(57)【要約】【課題】化学物質の選択性（分解能）を従来の装置と同等以上に維持しつつ、装置のコストを低減できる化学物質計測装置を提供するものである。【解決手段】本発明は、振動子に分子が吸着や脱離した時に、その振動子の共振周波数が変化することを利用した化学センサに関する。そして、化学物質の脱吸着特性が異なる複数の振動子から構成された振動子基板が、電圧を印加すると変形する圧電基板と積層されており、圧電基板に交流電圧を加えた時の圧電基板の変形により振動子基板を加振することで、振動子基板を構成する複数の振動子を全て同時に加振する。【選択図】図３
2009204584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子を有し、該振動子に物質が吸着又は脱離したときに生じる前記振動子の共振周波数の変化量に基づいて前記物質を識別するために用いられる化学センサデバイスであって、
複数の振動子を含む振動子基板と、
交流電圧を印加すると変形する圧電基板と、を備え、
前記複数の振動子のそれぞれは異なる物質の脱吸着特性を有し、
前記振動子基板は、前記圧電基板上に積層されており、
前記圧電基板に前記交流電圧が印加されると、前記圧電基板が変形すると共に、前記振動子基板における前記複数の振動子がそれぞれ加振されることを特徴とする化学センサデバイス。
【請求項２】
前記複数の振動子は前記振動子基板内に片持ち梁もしくは両持ち梁として形成され、
前記梁の固定端にピエゾ抵抗素子が形成され、
前記振動子が変形した時の前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化から前記複数の振動子の振幅が検出可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の化学センサデバイス。
【請求項３】
前記複数の振動子は前記振動子基板内に片持ち梁もしくは両持ち梁として形成され、
前記梁の上に圧電膜が成膜されており、
前記複数の振動子が変形した時の前記圧電膜の電位の変化から前記複数の振動子の振幅が検出可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の化学センサデバイス。
【請求項４】
前記共振周波数として、前記複数の振動子が前記振動子基板の水平方向に最大振幅で振動するときの周波数が用いられることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の化学センサデバイス。
【請求項５】
前記振動子基板は単結晶シリコンで構成され、前記複数の振動子が前記振動子基板において一体成形されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の化学センサデバイス。
【請求項６】
振動子に物質が吸着又は脱離したときに生じる前記振動子の共振周波数の変化量に基づいて前記物質を測定し識別する物質計測装置であって、
それぞれ異なる物質脱吸着特性を有する複数の振動子を含む振動子基板と、交流電圧を印加すると変形する圧電基板と、を備え、前記振動子基板が前記圧電基板上に積層されている化学センサデバイスと、
前記振動子基板を加振して前記複数の振動子を同時に加振させる振動子加振手段と、
前記加振された複数の振動子の振幅を計測する振幅計測手段と、
前記振動子手段及び前記振幅計測手段を制御し、前記物質が吸着又は脱離したことによる前記複数の振動子それぞれの共振周波数の変化量に基づいて、前記物質を特定する制御手段と、
を備えることを特徴とする物質計測装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記加振手段を用いて、前記圧電基板に印加する交流電圧の周波数を一定範囲内で掃引して印加することで前記複数の振動子に加える加振周波数を同時に変化させ、さらに前記周波数計測手段を用いて、前記掃引による周波数変化に伴う前記複数の振動子それぞれの振幅変化量が最大となった周波数を、前記物質が吸着又は脱離した前記複数の振動子がそれぞれ有する共振周波数として検出することを特徴とする請求項６に記載の物質計測装置。
【請求項８】
さらに、所定の物質が吸着又は脱離した前記複数の振動子における共振周波数をマップ化して得られるマップデータを格納する格納手段を備え、
前記制御手段は、前記検出した共振周波数をマップ化し、これと前記格納手段に格納されたマップデータとを比較することにより、前記物質を特定することを特徴とする請求項７に記載の物質計測装置。
【請求項９】
前記化学センサデバイスでは、
前記複数の振動子は前記振動子基板内に片持ち梁もしくは両持ち梁として形成され、
前記梁の固定端にピエゾ抵抗素子が形成され、
前記振動子が変形した時の前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化から前記複数の振動子の振幅が検出可能となっていることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の物質計測装置。
【請求項１０】
前記化学センサデバイスでは、
前記複数の振動子は前記振動子基板内に片持ち梁もしくは両持ち梁として形成され、
前記梁の上に圧電膜が成膜されており、
前記複数の振動子が変形した時の前記圧電膜の電位の変化から前記複数の振動子の振幅が検出可能となっていることを特徴とする請求項６乃至８に何れか１項に記載の物質計測装置。
【請求項１１】
前記共振周波数として、前記複数の振動子が前記振動子基板の水平方向に最大振幅で振動するときの周波数が用いられることを特徴とする請求項６乃至１０の何れか１項に記載の物質計測装置。
【請求項１２】
前記振動子基板は単結晶シリコンで構成され、前記複数の振動子が前記振動子基板において一体成形されていることを特徴とする請求項６乃至１１の何れか１項に記載の物質計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境や医療、産業分野などで、例えば化学物質を計測する場合に用いる化学センサデバイス及びそれを備えた物質計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境や医療、食品産業などにおいて、揮発性物質（匂い）の計測に対するニーズが高まっている。環境計測では、工業地域や商業地域、住宅地域など幅広い地域を多点同時計測することにより、汚染の発生源の特定や、汚染の拡散状況などが分かり、具体的な対策を立てることが出来るようになる。また、医療分野では、病気にかかると特定の物質が体内より揮発されることが分かり始めており、口臭や体臭を計測することで病気の早期発見が可能となる。食品産業では、産地により食品から揮発する物質が異なることや鮮度により揮発物質が変化することから、産地や鮮度の偽装などを見破り安全性を高めることが可能となる。
【０００３】
ところが、現状ではこれらを実現するだけの化学物質の選択性や測定精度を実現するには、高価で大型の装置が必要となるため、どこででも直ぐに計測するといったことはできない。そのため、その場分析が可能となるような安価で携帯可能な物質計測装置の開発が求められている。
【０００４】
携帯型物質計測装置を実現するための技術として、人間が匂いを感じるときのやり方を真似た方法であって、化学物質の種類により検出特性の異なる複数のセンサからの出力を用いて出力マップを作成し、そのマップのパターンから匂いの種類を特定する方法がある（非特許文献１参照）。これは、ある特定の環境下におかれた特定の物質が放つ揮発性物質が、その揮発性物質特有のマップパターンを形成することを利用した技術である。ここで用いられるセンサとしては、半導体ガスセンサや固体電解質ガスセンサ、水晶振動子ガスセンサなどがあるが、特に特性が安定していて安価な水晶振動子ガスセンサが多用されている。水晶振動子ガスセンサについては特許文献１などに具体例が開示されている。これにより、従来の計測装置と比較して小型・低コスト化が大幅に進むと考えられる。計測の選択性や再現性、精度などを得るために数十個のセンサを用いることもあるが、一般的には１０個以下のセンサにより構成され、計測装置としては、卓上サイズまでは小型化が進んでいる。
【０００５】
また、センサ本体（センサヘッド）の小型化も進んでおり、特許文献１には水晶振動子を加工して複数の共振周波数を有する振動子を混在させる方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１５９３０４号公報
【特許文献２】特許第３４９９２７７号公報
【非特許文献１】季刊／化学総説「味とにおいの分子認識」  Ｎｏ．４０、１９９９年２月、社団法人日本化学会著、学会出版センタ発行、２１５〜２２３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、化学物質を計測する装置は、化学センサの導入により小型・低コスト化は進んでいる。しかし、卓上サイズより小さくするためには、より進歩した技術が必要となる。
【０００８】
つまり、現状では複数の特性の異なる化学センサを組み合わせて実装することで、化学物質の選択性（物質の分離能）や再現性、測定精度を得ている。しかし、センサヘッドや処理回路はセンサの数だけ必要になっている。このため、安価な携帯型物質計測装置を実現するには、センサヘッドや処理回路も含めて一つのセンサとして機能することが重要であり、複数の振動子で１つのセンサヘッドを構成し、そのセンサヘッドを一つの回路で処理できる構成が必要である。よって装置が大型化するだけでなく、製造コストも高くなってしまう。
【０００９】
また、水晶振動子を用いた物質計測装置の小型化のネックになっているのは、水晶振動子を薄く加工することの難しさである。水晶振動子の厚みで共振周波数を制御しているため、薄くすればするほど加工ばらつきに起因する共振周波数の個体差が生じてしまう。従って、小型化するためには精度の良い加工技術の採用や、加工誤差の影響が小さな振動子の開発が必要となる。
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、化学物質の選択性（分解能）を従来の装置と同等以上に維持しつつ、装置のコストを低減できる化学センサデバイス及び物質計測装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）上記課題を解決するために、本発明による化学センサデバイスは、振動子を有し、振動子に物質が吸着又は脱離したときに見出され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ために用いられる化学センサデバイスに関するものである。そして、本化学センサデバイスは、複数の振動子を含む振動子基板と、交流電圧を印加すると変形する圧電基板と、を備える。また、複数の振動子のそれぞれは異なる物質の脱吸着特性を有し、振動子基板は圧電基板上に積層されている。そして、圧電基板に交流電圧が印加されると、圧電基板が変形すると共に、振動子基板における複数の振動子がそれぞれ加振されるようになっている。
【００１２】
ここで、複数の振動子は、振動子基板内に片持ち梁もしくは両持ち梁として形成され、梁の固定端にピエゾ抵抗素子が形成され、振動子が変形した時のピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化から複数の振動子の振幅が検出可能となっている。或いは、複数の振動子は、振動子基板内に片持ち梁もしくは両持ち梁として形成され、梁の上に圧電膜が成膜されており、複数の振動子が変形した時の圧電膜の電位の変化から複数の振動子の振幅が検出可能となっている。
【００１３】
また、共振周波数としては、複数の振動子が振動子基板の水平方向に最大振幅で振動するときの周波数が用いられる。振動子の振動には、その上下方向の振動やねじれ方向の振動があるが、水平方向の振動が一番加工ばらつきが少なく、精度良く共振周波数が検出できるからである。
【００１４】
なお、複数の振動子（水晶振動子）を用いることで化学物質の選択性や測定精度を得る場合に、一つの水晶振動子に一つの処理回路が必要になっているのは、加工誤差に起因して水晶振動子ごとに共振周波数がずれているため、発振回路を用いて各々の振動子の共振周波数で自動的に共振させる必要があるからである。
【００１５】
そこで、複数の振動子を一つの処理回路で共振させるために、加工精度良く微小な振動子を加工できるように振動子を単結晶シリコンにＭＥＭＳ技術を用いて作り込み、かつ、振動子の加工精度が共振周波数に与える影響が小さい固有モードで共振させることで振動子の共振周波数が狭い範囲に収まるようにして、一つの処理回路で複数の振動子を一括して共振させる。
【００１６】
（２）本発明は上述の化学センサデバイスを有する物質計測装置をも提供する。即ち、本発明による物質計測装置は、振動子に物質が吸着又は脱離したときに見出される振動子の共振周波数の変化量に基づいて物質を測定し識別する物質計測装置であって、それぞれ異なる物質脱吸着特性を有する複数の振動子を含む振動子基板と、交流電圧を印加すると変形する圧電基板と、を備え、振動子基板が前記圧電基板上に積層されている化学センサデバイスと、振動子基板を加振して複数の振動子を同時に加振させる振動子加振手段と、加振された複数の振動子の振幅を計測する振幅計測手段と、振動子手段及び振幅計測手段を制御し、物質が吸着又は脱離したことによる複数の振動子それぞれの共振周波数の変化量に基づいて、物質を特定する制御手段と、を備える。
【００１７】
ここで、制御手段は、加振手段を用いて、圧電基板に印加する交流電圧の周波数を一定範囲内で掃引して印加することで複数の振動子に加える加振周波数を同時に変化させ、さらに周波数計測手段を用いて、掃引による周波数変化に伴う複数の振動子それぞれの振幅変化量が最大となった周波数を、物質が吸着又は脱離した複数の振動子がそれぞれ有する共振周波数として検出する。
【００１８】
当該物質計測装置は、さらに、所定の物質が吸着又は脱離した複数の振動子における共振周波数をマップ化して得られるマップデータを格納する格納手段を備える。そして、制御手段は、検出した共振周波数をマップ化し、これと格納手段に格納されたマップデータとを比較することにより、物質を特定する。
【００１９】
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、振動子の数によらずセンサヘッドや処理回路が一つで済み、装置の大きさやコストを低減できる。また、振動子の共振周波数への加工誤差の影響を低減させることで、振動子を小さくしても安定な共振周波数を得られるようになり、センサヘッドの小型化や加工・検査コストの低減による低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、振動子に分子が吸着や脱離した時に、その振動子の共振周波数が変化することを利用した化学センサデバイス及びそれを備えた化学物質計測装置に関するものである。例えば、化学物質の脱離・吸着特性が異なる複数の振動子から構成された振動子基板が、電圧を印加すると変形する圧電基板と積層されており、圧電基板に交流電圧を加えた時の圧電基板の変形により振動子基板を加振する。なお、振動子基板を構成する複数の振動子を全て同時に加振する。
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００２３】
＜化学物質の計測原理＞
本発明では、複数の振動子（同一サイズ）に、それぞれ異なる物質を吸着又は脱離する（吸着又は脱離特性が異なる）表面処理を施し、計測（特定）すべき対象の化学物質を各振動子に吸着させる。そして、化学物質を吸着した振動子の共振周波数の変化により当該化学物質を特定する。つまり、図１に示されるように、振動子の加振周波数の掃引範囲（変化させる範囲）１０１をｆ０からｆ１とすると、化学物質を吸着していないときの振動子の振幅特性は１０２となり、吸着したときの振幅特性は１０３のようになる。このとき、前者の共振周波数はｆｍであり、後者の共振周波数はｆ’ｍのようになる。このように、化学物質が吸着した振動子の共振周波数は低くなるという性質が見られる。
【００２４】
この性質を利用し、ある化学物質が存在する場合に、複数の振動子における共振周波数の変化をマップ化して、そのマップの形状により当該化学物質を特定する。例えば、図２に示されるように、物質Ａ乃至Ｃが各振動子に吸着したときの共振周波数の変化のマップがそれぞれ２０１乃至２０３のようになるとすると、これらの形状差により物質Ａ乃至Ｃを区別・特定することができる。よって、予めマップデータを作成してメモリに格納し、計測された共振周波数の変化に基づいて作成されたマップと予め格納されているマップデータとを比較すれば、化学物質を計測する装置が実現できる。
【００２５】
＜化学センサデバイスの構成＞
図３は、本発明の実施形態による化学センサデバイスの構成を示す図である。化学センサデバイス３００は、化学物質の脱吸着特性の異なる８つの振動子３０３を持つ振動子基板３０１と圧電基板３０２との積層構造を有している。各振動子は同一サイズをなし、振動子基板３０１を削って梁を形成することにより作成される。そして、圧電基板３０２に交流電圧を加えることにより、その交流電圧の周波数で振動子基板３０１を加振する。なお、図３及び４では、各振動子３０３は、振動子基板３０１内に両持ち梁として形成されているが、片持ち梁として形成してもよい。
【００２６】
また、振動子３０３には、その固定端より振動子基板３０１の振動が伝達され、振動子基板３０１と同様に振動するが、その加振周波数が振動子３０３の共振周波数と一致した時に振動子３０３の振幅だけが急激に大きくなる。従って、振動子３０３の振幅の大きさを計測していれば、振幅が大きくなった時の加振周波数がその振動子３０３の共振周波数として得られる。
【００２７】
化学物質を計測する時には、上述のように、化学物質の脱吸着により振動子の共振周波数が変化するので、幅を持った周波数で加振する必要がある。そこで、圧電基板３０２に加える交流電圧の周波数を一定の範囲内で掃引する。例えば、振動子３０３のサイズを０．１［ｍｍ］×０．０５［ｍｍ］×０．００６［ｍｍ］とすると、その共振周波数は１次の共振周波数で５．９［ＭＨｚ］となる。この時にどの程度の範囲で周波数を掃引するかは、設計値に対する加工誤差を加味した範囲＋化学物質の吸着により変化する振動子３０３の周波数となる。化学物質が１［ｐｇ］吸着した時の振動子の共振周波数の変化量は１０［Ｈｚ］程度のため、この影響だけから考えれば周波数の掃引範囲は±１００［Ｈｚ］程度でよいことになる。ただし、加工誤差を考慮すると掃引範囲はもっと広範囲に設定するほうが良い。
【００２８】
そこで、次に加工誤差の影響を考える。図５乃至６に振動子３０３の幅・長さ・厚みの加工精度がばらついた時の共振周波数のばらつきを示す。ここでＰ１は１次の共振周波数（振動子の厚み（上）方向の共振周波数）、Ｐ２は２次の共振周波数（振動子のねじれ方向の共振周波数）、Ｐ３は３次の共振周波数（振動子の厚み（上下）方向の共振周波数）、Ｐ４は４次の共振周波数（振動子の２つのねじれ方向の共振周波数）、Ｐ５は５次の共振周波数（振動子の水平（横）方向の共振周波数）である。なお、本実施形態では固有モードの１次乃至５次が上述のような方向の共振周波数となっているが、固有モードの次数は振動子のサイズによって異なる場合がある。よって、水平方向の共振周波数が、場合によっては８次に現れることもある。
【００２９】
また、図５乃至７において矢印で示した範囲５００、６００及び７００は、加工ばらつき範囲を示している。幅や長さに関しては、単結晶シリコンや金属板を構造材料としてＭＥＭＳ技術等を適用することで±１［μｍ］の範囲に抑えることが可能で、厚みに関してはウエハに厚みばらつきがあるため加工誤差も含めて±２［μｍ］程度のばらつきが出る。各図には±５［μｍ］の範囲での加工ばらつきの共振周波数への影響を示したが、固有モード（１次、２次、３次、４次、５次）ごとに、加工ばらつきの共振周波数への影響が異なる。つまり、振動子の幅のばらつきに関しては、１次と３次の固有モードへの影響が少ないが、影響が大きい２次の固有モードにおいて１％以下の誤差に抑えられる。振動子の長さは、何れの固有モードでも影響は殆ど変わらず、２％程度のばらつきが発生する。これに対して、振動子の厚みばらつきの影響は、５次の固有モードが殆ど影響を受けないのに対して、１次から４次の固有モードは、２０％以上の影響を受ける。以上から１次の固有モードでの共振周波数５．９［ＭＨｚ］を用いると周波数の掃引範囲は５．９±１．２５［ＭＨｚ］となるが、５次の固有モードを用いると２１±０．３［ＭＨｚ］となり、周波数を掃引する範囲を狭くすることができる。振動子基板毎に加振周波数を調整する場合には、８つの振動子の加工誤差を考えれば良いので５次の固有モードならば加振周波数の掃引範囲は２１±０．１［ＭＨｚ］程度まで狭くできる。
【００３０】
なお、５次の固有モードでのばらつきが小さいのは、図８に示した振動子基板を上面から見た振動子３０３が板厚方向に対して垂直方向６０１の振動するため、振動子の板厚ばらつきの影響をうけないからである。また、８つの振動子３０３から構成される振動子基板３０１の共振周波数が加振周波数の掃引範囲に近いと振動子の共振に影響を与えてしまうが、そのサイズを１．３ｍｍ×０．８ｍｍ×０．３ｍｍとすると、最も周波数の小さい１次の共振周波数は４３［ＭＨｚ］程度となり、振動子への影響はでない。
【００３１】
＜振動子の振幅測定方法＞
図４は、振動子の振幅を計測する方法の一例としてピエゾ抵抗素子を用いた構成を示す図である。図４に示されるように、振動子３０３は両持ち梁構造をしており、振動子３０３上には化学物質を吸着するための表面処理３０４が施されている。
【００３２】
また、振動子の固定端には、ピエゾ抵抗素子４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄが形成されており、それらを配線４０２で電極パッド４０３まで引き出している。このピエゾ抵抗素子４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄは、振動子３０３が振動した際に加わる応力で抵抗値を変化させるため、この４つのピエゾ抵抗素子４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄでホイーストンブリッジを組めば、振動子３０３の振幅の大きさに比例した電圧を出力できるようになる。そして、この電圧値が高くなった加振周波数を共振周波数として検出すれば良い。
【００３３】
なお、ここでは、ピエゾ抵抗素子を用いた例を示したが、これに限られるものではなく、例えば、各梁の上に圧電膜を成膜し、各振動子が変形した時の圧電膜の電位を検出して、電位の変化から各振動子の振幅を検出するようにしてもよい。
【００３４】
＜物質計測装置の構成及び計測動作＞
図９は、上述の化学センサデバイス３００を有し、化学物質を計測（特定）する化学物質計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【００３５】
図９に示されるように、化学物質計測装置９００は、化学センサデバイス３００と、計測時の処理を制御する制御部（ＣＰＵ）９０１と、加振時の各振動子の振幅を計測する振幅計測部９０２と、後述の図１０のフローチャートに相当する計測プログラム、図２で例示したマップデータや各種パラメータ等を格納するＲＯＭ９０３と、展開した計測プログラムや計測中のデータ等を一時的に格納するＲＡＭ９０４と、振動子３０３を加振する振動子加振部９０５と、を備えている。なお、振動子加振部９０５は、圧電基板３０２と交流電圧を印加する交流電圧電源を含むものである。
【００３６】
続いて、化学物質の計測動作について説明する。計測時においては、まず、基準となる振動子の共振周波数を記録するため、清浄な空気内において圧電基板に加える交流電圧の周波数を一定範囲内で掃引して印加することで複数の振動子に加える加振周波数を同時に変化させ、その周波数変化に伴う各振動子の振幅変化を計測し、振動子ごとに振幅が大きくなった周波数をその振動子の基準共振周波数として記録する。次に計測対象の空間において圧電基板に加える交流電圧の周波数を振動子の基準共振周波数を含んだ一定範囲内で繰り返し掃引して印加することで複数の振動子に加える加振周波数を同時に変化させ、その周波数変化に伴う各振動子の振幅変化を計測して振動子ごとに振幅が大きくなった周波数をその振動子の計測空間内での共振周波数として基準共振周波数と比較することで、各振動子の共振周波数の変化量を計測する。
【００３７】
図１０のフローチャートを参照して、より具体的に化学物質の計測動作について説明する。なお、ここでは、振動子の数は８個設けられているとして説明する。振動子の個数はこれに限られないことは勿論のことである。
【００３８】
まず、ステップＳ１００１において、制御部９０１は、振動子番号Ｃ及び共振周波数ｆｍの初期値を設定する。そして、ステップＳ１００２では、制御部９０１は、振動子１における初期加振周波数を掃引範囲内の最小周波数ｆ０に設定する。また、制御部９０１は、まだ掃引していない状態なので、振動子の最大振幅ａ０を０に設定する。
【００３９】
ステップＳ１００３において、制御部９０１の制御の下、振動子加振部９０５が振動子基板３０１を周波数ｆ（初期状態では最小周波数ｆ０）で振動させる。そして、ステップＳ１００４において、振幅計測部９０２は、振動子（初期状態ではＣ＝１）の周波数ｆにおける振幅ａを測定する。ステップＳ１００５において、制御部９０１は、測定した振幅ａが現在における最大振幅ａ０か否か判断する。従って、共振周波数ｆｍとなる前の周波数の場合には常にａ＞ａ０となり、共振周波数を超えた周波数の場合にはａ＜a０となる。ａ＞ａ０の場合、処理はステップＳ１００６に移行し、ａ≦ａ０の場合には処理はステップＳ１００７に移行する。
【００４０】
ステップＳ１００６では、制御部９０１は、処理の便宜上、測定した振幅ａを仮に最大振幅ａ０に設定し、さらに、周波数ｆを仮に共振周波数ｆｍに設定する。続いて、ステップＳ１００７において、制御部９０１は、加振周波数ｆを変更幅Δｆだけ増加させる。そして、ステップＳ１００９において、変更された加振周波数ｆが掃引範囲の最大周波数ｆ１より大きいか判断する。ｆ≦ｆ１の場合には、処理は再度ステップＳ１００３に移行し、Ｓ１００３乃至Ｓ１００８までの処理が繰り返される。ｆ＞ｆ１の場合には、処理はステップＳ１００９に移行する。
【００４１】
ステップＳ１００９において、制御部は、全ての振動子について共振周波数を計測したかについて確認する。全ての振動子について共振周波数の計測が完了していない場合には、処理はステップＳ１００２に戻り、次の振動子について計測処理が実行される。全ての振動子について共振周波数の計測が完了した場合には、計測動作が終了する。
【００４２】
なお、全ての振動子について共振周波数が計測されると、制御部９０１は、得られた共振周波数データに基づいて、図２に示されるようなマップパターンを生成し、ＲＯＭ９０３に格納されている複数のマップパターンデータと比較する。そして、制御部９０１は、一致する、又は所定の範囲内で類似するパターンを計測された化学物質のパターンとして抽出し、計測対象の化学物質を特定する。また、計測終了後は、制御部９０１は、図示しない加熱手段によって各振動子を加熱することによって各振動子に吸着した物質を除去する。これにより各振動子は再度使用可能となる。
【００４３】
また、図１０のフローチャートは、各振動子の共振周波数を順次求める処理（掃引回数が振動子の個数分）を示しているが、これに限られず、一回の掃引範囲内で加振する際に全ての振動子の周波数ｆを検出し、各振動子の共振周波数を検出するようにしてもよい。
【００４４】
＜まとめ＞
従来においても複数の特性の異なる化学センサデバイスを組み合わせて実装することで、化学物質の選択性や再現性、測定精度を得ているが、センサヘッドや処理回路はセンサの数だけ必要になっており、安価な携帯型計測装置を実現するには、センサヘッドや処理回路も含めて一つのセンサとして機能することが重要であり、複数の振動子で一つのセンサヘッドを構成し、そのセンサヘッドを一つの回路で処理できる構成が必要である。
【００４５】
また、水晶振動子を用いた計測装置の小型化のネックになっているのは、水晶振動子を薄く加工することの難しさであり、厚みで共振周波数を制御しているため、薄くすればするほど加工ばらつきに起因する共振周波数の個体差が生じてしまう点にある。従って、小型化するためには精度の良い加工技術の採用や、加工誤差の影響が小さな振動子の開発が必要となる。
【００４６】
ところで、処理回路の問題は、水晶振動子が振動子の加振手段と振動子の振幅計測手段を兼ねていることに起因している。
【００４７】
そこで、アクチュエータ（加振手段）と振動子（計測手段）を分離することで、複数の振動子の共振現象が影響を及ぼし合わない構造とし、かつ、各振動子の共振周波数を一致させることで一つの処理回路での複数の振動子の共振周波数の計測を実現する。
【００４８】
また、センサヘッドが小型化しない理由は、振動子を小さくすると、同じ加工精度の場合に共振周波数のばらつきが大きくなるためである。
【００４９】
そこで、振動子を外部から加振する方式にすることにより、加工精度の良い単結晶シリコンで振動子を加工できるようにし、かつ、振動子の形状により固有モード（共振する時の変形形状）を制御することで、加工寸法のばらつきの影響が小さくなるように設計する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の原理を説明する図である。
【図２】共振周波数の変化のマップパターンを示す図である。
【図３】本発明の実施形態による化学センサデバイスの概略構成を示す図である。
【図４】本実施形態による振動子の構成例を示す図である。
【図５】振動子における振動子幅の加工寸法誤差の共振周波数への影響を示す図である。
【図６】振動子における振動子長の加工寸法誤差の共振周波数への影響を示す図である。
【図７】振動子における振動子厚の加工寸法誤差の共振周波数への影響を示す図である。
【図８】振動子の５次の固有モードにおける振動子の振幅方向を示す図である。
【図９】本実施形態による化学物質計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】本実施形態による化学物質計測装置の処理動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
３００：化学センサデバイス、３０１：振動子基板、３０２：圧電基板、３０３：振動子、３０４：脱吸着処理面、４０１ａ〜４０１ｄ：ピエゾ抵抗素子、４０２：配線、４０３：電極パッド、５００：振動子の幅の加工ばらつき範囲、６００：振動子の長さの加工ばらつき範囲、７００：振動子厚の加工ばらつき範囲、６００：振動子固定端、６０１：振動子振幅方向、９００：化学物質計測装置
【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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