JPWO2020066295A1 - 物質検出素子 - Google Patents

Abstract

支持基板（２）には、貫通孔（３）が設けられている。板状の梁（４）は、貫通孔（３）の一部を塞ぐように貫通孔（３）の縁から対向する縁へ向かって延び、圧電素子が設けられている。駆動電極（１６）は、圧電素子に電圧を印加して梁（４）を振動させる。検出電極（１７Ａ，１７Ｂ）は、梁（４）の振動周波数に関する情報を検出する。物質吸着膜（５Ａ，５Ｂ）は、物質が付着することで梁（４）の振動周波数を変化させる。物質吸着膜（５Ａ，５Ｂ）と検出電極（１７Ａ，１７Ｂ）とは、梁（４）の表と裏の同じ位置に設けられている。

Description

本発明は、物質検出素子に関する。

特許文献１には、物質が吸着又は脱離したときに生じる振動子の共振周波数の変化量に基づいて、物質を識別する化学センサデバイスが開示されている。この化学センサデバイスは、異なる物質の脱吸着特性を示す複数の振動子を備え、それぞれの振動子は、圧電基板を備えている。複数の振動子は、交流電圧が印加されると、圧電基板が変形することで加振される。共振周波数が変化した振動子を特定することで、物質の識別が可能になる。

特開２００９−２０４５８４号公報

上記特許文献１に開示された化学センサデバイスは、平板上に複数の振動子が単に２次元配列されているだけであり、各振動子が空気中に含まれる物質を吸着し易いように効率的に配置されているわけではない。このような構成では、平板自体が気流の流れを遮ってしまい各振動子における物質の吸着効率が低下する可能性もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より効率的に物質を検出することができる物質検出素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る物質検出素子は、
貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の一部を塞ぐように前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延び、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記物質吸着膜と前記検出電極とは、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられている。

この場合、前記梁は、少なくとも２箇所で前記貫通孔の縁に固定され、
前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が、前記梁に複数設けられており、
前記物質吸着膜が吸着する物質が、前記組毎に異なる、
こととしてもよい。

前記梁は、その長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定されており、
前記梁の中央から見て両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が設けられている、
こととしてもよい。

前記駆動電極が、前記梁の両端に設けられている、
こととしてもよい。

前記駆動電極が、前記梁の中央に設けられている、
こととしてもよい。

前記梁は、
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定された第１の梁と、
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定され、前記第１の梁と交差する第２の梁とで構成される、
こととしてもよい。

前記第１の梁と前記第２の梁とが交差する部分から見て前記第２の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
こととしてもよい。

前記第１の梁と前記第２の梁とが交差する部分から見て前記第１の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
こととしてもよい。

前記駆動電極が、前記第１の梁の両端に設けられている、
こととしてもよい。

前記駆動電極が、前記第１の梁と前記第２の梁とが交差する部分に設けられている、
こととしてもよい。

前記第１の梁の幅が、前記第２の梁の幅よりも広くなるように設定されている、
こととしてもよい。

前記第１の梁と前記第２の梁とが直交している、
こととしてもよい。

前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる、
こととしてもよい。

前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
こととしてもよい。

本発明の第２の観点に係る物質検出素子は、
支持基板と、
前記支持基板に少なくとも一端が支持され、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁に設けられ、物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる。

前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
こととしてもよい。

本発明によれば、物質が付着することで梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極とが、梁の表と裏の同じ位置に設けられている。これにより、物質吸着膜への物質の付着による梁の振動周波数の変化が大きい位置で、梁の振動周波数に関する情報を感度良く検出することができるので、より効率的に物質を検出することができる。

本発明の実施の形態１に係る物質検出素子の斜視図である。 図１の物質検出素子を逆側から観た斜視図である。 貫通孔周辺を一部破砕して示す拡大斜視図その１である。 貫通孔周辺を一部破砕して示す拡大斜視図その２である。 図４のＡ−Ａ線断面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 梁が変形する様子その１を示す図である。 梁が変形する様子その２を示す図である。 物質検出素子の配線を示す平面図である。 物質検出素子を用いた化学物質の検出動作を示す図である。 物質検出素子の変形例その１を示す斜視図（表）である。 物質検出素子の変形例その１を示す斜視図（裏）である。 物質検出素子の変形例その２を示す斜視図（表）である。 物質検出素子の変形例その２を示す斜視図（裏）である。 物質検出素子の変形例その３を示す斜視図（表）である。 物質検出素子の変形例その３を示す斜視図（裏）である。 物質検出素子の変形例その４を示す斜視図（表）である。 物質検出素子の変形例その４を示す斜視図（裏）である。 物質検出素子の変形例その５を示す斜視図（表）である。 物質検出素子の変形例その５を示す斜視図（裏）である。 物質検出素子の変形例その６を示す平面図である。 物質検出素子の変形例その７を示す平面図である。 物質検出素子の変形例その８を示す平面図である。 他の物質検出素子を用いた化学物質の検出動作を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る物質検出素子は、微細加工を実現する半導体製造技術であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて製造される。

図１に示すように、本実施の形態に係る物質検出素子１は、略矩形平板状の支持基板２を備える。支持基板２は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から製造される。ＳＯＩ基板とは、埋込酸化膜であるＢＯＸ層と、ＢＯＸ層上の半導体層であるシリコン（ＳＯＩ）層とから成る積層構造を有する半導体基板であり、酸化膜を内包するウエハである。

支持基板２は、図２に示すように、樹脂から成るベース１０に、基体ウエハ及び埋め込み酸化膜で形成されたＢＯＸ層から成るＳｉ支持層１１が積層されて構成されている。Ｓｉ支持層１１には、素子ウエハ活性層であるＳｉ活性層１２（図５Ａ及び図５Ｂ参照）が積層されている。

支持基板２のベース１０には、その一部に円形の開口１３が設けられており、開口１３の部分ではＳｉ支持層１１が露出している。この開口１３の部分におけるＳｉ支持層１１及びＳｉ活性層１２には、貫通孔３が７つ設けられている。貫通孔３は、円形であり、それぞれの直径は同じとなっている。

貫通孔３のそれぞれには、図３及び図４に示すように、板状の梁４が設けられている。本実施の形態では、梁４は、細長板状の第１の梁４Ａと、細長板状の第２の梁４Ｂとで構成される。梁４（第１の梁４Ａ及び第２の梁４Ｂ）は、それぞれＳｉ活性層１２によって形成される貫通孔３の縁から対向する縁へ向かって延びる部分を有している。

第１の梁４Ａ及び第２の梁４Ｂは、その長手方向の両端で貫通孔３の縁に固定されている。第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとは交差（直交）しており、中央で連結している。本実施の形態では、第１の梁４Ａの幅が第２の梁４Ｂの幅よりも広くなっている。この幅は、第１の梁４Ａにおける短手方向の長さ、第２の梁４Ｂにおける短手方向の長さを示している。梁４は、貫通孔３の全てを塞ぐのではなく、貫通孔３の一部を塞いでいる。よって、梁４は、貫通孔３内に気体が滞留することを防止して、その気体が貫通孔３を通り抜け易くしている。

図３に示すように、梁４（第２の梁４Ｂ）は、検出対象の物質を吸着する物質吸着膜５Ａ，５Ｂを支持している。物質吸着膜５Ａ，５Ｂは、第２の梁４Ｂの別々の場所にそれぞれ配設されている。物質吸着膜５Ａ，５Ｂは、細長い半球面形状又は外周は盛り上がり中央が凹んだお椀形状を有しており、気体に露出する表面積を大きくすることができる。これにより、物質吸着膜５Ａ，５Ｂは、気体中（例えば、空気中）に含まれる検出対象となる物質を吸着し易くなっている。物質吸着膜５Ａ，５Ｂは、梁４に対して脱着可能に取り付けられており、他の物質吸着膜と交換可能である。

物質吸着膜５Ａ，５Ｂは、吸着する物質が異なる。検出対象となる物質は、例えば、匂いを構成する化学物質群（匂い要因）のうち、例えば空気中に含まれる検出対象の化学物質を構成する気体状の物質（以下、「構成物質」という）である。検出対象の化学物質としては、例えばアンモニア、メルカプタン、アルデヒド、硫化水素、アミンなどの特有の臭気を有する匂い原因物質がある。物質吸着膜５Ａ，５Ｂは、匂い原因物質を構成する構成物質が吸着した後、一定時間経過すると、吸着した構成物質が分離するので、再利用可能となっている。

梁４は、構成物質が物質吸着膜５Ａ，５Ｂに吸着することで振動周波数（例えば共振周波数）が変化するよう構成されている。物質吸着膜５Ａ，５Ｂが構成物質を含む気体の通り口となる貫通孔３に配置されているので、物質吸着膜５Ａ，５Ｂは気体中に含まれる構成物質を吸着し易くなっている。なお、梁４の振動が、物質検出素子１が組み込まれる装置の振動の影響を受けないようにするため、梁４の振動周波数は、その装置の振動周波数と異なるように、より高く設定されているのが望ましい。

第１の梁４Ａの両端には、図４に示すように、駆動電極１６が形成されている。また、第２の梁４Ｂには、検出電極１７Ａ，１７Ｂが形成されている。支持基板２上には、導線としての駆動信号線２１，検出信号線２２Ａ，２２Ｂが形成されている。駆動信号線２１は、駆動電極１６に接続されている。検出信号線２２Ａは、検出電極１７Ａに接続され、検出信号線２２Ｂは、検出電極１７Ｂに接続されている。梁４を駆動する電圧信号は、駆動信号線２１を介して駆動電極１６に印加される。また、検出電極１７Ａからの電圧信号は、検出信号線２２Ａを介して出力され、検出電極１７Ｂからの電圧信号は、検出信号線２２Ｂを介して出力される。

物質吸着膜５Ａと検出電極１７Ａとは、梁４（第２の梁４Ｂ）の表と裏の同じ位置に設けられている。物質吸着膜５Ｂと検出電極１７Ｂとは、梁４（第２の梁４Ｂ）の表と裏の同じ位置に設けられている。

すなわち、本実施の形態では、梁４は、少なくとも２箇所で貫通孔３の縁に固定されており、梁４の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組、物質吸着膜５Ｂ及び検出電極１７Ｂの組が、梁４に設けられている。

さらに具体的には、第２の梁４Ｂは、その長手方向の両端で貫通孔３の縁に固定されている。第２の梁４Ｂの中央から見てｘ軸方向の両側に、第２の梁４Ｂの表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組、物質吸着膜５Ｂ及び検出電極１７Ｂの組が設けられている。さらに、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとが交差する部分から見て第２の梁４Ｂの両側に、梁４の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ａと検出電極１７Ａとの組、物質吸着膜５Ｂと検出電極１７Ｂとの組が設けられている。

図４のＡ−Ａ線断面図である図５Ａに示すように、第１の梁４Ａは、主として、支持基板２のＳｉ活性層１２で構成される。Ｓｉ活性層１２上には下部電極層１４が形成されており、その上に圧電素子１５が形成されている。駆動電極１６は、第２の梁４Ｂの貫通孔３の縁に圧電素子１５と接するように形成されている。下部電極層１４と、圧電素子１５と、駆動電極１６とで、圧電層が形成される。

一方、図４のＢ−Ｂ線断面図である図５Ｂに示すように、第２の梁４Ｂは、主として、支持基板２のＳｉ活性層１２で構成される。Ｓｉ活性層１２上には下部電極層１４が形成されており、その上に圧電素子１５が形成されている。検出電極１７Ａ，１７Ｂは、第２の梁４Ｂの貫通孔３の縁に圧電素子１５と接するように形成されている。下部電極層１４と、圧電素子１５と、検出電極１７Ａ，１７Ｂとで、圧電層が形成される。

下部電極層１４は、導電性材料（例えば、アルミニウムや銅などの金属）で構成される。駆動電極１６及び検出電極１７Ａ，１７Ｂも同様である。圧電素子１５は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの材料（圧電特性を示す材料）で構成される。圧電素子１５は、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、長手方向（厚み方向に直交する方向）に伸縮する性質を有する。なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、ＢＯＸ層の図示が省略されている。

駆動電極１６が正で、下部電極層１４が負となる極性（以下、正極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、圧電層は長手方向に伸びるため、図６に示すように、第１の梁４Ａは、上方が凸になるように（＋ｚ方向に）反り返り、これに合わせて第２の梁４Ｂも、上方が凸になるように（＋ｚ方向に）反り返る。その結果、検出電極１７Ａ，１７Ｂが正で、下部電極層１４が負となる極性（以下、正極性と呼ぶ）の電圧が生じる。

これに対して、駆動電極１６が負で、下部電極層１４が正となる極性（以下、負極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、第１の梁４Ａの圧電層が長手方向に縮むため、図７に示すように、第１の梁４Ａは、下方が凸になるように（−ｚ方向に）反り返り、これに合わせて第２の梁４Ｂも、下方が凸になるように（−ｚ方向に）反り返る。その結果、検出電極１７Ａ，１７Ｂが負で、下部電極層１４が正となる極性（以下、負極性と呼ぶ）の電圧が生じる。

もちろん、駆動電極１６側が正、下部電極層１４側が負となるように、両電極間に電圧を印加すると、長手方向に縮む一方で、駆動電極１６側が負、下部電極層１４側が正となるように、両電極間に電圧を印加すると、長手方向に伸びる性質を有するような圧電素子を用いても構わない。この場合、正極性の電圧を印加すると、下方が凸になるように反り返り、検出電極１７Ａ，１７Ｂでは、正極性の電圧が発生する。一方、負極性の電圧を印加すると、上方が凸になるように反り返り、検出電極１７Ａ，１７Ｂでは、負極性の電圧が発生する。このように、第１の梁４Ａは、圧電層の伸縮により撓んで振動し、第２の梁４Ｂは、撓むことにより圧電層が伸縮し、電圧が発生するものであればよい。

いずれにしても、駆動電極１６と下部電極層１４（図５Ａ参照）との間に、所定極性の電圧を印加することにより、図６又は図７に示す変形を生じさせることができる。変形の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。図６又は図７に示す変形が生じると、検出電極１７Ａ，１７Ｂと下部電極層１４との間に、所定極性の電圧を生じさせることができる。電圧の大きさは、第２の梁４Ｂに応じた量になる。なお、圧電素子を構成する材料によって（例えば、バルク、薄膜によって）分極作用が異なるので、伸縮と電圧の極性との関係とが上述とは逆になる場合がある。

例えば、駆動電極１６と下部電極層１４との間に正弦波状に変化する電圧を印加すると、第１の梁４Ａが正弦波状に振動する。第１の梁４Ａの振動に合わせて第２の梁４Ｂも振動する。すなわち、駆動電極１６は、圧電素子１５に電圧を印加して梁４を振動させる。第２の梁４Ｂが振動すれば、検出電極１７Ａ，１７Ｂと下部電極層１４との間に正弦波状に変化する電位差が発生する。検出電極１７Ａ，１７Ｂは、梁４の振動周波数に関する情報を検出する。

さらに、駆動電極１６と下部電極層１４との間に加える正弦波状の電圧の周波数を上下させると、第１の梁４Ａ、第２の梁４Ｂの振動の周波数も上下し、検出電極１７Ａ，１７Ｂと下部電極層１４との間に生じる電圧信号の周波数も上下する。第１の梁４Ａ，第２の梁４Ｂの振動の周波数が梁４の共振周波数に近づくにつれて、梁４の振動振幅は大きくなり、梁４の共振周波数になると、梁４の振動振幅は最大となる。

上述のように、梁４は、構成物質が物質吸着膜５Ａ，５Ｂに吸着することで振動周波数（例えば共振周波数）が変化するよう構成されている。また、梁４の振動周波数は物質吸着膜５Ａ，５Ｂへの構成物質の吸着度合に応じて変化する。これにより、梁４の振動振幅が最大となる周波数も変化する。逆に言えば、検出電極１７Ａ，１７Ｂと下部電極層１４との電圧信号の振幅が最大となる振動周波数の変化を求めることにより、物質吸着膜５Ａ，５Ｂに構成物質が吸着してない状態から吸着した状態に変化したことを検出することができる。

検出電極１７Ａと、下部電極層１４との間に生じた電位差は、電圧信号となって、検出信号線２２Ａを介して出力される。また、検出電極１７Ｂと、下部電極層１４との間に生じた電位差は、電圧信号となって、検出信号線２２Ｂを介して出力される。出力された電圧信号を、梁４の振動周波数に関する情報とし、その情報に基づいて、梁４の振動周波数の変化を検出すれば、貫通孔３を通過する気体に物質吸着膜５Ａ，５Ｂに吸着された物質が含まれていることを検出することができる。

図８に示すように、物質検出素子１には、信号処理回路２０が設けられている。信号処理回路２０は、２本の駆動信号線２１と、２本の検出信号線２２Ａ，２２Ｂと接続されている。信号処理回路２０から出た２本の駆動信号線２１は、一対の駆動電極１６に接続されている。また、検出電極１７Ａ，１７Ｂそれぞれから出た２本の検出信号線２２Ａ，２２Ｂは、独立して信号処理回路２０に接続されている。信号処理回路２０は、下部電極層１４（図５Ａ及び図５Ｂ参照）の電位を基準とする各種電圧信号の入出力を行う。

信号処理回路２０は、駆動信号線２１を介して各貫通孔３に対応する駆動電極１６に対して例えば正弦波状の電圧信号を出力するとともに、検出信号線２２Ａ，２２Ｂを介して、各貫通孔３に対応する検出電極１７Ａ，１７Ｂから出力される電圧信号を入力する。信号処理回路２０は、入力された電圧信号に基づいて、梁４の振動周波数（例えば共振周波数）の変化を検出する。物質検出素子１では、例えば、１ｎｇ（ナノグラム）の単位で、構成物質の吸着を検出可能である。

物質検出素子１では、貫通孔３毎に梁４が設けられて、梁４各々が支持する物質吸着膜５Ａ，５Ｂの種類が異なっている。信号処理回路２０は、貫通孔３の検出電極１７Ａ，１７Ｂから出力される電圧信号を、検出信号線２２Ａ，２２Ｂを介して入力し、入力された電圧信号に基づいて、梁４の振動周波数の変化、すなわちその梁４に対応する物質吸着膜５Ａ，５Ｂへの構成物質の吸着を検出する。ここで、検出電極１７Ａは、物質吸着膜５Ａの裏に設けられているので、物質吸着膜５Ａに物質が付着した場合には、検出電極１７Ａで接続された電圧信号に基づいて、梁４の振動周波数の変化が検出される。また、検出電極１７Ｂは、物質吸着膜５Ｂの裏に設けられているので、物質吸着膜５Ｂに物質が付着した場合には、検出電極１７Ｂで接続された電圧信号に基づいて、梁４の振動周波数の変化が検出される。信号処理回路２０は、メモリを有しており、物質吸着膜５Ａ，５Ｂそれぞれの構成物質の検出結果をそのメモリに記憶する。

次に、本実施の形態に係る物質検出素子１による化学物質の検出動作について説明する。図８に示すように、信号処理回路２０は、駆動電極１６に対して任意の周波数の正弦波状の電圧信号の出力を開始する。これにより、図９に示すように、時点ｔ１において、梁４の振動が開始される。この振動により、測定前に物質吸着膜５Ａ，５Ｂに吸着していた構成物質が脱離し、物質吸着膜５Ａ，５Ｂが初期化される。時点ｔ１から時点ｔ２までを物質吸着膜５Ａの初期化を行う初期化期間Ｔ１とする。

時点ｔ２を経過しても、信号処理回路２０は、梁４の振動を継続している。時点ｔ２から時点ｔ３までの期間Ｔ２において、化学物質の検出が行われる。気体中に含まれ得る様々な化学物質の検出を行うため、時点ｔ２において、物質検出素子１は、気体の流れの中に置かれる。これにより、貫通孔３を通る気体に含まれる化学物質を構成する構成物質の検出が開始される。ここで、構成物質が吸着される物質吸着膜５Ａ，５Ｂを支持する梁４は、貫通孔３の全てを塞ぐのではなく、貫通孔３の一部を塞いでいる。よって、梁４は、検出対象の化学物質を含む気体が貫通孔３内に滞留することを防止して、その気体が貫通孔３を通り抜け易くしている。

期間Ｔ２において、信号処理回路２０は、貫通孔３の検出電極１７Ａ，１７Ｂから出力される電圧信号を、検出信号線２２Ａ，２２Ｂを介して入力し、入力された電圧信号に基づいて、梁４の振動周波数の変化、すなわちその梁４に対応する物質吸着膜５Ａ，５Ｂへの構成物質の吸着を検出する。

時点ｔ３になると、物質検出素子１は、気体の流れの中から取り除かれる。これにより、化学物質の検出が終了する。しかし、時点ｔ３から時点ｔ４までの期間Ｔ３では、信号処理回路２０は、梁４の振動を継続する。これにより、構成物質が物質吸着膜５Ａ，５Ｂから脱離する。時点ｔ４において、物質検出素子１の処理が終了する。

再び化学物質の検出を行う場合には、期間Ｔ１〜Ｔ３の動作を繰り返す。

本実施の形態によれば、化学物質が含まれる気体が通る梁４に物質吸着膜５Ａ，５Ｂが設けられており、検出対象の化学物質が含まれる気体が物質吸着膜５Ａ，５Ｂの周囲を通り易く構成しているので、より効率的に化学物質を検出することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、物質が付着することで梁４の振動周波数を変化させる物質吸着膜５Ａ，５Ｂと、梁４の振動周波数に関する情報を検出する検出電極１７Ａ，１７Ｂとが、梁４の表と裏の同じ位置に設けられている。これにより、物質吸着膜５Ａ，５Ｂへの物質の付着による梁４の振動周波数の変化が大きい位置で、梁４の振動周波数に関する情報を感度良く検出することができるので、より効率的に物質を検出することができる。

また、本実施の形態によれば、１つの貫通孔につき、２種類の物質の検出が可能になるため、同じ種類の物質を検出可能な装置のサイズを小型化することができる。逆にいえば、装置のサイズを同じとしたままで、検出可能な物質の種類を増やすことができる。

なお、物質吸着膜５Ａ，５Ｂと、検出電極１７Ａ，１７Ｂとの位置は、多少ずれていてもよい。そのずれ量が、物質吸着膜同士、検出電極同士の距離よりも無視できる程度に小さければよい。また、物質吸着膜同士、検出電極同士の距離が振動周波数の変化を個別に検出可能な距離以上であれば、同じ梁に３以上の物質吸着膜及び検出電極の組を配置するようにしてもよい。

また、本実施の形態によれば、駆動電極１６が設けられた第１の梁４Ａの幅を、検出電極１７Ａ，１７Ｂが設けられた第２の梁４Ｂの幅より広くした。このようにした方が、梁４の変位を大きくして、検出される電圧信号のレベルを大きくすることができる。

なお、本実施の形態では、第１の梁４Ａの幅が、第２の梁４Ｂの幅よりも広くなるように設定されていた。しかしながら、本発明はこれには限られない。第１の梁４Ａの幅（短手方向の長さ）と、第２の梁４Ｂの幅（短手方向の長さ）とは同じであってもよい。また、貫通孔３の径を短くして、第１の梁４Ａの長さを短縮してもよい。このようにすれば、梁４全体の振動周波数をより高く設定して外部からの振動の影響を少なくすることができるうえ、吸着した構成物質の単位重量当たりの梁４の振動周波数の変化量を大きくして、構成物質の吸着の検出精度を向上することができる。

なお、梁４の幅、長さについては、気体の流れに必要な貫通孔３の大きさとの関係において定められるのが望ましい。

また、本実施の形態では、梁４は、少なくとも２箇所で貫通孔３の縁に固定されている。このようにすれば、片持ちの梁４に比べ、梁４を安定して保持することができるうえ、梁４の振動周波数を高くすることができる。

なお、梁４における駆動電極１６、検出電極１７Ａ，１７Ｂ及び物質吸着膜５Ａ，５Ｂの配置は、本実施の形態に係るものに限られない。例えば、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組と、物質吸着膜５Ｂ及び検出電極１７Ｂの組が、第２の梁４Ｂではなく、第１の梁４Ａに設けられていてもよい。すなわち、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとが交差する部分から見て第１の梁４Ａの両側に、梁４の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ａと検出電極１７Ａとの組、物質吸着膜５Ｂと検出電極１７Ｂとの組が設けられている。

また、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、駆動電極１６が第１の梁４Ａ及び第２の梁４Ｂの中央に１つだけ設けられていてもよい。すなわち、駆動電極１６が、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとが交差する部分に設けられているようにしてもよい。この駆動電極１６に電圧信号を加えれば、第１の梁４Ａ及び第２の梁４Ｂを振動させることができる。

また、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、梁４は、長手方向の両端で貫通孔３の縁に固定された一方向に延びるだけのものであってもよい。この場合、駆動電極１６は、梁４の中央に設けられており、梁４の中央から見て両側に、梁４の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組、物質吸着膜５Ｂ及び検出電極１７Ｂの組が設けられるようにすればよい。

また、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、梁４は、長手方向の両端で貫通孔３の縁に固定された一方向に延びるだけのものである場合、駆動電極１６が、梁４の両端に設けられていてもよい。また、梁４の中央から見て両側に、梁４の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組、物質吸着膜５Ｂ及び検出電極１７Ｂの組が設けられていてもよい。

上述の中では、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す配置において、検出電極１７Ａ，１７Ｂから出力される電圧のレベルが最も大きくなった。すなわち、駆動電極１６が梁４の中央に取り付けられ、幅が太い第１の梁４Ａに検出電極１７Ａ，１７Ｂが配置される場合の電圧レベルが最大となった。

また、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、梁４が第１の梁４Ａ及び第２の梁４Ｂを備え、駆動電極１６が、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとが交差する部分に設けられていてもよい。また、この場合、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとが交差する部分から見て第１の梁４Ａの両側に、梁４の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組、物質吸着膜５Ｂ及び検出電極１７Ｂの組が設けられ、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとが交差する部分から見て第２の梁４Ｂの両側に、梁４の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜５Ｃ及び検出電極１７Ｃの組、物質吸着膜５Ｄ及び検出電極１７Ｄの組が設けられるようにしてもよい。物質吸着膜５Ａ〜５Ｄが吸着する物質が全て異なるようにすれば、１つの貫通孔３について、４種類の物質を検出することが可能となる。

また、図１５に示すように、梁４は片持ち梁でもよい。この場合には、梁４の幅を広くするか、厚みを大きくして、梁４の振動周波数を高くするのが望ましい。なお、駆動電極１６は、梁４の一端（貫通孔３の縁に固定されている一端）に配置し、検出電極１７Ａは、梁４の中央に配置することができる。物質吸着膜５Ａは、検出電極１７Ａの裏側に設けられている。

また、図１６に示すように、梁４が長手方向の両端で貫通孔３の縁に固定された１本だけの場合、梁４の両端に駆動電極１６が設けられ、梁４の中央に物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組が設けられているだけでもよい。

また、図１７に示すように、３箇所で貫通孔３の縁に固定される梁４を用いてもよい。この場合、梁４が交差する位置に駆動電極１６を配置し、梁４の３つの梁に物質吸着膜５Ａ及び検出電極１７Ａの組と、物質吸着膜５Ｂ及び検出電極１７Ｂの組と、物質吸着膜５Ｃ及び検出電極１７Ｃの組とを配置すればよい。

なお、上記実施の形態では、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとが直交していた。このようにすれば、第１の梁４Ａの振動を、第２の梁４Ｂが妨げないようにすることができる。しかしながら、第１の梁４Ａと第２の梁４Ｂとは直交している必要はなく、交差していればよい。

なお、上記実施の形態では、化学物質の検出前又は後において、その化学物質を構成する構成物質が周辺に存在しない環境下において、梁４を振動させて、物質吸着膜５Ａ，５Ｂから構成物質を脱離した。このようにすれば、リフレッシュガスを物質検出素子１に与えたり、ヒータなどの物質吸着膜５Ａ，５Ｂから構成物質を脱離させる手段を物質検出素子１に設けたりすることなく、物質検出素子１を再利用することが可能となる。この結果、物質を検出する装置全体をシンプルかつコンパクトなものとすることができる。

梁４の振動による構成物質の脱離は、図１８に示すような構成を有する物質検出素子１でも可能である。この物質検出素子１も、支持基板２と、支持基板２に両端が支持され、圧電素子１５（図５Ａ参照）が設けられた板状の梁４と、梁４に設けられ、物質が付着することで梁４の振動周波数を変化させる物質吸着膜５Ｅと、を備える。この物質検出素子１では、物質吸着膜５Ｅが、梁４の一方の面の全面に設けられている。さらに、この物質検出素子１は、圧電素子１５に電圧を印加して梁４を振動させる駆動電極１６（図５Ａ参照）と、梁４の振動周波数に関する情報を検出する検出電極１７Ａ，１７Ｂ（図５Ｂ参照）と、を備えている。駆動電極１６及び検出電極１７Ａ，１７Ｂは、物質吸着膜５Ｅが設けられた領域の裏側に設けられている。

図１８に示すように、時点ｔ１において、梁４の振動が開始される。この振動により、初期化期間Ｔ１において、測定前に物質吸着膜５Ｅに吸着していた構成物質が脱離し、物質吸着膜５Ｅが初期化される。

時点ｔ２から時点ｔ３までの期間Ｔ２において、化学物質の検出が行われる。時点ｔ２を経過しても、梁４の振動は継続している。時点ｔ２において、物質検出素子１は、検出対象となる気体の流れの中に置かれる。これにより、貫通孔３を通る気体に含まれる化学物質を構成する構成物質が物質吸着膜５Ｅに吸着する。

期間Ｔ２において、信号処理回路２０は、検出電極１７Ａ，１７Ｂから出力される電圧信号を入力し、入力された電圧信号に基づいて、梁４の振動周波数の変化、すなわちその梁４に対応する物質吸着膜５Ｅへの構成物質の吸着を検出する。

時点ｔ３になると、物質検出素子１は、気体の流れの中から取り除かれる。これにより、化学物質の検出が終了する。しかし、時点ｔ３から時点ｔ４までの期間Ｔ３では、信号処理回路２０は、梁４の振動を継続する。これにより、構成物質が物質吸着膜５Ｅから脱離する。

なお、脱離の際、駆動電極１６は、物質吸着膜５Ｅの膜厚方向に、梁４を振動させて、構成物質を脱着させる。このようにすれば、構成物質の脱着方向と梁４の振動方向とをあわせることができるので、構成物質を脱離し易くなる。これに対して、水晶素子を物質吸着膜とするＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）式の検知デバイスでは、水晶素子が、膜に対して水平方向に振動しているため、振動により構成物質が脱着しにくくなっている。

なお、上記実施の形態では、期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で、駆動電極１６に付与する電圧信号の周波数及び強度を一定とした。しかしながら、本発明はこれには限られない。期間Ｔ１，Ｔ３では、構成物質の脱離を促進できるのであれば、電圧信号の周波数及び強度を増減させるようにしてもよい。例えば、期間Ｔ１，Ｔ３では、期間Ｔ２のときとは異なる電圧信号の周波数にしてもよく、また、期間Ｔ２のときとは異なる電気信号の強度にしてもよい。

上記実施の形態では、貫通孔３及び梁４の数は、７つであったが、本発明はこれには限られない。貫通孔３及び梁４の数は、６つ以下であってもよいし、８つ以上であってもよい。貫通孔３及び梁４の数は、検出対象となる構成物質の数によって決めることができる。

上記実施の形態では、貫通孔３は円形であった。しかしながら、本発明はこれには限られない。貫通孔は楕円、角形であってもよいし、外径が曲線と直線とを組み合わせたものであってもよい。

また、上記実施の形態では、検出対象となる物質を、匂いを構成する化学物質としたが、本発明はこれには限られない。例えば、無臭で気体中に含まれる化学物質を検出するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、気体中に含まれる化学物質であるとしたが、本発明はこれには限られない。液体中の物質の検出にも、本発明を適用することができる。

また、上記実施の形態では、物質検出素子１を、ＳＯＩウエハを用いて製造するものとしたが、本発明はこれには限られない。物質検出素子を、他のウエハを用いて製造するようにしてもよい。

上記実施の形態では、梁４のほぼ全面に下部電極層１４及び圧電素子１５を設けるものとしたが、本発明はこれには限られない。駆動電極１６及び検出電極１７Ａ，１７Ｂが形成された部分にのみ、下部電極層１４及び圧電素子１５を設けるようにしてもよい。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

なお、本願については、２０１８年９月２７日に出願された日本国特許出願２０１８−１８２３５３号及び２０１９年４月２２日に出願された日本国特許出願２０１９−８０６５４号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願２０１８−１８２３５３号及び日本国特許出願２０１９−８０６５４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、流体中に含まれる化学物質の検出に適用することができる。

１ 物質検出素子、２ 支持基板、３ 貫通孔、４ 梁、４Ａ 第１の梁、４Ｂ 第２の梁、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ 物質吸着膜、１０ ベース、１１ Ｓｉ支持層、１２ Ｓｉ活性層、１３ 開口、１４ 下部電極層、１５ 圧電素子（ピエゾ素子）、１６ 駆動電極、１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ 検出電極、２０ 信号処理回路、２１ 駆動信号線、２２Ａ，２２Ｂ 検出信号線

Claims (16)

1. 貫通孔が設けられた支持基板と、
   前記貫通孔の一部を塞ぐように前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延び、圧電素子が設けられた板状の梁と、
   前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
   前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
   物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
   を備え、
   前記物質吸着膜と前記検出電極とは、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられている、
   物質検出素子。
2. 前記梁は、少なくとも２箇所で前記貫通孔の縁に固定され、
   前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が、前記梁に複数設けられており、
   前記物質吸着膜が吸着する物質が、前記組毎に異なる、
   請求項１に記載の物質検出素子。
3. 前記梁は、その長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定されており、
   前記梁の中央から見て両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が設けられている、
   請求項２に記載の物質検出素子。
4. 前記駆動電極が、前記梁の両端に設けられている、
   請求項３に記載の物質検出素子。
5. 前記駆動電極が、前記梁の中央に設けられている、
   請求項３に記載の物質検出素子。
6. 前記梁は、
   長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定された第１の梁と、
   長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定され、前記第１の梁と交差する第２の梁とで構成される、
   請求項２に記載の物質検出素子。
7. 前記第１の梁と前記第２の梁とが交差する部分から見て前記第２の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
   請求項６に記載の物質検出素子。
8. 前記第１の梁と前記第２の梁とが交差する部分から見て前記第１の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
   請求項６又は７に記載の物質検出素子。
9. 前記駆動電極が、前記第１の梁の両端に設けられている、
   請求項７又は８に記載の物質検出素子。
10. 前記駆動電極が、前記第１の梁と前記第２の梁とが交差する部分に設けられている、
    請求項７又は８に記載の物質検出素子。
11. 前記第１の梁の幅が、前記第２の梁の幅よりも広くなるように設定されている、
    請求項６から１０のいずれか一項に記載の物質検出素子。
12. 前記第１の梁と前記第２の梁とが直交している、
    請求項６から１１のいずれか一項に記載の物質検出素子。
13. 前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の物質検出素子。
14. 前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
    請求項１３に記載の物質検出素子。
15. 支持基板と、
    前記支持基板に少なくとも一端が支持され、圧電素子が設けられた板状の梁と、
    前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
    前記梁に設けられ、物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
    を備え、
    前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる、
    物質検出素子。
16. 前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
    請求項１５に記載の物質検出素子。

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