JP7632243B2 - 物質検出システム - Google Patents

Description

本発明は、物質検出システムに関する。

特許文献１には、感応膜に対して物質が吸着又は脱離した時に生じる共振周波数の変化量に基づいて、物質を検出する物質検出システムとしての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、それぞれが異なる物質に対して脱吸着特性を示す感応膜が設けられた複数の振動子を備えている。各振動子は、圧電基板を備えており、交流電圧が印加されて圧電基板が変形することで加振される。物質が感応膜に吸着又は脱離すれば、各振動子の共振周波数が変化する。これにより、物質の検出が可能になる。

この化学センサデバイスを用いれば、複数種類の物質から構成される匂いを検出することが可能である。各感応膜の反応値のパターン、すなわち匂いを構成する複数の物質の構成比に基づいて、気体に含まれる匂いが特定される。

特開２００９－２０４５８４号公報

上述のように、気体の匂いは、気体に含まれる複数種類の物質で構成される。そのため、気体の匂いを正確に特定するためには、対応する物質をそれぞれ検出する複数の物質センサが必要となる。この場合、複数の物質センサを配置する領域が必要となり、検出する物質が多くなればなるほど、その領域の面積が増大するという不都合があった。

本発明は、上記実情の下になされたものであり、複数の物質センサを配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる物質検出システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る物質検出システムは、
気体が流れる貫通孔が複数配設され、少なくとも１つの前記貫通孔に、前記貫通孔を通過する前記気体に含まれる対象物質を検出する物質センサが設けられた基板を複数備え、
互いの前記貫通孔が連通するように、前記基板が積層されることにより、前記基板の積層方向に延びる前記気体の流路が複数形成され、
少なくとも１つの前記流路において、前記物質センサが複数配置されている。

この場合、前記気体が流れる方向に直交する前記貫通孔の断面の大きさが、隣接する前記基板同士で異なっている、
こととしてもよい。

前記貫通孔の前記断面の大きさが、前記流路の上流側の前記基板よりも、前記流路の下流側の前記基板の方が大きくなっている、
こととしてもよい。

前記気体が流れる方向に直交する前記流路の断面の大きさが、前記流路の上流から下流に向かって、連続的に大きくなっている、
こととしてもよい。

前記物質センサは、
前記貫通孔の一部を塞ぐ振動梁と、
前記振動梁上に前記気体の上流を向くように成膜された感応膜と、
前記貫通孔を通過する前記気体に含まれる前記対象物質の前記感応膜への付着による前記振動梁の振動状態の変化を示す信号を出力可能な信号出力部と、
を備える、
こととしてもよい。

前記気体が流れる方向に直交する前記貫通孔の断面の大きさに関わらず、前記振動梁の共振周波数が前記貫通孔間で均一となるように前記振動梁の大きさが規定されている、
こととしてもよい。

前記物質センサが設けられた前記貫通孔と、前記物質センサが設けられていない前記貫通孔とが交互に連通して前記流路が形成されるように前記基板が積層されている、
こととしてもよい。

隣接する前記基板における外辺の少なくとも一部の位置が互いに異なるように前記基板が積層されている、
こととしてもよい。

隣接する前記基板の外形の形状、向き又は大きさが互いに異なっている、
こととしてもよい。

外形が大きい順に前記基板が積層されている、
こととしてもよい。

前記貫通孔において前記気体が流れる方向に直交する断面の形状が、円形又は多角形状である、
こととしてもよい。

前記貫通孔の縁と、前記振動梁との境界線が直線状である、
こととしてもよい。

同じ前記流路内に、それぞれ異なる物質を検出する複数の前記物質センサが配列されている、
こととしてもよい。

前記気体を外部から引き込んで前記気体の流れを一定にしつつ前記流路に出力する流れ制御部を備える、
こととしてもよい。

前記流れ制御部から出力される前記気体を、同じ流量および流速の気体に分けて前記流路それぞれに送る複数の分岐路を備える、
こととしてもよい。

本発明によれば、基板には、貫通孔が複数配設されており、少なくとも１つの貫通孔に対象物質を検出する物質センサが設けられている。そして、基板が積層されて構成される気体の流路に複数の物質センサが配置される。これにより、物質センサの数よりも流路の数を減らすことができるので、複数の物質センサを配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる。

（Ａ）は、本発明の実施の形態１に係る物質検出システムを構成する基板の断面図である。（Ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る物質検出システムにおける、積層された基板の構成を示す断面図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態２に係る物質検出システムにおいて、貫通孔を一部除去して示す物質センサの斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の物質センサを逆側から見た斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る物質検出システムにおける、積層された基板の構成を示す斜視図である。 （Ａ）は、振動梁が片持ち梁である場合を示す図である。（Ｂ）は、振動梁が両持ち梁である場合を示す図である。（Ｃ）は、振動梁が３箇所で貫通孔の縁に固定される場合を示す図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態３に係る物質検出システムにおける、積層された基板の斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の物質検出システムを構成する基板の斜視図である。 積層される基板の他の例を示す図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態４に係る物質検出システムにおける、積層された基板の斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の物質検出システムにおいて貫通孔を－ｚ側から見た図である。 本発明の実施の形態５に係る物質検出システムを構成する基板の斜視図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態６に係る物質検出システムにおける、積層された基板の斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の物質検出システムを構成する基板の斜視図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態７に係る物質検出システムにおける、基板に設けられた貫通孔の斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の変形例となる貫通孔が設けられた基板の上面図である。 本発明の実施の形態８に係る物質検出システムの分解斜視図である。 本発明の実施の形態８に係る物質検出システムの断面斜視図である。 整流部を一部除去し分解して示す断面斜視図である。 第２の整流基板の上面図である。 図１４のＸＶ－ＸＶ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分には同一の符号が付される。

実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１について説明する。図１（Ａ）に示すように、本実施の形態１に係る物質検出システム１は、基板２を備える。図１（Ａ）では、基板２が３枚示されている。しかしながら、物質検出システム１は、基板２を２枚備えるだけでもよいし、３枚以上備えていてもよい。すなわち、物質検出システム１は、基板２を複数備える。

基板２は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から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。なお、後述する物質センサ４を実装可能な基板２であれば、基板２は、ＳＯＩ基板には限定されない。

基板２には、貫通孔３が配設されている。図１（Ａ）では、１枚の基板２につき、貫通孔３が２つ設けられている。しかしながら、基板２には、３つ以上の貫通孔３が設けられていてもよい。すなわち、基板２には、貫通孔３が複数設けられている。

貫通孔３は、気体Ｇが通過可能な大きさを有する。基板２では、この少なくとも１つの貫通孔３に、物質センサ４が設けられている。図１（Ａ）では、基板２には２つの貫通孔３が形成されており、いずれか一方の貫通孔３に物質センサ４が実装されている。

物質センサ４は、貫通孔３を通過する気体Ｇに含まれる対象物質Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のいずれかを検出する。すなわち、本実施の形態では、検出対象となる対象物質をＭ１～Ｍ３の３種類とする。物質検出システム１では、物質センサ４が３つ設けられている。＋ｚ側から見て１枚目の基板２に設けられた物質センサ４は、対象物質Ｍ１を検出する。また、＋ｚ側から見て２枚目の基板２に設けられた物質センサ４は、対象物質Ｍ２を検出する。さらに、＋ｚ側から見て３枚目の基板２に設けられた物質センサ４が対象物質Ｍ３を検出する。なお、以下では、対象物質Ｍ１～Ｍ３を、必要に応じてまとめて対象物質Ｍと表記する場合がある。

物質センサ４は、対象物質Ｍを吸着する梁状の部材を有している。梁状の部材は、貫通孔３の一部を塞ぐように貫通孔３の縁から延びている。梁状の部材は、対象物質Ｍが吸着することにより、その振動周波数が変化する。物質センサ４は、この振動周波数の変化により、対象物質Ｍを検出する。

複数の貫通孔３の配設位置の位置関係は基板２間で同じとなっている。図１（Ｂ）に示すように、基板２は、互いの貫通孔３が連通するように、その厚み方向に積層される。これにより、基板２の積層方向に延びる気体Ｇの流路５が複数形成される。

図１（Ｂ）では、基板２毎に設けられた２つの貫通孔３が連通し、２つの流路５が形成されている。一方の流路５には、物質センサ４が２つ（２段）設けられている。すなわち、物質検出システム１では、少なくとも１つの流路５において、物質センサ４が複数配置されている。

気体Ｇは、＋ｚ側の開口から流路５に流入し、流路５内を－ｚ方向に流れて－ｚ側の開口から流出する。気体Ｇに対象物質Ｍが含まれている場合には、物質センサ４に対象物質Ｍが付着し、物質センサ４により対象物質Ｍが検出される。なお、以下の実施の形態では、流路５における気体Ｇが流れる方向は、－ｚ方向であるものとする。

このように、物質検出システム１には、対象物質Ｍ１を検出する物質センサ４と、対象物質Ｍ２を検出する物質センサ４と、対象物質Ｍ３を検出する物質センサ４とが設けられている。対象物質Ｍ１を検出する物質センサ４と、対象物質Ｍ３を検出する物質センサ４とは、同じ流路５に設けられている。このため、この物質検出システム１では、３種類の対象物質Ｍ１～Ｍ３を検出する流路５の数を、物質センサ４の数と同じ３つではなく、２つとすることができる。

以上述べたように、本実施の形態に係る物質検出システム１によれば、基板２には、貫通孔３が複数配設されており、少なくとも１つの貫通孔３に対象物質Ｍを検出する物質センサ４が設けられている。そして、基板２が積層されて構成される気体Ｇの流路５には、複数の物質センサ４が配置される。これにより、物質センサ４の数に対して、流路５の数を減らすことができるので、複数の物質センサ４を配置するために必要な領域の面積を小さくすることができる。

なお、本実施の形態では、同じ流路５内に、それぞれ異なる対象物質Ｍ１，Ｍ３を検出する複数の物質センサ４が配列されている。これにより、流路５内における気体Ｇの流れの下流側の物質センサ４における対象物質Ｍ３の検出レベルの低下を防ぐことができる。しかしながら、本発明はこれには限られない。同じ流路５に同じ種類の対象物質（例えばＭ１）を検出する物質センサ４を配置するようにしてもよい。このようにすれば、上流の物質センサ４に吸着しなかった対象物質Ｍ１を、さらに下流の物質センサ４に吸着させることができるので、対象物質Ｍ１の検出能力を向上することができる。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る物質検出システム１の全体構成は、図１に示す構成と同じである。本実施の形態に係る物質検出システム１は、基板２の貫通孔３に設けられた物質センサ４に特徴を有する。

図２（Ａ）に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１を構成する物質センサ４は、振動梁６を備える。振動梁６は、直線板状の駆動梁６Ａと、直線板状の検出梁６Ｂとを備える。駆動梁６Ａ及び検出梁６Ｂは、貫通孔３の縁から対向する縁へ向かって延びて、その両端で貫通孔３の縁に固定されている。

駆動梁６Ａと検出梁６Ｂとは直交しており、中央で連結している。駆動梁６Ａが延びる方向をｘ’方向とし、検出梁６Ｂが延びる方向をｙ’方向とする。ｚ’方向は、図１のｚ方向と一致する。本実施の形態では、駆動梁６Ａの幅、すなわちｙ’軸方向の駆動梁６Ａのサイズは、検出梁６Ｂの幅、すなわちｘ’軸方向の検出梁６Ｂのサイズよりも大きくなっている。また、駆動電極８の幅と、検出電極９の幅とは、駆動梁６Ａの幅と、検出梁６Ｂの幅とに応じたサイズとなっている。しかしながら、本発明はこれには限られない。駆動梁６Ａの幅と、検出梁６Ｂの幅とは同じであってもよいし、駆動梁６Ａの幅が、検出梁６Ｂの幅より小さくなっていてもよい。

振動梁６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、振動梁６は、貫通孔３内に気体Ｇが滞留せず、その気体Ｇが貫通孔３を通り抜け易くなるように形成されている。

振動梁６の＋ｚ’側の面には、感応膜７が成膜されている。感応膜７は、対象物質Ｍを含む気体Ｇの流れに対向するように、すなわち気体Ｇの上流を向くように成膜されているので、感応膜７は気体中に含まれる対象物質Ｍを吸着し易くなっている。感応膜７は、対象物質Ｍを吸着する。感応膜７の材質は、吸着対象となる対象物質Ｍの種類毎に異なる。感応膜７は、振動梁６の一部に成膜されればよいが、振動梁６の全体に成膜されていてもよい。感応膜７が成膜される面積を増やせば増やすほど、気体Ｇ中に含まれる対象物質Ｍを吸着し易くなる。

対象物質Ｍ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物質である。対象物質Ｍ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。感応膜７は、匂い原因物質を構成する対象物質Ｍが吸着した後、気体Ｇ中の対象物質Ｍの濃度が低下すると、吸着した対象物質Ｍが分離する。これにより、感応膜７の再利用が可能となる。

振動梁６は、対象物質Ｍが感応膜７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。なお、振動梁６の振動が、物質検出システム１が組み込まれる装置の振動の影響を受けないようにするため、振動梁６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。

振動梁６の－ｚ’側の面の一部には、接地された下部電極層が形成されている。なお、下部電極層は振動梁６の－ｚ’側の面に、全面的に形成されていてもよい。この下部電極層の上に圧電素子層が形成されている。駆動梁６Ａの両端の圧電素子層の上には、図２（Ｂ）に示すように、一対の駆動電極８が形成されており、検出梁６Ｂの両端には、一対の検出電極９が形成されている。また、基板２及び振動梁６上には、基板２上の回路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８に接続されている。また、電極間信号線２２は、検出梁６Ｂ上で検出電極９同士を接続する。検出信号線２３は、一方の検出電極９に接続されている。

振動梁６を駆動する電圧信号、すなわち駆動信号は、駆動信号線２１を介して駆動電極８に印加される。駆動電極８に印加された駆動信号により、振動梁６が振動する。振動梁６の振動により生じた一方の検出電極９からの電圧信号、すなわち検出信号は、電極間信号線２２を介してもう一方の検出電極９に送られる。そして、一対の検出電極９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。

なお、駆動電極８同士を電極間信号線２２で接続し、駆動信号線２１を、一方の駆動電極８で接続するようにしてもよい。この場合、検出電極９は、それぞれが検出信号線２３に接続されて、それぞれ検出信号線２３に検出信号を出力する。なお、この場合、検出電極９は、一方の検出電極９が検出信号線２３に接続されて、他方の検出電極９をダミーとし、検出信号線２３を接続されないようにしてもよい。

このように、物質センサ４は、貫通孔３の一部を塞ぐ振動梁６と、振動梁６上に気体Ｇの上流を向くように成膜された感応膜７と、貫通孔３を通過する気体Ｇに含まれる対象物質Ｍの感応膜７への付着による振動梁６の振動状態の変化を示す信号を出力可能な信号出力部（検出電極９）と、を備える。

なお、駆動梁６Ａの幅は、検出梁６Ｂの幅よりも大きくなっている。また、駆動電極８の幅は、検出電極９の幅よりも大きくなっている。これにより、振動梁６を振動させる力を強くするとともに検出梁６Ｂの振動変位を大きくして検出精度を高めることができる。また、駆動電極８及び検出電極９は、振動梁６と貫通孔３の縁部にまたがって形成されるようにしてもよい。振動梁６の振動により発生する応力は、貫通孔３の縁部と振動梁６との間で最大となるため、振動梁６の駆動力と、検出信号の検出レベルとを、大きくすることができる。

図３に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１において、基板２には１０の貫通孔３が形成されるとともに、貫通孔３には、それぞれ物質センサ４が設けられている。これにより、物質センサ４の数を３０とすることができる。このように、すべての基板２に設けられたすべての貫通孔３に物質センサ４を設けるようにすれば、検出する対象物質Ｍの種類を最大限に増やすことができる。

また、この物質検出システム１では、基板２の間に、物質センサ４が形成されていない基板が挟まれていない。このため、物質センサ４同士を近接して配置することができる。これにより、検出感度を高めるとともに検出レベルのばらつきを抑えることができるうえ、装置全体を小型化することができる。

また、本実施の形態では、振動梁６を、駆動梁６Ａと、検出梁６Ｂという２つの両持ち梁が中央で連結される構成としている。このようにすれば、一方の駆動梁６Ａで振動梁６全体を振動させ、他方の検出梁６Ｂで振動梁６の振動を検出するようにして、振動梁６を駆動させる回路の配線と、振動梁６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。

また、本実施の形態では、駆動梁６Ａと検出梁６Ｂとが直交している。このようにすれば、検出梁６Ｂが駆動梁６Ａによる振動の妨げとならないようにすることができる。しかしながら、駆動梁６Ａと検出梁６Ｂとは直交している必要はなく、交差していればよい。

また、上記実施の形態では、駆動梁６Ａの両端に駆動電極８が設けられ、検出梁６Ｂの両端に検出電極９が設けられている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。物質検出システム１では、駆動梁６Ａの一方端に駆動電極８が設けられ、検出梁６Ｂの一方端に検出電極９が設けられていてもよい。言い換えれば、物質検出システム１は、駆動梁６Ａの他方端に駆動電極８が設けられておらず、検出梁６Ｂの他方端に検出電極９が設けられていなくてもよい。

また、本実施の形態では、物質センサ４を構成する振動梁６を、４つの端が貫通孔３の縁に固定された十字状の梁としている。しかしながら、本発明はこれには限られない。図４（Ａ）に示すように、振動梁６は片持ち梁でもよい。この場合には、振動梁６の幅を広くするか、厚みを大きくして、振動梁６の振動周波数を高くするのが望ましい。この場合、駆動電極８及び検出電極９は、振動梁６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。また、駆動電極８及び検出電極９のうち、一方の電極を振動梁６の一端に設け、他方の電極を振動梁６の他端に設けるようにしてもよい。振動梁６の自由端は、貫通孔３の縁の近傍まで延びていてもよい。

また、図４（Ｂ）に示すように、２箇所で貫通孔３の縁に固定される振動梁６を用いてもよい。この場合、駆動電極８と検出電極９とを、振動梁６の両端に併設すればよい。また、駆動電極８を振動梁６の一方端に設け、検出電極９を振動梁６の他方端に設けるようにしてもよい。また、駆動電極８及び検出電極９のうち、一方の電極を振動梁６の一端に設け、他方の電極を振動梁６の中央に設けるようにしてもよい。

また、図４（Ｃ）に示すように、３箇所で貫通孔３の縁に固定される振動梁６を用いてもよい。この場合、振動梁６の端部の２つに一対の駆動電極８を配置し、端部の残りに検出電極９を配置すればよい。また、駆動電極８の位置と、検出電極９の位置とを入れ替えてもよい。また、駆動電極８及び検出電極９のうち、一方の電極を振動梁６の一端に設け、他方の電極を振動梁６の中央に設けるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、振動梁６の＋ｚ’側の面に感応膜７を形成し、－ｚ’側の面に駆動電極８及び検出電極９を形成している。しかしながら、本発明はこれには限られない。感応膜７は、駆動電極８及び検出電極９とともに、－ｚ’側の面に成膜されるようにしてもよい。この場合、駆動電極８及び検出電極９が形成されていない部分に、感応膜７を形成するようにすればよい。また、駆動電極８及び検出電極９の上に絶縁層を形成し、絶縁層の上に感応膜７を形成するようにしてもよい。

実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、３枚の基板２が積層されて構成されている点は、上記実施の形態２に係る物質検出システム１と同じである。

図５（Ａ）に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１では、隣接する基板２における外辺の少なくとも一部の位置が互いに異なるように基板２が積層されている。

より具体的には、図５（Ｂ）に示すように、積層される基板２のうち、隣接する基板２の外形の形状、向き又は大きさが互いに異なっている。具体的には、最も－ｚ側の基板２の外形に対して、中央の基板２の外形は、ｘ軸方向両側に張り出した形状となっている。これらの基板２では、形状及び大きさが異なっている。形状及び大きさの違いにより、中央の基板２のｘ軸方向両側には、外方に露出する露出部２ａが設けられている。

また、最も－ｚ側の基板２の長手方向はｙ軸方向となっており、中央の基板２と長手方向が異なっている。これらの基板２では、互いの向きが異なっている。向きの違いにより、最も－ｚ側の基板２のｙ軸方向両側には、外方に露出する露出部２ａが形成されている。

各基板２において、露出部２ａには、駆動信号線２１と信号源とを接続する電極を設け、検出信号線２３と不図示の検出装置とを接続する電極を設けるようにしてもよい。また、露出部２ａには、基板２をハウジングに固定する固定部を設けるようにしてもよい。

この場合、図６に示すように、外形が大きい順に基板２が積層されているようにしてもよい。このようにすれば、すべての基板２において、－ｚ側に露出する露出部２ａを形成することができるため、電極を同じ－ｚ側に形成することができる。また、図６に示すように、露出部２ａをｘ軸方向の片側、－ｘ側のみに形成し、電極を形成する位置をすべての基板２で揃えることも可能となる。

実施の形態４
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図７（Ａ）に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、３枚の基板２が積層されて構成されている。図７（Ａ）では、流路５内の気体Ｇの流れは、紙面の下から上となっている。

本実施の形態に係る物質検出システム１では、貫通孔３における気体Ｇが流れる方向に直交する断面の大きさが、隣接する基板２同士で異なっている。より具体的には、貫通孔３の当該断面の大きさが、流路５の上流側の基板２よりも、流路５の下流側の基板２の方が大きくなっている。

流路５の上流から下流に向かって断面を大きくしていくことにより、下流における気体Ｇの流れを遅くして、物質センサ４が対象物質Ｍを付着し易くし、検出精度を高めることができる。

積層される基板２では、貫通孔３の断面が大きくなるにつれて、振動梁６の幅も大きくなっている。具体的には、貫通孔３の断面に関わらず、振動梁６の共振周波数が均一となるように振動梁６の幅が規定されている。

なお、振動梁６の共振周波数を均一にするために、振動梁６の厚み（基板２の厚み方向のサイズ）を規定するようにしてもよい。

このように、貫通孔３の大きさが変わると、振動梁６の長さが長くなり、その共振周波数は低くなる。このため、振動梁６の共振周波数が均一となるように、振動梁６の長さ、幅、厚みを決定することができる。すなわち、貫通孔３における断面の大きさに関わらず、振動梁６の共振周波数が貫通孔３間で同じとなるように振動梁６の大きさが規定されている。

また、物質検出システム１の製造時には、基板２を積層する工程が行われる。この工程では、図７（Ｂ）に示すように、－ｚ側からすべての基板２の貫通孔３の縁が見えるので、３枚の基板２の貫通孔３が同心状に重なるのを確認しながら基板２を位置合わせすることができる。これにより、基板２を正確に位置合わせした状態で、基板２を積層することができる。

実施の形態５
次に、本発明の実施の形態５について説明する。図８に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、３枚の基板２が積層されて構成されている。

本実施の形態では、流路５における気体Ｇの流れは、紙面の上から下となっている。本実施の形態では、物質センサ４の振動梁６の＋ｚ側の面に感応膜７が設けられている。

本実施の形態に係る物質検出システム１では、貫通孔３における気体Ｇが流れる方向に直交する断面の大きさが、隣接する基板２同士で異なっている。より具体的には、貫通孔３の断面の大きさが、流路５の上流側の基板２よりも、流路５の下流側の基板２の方が大きくなっている。

さらに、本実施の形態では、気体Ｇが流れる方向に直交する流路５の断面の大きさが、流路５の上流から下流に向かって、連続的に大きくなっている。すなわち、連通する貫通孔３の内側面同士の継ぎ目に凹凸ができないように、それらの内側面が連続してつながっている。このようにすれば、流路５内において、気体Ｇの流れの障害となるものを極力なくし、その流れを一様なものとすることができる。

なお、物質検出システム１では、感応膜７への対象物質Ｍの付着量が増え、検出精度が高まるのであれば、貫通孔３によって形成される流路５の断面の大きさを、気体Ｇの流れの上流から下流に向かって、徐々に小さくなっているようにしてもよい。流路５の形状は、検出する対象物質Ｍの特性に応じて、検出感度が高くなるように規定することができる。

実施の形態６
次に、本発明の実施の形態６について説明する。図８に示す物質検出システム１では、すべての貫通孔３に物質センサ４が設けられている。これに対し、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１では、物質センサ４が設けられた貫通孔３と、物質センサ４が設けられていない貫通孔３とが交互に連通して流路５が形成されるように基板２が積層されている。

物質センサ４が設けられていない貫通孔３を間に挟むことにより、物質センサ４を密に配置し過ぎることで対象物質Ｍの濃度が低下し、検出感度が落ちることを防ぐことができる。物質センサ４の過度に密な配置により、例えば、上流の振動梁６によって気体Ｇの流れが変わり、下流の振動梁６上の感応膜７に気体Ｇが当たりにくくなることが考えられるためである。

なお、本実施の形態では、流路５を構成する貫通孔３において、１つ置きに物質センサ４を設けるようにした。しかしながら、本発明はこれには限られない。少なくとも１つの貫通孔３に物質センサ４を設けないようにすればよい。

実施の形態７
次に、本発明の実施の形態７について説明する。上記実施の形態に係る物質検出システム１では、貫通孔３において気体Ｇが流れる方向に直交する断面の形状が、円形である。これに対して、図１０（Ａ）に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、貫通孔３において気体Ｇが流れる方向に直交する断面の形状が、四角形状である。

また、図１０（Ｂ）に示すように、上記実施の形態に係る物質検出システム１では、貫通孔３において気体Ｇが流れる方向に直交する断面の形状が、八角形である。このように、貫通孔３の断面形状は多角形とすることができる。貫通孔３の断面の形状を多角形とすることにより、円形とするよりも、基板２における貫通孔３同士を近接させて配置することができる。

また、本実施の形態では、振動梁６と貫通孔３の縁部との境界線が直線状である。境界線を直線とすれば、境界線付近において局所的な応力集中が生じるのを防ぎ、振動梁６の振動状態を歪みの少ないものとすることができる。

また、貫通孔３において気体Ｇが流れる方向に直交する断面の形状を円から、その円に内接する多角形とすれば、貫通孔３の断面の大きさを小さくすることができる。これにより、気体Ｇが振動梁６上の感応膜７に当たり易くなる。また、基板２の機械的な強度を高めることができる。

実施の形態８
次に、本発明の実施の形態８について説明する。図１１及び図１２に示すように、本実施の形態に係る物質検出システム１は、センサ部１０を備えている。センサ部１０は、上記実施の形態１～７において、基板２が積層されて形成された複数の流路５を有するものである。

物質検出システム１は、さらに、流れ制御部１１、複数の分岐路を有する整流部１２及びハウジング１３Ａ、１３Ｂを備えている。

流れ制御部１１は、気体Ｇの流れにおいて最上流に配置されている。流れ制御部１１は、気体Ｇを引き込んで吹き出すポンプ又は送風機である。本実施の形態では、流れ制御部１１は、気体Ｇの流れにおいて、整流部１２よりも上流に配置されている。流れ制御部１１は、整流部１２に気体Ｇを流入させる。本実施の形態では、流れ制御部１１は、流入する気体Ｇを整流部１２に吹き出す。

流れ制御部１１は、駆動の開始及び終了を制御可能である。流れ制御部１１の駆動時間は、検出時において一定とすることができる。

整流部１２は、気体Ｇの流れにおいて、流れ制御部１１とセンサ部１０との間に設けられている。整流部１２は、流れ制御部１１から吹き出す気体Ｇを流入する。整流部１２は、流入した気体の流れを一様に抑制して複数のセンサ部１０の流路５のそれぞれに送る。ここで、「一様に抑制する」とは、流路５間で気体Ｇの流れが互いに均一又は均等とみなせるように気体Ｇの流れを制限することをいう。整流部１２は、複数の流路５のそれぞれに送られる気体Ｇの流量及び流速が均一化されるように、気体Ｇの流れを整流する。

図１３、図１４及び図１５に示すように、整流部１２は、第１の整流基板４０と、第２の整流基板４１とを備える。第１の整流基板４０には、流入孔３１が設けられている。第２の整流基板４１には、分岐路３２と、流出孔３３と、が設けられている。

図１３に示すように、最上流の流入孔３１は、貫通している。流入孔３１の一方端、すなわち上流端は、流れ制御部１１の吹き出し口に合わせて配置されている。図１５に示すように、流入孔３１は、流れ制御部１１から吹き出された気体Ｇを流入する。

図１４及び図１５に示すように、分岐路３２には、２本の流路３２ａと、両端部３２ｂと、流路３２ｃとが設けられている。２本の流路３２ａは、互いに平行に延びている。この流路３２ａのそれぞれの中央部と、流入孔３１とが連通している。流れ制御部１１から吹き出された気体Ｇは、流入孔３１から流路３２ａに流入する。気体Ｇは、流路３２ａの両端部３２ｂへ向かって流れた後、両端部３２ｂから分岐する流路３２ｃに流入し、その流路３２ｃの端部に至る。流路３２ｃの端部は、流出孔３３に連通しており、気体Ｇは、流出孔３３を介して、センサ部１０の流路５へ送られる。

分岐路３２の形状は、複数の流出孔３３のそれぞれに供給される気体Ｇの流量及び流速が同じとなるように規定されている。なお、流出孔３３の中には、２つの流路３２ｃの合流地点に設けられているものがある。合流地点に向かって設けられた２つの流路３２ｃの幅は、他の流路３２ｃの幅の半分となっている。これにより、すべての流出孔３３に流れる気体Ｇの流量を均一にしている。

流出孔３３は、流路５毎に設けられている。流出孔３３は、分岐路３２と流路５とを連通している。複数の流出孔３３のそれぞれは、形状及び大きさが同一である。

上述のような物質検出システム１の動作は、上記実施の形態１に係る物質検出システム１の動作と同じである。まず、流れ制御部１１の電源をオンして、気体Ｇの吹き込みを開始する。ハウジング１３Ａの流入口１３ａから流入した気体Ｇは流れ制御部１１に引き込まれ、流れ制御部１１は、流入した気体Ｇを整流部１２の流入孔３１に流入させる。流入孔３１に供給された気体Ｇは、分岐路３２に流入する。

分岐路３２の流路３２ａでは、気体Ｇの流れの方向が変更され、気体Ｇは、両端部３２ｂへ進む。両端部３２ｂに進んだ気体Ｇは、さらに流路３２ｃを進んで、流出孔３３に到達する。すなわち、流路３２ａにより、気体Ｇは、流速が抑制された状態で、枝分かれして、その流量及び流速が流出孔３３間で同じとなるように、各流出孔３３に流入する。

各流出孔３３に流入した気体Ｇは、同じ流速、同じ流量でセンサ部１０の流路５に供給される。流路５に供給された気体Ｇは、感応膜７に当たった後、流路５から排出される。

このように、本実施の形態に係る物質検出システム１であれば、各感応膜７に気体Ｇを均一な流量及び流速で当てることができるので、各感応膜７での反応値の割合を正確に測定することが可能となる。

ハウジング１３Ａ、１３Ｂは、物質検出システム１の筐体である。ハウジング１３Ａには、気体Ｇの流入口１３ａが設けられている。流入口１３ａには、交換可能なフィルタが取り付けられている。このフィルタは、気体Ｇの流入に伴う異物の混入を防いでいる。また、ハウジング１３Ｂには、気体Ｇの排出口１３ｂが設けられている。なお、本実施の形態に係る物質検出システム１は、内部フレーム１５を備えている。内部フレーム１５とハウジング１３Ｂは、整流部１２及びセンサ部１０を内部で狭持している。

また、本実施の形態では、気体Ｇに含まれる複数の対象物質Ｍを検出可能となる。このようにすれば、気体Ｇに含まれる複数の匂いを検出することも可能となる。各感応膜７に流れる気体Ｇの流量及び流速は均一であるため、検出された物質に基づいて、気体Ｇに含まれる匂いの比率も正確に求めることができるようになる。

また、本実施の形態のように、整流部１２では、気体Ｇの流れを分散させるだけでなく、合流する部分を設けることも可能である。いずれにしても、センサ部１０の各流路５に流れ込む気体Ｇの流れが均一化されていればよい。整流部１２の流路は、気体Ｇの流体シミュレーションの結果に基づいて決定することができる。

以上述べたように、流れ制御部１１は、気体Ｇを外部から引き込んで気体Ｇの流れを一定にしつつ流路５に出力するために、整流部１２に気体を送る。整流部１２における複数の分岐路３２は、流れ制御部１１から出力される気体Ｇを、同じ流量および流速の気体Ｇに分けて流路５それぞれに送る。

本実施の形態では、流れ制御部１１を整流部１２及びセンサ部１０の上流に設けるようにしている。しかしながら、本発明はこれには限られない。流れ制御部１１を整流部１２及びセンサ部１０の下流に設けるようにしてもよいし、上流と下流の両方に設けるようにしてもよい。

また、物質検出システム１では、流れ制御部１１を設けず、整流部１２を設けるようにしてもよい。また、流れ制御部１１を設け、整流部１２を設けないようにしてもよい。

上記実施の形態では、基板２は、矩形平板状となっている。しかしながら、本発明はこれには限られない。基板２の外形は、円板状であってもよいし、多角形状であってもよい。基板２は、その外形に凸部又は凹部を有するようにしてもよい。

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。

本発明は、気体に含まれる物質を検出するのに適用することができる。

１ 物質検出システム、２ 基板、２ａ 露出部、３ 貫通孔、４ 物質センサ、５ 流路、６ 振動梁、６Ａ 駆動梁、６Ｂ 検出梁、７ 感応膜、８ 駆動電極、９ 検出電極、１０ センサ部、１１ 流れ制御部、１２ 整流部、１３Ａ，１３Ｂ ハウジング、１３ａ 流入口、１３ｂ 排出口、１５ 内部フレーム、２１ 駆動信号線、２２ 電極間信号線、２３ 検出信号線、３１ 流入孔、３２ 分岐路、３２ａ 流路、３２ｂ 両端部、３２ｃ 流路、３３ 流出孔、４０ 第１の整流基板、４１ 第２の整流基板、Ｇ 気体、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 対象物質

Claims (15)

1. 気体が流れる貫通孔が複数配設され、少なくとも１つの前記貫通孔に、前記貫通孔を通過する前記気体に含まれる対象物質を検出する物質センサが設けられた基板を複数備え、
   互いの前記貫通孔が連通するように、前記基板が積層されることにより、前記基板の積層方向に延びる前記気体の流路が複数形成され、
   少なくとも１つの前記流路において、前記物質センサが複数配置されている、
   物質検出システム。
2. 前記気体が流れる方向に直交する前記貫通孔の断面の大きさが、隣接する前記基板同士で異なっている、
   請求項１に記載の物質検出システム。
3. 前記貫通孔の前記断面の大きさが、前記流路の上流側の前記基板よりも、前記流路の下流側の前記基板の方が大きくなっている、
   請求項２に記載の物質検出システム。
4. 前記気体が流れる方向に直交する前記流路の断面の大きさが、前記流路の上流から下流に向かって、連続的に大きくなっている、
   請求項３に記載の物質検出システム。
5. 前記物質センサは、
   前記貫通孔の一部を塞ぐ振動梁と、
   前記振動梁上に前記気体の上流を向くように成膜された感応膜と、
   前記貫通孔を通過する前記気体に含まれる前記対象物質の前記感応膜への付着による前記振動梁の振動状態の変化を示す信号を出力可能な信号出力部と、
   を備える、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の物質検出システム。
6. 前記気体が流れる方向に直交する前記貫通孔の断面の大きさに関わらず、前記振動梁の共振周波数が前記貫通孔間で均一となるように前記振動梁の大きさが規定されている、
   請求項５に記載の物質検出システム。
7. 前記物質センサが設けられた前記貫通孔と、前記物質センサが設けられていない前記貫通孔とが交互に連通して前記流路が形成されるように前記基板が積層されている、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の物質検出システム。
8. 隣接する前記基板における外辺の少なくとも一部の位置が互いに異なるように前記基板が積層されている、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の物質検出システム。
9. 隣接する前記基板の外形の形状、向き又は大きさが互いに異なっている、
   請求項８に記載の物質検出システム。
10. 外形が大きい順に前記基板が積層されている、
    請求項９に記載の物質検出システム。
11. 前記貫通孔において前記気体が流れる方向に直交する断面の形状が、円形又は多角形状である、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の物質検出システム。
12. 前記貫通孔の縁と、前記振動梁との境界線が直線状である、
    請求項５又は６に記載の物質検出システム。
13. 同じ前記流路内に、それぞれ異なる物質を検出する複数の前記物質センサが配列されている、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の物質検出システム。
14. 前記気体を外部から引き込んで前記気体の流れを一定にしつつ前記流路に出力する流れ制御部を備える、
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の物質検出システム。
15. 前記流れ制御部から出力される前記気体を、同じ流量および流速の気体に分けて前記流路それぞれに送る複数の分岐路を備える、
    請求項１４に記載の物質検出システム。

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