WO2023175956A1 - 物質検出システム - Google Patents

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WO2023175956A1
WO2023175956A1 PCT/JP2022/012794 JP2022012794W WO2023175956A1 WO 2023175956 A1 WO2023175956 A1 WO 2023175956A1 JP 2022012794 W JP2022012794 W JP 2022012794W WO 2023175956 A1 WO2023175956 A1 WO 2023175956A1
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WO
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substance
gas
detection system
chamber
flow direction
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/012794
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
健治 緒方
省吾 黒木
Original Assignee
Ｉ－Ｐｅｘ株式会社
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.)
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Publication date
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Priority to PCT/JP2022/012794 priority Critical patent/WO2023175956A1/ja
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a substance detection system.
  • Patent Document 1 discloses a chemical sensor device as a substance detection system that detects a substance based on the amount of change in resonance frequency that occurs when a substance is adsorbed or desorbed from a sensitive membrane.
  • This chemical sensor device includes a plurality of oscillators, each of which is provided with a sensitive membrane that exhibits desorption properties for different substances.
  • Each vibrator includes a piezoelectric substrate, and is vibrated by applying an alternating current voltage and deforming the piezoelectric substrate. When a substance is adsorbed to or desorbed from the sensitive membrane, the resonance frequency of each vibrator changes. This allows detection of the substance.
  • this chemical sensor device it is possible to detect odors composed of multiple types of substances.
  • the odor contained in the gas is identified based on the pattern of reaction values of each sensitive membrane, that is, the composition ratio of the plurality of substances that make up the odor.
  • the smell of a gas is composed of multiple types of substances contained in the gas. Therefore, in order to accurately identify the odor of a gas, multiple substance sensors are required, each of which detects a corresponding substance. In this case, a region is required for arranging a plurality of substance sensors, and as the number of substances to be detected increases, the area of the region increases.
  • the present invention has been made under the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a substance detection system that can reduce the area of the area required to arrange a plurality of substance sensors.
  • the substance detection system includes: a chamber that restricts the inflow of the gas so that the state of the gas contained therein is in a steady state; a substance sensor that detects a substance contained in the gas contained in the chamber; a supply unit that supplies the gas to the chamber; Equipped with A plurality of the substance sensors are arranged in the direction of flow of the gas from the inlet to the outlet of the chamber.
  • substrates having communication holes are stacked such that the communication holes communicate with each other to form the chamber,
  • a plurality of the substrates are first substrates having a beam that blocks a part of the first communication hole as the communication hole,
  • the substance sensor includes: detecting the substance based on a change in vibration frequency of the beam due to reaction with the substance; It may also be a thing.
  • a plurality of the substrates excluding the first substrate are second substrates in which a second communication hole as the communication hole is formed, the second substrate and the first substrate are alternately stacked in this order in the flow direction; It may also be a thing.
  • a substance reaction film that reacts with the substance is formed on the beam,
  • the second communication hole is formed in a nozzle shape so as to cause the gas to flow out toward the substance reaction membrane. It may also be a thing.
  • the orientations of the beams when viewed in the flow direction are different between the beams adjacent to the flow direction. It may also be a thing.
  • the shape of the beam viewed in the flow direction is rotationally symmetrical with respect to the central axis of the cylindrical first communication hole, Regarding the beams adjacent to each other in the flow direction, the direction of one of the beams when viewed in the flow direction is rotated about the central axis with respect to the direction of the other beam; It may also be a thing.
  • the beam is formed in a cross shape when viewed in the flow direction, Regarding the beams adjacent to each other in the flow direction, the angle between the center line of one beam and the center line of the other beam intersect with the center axis is 45 degrees, It may also be a thing.
  • a plurality of the chambers are formed in parallel. It may also be a thing.
  • the rectifier rectifies the flow of the gas so that at least one of the flow rate and flow velocity of the gas flowing into each of the plurality of chambers is uniform. It may also be a thing.
  • the plurality of chambers are each formed to have the same shape and size, It may also be a thing.
  • the supply unit is a pump, provided at least one upstream of the inlet or downstream of the outlet; It may also be a thing.
  • the supply unit is a pump, provided both upstream of the inlet or downstream of the outlet; It may also be a thing.
  • the plurality of substance sensors arranged in the chamber include ones that detect the same substance; It may also be a thing.
  • the plurality of substance sensors arranged in the chamber each detect a different substance, It may also be a thing.
  • the substance sensor corrects the detected value based on a correction value that increases toward the flow direction. It may also be a thing.
  • a plurality of substance sensors are arranged in the direction of gas flow from the inlet to the outlet of the chamber. Therefore, the area required for arranging the plurality of substance sensors can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a substance detection system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the detailed configuration of the substance detection system of FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is a perspective view of a first substrate constituting the substance detection system of FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is a perspective view of a second substrate constituting the substance detection system of FIG. 1; It is a perspective view of a rectification part.
  • FIG. 3 is a diagram of the beam seen from the outlet side.
  • FIG. 3 is a diagram of the beam seen from the inlet side.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing part 1 of another overall configuration of the substance detection system shown in FIG. 1;
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a substance detection system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the detailed configuration of the substance detection system of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a sectional view showing another overall configuration part 2 of the substance detection system in FIG. 1; 2 is a timing chart showing the operation of the substance detection system of FIG. 1.
  • FIG. FIG. 7 is a top view showing the arrangement of beams that constitute the substance detection system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the flow of gas when the beams are oriented in the same direction. It is a figure which shows the flow of gas when the direction of a beam is different.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the basic configuration of a substance detection system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an arrangement of substance sensors that detect different types of substances.
  • Embodiment 1 First, Embodiment 1 of the present invention will be described.
  • the substance detection system 1 detects substances contained in surrounding gas F.
  • the substance to be detected is a substance that makes up the odor of the gas F.
  • the substance detection system 1 detects multiple types of substances that make up the odor of the gas F.
  • the substance detection system 1 includes a chamber 2, a substance sensor 3, and a supply section 4. These constitute the basic configuration of the substance detection system 1.
  • the chamber 2 allows gas F to flow in through the inlet 2a and exhausts the gas F through the exhaust port 2b.
  • the chamber 2 is a storage chamber for the gas F that restricts the inflow of the gas F so that the state of the gas F contained therein is in a steady state.
  • the steady state refers to a state in which the flow of gas F is always the same. More specifically, the steady state refers to a state in which the flow direction, flow rate, flow rate, etc. of the gas F are within a certain range and can be considered to be the same state.
  • the gas F in the chamber 2 only needs to be in a steady state at the time of substance detection.
  • the substance sensor 3 detects a substance contained in the gas F contained in the chamber 2.
  • the substance detection system 1 includes a plurality of substance sensors 3, and each substance sensor 3 detects a different substance.
  • the plurality of substance sensors 3 are arranged in the chamber 2 in the flow direction of the gas F from the inlet 2a to the outlet 2b of the chamber 2 (hereinafter simply referred to as "flow direction").
  • the substance sensor 3 is provided in the chamber 2 in such a manner that it does not completely block the path of the gas F from the inlet 2a to the outlet 2b.
  • the supply unit 4 supplies gas F to the chamber 2.
  • the supply unit 4 is, for example, a pump.
  • gas F flows into the chamber 2 and is contained therein.
  • the plurality of substance sensors 3 detect a plurality of substances contained in the gas F, and output signals corresponding to the detection results of the substances detected by each substance sensor 3. Based on the output signal, the substances contained in the gas F are detected, and the odor of the gas F is identified based on the combination of the detected substances.
  • the substance detection system 1 is actually configured by laminating a plurality of substrates.
  • the second substrate 6 and the first substrate 5 are alternately stacked in this order in the flow direction from the inlet 2a to the outlet 2b.
  • the number of stacked layers of the second substrate 6 is three
  • the number of stacked layers of the first substrate 5 is three.
  • the first substrate 5 and the second substrate 6 are held by substrates 11 and 12 that are similarly stacked. Note that the substrates to be stacked are described as the first stage, second stage, and third stage from the inflow port 2a toward the discharge port 2b.
  • a first communication hole 5a is formed in the first substrate 5, and a second communication hole 6a is formed in the second substrate 6, as shown in FIG. has been done.
  • the first substrate 5 is viewed from the side of the discharge port 2b
  • the second substrate 6 in the first stage is viewed from the side of the discharge port 2b.
  • the second substrates 6 in the second and subsequent stages have different external shapes from the second substrates 6 in the first stage.
  • the first substrate 5 and the second substrate 6 are stacked so that the first communication hole 5a and the second communication hole 6a communicate with each other.
  • a chamber 2 is formed by the first communication hole 5a and the second communication hole 6a.
  • a sealing member (not shown) is inserted between the first substrate 5 and the second substrate 6 to prevent gas F from leaking from the chamber 2.
  • the plurality of first substrates 5 are formed with beams 7 that partially close the first communication holes 5a.
  • the substance sensor 3 is formed on the first substrate 5, and has the beam 7 as one of its constituent elements.
  • the substance sensor 3 detects a substance based on a change in the vibration frequency of the beam 7, such as a resonance frequency, due to a reaction with the substance.
  • the second communication hole 6a and the first communication hole 5a in which the beam 7 is formed are alternately stacked in three layers from the inlet 2a to the outlet 2b. (See Figure 2). Therefore, the plurality of substance sensors 3 are arranged in three rows in the flow direction from the inlet 2a to the outlet 2b of each chamber 2.
  • the position of the discharge port 2b of the chamber 2 is the position where the beam 7 corresponding to the third-stage material sensor 3 is formed.
  • the first substrate 5 is provided with a plurality of first communication holes 5a
  • the second substrate 6 is provided with a plurality of second communication holes 6a corresponding to the positions of the first communication holes 5a. It is being Therefore, by stacking the first substrate 5 and the second substrate 6, the first communication hole 5a and the second communication hole 6a communicate with each other, and a plurality of chambers 2 are formed.
  • a plurality of chambers 2 are provided in parallel.
  • the number of chambers 2 is ten.
  • the ten chambers 2 are formed so that the shape and size of the internal spaces are the same.
  • the substance detection system 1 includes a rectifier 8 that uniformly suppresses and sends the flow of gas F flowing into each of the plurality of chambers 2.
  • the rectifying section 8 is provided on the first stage second substrate 6 on which the inlet 2a of each chamber 2 is provided. Note that, in FIG. 5, the first stage second substrate 6 is viewed from the inlet 2a side, that is, the side into which the gas F flows.
  • the rectifier 8 rectifies the flow of the gas F so that at least one of the flow rate and flow velocity of the gas F flowing into each of the plurality of chambers 2 becomes uniform.
  • the rectifier 8 is provided with a groove 8a that serves as a flow path for the gas F.
  • a flow path of the rectifying section 8 is formed by bonding the surface on which the groove section 8a is formed and the substrate 10 (see FIG. 2).
  • the rectifier 8 communicates with the inlet 2a, that is, the second communication hole 6a.
  • Gas F flows into the rectifier 8 through the intake port 10a of the substrate 10 (see FIG. 2) to the position indicated by the arrow in FIG.
  • the gas F that has flowed in is sent to each second communication hole 6a via branched channels.
  • the shape of the flow path of the rectifying section 8 is designed so that the flow rate and flow velocity of the gas F supplied to each of the plurality of inflow ports 2a are the same.
  • the first communication hole 5a is formed in a cylindrical shape, and its central axis is O. Furthermore, the beam 7 formed in the first communication hole 5a is composed of a drive beam 7a and a detection beam 7b.
  • the beam 7 is viewed from the discharge port 2b side, that is, from the downstream side of the gas F, and this surface is defined as the front surface.
  • the beam 7 is viewed from the inlet 2a side, that is, from the upstream side of the gas F, and this surface is defined as the back surface.
  • the driving beam 7a and the detection beam 7b have an elongated plate shape with uniform width, and the width of the driving beam 7a is wider than the width of the detection beam 7b.
  • the drive beam 7a and the detection beam 7b are fixed to both ends of the edge of the first communication hole 5a, and are perpendicular to each other at the center thereof.
  • the shape of the beam 7 viewed in the flow direction from the inlet 2a side is rotationally symmetrical, specifically two-fold rotationally symmetrical, with respect to the central axis O of the cylindrical first communication hole 5a.
  • a lower electrode layer and a piezoelectric element layer are formed on the entire surface of the beam 7, and a drive electrode 15 and a detection electrode 16 are formed thereon.
  • the drive electrodes 15 are formed at both ends of the drive beam 7a, and the detection electrodes 16 are formed at both ends of the detection beam 7b.
  • the width of the drive electrode 15 is also wider than the width of the detection electrode 16, but these widths may be the same.
  • a substance reaction film 9 that reacts with substances is formed on the entire back surface of the beam 7.
  • the weight of the substance reaction film 9 changes.
  • the vibration frequency of the beam 7 changes.
  • An example of this vibration frequency is a resonance frequency.
  • the material sensor 3 detects changes in the vibration frequency of the beam 7 based on the voltage signal between the detection electrode 16 and the lower electrode layer.
  • the material reaction film 9 does not have to be formed (coated) on the entire back surface of the beam 7.
  • the material reaction film 9 may be formed only on a part of the back surface. Further, the material reaction film 9 may be formed on the surface of the beam 7.
  • the material reaction film 9 may be formed on any of the beams 7.
  • the substance sensor 3 detects the amount of substance based on the magnitude of change in the vibration frequency of the beam 7.
  • the second communication hole 6a of the second substrate 6 is formed in a nozzle shape so that the gas F flows out toward the material reaction membrane 9. This makes it possible to increase the amount of gas F that hits the substance reaction membrane 9, thereby increasing the substance detection sensitivity.
  • the supply section 4 is provided on the side of the discharge port 2b. However, it is not limited to this. As shown in FIG. 7, the supply section 4 may be provided both upstream of the inlet 2a and downstream of the outlet 2b of the chamber 2, or as shown in FIG. may be provided upstream of the inlet 2a of the chamber 2.
  • the substance detection system 1 further includes a gas intake section 20, an environmental sensor 21, a gas discharge section 22, and an external casing 23.
  • a supply section 4 is incorporated in the gas intake section 20.
  • the supply unit 4 draws gas F from the outside into an internal space communicating with the intake port 10a (see FIG. 2) of the substrate 10.
  • a relaxation board 25 is provided in the internal space. The relaxation board 25 relieves the flow of the gas F drawn in from the supply section 4 and stabilizes the flow rate and flow rate.
  • the gas F sent to the internal space of the gas intake section 20 is sent to each chamber 2 via the intake port 10a of the substrate 10 and the rectification section 8 (see FIG. 5).
  • Gas F entering the chamber 2 from the inlet 2a of each chamber 2 passes through three stages of substance sensors 3 (beams 7) and is discharged from the outlet 2b of each chamber 2.
  • the supply section 4 can also be incorporated into the gas discharge section 22.
  • the supply unit 4 discharges the gas F discharged from the discharge port 2b of each chamber 2 to the outside.
  • An environmental sensor 21 is provided directly above the discharge port 2b. Environmental information about the drawn gas F, such as temperature and humidity, is detected by the environmental sensor 21. The environmental information detected by the environmental sensor 21 is used to correct the amount of substance detected by the substance sensor 3, etc.
  • the external housing 23 accommodates and holds the gas intake section 20, the substrates 10, 11, 12, the first substrate 5, the second substrate 6, and the gas discharge section 22.
  • the supply unit 4 starts drawing in the gas F. From this time t1, gas F flows into each chamber 2 via the rectifier 8. At time t2 after driving time T has elapsed from time t1, the supply unit 4 ends blowing the gas F. At this point, the gas F in each chamber 2 is in a steady state.
  • each substance sensor 3 detects the substance contained in the gas F based on the voltage signal between the detection electrode 16 and the lower electrode layer, that is, the signal indicating the change in the vibration frequency of the beam 7. To detect.
  • a detection pattern for the amount of substance contained in the gas F can be obtained. Since this detection pattern is equal to the proportion of the substances constituting the odor contained in the gas F, it is possible to accurately identify the odor composed of the detected substances.
  • the amount of the substance is corrected based on the environmental information detected by the environmental sensor 21, if necessary.
  • Embodiment 2 Next, a second embodiment of the present invention will be described.
  • the configuration of the substance detection system 1 according to this embodiment is the same as the configuration of the substance detection system 1 according to the above embodiment except for the direction of the beam 7.
  • the orientations of the beams 7 when viewed from the inflow port 2a side in the flow direction are different between beams 7 adjacent to each other in the flow direction.
  • the beam 7 visible from the inlet 2a side is shown by a solid line
  • the beam 7 adjacent to the lower stage of the beam 7 shown by the solid line is shown by a broken line.
  • the beams 7 when viewed from the inlet 2a side, are arranged so that the overlapping portions of adjacent beams 7 in the flow direction from the inlet 2a to the outlet 2b are reduced.
  • the orientation of one beam 7 when viewed in the flow direction is rotated about the central axis O of the first communication hole 5a with respect to the orientation of the other beam 7.
  • the beam 7 is formed in a cross shape when viewed from the inflow port 2a side in the flow direction. Furthermore, when viewed in the flow direction from the inlet 2a side, the center line CL1 of one beam 7 and the center line CL2 of the other beam 7, as shown in FIG.
  • the angle at which it intersects with the central axis O is 45 degrees.
  • the directions of adjacent beams 7 in the flow direction may be changed.
  • the orientation of every other beam 7 may be the same.
  • Embodiment 3 Next, a third embodiment of the present invention will be described.
  • the configuration of the substance detection system 1 according to this embodiment can be the same as the configuration of the substance detection system 1 according to the first and second embodiments.
  • the substances detected by the plurality of substance sensors 3 arranged in each chamber 2 were all different. However, in this embodiment, the substances detected by the plurality of substance sensors 3 arranged in each chamber 2 are the same.
  • the substance detection system 1 has two chambers 2A and 2B as the chambers 2. Furthermore, three stages of substance sensors 3A1, 3A2, and 3A3 as substance sensors 3 are arranged in the chamber 2A. Within the chamber 2A, the substance sensors 3A1, 3A2, and 3A3 are arranged in this order in the flow direction from the inlet 2a to the outlet 2b. Further, three stages of substance sensors 3B1, 3B2, and 3B3 as the substance sensor 3 are arranged in the chamber 2B. In the chamber 2B, the substance sensors 3B1, 3B2, and 3B3 are arranged in this order in the flow direction from the inlet 2a to the outlet 2b.
  • the substance sensors 3A1, 3A2, and 3A3 detect the same substance A.
  • the substance sensors 3B1, 3B2, and 3B3 detect the same substance B. In this way, by arranging the substance sensors 3A1 to 3A3 and substance sensors 3B1 to 3B3 that detect the same substances A and B in the same chambers 2A and 2B, omission of detection of substances A and B can be prevented. Detection accuracy can be improved.
  • the detected amount of substance A decreases in the order of substance sensors 3A1, 3A2, and 3A3. Therefore, the amount of substance A detected by substance sensors 3A2 and 3A3 may be corrected.
  • the detected amount of substance B decreases in the order of substance sensors 3B1, 3B2, and 3B3. Therefore, the amount of substance B detected by substance sensors 3B2 and 3B3 may be corrected.
  • the substance sensors 3A1 to 3A3 can correct their detected values based on correction values that increase from the inlet 2a to the outlet 2b, that is, in the flow direction. . The same applies to the substance sensors 3B1 to 3B3.
  • the correction values of the substance sensors 3A2 and 3A3 can be set to 1.14 and 1.33, respectively.
  • the value obtained by multiplying the detection value of the substance sensor 3A2 by a correction value of 1.14 is the final detection value of the substance sensor 3A2
  • the value obtained by multiplying the detection value of the substance sensor 3A3 by a correction value of 1.33 is set as the final detection value of the substance sensor 3A2. This can be the final detected value of the sensor 3A3.
  • the plurality of substance sensors 3 arranged in the chamber 2 may include a mixture of substances that detect the same substance and substances that detect different substances. That is, the plurality of substance sensors 3 arranged in the chamber 2 may include ones that detect the same substance, or the plurality of substance sensors 3 arranged in the chamber 2 may each detect different substances. It may also include something that detects.
  • the correction values of the second-stage material sensor 3D and the third-stage material sensor 3E can be set to 1.14 and 1.33, respectively.
  • the value obtained by multiplying the detection value of the second stage substance sensor 3D by the correction value 1.14 is the final detection value of that substance sensor 3D, and the detection value of the substance sensor 3E is multiplied by the correction value 1.33.
  • the obtained value can be used as the final detected value of the substance sensor 3E.
  • the detection value of the first-stage material sensor 3C is 40
  • the detection value remains as 40
  • the detection value of the second-stage material sensor 3D is 50
  • the detection value is corrected to 57.
  • the detected value of the third stage substance sensor 3E is 10
  • the detected value is corrected to 13.3.
  • the substance sensors 3 (3C, 3D, 3E) can correct the detected values based on correction values that increase in the flow direction.
  • the substance sensors 3 that detect the same substance do not need to be in the same chamber 2. If it is known which substance the detection results of the plurality of substance sensors 3 correspond to, the arrangement of the substance sensors 3 can be set freely.
  • a plurality of substance sensors 3, each detecting a different substance are arranged in the flow direction from the inlet 2a of the chamber 2 to the outlet 2b. Therefore, the area required for arranging the substance sensor 3 can be reduced.
  • the number of substance sensors 3 arranged along the flow direction from the inlet 2a to the outlet 2b is three.
  • the number of substance sensors 3 arranged may be two, or four or more.
  • the plurality of first substrates 5 form the beams 7 that partially block the first communication holes 5a, and the substance sensor 3 detects vibrations of the beams 7 due to reaction with the substance. It is assumed that substances are detected based on changes in frequency. In this way, the gas F is sent in the flow direction from the inlet 2a toward the outlet 2b, and along the way, a plurality of substance sensors 3 are arranged to detect different substances contained in the gas F. Can be built. Moreover, by employing such a configuration, the substance detection system 1 can be made small and thin.
  • a plurality of second substrates 6 excluding the first substrate 5 are substrates in which the second communication hole 6a is formed, and the second substrates 6 are the substrates on the side of the inlet 2a.
  • the second substrate 6 and the first substrate 5 are alternately stacked in this order in the flow direction when viewed from above. In this way, it is possible to uniformize the way in which the gas F is exposed to the area around the beam 7 formed in the first communication hole 5a. In this way, the second substrate 6 is stacked in front of the first substrate 5, and the chambers 2 are stacked. However, if the way the gas F hits each beam 7 can be made sufficiently uniform, the second substrate 6 may be omitted.
  • the beam 7 is formed with a substance reaction film 9 that reacts with a substance
  • the second communication hole 6a is a nozzle so that the gas F flows out toward the substance reaction film 9. It is formed in the shape of In this way, the substance reaction film 9 and the substance react more easily, so that the detection sensitivity of the substance can be improved.
  • the orientations of the beams 7 when viewed from the inlet 2a side in the flow direction are different between beams 7 adjacent to each other in the flow direction.
  • the gas F also hits the vicinity of the downstream substance sensor 3, making it easier for substances to adhere to the substance reaction membrane 9, thereby increasing the substance detection sensitivity.
  • the shape of the beam 7 viewed from the inflow port 2a side in the flow direction is rotationally symmetrical with respect to the central axis O of the cylindrical first communication hole 5a, and Regarding beams 7 adjacent to each other in the flow direction when viewed from the inlet 2a side in the flow direction, the orientation of one beam 7 when viewed from the inlet 2a side in the flow direction is relative to the orientation of the other beam 7.
  • the first communication hole 5a is rotated about the central axis O of the first communication hole 5a. In this way, the gas F tends to remain near the substance sensor 3 downstream, and the substance tends to adhere to the substance reaction film 9, so that the detection sensitivity of the substance can be increased.
  • the beam 7 is formed in a cross shape when viewed from the inflow port 2a side in the flow direction. Furthermore, when viewed in the flow direction from the inlet 2a side, the angle at which the center line CL1 of one beam 7 intersects with the center line CL2 of the other beam 7 at the center axis is 45 degrees. (See Figure 10). In this way, the amount of gas F that temporarily stays near the substance sensor 3 can be maximized. Note that the rotation angle does not necessarily have to be 45 degrees.
  • a plurality of chambers 2 are formed in parallel.
  • the substance sensors 3 can be arranged in parallel and in series.
  • the number of chambers 2 is 10
  • the number of substance sensors 3 arranged is 3
  • the total number of substance sensors 3 is 30.
  • the number of chambers 2 may be six and the number of substance sensors 3 arranged may be five, or the number of chambers 2 may be fifteen and the number of substance sensors 3 arranged is two.
  • the length, width, and height of the substance detection system 1 can be adjusted to suit the intended use. I can do it.
  • the rectifier 8 is provided that uniformly suppresses and sends the flow of the gas F flowing into each of the plurality of chambers 2. In this way, the flow of gas F sent to each chamber 2 can be made constant, so it is possible to suppress variations in the detection sensitivity of each substance sensor 3.
  • the rectifier 8 rectifies the flow of the gas F so that at least one of the flow rate and flow velocity of the gas F flowing into each of the plurality of chambers 2 becomes uniform. In this way, the degree to which the gas F hits each substance sensor 3 can be made uniform.
  • the plurality of chambers 2 are formed to have the same shape and size. In this way, variations in the detection sensitivity of each substance sensor 3 can be suppressed.
  • the supply section 4 is a pump, and is provided at least one of the upstream side of the inlet port 2a and the downstream side of the outlet port 2b.
  • the arrangement of the supply section 4 may be determined depending on the thickness required for the substance detection system 1 or the degree of variation in detection by the plurality of substance sensors 3. Further, the supply section 4 may be provided for each chamber 2.
  • the beam 7 has a cross shape in which the drive beam 7a and the detection beam 7b are orthogonal to each other.
  • the drive beam 7a and the detection beam 7b intersect with each other.
  • the drive beam 7a and the detection beam 7b may have the same width, or the width of the drive beam 7a may be narrower than the width of the detection beam 7b.
  • the drive electrode 15 may be provided at one end of the drive beam 7a, and the detection electrode 16 may be provided at one end of the detection beam 7b.
  • the widths of the drive electrode 15 and the detection electrode 16 may be the same.
  • the beam 7 does not have to be cross-shaped.
  • the beam 7 may be a single elongated beam fixed at both ends to the edge of the first communication hole 5a.
  • the drive electrode 15 and the detection electrode 16 may be provided in parallel at both ends or one end of the beam.
  • the first communication hole 5a has a cylindrical shape.
  • the shape of the first communicating hole 5a may be a polygon with a rectangular cross section, or may have a cross section of another shape.
  • the shape of the second communication hole 6a is a nozzle shape.
  • the shape of the second communicating hole 6a may be cylindrical, polygonal with a rectangular cross section, or may have a cross section of another shape.
  • the substance detection system 1 can be housed in a small electronic device because the mounting area of the substance sensor 3 can be reduced and the entire system can be made smaller and thinner. It is.
  • the substance detection system 1 can be incorporated into information devices such as smartphones.
  • the present invention can be applied to detecting substances contained in gas.
  • 1 substance detection system 2, 2A, 2B chamber, 2a inlet, 2b outlet, 3, 3A1, 3A2, 3A3, 3B1, 3B2, 3B3, 3C, 3D, 3E substance sensor, 4 supply unit, 5 first Substrate, 5a first communication hole, 6 second substrate, 6a second communication hole, 7 beam, 7a drive beam, 7b detection beam, 8 rectifier, 8a groove, 9 material reaction membrane, 10 substrate, 10a removal Inlet, 11, 12 substrate, 15 drive electrode, 16 detection electrode, 20 gas intake section, 21 environment sensor, 22 gas discharge section, 23 external casing, 25 relaxation substrate, F gas

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Abstract

物質検出システム（１）は、チャンバ（２）と、物質センサ（３）と、供給部（４）と、を備える。チャンバ（２）は、内部に収容される気体（Ｆ）の状態が定常状態となるように気体（Ｆ）の流入を制限する。物質センサ（３）は、チャンバ（２）に収容された気体（Ｆ）に含まれる物質を検出する。供給部（４）は、チャンバ（２）に気体（Ｆ）を供給する。検出する物質がそれぞれ異なる複数の物質センサ（３）が、チャンバ（２）の流入口（２ａ）から排出口（２ｂ）に向かう気体（Ｆ）の流動方向に配列されている。

Description

物質検出システム
　本発明は、物質検出システムに関する。
　特許文献１には、感応膜に対して物質が吸着又は脱離した時に生じる共振周波数の変化量に基づいて、物質を検出する物質検出システムとしての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、それぞれが異なる物質に対して脱吸着特性を示す感応膜が設けられた複数の振動子を備えている。各振動子は、圧電基板を備えており、交流電圧が印加されて圧電基板が変形することで加振される。物質が感応膜に吸着又は脱離すれば、各振動子の共振周波数が変化する。これにより、物質の検出が可能になる。
　この化学センサデバイスを用いれば、複数種類の物質から構成される匂いを検出することが可能である。各感応膜の反応値のパターン、すなわち匂いを構成する複数の物質の構成比に基づいて、気体に含まれる匂いが特定される。
特開２００９－２０４５８４号公報
　上述のように、気体の匂いは、気体に含まれる複数種類の物質で構成される。そのため、気体の匂いを正確に特定するためには、対応する物質をそれぞれ検出する複数の物質センサが必要となる。この場合、複数の物質センサを配置する領域が必要となり、検出する物質が多くなればなるほど、その領域の面積が増大するという不都合があった。
　本発明は、上記実情の下になされたものであり、複数の物質センサを配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる物質検出システムを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る物質検出システムは、
　内部に収容される気体の状態が定常状態となるように前記気体の流入を制限するチャンバと、
　前記チャンバに収容された前記気体に含まれる物質を検出する物質センサと、
　前記チャンバに前記気体を供給する供給部と、
　を備え、
　複数の前記物質センサが、前記チャンバの流入口から排出口に向かう前記気体の流動方向に配列されている。
　この場合、連通孔を有する基板が、前記連通孔が連通するように積層されて、前記チャンバが形成され、
　積層された前記基板のうち、複数の前記基板が、前記連通孔としての第１の連通孔の一部を塞ぐ梁を有する第１の基板であり、
　前記物質センサは、
　前記物質との反応による前記梁の振動周波数の変化に基づいて前記物質を検出する、
　こととしてもよい。
　　積層された前記基板のうち、前記第１の基板を除く複数の前記基板が、前記連通孔としての第２の連通孔が形成された第２の基板であり、
　前記第２の基板と前記第１の基板とが、この順に交互に前記流動方向に積層されている、
　こととしてもよい。
　前記梁には、前記物質と反応する物質反応膜が形成されており、
　前記第２の連通孔は、前記物質反応膜に向けて前記気体を流出するようにノズル状に形成されている、
　こととしてもよい。
　前記流動方向に見たときの前記梁の向きが、前記流動方向に隣接する前記梁同士で異なっている、
　こととしてもよい。
　前記流動方向に見た前記梁の形状が、円柱状の前記第１の連通孔の中心軸に対して回転対称であり、
　前記流動方向に隣接する前記梁同士について、前記流動方向に見たときの一方の前記梁の向きが他方の前記梁の向きに対して前記中心軸を中心に回転した向きにある、
　こととしてもよい。
　前記梁は、前記流動方向に見て十字状に形成され、
　前記流動方向に隣接する前記梁同士について、一方の前記梁の中心線と他方の前記梁の中心線との前記中心軸で交わる角度が４５度である、
　こととしてもよい。
　前記チャンバが、並列に複数形成されている、
　こととしてもよい。
　複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流れを一様に抑制して送る整流部を備える、
　こととしてもよい。
　前記整流部は、複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、前記気体の流れを整流する、
　こととしてもよい。
　複数の前記チャンバは、それぞれ形状及び大きさが同じとなるように形成されている、
　こととしてもよい。
　前記供給部は、ポンプであり、
　前記流入口の上流又は前記排出口の下流の少なくとも一方に設けられている、
　こととしてもよい。
　前記供給部は、ポンプであり、
　前記流入口の上流又は前記排出口の下流の両方に設けられている、
　こととしてもよい。
　前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、同じ物質を検出するものが含まれる、
　こととしてもよい。
　前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、それぞれ異なる物質を検出するものが含まれる、
　こととしてもよい。
　前記物質センサは、前記流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正する、
　こととしてもよい。
　本発明によれば、複数の物質センサが、チャンバの流入口から排出口に向かう気体の流動方向に配列されている。このため、複数の物質センサを配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる。
本発明の実施の形態１に係る物質検出システムの基本構成を示す模式図である。 図１の物質検出システムの詳細な構成を示す断面図である。 図１の物質検出システムを構成する第１の基板の斜視図である。 図１の物質検出システムを構成する第２の基板の斜視図である。 整流部の斜視図である。 排出口の側から見た梁の図である。 流入口の側から見た梁の図である。 図１の物質検出システムの他の全体構成その１を示す断面図である。 図１の物質検出システムの他の全体構成その２を示す断面図である。 図１の物質検出システムの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る物質検出システムを構成する梁の配置を示す上面図である。 梁の向きが揃っていたときの気体の流れを示す図である。 梁の向きが異なっていたときの気体の流れを示す図である。 本発明の実施の形態３に係る物質検出システムの基本構成を示す模式図である。 異なる種類の物質を検出する物質センサの配列を示す模式図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。
実施の形態１
　まず、本発明の実施の形態１について説明する。図１に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、周囲の気体Ｆに含まれる物質を検出する。検出対象となる物質は、気体Ｆの匂いを構成する物質である。物質検出システム１は、気体Ｆの匂いを構成する複数種類の物質を検出する。物質検出システム１は、チャンバ２と、物質センサ３と、供給部４と、を備える。これらが物質検出システム１の基本構成となる。
　チャンバ２は、流入口２ａから気体Ｆを流入するとともに排出口２ｂから気体Ｆを排出する。チャンバ２は、内部に収容される気体Ｆの状態が定常状態となるように気体Ｆの流入を制限する気体Ｆの収容室である。ここで、定常状態とは、気体Ｆの流れが常に同じである状態をいう。より具体的には、定常状態とは、気体Ｆの流れの方向、流速及び流量などが一定範囲内にあり、同じ状態であるとみなすことができる状態をいう。チャンバ２内の気体Ｆは、物質の検出時に定常状態であればよい。
　物質センサ３は、チャンバ２に収容された気体Ｆに含まれる物質を検出する。物質検出システム１は、物質センサ３を複数備えており、各物質センサ３が、それぞれ異なる物質を検出する。複数の物質センサ３は、チャンバ２内において、チャンバ２の流入口２ａから排出口２ｂに向かう気体Ｆの流動方向（以下、単に「流動方向」とする）に配列されている。物質センサ３は、それ自体が、流入口２ａから排出口２ｂまでの気体Ｆの通り道を完全に塞ぐことのない状態でチャンバ２内に設けられている。
　供給部４は、チャンバ２に気体Ｆを供給する。供給部４は、例えばポンプである。供給部４が稼働すると、チャンバ２内に気体Ｆが流入し、収容される。これにより、複数の物質センサ３が、気体Ｆに含まれる複数の物質を検出し、各物質センサ３が検出した物質の検出結果に相当する信号を出力する。出力された信号に基づいて、気体Ｆに含まれる物質が検出され、検出された物質の組み合わせに基づいて、気体Ｆの匂いが特定される。
　物質検出システム１の詳細な構成について説明する。図２に示すように、実際には、物質検出システム１は、複数の基板が積層されて構成されている。具体的には、物質検出システム１では、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に、第２の基板６と第１の基板５とが、この順に交互に積層されて構成されている。本実施の形態では、第２の基板６の積層数は３であり、第１の基板５の積層数は３である。第１の基板５及び第２の基板６は、同様に積層される基板１１，１２によって保持されている。なお、積層される基板は、流入口２ａから排出口２ｂに向かって、１段目、２段目、３段目と記載する。
　図３に示すように、第１の基板５には、第１の連通孔５ａが形成されており、図４に示すように、第２の基板６には、第２の連通孔６ａが形成されている。図３では、第１の基板５を排出口２ｂの側から見ており、図４では、１段目の第２の基板６を排出口２ｂの側から見ている。なお、２段目以降の第２の基板６は１段目の第２の基板６と外形が異なる。図２に示すように、第１の基板５と、第２の基板６とは、第１の連通孔５ａと第２の連通孔６ａが連通するように積層されている。第１の連通孔５ａと第２の連通孔６ａとでチャンバ２が形成される。第１の基板５と第２の基板６との間には、チャンバ２から気体Ｆが漏れないようにシール部材（不図示）が挿入されている。
　図３に示すように、複数の第１の基板５には、第１の連通孔５ａの一部を塞ぐ梁７が形成されている。物質センサ３は、第１の基板５に形成されており、梁７をその構成要素の１つとしている。物質センサ３は、物質との反応による梁７の振動周波数、例えば共振周波数の変化に基づいて物質を検出する。
　このように、チャンバ２内では、流入口２ａから排出口２ｂに向かって第２の連通孔６ａと、梁７が形成された第１の連通孔５ａとが交互に３層ずつ積層された構成となっている（図２参照）。したがって、複数の物質センサ３は、各チャンバ２の流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に３列に配列された構成となっている。なお、図２では、チャンバ２の排出口２ｂの位置は、３段目の物質センサ３に対応する梁７が形成された位置となっている。
　第１の基板５には、第１の連通孔５ａが複数設けられており、第２の基板６には、第２の連通孔６ａが、第１の連通孔５ａの位置に合わせて複数設けられている。したがって、第１の基板５と第２の基板６とを積層することにより、第１の連通孔５ａと第２の連通孔６ａとが連通して、複数のチャンバ２が形成される。物質検出システム１では、複数のチャンバ２が並列に設けられている。本実施の形態では、チャンバ２の数は１０となっている。１０個のチャンバ２は、内部空間の形状及び大きさが同じとなるように形成されている。
　物質検出システム１は、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流れを一様に抑制して送る整流部８を備える。図５に示すように、整流部８は、各チャンバ２の流入口２ａが設けられた１段目の第２の基板６に設けられている。なお、図５は、１段目の第２の基板６を流入口２ａの側、すなわち気体Ｆが流入する側から見ている。
　整流部８は、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、気体Ｆの流れを整流する。整流部８には、気体Ｆの流路となる溝部８ａが設けられている。この溝部８ａが形成された面と、基板１０（図２参照）とを貼り合わせることによって、整流部８の流路が形成される。
　図５に示すように、整流部８は、流入口２ａ、すなわち第２の連通孔６ａに連通している。整流部８には、基板１０の取入口１０ａ（図２参照）を介して、図５の矢印で示す位置に、気体Ｆが流入する。整流部８において、流入した気体Ｆは、枝分かれした流路を介して、各第２の連通孔６ａに送られる。整流部８の流路の形状は、複数の流入口２ａそれぞれに供給される気体Ｆの流量及び流速が同じとなるように設計されている。
　図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第１の基板５において、第１の連通孔５ａは、円柱状に形成されており、その中心軸をＯとする。また、第１の連通孔５ａに形成された梁７は、駆動梁７ａと検出梁７ｂとで構成されている。図６Ａは、排出口２ｂの側、すなわち気体Ｆの下流側から梁７を見ており、この面を表面とする。また、図６Ｂは、流入口２ａの側、すなわち気体Ｆの上流側から梁７を見ており、この面を裏面とする。
　図６Ａに示すように、駆動梁７ａ及び検出梁７ｂの形状は、幅が均一で細長板状であり、駆動梁７ａの幅は、検出梁７ｂの幅よりも広くなっている。駆動梁７ａと検出梁７ｂとは、第１の連通孔５ａの縁の両端に固定されており、その中央で互いに直交している。流入口２ａの側から流動方向に見た梁７の形状は、円柱状の第１の連通孔５ａの中心軸Ｏに対して回転対称、具体的には２回回転対称となっている。
　梁７には、下部電極層と、圧電素子層とが表面全体に形成されており、その上に駆動電極１５と、検出電極１６とが形成されている。駆動電極１５は、駆動梁７ａの両端に形成されており、検出電極１６は、検出梁７ｂの両端に形成されている。駆動梁７ａ及び検出梁７ｂの幅に合わせて、駆動電極１５の幅も、検出電極１６の幅より広くなっているが、これらの幅は同じであってもよい。
　駆動電極１５と下部電極層との間に正弦波の電圧信号を印加すると、圧電素子層が伸縮して、駆動梁７ａが上下に振動し、その振動に伴って検出梁７ｂが振動する。検出梁７ｂが振動すると、検出電極１６と下部電極層との間の圧電素子層にその振動に応じた電圧が発生する。この電圧による信号が、梁７の振動周波数を示す信号として検出される。
　図６Ｂに示すように、梁７の裏面全体には、物質と反応する物質反応膜９が形成されている。物質反応膜９に物質が付着すると、物質反応膜９の重量が変化する。これにより、梁７の振動周波数が変化する。この振動周波数の一例が共振周波数である。物質センサ３は、検出電極１６と下部電極層との間の電圧信号に基づいて、この梁７の振動周波数の変化を検出する。なお、物質反応膜９は、梁７の裏面全体に形成（塗布）されていなくてもよい。物質反応膜９は、裏面の一部に形成されているだけでもよい。また、物質反応膜９は、梁７の表面に形成されていてもよい。物質反応膜９は、梁７のいずれかに形成されていればよい。
　物質反応膜９に付着する物質の量が増えれば増えるほど、梁７の振動周波数の変化も大きくなる。物質センサ３は、梁７の振動周波数の変化の大きさに基づいて、物質の量を検出する。
　図２に示すように、第２の基板６の第２の連通孔６ａは、物質反応膜９に向けて気体Ｆを流出するようにノズル状に形成されている。これにより、物質反応膜９に当たる気体Ｆの量を多くして、物質の検出感度を高めることが可能となる。
　また、図１では、供給部４は、排出口２ｂの側に設けられるものとしている。しかしながら、これには限られない。図７に示すように、供給部４は、チャンバ２の流入口２ａの上流及び排出口２ｂの下流の両方に設けられているようにしてもよいし、図８に示すように、供給部４は、チャンバ２の流入口２ａの上流に設けられるようにしてもよい。
　なお、図７、図８に示すように、物質検出システム１は、気体取込部２０、環境センサ２１、気体排出部２２及び外部筐体２３をさらに備える。
　気体取込部２０には、供給部４が組み込まれている。供給部４は、外部から気体Ｆを基板１０の取入口１０ａ（図２参照）に連通する内部空間に引き込む。内部空間には、緩和基板２５が設けられている。緩和基板２５は、供給部４から引き込まれた気体Ｆの流れを緩和し、流量及び流速を安定化させる。
　気体取込部２０の内部空間に送られる気体Ｆは、基板１０の取入口１０ａ、整流部８（図５参照）を介して各チャンバ２に送られる。各チャンバ２の流入口２ａからチャンバ２内に入った気体Ｆは、３段の物質センサ３（梁７）を経て、各チャンバ２の排出口２ｂから排出される。
　気体排出部２２にも供給部４を組み込むことができる。供給部４は、各チャンバ２の排出口２ｂから排出された気体Ｆを外部に排出する。排出口２ｂの直上には、環境センサ２１が設けられている。引き込まれた気体Ｆの環境情報、例えば温度、湿度が環境センサ２１によって検出される。環境センサ２１によって検出された環境情報は、物質センサ３で検出された物質の量の補正などに用いられる。
　外部筐体２３は、気体取込部２０、基板１０、１１、１２、第１の基板５、第２の基板６及び気体排出部２２を収容し、これらを保持する。
　次に、本発明の実施の形態１に係る物質検出システム１の動作について説明する。
　図９に示すように、まず、時刻ｔ１において、供給部４は、気体Ｆの引き込みを開始する。この時刻ｔ１から、気体Ｆが、整流部８を介して各チャンバ２に流入する。時刻ｔ１から駆動時間Ｔ経過後の時刻ｔ２において、供給部４は、気体Ｆの吹き込みを終了する。この時点で、各チャンバ２内の気体Ｆは、定常状態となる。
　吹き込み終了後、時刻ｔ３において、各物質センサ３は、検出電極１６と下部電極層との間の電圧信号、すなわち梁７の振動周波数の変化を示す信号に基づいて、気体Ｆに含まれる物質を検出する。複数の物質センサ３での検出結果を総合すれば、気体Ｆに含まれる物質の量の検出パターンを得ることができる。この検出パターンは、気体Ｆに含まれる匂いを構成する物質の割合に等しくなるため、検出された物質から構成される匂いを正確に特定することができる。物質の量は、必要に応じて、環境センサ２１で検出された環境情報に基づいて補正される。
実施の形態２
　次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る物質検出システム１の構成は、上記実施の形態に係る物質検出システム１の構成と梁７の向き以外は同じである。
　本実施の形態では、流入口２ａの側から流動方向に見たときの梁７の向きが、流動方向に隣接する梁７同士で異なっている。図１０では、流入口２ａの側から見える梁７が実線で示され、実線で示された梁７の下段に隣接する梁７が破線で示されている。図１０に示すように、流入口２ａの側から見たときに、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に隣接する梁７同士の重なる部分が少なくなるように、流入口２ａの側から流動方向に見たときの一方の梁７の向きが他方の梁７の向きに対して第１の連通孔５ａの中心軸Ｏを中心に回転した向きにある。
　より具体的には、梁７は、流入口２ａの側から流動方向に見て十字状に形成されている。また、流入口２ａの側から流動方向に見たときに、流動方向に隣接する梁７同士について、図１０に示すように、一方の梁７の中心線ＣＬ１と他方の梁７の中心線ＣＬ２との中心軸Ｏで交わる角度が４５度である。
　図１１Ａに示すように、流入口２ａから排出口２ｂに向かって流動方向に隣接する梁７の向きが同じである場合、上流側の第１の連通孔５ａを通過した気体Ｆの大部分は、そのまま下流側の第１の連通孔５ａを通過する。したがって、下流側の第１の連通孔５ａに設けられた物質反応膜９に当たる気体Ｆの量は少なくなる。
　一方、図１１Ｂに示すように、気体Ｆの上流側の第１の連通孔５ａを通過した気体Ｆの大部分は、下流側の第１の連通孔５ａに設けられた梁７上の物質反応膜９に当たるようになる。これにより、物質反応膜９に吸着する物質の量を多くして、下段の梁７の物質反応膜９の検出感度を高めることができる。
　なお、梁７が３段以上配列されている場合であっても、流動方向に隣接する梁７同士で向きを変えるようにすればよい。この場合、梁７の向きは１つ置きに同じであってもよい。
実施の形態３
　次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態に係る物質検出システム１の構成は、上記実施の形態１、２に係る物質検出システム１の構成と同じとすることができる。
　上記実施の形態１では、各チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３で検出される物質がすべて異なっていた。しかしながら、本実施の形態では、各チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３で検出される物質は、同じである。
　ここで、図１２に示すように、物質検出システム１が、チャンバ２として、２つのチャンバ２Ａ，２Ｂを有しているものとする。さらに、チャンバ２Ａには、物質センサ３としての３段の物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３が配列されている。チャンバ２Ａ内において物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３は、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に、この順に配列されている。また、チャンバ２Ｂには、物質センサ３としての３段の物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３が配列されている。チャンバ２Ｂ内において、物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３は、流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に、この順に配列されている。
　物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３は、同じ物質Ａを検出する。物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３は、同じ物質Ｂを検出する。このように、同じチャンバ２Ａ，２Ｂ内で同じ物質Ａ，Ｂを検出する物質センサ３Ａ１～３Ａ３、物質センサ３Ｂ１～３Ｂ３を配列するようにすれば、物質Ａ，Ｂの検出もれを防止し、検出精度を向上することができる。
　気体Ｆの流れを考慮すれば、物質Ａの検出量は、物質センサ３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３の順に少なくなる。そこで、物質センサ３Ａ２，３Ａ３で検出された物質Ａの検出量を補正するようにしてもよい。また、気体Ｆの流れを考慮すれば、物質Ｂの検出量は、物質センサ３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３の順に少なくなる。そこで、物質センサ３Ｂ２，３Ｂ３で検出された物質Ｂの検出量を補正するようにしてもよい。このように、物質検出システム１では、物質センサ３Ａ１～３Ａ３は、流入口２ａから排出口２ｂに向かうにつれて、すなわち流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正することができる。物質センサ３Ｂ１～３Ｂ３も同様である。
　例えば、１段目の物質センサ３Ａ１の感度が８０％であり、２段目の物質センサ３Ａ２の感度が７０％であり、３段目の物質センサ３Ａ３の感度が６０％であるとする。この場合、物質センサ３Ａ２，３Ａ３は、それぞれ補正値を１．１４，１．３３とすることができる。例えば、物質センサ３Ａ２の検出値に補正値１．１４を掛けた値を、物質センサ３Ａ２の最終的な検出値とし、物質センサ３Ａ３の検出値に補正値１．３３を掛けた値を、物質センサ３Ａ３の最終的な検出値とすることができる。
　もっとも、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３には、同じ物質を検出するものと、異なる物質を検出するものとが混在していてもよい。すなわち、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３には、同じ物質を検出するものが含まれるものとしてもよいし、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３には、それぞれ異なる物質を検出するものが含まれるものとしてもよい。
　例えば、図１３に示すように、チャンバ２内に配列された複数の物質センサ３（３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ）が、それぞれ異なる物質Ｃ，Ｄ，Ｅを検出する場合、物質Ｃを検出する１段目の物質センサ３Ｃの感度が８０％であり、物質Ｄを検出する２段目の物質センサ３Ｄの感度が７０％であり、物質Ｅを検出する３段目の物質センサ３Ｅの感度が６０％であるとする。この場合、２段目の物質センサ３Ｄ及び３段目の物質センサ３Ｅは、それぞれ補正値を１．１４、１．３３とすることができる。例えば、２段目の物質センサ３Ｄの検出値に補正値１．１４を掛けた値を、その物質センサ３Ｄの最終的な検出値とし、物質センサ３Ｅの検出値に補正値１．３３を掛けた値を、その物質センサ３Ｅの最終的な検出値とすることができる。例えば、１段目の物質センサ３Ｃの検出値が４０の場合には、検出値はそのまま４０となり、２段目の物質センサ３Ｄの検出値が５０の場合には、その検出値は５７に補正され、３段目の物質センサ３Ｅの検出値が１０の場合には、その検出値は、１３．３に補正される。このように、物質検出システム１では、物質センサ３（３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ）は、流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正することができる。
　なお、同じ物質を検出する物質センサ３は、同じチャンバ２内になくてもよい。複数の物質センサ３の検出結果が、どの物質の検出結果であるかがわかっていれば、物質センサ３の配置は自由に設定することが可能である。
　以上詳細に説明したように、上記実施の形態によれば、それぞれ検出する物質が異なる複数の物質センサ３が、チャンバ２の流入口２ａから排出口２ｂに向かう流動方向に配列されている。このため、物質センサ３を配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる。
　なお、上記実施の形態によれば、流入口２ａから排出口２ｂまでの流動方向に沿った物質センサ３の配列数を３つとしている。しかしながら、本発明はこれには限られない。物質センサ３の配列数は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。
　また、上記実施の形態では、複数の第１の基板５が、第１の連通孔５ａの一部を塞ぐ梁７が形成されており、物質センサ３は、物質との反応による梁７の振動周波数の変化に基づいて物質を検出するものとしている。このようにすれば、流入口２ａから排出口２ｂに向かって流動方向に気体Ｆを送るとともに、その途中で、複数の物質センサ３を配列し、気体Ｆに含まれる異なる物質を検出する仕組みを構築することができる。また、このような構成を採用することにより、物質検出システム１を小型かつ薄型なものとすることができる。
　また、上記実施の形態では、積層された基板のうち、第１の基板５を除く複数の第２の基板６が、第２の連通孔６ａが形成された基板であり、流入口２ａの側から見て流動方向に、第２の基板６と第１の基板５とが、この順に交互に積層されている。このようにすれば、第１の連通孔５ａに形成された梁７周辺の気体Ｆへの当たり方を均一化することができる。このように、第１の基板５の前段に第２の基板６が積層されてチャンバ２が積層されている。しかしながら、各梁７への気体Ｆの当たり方が十分に均一化できる場合には、第２の基板６はなくてもよい。
　また、上記実施の形態では、梁７には、物質と反応する物質反応膜９が形成されており、第２の連通孔６ａは、物質反応膜９に向けて気体Ｆを流出するようにノズル状に形成されている。このようにすれば、物質反応膜９と物質とが反応しやすくなるため、物質の検出感度を向上することができる。
　また、上記実施の形態２に係る物質検出システム１では、流入口２ａの側から流動方向に見たときの梁７の向きが、流動方向に隣接する梁７同士で異なっている。このようにすれば、下流の物質センサ３付近にも気体Ｆが当たって物質反応膜９に物質が付着しやすくなるので、物質の検出感度を高めることができる。
　また、上記実施の形態によれば、流入口２ａの側から流動方向に見た梁７の形状が、円柱状の第１の連通孔５ａの中心軸Ｏに対して回転対称であり、流入口２ａの側から流動方向に見たときに、流動方向に隣接する梁７同士について、流入口２ａの側から流動方向に見たときの一方の梁７の向きが他方の梁７の向きに対して第１の連通孔５ａの中心軸Ｏを中心に回転した向きにある。このようにすれば、下流の物質センサ３付近にも気体Ｆがとどまりやすくなり、その物質反応膜９に物質が付着し易くなるので、物質の検出感度を高めることができる。
　また、上記実施の形態によれば、梁７は、流入口２ａの側から流動方向に見て十字状に形成されている。また、流入口２ａの側から流動方向に見たときに、梁７同士で、一方の梁７の中心線ＣＬ１と他方の梁７の中心線ＣＬ２との中心軸で交わる角度が４５度である（図１０参照）。このようにすれば、物質センサ３付近に一旦とどまる気体Ｆの量を最大とすることができる。なお、必ずしも回転角度が４５度である必要はない。
　また、上記実施の形態では、チャンバ２が、並列に複数形成されている。このように、チャンバ２の数を増やすようにすれば、検出可能な物質の種類を増やすことができる。また、このようにすれば、物質センサ３を並列かつ直列に配置することができる。例えば、上記実施の形態では、チャンバ２の数を１０とし、物質センサ３の配列数を３として、物質センサ３の総数を３０個としている。この場合、チャンバ２の数を６とし、物質センサ３の配列数を５としてもよいし、チャンバ２の数を１５とし、物質センサ３の配列数を２としてもよい。このように、チャンバ２の数と、各チャンバ２の物質センサ３の配列数を調整すれば、物質検出システム１の縦、横、高さのサイズを使用用途に応じた適切なものとすることができる。
　また、上記実施の形態では、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流れを一様に抑制して送る整流部８を備える。このようにすれば、各チャンバ２に送られる気体Ｆの流れを定常的なものとすることができるので、各物質センサ３での検出感度のばらつきを抑制することが可能となる。
　また、上記実施の形態では、整流部８は、複数のチャンバ２それぞれに流入する気体Ｆの流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、気体Ｆの流れを整流する。このようにすれば、各物質センサ３への気体Ｆの当たり具合を均一化することができる。
　また、複数のチャンバ２は、それぞれ形状及び大きさが同じとなるように形成されている。このようにすれば、各物質センサ３での検出感度のばらつきを抑制することができる。
　また、上記実施の形態によれば、供給部４は、ポンプであり、流入口２ａの上流又は排出口２ｂの下流の少なくとも一方に設けられている。供給部４の配置は、物質検出システム１に求められる厚み、又は、複数の物質センサ３での検出のばらつき具合によって決定するようにしてもよい。また、供給部４は、チャンバ２毎に設けられるようにしてもよい。
　また、上記実施の形態では、梁７を、駆動梁７ａと検出梁７ｂとが直交する十字状としている。しかしながら、これには限られない。駆動梁７ａと検出梁７ｂとは交差していればよい。また、駆動梁７ａと検出梁７ｂとは、幅が同じであってもよいし、駆動梁７ａの幅が、検出梁７ｂの幅より狭くてもよい。
　また、駆動電極１５は、駆動梁７ａの一端に設ければよいし、検出電極１６は、検出梁７ｂの一端に設ければよい。駆動電極１５及び検出電極１６の幅は同じであってもよい。
　また、梁７は、十字状でなくてもよい。梁７は、第１の連通孔５ａの縁に両端に固定された１本の細長い梁であってもよい。この場合には、駆動電極１５と、検出電極１６とは、梁の両端又は一端に並列に設けるようにすればよい。
　上記実施の形態では、第１の連通孔５ａの形状を円柱状としている。しかしながら、本発明はこれには限られない。第１の連通孔５ａの形状は、断面が矩形状の多角形状であってもよいし、断面を他の形状としてもよい。
　また、第２の連通孔６ａの形状をノズル状としている。しかしながら、本発明はこれには限られない。第２の連通孔６ａの形状は、円柱状であってもよいし、断面が矩形状の多角形状であってもよいし、断面を他の形状としてもよい。
　上記実施の形態では、気体Ｆの匂いを構成する複数種類の物質を検出している。しかしながら、本発明はこれには限られない。気体Ｆに含まれる物質であれば、匂いを構成しない物質の検出にも適用することができる。
　上述のように、上記実施の形態に係る物質検出システム１は、物質センサ３の実装面積を小さくして、全体を小型化、薄型化することができるため、小さな電子機器に収納することが可能である。例えば、スマートフォン等の情報機器にも物質検出システム１を組み込むことができる。
　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。
　本発明は、気体に含まれる物質を検出するのに適用することができる。
　１　物質検出システム、２，２Ａ，２Ｂ　チャンバ、２ａ　流入口、２ｂ　排出口、３，３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３，３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ　物質センサ、４　供給部、５　第１の基板、５ａ　第１の連通孔、６　第２の基板、６ａ　第２の連通孔、７　梁、７ａ　駆動梁、７ｂ　検出梁、８　整流部、８ａ　溝部、９　物質反応膜、１０　基板、１０ａ　取入口、１１，１２　基板、１５　駆動電極、１６　検出電極、２０　気体取込部、２１　環境センサ、２２　気体排出部、２３　外部筐体、２５　緩和基板、Ｆ　気体

Claims (16)

  1. 　内部に収容される気体の状態が定常状態となるように前記気体の流入を制限するチャンバと、
    　前記チャンバに収容された前記気体に含まれる物質を検出する物質センサと、
    　前記チャンバに前記気体を供給する供給部と、
    　を備え、
    　複数の前記物質センサが、前記チャンバの流入口から排出口に向かう前記気体の流動方向に配列されている、
    　物質検出システム。
  2. 　連通孔を有する基板が、前記連通孔が連通するように積層されて、前記チャンバが形成され、
    　積層された前記基板のうち、複数の前記基板が、前記連通孔としての第１の連通孔の一部を塞ぐ梁を有する第１の基板であり、
    　前記物質センサは、
    　前記物質との反応による前記梁の振動周波数の変化に基づいて前記物質を検出する、
    　請求項１に記載の物質検出システム。
  3. 　積層された前記基板のうち、前記第１の基板を除く複数の前記基板が、前記連通孔としての第２の連通孔が形成された第２の基板であり、
    　前記第２の基板と前記第１の基板とが、この順に交互に前記流動方向に積層されている、
    　請求項２に記載の物質検出システム。
  4. 　前記梁には、前記物質と反応する物質反応膜が形成されており、
    　前記第２の連通孔は、前記物質反応膜に向けて前記気体を流出するようにノズル状に形成されている、
    　請求項３に記載の物質検出システム。
  5. 　前記流動方向に見たときの前記梁の向きが、前記流動方向に隣接する前記梁同士で異なっている、
    　請求項２から４のいずれか一項に記載の物質検出システム。
  6. 　前記流動方向に見た前記梁の形状が、円柱状の前記第１の連通孔の中心軸に対して回転対称であり、
    　前記流動方向に隣接する前記梁同士について、前記流動方向に見たときの一方の前記梁の向きが他方の前記梁の向きに対して前記中心軸を中心に回転した向きにある、
    　請求項５に記載の物質検出システム。
  7. 　前記梁は、前記流動方向に見て十字状に形成され、
    　前記流動方向に隣接する前記梁同士について、一方の前記梁の中心線と他方の前記梁の中心線との前記中心軸で交わる角度が４５度である、
    　請求項６に記載の物質検出システム。
  8. 　前記チャンバが、並列に複数形成されている、
    　請求項１から７のいずれか一項に記載の物質検出システム。
  9. 　複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流れを一様に抑制して送る整流部を備える、
    　請求項８に記載の物質検出システム。
  10. 　前記整流部は、複数の前記チャンバそれぞれに流入する前記気体の流量及び流速の少なくとも一方が均一となるように、前記気体の流れを整流する、
    　請求項９に記載の物質検出システム。
  11. 　複数の前記チャンバは、それぞれ形状及び大きさが同じとなるように形成されている、
    　請求項８から１０のいずれか一項に記載の物質検出システム。
  12. 　前記供給部は、ポンプであり、
    　前記流入口の上流又は前記排出口の下流の少なくとも一方に設けられている、
    　請求項１から１１のいずれか一項に記載の物質検出システム。
  13. 　前記供給部は、ポンプであり、
    　前記流入口の上流又は前記排出口の下流の両方に設けられている、
    　請求項１から１１のいずれか一項に記載の物質検出システム。
  14. 　前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、同じ物質を検出するものが含まれる、
    　請求項１から１３のいずれか一項に記載の物質検出システム。
  15. 　前記チャンバ内に配列された複数の前記物質センサには、それぞれ異なる物質を検出するものが含まれる、
    　請求項１から１３のいずれか一項に記載の物質検出システム。
  16. 　前記物質センサは、前記流動方向に向かって大きくなる補正値に基づいて、検出値を補正する、
    　請求項１から１５のいずれか一項に記載の物質検出システム。
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