JP2011203007A - Detection sensor, and material detection system - Google Patents

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Takashi Mihara
孝士 三原
Takeshi Ikehara
毅 池原
Mutsumi Kimura
睦 木村
Masashi Nunokawa
正史 布川
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detection sensor and a material detection system which can achieve high sensitivity, and improving stability and reliability.SOLUTION: The stabilization of vibration characteristics in a vibrator 41 and the improvement of detection sensitivity in a sensitive film 42 are attained by operating a cooling element 152 and by cooling a vibrator chip 100 through a heat conductor 151, a chip package 120 and a PZT plate 130. A heat insulating material 170 covers the surrounding of the heat conductor 151 and the cooling element 152. An electrode part 121 is designed not to contact the outside air by a socket 140, a socket holder 141 and an electrode cover 142. Further, a chamber wall part 145 and a chamber body 146 are formed with a resin such as PEEK (polyether ether ketone) having a lower heat conductivity than a metal.

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、2参照)。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 vibrators that perform mass detection, there are cantilever vibrators that utilize lateral vibration of a cantilever beam (see, for example, Patent Documents 1 and 2). 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.

特開2007−240252号公報JP 2007-240252 A 特開2009−133772号公報JP 2009-133772 A

このような物質検出システムにおいては、検出感度をさらに高めようとすると、振動子のさらなる小型化等を図る必要があり、これにはその製造プロセスの開発を含め、多大なコストが必要となる。
また、研究開発段階から量産化をにらんだ段階へと移行してくると、数多くの振動子において、安定した検出感度が得られることが必要となってくる。
このように、物質検出システムにおいては、常に、その感度、安定性の向上が求められており、本発明は、高感度化および安定性向上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。
In such a substance detection system, in order to further increase the detection sensitivity, it is necessary to further reduce the size of the vibrator, and this requires a great deal of cost, including the development of its manufacturing process.
In addition, when moving from the research and development stage to the stage of mass production, it becomes necessary to obtain stable detection sensitivity in many vibrators.
As described above, in the substance detection system, improvement in sensitivity and stability is always required, and the present invention provides a detection sensor and substance detection system that can achieve high sensitivity and stability. For the purpose.

そこでなされた本発明の検出センサは、振動子と、振動子の表面に形成され、物質を付着または吸着する膜状の感応膜と、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、振動子を冷却する冷却部材と、を備える。冷却部材により振動子を冷却すると、振動子の表面に形成された感応膜の温度が低下する。感応膜を低温にすることによって、感応膜の表面や膜内の吸着サイトでの吸着速度が脱離速度よりも大きくなって吸着能が高くなるとともに、吸着した分子の相互作用も大きくなって吸着サイトでの凝集が起こって、結果として膜全体の吸着能が高くなる。すなわちセンサの感度(濃度あたりの周波数変化(Hz/ppm))が向上する。   The detection sensor of the present invention made there is a vibrator, a film-like sensitive film that is formed on the surface of the vibrator and adheres to or adsorbs a substance, a piezoelectric element that vibrates the vibrator, and a voltage applied to the piezoelectric element. An element package for cooling and a cooling member for cooling the vibrator. When the vibrator is cooled by the cooling member, the temperature of the sensitive film formed on the surface of the vibrator decreases. By lowering the temperature of the sensitive membrane, the adsorption rate at the surface of the sensitive membrane and at the adsorption sites in the membrane is greater than the desorption rate, resulting in higher adsorption capacity and greater interaction between adsorbed molecules. Aggregation at the site occurs, resulting in higher adsorption capacity of the entire membrane. That is, the sensitivity of the sensor (frequency change per concentration (Hz / ppm)) is improved.

また、冷却部材と素子パッケージの電極とのうち少なくとも一つ部材を、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆う結露防止部を形成するのが好ましい。   Moreover, it is preferable to form a dew condensation prevention part that covers at least one member of the cooling member and the electrode of the element package with a material having a lower thermal conductivity than the material constituting the member.

また、振動子が形成された基板と、冷却部材とが積層され、冷却部材で基板を冷却することにより、振動子および当該振動子に形成された感応膜を冷却することができる。
さらに、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、素子パッケージの他面側に、冷却部材として、振動子を冷却するために熱エネルギを奪う冷却素子と、冷却素子で奪う熱エネルギを素子パッケージから伝達する伝熱部材とが積層されて設けられた構成とすることができる。
このように、素子パッケージ、圧電素子、振動子(を有した基板)を積層することで、圧電素子で発生した振動を振動子にダイレクトに伝達することができる。
このような構成において、結露防止部は、冷却素子および伝熱部材の表面を覆う断熱材からなるものとすることができる。
In addition, the substrate on which the vibrator is formed and the cooling member are stacked, and the substrate is cooled by the cooling member, whereby the vibrator and the sensitive film formed on the vibrator can be cooled.
Further, a piezoelectric element is bonded to one surface side of the element package, a substrate having a vibrator is laminated on the piezoelectric element, and a heat member is taken on the other surface side of the element package to cool the vibrator as a cooling member. A cooling element and a heat transfer member that transmits heat energy taken away by the cooling element from the element package can be stacked.
As described above, by laminating the element package, the piezoelectric element, and the vibrator (with the substrate), vibration generated in the piezoelectric element can be directly transmitted to the vibrator.
In such a configuration, the dew condensation prevention unit can be made of a heat insulating material that covers the surfaces of the cooling element and the heat transfer member.

また、素子パッケージと冷却部材との間に、圧電素子で発生した振動が素子パッケージ側から冷却部材に伝達するのを抑える振動伝達抑制部材を設けることもできる。これにより、冷却部材により圧電素子で発生した振動が阻害されるのを防ぎ、効率良く振動させることができる。   Further, a vibration transmission suppressing member that suppresses vibration generated in the piezoelectric element from being transmitted from the element package side to the cooling member can be provided between the element package and the cooling member. Thereby, it is possible to prevent the vibration generated in the piezoelectric element from being disturbed by the cooling member, and to vibrate efficiently.

また、素子パッケージの外周部に外部の電源が接続される電極が設けられ、電極が、予め成型された断熱性材料からなる電極カバーにより覆われた構成とすることもできる。
さらに、電極カバーが、電極に対し、素子パッケージの一面側と他面側とに設けられ、電極カバーが、素子パッケージの一面側と他面側に設けられた一対のハウジングにより、加圧状態に締め付けられた構成とすることもできる。
Further, an electrode to which an external power source is connected can be provided on the outer peripheral portion of the element package, and the electrode can be covered with an electrode cover made of a heat insulating material molded in advance.
Furthermore, the electrode cover is provided on one side and the other side of the element package with respect to the electrode, and the electrode cover is brought into a pressurized state by a pair of housings provided on the one side and the other side of the element package. It can also be a tightened configuration.

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、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、振動子を冷却する冷却部材と、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、を備える。そして、冷却部材、素子パッケージの電極の少なくとも一つ部材を、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆うことを特徴とする。
ここで、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、チャンバを樹脂系材料により形成することもできる。チャンバを樹脂系材料で形成することで、チャンバの金属製とした場合に比較し、結露しにくくすることができる。
The present invention is a substance detection system that detects at least one of the type and concentration of a specific substance contained in a gas to be detected, and introduces the gas to be detected into the system and transports the introduced gas in the system. Pump, an adsorption part that adsorbs a specific substance contained in the gas introduced into the system by the pump, a heater that desorbs the specific substance adsorbed by the adsorption part from the adsorption part, and a specification that is desorbed from the adsorption part An oscillator that has a sensitive film that adsorbs or adheres to a substance, the vibration frequency of which changes when a specific substance is adsorbed or adhered to the sensitive film, a piezoelectric element that vibrates the vibrator, and an element package that applies a voltage to the piezoelectric element And a cooling member that cools the vibrator, and a type of a specific substance obtained by detecting a change in the vibration frequency of the vibrator and based on a change timing of the vibration frequency of the vibrator And and a detection unit for detecting at least one of the concentration of a specific substance obtained based on the variation of the vibration frequency. And at least 1 member of the cooling member and the electrode of an element package is covered with the material whose heat conductivity is smaller than the material which comprises the said member.
Here, the vibrator is provided in a chamber into which the specific substance desorbed from the adsorption portion is sent by a pump, and the chamber can be formed of a resin-based material. By forming the chamber with a resin-based material, it is possible to make it difficult to condense as compared with the case where the chamber is made of metal.

本発明によれば、感応膜を塗布した振動子を冷却することで、検出感度の高感度化、および安定性の向上を図ることができる。   According to the present invention, it is possible to increase the detection sensitivity and improve the stability by cooling the vibrator coated with the sensitive film.

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。It is a figure which shows schematic 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、チップ・パッケージ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, a PZT board, and a chip package. センサ部の冷却構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cooling structure of a sensor part. 冷却の有無による周波数変化の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference in the frequency change by the presence or absence of cooling. 感応膜を形成する材料による温度特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic by the material which forms a sensitive film | membrane. 結露防止構造を採用しなかった場合の冷却素子温度と振動子の周波数変化を示す図である。It is a figure which shows the cooling element temperature at the time of not employ | adopting a dew condensation prevention structure, and the frequency change of a vibrator | oscillator. 冷却素子による冷却能力を示す図である。It is a figure which shows the cooling capacity by a cooling element. 振動伝達部材の有無による振動子の出力信号の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference in the output signal of a vibrator | oscillator by the presence or absence of a vibration transmission member.

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。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
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 sucks in a gas to be detected and generates a gas flow in the system, an adsorption unit 30 that adsorbs the gas sucked in the pump 20, and the gas adsorbed by the adsorption unit 30. The sensor unit (detection sensor) 40 that adsorbs a specific type of molecule contained in the gas component and outputs a detection signal corresponding to the adsorption of the molecule, and the specific type of molecule based on the detection signal in the sensor unit 40 And a measurement processing unit (detection unit) 50 that measures the presence or absence or the amount thereof.

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。   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.

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。また、ポンプ20は、吸着部30あるいはセンサ部40の下流側に設けられ、ガスを吸引しても良い。ここで、サンプル容器15は、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できる。この場合、サンプルバッグに圧力を掛けることでガス試料を吸着部30に導入することができるので、ポンプ20の省略が可能となる。
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 cylinder 31 and the chamber volume of the sensor unit 40 is adopted, and the specific surface area of the carbon fiber as the adsorbent is increased, so that per unit time. It is preferable to increase the amount of adsorbed molecules.
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. In addition, the pump 20 may be provided on the downstream side of the adsorption unit 30 or the sensor unit 40 and suck gas. Here, the sample container 15 can be a sample bag made of thin plastic. In this case, since the gas sample can be introduced into the adsorption unit 30 by applying pressure to the sample bag, the pump 20 can be omitted.

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。
A sheath 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。
図3に示すように、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。
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.
As shown in FIG. 3, the vibrator 41 is a cantilever type having a width of 20 to 400 μm, a length of 100 to 1000 μm, a base end portion fixed, and the other end portion being a free end. The vibrator 41 uses, for example, a piezo drive system as a drive source, and vibrates the vibrator 41 at a predetermined frequency. The vibrator 41 includes a vibration detection unit 44 for detecting a change in its own vibration state (vibration frequency) as an electric signal. The vibration detection unit 44 can be realized by using, for example, a piezoelectric effect of silicon or a piezoelectric element.

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.

ここで、図1に示したように、感応膜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。チャンバ43内には、上記したような感応膜42を備えた振動子41が、複数組設置されている。   Here, as shown in FIG. 1, the vibrator 41 on which the sensitive film 42 is formed is provided in a chamber 43 having a predetermined volume (for example, 0.1 to 0.5 cc). In the chamber 43, a plurality of vibrators 41 each having the sensitive film 42 as described above are installed.

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して所定周波数で振動させた状態で、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、感応膜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。
The measurement processing unit 50 includes a drive circuit 51 for driving the vibrator 41 and a detection circuit 52 for detecting an electrical signal from the vibration detection unit 44.
Under the control of the measurement processing unit 50, the transducer 41 of the sensor unit 40 is driven by an electric signal from the drive circuit 51 and vibrates at a predetermined frequency, and a detection object such as a molecule having a mass in the sensitive film 42. Is attached, the vibration frequency of the vibrator 41 changes. The detection circuit 52 of the measurement processing unit 50 receives the electric signal output from the vibration detection unit 44 and detects the change in the electric signal to detect whether or not a specific type of molecule is adsorbed on the sensitive film 42 or its amount. Measure.
The measurement result in the measurement processing unit 50 can be output on the display unit 53 by ON / OFF of lamps, buzzers, etc., display of measured values, measurement levels, display of detection substance name / concentration (amount), and the like. preferable.

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の感応膜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、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、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。
In the substance detection system 10 shown in FIG. 1, operation of the pump 20, heating by energizing the sheath heater 34, driving and detection of the vibrator 41, and measurement processing in the measurement processing unit 50 are controlled by a control unit (not shown).
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. As a result, the vibration frequency of the vibrator 41 changes. In the measurement processing unit 50, a change in vibration frequency of the vibrator 41 is detected. In the measurement processing unit 50, in each of the vibrators 41 including the sensitive film 42, data such as a vibration frequency change amount, a change response timing, and the like, which are measured in advance according to the type and amount (concentration) of the component molecule. It is remembered. The measurement processing unit 50 measures (specifies) the type and amount (concentration) of the 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.

ここで、前記のチャンバ43内には、上記したような感応膜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、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。
Here, in the chamber 43, a plurality of sets of vibrators 41 each having the sensitive film 42 as described above are installed.
Now, among the plural sets of vibrators 41, for example, the type of the sensitive film 42 can be made different from each other. Using a plurality of types of sensitive films 42 having different sensitivities to component molecules (adsorption / capture levels of component molecules), the vibration change of the vibrator 41 provided with the sensitive films 42 is processed by the measurement processing unit 50, thereby capturing. It is possible to specify the type of component molecules. 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。
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 the heating of the sheath heater 34 with the sensor unit 40 and the measurement processing 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.

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。
Now, a driving structure of the vibrator 41 of the sensor unit 40 in the substance detection system 10 as described above will be described.
As shown in FIG. 3, the vibrator 41 is formed on a vibrator chip (substrate) 100 made of a silicon-based material. The vibrator 41 is formed by patterning the vibrator chip 100 by a photolithography method or the like, and removing an unnecessary portion by etching or the like. The vibrator 41 is a fixed end in which one end 41a is fixed to the substrate body 101, and the other end. 41b is an overhanging free end. A vibration detector 44 is disposed on one end 41a of the vibrator 41, and the vibration detector 44 detects the vibration displacement of the vibrator 41 as an electric signal.

図4に示したように、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。   As shown in FIG. 4, such a transducer chip 100 is supported on a base substrate 110 serving as a base of the sensor unit 40 via a chip package (element package) 120 and a PZT plate (piezoelectric element) 130. ing.

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。   An opening 111 is formed in the base substrate 110. The chip package 120 is provided on one surface side of the base substrate 110 with an outer peripheral portion fixed by a fixing member 112 so as to close the opening 111. The chip package 120 can mount an IC chip and has a wiring pattern that is electrically connected to each electrode of the IC chip. As such a chip package 120, DIP (Dual Inline Package) or QFP (Quad Flat Package) can be used.

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125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。
The PZT plate 130 is a plate-like body made of a PZT material, and is bonded to one surface side of the chip package 120 via an adhesive 200.
The PZT plate 130 is arranged with the positive electrode on the chip package 120 side and the negative electrode on the vibrator chip 100 side. Each electrode of the PZT plate 130 is electrically connected to the wiring portion of the chip package 120 by a wiring 125 by wire bonding. The PZT plate 130 generates vibration at a predetermined frequency by a voltage applied from the chip package 120 in accordance with a control signal from an external drive circuit.

図3に示したように、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210により接合されている。   As shown in FIG. 3, in the resonator chip 100, the substrate body 101 is bonded to the other surface side of the PZT plate 130 with an adhesive 210.

図4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が形成された振動子チップ100を冷却するものである。感応膜42を有する振動子41は、冷却するとガス吸着によるセンサ感度が向上する。その理由は、感応膜42が冷却すると感度が向上するためである。そこで、冷却機構150により、振動子41および感応膜42を、−20〜20℃、より望ましくは−5〜10℃の範囲内の一定温度に温度制御するのが好ましい。   As shown in FIG. 4, the sensor unit 40 includes a cooling mechanism (cooling member) 150. The cooling mechanism 150 cools the transducer chip 100 on which the transducer 41 is formed. When the vibrator 41 having the sensitive film 42 is cooled, the sensor sensitivity by gas adsorption is improved. This is because the sensitivity is improved when the sensitive film 42 is cooled. Therefore, it is preferable to control the temperature of the vibrator 41 and the sensitive film 42 by the cooling mechanism 150 to a constant temperature within the range of -20 to 20 ° C, more preferably -5 to 10 ° C.

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の他面側に配置されており、開口部111に露出するチップ・パッケージ120の他面側に、熱伝導体(伝熱部材)151を介して設けられた冷却素子152と、ヒートシンク153からなる。ヒートシンク153には、さらに放熱性を高めるために放熱フィンや放熱ファンを設けることもできる。
The cooling mechanism 150 may have any configuration as long as it can satisfy such a purpose. For example, the following configuration can be adopted.
That is, the cooling mechanism 150 is disposed on the other surface side of the base substrate 110 and is provided on the other surface side of the chip package 120 exposed to the opening 111 via the heat conductor (heat transfer member) 151. The cooling element 152 and the heat sink 153. The heat sink 153 can be provided with a heat radiating fin or a heat radiating fan in order to further improve the heat radiating property.

熱伝導体151は、例えばCuからなるブロック状で、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。ここで、熱伝導体151は、チップ・パッケージ120の他面側に、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)からなる導電材154により接合するのが好ましい。
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。
The heat conductor 151 is in the form of a block made of, for example, Cu and is deprived of heat from the chip package 120 by being cooled by the cooling element 152. Here, the heat conductor 151 is joined to the other surface side of the chip package 120 by a conductive material 154 made of a material having high heat conductivity and low conductivity (for example, a silicone paste containing a metal oxide). preferable.
Any element may be used as the cooling element 152, but a Peltier element is preferably used from the viewpoint of responsiveness.

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、熱伝導体151)の温度に基づき、冷却素子152を作動させ、熱伝導体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および感応膜42を冷却する。これにより、振動子41および感応膜42における検出感度の向上を図り、物質検出システム10における物質の検出感度の向上を図ることができる。   In such a cooling mechanism 150, the cooling element 152 is operated based on the appropriate position of the sensor unit 40 detected by the sensor 155 (in this embodiment, the heat conductor 151), and the heat conductor 151 and the chip are operated. -The vibrator 41 and the sensitive film 42 are cooled by cooling the vibrator chip 100 via the package 120 and the PZT plate 130. Thereby, the detection sensitivity in the vibrator 41 and the sensitive film 42 can be improved, and the substance detection sensitivity in the substance detection system 10 can be improved.

ところで、冷却機構150で振動子チップ100を長時間にわたって冷却し続けると、熱伝導体151、チップ・パッケージ120の電極等に結露が生じることがある。すると、これらの表面に水分が付着することにより、その熱容量が変化し、温度が不安定になってしまう。
また、チップ・パッケージ120の電極の結露は、PZT板130や、振動検出部44の電気的なインピーダンス変化をもたらし、振動の発振周波数が変動したり、発振が止まってしまうこともある。
By the way, if the transducer chip 100 is continuously cooled by the cooling mechanism 150 for a long time, condensation may occur on the heat conductor 151, the electrode of the chip package 120, and the like. Then, moisture adheres to these surfaces, the heat capacity thereof changes, and the temperature becomes unstable.
Further, the dew condensation on the electrodes of the chip package 120 causes an electrical impedance change of the PZT plate 130 and the vibration detection unit 44, and the oscillation frequency of the vibration may fluctuate or the oscillation may stop.

冷却によって発生した結露から電気回路を保護するため、例えば、回路基板をケース内に収め、このケースに、結露を発生させる部位を回路の上方に設けることによって、回路が結露にさらされるのを抑える技術が提案されている(例えば、特開2001−346312号公報参照。)。
しかし、このような技術では、結露を発生させる部位を設けることで、ケース内の他の部分にある回路が結露にさらされるのを抑えることはできるものの、回路を確実に結露から防ぐことはできなかった。また、このような構造とすることで、ケースが複雑となり、ケースのコストアップにつながる等の問題がある。
In order to protect the electric circuit from condensation generated by cooling, for example, a circuit board is housed in a case, and a part that generates condensation is provided in the case above the circuit to prevent the circuit from being exposed to condensation. A technique has been proposed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-346312).
However, with such technology, it is possible to prevent the circuit in other parts of the case from being exposed to condensation by providing a part that generates condensation, but it is possible to reliably prevent the circuit from condensation. There wasn't. Further, with such a structure, there is a problem that the case becomes complicated and the cost of the case is increased.

そこで、本発明者らは、簡易な構成でありながら、結露を確実に防止すること目的として研究を行い、その結果、以下に示すような構成が目的の実現に有効であることを見出した。
以下、その構成について示す。
Therefore, the present inventors have studied for the purpose of reliably preventing condensation while having a simple configuration, and as a result, have found that the following configuration is effective for realizing the purpose.
The configuration will be described below.

熱伝導体151とチップ・パッケージ120との間には、PDMS(Poly dimethyl siloxane)や高分子繊維、綿等の弾性体(振動伝達抑制部材)156が挟み込まれている。弾性体156は、中央部に開口部156aが形成された角形環状とされ、開口部156a内に前記の導電材154が充填されている。
この弾性体156により、PZT板130で生じる振動が、チップ・パッケージ120から熱伝導体151に伝わり、振動が阻害されるのを防ぐことができる。これにより、振動検出部44で検出する振動子41の振動変位の電気信号が劣化したり、PZT板130における振動の発振が不安定となるのを防ぐことができる。
Between the heat conductor 151 and the chip package 120, an elastic body (vibration transmission suppressing member) 156 such as PDMS (Poly dimethyl siloxane), polymer fiber, and cotton is sandwiched. The elastic body 156 has a rectangular ring shape with an opening 156a formed at the center, and the conductive material 154 is filled in the opening 156a.
The elastic body 156 can prevent vibration generated in the PZT plate 130 from being transmitted from the chip package 120 to the thermal conductor 151 and inhibiting the vibration. Thereby, it is possible to prevent the electrical signal of the vibration displacement of the vibrator 41 detected by the vibration detection unit 44 from deteriorating and the oscillation of vibration in the PZT plate 130 from becoming unstable.

本実施形態では、上記構成において、熱伝導体151、冷却素子152の周囲を、これらよりも熱伝導率の小さな材料からなる断熱材(結露防止部)170で覆うようにした。断熱材170としては、容易に加工できるプラスチック材料であれば何でも良いが、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等を用いることができる。これにより、熱伝導体151、冷却素子152が結露するのを防止することができ、チップ・パッケージ120が濡れるのを防止できる。   In the present embodiment, in the above configuration, the heat conductor 151 and the cooling element 152 are covered with a heat insulating material (condensation prevention unit) 170 made of a material having a smaller thermal conductivity than these. The heat insulating material 170 may be any plastic material that can be easily processed, but PEEK (polyether ether ketone) or the like can be used. Thereby, it is possible to prevent the heat conductor 151 and the cooling element 152 from dewing, and it is possible to prevent the chip package 120 from getting wet.

また、チップ・パッケージ120の電極部121、および電極部121に電気的に接続された取り出し電極122は、固定部材112を構成する基板110に取り付けられたソケット(ハウジング)140と、ソケット140に固定されるソケット抑え(ハウジング)141とに、電極カバー(結露防止部)142を介して挟み込まれている。
ソケット140は、チップ・パッケージ120の電極部121の基板110に対向する側が突き当たる。また、ソケット140には、電極部121に接続された取り出し電極122の配線部122aが挿通する挿通孔140aが形成されている。配線部122aは、挿通孔140aを通して基板110側に導出され、基板110の配線パターンに電気的に接続される。
ソケット抑え141は、固定部141aがチップ・パッケージ120を取り囲むように形成され、電極部121の外周側においてボルト等によりソケット140に接続されている。ソケット抑え141は、固定部141aから内方に張り出る抑えプレート部141bをさらに備える。このプレート部141bは、電極部121とは間隔を隔てて対向して形成されている。
Further, the electrode part 121 of the chip package 120 and the extraction electrode 122 electrically connected to the electrode part 121 are fixed to the socket (housing) 140 attached to the substrate 110 constituting the fixing member 112 and the socket 140. Is sandwiched between a socket holder (housing) 141 and an electrode cover (condensation prevention unit) 142.
The side of the socket 140 facing the substrate 110 of the electrode part 121 of the chip package 120 abuts. Further, the socket 140 is formed with an insertion hole 140a through which the wiring portion 122a of the extraction electrode 122 connected to the electrode portion 121 is inserted. The wiring part 122 a is led out to the substrate 110 side through the insertion hole 140 a and is electrically connected to the wiring pattern of the substrate 110.
The socket retainer 141 is formed so that the fixing portion 141 a surrounds the chip package 120, and is connected to the socket 140 by a bolt or the like on the outer peripheral side of the electrode portion 121. The socket restraint 141 further includes a restraining plate portion 141b that protrudes inward from the fixed portion 141a. The plate portion 141b is formed to face the electrode portion 121 with a space therebetween.

また、チップ・パッケージ120には、PZT板130と振動子チップ100の外周側を取り囲むように、チャンバ壁部145が形成されている。   In addition, a chamber wall 145 is formed in the chip package 120 so as to surround the outer peripheral side of the PZT plate 130 and the transducer chip 100.

電極カバー142は、予め所定形状に成形されたもので、このようなチャンバ壁部145と、ソケット140とソケット抑え141との空隙に設けられている。ソケット140とソケット抑え141は、ボルト等により互いに締結され、間に挟み込んだ電極カバー142を加圧状態に締め付けるようにしている。これにより、チャンバ壁部145から外方に突出した電極部121は、ソケット140とソケット抑え141とに加圧状態で挟み込まれ、外部の雰囲気に触れないようになっている。これにより、電極部121が結露して濡れるのを防止できる。電極カバー142としては、電極部121よりも熱伝導率が小さく、断熱性、絶縁性、振動吸収性、断熱性を備えたものを用いるのが好ましい。具体的には、電極カバー142として、PDMS(Polydimethylsiloxane)等を用いることができる。   The electrode cover 142 is formed in a predetermined shape in advance, and is provided in the gap between the chamber wall 145, the socket 140, and the socket holder 141. The socket 140 and the socket retainer 141 are fastened to each other by a bolt or the like, and the electrode cover 142 sandwiched therebetween is fastened in a pressurized state. As a result, the electrode part 121 protruding outward from the chamber wall part 145 is sandwiched between the socket 140 and the socket holder 141 in a pressurized state so as not to touch the external atmosphere. Thereby, it can prevent that the electrode part 121 dews and gets wet. As the electrode cover 142, it is preferable to use one having a thermal conductivity smaller than that of the electrode portion 121 and having heat insulation, insulation, vibration absorption, and heat insulation. Specifically, PDMS (Polydimethylsiloxane) or the like can be used as the electrode cover 142.

前記のチャンバ壁部145には、チャンバ本体146が、シール材147を介して設けられている。これにより、振動子チップ100は、チップ・パッケージ120と、チャンバ壁部145と、チャンバ本体146とによって囲まされた閉塞空間S内に位置している。
チャンバ本体146には、導入口146aと排出口146bとが形成されており、導入口146aからは、ガス搬送管60からガスが閉塞空間Sに送り込まれ、排出口146bからは、閉塞空間S内のガスが外部に排出されるようになっている。
A chamber body 146 is provided on the chamber wall 145 with a sealant 147 interposed therebetween. Thus, the transducer chip 100 is located in the closed space S surrounded by the chip package 120, the chamber wall 145, and the chamber body 146.
The chamber body 146 has an introduction port 146a and a discharge port 146b. From the introduction port 146a, gas is fed into the closed space S from the gas transport pipe 60, and from the discharge port 146b to the inside of the closed space S. Gas is discharged to the outside.

ここで、チャンバ壁部145およびチャンバ本体146は、金属よりも熱伝導率の低い、例えばPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等の樹脂により形成されている。これにより、チャンバ壁部145およびチャンバ本体146が結露により濡れるのを防止できる。   Here, the chamber wall 145 and the chamber body 146 are formed of a resin having a lower thermal conductivity than that of metal, such as PEEK (polyether ether ketone). Thereby, it can prevent that the chamber wall part 145 and the chamber main body 146 get wet by dew condensation.

このようにして、熱伝導体151が結露により濡れるのを防止することができるので、これらの表面に水分が付着することによって、熱容量が変化し、その温度が不安定となるのを防ぐことができる。また、チップ・パッケージ120、電極部121の結露を防ぐことで、PZT板130や、振動検出部44の電気的なインピーダンス変化を防ぎ、振動の発振周波数が変動したり、発振が止まってしまうのを防ぐことができる。   In this way, it is possible to prevent the heat conductor 151 from getting wet due to dew condensation, so that moisture adhering to these surfaces prevents the heat capacity from changing and the temperature from becoming unstable. it can. In addition, by preventing dew condensation on the chip package 120 and the electrode part 121, changes in the electrical impedance of the PZT plate 130 and the vibration detection part 44 are prevented, and the oscillation frequency of the vibration fluctuates or oscillation stops. Can be prevented.

このようにして、冷却素子152により、振動子41および感応膜42を冷却しつつ、冷却による結露を防止することで、検出感度を安定して高めることができる。
しかも、結露を防止するための構成は非常に簡易であり、低コストかつ容易に上記効果を得ることができる。これにより、検出感度を高めることができる。
In this manner, detection sensitivity can be stably increased by cooling the vibrator 41 and the sensitive film 42 by the cooling element 152 and preventing condensation due to cooling.
And the structure for preventing dew condensation is very simple, and the said effect can be acquired easily at low cost. Thereby, detection sensitivity can be raised.

また、上記構成によれば、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。   Further, according to the above configuration, since the vibrator chip 100 is directly bonded to the PZT plate 130, vibration generated in the PZT plate 130 can be efficiently transmitted to the vibrator chip 100.

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。
(冷却による効果の検証)
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。
Here, since the configuration shown above was verified, the results are shown below.
(Verification of the effect of cooling)
As the vibrator 41 of the sensor unit 40, a cantilever type was prepared.
The cantilever-type vibrator 41 was produced from an SOI (Silicon on Insulator) substrate using a MEMS process. First, an oxide layer is formed on a 5 μm-thick active layer of an N-type SOI substrate, a pattern is formed by photolithography, and boron P-type diffusion is performed to form a Si piezoresistive layer as a detection circuit. After that, a vibrator 41 having a length of 500 μm and a width of 100 μm was formed by RIE (Reactive Ion Etching) etching method. Thereafter, in order to reduce attenuation due to air damping, the silicon of the support layer was removed from the back surface by a Deep-RIE etching method.
One or two Si piezoresistors (about 2K ohms) as a detection circuit are arranged at the base of the vibrator 41, and a Wheatstone bridge is formed together with other reference piezoresistors. Further, a gold film of about 100 nm was formed on the surface of the vibrator 41 through a silicon oxide film and an adhesive layer Cr.

このカンチレバー型の振動子41の上面に、感応膜42として、アセトンやトルエンに吸着特性の優れた膜厚1.1μmのPAB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。
そして、振動子41および感応膜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8℃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28℃とした場合について、200CCのアセトン3000ppm、トルエン1000ppmの希薄混合ガスに対する吸着応答特性を計測した。具体的には、はじめに振動子41を設置したチャンバ43内を窒素雰囲気にした後、測定対象のガスを導入した。ガスの導入は数分間行い周波数変化を計測した。その後チャンバ内のガスを排気し、窒素に置換することで周波数をベースラインに戻した。
その結果を図5に示す。ここで図5(a)はチャンバ43を28℃とした場合、(b)はチャンバ43を8℃とした場合の周波数変化である。
その結果、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、アセトンで1.6Hz/ppmL(冷却無し)→7.5Hz/ppmL(冷却有り)、トルエンで7.5Hz/ppmL(冷却無し)→41.3Hz/ppmL(冷却有り)と、大幅に検出感度が高まることが確認された。ここで単位Hz/ppmは、サンプル容積1リットル当たりの感度Hz/ppmである。
A PAB film having a film thickness of 1.1 μm having excellent adsorption characteristics to acetone or toluene was formed as a sensitive film 42 on the upper surface of the cantilever type vibrator 41 by using a dispenser and then dried.
Then, the cooling effect of the vibrator 41 and the sensitive film 42 was evaluated.
Here, the configuration of the present embodiment shown in FIG. 3 is used, and the cooling mechanism 150 is operated to set the chamber 43 provided with the vibrator 41 to 8 ° C., and the cooling mechanism 150 is not operated and the vibration is In the case where the chamber 43 in which the element 41 is provided is set to 28 ° C., the adsorption response characteristic with respect to a diluted mixed gas of 200 CC acetone 3000 ppm and toluene 1000 ppm was measured. Specifically, first, after the inside of the chamber 43 in which the vibrator 41 was installed was made a nitrogen atmosphere, the gas to be measured was introduced. The gas was introduced for several minutes and the frequency change was measured. Thereafter, the gas in the chamber was evacuated and replaced with nitrogen to return the frequency to the baseline.
The result is shown in FIG. Here, FIG. 5A shows frequency changes when the chamber 43 is set to 28 ° C., and FIG. 5B shows frequency changes when the chamber 43 is set to 8 ° C.
As a result, by cooling the vibrator 41 by the cooling mechanism 150, the vibration characteristics of the vibrator 41 are significantly improved, and 1.6 Hz / ppmL (no cooling) → 7.5 Hz / ppmL (with cooling) with acetone, It was confirmed that the detection sensitivity was significantly increased with toluene at 7.5 Hz / ppmL (no cooling) → 41.3 Hz / ppmL (with cooling). Here, the unit Hz / ppm is sensitivity Hz / ppm per liter of sample volume.

次に、上記と同様の構成において、感応膜42をPBD(膜厚1.7μm)とした場合で、同様に、200CCのエタノール1000ppm、トルエン1000ppmの希薄混合ガスについて、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8.3℃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28℃とした場合の吸着応答特性を計測した。
その結果、エタノールで1.6Hz/ppmL(冷却無し)→6.5Hz/ppmL(冷却有り)、トルエンで12.5Hz/ppmL(冷却無し)→48.0Hz/ppmL(冷却有り)と、冷却機構150により振動子41を冷却することで大幅に検出感度が高まることが確認された。
Next, in the same configuration as described above, when the sensitive film 42 is made of PBD (film thickness 1.7 μm), the cooling mechanism 150 is similarly operated for 200 CC ethanol 1000 ppm and toluene 1000 ppm lean mixed gas. Measurement of adsorption response characteristics when the chamber 43 provided with the vibrator 41 is set to 8.3 ° C. and when the chamber 43 provided with the vibrator 41 is set to 28 ° C. without operating the cooling mechanism 150. did.
As a result, 1.6 Hz / ppmL (without cooling) for ethanol → 6.5 Hz / ppmL (with cooling), 12.5 Hz / ppmL (without cooling) with toluene → 48.0 Hz / ppmL (with cooling), cooling mechanism It was confirmed that the detection sensitivity is greatly increased by cooling the vibrator 41 with 150.

次に、感応膜42の特性を調べるため、まず、QCM(Quarts Crystal Microbalance)を用いて、トルエンを2000ppm導入した場合の周波数変化を測定した。具体的には、はじめにQCMを設置したチャンバ内を窒素雰囲気にした後、測定対象のガスを導入した。ガスの導入は数分間行い周波数変化を計測した。その後チャンバ43内のガスを排気し、窒素に置換することで周波数をベースラインに戻した。周波数変化はチャンバ43内の温度を10〜58℃に変化させて計測した。QCM上に塗布した感応膜42はPABとし、その膜厚を180、200、430nmとした。
その結果から、感応膜42の膜厚とガス濃度を用いてKファクターを求めた結果を図6に示す。なお、Kファクターは空気中のガスや分子が、高分子等の吸着材料にどの程度溶け込むかを示す溶解パラメータ(指数)であって、式(1)により算出することができる。ここで、Mcvは感応膜42中のチャンバ43の重量濃度(g/cm)、fはガス吸着時の周波数、fは感応膜42の成膜時の周波数、fは成膜前の水晶の周波数、ρは感応膜42の密度である。
Kファクターは、感応膜42と吸着分子の種類との組み合わせによって差異があり、Kファクターの値が大きいほど感応膜42の感度が良いことを表す。
Next, in order to investigate the characteristics of the sensitive film 42, first, a frequency change was measured when 2000 ppm of toluene was introduced using a QCM (Quarts Crystal Microbalance). Specifically, first, the inside of the chamber where the QCM was installed was put into a nitrogen atmosphere, and then the gas to be measured was introduced. The gas was introduced for several minutes and the frequency change was measured. Thereafter, the gas in the chamber 43 was evacuated and replaced with nitrogen to return the frequency to the baseline. The frequency change was measured by changing the temperature in the chamber 43 to 10 to 58 ° C. The sensitive film 42 applied on the QCM was PAB, and the film thickness was 180, 200, and 430 nm.
FIG. 6 shows the result of obtaining the K factor from the result using the film thickness of the sensitive film 42 and the gas concentration. The K factor is a solubility parameter (index) indicating how much a gas or molecule in the air dissolves in an adsorbent material such as a polymer, and can be calculated by the equation (1). Here, M cv is the weight concentration (g / cm 3 ) of the chamber 43 in the sensitive film 42, f g is the frequency at the time of gas adsorption, f f is the frequency at which the sensitive film 42 is formed, and f 0 is the film formed. The frequency of the previous crystal, ρ f, is the density of the sensitive film 42.
The K factor varies depending on the combination of the sensitive film 42 and the type of adsorbed molecule, and the larger the K factor value, the better the sensitivity of the sensitive film 42.

Figure 2011203007
Figure 2011203007

図6に示すように、温度が低くすることでKファクターは増大しており、例えば、30℃のときに比較し、低温の10℃の状態では、Kファクターは約3倍に増大しており、感応膜42を低温にすることで、検出感度が向上することが裏付けられている。   As shown in FIG. 6, the K factor increases as the temperature decreases. For example, the K factor increases approximately three times at a low temperature of 10 ° C. as compared to 30 ° C. It is confirmed that the detection sensitivity is improved by lowering the temperature of the sensitive film 42.

(結露防止策の検証)
まず、図4に示した構成から、弾性体156、断熱材170、電極カバー142を省略した構成において、冷却素子152としてのペルチェ素子に、電圧を印加していった。そのときの冷却素子152の温度、振動子41の振動数変化量を計測し、また、冷却素子152、チップ・パッケージ120の電極部121および取り出し電極122を目視により観察した。
その結果を図7に示す。
(Verification of condensation prevention measures)
First, in the configuration in which the elastic body 156, the heat insulating material 170, and the electrode cover 142 are omitted from the configuration illustrated in FIG. 4, a voltage is applied to the Peltier element as the cooling element 152. The temperature of the cooling element 152 at that time and the amount of change in the frequency of the vibrator 41 were measured, and the cooling element 152, the electrode part 121 of the chip package 120, and the extraction electrode 122 were visually observed.
The result is shown in FIG.

図7に示すように、冷却素子152に電圧を印加していくと、冷却素子152の温度が低下し、振動子141が振動し始める。しかし、15分ほど経過すると、冷却素子152の温度が急激に下がり、振動子41の安定した発振が停止した。目視で観察すると、冷却素子152、チップ・パッケージ120の電極部121および取り出し電極122に結露が生じていた。   As shown in FIG. 7, when a voltage is applied to the cooling element 152, the temperature of the cooling element 152 decreases and the vibrator 141 starts to vibrate. However, after about 15 minutes, the temperature of the cooling element 152 dropped rapidly, and stable oscillation of the vibrator 41 stopped. When visually observed, condensation occurred on the cooling element 152, the electrode portion 121 of the chip package 120, and the extraction electrode 122.

一方、図4に示した構成において、冷却素子152としてのペルチェ素子に、300sec毎に電圧を0.3Vステップで1.8Vまで印加していった場合の、室温、熱伝導体151、チップ・パッケージ120の温度変化を示す。
図8に示すように、電圧を印加していくことで、熱伝導体151、チップ・パッケージ120は室温付近から7℃付近まで冷却された。
さらに、上記の電圧印加を3時間にわたって繰り返したが、温度変化が不安定になることは無かった。
On the other hand, in the configuration shown in FIG. 4, when a voltage is applied to a Peltier element as the cooling element 152 every 1.8 seconds up to 1.8 V in steps of 0.3 V, the room temperature, the heat conductor 151, the chip The temperature change of the package 120 is shown.
As shown in FIG. 8, by applying a voltage, the heat conductor 151 and the chip package 120 were cooled from around room temperature to around 7 ° C.
Further, the above voltage application was repeated for 3 hours, but the temperature change did not become unstable.

(振動伝達抑制部材の検証)
次に、図4に示した構成において、熱伝導体151とチップ・パッケージ120との間には、PDMSからなる弾性体156を挟み込んだ場合と、弾性体156を省略した場合とで、振動子41の出力信号の違いを検証した。弾性体156の有無以外は、条件は上記実施例1と同様である。
その結果を図9に示す。
図9(a)に示すように、弾性体156を挟み込まない場合に比較し、図9(b)に示すように、弾性体156を挟み込んだ場合には、出力信号のレベルが明らかに大きいことが確認された。
(Verification of vibration transmission suppression member)
Next, in the configuration shown in FIG. 4, there are a case where an elastic body 156 made of PDMS is sandwiched between the heat conductor 151 and the chip package 120 and a case where the elastic body 156 is omitted. The difference of 41 output signals was verified. Except for the presence or absence of the elastic body 156, the conditions are the same as in the first embodiment.
The result is shown in FIG.
As shown in FIG. 9A, the level of the output signal is clearly higher when the elastic body 156 is sandwiched as shown in FIG. 9B than when the elastic body 156 is not sandwiched. Was confirmed.

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の冷却機構150以外については、適宜他の構成とすることが可能である。
例えば、振動子41としてカンチレバー型のものを用いたが、これに限るものではない。他に、振動子41としてディスク型のものを用いても良いし、センサ部40としていわゆるQCMを用いた場合にも、本発明を適用できる。
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-described embodiment, the substance detection system 10 has been described. However, the configuration other than the cooling mechanism 150 of the sensor unit 40 may be appropriately configured.
For example, although the cantilever type is used as the vibrator 41, it is not limited to this. In addition, a disk type may be used as the vibrator 41, and the present invention can also be applied when a so-called QCM is used as the sensor unit 40.
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、30…吸着部、40…センサ部、41…振動子、42…感応膜、43…チャンバ、44…振動検出部、50…測定処理部(検出部)、100…振動子チップ、110…ベース基板、120…チップ・パッケージ(素子パッケージ)、121…電極部、130…PZT板(圧電素子)、140…ソケット(ハウジング)、141…ソケット抑え(ハウジング)、142…電極カバー(結露防止部)、145…チャンバ壁部、146…チャンバ本体、150…冷却機構(冷却部材)、151…熱伝導体(伝熱部材)、152…冷却素子、153…ヒートシンク、154…導電材、156…弾性体(振動伝達抑制部材)、170…断熱材(結露防止部)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substance detection system, 20 ... Pump, 30 ... Adsorption part, 40 ... Sensor part, 41 ... Vibrator, 42 ... Sensitive membrane, 43 ... Chamber, 44 ... Vibration detection part, 50 ... Measurement processing part (detection part), DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Vibrator chip | tip, 110 ... Base substrate, 120 ... Chip package (element package), 121 ... Electrode part, 130 ... PZT board (piezoelectric element), 140 ... Socket (housing), 141 ... Socket restraint (housing), 142 ... Electrode cover (condensation prevention part), 145 ... chamber wall part, 146 ... chamber main body, 150 ... cooling mechanism (cooling member), 151 ... heat conductor (heat transfer member), 152 ... cooling element, 153 ... heat sink, 154 ... Conductive material, 156 ... Elastic body (vibration transmission suppressing member), 170 ... Heat insulating material (condensation prevention part)

Claims (10)

振動子と、
前記振動子の表面に形成され、物質を付着または吸着する膜状の感応膜と、
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、
前記振動子を冷却する冷却部材と、を備えることを特徴とする検出センサ。
A vibrator,
A film-like sensitive film formed on the surface of the vibrator and adhering or adsorbing a substance;
A piezoelectric element that vibrates the vibrator;
An element package for applying a voltage to the piezoelectric element;
And a cooling member for cooling the vibrator.
前記冷却部材と前記素子パッケージの電極とのうち少なくとも一つ部材を、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆う結露防止部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の検出センサ。   2. A dew condensation prevention part is formed, wherein at least one member of the cooling member and the electrode of the element package is covered with a material having a lower thermal conductivity than a material constituting the member. The detection sensor described in 1. 前記振動子が形成された基板と、前記冷却部材とが積層され、
前記冷却部材で前記基板を冷却することにより、前記振動子および当該振動子に形成された前記感応膜を冷却することを特徴とする請求項1または2に記載の検出センサ。
The substrate on which the vibrator is formed and the cooling member are laminated,
The detection sensor according to claim 1, wherein the substrate and the sensitive film formed on the vibrator are cooled by cooling the substrate with the cooling member.
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、前記基板が前記圧電素子に積層され、
前記素子パッケージの他面側に、前記冷却部材として、前記振動子を冷却するため熱エネルギを奪う冷却素子と、前記冷却素子で奪う熱エネルギを前記素子パッケージから伝達する伝熱部材とが積層されて設けられていることを特徴とする請求項3に記載の検出センサ。
The piezoelectric element is bonded to one surface side of the element package, and the substrate is laminated on the piezoelectric element,
On the other surface side of the element package, as the cooling member, a cooling element that takes heat energy to cool the vibrator, and a heat transfer member that transfers heat energy taken by the cooling element from the element package are stacked. The detection sensor according to claim 3, wherein the detection sensor is provided.
前記結露防止部は、前記冷却素子および前記伝熱部材の表面を覆う断熱材からなることを特徴とする請求項4に記載の検出センサ。   The detection sensor according to claim 4, wherein the dew condensation prevention unit is made of a heat insulating material that covers surfaces of the cooling element and the heat transfer member. 前記素子パッケージと前記冷却部材との間に、前記圧電素子で発生した振動が前記素子パッケージ側から前記冷却部材に伝達するのを抑える振動伝達抑制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。   The vibration transmission suppressing member for suppressing vibration generated in the piezoelectric element from being transmitted from the element package side to the cooling member is provided between the element package and the cooling member. The detection sensor according to any one of 1 to 5. 前記素子パッケージの外周部に外部の電源が接続される電極が設けられ、
前記電極が、予め成型された断熱性材料からなる電極カバーにより覆われていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の検出センサ。
An electrode to which an external power source is connected is provided on the outer periphery of the element package,
The detection sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrode is covered with an electrode cover made of a heat insulating material molded in advance.
前記電極カバーが、前記電極に対し、前記素子パッケージの一面側と他面側とに設けられ、
前記電極カバーが、前記素子パッケージの一面側と他面側に設けられた一対のハウジングにより、加圧状態に締め付けられていることを特徴とする請求項7に記載の検出センサ。
The electrode cover is provided on one side and the other side of the element package with respect to the electrode,
The detection sensor according to claim 7, wherein the electrode cover is clamped in a pressurized state by a pair of housings provided on one side and the other side of the element package.
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、
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、
前記振動子を冷却する冷却部材と、
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、
前記冷却部材、前記素子パッケージの電極の少なくとも一つ部材が、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆われていることを特徴とする物質検出システム。
A substance detection system that detects at least one of the type and concentration of a specific substance contained in a gas to be detected,
A pump for introducing the gas to be detected into the system, and for transporting the introduced gas in the system;
An adsorbing part for adsorbing the specific substance contained in the gas introduced into the system by the pump;
A heater for desorbing the specific substance adsorbed by the adsorption unit from the adsorption unit;
A sensitive film that adsorbs or adheres the specific substance desorbed from the adsorbing portion, and a vibrator whose vibration frequency changes by adsorbing or adhering the specific substance to the sensitive film;
A piezoelectric element that vibrates the vibrator;
An element package for applying a voltage to the piezoelectric element;
A cooling member for cooling the vibrator;
The change in the vibration frequency of the vibrator is detected, the type of the specific substance obtained based on the change timing of the vibration frequency of the vibrator, and the concentration of the specific substance obtained based on the amount of change in the vibration frequency. A detection unit for detecting at least one of
The substance detection system, wherein at least one member of the cooling member and the electrode of the element package is covered with a material having a lower thermal conductivity than a material constituting the member.
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、
前記チャンバが樹脂系材料により形成されていることを特徴とする請求項9に記載の物質検出システム。
The vibrator is provided in a chamber into which the specific substance desorbed from the adsorption unit is sent by the pump,
The substance detection system according to claim 9, wherein the chamber is made of a resin material.
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