JP2011203006A - 検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】カンチレバー型振動子の温度を高精度に計測することを目的とする。
【解決手段】検出センサ１０は、基板５０上に、振動子３０の振動変化を検出する振動検出部４０と、基板５０の温度を検出する温度検出部６０とを備える。そして、分離溝７０により、同一基板５０上に形成された振動検出部４０と温度検出部６０とを絶縁する。また、温度検出部６０は、ｐ型領域６１に高濃度ｐ型領域６３を設け、ｎ型のシリコン層５３により高濃度ｎ型領域６２を設け、ここに配線パターン６６Ａ、６６Ｂを接続した。
【選択図】図１

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に関する。

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。

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。

このようなシリコン材料からなる振動子は、ピエゾ効果を用い、振動子の表面に設けたピエゾ抵抗層の電圧変化を検出することで、振動子の振動数変化を検出する（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開２００９−１３３７７２号公報 特開２００９−１３９３５９号公報

しかしながら、上述したようなシリコン材料からなるカンチレバー型振動子においては、シリコン材料のヤング率の持つ特性により温度依存性が高いという問題がある。すなわち、同様の分子検出に多用されているＱＣＭに比較すると、温度係数が数倍〜数十倍も異なる。質量変化の高精度な検出を行うには、カンチレバー型振動子の温度を高精度に計測して、その温度に応じた検出データの補償を行う必要がある。

温度補償を行う場合、多用されているのは、参照用のカンチレバーを別途設け、参照用のカンチレバー型振動子と、分子を付着または吸着するカンチレバー型振動子とで、差を検出することにより、温度ドリフトを補償することである。しかしそれでは、カンチレバー型振動子を、分子検出用と参照用とでそれぞれ設けなければならず、コスト増大、デバイス大型化等の問題を伴う。

そこで、特許文献２の技術においては、振動子に温度計を備え、その温度計で検出した温度に基づいて、カンチレバーの温度補償を行い、温度ドリフトを抑制することが行われている。

しかし、特許文献２の技術においては、温度測定に抵抗変化を用いている。このため、温度測定精度が低い。温度測定精度を高めるには、温度計に流す電流値を高めれば良いが、電流を多く流すと、今度は温度計自体が発熱してしまう。その結果、振動子の正確な温度を測定するのが困難となってしまう。
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、カンチレバー型振動子の温度を高精度に計測することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の検出センサは、シリコン基板に形成され、一端部または両端部が固定された梁状の振動子と、振動子を振動させる駆動部と、振動子の表面に形成されたピエゾ抵抗素子からなり、そのピエゾ抵抗効果から振動子における振動の変化を検出する振動検出部と、振動子の表面に形成された半導体ダイオード素子からなり、振動子の温度を検出する温度検出部と、を備えることを特徴とする。
このような検出センサでは、半導体ダイオード素子により振動子の温度を検出するので、温度検出部自体が発熱することもなく、熱影響を抑えて高精度に振動子の温度検出を行える。また、一つの基板上に振動検出部と温度検出部とが形成されているため、振動子の近傍で温度検出を高精度に行え、また、装置の大型化を抑えることができる。

ここで、振動検出部は、シリコン基板のｎ型半導体からなる層に、ｐ型半導体からなるピエゾ抵抗素子を備え、当該ピエゾ抵抗素子の両端部の電極間の電圧により振動子の振動の変化を検出し、温度検出部は、ｎ型半導体からなる層に、ｐ型半導体からなるｐ型領域が設けられることで形成された半導体ダイオード素子を備え、ｐ―ｎ接合に定電流を流したときのｐ型領域とｎ型領域との電位差を検出することで、振動子の温度を測定することができる。
さらに、温度検出部のｐ型領域は、ｎ型半導体からなる層に接する部分が、第１の濃度のｐ型半導体により形成され、その一部に、第１の濃度よりも高い第２の濃度のｐ型半導体により形成された高濃度部が形成され、当該高濃度部に配線を接続するのが好ましい。

また、ｎ型半導体からなる層に、振動検出部と温度検出部とを電気的に絶縁する絶縁部を形成するのが好ましい。これにより、振動検出部と温度検出部とで電気的に影響を及ぼし合うのを防ぐことができる。このような絶縁部は、例えばｎ型半導体からなる層に、絶縁材料からなる絶縁部を形成しても良いが、この層を振動検出部と温度検出部とに分断する溝を形成するのが好ましい。

また、ｎ型領域とｐ型領域はそれぞれ帯状とし、互いに平行に設けるのが好ましい。さらに、ｎ型領域は、ｐ型領域の２辺以上に沿って設けるのが好ましい。

また、温度検出部は、対となるｎ型領域とｐ型領域を複数組電気的に並列して設けても良い。

このような振動子は、いかなる目的のものでもあっても良いが、特に、振動子の表面に、物質を付着または吸着する膜状の分子認識膜が形成され、振動検出部は、分子認識膜への質量を有した物質の付着または吸着により変化する振動子の振動特性を検出するものとするのが好ましい。

本発明によれば、半導体ダイオード素子により振動子の温度を検出するので、温度検出部自体が発熱することもなく、熱影響を抑えて高精度に振動子の温度検出を行える。また、一つの基板上に振動検出部と温度検出部とが形成されているため、振動子の近傍で温度検出を行える。これにより、振動子の温度を高精度に計測することが可能となり、また、装置の大型化を抑えることができる。

本実施の形態における検出センサの構成を示す図であり、基板構成を示す斜視図である。 振動子に設けられた振動検出部の構成を示す断面図である。 温度検出部の構成を示す断面図である。 温度検出部の他の例を示す図であり、ｐ型領域とｎ型領域を櫛歯状として対向させた構成の平面図である。 同、ｐ型領域とｎ型領域を複数組並列に設ける場合の平面図である。 振動子の応答の温度依存性を示す図であり、周波数と振動センサ出力との関係を示す図である。 温度検出部において検出した温度と、熱電対で検出した温度との対比を示す図である。 温度補償を行わない場合の、周波数変動の例を示す図である。 温度補償を行った場合の周波数変動の例を示す図である。

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検出センサ１０の構成を説明するための図である。
この図１に示す検出センサ１０は、検知対象となる特定種の分子（以下、単に分子と称する）を吸着することで、ガスや匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。この検出センサ１０は、分子を吸着する分子認識膜２０を備えた振動子３０と、分子認識膜２０への分子の吸着を検出する検出部（振動検出部）４０と、温度検出部６０と、から構成されている。

振動子３０は、一端部が固定された片持ち梁状のカンチレバー式である。このような振動子３０は、複数組を設けても良い。
図１、図２に示すように、振動子３０は、基板５０に形成されたキャビティ５６の内方に、基板５０をフォトリソグラフィ法等のＭＥＭＳ技術を用いることによって形成されている。振動子３０は、平面視長方形状で、厚さは２〜１０μｍ、長さは３０〜１０００μｍ、幅は１０〜３００μｍとするのが好ましい。ここで、基板５０には、シリコン系材料、より詳しくは単結晶シリコンからなる基板本体５１の表面に、ＳｉＯ_２からなる絶縁層５２が形成され、絶縁層５２上にさらにシリコン系材料からなるシリコン層（ｎ型半導体からなる層）５３が形成されたＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いるのが好ましい。この場合、振動子３０は、シリコン層５３に形成されている。

図１に示したように、振動子３０の表面には、検出対象となる分子を吸着または付着させる膜状の分子認識膜２０が形成されている。
分子認識膜２０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２０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２０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、複数の振動子３０を備える場合に、組み合わせる分子認識膜２０の種類を異ならせることで、物質の選択精度を高めることができる。
分子認識膜２０は、滴下法、スピンコート法等、適宜の手法で振動子３０の表面に形成すればよい。また、分子認識膜２０を形成する材料の振動子３０の表面に対する付着性を高めるために、振動子３０の表面に例えばＡｕ（金）等の下地膜を形成するのが好ましい。

図２に示すように、振動検出部４０は、振動子３０の基端部に設けられている。振動検出部４０は、振動子３０を形成するシリコン層５３がｎ型とされ、その表層部にｐ型とされたｐ型領域（ピエゾ抵抗素子）４１が形成され、さらにこのｐ型領域４１中に、ｐ型領域４１よりも高濃度のｐ型とされた電極部４２、４２が形成されることで構成されている。
シリコン層５３の表面には、ＳｉＯ_２からなる表面絶縁層５４が形成されており、この表面絶縁層５４にコンタクトホール５５を形成することで、電極部４２、４２が開口される。そして、この電極部４２、４２に、Ａｌ等の導電性材料からなり、表面絶縁層５４上に沿って設けられた配線パターン４４Ａ、４４Ｂの一端がコンタクトホール５５、５５において電気的に接続されている。
また、図２に示したように、振動子３０の基端部近傍に基板電圧設定用のｎ型領域４９が設けられ、これにも同様にして配線パターン４４Ｃの一端が接続されている。このｎ型領域４９にかける基板電圧は基板５０のシリコン層５３に対して常にゼロ或いは正の値に設定される（すなわちシリコン層５３とｎ型領域４９で構成されるＰ−Ｎ接合が逆バイアスとされる。）。

配線パターン４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃには、基板５０の表層部にパッド部４４ａ、４４ｂ、４４ｃが形成され、ここにワイヤーボンディング等により接続された配線を介し、外部の電源４５が電気的に接続されている。

このような構成のカンチレバー型の振動子３０は、基板５０に積層されたＰＺＴ板等の圧電板７５に所定の周波数の電圧を印加することで駆動される。振動検出部４０は、例えば外部のコントローラ１００から、電源４５を制御して電極部４２、４２に電圧を印加させて、振動子３０の振動に伴うｐ型領域４１の応力の時間的変化を、ピエゾ抵抗効果によりその端子電圧の変化、あるいは抵抗の変化として検出する。実際にはｐ型領域４１の両端の電圧の変化をアンプで増幅し、位相を調整して圧電板７５に戻す帰還回路によって、振動子３０を自励発振させる。

検出センサ１０は、検出処理部１１０を備えており、検出処理部１１０においては、振動子３０の振動によるｐ型領域４１の応力を、ピエゾ抵抗効果によって電極部４２，４２間の電圧変動として検出することにより、振動子３０の振動変化を検出できる。

温度検出部６０は、図１および図３に示すように、ｎ型のシリコン層（ｎ型領域）５３の表層部に沿って帯状に延びるｐ型領域６１と、ｐ型領域６１と対向して平行に延び、シリコン層５３よりも高濃度のｎ型とされた高濃度ｎ型領域（ｎ型領域、高濃度部）６２と、を有する。ここで、ｐ型領域６１には、ｎ型のシリコン層５３に接する部分を形成する第１の濃度のｐ型領域６１よりも、高濃度な第２の濃度のｐ型とされた高濃度ｐ型領域（ｐ型領域、高濃度部）６３が設けられている。

そして、高濃度ｎ型領域６２と、高濃度ｐ型領域６３とに対応した部分において、表面絶縁層５４にコンタクトホール６５が形成されており、ここに高濃度ｎ型領域６２と高濃度ｐ型領域６３とが表面絶縁層５４で開口しており、表面絶縁層５４上に沿って設けられたＡｌ等の導電性材料からなる配線パターン６６Ａ、６６Ｂの一端が電気的に接続されている。

ｎ型領域であるシリコン層５３とｐ型領域６１の不純物濃度は、ｐ−ｎ接合ダイオードを形成するため中濃度または低濃度とするのが望ましい。中濃度または低濃度のシリコンは金属電極との界面にショットキー接続を生じてしまい、電気的導通を取ることが難しくなるため、ｎ型領域であるシリコン層５３とｐ型領域６１にそれぞれ高濃度領域６２、６３を設けて電気的導通（オーミック接触）を得られるようにする。配線パターン６６Ａ、６６ＢにＡｌを使用する場合は、配線パターン６６Ａ、６６Ｂを形成後にさらに４２０℃程度の熱処理を行うことで、良好なオーミック接触が得られる。

図１に示したように、配線パターン６６Ａ、６６Ｂには、基板５０の表層部にパッド部６６ａ、６６ｂが形成されており、ここにワイヤーボンディング等により接続された配線を介し、外部の電流源６７、電圧計６８が電気的に接続されている。

このような温度検出部６０においては、コントローラ１００の制御により、電流源６７から電流を流す。すると、ｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２との間にＰＮダイオード(半導体ダイオード素子)が構成されるので、検出処理部１１０では、電圧計６８によりｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２の電位差（電圧）を計測することで、計測した電圧から温度を検出することができる。半導体ダイオード素子の順方向の電圧−電流特性は、温度によって変化する自由キャリア濃度に依存しているため、一般に大きな温度依存性を持ち、温度センサとして利用することができる。

ここで、帯状のｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２とを対向させることでダイオードを構成しているが、その直列抵抗を低減するため、ｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２とが対向する長さをなるべく大きくするのが好ましい。そこで、図１に示したように、ｐ型領域６１の周囲を取り囲むよう、高濃度ｎ型領域６２をｐ型領域６１の３辺に沿って所定のクリアランスを有して対向する略Ｕ字状に形成するのが好ましい。

さて、基板５０上に形成された振動検出部４０と温度検出部６０は、絶縁されている。このため、図１、図３に示すように、基板５０のシリコン層５３を貫通して絶縁層５２に到達する分離溝（絶縁部、溝）７０が、振動検出部４０と温度検出部６０との間を隔てるように連続して形成されている。

検出処理部１１０では、予め定められた処理プログラムに基づいた処理を実行することで、振動検出部４０で検出した振動子３０の振動変化を、温度検出部６０で検出した温度に応じて補償（補正）する。
これには、例えば、事前に求めた振動子３０の温度係数Ｔｃと、温度検出部６０で検出された温度変化量ΔＴとから、下式に基づき、振動子３０の温度によるドリフト量ｄｆを算出する。
ｄｆ＝Ｔｃ×ΔＴ×（ｆ／ｆ_０）
ここで、ｆは振動検出部４０で検出された振動子３０の振動数、ｆ_０は振動子３０の共振周波数である。

検出処理部１１０は、さらに、算出されたドリフト量ｄｆにより、振動検出部４０で検出された振動子３０の振動数ｆを補正し、これを振動子３０の振動変化の検出結果として、出力部１２０から、グラフ、文字情報、シグナル表示、音等により適宜出力する。
なお、検出処理部１１０における温度に応じた振動変化の補償方法は、上記に限らず、適宜他の手法を用いても良い。

このような検出センサ１０は、以下に示すような半導体プロセスによって形成することができる。
まず、ＳＯＩ基板からなる基板５０を構成するｎ型のシリコン層５３に、ｐ型の不純物をドーピングして振動検出部４０のｐ型領域４１、温度検出部６０のｐ型領域６１を形成する。
次いで、ｐ型領域４１、６１に高濃度のｐ型不純物をドーピングすることで、電極部４２、高濃度ｐ型領域６３を形成する。

また、シリコン層５３に、シリコン層５３よりも高濃度のｎ型不純物をドーピングして、高濃度ｎ型領域６２と、振動子３０の基端部近傍に設けられた基板電圧設定用のｎ型領域４９とを形成する。

この後、シリコン層５３の表面に、表面絶縁層５４を成膜し、所定の位置にコンタクトホール５５、６５をエッチングにより形成する。
さらに、配線パターン４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、６６Ａ、６６Ｂを形成し、必要に応じてシリコン層５３と配線パターン４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、６６Ａ、６６Ｂとのオーミック接触を得るための熱処理を行う。

しかる後、基板５０のシリコン層５３側から、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のエッチング法により、シリコン層５３を貫通して絶縁層５２に到達するよう、振動子３０の外形を形成するとともに、分離溝７０を形成する。
そして、基板５０の基板本体５１側から、ＲＩＥ等のエッチング法により、基板本体５１および絶縁層５２を除去してキャビティ５６を形成することで、検出センサ１０が完成する。

上述したように、検出センサ１０は、基板５０上に、振動検出部４０と温度検出部６０とを備えている。これにより、振動検出部４０で検出した振動子３０の振動変化を、温度検出部６０で検出した温度に応じて補償して、高精度な検出を行うことが可能となる。このとき、振動検出部４０と温度検出部６０は、同一の基板５０上に設けられているので、大型化することなく、振動子３０の温度を非常に近い位置で正確に検出できる。

しかも、上述したような温度検出部６０は、振動検出部４０と共通のプロセスで形成することが可能である。すなわち、振動検出部４０を形成する工程で、同時に温度検出部６０を形成することができ、余分な工程を追加する必要がない。これにより、製造コストの上昇、効率低下を招くことなく温度検出部６０を低コストで形成できる。

しかも、温度検出部６０は、ｐ型領域６１に高濃度ｐ型領域６３が設けられているので、この高濃度ｐ型領域６３に配線パターン６６Ａとの電極部における接触抵抗を低減することができている。
また、ｎ型のシリコン層５３により高濃度ｎ型領域６２が設けられ、この高濃度ｎ型領域６２に配線パターン６６Ｂが接続されている。これによって、ｎ型のシリコン層５３に対する電極部の接触抵抗を低減することができている。
さらに、温度検出部６０は、ｐ型領域６１の周囲を取り囲むように、高濃度ｎ型領域６２を略Ｕ字状に形成することで、その直列抵抗を低減することができる。
このようにして、温度検出部６０の抵抗を抑えることで、発熱も抑えることができ、より大きな電流を流すことが可能となり、高精度な温度検出が行える。その結果、高精度な温度補償による検出センサ１０の検出精度の向上を図ることができる。

加えて、分離溝７０により、同一基板５０上に形成された振動検出部４０と温度検出部６０とが絶縁されている。振動検出部４０と温度検出部６０とを絶縁せず、シリコン層５３を共有して電気的に導通させる構成とすることも可能であるが、その場合、振動検出部４０のｐ型のピエゾ抵抗素子と温度検出部６０のＰＮダイオードに対し、それぞれに応じて電圧、電流を供給する必要があるため、電源等の回路構成が複雑となる。さらに、振動検出部４０と温度検出部６０とが相互に影響を及ぼし、ノイズ等が生じる可能性がある。
これに対し、分離溝７０による絶縁により、振動検出部４０と温度検出部６０とを電気的に独立させて回路構成を簡易なものとすることができ、前記のような問題を回避して高精度な温度検出を行うことが可能となっている。

なお上記実施形態では、ｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２との直列抵抗を低減するために、図１に示すような構成を採用できるものとしたが、これに限るものはなく、図４に示したように、ｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２とを、それぞれ互いに平行に複数本を並べて設けた櫛歯状とし、これらｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２とを所定のクリアランスを隔てて噛み合わせるように設けても良い。

また、図５に示すように、ｐ型領域６１と、ｐ型領域６１の周囲を取り囲むように略Ｕ字状に形成した高濃度ｎ型領域６２とを、複数組並列して設ける構成とすることも可能である。これにより、ｐ型領域６１と高濃度ｎ型領域６２との直列抵抗をさらに有効に低減することが可能となる。

上記のような検出センサ１０について、実証実験を行った。
まず、シリコン製のカンチレバーの温度依存性を調べた。
厚さ４．５μｍのＳＯＩ層を持つ基板５０から、上記したプロセスにより、長さ２００μｍ、幅５０μｍの振動子３０を製作した。この振動子３０に、ネットワークアナライザにより１次の共振モードの周波数（約１６９ｋＨｚ）を外部に接続したＰＺＴ板からなる圧電板７５に印加し、その周波数を変化させた。このとき、雰囲気温度は、０℃、２５℃、５０℃の３通りとした。このときの振動検出部４０から得られる出力の周波数特性を調べた。
図６にその結果を示す。
図６に示すように、０℃、２５℃、５０℃で振動子３０の応答特性は変化し、共振周波数が高温になるほど低周波数側にずれた。この図６から読み取れる共振周波数の温度係数は、約−２５ｐｐｍ／℃であり、シリコンのヤング率の特性から予想される共振周波数の温度係数は−３５ｐｐｍ／℃と近い。

次いで、温度検出部６０の温度検出精度について確認した。
図１に示した温度検出部６０に、１０μＡの一定電流を与えたときの、室温（２０℃）で６００ｍＶとしたときの端子電圧の変化を調べた。比較のため、Ｋ熱電対で検出した基板５０の温度を示した。
図７はその結果である。
図７に示すように、ＰＮダイオードからなる温度検出部６０は、Ｋ熱電対より遙かに高精度であり、０．０１℃以下の精度で温度が検出可能であった。

次に、図１に示した検出センサ１０において、温度検出部６０で検出した温度に基づいて補正を行うことの効果を確認した。
まず、
（１）幅５０μｍ、長さ２００μｍとし、分子認識膜２０としてＰＡＢを塗布した振動子３０、
（２）幅５０μｍ、長さ５００μｍとし、分子認識膜２０としてＰＢＤを塗布した振動子３０、
（３）幅５０μｍ、長さ５００μｍとし、分子認識膜２０を塗布していない振動子３０、
を用意した。これらは、同一のシリコンチップ（基板５０）上に形成されており、同時にセンサ特性の計測実験が可能である。
そして、それぞれの振動子３０について、２次の共振モードで駆動（２次の共振周波数である９００ｋＨｚ付近のバンドパスフィルターを用いて検出センサ出力を増幅、位相調整をして圧電板７５に入力して動作）させた場合の振動検出部４０から得られる出力の周波数変化を、雰囲気温度を変えて調べ、温度係数を求めた。
その結果、（１）の振動子の温度係数は１８３ｐｐｍ／℃、（２）は７８．３ｐｐｍ／℃、（３）は３４ｐｐｍ／℃であった。また、温度検出部６０の温度係数は、２．１８ｍＶ／℃であった。

そして、温度検出部６０で温度検出を行い、それに基づいて補償を行った場合と、補償を行わなかった場合のそれぞれについて、振動検出部４０で振動子３０の周波数変化を評価した。ここで、検出センサ１０は、容量０．３ＣＣのチャンバ内にセットし、濃度１８ｐｐｍのアセトン、５ｐｐｍのトルエン、５ｐｐｍのエタノールを含む１０００ＣＣの混合ガスを一旦、０．１ｇの炭素繊維を充填した吸着管に吸着させる。その吸着管を室温から４５０℃まで１秒間に１℃の温度上昇をさせ、脱離したガスをチャンバ内に導いて、それぞれを分子認識膜２０に吸着させた場合の、周波数変化を調べた。
ここで、温度検出部６０で温度検出を行った場合、３秒毎に１１回、のべ３３秒間について、検出された温度を最小二乗法によって３次関数に当てはめたときの、その平均値を用いて補償を行った。
その結果を図８、図９に示す。

図８に示すように、混合ガスを流した影響等で、時間の経過に伴い基板の温度は２６．９℃から２７．２℃まで上昇している。温度補償を行わなかった場合、分子認識膜２０を塗布しなかった振動子３０の振動周波数変化からも明らかなように、時間の経過とともに振動数が低下しており、温度ドリフトが生じていることがわかる。１℃以下のわずかな温度変化であっても、吸着検出には大きな影響が出る。
一方、図９に示すように、温度補償を行った場合、分子認識膜２０を塗布しなかった振動子３０の振動周波数はほぼ一定であり、温度補償が行われていることが確認できた。また、分子認識膜２０を塗布した振動子３０において、アセトン、トルエン、エタノールに対する振動数変化のピークがそれぞれ明確になり、高精度な検出を行うこともできる。

なお、上記実施の形態において、振動子３０の駆動方式は、例えばＰＺＴ以外の圧電素子を用いる等、上記以外の方式を採用することもできる。
例えば、振動子３０、温度検出部６０が形成された基板５０と、それ以外の電源４５、電流源６７、電圧計６８、コントローラ１００、検出処理部１１０は、別体としても良いが、これを一体のユニット化することも可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０…検出センサ、２０…分子認識膜、３０…振動子、４０…振動検出部、４１…ｐ型領域（ピエゾ抵抗素子）、４２…電極部、４５…電源、５０…基板、５１…基板本体、５２…絶縁層、５３…シリコン層（ｎ型半導体からなる層）、５４…表面絶縁層、５５…コンタクトホール、６０…温度検出部、６１…ｐ型領域、６２…高濃度ｎ型領域（ｎ型領域）、６３…高濃度ｐ型領域（ｐ型領域、高濃度部）、６６Ａ…配線パターン、６６Ｂ…配線パターン、６６ａ…パッド部、６７…電流源、６８…電圧計、７０…分離溝（絶縁部、溝）、１００…コントローラ、１１０…検出処理部、１２０…出力部

Claims (9)

1. シリコン基板に形成され、一端部または両端部が固定された梁状の振動子と、
   前記振動子を振動させる駆動部と、
   前記振動子の表面に形成されたピエゾ抵抗素子からなり、そのピエゾ抵抗効果から前記振動子における振動の変化を検出する振動検出部と、
   前記振動子の表面に形成された半導体ダイオード素子からなり、前記振動子の温度を検出する温度検出部と、を備えることを特徴とする検出センサ。
2. 前記振動検出部は、前記シリコン基板のｎ型半導体からなる層に、ｐ型半導体からなる前記ピエゾ抵抗素子を備え、当該ピエゾ抵抗素子の両端部の電極間の電圧により前記振動子の振動の変化を検出し、
   前記温度検出部は、前記ｎ型半導体からなる前記層に、ｐ型半導体からなるｐ型領域が設けられることで形成された前記半導体ダイオード素子を備え、ｐ―ｎ接合に定電流を流したときの前記ｐ型領域とｎ型領域との電位差を検出することで、前記振動子の温度を測定することを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
3. 前記温度検出部のｐ型領域は、前記ｎ型半導体からなる前記層に接する部分が、第１の濃度のｐ型半導体により形成され、その一部に、前記第１の濃度よりも高い第２の濃度のｐ型半導体により形成された高濃度部が形成され、当該高濃度部に配線が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の検出センサ。
4. 前記ｎ型半導体からなる前記層に、前記振動検出部と前記温度検出部とを電気的に絶縁する絶縁部が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出センサ。
5. 前記絶縁部は、前記層を前記振動検出部と前記温度検出部とに分断する溝であることを特徴とする請求項４に記載の検出センサ。
6. 前記ｎ型領域と前記ｐ型領域はそれぞれ帯状で、互いに平行に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. 前記ｎ型領域は、前記ｐ型領域の２辺以上に沿って設けられていることを特徴とする請求項６に記載の検出センサ。
8. 前記温度検出部は、対となる前記ｎ型領域と前記ｐ型領域が複数組並列して設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の検出センサ。
9. 前記振動子の表面に、前記物質を付着または吸着する膜状の分子認識膜が形成され、
   前記振動検出部は、前記分子認識膜への質量を有した物質の付着または吸着により変化する前記振動子の振動特性を検出す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検出センサ。

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