特許 6863516 物質検出素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6863516

(24)【登録日】2021年4月5日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】物質検出素子

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20210412BHJP

【ＦＩ】

   G01N5/02 A

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2020-190624(P2020-190624)

(22)【出願日】2020年11月17日

(62)【分割の表示】特願2017-70353(P2017-70353)の分割

【原出願日】2017年3月31日

(65)【公開番号】特開2021-36243(P2021-36243A)

(43)【公開日】2021年3月4日

【審査請求日】2020年12月10日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】592028846

【氏名又は名称】Ｉ−ＰＥＸ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100162259

【弁理士】

【氏名又は名称】末富 孝典

(74)【代理人】

【識別番号】100165489

【弁理士】

【氏名又は名称】榊原 靖

(74)【代理人】

【識別番号】100177149

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 浩義

(74)【代理人】

【識別番号】100146916

【弁理士】

【氏名又は名称】廣石 雅紀

(72)【発明者】

【氏名】緒方 健治

(72)【発明者】

【氏名】黒木 省吾

【審査官】 外川 敬之

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００００２９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２４０２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３０５１９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０３２３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０４５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１５７５８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 G. Yoshikawa et. al.，Two Dimentional Array of Piezoresistive Nanomeechanical Membrane-Type Surface Strees Sensor(MSS) wit，sensors，スイス，MDPI，２０１２年１１月１６日，12，15873-15887

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ５／０２

Ｇ０１Ｎ １９／００

Ｇ０１Ｎ ２７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象の物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
を備え、
前記梁は、
前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第１の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第１の梁と交差する板状の第２の梁とを有し、
前記第１の梁の幅が前記第２の梁の幅よりも広くなり、前記第１の梁の幅に沿った前記駆動電極の幅が前記第２の梁の幅に沿った前記検出電極の幅よりも広くなるように設定されている、
物質検出素子。

【請求項2】

貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象の物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
を備え、
前記梁は、
前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第１の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第１の梁と交差する板状の第２の梁とを有し、
前記第１の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第１の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第１の梁の外部に引き出されている、
物質検出素子。

【請求項3】

前記第２の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられている、
請求項１または２に記載の物質検出素子。

【請求項4】

前記第２の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第２の梁の外部に引き出され、１本にまとめられている、
請求項３に記載の物質検出素子。

【請求項5】

前記第１の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第１の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第１の梁の外部に引き出されている、
請求項１に記載の物質検出素子。

【請求項6】

前記第２の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられており、
前記第２の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第２の梁の外部に引き出され、１本にまとめられている、
請求項５に記載の物質検出素子。

【請求項7】

前記第１の梁と前記第２の梁とは、それぞれの中央で連結されている、
請求項１から６のいずれか一項に記載の物質検出素子。

【請求項8】

前記第１の梁と前記第２の梁とが直交している、
請求項１から７のいずれか一項に記載の物質検出素子。

【請求項9】

前記支持基板に前記貫通孔が複数設けられ、
前記貫通孔毎に前記梁が設けられ、
前記梁各々が支持する物質吸着膜の種類が異なっている、
請求項１から８のいずれか一項に記載の物質検出素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物質検出素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、物質が吸着又は脱離したときに生じ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が開示されている。この化学センサデバイスは、異なる物質の脱吸着特性を示す複数の振動子を備え、それぞれの振動子は、圧電基板を備えている。複数の振動子は、交流電圧が印加されると、圧電基板が変形することで加振される。共振周波数が変化した振動子を特定することで、物質の識別が可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２０４５８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１に開示された化学センサデバイスは、平板上に複数の振動子が単に２次元配列されているだけであり、各振動子が空気中に含まれる物質を吸着し易いように効率的に配置されているわけではない。このような構成では、平板自体が気流の流れを遮ってしまい各振動子における物質の吸着効率が低下する可能性もある。

【0005】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より効率的に物質を検出することができる物質検出素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】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る物質検出素子は、
貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象の物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
を備え、
前記梁は、
前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第１の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第１の梁と交差する板状の第２の梁とを有し、
前記第１の梁の幅が前記第２の梁の幅よりも広くなり、前記第１の梁の幅に沿った前記駆動電極の幅が前記第２の梁の幅に沿った前記検出電極の幅よりも広くなるように設定されている。

【0007】

本発明の第２の観点に係る物質検出素子は、
貫通孔が設けられた支持基板と、
前記貫通孔の縁から対向する縁へ向かって延びて前記貫通孔の一部を塞ぎ、検出対象の物質が付着する物質吸着膜を支持し、前記物質が前記物質吸着膜に付着することで振動周波数が変化する、圧電素子を有する板状の梁と、
前記圧電素子に電圧を印加して前記梁を振動変形させる駆動電極と、
前記梁の振動周波数に関する情報を検出する検出電極と、
を備え、
前記梁は、
前記貫通孔の縁に両端が固定され、両端に前記駆動電極が設けられた板状の第１の梁と、前記貫通孔の縁に両端が固定され、少なくとも一端に前記検出電極が設けられ、前記第１の梁と交差する板状の第２の梁とを有し、
前記第１の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第１の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第１の梁の外部に引き出されている。

【0008】

この場合、前記第２の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられている、
こととしてもよい。

【0009】

前記第２の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第２の梁の外部に引き出され、１本にまとめられている、
こととしてもよい。

【0010】

前記第１の梁の両端に形成された前記駆動電極同士を繋ぐ導線が前記第１の梁上に形成され、前記駆動電極の一方と導通する導線が前記第１の梁の外部に引き出されている、
こととしてもよい。

【0011】

前記第２の梁には、前記貫通孔の縁に固定された両端に前記検出電極が設けられており、
前記第２の梁の両端に形成された前記検出電極各々と導通する導線が前記第２の梁の外部に引き出され、１本にまとめられている、
こととしてもよい。

【0012】

前記第１の梁と前記第２の梁とは、それぞれの中央で連結されている、
こととしてもよい。

【0013】

前記第１の梁と前記第２の梁とが直交している、
こととしてもよい。

【0014】

前記支持基板に前記貫通孔が複数設けられ、
前記貫通孔毎に前記梁が設けられ、
前記梁各々が支持する物質吸着膜の種類が異なっている、
こととしてもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、物質が含まれる気体が通る貫通孔に物質吸着膜が設けられており、検出対象の物質が含まれる気体が物質吸着膜の周囲を通り易く構成しているので、より効率的に物質を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施の形態１に係る物質検出素子の斜視図である。

【図2】図１の物質検出素子を逆側から観た斜視図である。

【図3】貫通孔周辺を一部破砕して示す斜視図である。

【図4】貫通孔付近の拡大斜視図である。

【図5】貫通孔付近の上面図である。

【図6】図６（Ａ）は、駆動梁を長手方向に切断した断面図である。図６（Ｂ）は、検出梁を長手方向に切断した断面図である。

【図7】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、駆動梁が変形する様子を示す図である。

【図8】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、検出梁が変形する様子を示す図である。

【図9】物質検出素子の配線を示す斜視図である。

【図10】電子機器に挿入される物質検出素子を示す図である。

【図11】図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、化学物質を構成する構成物質の参照パターンを示す図である。

【図12】貫通孔を気体が通過する様子を示す図である。

【図13】図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）及び図１３（Ｃ）は、梁に形成される圧電素子の変形例を示す図である。

【図14】図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）及び図１４（Ｃ）は、梁の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る物質検出素子は、微細加工を実現する半導体製造技術であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて製造される。

【0018】

図１に示すように、本実施の形態に係る物質検出素子１は、略矩形平板状の支持基板２を備える。支持基板２は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から製造される。ＳＯＩ基板とは、埋込酸化膜であるＢＯＸ層と、ＢＯＸ層上の半導体層であるシリコン（ＳＯＩ）層とから成る積層構造を有する半導体基板であり、酸化膜を内包するウエハである。

【0019】

支持基板２は、図１及び図２に示すように、樹脂から成るベース１０に、基体ウエハ及び埋め込み酸化膜で形成されたＢＯＸ層から成るＳｉ支持層１１が積層されて構成されている。Ｓｉ支持層１１には、素子ウエハ活性層であるＳｉ活性層１２（図６参照）が積層されている。

【0020】

支持基板２のベース１０には、その一部に円形の開口１３が設けられており、開口１３の部分ではＳｉ支持層１１が露出している。この開口１３の部分におけるＳｉ支持層１１及びＳｉ活性層１２には、貫通孔３が７つ設けられている。貫通孔３は、円形であり、それぞれの直径は同じとなっている。

【0021】

図３及び図４に示すように、貫通孔３のそれぞれには、板状の一対の梁４が設けられている。一対の梁４は、直線板状の駆動梁（第１の梁）４Ａと、直線板状の検出梁（第２の梁）４Ｂとで構成される。梁４（駆動梁４Ａ及び検出梁４Ｂ）は、それぞれＳｉ活性層１２によって形成される縁から対向する縁へ向かって延びる部分を有している。

【0022】

駆動梁４Ａと検出梁４Ｂとは直交しており、中央で連結している。本実施の形態では、駆動梁４Ａの幅と検出梁４Ｂの幅は同じとなっている。この幅は、駆動梁４Ａにおける短手方向の長さ、検出梁４Ｂにおける短手方向の長さを示している。一対の梁４は、貫通孔３の全てを塞ぐのではなく、貫通孔３の一部を塞いでいる。よって、梁４は、貫通孔３内に気体が滞留することを防止して、その気体が貫通孔３を通り抜け易くしている。

【0023】

図３に示すように、梁４は、検出対象の物質を吸着する物質吸着膜５を支持している。物質吸着膜５は、梁４の中央、すなわち貫通孔３内の中心に位置しており、駆動梁４Ａと検出梁４Ｂとの連結部分に配設されている。梁４の中央、すなわち一対の梁４が連結され物質吸着膜５が形成された部分は、一方の梁４の短手方向における幅と他方の梁４の短手方向における幅とにおいて、連結された部分を除いた他の部分よりも、広く設定されている。さらに、物質吸着膜５は、ドーム形状（半球状）となっている。このため、気体に露出する表面積を大きくすることができるので、気体中（例えば、空気中）に含まれる検出対象となる物質を吸着し易くなっている。

【0024】

検出対象となる物質は、例えば、匂いを構成する化学物質群（匂い要因）のうち、例えば空気中に含まれる検出対象の化学物質を構成する気体状の物質（以下、「構成物質」という）である。検出対象の化学物質としては、例えばアンモニア、メルカプタン、アルデヒド、硫化水素、アミンなどの特有の臭気を有する匂い原因物質がある。物質吸着膜５は、匂い原因物質を構成する構成物質が吸着した後、一定時間経過すると、吸着した構成物質が分離するので、再利用可能となっている。

【0025】

梁４は、構成物質が物質吸着膜５に吸着することで振動周波数（例えば共振周波数）が変化するよう構成されている。物質吸着膜５が構成物質を含む気体の通り口となる貫通孔３に配置されているので、物質吸着膜５は気体中に含まれる構成物質を吸着し易くなっている。なお、梁４の振動が、物質検出素子１が組み込まれる装置（例えば後述する電子機器５０）の振動の影響を受けないようにするため、梁４の振動周波数は、その装置の振動周波数と異なるように、より高く設定されているのが望ましい。

【0026】

駆動梁４Ａの両端には、図４に示すように、一対の駆動電極１６が形成されており、検出梁４Ｂの両端には、一対の検出電極１７が形成されている。また、支持基板２及び梁４上には、導線としての駆動信号線２１，電極間信号線２２，検出信号線２３が形成されている。駆動信号線２１は、駆動電極１６に接続されている。また、電極間信号線２２は、検出梁４Ｂ上で検出電極１７同士を接続する。検出信号線２３は、一方の検出電極１７に接続されている。

【0027】

梁４を駆動する電圧信号は、駆動信号線２１を介して駆動電極１６に印加される。また、梁４の振動により生じた一方の検出電極１７からの電圧信号は、電極間信号線２２を介してもう一方の検出電極１７に送られる。そして、一対の検出電極１７からの電圧信号が、検出信号線２３を介して、まとめて出力される。

【0028】

図５のＡ−Ａ線断面図である図６（Ａ）に示すように、駆動梁４Ａは、主として、支持基板２のＳｉ活性層１２で構成される。Ｓｉ活性層１２上には下部電極層１４が形成されており、その上に圧電素子１５が形成されている。駆動梁４Ａの中央では、電極間信号線２２を通すため、下部電極層１４及び圧電素子１５が除去されている。なお、電極間信号線２２とＳｉ活性層１２との間には、図示しない絶縁層が設けられている。また、図６（Ａ）では、ＢＯＸ層の図示を省略している。

【0029】

下部電極層１４は、導電性材料（例えば、アルミニウムや銅などの金属）で構成される。駆動電極１６及び検出電極１７も同様である。圧電素子１５は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの材料（圧電特性を示す材料）で構成される。圧電素子１５は、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、長手方向（厚み方向に直交する方向）に伸縮する性質を有する。

【0030】

図６（Ａ）に示すように、一対の駆動電極１６は、貫通孔３の縁の部分で、圧電素子１５上に形成されている。下部電極層１４と、圧電素子１５と、駆動電極１６とで、圧電層が形成される。駆動電極１６及び下部電極層１４は、この圧電素子１５に電圧を印加する駆動梁４Ａを振動変形させる。

【0031】

より具体的には、図７（Ａ）に示すように、駆動電極１６が正で、下部電極層１４が負となる極性（以下、正極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、圧電層には、長手方向（ｘ軸に沿った方向）に伸び、面方向（ｙ軸に沿った方向）に伸びる方向への応力が加わる。その結果、Ｓｉ活性層１２において、下部電極層１４が形成された面が伸び、駆動梁４Ａは、上方が凸になるように（＋ｚ方向に）反り返る。

【0032】

これに対して、図７（Ｂ）に示すように、駆動電極１６が負で、下部電極層１４が正となる極性（以下、負極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、圧電層には、長手方向（ｘ軸に沿った方向）に縮み、面方向（ｙ軸に沿った方向）に縮む方向への応力が加わる。その結果、Ｓｉ活性層１２において、下部電極層１４が形成された面が縮み、駆動梁４Ａは、下方が凸になるように（−ｚ方向に）反り返る。

【0033】

もちろん、駆動電極１６側が正、下部電極層１４側が負となるように、両電極間に電圧を印加すると、長手方向に縮む一方で、駆動電極１６側が負、下部電極層１４側が正となるように、両電極間に電圧を印加すると、長手方向に伸びる性質を有するような圧電素子を用いても構わない。この場合、正極性の電圧を印加すると、下方が凸になるように反り返り、負極性の電圧を印加すると、上方が凸になるように反り返る。このように、駆動梁４Ａは、圧電層の伸縮により撓んで振動するものであればよい。

【0034】

いずれにしても、駆動電極１６と下部電極層１４との間に、所定極性の電圧を印加することにより、図７（Ａ）又は図７（Ｂ）に示す変形を生じさせることができる。変形の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。なお、圧電素子を構成する材料によって（例えば、バルク、薄膜によって）分極作用が異なるので、電圧の極性と伸縮の関係とが上述とは逆になる場合がある。

【0035】

一方、図５のＢ−Ｂ線断面図である図６（Ｂ）に示すように、一対の検出電極１７は、検出梁４Ｂの貫通孔３の縁に圧電素子１５と接するように形成されている。下部電極層１４と、圧電素子１５と、検出電極１７とで、圧電層が形成される。上述した駆動梁４Ａの振動に伴って検出梁４Ｂが振動すると、検出梁４Ｂを構成する圧電素子１５が変形し、検出電極１７及び下部電極層１４に電位差が生じる。なお、図６（Ａ）では、ＢＯＸ層の図示を省略している。

【0036】

より具体的には、図８（Ａ）に示すように、検出梁４Ｂは、上方が凸になるように（＋ｚ方向に）反り返ると、圧電層に、長手方向（ｙ軸に沿った方向）に伸び、面方向（ｘ軸に沿った方向）に伸びる方向への応力が加わる。その結果、検出電極１７が正で、下部電極層１４が負となる極性（以下、正極性と呼ぶ）の電圧が生じる。

【0037】

これに対して、図８（Ｂ）に示すように、検出梁４Ｂは、下方が凸になるように（−ｚ方向に）反り返ると、圧電層に、長手方向（ｙ軸に沿った方向）に縮み、面方向（ｘ軸に沿った方向）に縮む方向への応力が加わる。その結果、検出電極１７が負で、下部電極層１４が正となる極性（以下、負極性と呼ぶ）の電圧が生じる。

【0038】

もちろん、長手方向に縮むと、検出電極１７側が正、下部電極層１４側が負となるような電位差が生ずる一方で、長手方向に伸びると、検出電極１７側が負、下部電極層１４側が正となるような電位差が生ずる性質を有するような圧電素子を用いても構わない。この場合、下方が凸になるように反り返ると、正極性の電圧が発生し、上方が凸になるように反り返ると、負極性の電圧が発生する。このように、検出梁４Ｂは、撓むことにより圧電層が伸縮し、電圧が発生するものであればよい。

【0039】

いずれにしても、図８（Ａ）又は図８（Ｂ）に示す変形が生じると、検出電極１７と下部電極層１４との間に、所定極性の電圧を生じさせることができる。電圧の大きさは、検出梁４Ｂに応じた量になる。なお、圧電素子を構成する材料によって（例えば、バルク、薄膜によって）分極作用が異なるので、伸縮と電圧の極性との関係とが上述とは逆になる場合がある。

【0040】

例えば、駆動電極１６と下部電極層１４との間に正弦波状に変化する電圧を印加すると、駆動梁４Ａが正弦波状に振動する。駆動梁４Ａの振動に合わせて検出梁４Ｂも振動する。検出梁４Ｂが振動すれば、駆動電極１６と下部電極層１４との間に正弦波状に変化する電位差が発生する。

【0041】

さらに、駆動電極１６と下部電極層１４との間に加える正弦波状の電圧の周波数を上下させると、駆動梁４Ａ、検出梁４Ｂの振動の周波数も上下し、検出電極１７と下部電極層１４との間に生じる電圧信号の周波数も上下する。駆動梁４Ａ，検出梁４Ｂの振動の周波数が梁４の共振周波数に近づくにつれて、梁４の振動振幅は大きくなり、梁４の共振周波数になると、梁４の振動振幅は最大となる。

【0042】

上述のように、梁４は、構成物質が物質吸着膜５に吸着することで振動周波数（例えば共振周波数）が変化するよう構成されている。また、梁４の振動周波数は物質吸着膜５への構成物質の吸着度合に応じて変化する。これにより、梁４の振動振幅が最大となる周波数も変化する。逆に言えば、検出電極１７と下部電極層１４との電圧信号の振幅が最大となる振動周波数の変化を求めることにより、物質吸着膜５に構成物質が吸着してない状態から吸着した状態に変化したことを検出することができる。

【0043】

検出電極１７と、下部電極層１４との間に生じた電位差は、電圧信号となって、電極間信号線２２、検出信号線２３を介して出力される。出力された電圧信号を、梁４の振動周波数に関する情報とし、その情報に基づいて、梁４の振動周波数の変化を検出すれば、貫通孔３を通過する気体に物質吸着膜５に吸着された物質が含まれていることを検出することができる。

【0044】

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、支持基板２では、Ｓｉ活性層１２の上に下部電極層１４が形成され、その上に絶縁層１８が形成されている。しかしながら、図５に示すように、貫通孔３の周囲では、下部電極層１４及び絶縁層１８が取り除かれている。ただし、駆動梁４Ａ及び検出梁４Ｂを構成する下部電極層１４は、取り除かれることなく、支持基板２上の下部電極層１４と接続されている。

【0045】

また、支持基板２上における駆動信号線２１、検出信号線２３が配線されている領域Ｓについては、下部電極層１４が取り除かれている。駆動信号線２１、検出信号線２３と下部電極層１４との間に寄生容量が発生し、駆動梁４Ａ、検出梁４Ｂの圧電層に電圧信号が適切に入力されなくなるのを防ぐためである。

【0046】

図９に示すように、物質検出素子１には、信号処理回路２０が設けられている。信号処理回路２０は、１本の駆動信号線２１と、７本の検出信号線２３と接続されている。信号処理回路２０から出た１本の駆動信号線２１は、１４本に分岐して、各貫通孔３の一対の駆動電極１６に接続されている。すなわち、駆動梁４Ａの両端に形成された駆動電極１６各々と導通する駆動信号線２１は駆動梁４Ａの外部に引き出され、１本にまとめられている。また、各貫通孔３から出た７本の検出信号線２３は、独立して信号処理回路２０に接続されている。信号処理回路２０は、下部電極層１４の電位を基準とする電圧信号の入出力を行う。

【0047】

信号処理回路２０は、駆動信号線２１を介して各貫通孔３に対応する駆動電極１６に対して例えば正弦波状の電圧信号を出力するとともに、検出信号線２３を介して、各貫通孔３に対応する検出電極１７から出力される電圧信号を入力する。信号処理回路２０は、入力された電圧信号に基づいて、梁４の振動周波数（例えば共振周波数）の変化を検出する。物質検出素子１では、例えば、１ｎｇの単位で、構成物質の吸着を検出可能である。

【0048】

物質検出素子１では、貫通孔３毎に梁４が設けられて、梁４各々が支持する物質吸着膜５の種類が異なっている。信号処理回路２０は、各貫通孔３の検出電極１７から出力される電圧信号を、検出信号線２３を介して入力し、入力された電圧信号に基づいて、各梁４の振動周波数の変化、すなわちその梁４に対応する物質吸着膜５への構成物質の吸着を検出する。信号処理回路２０は、メモリを有しており、物質吸着膜５それぞれの構成物質の検出結果をそのメモリに記憶する。

【0049】

図１０に示すように、本実施の形態に係る物質検出素子１は、スマートフォン等の電子機器５０のメモリカードのインターフェイス３０を有している。ここで、物質検出素子１として、検出対象となる特定物質が異なる物質検出素子１Ａ，１Ｂがあるものとする。

【0050】

物質検出素子１Ａはインターフェイス３０を介して、電子機器５０と接続される。電子機器５０は、物質検出素子１Ａの信号処理回路２０のメモリに格納された構成物質の検出結果を読み出し可能となっている。電子機器５０は、インターフェイス３０に差し込まれた物質検出素子１Ａの信号処理回路２０のメモリのデータを読み込んで、読み込んだデータに基づいて、検出対象となる物質を解析する。

【0051】

例えば、物質検出素子１Ａの検出対象の構成物質が、１ａ〜１ｇであるとする。そして、ある化学物質Ａの構成物質が１ａ，１ｂ，１ｃであり、他の化学物質Ｂの構成物質が、１ａ，１ｄ，１ｅ，１ｆであるとする。気体中に化学物質Ａが含まれていた場合、その検出結果は、図１１（Ａ）に示すように、１ａ，１ｂ，１ｃの検出を示し、気体中に化学物質Ｂが含まれていた場合、検出結果は、図１１（Ｂ）に示すように、１ａ，１ｄ，１ｅ，１ｆの検出を示す。電子機器５０は、検出対象となる化学物質の参照パターンを記憶しており、実際の検出結果と参照パターンのパターンマッチングを行って、気体に含まれる化学物質を特定する。

【0052】

なお、本実施の形態では、構成物質の有無に基づくパターンによるパターンマッチングを行うものとしたが、本発明はこれには限られない。梁４の振動周波数の変化量に応じて物質吸着膜５への構成物質の吸着度合いまで求め、化学物質における構成物質の含有比率に応じたパターンを作成し、そのパターンを用いたパターンマッチングを行って、化学物質を特定するようにしてもよい。

【0053】

物質検出素子１Ａ，１Ｂは、ＭＥＭＳにより製造されるので、極めて小型に製造することができる。したがって、物質検出素子１Ａ，１Ｂを、例えば小型のｍｉｎｉＳＤカードの規格に準拠させることができる。これにより、例えば検出可能な構成物質の組み合わせが異なる物質検出素子１Ａ，１Ｂを用意し、電子機器５０に装着する物質検出素子１を物質検出素子１Ａから物質検出素子１Ｂに交換して、検出可能な化学物質の組み合わせを増やすことも可能である。

【0054】

物質検出素子１は、気体中に含まれ得る様々な化学物質の検出に用いられる。例えば、物質検出素子１は、図１２に示すように、物質検出素子１は、気体の流れの中に置かれ、貫通孔３を通る気体に含まれる化学物質を構成する構成物質の検出に用いられる。ここで、構成物質が吸着される物質吸着膜５を支持する梁４は、貫通孔３の全てを塞ぐのではなく、貫通孔３の一部を塞いでいる。よって、梁４は、検出対象の化学物質を含む気体が貫通孔３内に滞留することを防止して、その気体が貫通孔３を通り抜け易くしている。

【0055】

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、化学物質が含まれる気体が通る貫通孔３に物質吸着膜５が設けられており、検出対象の化学物質が含まれる気体が物質吸着膜５の周囲を通り易く構成しているので、より効率的に化学物質を検出することができる。

【0056】

なお、上記実施の形態では、図１３（Ａ）に示すように、駆動梁４Ａの幅（短手方向の長さ）Ｗ１と、検出梁４Ｂの幅（短手方向の長さ）Ｗ１とは同じであったが、本発明はこれには限られない。図１３（Ｂ）に示すように、駆動梁４Ａの幅Ｗ２が、検出梁４Ｂの幅Ｗ１よりも広くなるように設定されていてもよい。また、図１３（Ｃ）に示すように、駆動梁４Ａの幅をＷ２とし、検出梁４Ｂの幅をＷ１としたうえで、貫通孔３の径を短くして、駆動梁４Ａの長さＬ１を、Ｌ２に短縮してもよい。このようにすれば、梁４全体の振動周波数をより高く設定して外部からの振動の影響を少なくすることができるうえ、吸着した構成物質の単位重量当たりの梁４の振動周波数の変化量を大きくして、構成物質の吸着の検出精度を向上することができる。

【0057】

なお、梁４の幅、長さについては、気体の流れに必要な貫通孔３の大きさとの関係において定められるのが望ましい。

【0058】

また、本実施の形態では、梁４は、少なくとも２箇所で貫通孔３の縁に固定されている。このようにすれば、片持ちの梁４に比べ、梁４を安定して保持することができるうえ、梁４の振動周波数を高くすることができる。

【0059】

上記実施の形態では、梁４は、４箇所で貫通孔３の縁に固定された。しかしながら、本発明はこれには限られない。図１４（Ａ）に示すように、梁４１は片持ち梁でもよい。この場合には、梁４１の幅を広くするか、厚みを大きくして、梁４１の振動周波数を高くするのが望ましい。なお、駆動電極１６と検出電極１７とは、梁４１の一端（貫通孔３の縁に固定されている一端）に併設すればよい。

【0060】

また、図１４（Ｂ）に示すように、２箇所で貫通孔３の縁に固定される梁４２を用いてもよい。この場合、駆動電極１６と検出電極１７とを、梁４２の両端に併設すればよい。

【0061】

また、図１４（Ｃ）に示すように、３箇所で貫通孔３の縁に固定される梁４３を用いてもよい。この場合、梁４３の端部の２つに一対の駆動電極１６を配置し、端部の残りに検出電極１７を配置すればよい。

【0062】

また、上記実施の形態では、梁４を、駆動梁４Ａと、検出梁４Ｂという２つの両持ち梁が中央で連結される構成とした。このようにすれば、一方の駆動梁４Ａで梁４全体を振動させ、他方の検出梁４Ｂで梁４の振動を検出するようにして、梁４を駆動させる回路の配線と、梁４の振動を検出する回路の配線とを省配線化することができる。

【0063】

また、上記実施の形態では、駆動梁４Ａと検出梁４Ｂとが直交していた。このようにすれば、駆動梁４Ａの振動を、検出梁４Ｂが妨げないようにすることができる。しかしながら、駆動梁４Ａと検出梁４Ｂとは直交している必要はなく、交差していればよい。

【0064】

また、上記実施の形態では、駆動梁４Ａの両端に駆動電極１６が設けられ、検出梁４Ｂの両端に検出電極１７が設けられていたが、本発明はこれに限られるものではない。物質検出素子１では、駆動梁４Ａの一方端に駆動電極１６が設けられ、検出梁４Ｂの一方端に検出電極１７が設けられていてもよい。言い換えれば、物質検出素子１は、駆動梁４Ａの他方端に駆動電極１６が設けられておらず、検出梁４Ｂの他方端に検出電極１７が設けられていなくてもよい。

【0065】

また、上記実施の形態では、電極間信号線２２が検出電極１７同士を連結している。このようにすれば、検出電極１７から引き出される検出信号線２３を１本にまとめることができるので、支持基板２上を省配線化することができる。

【0066】

また、上記実施の形態では、駆動電極１６に接続される駆動信号線２１は外部に引き出されているが、駆動信号線２１は、信号処理回路２０から出て複数に分岐されて駆動電極１６に入力している。このようにすれば、信号処理回路２０から出る駆動信号線２１を１本にまとめることができるので、駆動電極１６に接続される駆動信号線２１についても省配線化することができる。

【0067】

また、上記実施の形態では、支持基板２に貫通孔３が複数設けられ、貫通孔３毎に梁４が設けられ、梁４各々が支持する物質吸着膜５の種類が異なっている。このようにすれば、複数の構成物質の検出パターンに基づいて、化学物質を特定することができる。

【0068】

上記実施の形態では、貫通孔３及び梁４の数は、７つであったが、本発明はこれには限られない。貫通孔３及び梁４の数は、６つ以下であってもよいし、８つ以上であってもよい。貫通孔３及び梁４の数は、検出対象となる構成物質の数によって決めることができる。

【0069】

上記実施の形態では、貫通孔３は円形であった。しかしながら、本発明はこれには限られない。貫通孔は楕円、角形であってもよいし、外径が曲線と直線とを組み合わせたものであってもよい。

【0070】

また、上記実施の形態では、検出対象となる物質を、匂いを構成する化学物質としたが、本発明はこれには限られない。例えば、無臭で気体中に含まれる化学物質を検出するようにしてもよい。

【0071】

また、上記実施の形態では、気体中に含まれる化学物質であるとしたが、本発明はこれには限られない。液体中の物質の検出にも、本発明を適用することができる。

【0072】

また、上記実施の形態では、物質検出素子１Ａを、ＳＯＩウエハを用いて製造するものとしたが、本発明はこれには限られない。物質検出素子を、他のウエハを用いて製造するようにしてもよい。

【0073】

上記実施の形態では、梁４のほぼ全面に下部電極層１４及び圧電素子１５を設けるものとしたが、本発明はこれには限られない。駆動電極１６及び検出電極１７が形成された部分にのみ、下部電極層１４及び圧電素子１５を設けるようにしてもよい。

【0074】

上記実施の形態では、検出梁４Ｂの両端に形成された検出電極１７を電極間信号線２２で接続したが、本発明はこれには限られない。検出電極１７から別々の検出信号線２３を引き出して配設し、別々の電圧信号として出力するようにしてもよい。

【0075】

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【産業上の利用可能性】

【0076】

本発明は、流体中に含まれる化学物質の検出に適用することができる。

【符号の説明】

【0077】

１，１Ａ，１Ｂ 物質検出素子、２ 支持基板、３ 貫通孔、４ 梁、４Ａ 駆動梁（第１の梁）、４Ｂ 検出梁（第２の梁）、５ 物質吸着膜、１０ ベース、１１ Ｓｉ支持層、１２ Ｓｉ活性層、１３ 開口、１４ 下部電極層、１５ 圧電素子（ピエゾ素子）、１６ 駆動電極、１７ 検出電極、１８ 絶縁層、２０ 信号処理回路、２１ 駆動信号線、２２ 電極間信号線、２３ 検出信号線、３０ インターフェイス、４１，４２，４３ 梁、５０ 電子機器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】