JP2012220454A - Detection sensor and substance detection system - Google Patents

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JP2012220454A JP2011089602A JP2011089602A JP2012220454A JP 2012220454 A JP2012220454 A JP 2012220454A JP 2011089602 A JP2011089602 A JP 2011089602A JP 2011089602 A JP2011089602 A JP 2011089602A JP 2012220454 A JP2012220454 A JP 2012220454A
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JP2011089602A
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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
Daiki Yamagiwa
大輝 山極
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Shinshu University NUC
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Olympus Corp
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Shinshu University NUC
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Olympus Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detection sensor and a substance detection system detecting a substance at a high detection efficiency.SOLUTION: A sensitive film 42 is cooled in order to adsorb component molecules onto the sensitive film 42 while the sensitive film 42 is heated in order to desorb the component molecules from the sensitive film 42. When the component molecules are adsorbed onto the sensitive film 42 of an oscillator 41, the oscillation frequency of the oscillator 41 varies and, in a control unit 54, a variation amount of its sensor signal is continuously measured. When this variation amount falls below a predetermined threshold value, it is determined that detection reaches a saturated state. Then, a preset heater voltage is applied to a heater 90 incorporated in the oscillator 41 to cause the component molecules adsorbed onto the sensitive film 42 to be desorbed therefrom.

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振動特性の変化として検出する。
このようにして質量検出を行う振動子として、片持ち梁の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 Electro 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 vibration characteristics of the vibrator.
As a vibrator that performs mass detection in this way, there is a cantilever type vibrator that utilizes the 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 Electro 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.

シリコン材料からなる振動子は、ピエゾ抵抗効果を用い、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。)。また、振動子の共振周波数の変化を用いて、振動子の表面に付着した物質の質量を検出する手法も存在する(例えば、特許文献3参照。)   A vibrator made of a silicon material uses the piezoresistive effect to detect a change in the frequency of the vibrator by detecting a voltage change in a piezoresistive layer provided on the surface of the vibrator (for example, Patent Documents 1 and 2) reference.). There is also a method for detecting the mass of a substance attached to the surface of the vibrator using a change in the resonance frequency of the vibrator (see, for example, Patent Document 3).

ところで、カンチレバー型の振動子を用いた質量センサは、振動子への分子の付着質量を検出するだけで、それ自身には付着物質を分析・識別する機能はない。そこで、付着物質を識別する機能は、表面に塗布された検出膜の吸着選択性を用い、検出膜に物質(分子)を吸着したときの、振動子の振動数変化を検出することになる。   By the way, the mass sensor using the cantilever type vibrator only detects the mass of molecules attached to the vibrator, and does not have a function of analyzing and discriminating the attached substance. Therefore, the function of identifying the adhering substance is to detect the change in the vibration frequency of the vibrator when the substance (molecule) is adsorbed to the detection film by using the adsorption selectivity of the detection film applied on the surface.

特開2001−56278号公報JP 2001-56278 A 特開2009−133772号公報JP 2009-133772 A 特開2005−148062号公報JP 2005-148062 A

ところで、測定を繰り返し行うためには、検出膜における分子の吸着、検出膜で吸着した分子の脱離を繰り返し行う必要がある。測定効率を高めるためには、吸着、脱離をできるだけ短時間で行うのが好ましい。
検出膜で分子を吸着するときには、温度によって吸着効率が異なる。
また、検出膜で吸着した分子の脱離には、窒素ガスや空気等のクリーンガスを流す方法が、化学センサの使用方法・評価方法としては標準的に用いられているが、この方法では脱離に時間がかかる。
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、物質を検出する検出効率の高い検出センサ、物質検出システムを提供することを目的とする。
By the way, in order to repeat the measurement, it is necessary to repeatedly perform the adsorption of the molecule on the detection film and the desorption of the molecule adsorbed on the detection film. In order to increase the measurement efficiency, it is preferable to perform adsorption and desorption in as short a time as possible.
When molecules are adsorbed on the detection film, the adsorption efficiency varies depending on the temperature.
In addition, for desorption of molecules adsorbed on the detection film, a method of flowing a clean gas such as nitrogen gas or air is used as a standard method for using and evaluating chemical sensors. It takes time to release.
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object thereof is to provide a detection sensor and a substance detection system with high detection efficiency for detecting a substance.

かかる目的のもとになされた本発明は、一端部または両端部が基板に固定された梁状で、感応膜に質量を有した物質が付着または吸着することにより振動特性が変化する振動子と、感応膜を冷却する冷却部と、振動子の振動を検出する歪みセンサと、感応膜を加熱する加熱部と、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、冷却部と加熱部を制御する制御部と、を備え、制御部は、感応膜にガスに含まれる成分分子を吸着させる際に冷却部により感応膜を冷却し、感応膜に吸着した成分分子を当該感応膜から脱離させる際に加熱部により感応膜を加熱するように制御することを特徴とする。
このようにして、感応膜から成分分子を脱離させる際には、感応膜を加熱することで、短時間で脱離を行える。また、感応膜に成分分子を吸着させる際には、冷却部で感応膜を冷却することで、効率よく吸着が行える。さらに、脱離の際に加熱した感応膜を冷却することもできる。
The present invention based on such an object includes a vibrator having a beam shape in which one end portion or both end portions are fixed to a substrate and whose vibration characteristics are changed by attaching or adsorbing a substance having a mass to a sensitive film. A cooling unit that cools the sensitive film, a strain sensor that detects vibration of the vibrator, a heating part that heats the sensitive film, a piezoelectric element that vibrates the vibrator, an element package that applies a voltage to the piezoelectric element, A cooling unit and a control unit for controlling the heating unit, and the control unit cools the sensitive film by the cooling unit when the component molecules contained in the gas are adsorbed to the sensitive film, and the component molecules adsorbed on the sensitive film are removed. Control is performed so that the sensitive film is heated by the heating unit when desorbing from the sensitive film.
In this way, when desorbing the component molecules from the sensitive membrane, the sensitive membrane can be heated for desorption in a short time. Further, when the component molecules are adsorbed on the sensitive film, the adsorption can be efficiently performed by cooling the sensitive film in the cooling section. Furthermore, the sensitive film heated at the time of desorption can be cooled.

ところで、検出膜で分子を吸着するときには、吸着に最適な温度が分子の種類、検出膜の種類等によって異なる。また、分子を吸着するのに要する時間も、同様にさまざまに異なる可能性がある。上記特許文献に記載の技術は、あくまでも実験レベルであり、上記のように、最適な吸着温度や吸着時間を把握しているわけではなく、実用性に乏しい。
さらには、特定の種類の分子の有無を検出するだけでなく、さまざまな分子の有無や存在量を検出しようとした場合、複数のカンチレバー型の振動子を設け、複数種類の検出膜をこれら複数のカンチレバー型の振動子にそれぞれ塗布して、それぞれの振動子に設けられた検出膜の吸着選択性の違いを利用することになる。このような場合、検出膜の種類毎に最適な吸着温度や吸着時間が異なる可能性もある。当然のことながら、検出膜の種類毎に最適な吸着温度・時間を事前に求めるには手間がかかる。また、複数種の検出膜を適宜組み替えて検出センサを構成する場合、検出センサに備える検出膜の種類に応じて、最適な吸着温度・時間を、検出センサの動作を司るコントローラに事前にプログラムする必要があり、これには煩雑な手間がかかる。
そこで、歪みセンサで検出される振動子の振動周波数を検出する検出部をさらに備え、
制御部は、検出部によって検出された振動子の単位時間当たりの振動周波数の変化量が所定の閾値以下となったときに、加熱部により感応膜を加熱することを特徴とすることができる。
このように、検出部で検出する振動子の単位時間当たりの振動周波数の変化量が予め定めた閾値以下となったときに、ヒータにより感応膜を加熱して成分分子を感応膜から脱離させるようにした。つまり、感応膜への成分分子の吸着が、ほぼ飽和した状態で吸着を停止し、脱離を開始する。これによって、感応膜の種類に限らず、最適な吸着温度・時間で検出を行うことができる。
By the way, when molecules are adsorbed by the detection film, the optimum temperature for adsorption varies depending on the type of molecule, the type of detection film, and the like. Also, the time required to adsorb molecules can vary as well. The technique described in the above-mentioned patent document is only at an experimental level, and as described above, the optimum adsorption temperature and adsorption time are not grasped, and the practicality is poor.
Furthermore, in addition to detecting the presence or absence of specific types of molecules, when trying to detect the presence or amount of various molecules, multiple cantilever-type vibrators are provided, and multiple types of detection films are installed. Each cantilever type vibrator is applied, and the difference in adsorption selectivity between the detection films provided on the respective vibrators is used. In such a case, there is a possibility that the optimum adsorption temperature and adsorption time differ for each type of detection film. As a matter of course, it takes time to obtain the optimum adsorption temperature and time in advance for each type of detection film. In addition, when a detection sensor is configured by appropriately combining a plurality of types of detection films, the optimal adsorption temperature and time are programmed in advance in the controller that controls the operation of the detection sensor according to the type of detection film provided in the detection sensor. It is necessary and this is troublesome.
Therefore, it further includes a detection unit that detects the vibration frequency of the vibrator detected by the strain sensor,
The control unit may be characterized in that when the amount of change in the vibration frequency per unit time of the vibrator detected by the detection unit becomes equal to or less than a predetermined threshold value, the heating unit heats the sensitive film.
As described above, when the amount of change in the vibration frequency per unit time of the vibrator detected by the detection unit becomes equal to or less than a predetermined threshold value, the sensitive film is heated by the heater to desorb the component molecules from the sensitive film. I did it. That is, the adsorption is stopped and the desorption is started when the adsorption of the component molecules to the sensitive film is almost saturated. As a result, detection is possible not only with the type of sensitive film but also with an optimum adsorption temperature and time.

検出部は、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物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出することができる。   The detection unit can detect at least one of the type and concentration of the substance obtained based on the change timing of the vibration frequency of the vibrator.

感応膜の種類毎の冷却特性と加熱特性を記憶する記憶部をさらに備え、制御部は、感応膜の種類に対応して、記憶部に記憶された感応膜の冷却特性と加熱特性に基づいて冷却部による感応膜の冷却および加熱部による感応膜の加熱を制御することができる。
このように、感応膜の種類毎に、冷却温度、加熱温度等の冷却特性、加熱特性を記憶部に予め設定しておくこともできる。
A storage unit that stores cooling characteristics and heating characteristics for each type of sensitive film is further provided, and the control unit corresponds to the type of sensitive film based on the cooling characteristics and heating characteristics of the sensitive film stored in the storage unit. The cooling of the sensitive film by the cooling unit and the heating of the sensitive film by the heating unit can be controlled.
Thus, for each type of sensitive film, the cooling characteristics such as the cooling temperature and the heating temperature, and the heating characteristics can be preset in the storage unit.

ここで、感応膜は、多孔性金属錯体(MOF)、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)、スチレン−ブタジエンコポリマー(PSB)のいずれかを用いるのが好ましい。
検出センサの高感度化には、
1)吸着特性の優れた(即ちKファクターの大きな)材料を用いる。
2)吸着特性が最大になる条件で使用する(例えば温度等)。
3)吸着・脱離応答の速いセンサ材料を用いて効率を上げる。
4)サンプルガスの容量を増やす。
5)周波数の短時間変動を小さくする。
等が考えられるが、3)は測定条件に制限があり、3)或いは4)は電気的、或いは検出期の物理的限界で決まる。そこで、本発明の検出センサは、1)の吸着特性の優れた(即ちKファクターの大きな)材料を用いる。特に、吸着特性の特に優れた材料として、多孔性金属錯体をカンチレバー表面に成膜して感応膜として使用するのが好ましい。このMOFは低温では吸着能が高いが、脱離特性が悪い。
そこで、感応膜が多孔性金属錯体からなる場合、制御部は、感応膜から成分分子を脱離させるときには、ヒータにより感応膜をMOFでは60℃以上、それ以外では40℃以上に加熱するのが好ましい。
また、感応膜が多孔性金属錯体からなる場合、制御部は、検出時には、冷却部により、感応膜の温度を10から25℃に保つのが好ましい。
また、PABやPBDは0〜20℃といった、比較的低温度で吸着能が高く、応答特性も良い。よって、様々なガスに対して選択性を持たせるため、複数のカンチレバー型の振動子を使用する場合、複数の振動子には、MOFやPBD,PAB等を塗布する。これらの材料とガスの選択性の組み合わせにおいては、検出時における感応膜の温度は、0から25℃まの最適な温度に設定するのが好ましい。
このようにして、吸着特性が最大になる条件で振動子を使用することができる。
Here, it is preferable to use any one of porous metal complex (MOF), polybutadiene (PBD), polyacrylonitrile-butadiene (PAB), polyisoprene (PIP), and styrene-butadiene copolymer (PSB) as the sensitive film. .
To increase the sensitivity of the detection sensor,
1) A material having excellent adsorption characteristics (that is, a large K factor) is used.
2) Use under conditions that maximize adsorption characteristics (eg temperature).
3) Increase efficiency using sensor materials with fast adsorption / desorption response.
4) Increase sample gas volume.
5) Reduce short-time fluctuations in frequency.
However, 3) is limited in measurement conditions, and 3) or 4) is determined by electrical or physical limits of the detection period. Therefore, the detection sensor of the present invention uses a material having excellent adsorption characteristics (i.e., a large K factor) of 1). In particular, as a material having particularly excellent adsorption characteristics, it is preferable to form a porous metal complex on the cantilever surface and use it as a sensitive film. This MOF has high adsorption ability at low temperatures, but has poor desorption properties.
Therefore, when the sensitive film is made of a porous metal complex, the controller heats the sensitive film to 60 ° C. or higher for MOF and 40 ° C. or higher for the MOF when the component molecules are desorbed from the sensitive film. preferable.
When the sensitive film is made of a porous metal complex, the control unit preferably keeps the temperature of the sensitive film at 10 to 25 ° C. by the cooling unit during detection.
In addition, PAB and PBD have a high adsorption ability at a relatively low temperature such as 0 to 20 ° C. and good response characteristics. Therefore, in order to provide selectivity for various gases, when a plurality of cantilever type vibrators are used, MOF, PBD, PAB or the like is applied to the plurality of vibrators. In the combination of these materials and gas selectivity, the temperature of the sensitive film at the time of detection is preferably set to an optimum temperature from 0 to 25 ° C.
In this way, the vibrator can be used under conditions that maximize the adsorption characteristics.

歪みセンサは抵抗素子のピエゾ抵抗効果を利用したものとし、ヒータは、歪みセンサと同一の定抵抗を用いて形成するのが好ましい。これにより、歪みセンサとヒータを同一工程で形成することができる。   The strain sensor uses a piezoresistance effect of a resistance element, and the heater is preferably formed using the same constant resistance as the strain sensor. Thereby, a strain sensor and a heater can be formed in the same process.

ここで、カンチレバー式の振動子にP型半導体抵抗で構成されるヒータを組み込むことによって、振動子の温度を室温よりも30〜50℃高温にすることが可能となる。これによって低温で吸着させ、脱離時に振動子表面を瞬時に高温にして脱離を促進させることが可能となる。   Here, by incorporating a heater composed of a P-type semiconductor resistor into a cantilever type vibrator, the temperature of the vibrator can be increased by 30 to 50 ° C. above room temperature. This makes it possible to adsorb at a low temperature and accelerate the desorption by instantaneously raising the surface of the vibrator at the time of desorption.

また、素子パッケージの一面側に圧電素子が接合され、振動子を有した基板が圧電素子に積層されて接合され、素子パッケージの他面側に、冷却部が設けられた構成とすることもできる。   Alternatively, a piezoelectric element may be bonded to one surface side of the element package, a substrate having a vibrator may be stacked and bonded to the piezoelectric element, and a cooling unit may be provided on the other surface side of the element package. .

本発明は、振動子を2以上備えるとともに、これら2以上の振動子には、互いに異なる材料からなる感応膜が設けられている構成とすることもできる。
このとき、検出部は、検出時の温度を2条件以上として振動子の周波数変化をセンサの応答特性を検出し、2条件以上の温度における周波数変化の差に基づき、ガスの成分および濃度の少なくとも一方を推定することもできる。
In the present invention, two or more vibrators may be provided, and the two or more vibrators may be provided with sensitive films made of different materials.
At this time, the detection unit detects the response characteristics of the sensor with respect to the frequency change of the vibrator with the temperature at the time of detection being two or more conditions, and based on the difference in frequency change at the temperature of two or more conditions, One can also be estimated.

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第一のヒータと、一端部または両端部が基板に固定された梁状で、吸着部から脱離した特定物質を吸着または付着する感応膜を備え、感応膜に特定物質が吸着または付着することにより振動周波数が変化する振動子と、振動子の振動を検出する歪みセンサと、感応膜を冷却する冷却部と、振動子に設けられ、感応膜を加熱する第二のヒータと、振動子を振動させる圧電素子と、圧電素子や歪みセンサに電圧を印加する素子パッケージと、ヒータおよび冷却部を制御し、感応膜にガスに含まれる成分分子を吸着させるときには冷却部により感応膜を冷却し、感応膜に吸着した成分分子を当該感応膜から脱離させるときにはヒータにより感応膜を加熱する制御部と、歪みセンサで検出される振動子の振動から当該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、制御部は、検出部で検出する振動子の単位時間当たりの振動周波数の変化量が予め定めた閾値以下となったときに、ヒータにより感応膜を加熱して成分分子を感応膜から脱離させることを特徴とする物質検出システムとすることもできる。   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 for adsorbing a specific substance contained in the gas introduced into the system by the pump, a first heater for desorbing the specific substance adsorbed by the adsorption part from the adsorption part, and one or both ends A vibrator having a beam-shaped portion fixed to a substrate, having a sensitive film that adsorbs or adheres to a specific substance desorbed from the adsorbing part, and a vibration frequency that is changed by adsorbing or adhering the specific substance to the sensitive film; A strain sensor that detects vibration of the vibrator, a cooling unit that cools the sensitive film, a second heater that is provided in the vibrator and heats the sensitive film, a piezoelectric element that vibrates the vibrator, and a piezoelectric element The device package that applies voltage to the strain sensor, the heater, and the cooling unit are controlled, and when the component molecules contained in the gas are adsorbed to the sensitive film, the sensitive film is cooled by the cooling unit, and the component molecules adsorbed to the sensitive film are removed. When detaching from the sensitive film, a control unit that heats the sensitive film with a heater, and a change in the vibration frequency of the vibrator is detected from the vibration of the vibrator detected by the strain sensor, and the change timing of the vibration frequency of the vibrator A detection unit that detects at least one of the type of the specific substance obtained based on the above and the concentration of the specific substance obtained based on the amount of change in the vibration frequency, and the control unit includes a transducer that is detected by the detection unit. When the amount of change in vibration frequency per unit time falls below a predetermined threshold, the sensitive membrane is heated by a heater to desorb component molecules from the sensitive membrane. It may be a material detection system.

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るのが好ましい。   Here, the vibrator is preferably provided in a chamber into which the specific substance desorbed from the adsorption unit is sent by a pump.

本発明によれば、感応膜に成分分子を吸着させる際には、冷却部で感応膜を冷却し、感応膜から成分分子を脱離させる際には、感応膜を加熱することで、短時間で効率よく成分分子の吸着、脱離を行うことができる。これによって、物質を検出する検出効率を高めることができる。   According to the present invention, when the component molecules are adsorbed to the sensitive film, the sensitive film is cooled in the cooling unit, and when the component molecules are desorbed from the sensitive film, the sensitive film is heated to shorten the time. Can efficiently adsorb and desorb component molecules. Thereby, the detection efficiency for detecting the substance can be increased.

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. 検出センサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a detection sensor. 金属有機構造体の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a metal organic structure. 振動子の駆動・冷却機構を示す断面図および斜視図である。It is sectional drawing and a perspective view which show the drive and cooling mechanism of a vibrator | oscillator. 検知の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of a detection. 金属有機構造体を示す写真である。It is a photograph which shows a metal organic structure. 金属有機構造体薄膜および粉末のX線回折測定結果を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction measurement result of a metal organic structure thin film and powder. 金属有機構造体とPBDからなる感応膜における周波数変化の濃度依存性を示す図である。It is a figure which shows the concentration dependence of the frequency change in the sensitive film | membrane which consists of a metal organic structure and PBD. 金属有機構造体の各種物質に対する吸着特性を示す図である。It is a figure which shows the adsorption | suction characteristic with respect to various substances of a metal organic structure. 金属有機構造体の温度に応じた振動周波数変化量を示す図である。It is a figure which shows the vibration frequency variation | change_quantity according to the temperature of a metal organic structure. カンチレバー型の振動子上に形成した金属有機構造体薄膜を示す写真である。It is a photograph which shows the metal organic structure thin film formed on the cantilever type vibrator. カンチレバー型の振動子上に形成した金属有機構造体薄膜のSEM像である。It is a SEM image of the metal organic structure thin film formed on the cantilever type vibrator. PAB,PBD,PSBおよびPSのアセトン、トルエン、オクタン、エタノールに対する吸着能を温度の関数として示した図である。It is the figure which showed the adsorption capacity with respect to acetone, toluene, octane, and ethanol of PAB, PBD, PSB, and PS as a function of temperature. (a)はカンチレバー型の振動子に組み込んだヒータの電圧−電流特性を示す図、(b)はヒータ加熱による共振周波数のシフトを示す図である。(A) is a figure which shows the voltage-current characteristic of the heater incorporated in the cantilever type | mold vibrator, (b) is a figure which shows the shift of the resonant frequency by heater heating. 濃縮管のヒータの温度プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the temperature profile of the heater of a concentration tube. 感応膜でプロパノール、トルエン、キシレンを検出したときの周波数変化を示す図である。It is a figure which shows a frequency change when propanol, toluene, and xylene are detected with the sensitive film | membrane.

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、サンプル容器15に収容された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検出センサ40と、検出センサ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 contained in a sample container 15 and generates a gas flow in the system, an adsorption unit 30 that adsorbs the gas sucked in the pump 20, and an adsorption Based on the detection sensor 40 that adsorbs a specific type of molecule contained in the gas component from the gas adsorbed by the unit 30 and outputs a detection signal corresponding to the adsorption of the molecule, And a measurement processing unit (detection unit) 50 that measures the presence or absence of the species of molecules or the amount thereof.

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。
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。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検出センサ40へと搬送される。
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.
A sheath heater 34 is wound around the outer peripheral surface of the cylindrical body 31. 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 detection sensor 40 by the flow generated by the pump 20.

図2に示すように、検出センサ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。
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、例えば圧電素子による圧電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P型半導体ピエゾ抵抗素子により実現できる。
As shown in FIG. 2, the detection sensor 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 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 piezoelectric drive system using a piezoelectric element 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 detector 44 can be realized by, for example, a P-type semiconductor piezoresistive element.

振動子41には、その内部に、薄膜抵抗を用いたヒータ(加熱部)90が設けられている。このヒータ90は、振動検出部44を構成するピエゾ抵抗素子を作成すると同時に作成されるP型半導体を用いた抵抗により形成されている。
感応膜42は、ヒータ90上に形成されている。そして、感応膜42の特性を最もよく引き出すように、制御部54によってヒータ90への通電を制御することによって、感応膜42の温度が自動的に調整される。
The vibrator 41 is provided with a heater (heating unit) 90 using a thin film resistor. The heater 90 is formed by a resistor using a P-type semiconductor that is created at the same time that the piezoresistive element that constitutes the vibration detection unit 44 is created.
The sensitive film 42 is formed on the heater 90. And the temperature of the sensitive film | membrane 42 is adjusted automatically by controlling the electricity supply to the heater 90 by the control part 54 so that the characteristic of the sensitive film | membrane 42 may be drawn out best.

感応膜42は、検出対象のガスを付着または吸着する性質を有するが、金属有機構造体(MOF)、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)は、特定のガスを選択的に付着または吸着する選択性を有することが本発明者等の研究により明らかとなっている。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。   The sensitive film 42 has a property of adhering or adsorbing a gas to be detected, but is a metal organic structure (MOF), polybutadiene (PBD), polyacrylonitrile-butadiene (PAB), polyisoprene (PIP), polystyrene (PS). ) Has a selectivity for selectively adhering or adsorbing a specific gas, which has been clarified by studies by the present inventors. 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.

ポリアクリルニトリル−ブタジエン(PAB)は、オクタン、プロパノール等のガスに選択性を有する。ポリブタジエン(PBD)、ポリイソプレン(PIP)はトルエンに選択性を有する。ポリスチレン(PS)は、n−プロパノールやエタノールに選択性を有する。   Polyacrylonitrile-butadiene (PAB) has selectivity for gases such as octane and propanol. Polybutadiene (PBD) and polyisoprene (PIP) have selectivity for toluene. Polystyrene (PS) has selectivity for n-propanol and ethanol.

金属有機構造体(Metal-Organic Frameworks、以下、MOFと略記する)は、有機配位子と金属イオンとが結合してできる三次元構造を有する材料である。
図3は、MOFの構造の一例を模式的に示した図である。図3において、1は金属イオン、2は有機配位子であり、3はこれらが結合してできたMOFである。MOF3は、金属イオン1を構成要素とする頂点と、有機配位子2を構成要素とする辺と、を骨組みとし、中空部4を有する六面体形状を有する。この中空部4に測定対象のガスを付着または吸着するが、このような中空の構造を有することからMOF3は比表面積が大きく、センシングの際の反応表面が増大する。
Metal-organic structures (Metal-Organic Frameworks, hereinafter abbreviated as MOF) are materials having a three-dimensional structure formed by bonding organic ligands and metal ions.
FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of the structure of the MOF. In FIG. 3, 1 is a metal ion, 2 is an organic ligand, and 3 is a MOF formed by combining them. The MOF 3 has a hexahedral shape having a hollow portion 4 with a vertex having the metal ion 1 as a component and a side having the organic ligand 2 as a component as a framework. The gas to be measured adheres to or adsorbs to the hollow portion 4, but since it has such a hollow structure, the MOF 3 has a large specific surface area, and the reaction surface during sensing increases.

辺を構成する有機配位子3は、鎖の長さを変えることにより辺の長さが変わるため、MOF3の中空部の大きさを調節することが可能である。また、有機配位子3の種類を選定することにより、選択性を付与することが可能となる。有機配位子としては、化1、化2、化3、化4、化5の化学式で示される化合物や、トリメシン酸などを用いることが好ましい。   Since the length of the side of the organic ligand 3 constituting the side is changed by changing the length of the chain, the size of the hollow portion of the MOF 3 can be adjusted. Further, by selecting the type of the organic ligand 3, it becomes possible to impart selectivity. As the organic ligand, it is preferable to use compounds represented by chemical formulas of Chemical Formula 1, Chemical Formula 2, Chemical Formula 3, Chemical Formula 4, and Chemical Formula 5, trimesic acid, and the like.

金属イオンとしては、Cu2+,Zn2+などから選ばれる少なくとも1種の金属イオンを用いることが好ましい。金属イオンとしてZn2+を選定する場合には、ZnO等の無機集合体を原料として用いることができる。金属イオンとしてCu2+を選定する場合には、硝酸銅・3水和物(CuNO・3HO)等を原料として用いることができる。 As the metal ion, it is preferable to use at least one metal ion selected from Cu 2+ , Zn 2+ and the like. When selecting Zn 2+ as the metal ion, an inorganic aggregate such as Zn 4 O can be used as a raw material. In the case of selecting Cu 2+ as the metal ion, copper nitrate trihydrate (CuNO 3 .3H 2 O) or the like can be used as a raw material.

MOFの一例としてZn2+を用いた六面体形状のMOFについて説明したが、これに限定されるものではなく、四面体、八面体などの他の多面体形状を構成してもよいことは言うまでもない。 Although the hexahedral MOF using Zn 2+ has been described as an example of the MOF, the invention is not limited to this, and it goes without saying that other polyhedral shapes such as a tetrahedron and an octahedron may be formed.

MOFは精密な構造であるため安定性が高く高温環境下でも利用可能である。本発明者等は、MOFの温度依存性について検討を行ったところ、測定対象のガスがMOFに吸着する吸着速度と、吸着したガスがMOFから脱離する脱離速度とは温度変化に対する速度の変化が一定ではないことを見出した。
銅イオンとトリメシン酸(1,3,5−benzentricarboxylate:以下、BTCと略記する場合もある)より構成され、八面体の形状を有するCu(BTC)Oは、10℃以上で測定対象のガスを吸着し、40℃以上の温度で測定対象のガスを脱離させることが好ましい。この理由については後述の実施例で詳細に説明するが、Cu(BTC)Oは20℃〜60℃の温度範囲での吸着速度に一定であるのに対し、ガスの脱離速度は30℃未満の場合に比べ40℃以上で約4倍の速度となるため、センサとして良好な応答性が得られるからである。
Since MOF has a precise structure, it has high stability and can be used even in a high temperature environment. The present inventors have examined the temperature dependence of MOF, and as a result, the adsorption rate at which the gas to be measured is adsorbed on the MOF and the desorption rate at which the adsorbed gas is desorbed from the MOF are the rates for the temperature change. We found that the change was not constant.
Cu 3 (BTC) 2 H 2 O composed of copper ions and trimesic acid (1,3,5-benzentricarboxylate: hereinafter sometimes abbreviated as BTC) and having an octahedral shape is measured at 10 ° C. or higher. It is preferable to adsorb the target gas and desorb the target gas at a temperature of 40 ° C. or higher. The reason for this will be described in detail in Examples below, but Cu 3 (BTC) 2 H 2 O is constant in the adsorption rate in the temperature range of 20 ° C. to 60 ° C., whereas the gas desorption rate. Is about 4 times higher at 40 ° C. or higher than when the temperature is lower than 30 ° C., so that a good response can be obtained as a sensor.

カンチレバー型の振動子の感応膜42としてMOFを用いるためには、金膜上に末端カルボン酸を持つ自己組織化単分子膜(以下、SAM膜と略記する)を形成し、SAM膜のカルボン酸表面にMOFからなる薄膜を成膜することが好ましい。   In order to use MOF as the sensitive film 42 of the cantilever type vibrator, a self-assembled monomolecular film (hereinafter abbreviated as SAM film) having a terminal carboxylic acid is formed on a gold film, and the carboxylic acid of the SAM film is formed. It is preferable to form a thin film made of MOF on the surface.

MOFの一例としてCu(BTC)Oを成膜する方法について説明する。硝酸銅・3水和物(CuNO・3HO)とトリメシン酸とを溶解したジメチルスルホキシド溶液を準備し、末端カルボキシル基を有するSAM膜と接触させることにより、末端カルボキシル基を開始点として、Cu(BTC)Oの結晶が析出する。この時、結晶成長はDMSO蒸気下で行うため、100℃〜150℃の温度範囲とすることが好ましい。 A method for forming a film of Cu 3 (BTC) 2 H 2 O as an example of MOF will be described. By preparing a dimethyl sulfoxide solution in which copper nitrate trihydrate (CuNO 3 .3H 2 O) and trimesic acid are dissolved and contacting with a SAM film having a terminal carboxyl group, the terminal carboxyl group is used as a starting point. A crystal of Cu 3 (BTC) 2 H 2 O is precipitated. At this time, since crystal growth is performed under DMSO vapor, it is preferable to set the temperature within a range of 100 ° C to 150 ° C.

上記したような感応膜42が形成された振動子41は、所定の容積(例えば0.1〜0.5cc)を有したチャンバ内に設けられている。チャンバ内には、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。複数の振動子41には、互いに異なった感応膜42が成膜されている。   The vibrator 41 on which the sensitive film 42 as described above is formed is provided in a chamber having a predetermined volume (for example, 0.1 to 0.5 cc). In the chamber, a plurality of vibrators 41 each having the sensitive film 42 as described above are installed. Different sensitive films 42 are formed on the plurality of vibrators 41.

さて、上記のような物質検出システム10における、検出センサ40の振動子41の駆動構造について説明する。
図4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に基端部が固定された固定端とされ、他端部がオーバーハングした自由端とされている。振動子41の基端部に振動検出部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 detection sensor 40 in the substance detection system 10 as described above will be described.
As shown in FIG. 4, 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 unnecessary portions by etching or the like, and has a fixed end with a base end portion fixed to the substrate body 101. The end is a free end that overhangs. A vibration detection unit 44 is disposed at the base end of the vibrator 41, and the vibration detection unit 44 detects the vibration displacement of the vibrator 41 as an electrical signal.

このような振動子チップ100は、検出センサ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。   Such a transducer chip 100 is supported on a base substrate 110 serving as a base of the detection sensor 40 via a chip package (element package) 120 and a PZT plate (piezoelectric element) 130.

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140によって電気的に接続されている。PZT板130は、外部の駆動回路からの制御信号に応じてチップ・パッケージ120から印加される電圧により、所定の周波数で振動を発生する。
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 140 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.

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。
また、PZT板130で発生した振動を振動子チップ100に効率よく伝達するため、PZT板130と振動子チップ100とは、例えば接着剤210に硬化後の硬度(剛性)の高い、例えばエポキシ系接着剤等を用い、強固に一体化するのが好ましい。接着剤210によって、PZT板130から振動子チップ100に伝達される振動が減衰されるのを抑制することができる。
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.
Further, in order to efficiently transmit the vibration generated in the PZT plate 130 to the vibrator chip 100, the PZT board 130 and the vibrator chip 100 have a high hardness (rigidity) after being hardened to the adhesive 210, for example, an epoxy system, for example. It is preferable to use an adhesive or the like to firmly integrate. The adhesive 210 can suppress the vibration transmitted from the PZT plate 130 to the transducer chip 100 from being attenuated.

検出センサ40には、冷却機構(冷却部)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、−10〜25℃、より望ましくは−5〜15℃の範囲内の一定温度に温度制御するのが好ましい。   The detection sensor 40 is provided with a cooling mechanism (cooling unit) 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 to a constant temperature within the range of −10 to 25 ° C., more desirably −5 to 15 ° C., by the cooling mechanism 150.

冷却機構150は、このような目的を満足できるのであればいかなる構成のものを用いてもよいが、例えば、以下に示すような構成が採用できる。
すなわち、冷却機構150は、ベース基板110の他面側に設けられており、開口部111に露出するチップ・パッケージ120の他面側に、ヒートシンク151を介して設けられた冷却素子152と、放熱フィン153および放熱ファン154からなる。
ヒートシンク151は、例えばCuからなり、冷却素子152で冷却されることで、チップ・パッケージ120から熱を奪う。
冷却素子152としては、いかなるものを用いてもよいが、応答性の面から、ペルチェ素子を用いるのが好ましい。冷却素子152は、制御部54によってその作動が制御される。
放熱フィン153および放熱ファン154は、冷却素子152の熱を放熱する。ここで、放熱フィン153は、冷却素子152の表面に、熱伝導性が高く導電性の低い材料(例えば金属酸化物を含むシリコーンペースト等)により接合するのが好ましい。
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 provided on the other surface side of the base substrate 110, and the cooling element 152 provided on the other surface side of the chip package 120 exposed to the opening 111 via the heat sink 151, and the heat dissipation. It consists of fins 153 and heat dissipation fans 154.
The heat sink 151 is made of, for example, Cu, and takes heat from the chip package 120 by being cooled by the cooling element 152.
Any element may be used as the cooling element 152, but a Peltier element is preferably used from the viewpoint of responsiveness. The operation of the cooling element 152 is controlled by the control unit 54.
The heat radiation fins 153 and the heat radiation fan 154 radiate the heat of the cooling element 152. Here, the heat radiation fin 153 is preferably joined to the surface of the cooling element 152 with a material having high thermal conductivity and low conductivity (for example, a silicone paste containing a metal oxide).

このような冷却機構150においては、センサ155で検出された検出センサ40の適宜位置(本実施形態では、ヒートシンク151)の温度に基づき、制御部54が冷却素子152を作動させ、ヒートシンク151、チップ・パッケージ120、PZT板130を介して振動子チップ100を冷却することで、振動子41および感応膜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 control unit 54 operates the cooling element 152 based on the temperature of the detection sensor 40 detected by the sensor 155 at an appropriate position (in this embodiment, the heat sink 151). -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.

測定処理部50は、上記のような振動子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。
制御部54の制御により、検出センサ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 as described above and a detection circuit 52 for detecting an electrical signal from the vibration detection unit 44.
Under the control of the control unit 54, a detection target such as a molecule having a mass in the sensitive film 42 is obtained in a state where the vibrator 41 of the detection sensor 40 is driven by an electric signal from the drive circuit 51 and vibrated at a predetermined frequency. When 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.

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検出センサ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 detection sensor 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、上記のようにして感応膜42で吸着された成分分子の種類、量(濃度)を測定した後には、ヒータ90により感応膜42を加熱することで、吸着した成分分子を感応膜42から脱離させる。   After measuring the type and amount (concentration) of the component molecules adsorbed on the sensitive film 42 as described above, the adsorbed component molecules are removed from the sensitive film 42 by heating the sensitive film 42 with the heater 90. Detach.

図1に示した物質検出システム10においては、制御部54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、ヒータ90の作動、測定処理部50における測定処理を制御する。
図5にその流れを示す。
まず、物質検出システム10の動作開始時において、振動子41を含む振動子チップ100を、検出センサ40の感度が高まる低温に冷却し、その温度を保冷する(ステップS101)。この温度は振動子41に搭載する感応膜42の種類で決まる。PABやPBDでは0〜10℃程度が好ましい。低温の方が感度は上がるが、感応膜42の種類によって選択性の差がなくなると言った問題が生じる。
In the substance detection system 10 shown in FIG. 1, the control unit 54 operates the pump 20, heats the energization of the sheath heater 34, drives and detects the vibrator 41, operates the heater 90, and performs measurement processing in the measurement processing unit 50. To control.
FIG. 5 shows the flow.
First, at the start of the operation of the substance detection system 10, the transducer chip 100 including the transducer 41 is cooled to a low temperature where the sensitivity of the detection sensor 40 is increased, and the temperature is kept low (step S101). This temperature is determined by the type of the sensitive film 42 mounted on the vibrator 41. In the case of PAB or PBD, about 0 to 10 ° C. is preferable. Although the sensitivity increases at lower temperatures, there arises a problem that the difference in selectivity is eliminated depending on the type of the sensitive membrane 42.

その後、予め定めた一定時間の間、ポンプ20でガスを吸い込んで濃縮し、ガスに含まれる分子を吸着部30で吸着する(ステップS102)。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。
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脱離させる(ステップS103)。
Thereafter, the gas is sucked and concentrated by the pump 20 for a predetermined time, and the molecules contained in the gas are adsorbed by the adsorption unit 30 (step S102). After the elapse of the predetermined time, the suction of gas from the pump 20 is stopped while the pump 20 is operated.
Air or an inert gas prepared separately is supplied from the pump 20 at a preset flow rate, and the sheath heater 34 is energized to heat the adsorption unit 30 and desorb component molecules adsorbed by the adsorption unit 30 (step S103).

脱離した成分分子は検出センサ40に搬送され、検出センサ40における計測が開始される(ステップS104)。
成分分子は、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。このとき、検出が始まるとセンサ信号が徐々に大きくなる。制御部54では、そのセンサ信号の変化分を常時計測し(ステップS105)、この変化分が予め定めた閾値を下回ると、検出が飽和状態に達したと判断する(ステップS106)。
The desorbed component molecules are transferred to the detection sensor 40, and measurement by the detection sensor 40 is started (step S104).
The component molecules are adsorbed on the sensitive film 42 of the vibrator 41. As a result, the vibration frequency of the vibrator 41 changes. At this time, when detection starts, the sensor signal gradually increases. The control unit 54 constantly measures the change amount of the sensor signal (step S105), and when the change amount falls below a predetermined threshold, it is determined that the detection has reached a saturation state (step S106).

制御部54は、検出が飽和状態に達したと判断したら、振動子41に組み込んだヒータ90に、予め設定されたヒータ電圧を印加する(ステップS107)。この時の印加時間も予め定めた設定値とする。
この時にカンチレバー型の振動子41の表面はごく短時間(0.1〜数秒)で設定温度に達する。すると、感応膜42に吸着された成分分子が脱離する(ステップS108)。この脱離時は振動子41の温度も上昇するので、制御部54では、その時の検出周波数の変化は無視する。
When determining that the detection has reached the saturation state, the control unit 54 applies a preset heater voltage to the heater 90 incorporated in the vibrator 41 (step S107). The application time at this time is also set to a predetermined set value.
At this time, the surface of the cantilever-type vibrator 41 reaches the set temperature in a very short time (0.1 to several seconds). Then, the component molecules adsorbed on the sensitive film 42 are desorbed (step S108). Since the temperature of the vibrator 41 also rises at the time of desorption, the control unit 54 ignores the change in the detection frequency at that time.

所定の印加時間が経過してヒータ90への電圧印加が停止されると(ステップS109)、0.1から3秒で温度が一定温度に戻るため、この一定温度に戻るまで、タイマーで設定時間が経過するまで待機する(これを安定化保留と称する;ステップS110)。   When the voltage application to the heater 90 is stopped after a predetermined application time has passed (step S109), the temperature returns to a constant temperature in 0.1 to 3 seconds. (This is called stabilization hold; step S110).

これにより、一連の検出処理が完了する。
物質検出システム10においては、一定時間ごとに上記一連の検出処理サイクルを繰り返すことで、リアルタイムな物質検出を行うこともできる。その場合、検出センサ40においては、ステップS110の安定化保留が終了した後に、次のサイクルに移行してステップS104の検出センサ40における計測が開始されるようにする。したがって、ステップS110の安定化保留が終了した後、ステップS103の、吸着部30で吸着した成分分子の脱離を行うようにするのが好ましい。
Thereby, a series of detection processing is completed.
In the substance detection system 10, real-time substance detection can also be performed by repeating the above-described series of detection processing cycles at regular time intervals. In that case, the detection sensor 40 shifts to the next cycle after the stabilization suspension in step S110 ends, and starts measurement in the detection sensor 40 in step S104. Therefore, it is preferable to desorb the component molecules adsorbed by the adsorption unit 30 in Step S103 after the stabilization suspension in Step S110 is completed.

ここで、上記のような検出を、検出時の温度を2条件以上に異ならせて複数回行うのが好ましい。それぞれの温度条件において、振動子41の周波数変化を検出し、これら2条件以上の温度条件における周波数変化の差に基づき、ガスの成分および濃度の少なくとも一方を推定することができる。
この推定方法を以下に示す。感応膜を塗布したセンサー1のT1の温度での感度S1aがS1a(T1)とすると、センサー1の周波数変化量はサンプル濃度Caの積でS1a(T1)Caとなる。また他の感応膜を塗布したセンサー2のT1の温度での感度S2aがS2a(T1)とすると、センサー2の周波数変化量はサンプル濃度Caの積でS21a(T1)Caとなる。
次に第二の温度T2でセンサーを駆動した場合は、感応膜を塗布したセンサー1のT2の温度での感度S1aがS1a(T2)とすると、センサー1の周波数変化量はサンプル濃度Caの積でS1a(T2)Caとなる。また他の感応膜を塗布したセンサー2のT2の温度での感度S2aがS2a(T2)とすると、センサー2の周波数変化量はサンプル濃度Caの積でS21a(T2)Caとなる。
この4つの連立方程式を解くことで、ガスの成分や濃度が推定することが可能になる。
Here, it is preferable to perform the detection as described above a plurality of times by changing the temperature at the time of detection to two or more conditions. Under each temperature condition, the frequency change of the vibrator 41 can be detected, and at least one of the gas component and the concentration can be estimated based on the difference in the frequency change in the temperature condition of these two or more conditions.
This estimation method is shown below. If the sensitivity S1a at the temperature T1 of the sensor 1 coated with the sensitive film is S1a (T1), the frequency change amount of the sensor 1 is S1a (T1) Ca as the product of the sample concentration Ca. If the sensitivity S2a at the temperature T1 of the sensor 2 coated with another sensitive film is S2a (T1), the frequency change amount of the sensor 2 is S21a (T1) Ca as the product of the sample concentration Ca.
Next, when the sensor is driven at the second temperature T2, if the sensitivity S1a at the temperature T2 of the sensor 1 coated with the sensitive film is S1a (T2), the frequency change amount of the sensor 1 is the product of the sample concentration Ca. Becomes S1a (T2) Ca. If the sensitivity S2a at the temperature T2 of the sensor 2 coated with another sensitive film is S2a (T2), the frequency change amount of the sensor 2 is S21a (T2) Ca as the product of the sample concentration Ca.
Solving these four simultaneous equations makes it possible to estimate the gas component and concentration.

上述した物質検出システム10においては、感応膜42に成分分子を吸着させる際には感応膜42を冷却し、感応膜42から成分分子を脱離させる際には感応膜42を加熱することで、短時間で効率よく成分分子の吸着、脱離を行うことができる。これによって、物質を検出する検出効率を高めることができる。
また、成分分子が振動子41の感応膜42に吸着されたときには、振動子41の振動周波数が変化し、制御部54では、そのセンサ信号の変化分を常時計測する。そして、この変化分が予め定めた閾値を下回ると検出が飽和状態に達したと判断し、振動子41に組み込んだヒータ90に、予め設定されたヒータ電圧を印加し、感応膜42に吸着した成分分子を脱離させるようにした。これにより、感応膜42の種類に限らず、事前に吸着温度や吸着時間を設定することなく、最適な吸着温度・時間で検出を行うことができる。
In the substance detection system 10 described above, when the component molecules are adsorbed to the sensitive film 42, the sensitive film 42 is cooled, and when the component molecules are desorbed from the sensitive film 42, the sensitive film 42 is heated. Adsorption and desorption of component molecules can be performed efficiently in a short time. Thereby, the detection efficiency for detecting the substance can be increased.
When the component molecules are adsorbed on the sensitive film 42 of the vibrator 41, the vibration frequency of the vibrator 41 changes, and the controller 54 constantly measures the change in the sensor signal. Then, when the amount of change falls below a predetermined threshold, it is determined that the detection has reached a saturation state, and a preset heater voltage is applied to the heater 90 incorporated in the vibrator 41 and is adsorbed to the sensitive film 42. The component molecules were desorbed. Thereby, not only the kind of the sensitive film | membrane 42 but detection can be performed by optimal adsorption temperature and time, without setting adsorption temperature and adsorption time beforehand.

なお、上述した物質検出システム10においては、感応膜42の種類毎に、冷却温度、加熱温度等の冷却特性、加熱特性を記憶するメモリ等の記憶部54M(図2参照)をさらに備えることもできる。
その場合、制御部54は、振動子41に設けられた感応膜42の種類に対応して、記憶部に記憶された感応膜42の冷却特性と加熱特性に基づいて、冷却機構150による感応膜42の冷却およびヒータ90による感応膜42の加熱を制御する。
このように、感応膜42の種類毎に、冷却温度、加熱温度等の冷却特性、加熱特性を記憶しておくことでも、短時間で効率よく成分分子の吸着、脱離を行うことができる。これによって、物質を検出する検出効率を高めることができる。
The substance detection system 10 described above may further include a storage unit 54M (see FIG. 2) such as a memory for storing the cooling characteristics such as the cooling temperature and the heating temperature and the heating characteristics for each type of the sensitive film 42. it can.
In that case, the control unit 54 corresponds to the type of the sensitive film 42 provided in the vibrator 41, and based on the cooling characteristics and heating characteristics of the sensitive film 42 stored in the storage unit, the sensitive film by the cooling mechanism 150. The cooling of 42 and the heating of the sensitive film 42 by the heater 90 are controlled.
Thus, by storing the cooling characteristics such as the cooling temperature and the heating temperature and the heating characteristics for each type of the sensitive film 42, the adsorption and desorption of the component molecules can be efficiently performed in a short time. Thereby, the detection efficiency for detecting the substance can be increased.

[実施例1]
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。
検出センサ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、カンチレバー型の振動子は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。
[Example 1]
Here, since the configuration shown above was verified, the results are shown below.
As the vibrator 41 of the detection sensor 40, a cantilever type was prepared.
The cantilever-type vibrator 41 was formed 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.

そして、感応膜材料として、MOFを成膜した。ここでは、QCM上の金電極表面に対して末端カルボン酸を持つ自己組織化単分子膜(Self Assembled monolayer:SAM)を形成させ、カルボン酸表面からのMOF成長を試みた。また、有機配位子と金属イオン種の組み合わせにより様々なMOFが調整されているが、その中から銅イオンとトリメシン酸より構成されるCu(BTC)(HO)をガスセンサ用の認識材料として選択し、SAM膜で修飾した金電極上での結晶成長を行った。さらに、これらMOF薄膜を用いてVOCsの暴露による吸着・脱離過程について検討を行った。 Then, MOF was formed as a sensitive film material. Here, a self-assembled monolayer (SAM) having a terminal carboxylic acid was formed on the gold electrode surface on the QCM, and MOF growth from the carboxylic acid surface was attempted. Various MOFs are adjusted by the combination of organic ligands and metal ion species. Among them, Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3 composed of copper ions and trimesic acid is used for gas sensors. The crystal was grown on a gold electrode that was selected as a recognition material and modified with a SAM film. Furthermore, the adsorption / desorption process by the exposure of VOCs was examined using these MOF thin films.

「感応膜の評価」
まず、カンチレバー型の振動子上への成膜の前に、簡単な方法で膜厚、ガス吸着が評価可能なQCMの上部に成膜して評価を行った。製法を以下に示す。
まず、エタノールと酢酸の混合溶液に16−mercaptohexadecanoicacidを加え、反応溶液を調整した。ここに洗浄したQCMを一晩浸漬、静置した。浸漬後QCMを溶液から取り出しメタノールで洗浄、乾燥させた。これによりQCM上に末端カルボン酸を持つSAMを形成させた。
次に、SAMを形成させた基板を硝酸銅・3 水和物(CuNO・3HO)とトリメシン酸(1,3,5−benzentricarboxylate:BTC)のDimethylsulfoxide(DMSO)溶液に一定温度、一定時間接触させることにより、SAMを開始点としてCu(BTC)(HO)の結晶性薄膜を形成させた。結晶成長はDMSO蒸気下で行い、金電極部分のみに青緑色のMOF結晶を成長させることに成功した。
このとき、5.0mM CuNO・3HOと2.8mM BTCを含むDMSO溶液を用い、123℃、6時間で結晶成長させたMOFの重量をQCMの周波数変化から見積もったところ、QCMの金基板上に63μgのCu(BTC)(H2O)結晶性薄膜が形成していた。形成させたMOFはSEM観察、FT−IR、およびX線回折測定によって評価した。
"Evaluation of sensitive membrane"
First, before film formation on a cantilever type vibrator, evaluation was performed by forming a film on an upper part of a QCM capable of evaluating film thickness and gas adsorption by a simple method. The production method is shown below.
First, 16-mercaptohexadecanoic acid was added to a mixed solution of ethanol and acetic acid to prepare a reaction solution. The washed QCM was immersed overnight and allowed to stand. After immersion, the QCM was taken out of the solution, washed with methanol and dried. This formed a SAM having a terminal carboxylic acid on the QCM.
Next, the substrate on which the SAM was formed was placed in a dimethylsulfoxide (DMSO) solution of copper nitrate trihydrate (CuNO 3 3H 2 O) and trimesic acid (1,3,5-benzentricarboxylate: BTC) at a constant temperature and constant temperature. By making contact for a time, a crystalline thin film of Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3 was formed starting from SAM. Crystal growth was performed under DMSO vapor, and a blue-green MOF crystal was successfully grown only on the gold electrode portion.
At this time, using a DMSO solution containing 5.0 mM CuNO 2 .3H 2 O and 2.8 mM BTC, the weight of MOF grown at 123 ° C. for 6 hours was estimated from the change in frequency of QCM. 63 μg of Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3 crystalline thin film was formed on the substrate. The formed MOF was evaluated by SEM observation, FT-IR, and X-ray diffraction measurement.

(走査型電子顕微鏡によるMOF観察)
形成させたMOFに対して走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察を行った。結果を図6に示す。
図6に示すように得られた薄膜は四角錐形であり、結晶が多数密集することにより薄膜を形成していた。また、平均結晶サイズは約4μmであることを確認した。
(MOF observation with a scanning electron microscope)
The formed MOF was observed using a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 6, the obtained thin film had a quadrangular pyramid shape, and a thin film was formed by a large number of crystals concentrated. The average crystal size was confirmed to be about 4 μm.

(XRD測定)
作製したQCM上のMOF薄膜および粉末のCu(BTC)(H0)に対してX線回折測定(XRD)を行った。結果を図7に示す。
図7より、粉末サンプル(図中、Powder Sample)ではCu(BTC)(H0)の三次元ネットワークに帰属される複数の反射ピークが得られた。これに対し、カルボン酸表面を持つSAM膜(図中、SAM-COOH)からCu(BTC)(H0)を成長させた薄膜のXRDでは(200)、(400)面に由来する強い反射ピークが得られた。
(XRD measurement)
X-ray diffraction measurement (XRD) was performed on the MOF thin film on the produced QCM and powdered Cu 3 (BTC) 2 (H 2 0). The results are shown in FIG.
From FIG. 7, in the powder sample (Powder Sample in the figure), a plurality of reflection peaks attributed to the three-dimensional network of Cu 3 (BTC) 2 (H 2 0) were obtained. In contrast, in the XRD of a thin film obtained by growing Cu 3 (BTC) 2 (H 2 0) from a SAM film having a carboxylic acid surface (SAM-COOH in the figure), it is derived from the (200) and (400) planes. A strong reflection peak was obtained.

(VOCs吸着測定)
VOCsの吸着測定は一定流量、一定濃度のガスをチャンバ内に流し込みVOCsの吸着量を測定できる装置を用いて行った。また、測定には微量な質量変化を測定する手法であるQCMセンサを用いた。QCMセンサではVOCsの吸脱着による質量変化を周波数変化として検出し、電極表面上の質量変化Δm [ng]により共振周波数変化Δf [Hz]が生じ、Sauerbrey の式に基づき認識膜の付着量、VOCsの吸着量が検出される。
Δf=−2f0Δm/[A(μq・ρq)]1/2.......... (1)
ここで、f0は基本周波数、Aは電極面積、μqは水晶の剪断応力(剛性率)、ρqは水晶の密度を示す。使用したQCMは基本周波数9MHz、電極面積0.196cmであるので電極上での質量変化ΔmとΔfとは次の関係で表すことが出来る。
Δm = −1.07 [Hz/ng] ×Δf ..............(2)
(VOCs adsorption measurement)
Adsorption measurement of VOCs was performed using an apparatus capable of measuring the amount of adsorption of VOCs by flowing a gas having a constant flow rate and a constant concentration into the chamber. For the measurement, a QCM sensor, which is a technique for measuring a minute change in mass, was used. In the QCM sensor, a mass change due to adsorption / desorption of VOCs is detected as a frequency change, and a resonance frequency change Δf [Hz] is generated by the mass change Δm [ng] on the electrode surface. Is detected.
Δf = −2f0 2 Δm / [A (μq · ρq)] 1/2 . . . . . . . . . . (1)
Here, f0 is the fundamental frequency, A is the electrode area, μq is the shear stress (rigidity) of the crystal, and ρq is the density of the crystal. Since the used QCM has a fundamental frequency of 9 MHz and an electrode area of 0.196 cm 2 , the mass change Δm and Δf on the electrode can be expressed by the following relationship.
Δm = −1.07 [Hz / ng] × Δf. . . . . . . . . . . . . . (2)

上式に示すように、QCMはその周波数変化から吸着するVOCs分子の質量をナノグラムオーダーで測定できる。このQCMの周波数変化を計測し、温度制御したチャンバ内でVOCs吸着測定を行った。今回の測定にはMOF形成に利用した有機配位子と同様に芳香環を有するトルエンを用いてVOCs吸着測定を行い濃度変化に伴う吸脱着量の変化、他物質との吸着量の変化について考察した。また、VOCs吸着測定の前処理としてホットプレートで120℃、20分加熱し、200sccmの窒素ガスを十分に流した後に使用した。以上の計算に基づき周波数変化から形成したMOFの質量及びMOF薄膜に対するVOCsの吸着量を算出した。   As shown in the above equation, the QCM can measure the mass of VOCs molecules adsorbed on the order of nanograms from the change in frequency. The frequency change of this QCM was measured, and the VOCs adsorption measurement was performed in a temperature-controlled chamber. In this measurement, VOCs adsorption measurement was performed using toluene with an aromatic ring similar to the organic ligand used for MOF formation, and changes in adsorption / desorption amount due to concentration change and changes in adsorption amount with other substances were considered. did. Further, as a pretreatment for measuring VOCs adsorption, it was heated on a hot plate at 120 ° C. for 20 minutes and used after sufficiently flowing 200 sccm of nitrogen gas. Based on the above calculation, the mass of MOF formed from the frequency change and the adsorption amount of VOCs to the MOF thin film were calculated.

作製した500nmのMOF薄膜を用いてトルエンの吸着測定を行った。測定濃度を100〜1000ppmの範囲で変化させて吸着量を測定した。また、作製したMOFの薄膜と吸着量を比較する物質としてPoly(butadiene)(PBD)を用いて同一条件下で測定を行った。PBDは質量検出型センサにも用いられている有機高分子の一つであり、いくつかの報告がなされている。   The adsorption of toluene was measured using the prepared 500 nm MOF thin film. The amount of adsorption was measured by changing the measured concentration in the range of 100 to 1000 ppm. Further, measurement was performed under the same conditions using Poly (butadiene) (PBD) as a substance for comparing the amount of adsorption with the prepared MOF thin film. PBD is one of organic polymers that are also used in mass detection sensors, and several reports have been made.

測定の結果、図8に示すような周波数変化の濃度依存性がみられた。PBD膜では100ppm〜1000ppmの範囲において吸着量は濃度と比例に関係あるが、MOF薄膜においては飽和状態に近いことが推測される。
1000ppm条件下においてMOFを用いたQCMセンサはPBDを用いたQCMセンサに比べ30倍以上のVOCsが吸着した。さらに、100ppmにおいては300倍以上のトルエン分子の吸着がみられた。低濃度域において非常に高感度の材料であると示唆された。
As a result of the measurement, the concentration dependence of the frequency change as shown in FIG. 8 was observed. In the PBD film, the adsorption amount is proportional to the concentration in the range of 100 ppm to 1000 ppm, but it is estimated that the MOF thin film is close to a saturated state.
Under the condition of 1000 ppm, the VCMs using MOF adsorbed 30 times more VOCs than the QCM sensor using PBD. Furthermore, at 100 ppm, 300 times or more adsorption of toluene molecules was observed. It was suggested that the material is very sensitive in the low concentration range.

図9(a)、(b)には同じ方法で、トルエン、キシレン、オクタン、アセトン、エタノールとVOCの成分を変えた場合の吸着特性の差を示す。このMOF材料はアセトンやエタノールにも高い感度を示していることがわかった。   FIGS. 9A and 9B show the difference in adsorption characteristics when the components of toluene, xylene, octane, acetone, ethanol and VOC are changed by the same method. This MOF material was found to be highly sensitive to acetone and ethanol.

(温度による吸脱着変化)
次に、測定温度を調節しMOFを用いたQCMセンサにおけるトルエンの吸脱着応答性について評価した。結果は図10に示す通りである。
チャンバ内温度を20℃から60℃まで変化させたところ、どの温度条件においても吸着速度には変化が見られなかったのに対し、脱離速度はチャンバ内温度が増加するに従って速くなることを確認した。60℃で測定した場合には吸着した膜内のトルエンがすべて脱離するまでの時間は15分程度であったのに対し、40℃で測定した場合には約1時間を要した。さらに、20℃と30℃では、3時間経過後でも完全にトルエンを脱離することができなかった。
以上のことより、今回作製したMOFの薄膜をセンサに利用し、良好な応答性を得るためには40℃以上の温度設定が必要であると示唆された。ガス吸脱着における分子とMOF内の孔空間との相関を明らかにすることにより、高感度分子サイズ認識膜の開発が実現できる。
(Adsorption and desorption changes with temperature)
Next, the toluene adsorption / desorption response in a QCM sensor using MOF with the measurement temperature adjusted was evaluated. The results are as shown in FIG.
When the chamber temperature was changed from 20 ° C to 60 ° C, it was confirmed that the adsorption rate did not change under any temperature conditions, but the desorption rate increased as the chamber temperature increased. did. When measured at 60 ° C., it took about 15 minutes for all the toluene in the adsorbed film to desorb, whereas when measured at 40 ° C., it took about 1 hour. Further, at 20 ° C. and 30 ° C., toluene could not be completely eliminated even after 3 hours.
From the above, it was suggested that a temperature setting of 40 ° C. or higher is necessary in order to obtain a good responsiveness by using the MOF thin film produced this time for the sensor. Development of a highly sensitive molecular size recognition membrane can be realized by clarifying the correlation between molecules in gas adsorption / desorption and the pore space in the MOF.

「カンチレバー型の振動子における評価」
図11は、このMOF膜をカンチレバー型の振動子上に成膜した例である。カンチレバー型の振動子上には感応膜を成膜する領域に予め金薄膜を形成してあるのでその部分のみにMOFが成膜されている。成膜はQCMの場合と同じ方法で行っている。
図12にカンチレバー型の振動子上のMOFの拡大図を示す。図に示すように得られた材料は四角錐形の結晶粒が観察されており、結晶が多数密集することにより薄膜を形成していた。また、平均結晶サイズはQCMと同様に約2−10μmであることを確認した。
"Evaluation of cantilever type vibrator"
FIG. 11 shows an example in which this MOF film is formed on a cantilever type vibrator. On the cantilever type vibrator, a gold thin film is formed in advance in a region where a sensitive film is to be formed, so that MOF is formed only on that portion. Film formation is performed by the same method as in the case of QCM.
FIG. 12 shows an enlarged view of the MOF on the cantilever type vibrator. As shown in the figure, the obtained material has observed pyramid-shaped crystal grains, and a thin film was formed by a large number of crystals concentrated. Moreover, it confirmed that average crystal size was about 2-10 micrometers similarly to QCM.

また、カンチレバー型の振動子41の上面には他の感応膜42として、トルエンやキシレンに吸着特性の優れた980nmのPAB,PBD,PSBおよびPSからなる膜を、それぞれディスペンサーを用いて成膜後、乾燥させて作成した。   Further, on the upper surface of the cantilever type vibrator 41, as another sensitive film 42, films made of 980 nm PAB, PBD, PSB and PS having excellent adsorption characteristics in toluene and xylene are respectively formed using a dispenser. Created by drying.

図13はPAB,PBD,PSBおよびPSのアセトン、トルエン、オクタン、エタノールに対する吸着能を温度の関数として示した。
ここで吸着能はQCMでもカンチレバー型の振動子でも使用できるようにKファクターを用いた。Kファクターは材料を所定の濃度のVOCに平衡状態で曝した場合に、気体中と材料中の単位体積の濃度の比として表現できる。ここでVOCの濃度は1000ppmである。どの場合でも低温にすることでKファクターは大きくなる。アセトンやアルコールに対して高感度な条件はPABで0度で使用することで達成できる。この場合のKファクターはアセトンに対するPABの場合で、0℃でK=1200となり、エタノールでは2000となった。ここでPSもファクターが大きいが、吸着と脱離の応答が悪いので、濃縮管と分析機能を持つ本化学センサシステムには不向きである。
FIG. 13 shows the ability of PAB, PBD, PSB and PS to adsorb acetone, toluene, octane and ethanol as a function of temperature.
Here, the K-factor was used so that the adsorption ability can be used with either a QCM or a cantilever type vibrator. The K-factor can be expressed as the ratio of the unit volume concentration in the gas to the material when the material is exposed to a predetermined concentration of VOC in equilibrium. Here, the concentration of VOC is 1000 ppm. In any case, the K-factor increases with lower temperatures. Highly sensitive conditions for acetone and alcohol can be achieved by using PAB at 0 degrees. In this case, the K factor was PAB with respect to acetone, K = 1200 at 0 ° C., and 2000 with ethanol. Here, PS also has a large factor, but because the response of adsorption and desorption is poor, it is not suitable for this chemical sensor system having a concentration tube and an analysis function.

ここで、これらのMOF,PBD,PAB,PSB等の感応膜を1個以上のカンチレバー型の振動子上に塗布し、センサモジュールに組み込んで、それぞれの感応膜に最適な温度で動作させた。
(MOFの場合)
図10に示すように、MOFでは室温では大きな吸着能を示すが、脱離の応答が極端に悪いと言う課題があった。しかし、温度を60度に上げることで応答特性が非常に早くなる。応答性が速いと、濃縮装置からの脱離応答に対してセンサが正しく応答するようになって、正しい検出と分析が可能になる。
(PBD,PAB,PSBの場合)
図13に示すようにこれらの材料では、0〜10℃付近に冷却することで応答特性を保ったまま、感度を室温の2から3倍まで高めることができる。
Here, a sensitive film such as MOF, PBD, PAB, PSB, etc. was applied on one or more cantilever type vibrators, incorporated in a sensor module, and operated at an optimum temperature for each sensitive film.
(In case of MOF)
As shown in FIG. 10, MOF has a large adsorption ability at room temperature, but there is a problem that the desorption response is extremely bad. However, the response characteristic becomes very fast by raising the temperature to 60 degrees. When the responsiveness is fast, the sensor correctly responds to the desorption response from the concentrator, and correct detection and analysis are possible.
(PBD, PAB, PSB)
As shown in FIG. 13, with these materials, the sensitivity can be increased to 2 to 3 times the room temperature while maintaining the response characteristics by cooling to around 0 to 10 ° C.

ここで、図10のMOFの特性を見ると、室温付近では吸着能が大きく、吸着時の応答も速いが、脱離時間が極端に遅くなる。温度を60度程度まで上げた場合にのみ脱離特性が良くなる傾向が見られた。よって吸着時に低温で、脱離時に高温にすることで最適なセンサ駆動が得られる。
しかし、センサの入ったパッケージを加熱・冷却するために10度の温度変化に10−20秒の時間がかかってしまう。周波数の変化は温度に対して非常に敏感なので僅かな温度変化にも周波数が変ってしまう。
Here, looking at the characteristics of the MOF in FIG. 10, the adsorption capacity is large near room temperature and the response during adsorption is fast, but the desorption time is extremely slow. Only when the temperature was raised to about 60 ° C., the tendency for the desorption characteristics to improve was observed. Therefore, an optimum sensor drive can be obtained by setting the temperature low during adsorption and high temperature during desorption.
However, a temperature change of 10 degrees takes 10-20 seconds to heat and cool the package containing the sensor. Since the change in frequency is very sensitive to temperature, even a slight change in temperature can change the frequency.

そこで、質量センサとして用いるカンチレバー型の振動子を、厚さ5μmの活性層を持つSOIウエハから作製した。活性層は不純物濃度1×1015/cmのn型であり、幅50μmまたは100μm、長さ200〜500μmのカンチレバー型の振動子構造をDeep Reactive Ion Etching (DRIE)を用いて形成した。
カンチレバー型の振動子のエアダンピングを抑えるため、基板は裏面からDRIEで除去した。カンチレバー型の振動子裏面のBOX層は最後にBHFエッチングにより除去した。
Therefore, a cantilever type vibrator used as a mass sensor was manufactured from an SOI wafer having an active layer having a thickness of 5 μm. The active layer is an n-type having an impurity concentration of 1 × 10 15 / cm 3 , and a cantilever-type vibrator structure having a width of 50 μm or 100 μm and a length of 200 to 500 μm is formed using Deep Reactive Ion Etching (DRIE).
In order to suppress air damping of the cantilever type vibrator, the substrate was removed from the back surface by DRIE. The BOX layer on the back surface of the cantilever type vibrator was finally removed by BHF etching.

カンチレバー型の振動子の表側には、根元に振動検出のためのピエゾ抵抗素子、それ以外の本体部には検出膜塗布のためのCr(10nm)/Au(100nm)膜を形成した。ピエゾ抵抗はBの不純物打ち込み技術により作製され、不純物濃度1×1015/cmのp型、深さは約1μmとなっている。
金属配線とのOhmicコンタクトを取るために、コンタクト部は高濃度のp型不純物(1×1019/cm、深さ約0.3μm)がドープされている。
厚さ500nmのパッシベーション酸化膜を介してAl−Si−Cuの配線が形成されている。
ヒータとして使用するP型半導体は、SOI基板のn型領域と、ピエゾ抵抗と同一プロセスで作られるp型領域を使用する。p型領域の抵抗を安定に保つために、p型拡散領域と周囲のn型領域の電位をpn接合が順方向にならないように電位を高く(この場合は5V)する必要がある。すなわちn型領域にもOhmicコンタクトを取る必要があるため、n型コンタクト部には高濃度のn型不純物(1×1019/cm、深さ約0.3μm)がドープされている。
同一の不純物拡散・配線プロセスで、ピエゾ抵抗素子とヒータの製作が可能であり、ヒータを追加するためのプロセスコスト上昇は、ほとんどない。
On the front side of the cantilever type vibrator, a piezoresistive element for vibration detection was formed at the base, and a Cr (10 nm) / Au (100 nm) film for coating a detection film was formed on the other main body. The piezoresistor is manufactured by the impurity implantation technique of B, and has a p-type impurity concentration of 1 × 10 15 / cm 3 and a depth of about 1 μm.
In order to make ohmic contact with the metal wiring, the contact portion is doped with high-concentration p-type impurities (1 × 10 19 / cm 3 , depth of about 0.3 μm).
An Al—Si—Cu wiring is formed through a passivation oxide film having a thickness of 500 nm.
A P-type semiconductor used as a heater uses an n-type region of an SOI substrate and a p-type region made by the same process as a piezoresistor. In order to keep the resistance of the p-type region stable, it is necessary to increase the potential of the p-type diffusion region and the surrounding n-type region so that the pn junction is not in the forward direction (in this case, 5 V). That is, since it is necessary to make ohmic contact also in the n-type region, the n-type contact portion is doped with a high-concentration n-type impurity (1 × 10 19 / cm 3 , depth of about 0.3 μm).
A piezoresistive element and a heater can be manufactured by the same impurity diffusion / wiring process, and there is almost no increase in process cost for adding a heater.

センサの基本的な特性評価は、センサチップをセラミックパッケージに実装後、恒温槽に入れて行った。セラミックパッケージの裏面にはPZT板が接着されており、カンチレバー型の振動子に振動を印加することができる。   The basic characteristic evaluation of the sensor was performed by mounting the sensor chip in a ceramic package and then placing it in a thermostatic chamber. A PZT plate is bonded to the back surface of the ceramic package, and vibration can be applied to the cantilever type vibrator.

電圧−電流特性の測定には半導体パラメータアナライザ(Agilent 4155C)を用いた。振動特性の測定にはネットワークアナライザ(Agilent 4395A)を用い、入力をPZT板駆動、出力をピエゾ抵抗ブリッジ電圧として入出力特性を測定した。ピエゾ抵抗ブリッジには別の電源から直流電圧を供給している。   A semiconductor parameter analyzer (Agilent 4155C) was used for measuring the voltage-current characteristics. For the measurement of the vibration characteristics, a network analyzer (Agilent 4395A) was used, and the input / output characteristics were measured using the PZT plate drive as the input and the piezoresistive bridge voltage as the output. The piezoresistive bridge is supplied with a DC voltage from another power source.

図14にヒータによる温度の上昇を確認したデータを示す。カンチレバー型の振動子の温度を直接計測することは困難であるため、共振周波数の変化を用いて温度の推定を行った。
ヒータに20Vの電圧を印加した時の共振周波数の変化はHT500で400Hzであった。共振周波数の温度係数は、別に恒温槽を用いて35ppm/℃であると計測されているので、400Hzの変化は43℃に相当する。この温度上昇はカンチレバー型の振動子の熱容量が小さいので瞬時に上昇する。このようにカンチレバー型の振動子内に作成されたヒータによって43℃上昇によって、瞬時に27℃から70℃に変化できる。
FIG. 14 shows data for confirming the temperature rise by the heater. Since it is difficult to directly measure the temperature of the cantilever type vibrator, the temperature was estimated using the change in the resonance frequency.
The change in the resonance frequency when a voltage of 20 V was applied to the heater was 400 Hz in HT500. Since the temperature coefficient of the resonance frequency is measured to be 35 ppm / ° C. using a separate thermostatic chamber, a change of 400 Hz corresponds to 43 ° C. This temperature rise increases instantaneously because the heat capacity of the cantilever type vibrator is small. Thus, the heater created in the cantilever type vibrator can instantaneously change from 27 ° C. to 70 ° C. by a 43 ° C. increase.

図15に本化学センサシステムに搭載されている濃縮装置の温度プロファイルを示す。
室温から520度まで約1秒間に1.3℃の速度で昇温する。
FIG. 15 shows a temperature profile of the concentrating device mounted on the chemical sensor system.
The temperature is raised from room temperature to 520 ° C. at a rate of 1.3 ° C. per second.

図16はカンチレバー型の振動子への塗布材料はPAB、膜厚890nmの場合で、4次モードの振動約800kHzの場合にプロパノール0.5ppm,トルエン0.69ppm、キシレン0.5ppmの混合ガス10Lを濃縮、検出したときの振動数変化の応答特性を示す。
プロパノール,トルエン、キシレンに対応するピークが現れ、分析が可能であることを示す。ここで各成分に対応する周波数変化が開始されてピークに達する時間は典型的に25秒要する。よって、このピークに達したあと、数秒から10秒の間にカンチレバー型の振動子に搭載したヒータにて瞬時に温度を上げることで、感応膜に吸着したガスを脱離することができるので、MOFのように60度以上でないと脱離が十分に出来ない感応膜であっても有効に利用することが可能となる。
FIG. 16 shows that the material applied to the cantilever-type vibrator is PAB, the film thickness is 890 nm, and the mixed gas 10 L of propanol 0.5 ppm, toluene 0.69 ppm and xylene 0.5 ppm when the vibration of the fourth order mode is about 800 kHz. The response characteristics of the change in the frequency when concentration is detected.
Peaks corresponding to propanol, toluene and xylene appear, indicating that analysis is possible. Here, it takes typically 25 seconds to reach the peak when the frequency change corresponding to each component is started. Therefore, after reaching this peak, the gas adsorbed on the sensitive film can be desorbed by instantaneously raising the temperature with a heater mounted on the cantilever type vibrator within a few seconds to 10 seconds. Even a sensitive membrane that cannot be sufficiently detached unless it is 60 degrees or more, such as MOF, can be used effectively.

なお、上記実施の形態で示した構成については、あくまでも一例であり、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。   The configuration described in the above embodiment is merely an example, and the configuration described in the above embodiment may be selected or changed to another configuration as long as it does not depart from the gist of the present invention. Is possible.

10 物質検出システム
15 サンプル容器
20 ポンプ
30 吸着部
31 筒体
34 シースヒータ
40 検出センサ
41 振動子
42 感応膜
44 振動検出部
50 測定処理部
51 駆動回路
52 検出回路
53 表示部
54 制御部
90 ヒータ(加熱部)
100 振動子チップ
120 チップ・パッケージ
130 PZT板
150 冷却機構(冷却部)
151 ヒートシンク
152 冷却素子
153 放熱フィン
154 放熱ファン
155 センサ
200 接着剤
210 接着剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substance detection system 15 Sample container 20 Pump 30 Adsorption part 31 Cylindrical body 34 Sheath heater 40 Detection sensor 41 Vibrator 42 Sensitive film 44 Vibration detection part 50 Measurement processing part 51 Drive circuit 52 Detection circuit 53 Display part 54 Control part 90 Heater (heating) Part)
100 vibrator chip 120 chip package 130 PZT plate 150 cooling mechanism (cooling section)
151 Heat Sink 152 Cooling Element 153 Heat Dissipation Fin 154 Heat Dissipation Fan 155 Sensor 200 Adhesive 210 Adhesive

Claims (14)

一端部または両端部が基板に固定された梁状で、感応膜に質量を有した物質が付着または吸着することにより振動特性が変化する振動子と、
前記感応膜を冷却する冷却部と、
前記振動子の振動を検出する歪みセンサと、
前記感応膜を加熱する加熱部と、
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、
前記冷却部と加熱部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記感応膜に前記ガスに含まれる成分分子を吸着させる際に前記冷却部により前記感応膜を冷却し、前記感応膜に吸着した前記成分分子を当該感応膜から脱離させる際に前記加熱部により前記感応膜を加熱するように制御することを特徴とする検出センサ。
A vibrator whose one end or both ends are fixed to a substrate and whose vibration characteristics are changed by attaching or adsorbing a substance having mass to the sensitive film;
A cooling section for cooling the sensitive film;
A strain sensor for detecting vibration of the vibrator;
A heating section for heating the sensitive film;
A piezoelectric element that vibrates the vibrator;
An element package for applying a voltage to the piezoelectric element;
A control unit for controlling the cooling unit and the heating unit;
With
The control unit cools the sensitive film by the cooling unit when adsorbing the component molecules contained in the gas to the sensitive film, and desorbs the component molecules adsorbed on the sensitive film from the sensitive film. Further, the detection sensor is controlled to heat the sensitive film by the heating unit.
前記歪みセンサで検出される前記振動子の振動周波数を検出する検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記振動子の単位時間当たりの振動周波数の変化量が所定の閾値以下となったときに、前記加熱部により前記感応膜を加熱することを特徴とする請求項1に記載の検出センサ。
A detector for detecting a vibration frequency of the vibrator detected by the strain sensor;
The control unit heats the sensitive film by the heating unit when an amount of change in the vibration frequency per unit time of the vibrator detected by the detection unit becomes a predetermined threshold value or less. The detection sensor according to claim 1.
前記検出部は、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物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項2に記載の検出センサ。   The detection sensor according to claim 2, wherein the detection unit detects at least one of a type and a concentration of the substance obtained based on a change timing of a vibration frequency of the vibrator. 前記感応膜の種類毎の冷却特性と加熱特性を記憶する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記感応膜の種類に対応して、前記記憶部に記憶された前記感応膜の冷却特性と加熱特性に基づいて前記冷却部による前記感応膜の冷却および前記加熱部による前記感応膜の加熱を制御す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。
A storage unit for storing cooling characteristics and heating characteristics for each type of the sensitive film;
The controller controls the cooling of the sensitive film by the cooling unit and the sensitive by the heating unit based on the cooling characteristics and heating characteristics of the sensitive film stored in the storage unit corresponding to the type of the sensitive film. The detection sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein heating of the film is controlled.
前記感応膜は、多孔性金属錯体(MOF)、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)、スチレン−ブタジエンコポリマー(PSB)のいずれかであることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の検出センサ。   The sensitive film is any one of a porous metal complex (MOF), polybutadiene (PBD), polyacrylonitrile-butadiene (PAB), polyisoprene (PIP), and styrene-butadiene copolymer (PSB). The detection sensor according to any one of claims 1 to 4. 前記感応膜が多孔性金属錯体からなり、前記制御部は、前記感応膜から前記成分分子を脱離させるときには、前記ヒータにより前記感応膜が60度以上に加熱することを特徴とする請求項5に記載の検出センサ。   6. The sensitive film is made of a porous metal complex, and the controller heats the sensitive film to 60 degrees or more by the heater when desorbing the component molecules from the sensitive film. The detection sensor described in 1. 前記感応膜が多孔性金属錯体からなり、前記制御部は、検出時には、前記冷却部により。前記感応膜の温度を10〜25℃に保つことを特徴とする請求項5または6に記載の検出センサ。   The sensitive film is made of a porous metal complex, and the control unit uses the cooling unit during detection. The detection sensor according to claim 5 or 6, wherein the temperature of the sensitive film is maintained at 10 to 25 ° C. 前記歪みセンサは抵抗素子のピエゾ抵抗効果を利用したものであり、前記ヒータは、前記歪みセンサと同一の定抵抗を用いて形成された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。   8. The strain sensor according to claim 1, wherein the strain sensor uses a piezoresistive effect of a resistance element, and the heater is formed using the same constant resistance as the strain sensor. The detection sensor described in 1. 前記素子パッケージの一面側に前記圧電素子が接合され、前記振動子を有した前記基板が前記圧電素子に積層されて接合され、
前記素子パッケージの他面側に、前記冷却部が設けられていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の検出センサ。
The piezoelectric element is bonded to one surface side of the element package, and the substrate having the vibrator is laminated and bonded to the piezoelectric element,
The detection sensor according to claim 1, wherein the cooling unit is provided on the other surface side of the element package.
前記振動子を2以上備えるとともに、これら2以上の前記振動子には、互いに異なる前記材料からなる前記感応膜が設けられていることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の検出センサ。   The two or more vibrators are provided, and the two or more vibrators are provided with the sensitive film made of the materials different from each other. Detection sensor. 前記検出部は、検出時の温度を2条件以上として前記振動子の周波数変化をセンサの応答特性を検出し、前記2条件以上の前記温度における前記周波数変化の差に基づき、前記ガスの成分および濃度の少なくとも一方を推定することを特徴とする請求項10に記載の検出センサ。   The detection unit detects a response characteristic of the sensor with respect to a change in frequency of the vibrator by setting a temperature at the time of detection to two or more conditions, and based on a difference in the frequency change at the temperature of the two or more conditions, The detection sensor according to claim 10, wherein at least one of the concentrations is estimated. 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第一のヒータと、
一端部または両端部が基板に固定された梁状で、前記吸着部から脱離した前記特定物質を吸着または付着する感応膜を備え、前記感応膜に前記特定物質が吸着または付着することにより振動周波数が変化する振動子と、
前記振動子の振動を検出する歪みセンサと、
前記感応膜を冷却する冷却部と、
前記振動子に設けられ、前記感応膜を加熱するヒータと、
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、
前記ヒータおよび前記冷却部を制御し、前記感応膜に前記ガスに含まれる成分分子を吸着させるときには前記冷却部により前記感応膜を冷却し、前記感応膜に吸着した前記成分分子を当該感応膜から脱離させるときには前記ヒータにより前記感応膜を加熱する制御部と、
前記歪みセンサで検出される前記振動子の振動から当該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、
前記制御部は、前記検出部で検出する前記振動子の単位時間当たりの振動周波数の変化量が予め定めた閾値以下となったときに、前記ヒータにより前記感応膜を加熱して前記成分分子を前記感応膜から脱離させ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 first heater for desorbing the specific 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 specific substance desorbed from the adsorbing part, and vibrates due to the specific substance adsorbing or adhering to the sensitive film. A vibrator whose frequency changes;
A strain sensor for detecting vibration of the vibrator;
A cooling section for cooling the sensitive film;
A heater provided on the vibrator for heating the sensitive film;
A piezoelectric element that vibrates the vibrator;
An element package for applying a voltage to the piezoelectric element;
The heater and the cooling unit are controlled, and when the component molecules contained in the gas are adsorbed on the sensitive film, the sensitive film is cooled by the cooling unit, and the component molecules adsorbed on the sensitive film are removed from the sensitive film. A controller that heats the sensitive film by the heater when desorbing;
A change in the vibration frequency of the vibrator is detected from the vibration of the vibrator detected by the strain sensor, and the type of the specific substance obtained based on the change timing of the vibration frequency of the vibrator, and the vibration frequency A detection unit that detects at least one of the concentrations of the specific substance obtained based on the amount of change,
The control unit heats the sensitive film by the heater to change the component molecules when the change amount of the vibration frequency per unit time of the vibrator detected by the detection unit is equal to or less than a predetermined threshold. A substance detection system, wherein the substance is desorbed from the sensitive film.
前記感応膜は、多孔性金属錯体(MOF)、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)、スチレン−ブタジエンコポリマー(PSB)のいずれかであることを特徴とする請求項12に記載の物質検出システム。   The sensitive film is any one of a porous metal complex (MOF), polybutadiene (PBD), polyacrylonitrile-butadiene (PAB), polyisoprene (PIP), and styrene-butadiene copolymer (PSB). The substance detection system according to claim 12. 前記振動子は、前記吸着部から脱離した前記特定物質が前記ポンプによって送り込まれるチャンバ内に設けられていることを特徴とする請求項12または13に記載の物質検出システム。   14. The substance detection system according to claim 12, wherein the vibrator is provided in a chamber into which the specific substance desorbed from the adsorption unit is sent by the pump.
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