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技術 物質検出素子

出願人 第一精工株式会社
発明者 緒方健治黒木省吾
出願日 2020年11月17日 (9ヶ月経過) 出願番号 2020-190624
公開日 2021年3月4日 (6ヶ月経過) 公開番号 2021-036243
状態 特許登録済
技術分野 重量、体積、圧力、比重等による材料の調査
主要キーワード 通り口 貫通孔毎 貫通孔付近 吸着度合い 振動変形 貫通孔周辺 検出信号線 分極作用
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

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。

解決手段

支持基板2は、貫通孔3が設けられている。板状の梁4(4A,4B)は、貫通孔3の縁から対向する縁へ向かって延びて貫通孔3の一部を塞ぎ、検出対象構成物質が付着する物質吸着膜を支持し、構成物質が物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する。梁4は、貫通孔3の縁に両端が固定され、両端に駆動電極16が設けられた板状の第1の梁4Aと、貫通孔3の縁に両端が固定され、少なくとも一端に検出電極17が設けられ、第1の梁4Aと交差する板状の第2の梁4Bとを有し、第1の梁4Aの幅が第2の梁4Bの幅よりも広くなり、第1の梁4Aの幅に沿った駆動電極16の幅が第2の梁4Bの幅に沿った検出電極17の幅よりも広くなるように設定されている。

概要

背景

特許文献1には、物質吸着又は脱離したときに生じる振動子共振周波数の変化量に基づいて、物質を識別するために用いられ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、物質の識別が可能である。

概要

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。支持基板2は、貫通孔3が設けられている。板状の梁4(4A,4B)は、貫通孔3の縁から対向する縁へ向かって延びて貫通孔3の一部を塞ぎ、検出対象構成物質が付着する物質吸着膜を支持し、構成物質が物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する。梁4は、貫通孔3の縁に両端が固定され、両端に駆動電極16が設けられた板状の第1の梁4Aと、貫通孔3の縁に両端が固定され、少なくとも一端に検出電極17が設けられ、第1の梁4Aと交差する板状の第2の梁4Bとを有し、第1の梁4Aの幅が第2の梁4Bの幅よりも広くなり、第1の梁4Aの幅に沿った駆動電極16の幅が第2の梁4Bの幅に沿った検出電極17の幅よりも広くなるように設定されている。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

貫通孔が設けられた支持基板と、前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、前記圧電素子に電圧印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、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、を備え、前記梁は、前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第1の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第1の梁と交差する板状の第2の梁とを有し、前記第1の梁の幅が前記第2の梁の幅よりも広くなり、前記第1の梁の幅に沿った前記駆動電極の幅が前記第2の梁の幅に沿った前記検出電極の幅よりも広くなるように設定されている、物質検出素子

請求項2

貫通孔が設けられた支持基板と、前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象の物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、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、を備え、前記梁は、前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第1の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第1の梁と交差する板状の第2の梁とを有し、前記第1の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第1の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第1の梁の外部に引き出されている、物質検出素子。

請求項3

前記第2の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられている、請求項1または2に記載の物質検出素子。

請求項4

前記第2の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第2の梁の外部に引き出され、1本にまとめられている、請求項3に記載の物質検出素子。

請求項5

前記第1の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第1の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第1の梁の外部に引き出されている、請求項1に記載の物質検出素子。

請求項6

前記第2の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられており、前記第2の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第2の梁の外部に引き出され、1本にまとめられている、請求項5に記載の物質検出素子。

請求項7

前記第1の梁と前記第2の梁とは、それぞれの中央で連結されている、請求項1から6のいずれか一項に記載の物質検出素子。

請求項8

前記第1の梁と前記第2の梁とが直交している、請求項1から7のいずれか一項に記載の物質検出素子。

請求項9

前記支持基板に前記貫通孔が複数設けられ、前記貫通孔毎に前記梁が設けられ、前記梁各々が支持する物質吸着膜の種類が異なっている、請求項1から8のいずれか一項に記載の物質検出素子。

技術分野

0001

本発明は、物質検出素子に関する。

背景技術

0002

特許文献1には、物質吸着又は脱離したときに生じる振動子共振周波数の変化量に基づいて、物質を識別するために用いられ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、物質の識別が可能である。

先行技術

0003

特開2009−204584号公報

発明が解決しようとする課題

0004

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。

0005

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。

課題を解決するための手段

0006

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、
前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象の物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、
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、
を備え、
前記梁は、
前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第1の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第1の梁と交差する板状の第2の梁とを有し、
前記第1の梁の幅が前記第2の梁の幅よりも広くなり、前記第1の梁の幅に沿った前記駆動電極の幅が前記第2の梁の幅に沿った前記検出電極の幅よりも広くなるように設定されている。

0007

本発明の第2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、
前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象の物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、
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、
を備え、
前記梁は、
前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第1の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第1の梁と交差する板状の第2の梁とを有し、
前記第1の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第1の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第1の梁の外部に引き出されている。

0008

この場合、前記第2の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられている、
こととしてもよい。

0009

前記第2の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第2の梁の外部に引き出され、1本にまとめられている、
こととしてもよい。

0010

前記第1の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第1の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第1の梁の外部に引き出されている、
こととしてもよい。

0011

前記第2の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられており、
前記第2の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第2の梁の外部に引き出され、1本にまとめられている、
こととしてもよい。

0012

前記第1の梁と前記第2の梁とは、それぞれの中央で連結されている、
こととしてもよい。

0013

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。

0014

前記支持基板に前記貫通孔が複数設けられ、
前記貫通孔毎に前記梁が設けられ、
前記梁各々が支持する物質吸着膜の種類が異なっている、
こととしてもよい。

発明の効果

0015

本発明によれば、物質が含まれる気体が通る貫通孔に物質吸着膜が設けられており、検出対象の物質が含まれる気体が物質吸着膜の周囲を通り易く構成しているので、より効率的に物質を検出することができる。

図面の簡単な説明

0016

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斜視図である。
貫通孔付近の拡大斜視図である。
貫通孔付近の上面図である。
図6(A)は、駆動梁長手方向に切断した断面図である。図6(B)は、検出梁を長手方向に切断した断面図である。
図7(A)及び図7(B)は、駆動梁が変形する様子を示す図である。
図8(A)及び図8(B)は、検出梁が変形する様子を示す図である。
物質検出素子の配線を示す斜視図である。
電子機器に挿入される物質検出素子を示す図である。
図11(A)及び図11(B)は、化学物質を構成する構成物質参照パターンを示す図である。
貫通孔を気体が通過する様子を示す図である。
図13(A)、図13(B)及び図13(C)は、梁に形成される圧電素子の変形例を示す図である。
図14(A)、図14(B)及び図14(C)は、梁の変形例を示す図である。

実施例

0017

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。

0018

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。

0019

支持基板2は、図1及び図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6参照)が積層されている。

0020

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。

0021

図3及び図4に示すように、貫通孔3のそれぞれには、板状の一対の梁4が設けられている。一対の梁4は、直線板状の駆動梁(第1の梁)4Aと、直線板状の検出梁(第2の梁)4Bとで構成される。梁4(駆動梁4A及び検出梁4B)は、それぞれSi活性層12によって形成される縁から対向する縁へ向かって延びる部分を有している。

0022

駆動梁4Aと検出梁4Bとは直交しており、中央で連結している。本実施の形態では、駆動梁4Aの幅と検出梁4Bの幅は同じとなっている。この幅は、駆動梁4Aにおける短手方向の長さ、検出梁4Bにおける短手方向の長さを示している。一対の梁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。

0023

図3に示すように、梁4は、検出対象の物質を吸着する物質吸着膜5を支持している。物質吸着膜5は、梁4の中央、すなわち貫通孔3内の中心に位置しており、駆動梁4Aと検出梁4Bとの連結部分に配設されている。梁4の中央、すなわち一対の梁4が連結され物質吸着膜5が形成された部分は、一方の梁4の短手方向における幅と他方の梁4の短手方向における幅とにおいて、連結された部分を除いた他の部分よりも、広く設定されている。さらに、物質吸着膜5は、ドーム形状半球状)となっている。このため、気体に露出する表面積を大きくすることができるので、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。

0024

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臭気を有する匂い原因物質がある。物質吸着膜5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。

0025

梁4は、構成物質が物質吸着膜5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5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5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(例えば後述する電子機器50)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。

0026

駆動梁4Aの両端には、図4に示すように、一対の駆動電極16が形成されており、検出梁4Bの両端には、一対の検出電極17が形成されている。また、支持基板2及び梁4上には、導線としての駆動信号線21,電極間信号線22,検出信号線23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。また、電極間信号線22は、検出梁4B上で検出電極17同士を接続する。検出信号線23は、一方の検出電極17に接続されている。

0027

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、梁4の振動により生じた一方の検出電極17からの電圧信号は、電極間信号線22を介してもう一方の検出電極17に送られる。そして、一対の検出電極17からの電圧信号が、検出信号線23を介して、まとめて出力される。

0028

図5のA−A線断面図である図6(A)に示すように、駆動梁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。駆動梁4Aの中央では、電極間信号線22を通すため、下部電極層14及び圧電素子15が除去されている。なお、電極間信号線22とSi活性層12との間には、図示しない絶縁層が設けられている。また、図6(A)では、BOX層の図示を省略している。

0029

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17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。

0030

図6(A)に示すように、一対の駆動電極16は、貫通孔3の縁の部分で、圧電素子15上に形成されている。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。駆動電極16及び下部電極層14は、この圧電素子15に電圧を印加する駆動梁4Aを振動変形させる。

0031

より具体的には、図7(A)に示すように、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、圧電層には、長手方向(x軸に沿った方向)に伸び、面方向(y軸に沿った方向)に伸びる方向への応力が加わる。その結果、Si活性層12において、下部電極層14が形成された面が伸び、駆動梁4Aは、上方が凸になるように(+z方向に)反り返る。

0032

これに対して、図7(B)に示すように、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、圧電層には、長手方向(x軸に沿った方向)に縮み、面方向(y軸に沿った方向)に縮む方向への応力が加わる。その結果、Si活性層12において、下部電極層14が形成された面が縮み、駆動梁4Aは、下方が凸になるように(−z方向に)反り返る。

0033

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、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る。このように、駆動梁4Aは、圧電層の伸縮により撓んで振動するものであればよい。

0034

いずれにしても、駆動電極16と下部電極層14との間に、所定極性の電圧を印加することにより、図7(A)又は図7(B)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。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、電圧の極性と伸縮の関係とが上述とは逆になる場合がある。

0035

一方、図5のB−B線断面図である図6(B)に示すように、一対の検出電極17は、検出梁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17とで、圧電層が形成される。上述した駆動梁4Aの振動に伴って検出梁4Bが振動すると、検出梁4Bを構成する圧電素子15が変形し、検出電極17及び下部電極層14に電位差が生じる。なお、図6(A)では、BOX層の図示を省略している。

0036

より具体的には、図8(A)に示すように、検出梁4Bは、上方が凸になるように(+z方向に)反り返ると、圧電層に、長手方向(y軸に沿った方向)に伸び、面方向(x軸に沿った方向)に伸びる方向への応力が加わる。その結果、検出電極17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。

0037

これに対して、図8(B)に示すように、検出梁4Bは、下方が凸になるように(−z方向に)反り返ると、圧電層に、長手方向(y軸に沿った方向)に縮み、面方向(x軸に沿った方向)に縮む方向への応力が加わる。その結果、検出電極17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。

0038

もちろん、長手方向に縮むと、検出電極17側が正、下部電極層14側が負となるような電位差が生ずる一方で、長手方向に伸びると、検出電極17側が負、下部電極層14側が正となるような電位差が生ず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、下方が凸になるように反り返ると、正極性の電圧が発生し、上方が凸になるように反り返ると、負極性の電圧が発生する。このように、検出梁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。

0039

いずれにしても、図8(A)又は図8(B)に示す変形が生じると、検出電極17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、検出梁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。

0040

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、駆動梁4Aが正弦波状に振動する。駆動梁4Aの振動に合わせて検出梁4Bも振動する。検出梁4Bが振動すれば、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位差が発生する。

0041

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、駆動梁4A、検出梁4Bの振動の周波数も上下し、検出電極17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。駆動梁4A,検出梁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。

0042

上述のように、梁4は、構成物質が物質吸着膜5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5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17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5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。

0043

検出電極17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、電極間信号線22、検出信号線23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5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。

0044

図6(A)及び図6(B)に示すように、支持基板2では、Si活性層12の上に下部電極層14が形成され、その上に絶縁層18が形成されている。しかしながら、図5に示すように、貫通孔3の周囲では、下部電極層14及び絶縁層18が取り除かれている。ただし、駆動梁4A及び検出梁4Bを構成する下部電極層14は、取り除かれることなく、支持基板2上の下部電極層14と接続されている。

0045

また、支持基板2上における駆動信号線21、検出信号線23が配線されている領域Sについては、下部電極層14が取り除かれている。駆動信号線21、検出信号線23と下部電極層14との間に寄生容量が発生し、駆動梁4A、検出梁4Bの圧電層に電圧信号が適切に入力されなくなるのを防ぐためである。

0046

図9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、1本の駆動信号線21と、7本の検出信号線23と接続されている。信号処理回路20から出た1本の駆動信号線21は、14本に分岐して、各貫通孔3の一対の駆動電極16に接続されている。すなわち、駆動梁4Aの両端に形成された駆動電極16各々と導通する駆動信号線21は駆動梁4Aの外部に引き出され、1本にまとめられている。また、各貫通孔3から出た7本の検出信号線23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の電位を基準とする電圧信号の入出力を行う。

0047

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23を介して、各貫通孔3に対応する検出電極17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の単位で、構成物質の吸着を検出可能である。

0048

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5の種類が異なっている。信号処理回路20は、各貫通孔3の検出電極17から出力される電圧信号を、検出信号線23を介して入力し、入力された電圧信号に基づいて、各梁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5への構成物質の吸着を検出する。信号処理回路20は、メモリを有しており、物質吸着膜5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。

0049

図10に示すように、本実施の形態に係る物質検出素子1は、スマートフォン等の電子機器50のメモリカードインターフェイス30を有している。ここで、物質検出素子1として、検出対象となる特定物質が異なる物質検出素子1A,1Bがあるものとする。

0050

物質検出素子1Aはインターフェイス30を介して、電子機器50と接続される。電子機器50は、物質検出素子1Aの信号処理回路20のメモリに格納された構成物質の検出結果を読み出し可能となっている。電子機器50は、インターフェイス30に差し込まれた物質検出素子1Aの信号処理回路20のメモリのデータを読み込んで、読み込んだデータに基づいて、検出対象となる物質を解析する。

0051

例えば、物質検出素子1Aの検出対象の構成物質が、1a〜1gであるとする。そして、ある化学物質Aの構成物質が1a,1b,1cであり、他の化学物質Bの構成物質が、1a,1d,1e,1fであるとする。気体中に化学物質Aが含まれていた場合、その検出結果は、図11(A)に示すように、1a,1b,1cの検出を示し、気体中に化学物質Bが含まれていた場合、検出結果は、図11(B)に示すように、1a,1d,1e,1fの検出を示す。電子機器50は、検出対象となる化学物質の参照パターンを記憶しており、実際の検出結果と参照パターンのパターンマッチングを行って、気体に含まれる化学物質を特定する。

0052

なお、本実施の形態では、構成物質の有無に基づくパターンによるパターンマッチングを行うものとしたが、本発明はこれには限られない。梁4の振動周波数の変化量に応じて物質吸着膜5への構成物質の吸着度合いまで求め、化学物質における構成物質の含有比率に応じたパターンを作成し、そのパターンを用いたパターンマッチングを行って、化学物質を特定するようにしてもよい。

0053

物質検出素子1A,1Bは、MEMSにより製造されるので、極めて小型に製造することができる。したがって、物質検出素子1A,1Bを、例えば小型のminiSDカード規格準拠させることができる。これにより、例えば検出可能な構成物質の組み合わせが異なる物質検出素子1A,1Bを用意し、電子機器50に装着する物質検出素子1を物質検出素子1Aから物質検出素子1Bに交換して、検出可能な化学物質の組み合わせを増やすことも可能である。

0054

物質検出素子1は、気体中に含まれ得る様々な化学物質の検出に用いられる。例えば、物質検出素子1は、図12に示すように、物質検出素子1は、気体の流れの中に置かれ、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に用いられる。ここで、構成物質が吸着される物質吸着膜5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。

0055

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、化学物質が含まれる気体が通る貫通孔3に物質吸着膜5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5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。

0056

なお、上記実施の形態では、図13(A)に示すように、駆動梁4Aの幅(短手方向の長さ)W1と、検出梁4Bの幅(短手方向の長さ)W1とは同じであったが、本発明はこれには限られない。図13(B)に示すように、駆動梁4Aの幅W2が、検出梁4Bの幅W1よりも広くなるように設定されていてもよい。また、図13(C)に示すように、駆動梁4Aの幅をW2とし、検出梁4Bの幅をW1としたうえで、貫通孔3の径を短くして、駆動梁4Aの長さL1を、L2に短縮してもよい。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。

0057

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。

0058

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。

0059

上記実施の形態では、梁4は、4箇所で貫通孔3の縁に固定された。しかしながら、本発明はこれには限られない。図14(A)に示すように、梁41は片持ち梁でもよい。この場合には、梁41の幅を広くするか、厚みを大きくして、梁41の振動周波数を高くするのが望ましい。なお、駆動電極16と検出電極17とは、梁41の一端(貫通孔3の縁に固定されている一端)に併設すればよい。

0060

また、図14(B)に示すように、2箇所で貫通孔3の縁に固定される梁42を用いてもよい。この場合、駆動電極16と検出電極17とを、梁42の両端に併設すればよい。

0061

また、図14(C)に示すように、3箇所で貫通孔3の縁に固定される梁43を用いてもよい。この場合、梁43の端部の2つに一対の駆動電極16を配置し、端部の残りに検出電極17を配置すればよい。

0062

また、上記実施の形態では、梁4を、駆動梁4Aと、検出梁4Bという2つの両持ち梁が中央で連結される構成とした。このようにすれば、一方の駆動梁4Aで梁4全体を振動させ、他方の検出梁4Bで梁4の振動を検出するようにして、梁4を駆動させる回路の配線と、梁4の振動を検出する回路の配線とを省配線化することができる。

0063

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

0064

また、上記実施の形態では、駆動梁4Aの両端に駆動電極16が設けられ、検出梁4Bの両端に検出電極17が設けられていたが、本発明はこれに限られるものではない。物質検出素子1では、駆動梁4Aの一方端に駆動電極16が設けられ、検出梁4Bの一方端に検出電極17が設けられていてもよい。言い換えれば、物質検出素子1は、駆動梁4Aの他方端に駆動電極16が設けられておらず、検出梁4Bの他方端に検出電極17が設けられていなくてもよい。

0065

また、上記実施の形態では、電極間信号線22が検出電極17同士を連結している。このようにすれば、検出電極17から引き出される検出信号線23を1本にまとめることができるので、支持基板2上を省配線化することができる。

0066

また、上記実施の形態では、駆動電極16に接続される駆動信号線21は外部に引き出されているが、駆動信号線21は、信号処理回路20から出て複数に分岐されて駆動電極16に入力している。このようにすれば、信号処理回路20から出る駆動信号線21を1本にまとめることができるので、駆動電極16に接続される駆動信号線21についても省配線化することができる。

0067

また、上記実施の形態では、支持基板2に貫通孔3が複数設けられ、貫通孔3毎に梁4が設けられ、梁4各々が支持する物質吸着膜5の種類が異なっている。このようにすれば、複数の構成物質の検出パターンに基づいて、化学物質を特定することができる。

0068

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。

0069

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、外径曲線と直線とを組み合わせたものであってもよい。

0070

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。

0071

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。

0072

また、上記実施の形態では、物質検出素子1A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。

0073

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17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。

0074

上記実施の形態では、検出梁4Bの両端に形成された検出電極17を電極間信号線22で接続したが、本発明はこれには限られない。検出電極17から別々の検出信号線23を引き出して配設し、別々の電圧信号として出力するようにしてもよい。

0075

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。

0076

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。

0077

1,1A,1B物質検出素子、2支持基板、3貫通孔、4 梁、4A駆動梁(第1の梁)、4B検出梁(第2の梁)、5物質吸着膜、10ベース、11 Si支持層、12Si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、17検出電極、18絶縁層、20信号処理回路、21駆動信号線、22電極間信号線、23検出信号線、30インターフェイス、41,42,43 梁、50 電子機器

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