JP5470536B2 - 検出センサ、物質検出システム - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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、BaTiO3セラミックス、KNbO3−NaNbO3系強誘電体セラミックス、(Bi42Na42)TiO3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、(Ba1−xSrx)2NaNb5O15[BSNN]、BaNa1−xBix/3Nb5O15[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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (8)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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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