(57)【要約】【課題】高感度化、安定性および信頼性の向上を図ることのできる検出センサ、物質検出システムを提供することを目的とする。【解決手段】冷却素子１５２を作動させ、熱伝導体１５１、チップ・パッケージ１２０、ＰＺＴ板１３０を介して振動子チップ１００を冷却することで、振動子４１における振動特性の安定化と、感応膜４２における検出感度の向上を図る。そして、熱伝導体１５１、冷却素子１５２の周囲を、断熱材１７０で覆うようにした。また、ソケット１４０、ソケット抑え１４１、電極カバー１４２により、電極部１２１が外部の空気に触れないようにした。さらに、チャンバ壁部１４５およびチャンバ本体１４６は、金属よりも熱伝導率の低い、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂により形成した。【選択図】図４
2011203007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、
前記振動子の表面に形成され、物質を付着または吸着する膜状の感応膜と、
前記振動子を振動させる圧電素子と、
前記圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、
前記振動子を冷却する冷却部材と、を備えることを特徴とする検出センサ。
【請求項２】
前記冷却部材と前記素子パッケージの電極とのうち少なくとも一つ部材を、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆う結露防止部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
【請求項３】
前記振動子が形成された基板と、前記冷却部材とが積層され、
前記冷却部材で前記基板を冷却することにより、前記振動子および当該振動子に形成された前記感応膜を冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の検出センサ。
【請求項４】
前記素子パッケージの一面側に前記圧電素子が接合され、前記基板が前記圧電素子に積層され、
前記素子パッケージの他面側に、前記冷却部材として、前記振動子を冷却するため熱エネルギを奪う冷却素子と、前記冷却素子で奪う熱エネルギを前記素子パッケージから伝達する伝熱部材とが積層されて設けられていることを特徴とする請求項３に記載の検出センサ。
【請求項５】
前記結露防止部は、前記冷却素子および前記伝熱部材の表面を覆う断熱材からなることを特徴とする請求項４に記載の検出センサ。
【請求項６】
前記素子パッケージと前記冷却部材との間に、前記圧電素子で発生した振動が前記素子パッケージ側から前記冷却部材に伝達するのを抑える振動伝達抑制部材が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の検出センサ。
【請求項７】
前記素子パッケージの外周部に外部の電源が接続される電極が設けられ、
前記電極が、予め成型された断熱性材料からなる電極カバーにより覆われていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の検出センサ。
【請求項８】
前記電極カバーが、前記電極に対し、前記素子パッケージの一面側と他面側とに設けられ、
前記電極カバーが、前記素子パッケージの一面側と他面側に設けられた一対のハウジングにより、加圧状態に締め付けられていることを特徴とする請求項７に記載の検出センサ。
【請求項９】
検出対象のガスに含まれる特定物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出する物質検出システムであって、
検出対象のガスをシステム内に導入するとともに、導入した前記ガスを前記システム内で搬送するためのポンプと、
前記ポンプで前記システム内に導入した前記ガスに含まれる前記特定物質を吸着する吸着部と、
前記吸着部で吸着した前記特定物質を前記吸着部から脱離させるヒータと、
前記吸着部から脱離した前記特定物質を吸着または付着する感応膜を備え、前記感応膜に前記特定物質が吸着または付着することにより振動周波数が変化する振動子と、
前記振動子を振動させる圧電素子と、
前記圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、
前記振動子を冷却する冷却部材と、
前記振動子の振動周波数の変化を検出し、前記振動子の振動周波数の変化タイミングに基づいて得られる前記特定物質の種類、および前記振動周波数の変化量に基づいて得られる前記特定物質の濃度の少なくとも一方を検出する検出部と、を備え、
前記冷却部材、前記素子パッケージの電極の少なくとも一つ部材が、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆われていることを特徴とする物質検出システム。
【請求項１０】
前記振動子は、前記吸着部から脱離した前記特定物質が前記ポンプによって送り込まれるチャンバ内に設けられ、
前記チャンバが樹脂系材料により形成されていることを特徴とする請求項９に記載の物質検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＶＯＣ（Volatile Organic Compounds：揮発性有機化合物）等の物質の検出等を行うことのできる検出センサ、物質検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、空気中を漂う各種物質や匂いの存在、あるいはその定量的な濃度を検出するためのセンサが存在した。このセンサでは、ガスに含まれる特定種の分子を吸着し、その吸着の有無、あるいは吸着量を検出することで、特定物質等の存在の有無、あるいはその濃度を検出している。
【０００３】
空気中を漂う分子をその微小な分子質量によって検出するセンサ素子は、これらの分子を含む気体中で振動子を振動させ、分子が振動子表面に付着または吸着された際の振動子の質量変化を振動子の共振周波数変化として検出する。質量検出を行う振動子として、片持ち梁の横振動を利用するカンチレバー型の振動子が存在する（例えば、特許文献１、２参照）。このようなカンチレバー型の振動子は、シリコン薄膜等を写真技術（フォトリソグラフィ）で精密に加工するＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical Systems）と呼ばれる技術を用いることで、μｍ（マイクロメートル）単位の領域で作製することが可能となってきた。振動子のサイズを小さくすることで振動子質量が大幅に減少し、付着質量に対する検出感度が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４０２５２号公報
【特許文献２】特開２００９−１３３７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような物質検出システムにおいては、検出感度をさらに高めようとすると、振動子のさらなる小型化等を図る必要があり、これにはその製造プロセスの開発を含め、多大なコストが必要となる。
また、研究開発段階から量産化をにらんだ段階へと移行してくると、数多くの振動子において、安定した検出感度が得られることが必要となってくる。
このように、物質検出システムにおいては、常に、その感度、安定性の向上が求められており、本発明は、高感度化および安定性向上を図ることのできる検出センサ、物質検出システム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】
そこでなされた本発明の検出センサは、振動子と、振動子の表面に形成され、物質を付着または吸着する膜状の感応膜と、振動子を振動させる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、振動子を冷却する冷却部材と、を備える。冷却部材により振動子を冷却すると、振動子の表面に形成された感応膜の温度が低下する。感応膜を低温にすることによって、感応膜の表面や膜内の吸着サイトでの吸着速度が脱離速度よりも大きくなって吸着能が高くなるとともに、吸着した分子の相互作用も大きくなって吸着サイトでの凝集が起こって、結果として膜全体の吸着能が高くなる。すなわちセンサの感度（濃度あたりの周波数変化（Hz/ppm)）が向上する。
【０００７】
また、冷却部材と素子パッケージの電極とのうち少なくとも一つ部材を、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆う結露防止部を形成するのが好ましい。
【０００８】
また、振動子が形成された基板と、冷却部材とが積層され、冷却部材で基板を冷却することにより、振動子および当該振動子に形成された感応膜を冷却することができる。
さらに、素子パッケージの一面側に圧電素子が接合され、振動子を有した基板が圧電素子に積層され、素子パッケージの他面側に、冷却部材として、振動子を冷却するために熱エネルギを奪う冷却素子と、冷却素子で奪う熱エネルギを素子パッケージから伝達する伝熱部材とが積層されて設けられた構成とすることができる。
このように、素子パッケージ、圧電素子、振動子（を有した基板）を積層することで、圧電素子で発生した振動を振動子にダイレクトに伝達することができる。
このような構成において、結露防止部は、冷却素子および伝熱部材の表面を覆う断熱材からなるものとすることができる。
【０００９】
また、素子パッケージと冷却部材との間に、圧電素子で発生した振動が素子パッケージ側から冷却部材に伝達するのを抑える振動伝達抑制部材を設けることもできる。これにより、冷却部材により圧電素子で発生した振動が阻害されるのを防ぎ、効率良く振動させることができる。
【００１０】
また、素子パッケージの外周部に外部の電源が接続される電極が設けられ、電極が、予め成型された断熱性材料からなる電極カバーにより覆われた構成とすることもできる。
さらに、電極カバーが、電極に対し、素子パッケージの一面側と他面側とに設けられ、電極カバーが、素子パッケージの一面側と他面側に設けられた一対のハウジングにより、加圧状態に締め付けられた構成とすることもできる。
【００１１】
本発明は、検出対象のガスに含まれる特定物質の種類および濃度の少なくとも一方を検出する物質検出システムであって、検出対象のガスをシステム内に導入するとともに、導入したガスをシステム内で搬送するためのポンプと、ポンプでシステム内に導入したガスに含まれる特定物質を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した特定物質を吸着部から脱離させるヒータと、吸着部から脱離した特定物質を吸着または付着する感応膜を備え、感応膜に特定物質が吸着または付着することにより振動周波数が変化する振動子と、振動子を振動させる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加する素子パッケージと、振動子を冷却する冷却部材と、振動子の振動周波数の変化を検出し、振動子の振動周波数の変化タイミングに基づいて得られる特定物質の種類、および振動周波数の変化量に基づいて得られる特定物質の濃度の少なくとも一方を検出する検出部と、を備える。そして、冷却部材、素子パッケージの電極の少なくとも一つ部材を、当該部材を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で覆うことを特徴とする。
ここで、振動子は、吸着部から脱離した特定物質がポンプによって送り込まれるチャンバ内に設けられ、チャンバを樹脂系材料により形成することもできる。チャンバを樹脂系材料で形成することで、チャンバの金属製とした場合に比較し、結露しにくくすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、感応膜を塗布した振動子を冷却することで、検出感度の高感度化、および安定性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態における物質検出システムの概略構成を示す図である。
【図２】吸着部を示す断面図である。
【図３】センサ部を構成する振動子、ＰＺＴ板、チップ・パッケージの積層構造を示す斜視図である。
【図４】センサ部の冷却構造を示す断面図である。
【図５】冷却の有無による周波数変化の違いを示す図である。
【図６】感応膜を形成する材料による温度特性を示す図である。
【図７】結露防止構造を採用しなかった場合の冷却素子温度と振動子の周波数変化を示す図である。
【図８】冷却素子による冷却能力を示す図である。
【図９】振動伝達部材の有無による振動子の出力信号の違いを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における物質検出システム１０の全体構成を説明するための図である。
この図１に示す物質検出システム１０は、検知対象となる特定種の分子を吸着することで、ガス自体あるいはガスに含まれる複数種の特定物質や匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。
この物質検出システム１０は、検知対象のガスを吸い込むとともに、システム内でガスの流れを生じさせるポンプ２０と、ポンプ２０で吸い込んだガスを吸着する吸着部３０と、吸着部３０で吸着したガス中から、ガス成分中に含まれる特定種の分子を吸着し、その分子の吸着に応じた検出信号を出力するセンサ部（検出センサ）４０と、センサ部４０における検出信号に基づき、特定種の分子の有無またはその量を測定する測定処理部（検出部）５０と、を備えている。
【００１５】
ポンプ２０は、例えば電動であり、印加電圧・電流を制御することで、その吸入・吐出量を調整できる。図示しない吸い込みノズルから周囲雰囲気ガス、あるいは吸い込みノズルに接続されたサンプル容器１５内のガスを吸い込み、吐出口から吐出する。また、ポンプ２０の吸い込みノズルには、開閉バルブ等を設け、ポンプ２０内へのガスの吸い込みを遮断できるようにするのが好ましい。
【００１６】
吸着部３０は、ポンプ２０の吐出口に、ガス搬送管６０によって接続されている。
図２に示すように、吸着部３０は、例えばステンレス製の円筒状の筒体３１の内部に、吸着体として、例えばカーボンファイバーが充填されている。吸着体としては、もちろんこれ以外のものを適宜用いることができる。
ポンプ２０から吐出されたガスは筒体３１内に送り込まれ、吸着体と接触することで吸着体にガス中の成分分子が低い選択性で物理吸着により吸着される。ここで、筒体３１の管径が小さすぎると、ガスの流路抵抗が大きくなり、管径が大きすぎても筒体３１内におけるガスの拡散に時間差が生じガス分離能の低下につながる。また、検出精度を高めるには、筒体３１の体積やセンサ部４０のチャンバ体積で決定される最適なガス流量を採用するとともに、吸着体であるカーボンファイバーの比表面積を高めて、単位時間あたりの分子吸着量を高めるのが好ましい。
吸着部３０においては、ポンプ２０を所定時間作動させ、その作動中に送り込まれたガス中の分子を吸着体で吸着する。ポンプ２０の作動時間、すなわち吸着部３０における吸着時間の長さにより、ガスのサンプリング量を決定することができる。また、ポンプ２０は、吸着部３０あるいはセンサ部４０の下流側に設けられ、ガスを吸引しても良い。ここで、サンプル容器１５は、薄いプラスチックで作成されたサンプルバッグとすることができる。この場合、サンプルバッグに圧力を掛けることでガス試料を吸着部３０に導入することができるので、ポンプ２０の省略が可能となる。
【００１７】
筒体３１の外周面には、シースヒータ３４が巻きつけられている。シースヒータ３４は、図示しない熱伝導セメントにより筒体３１に固定され、その外周側が、断熱材３３により熱絶縁され、さらに空気層を介してケース３６に収容されている。また、シースヒータ３４の近傍には、温度計３５を設ける。
このシースヒータ３４に電圧が印加されることで、吸着体に吸着された成分分子が脱離し、ポンプ２０によって生じる流れによって成分分子はセンサ部４０へと搬送される。
【００１８】
図１に示したように、センサ部４０は、ガス搬送管６０により吸着部３０と接続されている。センサ部４０は、機械的振動を生じる振動子４１と、振動子４１の表面に形成され、吸着部３０で脱離した分子を吸着する感応膜４２と、を備える。
図３に示すように、振動子４１は、幅２０〜４００μｍ、長さ１００〜１０００μｍで、基端部が固定されて他端部が自由端とされた片持ち梁状のカンチレバー型とする。振動子４１は、駆動源として、例えばピエゾ駆動方式を用いており、所定周波数で振動子４１を振動させるようになっている。また、振動子４１は、自身の振動状態（振動周波数）の変化を電気信号として検出するための振動検出部４４を備えている。この振動検出部４４は、例えばシリコンや圧電素子のピエゾ効果等を用いることにより実現できる。
【００１９】
感応膜４２は、有機系材料や、無機系材料で形成することができる。本実施の形態においては、感応膜４２として、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリアクリルニトリル−ブタジエン（ＰＡＢ）、ポリイソプレン（ＰＩＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）等を用いることができる。この他、感応膜４２として採用できる材料としては、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体などの金属錯体、ポリチオフェン、ポリアニリンなどの導電性高分子、酸化チタン多孔質膜などの無機材料がある。ＰＡＢは、オクタン、プロパノール等のＶＯＣに選択性を有する。ＰＢＤやＰＩＰはトルエンに選択性を有し、ＰＳはｎプロパノールやエタノールに高い選択性を有する。また、ＰＳは応答時間が遅い。これらの選択性の違いに基づき、複数種の感応膜を組み合わせることで、物質の選択精度を高めることができる。
感応膜４２は、滴下法、スピンコート法等、適宜の手法で振動子４１の表面に形成すればよい。
【００２０】
ここで、図１に示したように、感応膜４２が形成された振動子４１は、所定の容積（例えば０．１〜０．５ｃｃ）を有したチャンバ４３内に設けられている。チャンバ４３内には、上記したような感応膜４２を備えた振動子４１が、複数組設置されている。
【００２１】
測定処理部５０は、振動子４１を駆動するための駆動回路５１と、振動検出部４４からの電気信号を検出する検出回路５２とを有している。
測定処理部５０の制御により、センサ部４０の振動子４１を駆動回路５１からの電気信号によって駆動して所定周波数で振動させた状態で、感応膜４２に質量を有した分子等の検出対象物が付着すると、振動子４１の振動周波数が変化する。測定処理部５０の検出回路５２は、振動検出部４４から出力される電気信号を受け、その電気信号の変化を検出することで、感応膜４２への特定種の分子の吸着の有無またはその量を測定する。
測定処理部５０における測定結果は、表示部５３において、ランプ、ブザー等のＯＮ／ＯＦＦ、測定値、測定レベルの表示、検出物質名称・濃度（量）の表示等によって出力できるようにするのが好ましい。
【００２２】
図１に示した物質検出システム１０においては、図示しない制御部によって、ポンプ２０の作動、シースヒータ３４への通電による加熱、振動子４１の駆動および検出、測定処理部５０における測定処理を制御する。
すなわち、まず、予め定めた一定時間の間、ポンプ２０でガスを吸い込み、ガスに含まれる分子を吸着部３０で吸着する。前記の一定時間の経過後、ポンプ２０を作動させたまま、ポンプ２０からのガスの吸い込みを中止する。
次いで、予め設定した流量でポンプ２０から空気、あるいは別に用意した不活性ガスを流し、シースヒータ３４に通電して吸着部３０を加熱し、吸着部３０で吸着した成分分子を分離させる。すると、分離した成分分子は、ガス搬送管６０によりセンサ部４０に搬送され、振動子４１の感応膜４２に吸着される。これによって振動子４１の振動周波数が変化する。測定処理部５０においては、振動子４１の振動周波数変化を検出する。測定処理部５０には、感応膜４２を備えた振動子４１のそれぞれにおいて、予め測定された、成分分子の種類、量（濃度）に応じた、振動周波数変化量、変化応答タイミング等のデータが記憶されている。測定処理部５０では、検出された振動子４１の振動周波数変化と、予め記憶されたデータを比較することで、感応膜４２に吸着された成分分子の種類、量（濃度）を測定（特定）する。
【００２３】
ここで、前記のチャンバ４３内には、上記したような感応膜４２を備えた振動子４１が、複数組設置されている。
さて、これら複数組の振動子４１間においては、例えば、感応膜４２の種類を互いに異ならせることができる。成分分子に対する感度（成分分子の吸着・捕捉度合い）が互いに異なる複数種の感応膜４２を用い、それぞれ感応膜４２を備えた振動子４１の振動変化を測定処理部５０で処理することで、捕捉した成分分子の種類を特定することができる。このようにして、様々な種類の成分分子に対し、分析・識別機能を向上させることができる。
【００２４】
このようにして、ガス中に含まれる物質の特定、及びその濃度を測定することができる。このとき、感応膜４２の材質を異ならせることで、その識別能は高まる。また、シースヒータ３４の加熱により吸着体から物質を脱離させたときの脱離タイミングをセンサ部４０、測定処理部５０で検出することで、物質の種類の識別能が高まる。
また、ポンプ２０においてガスを圧縮して送り込むことで、微小なガス量でも高感度な検出が可能となり、物質検出システム１０を、小型ながら、従来にない高感度な検出性能を備えるものとすることができる。このような物質検出システム１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等の微細加工技術により製造する振動子４１を除けば、簡易に製造することが可能であり、これによって低コスト化が可能となる。
【００２５】
さて、上記のような物質検出システム１０における、センサ部４０の振動子４１の駆動構造について説明する。
図３に示すように、振動子４１は、シリコン系材料からなる振動子チップ（基板）１００に形成されている。振動子４１は、振動子チップ１００を、フォトリソグラフィ法等によりパターン形成し、エッチング等により不要部分を除去することで形成され、基板本体１０１に一端４１ａが固定された固定端とされ、他端４１ｂがオーバーハングした自由端とされている。振動子４１の一端４１ａ上に振動検出部４４が配置されており、振動検出部４４は振動子４１の振動変位を電気信号として検出する。
【００２６】
図４に示したように、このような振動子チップ１００は、センサ部４０のベースとなるベース基板１１０に、チップ・パッケージ（素子パッケージ）１２０、ＰＺＴ板（圧電素子）１３０を介して支持されている。
【００２７】
ベース基板１１０には、開口部１１１が形成されている。チップ・パッケージ１２０は、この開口部１１１を塞ぐよう、ベース基板１１０の一面側に、固定部材１１２により外周部を固定されて設けられている。チップ・パッケージ１２０は、ＩＣチップを搭載することができ、ＩＣチップの各電極に電気的に接続される配線パターンを有している。このようなチップ・パッケージ１２０としては、ＤＩＰ（Dual Inline Package）や、ＱＦＰ（Quad Flat Package）を用いることができる。
【００２８】
ＰＺＴ板１３０は、ＰＺＴ材料からなる板状体で、チップ・パッケージ１２０の一面側に、接着剤２００を介して接合されている。
ＰＺＴ板１３０は、正極がチップ・パッケージ１２０側、負極が振動子チップ１００側として配置されている。ＰＺＴ板１３０の各電極は、チップ・パッケージ１２０の配線部と、ワイヤーボンディングによる配線１２５によって電気的に接続されている。ＰＺＴ板１３０は、外部の駆動回路からの制御信号に応じてチップ・パッケージ１２０から印加される電圧により、所定の周波数で振動を発生する。
【００２９】
図３に示したように、振動子チップ１００は、基板本体１０１が、ＰＺＴ板１３０の他面側に、接着剤２１０により接合されている。
【００３０】
図４に示したように、センサ部４０には、冷却機構（冷却部材）１５０が備えられている。この冷却機構１５０は、振動子４１が形成された振動子チップ１００を冷却するものである。感応膜４２を有する振動子４１は、冷却するとガス吸着によるセンサ感度が向上する。その理由は、感応膜４２が冷却すると感度が向上するためである。そこで、冷却機構１５０により、振動子４１および感応膜４２を、−２０〜２０℃、より望ましくは−５〜１０℃の範囲内の一定温度に温度制御するのが好ましい。
【００３１】
冷却機構１５０は、このような目的を満足できるのであればいかなる構成のものを用いてもよいが、例えば、以下に示すような構成が採用できる。
すなわち、冷却機構１５０は、ベース基板１１０の他面側に配置されており、開口部１１１に露出するチップ・パッケージ１２０の他面側に、熱伝導体（伝熱部材）１５１を介して設けられた冷却素子１５２と、ヒートシンク１５３からなる。ヒートシンク１５３には、さらに放熱性を高めるために放熱フィンや放熱ファンを設けることもできる。
【００３２】
熱伝導体１５１は、例えばＣｕからなるブロック状で、冷却素子１５２で冷却されることで、チップ・パッケージ１２０から熱を奪う。ここで、熱伝導体１５１は、チップ・パッケージ１２０の他面側に、熱伝導性が高く導電性の低い材料（例えば金属酸化物を含むシリコーンペースト等）からなる導電材１５４により接合するのが好ましい。
冷却素子１５２としては、いかなるものを用いてもよいが、応答性の面から、ペルチェ素子を用いるのが好ましい。
【００３３】
このような冷却機構１５０においては、センサ１５５で検出されたセンサ部４０の適宜位置（本実施形態では、熱伝導体１５１）の温度に基づき、冷却素子１５２を作動させ、熱伝導体１５１、チップ・パッケージ１２０、ＰＺＴ板１３０を介して振動子チップ１００を冷却することで、振動子４１および感応膜４２を冷却する。これにより、振動子４１および感応膜４２における検出感度の向上を図り、物質検出システム１０における物質の検出感度の向上を図ることができる。
【００３４】
ところで、冷却機構１５０で振動子チップ１００を長時間にわたって冷却し続けると、熱伝導体１５１、チップ・パッケージ１２０の電極等に結露が生じることがある。すると、これらの表面に水分が付着することにより、その熱容量が変化し、温度が不安定になってしまう。
また、チップ・パッケージ１２０の電極の結露は、ＰＺＴ板１３０や、振動検出部４４の電気的なインピーダンス変化をもたらし、振動の発振周波数が変動したり、発振が止まってしまうこともある。
【００３５】
冷却によって発生した結露から電気回路を保護するため、例えば、回路基板をケース内に収め、このケースに、結露を発生させる部位を回路の上方に設けることによって、回路が結露にさらされるのを抑える技術が提案されている（例えば、特開２００１−３４６３１２号公報参照。）。
しかし、このような技術では、結露を発生させる部位を設けることで、ケース内の他の部分にある回路が結露にさらされるのを抑えることはできるものの、回路を確実に結露から防ぐことはできなかった。また、このような構造とすることで、ケースが複雑となり、ケースのコストアップにつながる等の問題がある。
【００３６】
そこで、本発明者らは、簡易な構成でありながら、結露を確実に防止すること目的として研究を行い、その結果、以下に示すような構成が目的の実現に有効であることを見出した。
以下、その構成について示す。
【００３７】
熱伝導体１５１とチップ・パッケージ１２０との間には、ＰＤＭＳ（Poly dimethyl siloxane）や高分子繊維、綿等の弾性体（振動伝達抑制部材）１５６が挟み込まれている。弾性体１５６は、中央部に開口部１５６ａが形成された角形環状とされ、開口部１５６ａ内に前記の導電材１５４が充填されている。
この弾性体１５６により、ＰＺＴ板１３０で生じる振動が、チップ・パッケージ１２０から熱伝導体１５１に伝わり、振動が阻害されるのを防ぐことができる。これにより、振動検出部４４で検出する振動子４１の振動変位の電気信号が劣化したり、ＰＺＴ板１３０における振動の発振が不安定となるのを防ぐことができる。
【００３８】
本実施形態では、上記構成において、熱伝導体１５１、冷却素子１５２の周囲を、これらよりも熱伝導率の小さな材料からなる断熱材（結露防止部）１７０で覆うようにした。断熱材１７０としては、容易に加工できるプラスチック材料であれば何でも良いが、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等を用いることができる。これにより、熱伝導体１５１、冷却素子１５２が結露するのを防止することができ、チップ・パッケージ１２０が濡れるのを防止できる。
【００３９】
また、チップ・パッケージ１２０の電極部１２１、および電極部１２１に電気的に接続された取り出し電極１２２は、固定部材１１２を構成する基板１１０に取り付けられたソケット（ハウジング）１４０と、ソケット１４０に固定されるソケット抑え（ハウジング）１４１とに、電極カバー（結露防止部）１４２を介して挟み込まれている。
ソケット１４０は、チップ・パッケージ１２０の電極部１２１の基板１１０に対向する側が突き当たる。また、ソケット１４０には、電極部１２１に接続された取り出し電極１２２の配線部１２２ａが挿通する挿通孔１４０ａが形成されている。配線部１２２ａは、挿通孔１４０ａを通して基板１１０側に導出され、基板１１０の配線パターンに電気的に接続される。
ソケット抑え１４１は、固定部１４１ａがチップ・パッケージ１２０を取り囲むように形成され、電極部１２１の外周側においてボルト等によりソケット１４０に接続されている。ソケット抑え１４１は、固定部１４１ａから内方に張り出る抑えプレート部１４１ｂをさらに備える。このプレート部１４１ｂは、電極部１２１とは間隔を隔てて対向して形成されている。
【００４０】
また、チップ・パッケージ１２０には、ＰＺＴ板１３０と振動子チップ１００の外周側を取り囲むように、チャンバ壁部１４５が形成されている。
【００４１】
電極カバー１４２は、予め所定形状に成形されたもので、このようなチャンバ壁部１４５と、ソケット１４０とソケット抑え１４１との空隙に設けられている。ソケット１４０とソケット抑え１４１は、ボルト等により互いに締結され、間に挟み込んだ電極カバー１４２を加圧状態に締め付けるようにしている。これにより、チャンバ壁部１４５から外方に突出した電極部１２１は、ソケット１４０とソケット抑え１４１とに加圧状態で挟み込まれ、外部の雰囲気に触れないようになっている。これにより、電極部１２１が結露して濡れるのを防止できる。電極カバー１４２としては、電極部１２１よりも熱伝導率が小さく、断熱性、絶縁性、振動吸収性、断熱性を備えたものを用いるのが好ましい。具体的には、電極カバー１４２として、ＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）等を用いることができる。
【００４２】
前記のチャンバ壁部１４５には、チャンバ本体１４６が、シール材１４７を介して設けられている。これにより、振動子チップ１００は、チップ・パッケージ１２０と、チャンバ壁部１４５と、チャンバ本体１４６とによって囲まされた閉塞空間Ｓ内に位置している。
チャンバ本体１４６には、導入口１４６ａと排出口１４６ｂとが形成されており、導入口１４６ａからは、ガス搬送管６０からガスが閉塞空間Ｓに送り込まれ、排出口１４６ｂからは、閉塞空間Ｓ内のガスが外部に排出されるようになっている。
【００４３】
ここで、チャンバ壁部１４５およびチャンバ本体１４６は、金属よりも熱伝導率の低い、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂により形成されている。これにより、チャンバ壁部１４５およびチャンバ本体１４６が結露により濡れるのを防止できる。
【００４４】
このようにして、熱伝導体１５１が結露により濡れるのを防止することができるので、これらの表面に水分が付着することによって、熱容量が変化し、その温度が不安定となるのを防ぐことができる。また、チップ・パッケージ１２０、電極部１２１の結露を防ぐことで、ＰＺＴ板１３０や、振動検出部４４の電気的なインピーダンス変化を防ぎ、振動の発振周波数が変動したり、発振が止まってしまうのを防ぐことができる。
【００４５】
このようにして、冷却素子１５２により、振動子４１および感応膜４２を冷却しつつ、冷却による結露を防止することで、検出感度を安定して高めることができる。
しかも、結露を防止するための構成は非常に簡易であり、低コストかつ容易に上記効果を得ることができる。これにより、検出感度を高めることができる。
【００４６】
また、上記構成によれば、ＰＺＴ板１３０に振動子チップ１００が直接接合されているため、ＰＺＴ板１３０で発生した振動を振動子チップ１００に効率よく伝達することができる。
【実施例１】
【００４７】
ここで、上記に示した構成の検証を行ったのでその結果を以下に示す。
（冷却による効果の検証）
センサ部４０の振動子４１としては、カンチレバー型のものを用意した。
カンチレバー型の振動子４１は、カンチレバーはＭＥＭＳプロセスを用い、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成した。最初にＮ型のＳＯＩ基板の厚さ５μｍの活性層の上に、酸化層の形成、フォトリソグラフィ法によるパターン形成、ボロンＰ型拡散を行って、検出回路としてのＳｉピエゾ抵抗層の作成を行ったあと、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）エッチング法によって、長さ５００μｍ、幅１００μｍの振動子４１を作成した。その後、空気のダンピングによる減衰を低減するために、裏面から支持層のシリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥエッチング法によって除去した。
検出回路としてのＳｉピエゾ抵抗（約２Ｋオーム）を振動子４１の根元に１個、或いは２個配置し、他の参照用ピエゾ抵抗と合わせてホイーストンブリッジを形成した。また、振動子４１表面にはシリコン酸化膜、接着層Ｃｒを介して約１００ｎｍの金膜を成膜した。
【００４８】
このカンチレバー型の振動子４１の上面に、感応膜４２として、アセトンやトルエンに吸着特性の優れた膜厚１．１μｍのＰＡＢ膜を、ディスペンサーを用いて成膜後、乾燥させて作成した。
そして、振動子４１および感応膜４２の冷却の効果を評価した。
ここでは、図３に示した本実施形態の構成を用い、冷却機構１５０を作動させて振動子４１が設けられているチャンバ４３を８℃とした場合と、冷却機構１５０を作動させず、振動子４１が設けられているチャンバ４３を２８℃とした場合について、２００ＣＣのアセトン３０００ｐｐｍ、トルエン１０００ｐｐｍの希薄混合ガスに対する吸着応答特性を計測した。具体的には、はじめに振動子４１を設置したチャンバ４３内を窒素雰囲気にした後、測定対象のガスを導入した。ガスの導入は数分間行い周波数変化を計測した。その後チャンバ内のガスを排気し、窒素に置換することで周波数をベースラインに戻した。
その結果を図５に示す。ここで図５（ａ）はチャンバ４３を２８℃とした場合、（ｂ）はチャンバ４３を８℃とした場合の周波数変化である。
その結果、冷却機構１５０により振動子４１を冷却することで、振動子４１の振動特性が大幅に向上し、アセトンで１．６Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却無し）→７．５Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却有り）、トルエンで７．５Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却無し）→４１．３Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却有り）と、大幅に検出感度が高まることが確認された。ここで単位Ｈｚ/ｐｐｍは、サンプル容積１リットル当たりの感度Ｈｚ/ｐｐｍである。
【００４９】
次に、上記と同様の構成において、感応膜４２をＰＢＤ（膜厚１．７μｍ）とした場合で、同様に、２００ＣＣのエタノール１０００ｐｐｍ、トルエン１０００ｐｐｍの希薄混合ガスについて、冷却機構１５０を作動させて振動子４１が設けられているチャンバ４３を８．３℃とした場合と、冷却機構１５０を作動させず、振動子４１が設けられているチャンバ４３を２８℃とした場合の吸着応答特性を計測した。
その結果、エタノールで１．６Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却無し）→６．５Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却有り）、トルエンで１２．５Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却無し）→４８．０Ｈｚ／ｐｐｍＬ（冷却有り）と、冷却機構１５０により振動子４１を冷却することで大幅に検出感度が高まることが確認された。
【００５０】
次に、感応膜４２の特性を調べるため、まず、ＱＣＭ（Quarts Crystal Microbalance）を用いて、トルエンを２０００ｐｐｍ導入した場合の周波数変化を測定した。具体的には、はじめにＱＣＭを設置したチャンバ内を窒素雰囲気にした後、測定対象のガスを導入した。ガスの導入は数分間行い周波数変化を計測した。その後チャンバ４３内のガスを排気し、窒素に置換することで周波数をベースラインに戻した。周波数変化はチャンバ４３内の温度を１０〜５８℃に変化させて計測した。ＱＣＭ上に塗布した感応膜４２はＰＡＢとし、その膜厚を１８０、２００、４３０ｎｍとした。
その結果から、感応膜４２の膜厚とガス濃度を用いてＫファクターを求めた結果を図６に示す。なお、Ｋファクターは空気中のガスや分子が、高分子等の吸着材料にどの程度溶け込むかを示す溶解パラメータ（指数）であって、式（１）により算出することができる。ここで、Ｍｃｖは感応膜４２中のチャンバ４３の重量濃度（ｇ/cm３）、ｆｇはガス吸着時の周波数、ｆｆは感応膜４２の成膜時の周波数、ｆ０は成膜前の水晶の周波数、ρｆは感応膜４２の密度である。
Ｋファクターは、感応膜４２と吸着分子の種類との組み合わせによって差異があり、Ｋファクターの値が大きいほど感応膜４２の感度が良いことを表す。
【００５１】
【数１】
2011203007.tif 000003
【００５２】
図６に示すように、温度が低くすることでＫファクターは増大しており、例えば、３０℃のときに比較し、低温の１０℃の状態では、Ｋファクターは約３倍に増大しており、感応膜４２を低温にすることで、検出感度が向上することが裏付けられている。
【実施例２】
【００５３】
（結露防止策の検証）
まず、図４に示した構成から、弾性体１５６、断熱材１７０、電極カバー１４２を省略した構成において、冷却素子１５２としてのペルチェ素子に、電圧を印加していった。そのときの冷却素子１５２の温度、振動子４１の振動数変化量を計測し、また、冷却素子１５２、チップ・パッケージ１２０の電極部１２１および取り出し電極１２２を目視により観察した。
その結果を図７に示す。
【００５４】
図７に示すように、冷却素子１５２に電圧を印加していくと、冷却素子１５２の温度が低下し、振動子１４１が振動し始める。しかし、１５分ほど経過すると、冷却素子１５２の温度が急激に下がり、振動子４１の安定した発振が停止した。目視で観察すると、冷却素子１５２、チップ・パッケージ１２０の電極部１２１および取り出し電極１２２に結露が生じていた。
【００５５】
一方、図４に示した構成において、冷却素子１５２としてのペルチェ素子に、３００ｓｅｃ毎に電圧を０．３Ｖステップで１．８Ｖまで印加していった場合の、室温、熱伝導体１５１、チップ・パッケージ１２０の温度変化を示す。
図８に示すように、電圧を印加していくことで、熱伝導体１５１、チップ・パッケージ１２０は室温付近から７℃付近まで冷却された。
さらに、上記の電圧印加を３時間にわたって繰り返したが、温度変化が不安定になることは無かった。
【実施例３】
【００５６】
（振動伝達抑制部材の検証）
次に、図４に示した構成において、熱伝導体１５１とチップ・パッケージ１２０との間には、ＰＤＭＳからなる弾性体１５６を挟み込んだ場合と、弾性体１５６を省略した場合とで、振動子４１の出力信号の違いを検証した。弾性体１５６の有無以外は、条件は上記実施例１と同様である。
その結果を図９に示す。
図９（ａ）に示すように、弾性体１５６を挟み込まない場合に比較し、図９（ｂ）に示すように、弾性体１５６を挟み込んだ場合には、出力信号のレベルが明らかに大きいことが確認された。
【００５７】
なお、上記実施の形態では、物質検出システム１０について説明したが、センサ部４０の冷却機構１５０以外については、適宜他の構成とすることが可能である。
例えば、振動子４１としてカンチレバー型のものを用いたが、これに限るものではない。他に、振動子４１としてディスク型のものを用いても良いし、センサ部４０としていわゆるＱＣＭを用いた場合にも、本発明を適用できる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…物質検出システム、２０…ポンプ、３０…吸着部、４０…センサ部、４１…振動子、４２…感応膜、４３…チャンバ、４４…振動検出部、５０…測定処理部（検出部）、１００…振動子チップ、１１０…ベース基板、１２０…チップ・パッケージ（素子パッケージ）、１２１…電極部、１３０…ＰＺＴ板（圧電素子）、１４０…ソケット（ハウジング）、１４１…ソケット抑え（ハウジング）、１４２…電極カバー（結露防止部）、１４５…チャンバ壁部、１４６…チャンバ本体、１５０…冷却機構（冷却部材）、１５１…熱伝導体（伝熱部材）、１５２…冷却素子、１５３…ヒートシンク、１５４…導電材、１５６…弾性体（振動伝達抑制部材）、１７０…断熱材（結露防止部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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