JP2012242279A - Detection sensor, material detection system - Google Patents
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Abstract
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1〜3参照)。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,
ここで、カンチレバー型の振動子において検知を行うにあたって、振動子を振動(駆動)させるには、SiO2(二酸化ケイ素)等のシリコン系材料で形成された振動子の表面に、各種圧電材料からなる圧電素子と金属からなる電極層とを設けている。そして、電極層から圧電素子に電圧を印加することで振動子を振動させ、共振周波数の変化をモニタリングする。 Here, when performing detection in a cantilever type vibrator, in order to vibrate (drive) the vibrator, various piezoelectric materials are used on the surface of the vibrator formed of a silicon-based material such as SiO 2 (silicon dioxide). A piezoelectric element and an electrode layer made of metal are provided. Then, the vibrator is vibrated by applying a voltage from the electrode layer to the piezoelectric element, and the change in the resonance frequency is monitored.
このようなカンチレバー型の振動子を用いたセンサにおいて、その検出感度を高めることが常に求められている。
ここで、図11(a)に示すように、カンチレバー型の振動子300は、駆動装置の設置のし易さから、固定端300a側に対して自由端300b側が、固定端300aと自由端300bとを結ぶ方向にとカンチレバーの表面(構成面)に直交する方向に変位するように変形するよう、曲げモードで発振させるのが一般的であった。しかし曲げモードでは、共振の質の高さを示すQ値が1000程度であることから、同一の位相ノイズに対して周波数の短時間標準偏差が増大し、最低検出限界が下がらない。
In a sensor using such a cantilever type vibrator, it is always required to increase its detection sensitivity.
Here, as shown in FIG. 11A, the cantilever-
一方、図11(b)に示すように、カンチレバー型の振動子300を、固定端300aと自由端300bとを結ぶ方向を中心として周方向にねじるように変形させる捻りモードで駆動することも提案されている(例えば、非特許文献1参照)。ここで、振動子300の駆動には、PZTアクチュエータが用いられ、振動子の振動周波数変化の検出は、光学的手法を用いている。
On the other hand, as shown in FIG. 11B, it is also proposed to drive the cantilever-
また、非特許文献2には、カンチレバー型の振動子を電磁駆動することで、振動子に捻りモードの振動を発生させることが開示されている。
捻りモードの振動が発生したカンチレバー型の振動子は、直方体のピエゾ抵抗素子をカンチレバーの固定端から自由端の方向に45度傾斜して配置し、これらのピエゾ抵抗素子の抵抗変化を計測することで振動が検出される。
Non-Patent
For cantilever type vibrators that generate torsional mode vibration, rectangular piezoresistive elements are placed at an angle of 45 degrees from the fixed end to the free end of the cantilever, and the resistance change of these piezoresistive elements is measured Vibration is detected.
しかしながら、上記したような、振動子を用いたセンサにおいては、さらなる高感度化が常に求められている。これには、前述したようにカンチレバー型振動子のサイズを、μm単位まで小さくすることで振動子質量を大幅に減少させ、付着質量に対する検出感度を向上させることが有効となっている。そしてその結果、検出センサの大幅な小型化が実現可能となっている。
これに対し、非特許文献1、2に記載されたように、捻りモードで振動する振動子の振動周波数変化の検出に光学的手法を用いたり、振動子の駆動に電磁駆動を用いていたのでは、駆動系、検出系が大型化し、振動子自体が小型であっても、検出センサ全体としては大型化してしまうという問題がある。
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、高感度でありながら、小型の検出センサ、物質検出システムを提供することを目的とする。
However, in the sensor using the vibrator as described above, higher sensitivity is always required. For this purpose, as described above, it is effective to greatly reduce the mass of the vibrator by reducing the size of the cantilever vibrator to the μm unit and improve the detection sensitivity with respect to the adhered mass. As a result, the detection sensor can be greatly reduced in size.
On the other hand, as described in
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a small detection sensor and substance detection system with high sensitivity.
かかる目的のもとになされた本発明の検出センサは、一端部が基板に固定された固定端とされ、他端部が自由端とされた梁状であって振動する振動子と、振動子を振動させる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、振動子の振動を検出する振動検出部と、を備え、振動検出部は、振動子の固定端近傍に、振動子の幅方向に並べて配置された一対の検出用歪みセンサと、基板上に設けられた一対の参照用歪みセンサと、を有し、検出用歪みセンサの少なくとも一つが、振動子の幅方向の端部に設けられ、振動検出部は、少なくとも振動子の捻りモードの振動を検出することを特徴とする。
このようにして、振動子を、圧電素子で振動させるとともに、少なくとも振動子の捻りモードの振動を、歪みセンサにより検出することにより、検出センサを高感度でありながら非常に小型なものとすることができる。
The detection sensor of the present invention made for such an object includes a vibrator having a beam shape in which one end is fixed to a substrate and the other end is a free end, and a vibrator A piezoelectric element that vibrates the piezoelectric element, an element package that applies a voltage to the piezoelectric element, and a vibration detection unit that detects vibration of the vibrator. A pair of strain sensors for detection arranged side by side and a pair of strain sensors for reference provided on a substrate, and at least one of the strain sensors for detection is disposed at an end in the width direction of the vibrator. The vibration detection unit is provided to detect at least vibration in a twist mode of the vibrator.
In this way, the vibrator is vibrated by the piezoelectric element, and at least the vibration of the torsional mode of the vibrator is detected by the strain sensor, so that the detection sensor is highly sensitive while being highly sensitive. Can do.
このような検出センサはいかなる用途に用いても良いが、振動子上に、ガスを吸着する感応膜をさらに備え、この振動子が、質量を有した物質の吸着により振動特性が変化することを振動検出部で検出することもできる。これにより、感応膜への物質の吸着を高精度に検出できる。 Such a detection sensor may be used for any application, but further includes a sensitive film that adsorbs a gas on the vibrator, and the vibrator changes its vibration characteristics due to adsorption of a substance having mass. It can also be detected by a vibration detector. Thereby, adsorption | suction of the substance to a sensitive film | membrane can be detected with high precision.
ここで、一対の検出用歪みセンサは、振動子の幅方向の一方の端部と他方の端部とに設けられ、振動検出部は、振動子の捩じりモードの振動を検出することができる。
また、一対の検出用歪みセンサは、振動子の幅方向の一方の端部と、振動子の幅方向中央部とに設けられ、振動検出部は、振動子の捩じりモードと曲げモードの振動を検出することもできる。
なお、検出用歪みセンサは、2個一対でもよいし、4個、8個等で対となる構成とすることもできる。
Here, the pair of strain sensors for detection are provided at one end and the other end in the width direction of the vibrator, and the vibration detector can detect the torsional mode vibration of the vibrator. it can.
The pair of strain sensors for detection are provided at one end in the width direction of the vibrator and at the center in the width direction of the vibrator, and the vibration detection section has a twist mode and a bending mode of the vibrator. Vibrations can also be detected.
Note that the detection strain sensors may be a pair of two, or may be a pair of four, eight, or the like.
さらに、振動子の基端部近傍において、当該振動子の幅方向両端部と、幅方向中間部とに少なくとも3個の検出用歪みセンサが設けられ、振動子の幅方向の一方の端部に設けられた検出用歪みセンサと、振動子の幅方向の他方の端部に設けられた検出用歪みセンサと、により一対の検出用歪みセンサを構成し、振動検出部では、振動子の捩じりモードの振動を検出し、振動子の幅方向の一方の端部に設けられた検出用歪みセンサと、振動子の幅方向中間部に設けられた検出用歪みセンサと、により一対の検出用歪みセンサを構成し、振動検出部では、振動子の曲げモードの振動を検出することができる。 Furthermore, in the vicinity of the base end of the vibrator, at least three detection strain sensors are provided at both ends in the width direction of the vibrator and in the middle in the width direction, and at one end in the width direction of the vibrator. The detection strain sensor provided and the detection strain sensor provided at the other end in the width direction of the vibrator constitute a pair of detection strain sensors. A detection strain sensor provided at one end in the width direction of the vibrator and a detection strain sensor provided in the middle part in the width direction of the vibrator. The strain sensor is configured, and the vibration detection unit can detect the vibration in the bending mode of the vibrator.
ここで、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、基板と圧電素子は、当該圧電素子の4隅または対向する2辺のみに接着剤を用いて接合されているのが好ましい。これにより、振動子を捩じりモードで効率よく駆動できる。 Here, a piezoelectric element is bonded to one surface side of the element package, and a substrate having a vibrator is laminated and bonded to the piezoelectric element, and the substrate and the piezoelectric element are only at the four corners of the piezoelectric element or two opposite sides. It is preferable to join using an adhesive. Thereby, the vibrator can be efficiently driven in the torsion mode.
感応膜は、ポリブタジエン(PBD)、ポリアクリルニトリル−ブタジエン(PAB)、ポリイソプレン(PIP)、ポリスチレン(PS)のいずれかであるのが好ましい。 The sensitive film is preferably any of polybutadiene (PBD), polyacrylonitrile-butadiene (PAB), polyisoprene (PIP), and polystyrene (PS).
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、一端部が基板に固定された固定端とされ、他端部が自由端とされた梁状で、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子と、ガスを吸着する感応膜と、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、振動子の振動を検出する振動検出部と、を備え、振動検出部は、振動子の固定端近傍に、振動子の幅方向に並べて配置された一対の検出用歪みセンサと、基板上に設けられた一対の参照用歪みセンサと、を有し、検出用歪みセンサの少なくとも一つが、振動子の幅方向中央に対し、当該振動子の幅方向の端部に設けられ、振動子の捩じりモードの振動と曲げモードの振動のうち、少なくとも捩じりモードの振動が検出可能とされていることを特徴とする物質検出システムとすることもできる。 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. A beam to be used, a suction part that adsorbs a specific substance contained in the gas introduced into the system by the pump, a fixed end fixed to the substrate at one end, and a free end at the other end A vibrator whose vibration characteristics change due to adhesion or adsorption of a substance having a mass, a sensitive film that adsorbs a gas, a piezoelectric element that vibrates the vibrator, an element package that applies a voltage to the piezoelectric element, and vibration A vibration detection unit that detects the vibration of the child, and the vibration detection unit is provided on the substrate and a pair of detection strain sensors arranged in the width direction of the vibrator in the vicinity of the fixed end of the vibrator. Pair A strain sensor for reference, and at least one of the strain sensors for detection is provided at an end portion of the vibrator in the width direction with respect to the center of the vibrator in the width direction, and vibration in a torsion mode of the vibrator Among the vibrations in the bending mode, at least the torsional mode vibration can be detected.
この場合、振動子が複数組備えられ、複数組振動子のそれぞれにおいて、捩じりモードおよび曲げモードのいずれか一方の振動モードで検出が行われるのか、予め設定されているようにするのが好ましい。
これにより、複数組の振動子において、異なる振動モードで検出を行うことが可能となる。
In this case, a plurality of vibrators are provided, and whether each of the plurality of vibrators is detected in one of the torsion mode and the bending mode is set in advance. preferable.
Thereby, it is possible to perform detection in different vibration modes in a plurality of sets of vibrators.
本発明によれば、振動子を捩じりモードで振動させて検出を行うことにより、高感度な検出が可能となる。
また、振動子を圧電素子で駆動するとともに、振動子の捩じりモードの振動を、歪みセンサで検出することにより、検出センサを非常に小型なものとすることができる。
このようにして、小型でありながら高感度な検出センサを実現することができる。
According to the present invention, highly sensitive detection is possible by performing detection by vibrating a vibrator in a torsional mode.
In addition, the detection sensor can be made very small by driving the vibrator with the piezoelectric element and detecting the torsional mode vibration of the vibrator with the strain sensor.
In this way, a small but highly sensitive detection sensor can be realized.
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
[第一の実施形態]
図1は、本実施の形態における物質検出システム10の全体構成を説明するための図である。
この図1に示す物質検出システム10は、検知対象となる特定種の分子を吸着することで、ガス自体あるいはガスに含まれる複数種の特定物質や匂い等の存在(発生)の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。
この物質検出システム10は、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.
[First embodiment]
FIG. 1 is a diagram for explaining the overall configuration of a
The
The
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(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
A sheath heater (heater) 34 is wound around the outer peripheral surface of the
図2に示すように、検出センサ40は、基端部41aが固定されて他端部41bが自由端とされた片持ち梁状のカンチレバー型で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。
As shown in FIG. 2, the
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、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
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.
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
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。
振動子41は、駆動源として、例えば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。
図2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41aが固定された固定端とされ、他端部41bがオーバーハングした自由端とされている。
Now, a driving structure of the
The
As shown in FIG. 2, the
本実施形態においては、振動子41の捩じりモードの振動を検出する。捩じりモードにおける振動子41の共振周波数が、例えば1MHz以上の高周波となると、電極間の寄生容量等の影響で検出時における取り扱いが困難となる。したがって、振動子41の捩じりモードにおける共振周波数が400kHz〜1MHzの間となるよう、振動子41を形成するのが好ましい。そこで、振動子41は、例えば幅を50〜120μm、長さを300〜420μm程度とするのが好ましい。
In the present embodiment, torsional mode vibration of the
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
チップ・パッケージ120は、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。
The
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
The
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
Further, in order to efficiently transmit the vibration generated in the
一方、チップ・パッケージ120とPZT板130は、PZT板130で発生する振動をチップ・パッケージ120で阻害しないように接合するのが好ましい。このため、接着剤200として、例えば、PZT板130と振動子チップ100とを接合する接着剤210よりも硬化後の硬度(剛性)の低い、例えばシリコーン系接着剤(シリコン樹脂系接着剤)を用いるのが好ましい。
また、PZT板130の全面をチップ・パッケージ120に接着するのではなく、図3(a)、(b)に示すように、PZT板130の一部、例えば四隅等において、接着剤200によりチップ・パッケージ120に接着する。接着剤200には、シリコーン系接着剤のような、ある程度弾性のある非導電性のものを用いるのが好ましい。なお、接着剤200が非導電性であるので、接着剤200による接着部位以外の部位、例えば中央部において、PZT板130とチップ・パッケージ120との間に銀ペーストや金属含有接着剤等の導電性材料220を介在させ、PZT板130とチップ・パッケージ120を電気的に接続する。
さらに、図3(c)に示すように、PZT板130の一端側130aを、接着剤200としての硬化後の硬度の高いエポキシ系接着剤等により接合し、PZT板130の他端側130bを、接着剤200としての硬化後の硬度の低いシリコーン系接着剤等により接合してもよい。これにより、PZT板130の一端側130aが固定端とされ、他端側130bが自由端とされた片持ち梁状となる。このようなPZT板130の支持構造によれば、図3(a)、(b)に示したように、PZT板130を例えば四隅で固定した場合に比較して、PZT板130は、振動モードに応じて、より自由に振動することが可能となる。
On the other hand, it is preferable to join the
Further, instead of bonding the entire surface of the
Further, as shown in FIG. 3 (c), one
なお、上記において、接着剤200、210の硬軟について言及したが、これは、接着剤200と接着剤210との間、あるいはPZT板130の一端側の接着剤210と他端側の接着剤210との間における相対比較上における硬軟である。したがって、上記に示した以外の種類の接着剤、あるいは他の接合手段を用いてもよいことは言うまでもない。
In the above description, the hardness of the
図4(a)に示すように、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。
本実施の形態において、振動検出部44は、4個のp型半導体ピエゾ抵抗素子からなる検出素子45A〜45Dを備えている。これら検出素子45A〜45Dのうち、検出素子(検出用歪みセンサ)45A、45Bが振動子41上に設けられ、検出素子(参照用歪みセンサ)45C、45Dが、振動子41の近傍の振動子チップ100に設けられている。そして、検出素子45A、45Bにより振動子41の振動変位を検出しつつ、検出素子45C、45Dを参照用とし、信号と検出素子45C、45Dとの差をとることで、ノイズを除去して検出が行える。
As shown in FIG. 4A, the
In the present embodiment, the
検出用の検出素子45A、45Bは、振動子41の幅方向において、一方の側と他方の側の両端部にオフセットして設けられている。ここで、検出素子45Aと、検出素子45Bは、振動子41の幅方向の中心に対し、左右対称となるように設けられている。
検出素子45A、45Bは、振動子41の幅方向中心からの位置が遠いほど、高い感度での捩じりモードの検出が行える。検出素子45A、45Bは、振動子41の幅方向中心からの距離dが、振動子41の幅寸法wに対し、
d>0.25w
となるように設置するのが好ましい。
ここで、振動子41において、捩じりモードの振動による応力は、基端部41aにおいて最大となる。したがって、検出素子45A、45Bは、振動子41の基端部41aに設けるのが好ましい。
Detection elements 45 </ b> A and 45 </ b> B for detection are provided offset at both ends on one side and the other side in the width direction of the
The
d> 0.25w
It is preferable to install so that it becomes.
Here, in the
また、検出素子45A〜45Dは、振動子41を形成するシリコン系材料の結晶方位に対し、抵抗変化の応力依存性を有する。振動子41の表面にp型不純物がドープされることで形成された、検出素子45A〜45Dを構成するp型半導体ピエゾ抵抗素子は、電流を結晶方位の<110>方向にとると振動子41のピエゾ抵抗係数が最大となり、最大の電圧変化が得られる。したがって、検出素子45A〜45Dにおける電流流れ方向と、振動子41の長手方向がともに結晶方位<110>方向と一致するよう、振動子41、および検出素子45A〜45Dを形成するのが好ましい。
The detection elements 45 </ b> A to 45 </ b> D have a stress dependency of resistance change with respect to the crystal orientation of the silicon-based material forming the
そして、これら検出素子45A〜45Dは、図4(b)、(c)に示すようなホイーストンブリッジ回路を構成するように設けられている。
このような振動検出部44においては、検出素子45A、45Cを直列に接続し、検出素子45B、45Dを直列に接続する。そして、検出素子45Aと検出素子45Cの中間電圧と、検出素子45Bと検出素子45Dの中間電圧との電位差Vを検出する。
この電位差Vは、以下のようにして表される。
V=Vs×(ΔRa−ΔRb)/R
ここで、ΔRaは検出素子45Aにおける抵抗変化、ΔRbは検出素子45Bにおける抵抗変化、Rは応力を受けないときの検出素子45A〜45Dの抵抗値、Vsはホイーストンブリッジへ印加する電圧である。
And these
In such a
This potential difference V is expressed as follows.
V = Vs × (ΔRa−ΔRb) / R
Here, ΔRa is a resistance change in the
このような回路構成により、振動子41の基端部41aにおける、振動子41の基端部41aと先端部とを結ぶ方向の軸線を中心とした周方向への回転、すなわち捻りモードの回転変位を検出することができる。このとき、ΔRaは検出素子45Aにおける抵抗変化、ΔRbは検出素子45Bにおける抵抗変化である。これらを加算すると、ΔRaとΔRbは正負が逆(発生応力が逆方向)なので、つまりは、振動子41の幅方向の一方の側の変位の絶対値と他方の側の変位の絶対値とを加算して2倍の感度で周波数変化を検出することができる。
With such a circuit configuration, the rotation of the
図1に示したように、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。
図示しない制御部の制御により、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。
As shown in FIG. 1, the
An object to be detected such as a molecule having a mass in the
The measurement result in the
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、振動子41の捩じりモードの振動を検出することによって、ノイズを抑えることができ、より高感度な検出が行える。
このとき、振動子41をチップ・パッケージ120に積層したPZT板130により圧電駆動し、振動子チップ100に形成されたp型半導体ピエゾ抵抗素子からなる検出素子45A〜45Dにより信号検出を行うので、検出センサ40を非常に小型なものとすることができる。
このようにして、小型でありながら高感度な検出センサ40を実現することができる。
In this way, the substance contained in the gas can be identified and its concentration can be measured. At this time, by detecting the torsional mode vibration of the
At this time, the
In this way, it is possible to realize a
また、複数の振動子41を備え、これら複数の振動子41における感応膜42の材質を互いに異ならせることで、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。
Further, the discriminating ability is enhanced by providing a plurality of
[第二の実施形態]
次に、本発明に係る検出センサの第二の実施形態を示す。
以下に示す第二の実施形態は、振動検出部44の構成を上記第一の実施形態と異ならせたもので、それ以外の構成は上記第一の実施形態と共通する。そこで、以下においては、上記第一の実施形態と異なる構成を中心に説明を行い、上記第一の実施形態と共通する構成については同符号を付してその説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the detection sensor according to the present invention will be described.
In the second embodiment described below, the configuration of the
図5に示すように、本実施形態の物質検出システム10においては、振動子41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が、4個のp型半導体ピエゾ抵抗素子からなる検出素子46A〜46Dを備えている。これら検出素子46A〜46Dのうち、検出素子(検出用歪みセンサ)46A、46Bが振動子41上に設けられ、検出素子(参照用歪みセンサ)46C、46Dが、振動子41の近傍の振動子チップ100に設けられている。
As shown in FIG. 5, in the
検出用の検出素子46A、46Bのうち、一方の検出素子46Aは、振動子41の幅方向において、一方の側の端部にオフセットして設けられている。他方の検出素子46Bは、振動子41の幅方向中心近傍に設けられている。
検出素子46Aは、振動子41の幅方向中心からの位置が遠いほど、高い感度での捩じりモードの検出が行える。検出素子46Aは、振動子41の幅方向中心からの距離dが、振動子41の幅寸法wに対し、
d>0.25w
となるように設置するのが好ましい。
また、検出素子46Bの位置は、振動子41の幅方向中心としてもよいが、幅方向中心から他方の側に、検出素子46Aのオフセット寸法よりも小さなオフセット寸法で設けてもよい。検出素子46Bは、より中心よりに配置され、振動子41の幅方向中心からの距離dが、振動子41の幅寸法wに対し、
d<0.25w
となるように設置するのが好ましい。
ここでも、振動子41において、捩じりモードおよび曲げモードの振動による応力は、いずれも基端部41aにおいて最大となるので、検出素子46A、46Bは、振動子41の基端部41aに設けるのが好ましい。
Of the detection elements 46 </ b> A and 46 </ b> B for detection, one detection element 46 </ b> A is offset from the end portion on one side in the width direction of the
The
d> 0.25w
It is preferable to install so that it becomes.
The position of the
d <0.25w
It is preferable to install so that it becomes.
Also in this case, in the
そして、これら検出素子46A〜46Dは、図5(b)、(c)に示すようなホイーストンブリッジ回路を構成するように設けられている。
このような振動検出部44においては、検出素子46A、46Cを直列に接続し、検出素子46D、46Bを直列に接続することで、検出素子46Aと検出素子46Cとを対角状に配置する。そして、検出素子46Aと検出素子46Cの中間電圧と、検出素子46Dと検出素子46Bの中間電圧との電位差Vを検出する。
この電位差Vは、以下のようにして表される。
V=Vs×(ΔRa+ΔRb)/R
And these
In such a
This potential difference V is expressed as follows.
V = Vs × (ΔRa + ΔRb) / R
このような回路構成により、検出素子46Bにより、振動子41の基端部41aにおける、振動子41の基端部41aと先端部とを結ぶ方向の軸線を中心とした周方向への回転、すなわち捻りモードの振動の回転変位をΔRbとして検出することができる。ねじりモードでは、振動子中央部の応力はほぼ0となり、ΔRa〜0となる。また、検出素子46Aにより、振動子41の基端部41aに対して先端部がその軸線と振動子41の表面に直交する方向に変位する、曲げモードの振動においてはほぼΔRa=ΔRbとなるため、約2倍の感度で振動変位を検出することができる。このようにして、曲げモードと捩じりモードの双方を検出することができる。
With such a circuit configuration, the
[第三の実施形態]
次に、本発明に係る検出センサの第三の実施形態を示す。
以下に示す第三の実施形態は、振動検出部44の構成を上記第一、第二の実施形態と異ならせたもので、それ以外の構成は上記第一、第二の実施形態と共通する。そこで、以下においては、上記第一、第二の実施形態と異なる構成を中心に説明を行い、上記第一、第二の実施形態と共通する構成については同符号を付してその説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the detection sensor according to the present invention will be described.
In the third embodiment described below, the configuration of the
図6に示すように、本実施形態の物質検出システム10においては、振動子41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が、4個のp型半導体ピエゾ抵抗素子からなる検出素子47A〜47Fを備えている。これら検出素子47A〜47Fのうち、検出素子(検出用歪みセンサ)47A、47B、47Cが振動子41上に設けられ、検出素子(参照用歪みセンサ)47D、47E、47Fが、振動子41の近傍の振動子チップ100に設けられている。
As shown in FIG. 6, in the
検出用の検出素子47A、47B、47Cのうち、検出素子47Aは、振動子41の幅方向において、一方の側の端部にオフセットして設けられている。検出素子47Bは、振動子41の幅方向中心近傍に設けられている。検出素子47Cは、振動子41の幅方向において、他方の側の端部にオフセットして設けられている。
検出素子47A、47Cは、振動子41の幅方向中心からの位置が遠いほど、高い感度での捩じりモードの検出が行える。検出素子47A、47Cは、振動子41の幅方向中心からの距離dが、振動子41の幅寸法wに対し、
d>0.25w
となるように設置するのが好ましい。
また、検出素子47Bの位置は、振動子41の幅方向中心としてもよいが、幅方向中心から他方の側に、検出素子47Aのオフセット寸法よりも小さなオフセット寸法で設けてもよい。検出素子47Bは、振動子41の幅方向中心からの距離dが、振動子41の幅寸法wに対し、
d<0.25w
となるように設置するのが好ましい。
ここでも、振動子41において、捩じりモードおよび曲げモードの振動による応力は、いずれも、基端部41aにおいて最大となるので、検出素子47A、47Bは、振動子41の基端部41aに設けるのが好ましい。
Of the
The
d> 0.25w
It is preferable to install so that it becomes.
The position of the
d <0.25w
It is preferable to install so that it becomes.
Also in this case, in the
そして、これら検出素子47A〜47Fは、図6(b)、(c)に示すようなホイーストンブリッジ回路を構成するように設けられている。
このような振動検出部44においては、検出素子47A、47Dを直列に接続し、検出素子47B、47Eを直列に接続し、検出素子47C、47Fを直列に接続する。
そして、振動子41の両端部の検出素子47A、47Dおよび検出素子47C、47Fにより、図6(b)に示すようなホイーストンブリッジ回路を構成し、振動子41の中央部近傍の検出素子47B、47Eおよび検出素子47C、47Fにより、図6(c)に示したのと同様のホイーストンブリッジ回路を構成するよう、検出素子47A〜47Fを、図6(a)に示すように結線する。
そして、捩じりモードの振動を検出するときには、検出素子47A、47Dの中間電圧と、検出素子47C、47Fの中間電圧を取り出す捩じりモード用差動アンプ60Aを用い、曲げモードの振動を検出するときには、検出素子47C、47Fの中間電圧と、検出素子47E、47Bの中間電圧を取り出す曲げモード用差動アンプ60Bを用いる。
捩じりモード用差動アンプ60Aと曲げモード用差動アンプ60Bの切り替えは、測定処理部50により、図示しないスイッチを切換制御することで行われる。
And these
In such a
Then, the Wheatstone bridge circuit as shown in FIG. 6B is configured by the
When detecting the torsional mode vibration, the torsional
Switching between the torsional
このような振動検出部44においては、捩じりモード用差動アンプ60Aと曲げモード用差動アンプ60Bとを切り替えることによって、振動子41の捩じりモードの振動と、曲げモードの振動とを選択的に検出することができる。
これには、予め、振動子41において、捩じりモード、曲げモードのいずれのモードで検出を行うのかを測定処理部50で設定しておき、設定したモードでの検出を行う。
検出する振動の周波数が低い場合、測定温度が低い場合、振動子41の材料が硬い場合には、曲げモードにおいても、必要十分な感度での検出が行える。一方、検出する振動の周波数が高い場合(すなわち振動子41の固有振動数が高い場合)、測定温度が高い場合、振動子41に塗布する感応膜の材料が柔らかい場合には、曲げモードによる検出よりも、捩じりモードにおける検出の方が感度が高い傾向にあると言える。
したがって、これらの条件に応じ、曲げモード、捩じりモードのいずれを用いるのかを選択することが可能となっている。
In such a
For this purpose, the
If the frequency of vibration to be detected is low, the measurement temperature is low, or the material of the
Therefore, it is possible to select which one of the bending mode and the torsion mode is used according to these conditions.
上記したような構成は、特に、複数の振動子41を備える場合、振動子41ごとに、検出するモードを事前に選択して、物質の検出を行うことができる。
In the configuration as described above, in particular, when a plurality of
[実施例]
上記したような検出センサについて、シミュレーション解析、検討実験を行ったので、その結果を以下に示す。
まず、6mm角、厚さ0.5mmのPZT板の上部の一部に、幅100μm×長さ500μm×厚さ5μmのカンチレバー型の振動子を固定し、PZT板の3隅を固定した。残った1隅に振幅Z0の強制振動を与え、2次元変位計測装置(ポリティックジャパンMSA−500)によって、振動子表面の変位状態を計測した。
その結果、図7に示すように、振動子が複雑な振動モードを持って振動しており、垂直方向に加えて他の成分の変位も現れていることが確認された。
[Example]
Simulation analysis and examination experiments were performed on the detection sensor as described above, and the results are shown below.
First, a cantilever type vibrator having a width of 100 μm × length of 500 μm × thickness of 5 μm was fixed to a part of an upper portion of a 6 mm square and 0.5 mm thick PZT plate, and three corners of the PZT plate were fixed. A forced vibration having an amplitude Z0 was applied to the remaining corner, and the displacement state of the vibrator surface was measured by a two-dimensional displacement measuring device (Policic Japan MSA-500).
As a result, as shown in FIG. 7, it was confirmed that the vibrator vibrates with a complicated vibration mode, and the displacement of other components appears in addition to the vertical direction.
幅50μm×長さ200μm×厚さ5μmのカンチレバー型の振動子の上面に、感応膜として、アセトンやアルコールに吸着特性の優れた膜厚820nm或いは1080nm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。
質量センサとして用いる振動子は、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/cm3のn型であり、幅50〜100μm、長さ200〜500μmの振動子構造をDeep Reactive Ion Etching(DRIE)を用いて形成した。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。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。
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のイオンインプラで作製され、不純物濃度1×1018/cm3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/cm3、深さ約0.3μm)をドープした。そして、厚さ500nmのパッシベーション酸化膜を介してAl−Si−Cu合金の配線を形成した。
さらに、振動子の表面に、PABを厚さ820nmに塗布して感応膜を形成した。
After forming a PAB film with a film thickness of 820 nm or 1080 nm with excellent adsorption characteristics to acetone or alcohol as a sensitive film on the upper surface of a cantilever type vibrator having a width of 50 μm × length of 200 μm × thickness of 5 μm using a dispenser Created by drying.
The vibrator used as the 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 vibrator structure having a width of 50 to 100 μm and a length of 200 to 500 μm is formed by using Deep Reactive Ion Etching (DRIE). In order to suppress air damping of the vibrator, the substrate was removed from the back surface by DRIE. The BOX layer on the back surface of the vibrator was finally removed by BHF etching.
A piezoresistive element for vibration detection was formed at the base on the front side of the vibrator, and a Cr (10 nm) / Au (100 nm) film for coating a detection film was formed on the other main body. The piezoresistor is made of B ion implanter, p-type with an impurity concentration of 1 × 10 18 / cm 3 , and has a depth of about 1 μm. In order to make ohmic contact with the metal wiring, the contact portion was doped with a high-concentration p-type impurity (1 × 10 19 / cm 3 , depth of about 0.3 μm). Then, an Al—Si—Cu alloy wiring was formed through a passivation oxide film having a thickness of 500 nm.
Further, a sensitive film was formed on the surface of the vibrator by applying PAB to a thickness of 820 nm.
このような振動子において、測定処理部50を用いて振動子を共振周波数で発振させた際の短時間周波数変化(位相ノイズ)のモード依存性を調べた。
図8(a)に示すように、約900kHzの周波数で2次の曲げモードの振動を生じさせた場合、短時間周波数変化の標準偏差は0.55Hzであった。これに対し、図8(b)に示すように、周波数1286kHzの捻りモードの振動を生じさせた場合、短時間周波数変化の標準偏差は0.09Hzであり、曲げモードに比較して約1/6に低減されており、位相ノイズによる影響が低減されていることが確認された。
In such a vibrator, the mode dependency of short-time frequency change (phase noise) when the vibrator was oscillated at the resonance frequency using the
As shown in FIG. 8A, when the vibration in the second bending mode was generated at a frequency of about 900 kHz, the standard deviation of the short-time frequency change was 0.55 Hz. On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the vibration in the torsional mode having the frequency of 1286 kHz is generated, the standard deviation of the short-time frequency change is 0.09 Hz, which is approximately 1/9 compared with the bending mode. It was confirmed that the influence of phase noise was reduced.
次に、振動子に塗布する感応膜の膜厚を異ならせたときの、システム最低検出限界濃度を比較した。システム最低限界濃度は、図中の数式のように、標準偏差の3倍を感度で割った値で定義した。ここで係数1000はppmからppbへの変換、係数50は1000cm3を本システムの濃縮装置で濃縮した場合の濃縮率である。
そこで、
感応膜膜厚:1030nm、幅50μm×長さ300μmの振動子を、(1)約400kHzの曲げモードで駆動した場合と、(2)約550kHzの捻りモードで駆動した場合との比較、
感応膜膜厚:810nm、幅50μm×長さ200μmの振動子を、(3)900kHzの曲げモードで駆動した場合と、(4)1286kHzの捻りモードで駆動した場合との比較を行った。
また、感応膜厚320nm、630nm、1060nm、1420nm、幅100×長さ500μmの振動子を、約800kHzの曲げモードを駆動した場合のシステム最低検出限界濃度を、図9中に曲線で示した。
その結果、図9に示すように、条件(1)と(2)、条件(3)と(4)の比較において、いずれの場合も、捩じりモードの方が、システム最低検出限界濃度が大幅に低いことが確認された。これにより、感応膜の膜厚が大きければ、捩じりモードを採用することにより高感度化が図れることが確認された。
Next, the system minimum detection limit concentration when the thickness of the sensitive film applied to the vibrator was varied was compared. The system minimum limit concentration was defined as a value obtained by dividing 3 times the standard deviation by the sensitivity, as in the formula in the figure. Here, the
there,
Sensitive film thickness: 1030 nm,
The film thickness of the sensitive film: 810 nm,
Further, the minimum system detection limit concentration when a bending mode of about 800 kHz is driven for a vibrator having a sensitive film thickness of 320 nm, 630 nm, 1060 nm, 1420 nm,
As a result, as shown in FIG. 9, in the comparison between the conditions (1) and (2) and the conditions (3) and (4), the torsional mode has a minimum system detection limit concentration in any case. It was confirmed to be significantly lower. As a result, it was confirmed that if the thickness of the sensitive film is large, high sensitivity can be achieved by adopting the torsion mode.
また、検出雰囲気温度を異ならせたときの、システム最低検出限界濃度を比較した。
感応膜膜厚:1030nm、幅50μm×長さ300μmの振動子を、計測温度23℃において、(5)約400kHzの曲げモードで駆動した場合と、(6)約550kHzの捻りモードで駆動した場合との比較、
感応膜膜厚:810nm、幅50μm×長さ200μmの振動子を、計測温度20℃において、(7)900kHzの曲げモードで駆動した場合と、(8)1286kHzの捻りモードで駆動した場合との比較を行った。
また、感応膜厚620nm、幅100μm×長さ500μmの振動子を、計測温度5℃、15℃、25℃において、約800kHzの曲げモードを駆動した場合のシステム最低検出限界濃度を、図10中に曲線で示した。
その結果、図10に示すように、計測温度が高いほど、捩じりモードを採用することにより高感度化が図れることが確認された。
Moreover, the system minimum detection limit density | concentration when the detection atmosphere temperature was varied was compared.
Sensitive film thickness: 1030 nm,
Sensitive film thickness: 810 nm,
FIG. 10 shows the minimum system detection limit concentration when a sensitive film thickness of 620 nm, a width of 100 μm × length of 500 μm is driven in a bending mode of about 800 kHz at measurement temperatures of 5 ° C., 15 ° C., and 25 ° C. Is shown by a curve.
As a result, as shown in FIG. 10, it was confirmed that the higher the measured temperature, the higher the sensitivity can be achieved by adopting the torsion mode.
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(ヒータ)
40 検出センサ
41 振動子
41a 基端部
41b 他端部
42 感応膜
44 振動検出部
45A〜45B、46A〜46B、47A〜47C 検出素子(検出用歪みセンサ)
45C〜45D、46C〜46D、47D〜47F 検出素子(参照用用歪みセンサ)
50 測定処理部
51 駆動回路
52 検出回路
53 表示部
60A 捻じりモード用差動アンプ
60B 曲げモード用差動アンプ
100 振動子チップ
101 基板本体
110 ベース基板
112 固定部材
120 チップ・パッケージ(素子パッケージ)
130 PZT板(圧電素子)
140 配線
200 接着剤
210 接着剤
220 導電性材料
300 振動子
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
45C-45D, 46C-46D, 47D-47F Detection element (reference strain sensor)
DESCRIPTION OF
130 PZT plate (piezoelectric element)
140
Claims (9)
前記振動子を振動させる圧電素子と、
前記圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、
前記振動子の振動を検出する振動検出部と、を備え、
前記振動検出部は、前記振動子の固定端近傍に、前記振動子の幅方向に並べて配置された一対の検出用歪みセンサと、
前記基板上に設けられた一対の参照用歪みセンサと、を有し、
前記検出用歪みセンサの少なくとも一つが、前記振動子の幅方向の端部に設けられ、
前記振動検出部は、少なくとも前記振動子の捻りモードの振動を検出することを特徴とする検出センサ。 One end is a fixed end fixed to the substrate, and the other end is a free-ended beam-like vibrator,
A piezoelectric element that vibrates the vibrator;
An element package for applying a voltage to the piezoelectric element;
A vibration detection unit for detecting vibration of the vibrator,
The vibration detection unit includes a pair of detection strain sensors arranged in the width direction of the vibrator in the vicinity of the fixed end of the vibrator;
A pair of reference strain sensors provided on the substrate,
At least one of the detection strain sensors is provided at an end in the width direction of the vibrator,
The vibration detection unit detects at least vibration in a twist mode of the vibrator.
前記振動子は、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化することを特徴とする請求項1に記載の検出センサ。 On the vibrator, further comprising a sensitive film that adsorbs gas,
2. The detection sensor according to claim 1, wherein vibration characteristics of the vibrator change due to adhesion or adsorption of a substance having mass.
前記振動子の幅方向の一方の端部に設けられた前記検出用歪みセンサと、前記振動子の幅方向の他方の端部に設けられた前記検出用歪みセンサと、により前記一対の前記検出用歪みセンサを構成し、前記振動検出部は、前記振動子の捩じりモードの振動を検出し、
前記振動子の幅方向の一方の端部に設けられた前記検出用歪みセンサと、前記振動子の幅方向中間部に設けられた前記検出用歪みセンサと、により前記一対の前記検出用歪みセンサを構成し、前記振動検出部は、前記振動子の曲げモードの振動を検出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。 In the vicinity of the base end portion of the vibrator, at least three strain sensors for detection are provided at both ends in the width direction of the vibrator and the intermediate portion in the width direction,
The pair of the detections by the detection strain sensor provided at one end in the width direction of the vibrator and the detection strain sensor provided at the other end in the width direction of the vibrator. Constituting a strain sensor, the vibration detection unit detects torsional mode vibration of the vibrator,
The detection strain sensor provided at one end in the width direction of the vibrator and the detection strain sensor provided in the intermediate portion in the width direction of the vibrator, the pair of detection strain sensors. The detection sensor according to claim 1, wherein the vibration detection unit detects vibration in a bending mode of the vibrator.
検出対象のガスをシステム内に導入するとともに、導入した前記ガスを前記システム内で搬送するためのポンプと、
前記ポンプで前記システム内に導入した前記ガスに含まれる前記特定物質を吸着する吸着部と、
前記吸着部で吸着した前記特定物質を前記吸着部から脱離させるヒータと、
一端部が基板に固定された固定端とされ、他端部が自由端とされた梁状で、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子と、
ガスを吸着する感応膜と、
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、
前記振動子の振動を検出する振動検出部と、を備え、
前記振動検出部は、前記振動子の固定端近傍に、前記振動子の幅方向に並べて配置された一対の検出用歪みセンサと、
前記基板上に設けられた一対の参照用歪みセンサと、を有し、
前記検出用歪みセンサの少なくとも一つが、前記振動子の幅方向中央に対し、当該振動子の幅方向の端部に設けられ、前記振動子の捩じりモードの振動と曲げモードの振動のうち、少なくとも捩じりモードの振動が検出可能とさ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 vibrator whose one end is a fixed end fixed to a substrate and whose other end is a free end, and whose vibration characteristics change due to the attachment or adsorption of a substance having a mass;
A sensitive membrane that adsorbs gas,
A piezoelectric element that vibrates the vibrator;
An element package for applying a voltage to the piezoelectric element;
A vibration detection unit for detecting vibration of the vibrator,
The vibration detection unit includes a pair of detection strain sensors arranged in the width direction of the vibrator in the vicinity of the fixed end of the vibrator;
A pair of reference strain sensors provided on the substrate,
At least one of the detection strain sensors is provided at an end portion in the width direction of the vibrator with respect to the center in the width direction of the vibrator, and the torsion mode vibration and bending mode vibration of the vibrator A substance detection system characterized in that at least torsional mode vibration can be detected.
複数組前記振動子のそれぞれにおいて、捩じりモードおよび曲げモードのいずれか一方の振動モードで検出が行われるのか、予め設定されていることを特徴とする請求項8に記載の物質検出システム。 A plurality of the vibrators are provided,
9. The substance detection system according to claim 8, wherein in each of the plurality of sets of vibrators, it is preset whether the detection is performed in one of the torsion mode and the bending mode.
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