（圧縮部）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４０と、センサ部４０を駆動するとともに、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制御部５０と、を備えている。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
[First embodiment]
FIG. 1 is a diagram for explaining the overall configuration of a substance detection system 10 in the present embodiment.
The substance detection system 10 shown in FIG. 1 adsorbs specific types of molecules to be detected, thereby detecting the presence or absence (occurrence) of the gas itself or a plurality of types of specific substances or odors contained in the gas, or The concentration is detected.
The substance detection system 10 includes a pump (compression unit) 20 that sucks a gas to be detected and generates a gas flow in the system, an adsorption unit 30 that adsorbs the gas sucked by the pump 20, and an adsorption unit 30. A sensor unit 40 that adsorbs a specific type of molecule contained in the gas component from the adsorbed gas, outputs a detection signal corresponding to the adsorption of the molecule, and drives the sensor unit 40, and also detects in the sensor unit 40. And a measurement control unit 50 for measuring the presence or amount of a specific type of molecule based on the signal.

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容器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。なお、ポンプ２０は、吸着部３０の下流側に設けても良い。 The pump 20 is, for example, electric, and the suction / discharge amount can be adjusted by controlling the applied voltage / current. Ambient atmosphere gas or gas in the sample container 15 connected to the suction nozzle is sucked from a suction nozzle (not shown) and discharged from the discharge port. The suction nozzle of the pump 20 is preferably provided with an open / close valve or the like so as to block the suction of gas into the pump 20. The pump 20 may be provided on the downstream side of the adsorption unit 30.

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、筒体３１の体積やセンサ部４０のチャンバ４５の体積で決定される最適なガス流量を採用するとともに、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。ここでポンプ２０は、サンプル容器１５が大きくない場合は、サンプル容器１５を薄いプラスチックで作成されたサンプルバッグとすることが出来、サンプルバッグに圧力を掛けて気体試料を吸着部３０に導入することが出来るので省略が可能となる。 The adsorption unit 30 is connected to the discharge port of the pump 20 by a gas transport pipe 60.
As shown in FIG. 2, the adsorbing unit 30 is filled with, for example, carbon fiber as an adsorbing body inside a cylindrical cylindrical body 31 made of stainless steel, for example. Of course, other adsorbents can be used as appropriate.
The gas discharged from the pump 20 is sent into the cylinder 31 and comes into contact with the adsorbent so that the component molecules in the gas are adsorbed to the adsorbent by physical adsorption with low selectivity. Here, if the tube diameter of the cylinder 31 is too small, the flow resistance of the gas increases, and even if the tube diameter is too large, a time difference occurs in the diffusion of gas in the cylinder 31 and leads to a decrease in gas separation performance. Further, in order to increase the detection accuracy, an optimum gas flow rate determined by the volume of the cylindrical body 31 and the volume of the chamber 45 of the sensor unit 40 is adopted, and the specific surface area of the carbon fiber that is the adsorbent is increased. It is preferable to increase the amount of molecular adsorption per hour.
In the adsorption unit 30, the pump 20 is operated for a predetermined time, and the molecules in the gas fed during the operation are adsorbed by the adsorbent. The sampling amount of the gas can be determined by the operation time of the pump 20, that is, the length of the adsorption time in the adsorption unit 30. Here, when the sample container 15 is not large, the pump 20 can make the sample container 15 a sample bag made of thin plastic, and apply a pressure to the sample bag to introduce the gas sample into the adsorption unit 30. Can be omitted.

筒体３１の外周面には、シースヒータ（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。 A sheath heater (heater) 34 is wound around the outer peripheral surface of the cylindrical body 31. The sheath heater 34 is fixed to the cylindrical body 31 by a heat conductive cement (not shown), and the outer peripheral side thereof is thermally insulated by a heat insulating material 33 and further accommodated in a case 36 through an air layer. A thermometer 35 is provided in the vicinity of the sheath heater 34.
By applying a voltage to the sheath heater 34, the component molecules adsorbed on the adsorbent are desorbed, and the component molecules are conveyed to the sensor unit 40 by the flow generated by the pump 20.

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感応膜４２と、を備える。センサ部４０は、所定の容積（例えば０．１〜０．５ｃｃ）を有したチャンバ４５内に設けられている。 As shown in FIG. 1, the sensor unit 40 is connected to the adsorption unit 30 by a gas transport pipe 60. The sensor unit 40 includes a vibrator 41 that generates mechanical vibrations, and a sensitive film 42 that is formed on the surface of the vibrator 41 and adsorbs the molecules desorbed by the adsorption unit 30. The sensor unit 40 is provided in a chamber 45 having a predetermined volume (for example, 0.1 to 0.5 cc).

図３に示すように、振動子４１は、シリコン系材料からなるシリコンチップ７０に形成されている。振動子４１は、シリコンチップ７０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７１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た片持ち梁状のカンチレバー型とされている。このような振動子４１は、例えば、幅２０〜４００μｍ、長さ１００〜１０００μｍ、厚さ２〜１０μｍとされる。 As shown in FIG. 3, the vibrator 41 is formed on a silicon chip 70 made of a silicon-based material. The vibrator 41 is formed by patterning the silicon chip 70 by a photolithography method or the like, and removing unnecessary portions by etching or the like. The vibrator 41 is a fixed end in which one end 41a is fixed to the substrate body 71, and the other end 41b. Is a cantilever type with a cantilever shape with a free end overhanging. For example, the vibrator 41 has a width of 20 to 400 μm, a length of 100 to 1000 μm, and a thickness of 2 to 10 μm.

このようなシリコンチップ７０は、ＰＺＴ板（駆動素子）７５上に設けられている。ＰＺＴ板７５は、圧電材料であるＰＺＴ材料からなる板状体で、その両面に電極層が設けられている。測定制御部５０の駆動回路５１から出力される駆動信号（交流電圧）が電極層に印加されると、その電圧に応じた所定の周波数で振動を発生する。ＰＺＴ板７５は、０．１ｍｍから１ｍｍ程度の板状が好ましい。また印加電圧を低くするためにＰＺＴ板７５は積層化しても良い。積層化においては一層あたりのＰＺＴ材料は薄膜化する必要があって、例えば一層当たり１００〜数百ｎｍの薄膜を複数層積層することで、単層の上記の厚さと同様なもの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セラミックス、ＫＮｂＯ_３−ＮａＮｂＯ_３系強誘電体セラミックス、（Ｂｉ_４２Ｎａ_４２）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ＰＺＴ板７５に用いても良い。 Such a silicon chip 70 is provided on a PZT plate (driving element) 75. The PZT plate 75 is a plate-like body made of a PZT material that is a piezoelectric material, and electrode layers are provided on both sides thereof. When a drive signal (AC voltage) output from the drive circuit 51 of the measurement control unit 50 is applied to the electrode layer, vibration is generated at a predetermined frequency corresponding to the voltage. The PZT plate 75 preferably has a plate shape of about 0.1 mm to 1 mm. Further, the PZT plate 75 may be laminated in order to lower the applied voltage. In stacking, it is necessary to reduce the thickness of the PZT material per layer. For example, by stacking a plurality of thin films having a thickness of 100 to several hundreds nm per layer, the same thickness as the above-mentioned thickness can be realized. Can do.
Examples of such materials include Pb perovskite binary and ternary ferroelectric ceramics, lead-free perovskite ferroelectric ceramics, BaTiO ₃ ceramics, KNbO ₃ —NaNbO ₃ ferroelectric ceramics, (Bi ₄₂ Na ₄₂ ) TiO ₃ ferroelectric ceramics, tungsten / bronze type ferroelectric ceramics, (Ba _1-x Sr _x ) ₂ NaNb ₅ O ₁₅ [BSNN], BaNa _1-x Bix _{/ 3} Nb ₅ O ₁₅ [ BNBN], bismuth layer structure ferroelectrics and grain-oriented ferroelectric ceramics, bismuth layer structure ferroelectrics (BLSF), and the like can be used.
In addition to the PZT material, ZnO (zinc oxide), AlN (aluminum nitride), or the like may be used for the PZT plate 75.

感応膜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、感応膜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、感応膜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、複数種の感応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。
感応膜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。 The sensitive film 42 can be formed of an organic material or an inorganic material. In the present embodiment, polybutadiene (PBD), polyacrylonitrile-butadiene (PAB), polyisoprene (PIP), polystyrene (PS), or the like can be used as the sensitive film 42. In addition, examples of materials that can be employed as the sensitive film 42 include metal complexes such as phthalocyanine derivatives and porphyrin derivatives, conductive polymers such as polythiophene and polyaniline, and inorganic materials such as a titanium oxide porous film. PAB has selectivity for VOCs such as octane and propanol. PBD and PIP have selectivity for toluene, and PS has high selectivity for npropanol and ethanol. PS has a slow response time. Based on these differences in selectivity, a combination of a plurality of types of sensitive membranes can improve the substance selection accuracy.
The sensitive film 42 may be formed on the surface of the vibrator 41 by an appropriate method such as a dropping method or a spin coating method.

振動検出素子４３は、ピエゾ抵抗層からなり、振動子４１の固定端側の一端４１ａ上に設けられている。この振動検出素子４３は自身の振動状態（振動変位）に比例した出力信号を出力する。 The vibration detection element 43 is made of a piezoresistive layer and is provided on one end 41 a on the fixed end side of the vibrator 41. The vibration detection element 43 outputs an output signal proportional to its own vibration state (vibration displacement).

図１に示した物質検出システム１０においては、測定制御部５０によりその作動が制御され、以下のような動作が行われる。
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の感応膜４２に吸着される。 In the substance detection system 10 shown in FIG. 1, the operation is controlled by the measurement control unit 50, and the following operation is performed.
That is, first, gas is sucked by the pump 20 for a predetermined time, and molecules contained in the gas are adsorbed by the adsorption unit 30. After the elapse of the predetermined time, the suction of gas from the pump 20 is stopped while the pump 20 is operated.
Next, air or an inert gas prepared separately is flowed from the pump 20 at a preset flow rate, and the sheath heater 34 is energized to heat the adsorption unit 30 and separate the component molecules adsorbed by the adsorption unit 30. Then, the separated component molecules are transported to the sensor unit 40 by the gas transport pipe 60 and are adsorbed by the sensitive film 42 of the vibrator 41.

センサ部４０の振動子４１は、測定制御部５０の駆動回路５１の制御により所定周波数で自励発振させた状態とされている。この振動子４１に、感応膜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の共振周波数が変化する。測定制御部５０の検出回路（検出部）５２は、振動検出素子４３から出力される出力信号を受け、その出力信号の変化（振動周波数変化）を検出する。測定制御部５０には、感応膜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。測定制御部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、感応膜４２に吸着された成分分子の種類、量（濃度）を測定（特定）する。
測定制御部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。 The vibrator 41 of the sensor unit 40 is in a state of being self-excited at a predetermined frequency under the control of the drive circuit 51 of the measurement control unit 50. When a detection object such as a molecule having a mass on the sensitive film 42 is attached to the vibrator 41, the resonance frequency of the vibrator 41 changes. The detection circuit (detection unit) 52 of the measurement control unit 50 receives the output signal output from the vibration detection element 43 and detects a change (vibration frequency change) of the output signal. In the measurement control unit 50, data of vibration frequency change amount, change response timing, etc. according to the type and amount (concentration) of component molecules measured in advance in each of the vibrators 41 including the sensitive film 42. It is remembered. The measurement control unit 50 measures (specifies) the type and amount (concentration) of component molecules adsorbed on the sensitive film 42 by comparing the detected vibration frequency change of the vibrator 41 with previously stored data. To do.
The measurement result in the measurement control unit 50 can be output on the display unit 53 by ON / OFF of lamps, buzzers, etc., display of measurement values, measurement levels, display of detection substance names / concentrations (amounts), and the like. preferable.

さて、駆動回路５１について詳述する。
図４に示すように、駆動回路５１は、振動子４１側のセンサ側回路５１Ａと、振動検出素子４３からの出力信号から制御・駆動信号を生成する制御回路５１Ｂとを有している。 Now, the drive circuit 51 will be described in detail.
As shown in FIG. 4, the drive circuit 51 includes a sensor-side circuit 51 </ b> A on the vibrator 41 side and a control circuit 51 </ b> B that generates a control / drive signal from an output signal from the vibration detection element 43.

振動子４１側のセンサ側回路５１Ａは、振動検出素子４３から出力される出力信号を増幅するアンプ１００と、アンプ１００のゲインを調整するゲイン可変器（波形調整部）１０２とを備えている。 The sensor-side circuit 51A on the vibrator 41 side includes an amplifier 100 that amplifies an output signal output from the vibration detection element 43, and a gain variable unit (waveform adjustment unit) 102 that adjusts the gain of the amplifier 100.

制御回路５１Ｂはマイコン、パーソナルコンピュータ装置等からなる処理部１０１と、信号を増幅するアンプ１０６、低周波信号をフィルタリングするハイパスフィルタ１０７、自動ゲインコントローラ１０８、位相シフタ１０３およびその抵抗可変器（波形調整部）１０３Ｃ、バンドパスフィルタ１０４およびそのゲイン可変器（波形調整部）１０４Ｃを備えている。 The control circuit 51B includes a processing unit 101 including a microcomputer and a personal computer device, an amplifier 106 that amplifies a signal, a high-pass filter 107 that filters a low-frequency signal, an automatic gain controller 108, a phase shifter 103, and a resistance variable device (waveform adjustment). Part) 103C, a band pass filter 104, and a gain variable unit (waveform adjustment part) 104C thereof.

位相シフタ１０３は、通過する出力信号の位相をシフトさせる。その位相シフト量は、抵抗可変器１０３Ｃにより設定される。
バンドパスフィルタ１０４は、振動子４１における振動の次数を選択するために、特定の周波数域の信号のみを通過させる。バンドパスフィルタ１０４で通過させる周波数域は、ゲイン可変器１０４Ｃによりその中心周波数が設定される。なお、本実施形態では、バンドパスフィルタ１０４は２段を直列に設けている。 The phase shifter 103 shifts the phase of the output signal that passes therethrough. The phase shift amount is set by the resistance variable device 103C.
The band pass filter 104 passes only a signal in a specific frequency range in order to select the order of vibration in the vibrator 41. The center frequency of the frequency band that is passed by the band pass filter 104 is set by the gain variable device 104C. In the present embodiment, the band-pass filter 104 is provided in two stages in series.

また、処理部１０１と、ゲイン可変器１０２、抵抗可変器１０３Ｃ、ゲイン可変器１０４Ｃとの間には、ＡＤ／ＤＡコンバータ１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃがそれぞれ設けられている。 Further, AD / DA converters 105A, 105B, and 105C are provided between the processing unit 101 and the gain variable unit 102, the resistance variable unit 103C, and the gain variable unit 104C, respectively.

処理部（パラメータ調整部）１０１は、予め定められたプログラムに基づいた所定の処理を実行する。処理部１０１には、不揮発性の記憶領域であるメモリ１０１ｍが備えられている。メモリ１０１ｍには、物質検出システム１０で用いる振動子４１について、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のプリセット値が駆動回路のパラメータとして記憶されている。
処理部１０１では、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数、の少なくともひとつをプリセットして振動子４１を発振させる。 The processing unit (parameter adjustment unit) 101 executes a predetermined process based on a predetermined program. The processing unit 101 includes a memory 101m that is a non-volatile storage area. In the memory 101m, for the vibrator 41 used in the substance detection system 10, the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the preset value of the center frequency of the band pass filter 104 are stored as drive circuit parameters.
The processing unit 101 oscillates the vibrator 41 by presetting at least one of the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the center frequency of the bandpass filter 104.

ここで、メモリ１０１ｍに記憶されるアンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のそれぞれプリセット値は、以下のような作業により、事前に求めることができる。
まず、振動子４１の共振周波数に基づき、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数を仮設定する。そして位相シフタ１０３の位相シフト量を仮設定する。そして振動子４１を発振させてその出力をオシロスコープで観測する。そしてオシロスコープで観測される振動子４１の出力波形が最大値になるように、位相シフト量を設定する。 Here, the preset values of the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the center frequency of the bandpass filter 104 stored in the memory 101m can be obtained in advance by the following operations.
First, the center frequency of the bandpass filter 104 is temporarily set based on the resonance frequency of the vibrator 41. Then, the phase shift amount of the phase shifter 103 is temporarily set. The vibrator 41 is oscillated and its output is observed with an oscilloscope. Then, the phase shift amount is set so that the output waveform of the vibrator 41 observed by the oscilloscope becomes the maximum value.

その後、更に振動子４１を振動させ、今度はバンドパスフィルタ１０４の中心周波数を調整して、ＰＺＴ板７５への印加電圧が最大になるようにする。そして再び、振動子４１を振動させ、その出力信号にピークが存在するか（すなわち最大値を取っているか）否かを判定する。出力信号にピークが存在しない（すなわち最大値ではない）場合、ピークが出現するまで、上記の調整処理を繰り返す。
一方、出力信号にピークが存在した場合、次にアンプ１００のゲインを調整する。そして、アンプ１００のゲインを調整することで出力信号のピークが予め定めた範囲内となるようにする。 Thereafter, the vibrator 41 is further oscillated, and this time, the center frequency of the bandpass filter 104 is adjusted so that the voltage applied to the PZT plate 75 is maximized. The vibrator 41 is again vibrated, and it is determined whether or not a peak exists in the output signal (that is, the maximum value is taken). If no peak exists in the output signal (that is, not the maximum value), the above adjustment process is repeated until a peak appears.
On the other hand, when the output signal has a peak, the gain of the amplifier 100 is adjusted next. Then, by adjusting the gain of the amplifier 100, the peak of the output signal is set within a predetermined range.

これら一連の調整を繰り返すことで、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数、の最適値を設定する。そしてこの最適値を、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のプリセット値として処理部１０１のメモリ１０１ｍに入力し記憶させる。 By repeating these series of adjustments, optimum values of the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the center frequency of the bandpass filter 104 are set. The optimum values are input and stored in the memory 101m of the processing unit 101 as preset values of the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the center frequency of the bandpass filter 104.

このようにして事前に処理部１０１のメモリ１０１ｍに記憶されたプリセット値は、物質検出システム１０の起動時に、処理部１０１の処理により、自動的にメモリ１０１ｍから読み出される。そして、読み出されたプリセット値は、アンプ１００のゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３の抵抗可変器１０３Ｃ、バンドパスフィルタ１０４のゲイン可変器１０４Ｃに対して自動的に設定される。このとき、メモリ１０１ｍから読み出されたプリセット値は、ＡＤ／ＤＡコンバータ１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃにおいてデジタル値からアナログ量に変換され、ゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３、バンドパスフィルタ１０４に入力される。 The preset values stored in advance in the memory 101m of the processing unit 101 in this way are automatically read from the memory 101m by the processing of the processing unit 101 when the substance detection system 10 is activated. Then, the read preset value is automatically set for the gain variable unit 102 of the amplifier 100, the resistance variable unit 103C of the phase shifter 103, and the gain variable unit 104C of the band pass filter 104. At this time, the preset value read from the memory 101m is converted from a digital value to an analog amount by the AD / DA converters 105A, 105B, and 105C, and input to the gain variable device 102, the phase shifter 103, and the bandpass filter 104. .

これらプリセット値の設定後、制御回路５１Ｂから駆動信号をＰＺＴ板７５に出力して振動子４１を発振させ、振動子４１における分子の検出処理を開始する。
まず、制御回路５１Ｂから出力された駆動信号をＰＺＴ板７５に印加する。この駆動信号は、ＰＺＴ板７５を駆動できるよう、予め設定されたデフォルトの信号である。すると、ＰＺＴ板７５が駆動されて変位（振動）を生じ、これに応じて振動子４１が振動する。すると、振動子４１に設けられた振動検出素子４３のピエゾ抵抗効果により、振動検出素子４３から出力信号が出力される。この出力信号は、アンプ１００により増幅され、制御回路５１Ｂに出力される。 After setting these preset values, a drive signal is output from the control circuit 51B to the PZT plate 75 to oscillate the vibrator 41, and a molecule detection process in the vibrator 41 is started.
First, the drive signal output from the control circuit 51B is applied to the PZT plate 75. This drive signal is a default signal set in advance so that the PZT plate 75 can be driven. Then, the PZT plate 75 is driven to generate displacement (vibration), and the vibrator 41 vibrates accordingly. Then, an output signal is output from the vibration detection element 43 due to the piezoresistive effect of the vibration detection element 43 provided in the vibrator 41. This output signal is amplified by the amplifier 100 and output to the control circuit 51B.

制御回路５１Ｂでは、センサ側回路５１Ａから受け取った出力信号を、アンプ１０６でさらに増幅し、位相シフタ１０３でその位相シフト量をプリセット値に応じてシフトする。出力信号は、さらに、バンドパスフィルタ１０４でその中心周波数がプリセット値に応じてシフトされ、出力アンプ１０９を経て再びＰＺＴ板７５に駆動信号として送られる。これにより、駆動信号が、振動子４１に応じた最適な信号に調整され、振動子４１が効率良く自励発振する。
なお、このとき、ゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３、バンドパスフィルタ１０４を経て調整された駆動信号は、周波数カウンタ１１０により周波数が測定され、そのパラメータが処理部１０１に転送される。処理部１０１では、転送された駆動信号のパラメータをメモリ１０１ｍに記憶させる。 In the control circuit 51B, the output signal received from the sensor side circuit 51A is further amplified by the amplifier 106, and the phase shift amount is shifted by the phase shifter 103 according to the preset value. Further, the center frequency of the output signal is shifted by the band-pass filter 104 according to the preset value, and the output signal is again sent to the PZT plate 75 through the output amplifier 109 as a drive signal. As a result, the drive signal is adjusted to an optimum signal corresponding to the vibrator 41, and the vibrator 41 efficiently self-oscillates.
At this time, the frequency of the drive signal adjusted through the gain variable device 102, the phase shifter 103, and the band pass filter 104 is measured by the frequency counter 110, and the parameter is transferred to the processing unit 101. The processing unit 101 stores the parameter of the transferred drive signal in the memory 101m.

ここで、駆動素子に駆動信号を与える駆動回路はフィードバック回路となっており、振動子の信号出力部から出力される振動状態を示す信号を加工して作られる。振動状態を示す信号は必要な大きさまで増幅され、発振条件を満たす位相に位相シフトされることで、発振が可能となる。この増幅回路のゲイン、位相シフト回路の位相シフト量が適切に設定されなければならない。また、複数ある振動モードから選択的に特定の振動を駆動するため、フィードバック回路にはバンドパス型周波数フィルタが必要である。この周波数範囲も適切に設定されなければならない。
これらの設定値が適切でない場合、振動子は希望しない振動モードで発振したり、安定に発振する共振周波数帯の中央でない周波数で発振したりするため、発振が不安定になったり、温度変化に対して異常なふるまいを示すことになる。その結果、周波数ドリフトが大きくなったり、検出感度が安定しなくなる。 Here, the drive circuit for supplying the drive signal to the drive element is a feedback circuit, and is produced by processing a signal indicating the vibration state output from the signal output unit of the vibrator. The signal indicating the vibration state is amplified to a required magnitude and phase-shifted to a phase that satisfies the oscillation condition, thereby enabling oscillation. The gain of the amplifier circuit and the phase shift amount of the phase shift circuit must be set appropriately. In addition, in order to selectively drive a specific vibration from a plurality of vibration modes, the feedback circuit requires a bandpass frequency filter. This frequency range must also be set appropriately.
If these settings are not appropriate, the vibrator will oscillate in an undesired vibration mode or oscillate at a frequency other than the center of the resonance frequency band where it oscillates stably, resulting in unstable oscillation or temperature changes. It will show abnormal behavior. As a result, the frequency drift becomes large and the detection sensitivity becomes unstable.

これに対し、上述したような構成によれば、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数を、振動子４１に応じて設定されたプリセット値に調整することによって、振動子４１を最適な条件で駆動することができる。その結果、振動子４１を良好に自励発振させることができる。これにより、感応膜４２に分子が付着または吸着された時の質量変化に応じた振動子４１の振動周波数変化の感度を最適状態とすることができ、検出感度を高く維持できる。
また、同じ振動子４１を用いる複数の物質検出システム１０間において、それぞれの振動子４１に応じたプリセット値を用いることで、複数の振物質検出システム１０間でばらつきが生じるのを抑え、検出性能の安定化を図ることができる。 On the other hand, according to the configuration as described above, the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the center frequency of the bandpass filter 104 are adjusted to preset values set according to the transducer 41. Thus, the vibrator 41 can be driven under optimum conditions. As a result, the vibrator 41 can oscillate satisfactorily. Thereby, the sensitivity of the vibration frequency change of the vibrator 41 according to the mass change when molecules are attached to or adsorbed to the sensitive film 42 can be set to the optimum state, and the detection sensitivity can be maintained high.
In addition, by using a preset value corresponding to each transducer 41 among a plurality of substance detection systems 10 using the same transducer 41, it is possible to suppress variations among the plurality of transducer detection systems 10 and to detect the detection performance. Can be stabilized.

［第２の実施形態］
次に本発明にかかる第２の実施形態について説明する。
なお、以下の説明において上記第１の実施形態との相違点は振動子４１を複数個備えることにある。それに関わる以外の構成は上記第１の実施形態で示した構成と共通する。従って、以下の説明においては、上記第１実施形態との相違点を中心に説明を行い、上記第１の実施形態と共通する構成については同一符号を付してその説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態においてセンサ部４０には複数個の振動子４１が設けられている。これら複数個の振動子４１は、一つのシリコンチップ７０に形成されて、ＰＺＴ板７５上に設けられている。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment according to the present invention will be described.
In the following description, the difference from the first embodiment is that a plurality of vibrators 41 are provided. The configuration other than that is common to the configuration shown in the first embodiment. Therefore, in the following description, it demonstrates centering around difference with the said 1st Embodiment, and attaches | subjects the same code | symbol about the structure which is common in the said 1st Embodiment, and abbreviate | omits the description.
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the sensor unit 40 is provided with a plurality of vibrators 41. The plurality of vibrators 41 are formed on one silicon chip 70 and provided on the PZT plate 75.

各振動子４１は、振動検出素子４３、アンプ１００をそれぞれ備えている。
これら複数個の複数の振動子４１はアンプ１００の出力側がマルチプレクサ（切替部）９０に接続されている。一方、制御回路５１Ｂはこれら複数個の振動子４１に対し１組のみが設けられている。そしてマルチプレクサ９０はこの制御回路５１Ｂ側のアンプ１０６に接続されている。 Each transducer 41 includes a vibration detection element 43 and an amplifier 100.
The plurality of transducers 41 are connected to a multiplexer (switching unit) 90 on the output side of the amplifier 100. On the other hand, only one set of the control circuit 51B is provided for the plurality of vibrators 41. The multiplexer 90 is connected to the amplifier 106 on the control circuit 51B side.

制御回路５１Ｂは前記のマルチプレクサ９０を介して複数個の振動子４１に接続されている。マルチプレクサ９０は複数の振動子４１のうち、いずれか一つに接続されるよう切り替え可能となっている。 The control circuit 51B is connected to the plurality of vibrators 41 through the multiplexer 90. The multiplexer 90 can be switched so as to be connected to any one of the plurality of transducers 41.

処理部１０１のメモリ１０１ｍには、各振動子４１に応じた、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のプリセット値がそれぞれ記憶されている。 The memory 101 m of the processing unit 101 stores the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the preset value of the center frequency of the band pass filter 104 according to each transducer 41.

制御回路５１Ｂは、処理部１０１における処理を実行することで、マルチプレクサ９０の切り替えにより接続された１つの振動子４１に対し、上記第１の実施形態と同様の制御を行い、接続された振動子４１に応じたプリセット値をプリセットする。そしてマルチプレクサ９０で接続する振動子４１を順次切り替えていくことで複数個の振動子４１を順次発振させていく。 The control circuit 51B performs the same control as in the first embodiment on one transducer 41 connected by switching the multiplexer 90 by executing the processing in the processing unit 101, and the connected transducer Preset values corresponding to 41 are preset. A plurality of transducers 41 are oscillated sequentially by sequentially switching the transducers 41 connected by the multiplexer 90.

マルチプレクサ９０を順次切り替えていく毎に、マルチプレクサ９０で接続される振動子４１に対応したプリセット値を、処理部１０１がメモリ１０１ｍから読み出し、これをアンプ１００のゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３の抵抗可変器１０３Ｃ、バンドパスフィルタ１０４のゲイン可変器１０４Ｃにそれぞれ設定する。
なお、マルチプレクサ９０の切り替えは処理部１０１の制御により行われる。また、図６に示すように、マルチプレクサ９０で接続する振動子４１を順次切り替えていくと、信号が安定するまでの微小なディレイ時間が存在する。そこで処理部１０１では、このディレイ時間の間に、プリセット値のプリセットを行うようにするのが好ましい。 Each time the multiplexer 90 is sequentially switched, the processing unit 101 reads out a preset value corresponding to the transducer 41 connected by the multiplexer 90 from the memory 101m, and this is read out from the gain variable unit 102 of the amplifier 100 and the resistance of the phase shifter 103. Setting is made in the variable device 103C and the gain variable device 104C of the band pass filter 104, respectively.
The multiplexer 90 is switched under the control of the processing unit 101. As shown in FIG. 6, when the transducers 41 connected by the multiplexer 90 are sequentially switched, there is a minute delay time until the signal becomes stable. Therefore, it is preferable that the processing unit 101 presets preset values during the delay time.

ここで、複数の振動子４１を備えた場合、複数の振動子４１を１つのＰＺＴ板７５上に設けると、当然のことながらＰＺＴ板７５に対する振動子４１の取り付け位置が互いに異なる。ＰＺＴ板７５は一様に振動するわけではなくＰＺＴ板７５上の位置によってその振動変位が異なる。この場合にも事前にそれぞれの振動子４１においてＰＺＴ板７５に取り付けられた状態で調整して最適なプリセット値を設定しておく。 Here, when a plurality of transducers 41 are provided, when the plurality of transducers 41 are provided on one PZT plate 75, the attachment positions of the transducers 41 with respect to the PZT plate 75 are different from each other. The PZT plate 75 does not vibrate uniformly, and the vibration displacement differs depending on the position on the PZT plate 75. Also in this case, an optimum preset value is set in advance by adjusting each vibrator 41 attached to the PZT plate 75 in advance.

このような複数の振動子４１を備える構成においては、マルチプレクサ９０で制御回路５１Ｂに接続する振動子４１を順次切り替えていくことで、振動子４１のサイズ、材質、振動子４１を発振させる駆動信号の振動モード、振動子４１の材料、振動子４１上に形成される感応膜４２の材料、感応膜４２の膜厚等が、互いに異なる場合にあっても、それぞれの振動子４１に最適な条件で発振させることができる。これにより各振動子４１における感度が最大となる。 In such a configuration including a plurality of vibrators 41, the vibrators 41 that are connected to the control circuit 51 </ b> B are sequentially switched by the multiplexer 90, whereby the size and material of the vibrators 41 and the drive signal that causes the vibrators 41 to oscillate. Even if the vibration mode, the material of the vibrator 41, the material of the sensitive film 42 formed on the vibrator 41, the film thickness of the sensitive film 42, etc. are different from each other, the optimum conditions for each vibrator 41 Can be oscillated. This maximizes the sensitivity of each transducer 41.

また複数の振動子４１がある場合においても制御回路５１Ｂは１つで済むので、装置のコンパクト化でコスト化を図ることができる。 In addition, even when there are a plurality of vibrators 41, only one control circuit 51B is required, so that the cost can be reduced by making the apparatus compact.

さて、これら複数組の振動子４１間においては、例えば、感応膜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感応膜４２を用い、それぞれ感応膜４２を備えた振動子４１の振動変化を測定制御部５０の検出回路５２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。 Now, among the plural sets of vibrators 41, for example, the type of the sensitive film 42 can be made different from each other. A plurality of types of sensitive films 42 having different sensitivities to component molecules (adsorption / capture levels of component molecules) are used, and vibration changes of the vibrator 41 including the sensitive films 42 are processed by the detection circuit 52 of the measurement control unit 50. Thus, the type of the captured component molecule can be specified. In this way, the analysis / identification function can be improved for various types of component molecules.

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、感応膜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、測定制御部５０の検出回路５２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。 In this way, the substance contained in the gas can be identified and its concentration can be measured. At this time, the discriminating ability is enhanced by making the material of the sensitive film 42 different. Further, by detecting the desorption timing when the substance is desorbed from the adsorbent by heating the sheath heater 34 with the detection circuit 52 of the sensor unit 40 and the measurement control unit 50, the ability to identify the type of the substance is enhanced.
In addition, by compressing and feeding the gas in the pump 20, it becomes possible to perform highly sensitive detection even with a small amount of gas, and the substance detection system 10 should be equipped with highly sensitive detection performance that is unprecedented in spite of its small size. Can do. Such a substance detection system 10 can be easily manufactured except for the vibrator 41 manufactured by a microfabrication technique such as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technique, thereby reducing the cost. Become.

ここで、上記したように駆動信号をプリセット値により調整することの効果を確認したので、その結果を以下に示す。
まず、プリセット値を用いずに振動子４１を駆動した場合について検証した。
振動子４１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４１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４１の下部にあたるシリコンチップ７０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４１が空気中で自由に振動できるようにした。
振動子４１の振動による変形を検出するために、振動子４１の根元に振動検出素子４３としてピエゾ抵抗素子を配置した。ピエゾ抵抗素子はシリコンチップ７０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、シリコンチップ７０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４１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４１の振動を検出した。
また、各振動子４１上には感応膜４２を塗布するために、Ａｕ薄膜の塗布用下地膜を形成した。 Here, since the effect of adjusting the drive signal with the preset value as described above was confirmed, the result is shown below.
First, the case where the vibrator 41 was driven without using the preset value was verified.
The vibrator 41 was manufactured from an SOI substrate having an SOI layer having a thickness of 5 μm. The SOI layer was etched into the shape of the vibrator 41 by a photolithography technique to manufacture a fine vibrator structure. The layer of the silicon chip 70 corresponding to the lower portion of the vibrator 41 is etched from the back surface to form a cavity so that the vibrator 41 can vibrate freely in the air.
In order to detect deformation due to vibration of the vibrator 41, a piezoresistive element is disposed as the vibration detection element 43 at the base of the vibrator 41. The piezoresistive element was produced by doping the surface of the silicon chip 70 with impurities. Electrical wiring was connected to the piezoresistive element by patterning a metal thin film formed on the surface of the silicon chip 70. The piezoresistive element feels the stress at the base due to the deformation of the vibrator 41 and its resistance value changes. By measuring this, the vibration of the vibrator 41 is detected.
Further, an Au thin film coating base film was formed on each vibrator 41 in order to coat the sensitive film 42.

このような、振動子４１は、幅１００μｍ×長さ５００μｍとしたものを４本用意した。 Four vibrators 41 having a width of 100 μm and a length of 500 μm were prepared.

このような振動子４１を有するシリコンチップ７０は、ＰＺＴ板７５上に接着した。
振動子４１に設けたＰＺＴ板７５への印加電圧は１Ｖ、それぞれを３次の振動モードで発振させた。マルチプレクサ９０を切り替えた時に計測を開始するまでのディレイ時間は１００ｍｓ、計測時間は８００ｍｓとした。 The silicon chip 70 having such a vibrator 41 was bonded onto the PZT plate 75.
The applied voltage to the PZT plate 75 provided in the vibrator 41 was 1 V, and each was oscillated in the third-order vibration mode. The delay time until the measurement is started when the multiplexer 90 is switched is 100 ms, and the measurement time is 800 ms.

その結果を図７、図８に示す。
図７に示すように４本の振動子４１（Ｃｈ１〜Ｃｈ４）は、振動子４１の大きさと振動モードは共通でありながら、温度変化による振動周波数変化量を主要因とする時間変化量は４本の振動子４１間で大きく異なった。複数の振動子４１のうち、最も振動する変化の少ないものはその変化量が１０Ｈｚ以内と安定しているが、他の振動子４１（Ｃｈ４）では最大１００Ｈｚの振動子４１変動が観察された。
また、図８に示すように、これら複数の振動子４１においては出力電圧が大きく違い、また、その出力信号の位相もわずかにずれていた。この位相のずれのために各振動子４１での発振動作条件が変わってしまい、周波数変化などに影響が出ていると考えられる。なお、図８の素子毎による位相差（チャネルによる差）は小さいが、実際に測定した多くのチップでは、同一チップに搭載した素子毎（チャネルによる差）位相は−１８０度から＋１８０度まで大きくばらついていた。そのため、４つの振動子４１を個別の位相調整なしに同時に発振させることは出来なかった。図７、図８は比較的４つの素子特性が揃っていて、良好であり、４つの振動子４１の位相が比較的良く揃っていて、同時に発振可能な希なケースである。 The results are shown in FIGS.
As shown in FIG. 7, the four vibrators 41 (Ch1 to Ch4) have the same size and vibration mode as the vibrator 41, but have a time change amount of 4 mainly due to a vibration frequency change amount due to a temperature change. There was a great difference between the vibrators 41 of the book. Among the plurality of vibrators 41, the one with the smallest vibration change has a stable change amount of 10 Hz or less, but in the other vibrators 41 (Ch4), fluctuations of the vibrator 41 of up to 100 Hz were observed.
Further, as shown in FIG. 8, the output voltages of these plural vibrators 41 are greatly different, and the phases of the output signals are slightly shifted. Due to this phase shift, the oscillating operation condition in each vibrator 41 is changed, and it is considered that the frequency change is affected. The phase difference (difference due to channel) for each element in FIG. 8 is small, but in many chips actually measured, the phase for each element (difference due to channel) mounted on the same chip is large from −180 degrees to +180 degrees. It was scattered. Therefore, the four vibrators 41 could not be oscillated simultaneously without individual phase adjustment. FIG. 7 and FIG. 8 are rare cases in which the four element characteristics are relatively good and good, and the phases of the four vibrators 41 are relatively good and can oscillate simultaneously.

次に、上記のようにプリセット値により駆動信号の調整を行った場合について検証を行った。
ここで振動子４１は３本を設けた。これら３本の振動子４１を１つのＰＺＴ板７５上に形成した。 Next, the case where the drive signal was adjusted by the preset value as described above was verified.
Here, three vibrators 41 are provided. These three vibrators 41 were formed on one PZT plate 75.

３本の振動子４１は以下のような構成となっている。
（Ｃｈ１１）幅５０μｍ×長さ２００μｍ、共振周波数は９２５ｋＨｚとし、３次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ１２）振動子４１は幅５０μｍ×長さ１００μｍとし、共振周波数は５２７ｋＨｚとし、２次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ１３）振動子４１は幅５０μｍ×長さ３００μｍとし、共振周波数は１２２６ｋＨｚとし、４次の振動モードで振動させた。 The three vibrators 41 have the following configuration.
(Ch11) width 50 μm × length 200 μm, resonance frequency was 925 kHz, and oscillation was performed in the third-order vibration mode.
(Ch12) The vibrator 41 was 50 μm wide × 100 μm long, had a resonance frequency of 527 kHz, and oscillated in a secondary vibration mode.
(Ch13) The vibrator 41 was 50 μm wide × 300 μm long, had a resonance frequency of 1226 kHz, and was vibrated in a fourth-order vibration mode.

これら３本の振動子４１は、事前にＰＺＴ板７５上で発振させて、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数について最適発振条件を設定し、これをプリセット値として用い、ＰＺＴ板７５の駆動信号を調整した。 These three vibrators 41 oscillate on the PZT plate 75 in advance to set optimum oscillation conditions for the gain of the amplifier 100, the phase shift amount of the phase shifter 103, and the center frequency of the bandpass filter 104. The drive signal for the PZT plate 75 was adjusted as a preset value.

その結果を図９に示す。
図９に示すようにプリセットを行った場合、３本の振動子４１においては振動子４１の周波数が長い時間に亘って安定した。
しかもこれらの振動子４１は、サイズも、発振させる振動モードも全く異なる。このような場合であっても、発振条件のプリセット値による調整を行うことで、ばらつきが小さくしかも安定した周波数で振動子４１を発振させることが可能となった。 The result is shown in FIG.
When presetting was performed as shown in FIG. 9, in the three vibrators 41, the frequency of the vibrator 41 was stabilized over a long time.
Moreover, these vibrators 41 have completely different sizes and vibration modes for oscillation. Even in such a case, it is possible to oscillate the vibrator 41 at a stable frequency with a small variation by adjusting the oscillation condition with the preset value.

次に、振動子４１上に、感応膜４２として、ＰＡＢ、ＰＢＤを塗布し、ＶＯＣガスを吸着させたときの周波数変化について、プリセット値による調整を行わない場合と、プリセット値による調整を行った場合とで比較した。
プリセット値による調整を行わない場合の２本の振動子４１は、以下のような構成とした。
（Ｃｈ２１）幅１００μｍ×長さ５００μｍ、共振周波数は４１９ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＡＢ（膜厚１．２μｍ）を塗布し、３次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ２２）幅１００μｍ×長さ５００μｍ、共振周波数は３８１ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＢＤ（膜厚２．５μｍ）を塗布し、３次の振動モードで発振させた。
プリセット値による調整を行った場合の２本の振動子４１は、以下のような構成とした。
（Ｃｈ３１）幅５０μｍ×長さ２００μｍ、共振周波数は９３７ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＡＢ（膜厚１．３μｍ）を塗布し、２次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ３２）幅５０μｍ×長さ５００μｍ、共振周波数は８１２ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＢＤ（膜厚３μｍ）を塗布し、４次の振動モードで発振させた。 Next, PAB and PBD were applied as the sensitive film 42 on the vibrator 41, and the frequency change when the VOC gas was adsorbed was not adjusted by the preset value, and was adjusted by the preset value. Compared with the case.
The two vibrators 41 when the adjustment by the preset value is not performed are configured as follows.
(Ch21) width 100 μm × length 500 μm, resonance frequency was 419 kHz, PAB (film thickness 1.2 μm) was applied as the sensitive film 42 and oscillated in the third vibration mode.
(Ch22) width 100 μm × length 500 μm, resonance frequency was 381 kHz, PBD (film thickness 2.5 μm) was applied as the sensitive film 42 and oscillated in the third vibration mode.
The two vibrators 41 when adjusted by the preset value are configured as follows.
(Ch31) width 50 μm × length 200 μm, resonance frequency was 937 kHz, PAB (film thickness 1.3 μm) was applied as the sensitive film 42 and oscillated in the secondary vibration mode.
(Ch32) width 50 μm × length 500 μm, resonance frequency was 812 kHz, PBD (film thickness 3 μm) was applied as the sensitive film 42 and oscillated in the fourth-order vibration mode.

そして、ＶＯＣガスを０．１グラムの炭素繊維を充填した吸着部３０の筒体３１内に導入して吸着させた後、その筒体３１を毎秒１℃の温度上昇速度で４５０℃まで加熱して成分分子を脱離させ、振動子４１が収められたチャンバ４５内に導入した。
ここで、プリセット値による駆動信号の調整を行わなかった場合については、エタノール５ｐｐｍ、アセトン１８ｐｐｍ、プロパノール５ｐｐｍの混合ガス１リットルをＶＯＣガスとして用いた。プリセット値により駆動信号の調整を行った場合については、エタノール０．５ｐｐｍ、アセトン１．８ｐｐｍ、トルエン０．５ｐｐｍの混合ガス１０リットルをＶＯＣガスとして用いた。
このときの、プリセット値により駆動信号の調整を行った場合（Ｃｈ３１、３２）と、プリセット値による駆動信号の調整を行わなかった場合（Ｃｈ２１、２２）のそれぞれについて、振動子４１の周波数変化を計測した。 And after introducing and adsorbing VOC gas in the cylinder 31 of the adsorption part 30 filled with 0.1 gram of carbon fiber, the cylinder 31 is heated to 450 ° C. at a temperature rising rate of 1 ° C. per second. The component molecules were desorbed and introduced into the chamber 45 in which the vibrator 41 was accommodated.
Here, in the case where the drive signal was not adjusted by the preset value, 1 liter of a mixed gas of 5 ppm ethanol, 18 ppm acetone, and 5 ppm propanol was used as the VOC gas. In the case where the drive signal was adjusted by the preset value, 10 liters of a mixed gas of ethanol 0.5 ppm, acetone 1.8 ppm and toluene 0.5 ppm was used as the VOC gas.
At this time, the frequency change of the vibrator 41 is changed for each of the case where the drive signal is adjusted based on the preset value (Ch31, 32) and the case where the drive signal is not adjusted based on the preset value (Ch21, 22). Measured.

その結果を図１０、図１１に示す。
図１０に示すように、プリセット値による駆動信号の調整を行わなかった場合、周波数変動が大きい。ここで、図１０と図１１は条件が違っていて直接比較はできないが、図１０では幅１００μｍ×長さ５００μｍで３次モードと同じ大きさの振動子４１を同じ次数（同じ共振周波数）で動作させている。それにも関わらず、振動子４１毎に異なった感応膜材料を異なった膜厚で塗布しているので、３次モードの４００ｋＨｚ付近でしか同時に発振させることは出来なかった。また発振はしているが、時間応答において周波数変動が大きいと言う結果になった。
一方、図１１に示すように、プリセット値により駆動信号の調整を行った場合、周波数変動が小さく、安定した検出が行えた。図１１では、振動子４１を異なる長さ、異なる材料で形成し、さらに互いに異なる次数で発振されているために、共振周波数も大きく違っている。それにも関わらず、非常に安定した発振がなされており、短時間周波数変動も少ない。 The results are shown in FIGS.
As shown in FIG. 10, the frequency fluctuation is large when the drive signal is not adjusted by the preset value. Here, FIG. 10 and FIG. 11 are different in conditions and cannot be directly compared. However, in FIG. 10, the vibrator 41 having the same order (same resonance frequency) as the third-order mode is 100 μm wide × 500 μm long. It is operating. Nevertheless, since different sensitive film materials were applied with different film thicknesses for each vibrator 41, it was possible to oscillate only in the vicinity of 400 kHz in the third-order mode. Although it oscillates, the frequency response is large in time response.
On the other hand, as shown in FIG. 11, when the drive signal was adjusted by the preset value, the frequency fluctuation was small and stable detection could be performed. In FIG. 11, since the vibrator 41 is formed of different lengths and different materials and oscillated with different orders, the resonance frequency is also greatly different. Nevertheless, very stable oscillation is made and there is little frequency fluctuation for a short time.

なお、上記実施の形態において、振動検出素子４３を設ける位置、範囲等は上記した以外のものとすることもできる。この他、振動子４１の振動変化の検出方式は、上記以外の方式を採用することもできる。
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。 In the above embodiment, the position, range, etc., where the vibration detection element 43 is provided can be other than those described above. In addition, a method other than the above can be adopted as a method for detecting the vibration change of the vibrator 41.
In addition to this, as long as it does not depart from the gist of the present invention, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.

１０…物質検出システム、２０…ポンプ（圧縮部）、３０…吸着部、３４…シースヒータ（ヒータ）、４０…センサ部、４１…振動子、４１ａ…一端、４１ｂ…他端、４２…感応膜、４３…振動検出素子（信号出力部）、５０…測定制御部、５１…駆動回路、５１Ａ…センサ側回路、５１Ｂ…制御回路、５２…検出回路（検出部）、７０…シリコンチップ、７１…基板本体、７５…ＰＺＴ板（駆動素子）、９０…マルチプレクサ（切替部）、１００…アンプ、１０１…処理部（パラメータ調整部）、１０１ｍ…メモリ、１０２…ゲイン可変器（波形調整部）、１０３…位相シフタ、１０３Ｃ…抵抗可変器（波形調整部）、１０４…バンドパスフィルタ、１０４Ｃ…ゲイン可変器（波形調整部） DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substance detection system, 20 ... Pump (compression part), 30 ... Adsorption part, 34 ... Sheath heater (heater), 40 ... Sensor part, 41 ... Vibrator, 41a ... One end, 41b ... Other end, 42 ... Sensitive membrane, DESCRIPTION OF SYMBOLS 43 ... Vibration detection element (signal output part), 50 ... Measurement control part, 51 ... Drive circuit, 51A ... Sensor side circuit, 51B ... Control circuit, 52 ... Detection circuit (detection part), 70 ... Silicon chip, 71 ... Substrate Main body, 75 ... PZT plate (drive element), 90 ... Multiplexer (switching unit), 100 ... Amplifier, 101 ... Processing unit (parameter adjustment unit), 101m ... Memory, 102 ... Gain variable device (waveform adjustment unit), 103 ... Phase shifter, 103C ... variable resistance (waveform adjusting unit), 104 ... band pass filter, 104C ... gain variable (waveform adjusting unit)

Claims

A vibrator,
A driving element that oscillates the vibrator by applying vibration to the vibrator;
A drive circuit for inputting a drive signal to the drive element;
A signal output unit that outputs an output signal corresponding to the vibration of the vibrator;
A memory for storing preset values of drive circuit parameters set for each vibrator, and a detection sensor comprising:
The drive circuit includes a parameter adjustment unit that adjusts parameters of the drive circuit according to the preset value stored in the memory;
And a waveform adjusting unit configured to process the waveform of the output signal by the drive circuit in which the parameter is adjusted to generate a drive signal.

A plurality of the vibrators;
The memory stores the preset value corresponding to each of the vibrators,
The detection sensor according to claim 1, wherein the parameter adjustment unit reads out the preset value corresponding to each of the vibrators from the memory and adjusts a parameter of the drive circuit.

A switching unit that selectively connects one of the plurality of vibrators to the drive circuit;
The parameter adjustment unit reads out the preset value corresponding to the vibrator selected and connected by the switching unit from the memory, and adjusts a parameter of the driving circuit. Detection sensor.

The detection sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the parameters of the drive circuit include at least one of a phase shift amount of the output signal, a frequency range of the output signal, and a gain.

Detect at least one of the type and concentration of the substance contained in the gas to be detected,
An adsorbing part for adsorbing the substance contained in the gas introduced into the system;
A heater for desorbing the substance adsorbed by the adsorption unit from the adsorption unit;
One end or both ends of the beam are fixed to a substrate and include a sensitive film that adsorbs or adheres the substance desorbed from the adsorption part, and the vibration frequency is increased by adsorbing or adhering the substance to the sensitive film. A changing oscillator,
A driving element that excites vibration in the vibrator by applying vibration to the vibrator;
A drive circuit for applying a drive signal to the drive element;
A signal output unit that outputs an output signal corresponding to the vibration of the vibrator;
A memory for storing preset values of parameters of the driving circuit set for each vibrator;
A detection unit that detects a change in vibration frequency of the vibrator based on the output signal output from the signal output unit, and a substance detection system comprising:
The drive circuit includes a parameter adjustment unit that adjusts parameters of the drive circuit according to the preset value stored in the memory;
A waveform adjustment unit that processes the waveform of the output signal by the drive circuit in which the parameter is adjusted to generate a drive signal, and applies the drive signal generated by the waveform adjustment unit to the drive element. Characteristic substance detection system.

6. The substance detection system according to claim 5, wherein the sensitive film is any one of polybutadiene (PBD) and polyacrylonitrile-butadiene (PAB).

A plurality of the vibrators are formed on one silicon chip,
The silicon chip is provided on the surface of the driving element,
The memory stores the preset value corresponding to each of the vibrators,
7. The substance according to claim 5, wherein the parameter adjustment unit reads the preset value corresponding to each of the vibrators from the memory and adjusts the parameter of the drive circuit of the output signal. 8. Detection system.

The apparatus further includes a compression unit that introduces the gas into the system and compresses the introduced gas and sends the gas to the adsorption unit, or a suction unit that sucks the gas and introduces the gas into the adsorption unit. The substance detection system according to any one of claims 5 to 7.