JP2007187485A - 検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度化、小型化、低価格化、高精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】センサにおいて、高感度な質量の物体の検出や、質量の検出を行うため、ディスク型振動子あるいはカンチレバー型振動子において、振動振幅が一定以上に大きい領域に付着または吸着した物質による振動の変化を検出する。ディスク型振動子は、いわゆるＳｉ単結晶を構造材料として用い、ＭＥＭＳ技術によって製造することができる。検出対象の分子等の付着効率を高めるため、ディスク型振動子の表面に、凹凸、溝等を形成するのが好ましい。
【選択図】図２

Description

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に関する。

マイクロマシン／ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems) 技術などの微細加工技術の進展により、機械的な振動子を極めて小さく作ることが可能となっている。これにより振動子そのものの質量を小さく作ることが可能になったことから、分子レベルの極微小な物質（例えば分子やウイルス等）の付着による質量変化によっても、周波数やインピーダンス特性の変動が生ずるほどに高感度な振動子が実現しつつある。このような高感度な振動子を用いれば、極微小な物質の存在や量を検出できるセンサ等を構成することが可能となる。
また、空気の粘性などによる振動エネルギー損失の小さい振動のさせ方（振動モード）を用いることにより、空気中においても極めてＱ値（Quality Factor）の高い振動を振動子に起こさせることが可能になり、これにより精度良く周波数の変動を観測することができるようになってきた。

振動子の周波数変化等によって物質の量を検出する装置としては、ＱＣＭ(Quarts Crystal Micro balance: 水晶天秤)センサが知られている。これは、水晶振動子に物質が付着するとその質量に応じて振動周波数が変動する（下がる）性質を利用したもので、微小な質量変化を計測する質量センサとして優れた性能を有しており、例えば膜厚計（蒸着モニタ）としてもよく用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
また、味覚や嗅覚を与える分子を、水晶発振器の表面に形成した脂質二重膜に吸着させ、この質量変化を測定する技術も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

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センサや、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。

"ＱＣＭ水晶センサとは・・・・・"、[online]、株式会社多摩デバイス、[平成１７年４月２０日検索]、インターネット＜URL: http://www.tamadevice.co.jp/whats-qcm.htm＞ 岡畑恵雄、"味覚や嗅覚を重さで計る"、ぶんせき、日本分析化学会、２００３年、１０号、ｐ．６０６−６０９

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、小型化、低価格化が常に求められている。
また、非特許文献２に記載の技術においては、分子の吸着能が高い脂質二重膜が使われているが、この膜は水分の存在が必須であり、ドライな雰囲気では利用が制限される。また水晶は自由なマイクロ加工が困難であり、またシリコンとの集積化が困難等の課題がある。これらの理由から感度を上げるには更なる工夫が必要である。

ＱＣＭセンサにおいて、振動周波数は、
ｆ_ｏ＝α／ｔ
で表される。ここで、α：周波数を決める定数、ｔ：水晶振動子の厚さである。このように、ＱＣＭセンサの振動周波数はその膜厚と逆比例に関係があるため、膜厚を十分に薄くすることが出来ない。すなわちＱＣＭセンサでは、検出する微小質量と振動子の実効質量の比を向上させるには限界があることを意味している。
また、例えば物質の量を検出するセンサを構成する場合、目的の物質以外の他の物質が振動子に付着すると、検出精度が低下してしまうことになる。したがって、センサを使用する環境に関わらず、高精度な検出が行えるセンサが求められている、という課題もある。
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、高感度化、小型化、低価格化、高精度化を図ることのできる検出センサを提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の検出センサは、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、振動子を振動させる駆動部と、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。このような検出センサにおいては、振動子に物質が直接または間接的に付着または吸着したことによって生じる振動子の振動の変化を検出し、これによって物質を検出する。なお、物質の検出は、物質の有無の検出だけでなく、振動子に付着した物質の量を検出することも可能である。
このような振動子としては、ディスク状のものや、基端部が固定された片持ちのカンチレバー状のものを用いることができる。
このような振動子は、振動時において、部位によって振動の振幅が異なる。なお、振動のモードや高調波振動の次数によっても、振動の振幅の分布が異なる。本発明は、これを利用し、振動子の振動を電気的にモニタリングすることで、振動子の表面の一部の領域に付着または吸着した物質による振動子の振動の変化を検出することを特徴とする。すなわち、振動振幅の大きな一部の領域に物質が付着または吸着すると、振動振幅の小さな領域に付着または吸着した場合に比較し、振動は大きく変化する。これにより、高感度な検出が可能となるのである。

このような領域としては、例えば、振動子の振動振幅が、この振動子の最大振動振幅の５０％以上となる部位とすることができる。このとき、この領域は、必ずしも最大振動振幅の部位を含む必要はない。
また、このような領域を、振動子の振動振幅が最大となる部位を含むように設定することもできる。
さらに、このような領域を複数設定し、これら領域に互いに異なる物質を付着また吸着させることもできる。これにより、複数の物質を同時に検出することができる。

ところで、駆動部および検出部は、振動子の振動、振動の変化を検出するためにいかなる手段を用いても良いが、振動子との静電結合を用いるのが好ましい。

振動子の一部の領域に物質を付着または吸着させるには、例えば、振動子の表面の一部の領域に、分子の吸着を効率よく行えるような吸着材料を付加しても良い。これには、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ー化したり、またポーラスにして表面積を増やすことも有効である。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。
振動子の表面の一部の領域に、分子の吸着を効率よく行えるような吸着材料を付加するには、以下のような方法が考えられる。
１）ホトレジストを用いて、選択成長する以外の部分にレジストをパターンニングし、分子認識膜の成長の後、そのレジストを酸素プラズマ等で除去する。
２）ホトレジストを用いて、選択成長する以外の部分にレジストをパターンニングし、選択成長部位にシラン化処理等を行って疎水化処理を行った後、分子認識膜を成長させ、成長後、そのレジストを酸素プラズマ等で除去する（この場合、レジストは最初に除去しても良い）。
３）選択的なソフトリソグラフィ法等を用いて、１，２）を行う。
４）分子認識膜を溶剤に溶かして、濃度調整を行い、その後インクジェット法や微細なパターンが可能なスプレー法、印刷法、或いはソフトリソグラフィ法を用いて分子認識膜を選択的に成長させ、その後、溶媒を乾燥させて、所定の有機物、或いは無機物の分子認識膜を得る。
なお、このような吸着素材は、通常は振動子とは別に形成し、振動子の表面に取り付けるのが一般的である。しかし、吸着素材がある程度の密度を持てば、吸着材料と振動子を一体に形成するようにしても良い。さらには、振動子自体を吸着素材で形成するようにしても良い。その場合、物質を付着させない領域にはマスク膜等を設けるのが好ましい。
また、ここでいうポリマーのナノファイバー化とは、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挙げるため、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）の繊維状にするものをいう。

また、振動子の一部の領域に物質を付着または吸着させるため、振動子の表面の一部に、凹凸または溝を形成するのが良い。これにより、振動子の表面積が増加するため、振動子の表面に対する物質の付着を効率良く行える。さらに、前述した吸着材料のナノファイバー化との組み合わせによって、更なる高感度化を図ることも可能になる。

このような検出センサにおいては、検出対象となる物質を特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子とすることができる。これにより、例えば、ガス検出センサ、匂いセンサ等に本検出センサを用いることができる。これには、振動子で、特定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場合、特定種の分子のみを高い選択性を持って検出するのが望ましい。また、このように選択性の高い検出センサを複数用い、複数種の分子を認識したり、用途の応用範囲を広げることができる。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。この場合、検出センサを複数用い、これら複数の検出センサ間における検出能の差から、信号処理やソフトフェアを用いた処理等によって分子群の認識を行うようにしても良い。また、液中で動作するように構成を変更して、特定のたんぱく質や酵素、糖鎖等を検出しても良い。

微小質量の検出は、薄膜形成の際の膜厚モニタ、抗体抗原反応や蛋白質吸着作用などのバイオ研究にも用いることができる。本発明の検出センサは、このような用途に好適である。
また、小型で安定な高感度な家庭用や個人用のガスセンサや、携帯性に優れる使い捨て型で空気中などに浮遊する有害物質の検出等の用途にも、本発明の検出センサや振動子を用いることも考えられる。更に高感度化が進めばその応用範囲はさらに広がり、「におい」の検出識別が可能となるまで発展することが可能であり、さらにこれ以外の用途に対しても、本発明の検出センサの利用を妨げるものではない。
しかも本発明の検出センサは、いわゆるＳｉ単結晶を構造材料として用いることで、ＭＥＭＳ技術により製造することができることから、Ｓｉ半導体と同一チップ内への作り込むことも可能となる。その場合、極めて安価でしかも高性能な微小物質の検出装置とすることができる。

本発明によれば、検出センサ、振動子の高感度化、小型化、低価格化、高精度化を図ることが可能となる。

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（検出センサ）１０の基本的な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、ディスク状で、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有し、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ディスク型振動子（振動子）２０と、ディスク型振動子２０を振動させるための駆動源（図示無し）と、ディスク型振動子２０における振動特性の変化を検出する検出部３０と、を備えている。

上記のようなディスク型振動子２０を用いたセンサ１０の基本的な原理について説明する。
ディスク型振動子２０において、その外周が固定されていない(Free)な状態でのディスク型振動子２０の振動数を決める周波数関数と、その振動の形を示すモード関数は、以下のように決められることができ、これらはディスク型振動子２０の厚みには無関係である。
すなわち、開放端条件におけるディスク型振動子２０の振動周波数（周波数関数）や振動姿態（モード関数）は、円柱座標(r, θ, z)を用いた解析により、以下の通りとなる。なおＡはｄｉｌａｔａｔｉｏｎ（拡張・縮小方向）の振幅、Ｂはｒｏｔａｔｉｏｎ（回転方向）の振幅である。
ディスク型振動子２０に生じる振動には、（ａ）ラジアルモード（径方向にのみ振動するモード）、（ｂ）タンジェンシャルモード（Tangential Mode：θ方向にのみ振動するモード）、（ｃ）コンパウンドモード（径方向の振動およびθ方向の振動が複合したモード）、の３通りがある。
ラジアルモードの場合、周波数関数、モード関数は、以下の通りとなる。

また、タンジェンシャルモードの場合、周波数関数、モード関数は、以下の通りとなる。

コンパウンドモードの場合、周波数関数、モード関数は、以下の通りとなる。

なお、任意係数Aは径方向の振動の振幅、Bは軸方向の振動の振幅であり、AとBの比は次式で表される。

また実効質量M_reは、次のように決めることができる。

また、この実効質量M_reと振動周波数ω₀を用いることで、等価剛性K_reは次の様に決まる。

上式は、ディスク型振動子２０の振動は、剛性K_reのバネに実効質量M_reの重りをぶら下げた時には振動周波数（角周波数）ω₀で振動することと等価であることを示している。
また上式を書き換えることにより、実効質量M_reがδM_reだけ増えたときの振動周波数は次式で表すことができる。

すなわち、実効質量M_reがδM_reだけ増えたときの振動周波数の変化は、次式で表される。

このように、ディスク型振動子２０では、質量を有した物質が付着すると、振動周波数が変化するので、これを検出することで、微小質量を検出できる。さて上記の式（９）によれば、微小質量に相当するδM_reと実効質量M_reとの比が小さいほど周波数の変動量は大きくなり、微小質量検出装置としての感度が高いことがわかる。この場合、ディスク型振動子２０の厚みｔは振動周波数とは無関係であるので、ディスク型振動子２０の厚みｔを機械的な強度の許す範囲まで薄くして実効質量M_reを小さくすることで、容易に感度の向上を図ることができる。

さて、上記のようなディスク型振動子２０においては、ディスク型振動子２０上の位置により、振動振幅が異なる。振動モード、高調波振動の次数により、ディスク型振動子２０の振動のしかたが変わるので、振動振幅が大きい位置は変わるが、その、振動振幅が大きい箇所において、物質の付着を検出することで、より高感度な物質の検出が行える。

図２〜図７は、ディスク型振動子の、４次までの高調波振動を含む各振動モードの振動子表面での振動振幅の大きさの分布を、最大振幅を１００％としたときに、１０％区分で順に１０段階に区分して表示したものである。具体的には場所（r, θ）における振動振幅の大きさＤを次式により計算した結果である。このとき、図２〜図７において、１０段階に区分した個々の領域を、振動振幅の大きいものから順に、領域Ａ１、Ａ２、・・・、Ａ１０とした。ただし、各図においては、最低次の振動についてのみ領域Ａ１〜Ａ１０を示し、他の次数の振動については、少なくとも領域Ａ１を示すに留めた。また、ｎは振動モードのモード数、ｍは高調波振動の次数を示す。

図２〜図７に示したように、ほとんどの振動モードで振動振幅の大きな領域は限られている。
図２に示すように、例えばｎ＝０の振動では、振動子の振動振幅の大きさは、同心円状に区分され、個々の領域はリング状となる。また、図４〜図７に示すようにｎ≧１の振動では、複数箇所に、最大振動振幅を有する領域Ａ１が存在している。

図８〜図１３は、１０段階に区分した領域において振動振幅の大きな順に、その領域で占める実効質量と全実効質量の質量比と、その領域の面積と全振動子表面との面積比を示したものである。
図８〜図１３に示すように、いずれの振動モード、高調波振動の次数においても、振動振幅の大きな領域における実効質量の比の値は、その領域の面積の比の値に較べて大きいことが判る。すなわち振動振幅の大きな領域は、実際においては小さな質量であるにもかかわらず大きな実効質量となっていることになる。このことは言い換えると、この様な振動振幅の大きな領域に測定すべき微小物質を付着させれば、もともとの微小物質の質量より大きな実効質量を感じることができることを意味している。

そこで、振動振幅の大きな領域順にそこに占める実効質量を順次足し合わせた累積実効質量の、ディスク型振動子全体の実効質量に対する割合を縦軸とし、それぞれの領域の面積を順次足し合わせていった累積面積の、ディスク型振動子全体の面積に対する割合（面積比）を横軸としたものを、図１４〜図１９に示す。この図１４〜図１９によれば、例えば図１４においてｍ＝１のときのラジアルモードの最低次モードでは、累積面積が５０％の時、累積実効質量は実効質量の６５％程度あることからその比は６５％／５０％となり、１以上となる。一方、図１７に示すｎ＝２、ｍ＝２のとき、ｎ＝２、ｍ＝３のとき、図１８に示すｎ＝３、ｍ＝２のとき、ｎ＝３、ｍ＝３のときには、累積面積が５０％のときには累積実効質量が９０％以上であり、その比は９０％／５０％となり２に近い値となっている。またこれらのモードにおいて面積比が１０％と小さい場合の累積実効質量は、全体の４０％程度の値になっている。このことは振動振幅の大きな領域では、小さな質量でも大きな実効質量として感じることができることを示しており、検出すべき微小物質をこの振動振幅の大きな部分に付着させることで、検出感度を向上させることが可能であることを示唆している。

これまで述べてきた方法による検出感度向上について詳細に検討する。まず振動子の全質量をM、密度ρ、厚さｔおよび面積をSとし、微小物質の質量をδM、密度をδρとすれば、微小物質を振動子の表面に一様に付着したときには、次式で表すことができる。

一方、同じ質量δMの微小物質を面積δSに集中させて選択的に付着させた時には式（１５）のようになるので、等価的な密度δρ´は式（１６）で表すことができる。

また、振動子の実効質量は、式（１７）のように書き直し、これを用いて振動子面上に一様に微小物質を付着させたときの全実効質量を表すと式（１８）のようになる。ここで微小物質の実効質量はδM^U _reである。

さらに、微小物質を面積δSに集中させて付着させた場合の実効質量は、次式のようになる。ここにδM ^S _reは微小物質の実効質量である。

従って、微小物質を一様に付着させた場合の微小物質の実効質量と、選択的に特定の領域に微小物質を付着させた場合の実効質量の比が検出感度の向上度SIR（Sensitivity Improve Ratio）であり、式（１８）、式（１９）より、次式が得られる。但し分子の積分は、微小物質を選択に付着させた領域について施すものとする。

この考察結果に従って、振動子の特定の表面、すなわち振動振幅の大きな領域を選んで選択的に微小物質を付着させることによる感度向上について計算した結果が図２０〜図２５である。図２０〜図２５からは、振動振幅の大きな部分を選択的に選んで微小物質を付着させることにより、この計算範囲内では最大１１．２倍の感度向上が図れることが読み取れる。

具体的な微小物質の付着領域は、それぞれのモードやその高調波振動の次数によって異なるが、ラジアルモードを含めた各振動モードについては、図２〜図７に示す領域Ａ１（最大振動振幅の９０％以上）が最も振動振幅の大きな領域であり、この領域を使えば３〜４倍の感度向上を図ることができることが、図２０〜図２５の横軸（面積比）０．１のときの縦軸：検出感度の向上度SIRを見ることから読み取れる。
さらに最大の高感度化を期待する場合は、振動振幅の大きな領域である領域Ａ１の中でも、最も振動振幅が最も大きな局所的な部位に、集中して微小物質を付着させることで最大１０倍以上の感度向上が実現できることもわかる。もちろん、領域Ａ１に限ることなく、その周辺部位を含めて微小物質を付着させてもその効果は十分に高い。

また図２６〜図３１は、横軸に最大振幅を１とした規格化振動振幅を取り、縦軸には式（２０）に示した、その振幅における検出感度の向上度（SIR）をとったもので、振動振幅が最大振動振幅のおおよそ５０％以上では検出感度の向上度が１以上となり、振動子の表面に一様に微小物質を塗布した場合にくらべて検出感度が向上することがわかる。

このようにして、物質の検出を行うときには、振動子のうち、振動振幅の大きな特定の領域に物質を付着させることで、高感度な物質の検出を行うことができる。
すなわち、物質の検出を行うには、少なくとも、領域Ａ１〜Ａ１０のうち、最大振動振幅の部位を含む領域を一以上選択して特定の領域とし、この特定の領域に物質を付着させて検出を行うのが好ましい。少なくとも、最大振動振幅の部位を含む領域Ａ１のみを特定の領域とし、付着した物質の検出を行うのが好ましい。さらに言えば、確実に感度を上げるには、最大振動振幅の５０％以上の領域Ａ１〜Ａ５を特定の領域とし、ここに物質を付着させて検出を行うのが好ましい。

なお、ｎ＝１以上の振動モードすなわちコンパウンドモード(Compound Mode)では、最大振動振幅箇所が複数個存在する。そのため、そのすべてに同じように微小物質を付着させても、その中の特定の１箇所に限定して微小物質を付着させても、振動モードに影響を与えるほどの量の微小物質を付着させない限り効果は同等であると考えられる。
したがって、最大振動振幅となる部位を含む複数の領域Ａ１、あるいは領域Ａ１とその周囲を含む複数の領域を特定の領域とし、これら複数の特定の領域において、互いに異なる微小物質を付着させ、微小物質の拡散状況を振動子の振動周波数の変動からモニタすることにより、多種類の微小物質を一度にしかも高感度で検出することを可能にする構造になり得る。この場合、振動子が（ｎ，ｍ）のコンパウンドモードで振動している場合には最大振幅領域は、
最大振幅領域の数 ＝２ｎ
で表すことができる。また振動子が（ｍＲ）のラジアルモードやタンジェンシャルモードで振動する場合には、最大振動領域はリング状として現れる。このリングを、検出に必要な微小物質の数に合わせて分割し、分割したそれぞれの特定の領域毎に、異なる種類の微小物質を付着させることで、複数の微小物質を一度に検出することが可能になる。
またこれらの検討結果から、高調波振動の次数が高いほど検出感度の向上度が高くなる傾向がみられ、特にラジアルモード（ｍＲ）やタンジェンシャルモード（ｍＴ）ではその傾向が顕著に見られる。

このように、振動子の周波数変化等を検出原理とする検出センサにおいて、「振動振幅の大きな場所に検出物質を選択的に付着または吸着させる」ことにより、検出感度向上を図ることが可能となるのである。

以下、このようなディスク型振動子２０を用いたセンサ１０として、複数の実施形態を示す。

[第一の実施形態]
本実施の形態におけるディスク型振動子２０Ａは、例えばＳｉによって形成され、支持部２０ａのみが固定された状態で、残る外周部が自由端となるように支持されている。
このディスク型振動子２０Ａの近傍には、駆動電極（駆動部）２１と、検出電極２２とが設けられている。
駆動電極２１、検出電極２２は、ディスク型振動子２０Ａに対し、所定の電圧を印加したときに、静電結合が生じるよう、微小の間隙を隔てて配置されている。図１に示したような構成においては、ディスク型振動子２０Ａを半径方向に振動させるラジアルモードとする。ラジアルモードは、空気の粘性による影響が小さく、高いＱ値（Quality Factor）が得やすい。

このようなディスク型振動子２０Ａ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駆動電極２１に印加すると、静電結合により、ディスク型振動子２０Ａが前記の周波数で振動する。検出電極２２では、ディスク型振動子２０Ａの電気的な振動を、静電結合により検出し、これを検出部３０に出力する。このとき、ディスク型振動子２０Ａ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ディスク型振動子２０Ａの振動数が変化する。したがって、検出部３０では、検出電極２２から出力される電気的な振動をモニタリングすることで、ディスク型振動子２０Ａへの物質の付着の有無、あるいはディスク型振動子２０Ａへの物質の付着量を検出することが可能となっている。
このようなディスク型振動子２０Ａを効率良く駆動するためにはディスク型振動子２０Ａと駆動電極２１の間を、例えば１００ｎｍ以下といった極めて狭い間隙として、結合容量を大きくすることが必要である。

上記したような構成のセンサ１０においては、ディスク型振動子２０Ａを用いることにより、高感度な質量の物体の検出や、質量の検出を行うことが可能となる。
また、ディスク型振動子２０Ａは、いわゆるＳｉ単結晶を構造材料として用い、ＭＥＭＳ技術によって製造することができることから、Ｓｉ半導体と同一チップ内にセンサ１０を組み込んで作ることも可能となる。

ところで、ディスク型振動子２０Ａに対しては、その上面に検出対象となる分子等が落下して付着する。このとき、特定の領域として設定される、最大振動振幅となる部位を含む領域Ａ１、あるいは領域Ａ１とその周辺の領域への検出対象の分子等の付着効率を高めるため、ディスク型振動子２０Ａの表面の特定の領域に対応した部分に、凹凸、溝等を形成するのが好ましい。これにより、例えば斜め方向に落ちてきた分子等をディスク型振動子２０Ａの上面で捕捉しやすくなる。

［第二の実施形態］
さて、上記においては、ディスク型振動子２０Ａを、外周が固定されていない状態の例を挙げたが、外周を固定する構造とすることもできる。なお、センサ１０全体としての構成は、上記第一の実施形態と同様であるので、ディスク型振動子２０Ｂのみを中心として説明を行い、他の構成については説明を省略する。

図３２、図３３は、このような固定端型のディスク型振動子２０Ｂの構成を示す図であり、図３３は図３２のＡ−Ａ’断面図である。
図３３に示すように、固定端型のディスク型振動子２０Ｂは、絶縁性を有したＳｉからなる基板２３上に、駆動電極（駆動部）２４、検出電極２５が設けられ、さらにその上に絶縁体２６を介し、Ｓｉ層２７が積層された構成を有している。ここで、図３２および図２３に示すように、絶縁体２６には、円形あるいは矩形状の開口部２６ａが形成されており、これによってＳｉ層２７は開口部２６ａの部分において振動子本体２８として振動できるようになっている。この場合も、Ｓｉ層２７の表面には、検出対象の分子等の付着効率を高めるため、凹凸、溝２９等を形成するのが好ましい。

また、駆動電極２４、検出電極２５は、開口部２６ａの部分において、振動子本体２８に対し、所定の間隙を隔てた状態で略平行となるように設けられている。
これら駆動電極２４、検出電極２５は、ｎ＝２のコンパウンドモードの振動を用いる場合、図３４に示すように、駆動電極２４、検出電極２５をそれぞれ略扇状として、二対設けるのが良い。また、ｎ＝１のコンパウンドモードの振動を用いる場合には、駆動電極２４、検出電極２５をそれぞれ半円状とし、これらを一対設けるのが良い。

このようなディスク型振動子２０Ｂを用いて構成したセンサ１０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駆動電極２４に印加すると、静電結合により、ディスク型振動子２０Ｂが前記の周波数で振動する。検出電極２５では、ディスク型振動子２０Ｂの電気的な振動を静電結合により検出し、これを検出部３０に出力する。このとき、ディスク型振動子２０Ｂの振動子本体２８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本体２８の振動数が変化する。
外周が固定された固定端条件の振動の場合にも、振動子本体２８の振動には、上記第一の実施形態におけるディスク型振動子２０Ａと同様、ｎ＝０のラジアルモードやタンジェンシャルモード、ｎ≧１のコンパウンドモードが存在するが、外周部を固定したディスク型振動子２０Ｂに対し、駆動電極２１、検出電極２２を略平行に設けた上記構成においては、コンパウンドモードを使うのが好ましい。この場合、Ｑ値も開放端条件の場合と同等の性能が得られる。

このような構成においても、検出部３０では、検出電極２５から出力される電気的な振動をモニタリングすることで、振動子本体２８の特定領域への物質の付着の有無、あるいは振動子本体２８への物質の付着量を、上記第一の実施形態と同様、高感度で検出することが可能となっている。
しかも、振動子本体２８と駆動電極２４、検出電極２５は、互いに略平行に配置された面を介して静電結合することができる。これにより、結合容量を大きくすることができ、駆動・検出効率をさらに高めることが可能となる。
また、このようなディスク型振動子２０Ｂをユニット化した場合、駆動電極２４、検出電極２５はＳｉ層２７の背面側に隠すことができる。上記第一の実施形態で示した開放端方式のディスク型振動子２０Ａにおいては、必要な静電結合量を確保するためにディスク型振動子２０Ａと、駆動電極２１、検出電極２２との間に、極めて狭い間隙（例えば１００ｎｍ程度以下）を設けることが必要である。このような構造のため、微小質量を有した物質や埃等がこの狭い間隙に入り込み、測定が不能となる事態が発生する可能性がある。これに対し、ディスク型振動子２０Ｂは、駆動電極２４、検出電極２５を背面側に配置できるので、このような問題が発生するのを回避できる。また、外部にはＳｉ層２７が露出するのみとなり、センサ１０を、デザイン性に優れたものとすることが可能となる。

［第三の実施形態］
次に、本発明のさらに他の実施の形態として、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄを静電結合して構成するセンサ１０について説明する。
図３５に示すように、センサ１０は、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄを静電結合して備える。ここで、ディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄとしては、上記第一の実施形態のディスク型振動子２０Ａと同様のものを例に挙げるが、もちろん第二の実施形態のディスク型振動子２０Ｂを用いることもできる。
このようなセンサ１０では、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄを用い、ディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄのそれぞれに固有の振動周波数と、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄ間の静電結合が作用することにより変化した周波数との周波数差が、ディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄの表面の特定領域に付着した微小質量によって変化する現象を用いる。

このような構成において、まず、静電結合により結合している二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄについて検討する。二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄのうち、一方のディスク型振動子２０Ｃは、互いに静電的な結合が無い場合と同様、その振動周波数は、開放端の条件でｎ＝２とすると、式（６）で決まり、その振動の様子は式（７）で表される。ここでも式（９）、式（１０）と同様の関係から、振動周波数ω₀は、実効質量M_reと実効剛性K_reにより、次式の通りとなる。

他方のディスク型振動子２０Ｄは、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄが静電結合しているため、その影響を受ける。二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄ間の結合容量による実効剛性をK_elecとすると他方のディスク型振動子２０Ｄの振動周波数は、次式の通りとなる。

ここで、K_elecは両端固定梁の振動の場合、次式と通りとなる。

ここで、ε：振動子間の誘電率、ｇ：振動子間の距離、ΔV_p：振動子のポラリゼーション電圧の差、l:振動子の長さ、h：振動子の厚みである。
ところで、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄを静電結合させるためには、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄを接近させて重ね合わせれば良い。また、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄを、静電結合電極を介して結合させるようにしても良い。この場合、上式（２３）は、次式となる。

ただし、Ｒ：ディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄの半径、α：静電結合端子と結合する部分の角度、である。
さて、式（２１）、（２２）より、ω_０とω_１の差：Δωは、次式のようになる。

このディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄにおいて、質量がδm_reだけ増えたとき、振動周波数の差Δωは、次式のようになる。

この式に表されるように、ディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄにおいては、ディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄの質量に対し、質量を有した物質が同じように付着すると、同感度で振動周波数の差が変化する。
この時の周波数スペクトラムは、図３６に示すように、異なる二つの周波数にピークを持つ周波数スペクトラムとなる。このような静電結合型のディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄを、差動増幅器４０の帰還回路に用いて発信機を構成したとき、二つの振動周波数ω_０、ω_１で発信する様に増幅器を動作させた場合には、差動増幅器４０の発信動作が非線形動作であることから、最も非線形が強い２次の非線形成分だけを考慮しても、ω_０、ω_１、ω_０−ω_１、２ω_０、２ω_１の５つの周波数スペクトラムが観測される。
この周波数スペクトラムの一つとして、振動周波数の差Δω=ω_０−ω_１を直接観測することができ、この振動周波数の差Δωは、適当な低域フィルタを使えば単独で抽出することが容易に可能である。すなわち、微小質量の付着によって生じる二つの周波数と、その差をダイレクトに観測することが可能であり、簡易に高感度な質量検出を行うことが可能となる。しかも振動周波数の差Δωは、周波数そのものが低くなっており、高周波的回路としての処理が容易になるメリットもある。

このような構成のセンサ１０においては、二つのディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄは、全く同じ環境の中で動作していることから、外乱による影響は同じように受けていると考えることが出来る。すなわち、外乱による周波数の変動は、検出部３０で振動周波数の差を求める段階において、ディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄ間で相殺されてしまうため、この構成により、センサ１０は、外乱に強い、高精度な質量検出を行うことが可能となる。

［第四の実施形態］
次に、本発明のさらに他の実施の形態として、二つのディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆを用い、片方のディスク型振動子２０Ｆにのみ質量を付着させる構成のセンサ１０について説明する。
図３７に示すように、センサ１０は、二つのディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆを並列に備えている。ディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆは、それぞれｎ＝２のコンパウンドモード、いわゆるワイングラスモード（Wine-Glass Mode）で振動するように設けられている。
ワイングラスモードで振動するディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆにおいては、駆動電極２１と検出電極２２を合わせて合計４つの結合電極があるが、ディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆは、互いに隣り合う電極に対応する部位において、互いに逆位相で振動し、向かい合う電極に対応する部位では同相で振動する。したがって、一方のディスク型振動子２０Ｅでは、駆動電極２１から入力された信号と同相の信号を取り出し、他方のディスク型振動子２０Ｆからは逆相の信号を取り出せるように、図６に示すように結線する。これにより、検出部３０では、一方のディスク型振動子２０Ｅから生じる振動周波数と、他方のディスク型振動子２０Ｆから生ずる振動周波数の、二つの周波数がスペクトラムとして観測される。

このようなセンサ１０においては、一方のディスク型振動子２０Ｅは、図示しないカバーで覆う等して、検出対象となる物質を付着しないようにして基準振動子とし、他方のディスク型振動子２０Ｆに検出対象となる物質を付着させるようにする。この場合、ディスク型振動子２０Ｆに物質が付着してディスク型振動子２０Ｆの質量がδM_reだけ増えたとき、前記の式（１１）のように、片方のディスク型振動子２０Ｆの振動周波数だけが変化する。残るディスク型振動子２０Ｅには、物質が付着しないので、振動周波数は一定である。このディスク型振動子２０Ｆの周波数と、質量の変化していないディスク型振動子２０Ｅの周波数の差は、次式のようになる。

二つのディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆを用い、片方のディスク型振動子２０Ｆにのみ質量を有した物質を付着させる構成とすることで、一方のディスク型振動子２０Ｅを基準とし、他方のディスク型振動子２０Ｆにおける振動周波数の変化を検出するようになっている。しかも、一方のディスク型振動子２０Ｅと、他方のディスク型振動子２０Ｆは、二つの振動周波数の位相が互いに同相になるように結線しており、同時に異なる二つの周波数で振動していることになる。この二つの周波数の間は、一方のディスク型振動子２０Ｅでは周波数に対して振幅が減衰する方向にあり、他方のディスク型振動子２０Ｆでは振幅が増大する方向にある。この振幅が増加するときの位相と振幅が減衰するときの位相とでは、互いに逆相の状態になるため、二つの周波数の間に深いスペクトラムの谷を作ることになる。すなわち、二つの周波数の違いを明瞭に示し、高感度な質量の検出が行えることになる。

このように構成された二つのディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆを、図５と同様に、増幅器の帰還回路に用いて発信機を構成したときの発信スペクトラムは、ここでも２次の非線形まで考慮すると、図６のようなスペクトラムが得られる。しかも、ディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆは逆相接続のため、極めて小さい周波数の違いが生じても二つの周波数は明瞭に分かれることから、極めて感度の高い微小質量が検出できるセンサ１０を構成することが可能となる。

ところで、図３７に示すように、ディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆには、周波数調整質量（Frequency Tuning Mass）３１を設けることもできる。これはディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆの粗い周波数調整を行うためのもので、必ずしも必要なものではない。むしろポラリゼーション電圧(Polarization Voltage) による微妙な周波数調整が現実的である。例えば、はじめに二つの周波数が完全に一致するように、もしくは特定の周波数差になるように調整し、この状態でディスク型振動子２０Ｅ、２０Ｆに微小質量を付着させて周波数変化を観測する等の方法が最を用いるのが好ましい。

なお、上記第三、第四の実施形態では、開放端条件のディスク型振動子２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆを用いて説明してあるが、これに限るものではなく、第二の実施形態で示したような固定端条件のディスク型振動子２０Ｂを用いても構成可能である。

また、振動子は、ディスク型であれば良く、例えば、中央部に穴のあいた形状等とすることができる。このようなディスク型振動子は、Annular Ring, Hollow-Disk, RBAR(Radial Bulk Annular Resonator)等とも称されている。

ところで、上記では、ディスク型振動子についての説明を行ったが、本発明は、ディスク型振動子に限らず、カンチレバータイプの振動子に対しても同様に適用することができる。
図３８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タイプの振動子について同様のシミュレーションを行った場合であり、この振動子では振動が最大となる自由端に集中して微小物質を塗布することにより、表面に一様に塗布した場合に比べ、高調波振動の次数によらず４倍程度の感度向上が見られる。

また、上記では、振動子を、振動振幅の分布に応じ、最大振動振幅を１００％としたときに、１０％毎に１０段階に区分して領域Ａ１〜Ａ１０を区分するようにしたが、これに限るものではなく、物質の付着による振動子の振動の変化を検出する領域は、本発明の主旨の範囲内で適宜設定すればよい。
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。

第一の実施形態のセンサの構成を示す図である。 ディスク型振動子の振動振幅の大きさの分布を、１０段階に区分して表示したものであり、ラジアルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、タンジェンシャルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝１、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝２、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝３、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝４、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 １０段階に区分した領域の振動振幅の大きな順に、その領域で占める実効質量と全実効質量の質量比と、その領域の面積と全振動子表面との面積比を示したものであり、ラジアルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、タンジェンシャルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝１、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝２、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝３、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝４、高調波振動の次数ｍ＝１、２、３、４で振動させたときの例である。 振動振幅の大きな領域順に、そこに占める実効質量を順次足し合わせた累積実効質量の、ディスク型振動子全体の実効質量に対する割合と、それぞれの領域の面積を順次足し合わせていった累積面積の、ディスク型振動子全体の面積に対する割合（面積比）との関係を示したものであり、ラジアルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、タンジェンシャルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝１、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝２、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝３、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝４、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 振動子の特定の表面に微小物質を付着させることによる感度向上度SIRを示す図であり、ラジアルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、タンジェンシャルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝１、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝２、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝３、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝４、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 最大振幅を１とした規格化振動振幅と、検出感度の向上度（SIR）との関係を示す図であり、ラジアルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、タンジェンシャルモードで、振動モードｎ＝０、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝１、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝２、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝３、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 同、コンパウンドモードで、振動モードｎ＝４、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。 第二の実施形態のセンサにおいて、表面に溝を形成した状態を示す図である。 図３２のＡ−Ａ’断面図である。 センサに設けた駆動電極、検出電極を示す図である。 第三の実施形態のセンサの構成を示す図である。 第三の実施形態、第四の実施形態のセンサで得られる周波数スペクトラムの例を示す図である。 第四の実施形態のセンサの構成を示す図である。 振動子の特定の表面に微小物質を付着させることによる感度向上度SIRを示す図であり、カンチレバー型の振動子において、高調波振動の次数ｍ＝１〜６で振動させたときの例である。

符号の説明

１０…センサ（検出センサ）、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ…ディスク型振動子（振動子）、２１、２４…駆動電極（駆動部）、２２、２５…検出電極、２８…振動子本体、２９…溝、３０…検出部

Claims (8)

1. 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、
   前記振動子を振動させる駆動部と、
   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、
   前記検出部は、前記振動子の表面の一部の領域に直接または間接的に付着または吸着した前記物質による前記振動子の振動の変化を検出することを特徴とする検出センサ。
2. 前記領域は、前記振動子の振動振幅が、当該振動子の最大振動振幅の５０％以上となる部位であることを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
3. 前記領域は、前記振動子の振動振幅が最大となる部位を含む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。
4. 前記領域を複数設定し、これら前記領域に互いに異なる物質を付着また吸着させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の検出センサ。
5. 前記振動子は、ディスク状であ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検出センサ。
6. 前記振動子は、基端部が固定された片持ちのカンチレバー状であ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検出センサ。
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。
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。

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