JP5470536B2 - 検出センサ、物質検出システム - Google Patents

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。

従来より、空気中を漂う各種物質や匂いの存在、あるいはその定量的な濃度を検出するためのセンサが存在した。このセンサでは、ガスに含まれる特定種の分子を吸着し、その吸着の有無、あるいは吸着量を検出することで、特定物質等の存在の有無、あるいはその濃度を検出している。

空気中を漂う分子をその微小な分子質量によって検出するセンサ素子は、これらの分子を含む気体中で振動子を振動させ、分子が振動子表面に付着または吸着された際の振動子の質量変化を振動子の共振周波数変化として検出する。質量検出を行う振動子として、片持ち梁の横振動を利用するカンチレバー型の振動子が存在する（例えば、特許文献１参照）。このようなカンチレバー型の振動子は、シリコン薄膜等を写真技術（フォトリソグラフィ）で精密に加工するＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical Systems）と呼ばれる技術を用いることで、μｍ（マイクロメートル）単位の領域で作製することが可能となってきた。振動子のサイズを小さくすることで振動子質量が大幅に減少し、付着質量に対する検出感度が向上する。

微小質量の付着によって振動特性が変化する振動子を用いたセンサにおいては、さらなる高感度化が常に求められている。ここでカンチレバー型の振動子の表面には、振動子を駆動させるために強誘電体薄膜からなる駆動素子や電極層が設けられている。これら駆動素子や電極層はそれ自体が減衰を有し、カンチレバー型の振動子の振動エネルギーにロスが生じる。その結果、カンチレバー型の振動子のＱ値の低下を招き、センサとしての検出感度の低下に繋がる。この駆動素子や電極層による感度低下の影響は、振動子のサイズが小さくなればなるほど相対的に多くなる。

そこで、振動子を駆動素子上に積層することで、振動子の表面に駆動素子や電極層を設けないようにする構成がある（例えば、非特許文献１参照。）。このような構成においては、カンチレバー型の振動子と、Ｐｂ（鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタニウム）を含む強誘電体材料からなり、振動子を振動させるための駆動素子であるＰＺＴ板とが積層されている。

特開２００９−１３３７７２号公報

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

しかしながらこのような構成においては、プレート状のＰＺＴ板は、その表面が一様に振動するわけではなく、表面の位置によって振動の状態（振幅および位相）が異なる。このためＰＺＴ板上の振動子の位置により、振動子の振動状態が変わってしまうという問題がある。したがって、複数個の検出センサを製作した場合、ＰＺＴ板上の振動子の取付位置により、検出センサ間で検出感度にばらつきが生じることになる。
さらに、同じ振動子であっても、その表面に形成されて分子を付着または吸着する感応膜の材料によって、振動子の振動状態が変わる。

したがって、同じ駆動信号によって振動子を駆動させたとしても、複数の振動子間において振動状態が異なる。

また、このようなＰＺＴ板上に積層された振動子は、フィードバック発振回路を使用した自励振動により駆動させる。このため、ＰＺＴ板の駆動（振動）により振動子に振動を励起させるには、フィードバック発振回路のゲイン、位相、フィルタ周波数を最適に調整しなければならない。しかし、前述したように、複数の振動子間におけるバラつきがあるため、個々の振動子に合わせてゲイン、位相、フィルタ周波数を最適に調整するのは、トライアンドエラーで行わなければならず、非常に手間のかかるものとなっていた。またこのように、ゲイン、位相、周波数が互いに異なる複数の振動子を同時に動作させることができない場合、あるいは最適に調整が行えないままに無理やりに動作させた場合は、大きな位相ノイズ（大きな短時間周波数変動）や時間的な周波数変動を引き起こした。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、振動子を最適条件で振動させてその検出感度を安定させることのできる検出センサ等を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、振動子と、振動子に振動を加えることで当該振動子を発振させる駆動素子と、駆動素子に駆動信号を入力する駆動回路と、振動子の振動に応じた出力信号を出力する信号出力部と、振動子ごとに設定された駆動回路のパラメータのプリセット値を記憶するメモリと、を備えた検出センサであって、駆動回路は、当該駆動回路のパラメータを、メモリに記憶されたプリセット値に応じて調整するパラメータ調整部と、パラメータが調整された駆動回路で前記出力信号の波形を加工し駆動信号を生成する波形調整部と、を備えることを特徴とする。
このように、振動子ごとにメモリに記憶された駆動回路のパラメータのプリセット値を用いて駆動回路のパラメータを調整し、これによって生成された駆動信号により駆動素子を駆動することで、振動子の材質、寸法、振動子の表面に形成された感応膜の種類、振動子を振動させるときの振動モード、振動子に対する駆動素子の位置等に関わらず、振動子を最適な条件で振動させることができる。

ここで、振動子を複数備えることもできる。その場合、メモリは、それぞれの振動子に応じたプリセット値を記憶し、パラメータ調整部は、それぞれの振動子に対応したプリセット値をメモリから読み出して、駆動回路のパラメータを調整する。
また、複数の振動子のうちの一つを選択的に駆動回路に接続する切替部をさらに備え、パラメータ調整部は、切替部により選択されて接続された振動子に対応したプリセット値をメモリから読み出して、駆動回路のパラメータを調整することもできる。

調整する駆動回路のパラメータとしては、いかなるものがあっても良いが、駆動回路を構成する位相シフト回路の位相シフト量、バンドパス型周波数フィルタの周波数範囲、増幅器のゲインの少なくとも一つを含むのが好ましい。

本発明は、検出対象のガスに含まれる物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出し、システム内に導入したガスに含まれる物質を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した物質を吸着部から脱離させるヒータと、一端部または両端部が基板に固定された梁状で、吸着部から脱離した物質を吸着または付着する感応膜を備え、感応膜に物質が吸着または付着することにより振動周波数が変化する振動子と、振動子に振動を加えることで当該振動子に振動を励起させる駆動素子と、駆動素子に駆動信号を印加する駆動回路と、振動子の振動に応じた出力信号を出力する信号出力部と、振動子ごとに設定された駆動回路のパラメータのプリセット値を記憶するメモリと、信号出力部から出力される出力信号に基づいて振動子の振動周波数の変化を検出する検出部と、を備えた物質検出システムであって、駆動回路は、当該駆動回路のパラメータを、メモリに記憶されたプリセット値に応じて調整するパラメータ調整部と、パラメータが調整された駆動回路で出力信号の波形を加工し駆動信号を生成する波形調整部と、を備え、当該波形調整部で生成された駆動信号を駆動素子に印加することを特徴とすることもできる。

ここで、感応膜は、いかなる材料で形成しても良いが、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、のいずれかとするのが好ましい。

また、振動子は、一つのシリコンチップに複数が形成される。シリコンチップは、駆動素子の上に積層され、メモリは、それぞれの振動子に応じたプリセット値を記憶し、パラメータ調整部は、それぞれの振動子に対応したプリセット値をメモリから読み出して、駆動回路のパラメータを調整する。

また、システム内に導入するとともに、導入したガスを圧縮して吸着部に送り込む圧縮部或いは吸引して吸着部に導入する吸引部をさらに備えることもできる。

本発明によれば、振動子ごとに設定されたプリセット値によりパラメータが調整された駆動回路によって駆動信号によって駆動素子を駆動することで、振動子の材質、寸法、振動子の表面に形成された感応膜の種類、振動子を振動させるときの振動モード、振動子のＰＺＴ板上の位置等に関わらず、振動子を最適な条件で振動させることができる。これにより、検出感度を安定させることができる。

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。 吸着部を示す断面図である。 センサ部を構成する振動子、ＰＺＴ板の積層構造を示す斜視図である。 第一の実施形態における振動子の駆動回路の構成を示す図である。 第二の実施形態における振動子の駆動回路の構成を示す図である。 マルチプレクサで駆動する振動子を切り替えるときの出力電圧変動の例を示す図である。 プリセット値による調整を行わない場合における、複数の振動子の周波数変化を示す図である。 図７に示した各振動子における出力電圧変動を示す図である。 プリセット値による調整を行った場合における、複数の振動子の周波数変化を示す図である。 プリセット値による調整を行わない場合における、ＶＯＣガスを吸着したときの周波数変化を示す図である。 プリセット値による調整を行った場合における、ＶＯＣガスを吸着したときの周波数変化を示す図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施形態］
図１は、本実施の形態における物質検出システム１０の全体構成を説明するための図である。
この図１に示す物質検出システム１０は、検知対象となる特定種の分子を吸着することで、ガス自体あるいはガスに含まれる複数種の特定物質や匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。
この物質検出システム１０は、検知対象のガスを吸い込むとともに、システム内でガスの流れを生じさせるポンプ（圧縮部）２０と、ポンプ２０で吸い込んだガスを吸着する吸着部３０と、吸着部３０で吸着したガス中から、ガス成分中に含まれる特定種の分子を吸着し、その分子の吸着に応じた検出信号を出力するセンサ部４０と、センサ部４０を駆動するとともに、センサ部４０における検出信号に基づき、特定種の分子の有無またはその量を測定する測定制御部５０と、を備えている。

ポンプ２０は、例えば電動であり、印加電圧・電流を制御することで、その吸入・吐出量を調整できる。図示しない吸い込みノズルから周囲雰囲気ガス、あるいは吸い込みノズルに接続されたサンプル容器１５内のガスを吸い込み、吐出口から吐出する。また、ポンプ２０の吸い込みノズルには、開閉バルブ等を設け、ポンプ２０内へのガスの吸い込みを遮断できるようにするのが好ましい。なお、ポンプ２０は、吸着部３０の下流側に設けても良い。

吸着部３０は、ポンプ２０の吐出口に、ガス搬送管６０によって接続されている。
図２に示すように、吸着部３０は、例えばステンレス製の円筒状の筒体３１の内部に、吸着体として、例えばカーボンファイバーが充填されている。吸着体としては、もちろんこれ以外のものを適宜用いることができる。
ポンプ２０から吐出されたガスは筒体３１内に送り込まれ、吸着体と接触することで吸着体にガス中の成分分子が低い選択性で物理吸着により吸着される。ここで、筒体３１の管径が小さすぎると、ガスの流路抵抗が大きくなり、管径が大きすぎても筒体３１内におけるガスの拡散に時間差が生じガス分離能の低下につながる。また、検出精度を高めるには、筒体３１の体積やセンサ部４０のチャンバ４５の体積で決定される最適なガス流量を採用するとともに、吸着体であるカーボンファイバーの比表面積を高めて、単位時間あたりの分子吸着量を高めるのが好ましい。
吸着部３０においては、ポンプ２０を所定時間作動させ、その作動中に送り込まれたガス中の分子を吸着体で吸着する。ポンプ２０の作動時間、すなわち吸着部３０における吸着時間の長さにより、ガスのサンプリング量を決定することができる。ここでポンプ２０は、サンプル容器１５が大きくない場合は、サンプル容器１５を薄いプラスチックで作成されたサンプルバッグとすることが出来、サンプルバッグに圧力を掛けて気体試料を吸着部３０に導入することが出来るので省略が可能となる。

筒体３１の外周面には、シースヒータ（ヒータ）３４が巻きつけられている。シースヒータ３４は、図示しない熱伝導セメントにより筒体３１に固定され、その外周側が、断熱材３３により熱絶縁され、さらに空気層を介してケース３６に収容されている。また、シースヒータ３４の近傍には、温度計３５を設ける。
このシースヒータ３４に電圧が印加されることで、吸着体に吸着された成分分子が脱離し、ポンプ２０によって生じる流れによって成分分子はセンサ部４０へと搬送される。

図１に示したように、センサ部４０は、ガス搬送管６０により吸着部３０と接続されている。センサ部４０は、機械的振動を生じる振動子４１と、振動子４１の表面に形成され、吸着部３０で脱離した分子を吸着する感応膜４２と、を備える。センサ部４０は、所定の容積（例えば０．１〜０．５ｃｃ）を有したチャンバ４５内に設けられている。

図３に示すように、振動子４１は、シリコン系材料からなるシリコンチップ７０に形成されている。振動子４１は、シリコンチップ７０を、フォトリソグラフィ法等によりパターン形成し、エッチング等により不要部分を除去することで形成され、基板本体７１に一端４１ａが固定された固定端とされ、他端４１ｂがオーバーハングした自由端とされた片持ち梁状のカンチレバー型とされている。このような振動子４１は、例えば、幅２０〜４００μｍ、長さ１００〜１０００μｍ、厚さ２〜１０μｍとされる。

このようなシリコンチップ７０は、ＰＺＴ板（駆動素子）７５上に設けられている。ＰＺＴ板７５は、圧電材料であるＰＺＴ材料からなる板状体で、その両面に電極層が設けられている。測定制御部５０の駆動回路５１から出力される駆動信号（交流電圧）が電極層に印加されると、その電圧に応じた所定の周波数で振動を発生する。ＰＺＴ板７５は、０．１ｍｍから１ｍｍ程度の板状が好ましい。また印加電圧を低くするためにＰＺＴ板７５は積層化しても良い。積層化においては一層あたりのＰＺＴ材料は薄膜化する必要があって、例えば一層当たり１００〜数百ｎｍの薄膜を複数層積層することで、単層の上記の厚さと同様なものを実現することができる。
このような材料としては、例えば、Ｐｂペロブスカイト二成分・三成分系強誘電体セラミックス、非鉛系ペロブスカイト構造強誘電体セラミックス、ＢａＴｉＯ_３セラミックス、ＫＮｂＯ_３−ＮａＮｂＯ_３系強誘電体セラミックス、（Ｂｉ_４２Ｎａ_４２）ＴｉＯ_３系強誘電体セラミックス、タングステン・ブロンズ型強誘電体セラミックス、（Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘ）_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５［ＢＳＮＮ］、ＢａＮａ_１−ｘＢｉ_ｘ／３Ｎｂ_５Ｏ_１５［ＢＮＢＮ］、ビスマス層状構造強誘電体と粒子配向型強誘電体セラミックス、ビスマス層状構造強誘電体（ＢＬＳＦ）等を用いることができる。
また、ＰＺＴ材料以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）や、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等をＰＺＴ板７５に用いても良い。

感応膜４２は、有機系材料や、無機系材料で形成することができる。本実施の形態においては、感応膜４２として、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、ポリイソプレン（ＰＩＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）等を用いることができる。この他、感応膜４２として採用できる材料としては、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体などの金属錯体、ポリチオフェン、ポリアニリンなどの導電性高分子、酸化チタン多孔質膜などの無機材料がある。ＰＡＢは、オクタン、プロパノール等のＶＯＣに選択性を有する。ＰＢＤやＰＩＰはトルエンに選択性を有し、ＰＳはｎプロパノールやエタノールに高い選択性を有する。また、ＰＳは応答時間が遅い。これらの選択性の違いに基づき、複数種の感応膜を組み合わせることで、物質の選択精度を高めることができる。
感応膜４２は、滴下法、スピンコート法等、適宜の手法で振動子４１の表面に形成すればよい。

振動検出素子４３は、ピエゾ抵抗層からなり、振動子４１の固定端側の一端４１ａ上に設けられている。この振動検出素子４３は自身の振動状態（振動変位）に比例した出力信号を出力する。

図１に示した物質検出システム１０においては、測定制御部５０によりその作動が制御され、以下のような動作が行われる。
すなわち、まず、予め定めた一定時間の間、ポンプ２０でガスを吸い込み、ガスに含まれる分子を吸着部３０で吸着する。前記の一定時間の経過後、ポンプ２０を作動させたまま、ポンプ２０からのガスの吸い込みを中止する。
次いで、予め設定した流量でポンプ２０から空気、あるいは別に用意した不活性ガスを流し、シースヒータ３４に通電して吸着部３０を加熱し、吸着部３０で吸着した成分分子を分離させる。すると、分離した成分分子は、ガス搬送管６０によりセンサ部４０に搬送され、振動子４１の感応膜４２に吸着される。

センサ部４０の振動子４１は、測定制御部５０の駆動回路５１の制御により所定周波数で自励発振させた状態とされている。この振動子４１に、感応膜４２に質量を有した分子等の検出対象物が付着すると、振動子４１の共振周波数が変化する。測定制御部５０の検出回路（検出部）５２は、振動検出素子４３から出力される出力信号を受け、その出力信号の変化（振動周波数変化）を検出する。測定制御部５０には、感応膜４２を備えた振動子４１のそれぞれにおいて、予め測定された、成分分子の種類、量（濃度）に応じた、振動周波数変化量、変化応答タイミング等のデータが記憶されている。測定制御部５０では、検出された振動子４１の振動周波数変化と、予め記憶されたデータを比較することで、感応膜４２に吸着された成分分子の種類、量（濃度）を測定（特定）する。
測定制御部５０における測定結果は、表示部５３において、ランプ、ブザー等のＯＮ／ＯＦＦ、測定値、測定レベルの表示、検出物質名称・濃度（量）の表示等によって出力できるようにするのが好ましい。

さて、駆動回路５１について詳述する。
図４に示すように、駆動回路５１は、振動子４１側のセンサ側回路５１Ａと、振動検出素子４３からの出力信号から制御・駆動信号を生成する制御回路５１Ｂとを有している。

振動子４１側のセンサ側回路５１Ａは、振動検出素子４３から出力される出力信号を増幅するアンプ１００と、アンプ１００のゲインを調整するゲイン可変器（波形調整部）１０２とを備えている。

制御回路５１Ｂはマイコン、パーソナルコンピュータ装置等からなる処理部１０１と、信号を増幅するアンプ１０６、低周波信号をフィルタリングするハイパスフィルタ１０７、自動ゲインコントローラ１０８、位相シフタ１０３およびその抵抗可変器（波形調整部）１０３Ｃ、バンドパスフィルタ１０４およびそのゲイン可変器（波形調整部）１０４Ｃを備えている。

位相シフタ１０３は、通過する出力信号の位相をシフトさせる。その位相シフト量は、抵抗可変器１０３Ｃにより設定される。
バンドパスフィルタ１０４は、振動子４１における振動の次数を選択するために、特定の周波数域の信号のみを通過させる。バンドパスフィルタ１０４で通過させる周波数域は、ゲイン可変器１０４Ｃによりその中心周波数が設定される。なお、本実施形態では、バンドパスフィルタ１０４は２段を直列に設けている。

また、処理部１０１と、ゲイン可変器１０２、抵抗可変器１０３Ｃ、ゲイン可変器１０４Ｃとの間には、ＡＤ／ＤＡコンバータ１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃがそれぞれ設けられている。

処理部（パラメータ調整部）１０１は、予め定められたプログラムに基づいた所定の処理を実行する。処理部１０１には、不揮発性の記憶領域であるメモリ１０１ｍが備えられている。メモリ１０１ｍには、物質検出システム１０で用いる振動子４１について、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のプリセット値が駆動回路のパラメータとして記憶されている。
処理部１０１では、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数、の少なくともひとつをプリセットして振動子４１を発振させる。

ここで、メモリ１０１ｍに記憶されるアンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のそれぞれプリセット値は、以下のような作業により、事前に求めることができる。
まず、振動子４１の共振周波数に基づき、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数を仮設定する。そして位相シフタ１０３の位相シフト量を仮設定する。そして振動子４１を発振させてその出力をオシロスコープで観測する。そしてオシロスコープで観測される振動子４１の出力波形が最大値になるように、位相シフト量を設定する。

その後、更に振動子４１を振動させ、今度はバンドパスフィルタ１０４の中心周波数を調整して、ＰＺＴ板７５への印加電圧が最大になるようにする。そして再び、振動子４１を振動させ、その出力信号にピークが存在するか（すなわち最大値を取っているか）否かを判定する。出力信号にピークが存在しない（すなわち最大値ではない）場合、ピークが出現するまで、上記の調整処理を繰り返す。
一方、出力信号にピークが存在した場合、次にアンプ１００のゲインを調整する。そして、アンプ１００のゲインを調整することで出力信号のピークが予め定めた範囲内となるようにする。

これら一連の調整を繰り返すことで、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数、の最適値を設定する。そしてこの最適値を、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のプリセット値として処理部１０１のメモリ１０１ｍに入力し記憶させる。

このようにして事前に処理部１０１のメモリ１０１ｍに記憶されたプリセット値は、物質検出システム１０の起動時に、処理部１０１の処理により、自動的にメモリ１０１ｍから読み出される。そして、読み出されたプリセット値は、アンプ１００のゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３の抵抗可変器１０３Ｃ、バンドパスフィルタ１０４のゲイン可変器１０４Ｃに対して自動的に設定される。このとき、メモリ１０１ｍから読み出されたプリセット値は、ＡＤ／ＤＡコンバータ１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃにおいてデジタル値からアナログ量に変換され、ゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３、バンドパスフィルタ１０４に入力される。

これらプリセット値の設定後、制御回路５１Ｂから駆動信号をＰＺＴ板７５に出力して振動子４１を発振させ、振動子４１における分子の検出処理を開始する。
まず、制御回路５１Ｂから出力された駆動信号をＰＺＴ板７５に印加する。この駆動信号は、ＰＺＴ板７５を駆動できるよう、予め設定されたデフォルトの信号である。すると、ＰＺＴ板７５が駆動されて変位（振動）を生じ、これに応じて振動子４１が振動する。すると、振動子４１に設けられた振動検出素子４３のピエゾ抵抗効果により、振動検出素子４３から出力信号が出力される。この出力信号は、アンプ１００により増幅され、制御回路５１Ｂに出力される。

制御回路５１Ｂでは、センサ側回路５１Ａから受け取った出力信号を、アンプ１０６でさらに増幅し、位相シフタ１０３でその位相シフト量をプリセット値に応じてシフトする。出力信号は、さらに、バンドパスフィルタ１０４でその中心周波数がプリセット値に応じてシフトされ、出力アンプ１０９を経て再びＰＺＴ板７５に駆動信号として送られる。これにより、駆動信号が、振動子４１に応じた最適な信号に調整され、振動子４１が効率良く自励発振する。
なお、このとき、ゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３、バンドパスフィルタ１０４を経て調整された駆動信号は、周波数カウンタ１１０により周波数が測定され、そのパラメータが処理部１０１に転送される。処理部１０１では、転送された駆動信号のパラメータをメモリ１０１ｍに記憶させる。

ここで、駆動素子に駆動信号を与える駆動回路はフィードバック回路となっており、振動子の信号出力部から出力される振動状態を示す信号を加工して作られる。振動状態を示す信号は必要な大きさまで増幅され、発振条件を満たす位相に位相シフトされることで、発振が可能となる。この増幅回路のゲイン、位相シフト回路の位相シフト量が適切に設定されなければならない。また、複数ある振動モードから選択的に特定の振動を駆動するため、フィードバック回路にはバンドパス型周波数フィルタが必要である。この周波数範囲も適切に設定されなければならない。
これらの設定値が適切でない場合、振動子は希望しない振動モードで発振したり、安定に発振する共振周波数帯の中央でない周波数で発振したりするため、発振が不安定になったり、温度変化に対して異常なふるまいを示すことになる。その結果、周波数ドリフトが大きくなったり、検出感度が安定しなくなる。

これに対し、上述したような構成によれば、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数を、振動子４１に応じて設定されたプリセット値に調整することによって、振動子４１を最適な条件で駆動することができる。その結果、振動子４１を良好に自励発振させることができる。これにより、感応膜４２に分子が付着または吸着された時の質量変化に応じた振動子４１の振動周波数変化の感度を最適状態とすることができ、検出感度を高く維持できる。
また、同じ振動子４１を用いる複数の物質検出システム１０間において、それぞれの振動子４１に応じたプリセット値を用いることで、複数の振物質検出システム１０間でばらつきが生じるのを抑え、検出性能の安定化を図ることができる。

［第２の実施形態］
次に本発明にかかる第２の実施形態について説明する。
なお、以下の説明において上記第１の実施形態との相違点は振動子４１を複数個備えることにある。それに関わる以外の構成は上記第１の実施形態で示した構成と共通する。従って、以下の説明においては、上記第１実施形態との相違点を中心に説明を行い、上記第１の実施形態と共通する構成については同一符号を付してその説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態においてセンサ部４０には複数個の振動子４１が設けられている。これら複数個の振動子４１は、一つのシリコンチップ７０に形成されて、ＰＺＴ板７５上に設けられている。

各振動子４１は、振動検出素子４３、アンプ１００をそれぞれ備えている。
これら複数個の複数の振動子４１はアンプ１００の出力側がマルチプレクサ（切替部）９０に接続されている。一方、制御回路５１Ｂはこれら複数個の振動子４１に対し１組のみが設けられている。そしてマルチプレクサ９０はこの制御回路５１Ｂ側のアンプ１０６に接続されている。

制御回路５１Ｂは前記のマルチプレクサ９０を介して複数個の振動子４１に接続されている。マルチプレクサ９０は複数の振動子４１のうち、いずれか一つに接続されるよう切り替え可能となっている。

処理部１０１のメモリ１０１ｍには、各振動子４１に応じた、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数のプリセット値がそれぞれ記憶されている。

制御回路５１Ｂは、処理部１０１における処理を実行することで、マルチプレクサ９０の切り替えにより接続された１つの振動子４１に対し、上記第１の実施形態と同様の制御を行い、接続された振動子４１に応じたプリセット値をプリセットする。そしてマルチプレクサ９０で接続する振動子４１を順次切り替えていくことで複数個の振動子４１を順次発振させていく。

マルチプレクサ９０を順次切り替えていく毎に、マルチプレクサ９０で接続される振動子４１に対応したプリセット値を、処理部１０１がメモリ１０１ｍから読み出し、これをアンプ１００のゲイン可変器１０２、位相シフタ１０３の抵抗可変器１０３Ｃ、バンドパスフィルタ１０４のゲイン可変器１０４Ｃにそれぞれ設定する。
なお、マルチプレクサ９０の切り替えは処理部１０１の制御により行われる。また、図６に示すように、マルチプレクサ９０で接続する振動子４１を順次切り替えていくと、信号が安定するまでの微小なディレイ時間が存在する。そこで処理部１０１では、このディレイ時間の間に、プリセット値のプリセットを行うようにするのが好ましい。

ここで、複数の振動子４１を備えた場合、複数の振動子４１を１つのＰＺＴ板７５上に設けると、当然のことながらＰＺＴ板７５に対する振動子４１の取り付け位置が互いに異なる。ＰＺＴ板７５は一様に振動するわけではなくＰＺＴ板７５上の位置によってその振動変位が異なる。この場合にも事前にそれぞれの振動子４１においてＰＺＴ板７５に取り付けられた状態で調整して最適なプリセット値を設定しておく。

このような複数の振動子４１を備える構成においては、マルチプレクサ９０で制御回路５１Ｂに接続する振動子４１を順次切り替えていくことで、振動子４１のサイズ、材質、振動子４１を発振させる駆動信号の振動モード、振動子４１の材料、振動子４１上に形成される感応膜４２の材料、感応膜４２の膜厚等が、互いに異なる場合にあっても、それぞれの振動子４１に最適な条件で発振させることができる。これにより各振動子４１における感度が最大となる。

また複数の振動子４１がある場合においても制御回路５１Ｂは１つで済むので、装置のコンパクト化でコスト化を図ることができる。

さて、これら複数組の振動子４１間においては、例えば、感応膜４２の種類を互いに異ならせることができる。成分分子に対する感度（成分分子の吸着・捕捉度合い）が互いに異なる複数種の感応膜４２を用い、それぞれ感応膜４２を備えた振動子４１の振動変化を測定制御部５０の検出回路５２で処理することで、捕捉した成分分子の種類を特定することができる。このようにして、様々な種類の成分分子に対し、分析・識別機能を向上させることができる。

このようにして、ガス中に含まれる物質の特定、及びその濃度を測定することができる。このとき、感応膜４２の材質を異ならせることで、その識別能は高まる。また、シースヒータ３４の加熱により吸着体から物質を脱離させたときの脱離タイミングをセンサ部４０、測定制御部５０の検出回路５２で検出することで、物質の種類の識別能が高まる。
また、ポンプ２０においてガスを圧縮して送り込むことで、微小なガス量でも高感度な検出が可能となり、物質検出システム１０を、小型ながら、従来にない高感度な検出性能を備えるものとすることができる。このような物質検出システム１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等の微細加工技術により製造する振動子４１を除けば、簡易に製造することが可能であり、これによって低コスト化が可能となる。

ここで、上記したように駆動信号をプリセット値により調整することの効果を確認したので、その結果を以下に示す。
まず、プリセット値を用いずに振動子４１を駆動した場合について検証した。
振動子４１は、厚さ５μｍのＳＯＩ層を持つＳＯＩ基板から製作した。ＳＯＩ層をフォトリソグラフィ技術によって振動子４１の形状にエッチングし、微細な振動子構造を製作した。振動子４１の下部にあたるシリコンチップ７０の層は裏面からエッチングすることでキャビティを形成し、振動子４１が空気中で自由に振動できるようにした。
振動子４１の振動による変形を検出するために、振動子４１の根元に振動検出素子４３としてピエゾ抵抗素子を配置した。ピエゾ抵抗素子はシリコンチップ７０の表面に不純物をドーピングすることによって作製した。ピエゾ抵抗素子には、シリコンチップ７０の表面に成膜した金属薄膜をパターニングすることにより電気的配線を接続した。ピエゾ抵抗素子は振動子４１の変形による根元の応力を感じ、その抵抗値が変化するので、これを計測することで振動子４１の振動を検出した。
また、各振動子４１上には感応膜４２を塗布するために、Ａｕ薄膜の塗布用下地膜を形成した。

このような、振動子４１は、幅１００μｍ×長さ５００μｍとしたものを４本用意した。

このような振動子４１を有するシリコンチップ７０は、ＰＺＴ板７５上に接着した。
振動子４１に設けたＰＺＴ板７５への印加電圧は１Ｖ、それぞれを３次の振動モードで発振させた。マルチプレクサ９０を切り替えた時に計測を開始するまでのディレイ時間は１００ｍｓ、計測時間は８００ｍｓとした。

その結果を図７、図８に示す。
図７に示すように４本の振動子４１（Ｃｈ１〜Ｃｈ４）は、振動子４１の大きさと振動モードは共通でありながら、温度変化による振動周波数変化量を主要因とする時間変化量は４本の振動子４１間で大きく異なった。複数の振動子４１のうち、最も振動する変化の少ないものはその変化量が１０Ｈｚ以内と安定しているが、他の振動子４１（Ｃｈ４）では最大１００Ｈｚの振動子４１変動が観察された。
また、図８に示すように、これら複数の振動子４１においては出力電圧が大きく違い、また、その出力信号の位相もわずかにずれていた。この位相のずれのために各振動子４１での発振動作条件が変わってしまい、周波数変化などに影響が出ていると考えられる。なお、図８の素子毎による位相差（チャネルによる差）は小さいが、実際に測定した多くのチップでは、同一チップに搭載した素子毎（チャネルによる差）位相は−１８０度から＋１８０度まで大きくばらついていた。そのため、４つの振動子４１を個別の位相調整なしに同時に発振させることは出来なかった。図７、図８は比較的４つの素子特性が揃っていて、良好であり、４つの振動子４１の位相が比較的良く揃っていて、同時に発振可能な希なケースである。

次に、上記のようにプリセット値により駆動信号の調整を行った場合について検証を行った。
ここで振動子４１は３本を設けた。これら３本の振動子４１を１つのＰＺＴ板７５上に形成した。

３本の振動子４１は以下のような構成となっている。
（Ｃｈ１１）幅５０μｍ×長さ２００μｍ、共振周波数は９２５ｋＨｚとし、３次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ１２）振動子４１は幅５０μｍ×長さ１００μｍとし、共振周波数は５２７ｋＨｚとし、２次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ１３）振動子４１は幅５０μｍ×長さ３００μｍとし、共振周波数は１２２６ｋＨｚとし、４次の振動モードで振動させた。

これら３本の振動子４１は、事前にＰＺＴ板７５上で発振させて、アンプ１００のゲイン、位相シフタ１０３の位相シフト量、バンドパスフィルタ１０４の中心周波数について最適発振条件を設定し、これをプリセット値として用い、ＰＺＴ板７５の駆動信号を調整した。

その結果を図９に示す。
図９に示すようにプリセットを行った場合、３本の振動子４１においては振動子４１の周波数が長い時間に亘って安定した。
しかもこれらの振動子４１は、サイズも、発振させる振動モードも全く異なる。このような場合であっても、発振条件のプリセット値による調整を行うことで、ばらつきが小さくしかも安定した周波数で振動子４１を発振させることが可能となった。

次に、振動子４１上に、感応膜４２として、ＰＡＢ、ＰＢＤを塗布し、ＶＯＣガスを吸着させたときの周波数変化について、プリセット値による調整を行わない場合と、プリセット値による調整を行った場合とで比較した。
プリセット値による調整を行わない場合の２本の振動子４１は、以下のような構成とした。
（Ｃｈ２１）幅１００μｍ×長さ５００μｍ、共振周波数は４１９ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＡＢ（膜厚１．２μｍ）を塗布し、３次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ２２）幅１００μｍ×長さ５００μｍ、共振周波数は３８１ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＢＤ（膜厚２．５μｍ）を塗布し、３次の振動モードで発振させた。
プリセット値による調整を行った場合の２本の振動子４１は、以下のような構成とした。
（Ｃｈ３１）幅５０μｍ×長さ２００μｍ、共振周波数は９３７ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＡＢ（膜厚１．３μｍ）を塗布し、２次の振動モードで発振させた。
（Ｃｈ３２）幅５０μｍ×長さ５００μｍ、共振周波数は８１２ｋＨｚとし、感応膜４２としてＰＢＤ（膜厚３μｍ）を塗布し、４次の振動モードで発振させた。

そして、ＶＯＣガスを０．１グラムの炭素繊維を充填した吸着部３０の筒体３１内に導入して吸着させた後、その筒体３１を毎秒１℃の温度上昇速度で４５０℃まで加熱して成分分子を脱離させ、振動子４１が収められたチャンバ４５内に導入した。
ここで、プリセット値による駆動信号の調整を行わなかった場合については、エタノール５ｐｐｍ、アセトン１８ｐｐｍ、プロパノール５ｐｐｍの混合ガス１リットルをＶＯＣガスとして用いた。プリセット値により駆動信号の調整を行った場合については、エタノール０．５ｐｐｍ、アセトン１．８ｐｐｍ、トルエン０．５ｐｐｍの混合ガス１０リットルをＶＯＣガスとして用いた。
このときの、プリセット値により駆動信号の調整を行った場合（Ｃｈ３１、３２）と、プリセット値による駆動信号の調整を行わなかった場合（Ｃｈ２１、２２）のそれぞれについて、振動子４１の周波数変化を計測した。

その結果を図１０、図１１に示す。
図１０に示すように、プリセット値による駆動信号の調整を行わなかった場合、周波数変動が大きい。ここで、図１０と図１１は条件が違っていて直接比較はできないが、図１０では幅１００μｍ×長さ５００μｍで３次モードと同じ大きさの振動子４１を同じ次数（同じ共振周波数）で動作させている。それにも関わらず、振動子４１毎に異なった感応膜材料を異なった膜厚で塗布しているので、３次モードの４００ｋＨｚ付近でしか同時に発振させることは出来なかった。また発振はしているが、時間応答において周波数変動が大きいと言う結果になった。
一方、図１１に示すように、プリセット値により駆動信号の調整を行った場合、周波数変動が小さく、安定した検出が行えた。図１１では、振動子４１を異なる長さ、異なる材料で形成し、さらに互いに異なる次数で発振されているために、共振周波数も大きく違っている。それにも関わらず、非常に安定した発振がなされており、短時間周波数変動も少ない。

なお、上記実施の形態において、振動検出素子４３を設ける位置、範囲等は上記した以外のものとすることもできる。この他、振動子４１の振動変化の検出方式は、上記以外の方式を採用することもできる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０…物質検出システム、２０…ポンプ（圧縮部）、３０…吸着部、３４…シースヒータ（ヒータ）、４０…センサ部、４１…振動子、４１ａ…一端、４１ｂ…他端、４２…感応膜、４３…振動検出素子（信号出力部）、５０…測定制御部、５１…駆動回路、５１Ａ…センサ側回路、５１Ｂ…制御回路、５２…検出回路（検出部）、７０…シリコンチップ、７１…基板本体、７５…ＰＺＴ板（駆動素子）、９０…マルチプレクサ（切替部）、１００…アンプ、１０１…処理部（パラメータ調整部）、１０１ｍ…メモリ、１０２…ゲイン可変器（波形調整部）、１０３…位相シフタ、１０３Ｃ…抵抗可変器（波形調整部）、１０４…バンドパスフィルタ、１０４Ｃ…ゲイン可変器（波形調整部）

Claims (8)

1. 振動子と、
   前記振動子に振動を加えることで当該振動子を発振させる駆動素子と、
   前記駆動素子に駆動信号を入力する駆動回路と、
   前記振動子の振動に応じた出力信号を出力する信号出力部と、
   前記振動子ごとに設定された駆動回路のパラメータのプリセット値を記憶するメモリと、を備えた検出センサであって、
   前記駆動回路は、当該駆動回路のパラメータを、前記メモリに記憶された前記プリセット値に応じて調整するパラメータ調整部と、
   パラメータが調整された前記駆動回路で前記出力信号の波形を加工し駆動信号を生成する波形調整部と、を備えることを特徴とする検出センサ。
2. 前記振動子を複数備え、
   前記メモリは、それぞれの前記振動子に応じた前記プリセット値を記憶し、
   前記パラメータ調整部は、それぞれの前記振動子に対応した前記プリセット値を前記メモリから読み出して、前記駆動回路のパラメータを調整することを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
3. 複数の前記振動子のうちの一つを選択的に前記駆動回路に接続する切替部をさらに備え、
   前記パラメータ調整部は、前記切替部により選択されて接続された前記振動子に対応した前記プリセット値を前記メモリから読み出して、前記駆動回路のパラメータを調整することを特徴とする請求項２に記載の検出センサ。
4. 前記駆動回路のパラメータが、前記出力信号の位相シフト量、前記出力信号の周波数範囲、ゲインの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出センサ。
5. 検出対象のガスに含まれる物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出し、
   前記システム内に導入した前記ガスに含まれる前記物質を吸着する吸着部と、
   前記吸着部で吸着した前記物質を前記吸着部から脱離させるヒータと、
   一端部または両端部が基板に固定された梁状で、前記吸着部から脱離した前記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、
   前記振動子に振動を加えることで当該振動子に振動を励起させる駆動素子と、
   前記駆動素子に駆動信号を印加する駆動回路と、
   前記振動子の振動に応じた出力信号を出力する信号出力部と、
   前記振動子ごとに設定された前記駆動回路のパラメータのプリセット値を記憶するメモリと、
   前記信号出力部から出力される前記出力信号に基づいて前記振動子の振動周波数の変化を検出する検出部と、を備えた物質検出システムであって、
   前記駆動回路は、当該駆動回路のパラメータを、前記メモリに記憶された前記プリセット値に応じて調整するパラメータ調整部と、
   パラメータが調整された前記駆動回路で前記出力信号の波形を加工し駆動信号を生成する波形調整部と、を備え、当該波形調整部で生成された前記駆動信号を前記駆動素子に印加することを特徴とする物質検出システム。
6. 前記感応膜は、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の物質検出システム。
7. 前記振動子は、一つのシリコンチップに複数が形成され、
   前記シリコンチップは、前記駆動素子の表面に設けられ、
   前記メモリは、それぞれの前記振動子に応じた前記プリセット値を記憶し、
   前記パラメータ調整部は、それぞれの前記振動子に対応した前記プリセット値を前記メモリから読み出して、前記出力信号の前記駆動回路のパラメータを調整することを特徴とする請求項５または６に記載の物質検出システム。
8. 前記ガスを前記システム内に導入するとともに、導入した前記ガスを圧縮して前記吸着部に送り込む圧縮部、あるいは前記ガスを吸引して前記吸着部に導入する吸引部をさらに備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の物質検出システム。

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