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JP2007248323A - Molecular detection sensor - Google Patents

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JP2007248323A
JP2007248323A JP2006073741A JP2006073741A JP2007248323A JP 2007248323 A JP2007248323 A JP 2007248323A JP 2006073741 A JP2006073741 A JP 2006073741A JP 2006073741 A JP2006073741 A JP 2006073741A JP 2007248323 A JP2007248323 A JP 2007248323A
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JP
Japan
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unit
molecule
adsorption
molecules
molecular
Prior art date
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Pending
Application number
JP2006073741A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryutaro Maeda
龍太郎 前田
Hiroshi Goto
博史 後藤
Takeshi Ikehara
毅 池原
Giulio Manzoni
マンゾーニ ジュリオ
Sven Heisig
ヘイシグ スベン
Takashi Mihara
孝士 三原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Olympus Corp
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Olympus Corp
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Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST, Olympus Corp filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Priority to US11/457,902 priority patent/US20070028668A1/en
Priority to EP20060015027 priority patent/EP1746414A3/en
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02Column chromatography
    • G01N30/26Conditioning of the fluid carrier; Flow patterns
    • G01N30/28Control of physical parameters of the fluid carrier
    • G01N30/32Control of physical parameters of the fluid carrier of pressure or speed
    • G01N2030/326Control of physical parameters of the fluid carrier of pressure or speed pumps
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N2291/0256Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology capable of providing a small-sized and highly-sensitive sensor at low cost. <P>SOLUTION: This sensor 10 has a pump 20, an adsorbing unit 30, a gas chromatography unit 40, and a sensor unit 50 all of which are provided on a substrate 80. The pump 20 sucks in and condenses surrounding gas, and the adsorbing unit 30 adsorbs molecules contained in the gas. The gas chromatography unit 40 separates a particular type of molecules from those adsorbed to the adsorbing unit 30. An absorption film in the sensor unit 50 then adsorbs the separated particular type of molecules. The sensor unit 50 detects adsorption of the molecules to the adsorption film. On the basis of the detection level of the adsorption, a measurement processing unit 60 determines the presence of the particular type of molecules or measures the amount of the molecules. The sensor thus detects the presence of a particular type of molecules or measures the amount of the molecules. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、匂いやガス等の検出に用いて好適な分子検出センサに関する。   The present invention relates to a molecular detection sensor suitable for use in detecting odors, gases, and the like.

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。
Conventionally, there have been sensors for detecting the presence of explosive hazards and harmful gases, or their quantitative concentrations. This sensor adsorbs a specific type of molecule contained in a gas and detects the presence or concentration of the gas or the like by detecting the presence or absence or the amount of adsorption. Such a sensor is installed in a facility, equipment, device or the like that handles gas or the like, and is used to control gas leakage or gas amount.
In recent years, fuel cells have been actively developed. Since the fuel cell uses hydrogen, it is preferable to monitor the hydrogen station and vehicles, devices, equipment, etc. that use the fuel cell for hydrogen leakage. The sensor can be applied to such applications.
In addition to the above applications, sensors that detect the presence or amount of adsorption by adsorbing specific types of molecules, such as food freshness and component analysis, environmental control to provide and maintain a comfortable space, May be used for detecting the state of a living body such as a human body.

このようなセンサとしては、従来、大きく分けて2種類の方式のものがあった。
一つは、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、分子吸着膜の質量が増加する。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。)。
もう一つの方式は、水晶振動子に分子吸着膜を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときの、水晶振動子の共振周波数変化から、特定種の分子の吸着を検出するものである。
Conventionally, there are two types of sensors as described above.
One is a molecular adsorption film (sensitive film) that adsorbs specific types of molecules on the cantilever, and detects the adsorption of molecules from the change in the state of the cantilever when the molecules are adsorbed on the molecular adsorption film. is there. When molecules are adsorbed on the molecular adsorption film, the mass of the molecular adsorption film increases. Thereby, since the amount of deflection of the cantilever changes, the adsorption of a specific type of molecule can be detected from the amount of change. Further, when the mass of the molecular adsorption film increases due to the adsorption of molecules, the resonance frequency of the system composed of the cantilever and the molecular adsorption film changes, so that the adsorption of a specific type of molecule can be detected from the change (for example, (Refer nonpatent literature 1.).
In another method, a molecular adsorption film is provided on the crystal resonator, and the adsorption of a specific type of molecule is detected from the change in the resonance frequency of the crystal resonator when the molecule is adsorbed on the molecule adsorption film.

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。特に、カンチレバーや水晶振動子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値を有する水晶振動子や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。
こうした従来の水晶振動子や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、水晶の固体素子や、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。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。
It has already been reported that by adopting such a method, hydrogen gas detection using platinum or palladium as a hydrogen molecule adsorption film, alcohol component detection using PMMA polymer, food odor detection, etc. can be realized. Yes. In particular, in the method of detecting the change in the resonance frequency of the cantilever or the crystal resonator, when a specific molecule is adsorbed on the adsorption film and a minute mass change occurs, the resonance frequency of the crystal resonator or cantilever having a high vibration Q value is obtained. Is sensitive to the change in mass and produces a change, enabling highly sensitive detection.
In such a conventional method of detecting gas using the change in resonance frequency of a quartz crystal resonator or cantilever, the sensor itself is a solid element of quartz or a cantilever having a size of several tens to several hundreds μm manufactured by a fine processing technology. Constitute. Therefore, the sensor can be downsized and the vibration Q value can be increased as described above. Therefore, it can be said that the configuration is excellent in terms of downsizing and high sensitivity.

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.2219-2221Suman Cherian, Thomas Thundat, “Determination of adsorption-induced variation in the spring constant of a microcantilever”, Applied Physics Letter, 2002, Vol. 80, No. 12, pp. 2219-2221

上記のように、センサ自体が小型化すると、検出対象となるガスのサンプリング量も微小となり、これによって感度が思うように向上しないと言う問題がある。これを実用的な感度を有するものとするには、現状に比較し、センサの感度を10000倍程度に向上する必要がある。   As described above, there is a problem that when the sensor itself is downsized, the sampling amount of the gas to be detected becomes small, and the sensitivity is not improved as expected. In order to make this a practical sensitivity, it is necessary to improve the sensitivity of the sensor to about 10,000 times as compared with the current situation.

また、従来、このようなセンサは専用性の高いデバイスであるため、価格も非常で高価であり、その検出作業自体にも専門的知識が要求されるために検査費用も高く、検出まで時間が掛かるという問題があった。   Conventionally, since such a sensor is a highly specialized device, the price is very high and expensive, and the detection work itself requires specialized knowledge. There was a problem of hanging.

近年では、健康等への関心が大いに高まっている。健康の度合いを示す指標として、体臭等の匂いを検出することが考えられる。
専門的知識を有さない一般大衆が簡易に匂いの検出を行えるようにするには、低コストなセンサにおいて迅速かつ簡易に検出が行える必要があるが、従来、そのようなセンサは提供されていないのが現状である。
In recent years, interest in health and the like has greatly increased. As an index indicating the degree of health, it is conceivable to detect an odor such as body odor.
In order for the general public who has no specialized knowledge to be able to easily detect odors, it is necessary to perform detection quickly and easily with a low-cost sensor, but such a sensor has been provided in the past. There is no current situation.

また、このような用途にセンサを用いる場合、匂いは様々な分子が組み合わさって生成されるため、複数(多数)の分子検出をセンサで行わなければならない。センサをこのような構成とするには、単純には、複数のセンサを一体にユニット化すればよいのであるが、実際には、センサの大型化に繋がる。また、その構造も複雑になるので、センサの製造コストが上昇することになる。   In addition, when a sensor is used for such an application, since the odor is generated by combining various molecules, a plurality (a large number) of molecules must be detected by the sensor. In order to make the sensor have such a configuration, it is simply necessary to unitize a plurality of sensors, but in practice, this leads to an increase in the size of the sensor. Further, since the structure becomes complicated, the manufacturing cost of the sensor increases.

本発明の目的は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、小型で高感度なセンサを低コストで提供することのできる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of providing a small and highly sensitive sensor at a low cost.

かかる目的のもと、本発明の分子検出センサは、外部から雰囲気ガス等の流体を吸い込み、流体を濃縮する濃縮ポンプと、濃縮ポンプで濃縮された流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した分子のうち特定種の分子の付着または吸着により振動特性が変化することで分子を認識する分子認識部と、分子認識部における振動の変化を検出することで、分子を検出する検出部と、を備え、少なくとも濃縮ポンプ、吸着部、分子認識部が基板上に一体に形成されていることを特徴とする。
このような分子検出センサにおいて、少なくとも濃縮ポンプ、吸着部、分子認識部を基板上に一体に形成することで、分子検出センサをワンチップ化することができ、小型化が可能となるとともに、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術、半導体製造技術を適用することで、微細化、大量生産による低コストが可能となる。
そして、濃縮ポンプで流体を濃縮することによって、分子検出センサの検出感度を向上させることが可能となる。このとき、濃縮ポンプを、外部から吸着部に流体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、流路内で流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、体積変化発生部により流体に体積変化が生じたとき、流路内で検出部から離れる方向に流体が移動するのを阻止する逆流防止部と、を備える構成とすることにより、可動部のないメカレスの構成とすることができ、基板上への実装が可能となるとともに、高い信頼性を得ることができる。
For this purpose, the molecular detection sensor of the present invention sucks in fluid such as atmospheric gas from the outside and concentrates the fluid, and an adsorption unit that adsorbs molecules contained in the fluid concentrated by the concentration pump, The molecule is detected by detecting the change of vibration in the molecule recognition unit and the molecule recognition unit that recognizes the molecule by vibration characteristics changing due to the adhesion or adsorption of a specific type of molecule adsorbed in the adsorption unit. And a detection unit, and at least a concentration pump, an adsorption unit, and a molecule recognition unit are integrally formed on the substrate.
In such a molecular detection sensor, at least the concentration pump, the adsorption unit, and the molecular recognition unit are integrally formed on the substrate, so that the molecular detection sensor can be made into one chip, which can be downsized, and MEMS. By applying (Micro Electro Mechanical Systems) technology and semiconductor manufacturing technology, it is possible to reduce costs by miniaturization and mass production.
And it becomes possible to improve the detection sensitivity of a molecular detection sensor by concentrating a fluid with a concentration pump. At this time, the concentration pump has a pump body in which a flow path for feeding fluid from the outside to the adsorption section is formed, a volume change generation section that causes a volume change in the fluid in the flow path, and a fluid change by the volume change generation section. When a volume change occurs in the flow path, a configuration including a backflow prevention unit that prevents the fluid from moving in a direction away from the detection unit in the flow path can be configured as a mechanism-less configuration without a movable unit. In addition, mounting on a substrate is possible and high reliability can be obtained.

分子認識部においては、分子の付着または吸着により振動特性が変化することで分子を認識する。このような分子認識部としては、一つには、カンチレバー状、あるいはディスク状の振動子上に、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振動子の状態変化から、分子の吸着を検出するものがある。分子吸着膜に分子が吸着されると、分子吸着膜の質量が増加する。これにより、カンチレバー状の振動子の場合、たわみ量や共振周波数が変化するので、その変化から、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、振動子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の有無、あるいはその吸着量を検出することもできる。
もう一つの方式としては、水晶振動子に分子吸着膜を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときの、水晶振動子の共振周波数変化から、特定種の分子の吸着を検出するものである。
これ以外にも、適宜他の方式の分子認識部を採用することは、もちろん可能である。
The molecule recognition unit recognizes the molecule by changing the vibration characteristics due to the adhesion or adsorption of the molecule. As such a molecular recognition part, a molecular adsorption film (sensitive film) that adsorbs a specific type of molecule is provided on a cantilever-shaped or disk-shaped vibrator, and molecules are adsorbed on the molecular adsorption film. Some of them detect the adsorption of molecules from the change in state of the vibrator. When molecules are adsorbed on the molecular adsorption film, the mass of the molecular adsorption film increases. Thereby, in the case of a cantilever-like vibrator, the amount of deflection and the resonance frequency change, and from this change, the adsorption of molecules can be detected. In addition, when the mass of the molecular adsorption film increases due to molecular adsorption, the resonance frequency of the system consisting of the vibrator and molecular adsorption film changes. It can also be detected.
Another method is to provide a molecular adsorption film on the crystal unit and detect the adsorption of a specific type of molecule from the change in the resonance frequency of the crystal unit when molecules are adsorbed on the molecular adsorption layer. .
In addition to this, it is of course possible to employ other types of molecular recognition units as appropriate.

また、本発明の分子検出センサは、吸着部で吸着された分子の分子量を分析する分子量分析部をさらに備えることもできる。この分子量分析部としては、ガスクロマトグラフィが適している。基板上にカラムまたはキャピラリを形成することで実装が可能となるからである。このような分子量分析部を備えた場合、分子認識部では、分子量分析部にて分子量が分析された分子の付着または吸着による振動特性の変化によって分子を認識する。ガスクロマトグラフィの場合、分子量に応じて分子の離脱までに要する時間が異なるため、これによって分子の種類を識別することが可能である。これによって特定種の分子のみを抽出し、分子認識部でその存在や量を認識することも可能となる。
なお、この分子量分析部は必須の構成ではない。
The molecular detection sensor of the present invention may further include a molecular weight analysis unit that analyzes the molecular weight of the molecules adsorbed by the adsorption unit. As this molecular weight analysis unit, gas chromatography is suitable. This is because mounting is possible by forming a column or capillary on the substrate. When such a molecular weight analyzing unit is provided, the molecular recognizing unit recognizes the molecule by a change in vibration characteristics due to adhesion or adsorption of the molecule whose molecular weight is analyzed by the molecular weight analyzing unit. In the case of gas chromatography, the time required for molecular desorption depends on the molecular weight, and thus the type of molecule can be identified. This makes it possible to extract only a specific type of molecule and to recognize its presence and quantity in the molecule recognition unit.
This molecular weight analysis unit is not an essential component.

分子認識部は、感度の異なるものを複数設けることもできる。この場合、検出部は、感度の低い分子認識部で分子が認識できないときに感度の高い他の分子認識部にて分子の認識を行うようにする。これによって分子検出センサのダイナミックレンジを広げることが可能となり、その実用性を高めることができる。このとき、感度の異なる分子認識部は、感度を2段階以上に設定すればよい。分子認識部の感度を異ならせるには、その表面積を異ならせたり、分子吸着膜と振動子の体積比(重量比)を異ならせるなどすればよい。   A plurality of molecular recognition units having different sensitivities can be provided. In this case, when the molecule cannot be recognized by the low-sensitivity molecular recognition unit, the detection unit recognizes the molecule using another sensitive molecular recognition unit. As a result, the dynamic range of the molecular detection sensor can be expanded, and its practicality can be enhanced. At this time, the molecular recognition units having different sensitivities may set the sensitivity to two or more levels. In order to vary the sensitivity of the molecular recognition unit, the surface area may be varied, or the volume ratio (weight ratio) between the molecular adsorption film and the vibrator may be varied.

また、分子認識部は、付着または吸着する分子の種類が互いに異なる複数種を設けることもできる。これにより、単に複数種の分子認識が可能となるだけでなく、検出部では、複数の分子認識部のうち、分子を認識した分子認識部の種類に基づき、流体に含まれる分子の組み合わせを特定できることから、流体に含まれる物質を特定することが可能となる。   Moreover, the molecular recognition part can also provide multiple types from which the kind of molecule | numerator which adheres or adsorb | sucks mutually differs. This not only enables recognition of multiple types of molecules, but the detection unit identifies the combination of molecules contained in the fluid based on the type of the molecular recognition unit that recognized the molecule among the multiple molecular recognition units. Since it is possible, it becomes possible to specify the substance contained in the fluid.

このような分子検出センサは、特定種の分子として、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ことで、例えば、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ガス検出センサとして用いることができる。このような分子検出センサは、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る。また近年開発が盛んに行われている、燃料電池用の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用途にも、上記分子検出センサは適用できる。
これ以外にも、特定種の分子、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することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出する分子検出センサは、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。また、人体から出る様々な物質、呼気や腸内フローラの代謝成分等を高感度に検出することで、健康状態のモニタリング、疾患の簡易なスクリーニング、生活習慣性疾患の診断、感染症のモニタリング等といったことを行うことが可能になると考えられる。
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。さらに、ガスに限らず、液体を対象とした場合にも本発明の分子検出センサにおいては同様の機能を発揮することができる。
また、本発明の分子検出センサは、その製品形態としても、従来の業務用のセンサに限らず、小型で安定な高感度な家庭用、個人用のセンサや、携帯性に優れる使い捨て型のセンサ等とすることも可能である。
Such molecular detection sensors target gases, biological molecules, living space floating molecules, volatile molecules, etc. as specific types of molecules, for example, explosive and harmful gases, etc. It can be used as a gas detection sensor for detecting the presence or the quantitative concentration thereof. Such a molecular detection sensor is installed in a facility, facility, apparatus or the like that handles gas or the like, and is used for controlling gas leakage or gas amount. In addition, the molecular detection sensor is also used for monitoring hydrogen leaks in hydrogen stations for fuel cells, vehicles, devices and equipment that use fuel cells, which have been actively developed in recent years. it can.
In addition to this, molecular detection sensors that detect the presence or amount of adsorption by adsorbing specific types of molecules, or multiple types of molecules with specific characteristics or characteristics, can be used, for example, for food freshness and component analysis. It can be considered to be used for environmental control for providing / maintaining a comfortable space, and for detecting the state of a living body such as a human body. In addition, by detecting various substances from the human body, exhaled breath and metabolic components of intestinal flora, etc. with high sensitivity, monitoring of health status, simple screening of diseases, diagnosis of lifestyle-related diseases, monitoring of infectious diseases, etc. It will be possible to do such things.
It is also possible to detect a group of molecules having specific characteristics or a group of molecules having the same side chain, which is called global recognition. Furthermore, the same function can be exhibited in the molecular detection sensor of the present invention not only for gas but also for liquid.
In addition, the molecular detection sensor of the present invention is not limited to a conventional business sensor, and is a small, stable, highly sensitive home and personal sensor, and a disposable sensor excellent in portability. Or the like.

本発明によれば、分子検出センサをワンチップ化して小型化しつつも高感度化を図ることができ、しかもその製造コストを低減して安価な分子検出センサの提供が可能となる。   According to the present invention, it is possible to achieve high sensitivity while miniaturizing the molecular detection sensor by making it one chip, and it is possible to reduce the manufacturing cost and provide an inexpensive molecular detection sensor.

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10の全体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、検知対象となる特定種の分子を吸着することで、ガス自体あるいはガスに含まれる特定物質や匂い等の存在(発生)の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。このセンサ10は、周囲の雰囲気ガス(以下、単にガスと称する:流体)を吸い込むポンプ(濃縮ポンプ、ポンプ本体)20と、ポンプ20で吸い込んだガスを吸着する吸着部30と、吸着部30で吸着したガス中から、特定種のガス成分を分離するガスクロマトグラフィ部(分子量分析部)40と、分離したガス成分中に含まれる特定種の分子を吸着し、その分子の吸着を検出するセンサ部(分子認識部)50と、センサ部50における検出レベルに基づき、特定種の分子の有無またはその量を測定する測定処理部(検出部)60と、センサ10の各部をコントロールする制御部70と、を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining the overall configuration of the sensor 10 according to the present embodiment.
The sensor 10 shown in FIG. 1 detects the presence (occurrence) or the concentration of a gas itself or a specific substance or odor contained in the gas by adsorbing a specific type of molecule to be detected. Is. The sensor 10 includes a pump (concentration pump, pump body) 20 that sucks in ambient gas (hereinafter simply referred to as a fluid), an adsorption unit 30 that adsorbs the gas sucked by the pump 20, and an adsorption unit 30. Gas chromatography unit (molecular weight analysis unit) 40 for separating a specific type of gas component from the adsorbed gas, and a sensor unit for adsorbing a specific type of molecule contained in the separated gas component and detecting the adsorption of the molecule (Molecule recognition unit) 50, a measurement processing unit (detection unit) 60 that measures the presence or amount of a specific type of molecule based on the detection level in the sensor unit 50, and a control unit 70 that controls each unit of the sensor 10. It is equipped with.

図2に示すように、これらのうち、ポンプ20、吸着部30、ガスクロマトグラフィ部40、センサ部50は、Si、またはSiO製の基板80上に、所定のパターン形成を行い、さらに基板81を積層することで実装されている。 As shown in FIG. 2, among these, the pump 20, the adsorption unit 30, the gas chromatography unit 40, and the sensor unit 50 perform predetermined pattern formation on a substrate 80 made of Si or SiO 2 , and further, the substrate 81. It is mounted by laminating.

図3に示すように、ポンプ20は、所定の容積を有したチャンバー部22、このチャンバー部22に外部からガスを導入する入口側チャンネル23、チャンバー部22からガスを送り出す出口側チャンネル24、チャンバー部22と入口側チャンネル23の間に設けられた入口側ディフューザ部(逆流防止部)25、チャンバー部22と出口側チャンネル24の間に設けられた出口側ディフューザ部(逆流防止部)26が形成され、チャンバー部22に、ヒータ(体積変化発生部)29が設けられた構成を有している。   As shown in FIG. 3, the pump 20 includes a chamber portion 22 having a predetermined volume, an inlet side channel 23 for introducing gas from the outside into the chamber portion 22, an outlet side channel 24 for sending gas from the chamber portion 22, a chamber An inlet side diffuser part (backflow prevention part) 25 provided between the part 22 and the inlet side channel 23 and an outlet side diffuser part (backflow prevention part) 26 provided between the chamber part 22 and the outlet side channel 24 are formed. In addition, the chamber 22 has a configuration in which a heater (volume change generation unit) 29 is provided.

図2に示したように、このポンプ20は、基板80と、これに対向するように設けられた基板81との間に形成されている。これら基板80、81のいずれか一方または双方の合わせ面に所定形状の凹部を形成することで、チャンバー部22、入口側チャンネル23、出口側チャンネル24、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26が形成されているのである。   As shown in FIG. 2, the pump 20 is formed between a substrate 80 and a substrate 81 provided so as to face the substrate 80. By forming a concave portion having a predetermined shape on one or both mating surfaces of the substrates 80 and 81, the chamber part 22, the inlet side channel 23, the outlet side channel 24, the inlet side diffuser part 25, and the outlet side diffuser part 26 are formed. Is formed.

図3に示すように、チャンバー部22は、例えば円形状断面を有している。このチャンバー部22の一方の側には、入口側ディフューザ部25が形成され、他方の側に出口側ディフューザ部26が形成されている。   As shown in FIG. 3, the chamber part 22 has, for example, a circular cross section. An inlet side diffuser portion 25 is formed on one side of the chamber portion 22, and an outlet side diffuser portion 26 is formed on the other side.

入口側ディフューザ部25は、入口側チャンネル23とチャンバー部22とを連通するように形成され、入口側チャンネル23側からチャンバー部22側に向けて、その断面積(内径)が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。   The inlet-side diffuser portion 25 is formed so as to communicate the inlet-side channel 23 and the chamber portion 22, and has a tapered nozzle shape whose sectional area (inner diameter) gradually decreases from the inlet-side channel 23 side toward the chamber portion 22 side. It is said that.

出口側チャンネル24は、後に詳述する吸着部30に連続するように形成され、他端が出口側ディフューザ部26に連通するよう形成されている。出口側ディフューザ部26は、チャンバー部22と出口側チャンネル24とを連通し、入口側ディフューザ部25とは異なる位置でチャンバー部22に開口するように形成され、チャンバー部22側から出口側チャンネル24側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。   The outlet side channel 24 is formed so as to be continuous with an adsorption portion 30 described later in detail, and the other end is formed so as to communicate with the outlet side diffuser portion 26. The outlet-side diffuser portion 26 communicates with the chamber portion 22 and the outlet-side channel 24 and is formed to open to the chamber portion 22 at a position different from the inlet-side diffuser portion 25, and the outlet-side channel 24 extends from the chamber portion 22 side. A taper nozzle shape whose cross-sectional area gradually decreases toward the side.

このようにして、ポンプ20は、入口側チャンネル23から、入口側ディフューザ部25、チャンバー部22、出口側ディフューザ部26を経て、出口側チャンネル24までが連通したガス流路が形成されている。   Thus, in the pump 20, a gas flow path is formed in which the inlet side channel 23, the inlet side diffuser portion 25, the chamber portion 22, the outlet side diffuser portion 26, and the outlet side channel 24 communicate with each other.

チャンバー部22に設けられたヒータ29は、チャンバー部22の上面側または下面側に配設されたもので、例えばAu、Pt、Cu、Pd、Ir、Cr、Mo、Ti等の貴金属、高融点金属や、ITO、SnO、Poly−Si等の金属酸化膜や半導体等からなる電熱線であり、基板80の外部に配置される電源(図示無し)に電気的に接続される。そして、電源(図示無し)におけるヒータ29への電圧の印加は、制御部70によって制御されるようになっている。
制御部70の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ29が発熱し、これによってチャンバー部22内の温度が上昇してガスが膨張し、ヒータ29への電圧の印加を停止するとヒータ29の発熱が中止され、チャンバー部22内の温度が低下してガスが収縮する。ポンプ20では、ヒータ29、制御部70が、温度変化手段、体積変化発生部として機能し、ガスの膨張・収縮を利用することで、ガスの送給を行うようになっている。以下、これについて詳述する。
The heater 29 provided in the chamber portion 22 is disposed on the upper surface side or the lower surface side of the chamber portion 22. For example, a noble metal such as Au, Pt, Cu, Pd, Ir, Cr, Mo, Ti, or a high melting point is provided. The heating wire is made of metal, a metal oxide film such as ITO, SnO, or Poly-Si, or a semiconductor, and is electrically connected to a power source (not shown) disposed outside the substrate 80. The application of voltage to the heater 29 in a power source (not shown) is controlled by the control unit 70.
When a voltage is applied from the power source under the control of the control unit 70, the heater 29 generates heat. As a result, the temperature in the chamber unit 22 rises to expand the gas, and when the application of the voltage to the heater 29 is stopped, Heat generation is stopped, the temperature in the chamber portion 22 is lowered, and the gas contracts. In the pump 20, the heater 29 and the control unit 70 function as a temperature change unit and a volume change generation unit, and perform gas supply by utilizing gas expansion / contraction. This will be described in detail below.

ポンプ20においては、外部のガスを入口側チャンネル23、入口側ディフューザ部25からチャンバー部22に導入し、出口側ディフューザ部26から吐出する。チャンバー部22にガスが導入された状態で、ヒータ29が発熱すると、チャンバー部22内の温度が上昇してガスが膨張する。すると、膨張したガスは、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26からチャンバー部22の外部に流出しようとする。
このとき、入口側ディフューザ部25は、入口側チャンネル23側からチャンバー部22側に向けて、また出口側ディフューザ部26は、チャンバー部22側から出口側チャンネル24側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。このため、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26においては、その断面積が漸次小さくなる方向(以下、この方向を順方向と称する)にガスが流れる場合と、逆方向、つまり断面積が漸次大きくなる方向(出口側チャンネル24側から入口側チャンネル23側に向かう方向:以下、この方向を逆方向と称する)にガスが流れる場合とでは、圧力損失が異なる。すなわち、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26では、ガスが順方向に流れるときの圧力損失よりも、ガスが逆方向に流れるときの圧力損失の方が大きくなる。これは、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26のエッジ25a、26aの部分において、ガスの粘性によって乱れ渦が生じ、これによって流体の運動エネルギーが損なわれ、その結果、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26におけるガスの流れが、順方向の方が逆方向よりもスムーズになるからである。
これにより、チャンバー部22内のガスが膨張し、ポンプ20の外部に流出しようとした場合、ガスは、より抵抗(圧力損失)の小さい出口側ディフューザ部26からチャンバー部22の外部に流出する。
In the pump 20, external gas is introduced from the inlet side channel 23 and the inlet side diffuser portion 25 into the chamber portion 22 and discharged from the outlet side diffuser portion 26. When the heater 29 generates heat while the gas is introduced into the chamber portion 22, the temperature in the chamber portion 22 rises and the gas expands. Then, the expanded gas tends to flow out of the chamber portion 22 from the inlet side diffuser portion 25 and the outlet side diffuser portion 26.
At this time, the inlet-side diffuser portion 25 has a cross-sectional area from the inlet-side channel 23 side toward the chamber portion 22 side, and the outlet-side diffuser portion 26 has a cross-sectional area from the chamber portion 22 side toward the outlet-side channel 24 side. The taper nozzle shape gradually decreases. For this reason, in the inlet side diffuser part 25 and the outlet side diffuser part 26, when the gas flows in a direction in which the cross-sectional area gradually decreases (hereinafter, this direction is referred to as the forward direction), the reverse direction, that is, the cross-sectional area is The pressure loss differs when the gas flows in a gradually increasing direction (a direction from the outlet channel 24 side to the inlet channel 23 side: this direction is hereinafter referred to as a reverse direction). That is, in the inlet side diffuser portion 25 and the outlet side diffuser portion 26, the pressure loss when the gas flows in the reverse direction is larger than the pressure loss when the gas flows in the forward direction. This is because the turbulent vortex is generated due to the viscosity of the gas at the edges 25a and 26a of the inlet side diffuser portion 25 and the outlet side diffuser portion 26, and thereby the kinetic energy of the fluid is lost. As a result, the inlet side diffuser portion 25 This is because the gas flow in the outlet side diffuser portion 26 is smoother in the forward direction than in the reverse direction.
Thereby, when the gas in the chamber part 22 expands and tries to flow out of the pump 20, the gas flows out of the chamber part 22 from the outlet side diffuser part 26 having a smaller resistance (pressure loss).

この後、ヒータ29への電圧の印加を停止するとヒータ29の発熱が中止され、チャンバー部22内の温度が低下してガスが収縮する。すると、ガスの収縮に伴い、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26からチャンバー部22内にガスを導入しようとする。
このとき、テーパノズル状の入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26において、前述したような、ガスの流れる方向に応じて圧力損失が異なるため、チャンバー部22内のガスが収縮した場合、ガスは、より抵抗(圧力損失)の小さい入口側ディフューザ部25からチャンバー部22の内部に導入される。
Thereafter, when the application of voltage to the heater 29 is stopped, the heat generation of the heater 29 is stopped, the temperature in the chamber portion 22 is lowered, and the gas is contracted. Then, as the gas contracts, the gas is introduced from the inlet side diffuser portion 25 and the outlet side diffuser portion 26 into the chamber portion 22.
At this time, in the tapered nozzle-like inlet-side diffuser portion 25 and outlet-side diffuser portion 26, the pressure loss varies depending on the gas flow direction as described above. Then, the gas is introduced from the inlet side diffuser portion 25 having a smaller resistance (pressure loss) into the chamber portion 22.

このようにして、ヒータ29の加熱時にはチャンバー部22内のガスが膨張して出口側ディフューザ部26から出口側チャンネル24に流出し、ヒータ29の停止時にはチャンバー部22内のガスが収縮して入口側チャンネル23から入口側ディフューザ部25を介してチャンバー部22内にガスが導入されるようになっている。
したがって、ポンプ20では、このヒータ29の加熱・停止を繰り返すことで入口側チャンネル23からガスを吸い込み、出口側チャンネル24からガスを吐出することができ、ポンプとして機能することになる。
このため、制御部70では、所定のサイクルで、ヒータ29のON/OFFを交互に切り替えるようになっている。例えば、制御部70では、ヒータ29のON/OFFを100マイクロ秒〜1ミリ秒のサイクルで繰り返すように制御することができる。また、制御部70では、ヒータ29をON/OFFさせたときに、室温〜1000℃、好ましくは室温〜500℃の幅で温度変化が生じるように制御するのが好ましい。
Thus, when the heater 29 is heated, the gas in the chamber part 22 expands and flows out from the outlet side diffuser part 26 to the outlet side channel 24, and when the heater 29 is stopped, the gas in the chamber part 22 contracts and enters the inlet side. Gas is introduced into the chamber portion 22 from the side channel 23 via the inlet side diffuser portion 25.
Therefore, in the pump 20, by repeating heating and stopping of the heater 29, the gas can be sucked from the inlet side channel 23 and discharged from the outlet side channel 24, and functions as a pump.
For this reason, in the control part 70, ON / OFF of the heater 29 is switched alternately by a predetermined cycle. For example, the controller 70 can be controlled to repeat ON / OFF of the heater 29 in a cycle of 100 microseconds to 1 millisecond. Further, it is preferable that the control unit 70 performs control so that a temperature change occurs within a range of room temperature to 1000 ° C., preferably room temperature to 500 ° C., when the heater 29 is turned on / off.

このとき、ヒータ29のパワーを高めれば、ON/OFF時の温度差が大きくなり、ポンプ20における流量が増大する。また、ON/OFFの切り替え周波数を高めれば流量が増大する。これらON/OFF時の温度差と切り替え周波数は、ポンプ20の適用対象、用途等に応じて適宜設定すればよい。例えば、高温でガスが分解するような用途に用いる場合には、温度を下げて使うことが必要である。   At this time, if the power of the heater 29 is increased, the temperature difference during ON / OFF increases, and the flow rate in the pump 20 increases. Further, if the ON / OFF switching frequency is increased, the flow rate is increased. What is necessary is just to set suitably the temperature difference and switching frequency at the time of these ON / OFF according to the application object of a pump 20, a use, etc. For example, when it is used for an application where gas is decomposed at a high temperature, it is necessary to lower the temperature.

このように、ポンプ20は、ガスの熱膨張を利用することで、確実に体積変化を生じさせ、微量な流量であってもガスを確実に搬送することができる。しかも、ガスを搬送させるためには、チャンバー部22、入口側チャンネル23、出口側チャンネル24、入口側ディフューザ部25、出口側ディフューザ部26からなる流路と、ヒータ29を備えるのみでよく、機械的な可動部分が不要であるため、高い信頼性を得ることができ、また可動部分を備える場合のように作動音や作動による発熱等が問題になるのも回避できる。   As described above, the pump 20 reliably changes the volume by utilizing the thermal expansion of the gas, and can reliably transport the gas even at a very small flow rate. Moreover, in order to transport the gas, it is only necessary to provide a flow path including the chamber part 22, the inlet side channel 23, the outlet side channel 24, the inlet side diffuser part 25, the outlet side diffuser part 26, and the heater 29. Since a movable part is unnecessary, high reliability can be obtained, and it is also possible to avoid problems such as operating noise and heat generation due to operation as in the case where a movable part is provided.

ポンプ20の出口側チャンネル24から吐出されたガスは、吸着部30に送り込まれ、濃縮されることになる。
ポンプ20から送り込まれたガスを吸着する吸着部30は、例えば、有機系材料で形成された吸着膜や、無機系材料で形成された吸着膜31で形成されており、ガス中の分子を、低い選択性で物理吸着により吸着する。
有機系材料で形成された吸着膜31は、分子を、分子との化学反応によって吸着するため、吸着性能に優れるが、一旦分子が吸着すると分子が離脱しにくく、長期間にわたって安定した利用を行うのが難しい。
一方、無機系材料は、熱を加えること等により、吸着した分子を容易に離脱させることができる。本発明のセンサ10は、ポンプ20側から下流側へとガス中に含まれる分子を順次送っていくものであるため、分子の離脱性は重要である。このため、吸着部30としては、無機系材料を用いるのが好ましい。ただし、無機系材料は、吸着性能の面で有機系材料に劣る。そこで、吸着膜31の表面積を確保することで、分子の吸着量を確保するのが好ましい。また、吸着膜31へのガスの接触時間を長く確保することでも、吸着量を高めることができる。このような無機系材料としては、代表的なものに二酸化チタン(TiO)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。
The gas discharged from the outlet side channel 24 of the pump 20 is sent to the adsorption unit 30 and concentrated.
The adsorption unit 30 that adsorbs the gas sent from the pump 20 is formed of, for example, an adsorption film formed of an organic material or an adsorption film 31 formed of an inorganic material. Adsorbed by physical adsorption with low selectivity.
The adsorption film 31 formed of an organic material adsorbs molecules by a chemical reaction with the molecules, and thus has excellent adsorption performance. However, once the molecules are adsorbed, the molecules are not easily detached, and can be used stably over a long period of time. It is difficult.
On the other hand, the inorganic material can easily desorb the adsorbed molecules by applying heat or the like. Since the sensor 10 of the present invention sequentially sends molecules contained in the gas from the pump 20 side to the downstream side, the molecular detachability is important. For this reason, it is preferable to use an inorganic material as the adsorption part 30. However, inorganic materials are inferior to organic materials in terms of adsorption performance. Therefore, it is preferable to secure the amount of molecules adsorbed by securing the surface area of the adsorption film 31. Also, the amount of adsorption can be increased by ensuring a long gas contact time with the adsorption film 31. A typical example of such an inorganic material is titanium dioxide (TiO 2 ), and it is preferable to form titanium dioxide in a porous form in order to increase adsorption efficiency.

このような吸着膜31の下面または上面には、ヒータ32が設けられている。このヒータ32は、ヒータ29と同様の材料で形成され、基板80の外部に配置される電源(図示無し)に電気的に接続される。そして、電源(図示無し)におけるヒータ32への電圧の印加は、制御部70によって制御されるようになっている。
ポンプ20側からガスが送り込まれ、吸着膜31に接触すると、ガス中に含まれる分子(主に揮発性有機化合物)は吸着膜31に吸着される。そして、制御部70の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ32が発熱すると、これによって吸着膜31に吸着された分子が揮発し、吸着膜31から離脱するようになっている。
このような吸着部30においては、ポンプ20を所定時間作動させ、その作動中に送り込まれたガス中の分子を吸着膜31で吸着する。このポンプ20の作動時間、すなわち吸着部30における吸着時間の長さにより、ガスのサンプリング量を決定することができる。
A heater 32 is provided on the lower or upper surface of the adsorption film 31. The heater 32 is formed of the same material as that of the heater 29 and is electrically connected to a power source (not shown) disposed outside the substrate 80. The application of voltage to the heater 32 by a power source (not shown) is controlled by the control unit 70.
When gas is fed from the pump 20 side and comes into contact with the adsorption film 31, molecules (mainly volatile organic compounds) contained in the gas are adsorbed on the adsorption film 31. When the heater 32 generates heat when a voltage is applied from the power source under the control of the control unit 70, the molecules adsorbed on the adsorption film 31 are volatilized and detached from the adsorption film 31.
In such an adsorbing unit 30, the pump 20 is operated for a predetermined time, and the molecules in the gas fed during the operation are adsorbed by the adsorbing film 31. The sampling amount of the gas can be determined by the operation time of the pump 20, that is, the length of the adsorption time in the adsorption unit 30.

吸着部30の下流側に設けられたガスクロマトグラフィ部40は、基板80に形成された溝41をカラムまたはキャピラリとする。これにより、カラムまたはキャピラリは、基板80の材料、すなわちSi、またはSiOによって形成され、これを固定相とする。このような溝41を形成するには、基板80に所定のフォトレジスト工程を行ったあと、RIE(Reactive Ion Etching)等の手法により、例えば深さ50〜100μm、幅5〜20μmの溝41を形成する。ここで、Siは他の金属と比較的低温であっても反応を起こすので内部が酸化し表面に酸化膜が形成される。また必要に応じ、SiN等のバリア膜を形成することもできる。 The gas chromatography unit 40 provided on the downstream side of the adsorption unit 30 uses the groove 41 formed in the substrate 80 as a column or capillary. Thus, a column or capillary material of the substrate 80, i.e. Si, or is formed by SiO 2, which is referred to as the stationary phase. In order to form such a groove 41, after a predetermined photoresist process is performed on the substrate 80, the groove 41 having a depth of 50 to 100 μm and a width of 5 to 20 μm is formed by a technique such as RIE (Reactive Ion Etching). Form. Here, since Si reacts with other metals even at a relatively low temperature, the inside is oxidized and an oxide film is formed on the surface. Further, a barrier film such as SiN 4 can be formed as necessary.

カラムまたはキャピラリを構成する溝41には、ガス吸着材料42が充填されている。このガス吸着材料42としては、微粉化したカーボン、シリコンや金属(アルミ、亜鉛、錫、チタン)等の酸化物、或いは同じく微粉化した高分子、更に表面に金属をコーティングしたナノ粒子等が考えられる。このようなガス吸着材料42においては、方式によって全てのガスを均一に吸着する場合と、ある程度特定のガス種を選択的に吸着する場合がある。均一に吸着する場合には微粉末化したカーボンが適しており、選択性を持たせる場合は高分子の粉末を用いるのが好ましい。このようなガス吸着材料42における吸着効率を高めるためにはその表面積を大きくするのが好ましく、それには粒子やセラミックのポアの大きさを小さくする必要がある。
このようなガス吸着材料42は、集積化プロセスを考えると、シリコンや金属酸化物では、有機金属やゾルゲル法を用いて、キシレン等の溶媒に溶かしてスピンオン法によって成膜し、その後シンタリングによって形成するのが好ましいが、基板80上に形成される他のデバイスとの関係により、適宜他の製法、材料を用いても良い。
A gas adsorbing material 42 is filled in the groove 41 constituting the column or capillary. Examples of the gas adsorbing material 42 include finely divided carbon, oxides such as silicon and metal (aluminum, zinc, tin, titanium), similarly finely divided polymer, and nanoparticles coated with metal on the surface. It is done. In such a gas adsorbing material 42, there are a case where all gases are uniformly adsorbed depending on a method and a case where a specific gas species is selectively adsorbed to some extent. In the case of uniform adsorption, finely divided carbon is suitable, and in order to provide selectivity, it is preferable to use polymer powder. In order to increase the adsorption efficiency in such a gas adsorbing material 42, it is preferable to increase the surface area, and for this purpose, it is necessary to reduce the size of particles and ceramic pores.
Considering the integration process, the gas adsorbing material 42 is formed by a spin-on method using silicon or a metal oxide, dissolved in a solvent such as xylene using an organic metal or a sol-gel method, and then subjected to sintering. Although it is preferable to form, other manufacturing methods and materials may be appropriately used depending on the relationship with other devices formed on the substrate 80.

ガスクロマトグラフィ部40には、ヒータ29と同様の材料で形成されたヒータ43が備えられている。このヒータ43により、カラムまたはキャピラリを構成する溝41が所定温度に加熱され、ガス吸着材料42に吸着された分子を揮発(離脱)させることで、分子量分析を行う。すなわち、分子量の小さな分子は早く溝41のカラムまたはキャピラリを脱出し、分子量の大きな分子は溝41から脱出するのに時間を要するので、この分子の脱出時間(の差)により、分子量を分析することができるのである。   The gas chromatography unit 40 is provided with a heater 43 made of the same material as the heater 29. The heater 43 heats the groove 41 constituting the column or capillary to a predetermined temperature, and volatilizes (desorbs) the molecules adsorbed on the gas adsorbing material 42 to perform molecular weight analysis. That is, since a molecule having a small molecular weight escapes from the column or capillary of the groove 41 quickly, and a molecule having a large molecular weight takes time to escape from the groove 41, the molecular weight is analyzed based on (difference) in the escape time of this molecule. It can be done.

センサ部50は、ガスクロマトグラフィ部40で分離したガス中に含まれる分子を吸着する吸着膜51と、吸着膜51への分子の吸着を検出するための振動子52と、を備える。
吸着膜51は、吸着部30と同様、有機系材料や、無機系材料で形成することができる。この場合も、無機系材料は、ヒータ53により熱を加えること等により、吸着した分子を容易に離脱させることができるため、本発明のセンサ10における吸着膜51としては無機系材料を用いるのが好ましい。また、吸着膜51の表面積を確保することで、分子の吸着量を確保するのが好ましい。また、吸着膜51へのガスの接触時間を長く確保することでも、吸着量を高めることができる。
このような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からなる膜が候補となる。分子に対する選択性は、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。
The sensor unit 50 includes an adsorption film 51 that adsorbs molecules contained in the gas separated by the gas chromatography unit 40, and a vibrator 52 that detects adsorption of molecules onto the adsorption film 51.
The adsorption film 51 can be formed of an organic material or an inorganic material, like the adsorption portion 30. Also in this case, since the inorganic material can easily desorb the adsorbed molecules by applying heat by the heater 53, the inorganic material is used as the adsorption film 51 in the sensor 10 of the present invention. preferable. In addition, it is preferable to secure the amount of molecules adsorbed by securing the surface area of the adsorption film 51. Also, the amount of adsorption can be increased by ensuring a long gas contact time with the adsorption film 51.
As such an organic material, a film made of any polymer such as polyacrylic acid, polystyrene, polyacrylamine, polydimethylsiloxane, polyvinyl chloride, and polymethyl methacrylate is a candidate. The selectivity for molecules is considered to be determined by various factors such as the functional group forming the polymer and the state of crosslinking.

このような吸着膜51には、機能的な面から捉えると、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。ここでいうポリマーのナノファイバ化とは、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向上させるため、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、太さ)の繊維状にするものをいう。
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。
Such an adsorption film 51 includes a global recognition material and a selection recognition material from a functional viewpoint.
A global recognition material is a polymer that adsorbs a specific molecular group, such as alcohol or ether, although the selectivity is not strong. It is also effective to increase the surface area by making these polymers into nanofibers or making them porous. The term “polymer nanofiber” as used herein means that the polymer has a size of several nanometers to several hundreds of micrometers (length, thickness) in order to dramatically improve the adsorption ability of polymers with different adsorption characteristics for various molecules. ).
Examples of highly selective recognition materials include biological materials that cause antigen-antibody reactions, acceptor-receptor combinations, probes with specific base sequences that hybridize with genes, DNA, and RNA. is there. A lipid bilayer membrane may also be used.

このような吸着膜51は、振動子52の表面に形成するのが好ましい。
振動子52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型や、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有したディスク状のディスク型とすることができる。
振動子52は、これを駆動するための駆動源(図示無し)を備えている。このような駆動源としては、静電容量方式と、ピエゾ駆動方式等があり、いずれも所定周波数で振動子52を振動させるようになっており、測定処理部60は、このための駆動回路(図示無し)を有している。
振動子52は、駆動源によって所定周波数で振動させた状態で、吸着膜51に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ようになっている。
また、センサ部50には、ヒータ29と同様の材料で形成されたヒータ53が設けられ、吸着膜51で吸着した分子を離脱できるようになっている。
Such an adsorption film 51 is preferably formed on the surface of the vibrator 52.
The vibrator 52 can be a cantilever type in which a base end portion is fixed and cantilevered, or a disk shape having a circular shape, a rectangular shape, or another shape as appropriate.
The vibrator 52 includes a drive source (not shown) for driving it. As such a drive source, there are an electrostatic capacity method, a piezo drive method, and the like, both of which vibrate the vibrator 52 at a predetermined frequency, and the measurement processing unit 60 uses a drive circuit ( (Not shown).
The vibration frequency of the vibrator 52 changes when a detection object such as a molecule having a mass adheres to the adsorption film 51 in a state where the vibrator 52 is vibrated at a predetermined frequency.
The sensor unit 50 is provided with a heater 53 made of the same material as that of the heater 29 so that molecules adsorbed by the adsorption film 51 can be detached.

上記の、振動子52の振動周波数の変化を、センサ部50で検出する。
センサ部50では、静電容量方式等により、振動子52の振動周波数の変化を、電気信号として検出することができる。なお、ここでは、静電容量による読み出しを例としたが、読み出し方法は圧電素子の電歪を用いても、シリコンや圧電素子のピエゾ効果を用いても良い。
The sensor unit 50 detects the change in the vibration frequency of the vibrator 52 described above.
The sensor unit 50 can detect a change in the vibration frequency of the vibrator 52 as an electric signal by a capacitance method or the like. Here, reading by capacitance is taken as an example, but the reading method may use the electrostriction of a piezoelectric element or the piezoelectric effect of silicon or a piezoelectric element.

測定処理部60は、センサ部50から出力される電気信号を受け、その電気信号の変化を検出することで、吸着膜51への特定種の分子の吸着の有無またはその量を測定する。センサ10においては、測定処理部60における測定結果を、ランプ、ブザー等のON/OFF、測定値、測定レベルの表示等によって出力できるようにするのが好ましい。   The measurement processing unit 60 receives the electrical signal output from the sensor unit 50 and detects the change in the electrical signal, thereby measuring the presence / absence or the amount of adsorption of a specific type of molecule on the adsorption film 51. In the sensor 10, it is preferable that the measurement result in the measurement processing unit 60 can be output by ON / OFF of a lamp, a buzzer, etc., a measurement value, a display of a measurement level, and the like.

制御部70では、センサ10の各部をコントロールする。例えば、各部において吸着した分子、成分を揮発させるためのヒータ29、32、43、53、振動子52の作動制御等を行うことができる。   The control unit 70 controls each part of the sensor 10. For example, it is possible to control the operation of the heaters 29, 32, 43, 53, and the vibrator 52 for volatilizing molecules and components adsorbed in each part.

このようなセンサ10においては、制御部70のコントロールによって、ポンプ20で周囲のガスを吸い込んで濃縮し、ガスに含まれる分子を吸着部30で吸着する。そして、吸着部30で吸着した分子中から、ガスクロマトグラフィ部40で特定種の分子を分離し、分離した特定種の分子をセンサ部50の吸着膜51で吸着する。吸着膜51への分子の吸着をセンサ部50で検出し、その検出レベルに基づき、測定処理部60で特定種の分子の有無またはその量を測定する。このようにして、特定種の分子の有無の検出、またはその量を測定することができる。これにより、特定のガスや匂いや特定の物質等の存在の検出、あるいはその量、濃度の検出を行うことが可能となる。   In such a sensor 10, ambient gas is sucked and concentrated by the pump 20 under the control of the control unit 70, and molecules contained in the gas are adsorbed by the adsorption unit 30. Then, from the molecules adsorbed by the adsorption unit 30, a specific type of molecule is separated by the gas chromatography unit 40, and the separated specific type of molecule is adsorbed by the adsorption film 51 of the sensor unit 50. Adsorption of molecules on the adsorption film 51 is detected by the sensor unit 50, and based on the detection level, the presence or amount of a specific type of molecule is measured by the measurement processing unit 60. In this way, it is possible to detect the presence or absence of a specific type of molecule, or to measure the amount thereof. As a result, it is possible to detect the presence of a specific gas, odor or specific substance, or to detect the amount or concentration thereof.

また、制御部70では、センサ10において複数種の分子の検出を行うためや、検出ダイナミックレンジを広げるためのコントロールを行うことも可能である。
複数種の分子の検出を行う場合、図4に示すように、センサ部50を複数組備える。そして、これら複数組のセンサ部50において、吸着膜51で吸着する分子の種類が互いに異なるものとする。
このようにすると、ガスに含まれる成分に応じ、吸着膜51で分子を吸着して振動周波数が変化する振動子52が異なる。これにより、制御部70では、複数組のセンサ部50のうち、吸着膜51で分子を吸着したことを検出したセンサ部50の種類や、検出した分子の量等を特定し、それらの分子の組み合わせに基づき、検出した物質を特定することができる。
In addition, the control unit 70 can perform control for detecting a plurality of types of molecules in the sensor 10 and expanding the detection dynamic range.
When detecting a plurality of types of molecules, a plurality of sets of sensor units 50 are provided as shown in FIG. In the plurality of sets of sensor units 50, the types of molecules adsorbed by the adsorption film 51 are different from each other.
If it does in this way, according to the component contained in gas, the vibrator | oscillator 52 which a molecule | numerator adsorb | sucks by the adsorption | suction film | membrane 51 and a vibration frequency changes will differ. As a result, the control unit 70 identifies the type of the sensor unit 50 that has detected the adsorption of the molecules by the adsorption film 51, the amount of the detected molecules, etc., among the plurality of sets of sensor units 50, and Based on the combination, the detected substance can be identified.

また、以下のようにして、センサ10の検出ダイナミックレンジを広げることもできる。すなわち、図5に示すように、センサ部50を複数組備える。このとき、振動子52の重量、大きさ、材質、吸着膜51との面積比あるいは体積比等を変更することにより、複数組の振動子52間で感度を異ならせる。
そして、制御部70においては、例えば感度の鈍いセンサ部50から検出を行い、吸着した分子による振動周波数の変化量が一定に満たないときには、順次感度の鋭いセンサ部50に切り替えていくことで、ダイナミックレンジを広げ、感度の良い分子検出が可能となる。
Further, the detection dynamic range of the sensor 10 can be expanded as follows. That is, as shown in FIG. 5, a plurality of sets of sensor units 50 are provided. At this time, the sensitivity is varied among the plural sets of vibrators 52 by changing the weight, size, material, area ratio or volume ratio of the vibrators 52 with the adsorption film 51.
And in the control part 70, for example, it detects from the sensor part 50 with low sensitivity, and when the variation | change_quantity of the vibration frequency by the adsorbed molecule is not constant, it switches to the sensor part 50 with a sharp sensitivity one by one, Expands the dynamic range and enables sensitive molecular detection.

このようにして、センサ10においては、特定種の分子の有無の検出、またはその量を測定することができる。これにより、特定のガスや特定の物質等の存在の検出、あるいはその量、濃度の検出を行うことが可能となる。このとき、ポンプ20においてガスを圧縮して送り込むことで、微小なガス量でも高感度な検出が可能となり、センサ10を、ワンチップで超小型ながら、従来にない高感度な検出性能を備えるものとすることができる。   In this manner, the sensor 10 can detect the presence or absence of a specific type of molecule or measure the amount thereof. Thereby, it is possible to detect the presence of a specific gas, a specific substance or the like, or to detect the amount and concentration thereof. At this time, the pump 20 compresses and feeds the gas, so that even a minute gas amount can be detected with high sensitivity, and the sensor 10 has an unprecedented high sensitivity detection performance while being ultra-compact with one chip. It can be.

また、センサ部50において複数種の分子検出を行えるようにすることで、複数種の分子からなる物質の特定、その濃度の測定等が可能となる。また、感度が異なる振動子52を複数備えることで、センサ10における検出ダイナミックレンジを広げることもできる。
このようにして、センサ10を、非常に小型でありながら、従来と同等以上の機能、性能を備えたものとすることができる。このようなセンサ10は可搬性にも優れるので、センサ10を、使用場所、環境を問わないものとでき、従来測定が行えなかったような場所、環境、状況での測定が可能となる。
In addition, by making it possible to detect a plurality of types of molecules in the sensor unit 50, it is possible to specify a substance composed of a plurality of types of molecules, measure the concentration thereof, and the like. Moreover, the detection dynamic range in the sensor 10 can be expanded by providing a plurality of vibrators 52 having different sensitivities.
In this way, the sensor 10 can be provided with functions and performance equal to or higher than those of the conventional sensor while being very small. Since such a sensor 10 is also excellent in portability, the sensor 10 can be used regardless of the place of use and the environment, and measurement in a place, environment, and situation where conventional measurement could not be performed is possible.

このようなセンサ10は、MEMS技術等の微細加工技術により製造することが可能であり、これによって大量生産による低コスト化が可能となる。   Such a sensor 10 can be manufactured by a microfabrication technique such as a MEMS technique, thereby enabling cost reduction by mass production.

なお、上記したような測定処理部60および制御部70は、基板80上に設けず、別体とすることも可能である。
また、ガスクロマトグラフィ部40は必須の構成ではなく、これを省略した簡易な構成とすることもできる。
また、基板80、81も、加工しやすいシリコンやシリコン酸化物としたが、ガラスやセラミックス、他の半導体でも形成しても良い。
これ以外にも、ポンプ20と、吸着部30、ガスクロマトグラフィ部40、センサ部50、測定処理部60、制御部70等の構成については、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。
Note that the measurement processing unit 60 and the control unit 70 as described above may be provided separately from the substrate 80 without being provided.
Further, the gas chromatography unit 40 is not an essential configuration, and may be a simple configuration in which this is omitted.
The substrates 80 and 81 are also made of silicon or silicon oxide that can be easily processed, but may be formed of glass, ceramics, or other semiconductors.
In addition to this, the configuration of the pump 20, the adsorption unit 30, the gas chromatography unit 40, the sensor unit 50, the measurement processing unit 60, the control unit 70, and the like is the same as that of the above embodiment unless departing from the gist of the present invention. The listed configurations can be selected or changed to other configurations as appropriate.

本実施の形態におけるセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the sensor in this Embodiment. センサの断面図である。It is sectional drawing of a sensor. ポンプの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a pump. センサの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a sensor. センサのさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of a sensor.

符号の説明Explanation of symbols

10…センサ、20…ポンプ(濃縮ポンプ、ポンプ本体)、22…チャンバー部、25…入口側ディフューザ部(逆流防止部)、26…出口側ディフューザ部(逆流防止部)、29…ヒータ(体積変化発生部)、30…吸着部、31…吸着膜、32…ヒータ、40…ガスクロマトグラフィ部(分子量分析部)、41…溝、42…ガス吸着材料、43…ヒータ、50…センサ部(分子認識部)、51…吸着膜、52…振動子、53…ヒータ、60…測定処理部(検出部)、70…制御部、80…基板、81…基板   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sensor, 20 ... Pump (concentration pump, pump main body), 22 ... Chamber part, 25 ... Inlet side diffuser part (backflow prevention part), 26 ... Outlet side diffuser part (backflow prevention part), 29 ... Heater (volume change) Generating part), 30 ... adsorption part, 31 ... adsorption film, 32 ... heater, 40 ... gas chromatography part (molecular weight analysis part), 41 ... groove, 42 ... gas adsorption material, 43 ... heater, 50 ... sensor part (molecular recognition) Part), 51 ... adsorption film, 52 ... vibrator, 53 ... heater, 60 ... measurement processing part (detection part), 70 ... control part, 80 ... substrate, 81 ... substrate

Claims (5)

外部から流体を吸い込み、前記流体を濃縮する濃縮ポンプと、
前記濃縮ポンプで濃縮された前記流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、
前記吸着部で吸着した前記分子のうち特定種の前記分子の付着または吸着により振動特性が変化することで前記分子を認識する分子認識部と、
前記分子認識部における振動の変化を検出することで、前記分子を検出する検出部と、を備え、
少なくとも前記濃縮ポンプ、前記吸着部、前記分子認識部が基板上に一体に形成されていることを特徴とする分子検出センサ。
A concentration pump for sucking fluid from the outside and concentrating the fluid;
An adsorbing part that adsorbs molecules contained in the fluid concentrated by the concentration pump;
A molecular recognition unit for recognizing the molecule by changing vibration characteristics due to adhesion or adsorption of the specific type of the molecule adsorbed by the adsorption unit;
A detection unit for detecting the molecule by detecting a change in vibration in the molecule recognition unit, and
At least the concentration pump, the adsorption unit, and the molecule recognition unit are integrally formed on a substrate.
前記濃縮ポンプは、
外部から前記吸着部に前記流体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、
前記流路内で前記流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記体積変化発生部により前記流体に体積変化が生じたとき、前記流路内で前記検出部から離れる方向に前記流体が移動するのを阻止する逆流防止部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の分子検出センサ。
The concentration pump is
A pump body in which a flow path for sending the fluid from the outside to the adsorption unit is formed;
A volume change generating section for generating a volume change in the fluid in the flow path;
A backflow prevention unit that prevents the fluid from moving in a direction away from the detection unit in the flow path when a volume change occurs in the fluid by the volume change generation unit;
The molecular detection sensor according to claim 1, comprising:
前記吸着部で吸着された前記分子の分子量を分析する分子量分析部をさらに備え、
前記分子認識部は、前記分子量分析部にて分子量が分析された前記分子の付着または吸着による振動特性の変化によって前記分子を認識することを特徴とする請求項1または2に記載の分子検出センサ。
A molecular weight analyzer for analyzing the molecular weight of the molecules adsorbed by the adsorption unit;
The molecular detection sensor according to claim 1, wherein the molecular recognition unit recognizes the molecule by a change in vibration characteristics due to adhesion or adsorption of the molecule whose molecular weight is analyzed by the molecular weight analysis unit. .
前記分子認識部は、感度の異なる複数が設けられ、
前記検出部は、感度の低い前記分子認識部で前記分子が認識できないときに感度の高い他の前記分子認識部にて前記分子の認識を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の分子検出センサ。
The molecular recognition unit is provided with a plurality of different sensitivities,
4. The detection unit according to claim 1, wherein when the molecule cannot be recognized by the molecule recognition unit having low sensitivity, the molecule is recognized by another molecule recognition unit having high sensitivity. The molecular detection sensor according to 1.
前記分子認識部は、付着または吸着する前記分子の種類が互いに異なる複数種が設けられ、
前記検出部は、複数の前記分子認識部のうち、前記分子を認識した前記分子認識部の種類に基づき、前記流体に含まれる物質を特定す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分子検出センサ。
The molecular recognition unit is provided with a plurality of different types of molecules to be attached or adsorbed,
The said detection part specifies the substance contained in the said fluid based on the kind of the said molecule recognition part which recognized the said molecule | numerator among several said molecule recognition parts. The molecular detection sensor according to 1.
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