Membrane-type Surface stress Sensor “MSS”

Abstract

ナノメカニカルセンサは，感応膜としてほとんどの材料を利用可能であるという多様性の高さから，様々 な分野への応用が期待されている．なかでも，近年開発された膜型表面応力センサ（Membrane-type Surface stress Sensor, MSS）は，高感度化と小型化を両立可能であることから，特にモバイルやモノのイ ンターネット（Internet of Things, IoT）などの用途の嗅覚センサへの応用が期待されている．本稿では， MSS 開発の経緯や動作原理について基礎的・技術的な内容も含めて紹介する． 本 稿 で は， 「 膜 型 表 面 応 力 セ ン サ（Membrane-type Surface stress Sensor, MSS） 」について紹介する．MSS は，におい成分などの標的物質（検体）を検出する「化 学センサ」の一種であり， 「ナノメカニカルセンサ」と いうタイプのセンサに分類される．ここでは，MSS の 動作原理などを紹介するにあたり，まず化学センサの構 成要素を考えてみたい． 化学センサのハードウェア部分は，大きく分けて 2 つ の要素から構成される．ひとつは，検体を吸着する「感 応膜（Receptor layer） 」 （受容体層などとも呼ばれる） と呼ばれる部分であり，もうひとつは，この感応膜に検 体が吸着することによって誘起される物理的/化学的変 化 を 読 み 取 り 可 能 な シ グ ナ ル に 変 換 す る「 変 換 器 （Transducer） 」である．後者の変換器としては，これ までに様々なタイプのものが開発されてきており，研究 用途では商品化されているものも多い．代表的なものと して， 水晶振動子 （Quartz Crystal Microbalance, QCM） ， 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴（Surface Plasmon Resonance, SPR） ，電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor, FET）などが挙げられる．また，ガスセンサでは，酸 化物半導体や導電性高分子を用いたものなど，感応膜と 変換器が一体となったセンサも多い．このようなセンサ を実用化する場合，それぞれのアプリケーションに応じ て適切なものを利用することが重要であるが，モバイル やモノのインターネット（Internet of Things, IoT）と いった用途では，原理的に小型で低コストなデバイスに しやすいものを利用することが望ましい． 本稿で着目するナノメカニカルセンサは変換器の一種 であり，多種多様な感応膜を利用可能であることから， 様々な分野での実用化が期待されている． しかしながら， ナノメカニカルセンサ構造は，もともと原子間力顕微鏡 のプローブとして用いられていたという歴史的な経緯も あり，レーザーなどの光学系を用いて高感度化を実現し ているものが多く，小型化が困難であったため，実用化 は現実的ではないと考えられてきた． これに対し吉川は， Heinrich Rohrer 博士（1986 年ノーベル物理学賞）およ びスイス連邦工科大学（EPFL）の MEMS チーム（秋 山照伸博士および Peter Vettiger 博士ら；NASA の火 星探査機に搭載された原子間力顕微鏡を作製） と共同で， 光学系を排し，高感度化と小型化を両立する新たなナノ メカニカルセンサを実現するという課題に挑んだ． ナノメカニカルセンサは，近年様々な形状が提案され ているが，代表的なものはプールの飛び込み台のような 形状の「カンチレバー型」と呼ばれるものである．この 形状は，1994 年に発表された最初の論文 1） , 2） でも使用さ れており，ナノメカニカルセンサのモデル形状として多 くの研究で利用されている．ナノメカニカルセンサは， 静 的 モ ー ド（Static mode） と 動 的 モ ー ド（Dynamic mode） と呼ばれる 2 つの動作様式に大別される （） ． 前者は，検体が吸着する事によって誘起される表面応力 によるセンサ本体の変形（Δz） （カンチレバー型の場合，