WO2020066295A1 - 物質検出素子 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a substance detection element.
- Patent Document 1 discloses a chemical sensor device that identifies a substance based on a change in the resonance frequency of a vibrator generated when the substance is adsorbed or desorbed.
- This chemical sensor device includes a plurality of vibrators exhibiting desorption characteristics of different substances, and each vibrator includes a piezoelectric substrate. When an AC voltage is applied, the plurality of vibrators are vibrated by deforming the piezoelectric substrate. By specifying the vibrator whose resonance frequency has changed, the substance can be identified.
- the chemical sensor device disclosed in Patent Literature 1 has a plurality of vibrators simply arranged two-dimensionally on a flat plate, and is efficient so that each vibrator easily adsorbs a substance contained in air. It is not located in. In such a configuration, there is a possibility that the flat plate itself blocks the flow of the air current, and the efficiency of adsorbing the substance on each vibrator is reduced.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a substance detection element capable of detecting a substance more efficiently.
- the substance detection element includes: A support substrate provided with through holes, A plate-shaped beam provided with a piezoelectric element extending from an edge of the through hole to an opposite edge so as to close a part of the through hole, A drive electrode for applying a voltage to the piezoelectric element to vibrate the beam, A detection electrode for detecting information about the vibration frequency of the beam, A substance adsorption film that changes the vibration frequency of the beam by adhering a substance, With The substance adsorption film and the detection electrode are provided at the same position on the front and back of the beam.
- the beam is fixed to the edge of the through hole at at least two places, A plurality of pairs of the substance adsorption film and the detection electrode provided at the same position on the front and back of the beam are provided on the beam, The substance adsorbed by the substance adsorption film is different for each set, It may be that.
- the beam is fixed to the edge of the through hole at both ends in the longitudinal direction, On both sides as viewed from the center of the beam, a set of the substance adsorption film and the detection electrode provided at the same position on the front and back of the beam is provided. It may be that.
- the drive electrodes are provided at both ends of the beam, It may be that.
- the drive electrode is provided at the center of the beam, It may be that.
- the beam is A first beam fixed to an edge of the through hole at both ends in a longitudinal direction;
- the first beam is fixed to the edge of the through hole at both ends in the longitudinal direction, and the second beam intersects the first beam. It may be that.
- the substance adsorption film and the detection electrode provided at the same position on the front and back of the beam on both sides of the second beam as viewed from a portion where the first beam and the second beam intersect. Are provided, It may be that.
- the substance adsorption film and the detection electrode provided at the same position on the front and back of the beam are provided. Are provided, It may be that.
- the drive electrodes are provided at both ends of the first beam, It may be that.
- the drive electrode is provided at a portion where the first beam and the second beam intersect, It may be that.
- the width of the first beam is set to be wider than the width of the second beam. It may be that.
- the first beam and the second beam are orthogonal to each other; It may be that.
- the driving electrode vibrates the beam to desorb a substance attached to the substance adsorption film, It may be that.
- the drive electrode vibrates the beam in a thickness direction of the substance adsorption film, It may be that.
- the substance detection element includes: A support substrate; At least one end is supported by the support substrate, and a plate-shaped beam provided with a piezoelectric element, A drive electrode for applying a voltage to the piezoelectric element to vibrate the beam, A substance adsorbing film provided on the beam and changing a vibration frequency of the beam when a substance adheres thereto, With The driving electrode vibrates the beam to desorb substances adhering to the substance adsorption film.
- the drive electrode vibrates the beam in a thickness direction of the substance adsorption film, It may be that.
- a substance adsorption film that changes the vibration frequency of a beam by attaching a substance and a detection electrode that detects information on the vibration frequency of the beam are provided at the same position on the front and back of the beam. I have. This makes it possible to detect information on the vibration frequency of the beam with high sensitivity at a position where the change in the vibration frequency of the beam due to the attachment of the substance to the substance adsorption film is high, so that the substance can be detected more efficiently. .
- FIG. 2 is a perspective view of the substance detection element according to Embodiment 1 of the present invention. It is the perspective view which looked at the substance detection element of FIG. 1 from the opposite side. It is the expansion perspective view 1 which shows the periphery of a through-hole partially broken and shown. It is the expansion perspective view 2 which shows the periphery of a through-hole by partially crushing.
- FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of FIG. 4.
- FIG. 5 is a sectional view taken along line BB of FIG. 4. It is a figure which shows the mode that a beam deform
- FIG. 4 is a plan view showing wiring of a substance detection element.
- the substance detection element according to the present embodiment is manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), which is a semiconductor manufacturing technique for realizing fine processing.
- MEMS Micro Electro Mechanical Systems
- the substance detection element 1 includes a substantially rectangular flat support substrate 2.
- the support substrate 2 is manufactured, for example, from an SOI (Silicon on Insulator) substrate.
- the SOI substrate is a semiconductor substrate having a stacked structure including a BOX layer that is a buried oxide film and a silicon (SOI) layer that is a semiconductor layer on the BOX layer, and is a wafer containing an oxide film.
- the support substrate 2 is configured by laminating a base wafer made of resin and a Si support layer 11 made of a BOX layer formed of a base wafer and a buried oxide film.
- a Si active layer 12 (see FIGS. 5A and 5B), which is an element wafer active layer, is laminated.
- a circular opening 13 is provided in a part of the base 10 of the supporting substrate 2, and the Si supporting layer 11 is exposed at the opening 13.
- Seven through holes 3 are provided in the Si support layer 11 and the Si active layer 12 in the portion of the opening 13.
- the through holes 3 are circular and have the same diameter.
- a plate-like beam 4 is provided in each of the through holes 3 as shown in FIGS.
- the beam 4 is composed of an elongated plate-shaped first beam 4A and an elongated plate-shaped second beam 4B.
- Each of the beams 4 (the first beam 4A and the second beam 4B) has a portion extending from the edge of the through hole 3 formed by the Si active layer 12 to the opposite edge.
- the first beam 4A and the second beam 4B are fixed to the edge of the through hole 3 at both ends in the longitudinal direction.
- the first beam 4A and the second beam 4B intersect (orthogonally) and are connected at the center.
- the width of the first beam 4A is wider than the width of the second beam 4B. This width indicates the length of the first beam 4A in the short direction and the length of the second beam 4B in the short direction.
- the beam 4 does not cover all of the through hole 3, but partially covers the through hole 3. Therefore, the beam 4 prevents the gas from staying in the through-hole 3 and facilitates the gas to pass through the through-hole 3.
- the beam 4 supports the substance adsorption films 5A and 5B that adsorb the substance to be detected.
- the substance adsorption films 5A and 5B are respectively provided at different locations on the second beam 4B.
- Each of the substance adsorption films 5A and 5B has an elongated hemispherical shape or a bowl shape in which the outer periphery is raised and the center is concave, and the surface area exposed to gas can be increased. Thereby, the substance adsorption films 5A and 5B can easily adsorb the substance to be detected contained in the gas (for example, in the air).
- the substance adsorption films 5A and 5B are detachably attached to the beam 4, and can be replaced with other substance adsorption films.
- the substance adsorbing films 5A and 5B are different in the substance to be adsorbed.
- the substance to be detected is, for example, a gaseous substance constituting the chemical substance to be detected contained in the air (hereinafter, referred to as “constituent substance”) in a group of chemical substances constituting the odor (odor factor). It is.
- Chemical substances to be detected include, for example, odor-causing substances having specific odors such as ammonia, mercaptan, aldehyde, hydrogen sulfide, and amine.
- the substance-adsorbing films 5A and 5B can be reused because the adsorbed constituents are separated after a certain period of time after the constituents constituting the odor-causing substance are adsorbed.
- the beam 4 is configured such that a vibration frequency (for example, a resonance frequency) is changed by a constituent substance adsorbing to the substance adsorption films 5A and 5B. Since the substance-adsorbing films 5A and 5B are arranged in the through-holes 3 serving as openings for the gas containing the constituent substances, the substance-adsorbing films 5A and 5B can easily adsorb the constituent substances contained in the gas. In order to prevent the vibration of the beam 4 from being affected by the vibration of the device in which the substance detection element 1 is incorporated, the vibration frequency of the beam 4 is set higher so as to be different from the vibration frequency of the device. Is desirable.
- a vibration frequency for example, a resonance frequency
- Drive electrodes 16 are formed at both ends of the first beam 4A, as shown in FIG.
- the detection electrodes 17A and 17B are formed on the second beam 4B.
- a drive signal line 21 and detection signal lines 22A and 22B are formed on the support substrate 2 as conductors.
- the drive signal line 21 is connected to the drive electrode 16.
- the detection signal line 22A is connected to the detection electrode 17A, and the detection signal line 22B is connected to the detection electrode 17B.
- a voltage signal for driving the beam 4 is applied to the drive electrode 16 via a drive signal line 21.
- the voltage signal from the detection electrode 17A is output via the detection signal line 22A, and the voltage signal from the detection electrode 17B is output via the detection signal line 22B.
- the substance adsorption film 5A and the detection electrode 17A are provided at the same position on the front and back of the beam 4 (second beam 4B).
- the substance adsorption film 5B and the detection electrode 17B are provided at the same position on the front and back of the beam 4 (second beam 4B).
- the beam 4 is fixed to the edge of the through hole 3 at at least two places, and is a set of the substance adsorption film 5A and the detection electrode 17A provided at the same position on the front and back of the beam 4.
- a set of the substance adsorption film 5B and the detection electrode 17B is provided on the beam 4.
- the second beam 4B is fixed to the edge of the through hole 3 at both ends in the longitudinal direction.
- a set of the material adsorption film 5A and the detection electrode 17A provided at the same position on the front and back of the second beam 4B on both sides in the x-axis direction when viewed from the center of the second beam 4B, the substance adsorption film 5B and the detection A set of electrodes 17B is provided. Further, on both sides of the second beam 4B when viewed from the intersection of the first beam 4A and the second beam 4B, a substance adsorption film 5A and a detection electrode provided at the same position on the front and back of the beam 4 are provided. 17A, and a set of the substance adsorption film 5B and the detection electrode 17B.
- the first beam 4A is mainly composed of the Si active layer 12 of the support substrate 2.
- a lower electrode layer 14 is formed on the Si active layer 12, and a piezoelectric element 15 is formed thereon.
- the drive electrode 16 is formed on the edge of the through hole 3 of the second beam 4B so as to be in contact with the piezoelectric element 15.
- the lower electrode layer 14, the piezoelectric element 15, and the drive electrode 16 form a piezoelectric layer.
- the second beam 4B is mainly composed of the Si active layer 12 of the support substrate 2.
- a lower electrode layer 14 is formed on the Si active layer 12, and a piezoelectric element 15 is formed thereon.
- the detection electrodes 17A and 17B are formed on the edge of the through hole 3 of the second beam 4B so as to be in contact with the piezoelectric element 15.
- a piezoelectric layer is formed by the lower electrode layer 14, the piezoelectric element 15, and the detection electrodes 17A and 17B.
- the lower electrode layer 14 is made of a conductive material (for example, a metal such as aluminum or copper). The same applies to the drive electrode 16 and the detection electrodes 17A and 17B.
- the piezoelectric element 15 is made of a material such as PZT (lead zirconate titanate) (a material exhibiting piezoelectric characteristics).
- the piezoelectric element 15 has a property of expanding and contracting in a longitudinal direction (a direction orthogonal to the thickness direction) when a voltage having a predetermined polarity is applied in the thickness direction. Note that the BOX layer is not shown in FIGS. 5A and 5B.
- the piezoelectric layer of the first beam 4A contracts in the longitudinal direction.
- the first beam 4A warps so as to be convex downward (in the ⁇ z direction), and accordingly, the second beam 4B also has a downward convex ( ⁇ z). Warp).
- a voltage having a polarity hereinafter referred to as a negative polarity
- the detection electrodes 17A and 17B are negative and the lower electrode layer 14 is positive is generated.
- the drive electrode 16 side is negative and the lower electrode layer 14 side is positive while contracting in the longitudinal direction.
- a piezoelectric element having a property of extending in the longitudinal direction when a voltage is applied between both electrodes may be used.
- the lower portion warps so as to be convex, and a positive voltage is generated at the detection electrodes 17A and 17B.
- a negative polarity voltage is applied, the upper portion is warped so as to be convex, and a negative polarity voltage is generated at the detection electrodes 17A and 17B.
- the first beam 4A may be any material that bends and vibrates due to expansion and contraction of the piezoelectric layer
- the second beam 4B may be one that generates a voltage by expanding and contracting the piezoelectric layer by bending.
- the deformation shown in FIG. 6 or FIG. 7 can be caused.
- the degree of deformation is an amount corresponding to the applied voltage value.
- a voltage of a predetermined polarity can be generated between the detection electrodes 17A and 17B and the lower electrode layer 14.
- the magnitude of the voltage is an amount corresponding to the second beam 4B. Since the polarization action differs depending on the material constituting the piezoelectric element (for example, depending on the bulk or the thin film), the relationship between the expansion and contraction and the polarity of the voltage may be opposite to the above.
- the first beam 4A vibrates sinusoidally.
- the second beam 4B also vibrates in accordance with the vibration of the first beam 4A. That is, the drive electrode 16 applies a voltage to the piezoelectric element 15 to vibrate the beam 4.
- the second beam 4B vibrates, a potential difference that changes sinusoidally between the detection electrodes 17A and 17B and the lower electrode layer 14 is generated.
- the detection electrodes 17A and 17B detect information on the vibration frequency of the beam 4.
- the vibration frequency of the first beam 4A and the second beam 4B is also increased and decreased, and the detection electrodes 17A and 17B
- the frequency of the voltage signal generated between the gate electrode and the lower electrode layer 14 also fluctuates.
- the vibration amplitude of the beam 4 increases, and when the resonance frequency of the beam 4 is reached, the vibration amplitude of the beam 4 becomes maximum. Become.
- the beam 4 is configured so that the vibration frequency (for example, the resonance frequency) changes when the constituent material is adsorbed on the material adsorption films 5A and 5B. Further, the vibration frequency of the beam 4 changes according to the degree of adsorption of the constituent substances on the substance adsorption films 5A and 5B. Thereby, the frequency at which the vibration amplitude of the beam 4 becomes maximum also changes. Conversely, by determining the change in the vibration frequency at which the amplitude of the voltage signal between the detection electrodes 17A, 17B and the lower electrode layer 14 is maximized, the state in which the constituent substances are not adsorbed on the substance adsorption films 5A, 5B is obtained. It can be detected that the state has changed to the adsorbed state.
- the vibration frequency for example, the resonance frequency
- the potential difference generated between the detection electrode 17A and the lower electrode layer 14 is output as a voltage signal via the detection signal line 22A.
- the potential difference generated between the detection electrode 17B and the lower electrode layer 14 is output as a voltage signal via the detection signal line 22B.
- the output voltage signal is used as information on the vibration frequency of the beam 4, and if a change in the vibration frequency of the beam 4 is detected based on the information, the gas passing through the through-hole 3 is adsorbed on the substance adsorption films 5A and 5B. It can be detected that the substance is contained.
- the substance detection element 1 is provided with a signal processing circuit 20.
- the signal processing circuit 20 is connected to two drive signal lines 21 and two detection signal lines 22A and 22B.
- Two drive signal lines 21 coming out of the signal processing circuit 20 are connected to a pair of drive electrodes 16.
- the two detection signal lines 22A and 22B coming out of the detection electrodes 17A and 17B are independently connected to the signal processing circuit 20.
- the signal processing circuit 20 inputs and outputs various voltage signals based on the potential of the lower electrode layer 14 (see FIGS. 5A and 5B).
- the signal processing circuit 20 outputs, for example, a sinusoidal voltage signal to the drive electrode 16 corresponding to each through-hole 3 via the drive signal line 21, and outputs each through-hole via the detection signal lines 22A and 22B.
- the voltage signals output from the detection electrodes 17A and 17B corresponding to No. 3 are input.
- the signal processing circuit 20 detects a change in the vibration frequency (for example, resonance frequency) of the beam 4 based on the input voltage signal.
- the substance detection element 1 can detect the adsorption of a constituent substance in units of, for example, 1 ng (nanogram).
- a beam 4 is provided for each through hole 3, and the types of the substance adsorption films 5A and 5B supported by each beam 4 are different.
- the signal processing circuit 20 inputs voltage signals output from the detection electrodes 17A and 17B of the through-hole 3 via the detection signal lines 22A and 22B, and based on the input voltage signals, determines the vibration frequency of the beam 4. The change, that is, the adsorption of the constituent substance to the substance adsorption films 5A and 5B corresponding to the beam 4 is detected.
- the detection electrode 17A is provided on the back of the substance adsorption film 5A, when a substance adheres to the substance adsorption film 5A, the detection electrode 17A is connected to the beam 4 based on the voltage signal connected by the detection electrode 17A. A change in vibration frequency is detected.
- the detection electrode 17B is provided on the back of the substance adsorption film 5B, when a substance adheres to the substance adsorption film 5B, the vibration of the beam 4 is performed based on the voltage signal connected by the detection electrode 17B. A change in frequency is detected.
- the signal processing circuit 20 has a memory, and stores the detection results of the constituent substances of the substance adsorption films 5A and 5B in the memory.
- the signal processing circuit 20 starts outputting a sinusoidal voltage signal having an arbitrary frequency to the drive electrode 16.
- the vibration of the beam 4 is started at the time point t1. Due to this vibration, the constituent substances adsorbed on the substance adsorption films 5A and 5B before the measurement are desorbed, and the substance adsorption films 5A and 5B are initialized.
- a period from time t1 to time t2 is defined as an initialization period T1 in which the substance adsorption film 5A is initialized.
- the signal processing circuit 20 continues to vibrate the beam 4 even after the time t2.
- the detection of the chemical substance is performed.
- the substance detection element 1 is placed in the gas flow to perform detection of various chemical substances that may be contained in the gas.
- the detection of the constituent substance constituting the chemical substance contained in the gas passing through the through-hole 3 is started.
- the beams 4 supporting the substance adsorption films 5A and 5B to which the constituent substances are adsorbed do not block all of the through holes 3 but block a part of the through holes 3. Therefore, the beam 4 prevents the gas containing the chemical substance to be detected from staying in the through-hole 3, and makes it easier for the gas to pass through the through-hole 3.
- the signal processing circuit 20 inputs the voltage signals output from the detection electrodes 17A and 17B of the through-hole 3 via the detection signal lines 22A and 22B, and based on the input voltage signals, Is detected, that is, the adsorption of the constituent substance to the substance adsorption films 5A and 5B corresponding to the beam 4 is detected.
- the substance detection element 1 is removed from the gas flow.
- the signal processing circuit 20 continues to vibrate the beam 4.
- the constituent substances are desorbed from the substance adsorption films 5A and 5B.
- the processing of the substance detection element 1 ends.
- the substance adsorption films 5A and 5B are provided on the beam 4 through which the gas containing the chemical substance passes, and the gas containing the chemical substance to be detected flows around the substance adsorption films 5A and 5B. Since it is configured to be easily passed, it is possible to detect a chemical substance more efficiently.
- the substance adsorption films 5A and 5B that change the vibration frequency of the beam 4 due to the attachment of the substance, and the detection electrode that detects information on the vibration frequency of the beam 4 17A and 17B are provided at the same position on the front and back of the beam 4. This makes it possible to detect information on the vibration frequency of the beam 4 with high sensitivity at a position where the change in the vibration frequency of the beam 4 is large due to the attachment of the substance to the substance adsorption films 5A and 5B. Can be detected.
- two types of substances can be detected in one through-hole, so that the size of an apparatus capable of detecting the same type of substance can be reduced. Conversely, it is possible to increase the types of detectable substances while keeping the size of the device the same.
- the positions of the substance adsorption films 5A and 5B and the detection electrodes 17A and 17B may be slightly shifted. It is only necessary that the amount of the shift is negligibly smaller than the distance between the substance adsorption films and the distance between the detection electrodes. Further, if the distance between the substance adsorption films and the distance between the detection electrodes are greater than or equal to the distance at which the change in the vibration frequency can be individually detected, three or more pairs of the substance adsorption film and the detection electrode may be arranged on the same beam. Good.
- the width of the first beam 4A provided with the drive electrode 16 is wider than the width of the second beam 4B provided with the detection electrodes 17A and 17B.
- the width of the first beam 4A is set to be wider than the width of the second beam 4B.
- the width (length in the short direction) of the first beam 4A and the width (length in the short direction) of the second beam 4B may be the same.
- the diameter of the through hole 3 may be shortened to shorten the length of the first beam 4A.
- the width and length of the beam 4 are desirably determined in relation to the size of the through hole 3 necessary for gas flow.
- the beam 4 is fixed to the edge of the through hole 3 at at least two places. In this way, the beam 4 can be stably held and the vibration frequency of the beam 4 can be increased as compared with the cantilever beam 4.
- the arrangement of the drive electrode 16, the detection electrodes 17A and 17B, and the substance adsorption films 5A and 5B on the beam 4 is not limited to the one according to the present embodiment.
- the set of the substance adsorption film 5A and the detection electrode 17A, and the set of the substance adsorption film 5B and the detection electrode 17B are not the second beam 4B but the first beam 4A. It may be provided.
- the substance adsorption film 5A and the detection electrode provided at the same position on the front and back of the beam 4 17A, and a set of the substance adsorption film 5B and the detection electrode 17B.
- only one drive electrode 16 may be provided at the center of the first beam 4A and the second beam 4B. That is, the drive electrode 16 may be provided at a portion where the first beam 4A and the second beam 4B intersect.
- the first beam 4A and the second beam 4B can be vibrated.
- the beam 4 may extend only in one direction fixed to the edge of the through hole 3 at both ends in the longitudinal direction.
- the drive electrode 16 is provided at the center of the beam 4, and the drive electrode 16 is provided on both sides of the beam 4 when viewed from the center of the beam 4. What is necessary is just to provide the set of the set, the substance adsorption film 5B, and the detection electrode 17B.
- the drive electrode 16 is connected to both ends of the beam 4. May be provided. Further, a set of a substance adsorption film 5A and a detection electrode 17A, and a set of a substance adsorption film 5B and a detection electrode 17B provided at the same position on the front and back of the beam 4 are provided on both sides as viewed from the center of the beam 4. You may.
- the level of the voltage output from the detection electrodes 17A and 17B was the highest. That is, the voltage level when the drive electrode 16 is attached to the center of the beam 4 and the detection electrodes 17A and 17B are arranged on the first beam 4A having a large width is maximized.
- the beam 4 includes a first beam 4A and a second beam 4B, and the drive electrode 16 is provided at a portion where the first beam 4A and the second beam 4B intersect. May be provided.
- the substance adsorption films 5A provided at the same position on the front and back of the beam 4 on both sides of the first beam 4A when viewed from the intersection of the first beam 4A and the second beam 4B.
- a set of a detection electrode 17A, a substance adsorption film 5B and a set of a detection electrode 17B are provided, and a beam is provided on both sides of the second beam 4B when viewed from the intersection of the first beam 4A and the second beam 4B.
- the beam 4 may be a cantilever. In this case, it is desirable to increase the width or thickness of the beam 4 to increase the vibration frequency of the beam 4.
- the drive electrode 16 can be arranged at one end of the beam 4 (one end fixed to the edge of the through hole 3), and the detection electrode 17A can be arranged at the center of the beam 4.
- the substance adsorption film 5A is provided on the back side of the detection electrode 17A.
- the driving electrodes 16 are provided at both ends of the beam 4 and the material is located at the center of the beam 4. Only a set of the adsorption film 5A and the detection electrode 17A may be provided.
- beams 4 fixed to the edge of the through hole 3 at three places may be used.
- the drive electrode 16 is disposed at a position where the beams 4 intersect, and a set of the material adsorption film 5A and the detection electrode 17A, a set of the material adsorption film 5B and the detection electrode 17B, What is necessary is just to arrange
- the first beam 4A and the second beam 4B are orthogonal to each other. In this way, the vibration of the first beam 4A can be prevented from being hindered by the second beam 4B.
- the first beam 4A and the second beam 4B do not need to be orthogonal to each other, but only need to intersect.
- the beam 4 is vibrated in an environment where the constituent substance constituting the chemical substance does not exist in the vicinity, and the constituent substance is removed from the substance adsorption films 5A and 5B.
- the material detection element 1 can be provided without supplying a refresh gas to the substance detection element 1 or providing a means such as a heater for desorbing constituent substances from the substance adsorption films 5A and 5B. Can be reused.
- the entire device for detecting a substance can be made simple and compact.
- the material detection element 1 having a configuration as shown in FIG.
- This substance detection element 1 is also provided with a support substrate 2, a plate-like beam 4 having both ends supported by the support substrate 2, and provided with a piezoelectric element 15 (see FIG. 5A), and a substance attached to the beam 4.
- a substance adsorption film 5 ⁇ / b> E that changes the vibration frequency of the beam 4.
- the substance detection element 1 includes a drive electrode 16 (see FIG.
- the drive electrode 16 and the detection electrodes 17A and 17B are provided on the back side of the region where the substance adsorption film 5E is provided.
- the vibration of the beam 4 is started. Due to this vibration, in the initialization period T1, the constituent substance adsorbed on the substance adsorption film 5E before the measurement is desorbed, and the substance adsorption film 5E is initialized.
- the detection of the chemical substance is performed.
- the vibration of the beam 4 continues even after the time point t2.
- the substance detection element 1 is placed in the flow of the gas to be detected.
- the constituent substances constituting the chemical substances contained in the gas passing through the through holes 3 are adsorbed on the substance adsorption film 5E.
- the signal processing circuit 20 receives the voltage signals output from the detection electrodes 17A and 17B, and changes the vibration frequency of the beam 4 based on the input voltage signal, that is, the substance corresponding to the beam 4 The adsorption of the constituent substance to the adsorption film 5E is detected.
- the substance detection element 1 is removed from the gas flow.
- the detection of the chemical substance ends.
- the signal processing circuit 20 continues to vibrate the beam 4.
- the constituent substances are desorbed from the substance adsorption film 5E.
- the drive electrode 16 vibrates the beam 4 in the thickness direction of the substance adsorption film 5E to desorb the constituent material.
- the crystal element vibrates in the horizontal direction with respect to the film. Has become.
- the frequency and the intensity of the voltage signal applied to the drive electrode 16 are constant in the periods T1, T2, and T3.
- the present invention is not limited to this.
- the frequency and intensity of the voltage signal may be increased or decreased as long as the desorption of the constituent material can be promoted.
- the frequency of the voltage signal may be different from that in the period T2, or the intensity of the electric signal may be different from that in the period T2.
- the number of the through holes 3 and the number of the beams 4 is seven, but the present invention is not limited to this.
- the number of the through holes 3 and the beams 4 may be six or less, or may be eight or more.
- the number of the through holes 3 and the number of the beams 4 can be determined according to the number of constituent substances to be detected.
- the through hole 3 was circular.
- the through-hole may be elliptical or square, or may have a combination of a curved line and an outer diameter.
- the substance to be detected is a chemical substance constituting an odor, but the present invention is not limited to this.
- an odorless chemical substance contained in a gas may be detected.
- the chemical substance is contained in the gas, but the present invention is not limited to this.
- the present invention can be applied to detection of a substance in a liquid.
- the substance detecting element 1 is manufactured using the SOI wafer, but the present invention is not limited to this.
- the substance detection element may be manufactured using another wafer.
- the lower electrode layer 14 and the piezoelectric element 15 are provided on almost the entire surface of the beam 4, but the present invention is not limited to this.
- the lower electrode layer 14 and the piezoelectric element 15 may be provided only in the portion where the drive electrode 16 and the detection electrodes 17A and 17B are formed.
- the present invention can be applied to the detection of a chemical substance contained in a fluid.
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Abstract
支持基板(2)には、貫通孔(3)が設けられている。板状の梁(4)は、貫通孔(3)の一部を塞ぐように貫通孔(3)の縁から対向する縁へ向かって延び、圧電素子が設けられている。駆動電極(16)は、圧電素子に電圧を印加して梁(4)を振動させる。検出電極(17A,17B)は、梁(4)の振動周波数に関する情報を検出する。物質吸着膜(5A,5B)は、物質が付着することで梁(4)の振動周波数を変化させる。物質吸着膜(5A,5B)と検出電極(17A,17B)とは、梁(4)の表と裏の同じ位置に設けられている。
Description
本発明は、物質検出素子に関する。
特許文献1には、物質が吸着又は脱離したときに生じる振動子の共振周波数の変化量に基づいて、物質を識別する化学センサデバイスが開示されている。この化学センサデバイスは、異なる物質の脱吸着特性を示す複数の振動子を備え、それぞれの振動子は、圧電基板を備えている。複数の振動子は、交流電圧が印加されると、圧電基板が変形することで加振される。共振周波数が変化した振動子を特定することで、物質の識別が可能になる。
上記特許文献1に開示された化学センサデバイスは、平板上に複数の振動子が単に2次元配列されているだけであり、各振動子が空気中に含まれる物質を吸着し易いように効率的に配置されているわけではない。このような構成では、平板自体が気流の流れを遮ってしまい各振動子における物質の吸着効率が低下する可能性もある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より効率的に物質を検出することができる物質検出素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係る物質検出素子は、
貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の一部を塞ぐように前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延び、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記物質吸着膜と前記検出電極とは、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられている。
貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の一部を塞ぐように前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延び、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記物質吸着膜と前記検出電極とは、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられている。
この場合、前記梁は、少なくとも2箇所で前記貫通孔の縁に固定され、
前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が、前記梁に複数設けられており、
前記物質吸着膜が吸着する物質が、前記組毎に異なる、
こととしてもよい。
前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が、前記梁に複数設けられており、
前記物質吸着膜が吸着する物質が、前記組毎に異なる、
こととしてもよい。
前記梁は、その長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定されており、
前記梁の中央から見て両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が設けられている、
こととしてもよい。
前記梁の中央から見て両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が設けられている、
こととしてもよい。
前記駆動電極が、前記梁の両端に設けられている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記駆動電極が、前記梁の中央に設けられている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記梁は、
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定された第1の梁と、
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定され、前記第1の梁と交差する第2の梁とで構成される、
こととしてもよい。
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定された第1の梁と、
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定され、前記第1の梁と交差する第2の梁とで構成される、
こととしてもよい。
前記第1の梁と前記第2の梁とが交差する部分から見て前記第2の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記第1の梁と前記第2の梁とが交差する部分から見て前記第1の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記駆動電極が、前記第1の梁の両端に設けられている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記駆動電極が、前記第1の梁と前記第2の梁とが交差する部分に設けられている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記第1の梁の幅が、前記第2の梁の幅よりも広くなるように設定されている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記第1の梁と前記第2の梁とが直交している、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
本発明の第2の観点に係る物質検出素子は、
支持基板と、
前記支持基板に少なくとも一端が支持され、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁に設けられ、物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる。
支持基板と、
前記支持基板に少なくとも一端が支持され、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁に設けられ、物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる。
前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
本発明によれば、物質が付着することで梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極とが、梁の表と裏の同じ位置に設けられている。これにより、物質吸着膜への物質の付着による梁の振動周波数の変化が大きい位置で、梁の振動周波数に関する情報を感度良く検出することができるので、より効率的に物質を検出することができる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る物質検出素子は、微細加工を実現する半導体製造技術であるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を用いて製造される。
図1に示すように、本実施の形態に係る物質検出素子1は、略矩形平板状の支持基板2を備える。支持基板2は、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板から製造される。SOI基板とは、埋込酸化膜であるBOX層と、BOX層上の半導体層であるシリコン(SOI)層とから成る積層構造を有する半導体基板であり、酸化膜を内包するウエハである。
支持基板2は、図2に示すように、樹脂から成るベース10に、基体ウエハ及び埋め込み酸化膜で形成されたBOX層から成るSi支持層11が積層されて構成されている。Si支持層11には、素子ウエハ活性層であるSi活性層12(図5A及び図5B参照)が積層されている。
支持基板2のベース10には、その一部に円形の開口13が設けられており、開口13の部分ではSi支持層11が露出している。この開口13の部分におけるSi支持層11及びSi活性層12には、貫通孔3が7つ設けられている。貫通孔3は、円形であり、それぞれの直径は同じとなっている。
貫通孔3のそれぞれには、図3及び図4に示すように、板状の梁4が設けられている。本実施の形態では、梁4は、細長板状の第1の梁4Aと、細長板状の第2の梁4Bとで構成される。梁4(第1の梁4A及び第2の梁4B)は、それぞれSi活性層12によって形成される貫通孔3の縁から対向する縁へ向かって延びる部分を有している。
第1の梁4A及び第2の梁4Bは、その長手方向の両端で貫通孔3の縁に固定されている。第1の梁4Aと第2の梁4Bとは交差(直交)しており、中央で連結している。本実施の形態では、第1の梁4Aの幅が第2の梁4Bの幅よりも広くなっている。この幅は、第1の梁4Aにおける短手方向の長さ、第2の梁4Bにおける短手方向の長さを示している。梁4は、貫通孔3の全てを塞ぐのではなく、貫通孔3の一部を塞いでいる。よって、梁4は、貫通孔3内に気体が滞留することを防止して、その気体が貫通孔3を通り抜け易くしている。
図3に示すように、梁4(第2の梁4B)は、検出対象の物質を吸着する物質吸着膜5A,5Bを支持している。物質吸着膜5A,5Bは、第2の梁4Bの別々の場所にそれぞれ配設されている。物質吸着膜5A,5Bは、細長い半球面形状又は外周は盛り上がり中央が凹んだお椀形状を有しており、気体に露出する表面積を大きくすることができる。これにより、物質吸着膜5A,5Bは、気体中(例えば、空気中)に含まれる検出対象となる物質を吸着し易くなっている。物質吸着膜5A,5Bは、梁4に対して脱着可能に取り付けられており、他の物質吸着膜と交換可能である。
物質吸着膜5A,5Bは、吸着する物質が異なる。検出対象となる物質は、例えば、匂いを構成する化学物質群(匂い要因)のうち、例えば空気中に含まれる検出対象の化学物質を構成する気体状の物質(以下、「構成物質」という)である。検出対象の化学物質としては、例えばアンモニア、メルカプタン、アルデヒド、硫化水素、アミンなどの特有の臭気を有する匂い原因物質がある。物質吸着膜5A,5Bは、匂い原因物質を構成する構成物質が吸着した後、一定時間経過すると、吸着した構成物質が分離するので、再利用可能となっている。
梁4は、構成物質が物質吸着膜5A,5Bに吸着することで振動周波数(例えば共振周波数)が変化するよう構成されている。物質吸着膜5A,5Bが構成物質を含む気体の通り口となる貫通孔3に配置されているので、物質吸着膜5A,5Bは気体中に含まれる構成物質を吸着し易くなっている。なお、梁4の振動が、物質検出素子1が組み込まれる装置の振動の影響を受けないようにするため、梁4の振動周波数は、その装置の振動周波数と異なるように、より高く設定されているのが望ましい。
第1の梁4Aの両端には、図4に示すように、駆動電極16が形成されている。また、第2の梁4Bには、検出電極17A,17Bが形成されている。支持基板2上には、導線としての駆動信号線21,検出信号線22A,22Bが形成されている。駆動信号線21は、駆動電極16に接続されている。検出信号線22Aは、検出電極17Aに接続され、検出信号線22Bは、検出電極17Bに接続されている。梁4を駆動する電圧信号は、駆動信号線21を介して駆動電極16に印加される。また、検出電極17Aからの電圧信号は、検出信号線22Aを介して出力され、検出電極17Bからの電圧信号は、検出信号線22Bを介して出力される。
物質吸着膜5Aと検出電極17Aとは、梁4(第2の梁4B)の表と裏の同じ位置に設けられている。物質吸着膜5Bと検出電極17Bとは、梁4(第2の梁4B)の表と裏の同じ位置に設けられている。
すなわち、本実施の形態では、梁4は、少なくとも2箇所で貫通孔3の縁に固定されており、梁4の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組、物質吸着膜5B及び検出電極17Bの組が、梁4に設けられている。
さらに具体的には、第2の梁4Bは、その長手方向の両端で貫通孔3の縁に固定されている。第2の梁4Bの中央から見てx軸方向の両側に、第2の梁4Bの表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組、物質吸着膜5B及び検出電極17Bの組が設けられている。さらに、第1の梁4Aと第2の梁4Bとが交差する部分から見て第2の梁4Bの両側に、梁4の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5Aと検出電極17Aとの組、物質吸着膜5Bと検出電極17Bとの組が設けられている。
図4のA-A線断面図である図5Aに示すように、第1の梁4Aは、主として、支持基板2のSi活性層12で構成される。Si活性層12上には下部電極層14が形成されており、その上に圧電素子15が形成されている。駆動電極16は、第2の梁4Bの貫通孔3の縁に圧電素子15と接するように形成されている。下部電極層14と、圧電素子15と、駆動電極16とで、圧電層が形成される。
一方、図4のB-B線断面図である図5Bに示すように、第2の梁4Bは、主として、支持基板2のSi活性層12で構成される。Si活性層12上には下部電極層14が形成されており、その上に圧電素子15が形成されている。検出電極17A,17Bは、第2の梁4Bの貫通孔3の縁に圧電素子15と接するように形成されている。下部電極層14と、圧電素子15と、検出電極17A,17Bとで、圧電層が形成される。
下部電極層14は、導電性材料(例えば、アルミニウムや銅などの金属)で構成される。駆動電極16及び検出電極17A,17Bも同様である。圧電素子15は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの材料(圧電特性を示す材料)で構成される。圧電素子15は、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、長手方向(厚み方向に直交する方向)に伸縮する性質を有する。なお、図5A及び図5Bでは、BOX層の図示が省略されている。
駆動電極16が正で、下部電極層14が負となる極性(以下、正極性と呼ぶ)の電圧を印加すると、圧電層は長手方向に伸びるため、図6に示すように、第1の梁4Aは、上方が凸になるように(+z方向に)反り返り、これに合わせて第2の梁4Bも、上方が凸になるように(+z方向に)反り返る。その結果、検出電極17A,17Bが正で、下部電極層14が負となる極性(以下、正極性と呼ぶ)の電圧が生じる。
これに対して、駆動電極16が負で、下部電極層14が正となる極性(以下、負極性と呼ぶ)の電圧を印加すると、第1の梁4Aの圧電層が長手方向に縮むため、図7に示すように、第1の梁4Aは、下方が凸になるように(-z方向に)反り返り、これに合わせて第2の梁4Bも、下方が凸になるように(-z方向に)反り返る。その結果、検出電極17A,17Bが負で、下部電極層14が正となる極性(以下、負極性と呼ぶ)の電圧が生じる。
もちろん、駆動電極16側が正、下部電極層14側が負となるように、両電極間に電圧を印加すると、長手方向に縮む一方で、駆動電極16側が負、下部電極層14側が正となるように、両電極間に電圧を印加すると、長手方向に伸びる性質を有するような圧電素子を用いても構わない。この場合、正極性の電圧を印加すると、下方が凸になるように反り返り、検出電極17A,17Bでは、正極性の電圧が発生する。一方、負極性の電圧を印加すると、上方が凸になるように反り返り、検出電極17A,17Bでは、負極性の電圧が発生する。このように、第1の梁4Aは、圧電層の伸縮により撓んで振動し、第2の梁4Bは、撓むことにより圧電層が伸縮し、電圧が発生するものであればよい。
いずれにしても、駆動電極16と下部電極層14(図5A参照)との間に、所定極性の電圧を印加することにより、図6又は図7に示す変形を生じさせることができる。変形の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。図6又は図7に示す変形が生じると、検出電極17A,17Bと下部電極層14との間に、所定極性の電圧を生じさせることができる。電圧の大きさは、第2の梁4Bに応じた量になる。なお、圧電素子を構成する材料によって(例えば、バルク、薄膜によって)分極作用が異なるので、伸縮と電圧の極性との関係とが上述とは逆になる場合がある。
例えば、駆動電極16と下部電極層14との間に正弦波状に変化する電圧を印加すると、第1の梁4Aが正弦波状に振動する。第1の梁4Aの振動に合わせて第2の梁4Bも振動する。すなわち、駆動電極16は、圧電素子15に電圧を印加して梁4を振動させる。第2の梁4Bが振動すれば、検出電極17A,17Bと下部電極層14との間に正弦波状に変化する電位差が発生する。検出電極17A,17Bは、梁4の振動周波数に関する情報を検出する。
さらに、駆動電極16と下部電極層14との間に加える正弦波状の電圧の周波数を上下させると、第1の梁4A、第2の梁4Bの振動の周波数も上下し、検出電極17A,17Bと下部電極層14との間に生じる電圧信号の周波数も上下する。第1の梁4A,第2の梁4Bの振動の周波数が梁4の共振周波数に近づくにつれて、梁4の振動振幅は大きくなり、梁4の共振周波数になると、梁4の振動振幅は最大となる。
上述のように、梁4は、構成物質が物質吸着膜5A,5Bに吸着することで振動周波数(例えば共振周波数)が変化するよう構成されている。また、梁4の振動周波数は物質吸着膜5A,5Bへの構成物質の吸着度合に応じて変化する。これにより、梁4の振動振幅が最大となる周波数も変化する。逆に言えば、検出電極17A,17Bと下部電極層14との電圧信号の振幅が最大となる振動周波数の変化を求めることにより、物質吸着膜5A,5Bに構成物質が吸着してない状態から吸着した状態に変化したことを検出することができる。
検出電極17Aと、下部電極層14との間に生じた電位差は、電圧信号となって、検出信号線22Aを介して出力される。また、検出電極17Bと、下部電極層14との間に生じた電位差は、電圧信号となって、検出信号線22Bを介して出力される。出力された電圧信号を、梁4の振動周波数に関する情報とし、その情報に基づいて、梁4の振動周波数の変化を検出すれば、貫通孔3を通過する気体に物質吸着膜5A,5Bに吸着された物質が含まれていることを検出することができる。
図8に示すように、物質検出素子1には、信号処理回路20が設けられている。信号処理回路20は、2本の駆動信号線21と、2本の検出信号線22A,22Bと接続されている。信号処理回路20から出た2本の駆動信号線21は、一対の駆動電極16に接続されている。また、検出電極17A,17Bそれぞれから出た2本の検出信号線22A,22Bは、独立して信号処理回路20に接続されている。信号処理回路20は、下部電極層14(図5A及び図5B参照)の電位を基準とする各種電圧信号の入出力を行う。
信号処理回路20は、駆動信号線21を介して各貫通孔3に対応する駆動電極16に対して例えば正弦波状の電圧信号を出力するとともに、検出信号線22A,22Bを介して、各貫通孔3に対応する検出電極17A,17Bから出力される電圧信号を入力する。信号処理回路20は、入力された電圧信号に基づいて、梁4の振動周波数(例えば共振周波数)の変化を検出する。物質検出素子1では、例えば、1ng(ナノグラム)の単位で、構成物質の吸着を検出可能である。
物質検出素子1では、貫通孔3毎に梁4が設けられて、梁4各々が支持する物質吸着膜5A,5Bの種類が異なっている。信号処理回路20は、貫通孔3の検出電極17A,17Bから出力される電圧信号を、検出信号線22A,22Bを介して入力し、入力された電圧信号に基づいて、梁4の振動周波数の変化、すなわちその梁4に対応する物質吸着膜5A,5Bへの構成物質の吸着を検出する。ここで、検出電極17Aは、物質吸着膜5Aの裏に設けられているので、物質吸着膜5Aに物質が付着した場合には、検出電極17Aで接続された電圧信号に基づいて、梁4の振動周波数の変化が検出される。また、検出電極17Bは、物質吸着膜5Bの裏に設けられているので、物質吸着膜5Bに物質が付着した場合には、検出電極17Bで接続された電圧信号に基づいて、梁4の振動周波数の変化が検出される。信号処理回路20は、メモリを有しており、物質吸着膜5A,5Bそれぞれの構成物質の検出結果をそのメモリに記憶する。
次に、本実施の形態に係る物質検出素子1による化学物質の検出動作について説明する。図8に示すように、信号処理回路20は、駆動電極16に対して任意の周波数の正弦波状の電圧信号の出力を開始する。これにより、図9に示すように、時点t1において、梁4の振動が開始される。この振動により、測定前に物質吸着膜5A,5Bに吸着していた構成物質が脱離し、物質吸着膜5A,5Bが初期化される。時点t1から時点t2までを物質吸着膜5Aの初期化を行う初期化期間T1とする。
時点t2を経過しても、信号処理回路20は、梁4の振動を継続している。時点t2から時点t3までの期間T2において、化学物質の検出が行われる。気体中に含まれ得る様々な化学物質の検出を行うため、時点t2において、物質検出素子1は、気体の流れの中に置かれる。これにより、貫通孔3を通る気体に含まれる化学物質を構成する構成物質の検出が開始される。ここで、構成物質が吸着される物質吸着膜5A,5Bを支持する梁4は、貫通孔3の全てを塞ぐのではなく、貫通孔3の一部を塞いでいる。よって、梁4は、検出対象の化学物質を含む気体が貫通孔3内に滞留することを防止して、その気体が貫通孔3を通り抜け易くしている。
期間T2において、信号処理回路20は、貫通孔3の検出電極17A,17Bから出力される電圧信号を、検出信号線22A,22Bを介して入力し、入力された電圧信号に基づいて、梁4の振動周波数の変化、すなわちその梁4に対応する物質吸着膜5A,5Bへの構成物質の吸着を検出する。
時点t3になると、物質検出素子1は、気体の流れの中から取り除かれる。これにより、化学物質の検出が終了する。しかし、時点t3から時点t4までの期間T3では、信号処理回路20は、梁4の振動を継続する。これにより、構成物質が物質吸着膜5A,5Bから脱離する。時点t4において、物質検出素子1の処理が終了する。
再び化学物質の検出を行う場合には、期間T1~T3の動作を繰り返す。
本実施の形態によれば、化学物質が含まれる気体が通る梁4に物質吸着膜5A,5Bが設けられており、検出対象の化学物質が含まれる気体が物質吸着膜5A,5Bの周囲を通り易く構成しているので、より効率的に化学物質を検出することができる。
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、物質が付着することで梁4の振動周波数を変化させる物質吸着膜5A,5Bと、梁4の振動周波数に関する情報を検出する検出電極17A,17Bとが、梁4の表と裏の同じ位置に設けられている。これにより、物質吸着膜5A,5Bへの物質の付着による梁4の振動周波数の変化が大きい位置で、梁4の振動周波数に関する情報を感度良く検出することができるので、より効率的に物質を検出することができる。
また、本実施の形態によれば、1つの貫通孔につき、2種類の物質の検出が可能になるため、同じ種類の物質を検出可能な装置のサイズを小型化することができる。逆にいえば、装置のサイズを同じとしたままで、検出可能な物質の種類を増やすことができる。
なお、物質吸着膜5A,5Bと、検出電極17A,17Bとの位置は、多少ずれていてもよい。そのずれ量が、物質吸着膜同士、検出電極同士の距離よりも無視できる程度に小さければよい。また、物質吸着膜同士、検出電極同士の距離が振動周波数の変化を個別に検出可能な距離以上であれば、同じ梁に3以上の物質吸着膜及び検出電極の組を配置するようにしてもよい。
また、本実施の形態によれば、駆動電極16が設けられた第1の梁4Aの幅を、検出電極17A,17Bが設けられた第2の梁4Bの幅より広くした。このようにした方が、梁4の変位を大きくして、検出される電圧信号のレベルを大きくすることができる。
なお、本実施の形態では、第1の梁4Aの幅が、第2の梁4Bの幅よりも広くなるように設定されていた。しかしながら、本発明はこれには限られない。第1の梁4Aの幅(短手方向の長さ)と、第2の梁4Bの幅(短手方向の長さ)とは同じであってもよい。また、貫通孔3の径を短くして、第1の梁4Aの長さを短縮してもよい。このようにすれば、梁4全体の振動周波数をより高く設定して外部からの振動の影響を少なくすることができるうえ、吸着した構成物質の単位重量当たりの梁4の振動周波数の変化量を大きくして、構成物質の吸着の検出精度を向上することができる。
なお、梁4の幅、長さについては、気体の流れに必要な貫通孔3の大きさとの関係において定められるのが望ましい。
また、本実施の形態では、梁4は、少なくとも2箇所で貫通孔3の縁に固定されている。このようにすれば、片持ちの梁4に比べ、梁4を安定して保持することができるうえ、梁4の振動周波数を高くすることができる。
なお、梁4における駆動電極16、検出電極17A,17B及び物質吸着膜5A,5Bの配置は、本実施の形態に係るものに限られない。例えば、図10A及び図10Bに示すように、物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組と、物質吸着膜5B及び検出電極17Bの組が、第2の梁4Bではなく、第1の梁4Aに設けられていてもよい。すなわち、第1の梁4Aと第2の梁4Bとが交差する部分から見て第1の梁4Aの両側に、梁4の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5Aと検出電極17Aとの組、物質吸着膜5Bと検出電極17Bとの組が設けられている。
また、図11A及び図11Bに示すように、駆動電極16が第1の梁4A及び第2の梁4Bの中央に1つだけ設けられていてもよい。すなわち、駆動電極16が、第1の梁4Aと第2の梁4Bとが交差する部分に設けられているようにしてもよい。この駆動電極16に電圧信号を加えれば、第1の梁4A及び第2の梁4Bを振動させることができる。
また、図12A及び図12Bに示すように、梁4は、長手方向の両端で貫通孔3の縁に固定された一方向に延びるだけのものであってもよい。この場合、駆動電極16は、梁4の中央に設けられており、梁4の中央から見て両側に、梁4の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組、物質吸着膜5B及び検出電極17Bの組が設けられるようにすればよい。
また、図13A及び図13Bに示すように、梁4は、長手方向の両端で貫通孔3の縁に固定された一方向に延びるだけのものである場合、駆動電極16が、梁4の両端に設けられていてもよい。また、梁4の中央から見て両側に、梁4の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組、物質吸着膜5B及び検出電極17Bの組が設けられていてもよい。
上述の中では、図11A及び図11Bに示す配置において、検出電極17A,17Bから出力される電圧のレベルが最も大きくなった。すなわち、駆動電極16が梁4の中央に取り付けられ、幅が太い第1の梁4Aに検出電極17A,17Bが配置される場合の電圧レベルが最大となった。
また、図14A及び図14Bに示すように、梁4が第1の梁4A及び第2の梁4Bを備え、駆動電極16が、第1の梁4Aと第2の梁4Bとが交差する部分に設けられていてもよい。また、この場合、第1の梁4Aと第2の梁4Bとが交差する部分から見て第1の梁4Aの両側に、梁4の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組、物質吸着膜5B及び検出電極17Bの組が設けられ、第1の梁4Aと第2の梁4Bとが交差する部分から見て第2の梁4Bの両側に、梁4の表と裏の同じ位置に設けられた物質吸着膜5C及び検出電極17Cの組、物質吸着膜5D及び検出電極17Dの組が設けられるようにしてもよい。物質吸着膜5A~5Dが吸着する物質が全て異なるようにすれば、1つの貫通孔3について、4種類の物質を検出することが可能となる。
また、図15に示すように、梁4は片持ち梁でもよい。この場合には、梁4の幅を広くするか、厚みを大きくして、梁4の振動周波数を高くするのが望ましい。なお、駆動電極16は、梁4の一端(貫通孔3の縁に固定されている一端)に配置し、検出電極17Aは、梁4の中央に配置することができる。物質吸着膜5Aは、検出電極17Aの裏側に設けられている。
また、図16に示すように、梁4が長手方向の両端で貫通孔3の縁に固定された1本だけの場合、梁4の両端に駆動電極16が設けられ、梁4の中央に物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組が設けられているだけでもよい。
また、図17に示すように、3箇所で貫通孔3の縁に固定される梁4を用いてもよい。この場合、梁4が交差する位置に駆動電極16を配置し、梁4の3つの梁に物質吸着膜5A及び検出電極17Aの組と、物質吸着膜5B及び検出電極17Bの組と、物質吸着膜5C及び検出電極17Cの組とを配置すればよい。
なお、上記実施の形態では、第1の梁4Aと第2の梁4Bとが直交していた。このようにすれば、第1の梁4Aの振動を、第2の梁4Bが妨げないようにすることができる。しかしながら、第1の梁4Aと第2の梁4Bとは直交している必要はなく、交差していればよい。
なお、上記実施の形態では、化学物質の検出前又は後において、その化学物質を構成する構成物質が周辺に存在しない環境下において、梁4を振動させて、物質吸着膜5A,5Bから構成物質を脱離した。このようにすれば、リフレッシュガスを物質検出素子1に与えたり、ヒータなどの物質吸着膜5A,5Bから構成物質を脱離させる手段を物質検出素子1に設けたりすることなく、物質検出素子1を再利用することが可能となる。この結果、物質を検出する装置全体をシンプルかつコンパクトなものとすることができる。
梁4の振動による構成物質の脱離は、図18に示すような構成を有する物質検出素子1でも可能である。この物質検出素子1も、支持基板2と、支持基板2に両端が支持され、圧電素子15(図5A参照)が設けられた板状の梁4と、梁4に設けられ、物質が付着することで梁4の振動周波数を変化させる物質吸着膜5Eと、を備える。この物質検出素子1では、物質吸着膜5Eが、梁4の一方の面の全面に設けられている。さらに、この物質検出素子1は、圧電素子15に電圧を印加して梁4を振動させる駆動電極16(図5A参照)と、梁4の振動周波数に関する情報を検出する検出電極17A,17B(図5B参照)と、を備えている。駆動電極16及び検出電極17A,17Bは、物質吸着膜5Eが設けられた領域の裏側に設けられている。
図18に示すように、時点t1において、梁4の振動が開始される。この振動により、初期化期間T1において、測定前に物質吸着膜5Eに吸着していた構成物質が脱離し、物質吸着膜5Eが初期化される。
時点t2から時点t3までの期間T2において、化学物質の検出が行われる。時点t2を経過しても、梁4の振動は継続している。時点t2において、物質検出素子1は、検出対象となる気体の流れの中に置かれる。これにより、貫通孔3を通る気体に含まれる化学物質を構成する構成物質が物質吸着膜5Eに吸着する。
期間T2において、信号処理回路20は、検出電極17A,17Bから出力される電圧信号を入力し、入力された電圧信号に基づいて、梁4の振動周波数の変化、すなわちその梁4に対応する物質吸着膜5Eへの構成物質の吸着を検出する。
時点t3になると、物質検出素子1は、気体の流れの中から取り除かれる。これにより、化学物質の検出が終了する。しかし、時点t3から時点t4までの期間T3では、信号処理回路20は、梁4の振動を継続する。これにより、構成物質が物質吸着膜5Eから脱離する。
なお、脱離の際、駆動電極16は、物質吸着膜5Eの膜厚方向に、梁4を振動させて、構成物質を脱着させる。このようにすれば、構成物質の脱着方向と梁4の振動方向とをあわせることができるので、構成物質を脱離し易くなる。これに対して、水晶素子を物質吸着膜とするQCM(Quartz Crystal Microbalance)式の検知デバイスでは、水晶素子が、膜に対して水平方向に振動しているため、振動により構成物質が脱着しにくくなっている。
なお、上記実施の形態では、期間T1,T2,T3で、駆動電極16に付与する電圧信号の周波数及び強度を一定とした。しかしながら、本発明はこれには限られない。期間T1,T3では、構成物質の脱離を促進できるのであれば、電圧信号の周波数及び強度を増減させるようにしてもよい。例えば、期間T1,T3では、期間T2のときとは異なる電圧信号の周波数にしてもよく、また、期間T2のときとは異なる電気信号の強度にしてもよい。
上記実施の形態では、貫通孔3及び梁4の数は、7つであったが、本発明はこれには限られない。貫通孔3及び梁4の数は、6つ以下であってもよいし、8つ以上であってもよい。貫通孔3及び梁4の数は、検出対象となる構成物質の数によって決めることができる。
上記実施の形態では、貫通孔3は円形であった。しかしながら、本発明はこれには限られない。貫通孔は楕円、角形であってもよいし、外径が曲線と直線とを組み合わせたものであってもよい。
また、上記実施の形態では、検出対象となる物質を、匂いを構成する化学物質としたが、本発明はこれには限られない。例えば、無臭で気体中に含まれる化学物質を検出するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、気体中に含まれる化学物質であるとしたが、本発明はこれには限られない。液体中の物質の検出にも、本発明を適用することができる。
また、上記実施の形態では、物質検出素子1を、SOIウエハを用いて製造するものとしたが、本発明はこれには限られない。物質検出素子を、他のウエハを用いて製造するようにしてもよい。
上記実施の形態では、梁4のほぼ全面に下部電極層14及び圧電素子15を設けるものとしたが、本発明はこれには限られない。駆動電極16及び検出電極17A,17Bが形成された部分にのみ、下部電極層14及び圧電素子15を設けるようにしてもよい。
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
なお、本願については、2018年9月27日に出願された日本国特許出願2018-182353号及び2019年4月22日に出願された日本国特許出願2019-80654号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願2018-182353号及び日本国特許出願2019-80654号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
本発明は、流体中に含まれる化学物質の検出に適用することができる。
1 物質検出素子、2 支持基板、3 貫通孔、4 梁、4A 第1の梁、4B 第2の梁、5A,5B,5C,5D,5E 物質吸着膜、10 ベース、11 Si支持層、12 Si活性層、13 開口、14 下部電極層、15 圧電素子(ピエゾ素子)、16 駆動電極、17A,17B,17C,17D 検出電極、20 信号処理回路、21 駆動信号線、22A,22B 検出信号線
Claims (16)
- 貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の一部を塞ぐように前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延び、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記物質吸着膜と前記検出電極とは、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられている、
物質検出素子。 - 前記梁は、少なくとも2箇所で前記貫通孔の縁に固定され、
前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が、前記梁に複数設けられており、
前記物質吸着膜が吸着する物質が、前記組毎に異なる、
請求項1に記載の物質検出素子。 - 前記梁は、その長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定されており、
前記梁の中央から見て両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜及び前記検出電極の組が設けられている、
請求項2に記載の物質検出素子。 - 前記駆動電極が、前記梁の両端に設けられている、
請求項3に記載の物質検出素子。 - 前記駆動電極が、前記梁の中央に設けられている、
請求項3に記載の物質検出素子。 - 前記梁は、
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定された第1の梁と、
長手方向の両端で前記貫通孔の縁に固定され、前記第1の梁と交差する第2の梁とで構成される、
請求項2に記載の物質検出素子。 - 前記第1の梁と前記第2の梁とが交差する部分から見て前記第2の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
請求項6に記載の物質検出素子。 - 前記第1の梁と前記第2の梁とが交差する部分から見て前記第1の梁の両側に、前記梁の表と裏の同じ位置に設けられた前記物質吸着膜と前記検出電極との組が設けられている、
請求項6又は7に記載の物質検出素子。 - 前記駆動電極が、前記第1の梁の両端に設けられている、
請求項7又は8に記載の物質検出素子。 - 前記駆動電極が、前記第1の梁と前記第2の梁とが交差する部分に設けられている、
請求項7又は8に記載の物質検出素子。 - 前記第1の梁の幅が、前記第2の梁の幅よりも広くなるように設定されている、
請求項6から10のいずれか一項に記載の物質検出素子。 - 前記第1の梁と前記第2の梁とが直交している、
請求項6から11のいずれか一項に記載の物質検出素子。 - 前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる、
請求項1から12のいずれか一項に記載の物質検出素子。 - 前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
請求項13に記載の物質検出素子。 - 支持基板と、
前記支持基板に少なくとも一端が支持され、圧電素子が設けられた板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動させる駆動電極と、
前記梁に設けられ、物質が付着することで前記梁の振動周波数を変化させる物質吸着膜と、
を備え、
前記駆動電極は、前記梁を振動させて前記物質吸着膜に付着した物質を脱離させる、
物質検出素子。 - 前記駆動電極は、前記物質吸着膜の膜厚方向に、前記梁を振動させる、
請求項15に記載の物質検出素子。
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