1 はじめに

 水晶は「産業の塩」とも言われるほど、電子機器には欠かせない物質である。温度安定性の高さから、多くの通信機器の周波数源として水晶振動子や水晶発振器などが使われている。また、その高い温度安定性は、センサーとしても利用価値が高く、QCM(Quartz Crystal Microbalance)や圧力センサー、ジャイロセンサーなどのセンサー素子にも水晶は用いられている。
 ここでは、水晶について説明した後に、水晶を用いたセンサーを紹介し、水晶を用いる利点や特徴を解説していく。

2 水晶とは

 水晶は無色透明で、圧電性を有する単結晶である。宝飾品としても用いられるが、圧電性を利用した工業用電子部品としても幅広く利用されている。以下に水晶の特徴について述べる。

2.1 水晶の結晶異方性 ^{1), 2)}

 水晶は結晶学的にいうと､二酸化珪素(SiO₂)の単結晶であり､異方性をもつ三方晶系･点群32に属している｡二酸化珪素の単結晶の一つを石英と呼ぶが､石英にはα-石英とβ-石英の2つがある｡α-石英は圧電性をもつ三方晶系であり､β-石英は圧電性をもたない六方晶系である｡このα-石英のことを一般に水晶と呼んでいる｡α-石英がα-β転移温度573℃を超えると､β-石英に転移してしまう｡
 図1は水晶の結晶を表しており､図中のアルファベットは結晶面を表している。水晶はz軸を回転軸として120°毎に同じ結晶構造が現れる3回回映軸と2回の対称軸をもつ結晶である｡そのため､x軸が3本表記されている｡
 水晶は結晶の異方性によって、ウェハのカット角（切断角ともいう）に伴い、物理特性が変化するため、電子部品として用いる場合はその振動形態（振動モード）に合わせて、適したカット角を選ぶ必要がある。これまで、多くの研究者によって、各振動形態に合わせたカット角が提案されている。図2はZ板の人工水晶にそれらのカット角を示したものである。

 図中のアルファベット2文字で表されているのがカット角の名称である。例えば、「AT」カットは通信向けのMHz帯の厚みすべり振動子として用いられている。このATカットは常温付近で共振周波数の温度特性がフラットになるゼロ温度係数をもった特徴あるカット角である。
 ここに図示されていないが、Z軸に垂直なXY面のウェハを「Zカット」と呼び、X軸あるいはY軸に垂直な面のウェハは「Xカット」、「Yカット」と呼ばれる。図中には「+2° X」などのように、座標軸に垂直な面からの回転角度で表されたものもある。Zカットを、X軸中心に+2° 回転させた「+2° X」は、音さ振動子など屈曲振動で共振周波数の温度特性が上に凸状の2次の温度特性をもち、常温付近に頂点温度をもたせたものである。
 この他にも、このような特徴のあるカット角が、水晶には20種類以上存在している。³⁾

2.2 圧電性

 水晶の大きな特徴であり工業的に多用される理由は、水晶がもつ圧電性にある。圧電性とは、圧電効果や逆圧電効果のことを指す。圧電効果とは、圧電性のある物質に圧縮力（あるいは伸張力）を加えることで、物質の表面にその力に応じた電荷が発生する現象のことである。それとは逆に、圧電性のある物質に電界を掛けると、物質に歪みが生じる現象のことを逆圧電効果と呼ぶ。圧電性をもった物質のことを圧電材料と呼び、水晶の他にも圧電結晶として、ニオブ酸リチウム(LiNbO₃)、タンタル酸リチウム(LiTaO₃)、ロッシェル塩などがある。また、圧電性をもった半導体材料やセラミックス、高分子材料などもある。圧電材料の詳細については専門書を参照することをお奨めする。⁴⁾
 水晶の圧電性は、1880年にP. CurieとJ. Curieの兄弟によって発見され、1922年にはW. G. Cadyによって水晶発振器が発明された。それ以降、水晶は通信機器の周波数源として欠かせないものとなっており、現在でもスマートフォンや多くの電子機器に幅広く利用されている材料である。

3 人工水晶

3.1 人工水晶の製造法

 水晶振動子については、1950年代から多くの研究が行われていた。当時は地中から採掘される図3に示すような天然水晶を使用していた。天然水晶は地中で結晶化する過程で異物が入り込むことが多く、電子部品として利用できるのは採掘されたもののうちのほんのわずかな量であった。
 現在のように、日本の水晶産業が大きく発展したのは、それまで天然水晶を利用してきたところを、結晶育成法を確立し、人工水晶の工業化に成功したところが大きい。世界で初めて人工水晶の工業化に成功したのが、東洋通信機株式会社（現セイコーエプソン株式会社）である。図4にさまざまなサイズの人工水晶を示す。
 人工水晶は、水熱合成法と呼ばれる結晶育成法によって製造されている。図5に示すようなオートクレーブと呼ばれる炉の中に、人工水晶の成長の起点となる種水晶と、溶解して再結晶化させるラスカ（水晶片）と、溶解液であるアルカリ性溶液を入れる。そして、炉内を高温・高圧の状態にし、溶解域から成長域に溶解液が自然対流により循環し、種結晶の表面に再結晶化され、結晶成長していく。図6は、製造した人工水晶をオートクレーブから引き上げた様子である。人工水晶は、天然水晶の性質とまったく差がなく、非常に高品質の水晶が安定的に供給されている。

次回に続く－

【著者紹介】
佐藤　健二（さとう　けんじ）
セイコーエプソン株式会社　マイクロデバイス事業部 TD商品開発部

1.　ジャイロセンサーとは

 ジャイロは「角速度」を検出するセンサーであり、角速度センサー、レートセンサー、ジャイロスコープとも呼ばれる。ジャイロとは、ギリシャ語で「回転」を意味するジャイロ(γυροσ)を語源とする。ジャイロが検出する「回転」とは、慣性空間に対する回転、すなわち方位変化で、通常ジャイロは移動物体そのものに取り付けて使用する。回転センサーというと、ロータリーエンコーダーの様に回転している部位を、基準となる固定部位より検知して回転数や回転角度をみるセンサーも含まれるが、このような回転センサーはジャイロとはメカニズムも用途も異なる。ジャイロは一般の人々には馴染みのない「角速度」を検出するセンサーであるため前述の回転センサーや「加速度」センサーと混同されやすい。この理由として、「角速度」が人間の感じる「角加速度」と異なる物理量であり、一般の人々にはイメージしにくいことが挙げられる。
 現在、産業・コンシューマ市場にて用いられる各種ジャイロセンサーの精度と価格の関係を図1-1に示す。価格の高い方から、リングレーザージャイロ(RLG)、光ファイバージャイロ(FOG)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)振動ジャイロなどが実用化されている。
 近年ではスマートフォンや車載ナビゲーションへの応用をきっかけに、MEMS振動ジャイロの小型・低コスト化や加速度センサー等の他のセンサーと組み合わせた多機能化が進んでいる。

 本稿で紹介するダブルT型水晶ジャイロは振動ジャイロに分類され、低コスト化や小型化に適している。図1-2はバネと質点で表した振動ジャイロの力学モデルである。図に示すような質量ｍを持つ質点をｘ方向に振動させている系を考える。この系に角速度Ω₀の回転が加わったときに、速度v_xで運動する質点には、式(1.1)に示すコリオリの力 F_c がｙ方向に作用する。

このような回転時に発生するコリオリの力F_cは、振動方向と回転軸のそれぞれに直交する方向に発生し、その大きさは振動速度v_xと回転角速度Ω₀に比例する。したがって、何らかの方法によって、質点ｍの動きを観測すること、例えば、ｙ方向に取り付けられたバネによってｙ方向の振動を観測することができれば、角速度Ω₀を知ることができる。つまり、振動ジャイロでは、まず、ある方向に一定の振動＝駆動振動を励振させて振動速度を発生させることと、次に、その駆動振動と直角方向の振動＝検出振動を計測することの２つが必要である。このようなメカニズムは人間の方向の感覚とは根本的に異なるものである。人間は主に三半規管によって方向の変化を認識している。三半規管は管内の本来止まっているリンパ液の慣性を利用して「角加速度」を検出しているが、振動ジャイロの場合には、振動しているものに働くコリオリの力によって「角速度」を検出している。センサーを使用するにあたっては、この様な性質を踏まえることが重要である。

2.　ジャイロセンサーのアプリケーション例

 図2-1に示す様に、ジャイロセンサーの性能やサイズによってアプリケーションは多種多様である。従来は、宇宙船や航空機、船舶などの移動体や産業機器における姿勢・方向検出といった用途が主なアプリケーションであった。しかし、小型で安価なMEMS振動ジャイロの台頭に伴い、カーナビゲーションや家庭用ゲーム機のモーションセンシングなどへの普及が近年急速に進んだ。以下に代表例として、「カメラの手ブレ補正」と「ロボット掃除機の走行制御」におけるジャイロセンサーの役割と特性による違いについて説明する。

2.1　カメラの手ブレ補正

 撮影時にカメラの揺れによって写真や動画がぼやけてしまうこと(手ブレ)を防ぐため、ジャイロセンサーを用いた手ブレ補正がおこなわれる。カメラの座標軸を図2-2の様に定義したとき、Z軸周りの回転(Yaw)とY軸周りの回転(Pitch)が手ブレに大きく影響する。そこで、ジャイロセンサーによりこれらの回転角度をリアルタイムに検出し、その情報をもとにカメラ内部のアクチュエーターを制御することで手ブレを抑制できる。厳密にはジャイロセンサーは回転の角速度を検出しているため、角速度を時間で積分して回転角度を算出するが、その角度精度はジャイロセンサーの特性に依存する。
 例として、積分時間5秒におけるYawとPitch誤差のシミュレーション結果を図2-2に示した。積分時間はカメラの露光時間に相当し、暗い場所での撮影時に露光時間は長くなる。比較しているセンサー特性は、角度ランダムウォーク(ARW: Angle Random Walk)と呼ばれるジャイロセンサーのホワイトノイズを表わす特性で、3章でも後述する様にジャイロセンサーにおける重要特性の一つである。シミュレーション結果より、ARWが小さく低ノイズであるほど、角度誤差も小さくなることが分かる。

2.2　ロボット掃除機の走行制御

 部屋をくまなく掃除するため、ロボット掃除機では事前に走行ルートが設定される場合が多い。目標とするルートに沿った走行を実現するには、ロボット掃除機がどの方向に進んでいるかを正確に把握して制御する必要があり、進行方向を検出する用途としてジャイロセンサーが用いられる。カメラの手ブレ補正と同様に、ジャイロセンサーで検出したロボット掃除機の角速度を積分することで、進行方向を表わす角度が得られる。
 図2-3に、積分時間1800秒(30分)における角度誤差のシミュレーション結果を示す。積分時間はロボット掃除機の走行時間に相当し、部屋の広さに応じて走行時間は長くなる。本計算では積分時間が長いため、ARWに加えて、3章で後述するバイアス安定性(BI: Bias Instability)も考慮してシミュレーションを実施した。更に、BIによるセンサー出力のずれ(オフセット)をロボット掃除機の停止時にゼロへ補正する前提とした。2.1節と同様に、ARWが小さく低ノイズであると角度誤差も小さいことが分かる。

次回に続く－

【著者紹介】
押尾　政宏（おしお　まさひろ）
セイコーエプソン株式会社　マイクロデバイス事業部 TD商品開発部　課長

１． 加速度センサーとは

 加速度センサーとは、基本的な物理量単位である加速度を計測するためのセンサーです。加速度センサーには多くの種類があり様々な用途で使われています。用途に応じて振動や衝撃を計測するのに適した方式や、傾斜やゆっくりした動きを計測するのに適した方式などがあります。表１に加速度センサーの検出方式による分類を示します。加速度センサーには、加速度によって発生する力を直接的に検出するオープンループ型と、何らかの方法でフィードバックをかけて間接的に検出するクローズドループ型があります。一般にクローズドループ型は、高感度であり微小にゆっくり変化する加速度を計測するのに適した方式です。構造が複雑で熟練者による調整などが必要なため生産性は高くなく、高価格の商品が多い傾向があります。オープンループ型は、低感度で大きく早く変化する加速度を検出するのに適した方式です。構造がシンプルで小型なため大量に生産可能で低価格の商品が多い傾向があります。更に検出原理が異なる様々な方式がオープンループ型にはあります。圧電型とピエゾ抵抗型は、印可された加速度をピエゾ抵抗や圧電材料が発生する電荷の変化として直接捉える方式です。衝突による非常に大きな衝撃や非常に高い周波数の振動を計測するのに適しています。加速度の計測範囲は、数100G～数1,000G、周波数範囲は、数10Hｚ～数10kHzとなります。静電容量型は、バネ構造を有する稼働可能な電極と固定された電極で構成され、印可された加速度を電極間の静電容量の変化として捉える方式です。近年、MEMS（Micro Electro Mechanical system）と呼ばれる超小型の機械構造を高度に集積した小型、高性能な方式が実用化され、大量生産可能で価格も安価であるため自動車や民生機器に広く普及しています。周波数変化型は、印可された加速度を周波数の変化として捉える方式です。他の方式にはない優れた特徴を有しています。しかし、これまで周波数検出などに技術的な課題があり、軍事用途などの特殊な領域での活用に留まっていました。

 次に、小型で高性能な加速度センサーを大量かつ安価に生産可能なMEMS方式について主な構造原理と特徴を表２に示します。現在、広く普及しているのは、表面MEMS型とバルクMEMS型となります。どちらの方式も、材料は半導体デバイスに使われているシリコンで検出方式は静電容量型です。静電容量型は、原理的に固定電極と稼働電極のギャップを広くすることが出来ません。ギャップ距離は一般的に数μmと狭く、検出できる加速度の計測範囲と分解能の関係はトレードオフとなります。一方、水晶MEMS型は、静電容量型のようなトレードオフはなく、非常に広い計測レンジと高い分解能を両立する事ができます。セイコーエプソンでは、クオーツ時計で培った水晶振動子の設計及び製造技術を応用して、これまで実現が困難だった水晶MEMS型センサーの開発に成功しました。本方式は、小型で大量生産可能でありながら、シリコンMEMS型に比べて、広い検出レンジと高い分解能の両立も可能な優れた方式です。

２． 水晶加速度センサーの動作原理と特徴

 水晶加速度センサーの素子構造と動作原理を図１に示します。基本構造は、双音さ水晶振動子と呼ばれる一定の周波数で振動する構造体の片側を固定端として、反対側におもりを付けた構造になっています。２本の平行に配置された構造は、点線で示す変位方向に機械的な共振を起こします。実際の構造は電子顕微写真に示すように振動するビームの４面に電極が付いており電圧を加えると、水晶の圧電効果で変形が生じ安定した高い精度の周波数で発振します。この構造体に図中に示す方向に力が加わると振動子に圧縮や引っ張りの力が加わります。振動子が圧縮されると双音さ振動子の周波数は低くなります。反対に引っ張りの力が加わると振動子の周波数は高くなります。ちょうどギターの弦を緩めると音が低くなり、強く張ると音が高くなるのと同じ原理です。センサー素子構造は、双音さ振動子に力を効率的に伝達するためにカンチレバーと錘を貼り合わせて一体とした構造になっています。双音さ振動子とカンチレバーの材料は水晶です。更に、振動の共振Q値を高くして周波数の安定度を高めるために、セラミックパッケージで真空封止した構造になっています。

 次に、３軸デジタル加速度センサーの機能ブロックを図２に示します。前述の印可される加速度の大きさに応じて出力される周波数が変化するセンサー素子は、１軸方向だけに加速度感度があります。従って３軸機能を実現するために、X軸、Y軸、Z軸に対応する３個のセンサー素子を搭載しています。センサー素子から出力される周波数は120kHz程度で軸間の干渉を回避するため各軸の周波数は数100Hz異なっています。後段には、各軸センサーから出力される周波数をカウントする周波数デジタル計測ブロックと単位変換や各種の補正処理を行う演算処理ブロックで構成されます。特徴は、アナログ要素が極限まで少ない技術アーキテクチャとなっており、電磁ノイズなどが大きな環境でも安定した計測を可能とします^[1]。その他にも、以下に示す特徴があります。

■低ノイズで高安定、広い検出レンジ
 ○ 双音さ水晶振動子を開発することで、低ノイズで高安定な性能を実現
 ○ 周波数変化型の加速度センサーを開発することで、広い検出レンジと高分解能を実現

■３軸デジタルで高感度なのに使いやすい
 ○ 独自のアナログ回路を極限まで排除した周波数デジタル計測IPを開発
 ○ 利便性の高いフィルタ補償・演算処理機能を開発

 優れた特徴を持つ水晶加速度センサーですが、従来の周波数をカウントする技術には課題がありました。それは、高い分解能を得るには基準クロックを高速化する必要があり、消費電力が大きくなるという課題でした。これを解決するために、我々は並列周波数ΔΣ変調器（FDSMs：Frequency Delta Sigma Modulators）を考案しました^[1]。図３に並列化したFDSMsのブロック図と信号イメージを示します。並列化されたFDSMsにより被測定信号を微小に遅延させることで、量子化誤差の低減と高速化を両立しています。本技術により、基準クロックが数10MHz程度でも、十分に高い分解能を得る事が出来るようなりました。

 実際に並列化の効果を実験で確かめた例を図４に示します。実験では、基準クロック25MHzで、被測定信号124kHz±5mHzに7.5Hzの変調をかけた信号を入力し、並列数を変えてノイズの低減効果を確認しました。後段のローパスフィルタとダウンサンプリングの条件は一定としました。その結果、並列数の増加に伴ってノイズが少なくなって周波数計測分解能が向上してることがわかります。本技術により、低速の基準クロックでも量子化誤差が少なく高速に周波数を計測できるため、水晶加速度センサーの低消費電力化が可能となりました。

 前述の独自に開発した技術により製品化した水晶加速度センサーのラインナップを表３に示します。すべてデジタル３軸で静止状態の重力加速度から、最大1,000Hzまでの振動を計測可能です。用途に応じて小型の組込みタイプとIP67防塵防水タイプを選択することができます。

次回に続く－

【著者紹介】
中仙道　和之（なかせんどう　かずゆき）
セイコーエプソン株式会社　マイクロデバイス事業部 TD商品開発部　課長

1　はじめに

人の五感のうち視覚はカメラ、触覚はタッチセンサ、聴覚はマイクロホンというように物理的な波動や信号を使って感知するものについては既に電子化・デジタル化され、インターネット空間を使って伝達することも容易に行えるようになっている。
一方、嗅覚と味覚に関してはそれぞれ生物として根源的に重要な感覚であるにも関わらず化学的な情報をとらえる必要があることから電子化・デジタル化することが困難とされている。特に嗅覚に関しては味覚に比べそのオノマトペも貧弱であることから、自分の感じている香りを他人に伝えること自体難しく、1960年代から人の嗅覚を電子的な手法で測定できる技術の研究が連綿と続けられてきた。
近年、様々な分野において人の五感をデジタル化することでより安心で安全な省力化や環境に優しい機械制御などのニーズが高まっており、人の鼻のしくみを模倣したe-Noseと呼ばれるタイプのニオイセンサが実用化され始めている。

2　e-Nose型ニオイセンサとは

2.1　歴史

1960年代初頭、人が匂いを感知する仕組みとして様々なモデルが提唱されたが、その中でも化学物質の物理的な構造に対して親和性を持つ吸着サイトのようなものが人の鼻に存在し、それぞれのサイトごとに異なる特徴を持つ化学物質の構造部が吸着することで匂いに含まれている化学物質の組み合わせに応じた応答パターンを与えるという一種の鍵と鍵穴モデルが提唱された。
しかしながらその後20年間ほどはこうした電子鼻は研究者の関心を引くことは少なく、技術の進展は半導体をトランスデューサとした電子鼻の開発に成功した1982年のPersaud and Dodd ¹⁾、 特性の異なる複数の酸化物半導体センサ素子をアレイ化して電子鼻を構成したIkegamiら²⁾ の成功により再び研究者らの関心を引くこととなった。
この時期にこうした電子鼻をe-Noseと表現されるようになり、1990年にはNATOのAdvanced Research Workshopにてe-Noseを取り上げた特別セッションが開催されている。
このときにはそれまで人工鼻や電子鼻として表現されていたニオイセンサにたいして、e-Noseという統一した定義が与えられた。
図-1にはこのときに定義されたe-Noseの構成を示す。匂いを構成する分子に対して応答特性の異なる感応膜を装備した複数のトランスデューサを並列に処理する構造で匂いをパターンとして捉えるセンサがe-Noseと定義された。

その後、2004年にノーベル生理学賞を受賞したAxelとBuckにより、哺乳類の鼻には遺伝情報上にクラスタリングされることで複数の異なる化学物質親和性を持つレセプター部位が空間的に固定されて存在していることが報告され、人工的に化学物質親和性の異なる感応膜を複数のトランスデューサ場に形成した並列型センサシステムが機能的には哺乳類の鼻を模倣していると考えて良いことが裏付けられている。

2.2　特徴

e-Nose型ニオイセンサは前述のように親和性の異なる感応膜によるアレイ型構造を取ることにより、匂いを定量的な分析ではなく匂いを構成する化学物質のポートフォリオを鳥瞰するようなパターンとして捉えることを特徴とするセンサである。
この親和性は図-1の感応膜により制御されるが、親和性の選択性を高くすればするほど特定物質のみへの応答が強くなることから、選択性が高い感応膜だけからなるe-Noseセンサではカバーできる匂いの幅は狭くなる。一方で、選択性を広く取った感応膜の場合は多くの匂いを測定可能になるものの、匂い同士の境界線が曖昧になり匂いを構成する個別の物質の判別が難しくなる。
哺乳類の場合こうした親和性の選択性の広い部分と、ある特定の化学物質に特異的に応答するような狭い選択性を有する部分の両方を持つことで、生存に直接関わりのある匂いに対しては敏感に応答することができる嗅覚システムを持っている。（図-2）

3　e-Nose型ニオイセンサに用いられるトランスデューサ

e-Noseの性能において前述のように感応膜の設計と組み合わせが匂いの判別に大きな影響を与えることを説明した。一方、電子的なセンサとしての性能、大きさや安定性、感度に大きな影響を持っているのがトランスデューサの部分である。
表1にはe-Noseに利用される代表的なトランスデューサの一例を示した。

これらのセンサにおいて、水晶振動子を用いたセンサ（QCM）は人工水晶をX軸に平行でZ軸から35°15′の角度で切り出されたATカット水晶と言われるものを利用するのが一般的である。この水晶に電界を印加すると安定した高周波振動が得られるが、この振動は発振電極の表面になにかの物質が付着すると、その重量分だけエネルギーの損失が起き共振周波数の低下が起きる。
このため水晶振動子の表面に物質選択性を持つ感応膜を形成することで当該物質を検出するセンサを構成することができる。これを利用して、例えば抗体のような強い選択性を有する物質を表面に形成して特定の抗原を検出するようなセンサは旧来より使われている。これにたいして特定物質に対する選択性をもつ感応膜のかわりに、分子に対する親和性例えば親水性-疎水性、アルキル基の長さや塩基性-酸性などを制御した複数の感応膜をそれぞれ形成させ、これを並列に使用することによって図-1で定義されるe-Noseを構成することができる。
中本らはこのような水晶振動子をトランスデューサとし、それぞれに親和性の異なる複数種類の感応膜を構成し、ニューラルネットワークにより匂いパターンを分析するという水晶振動子型ニオイセンサの開発に成功している。⁴⁾

FETをトランスデューサとするセンサはゲート上に形成される感応膜にニオイ分子が吸着したときに起こる膜状の電荷変異やその他の電気的な変化を電圧閾値の変化として読み取る原理である。このFETをCMOSとして形成することで高密度にトランジスタアレイを形成したトランスデューサとして利用することができる。現在では１ピクセルあたり５μｍレベルの高精細化が可能となっており、将来ニオイセンサを超小型化する際には他の追随を許さないものである。一方、このセンサに用いる感応膜は分子親和性を制御するアンテナ部と吸着によって膜状に電気・電子的な変異を誘発させる分子内トランスデューサ部の２つが必要であり、膜材料設計に高度な技術力が必要である。

酸化物半導体は構成が簡単で単素子であっても分子種による熱抵抗の変化の相違をパターン化することで匂い分析が可能とされるものの、同じ還元性のレベルの物質同士の峻別が苦手であること、半導体自体を500℃レベルの高温に加熱して使用する必要があることから高消費電力であること、使用を繰り返すと酸化物半導体の構造欠陥が拡大し使えなくなってしまうなどの問題がある。

また、MEMS型では圧電MEMSを用い、その表面に構成する感応膜へのニオイ分子の吸着による共振周波数変化を見ることでパターン化する原理のものと、歪抵抗変化を観測するひずみゲージ型MEMSをトランスデューサとするものが知られている。これらはいずれも通常のMEMS製造プロセスで製造可能なために素子の大きさは300〜500μm程度と水晶振動子に比べるとやや小型化が可能である点は優位な点である。
さらに前者は原理的には水晶振動子と同じで、基本的にはどのような膜材料も感応膜として利用できるために様々なタイプの匂いに対してまんべんなく応答しやすいe-Noseとすることができる。また、膜材料に表面の物理吸着が優勢なものだけを選択することで吸脱着の速度も早いものとすることも可能である。しかしながら共振周波数が水晶振動子に比べると３〜４桁低いために、検知のダイナミックレンジが低くなりがちであるという欠点を持っている。
一方、ひずみゲージ型MEMSの場合はこれとは少し異なり、感応膜内部にニオイ分子が含浸することで膜が膨張して発生する歪を検知する仕組みとなっている。そのためニオイ分子は表面に吸着するのみではなく膜内に浸透させる必要があるために脱着に時間がかかってしまうという点を解決していく必要がある。

光学式センサとして代表的なものはナノメタルに光を照射するとその表面に生成する表面プラズモン共鳴という現象を応用したSPRセンサと呼ばれるものがある。このセンサはナノメタル表面の光の屈折が分子の吸着によって起こる変化を光学系を構成して読み取るものであり、照射する単色光の強度を強くし、光路長を長く取ることでpptレベルの超高感度センサとすることも可能であるが、そのためには長い光路長を確保するために装置全体を大きくする必要がある。

次回に続く－

【著者紹介】
橋詰　賢一（はしづめ　けんいち）
株式会社アロマビット 最高技術責任者