(57)【要約】【課題】小型で高感度なセンサを低コストで提供することのできる技術を提供する。【解決手段】センサ１０においては、基板８０上にポンプ２０、吸着部３０、ガスクロマトグラフィ部４０、センサ部５０を備え、ポンプ２０で周囲のガスを吸い込んで濃縮し、ガスに含まれる分子を吸着部３０で吸着する。そして、吸着部３０で吸着した分子中から、ガスクロマトグラフィ部４０で特定種の分子を分離し、分離した特定種の分子をセンサ部５０の吸着膜で吸着する。吸着膜への分子の吸着をセンサ部５０で検出し、その検出レベルに基づき、測定処理部６０で特定種の分子の有無またはその量を測定する。このようにして、特定種の分子の有無の検出、またはその量を測定する。【選択図】図１
2007248323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から流体を吸い込み、前記流体を濃縮する濃縮ポンプと、
前記濃縮ポンプで濃縮された前記流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、
前記吸着部で吸着した前記分子のうち特定種の前記分子の付着または吸着により振動特性が変化することで前記分子を認識する分子認識部と、
前記分子認識部における振動の変化を検出することで、前記分子を検出する検出部と、を備え、
少なくとも前記濃縮ポンプ、前記吸着部、前記分子認識部が基板上に一体に形成されていることを特徴とする分子検出センサ。
【請求項２】
前記濃縮ポンプは、
外部から前記吸着部に前記流体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、
前記流路内で前記流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記体積変化発生部により前記流体に体積変化が生じたとき、前記流路内で前記検出部から離れる方向に前記流体が移動するのを阻止する逆流防止部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の分子検出センサ。
【請求項３】
前記吸着部で吸着された前記分子の分子量を分析する分子量分析部をさらに備え、
前記分子認識部は、前記分子量分析部にて分子量が分析された前記分子の付着または吸着による振動特性の変化によって前記分子を認識することを特徴とする請求項１または２に記載の分子検出センサ。
【請求項４】
前記分子認識部は、感度の異なる複数が設けられ、
前記検出部は、感度の低い前記分子認識部で前記分子が認識できないときに感度の高い他の前記分子認識部にて前記分子の認識を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の分子検出センサ。
【請求項５】
前記分子認識部は、付着または吸着する前記分子の種類が互いに異なる複数種が設けられ、
前記検出部は、複数の前記分子認識部のうち、前記分子を認識した前記分子認識部の種類に基づき、前記流体に含まれる物質を特定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の分子検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、匂いやガス等の検出に用いて好適な分子検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、爆発危険性や有害性のあるガス等の存在、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、ガス等の存在の有無、あるいはその濃度を検出している。このようなセンサは、ガス等を取り扱う施設、設備、装置等に設置され、ガスの漏れやガス量のコントロールに用いられている。
また近年、燃料電池の開発が盛んに行われている。燃料電池は水素を用いるため、水素ステーションや、燃料電池を使用する車両や装置、機器等において、水素の漏れが無いか監視するのが好ましい。このような用途にも、上記センサは適用できる。
上記用途以外にも、特定種の分子を吸着することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出するセンサは、例えば食物の鮮度や成分分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、さらには、人体等、生体の状態検知等に用いることが考えられる。
【０００３】
このようなセンサとしては、従来、大きく分けて２種類の方式のものがあった。
一つは、カンチレバー上に、特定種の分子を吸着する分子吸着膜（感応膜）を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときのカンチレバーの状態変化から、分子の吸着を検出するものである。分子吸着膜に分子が吸着されると、分子吸着膜の質量が増加する。これにより、カンチレバーのたわみ量が変化するので、その変化量から、特定種の分子の吸着を検出できる。また、分子の吸着により分子吸着膜の質量が増加すると、カンチレバーと分子吸着膜とからなる系の共振周波数が変化するので、その変化から特定種の分子の吸着を検出することもできる（例えば、非特許文献１参照。）。
もう一つの方式は、水晶振動子に分子吸着膜を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときの、水晶振動子の共振周波数変化から、特定種の分子の吸着を検出するものである。
【０００４】
このような方式を採用することで、白金やパラジウムを水素分子の吸着膜として適用した水素ガス検知や、ＰＭＭＡポリマーを用いたアルコール成分検知、また食物の匂い検知等が実現できることが既に報告されている。特に、カンチレバーや水晶振動子の共振周波数変化を検出する方法では、特定分子が吸着膜に吸着して微小な質量変化が生じた際に、高い振動Ｑ値を有する水晶振動子やカンチレバーの共振周波数がその質量変化に極めて敏感に反応して変化を生じるため、高感度な検知が可能になっている。
こうした従来の水晶振動子やカンチレバーの共振周波数変化を用いてガス検知をする方法においては、センサ自体を、水晶の固体素子や、微細加工技術で製作する大きさ数十〜数百μｍのカンチレバーで構成する。したがって、センサの小型化が可能であり、また前述のように振動Ｑ値も高くできる特徴があるので、小型化、高感度化の面で優れた構成であると言える。
【０００５】
【非特許文献１】Suman Cherian, Thomas Thundat、“Determination of adsorption-induced variation in the spring constant of a microcantilever”、Applied Physics Letter、２００２年、Vol.80、No.12、pp.2219-2221
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、センサ自体が小型化すると、検出対象となるガスのサンプリング量も微小となり、これによって感度が思うように向上しないと言う問題がある。これを実用的な感度を有するものとするには、現状に比較し、センサの感度を１００００倍程度に向上する必要がある。
【０００７】
また、従来、このようなセンサは専用性の高いデバイスであるため、価格も非常で高価であり、その検出作業自体にも専門的知識が要求されるために検査費用も高く、検出まで時間が掛かるという問題があった。
【０００８】
近年では、健康等への関心が大いに高まっている。健康の度合いを示す指標として、体臭等の匂いを検出することが考えられる。
専門的知識を有さない一般大衆が簡易に匂いの検出を行えるようにするには、低コストなセンサにおいて迅速かつ簡易に検出が行える必要があるが、従来、そのようなセンサは提供されていないのが現状である。
【０００９】
また、このような用途にセンサを用いる場合、匂いは様々な分子が組み合わさって生成されるため、複数（多数）の分子検出をセンサで行わなければならない。センサをこのような構成とするには、単純には、複数のセンサを一体にユニット化すればよいのであるが、実際には、センサの大型化に繋がる。また、その構造も複雑になるので、センサの製造コストが上昇することになる。
【００１０】
本発明の目的は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、小型で高感度なセンサを低コストで提供することのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる目的のもと、本発明の分子検出センサは、外部から雰囲気ガス等の流体を吸い込み、流体を濃縮する濃縮ポンプと、濃縮ポンプで濃縮された流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した分子のうち特定種の分子の付着または吸着により振動特性が変化することで分子を認識する分子認識部と、分子認識部における振動の変化を検出することで、分子を検出する検出部と、を備え、少なくとも濃縮ポンプ、吸着部、分子認識部が基板上に一体に形成されていることを特徴とする。
このような分子検出センサにおいて、少なくとも濃縮ポンプ、吸着部、分子認識部を基板上に一体に形成することで、分子検出センサをワンチップ化することができ、小型化が可能となるとともに、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術、半導体製造技術を適用することで、微細化、大量生産による低コストが可能となる。
そして、濃縮ポンプで流体を濃縮することによって、分子検出センサの検出感度を向上させることが可能となる。このとき、濃縮ポンプを、外部から吸着部に流体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、流路内で流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、体積変化発生部により流体に体積変化が生じたとき、流路内で検出部から離れる方向に流体が移動するのを阻止する逆流防止部と、を備える構成とすることにより、可動部のないメカレスの構成とすることができ、基板上への実装が可能となるとともに、高い信頼性を得ることができる。
【００１２】
分子認識部においては、分子の付着または吸着により振動特性が変化することで分子を認識する。このような分子認識部としては、一つには、カンチレバー状、あるいはディスク状の振動子上に、特定種の分子を吸着する分子吸着膜（感応膜）を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときの振動子の状態変化から、分子の吸着を検出するものがある。分子吸着膜に分子が吸着されると、分子吸着膜の質量が増加する。これにより、カンチレバー状の振動子の場合、たわみ量や共振周波数が変化するので、その変化から、分子の吸着を検出できる。また、分子の吸着により分子吸着膜の質量が増加すると、振動子と分子吸着膜とからなる系の共振周波数が変化するので、その変化から特定種の分子の吸着の有無、あるいはその吸着量を検出することもできる。
もう一つの方式としては、水晶振動子に分子吸着膜を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときの、水晶振動子の共振周波数変化から、特定種の分子の吸着を検出するものである。
これ以外にも、適宜他の方式の分子認識部を採用することは、もちろん可能である。
【００１３】
また、本発明の分子検出センサは、吸着部で吸着された分子の分子量を分析する分子量分析部をさらに備えることもできる。この分子量分析部としては、ガスクロマトグラフィが適している。基板上にカラムまたはキャピラリを形成することで実装が可能となるからである。このような分子量分析部を備えた場合、分子認識部では、分子量分析部にて分子量が分析された分子の付着または吸着による振動特性の変化によって分子を認識する。ガスクロマトグラフィの場合、分子量に応じて分子の離脱までに要する時間が異なるため、これによって分子の種類を識別することが可能である。これによって特定種の分子のみを抽出し、分子認識部でその存在や量を認識することも可能となる。
なお、この分子量分析部は必須の構成ではない。
【００１４】
分子認識部は、感度の異なるものを複数設けることもできる。この場合、検出部は、感度の低い分子認識部で分子が認識できないときに感度の高い他の分子認識部にて分子の認識を行うようにする。これによって分子検出センサのダイナミックレンジを広げることが可能となり、その実用性を高めることができる。このとき、感度の異なる分子認識部は、感度を２段階以上に設定すればよい。分子認識部の感度を異ならせるには、その表面積を異ならせたり、分子吸着膜と振動子の体積比（重量比）を異ならせるなどすればよい。
【００１５】
また、分子認識部は、付着または吸着する分子の種類が互いに異なる複数種を設けることもできる。これにより、単に複数種の分子認識が可能となるだけでなく、検出部では、複数の分子認識部のうち、分子を認識した分子認識部の種類に基づき、流体に含まれる分子の組み合わせを特定できることから、流体に含まれる物質を特定することが可能となる。
【００１６】
このような分子検出センサは、特定種の分子として、ガスや生体由来の分子、生活空間の浮遊分子、揮発性分子等を対象とすることで、例えば、爆発危険性や有害性のあるガス等の存在、あるいはその定量的な濃度を検出するガス検出センサとして用いることができる。このような分子検出センサは、ガス等を取り扱う施設、設備、装置等に設置され、ガスの漏れやガス量のコントロールに用いられる。また近年開発が盛んに行われている、燃料電池用の水素ステーションや、燃料電池を使用する車両や装置、機器等において、水素の漏れが無いか監視する用途にも、上記分子検出センサは適用できる。
これ以外にも、特定種の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子を吸着することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出する分子検出センサは、例えば食物の鮮度や成分分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、さらには、人体等、生体の状態検知等に用いることが考えられる。また、人体から出る様々な物質、呼気や腸内フローラの代謝成分等を高感度に検出することで、健康状態のモニタリング、疾患の簡易なスクリーニング、生活習慣性疾患の診断、感染症のモニタリング等といったことを行うことが可能になると考えられる。
また、グローバル認識と称される、特定の特徴を持った分子群や、同じ側鎖を持つ分子群等を検出することもできる。さらに、ガスに限らず、液体を対象とした場合にも本発明の分子検出センサにおいては同様の機能を発揮することができる。
また、本発明の分子検出センサは、その製品形態としても、従来の業務用のセンサに限らず、小型で安定な高感度な家庭用、個人用のセンサや、携帯性に優れる使い捨て型のセンサ等とすることも可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、分子検出センサをワンチップ化して小型化しつつも高感度化を図ることができ、しかもその製造コストを低減して安価な分子検出センサの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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センサ１０の全体構成を説明するための図である。
この図１に示すセンサ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。このセンサ１０は、周囲の雰囲気ガス（以下、単にガスと称する：流体）を吸い込むポンプ（濃縮ポンプ、ポンプ本体）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、特定種のガス成分を分離するガスクロマトグラフィ部（分子量分析部）４０と、分離したガス成分中に含まれる特定種の分子を吸着し、その分子の吸着を検出するセンサ部（分子認識部）５０と、センサ部５０における検出レベルに基づき、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）６０と、センサ１０の各部をコントロールする制御部７０と、を備えている。
【００１９】
図２に示すように、これらのうち、ポンプ２０、吸着部３０、ガスクロマトグラフィ部４０、センサ部５０は、Ｓｉ、またはＳｉＯ２製の基板８０上に、所定のパターン形成を行い、さらに基板８１を積層することで実装されている。
【００２０】
図３に示すように、ポンプ２０は、所定の容積を有したチャンバー部２２、このチャンバー部２２に外部からガスを導入する入口側チャンネル２３、チャンバー部２２からガスを送り出す出口側チャンネル２４、チャンバー部２２と入口側チャンネル２３の間に設けられた入口側ディフューザ部（逆流防止部）２５、チャンバー部２２と出口側チャンネル２４の間に設けられた出口側ディフューザ部（逆流防止部）２６が形成され、チャンバー部２２に、ヒータ（体積変化発生部）２９が設けられた構成を有している。
【００２１】
図２に示したように、このポンプ２０は、基板８０と、これに対向するように設けられた基板８１との間に形成されている。これら基板８０、８１のいずれか一方または双方の合わせ面に所定形状の凹部を形成することで、チャンバー部２２、入口側チャンネル２３、出口側チャンネル２４、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６が形成されているのである。
【００２２】
図３に示すように、チャンバー部２２は、例えば円形状断面を有している。このチャンバー部２２の一方の側には、入口側ディフューザ部２５が形成され、他方の側に出口側ディフューザ部２６が形成されている。
【００２３】
入口側ディフューザ部２５は、入口側チャンネル２３とチャンバー部２２とを連通するように形成され、入口側チャンネル２３側からチャンバー部２２側に向けて、その断面積（内径）が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。
【００２４】
出口側チャンネル２４は、後に詳述する吸着部３０に連続するように形成され、他端が出口側ディフューザ部２６に連通するよう形成されている。出口側ディフューザ部２６は、チャンバー部２２と出口側チャンネル２４とを連通し、入口側ディフューザ部２５とは異なる位置でチャンバー部２２に開口するように形成され、チャンバー部２２側から出口側チャンネル２４側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。
【００２５】
このようにして、ポンプ２０は、入口側チャンネル２３から、入口側ディフューザ部２５、チャンバー部２２、出口側ディフューザ部２６を経て、出口側チャンネル２４までが連通したガス流路が形成されている。
【００２６】
チャンバー部２２に設けられたヒータ２９は、チャンバー部２２の上面側または下面側に配設されたもので、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ等の貴金属、高融点金属や、ＩＴＯ、ＳｎＯ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の金属酸化膜や半導体等からなる電熱線であり、基板８０の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ２９への電圧の印加は、制御部７０によって制御されるようになっている。
制御部７０の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ２９が発熱し、これによってチャンバー部２２内の温度が上昇してガスが膨張し、ヒータ２９への電圧の印加を停止するとヒータ２９の発熱が中止され、チャンバー部２２内の温度が低下してガスが収縮する。ポンプ２０では、ヒータ２９、制御部７０が、温度変化手段、体積変化発生部として機能し、ガスの膨張・収縮を利用することで、ガスの送給を行うようになっている。以下、これについて詳述する。
【００２７】
ポンプ２０においては、外部のガスを入口側チャンネル２３、入口側ディフューザ部２５からチャンバー部２２に導入し、出口側ディフューザ部２６から吐出する。チャンバー部２２にガスが導入された状態で、ヒータ２９が発熱すると、チャンバー部２２内の温度が上昇してガスが膨張する。すると、膨張したガスは、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６からチャンバー部２２の外部に流出しようとする。
このとき、入口側ディフューザ部２５は、入口側チャンネル２３側からチャンバー部２２側に向けて、また出口側ディフューザ部２６は、チャンバー部２２側から出口側チャンネル２４側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。このため、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６においては、その断面積が漸次小さくなる方向（以下、この方向を順方向と称する）にガスが流れる場合と、逆方向、つまり断面積が漸次大きくなる方向（出口側チャンネル２４側から入口側チャンネル２３側に向かう方向：以下、この方向を逆方向と称する）にガスが流れる場合とでは、圧力損失が異なる。すなわち、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６では、ガスが順方向に流れるときの圧力損失よりも、ガスが逆方向に流れるときの圧力損失の方が大きくなる。これは、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６のエッジ２５ａ、２６ａの部分において、ガスの粘性によって乱れ渦が生じ、これによって流体の運動エネルギーが損なわれ、その結果、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６におけるガスの流れが、順方向の方が逆方向よりもスムーズになるからである。
これにより、チャンバー部２２内のガスが膨張し、ポンプ２０の外部に流出しようとした場合、ガスは、より抵抗（圧力損失）の小さい出口側ディフューザ部２６からチャンバー部２２の外部に流出する。
【００２８】
この後、ヒータ２９への電圧の印加を停止するとヒータ２９の発熱が中止され、チャンバー部２２内の温度が低下してガスが収縮する。すると、ガスの収縮に伴い、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６からチャンバー部２２内にガスを導入しようとする。
このとき、テーパノズル状の入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６において、前述したような、ガスの流れる方向に応じて圧力損失が異なるため、チャンバー部２２内のガスが収縮した場合、ガスは、より抵抗（圧力損失）の小さい入口側ディフューザ部２５からチャンバー部２２の内部に導入される。
【００２９】
このようにして、ヒータ２９の加熱時にはチャンバー部２２内のガスが膨張して出口側ディフューザ部２６から出口側チャンネル２４に流出し、ヒータ２９の停止時にはチャンバー部２２内のガスが収縮して入口側チャンネル２３から入口側ディフューザ部２５を介してチャンバー部２２内にガスが導入されるようになっている。
したがって、ポンプ２０では、このヒータ２９の加熱・停止を繰り返すことで入口側チャンネル２３からガスを吸い込み、出口側チャンネル２４からガスを吐出することができ、ポンプとして機能することになる。
このため、制御部７０では、所定のサイクルで、ヒータ２９のＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替えるようになっている。例えば、制御部７０では、ヒータ２９のＯＮ／ＯＦＦを１００マイクロ秒〜１ミリ秒のサイクルで繰り返すように制御することができる。また、制御部７０では、ヒータ２９をＯＮ／ＯＦＦさせたときに、室温〜１０００℃、好ましくは室温〜５００℃の幅で温度変化が生じるように制御するのが好ましい。
【００３０】
このとき、ヒータ２９のパワーを高めれば、ＯＮ／ＯＦＦ時の温度差が大きくなり、ポンプ２０における流量が増大する。また、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を高めれば流量が増大する。これらＯＮ／ＯＦＦ時の温度差と切り替え周波数は、ポンプ２０の適用対象、用途等に応じて適宜設定すればよい。例えば、高温でガスが分解するような用途に用いる場合には、温度を下げて使うことが必要である。
【００３１】
このように、ポンプ２０は、ガスの熱膨張を利用することで、確実に体積変化を生じさせ、微量な流量であってもガスを確実に搬送することができる。しかも、ガスを搬送させるためには、チャンバー部２２、入口側チャンネル２３、出口側チャンネル２４、入口側ディフューザ部２５、出口側ディフューザ部２６からなる流路と、ヒータ２９を備えるのみでよく、機械的な可動部分が不要であるため、高い信頼性を得ることができ、また可動部分を備える場合のように作動音や作動による発熱等が問題になるのも回避できる。
【００３２】
ポンプ２０の出口側チャンネル２４から吐出されたガスは、吸着部３０に送り込まれ、濃縮されることになる。
ポンプ２０から送り込まれたガスを吸着する吸着部３０は、例えば、有機系材料で形成された吸着膜や、無機系材料で形成された吸着膜３１で形成されており、ガス中の分子を、低い選択性で物理吸着により吸着する。
有機系材料で形成された吸着膜３１は、分子を、分子との化学反応によって吸着するため、吸着性能に優れるが、一旦分子が吸着すると分子が離脱しにくく、長期間にわたって安定した利用を行うのが難しい。
一方、無機系材料は、熱を加えること等により、吸着した分子を容易に離脱させることができる。本発明のセンサ１０は、ポンプ２０側から下流側へとガス中に含まれる分子を順次送っていくものであるため、分子の離脱性は重要である。このため、吸着部３０としては、無機系材料を用いるのが好ましい。ただし、無機系材料は、吸着性能の面で有機系材料に劣る。そこで、吸着膜３１の表面積を確保することで、分子の吸着量を確保するのが好ましい。また、吸着膜３１へのガスの接触時間を長く確保することでも、吸着量を高めることができる。このような無機系材料としては、代表的なものに二酸化チタン（ＴｉＯ２）があり、吸着効率を高めるために二酸化チタンを多孔体状とするのが好ましい。
【００３３】
このような吸着膜３１の下面または上面には、ヒータ３２が設けられている。このヒータ３２は、ヒータ２９と同様の材料で形成され、基板８０の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ３２への電圧の印加は、制御部７０によって制御されるようになっている。
ポンプ２０側からガスが送り込まれ、吸着膜３１に接触すると、ガス中に含まれる分子（主に揮発性有機化合物）は吸着膜３１に吸着される。そして、制御部７０の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ３２が発熱すると、これによって吸着膜３１に吸着された分子が揮発し、吸着膜３１から離脱するようになっている。
このような吸着部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膜３１で吸着する。このポンプ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。
【００３４】
吸着部３０の下流側に設けられたガスクロマトグラフィ部４０は、基板８０に形成された溝４１をカラムまたはキャピラリとする。これにより、カラムまたはキャピラリは、基板８０の材料、すなわちＳｉ、またはＳｉＯ２によって形成され、これを固定相とする。このような溝４１を形成するには、基板８０に所定のフォトレジスト工程を行ったあと、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)等の手法により、例えば深さ５０〜１００μｍ、幅５〜２０μｍの溝４１を形成する。ここで、Ｓｉは他の金属と比較的低温であっても反応を起こすので内部が酸化し表面に酸化膜が形成される。また必要に応じ、ＳｉＮ４等のバリア膜を形成することもできる。
【００３５】
カラムまたはキャピラリを構成する溝４１には、ガス吸着材料４２が充填されている。このガス吸着材料４２としては、微粉化したカーボン、シリコンや金属（アルミ、亜鉛、錫、チタン）等の酸化物、或いは同じく微粉化した高分子、更に表面に金属をコーティングしたナノ粒子等が考えられる。このようなガス吸着材料４２においては、方式によって全てのガスを均一に吸着する場合と、ある程度特定のガス種を選択的に吸着する場合がある。均一に吸着する場合には微粉末化したカーボンが適しており、選択性を持たせる場合は高分子の粉末を用いるのが好ましい。このようなガス吸着材料４２における吸着効率を高めるためにはその表面積を大きくするのが好ましく、それには粒子やセラミックのポアの大きさを小さくする必要がある。
このようなガス吸着材料４２は、集積化プロセスを考えると、シリコンや金属酸化物では、有機金属やゾルゲル法を用いて、キシレン等の溶媒に溶かしてスピンオン法によって成膜し、その後シンタリングによって形成するのが好ましいが、基板８０上に形成される他のデバイスとの関係により、適宜他の製法、材料を用いても良い。
【００３６】
ガスクロマトグラフィ部４０には、ヒータ２９と同様の材料で形成されたヒータ４３が備えられている。このヒータ４３により、カラムまたはキャピラリを構成する溝４１が所定温度に加熱され、ガス吸着材料４２に吸着された分子を揮発（離脱）させることで、分子量分析を行う。すなわち、分子量の小さな分子は早く溝４１のカラムまたはキャピラリを脱出し、分子量の大きな分子は溝４１から脱出するのに時間を要するので、この分子の脱出時間（の差）により、分子量を分析することができるのである。
【００３７】
センサ部５０は、ガスクロマトグラフィ部４０で分離したガス中に含まれる分子を吸着する吸着膜５１と、吸着膜５１への分子の吸着を検出するための振動子５２と、を備える。
吸着膜５１は、吸着部３０と同様、有機系材料や、無機系材料で形成することができる。この場合も、無機系材料は、ヒータ５３により熱を加えること等により、吸着した分子を容易に離脱させることができるため、本発明のセンサ１０における吸着膜５１としては無機系材料を用いるのが好ましい。また、吸着膜５１の表面積を確保することで、分子の吸着量を確保するのが好ましい。また、吸着膜５１へのガスの接触時間を長く確保することでも、吸着量を高めることができる。
このような有機系材料としては、ポリアクリル酸、ポリスチレン、ポリアクリルアミン、ポリジメチルシロキサン、ポリ塩化ビニル、ポリメタクリル酸メチル等のあらゆる高分子からなる膜が候補となる。分子に対する選択性は、高分子を形成する官能基や、架橋の状態等の様々な要素で決まると考えられる。
【００３８】
このような吸着膜５１には、機能的な面から捉えると、グローバルな認識材と、選択認識材がある。
グローバルな認識材は、選択性は強くないが、ある特定の分子群、例えばアルコールやエーテル等を吸着するポリマーである。これらのポリマーをナノファイバ化したり、またポーラスにして表面積を増やすことも有効である。ここでいうポリマーのナノファイバ化とは、様々な分子に対する吸着特性が異なるポリマーの吸着能を飛躍的に向上させるため、ポリマーを数ナノメートル〜数百ミクロンメートルの大きさ（長さ、太さ）の繊維状にするものをいう。
また選択性の強い認識材としては、抗原−抗体反応を起こすような生物由来の材料や、アクセプター−レセプターの組み合わせや、遺伝子やＤＮＡ、ＲＮＡとハイブリダイゼーションする特定の塩基配列を持ったプローブ等がある。また、脂質二重膜でも良い。
【００３９】
このような吸着膜５１は、振動子５２の表面に形成するのが好ましい。
振動子５２は、基端部が固定されて片持ち梁状とされたカンチレバー型や、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有したディスク状のディスク型とすることができる。
振動子５２は、これを駆動するための駆動源（図示無し）を備えている。このような駆動源としては、静電容量方式と、ピエゾ駆動方式等があり、いずれも所定周波数で振動子５２を振動させるようになっており、測定処理部６０は、このための駆動回路（図示無し）を有している。
振動子５２は、駆動源によって所定周波数で振動させた状態で、吸着膜５１に質量を有した分子等の検出対象物が付着すると、振動周波数が変化するようになっている。
また、センサ部５０には、ヒータ２９と同様の材料で形成されたヒータ５３が設けられ、吸着膜５１で吸着した分子を離脱できるようになっている。
【００４０】
上記の、振動子５２の振動周波数の変化を、センサ部５０で検出する。
センサ部５０では、静電容量方式等により、振動子５２の振動周波数の変化を、電気信号として検出することができる。なお、ここでは、静電容量による読み出しを例としたが、読み出し方法は圧電素子の電歪を用いても、シリコンや圧電素子のピエゾ効果を用いても良い。
【００４１】
測定処理部６０は、センサ部５０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、吸着膜５１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。センサ１０においては、測定処理部６０における測定結果を、ランプ、ブザー等のＯＮ／ＯＦＦ、測定値、測定レベルの表示等によって出力できるようにするのが好ましい。
【００４２】
制御部７０では、センサ１０の各部をコントロールする。例えば、各部において吸着した分子、成分を揮発させるためのヒータ２９、３２、４３、５３、振動子５２の作動制御等を行うことができる。
【００４３】
このようなセンサ１０においては、制御部７０のコントロールによって、ポンプ２０で周囲のガスを吸い込んで濃縮し、ガスに含まれる分子を吸着部３０で吸着する。そして、吸着部３０で吸着した分子中から、ガスクロマトグラフィ部４０で特定種の分子を分離し、分離した特定種の分子をセンサ部５０の吸着膜５１で吸着する。吸着膜５１への分子の吸着をセンサ部５０で検出し、その検出レベルに基づき、測定処理部６０で特定種の分子の有無またはその量を測定する。このようにして、特定種の分子の有無の検出、またはその量を測定することができる。これにより、特定のガスや匂いや特定の物質等の存在の検出、あるいはその量、濃度の検出を行うことが可能となる。
【００４４】
また、制御部７０では、センサ１０において複数種の分子の検出を行うためや、検出ダイナミックレンジを広げるためのコントロールを行うことも可能である。
複数種の分子の検出を行う場合、図４に示すように、センサ部５０を複数組備える。そして、これら複数組のセンサ部５０において、吸着膜５１で吸着する分子の種類が互いに異なるものとする。
このようにすると、ガスに含まれる成分に応じ、吸着膜５１で分子を吸着して振動周波数が変化する振動子５２が異なる。これにより、制御部７０では、複数組のセンサ部５０のうち、吸着膜５１で分子を吸着したことを検出したセンサ部５０の種類や、検出した分子の量等を特定し、それらの分子の組み合わせに基づき、検出した物質を特定することができる。
【００４５】
また、以下のようにして、センサ１０の検出ダイナミックレンジを広げることもできる。すなわち、図５に示すように、センサ部５０を複数組備える。このとき、振動子５２の重量、大きさ、材質、吸着膜５１との面積比あるいは体積比等を変更することにより、複数組の振動子５２間で感度を異ならせる。
そして、制御部７０においては、例えば感度の鈍いセンサ部５０から検出を行い、吸着した分子による振動周波数の変化量が一定に満たないときには、順次感度の鋭いセンサ部５０に切り替えていくことで、ダイナミックレンジを広げ、感度の良い分子検出が可能となる。
【００４６】
このようにして、センサ１０においては、特定種の分子の有無の検出、またはその量を測定することができる。これにより、特定のガスや特定の物質等の存在の検出、あるいはその量、濃度の検出を行うことが可能となる。このとき、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、センサ１０を、ワンチップで超小型ながら、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。
【００４７】
また、センサ部５０において複数種の分子検出を行えるようにすることで、複数種の分子からなる物質の特定、その濃度の測定等が可能となる。また、感度が異なる振動子５２を複数備えることで、センサ１０における検出ダイナミックレンジを広げることもできる。
このようにして、センサ１０を、非常に小型でありながら、従来と同等以上の機能、性能を備えたものとすることができる。このようなセンサ１０は可搬性にも優れるので、センサ１０を、使用場所、環境を問わないものとでき、従来測定が行えなかったような場所、環境、状況での測定が可能となる。
【００４８】
このようなセンサ１０は、ＭＥＭＳ技術等の微細加工技術により製造することが可能であり、これによって大量生産による低コスト化が可能となる。
【００４９】
なお、上記したような測定処理部６０および制御部７０は、基板８０上に設けず、別体とすることも可能である。
また、ガスクロマトグラフィ部４０は必須の構成ではなく、これを省略した簡易な構成とすることもできる。
また、基板８０、８１も、加工しやすいシリコンやシリコン酸化物としたが、ガラスやセラミックス、他の半導体でも形成しても良い。
これ以外にも、ポンプ２０と、吸着部３０、ガスクロマトグラフィ部４０、センサ部５０、測定処理部６０、制御部７０等の構成については、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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施の形態におけるセンサの構成を示す図である。
【図２】センサの断面図である。
【図３】ポンプの構成を示す図である。
【図４】センサの他の例を示す図である。
【図５】センサのさらに他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…センサ、２０…ポンプ（濃縮ポンプ、ポンプ本体）、２２…チャンバー部、２５…入口側ディフューザ部（逆流防止部）、２６…出口側ディフューザ部（逆流防止部）、２９…ヒータ（体積変化発生部）、３０…吸着部、３１…吸着膜、３２…ヒータ、４０…ガスクロマトグラフィ部（分子量分析部）、４１…溝、４２…ガス吸着材料、４３…ヒータ、５０…センサ部（分子認識部）、５１…吸着膜、５２…振動子、５３…ヒータ、６０…測定処理部（検出部）、７０…制御部、８０…基板、８１…基板
【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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