KR20210040438A - 물질 검출 소자 - Google Patents

물질 검출 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR20210040438A
KR20210040438A KR1020217007307A KR20217007307A KR20210040438A KR 20210040438 A KR20210040438 A KR 20210040438A KR 1020217007307 A KR1020217007307 A KR 1020217007307A KR 20217007307 A KR20217007307 A KR 20217007307A KR 20210040438 A KR20210040438 A KR 20210040438A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substance
detection element
detection
hole
substance detection
Prior art date
Application number
KR1020217007307A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102471291B1 (ko
Inventor
겐지 오가타
쇼고 구로기
Original Assignee
아이펙스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아이펙스 가부시키가이샤 filed Critical 아이펙스 가부시키가이샤
Publication of KR20210040438A publication Critical patent/KR20210040438A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102471291B1 publication Critical patent/KR102471291B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/02—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/036—Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • H01L41/047—
    • H01L41/053—
    • H01L41/113—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/014—Resonance or resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/025—Change of phase or condition
    • G01N2291/0256—Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0427—Flexural waves, plate waves, e.g. Lamb waves, tuning fork, cantilever

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Compounds Of Unknown Constitution (AREA)

Abstract

지지 기판(2)에는, 관통 구멍(3)이 마련되어 있다. 판 형상의 비임(4)은 관통 구멍(3)의 일부를 폐색하도록 관통 구멍(3)의 가장자리로부터 대향하는 가장자리를 향해 연장되고, 압전 소자가 마련되어 있다. 구동 전극(16)은 압전 소자에 전압을 인가하여 비임(4)을 진동시킨다. 검출 전극(17A, 17B)은 비임(4)의 진동 주파수에 관한 정보를 검출한다. 물질 흡착막(5A, 5B)은 물질이 부착함으로써 비임(4)의 진동 주파수를 변화시킨다. 물질 흡착막(5A, 5B)과 검출 전극(17A, 17B)은 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련되어 있다.

Description

물질 검출 소자
본 발명은 물질 검출 소자에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 물질이 흡착 또는 이탈했을 때에 생기는 진동자의 공진 주파수의 변화량에 근거하여, 물질을 식별하는 화학 센서 디바이스가 개시되어 있다. 본 화학 센서 디바이스는 상이한 물질의 탈흡착 특성을 나타내는 복수의 진동자를 구비하고, 각각의 진동자는 압전 기판을 구비하고 있다. 복수의 진동자는 교류 전압이 인가되면, 압전 기판이 변형함으로써 가진(加振)된다. 공진 주파수가 변화한 진동자를 특정함으로써, 물질의 식별이 가능하게 된다.
일본 특허 공개 제 2009-204584 호 공보
상기 특허문헌 1에 개시된 화학 센서 디바이스는, 평판 상에 복수의 진동자가 단순히 2차원 배열되어 있을 뿐이며, 각 진동자가 공기 중에 포함되는 물질을 흡착하기 쉽도록 효율적으로 배치되어 있는 것은 아니다. 이러한 구성에서는, 평판 자체가 기류의 흐름을 차단해버려서 각 진동자에 있어서의 물질의 흡착 효율이 저하할 가능성도 있다.
본 발명은 상기 실정에 비추어 이루어진 것이며, 보다 효율적으로 물질을 검출할 수 있는 물질 검출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 관점에 따른 물질 검출 소자는,
관통 구멍이 마련된 지지 기판과,
상기 관통 구멍의 일부를 폐색하도록 상기 관통 구멍의 가장자리로부터 대향하는 가장자리를 향해 연장되고, 압전 소자가 마련된 판 형상의 비임과,
상기 압전 소자에 전압을 인가하여 상기 비임을 진동시키는 구동 전극과,
상기 비임의 진동 주파수에 관한 정보를 검출하는 검출 전극과,
물질이 부착함으로써 상기 비임의 진동 주파수를 변화시키는 물질 흡착막을 구비하고,
상기 물질 흡착막과 상기 검출 전극은 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련되어 있다.
본 경우, 상기 비임은 적어도 2개소에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정되고,
상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막 및 상기 검출 전극의 세트가 상기 비임에 복수 마련되어 있고,
상기 물질 흡착막이 흡착하는 물질이 상기 세트마다 상이한 것으로 해도 좋다.
상기 비임은 그 장변 방향의 양단에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정되어 있고,
상기 비임의 중앙에서 바라볼 때 양측에, 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막 및 상기 검출 전극의 세트가 마련되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 구동 전극이 상기 비임의 양단에 마련되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 구동 전극이 상기 비임의 중앙에 마련되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 비임은,
장변 방향의 양단에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정된 제 1 비임과,
장변 방향의 양단에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정되고, 상기 제 1 비임과 교차하는 제 2 비임으로 구성되는 것으로 해도 좋다.
상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 교차하는 부분에서 바라볼 때 상기 제 2 비임의 양측에, 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막과 상기 검출 전극의 세트가 마련되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 교차하는 부분에서 바라볼 때 상기 제 1 비임의 양측에, 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막과 상기 검출 전극의 세트가 마련되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 구동 전극이 상기 제 1 비임의 양단에 마련되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 구동 전극이 상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 교차하는 부분에 마련되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 제 1 비임의 폭이 상기 제 2 비임의 폭보다 넓어지도록 설정되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 직교하여 있는 것으로 해도 좋다.
상기 구동 전극은 상기 비임을 진동시켜서 상기 물질 흡착막에 부착한 물질을 이탈시키는 것으로 해도 좋다.
상기 구동 전극은 상기 물질 흡착막의 막 두께 방향으로, 상기 비임을 진동시키는 것으로 해도 좋다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 물질 검출 소자는,
지지 기판과,
상기 지지 기판에 적어도 일단이 지지되고, 압전 소자가 마련된 판 형상의 비임과,
상기 압전 소자에 전압을 인가하여 상기 비임을 진동시키는 구동 전극과,
상기 비임에 마련되고, 물질이 부착함으로써 상기 비임의 진동 주파수를 변화시키는 물질 흡착막을 구비하고,
상기 구동 전극은 상기 비임을 진동시켜서 상기 물질 흡착막에 부착한 물질을 이탈시킨다.
상기 구동 전극은 상기 물질 흡착막의 막 두께 방향으로, 상기 비임을 진동시키는 것으로 해도 좋다.
본 발명에 의하면, 물질이 부착함으로써 비임의 진동 주파수를 변화시키는 물질 흡착막과, 비임의 진동 주파수에 관한 정보를 검출하는 검출 전극이, 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련되어 있다. 이에 의해, 물질 흡착막으로의 물질의 부착에 의한 비임의 진동 주파수의 변화가 큰 위치에서, 비임의 진동 주파수에 관한 정보를 감도 좋게 검출할 수 있으므로, 보다 효율적으로 물질을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 물질 검출 소자의 사시도이다.
도 2는 도 1의 물질 검출 소자를 반대측에서 바라본 사시도이다.
도 3은 관통 구멍 주변을 일부 파쇄하여 도시하는 확대 사시도 1이다.
도 4는 관통 구멍 주변을 일부 파쇄하여 도시하는 확대 사시도 2이다.
도 5a는 도 4의 A-A선 단면도이다.
도 5b는 도 4의 B-B선 단면도이다.
도 6은 비임이 변형하는 모양 1을 도시하는 도면이다.
도 7은 비임이 변형하는 모양 2를 도시하는 도면이다.
도 8은 물질 검출 소자의 배선을 도시하는 평면도이다.
도 9는 물질 검출 소자를 이용한 화학 물질의 검출 동작을 도시하는 도면이다.
도 10a는 물질 검출 소자의 변형예 1을 도시하는 사시도(표면)이다.
도 10b는 물질 검출 소자의 변형예 1을 도시하는 사시도(이면)이다.
도 11a는 물질 검출 소자의 변형예 2를 도시하는 사시도(표면)이다.
도 11b는 물질 검출 소자의 변형예 2를 도시하는 사시도(이면)이다.
도 12a는 물질 검출 소자의 변형예 3을 도시하는 사시도(표면)이다.
도 12b는 물질 검출 소자의 변형예 3을 도시하는 사시도(이면)이다.
도 13a는 물질 검출 소자의 변형예 4를 도시하는 사시도(표면)이다.
도 13b는 물질 검출 소자의 변형예 4를 도시하는 사시도(이면)이다.
도 14a는 물질 검출 소자의 변형예 5를 도시하는 사시도(표면)이다.
도 14b는 물질 검출 소자의 변형예 5를 도시하는 사시도(이면)이다.
도 15는 물질 검출 소자의 변형예 6을 도시하는 평면도이다.
도 16은 물질 검출 소자의 변형예 7을 도시하는 평면도이다.
도 17은 물질 검출 소자의 변형예 8을 도시하는 평면도이다.
도 18은 다른 물질 검출 소자를 이용한 화학 물질의 검출 동작을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 본 실시형태에 따른 물질 검출 소자는 미세 가공을 실현하는 반도체 제조 기술인 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)를 이용하여 제조된다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 물질 검출 소자(1)는 대략 직사각형 평판 형상의 지지 기판(2)을 구비한다. 지지 기판(2)은 예를 들면, SOI(Silicon on Insulator) 기판으로 제조된다. SOI 기판이란, 매입 산화막인 BOX층과, BOX층 상의 반도체층인 실리콘(SOI)층으로 완성되는 적층 구조를 갖는 반도체 기판이며, 산화막을 내포하는 웨이퍼이다.
지지 기판(2)은 도 2에 도시되는 바와 같이, 수지로 완성되는 베이스(10)에, 기체 웨이퍼 및 매립 산화막으로 형성된 BOX층으로 완성되는 Si 지지층(11)이 적층되어서 구성되어 있다. Si 지지층(11)에는, 소자 웨이퍼 활성층인 Si 활성층(12)(도 5a 및 도 5b 참조)이 적층되어 있다.
지지 기판(2)의 베이스(10)에는, 그 일부에 원형의 개구(13)가 마련되어 있고, 개구(13)의 부분에서는 Si 지지층(11)이 노출되어 있다. 본 개구(13)의 부분에 있어서의 Si 지지층(11) 및 Si 활성층(12)에는, 관통 구멍(3)이 7개 마련되어 있다. 관통 구멍(3)은 원형이며, 각각의 직경은 동일하게 되어 있다.
관통 구멍(3)의 각각에는, 도 3 및 도 4에 도시되는 바와 같이, 판 형상의 비임(4)이 마련되어 있다. 본 실시형태에서는, 비임(4)은 가늘고 긴 판 형상의 제 1 비임(4A)과, 가늘고 긴 판 형상의 제 2 비임(4B)으로 구성된다. 비임(4)(제 1 비임(4A) 및 제 2 비임(4B))은, 각각 Si 활성층(12)에 의해서 형성되는 관통 구멍(3)의 가장자리로부터 대향하는 가장자리를 향해 연장되는 부분을 갖고 있다.
제 1 비임(4A) 및 제 2 비임(4B)은, 그 장변 방향의 양단에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정되어 있다. 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)은 교차(직교)하여 있고, 중앙에서 연결하여 있다. 본 실시형태에서는, 제 1 비임(4A)의 폭이 제 2 비임(4B)의 폭보다 넓게 되어 있다. 이 폭은, 제 1 비임(4A)에 있어서의 단변 방향의 길이, 제 2 비임(4B)에 있어서의 단변 방향의 길이를 나타내고 있다. 비임(4)은 관통 구멍(3)의 전체를 폐색하는 것이 아니라, 관통 구멍(3)의 일부를 폐색하고 있다. 따라서, 비임(4)은 관통 구멍(3) 내에 기체가 체류하는 것을 방지하여, 그 기체가 관통 구멍(3)을 빠져나가기 쉽게 하고 있다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 비임(4)(제 2 비임(4B))은 검출 대상의 물질을 흡착하는 물질 흡착막(5A, 5B)을 지지하여 있다. 물질 흡착막(5A, 5B)은 제 2 비임(4B)의 별개의 장소에 각각 배치되어 있다. 물질 흡착막(5A, 5B)은 가늘고 긴 반구면 형상 또는 외주는 융기부 중앙이 오목한 접시 형상을 갖고 있고, 기체에 노출하는 표면적을 크게 할 수 있다. 이에 의해, 물질 흡착막(5A, 5B)은 기체 중(예를 들면, 공기 중)에 포함되는 검출 대상이 되는 물질을 흡착하기 쉽게 되어 있다. 물질 흡착막(5A, 5B)은 비임(4)에 대해서 탈착 가능하게 장착되어 있고, 다른 물질 흡착막과 교환 가능하다.
물질 흡착막(5A, 5B)은 흡착하는 물질이 상이하다. 검출 대상이 되는 물질은 예를 들면, 냄새를 구성하는 화학 물질군(냄새 요인) 중, 예를 들면, 공기 중에 포함되는 검출 대상의 화학 물질을 구성하는 기체상의 물질(이하, 「구성 물질」이라고 함)이다. 검출 대상의 화학 물질로서는, 예를 들면, 암모니아, 메르캅탄, 알데히드, 황화수소, 아민 등의 특유의 악취를 갖는 냄새 원인 물질이 있다. 물질 흡착막(5A, 5B)은 냄새 원인 물질을 구성하는 구성 물질이 흡착된 후, 일정 시간 경과하면, 흡착된 구성 물질이 분리되므로, 재이용 가능하게 되어 있다.
비임(4)은 구성 물질이 물질 흡착막(5A, 5B)에 흡착됨으로써 진동 주파수(예를 들면, 공진 주파수)가 변화하도록 구성되어 있다. 물질 흡착막(5A, 5B)이 구성 물질을 포함하는 기체의 통과구가 되는 관통 구멍(3)에 배치되어 있으므로, 물질 흡착막(5A, 5B)은 기체 중에 포함되는 구성 물질을 흡착하기 쉽게 되어 있다. 또한, 비임(4)의 진동이, 물질 검출 소자(1)가 조립되는 장치의 진동의 영향을 받지 않게 하기 위해, 비임(4)의 진동 주파수는 그 장치의 진동 주파수와 상이하도록, 보다 높게 설정되어 있는 것이 바람직하다.
제 1 비임(4A)의 양단에는, 도 4에 도시되는 바와 같이, 구동 전극(16)이 형성되어 있다. 또한, 제 2 비임(4B)에는, 검출 전극(17A, 17B)이 형성되어 있다. 지지 기판(2) 상에는, 도선으로서의 구동 신호선(21), 검출 신호선(22A, 22B)이 형성되어 있다. 구동 신호선(21)은 구동 전극(16)에 접속되어 있다. 검출 신호선(22A)은 검출 전극(17A)에 접속되고, 검출 신호선(22B)은 검출 전극(17B)에 접속되어 있다. 비임(4)을 구동하는 전압 신호는 구동 신호선(21)을 거쳐서 구동 전극(16)에 인가된다. 또한, 검출 전극(17A)으로부터의 전압 신호는 검출 신호선(22A)을 거쳐서 출력되고, 검출 전극(17B)으로부터의 전압 신호는 검출 신호선(22B)을 거쳐서 출력된다.
물질 흡착막(5A)과 검출 전극(17A)은 비임(4)(제 2 비임(4B))의 표면과 이면의 동일 위치에 마련되어 있다. 물질 흡착막(5B)과 검출 전극(17B)은 비임(4)(제 2 비임(4B))의 표면과 이면의 동일 위치에 마련되어 있다.
즉, 본 실시형태에서는, 비임(4)은 적어도 2개소에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정되어 있고, 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트, 물질 흡착막(5B) 및 검출 전극(17B)의 세트가, 비임(4)에 마련되어 있다.
게다가 구체적으로는, 제 2 비임(4B)은 그 장변 방향의 양단에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정되어 있다. 제 2 비임(4B)의 중앙에서 바라볼 때 x축 방향의 양측에, 제 2 비임(4B)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트, 물질 흡착막(5B) 및 검출 전극(17B)의 세트가 마련되어 있다. 게다가, 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)이 교차하는 부분에서 바라볼 때 제 2 비임(4B)의 양측에, 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5A)과 검출 전극(17A)의 세트, 물질 흡착막(5B)과 검출 전극(17B)의 세트가 마련되어 있다.
도 4의 A-A선 단면도인 도 5a에 도시되는 바와 같이, 제 1 비임(4A)은 주로, 지지 기판(2)의 Si 활성층(12)으로 구성된다. Si 활성층(12) 상에는 하부 전극층(14)이 형성되어 있고, 그 위에 압전 소자(15)가 형성되어 있다. 구동 전극(16)은 제 1 비임(4A)의 관통 구멍(3)의 가장자리에 압전 소자(15)와 접하도록 형성되어 있다. 하부 전극층(14)과, 압전 소자(15)와, 구동 전극(16)으로 압전층이 형성된다.
한편, 도 4의 B-B선 단면도인 도 5b에 도시되는 바와 같이, 제 2 비임(4B)은 주로, 지지 기판(2)의 Si 활성층(12)으로 구성된다. Si 활성층(12) 상에는 하부 전극층(14)이 형성되어 있고, 그 위에 압전 소자(15)가 형성되어 있다. 검출 전극(17A, 17B)은 제 2 비임(4B)의 관통 구멍(3)의 가장자리에 압전 소자(15)와 접하도록 형성되어 있다. 하부 전극층(14)과, 압전 소자(15)와, 검출 전극(17A, 17B)으로 압전층이 형성된다.
하부 전극층(14)은 도전성 재료(예를 들면, 알루미늄이나 구리 등의 금속)로 구성된다. 구동 전극(16) 및 검출 전극(17A, 17B)도 마찬가지이다. 압전 소자(15)는 예를 들면, PZT(티탄산지르콘산연) 등의 재료(압전 특성을 나타내는 재료)로 구성된다. 압전 소자(15)는 두께 방향으로 소정 극성의 전압을 인가하면, 장변 방향(두께 방향에 직교하는 방향)으로 신축하는 성질을 갖는다. 또한, 도 5a 및 도 5b에서는, BOX층의 도시가 생략되어 있다.
구동 전극(16)이 정(正)이며, 하부 전극층(14)이 부(負)가 되는 극성(이하, 정극성이라고 칭함)의 전압을 인가하면, 압전층은 장변 방향으로 신장되기 때문에, 도 6에 도시되는 바와 같이, 제 1 비임(4A)은 상방이 볼록하게 되도록(＋z방향으로) 뒤집히고, 이에 맞춰서 제 2 비임(4B)도, 상방이 볼록하게 되도록(＋z방향으로) 뒤집힌다. 그 결과, 검출 전극(17A, 17B)이 정이며, 하부 전극층(14)이 부가되는 극성(이하, 정극성이라고 칭함)의 전압이 생긴다.
이에 대해서, 구동 전극(16)이 부이며, 하부 전극층(14)이 정이 되는 극성(이하, 부극성이라고 칭함)의 전압을 인가하면, 제 1 비임(4A)의 압전층이 장변 방향으로 수축하기 때문에, 도 7에 도시되는 바와 같이, 제 1 비임(4A)은 하방이 볼록하게 되도록(-z방향으로) 뒤집히고, 이에 맞춰서 제 2 비임(4B)도, 하방이 볼록하게 되도록(-z방향으로) 뒤집힌다. 그 결과, 검출 전극(17A, 17B)이 부이며, 하부 전극층(14)이 정이 되는 극성(이하, 부극성이라고 칭함)의 전압이 생긴다.
물론, 구동 전극(16)측이 정, 하부 전극층(14)측이 부가 되도록, 양 전극간에 전압을 인가하면, 장변 방향으로 수축되는 한편, 구동 전극(16)측이 부, 하부 전극층(14)측이 정이 되도록, 양 전극간에 전압을 인가하면, 장변 방향으로 신장되는 성질을 갖도록 압전 소자를 이용하여도 상관없다. 본 경우, 정극성의 전압을 인가하면, 하방이 볼록하게 되도록 뒤집히고, 검출 전극(17A, 17B)에서는, 정극성의 전압이 발생한다. 한편, 부극성의 전압을 인가하면, 상방이 볼록하게 되도록 뒤집히고, 검출 전극(17A, 17B)에서는, 부극성의 전압이 발생한다. 이와 같이, 제 1 비임(4A)은 압전층의 신축에 의해 휘어져서 진동하고, 제 2 비임(4B)은 휘어지는 것에 의해 압전층이 신축하고, 전압이 발생하는 것이면 좋다.
어쨌든, 구동 전극(16)과 하부 전극층(14)(도 5a 참조) 사이에, 소정 극성의 전압을 인가하는 것에 의해, 도 6 또는 도 7에 도시되는 변형을 일으키게 할 수 있다. 변형의 정도는 인가하는 전압 값에 따른 양(量)이 된다. 도 6 또는 도 7에 도시되는 변형이 생기면, 검출 전극(17A, 17B)과 하부 전극층(14) 사이에, 소정 극성의 전압을 일으키게 할 수 있다. 전압의 크기는 제 2 비임(4B)에 따른 양이 된다. 또한, 압전 소자를 구성하는 재료에 의해서(예를 들면, 벌크, 박막에 의해서) 분극 작용이 상이하므로, 신축과 전압의 극성의 관계가 상술과는 반대로 되는 경우가 있다.
예를 들어, 구동 전극(16)과 하부 전극층(14) 사이에 정현파 형상으로 변화하는 전압을 인가하면, 제 1 비임(4A)이 정현파 형상으로 진동한다. 제 1 비임(4A)의 진동에 맞춰서 제 2 비임(4B)도 진동한다. 즉, 구동 전극(16)은 압전 소자(15)에 전압을 인가하여 비임(4)을 진동시킨다. 제 2 비임(4B)이 진동하면, 검출 전극(17A, 17B)과 하부 전극층(14) 사이에 정현파 형상으로 변화하는 전위차가 발생한다. 검출 전극(17A, 17B)은 비임(4)의 진동 주파수에 관한 정보를 검출한다.
게다가, 구동 전극(16)과 하부 전극층(14) 사이에 가해지는 정현파 형상의 전압의 주파수를 상하시키면, 제 1 비임(4A), 제 2 비임(4B)의 진동의 주파수도 상하하고, 검출 전극(17A, 17B)과 하부 전극층(14) 사이에 생기는 전압 신호의 주파수도 상하한다. 제 1 비임(4A), 제 2 비임(4B)의 진동의 주파수가 비임(4)의 공진 주파수에 가까워짐에 따라서, 비임(4)의 진동 진폭은 커지고, 비임(4)의 공진 주파수가 되면, 비임(4)의 진동 진폭은 최대가 된다.
상술한 바와 같이, 비임(4)은 구성 물질이 물질 흡착막(5A, 5B)에 흡착됨으로써 진동 주파수(예를 들면, 공진 주파수)가 변화하도록 구성되어 있다. 또한, 비임(4)의 진동 주파수는 물질 흡착막(5A, 5B)으로의 구성 물질의 흡착 정도에 따라 변화한다. 이에 의해, 비임(4)의 진동 진폭이 최대가 되는 주파수도 변화한다. 반대로 말하면, 검출 전극(17A, 17B)과 하부 전극층(14)의 전압 신호의 진폭이 최대가 되는 진동 주파수의 변화를 구하는 것에 의해, 물질 흡착막(5A, 5B)에 구성 물질이 흡착하여 있지 않은 상태로부터 흡착한 상태로 변화한 것을 검출할 수 있다.
검출 전극(17A)과, 하부 전극층(14) 사이에 생긴 전위차는 전압 신호가 되고, 검출 신호선(22A)을 거쳐서 출력된다. 또한, 검출 전극(17B)과, 하부 전극층(14) 사이에 생긴 전위차는 전압 신호가 되고, 검출 신호선(22B)을 거쳐서 출력된다. 출력된 전압 신호를, 비임(4)의 진동 주파수에 관한 정보로 하고, 그 정보에 근거하여, 비임(4)의 진동 주파수의 변화를 검출하면, 관통 구멍(3)을 통과하는 기체에 물질 흡착막(5A, 5B)에 흡착된 물질이 포함되어 있는 것을 검출할 수 있다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 물질 검출 소자(1)에는, 신호 처리 회로(20)가 마련되어 있다. 신호 처리 회로(20)는 2개의 구동 신호선(21)과, 2개의 검출 신호선(22A, 22B)과 접속되어 있다. 신호 처리 회로(20)로부터 나온 2개의 구동 신호선(21)은 한 쌍의 구동 전극(16)에 접속되어 있다. 또한, 검출 전극(17A, 17B) 각각으로부터 나온 2개의 검출 신호선(22A, 22B)은 독립하여 신호 처리 회로(20)에 접속되어 있다. 신호 처리 회로(20)는 하부 전극층(14)(도 5a 및 도 5b 참조)의 전위를 기준으로 하는 각종 전압 신호의 입출력을 실행한다.
신호 처리 회로(20)는 구동 신호선(21)을 거쳐서 각 관통 구멍(3)에 대응하는 구동 전극(16)에 대해서 예를 들면, 정현파 형상의 전압 신호를 출력하는 동시에, 검출 신호선(22A, 22B)을 거쳐서, 각 관통 구멍(3)에 대응하는 검출 전극(17A, 17B)으로부터 출력되는 전압 신호를 입력한다. 신호 처리 회로(20)는 입력된 전압 신호에 근거하여, 비임(4)의 진동 주파수(예를 들면, 공진 주파수)의 변화를 검출한다. 물질 검출 소자(1)에서는, 예를 들면, 1ng(나노그램)의 단위로, 구성 물질의 흡착을 검출 가능하다.
물질 검출 소자(1)에서는, 관통 구멍(3)마다 비임(4)이 마련되어서, 비임(4) 각각이 지지하는 물질 흡착막(5A, 5B)의 종류가 상이하여 있다. 신호 처리 회로(20)는 관통 구멍(3)의 검출 전극(17A, 17B)으로부터 출력되는 전압 신호를, 검출 신호선(22A, 22B)을 거쳐서 입력하고, 입력된 전압 신호에 근거하여, 비임(4)의 진동 주파수의 변화, 즉, 그 비임(4)에 대응하는 물질 흡착막(5A, 5B)으로의 구성 물질의 흡착을 검출한다. 본 명세서에서, 검출 전극(17A)은 물질 흡착막(5A)의 이면에 마련되어 있으므로, 물질 흡착막(5A)에 물질이 부착했을 경우에는, 검출 전극(17A)으로 접속된 전압 신호에 근거하여, 비임(4)의 진동 주파수의 변화가 검출된다. 또한, 검출 전극(17B)은 물질 흡착막(5B)의 이면에 마련되어 있으므로, 물질 흡착막(5B)에 물질이 부착했을 경우에는, 검출 전극(17B)으로 접속된 전압 신호에 근거하여, 비임(4)의 진동 주파수의 변화가 검출된다. 신호 처리 회로(20)는 메모리를 갖고 있고, 물질 흡착막(5A, 5B) 각각의 구성 물질의 검출 결과를 그 메모리에 기억한다.
다음에, 본 실시형태에 따른 물질 검출 소자(1)에 의한 화학 물질의 검출 동작에 대해서 설명한다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 신호 처리 회로(20)는 구동 전극(16)에 대해서 임의의 주파수의 정현파 형상의 전압 신호의 출력을 개시한다. 이에 의해, 도 9에 도시되는 바와 같이, 시점(t1)에 있어서, 비임(4)의 진동이 개시된다. 이 진동에 의해, 측정 전에 물질 흡착막(5A, 5B)에 흡착하여 있던 구성 물질이 이탈하고, 물질 흡착막(5A, 5B)이 초기화된다. 시점(t1)으로부터 시점(t2)까지를 물질 흡착막(5A)의 초기화를 실행하는 초기화 기간(T1)으로 한다.
시점(t2)을 경과해도, 신호 처리 회로(20)는 비임(4)의 진동을 계속하고 있다. 시점(t2)으로부터 시점(t3)까지의 기간(T2)에 있어서, 화학 물질의 검출이 실행된다. 기체 중에 포함될 수 있는 여러 가지 화학 물질의 검출을 실행하기 위해, 시점(t2)에 있어서, 물질 검출 소자(1)는 기체의 흐름 안에 놓여진다. 이에 의해, 관통 구멍(3)을 통과하는 기체에 포함되는 화학 물질을 구성하는 구성 물질의 검출이 개시된다. 본 명세서에서, 구성 물질이 흡착되는 물질 흡착막(5A, 5B)을 지지하는 비임(4)은, 관통 구멍(3)의 전체를 폐색하는 것이 아니라, 관통 구멍(3)의 일부를 폐색하고 있다. 따라서, 비임(4)은 검출 대상의 화학 물질을 포함하는 기체가 관통 구멍(3) 내에 체류하는 것을 방지하여, 그 기체가 관통 구멍(3)을 빠져나가기 쉽게 하고 있다.
기간(T2)에 있어서, 신호 처리 회로(20)는 관통 구멍(3)의 검출 전극(17A, 17B)으로부터 출력되는 전압 신호를, 검출 신호선(22A, 22B)을 거쳐서 입력하고, 입력된 전압 신호에 근거하여, 비임(4)의 진동 주파수의 변화, 즉, 그 비임(4)에 대응하는 물질 흡착막(5A, 5B)으로의 구성 물질의 흡착을 검출한다.
시점(t3)이 되면, 물질 검출 소자(1)는 기체의 흐름 중에서 제거된다. 이에 의해, 화학 물질의 검출이 종료한다. 그러나, 시점(t3)으로부터 시점(t4)까지의 기간(T3)에서는, 신호 처리 회로(20)는 비임(4)의 진동을 계속한다. 이에 의해, 구성 물질이 물질 흡착막(5A, 5B)으로부터 이탈한다. 시점(t4)에 있어서, 물질 검출 소자(1)의 처리가 종료한다.
다시 화학 물질의 검출을 실행하는 경우에는, 기간(T1 내지 T3)의 동작을 반복한다.
본 실시형태에 의하면, 화학 물질이 포함되는 기체가 통과하는 비임(4)에 물질 흡착막(5A, 5B)이 마련되어 있고, 검출 대상의 화학 물질이 포함되는 기체가 물질 흡착막(5A, 5B)의 주위를 통과하기 쉽게 구성하고 있으므로, 보다 효율적으로 화학 물질을 검출할 수 있다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 물질이 부착함으로써 비임(4)의 진동 주파수를 변화시키는 물질 흡착막(5A, 5B)과, 비임(4)의 진동 주파수에 관한 정보를 검출하는 검출 전극(17A, 17B)이 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련되어 있다. 이에 의해, 물질 흡착막(5A, 5B)으로의 물질의 부착에 의한 비임(4)의 진동 주파수의 변화가 큰 위치에서, 비임(4)의 진동 주파수에 관한 정보를 감도 좋게 검출할 수 있으므로, 보다 효율적으로 물질을 검출할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 1개의 관통 구멍에 대하여, 2종류의 물질의 검출이 가능하게 되기 때문에, 동일 종류의 물질을 검출 가능한 장치의 사이즈를 소형화할 수 있다. 반대로 말하면, 장치의 사이즈를 동일하게 한 채로, 검출 가능한 물질의 종류를 늘릴 수 있다.
또한, 물질 흡착막(5A, 5B)과, 검출 전극(17A, 17B)의 위치는 다소 어긋나 있어도 좋다. 그 편차량이 물질 흡착막끼리, 검출 전극끼리의 거리보다 무시할 수 있는 정도로 작으면 좋다. 또한, 물질 흡착막끼리, 검출 전극끼리의 거리가 진동 주파수의 변화를 개별적으로 검출 가능한 거리 이상이면, 동일 비임에 3개 이상의 물질 흡착막 및 검출 전극의 세트를 배치하도록 해도 좋다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 구동 전극(16)이 마련된 제 1 비임(4A)의 폭을, 검출 전극(17A, 17B)이 마련된 제 2 비임(4B)의 폭보다 넓게 하였다. 이와 같이 하는 쪽이 비임(4)의 변위를 크게 하여, 검출되는 전압 신호의 레벨을 크게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 1 비임(4A)의 폭이 제 2 비임(4B)의 폭보다 넓어지도록 설정되어 있었다. 그렇지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 제 1 비임(4A)의 폭(단변 방향의 길이)과, 제 2 비임(4B)의 폭(단변 방향의 길이)은 동일해도 좋다. 또한, 관통 구멍(3)의 직경을 짧게 하여, 제 1 비임(4A)의 길이를 단축해도 좋다. 이와 같이 하면, 비임(4) 전체의 진동 주파수를 보다 높게 설정하여 외부로부터의 진동의 영향을 줄일 수 있고, 흡착한 구성 물질의 단위 중량 당 비임(4)의 진동 주파수의 변화량을 크게 하여, 구성 물질의 흡착의 검출 정밀도를 향상할 수 있다.
또한, 비임(4)의 폭, 길이에 대해서는, 기체의 흐름에 필요한 관통 구멍(3)의 크기와의 관계에 있어서 정해지는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태에서는, 비임(4)은 적어도 2개소에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정되어 있다. 이와 같이 하면, 외팔보의 비임(4)에 비해, 비임(4)을 안정하여 보지할 수 있고, 비임(4)의 진동 주파수를 높게 할 수 있다.
또한, 비임(4)에 있어서의 구동 전극(16), 검출 전극(17A, 17B) 및 물질 흡착막(5A, 5B)의 배치는, 본 실시형태에 따른 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 10a 및 도 10b에 도시되는 바와 같이, 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트와, 물질 흡착막(5B) 및 검출 전극(17B)의 세트가 제 2 비임(4B)이 아닌, 제 1 비임(4A)에 마련되어 있어도 좋다. 즉, 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)이 교차하는 부분에서 바라볼 때 제 1 비임(4A)의 양측에, 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5A)과 검출 전극(17A)의 세트, 물질 흡착막(5B)과 검출 전극(17B)의 세트가 마련되어 있다.
또한, 도 11a 및 도 11b에 도시되는 바와 같이, 구동 전극(16)이 제 1 비임(4A) 및 제 2 비임(4B)의 중앙에 1개만 마련되어 있어도 좋다. 즉, 구동 전극(16)이 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)이 교차하는 부분에 마련되어 있도록 해도 좋다. 본 구동 전극(16)에 전압 신호를 가하면, 제 1 비임(4A) 및 제 2 비임(4B)을 진동시킬 수 있다.
또한, 도 12a 및 도 12b에 도시되는 바와 같이, 비임(4)은 장변 방향의 양단에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정된 일방향으로 연장될 뿐인 것이어도 좋다. 본 경우, 구동 전극(16)은 비임(4)의 중앙에 마련되어 있고, 비임(4)의 중앙에서 바라볼 때 양측에, 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트, 물질 흡착막(5B) 및 검출 전극(17B)의 세트가 마련되도록 하면 좋다.
또한, 도 13a 및 도 13b에 도시되는 바와 같이, 비임(4)은 장변 방향의 양단에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정된 일방향으로 연장될 뿐인 것인 경우, 구동 전극(16)이 비임(4)의 양단에 마련되어 있어도 좋다. 또한, 비임(4)의 중앙에서 바라볼 때 양측에, 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트, 물질 흡착막(5B) 및 검출 전극(17B)의 세트가 마련되어 있어도 좋다.
상술 중에서는, 도 11a 및 도 11b에 도시되는 배치에 있어서, 검출 전극(17A, 17B)으로부터 출력되는 전압의 레벨이 가장 커졌다. 즉, 구동 전극(16)이 비임(4)의 중앙에 장착되고, 폭이 두꺼운 제 1 비임(4A)에 검출 전극(17A, 17B)이 배치되는 경우의 전압 레벨이 최대가 되었다.
또한, 도 14a 및 도 14b에 도시되는 바와 같이, 비임(4)이 제 1 비임(4A) 및 제 2 비임(4B)을 구비하고, 구동 전극(16)이 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)이 교차하는 부분에 마련되어 있어도 좋다. 또한, 본 경우, 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)이 교차하는 부분에서 바라볼 때 제 1 비임(4A)의 양측에, 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트, 물질 흡착막(5B) 및 검출 전극(17B)의 세트가 마련되고, 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)이 교차하는 부분에서 바라볼 때 제 2 비임(4B)의 양측에, 비임(4)의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 물질 흡착막(5C) 및 검출 전극(17C)의 세트, 물질 흡착막(5D) 및 검출 전극(17D)의 세트가 마련되도록 해도 좋다. 물질 흡착막(5A 내지 5D)이 흡착하는 물질이 모두 상이하도록 하면, 1개의 관통 구멍(3)에 대해서, 4종류의 물질을 검출하는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 15에 도시되는 바와 같이, 비임(4)은 외팔보 비임이어도 좋다. 본 경우에는, 비임(4)의 폭을 넓게 하거나, 두께를 크게 하여, 비임(4)의 진동 주파수를 높게 하는 것이 바람직하다. 또한, 구동 전극(16)은 비임(4)의 일단(관통 구멍(3)의 가장자리에 고정되어 있는 일단)에 배치하고, 검출 전극(17A)은 비임(4)의 중앙에 배치할 수 있다. 물질 흡착막(5A)은 검출 전극(17A)의 이측(裏側)에 마련되어 있다.
또한, 도 16에 도시되는 바와 같이, 비임(4)이 장변 방향의 양단에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정된 1개만인 경우, 비임(4)의 양단에 구동 전극(16)이 마련되고, 비임(4)의 중앙에 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트가 마련되어 있는 것만으로도 좋다.
또한, 도 17에 도시되는 바와 같이, 3개소에서 관통 구멍(3)의 가장자리에 고정되는 비임(4)을 이용해도 좋다. 본 경우, 비임(4)이 교차하는 위치에 구동 전극(16)을 배치하고, 비임(4)의 3개의 비임에 물질 흡착막(5A) 및 검출 전극(17A)의 세트와, 물질 흡착막(5B) 및 검출 전극(17B)의 세트와, 물질 흡착막(5C) 및 검출 전극(17C)의 세트를 배치하면 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)이 직교하여 있었다. 이와 같이 하면, 제 1 비임(4A)의 진동을, 제 2 비임(4B)이 방해하지 않도록 할 수 있다. 그렇지만, 제 1 비임(4A)과 제 2 비임(4B)은 직교하여 있을 필요는 없고, 교차하고 있으면 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 화학 물질의 검출 전 또는 후에 있어서, 그 화학 물질을 구성하는 구성 물질이 주변에 존재하지 않는 환경하에 있어서, 비임(4)을 진동시켜서, 물질 흡착막(5A, 5B)으로부터 구성 물질을 이탈하였다. 이와 같이 하면, 리프레쉬 가스를 물질 검출 소자(1)에 주거나, 히터 등의 물질 흡착막(5A, 5B)으로부터 구성 물질을 이탈시키는 수단을 물질 검출 소자(1)에 마련하거나 하는 일없이, 물질 검출 소자(1)를 재이용하는 것이 가능하게 된다. 본 결과, 물질을 검출하는 장치 전체를 심플하고 콤팩트한 것으로 할 수 있다.
비임(4)의 진동에 의한 구성 물질의 이탈은, 도 18에 도시되는 구성을 갖는 물질 검출 소자(1)에서도 가능하다. 본 물질 검출 소자(1)도, 지지 기판(2)과, 지지 기판(2)에 양단이 지지되고, 압전 소자(15)(도 5a 참조)가 마련된 판 형상의 비임(4)과, 비임(4)에 마련되고, 물질이 부착함으로써 비임(4)의 진동 주파수를 변화시키는 물질 흡착막(5E)을 구비한다. 본 물질 검출 소자(1)에서는, 물질 흡착막(5E)이 비임(4)의 일방의 면의 전면에 마련되어 있다. 게다가, 본 물질 검출 소자(1)는 압전 소자(15)에 전압을 인가하여 비임(4)을 진동시키는 구동 전극(16)(도 5a 참조)과, 비임(4)의 진동 주파수에 관한 정보를 검출하는 검출 전극(17A, 17B)(도 5b 참조)을 구비하고 있다. 구동 전극(16) 및 검출 전극(17A, 17B)은 물질 흡착막(5E)이 마련된 영역의 이측에 마련되어 있다.
도 18에 도시되는 바와 같이, 시점(t1)에 있어서, 비임(4)의 진동이 개시된다. 이 진동에 의해, 초기화 기간(T1)에 있어서, 측정 전에 물질 흡착막(5E)에 흡착하여 있던 구성 물질이 이탈하고, 물질 흡착막(5E)이 초기화된다.
시점(t2)으로부터 시점(t3)까지의 기간(T2)에 있어서, 화학 물질의 검출이 실행된다. 시점(t2)을 경과해도, 비임(4)의 진동은 계속하고 있다. 시점(t2)에 있어서, 물질 검출 소자(1)는 검출 대상이 되는 기체의 흐름 중에 놓여진다. 이에 의해, 관통 구멍(3)을 통과하는 기체에 포함되는 화학 물질을 구성하는 구성 물질이 물질 흡착막(5E)에 흡착한다.
기간(T2)에 있어서, 신호 처리 회로(20)는 검출 전극(17A, 17B)으로부터 출력되는 전압 신호를 입력하고, 입력된 전압 신호에 근거하여, 비임(4)의 진동 주파수의 변화, 즉, 그 비임(4)에 대응하는 물질 흡착막(5E)으로의 구성 물질의 흡착을 검출한다.
시점(t3)이 되면, 물질 검출 소자(1)는 기체의 흐름 중에서 제거된다. 이에 의해, 화학 물질의 검출이 종료한다. 그러나, 시점(t3)으로부터 시점(t4)까지의 기간(T3)에서는, 신호 처리 회로(20)는 비임(4)의 진동을 계속한다. 이에 의해, 구성 물질이 물질 흡착막(5E)으로부터 이탈한다.
또한, 이탈시, 구동 전극(16)은 물질 흡착막(5E)의 막 두께 방향으로 비임(4)을 진동시켜서, 구성 물질을 탈착시킨다. 이와 같이 하면, 구성 물질의 탈착 방향과 비임(4)의 진동 방향을 맞출 수 있으므로, 구성 물질을 이탈하기 쉬워진다. 이에 대해서, 수정 소자를 물질 흡착막으로 하는 QCM(Quartz Crystal Microbalance)식의 검지 디바이스에서는, 수정 소자가 막에 대해서 수평 방향으로 진동하고 있기 때문에, 진동에 의해 구성 물질이 탈착하기 어렵게 되어 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 기간(T1, T2, T3)에서, 구동 전극(16)에 부여하는 전압 신호의 주파수 및 강도를 일정하게 하였다. 그렇지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 기간(T1, T3)에서는, 구성 물질의 이탈을 촉진할 수 있다면, 전압 신호의 주파수 및 강도를 증감시키도록 해도 좋다. 예를 들어, 기간(T1, T3)에서는, 기간(T2) 때와는 상이한 전압 신호의 주파수로 해도 좋고, 또한, 기간(T2) 때와는 상이한 전기 신호의 강도로 해도 좋다.
상기 실시형태에서는, 관통 구멍(3) 및 비임(4)의 수는 7개였지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 관통 구멍(3) 및 비임(4)의 수는 6개 이하여도 좋고, 8개 이상이어도 좋다. 관통 구멍(3) 및 비임(4)의 수는 검출 대상이 되는 구성 물질의 수에 의해서 결정할 수 있다.
상기 실시형태에서는, 관통 구멍(3)은 원형이었다. 그렇지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 관통 구멍은 타원, 각형(角形)이어도 좋고, 외경이 곡선과 직선을 조합시킨 것이어도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 검출 대상이 되는 물질을, 냄새를 구성하는 화학 물질로 했지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 예를 들어, 무취이며 기체 중에 포함되는 화학 물질을 검출하도록 해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 기체 중에 포함되는 화학 물질인 것으로 했지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 액체 중의 물질의 검출에도, 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 물질 검출 소자(1)를, SOI 웨이퍼를 이용하여 제조하는 것으로 했지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 물질 검출 소자를, 다른 웨이퍼를 이용하여 제조하도록 해도 좋다.
상기 실시형태에서는, 비임(4)의 거의 전면에 하부 전극층(14) 및 압전 소자(15)를 마련하는 것으로 했지만, 본 발명은 이에는 한정되지 않는다. 구동 전극(16) 및 검출 전극(17A, 17B)이 형성된 부분에만, 하부 전극층(14) 및 압전 소자(15)를 마련하도록 해도 좋다.
본 발명은, 본 발명의 광의의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이, 여러 가지 실시형태 및 변형이 가능하게 된 것이다. 또한, 상술한 실시형태는 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 범위는 실시형태가 아닌, 특허청구범위에 의해서 나타난다. 그리고, 특허청구범위 내 및 이와 동등한 발명의 의의의 범위 내에서 실시되는 여러 가지 변형이 본 발명의 범위 내로 간주된다.
또한, 본원에 대해서는, 2018년 9월 27일에 출원된 일본 특허 출원 제 2018-182353 호 및 2019년 4월 22일에 출원된 일본 특허 출원 제 2019-80654 호를 기초로 하는 우선권을 주장하고, 본 명세서 중에 일본 특허 출원 제 2018-182353 호 및 일본 특허 출원 제 2019-80654 호의 명세서, 특허청구범위, 도면 전체를 참조로서 취입하는 것으로 한다.
본 발명은 유체 중에 포함되는 화학 물질의 검출에 적용할 수 있다.
1 : 물질 검출 소자, 2 : 지지 기판, 3 : 관통 구멍, 4 : 비임, 4A : 제 1 비임, 4B : 제 2 비임, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E : 물질 흡착막, 10 : 베이스, 11 : Si 지지층, 12 : Si 활성층, 13 : 개구, 14 : 하부 전극층, 15 : 압전 소자(피에조 소자), 16 : 구동 전극, 17A, 17B, 17C, 17D : 검출 전극, 20 : 신호 처리 회로, 21 : 구동 신호선, 22A, 22B : 검출 신호선

Claims (15)

  1. 지지 기판과,
    상기 지지 기판에 적어도 일단이 고정되고, 압전 소자가 마련된 판 형상의 비임과,
    상기 비임의 진동 주파수에 관한 정보를 검출하는 검출 전극과,
    물질이 부착함으로써 상기 비임의 진동 주파수를 변화시키는 물질 흡착막을 구비하고,
    상기 물질 흡착막과 상기 검출 전극은 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 기판에는, 관통 구멍이 마련되고,
    상기 비임은 상기 관통 구멍의 일부를 폐색하도록 상기 관통 구멍의 가장자리로부터 대향하는 가장자리를 향해 연장되는
    물질 검출 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 비임은 적어도 2개소에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정되고,
    상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막 및 상기 검출 전극의 세트가 상기 비임에 복수 마련되어 있고,
    상기 물질 흡착막이 흡착하는 물질이 상기 세트마다 상이한
    물질 검출 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비임은 그 장변 방향의 양단에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정되어 있고,
    상기 비임의 중앙에서 바라볼 때 양측에서, 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막 및 상기 검출 전극의 세트가 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압전 소자에 전압을 인가하여 상기 비임을 진동시키는 구동 전극이 상기 비임의 양단에 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 압전 소자에 전압을 인가하여 상기 비임을 진동시키는 구동 전극이 상기 비임의 중앙에 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 비임은,
    장변 방향의 양단에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정된 제 1 비임과,
    장변 방향의 양단에서 상기 관통 구멍의 가장자리에 고정되고, 상기 제 1 비임과 교차하는 제 2 비임으로 구성되는
    물질 검출 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 교차하는 부분에서 바라볼 때 상기 제 2 비임의 양측에, 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막과 상기 검출 전극의 세트가 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 교차하는 부분에서 바라볼 때 상기 제 1 비임의 양측에, 상기 비임의 표면과 이면의 동일 위치에 마련된 상기 물질 흡착막과 상기 검출 전극의 세트가 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 압전 소자에 전압을 인가하여 상기 비임을 진동시키는 구동 전극이 상기 제 1 비임의 양단에 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 압전 소자에 전압을 인가하여 상기 비임을 진동시키는 구동 전극이 상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 교차하는 부분에 마련되어 있는
    물질 검출 소자.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 비임의 폭이 상기 제 2 비임의 폭보다 넓게 되도록 설정되어 있는
    물질 검출 소자.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 비임과 상기 제 2 비임이 직교하여 있는
    물질 검출 소자.
  14. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 구동 전극은 상기 비임을 진동시켜서 상기 물질 흡착막에 부착한 물질을 이탈시키는
    물질 검출 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 구동 전극은 상기 물질 흡착막의 막 두께 방향으로, 상기 비임을 진동시키는
    물질 검출 소자.
KR1020217007307A 2018-09-27 2019-08-02 물질 검출 소자 KR102471291B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2018-182353 2018-09-27
JP2018182353 2018-09-27
JP2019080654 2019-04-22
JPJP-P-2019-080654 2019-04-22
PCT/JP2019/030447 WO2020066295A1 (ja) 2018-09-27 2019-08-02 物質検出素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210040438A true KR20210040438A (ko) 2021-04-13
KR102471291B1 KR102471291B1 (ko) 2022-11-25

Family

ID=69949818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217007307A KR102471291B1 (ko) 2018-09-27 2019-08-02 물질 검출 소자

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11913906B2 (ko)
JP (1) JP7136219B2 (ko)
KR (1) KR102471291B1 (ko)
CN (1) CN112840197B (ko)
TW (1) TWI820185B (ko)
WO (1) WO2020066295A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009204584A (ja) 2008-02-29 2009-09-10 Hitachi Metals Ltd 化学センサデバイス、及びそれを備えた物質計測装置
US20100000292A1 (en) * 2008-07-02 2010-01-07 Stichting Imec Nederland Sensing device
JP2010117184A (ja) * 2008-11-11 2010-05-27 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 検出センサ
JP2011501158A (ja) * 2007-10-19 2011-01-06 デラウェア・キャピタル・フォーメイション・インコーポレーテッド 応力効果に基づく高感度弾性波マイクロセンサー
US20140305191A1 (en) * 2011-11-04 2014-10-16 Danmarks Tekniske Universitet Resonant fiber based aerosol particle sensor and method

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE0300375D0 (sv) * 2003-02-12 2003-02-12 Attana Ab Piezoelectric resonator
KR100613398B1 (ko) 2003-11-25 2006-08-17 한국과학기술연구원 캔틸레버 센서형 분석 시스템, 제조 방법 및 이를 이용한극미세 물질 감지 방법
JP4535502B2 (ja) * 2005-06-28 2010-09-01 日本碍子株式会社 物質検出素子
JP4530361B2 (ja) * 2005-06-29 2010-08-25 日本碍子株式会社 物質検出素子の製造方法
US7845230B2 (en) 2005-08-03 2010-12-07 Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. Concentration sensor and concentration detector
JP2007101316A (ja) * 2005-10-03 2007-04-19 Yazaki Corp ガスセンサ及びガス濃度検出装置
JP2007240252A (ja) 2006-03-07 2007-09-20 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 検出センサ、振動子
JP5019120B2 (ja) 2007-03-16 2012-09-05 独立行政法人産業技術総合研究所 検出センサ
JP2009069006A (ja) * 2007-09-13 2009-04-02 Fujifilm Corp カンチレバー型センサ、それを用いる物質検知システム及び物質検査方法
JP5083984B2 (ja) * 2008-09-24 2012-11-28 独立行政法人産業技術総合研究所 検出センサ、振動子
JP2010078334A (ja) * 2008-09-24 2010-04-08 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 検出センサ、振動子
JP2011179838A (ja) * 2010-02-26 2011-09-15 Sumitomo Electric Ind Ltd 水晶発振子センサ及びこれを用いたｑｃｍ装置
JP2011203007A (ja) 2010-03-24 2011-10-13 Olympus Corp 検出センサ、物質検出システム
JP5419767B2 (ja) * 2010-03-24 2014-02-19 オリンパス株式会社 検出センサ、物質検出方法
JP2012083338A (ja) * 2010-09-15 2012-04-26 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 振動子並びにそれを備えた発振器及びガス検出装置
JP2012220454A (ja) * 2011-04-13 2012-11-12 Olympus Corp 検出センサ、物質検出システム
US8409900B2 (en) * 2011-04-19 2013-04-02 Eastman Kodak Company Fabricating MEMS composite transducer including compliant membrane
JP2012242279A (ja) * 2011-05-20 2012-12-10 Olympus Corp 検出センサ、物質検出システム
CN102507362B (zh) * 2011-11-02 2013-08-28 上海交通大学 压电基体微固体模态谐振式爆炸物探测器
JP6392679B2 (ja) * 2015-02-09 2018-09-19 オリンパス株式会社 ガスセンサ
JP6873638B2 (ja) * 2016-09-23 2021-05-19 太陽誘電株式会社 ガスセンサ及びガス検出方法
JP6872966B2 (ja) 2017-05-10 2021-05-19 住友化学株式会社 圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有するデバイスおよび圧電膜を有するデバイスの製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011501158A (ja) * 2007-10-19 2011-01-06 デラウェア・キャピタル・フォーメイション・インコーポレーテッド 応力効果に基づく高感度弾性波マイクロセンサー
JP2009204584A (ja) 2008-02-29 2009-09-10 Hitachi Metals Ltd 化学センサデバイス、及びそれを備えた物質計測装置
US20100000292A1 (en) * 2008-07-02 2010-01-07 Stichting Imec Nederland Sensing device
JP2010117184A (ja) * 2008-11-11 2010-05-27 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 検出センサ
US20140305191A1 (en) * 2011-11-04 2014-10-16 Danmarks Tekniske Universitet Resonant fiber based aerosol particle sensor and method

Also Published As

Publication number Publication date
US11913906B2 (en) 2024-02-27
KR102471291B1 (ko) 2022-11-25
JPWO2020066295A1 (ja) 2021-08-30
TWI820185B (zh) 2023-11-01
TW202016536A (zh) 2020-05-01
WO2020066295A1 (ja) 2020-04-02
US20220042949A1 (en) 2022-02-10
CN112840197A (zh) 2021-05-25
CN112840197B (zh) 2024-04-19
JP7136219B2 (ja) 2022-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102326647B1 (ko) 물질 검출 소자
US10768507B2 (en) Vibration device and imaging device
JP5130422B2 (ja) 検出センサ
KR101516112B1 (ko) Mems 센서
JP2011117972A (ja) 振動子、振動子アレイ、及び電子機器
US8247948B2 (en) Oscillator, oscillator array and an electronic apparatus
CN103697875B (zh) 管脚式压电固体波动模态匹配陀螺
JP2007240252A (ja) 検出センサ、振動子
KR102471291B1 (ko) 물질 검출 소자
JP2023543012A (ja) 励起素子
JP6863516B2 (ja) 物質検出素子
Heidari et al. Developing high sensitivity biomass sensor using lamé mode square resonator
JP6001342B2 (ja) 振動検出素子およびそれを用いた検出素子
JP3473241B2 (ja) 振動ジャイロおよび振動ジャイロの製造方法
TW202409541A (zh) 物質檢測系統
JP3819343B2 (ja) 圧電振動ジャイロ用柱状振動子およびその製造方法
JPH08278145A (ja) 圧電振動角速度計
JPH02212244A (ja) 水滴除去装置
JP2010203932A (ja) 物理量センサーおよび物理量測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant