JPWO2011040244A1

JPWO2011040244A1 - マルチモーダルセンサ

Info

Publication number: JPWO2011040244A1
Application number: JP2011534188A
Authority: JP
Inventors: 雅登二川; 澤田　和明; 和明澤田
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2013-02-28
Also published as: WO2011040244A1

Abstract

交流電流を印加して試料の電気伝導度を検出する電気伝導度検出部と同じ試料に直流電圧を印加してそのｐＨを測定するｐＨ検出部とを一つのチップに集積したマルチモーダルセンサを実用化する。試料の電気伝導度を検出するＥＣセンサ部１０と試料のｐＨを検出するｐＨセンサ部２０とを同一の基板２に集積するマルチモーダルセンサ１であって、ＥＣセンサ部１０は試料に接触する一対の電極１１，１２間へ交流電圧を印加し、ｐＨセンサ部２０は試料に接触する参照電極４０と水素イオン感応部２３との間に直流電圧を印加し、ＥＣセンサ部１０に印加する交流電圧の基準電位と参照電極４０の電位との間の電位差を、電極１１，１２の電気分解を防止するように所定電圧以下とする。

Description

本発明はマルチモーダルセンサの改良に関する。このマルチモーダルセンサは例えば土壌環境観察用のセンサとして好適である。

食物の安全や農作物の生産性の向上、農業従事者の負担低減のためには、農業におけるさまざまな情報の活用がとても重要になってきている。土壌に関して例を挙げれば、ｐＨの測定は作物の状態・健全性の確認に用いられており、電気伝導度は作物のための養分濃度の制御に、温度は生育環境・生育温度の制御に使われている。現在のところ、これら3つの情報は、個別にかつ異なる箇所を計測しており、多くは継続的・連続的な計測がなされていない状況である。土壌の状態は様々な形態をとるため、個別の情報が変化しただけでは、どのような現象で何が原因となっているかを把握することができない。仮に、3つの情報を同一箇所からリアルタイムに連続的に計測することができれば、農業従事者がその場で多角的に状態を把握でき、容易に原因の特定までを行うことができるようになると考えられる。
本発明者らは、半導体集積回路技術を用いた様々なセンサを研究してきており、Si基板上へのPt電極を用いたＥＣ（electrical conductivity：電気伝導度）センサの製作に成功している（非特許文献１参照）。このセンサは、チップサイズが縦5mm、横5mmと市販のＥＣセンサ（長さが10cm以上、直径が2cm以上）に比べ小型であり、センサ電極の形状やこの小さなチップサイズのため、土壌などに挿したまま直接対象物中の溶液の電気伝導度の計測をすることができるところが特徴となっている。そして、水耕栽培で用いられるロックウール(Rock wool)に挿入した状態でのリアルタイムモニタリングに成功しており、農業分野に十分適用できるＥＣセンサであることを確認してきた。
非特許文献２には、上記ＥＣセンサと温度センサとをハイブリッドしたセンサ（マルチモーダルセンサ）が開示されている。
ｐＨセンサ、ＥＣセンサ及び温度センサを有するマルチモーダルセンサが特許文献１及び非特許文献３に開示されている。

特開２００８−３９５２３号公報

二川ら、「LSI技術を用いた農業用ＥＣセンサに関する研究」、社団法人電気学会、バイオ・マイクロシステム研究会、２００９年２月２７日資料番号BMS-09-005 二川ら、「電気伝導度センサと温度センサを含んだマルチモーダルセンサの製作」、社団法人電気学会、バイオ・マイクロシステム研究会、２００９年７月２３、２４日資料番号BMS-09-11 石田、「農業用マルチモーダルセンサ」、総合センシングデータベース、[平成２１年９月２７日検索]、インターネット〈URL: http://www.sensing-db.net/technology.php?tid=121〉

非特許文献１に開示のＥＣセンサは一対の白金電極を試料に接触させ、所定周波数の交流電圧を印加することにより、直流電圧を印加するタイプのＥＣセンサに比べて、感度良くかつ広範囲の抵抗値を検出しようとするものである。
他方、ｐＨセンサは試料へ参照電極とイオン感応膜（イオン感応部）とを接触させて両者の間に直流電圧を印加してその電位差から試料のｐＨを求める。
このように同じ試料へ交流電圧と直流電圧と印加すると、電圧どうしが干渉して、検出結果に影響を及ぼすおそれがある。
特に、ｐＨセンサによる直流電圧とＥＣセンサによる交流電圧を独立して印加すると、ＥＣセンサの白金電極が電気分解されてしまうことがあり、実用化の点に課題があった。
従ってこの発明は、交流電圧を印加して試料の電気伝導を検出する電気伝導度検出部と、同じ試料へ直流電圧を印加してそのｐＨを検出するｐＨ測定部とを一つチップに集積したマルチモーダルセンサの実用化にある。

上記白金電極の分解は、ＥＣセンサの白金電極とｐＨセンサの参照電極との間に０．５Ｖ以上の電位差が生じると、白金電極が電気化学的に電気分解をうけてしまうためと考えられる。
かかる発明者らによる知見に基づき、この発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
同一チップに集積され、試料の電気伝導度とｐＨを検出するマルチモーダルセンサであって、
前記試料に接触する一対の電極間へ交流電圧を印加することにより、試料の電気伝導度を検出する電気伝導度検出部と、
前記試料に接触する参照電極と水素イオン感応部との間に直流電圧を印加することにより、前記試料のｐＨを検出するｐＨ検出部と、を有し、
前記電気伝導度検出部の前記一対の電極に印加する交流電圧の基準電位と前記ｐＨ検出部の前記参照電極の電位との間の電位差を、前記一対の電極の電気分解を防止するよう所定電圧以下とする、ことを特徴とするマルチモーダルセンサ。
このように規定される第１の局面に記載の発明によれば、電気伝導度検出部へ印加する交流電圧の基準電位とｐＨ検出部の参照電極の電位との間の電位差を、電気伝導度検出部の一対の電極の電気分解を防止するよう所定電圧以下とする。これにより、交流電圧を用いた電気伝導度検出部とｐＨ検出部とを同時に稼働させても、電気伝導度検出部の電極が電気分解することはなく、長期間安定して使用可能となる。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
このように規定される第２の局面に記載の発明によれば、第１の局面に規定のマルチモーダルセンサにおいて、電気伝導度検出部へ印加する交流電圧の基準電位とｐＨ検出部の参照電極の電位との間の電位差を０．５Ｖ以下とする。
これにより、交流電圧を用いた電気伝導度検出部とｐＨ検出部とを同時に稼働させても、電気伝導度検出部の白金電極が電気分解することはなく、長期間安定して使用可能となる。

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第１又は第２の局面に規定のマルチモーダルセンサにおいて、前記基準電位と前記参照電極の電位とを同電位とする。
また、この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第３のいずれかの局面に規定のマルチモーダルセンサにおいて、前記電気伝導度検出部の一方の電極と前記ｐＨ検出部の参照電極をともに接地する。
かかる構成を採用することにより、簡易な構造で電気伝導度検出部の白金電極へ印加する交流電圧の基準電位とｐＨ検出部の参照電極の電位とを一致させられる。

この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第４のいずれかの局面に記載のマルチモーダルセンサにおいて、前記電気伝導度検出部には前記ｐＨ検出部による直流電圧の影響を排除するハイパスフィルタが備えられ、前記ｐＨ検出部には前記電気伝導度検出部による交流電圧の影響を排除するローパスフィルタが備えられる。
このように規定される第５の局面のマルチモーダルセンサによれば、各検出部に他の検出部の電圧の影響を除去するフィルタが設けられたので、検出部における検出精度が向上する。

この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第５のいずれかの局面に記載のマルチモーダルセンサにおいて、温度センサが更に配設される。
このように規定されるマルチモーダルセンサによれば、試料の電気伝導度、ｐＨ及び温度を同時に測定可能となり、例えば農業用土壌の状態を測定するのに好適なものとなる。

この発明の第７の局面は次のように規定される。即ち、
試料の電気伝導度を検出する電気伝導度検出部と前記試料のｐＨを検出するｐＨ検出部とを同一のチップに集積するマルチモーダルセンサの駆動方法であって、
前記電気伝導度検出部は前記試料に接触する一対の電極間へ交流電圧を印加し、
前記ｐＨ検出部は前記試料に接触する参照電極と水素イオン感応部との間に直流電圧を印加し、
前記電気伝導度検出部に印加する交流電圧の基準電位と前記ｐＨ検出部の参照電極の電位との間の電位差を前記一対の電極の電気分解を防止するよう所定電圧以下とする、ことを特徴とするマルチモーダルセンサの駆動方法。
このように規定される第７の局面のマルチモーダルセンサの駆動方法によれば、第１の局面と同様の効果が得られる。

この発明の第８の局面は次のように規定される。即ち、第７の局面に規定のマルチモーダルセンサの駆動方法において、電気伝導度検出部へ印加する交流電圧の基準電位とｐＨ検出部の参照電極の電位との間の電位差を０．５Ｖ以下とする。
また、この発明の第９の局面は次のように規定される。即ち、第７又は８の局面に規定のマルチモーダルセンサの駆動方法において、前記基準電位と前記参照電極の電位とを同電位とする。
また、この発明の第１０の局面は次のように規定される。即ち、第７〜第９のいずれかの局面に規定のマルチモーダルセンサの駆動方法において、前記電気伝導度検出部の基準電位及び前記ｐＨ検出部の参照電極の電位をともにアース電位とする。
このように規定される第７〜第９の局面のマルチモーダルセンサの駆動方法によれば、第２〜第４の局面とそれぞれ同等の作用を奏する。

図１はこの発明の実施の形態のマルチモーダルセンサの平面図である。図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４はマルチモーダルセンサの構成を示す回路図である。図５はマルチモーダルセンサの出力特性を示すグラフである。

以下、この発明を実施の形態に基づいて更に詳細に説明する。
実施の形態のマルチモーダルセンサ１は、図１に示すように、矩形の共通の基板２（n-Ｓｉ基板）に３つのセンサ部が形成されている。第１のセンサ部は電気伝導度を検出するためのＥＣセンサ部１０であって、基板２の対向する縁にそって一対の電極１１、１２を備える。
第２のセンサ部はｐＨを検出するためのｐＨセンサ部２０であって、基板２にはイオン感応部２３が形成されている。この例では基板とは別に参照電極を準備するものとする。参照電極を基板２に配設することもできる。
第３のセンサ部は温度を検出するための温度センサ部３０であって、基板２の内部に形成されるダイオードからなる。

ＥＣセンサ部１０、ｐＨセンサ部２０及び温度センサ部３０へ図示しない汎用的な電源回路から電流が供給される。同様に、各センサ部１０，２０，３０の出力データは図示しないデータ処理回路へ送られてデータ処理がなされ、それぞれ電気伝導度、ｐＨ値、温度が特定される。

ＥＣセンサ部１０の構造は図２に詳細に示される。
図２において符号２はｎタイプのシリコン基板を示す。シリコン基板２の上面にはＳｉＯ_２からなる厚膜（約１μｍ）の絶縁膜３が積層されている。これは、ＥＣセンサ部１０へ印加される交流電流の影響が後述する温度センサ部３０へ及ばないようにするためである。
ＥＣセンサ部１０を構成する電極１１，１２はそれぞれアルミニウムからなる電極回路部１５、チタン合金からなる連結層１６及び白金からなる電極本体部１７の積層構造である。
電極回路部１５は外部の電源回路及び信号処理回路に接続されている。連結層１６は電極回路部１５と電極本体部１７とを電気的かつ機械的に安定に結合接着する。試料へ接触する電極本体部１７には電気的に安定な白金を採用した。
これら電極１１、１２は試料に接触してそのインピーダンスを測定できればよく、試料の特性や検出の目的等に応じて適宜材料選択を行えることはいうまでもない。

この電極１１、１２はＳｉＯ_２からなる不導体保護膜５（膜厚：８００ｎｍ）とＳｉＮからなる不導体保護膜７（膜厚：４００ｎｍ）で被覆されている。
この電極１１、１２を基板の対向縁の全域に形成したのは、即ちＥＣセンサ部を他のセンサ部２０、３０より広く形成したのはセンサ信号を大きく取るためである。

ｐＨセンサ部２０の詳細も図２に示される。
ｐＨセンサ部２０はｎ型シリコン基板２中のｐドープ領域４に形成されたＦＥＴ構造であり、ｐドープ領域４の上にゲート絶縁膜として酸化シリコン膜２１（膜厚：６５ｎｍ）と窒化シリコン膜２２（膜厚：１００ｎｍ）を順次積層して水素イオン感応膜２３を構成する。図中の符号はアルミニウムからなる電極回路部２５，２６であり、図示しない外部の電源回路及び信号処理回路に接続される。

図３に温度センサ部３０の詳細構成を示す。なお、図３において図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
基板２中に外側から順にｐ型不純物、ｎ型不純物、ｐ型不純物をドープし、それぞれｐ層３１、ｎ層３３、ｐ層３５を順に形成して温度センサ部３０とする。試料の温度変化に伴うｐ層３５とｎ層３３との間の抵抗変化を検出して、試料の温度を特定する。即ち、ｐ層３５とｎ層３３とは外部の電源回路及び信号処理回路に連結されている。ここに外側のｐ層３１はシールド層として作用する。

かかるマルチモーダルセンサ１の回路構成は図４に示す通りとなる。図４において、図１〜図３と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図４において符号４０は参照電極であり、ｐＨセンサ部２０の水素イオン感応膜２３の対極として用いられる。この例では参照電極４０がアースされているが、直流電源４２に接続させてもよい。この場合、電極１１も直流電電４２の電圧が印加されるようにして、参照電極４０の電位とＥＣセンサ部１０の基準電位とを一致させる。
参照電極４０にはKCl溶液に入れたAg/AgCl電極が用いたが、用途・目的に応じて任意の参照電極４０を選択できる。符号４３はデプレッションタイプのＭＯＳＦＥＴであり、参照電極４０に対して水素イオン感応膜２３側の電位が負側に振れることを予防している。
試料の水素イオン濃度に応じて参照電極４０とイオン感応膜２３との間の電圧が変わり、ソース-ドレインに流れる電流が変化するので、その変化を抵抗４５における電圧変化に変換する。図中の符号４７はローパスフィルタであり、ＥＣセンサ部１０により印加される交流の影響を除去し、直流電源４２に起因する直流の電圧成分のみを抽出する。出力された電圧信号は外部の信号処理回路に送られ、そこで試料のｐＨ値が特定される。

ＥＣセンサ１０部の電極１１、１２は交流電源５１（周波数：１０ｋＨｚ、電圧振幅：０．２５Ｖ）に接続される。一方の電極１１は参照電極４０とともにアースされ、両者は同電位に維持される。これにより、参照電極４０の電位とＥＣセンサ部１０の電極１１，１２の電位との電位差が０．５Ｖ未満に維持され、もって白金製の電極本体部１７が電気分解されることを確実に防止する。
試料に交流電圧を加えるとそのインピーダンスに応じて電流値が変化するので、その変化を抵抗５３における電圧変化に変換する。図中の符号５５はハイパスフィルタであり、ｐＨセンサ部２０により印加される直流の影響を除去し、交流電源５１に起因する交流の電圧成分のみを抽出する。この電圧成分はＡＣ／ＤＣコンバータ５７で直流信号に変換され、外部の信号処理回路へ送られてそこで試料の電気伝導度が特定される。

温度センサ部３０には直流電源６０から直流電流が印加される。ｐ層３５とｎ層３３との間の抵抗値が温度変化に伴い変化すると、温度センサ回路にかかる電圧が変化する。図中の符号６５はローパスフィルタであり、p層３５とｎ層３３との間において直流電源６０による電圧成分のみを抽出可能としている。

かかるマルチモーダルセンサ１の実験例に付説明する。
ｐＨ4.0のｐＨバッファ溶液を用い、マルチモーダルセンサ１の動作実験を行った。ｐＨバッファ溶液には、希釈されてもｐＨを保つという性質があり、ＥＣ、ｐＨ、温度を同時計測することでその様子を観測することとした。参照電極にはKCl溶液に入れたAg/AgCl電極を用いた。マルチモーダルセンサ上に約100μlのバッファ溶液を配置している。なお、ワイヤボンディングなどは溶液にふれないよう、樹脂で保護している。図５に同時計測の結果を示す。215秒までは、ｐＨ：4.0、ＥＣ：0.82 S/m、温度：19.8 ^OCを示している。215秒に温水（滴下量：50μl、ｐＨ：7、ＥＣ：7 mS/m、温度：27.6 ^OC）を滴下したところ、ＥＣ：0.46 S/m、温度：24.4 ^OCに変化する様子が観測できた。しかし、ｐＨは変化せず、ｐＨ 4.0を示したままである。その後、445秒に冷水（滴下量：30μl、ｐＨ：7、ＥＣ：7 mS/m、温度：13.2 ^OC）を滴下したところ、ＥＣ：0.29 S/m、温度：15.8 ^OCに変化した。ｐＨに変化は見られなかった。

これらの結果から、3種類のセンサの同時駆動に関し、それぞれに対するクロストークが見られず、それぞれ独立した計測ができているといえる。また、水を加えたとき、ＥＣと温度が変化し希釈されていく様子が現われていたのに対し、ｐＨは変化せず保持している様子が観察できた。まさにこれがｐＨバッファ溶液の特性と言える。
上記結果より、マルチモーダルセンサのリアルタイムかつ同時計測が確認できた。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

Claims

同一チップに集積され、試料の電気伝導度とｐＨを検出するマルチモーダルセンサであって、
前記試料に接触する一対の電極間へ交流電圧を印加することにより、試料の電気伝導度を検出する電気伝導度検出部と、
前記試料に接触する参照電極と水素イオン感応部との間に直流電圧を印加することにより、前記試料のｐＨを検出するｐＨ検出部と、を有し、
前記電気伝導度検出部の前記一対の電極に印加する交流電圧の基準電位と前記ｐＨ検出部の前記参照電極の電位との間の電位差を、前記一対の電極の電気分解を防止するよう所定電圧以下とする、ことを特徴とするマルチモーダルセンサ。
前記基準電位と前記参照電極の電位との電位差を０．５Ｖ以下とする、ことを特徴とする請求項１に記載のマルチモーダルセンサ。
前記基準電位と前記参照電極の電位とを同電位とする、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチモーダルセンサ。
前記電気伝導度検出部の一方の電極と前記ｐＨ検出部の参照電極はともに接地されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマルチモーダルセンサ。
前記電気伝導度検出部には前記ｐＨ検出部による直流電流の影響を排除するハイパスフィルタが備えられ、前記ｐＨ検出部には前記電気伝導度検出部による交流電圧の影響を排除するローパスフィルタが備えられる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマルチモーダルセンサ。
温度センサが更に配設される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマルチモーダルセンサ。
試料の電気伝導度を検出する電気伝導度検出部と前記試料のｐＨを検出するｐＨ検出部とを同一のチップに集積するマルチモーダルセンサの駆動方法であって、
前記電気伝導度検出部は前記試料に接触する一対の電極間へ交流電圧を印加し、
前記ｐＨ検出部は前記試料に接触する参照電極と水素イオン感応部との間に直流電圧を印加し、
前記電気伝導度検出部に印加する交流電圧の基準電位と前記ｐＨ検出部の参照電極の電位との間の電位差を前記一対の電極の電気分解を防止するよう所定電圧以下とする、ことを特徴とするマルチモーダルセンサの駆動方法。
前記基準電位と前記参照電極の電位との電位差を０．５Ｖ以下とする、ことを特徴とする請求項７に記載のマルチモーダルセンサの駆動方法。
前記基準電位と前記参照電極の電位とを同電位とする請求項７又は８に記載のマルチモーダルセンサの駆動方法。
前記電気伝導度検出部の基準電位及び前記ｐＨ検出部の参照電極の電位をともにアース電位とする、ことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のマルチモーダルセンサの駆動方法。