(57)【要約】 【課題】高感度化を図ることのできる検出センサ、振動子を提供することを目的とする。【解決手段】振動子３０の表面の一部に駆動／検出部４０を設け、振動子３０を駆動させる方式とした。これにより、圧電層や駆動電極等によって振動子３０の振動が阻害されるのを抑え、振動子３０のＱ値を向上し、検出センサ１０をより高感度なものとする。また、同等の感度であれば従来よりもはるかに小型な検出センサ１０を実現することを可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部または両端部が固定された梁状であり、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子と、
前記振動子の表面において、その長さ方向の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、
前記振動子における振動の変化を検出することで、前記物質を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする検出センサ。
【請求項２】
前記アクチュエータは、
前記アクチュエータに振動を生じさせるために設けられ、圧電材料からなる圧電層と、
前記圧電層に電圧を印加する駆動電極と、
を備え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】
前記アクチュエータが前記検出部を兼ね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】
前記アクチュエータと前記検出部とが独立して設けられてい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５】
前記アクチュエータと前記検出部は、前記振動子の表面に並べて設けられ、
前記振動子に、前記アクチュエータと前記検出部との間にスリットが形成されてい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】
前記検出部は、前記振動子の振動によって生じる応力変化を検出するピエゾ抵抗素子からなることを特徴とする請求項４または５に記載の検出センサ。
【請求項７】
前記検出部は、前記振動子に付着した前記物質の量を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の検出センサ。
【請求項８】
前記物質が特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の検出センサ。
【請求項９】
一端部または両端部が固定された梁状の振動子本体と、
前記振動子本体の表面において、その長さ方向の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、
を備えることを特徴とする振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量を有した物質の有無の検出、物質の質量の検出等を行うために用いるのに適した検出センサ等に関する。
【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】
このようなセンサの方式の一つにカンチレバーを用いるものがある。これは、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、分子吸着膜の応力が変化する。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。）。
【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。カンチレバー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、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ことができる。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】
このようなカンチレバーにおいて検知を行うにあたってカンチレバーを振動（駆動）させるには、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）等のシリコン系材料で形成されたカンチレバー本体の表面に、各種圧電材料からなる圧電層と金属からなる電極層とを設けている。そして、電極層から圧電層に電圧を印加することでカンチレバーを振動させ、共振周波数の変化をモニタリングするようになっている。
圧電層を形成する圧電材料としては、Ｐｂ（鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタニウム）を含む原料から形成した、いわゆる強誘電体薄膜が注目されている。
【０００６】
【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】
【０００７】
しかしながら、上記したような、微小質量の付着によって振動特性が変化する振動子を用いたセンサにおいては、さらなる高感度化が常に求められている。
ここで、カンチレバー表面には、強誘電体薄膜からなる圧電層や電極層が設けられている。これら圧電層や電極層は、それ自体が減衰を有し、カンチレバーの振動エネルギにロスが生じる。その結果、カンチレバーのＱ値の低下を招き、センサとしての感度の低下につながる。この点において、現状の技術には改善の余地がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より高感度化を図ることのできる検出センサ、振動子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的のもとになされた本発明の検出センサは、一端部または両端部が固定された梁状であり、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子の表面において、その長さ方向の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、振動子における振動の変化を検出することで、物質を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。
アクチュエータを、振動子の表面において、その長さ方向の一部の領域のみに設けることで、アクチュエータを構成する層に起因して振動子の振動エネルギに生じるロスを抑えることができる。
ここで、アクチュエータは、アクチュエータに振動を生じさせるために設けられ、圧電材料からなる圧電層と、圧電層に電圧を印加する駆動電極と、を備えたものとすることができる。
【０００９】
また、アクチュエータが検出部を兼ねるようにしてもよいし、アクチュエータと検出部とを独立して設けるようにしてもよい。
アクチュエータと検出部とを独立して設ける場合、アクチュエータと検出部は、振動子の表面に並べて設け、アクチュエータと検出部との間にスリットを振動子に形成するようにしてもよい。これによって、アクチュエータと検出部とを隔離することができる。
アクチュエータと検出部とを独立して設ける場合、検出部は、振動子の振動によって生じる応力変化を検出するピエゾ抵抗素子を用いるのが好ましい。これにより、検出部を高感度なものとすることができる。
【００１０】
このような検出センサにおいて、検出部は、振動子に対する物質の付着または吸着の有無を検出することもできるが、振動子に付着した物質の量を検出することもできる。ここで、振動子上に、特定の分子、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または付着させるようにすれば、検出センサにおいては、前記の特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子の検出が可能となる。
【００１１】
本発明は、一端部または両端部が固定された梁状の振動子本体と、振動子本体の表面において、その長さ方向の一部の領域に設けられて、設定された振動特性で振動するアクチュエータと、を備えることを特徴とする振動子とすることもできる。
このような振動子は、前記したような検出センサの他、振動子の振動特性の変化をモニタリングすることで行える様々な用途に用いることが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、振動子の一部を覆うように設けたアクチュエータによって振動子を駆動させる方式とすることで、圧電層や駆動電極等によって振動子の振動が阻害されるのを抑え、振動子のＱ値を向上することができる。その結果、振動子およびこれを用いた検出センサを高感度なものとすることができる。また、同等の感度であれば従来よりもはるかに小型な検出センサ、振動子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
［第一の実施の形態］
図１および図２は、本実施の形態における検出センサ１０の構成を説明するための図である。
この図１および図２に示すように、検出センサ１０は、検知対象となる特定種の分子（以下、単に分子と称する）を吸着することで、ガスや匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。この検出センサ１０は、分子を吸着する吸着部２０を備えた振動子３０と、振動子３０を駆動するとともに吸着部２０への分子の吸着を検出する駆動／検出部４０とから構成されている。これら振動子３０、駆動／検出部４０は、シリコン系材料からなる基板６０に、ＭＥＭＳ技術を用いることによって形成されている。
【００１４】
振動子３０は、一端が固定端３０ａとされ、他端が自由端３０ｂとされた片持ち梁状のカンチレバー式である。この振動子３０は、平面視長方形状で、基板６０を構成するシリコン系材料、特に好ましくは単結晶シリコンから形成されている。振動子３０の寸法の一例を挙げると、厚さは２〜５μｍ、長さは３０〜１０００μｍ、幅は１０〜３００μｍとするのが好ましい。
【００１５】
振動子３０の上面には吸着部２０が形成されている。ここで、振動子３０の表面には、吸着部２０を形成する材料の振動子３０の表面に対する付着性を高めるために、Ａｕ（金）／Ｃｒ（クロム）の膜を形成するのが好ましい。
吸着部２０は、無機系材料や、有機系材料からなる膜によって形成することができる。吸着部２０を構成する無機系材料とすれば、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。そして、この吸着部２０を、振動子３０の上面を覆うように形成するのが好ましい。吸着部２０を構成する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等がある。この吸着部２０では、特定種の分子のみを吸着する、分子に対する選択性を有したものとすることができ、その選択性は、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。
【００１６】
図２に示すように、振動子３０の固定端３０ａ側の表面には、駆動／検出部４０が形成されている。駆動／検出部４０は、振動子３０と同層を形成する基材４１の表面に、ＳｉＯ２層４２、Ｐｔ（白金）／Ｔｉ（チタン）からなる電極層４３、圧電材料からなる圧電層４４、Ｔｉ／Ｐｔ／ＴｉまたはＣｒ／Ａｕ／Ｃｒからなる電極層４５が順次積層されて形成されている。なお、基材４１を単結晶シリコンで形成する場合は導電性を有するため、基材４１の表面にＳｉＯ２膜を形成して絶縁性を有したものとするのが好ましい。また、基材４１と電極層４３、圧電層４４と電極層４５、電極層４５と表面保護層４８の密着性をそれぞれ高めるため、それぞれの間にバインダ層を設けても良い。
【００１７】
圧電層４４を形成する圧電材料としては、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む原料から形成した、いわゆる強誘電体薄膜が注目されている。より詳しくは、圧電層４４は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む材料（以下、これをＰＺＴ材料と称することがある）から形成され、これが結晶化した状態で、例えば５００ｎｍ〜２μｍ程度の厚さに形成されている。この圧電層４４は、例えば一層当たり１００〜１３０ｎｍの薄膜を複数層積層することで、上記の厚さを実現することができる。
このような材料としては、例えば、Ｐｂペロブスカイト二成分・三成分系強誘電体セラミックス、非鉛系ペロブスカイト構造強誘電体セラミックス、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）セラミックス、ＫＮｂＯ３（ニオブ酸カリウム）−ＮａＮｂＯ３系強誘電体セラミックス、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３系強誘電体セラミックス、タングステン・ブロンズ型強誘電体セラミックス、（Ｂａ１−ｘＳｒｘ）２ＮａＮｂ５Ｏ１５［ＢＳＮＮ］、ＢａＮａ１−ｘＢｉｘ／３Ｎｂ５Ｏ１５［ＢＮＢＮ］、ビスマス層状構造強誘電体と粒子配向型強誘電体セラミックス、ビスマス層状構造強誘電体（ＢＬＳＦ）等を用いることができる。
また、ＰＺＴ材料以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）や、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等を圧電層４４に用いても良い。
【００１８】
さて、上記の駆動／検出部４０は、振動子３０の表面において、固定端３０ａ側の一部にのみ設けられている。ここで、駆動／検出部４０は、振動子３０の固定端３０ａ側において、振動子３０の全長の２０〜４０％の長さにわたって設けられている。
【００１９】
このような駆動／検出部４０は、所定の周波数を有した電気的な信号を電源から電極層４３、４５に印加すると、圧電層４４が変位を生じ、これにより振動子３０を駆動する。そして、振動子３０上の吸着部２０に質量を有した物質が付着すると、その質量の影響を受けて振動子３０の振動数が変化する。
【００２０】
また、この駆動／検出部４０においては、吸着部２０に質量を有した物質が付着することによる振動子３０の振動数の変化を検出することができる。検出精度を向上させるために、振動子３０の振動による応力が作用しない位置に、基準用ＰＺＴ膜部４９を配置する。基準用ＰＺＴ膜部４９は、駆動／検出部４０と同じ積層構造を有している。そして、図示しない処理回路により、駆動／検出部４０と基準用ＰＺＴ膜部４９における検出値を比較し、差分を得ることで、振動子３０の振動周波数の変化を検出する。これによって、吸着部２０への分子の吸着の有無またはその量を測定することが可能となっている。
【００２１】
ここで、上記したような構成における振動子３０のＱ値を実験により求めた。
振動子３０の幅は５０μｍ、厚さを５μｍとし、振動子３０の固定端３０ａ側から振動子３０の全長の４０％にわたって駆動／検出部４０を設けたものとした。そして、振動子３０の全長を、１５０、２００、３００、５００μｍとし、それぞれにおける振動子３０のＱ値を求めた。
その結果が図３（ａ）に示すものである。
これに対し、駆動／検出部４０と同じ積層構造のものを、従来と同様に、振動子３０の全体を覆うように設けた場合、振動子３０の全長を長さ３００μｍとすると、振動子３０のＱ値の実測値は約３００であった。
したがって、駆動／検出部４０を振動子３０の全長の一部に設けると、Ｑ値が約２倍に高まることが確認された。
【００２２】
さらに、駆動／検出部４０を振動子３０の全長の４０％とした場合において、振動子３０の全長を３００μｍとし、振動モードを１次、２次、３次とした場合のＱ値を実験により求めた。
その結果、図３（ｂ）に示すように、高次の振動モードにおいても高いＱ値が得られることが確認された。
【００２３】
このようにして、振動子３０の一部を覆うように設けた駆動／検出部４０によって振動子３０を駆動させる方式とすることで、圧電層や駆動電極等によって振動子３０の振動が阻害されるのを抑え、振動子３０のＱ値を向上することができる。その結果、検出センサ１０をより高感度なものとすることができ、また、同等の感度であれば従来よりもはるかに小型な検出センサ１０を実現することができる。
【００２４】
［第二の実施の形態］
次に、検出センサ１０の他の形態について示す。ここでは、振動子３０の駆動部５０と検出部５５とを独立して設ける場合についての例を示す。
なお、以下に示す第二の実施の形態における検出センサ１０は、上記第一の実施の形態で示した検出センサ１０に対し、駆動／検出部４０に代えて駆動部５０と検出部５５とを設けた点が異なるのみであるため、相違点のみを説明し、上記第一の実施の形態と共通する構成についてはその説明を省略する。
図４（ａ）に示すように、検出センサ１０の振動子３０には、固定端３０ａ側に、駆動部５０と検出部５５とが設けられている。ここで、駆動部５０、検出部５５は、振動子３０の表面において、固定端３０ａ側の一部にのみ設けられている。駆動部５０、検出部５５は、振動子３０の固定端３０ａ側において、振動子３０の全長の２０〜４０％の長さにわたって設けられている。
【００２５】
また、振動子３０の幅方向（振動子３０の表面において長さ方向に直交する方向）において、駆動部５０は両側に二個一対が設けられ、検出部５５はこれら一対の駆動部５０の間に設けられている。
【００２６】
駆動部５０は、上記第一の実施の形態における駆動／検出部４０と同様の構成とすることができる。すなわち、駆動部５０は、図２に示したように、振動子３０と同層を形成する基材４１の表面に、ＳｉＯ２層４２、Ｐｔ（白金）からなる電極層４３、圧電材料からなる圧電層４４、Ｐｔからなる電極層４５が順次積層されて形成されている。なお、基材４１を単結晶シリコンで形成する場合は導電性を有するため、基材４１の表面にＳｉＯ２膜を形成して絶縁性を有したものとするのが好ましい。また、基材４１と電極層４３、圧電層４４と電極層４５、電極層４５と表面保護層４８の密着性をそれぞれ高めるため、それぞれの間にバインダ層を設けても良い。
圧電層４４を形成する圧電材料としては、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む原料から形成した、いわゆる強誘電体薄膜を用いるのが好ましい。
【００２７】
このような駆動部５０においては、所定の周波数を有した電気的な信号を電源から電極層４３、４５に印加すると、圧電層４４が変位を生じ、これにより振動子３０を駆動する。そして、振動子３０上の吸着部２０に質量を有した物質が付着すると、その質量の影響を受けて振動子３０の振動数が変化する。  
【００２８】
検出部５５は、吸着部２０に質量を有した物質が付着することによる振動子３０の振動数の変化を検出する。
検出部５５としては、いかなる方式を用いてもよいが、ピエゾ抵抗検出方式を用いるのが好ましい。このため、振動子３０の固定端３０ａの近傍に、検出用ピエゾ抵抗素子５６を配置する。さらに、振動子３０の振動による応力が作用しない位置に、基準用ピエゾ抵抗素子５７を配置する。そして、図示しない処理回路により、検出用ピエゾ抵抗素子５６と基準用ピエゾ抵抗素子５７における検出値を比較することで、振動子３０の振動周波数の変化を検出する。これによって、吸着部２０への分子の吸着の有無またはその量を測定することが可能となっている。
【００２９】
このような構成の振動子３０においては、駆動部５０と検出部５５とが独立しており、さらに検出部５５に高感度なピエゾ抵抗検出方式を用いることができるので、高感度な検知を行うことができ、検出センサ１０を、より高感度なものとすることができる。
【００３０】
ここで、上記したような第二の実施の形態において、図４（ｂ）に示すように、駆動部５０と検出部５５との間に、スリット１００を設けるようにしてもよい。スリット１００は、振動子３０をその厚さ方向に貫通し、かつ振動子３０の長さ方向に一定長延びるように形成される。
このようにしてスリット１００を設けると、駆動部５０と検出部５５とが隔離され、駆動部５０から振動子３０を介して検出部５５に、振動、熱、応力等の影響が及ぶのを緩和することができ、その結果、検出センサ１０のさらなる高感度化に寄与することができる。
【００３１】
なお、上記各実施の形態では、検出センサ１０の構成について例示して説明したが、例えば駆動／検出部４０、駆動部５０、検出部５５の形状等については、例示した以外の構成に適宜変更しても良い。
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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第一の実施の形態における検出センサの構成を示す平面図である。
【図２】振動子およびアクチュエータを示す断面図である。
【図３】本実施の形態における構成により振動子を振動させた場合のＱ値の計算結果を示すものであり、（ａ）は振動子の長さとＱ値、（ｂ）は振動モードの次数とＱ値との関係を示す図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態における検出センサの構成を示す平面図であり、（ａ）は検出部と駆動部を独立して設けた場合の例を示す図、（ｂ）は検出部と駆動部との間にスリットを形成した場合の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…検出センサ、２０…吸着部、３０…振動子、３０ａ…固定端、４０…駆動／検出部、４３、４５…電極層、４４…圧電層、５０…駆動部、５５…検出部、５６…検出用ピエゾ抵抗素子、５７…基準用ピエゾ抵抗素子、６０…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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