(57)【要約】【課題】環境測定装置において、圧電抵抗型カンチレバーセンサを用いる場合に、周辺環境の気体や液体の検出又は測定の精度を向上させることができるようにする。【解決手段】環境測定装置を、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１と、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御し、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定された圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に基づいて周辺環境の気体又は液体を検出又は測定する制御演算部５とを備えるものとする。【選択図】図１
2011257185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電抵抗型カンチレバーセンサと、
前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御し、前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定された前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの圧電抵抗値に基づいて周辺環境の気体又は液体を検出又は測定する制御演算部とを備えることを特徴とする環境測定装置。
【請求項２】
前記圧電抵抗型カンチレバーセンサとして、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサを備え、
前記制御演算部は、前記複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎにする期間がずれるように制御することを特徴とする、請求項１に記載の環境測定装置。
【請求項３】
前記複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサのそれぞれに接続された複数のブリッジ回路と、
前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの圧電抵抗値を検出するための電圧計と、
前記圧電抵抗型カンチレバーセンサに電圧を印加するための電圧源と、
前記電圧計と前記複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサのいずれか一の圧電抵抗型カンチレバーセンサとを接続し、かつ、前記電圧源と前記一の圧電抵抗型カンチレバーセンサとを接続するための切替装置とを備え、
前記制御演算部は、前記電圧計、前記電圧源及び前記切替装置を制御することを特徴とする、請求項２に記載の環境測定装置。
【請求項４】
前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの圧電抵抗値を検出するための電圧計と、
前記圧電抵抗型カンチレバーセンサに電圧を印加するための電圧源と、
前記電圧計と前記複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサのいずれか一の圧電抵抗型カンチレバーセンサとを接続するための切替装置と、
前記電圧計と前記切替装置との間に接続されたブリッジ回路とを備え、
前記制御演算部は、前記電圧計、前記電圧源及び前記切替装置を制御することを特徴とする、請求項２に記載の環境測定装置。
【請求項５】
前記複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサのそれぞれに接続された複数のブリッジ回路と、
前記複数のブリッジ回路のそれぞれに接続され、前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの圧電抵抗値を検出するための複数の電圧計と、
前記複数のブリッジ回路のそれぞれに接続され、前記圧電抵抗型カンチレバーセンサに電圧を印加するための複数の電圧源とを備え、
前記制御演算部は、前記電圧計及び前記電圧源を制御することを特徴とする、請求項２に記載の環境測定装置。
【請求項６】
圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御し、
前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定された前記圧電抵抗型カンチレバーセンサの圧電抵抗値に基づいて周辺環境の気体又は液体を検出又は測定することを特徴とする環境測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境測定装置及び環境測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気中の揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ：Volatile Organic Compounds）が人間の健康に大きな影響を及ぼすことが懸念されている。大気中に存在するＶＯＣｓがたとえ極微量であっても、人が継続的に曝露され、蓄積することによって、いろいろな健康被害を及ぼす恐れがある。
そこで、ＶＯＣｓ対策を行なうために、まず生活環境においてＶＯＣｓを検出又は測定し、その存在を把握することが必要となる。
【０００３】
ＶＯＣｓは大気中に含まれる量が極微量であるため、ＶＯＣｓを検出又は測定するためのセンサは、高感度・高精度であり、リアルタイムで検出又は測定が可能であることが必要となる。このような条件を満たすセンサとして、ＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサが用いられている。
また、周辺環境の気体や液体を検出又は測定するのに、圧電抵抗型カンチレバーセンサが用いられている。圧電抵抗型カンチレバーセンサを用いる場合、センサ周辺の気体や液体の濃度に応じてカンチレバーが撓み、この撓みの大きさに応じて圧電抵抗値が変化するため、この圧電抵抗値を検出又は測定することで、周辺環境の気体や液体を検出又は測定するようになっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A. Kooser et.al, ”Gas sensing using embedded piezoresistive microcantilever sensors”, Sensors and Actuators B, 99, pp.474-479 (2004)
【非特許文献２】R. Yang et.al, “A chemisorption-based microcantilever chemical sensor for the detection of trimethylamine”, Sensors and Actuators B, 145, pp.474-479 (2010)
【非特許文献３】H. Seo et.al, ”Detection of formaldehyde vapor using mercaptophenol-coated piezoresistive cantilevers”, Sensors and Actuators B, 126, pp.522-526 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、生活環境などの周辺環境の気体（例えばＶＯＣｓ）や液体を検出又は測定する場合には、比較的広い範囲で、かつ、継続的に検出又は測定することが必要となる。このため、検出又は測定する場所を選ばないような小型なものであることが必要となる。また、小型化を図ることで、簡便に周辺環境の気体や液体の検出又は測定が可能となる。
そこで、周辺環境の気体や液体を検出又は測定する環境測定装置において、高感度・高精度でリアルタイムに検出又は測定を可能とし、さらに、小型化、簡便化を図るべく、上述の圧電抵抗型カンチレバーセンサを用いることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、圧電抵抗型カンチレバーセンサを用いる場合、圧電抵抗値を検出又は測定するのにカンチレバーセンサに電圧を印加するため、自己発熱効果によってセンサの温度が上昇し、これに応じて圧電抵抗体の本来の圧電抵抗値が減少してしまう。これにより、カンチレバーの撓みの大きさに応じた圧電抵抗値として検出又は測定される圧電抵抗値に誤差が生じてしまうことになる。
【０００７】
そこで、環境測定装置及び環境測定方法において、圧電抵抗型カンチレバーセンサを用いる場合に、周辺環境の気体や液体の検出又は測定の精度を向上させることができるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本環境測定装置は、圧電抵抗型カンチレバーセンサと、圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御し、圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定された圧電抵抗型カンチレバーセンサの圧電抵抗値に基づいて周辺環境の気体又は液体を検出又は測定する制御演算部とを備えることを要件とする。
【０００９】
本環境測定方法は、圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御し、圧電抵抗型カンチレバーセンサの印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定された圧電抵抗型カンチレバーセンサの圧電抵抗値に基づいて周辺環境の気体又は液体を検出又は測定することを要件とする。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本環境測定装置及び環境測定方法によれば、圧電抵抗型カンチレバーセンサを用いる場合に、周辺環境の気体や液体の検出又は測定の精度を向上させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態にかかる環境測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態にかかる環境測定装置に含まれるカンチレバーセンサを説明するための模式図である。
【図３】第１実施形態にかかる環境測定装置に含まれるカンチレバーセンサ及びホイートストンブリッジ回路を説明するための模式図である。
【図４】本発明の課題を説明するための図である。
【図５】第１実施形態にかかる環境測定装置の動作（測定方法）を説明するための図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は第１実施形態にかかる環境測定装置の動作（測定方法）を説明するための図である。
【図７】周辺環境の特定ガスの濃度が急激に変化した場合の課題を説明するための図である。
【図８】（Ａ）は測定間隔が大きい場合（センサｏｎ期間Δｔｈ≦センサｏｆｆ期間Δｔｃ）のセンサ熱量の変化を示す図であり、（Ｂ）は測定間隔（ｏｆｆ期間）が小さい場合（センサｏｎ期間Δｔｈ＞センサｏｆｆ期間Δｔｃ）のセンサ熱量の変化を示す図である。
【図９】第１実施形態にかかる環境測定装置に含まれるカンチレバーセンサの構成を示す模式的平面図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｈ）は第１実施形態にかかる環境測定装置に含まれるカンチレバーセンサの製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図１１】第１実施形態にかかる環境測定装置による測定プロセス（環境測定方法）を説明するためのフローチャートである。
【図１２】第１実施形態にかかる環境測定装置による測定プロセス（環境測定方法）を説明するための図である。
【図１３】第１実施形態にかかる環境測定装置による測定結果を示す図である。
【図１４】第２実施形態にかかる環境測定装置の構成を示す模式図である。
【図１５】第３実施形態にかかる環境測定装置の構成を示す模式図である。
【図１６】第４実施形態にかかる環境測定装置の構成を示す模式図である。
【図１７】第４実施形態にかかる環境測定装置による測定プロセス（環境測定方法）を説明するためのフローチャートである。
【図１８】第４実施形態にかかる環境測定装置による各センサのｏｎ／ｏｆｆタイミングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法について、図１〜図１３を参照しながら説明する。
【００１３】
本実施形態にかかる環境測定装置は、図２及び図３に示すような圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を備え、これを用いて周辺環境の気体や液体を検出又は測定するものである。特に、本環境測定装置は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いて、周辺環境の雰囲気中（大気中）に含まれる特定ガス（例えばＶＯＣｓ）の有無又は濃度を検出又は測定するものである。なお、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１は、環境測定用カンチレバーセンサ、あるいは、カンチレバーガスセンサともいう。また、環境測定装置は濃度測定装置ともいう。以下、「検出又は測定」をまとめて「測定」という場合がある。
【００１４】
ここで、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１は、カンチレバー２と、カンチレバー２に設けられた圧電抵抗体３とを備える。なお、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を、圧電抵抗体付きカンチレバー、圧電抵抗型カンチレバーセンサ素子ともいう。ここでは、カンチレバー２に、特定ガス、即ち、被測定ガスの分子を吸着しうる膜（感応膜；図示せず）が塗布されている。なお、感応膜は、測定対象となる気体や液体を吸着しうる膜であれば良い。
【００１５】
このように、環境測定装置において圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いる場合、図２に示すように、センサ周辺の特定ガスの濃度に応じてカンチレバー２が撓み、この撓みの大きさに応じて圧電抵抗体３の圧電抵抗値が変化する。このため、この圧電抵抗値を検出又は測定することで、周辺環境の特定ガスを検出又は測定することができる。つまり、周辺環境の特定ガスの濃度に応じてカンチレバー２の表面上に塗布された感応膜への特定ガスの吸着率、即ち、カンチレバー２の表面の被覆率が変化する。そして、カンチレバー２の表面の被覆率に応じてカンチレバー２の表面張力が変化して、カンチレバー２が変位する。このカンチレバー２の変位によってカンチレバー２上に形成された圧電抵抗体３の抵抗値が変化する。このため、この圧電抵抗体３の抵抗値の変化を検出又は測定することで、周辺環境の特定ガスを検出又は測定することができる。なお、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１は、圧電抵抗測定型カンチレバーセンサともいう。
【００１６】
本環境測定装置は、カンチレバー２の撓みによる圧電抵抗値の微量な変化を高感度に検出又は測定することができるように、図３に示すように、ホイートストンブリッジ回路４を備え、この回路４内の１つのブリッジ抵抗を圧電抵抗型カンチレバーセンサ１で置き換えた構成になっている。なお、ホイートストンブリッジ回路４に代えて、カンチレバー２の撓みによる圧電抵抗値の微量な変化を高感度に検出又は測定することができるブリッジ回路を用いても良い。
【００１７】
つまり、本実施形態では、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１は、ホイートストンブリッジ回路４に接続されている。そして、ホイートストンブリッジ回路４の２点間（Ａ−Ｂ間）の電圧値を検出又は測定することで、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値を検出又は測定することができるようになっている。つまり、上述のカンチレバー２上に形成された圧電抵抗体３の抵抗値の変化を、ホイートストンブリッジ回路４の２点間（Ａ−Ｂ間）の電圧値の変化によって検出又は測定することができるようになっている。
【００１８】
このように、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１及びホイートストンブリッジ回路４を用いる場合、センサ素子自体が極小であり、測定機構が単純であるため、装置を極めてコンパクトにすることができる。例えば、ＶＯＣｓを検出又は測定する場合、従来のＱＣＭセンサを用いるのと比較して、装置を極めてコンパクトにすることができる。
このため、環境測定装置において圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いることで、高感度・高精度でリアルタイムに周辺環境の特定ガスを検出又は測定することが可能となり、さらに、小型化、簡便化を図ることができる。これにより、比較的広い範囲で、かつ、継続的に、周辺環境の特定ガスの検出又は測定を行なうことが可能となる。
【００１９】
ここで、ホイートストンブリッジ回路４の２点間（Ａ−Ｂ間）の電圧値、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値、周辺環境の特定ガスの濃度値には、以下のような関係がある。
まず、ホイートストンブリッジ回路４の２点間（Ａ−Ｂ間）の電圧値は、以下のようにして、第１カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に換算することができる。
【００２０】
ここでは、図３に示すように、ホイートストンブリッジ回路４を構成するブリッジ抵抗１２の抵抗値をＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とする。また、電圧計８によって測定されるホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値をｅ０とする。また、電圧源９によってホイートストンブリッジ回路４のＣ−Ｄ間に印加される電圧値をＶＢとする。
電圧源９によってホイートストンブリッジ回路４のＣ−Ｄ間に印加される電圧値ＶＢと、電圧計８によって測定されるホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値ｅ０との関係を、ブリッジ抵抗１２の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４を使って表すと、次式（１）のようになる。
【００２１】
【数１】
2011257185.tif 000003
【００２２】
第１カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値である抵抗値Ｒ１がΔＲだけ変化したとすると、次式（２）に示すようになる。
【００２３】
【数２】
2011257185.tif 000004
【００２４】
これをΔＲについて整理すると、次式（３）のようになる。
【００２５】
【数３】
2011257185.tif 000005
【００２６】
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒとすると、次式（４）のようになる。
【００２７】
【数４】
2011257185.tif 000006
【００２８】
この式（４）の電圧値−抵抗値変換式を用いて、第１ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値を、第１カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に換算することができる。
次に、上述のようにして求めた第１カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値は、以下のようにして、周辺環境の特定ガスの濃度値に換算することができる。
ここでは、カンチレバーの曲率半径をｒとし、カンチレバーの厚さをｔとし、ポアソン率をνとし、ヤング率をＥとし、表面張力の変化をΔσとすると、カンチレバーの曲率１／ｒは、次式（５）で表される。
【００２９】
【数５】
2011257185.tif 000007
【００３０】
よって、カンチレバーの長さをｌとすると、カンチレバーの開放端の変位ΔＺは、次式（６）で表される。
【００３１】
【数６】
2011257185.tif 000008
【００３２】
また、圧電抵抗体の長さをλとし、ゲージ定数をＫとすると、次式（７）の関係が成り立つ。
【００３３】
【数７】
2011257185.tif 000009
【００３４】
上記式（６）、（７）より、ΔＺを消去すると、次式（８）が得られる。
【００３５】
【数８】
2011257185.tif 000010
【００３６】
ここで、αは、カンチレバーの形状、材料によって一意に決まる定数である。また、表面張力の値は表面被覆率に関係した値であり、さらに表面被覆率は測定対象となる特定ガスの濃度値に関係した値である。このため、測定対象となる特定ガスの濃度値は、表面張力の値に関係した値となる。したがって、上記式（８）のΔＲ／Ｒの値は、測定対象となる特定ガスの濃度値に関係した値となる。なお、吸着特性は、表面の状態、感応膜と測定対象となる特定ガスの種類によって異なるため、それに応じて、実際に特定ガスの濃度値に変換するための式も異なるものとなる。
【００３７】
このようにして、第１カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値を、周辺環境の特定ガスの濃度値に換算することができる。
ところで、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いる場合、圧電抵抗値を検出又は測定するために圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に電圧を印加すると、自己発熱効果によってセンサの温度が上昇し、これに応じて圧電抵抗体３の本来の圧電抵抗値（基準圧電抵抗値）が減少してしまう。これにより、カンチレバー２の撓みの大きさに応じた圧電抵抗値として検出又は測定される圧電抵抗値に誤差が生じてしまうことになる。
【００３８】
ここで、図４は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に電圧（バイアス）を印加した場合に、カンチレバーセンサ１が発生し、蓄積する熱量（センサの熱量）及びカンチレバーセンサ１から検出又は測定される圧電抵抗値（センサの圧電抵抗値）の経時的な変化を示している。
図４に示すように、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に電圧を印加すると、自己発熱効果によるセンサの熱量は、電圧印加開始時からの時間の経過とともに、緩やかに上昇する。このセンサ熱量の上昇、即ち、センサ温度の上昇に伴って、センサ１の圧電抵抗値は、センサ１に備えられる圧電抵抗体３の本来の圧電抵抗値から時間の経過とともに減少してしまう。この結果、カンチレバー２の撓みの大きさに応じた圧電抵抗値として検出又は測定される圧電抵抗値に誤差が生じてしまうことになる。
【００３９】
一方、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に電圧を印加した直後は、自己発熱効果の影響が小さい。このため、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に電圧を印加した直後のセンサ１の圧電抵抗値を検出又は測定すれば、センサ１に備えられる圧電抵抗体３の本来の圧電抵抗値に近い値が得られる。このように、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に電圧を印加した直後は、圧電抵抗体３の本来の圧電抵抗値がそれほど変化しないため、カンチレバー２の撓みの大きさに応じた圧電抵抗値を高精度で検出又は測定することができる。
【００４０】
そこで、本実施形態では、図５に示すように、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に印加する電圧（センサ電圧）のｏｎ／ｏｆｆを繰り返し、印加電圧をｏｎにしている期間に圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値を検出又は測定するようにしている。つまり、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に印加する電圧をｏｎ／ｏｆｆし、印加電圧をｏｎにしている比較的短い期間に１回だけ圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値を検出又は測定するようにした、間欠的測定方法を採用している。なお、このような間欠的測定に用いるカンチレバーセンサ１を、間欠的測定カンチレバーセンサという。
【００４１】
この場合、センサ１の熱量は、図５に示すように、印加電圧をｏｎにしている期間に上昇し、印加電圧をｏｆｆにしている期間に下降することになる。つまり、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆに応じて、センサ１の熱量の上昇／下降が繰り返されることになる。
この印加電圧をｏｎにしている期間のセンサ１の熱量の上昇に伴って、センサ１の圧電抵抗値は減少するものの、印加電圧をｏｎにする期間が比較的短いため、それほど大きくは減少しない。このため、印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定されるセンサ１の圧電抵抗値は、カンチレバー２の撓みの大きさに応じた圧電抵抗値となり、高精度なものとなる。
【００４２】
また、この場合、センサ１の圧電抵抗値は、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆに応じた時間間隔をあけて検出又は測定されることになる。このため、図６（Ｂ）に示すように連続的に変化する特定ガスの濃度を、図６（Ａ）に示すように、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆに応じた時間間隔をあけて検出又は測定することになる。このように、印加電圧をｏｎにしたままセンサ１の圧電抵抗値を連続的に検出又は測定する場合と比較して、印加電圧をｏｎ／ｏｆｆして時間間隔をあけてセンサ１の圧電抵抗値を検出又は測定する場合は、検出又は測定される圧電抵抗値はとびとびの値となり、その数は少なくなるが、連続的に変化する特定ガスの濃度を検出又は測定することは可能である。例えば、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆの時間間隔を短くすることで、印加電圧をｏｎにしたままセンサ１の圧電抵抗値を連続的に検出又は測定する場合と同様に、特定ガスの濃度変化を検出又は測定することができる。
【００４３】
このため、本環境測定装置は、図１に示すように、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御し、印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定された圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に基づいて周辺環境の気体又は液体（ここでは特定ガス）を検出又は測定する制御演算部５を備える。
このため、本環境測定方法では、まず、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御する。次に、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧がｏｎの間に検出又は測定された圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に基づいて周辺環境の特定ガスを検出又は測定する。
【００４４】
ところで、上述のような間欠的測定方法を採用する場合、図７に示すように、周辺環境の特定ガスの濃度が、検出又は測定する時間間隔（測定間隔）よりも短い時間で急激に変化したときには対応するのが難しい。
つまり、周辺環境の特定ガスの濃度が測定間隔よりも短い時間で急激に変化した場合、センサ１の圧電抵抗値に基づいて検出又は測定される特定ガスの濃度変化は、実際の特定ガスの濃度変化と異なるものとなってしまい、ずれが生じてしまう。
【００４５】
一方、周辺環境の特定ガスの濃度は、周囲の温度、湿度、風向き、あるいは、天候以外の多くの要因によって、短時間で大きく変動する。このため、短時間の急激な変化にも対応できるようにしたい。
このような短時間の急激な変化にも対応できるように、印加電圧をｏｆｆにする期間を短くすることで測定間隔を短くして、特定ガスの濃度を密に検出又は測定することが考えられる。
【００４６】
ここで、図８（Ａ）は、印加電圧をｏｎにする期間（センサｏｎ期間）よりも印加電圧をｏｆｆにする期間（センサｏｆｆ期間）が長い場合、即ち、測定間隔が長い場合のセンサの熱量（温度）の時間変化を示す図である。また、図８（Ｂ）は、印加電圧をｏｎにする期間よりも印加電圧をｏｆｆにする期間が短い場合、即ち、測定間隔が短い場合のセンサの熱量（温度）の時間変化を示す図である。なお、図８（Ａ），（Ｂ）中、網掛けを付している部分は印加電圧がｏｎになっている期間を表している。
【００４７】
ここでは、印加電圧をｏｎにする期間Δｔｈは、センサ１の温度が上昇する期間、即ち、センサ１が加熱される期間である。このため、センサ加熱期間ともいう。この期間をセンサ電圧印加時間ともいう。また、印加電圧をｏｆｆにする期間Δｔｃは、センサ１の温度が下降する期間、即ち、発熱したセンサ１が冷却される期間である。このため、センサ冷却期間ともいう。
【００４８】
まず、図８（Ａ）に示すように、印加電圧をｏｎにする期間に対して印加電圧をｏｆｆにする期間が長い場合、センサ加熱期間Δｔｈよりもセンサ冷却期間Δｔｃが長くなる。このため、印加電圧をｏｆｆにしている期間にセンサ１は十分に冷却されるため、印加電圧をｏｎにした場合の自己発熱効果の影響が小さく、印加電圧をｏｎにしている期間に、カンチレバー２の撓みの大きさに応じた圧電抵抗値を高精度で検出又は測定することができる。
【００４９】
これに対し、短時間の急激な変化にも対応できるように、図８（Ｂ）に示すように、印加電圧をｏｎにする期間よりも印加電圧をｏｆｆにする期間を短くすると、センサ加熱期間Δｔｈよりもセンサ冷却期間Δｔｃが短くなる。このため、印加電圧をｏｆｆにしている期間にセンサ１は十分に冷却されず、熱が蓄積していくことになる。この結果、時間の経過とともに、センサ１の熱量は上昇していき、これに伴って、センサ１の圧電抵抗値が減少していく。これにより、カンチレバー２の撓みの大きさに応じた圧電抵抗値として検出又は測定される圧電抵抗値に大きな誤差が生じてしまうことになる。
【００５０】
そこで、測定精度を高くし、かつ、急激な濃度変化にも対応できるようにするために、本実施形態では、図１に示すように、複数（ここでは５つ）の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を備えるセンサ素子６を用いている。なお、図１中、上から順に、第１カンチレバーセンサ、第２カンチレバーセンサ、第３カンチレバーセンサ、第４カンチレバーセンサ、第５カンチレバーセンサという。また、ここでは５つのカンチレバーセンサ１を備えるものとしているが、センサ１の数はこれに限られるものではない。そして、本実施形態では、制御演算部５が、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする期間がずれるように制御するようになっている（図１２参照）。
【００５１】
ここでは、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１は、同一の構成とし、また、印加電圧をｏｎにする期間及び印加電圧をｏｆｆにする期間も同一にし、ｏｎ／ｏｆｆのタイミングを少しずつずらすようにしている（図１２参照）。ここでは、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする期間が互いに重ならないようにタイミングがずらされている。そして、上述のように、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値は、印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定される。このため、それぞれのセンサ１の圧電抵抗値が順番に検出又は測定され、これらの圧電抵抗値に基づいて、連続的に変化する特定ガスの濃度が検出又は測定されることになる。
【００５２】
以下、本環境測定装置について、図１、図３、図９、図１０を参照しながら、より具体的に説明する。
本環境測定装置は、図１、図３及び図９に示すように、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１と、複数のホイートストンブリッジ回路４と、切替装置７と、電圧計８と、電圧源（ここでは直流電圧源）９と、制御演算部５とを備える。
【００５３】
本実施形態では、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１、及び、これらの圧電抵抗型カンチレバーセンサ１のそれぞれに接続されている複数のホイートストンブリッジ回路４は、図１及び図９に示すように、一体的に形成されたセンサ素子６として構成される。
なお、複数のカンチレバーセンサ１をマルチ化したものを、マルチカンチレバーセンサという。また、第１カンチレバーセンサに接続されるホイートストンブリッジ回路を第１ホイートストンブリッジ回路といい、第２カンチレバーセンサに接続されるホイートストンブリッジ回路を第２ホイートストンブリッジ回路といい、第３カンチレバーセンサに接続されるホイートストンブリッジ回路を第３ホイートストンブリッジ回路といい、第４カンチレバーセンサに接続されるホイートストンブリッジ回路を第４ホイートストンブリッジ回路といい、第５カンチレバーセンサに接続されるホイートストンブリッジ回路を第５ホイートストンブリッジ回路という。
【００５４】
ここでは、センサ素子６は、図９に示すように、一の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１と、これに接続された一のホイートストンブリッジ回路４とを含む複数のセンサユニット１０（図９中、破線で囲まれている部分参照）を備える。複数のセンサユニット１０は、同一基板上に並列に形成されている。
各センサユニット１０は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に備えられるカンチレバー２上に形成された圧電抵抗体３と、これに配線１１によって接続された３つのブリッジ抵抗１２とから構成されるホイートストンブリッジ回路４が同一基板上に形成された構成になっている。
【００５５】
次に、このセンサ素子６の製造方法について、図１０を参照しながら説明する。
まず、カンチレバー部分の作製プロセスについて説明する。
図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１３とＳｉ層１４との間にＳｉＯ２層１５を挟んだＳＯＩ（silicon on insulator）基板のＳｉ層１４を、例えばメカニカルな方法又はケミカルな方法によって薄くする。ここでは、Ｓｉ基板１３は、例えばｐ型Ｓｉ（１００）基板であって、抵抗率は約１０〜約１５Ω／□である。
【００５６】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、薄くされたＳｉ層１４の表面上の圧電抵抗体３を形成する領域に例えばボロンをイオン注入した後、アニール処理を行なう。これにより、Ｓｉ層１４の表面上に圧電抵抗体３を形成する。
次いで、図１０（Ｄ）に示すように、表面にＳｉ３Ｎ４層１６を堆積させた後、圧電抵抗体３に接続される電極１７を形成する領域のＳｉ３Ｎ４層１６をエッチングして、コンタクトホール１８を形成する。
【００５７】
そして、カンチレバーの先端部となる領域をマスクした後、図１０（Ｅ）に示すように、コンタクトホール１８を含む領域に、例えばＡｌを蒸着して、電極１７を形成する。
次に、図１０（Ｆ）に示すように、表面全体及び基板裏面のカンチレバー２の支持部となる領域にマスク１９を形成する。
次いで、図１０（Ｇ）に示すように、Ｓｉ基板１３をその裏面側から例えばＴＭＡＨ溶液やＫＯＨ溶液などでエッチングして、カンチレバー２の支持部となる部分以外のＳｉ基板１３を除去する。
【００５８】
そして、図１０（Ｈ）に示すように、先端などの不要部分をエッチングによって除去する。
このようにして、カンチレバー部分を作製する。
本実施形態では、このような方法で、複数のカンチレバー部分を同時に作製する。つまり、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を同時に作製する。これにより、極めて高い精度で特性が揃った複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を作製することができる。このように、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いることで、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって、同じ特性の複数のセンサ１を作製することができる。
【００５９】
次に、カンチレバー部分以外の３つのブリッジ抵抗部分の作製プロセスについて説明する。
本実施形態では、カンチレバー部分以外の３つのブリッジ抵抗部分を、上述のカンチレバー２上の圧電抵抗体３の形成工程［図１０（Ａ）〜（Ｅ）参照］と同様の工程によって、上述のカンチレバー２上の圧電抵抗体３の形成と同時に形成する。そして、カンチレバー部分の圧電抵抗体３とブリッジ抵抗部分のブリッジ抵抗とが相互に接続されるように配線１１を形成する。
【００６０】
このようにして、図９に示すように、カンチレバー部分と、カンチレバー部分以外の３つのブリッジ抵抗部分とを備えるセンサ素子６が、同一基板上に形成される。つまり、一の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１と、これに接続された一のホイートストンブリッジ回路４とを含む複数のセンサユニット１０（図９中、破線で囲まれている部分参照）を備えるセンサ素子６が作製される。
【００６１】
特に、カンチレバー部分に形成される圧電抵抗体３と、３つのブリッジ抵抗部分に形成される抵抗体とを、同一形状、同一特性とし、３つのブリッジ抵抗部分は撓まないようにすることで、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒとすることができ、ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値を、カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に変換するのが容易となる（図３参照）。
【００６２】
ところで、本実施形態では、図１に示すように、上述のように構成されるセンサ素子６は、切替装置７を介して、一つの電圧計８及び一つの電圧源９に接続されている。つまり、本実施形態では、切替装置７を用いることで、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に接続される電圧計８及び電圧源９を共用している。
また、本実施形態では、切替装置７と電圧計８との間に、カンチレバーセンサ１で得られた信号を増幅する増幅器２０が設けられている。このように、本実施形態では、切替装置７と電圧計８との間に増幅器２０を設けることで、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に接続される増幅器２０を共用している。
【００６３】
ここで、切替装置７は、センサ素子６に含まれる第１ホイートストンブリッジ回路４のＡ点に接続されるＡ１端子、第２ホイートストンブリッジ回路４のＡ点に接続されるＡ２端子、第３ホイートストンブリッジ回路４のＡ点に接続されるＡ３端子、第４ホイートストンブリッジ回路４のＡ点に接続されるＡ４端子、第５ホイートストンブリッジ回路４のＡ点に接続されるＡ５端子、増幅器２０（ひいては電圧計８）の一の端子２０Ａに接続されるＡ６端子とを備える。また、Ａ１端子、Ａ２端子、Ａ３端子、Ａ４端子及びＡ５端子のいずれかと、Ａ６端子とを接続する第１スイッチ２１を備える。そして、第１スイッチ２１は、後述の制御演算部５からの指令に基づいて切り替えられるようになっている。なお、ここでは、５つのセンサを用いるため、Ａ１端子〜Ａ５端子の５つの端子を備えるものとしているが、使用するセンサの数に応じて端子の数が決められることになる。
【００６４】
一方、増幅器２０（ひいては電圧計８）の他の端子２０Ｂは、センサ素子６に含まれる第１ホイートストンブリッジ回路４のＢ点、第２ホイートストンブリッジ回路４のＢ点、第３ホイートストンブリッジ回路４のＢ点、第４ホイートストンブリッジ回路４のＢ点、第５ホイートストンブリッジ回路４のＢ点のそれぞれに、直接接続されている。
また、切替装置７は、センサ素子５に含まれる第１ホイートストンブリッジ回路４のＣ点に接続されるＣ１端子、第２ホイートストンブリッジ回路４のＣ点に接続されるＣ２端子、第３ホイートストンブリッジ回路４のＣ点に接続されるＣ３端子、第４ホイートストンブリッジ回路４のＣ点に接続されるＣ４端子、第５ホイートストンブリッジ回路４のＣ点に接続されるＣ５端子、電圧源９の一の端子９Ａに接続されるＣ６端子とを備える。また、Ｃ１端子、Ｃ２端子、Ｃ３端子、Ｃ４及びＣ５端子のいずれかと、Ｃ６端子とを接続する第２スイッチ２２を備える。そして、第２スイッチ２２は、後述の制御演算部５からの指令に基づいて切り替えられるようになっている。なお、ここでは、５つのセンサ１を用いるため、Ｃ１端子〜Ｃ５端子の５つの端子を備えるものとしているが、使用するセンサの数に応じて端子の数が決められることになる。
【００６５】
一方、電圧源の他の端子９Ｂは、センサ素子６に含まれる第１ホイートストンブリッジ回路４のＤ点、第２ホイートストンブリッジ回路４のＤ点、第３ホイートストンブリッジ回路４のＤ点、第４ホイートストンブリッジ回路４のＤ点、第５ホイートストンブリッジ回路４のＤ点のそれぞれに、直接接続されている。
このように、切替装置７は、電圧計８と複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１のいずれか一の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１とを接続し、かつ、電圧源９と一の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１とを接続するようになっている。
【００６６】
電圧計８は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値を検出又は測定するためのものである。ここでは、電圧計８は、切替装置７及び増幅器２０を介して、センサ素子６に含まれるホイートストンブリッジ回路４のＡ点及びＢ点に接続されている。つまり、センサ素子６に含まれるカンチレバーセンサ１の圧電抵抗体３は、ホイートストンブリッジ回路４、切替装置７及び増幅器２０を介して、電圧計８に接続されている。そして、電圧計８によって検出又は測定された電圧値は、後述の制御演算部５へ送られるようになっている。
【００６７】
電圧源９は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１に電圧を印加するためのものである。ここでは、電圧源９は、切替装置７を介して、センサ素子６に含まれるホイートストンブリッジ回路４のＣ点及びＤ点に接続されている。つまり、センサ素子６に含まれるカンチレバーセンサ１の圧電抵抗体３は、ホイートストンブリッジ回路４及び切替装置７を介して、電圧源９に接続されている。
【００６８】
制御演算部５は、電圧計８、電圧源９及び切替装置７を制御するとともに、電圧計８によって検出又は測定された電圧値に基づいて周辺環境の特定ガスを検出又は測定するようになっている。制御演算部５は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などのコンピュータである。なお、コンピュータは、記憶装置２３や表示装置２４等も備える。
本実施形態では、制御演算部５は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎ／ｏｆｆが繰り返されるように制御するようになっている。また、制御演算部５は、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする期間がずれるように制御するようになっている。
【００６９】
また、制御演算部５は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている期間に、センサ素子６に含まれるホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値を検出又は測定するようになっている。そして、制御演算部５は、検出又は測定されたホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値に基づいて、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値を求めるようになっている。また、制御演算部５は、求められた圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に基づいて、周辺環境の特定ガスの濃度値を求めるようになっている。
【００７０】
本実施形態では、制御演算部５は、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用い、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする期間がずれるように制御する。このため、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１のそれぞれに接続されるホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値は、時間的にずれて検出又は測定されることになる。このため、連続的に変化する特定ガスの濃度が、時間間隔をおいて連続的に検出又は測定されることになる。
【００７１】
このように、制御演算部５は、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている期間に検出又は測定された圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値に基づいて周辺環境の特定ガスを検出又は測定するようになっている。
具体的には、制御演算部５からの指令に基づいて切替装置７のスイッチ２１を切り替えることで、電圧計８に接続される圧電抵抗型カンチレバーセンサ１及びホイートストンブリッジ回路４を順番に、かつ、連続的に切り替え、第１〜第５のホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値を順番に、かつ、連続的に検出又は測定するようになっている。また、第１〜第５のホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値のそれぞれに基づいて、特定ガスの濃度を検出又は測定するようになっている。そして、それぞれの圧電抵抗型カンチレバーセンサ１及びホイートストンブリッジ回路４によって検出又は測定された特定ガスの濃度を統合して、連続的に変化する特定ガスの濃度の変化を、時間間隔をおいて連続的に検出又は測定するようになっている。
【００７２】
このように、制御演算部５からの指令に基づいて切替装置７を制御することで、予め設定した順番及び時間間隔で、動作させるセンサ１を自動的に切り替えることができるようになっている。また、順番に検出又は測定された第１〜第５のホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値、これに基づいて求められた圧電抵抗型カンチレバーセンサ１の圧電抵抗値、これに基づいて求められた周辺環境の特定ガスの濃度値は、記憶装置２３に記憶されるようになっている。さらに、求められた周辺環境の特定ガスの濃度値は、グラフ化され、濃度変化がリアルタイムで表示装置２４に表示されるようになっている。
【００７３】
次に、上述のように構成される環境測定装置による測定プロセス（環境測定方法）について、図１１〜図１３を参照しながら説明する。
まず、第１カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なう。
最初に、制御演算部５からの指令に基づいて、第１カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする（ステップＳ１０）。
【００７４】
具体的には、制御演算部５からの指令に基づいて、切替装置７の第１スイッチ２１を切り替えて、電圧計８と第１カンチレバーセンサ１とを接続するとともに、第２スイッチ２２を切り替えて、電圧源９と第１カンチレバーセンサ１とを接続する。これにより、電圧源９から供給される電圧が第１ホイートストンブリッジ回路４のＣ−Ｄ間（図３参照）に印加される。例えばカンチレバーセンサ１の大きさが約１００×約２００μｍの場合（図３参照）、センサ印加電圧は約４〜約６Ｖ程度とするのが好ましい。また、カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする期間、即ち、センサ電圧印加時間Δｔｈは約２００ｍｓｅｃ程度とすれば良い。なお、電圧源９から供給される電圧は、制御演算部５からの指令に基づいて、例えば約２Ｖ〜約６Ｖの範囲で制御できるようになっている。このようにして、第１カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする。
【００７５】
なお、センサ印加電圧及びセンサ電圧印加時間Δｔｈは、熱の影響がセンサ１に大きく影響しない範囲に設定することになる。熱の影響は、センサ１の大きさ、形状、材料等、さらには、測定場所（設置箇所）の環境等によっても変化する。このため、これらの点を考慮してセンサ印加電圧及びセンサ電圧印加時間Δｔｈを設定することになる。
次に、制御演算部５からの指令に基づいて、第１カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている間に周辺環境の特定ガスの濃度値を検出又は測定する（ステップＳ２０〜Ｓ４０）。
【００７６】
ここでは、まず、第１カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている間に、制御演算部５からの指令に基づいて、電圧計８によって、第１カンチレバーセンサ１に接続された第１ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間（図３参照）の電圧値を検出又は測定する（ステップＳ２０）。そして、検出又は測定された第１ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値を記憶装置２３に記憶させる（ステップＳ３０）。
【００７７】
なお、周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定は、カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている間、即ち、センサ電圧印加時間Δｔｈ内に行なえば良いが、切替装置７のスイッチングによる過渡的な影響を回避するためには、センサ電圧印加時間Δｔｈの中間点で検出又は測定を行なうのが好ましい。
次に、制御演算部５は、第１ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間（図３参照）の電圧値を記憶装置２３から読み出し、これに基づいて、周辺環境の特定ガスの濃度値を求める（ステップＳ４０）。そして、求められた周辺環境の特定ガスの濃度値を記憶装置２３に記憶させる。
【００７８】
具体的には、特定ガスの濃度値がわかっている環境下で、実際に測定対象となる特定ガスの濃度値を測定し、その場合のホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間（図３参照）の電圧値を測定することによって、ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間（図３参照）の電圧値と測定対象となる特定ガスの濃度値とを対応づけたテーブル（又はマップ；検量線）を作成しておき、このテーブルを参照することで、ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間（図３参照）の電圧値から測定対象となる特定ガスの濃度値を求める。
【００７９】
次に、このようにして第１カンチレバーセンサ１によって検出又は測定された周辺環境の特定ガスの濃度値を、例えば図１２及び図１３に示すように、表示装置２４の画面上に表示させる（ステップＳ５０）。
なお、図１２は、切替装置７によって各カンチレバーセンサ１に切り替えて、各カンチレバーセンサ１によって周辺環境の特定ガスの濃度値を検出又は測定した場合の測定結果を示している。図１２では、上から順に、第１カンチレバーセンサ１による測定結果、第２カンチレバーセンサによる測定結果、第３カンチレバーセンサ１による測定結果、第４カンチレバーセンサ１による測定結果、第５カンチレバーセンサ１による測定結果を示している。図１２中、各プロットの番号は検出又は測定の順番を表している。そして、この順番に測定値をプロットすることによって、図１３に示すような測定結果を得ることができる。なお、図１２中の各プロットの番号と図１３中の各プロットの番号とは対応している。
【００８０】
次に、第２カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なう。
このため、制御演算部５は、切替装置７の第１スイッチ２１及び第２スイッチ２２を切り替えるのに用いるフラグｉを「２」に設定する（ステップＳ６０）。ここで、フラグｉに設定される値は、使用するカンチレバーセンサ１の順番に対応させている。ここでは、最初、フラグｉは「１」に設定されており、順にインクリメントされることで、第１〜第５のカンチレバーセンサが順番に用いられるようになっている。なお、フラグｉに設定される値はセンサの数によって決められる。
【００８１】
次に、制御演算部５からの指令に基づいて、第２カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする（ステップＳ７０）。
具体的には、制御演算部５からの指令に基づいて、切替装置７の第１スイッチ２１を切り替えて、電圧計８と第２カンチレバーセンサ１とを接続するとともに、第２スイッチ２２を切り替えて、電圧源９と第２カンチレバーセンサ１とを接続する。これにより、電圧源９から供給される電圧が第２ホイートストンブリッジ回路４のＣ−Ｄ間に印加される。このようにして、第２カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにする。
【００８２】
なお、このようにして第２スイッチ２１を切り替えると、電圧源９と第１カンチレバーセンサ１とは接続されていない状態となる。つまり、第１カンチレバーセンサ１の印加電圧はｏｆｆになる。このように、第２カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにすると、これと同時に、第１カンチレバーセンサ１の印加電圧がｏｆｆになる（図１２参照）。
なお、カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｆｆにする期間、即ち、センサ冷却期間Δｔｃは、カンチレバーセンサ１を十分に冷却しうる冷却時間が得られるように設定すれば良い。例えば、複数のカンチレバーセンサ１を用い、各カンチレバーセンサ１の印加電圧、電圧印加時間、冷却期間をいずれも同一にし、ｏｎタイミングを互いにずらして、一定の測定間隔で、周辺環境の特定ガスの濃度値を検出又は測定する場合、冷却期間に応じてカンチレバーセンサ１の数を決めれば良い。この場合、最低限必要な冷却期間を確保するために必要なカンチレバーセンサ１の数は最低限必要なカンチレバーセンサ１の数である。最低限必要な冷却期間よりも長い期間を冷却期間として設定する場合には、それに応じて、最低限必要なカンチレバーセンサ１の数よりも多い数のカンチレバーセンサ１を用いることになる。つまり、カンチレバーセンサ１の数によって冷却期間を変えることができる。また、例えば、各カンチレバーセンサ１の電圧印加時間を同一にし、ｏｎタイミングを互いにずらし、一定の測定間隔で、周辺環境の特定ガスの濃度値を検出又は測定する場合、カンチレバーセンサ１の数によって冷却時間が変わってくる。このため、検出又は測定に用いるカンチレバーセンサ１の数を多くすることで、各カンチレバーセンサ１の冷却期間を長くすることができる。また、例えば、測定間隔をできるだけ短くし、カンチレバーセンサ１の数を多くすることで、より詳細なガス濃度変化を検出又は測定することが可能となる。ここでは、一例としてカンチレバーセンサ１の数を５つにしている。急激なガス濃度の変化（濃度変化プロファイル）を検出又は測定するためには、４つ以上のカンチレバーセンサを用いるのが好ましい。
【００８３】
次に、制御演算部５からの指令に基づいて、第２カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている間に周辺環境の特定ガスの濃度値を検出又は測定する（ステップＳ８０〜Ｓ１００）。
ここでは、まず、第２カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている間に、制御演算部５からの指令に基づいて、電圧計８によって、第２カンチレバーセンサ１に接続された第２ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間（図３参照）の電圧値を検出又は測定する（ステップＳ８０）。そして、検出又は測定された第２ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間の電圧値を記憶装置２３に記憶させる（ステップＳ９０）。
【００８４】
次いで、制御演算部５は、第２ホイートストンブリッジ回路４のＡ−Ｂ間（図３参照）の電圧値を記憶装置２３から読み出し、これに基づいて、周辺環境の特定ガスの濃度値を求める（ステップＳ１００）。そして、求められた周辺環境の特定ガスの濃度値を記憶装置２３に記憶させる。
次に、このようにして第２カンチレバーセンサ１によって検出又は測定された周辺環境の特定ガスの濃度値を、例えば図１２及び図１３に示すように、表示装置２４の画面上に表示させる（ステップＳ１１０）。
【００８５】
そして、制御演算部５は、検出又は測定を開始してからの経過時間ｔが、設定時間Ｔよりも短いか否かを判定する（ステップＳ１２０）。
この結果、経過時間ｔが設定時間Ｔよりも短いと判定した場合は、制御演算部５は、フラグｉをインクリメントする（ステップＳ１３０）。
次に、制御演算部５は、フラグｉがＮ＋１であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。ここで、Ｎは、使用するカンチレバーセンサ１の数である。ここでは、使用するカンチレバーセンサ１の数は５個であるため、Ｎは「５」に設定されている。このため、制御演算部５は、フラグｉが６であるか否かを判定する。
【００８６】
そして、経過時間ｔが設定時間Ｔよりも短くないと判定するか、又は、フラグｉがＮ＋１（ここでは６）であると判定するまでは、ステップＳ７０へ戻り、上述と同様の処理を繰り返す。つまり、上述の第２カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定プロセスと同様の処理を繰り返して、第３〜第５カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なう。
【００８７】
具体的には、まず、ステップＳ１３０でフラグｉが「３」に設定され、ステップＳ１４０でフラグｉがＮ＋１（ここでは６）でないと判定されて、ステップＳ７０へ戻る。そして、上述と同様の処理によって、第３カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なう。そして、第３カンチレバーセンサ１によって検出又は測定された周辺環境の特定ガスの濃度値を、例えば図１２及び図１３に示すように、表示装置２４の画面上に表示させる。
【００８８】
次に、ステップＳ１３０でフラグｉが「４」に設定され、ステップＳ１４０でフラグｉがＮ＋１（ここでは６）でないと判定されて、ステップＳ７０へ戻る。そして、上述と同様の処理によって、第４カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なう。そして、第４カンチレバーセンサ１によって検出又は測定された周辺環境の特定ガスの濃度値を、例えば図１２及び図１３に示すように、表示装置２４の画面上に表示させる。
【００８９】
次に、ステップＳ１３０でフラグｉが「５」に設定され、ステップＳ１４０でフラグｉがＮ＋１（ここでは６）でないと判定されて、ステップＳ７０へ戻る。そして、上述と同様の処理によって、第５カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なう。そして、第５カンチレバーセンサ１によって検出又は測定された周辺環境の特定ガスの濃度値を、例えば図１２及び図１３に示すように、表示装置２４の画面上に表示させる。
【００９０】
このようにして第３〜第５カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なった後、ステップＳ１３０でフラグｉが「６」に設定され、ステップＳ１４０でフラグｉがＮ＋１（ここでは６）であると判定され、ステップＳ１５０へ進む。そして、ステップＳ１５０でフラグｉを「１」に設定した後、ステップＳ２０へ戻り、上述と同様の処理を繰り返す。つまり、上述の第１〜第５カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定プロセスと同様の処理を繰り返して、第１〜第５カンチレバーセンサ１による周辺環境の特定ガスの濃度値の検出又は測定を行なう。そして、第１〜第５カンチレバーセンサ１によって検出又は測定された周辺環境の特定ガスの濃度値を、例えば図１３に示すように、表示装置２４の画面上に表示させる。
【００９１】
そして、上述の処理を繰り返している間に、ステップＳ１２０で、経過時間ｔが設定時間Ｔよりも短くないと判定した場合に、測定を終了する。
なお、ここでは、センサ素子６の一側から他側へ向けて５つのカンチレバーセンサ１を順番にｏｎにし、検出又は測定を行なうようにしているが、これに限られるものではなく、５つのカンチレバーセンサ１をｏｎにする順番、即ち、検出又は測定する順番は、任意に設定することができる。例えば、５つのカンチレバーセンサ１をランダムにｏｎにし、検出又は測定を行なうようにしても良い。
【００９２】
また、ここでは、上述のようにして、周辺環境の特定ガスの濃度を定量的に表示するようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、検量線のようなものを用いることなく、時間の経過とともに検出又は測定された電圧値をそのまま表示することで、周辺環境の特定ガスの濃度変化を相対的に表示するようにしても良い。
したがって、本実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法によれば、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いる場合に、周辺環境の気体や液体の検出又は測定の精度を向上させることができるという利点がある。
【００９３】
特に、本実施形態では、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を備え、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆのタイミングをずらすようにしているため、周辺環境の気体又は液体の濃度が急激に変化した場合であっても対応することができ、このような場合にも測定精度を向上させることができるという利点がある。
なお、上述の環境測定装置は、一体型のものとして構成しても良いし、一部を別体のものとして構成しても良い。例えばセンサ素子６を別体にしても良い。
［第２実施形態］
第２実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法について、図１４を参照しながら説明する。
【００９４】
本実施形態にかかる環境測定装置は、上述の第１実施形態のものに対し、各カンチレバーセンサ１に接続されるホイートストンブリッジ回路４を共用化している点が異なる。
つまり、上述の第１実施形態では、複数のカンチレバーセンサ１のそれぞれにホイートストンブリッジ回路４を接続し、複数のホイートストンブリッジ回路４を一つの切替装置７に接続している。これに対し、本実施形態では、図１４に示すように、複数のカンチレバーセンサ１を一つの切替装置７Ａに接続し、切替装置７Ａを一つのホイートストンブリッジ回路４に接続している。このように、複数のカンチレバーセンサ１と一つのホイートストンブリッジ回路４との間に切替装置７Ａを設けることで、ホイートストンブリッジ回路４を共用化している。このため、切替装置７Ａと増幅器２０との間に、ホイートストンブリッジ回路４を含むブリッジ回路部４Ｘを備える。なお、図１４では、上述の第１実施形態と同一のものには同一の符号を付している。
【００９５】
このため、センサ素子６Ａは、上述の第１実施形態のものにおいて、ホイートストンブリッジ回路４を含まないもの、即ち、複数のカンチレバーセンサ１のみを含むものとして構成される。
切替装置７Ａは、センサ素子６Ａに含まれる第１カンチレバーセンサ１の一の端子１Ａに接続される第１端子７ａと、第２カンチレバーセンサ１の一の端子１Ａに接続される第２端子７ｂと、第３カンチレバーセンサ１の一の端子１Ａに接続される第３端子７ｃと、第４カンチレバーセンサ１の一の端子１Ａに接続される第４端子７ｄと、第５カンチレバーセンサ１の一の端子１Ａに接続される第５端子７ｅと、ホイートストンブリッジ回路４のＡ点に接続される第６端子７ｆとを備える。また、第１端子７ａ、第２端子７ｂ、第３端子７ｃ、第４端子７ｄ及び第５端子７ｅのいずれかと、第６端子７ｆとを接続するスイッチ２５を備える。そして、スイッチ２５は、制御演算部５からの指令に基づいて切り替えられるようになっている。なお、ここでは、５つのセンサ１を用いるため、第１端子７ａ〜第５端子７ｅの５つの端子を備えるものとしているが、使用するセンサの数に応じて端子の数が決められることになる。
【００９６】
また、ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、増幅器２０（ひいては電圧計８）の一の端子２０Ａに接続されており、ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、増幅器２０（ひいては電圧計８）の他の端子２０Ｂに接続されている。
また、ホイートストンブリッジ回路４のＤ点は、電圧源９の一の端子９Ａに接続されており、ホイートストンブリッジ回路４のＣ点は、電圧源の他の端子９Ｂに接続されている。
【００９７】
さらに、電圧源９の他の端子９Ｂ、及び、ホイートストンブリッジ回路４のＣ点は、センサ素子６Ａに含まれる第１〜第５カンチレバーセンサ１の他の端子１Ｂのそれぞれに接続されている。
このように、センサ素子６Ａに含まれる各カンチレバーセンサ１の圧電抵抗体３は、切替装置７Ａ、ホイートストンブリッジ回路４及び増幅器２０を介して、電圧計８に接続されている。また、センサ素子６Ａに含まれる各カンチレバーセンサ１の圧電抵抗体３、及び、ホイートストンブリッジ回路４には、電圧源９が接続されている。そして、制御演算部５からの指令に基づいて、切替装置７Ａのスイッチ２５を切り替える制御を行なうことで、センサの印加電圧をｏｎ／ｏｆｆすることになる。
【００９８】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法によれば、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いる場合に、周辺環境の気体や液体の検出又は測定の精度を向上させることができるという利点がある。
【００９９】
特に、本実施形態では、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を備え、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆのタイミングをずらすようにしているため、周辺環境の気体又は液体の濃度が急激に変化した場合であっても対応することができ、このような場合にも測定精度を向上させることができるという利点がある。
なお、上述の環境測定装置は、一体型のものとして構成しても良いし、一部を別体のものとして構成しても良い。例えばセンサ素子６Ａを別体にしても良い。
［第３実施形態］
第３実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法について、図１５を参照しながら説明する。
【０１００】
本実施形態にかかる環境測定装置は、上述の第１実施形態のものが増幅器２０を共用化しているのに対し、センサ１毎に増幅器２０を設けている点が異なる。
つまり、上述の第１実施形態では、切替装置７と電圧計８との間に増幅器２０を設けることで、増幅器２０を共用化している。これに対し、本実施形態では、図１５に示すように、複数のカンチレバーセンサ１及びホイートストンブリッジ回路４のそれぞれに対して別個独立に増幅器２０を設けている。この場合、複数の増幅器２０を含む増幅部２０Ｘを備えるものとなる。ここでは、５つのセンサ１を用いるため、５つの増幅器（第１〜第５増幅器）２０を備えるものとなる。
【０１０１】
そして、センサ素子６に含まれる第１ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第１増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第１ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第１増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第２ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第２増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第２ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第２増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第３ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第３増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第３ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第３増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第４ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第４増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第４ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第４増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第５ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第５増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第５ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第５増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。
【０１０２】
また、第１増幅器２０の出力端子２０Ｃは、切替装置７のＡ１端子に接続される。また、第２増幅器２０の出力端子２０Ｃは、切替装置７のＡ２端子に接続される。また、第３増幅器２０の出力端子２０Ｃは、切替装置７のＡ３端子に接続される。また、第４増幅器２０の出力端子２０Ｃは、切替装置７のＡ４端子に接続される。また、第５増幅器２０の出力端子２０Ｃは、切替装置７のＡ５端子に接続される。
【０１０３】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法によれば、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いる場合に、周辺環境の気体や液体の検出又は測定の精度を向上させることができるという利点がある。
【０１０４】
特に、本実施形態では、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を備え、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆのタイミングをずらすようにしているため、周辺環境の気体又は液体の濃度が急激に変化した場合であっても対応することができ、このような場合にも測定精度を向上させることができるという利点がある。
なお、上述の環境測定装置は、一体型のものとして構成しても良いし、一部を別体のものとして構成しても良い。例えばセンサ素子６及び増幅部２０Ｘを別体にしても良い。
［第４実施形態］
第４実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法について、図１６、図１７を参照しながら説明する。
【０１０５】
本実施形態にかかる環境測定装置は、上述の第１実施形態のものに対し、切替装置７を設けずに、センサ１毎に増幅器２０、電圧計８及び電圧源９を設けている点が異なる。
つまり、上述の第１実施形態では、切替装置７を設け、増幅器２０、電圧計８及び電圧源９を共用化している。これに対し、本実施形態では、図１６に示すように、複数のカンチレバーセンサ１及びホイートストンブリッジ回路４のそれぞれに対して、別個独立に、増幅器２０、電圧計８及び電圧源９を設けている。この場合、複数の増幅器２０、複数の電圧計８、及び、複数の電圧源９を備える。つまり、増幅器２０、電圧計８及び電圧源９を備える複数のユニット２６を備える。ここでは、５つのセンサ１を用いるため、５つの増幅器２０（第１〜第５増幅器）、５つの電圧計８（第１〜第５電圧計）、及び、５つの電圧源９（第１〜第５電圧源；ここでは直流電圧源）を備える。つまり、５つのユニット２６を備える。
【０１０６】
そして、センサ素子６に含まれる第１ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第１増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第１ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第１増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第２ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第２増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第２ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第２増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第３ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第３増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第３ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第３増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第４ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第４増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第４ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第４増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第５ホイートストンブリッジ回路４のＡ点は、第５増幅器２０の一の入力端子２０Ａに接続され、第５ホイートストンブリッジ回路４のＢ点は、第５増幅器２０の他の入力端子２０Ｂに接続される。
【０１０７】
また、第１増幅器２０の出力端子２０Ｃは、第１電圧計８に接続される。また、第２増幅器２０の出力端子２０Ｃは、第２電圧計８に接続される。また、第３増幅器２０の出力端子２０Ｃは、第３電圧計８に接続される。また、第４増幅器２０の出力端子２０Ｃは、第４電圧計８に接続される。また、第５増幅器２０の出力端子２０Ｃは、第５電圧計８に接続される。
【０１０８】
また、センサ素子６に含まれる第１ホイートストンブリッジ回路４のＣ点は、第１電圧源９の一の端子９Ａに接続され、第１ホイートストンブリッジ回路４のＤ点は、第１電圧源９の他の端子９Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第２ホイートストンブリッジ回路４のＣ点は、第２電圧源９の一の端子９Ａに接続され、第２ホイートストンブリッジ回路４のＤ点は、第２電圧源９の他の端子９Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第３ホイートストンブリッジ回路４のＣ点は、第３電圧源９の一の端子９Ａに接続され、第３ホイートストンブリッジ回路４のＤ点は、第３電圧源９の他の端子９Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第４ホイートストンブリッジ回路４のＣ点は、第４電圧源９の一の端子９Ａに接続され、第４ホイートストンブリッジ回路４のＤ点は、第４電圧源９の他の端子９Ｂに接続される。また、センサ素子６に含まれる第５ホイートストンブリッジ回路４のＣ点は、第５電圧源９の一の端子９Ａに接続され、第５ホイートストンブリッジ回路４のＤ点は、第５電圧源９の他の端子９Ｂに接続される。
【０１０９】
そして、制御演算部５は、各電圧計８及び各電圧源９を制御するとともに、各電圧計８によって検出又は測定された電圧値に基づいて周辺環境の特定ガスを検出又は測定するようになっている。なお、本実施形態では、上述の第１実施形態の切替装置７を備えていない。このため、上述の第１実施形態のように制御演算部５からの指令に基づいて切替装置７の第２スイッチ２２を切り替える制御を行なうことで、センサの印加電圧をｏｎ／ｏｆｆするのに代えて、制御演算部５からの指令に基づいて各電圧源９をｏｎ／ｏｆｆする制御を行なうことで、センサの印加電圧をｏｎ／ｏｆｆすることになる。
【０１１０】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる環境測定装置及び環境測定方法によれば、圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を用いる場合に、周辺環境の気体や液体の検出又は測定の精度を向上させることができるという利点がある。
【０１１１】
特に、本実施形態では、複数の圧電抵抗型カンチレバーセンサ１を備え、印加電圧のｏｎ／ｏｆｆのタイミングをずらすようにしているため、周辺環境の気体又は液体の濃度が急激に変化した場合であっても対応することができ、このような場合にも測定精度を向上させることができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、環境測定装置による測定プロセス（環境測定方法）において、上述の第１実施形態の場合と同様に、次の検出又は測定に用いるカンチレバーセンサ１をｏｎにすると同時に、前の検出又は測定に用いていたカンチレバーセンサ１をｏｆｆにするようにしているが、これに限られるものではない。例えば、図１７に示すように、ステップＳ７０の後に、ステップＳ７５を挿入して、次の検出又は測定に用いられるカンチレバーセンサ１をｏｎにした後に、前の検出又は測定に用いていたカンチレバーセンサ１をｏｆｆにするようにしても良い。このように、前の検出又は測定に用いていたカンチレバーセンサ１のｏｆｆタイミングと次の検出又は測定に用いるカンチレバーセンサ１のｏｎタイミングとは、同時でなく、ずらされていても良い。この場合、図１８に示すように、各カンチレバーセンサ１の印加電圧をｏｎにしている期間は重なり合うことになる。これにより、測定間隔をより短くすることができ、特定ガスの濃度変化をより精度良く測定することが可能となる。
【０１１２】
なお、上述の環境測定装置は、一体型のものとして構成しても良いし、一部を別体のものとして構成しても良い。例えばセンサ素子６を別体にしても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【符号の説明】
【０１１３】
１  圧電抵抗型カンチレバーセンサ
１Ａ  一の端子
１Ｂ  他の端子
２  カンチレバー
３  圧電抵抗体
４  ホイートストンブリッジ回路（ブリッジ回路）
４Ｘ  ブリッジ回路部
５  制御演算部
６，６Ａ  センサ素子
７，７Ａ  切替装置
７ａ〜７ｆ  第１〜第６端子
８  電圧計
９  電圧源
９Ａ  一の端子
９Ｂ  他の端子
１０  センサユニット
１１  配線
１２  ブリッジ抵抗
１３  Ｓｉ基板
１４  Ｓｉ層
１５  ＳｉＯ２層
１６  Ｓｉ３Ｎ４層
１７  電極
１８  コンタクトホール
１９  マスク
２０  増幅器
２０Ａ  一の端子（入力端子）
２０Ｂ  他の端子（入力端子）
２０Ｃ  出力端子
２１  第１スイッチ
２２  第２スイッチ
２３  記憶装置
２４  表示装置
２５  スイッチ
２６  ユニット
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2011257185.tif 000024
【図１５】
2011257185.tif 000025
【図１６】
2011257185.tif 000026
【図１７】
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【図１８】
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