JP2007271577A - Sensor head and gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大気中や気相化学プロセス又は水素ガスを使用する環境下での水素ガスの漏れ検出及び濃度を測るためのセンサヘッド及びこれを用いた水素ガスセンサに関する。 The present invention relates to a sensor head for detecting leakage and measuring the concentration of hydrogen gas in the atmosphere, a gas phase chemical process, or an environment using hydrogen gas, and a hydrogen gas sensor using the sensor head.
今日の地球規模のエネルギー・環境問題を解決するものとして、燃料電池に代表される高エネルギー効率でクリーンな水素エネルギー利用システムが期待されている。しかし、水素(H2)は天然ガスの主成分であるメタン(CH4)と比較して、着火温度が低い(530℃)、発火エネルギーが小さい(0.02mJ)、爆発限界が広い(4〜75%)、燃焼速度が速い(2.65m/s)などの性質がある。そのため水素エネルギーの普及には、水素の製造、輸送、及び利用の安全性を管理するための水素ガス漏洩検出及び濃度計測ためのセンサデバイスが必要不可欠となる。 As a solution to today's global energy and environmental problems, high energy efficient and clean hydrogen energy utilization systems such as fuel cells are expected. However, hydrogen (H 2 ) has a lower ignition temperature (530 ° C.), lower ignition energy (0.02 mJ), and a wider explosion limit (4) than methane (CH 4 ), which is the main component of natural gas. ˜75%) and high combustion rate (2.65 m / s). Therefore, for the spread of hydrogen energy, a sensor device for hydrogen gas leak detection and concentration measurement for managing the safety of production, transportation, and use of hydrogen is indispensable.
現在は石油精製や半導体工場又は宇宙産業のロケットなどの特殊な領域で水素ガスセンサが使われているが、将来は燃料電池自動車、工業用定置型燃料電池及び家庭用定置型燃料電池の普及するにともない、水素ガスセンサの需要は、大幅に拡大することが予想される。 Currently, hydrogen gas sensors are used in special fields such as oil refining, semiconductor factories, and space industry rockets, but in the future, fuel cell vehicles, industrial stationary fuel cells, and household stationary fuel cells will become widespread. At the same time, the demand for hydrogen gas sensors is expected to increase significantly.
この水素ガスセンサに要求される性能としては、例えば水素漏れや漏洩センサの場合には、高感度(0.1%−10%)、作動温度が低い(−30℃〜80℃)、安定性が高い、水素ガスに対して選択性が高い、応答速度が速い(<1s)、及びコストが低いことがあげられる。しかしながら、現在市販されている接触燃焼式センサや半導体式センサ及び弾性表面波センサなどで、上記の性能を満たすものはない。 The performance required for this hydrogen gas sensor is, for example, high sensitivity (0.1% -10%), low operating temperature (-30 ° C to 80 ° C), and stability in the case of a hydrogen leak or leak sensor. High selectivity for hydrogen gas, fast response speed (<1 s), and low cost. However, none of the contact combustion sensors, semiconductor sensors, and surface acoustic wave sensors that are currently on the market satisfy the above performance.
接触燃焼式センサでは、酸化触媒を用いてガスが燃焼する際の発熱量から水素濃度を測定するため、水素以外のすべての可燃性ガスに反応し、又作動温度が高い。 In the contact combustion type sensor, since the hydrogen concentration is measured from the calorific value when the gas burns using the oxidation catalyst, it reacts with all combustible gases other than hydrogen and has a high operating temperature.
吸着現象を利用した半導体式センサは、酸化錫(SnO2)などの金属酸化物半導体の表面に水素分子が吸着したときの、電気伝導率の変化から水素濃度を測定する。この方式は、応答速度も速く、数十ppmの水素濃度を検出できるが、水素濃度が大きくなるとセンサの出力が飽和してしまうため、低濃度側(〜0.2%)の測定に制限される。又、SnO2表面に白金膜を触媒として形成すれば、センサの出力は、他の可燃性ガスに比べて高くなるが、なお一酸化炭素や他の可燃性ガスの影響を受ける。 A semiconductor sensor using an adsorption phenomenon measures a hydrogen concentration from a change in electrical conductivity when hydrogen molecules are adsorbed on the surface of a metal oxide semiconductor such as tin oxide (SnO 2 ). This method has a high response speed and can detect a hydrogen concentration of several tens of ppm. However, the sensor output is saturated as the hydrogen concentration increases, so it is limited to the measurement on the low concentration side (up to 0.2%). The If a platinum film is formed on the SnO 2 surface as a catalyst, the output of the sensor is higher than that of other combustible gases, but is still affected by carbon monoxide and other combustible gases.
そこで、近年は、半導体式、光学式、弾性表面波式、熱電式、電気化学式など各種方式のセンサが高性能化を競っている。 この中で半導体式、光学式、及び弾性表面波式では、センサ表面に水素を選択的に吸収及び放出する特徴をもつパラジウム(Pd)或いはパラジウム合金膜を形成することにより、水素ガスに対して選択性をもたせていると言われている。 Therefore, in recent years, various types of sensors such as semiconductor type, optical type, surface acoustic wave type, thermoelectric type, and electrochemical type are competing for higher performance. Among them, in the semiconductor type, optical type, and surface acoustic wave type, a palladium (Pd) or palladium alloy film having a characteristic of selectively absorbing and releasing hydrogen is formed on the sensor surface, thereby preventing hydrogen gas. It is said to have selectivity.
しかし1996年に、パラジウム膜でも水素以外の一酸化炭素(CO)或いは一酸化窒素(NO)などの他のガスにも膜自身の特性変化があるとの報告がある(非特許文献1参照。)。
上記の説明からもわかるように、一般大気の生活環境下で高い安全性が要求される燃料電池自動車、高圧高濃度水素ガスを用いる水素ステーション、又は天然ガス中のプロッパンガスから高温高湿度下で水素を精製しエネルギーに変換する工業用定置型燃料電池或いは家庭用定置型燃料電池などの分野では、高温高湿度下及び他のガスの影響を排除して、水素ガス漏洩が検出でき、或いは水素ガスの濃度が検出できるセンサヘッド及びガスセンサが待望されている。 As can be seen from the above explanation, fuel cell vehicles that require high safety in the living environment of the general atmosphere, hydrogen stations that use high-pressure and high-concentration hydrogen gas, or hydrogen gas from natural gas in high-temperature and high-humidity conditions. In the fields of industrial stationary fuel cells or household stationary fuel cells that purify and convert energy into hydrogen, leakage of hydrogen gas can be detected under the influence of high temperature and high humidity and other gases, or hydrogen gas Therefore, a sensor head and a gas sensor that can detect the concentration of gas are desired.
本発明は、水素ガス検出のダイナミックレンジが広く、高感度、高速応答で、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在等の使用環境の影響を受けて出力変動することのないセンサヘッド及びこのセンサヘッドを用いたガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention provides a sensor head having a wide dynamic range for hydrogen gas detection, high sensitivity, high speed response, and no fluctuation in output due to the influence of the use environment such as high temperature and high humidity and the presence of other gases. An object of the present invention is to provide a gas sensor using a sensor head.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は(イ)水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器と、(ロ)コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する3次元基体、3次元基体の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が3次元基体の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、容器の内部に収容された水素ガス検出部とを含むセンサヘッドであることを要旨とする。ここで、「弾性表面波」とは、基材の表面に沿いエネルギーを集中して伝播する弾性波のすべてを含む。例えば、多少エネルギーを基材に漏洩しながら伝播する擬セザワ波(漏洩セザワ波)、SH波、また表面に設けられた膜を伝播可能なラブ波などを含む。そして、「コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯」とは、周回帯の幅が平行な場合で、最も狭い幅で弾性表面波が周回する。「3次元基体」は、周回帯の中心線に沿った第1の主方向に第1の曲率を有し、且つこの第1の主方向に直交する第2の主方向に第2の曲率を有することが好ましい。但し、第1の曲率と第2の曲率とは、必ずしも等しい必要はない。第1の主方向に定義される第1の曲率は必ずしも、一定の曲率半径である必要はないが、少なくとも伝搬経路上のあらゆる点でいずれも方向にも曲率は同じ符号である必要がある。第2の主方向に定義される第2の曲率も必ずしも、一定の曲率半径である必要はなく、第2の主方向にそった断面図で見た場合、周回帯の中心線近傍でミクロには平坦な外径面を形成するようなトポロジーも許容できる。即ち、周回帯の中心線近傍では曲率半径無限大であるが、第2の主方向に沿って周回帯の中心線から離れるに従い曲率半径が、連続的若しくは、階段状に小さくなるようなトポロジーでも良い。丁度、算盤玉の円周の端部を円柱面状にしたようなトポロジーや、二つの円錐を互いに底面で接続し、その接続部分の最大径となる円周の端部を円柱面状にしたようなトポロジーでも良い。 In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention is (i) a container that selectively transmits only hydrogen gas and has a sealing property against gas other than hydrogen gas, and (b) collimated elasticity. A three-dimensional substrate having a curved surface defining a circumferential band in which surface waves can circulate multiple times, an electroacoustic transducer disposed on the circumferential band of the three-dimensional substrate, and exciting a surface acoustic wave along the circumferential band, at least a part of which The gist of the present invention is that the sensor head includes a hydrogen gas detection unit that is provided in at least a part of the circumference of the three-dimensional substrate, includes a sensitive film that reacts with hydrogen gas molecules, and is housed inside the container. Here, the “surface acoustic wave” includes all the elastic waves that are concentrated and propagate along the surface of the substrate. For example, pseudo Sezawa waves (leakage Sezawa waves) propagating while slightly leaking energy to the substrate, SH waves, and Love waves that can propagate through a film provided on the surface are included. The “circular band in which collimated surface acoustic waves can circulate multiple times” refers to the case where the widths of the circular bands are parallel, and the surface acoustic waves circulate with the narrowest width. The “three-dimensional substrate” has a first curvature in the first main direction along the center line of the orbital belt, and a second curvature in the second main direction orthogonal to the first main direction. It is preferable to have. However, the first curvature and the second curvature are not necessarily equal. The first curvature defined in the first main direction does not necessarily have a constant radius of curvature, but the curvature must have the same sign in any direction at least at every point on the propagation path. The second curvature defined in the second main direction does not necessarily have a constant radius of curvature. When viewed in a cross-sectional view along the second main direction, the second curvature is microscopic in the vicinity of the center line of the orbital zone. Can tolerate topologies that form a flat outer surface. That is, in the topology where the radius of curvature is infinite near the centerline of the orbital band, but the radius of curvature decreases continuously or stepwise as it moves away from the centerline of the orbital band along the second main direction. good. Just like a topology in which the end of the circumference of the abacus ball is cylindrical, or two cones are connected to each other at the bottom, and the end of the circumference that becomes the maximum diameter of the connection is made cylindrical Such a topology may be used.
簡単な場合として、「3次元基体」として真球を考えれば、周回帯の幅は球の半径と弾性表面波の波長で決まる。球(真球)の周長と弾性表面波の波長との比(又は弾性表面波の波数と球の半径との積)で定義される波数パラメータと、周回帯の幅と球の半径との比で定義されるコリメート角の間には近似的に一定の関係がある。例えば、直径10mmの水晶球で、周波数45MHzでは、波数パラメータは438であり、コリメート角はおよそ8°で、周回帯の幅は、直径の約7/100くらいになる。 As a simple case, if a true sphere is considered as the “three-dimensional substrate”, the width of the orbital band is determined by the radius of the sphere and the wavelength of the surface acoustic wave. The wave number parameter defined by the ratio of the circumference of the sphere (true sphere) and the wavelength of the surface acoustic wave (or the product of the surface wave number and the radius of the sphere) and the width of the orbital zone and the radius of the sphere There is an approximately constant relationship between the collimating angles defined by the ratio. For example, in a 10 mm diameter crystal sphere, at a frequency of 45 MHz, the wave number parameter is 438, the collimating angle is about 8 °, and the width of the orbital band is about 7/100 of the diameter.
「弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子」としては、オルターニット・フェーズアレイのすだれ状電極を用いれば良い。このすだれ状電極のフィンガーの長手方向は、周回帯の方向に直交するが、周回帯は、すだれ状電極の長手方向をすべて含んでいる必要がある。この様なトポロジーであれば、3次元基体はビヤ樽形状等でも良く、繭型やラクビーボール型でも良い。 As the “electroacoustic transducer for exciting the surface acoustic wave along the circulation band”, interdigital electrodes of an alternite phase array may be used. The longitudinal direction of the fingers of the interdigital electrode is orthogonal to the direction of the circular band, but the circular band needs to include the entire longitudinal direction of the interdigital electrode. In such a topology, the three-dimensional substrate may have a beer barrel shape or the like, or may have a bowl shape or a rugby ball type.
以上説明したように、一定の条件下では、真球以外の閉じた曲面上を周回する弾性表面波素子も構成することができる。真球以外の曲面でも、1点で発生してリング状に広がる弾性表面波は1周回った後に同一点に戻ることができるが、その戻る時刻が曲面上の伝搬経路により異なり波形が時間軸上で広がってしまうため、伝搬時間や周回共振周波数の変化を計測するセンサとしての精度が低下してしまう。このため、本発明の第1の態様に係るセンサヘッドに用いる「3次元基体」のトポロジーとしては、真球が最も好ましい。 As described above, a surface acoustic wave element that circulates on a closed curved surface other than a true sphere can be configured under certain conditions. Even on a curved surface other than a true sphere, a surface acoustic wave that is generated at one point and spreads in a ring shape can return to the same point after one round, but the return time differs depending on the propagation path on the curved surface, and the waveform is a time axis. Since it spreads above, the precision as a sensor which measures the change of propagation time or a circumference resonance frequency will fall. For this reason, a true sphere is most preferable as the topology of the “three-dimensional substrate” used in the sensor head according to the first aspect of the present invention.
いずれにせよ、「3次元基体」は、中身の詰まった塊状である必要はなく、空洞部分(中空部部分)を有する3次元形状や、ある肉厚の殻により外面を形成した3次元形状でも良い。したがって、周回帯は、3次元基体の外周側表面に定義される場合と、3次元基体の空洞部分の内壁側表面に定義される場合がある。 In any case, the “three-dimensional substrate” does not have to be a solid block, and may be a three-dimensional shape having a hollow portion (hollow portion) or a three-dimensional shape having an outer surface formed by a shell having a certain thickness. good. Therefore, the orbital band may be defined on the outer peripheral side surface of the three-dimensional substrate, or may be defined on the inner wall side surface of the hollow portion of the three-dimensional substrate.
本発明の第1の態様に係るセンサヘッドに用いる3次元基体の周回帯を伝搬する弾性表面波は、無回折で多重周回する。例えば、直径10mmの水晶球を用いた計測結果によればその多重周回は300周から500周に及ぶ。これは、より小型の直径1mmの球を用いたとしても、300周回で実効長900mmに等価な伝搬距離をもっていることを示している。従来の平面型(2次元構造)の弾性表面波素子に比べれば、2桁程度伝搬距離が長い。このことは、伝搬遅延時間計測においては、従来よりも2桁程度の時間分解能の改善、ひいては感度の改善になるということである。 The surface acoustic wave propagating through the orbital band of the three-dimensional substrate used in the sensor head according to the first aspect of the present invention does not diffract and circulates multiple times. For example, according to the measurement result using a crystal ball having a diameter of 10 mm, the multiple rounds range from 300 rounds to 500 rounds. This shows that even if a smaller sphere having a diameter of 1 mm is used, the propagation distance is equivalent to an effective length of 900 mm in 300 laps. Compared with a conventional planar type (two-dimensional structure) surface acoustic wave element, the propagation distance is about two orders of magnitude longer. This means that in the propagation delay time measurement, the time resolution is improved by about two orders of magnitude compared to the conventional case, and the sensitivity is improved.
本発明の第1の態様に係るセンサヘッドに用いる感応膜には、水素ガス分子と反応する、即ち、水素ガス分子の吸着、吸蔵、化学反応若しくは触媒化学反応を生じ、それによりその弾性表面波伝搬特性に変化が生じる材料が選択される。例えば、水素ガス分子が感応膜に吸着すれば、そのガス分子の質量効果により、弾性表面波の伝搬速度は遅くなるし、振動振幅の減衰率も大きくなる。或いは水素ガス分子が感応膜と反応し、別の化合物に変化する場合も弾性特性が変化し、弾性表面波の伝搬特性に差が生じる。水素ガス分子と感応膜の反応による温度変化、又は感応膜を触媒とした化学反応によっても、弾性表面波の伝搬特性が変化する。したがって、弾性表面波の多重周回の遅延時間や周波数変化、或いは振幅、出力波形を検出することにより、水素ガス分子の有無や濃度等を計測できる。 The sensitive film used in the sensor head according to the first aspect of the present invention reacts with hydrogen gas molecules, that is, causes adsorption, occlusion, chemical reaction or catalytic chemical reaction of hydrogen gas molecules, and thereby the surface acoustic wave thereof. A material that changes the propagation characteristics is selected. For example, if hydrogen gas molecules are adsorbed on the sensitive film, the propagation speed of the surface acoustic wave is slowed and the damping factor of the vibration amplitude is increased due to the mass effect of the gas molecules. Alternatively, when the hydrogen gas molecule reacts with the sensitive film and changes to another compound, the elastic characteristics change, resulting in a difference in the surface acoustic wave propagation characteristics. The propagation characteristics of the surface acoustic wave also change due to a temperature change caused by the reaction between the hydrogen gas molecules and the sensitive film or a chemical reaction using the sensitive film as a catalyst. Therefore, the presence / absence, concentration, etc. of hydrogen gas molecules can be measured by detecting delay times, frequency changes, amplitudes, and output waveforms of multiple rounds of surface acoustic waves.
本発明の第1の態様に係るセンサヘッドに用いる感応膜の厚さは、100nm以下が好ましい。感応膜上を弾性表面波が多重周回すれば良いので、感応膜の必要量は非常に少なくて済み、感応膜の厚さを薄くすることにより、コストを大幅に削減できる。特に吸蔵型感応膜の場合には、水素ガス分子の感応膜中への拡散が応答時間を律速しているため、感応膜を薄くすることにより応答時間が早くなり、より実用的なセンサを供給できるからである。勿論同じ厚さならば飛躍的に高感度化ができ、従来検知できなかったような感度が得られる。この場合の下限は1分子層になるが、通常は、3分子層程度以上が好ましい。更に、感応膜を100nm以下にすることにより、外部温度変化や膜自身の反応熱の温度変化による膜の伸縮や、化学反応や原子吸蔵による物理的な結晶構造変化の繰り返しに強い構造が実現できる。 The thickness of the sensitive film used in the sensor head according to the first aspect of the present invention is preferably 100 nm or less. Since the surface acoustic wave only needs to circulate around the sensitive film, the required amount of sensitive film is very small, and the cost can be greatly reduced by reducing the thickness of the sensitive film. Especially in the case of occlusion type sensitive membranes, the diffusion of hydrogen gas molecules into the sensitive membrane determines the response time, so the response time is shortened by making the sensitive membrane thinner, providing a more practical sensor. Because it can. Of course, if the thickness is the same, the sensitivity can be dramatically improved, and a sensitivity that could not be detected in the past can be obtained. In this case, the lower limit is a monomolecular layer, but usually it is preferably about 3 molecular layers or more. Furthermore, by making the sensitive film 100 nm or less, it is possible to realize a structure that is strong against repeated expansion and contraction of the film due to changes in external temperature and temperature of reaction heat of the film itself, and physical crystal structure changes due to chemical reaction and atomic absorption. .
又、感応膜の厚さが、弾性表面波の波長の1/500以下であることが好ましい。より好ましくは、感応膜の厚さが、弾性表面波の波長の1/1000以下とすべきである。 The thickness of the sensitive film is preferably 1/500 or less of the wavelength of the surface acoustic wave. More preferably, the thickness of the sensitive film should be 1/1000 or less of the wavelength of the surface acoustic wave.
更に、水素ガス(H2)を検出する感応膜としてはパラジウム(Pd)を含む膜が好適である。「Pdを含む膜」とは、単体のPd膜の他、チタン・パラジウム(Ti−Pd)、ニッケル・パラジウム(Ni−Pd)、マグネシウム・パラジウム(Mg−Pd)、金・パラジウム(Au−Pd)、銀・パラジウム(Ag−Pd)、若しくは金・銀・パラジウム(Au−Ag−Pd)等のパラジウム合金膜等が含まれる意である。パラジウムは自分の体積の935倍もの水素を吸蔵する。Pdを含む感応膜のように、材料として高価な材料の場合があるが、例えば、球表面の一部に感応膜を形成すれば安価にできる。 Further, as the sensitive film for detecting hydrogen gas (H 2 ), a film containing palladium (Pd) is suitable. “Pd-containing film” means a single Pd film, titanium / palladium (Ti—Pd), nickel / palladium (Ni—Pd), magnesium / palladium (Mg—Pd), gold / palladium (Au—Pd). ), Silver / palladium (Ag—Pd), or a palladium alloy film such as gold / silver / palladium (Au—Ag—Pd). Palladium absorbs 935 times its own volume of hydrogen. There may be an expensive material such as a sensitive film containing Pd. For example, if a sensitive film is formed on a part of the sphere surface, the cost can be reduced.
水素ガス(H2)を検出する感応膜として種々の水素吸蔵合金膜を使用しても良い。水素吸蔵合金はAとBの原子比によりAB5型合金、AB2型合金等に分類されるが、Aサイトの元素としてはマグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、希土類金属等の2A〜5A族に属する金属、Bサイトの元素としては鉄(Fe)、ニッケル(Ni)等の6A〜8族に属する金属で構成される。AB2型合金は、Aサイトの元素1に対しBサイトの元素2となる合金であるが、Ti,マンガン(Mn),Zr,Niなどの遷移元素の合金をベースとしたものが良く知られている。結晶はラーベス相と呼ばれる六方晶ベースの構造をもつ。水素密度が高く、容量を上げることが可能だが容量の大きい合金になるほど活性化が困難という欠点がある。一方AB5型合金は、希土類元素、ニオブ(Nb)、Zr等のAサイトの元素1に対して触媒効果をもつ遷移元素(Ni、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)など)等のBサイトの元素5を含む合金をベースとしたものであり、初期段階からの水素化反応が容易だが、希土類元素やコバルトを含むため高価なのが難点ではあるが、球表面の一部に感応膜を形成すれば安価にできる。
Various hydrogen storage alloy films may be used as a sensitive film for detecting hydrogen gas (H 2 ). Hydrogen storage alloys are classified into AB 5 type alloys, AB 2 type alloys, etc. depending on the atomic ratio of A and B. As elements of the A site, magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium ( V), metals belonging to Group 2A to 5A such as rare earth metals, and B site elements are composed of metals belonging to Group 6A to 8 such as iron (Fe) and nickel (Ni). AB 2 type alloy is an alloy that becomes B-
その他、Ti−Fe系、V系、Mg合金、Ca系合金等も、水素吸蔵合金膜であり、水素ガス(H2)を検出する感応膜として採用可能である。Ti−Fe系の水素吸蔵合金膜は、比較的空隙の多い体心立方晶の金属間化合物をなすTi−Fe系をベースにしたものである。V系の水素吸蔵合金膜は、Vが水素と効率よく反応するので、Vをベースとした比較的空隙の多い体心立方晶の合金である。Mg合金の水素吸蔵合金膜は、Mgが7.6wt%もの水素を吸蔵するが、水素化マグネシウムが比較的安定であるために、これを不安定化する触媒元素との合金が有効である。Ca系合金の水素吸蔵合金膜は、水素との親和力が強いカルシウムと遷移元素(ニッケルなど)の合金が中心である。 In addition, Ti—Fe-based, V-based, Mg alloy, Ca-based alloy, and the like are also hydrogen storage alloy films and can be used as a sensitive film for detecting hydrogen gas (H 2 ). The Ti—Fe-based hydrogen storage alloy film is based on a Ti—Fe-based which forms a body-centered cubic intermetallic compound having a relatively large number of voids. The V-based hydrogen storage alloy film is a body-centered cubic alloy having a relatively large number of voids based on V because V reacts efficiently with hydrogen. The hydrogen storage alloy film of Mg alloy stores as much as 7.6 wt% of hydrogen, but since magnesium hydride is relatively stable, an alloy with a catalyst element that destabilizes this is effective. The Ca-based alloy hydrogen storage alloy film is mainly made of an alloy of calcium and a transition element (such as nickel) having a strong affinity for hydrogen.
又、水素ガス(H2)を検出する感応膜として、チタン(Ti)のようなガス吸収ケッタリング性をもつ金属薄膜を用いることも可能である。 Further, as a sensitive film for detecting hydrogen gas (H 2 ), it is possible to use a metal thin film having gas absorption Kettering properties such as titanium (Ti).
本発明の第2の態様は、(イ)水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器と、(ロ)コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する3次元基体、3次元基体の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が3次元基体の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、容器の内部に収容された水素ガス検出部と、(ハ)電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部と、(ニ)電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部とを含むガスセンサであることを要旨とする。 In the second aspect of the present invention, (a) a container that selectively transmits only hydrogen gas and has a sealing property against a gas other than hydrogen gas, and (b) collimated surface acoustic waves can circulate multiple times. A three-dimensional substrate having a curved surface defining a loop, an electroacoustic transducer disposed on the loop of the three-dimensional substrate, and exciting a surface acoustic wave along the loop, at least a part of the loop of the three-dimensional substrate A hydrogen gas detection unit that is provided at least in part and includes a sensitive film that reacts with hydrogen gas molecules, and is housed inside the container; and (c) a high frequency generation unit that supplies a high frequency electrical signal to the electroacoustic transducer. (D) The gist of the present invention is a gas sensor including a detection / output unit for measuring a high-frequency signal related to propagation characteristics of surface acoustic waves from an electroacoustic transducer.
本発明の第2の態様は、第1の態様において述べた水素ガス検出部の電気音響変換素子を構成しているすだれ状電極に高周波信号を与える高周波発生部と、電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部を備えたものである。検出・出力部は、電気音響変換素子から受信した高周波信号を検出し、遅延時間、周波数、或いは振幅等の弾性表面波の伝搬特性を測定する検出部と、伝搬特性の変化を水素ガス分子の有無や、濃度を換算して表示する出力部とを有する。この様な構成の、本発明の第2の態様に係るガスセンサでは、水素ガス分子が感応膜に吸着すれば、そのガス分子の質量効果により、弾性表面波の伝搬速度は遅くなるし、振動振幅の減衰率も大きくなる。或いは水素ガス分子が感応膜と反応し、別の化合物に変化する場合も弾性特性が変化し、弾性表面波の伝搬特性に差が生じる。水素ガス分子と感応膜の反応による温度変化、又は感応膜を触媒とした化学反応によっても、弾性表面波の伝搬特性が変化するので、弾性表面波の多重周回の遅延時間や周波数変化、或いは振幅、出力波形を検出することにより、水素ガス分子の有無や濃度等を計測できる。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a high-frequency generator for applying a high-frequency signal to the interdigital electrode constituting the electroacoustic transducer of the hydrogen gas detector described in the first aspect, and an elastic surface from the electroacoustic transducer. It has a detection / output unit that measures high-frequency signals related to wave propagation characteristics. The detection / output unit detects a high-frequency signal received from the electroacoustic transducer and measures the propagation characteristics of surface acoustic waves such as delay time, frequency, or amplitude, and changes in the propagation characteristics of hydrogen gas molecules. It has presence / absence and an output unit for converting and displaying the density. In the gas sensor according to the second aspect of the present invention having such a configuration, if hydrogen gas molecules are adsorbed to the sensitive film, the propagation speed of the surface acoustic wave becomes slow due to the mass effect of the gas molecules, and the vibration amplitude The attenuation factor of the is also increased. Alternatively, when the hydrogen gas molecule reacts with the sensitive film and changes to another compound, the elastic characteristics change, resulting in a difference in the surface acoustic wave propagation characteristics. The surface acoustic wave propagation characteristics also change depending on the temperature change caused by the reaction between the hydrogen gas molecules and the sensitive film, or the chemical reaction using the sensitive film as a catalyst. By detecting the output waveform, the presence or concentration of hydrogen gas molecules can be measured.
本発明の第2の態様に係るガスセンサによれば、弾性表面波の多重周回現象を用いることにより、従来の平面型弾性表面波素子に比べて、2桁以上長い実効伝搬長を実現できる。そのため時間分解能を2桁以上上げることができるので、ガスセンサの感度を高くできる。又、第1の態様において述べたように、特に吸蔵型感応膜の場合には、水素ガス分子の感応膜中への拡散が応答時間を律速しているため、感応膜を薄くすることにより応答時間が早くなり、より実用的なセンサを供給できる。更に、感応膜を薄くすることにより、外部温度変化や膜自身の反応熱の温度変化による膜の伸縮や、化学反応や原子吸蔵による物理的な結晶構造変化の繰り返しに強い構造にできる。 According to the gas sensor of the second aspect of the present invention, an effective propagation length that is two orders of magnitude longer than that of a conventional planar surface acoustic wave element can be realized by using the multiple circulation phenomenon of surface acoustic waves. Therefore, the time resolution can be increased by two digits or more, and the sensitivity of the gas sensor can be increased. Further, as described in the first embodiment, particularly in the case of an occlusion type sensitive film, the diffusion of hydrogen gas molecules into the sensitive film determines the response time, so that the response can be achieved by making the sensitive film thin. Time can be shortened and more practical sensors can be supplied. Further, by making the sensitive film thin, it is possible to make the structure strong against repeated expansion and contraction of the film due to external temperature change and temperature change of reaction heat of the film itself, and physical crystal structure change due to chemical reaction and atomic absorption.
本発明の第2の態様において、高周波発生部及び検出・出力部を3次元基体に集積化すれば、ガスセンサを小型化でき好ましい。 In the second aspect of the present invention, it is preferable that the high-frequency generator and the detection / output unit be integrated on the three-dimensional substrate because the gas sensor can be miniaturized.
本発明によれば、水素ガス検出のダイナミックレンジが広く、高感度、高速応答で、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在等の使用環境の影響を受けて出力変動することのないセンサヘッド及びこのセンサヘッドを用いたガスセンサが提供できる。 According to the present invention, the sensor head has a wide dynamic range for hydrogen gas detection, high sensitivity, high-speed response, and does not fluctuate in output due to the influence of the use environment such as high temperature and high humidity and the presence of other gases. And a gas sensor using this sensor head can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第4の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, first to fourth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す第1〜第4の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 The first to fourth embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the component parts. The material, shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope described in the claims.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係るセンサヘッドは、図1及び図2に示すように、水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器(64,65,66)と、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する3次元基体40、3次元基体40の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が3次元基体40の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜25とを備え、容器(64,65,66)の内部に収容された水素ガス検出部(25,27,40)とを含む。
(First embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor head according to the first embodiment of the present invention is a container (64, 64) that selectively permeates only hydrogen gas and has sealing properties against gases other than hydrogen gas. 65, 66) and a three-
図1及び図2に示すように、容器(64,65,66)は、3次元基体40を搭載する実装基板(パッケージ基板)64を備える容器本体(64,65)と、選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋66とを備える。そして、パッケージ上蓋66は、メッシュ構造体基板662と、このメッシュ構造体基板662上の水素透過膜661とを備える。水素透過膜661はパラジウム(Pd)、パラジウム合金薄膜、若しくは水素吸蔵合金膜から構成すれば良い。メッシュ構造体基板662は、シリコン(Si)等の半導体基板を反応性イオンエッチング(RIE)等を用いて、図1及び図2に示すような、矩形の貫通孔を開口すれば良い。例えばSi(100)面を用いてリソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、RIEによる異方性エッチングを行えば、図1及び図2に示すような、(100)面で囲まれた貫通孔をマトリクス状に形成できる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the container (64, 65, 66) includes a container body (64, 65) including a mounting substrate (package substrate) 64 on which the three-
更に、パッケージ上蓋66は、メッシュ構造体基板662に埋め込まれたマイクロヒータ665を備える。マイクロヒータ665は、Al、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等の金属からなる抵抗線型ヒータであり、リソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、RIEによる溝部を形成し、この溝部の内部に真空蒸着やスパッタリングで埋め込めば、図1及び図2に示すような、メアンダライン形状の抵抗線型ヒータが形成できる。マイクロヒータ665で、水素透過膜661を所定の温度にまで加熱・昇温しておくことにより、パッケージ上蓋66を選択性水素ガス透過フィルタとして機能させ、水素を選択的に容器の内部に導入することができる。加熱温度は水素透過膜661を構成する材料に依存するが、Pd膜で300℃程度以上から500℃程度以内、Pd合金膜では100℃以上の低温に加熱すれば良い。
Further, the package
図3に示すように、水素ガス検出部(21,27,40)は、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯Bを定義する曲面を有する3次元基体40と、この3次元基体40の周回帯B上に位置し、弾性表面波を周回帯Bに沿って励起する電気音響変換素子21と、3次元基体40の周回帯Bのほぼ全領域に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜25とを備える。
As shown in FIG. 3, the hydrogen gas detection unit (21, 27, 40) includes a three-
3次元基体40としては、圧電結晶からなる均質材料球40が用いられている。均質材料球40としては、例えば、水晶、LiNbO3、LiTaO3、圧電セラミック(PZT)、ビスマスゲルマニウムオキサイド(Bi12GeO20)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)等の単結晶球が採用可能である。この均質材料球40の表面のほぼ全面には、感応膜25が設けられている。更に、図3に示すように、均質材料球40の赤道上の一部には、均質材料球40の表面の一部を露出する感応膜25の開口部が存在し、この開口部の内部にすだれ状電極21が配置されている。ここで、「赤道」とは、図3(a)に示す均質材料球40の中心を通り、且つ、矢印Aの結晶方向と直交する平面が均質材料球40の表面と交わる線を意味する。
A
均質材料球40のような単結晶水晶球の場合は、弾性表面波が周回するルートが周回帯Bに限定される。例えば、三方晶系結晶軸の一つを図3(a)に示す矢印Aの方向とすれば、赤道を中心として、ある幅をもつベルト状の周回帯Bで、弾性表面波が周回する。弾性表面波の伝搬特性からは、均質材料球40のZ軸を矢印Aの方向に取ることが望ましい。
In the case of a single crystal crystal sphere such as the
すだれ状電極21は、いわゆるオルターニット・フェーズアレイであり、高周波発生部22からスイッチ部23を介して供給された高周波電気信号を圧電変換して弾性表面波を励起する。更に、すだれ状電極21は、赤道上のベルト状の周回帯Bを周回してきた弾性表面波を圧電変換して、再び高周波電気信号に変換する機能をも兼ねている。すだれ状電極21で再び高周波電気信号に変換された高周波電気信号は、スイッチ部23を介して検出・出力部24に供給され、検出・出力部24で検出される。スイッチ部23は高周波発生部22と検出・出力部24を切り換える。高周波発生部22からの高周波電気信号をすだれ状電極21に供給して、すだれ状電極21が弾性表面波を送出後、所定の周回回数(第n周回:n≧1)目の弾性表面波が戻ってくる前に、すだれ状電極21からの信号経路を検出・出力部24に切り換える。勿論、高周波発生部22からすだれ状電極21の方向、及びすだれ状電極21から検出・出力部24の方向への、方向性結合回路等でも構わない。
The
オルターニット・フェーズアレイを構成しているすだれ状電極21としては、例えばアルミニウム(Al)、金(Au)等の金属膜を採用可能である。赤道上の周回帯Bにおける多重周回の周回数を多く取るためには、弾性表面波に対する質量効果が少ない軽い金属がすだれ状電極21の材料として望ましく、又、金属膜の膜厚も薄い方が望ましい。送信側と受信側と別々のすだれ状電極があっても構わないが、均質材料球40の赤道上を弾性表面波が周回する素子では、弾性表面波が戻ってくるので、一つのすだれ状電極21を時分割で共用するのが有効である。
As the
弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極21は、図3(a)に示すように、均質材料球40の表面上で、その長手方向を赤道方向と垂直に取れば良い。すだれ状電極21の長さは、弾性表面波の速度、均質材料球40の半径等によって決定され、最適な値に設計することにより、一定幅の弾性表面波を多重周回させることができる。
As shown in FIG. 3 (a), the
すだれ状電極21の長さが最適値より短い場合は、角度で90°周回すると弾性表面波の幅が最大になり、次の90°の周回で元の幅に戻り、以下それを繰り返す。一方、すだれ状電極21の長さが最適値より長い場合は、角度で90°周回すると弾性表面波の幅が最小になり、次の90°の周回で元の幅に戻り、以下それを繰り返す。したがって、所望の伝搬経路により、すだれ状電極21の長さを設計しても良い。オルターニット・フェーズアレイを構成しているすだれ状電極21の繰り返し周期は、弾性表面波の速度や均質材料球40の半径より、所望の周波数特性が得られるように設計する。繰り返し周期が短いほど弾性表面波に対する共振周波数が高くなり、表面との相互作用の効率が上がるために高感度になる。繰り返しの数が多いほど共振の幅が狭くなり、Q値が上昇する。
When the length of the
水素ガス検出部としての感度は、均質材料球40の表面に形成された感応膜25の材料と構造に依存する。この感応膜25は、水素ガスと接触することにより、弾性表面伝搬特性に変化を及ぼすものであることが必要である。例えば、気体を表面に吸着させ、その質量効果により弾性表面波の伝搬速度を遅くなっても良いし、質量効果により伝搬強度が減衰しても良い。或いは、気体を感応膜25内に吸蔵し、その薄膜の機械的堅さが変化し、弾性表面波の伝搬速度や減衰に変化を及ぼすものでも良い。更には、気体と反応することにより吸熱或いは発熱反応を起し、弾性表面波の伝搬速度や減衰に影響を及ぼすものであっても良い。この感応膜25は、特定の気体とのみ選択的に反応を起し、なおかつ、可逆反応を起す材料であることが望ましい。
The sensitivity as the hydrogen gas detection unit depends on the material and structure of the
例えば、この様な感応膜25として、水素(H2)を収蔵し、水素化物を形成して機械的性質が変化するパラジウム(Pd)、パラジウム合金薄膜、他の水素吸蔵合金膜、若しくは、チタン(Ti)のようなガス吸収ケッタリング性をもつ金属薄膜が好適である。
For example, as such a
第1の実施の形態に係る水素ガス検出部では、すだれ状電極21より弾性表面波を送出した後、特定の回数を多重周回した後の弾性表面波の遅延時間や振幅等の伝搬特性を計測することによって、水素ガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には水素ガス分子の有無や濃度を計測することができる。
In the hydrogen gas detection unit according to the first embodiment, after a surface acoustic wave is transmitted from the
図1及び図2に示すように、容器本体(64,65)は、実装基板(パッケージ基板)64の周辺部に底部を接続され、パッケージ上蓋66の周辺部に上部を接続されるパッケージ側壁65を更に備え、3次元基体40が、平行平板形状の実装基板64上に導電性接続体50a,50bとしての複数の金属バンプ50a,50b,・・・・・を用いて、実装され、本発明の第1の実施の形態に係るセンサヘッドを構成している。パッケージ側壁65は、水素ガス検出部の直径を考慮して、パッケージ上蓋66と実装基板(パッケージ基板)64との間の距離を調整するスペーサの機能をなしている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the container body (64, 65) has a package sidewall (65) whose bottom is connected to the periphery of the mounting substrate (package substrate) 64 and whose top is connected to the periphery of the package
実装基板(パッケージ基板)64とパッケージ側壁65、或いは、パッケージ側壁65とパッケージ上蓋66とは、それぞれ、例えば、高温での耐熱性及び高密封性を有する接着剤で機密性を保つように接合される。実装基板(パッケージ基板)64とパッケージ側壁65、パッケージ側壁65とパッケージ上蓋66とは、それぞれ、合金接着層を用いた高温溶解接着をしても良く、或いは、低融点ガラス材などを用いて接着しても良い。
The mounting substrate (package substrate) 64 and the
より具体的には、実装基板64上に、複数の内部実装配線61a,61b,・・・・・がパターニングされ、この複数の内部実装配線61a,61b,・・・・・に、複数の金属バンプ50a,50b,・・・・・を用いて、水素ガス検出部が実装されている。複数の金属バンプ50a,50b,・・・・・は、半田ボール、金(Au)バンプ、銀(Ag)バンプ、銅(Cu)バンプ、ニッケル/金(Ni−Au)バンプ、或いはニッケル/金/インジウム(Ni−Au−In)バンプ等が使用可能である。半田ボールとしては、直径100μm〜250μm、高さ50μm〜200μmの錫(Sn):鉛(Pb)=6:4の共晶半田等が使用可能である。或いは、Sn:Pb=5:95の半田でも良い。用いられ、熱圧着と超音波振動の組み合わせ、或いは熱溶融等によって接着が行える。
More specifically, a plurality of
実装基板64の材料としては、有機系の種々な合成樹脂、セラミック、ガラス等の無機系の材料が使用可能である。有機系の樹脂材料としては、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等が、使用可能で、又板状にする際の芯となる基材は、紙、ガラス布、ガラス基材などが使用される。無機系の基板材料として一般的なものはセラミックである。又、放熱特性を高めるものとして金属基板、透明な基板が必要な場合には、ガラスが用いられる。セラミック基板の素材としてはアルミナ(Al2O3)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)、ベリリア(BeO)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(SiC)等が使用可能である。更に、鉄、銅などの金属上に耐熱性の高いポリイミド系の樹脂板を積層して多層化した金属ベースの基板(金属絶縁基板)でも構わない。複数の内部実装配線61a,61b,・・・・・としては、金、銅、アルミニウム等の金属薄膜が使用可能である。
As the material of the mounting
均質材料球40は、弾性表面波の周回帯Bが赤道近傍に限られているため、周回帯Bでなければどこに複数の金属バンプ50a,50b,・・・・・を接続し、均質材料球40を固定しても構わない。複数の金属バンプ50a,50b,・・・・・を取り付けるための金属パッド(ボンディングパッド)は弾性表面波の周回帯Bを避けて設置される。
In the
図1に示すように、実装基板(パッケージ基板)64の内部には、複数の内部実装配線61a,61b,・・・・・にそれぞれ電気的に接続されるように、複数のビアプラグ62a,62b,・・・・・が埋め込まれている。そして、この複数のビアプラグ62a,62b,・・・・・にそれぞれ電気的に接続され、容器(64,65,66)の外部回路との接続を可能にするように、複数の外部実装配線63a,63b,・・・・・が、実装基板(パッケージ基板)64の裏面に備えられている。
As shown in FIG. 1, a plurality of via
なお、図1及び図2では、特に、高周波発生部や検出・出力回路については図示していないが、高周波発生部及び検出・出力部は、複数の外部実装配線63a,63b,・・・・・を介して接続されるように、容器(64,65,66)の外部に配置しても良い。
1 and 2, the high frequency generator and the detection / output circuit are not particularly shown, but the high frequency generator and the detection / output unit include a plurality of
又、第1の実施の形態に係るセンサヘッドでは、被計測ガスとなる水素ガスを実装基板64の表面と平行に流すことが好ましい。
Further, in the sensor head according to the first embodiment, it is preferable to flow hydrogen gas, which is a gas to be measured, in parallel with the surface of the mounting
第1の実施の形態に係るセンサヘッドを用いたガスセンサによれば、例えば、伝搬長約3mm、1μsのときに1ns(0.1%)の分解能をもつ検出・出力部24を有している場合において、100μs後に1ns分解能で測定を行えば、従来の1/100の10ppmの分解能まで測定できることになる。
The gas sensor using the sensor head according to the first embodiment has, for example, the detection /
このように、第1の実施の形態によれば、水素ガスの検出範囲(ダイナミックレンジ)が10[ppm]から100%までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないセンサヘッド及びガスセンサを提供することができる。 As described above, according to the first embodiment, the detection range (dynamic range) of hydrogen gas is wide from 10 [ppm] to 100%, has high-speed response, and is in a high temperature and high humidity or other gas. It is possible to provide a sensor head and a gas sensor whose output does not fluctuate even in the presence of.
<第1変形例>
本発明の第1の実施の形態の第1変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図4に示すように、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯Bを定義する曲面を有する3次元基体40と、この3次元基体40の周回帯B上に位置し、弾性表面波を周回帯Bに沿って励起する電気音響変換素子21と、3次元基体40の周回帯Bの一部に存在する水素ガス分子と反応する感応膜26とを備える。3次元基体40は、第1の実施の形態と同様な均質材料球40であるが、均質材料球40の一部のみに感応膜26が設けられている点が、第1の実施の形態とは異なる。そして、感応膜26が存在しない均質材料球40の赤道上の一部に、電気音響変換素子21としてのすだれ状電極21が配置されている。
<First Modification>
As shown in FIG. 4, the hydrogen gas detection unit of the sensor head according to the first modification of the first embodiment of the present invention has a curved surface that defines an orbital band B in which a collimated surface acoustic wave can circulate multiple times. Of the three-
即ち、第1の実施の形態の第1変形例に係る水素ガス検出部では、均質材料球40の表面の、すだれ状電極21の反対側に位置にあたる一部分にのみ感応膜26が設けられている。均質材料球40としては、第1の実施の形態に係る水素ガス検出部と同様な水晶、LiNbO3、LiTaO3等の単結晶球が採用可能であるが、第1の実施の形態の第1変形例に係る水素ガス検出部においては、直径10mmの水晶球の場合を説明する。感応膜26はPd膜で、弾性表面波の周回帯上に直径約6mmの円状領域として、真空蒸着法により20nm製膜した。Pdは選択的に水素のみを吸収し、水素合金を形成するので、非常に選択性の良い水素ガスセンサとなる。又、Pdは、すだれ状電極21の形成及びアッセンブリ後に、球状弾性表面波素子の上面にのみ真空蒸着法によって形成できるので、製作が容易である。
That is, in the hydrogen gas detection unit according to the first modification of the first embodiment, the sensitive film 26 is provided only on a portion of the surface of the
Pdのように感応膜26が材料として高価な場合は、図4に示すように、球表面の一部に感応膜26を形成すれば、感応膜26の必要量が非常に少なくて済み、コストを大幅に削減できる。したがって、第1の実施の形態の第1変形例に係る水素ガス検出部の工業的価値は非常に高い。 When the sensitive film 26 is expensive as a material such as Pd, if the sensitive film 26 is formed on a part of the sphere surface as shown in FIG. 4, the required amount of the sensitive film 26 is very small, and the cost is reduced. Can be greatly reduced. Therefore, the industrial value of the hydrogen gas detection unit according to the first modification of the first embodiment is very high.
ここで、第1の実施の形態の第1変形例に係るガスセンサの水素に対する限界感度について言及する。水素への応答時間を評価するため、41周回目の波形に、時間・周波数分解能の優れたガボール(Gabor)関数をマザー・ウェーヴレットとして用いるウェーヴレット変換を適用し、時刻403.040s〜403.060sの間においてウェーヴレット変換の実部を最大とする時刻を求め、これを遅延時間とした。計測のサンプリング時間は0.5nsだったが、ウェーヴレット解析は0.025nsの時間間隔で補間したところ、0.025nsの分解能で有意な変化が見られた。一方、全遅延時間は403μsなので、相対時間精度は0.025/403000=60ppbである。これは水素ガス濃度に換算すれば、30ppmに相当する。これは周回数を300周にすれば、ppm台の水素濃度精度も達成できることを意味している。逆に同一感度を保って、Pd膜を薄膜化すれば、応答時間を更に早めることができる。この様な極限的な計測精度を可能としたのは、均質材料球40の弾性表面波に固有の特性である無回折伝搬による超多重周回である。
Here, reference is made to the limit sensitivity to hydrogen of the gas sensor according to the first modification of the first embodiment. In order to evaluate the response time to hydrogen, a wavelet transform using a Gabor function having excellent time and frequency resolution as a mother wavelet is applied to the waveform of the 41st round, and the times 403.040 s to 403. A time at which the real part of the wavelet transform is maximized during 060 s was obtained and used as a delay time. The measurement sampling time was 0.5 ns, but when wavelet analysis was interpolated at a time interval of 0.025 ns, a significant change was seen at a resolution of 0.025 ns. On the other hand, since the total delay time is 403 μs, the relative time accuracy is 0.025 / 403000 = 60 ppb. This corresponds to 30 ppm in terms of hydrogen gas concentration. This means that if the number of laps is set to 300 laps, hydrogen concentration accuracy in the ppm range can be achieved. Conversely, if the Pd film is made thinner while maintaining the same sensitivity, the response time can be further shortened. Such extreme measurement accuracy is made possible by the super multi-turn by non-diffracting propagation, which is a characteristic characteristic of the surface acoustic wave of the
現在市販されている水素ガスセンサは接触燃焼方式及び半導体方式である。接触燃焼方式は水素以外の燃焼性ガスにも応答してしまい、選択性に問題がある。又、接触燃焼方式は高濃度、半導体方式は低濃度のみで使用でき、広い濃度範囲にわたって使用できない。前述したように、平面型の弾性表面波素子を用いた水素ガスセンサにおいては、応答時間が問題となっている。したがって、従来は選択性、感度とそのダイナミックレンジ、応答時間等のすべてを満足する水素ガスセンサは存在しなかったが、第1の実施の形態の第1変形例に係るガスセンサは、非常に選択性に優れ、ppmの感度と、100%までのダイナミックレンジと、常温で4秒以内で130℃では2秒以内の応答時間を有する、すべての点に優れた水素ガスセンサである。 Currently available hydrogen gas sensors are of catalytic combustion type and semiconductor type. The catalytic combustion method also responds to combustible gases other than hydrogen, and there is a problem in selectivity. The catalytic combustion method can be used only at a high concentration and the semiconductor method can be used only at a low concentration, and cannot be used over a wide concentration range. As described above, in a hydrogen gas sensor using a planar surface acoustic wave element, response time is a problem. Therefore, conventionally, there has not been a hydrogen gas sensor that satisfies all of selectivity, sensitivity and dynamic range, response time, etc., but the gas sensor according to the first modification of the first embodiment is very selective. It is an excellent hydrogen gas sensor in all respects, having excellent sensitivity in ppm, dynamic range up to 100%, and response time within 4 seconds at room temperature and within 2 seconds at 130 ° C.
<第2変形例>
本発明の第1の実施の形態の第2変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図5に示すように、弾性特性の均質な材料よりなる均質材料球40の少なくとも一部に圧電性薄膜41が形成されている。圧電性薄膜41が表面に形成されているので、第1の実施の形態及び第1変形例とは異なり、均質材料球40は、圧電性をもたない物質(非圧電物質)でも構わない。このため、均質材料球40の材料としては、アモルファス材料である硼珪酸ガラス,石英ガラスなどのガラス材料が採用可能である。圧電性薄膜41としては、硫化カドミウム(CdS)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化亜鉛(ZnS)、窒化アルミニウム(AlN)等が採用可能で、これらの薄膜は、公知のスパッタリング法、真空蒸着法等で均質材料球40の表面に堆積すれば良い。
<Second Modification>
As shown in FIG. 5, the hydrogen gas detection unit of the sensor head according to the second modification of the first embodiment of the present invention is configured such that a piezoelectric material is applied to at least a part of a
均質材料球40と圧電性薄膜41の表面には、感応膜25が設けられている。圧電性薄膜41は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極21の近傍にのみあれば良い。非圧電物質の表面に直接、すだれ状電極21で弾性表面波を励起することはできない。電界が加わっても、結晶が歪まないからである。したがって、すだれ状電極21の直下等、すだれ状電極21の近傍にのみ少なくとも、圧電性薄膜41があれば、弾性表面波を励起し、又、受信することができる。高周波発生部22、スイッチ部23、検出・出力部24に関しては、第1の実施の形態に係るガスセンサと同様であり、重複した説明を省略する。
A
図5(b)には、図5(a)に示した第1の実施の形態の第2変形例に係る水素ガス検出部の断面構造を示した。すだれ状電極21の設計については第1の実施の形態に係る水素ガス検出部と何ら変わるところはない。図5(b)に示す断面図においては、すだれ状電極21が圧電性薄膜41の上に形成されているが、すだれ状電極21の位置はこれに限ることはなく、例えば均質材料球40と圧電性薄膜41の間にあっても構わないし、圧電性薄膜41の上下を1対のすだれ状電極21で挟み込むような構造にしても良い。いずれの場合においても、弾性表面波の周回帯Bは、すだれ状電極21の長手方向に対して直角な方向となり、任意の方向を選択できる。
FIG. 5B shows a cross-sectional structure of the hydrogen gas detection unit according to the second modification of the first embodiment shown in FIG. The design of the
水素ガス検出部としての感度は、均質材料球40の表面に形成された感応膜25の材料と構造により決められる。この感応膜25は、水素ガスと接触することにより、弾性表面伝搬特性に変化を及ぼすものであることが必要である。例えば、気体を表面に吸着させ、その質量効果により弾性表面波の伝搬速度を遅くなっても良いし、質量効果により伝搬強度が減衰しても良い。或いは、気体を感応膜25内に吸蔵し、その薄膜の機械的堅さが変化し、弾性表面波の伝搬速度や減衰に変化を及ぼすものでも良い。更には、気体と反応することにより吸熱或いは発熱反応を起こし、弾性表面波の伝搬速度や減衰に影響を及ぼすものであっても良い。この感応膜25は、特定の気体とのみ選択的に反応を起こし、なおかつ、可逆反応を起こす材料であることが望ましい。
The sensitivity of the hydrogen gas detection unit is determined by the material and structure of the
<第3変形例>
本発明の第1の実施の形態の第3変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図6に示すように、弾性表面波の周回帯Bにのみ感応膜25を形成されていることが特徴である。弾性特性の均質な材料よりなる均質材料球40の少なくとも一部に圧電性薄膜41が形成されている。圧電性薄膜41は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極21の近傍にのみある。そして、すだれ状電極21の長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Bがある。高周波発生部22、スイッチ部23、検出・出力部24に関しては、第1の実施の形態並びに第1変形例及び第2変形例に係るガスセンサと同様であり、重複した説明を省略する。
<Third Modification>
The hydrogen gas detector of the sensor head according to the third modification of the first embodiment of the present invention has a
第1の実施の形態の第3変形例に係る水素ガス検出部では感応膜25は、弾性表面波の周回帯Bの近傍にのみ形成されている。感応膜25をパターニングする必要がある反面、感応膜25がない表面を、他の目的に使用できるという利点を有している。
In the hydrogen gas detection unit according to the third modification of the first embodiment, the
Pdのように感応膜25が材料として高価な場合は、図6に示すように、周回帯Bのみに感応膜25を形成すれば、感応膜25の必要量が非常に少なくて済み、コストを大幅に削減できる。したがって、第1の実施の形態の第3変形例に係る水素ガス検出部の工業的価値は非常に高い。
When the
<第4変形例>
本発明の第1の実施の形態の第4変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図7に示すように、高周波発生部82、スイッチ部83や検知・出力部84を均質材料球40の表面上に集積化した模式的な構造例を示した。均質材料球40の少なくとも一部に圧電性薄膜41が形成され点は、図6と同様である。圧電性薄膜41は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極21の近傍にのみあり、すだれ状電極21の長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Bがある。感応膜25は、弾性表面波の周回帯Bの近傍にのみ形成されているため、それ以外の領域に他の回路を形成できる。
<Fourth Modification>
As shown in FIG. 7, the hydrogen gas detection unit of the sensor head according to the fourth modification of the first embodiment of the present invention includes a high-frequency generation unit 82, a switch unit 83, and a detection / output unit 84, which are homogeneous material balls. A schematic structure example integrated on the surface of 40 is shown. The piezoelectric
図7に示す均質材料球40は、表面に酸化膜が形成されたシリコン球40が望ましい。弾性表面波の伝搬に対する均質性を酸化膜により近似的に確保した上で、感応膜25を形成する領域を除いて酸化膜を除去することで、弾性表面波の伝搬に寄与しない領域に球面半導体製造技術によって、高周波発生部82、スイッチ部83、検知・出力部84等の回路、更には、その他の高周波回路や集積回路を形成でき、ガスセンサを小型化できる。
The
勿論、均質材料球40として硼珪酸ガラスや石英ガラス等のガラス材料を用い、高周波回路や集積回路を形成する部分に、多結晶シリコン薄膜或いはアモルファスシリコン薄膜を堆積させ、その上に薄膜トランジスタを集積することもできる。多結晶シリコン薄膜やアモルファス薄膜は熱処理やレーザーアニールによって単結晶化してから用いても良い。新たに薄膜を形成する方式は、均質材料球40を用いた水素ガス検出部にも応用できることは言うまでもない。
Of course, a glass material such as borosilicate glass or quartz glass is used as the
第4変形例に係る水素ガス検出部は、図7に示すように、均質材料球40上に温度センサ42を備えている。均質材料球40の少なくとも一部に圧電性薄膜41が形成されている。圧電性薄膜41は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極21の近傍にのみあり、すだれ状電極21の長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Bがある。感応膜25は、弾性表面波の周回帯Bの近傍にのみ形成されているため、それ以外の領域に他の回路を形成できる。
As shown in FIG. 7, the hydrogen gas detection unit according to the fourth modification includes a temperature sensor 42 on the
第4変形例に係る水素ガス検出部では弾性表面波の周回帯Bから外れたところに温度センサ42が設けられている。温度センサ42は、例えば熱電対式、半導体式が用いられる。温度センサ42は弾性表面波の周回帯Bに非常に近い位置に設けられているので、温度校正の精度が高い。 In the hydrogen gas detection unit according to the fourth modification, a temperature sensor 42 is provided at a location outside the orbital band B of the surface acoustic wave. As the temperature sensor 42, for example, a thermocouple type or a semiconductor type is used. Since the temperature sensor 42 is provided at a position very close to the circumferential band B of the surface acoustic wave, the accuracy of temperature calibration is high.
図7に示すように、均質材料球40上に高周波発生部82や検出・出力部64等の回路が集積化されている場合には、直接計測結果が得られることになるので、すだれ状電極から図1に示した金属パッド(ボンディングパッド)までの電極配線27は省略可能である。
As shown in FIG. 7, when a circuit such as the high-frequency generator 82 and the detection /
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係るガスセンサは、図8に示すように、3次元基体40を搭載する実装基板64と、実装基板64上に配置され、電気音響変換素子(図示省略)に高周波電気信号を供給する高周波発生部搭載半導体チップ91と、実装基板64上に配置され、電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部搭載半導体チップ92と、この実装基板64の表面に配置され、高周波発生部搭載半導体チップ91と電気的に接続された第1の内部実装配線61aと、この実装基板64の表面に配置され、検出・出力部搭載半導体チップ92と電気的に接続された第2の内部実装配線61bと、第1の内部実装配線61a及び第2の内部実装配線61bのそれぞれと電気音響変換素子とを電気的に接続する導電性接続体50a,50bとを備えている。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 8, the gas sensor according to the second embodiment of the present invention is disposed on the mounting
この様に、本発明の第2の実施の形態に係るガスセンサでは、実装基板(パッケージ基板)64上の水素ガス検出部(25,27,40)とは異なる位置において、高周波発生部及び検出・出力部がそれぞれ高周波発生部搭載半導体チップ91及び検出・出力部搭載半導体チップ92に集積化され、実装基板(パッケージ基板)64上にハイブリッド集積回路として搭載されている。
As described above, in the gas sensor according to the second embodiment of the present invention, the high frequency generation unit and the detection / detection unit are located at positions different from the hydrogen gas detection unit (25, 27, 40) on the mounting substrate (package substrate) 64. The output units are integrated on the high frequency generation unit mounting
図8では、電気音響変換素子の図示を省略しているが、既に図3、図4、図5及び図6を用いて説明した第1の実施の形態及びその変形例に係る水素ガス検出部の構造から容易に理解できるであろう。即ち、第2の実施の形態に係るガスセンサは、第1の実施の形態において説明した図3、図4、図5及び図6水素ガス検出部のいずれかを、平行平板形状の実装基板64上に導電性接続体50a,50b,・・・・・としての金属バンプ50a,50b,・・・・・を用いて、実装した実装体(アセンブリ)である。より具体的には、実装基板64上に、内部実装配線61a,61b,・・・・・がパターニングされ、この内部実装配線61a,61b,・・・・・に、金属バンプ50a,50b,・・・・・を用いて、図3、図4、図5及び図6を用いて説明した第1の実施の形態及びその変形例に係る水素ガス検出部が実装されている。
In FIG. 8, the electroacoustic transducer is not shown, but the hydrogen gas detection unit according to the first embodiment and its modification already described with reference to FIGS. 3, 4, 5, and 6. It can be easily understood from the structure of That is, the gas sensor according to the second embodiment includes any one of the hydrogen gas detectors illustrated in FIGS. 3, 4, 5 and 6 described in the first embodiment on a mounting
均質材料球40は、弾性表面波の周回帯Bが赤道近傍に限られているため、周回帯Bでなければどこに金属バンプ50a,50b,・・・・・を接続詞、均質材料球40を固定しても構わない。金属バンプ50a,50b,・・・・・を取り付けるための金属パッド(ボンディングパッド)は弾性表面波の周回帯Bを避けて設置される。しかし、実装基板64側に配置された高周波発生部搭載半導体チップ91からすだれ状電極にパワーを供給し、すだれ状電極から高周波電気信号を実装基板64側に配置された検出・出力部搭載半導体チップ92へ供給するためには、すだれ状電極から電極配線27が延長形成され、この電極配線27の端部に、金属パッド(ボンディングパッド)が設けられる。
In the
そして、第1の内部実装配線61aが高周波発生部搭載半導体チップ91と電気的に接続され、第2の内部実装配線61bが検出・出力部搭載半導体チップ92と電気的に接続されている。そして、導電性接続体50a,50b,・・・・・としての金属バンプ50a,50b,・・・・・が、それぞれ、第1及び第2の内部実装配線61bのそれぞれと電気音響変換素子(図示省略)とを電気的に接続している。この様にして、高周波発生部搭載半導体チップ91や検出・出力部搭載半導体チップ92が、実装基板64上に形成されたシステム・オン・パッケージが構成できる。
The first internal mounting
第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様に、水素ガスの検出範囲(ダイナミックレンジ)が10[ppm]から100%までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないガスセンサを提供することができる。 According to the second embodiment, as in the first embodiment, the hydrogen gas detection range (dynamic range) is as wide as 10 ppm to 100%, has high-speed response, and has a high temperature and high temperature. It is possible to provide a gas sensor whose output does not fluctuate even in the presence of humidity or other gases.
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係るセンサヘッドは、図9に示すように、水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器(64,65,66)と、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する3次元基体40、3次元基体40の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が3次元基体40の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜25とを備え、容器(64,65,66)の内部に収容された水素ガス検出部(25,27,40)とを含む。
(Third embodiment)
As shown in FIG. 9, the sensor head according to the third embodiment of the present invention is a container (64, 65, 66) that selectively transmits only hydrogen gas and has sealing properties against gases other than hydrogen gas. 3) the three-
図9に示すように、容器(64,65,66)は、3次元基体40を搭載する実装基板(パッケージ基板)64を備える容器本体(64,65)と、選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋66とを備える。そして、パッケージ上蓋66は、メッシュ構造体基板662と、このメッシュ構造体基板662上の水素透過膜661と、メッシュ構造体基板662と水素透過膜661との間に挟まれた水素透過性絶縁膜663とを備える。水素透過膜661はPd、Pd合金薄膜、若しくは水素吸蔵合金膜から構成すれば良い。メッシュ構造体基板662は、Si等の半導体基板をRIE等を用いて、図9に示すような、矩形の貫通孔を開口すれば良い。例えばSi(100)面を用いてリソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、RIEによる異方性エッチングを行えば、図9に示すような、(100)面で囲まれた貫通孔をマトリクス状に形成できる。水素透過性絶縁膜663は、シリコン酸化膜(SiO2)若しくはシリコン窒化膜(SiN)等が採用可能である。シリコン酸化膜(SiO2)やシリコン窒化膜(SiN)の水素透過性は、CVDの条件により、膜質の緻密性を制御すると共に、膜厚を選択すれば、所望の値を得ることができる。より具体的には、炭素あるいはフッ素を添加した一酸化珪素(SiOC,SiOF)等の無機系絶縁材料、水素シルセスオキサンポリマー(HSQ)、有機シリカ、多孔質HSQ、ベンゾシクロブテン(BCB)等や、これらの材料を多孔質化した絶縁膜等の低誘電率絶縁膜が水素透過性絶縁膜663として使用可能である。
As shown in FIG. 9, the container (64, 65, 66) includes a container body (64, 65) including a mounting substrate (package substrate) 64 on which the three-
更に、パッケージ上蓋66は、水素透過性絶縁膜663に埋め込まれたマイクロヒータ665を備える。マイクロヒータ665は、Al、W、Mo等の金属からなる抵抗線型ヒータである。例えば、下層の水素透過性絶縁膜をCVD法等により堆積後、リソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、RIEによるメアンダライン形状のダマシン溝部を形成し、その後Al、W、Mo等の金属膜を真空蒸着、スパッタリング法等により堆積し、更に化学的機械研磨(CMP)で平坦化すれば、ダマシン溝部にマイクロヒータ665となる金属膜が埋め込まれる。その後、この上に上層の水素透過性絶縁膜をCVD法等により堆積すれば、メアンダライン形状のマイクロヒータ665が埋め込まれた水素透過性絶縁膜663が形成できる。マイクロヒータ665で、水素透過膜661を所定の温度にまで加熱・昇温しておくことにより、パッケージ上蓋66を選択性水素ガス透過フィルタとして機能させ、水素を選択的に容器の内部に導入することができることは、第1の実施の形態に係るセンサヘッド説明したとおりである。
Further, the package
他は、第1及び第2の実施の形態に係るセンサヘッドの構造と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。 Others are substantially the same as the structure of the sensor head according to the first and second embodiments, and therefore, a duplicate description is omitted.
第3の実施の形態によれば、第1及び第2の実施の形態と同様に、水素ガスの検出範囲(ダイナミックレンジ)が10[ppm]から100%までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないセンサヘッド及びガスセンサを提供することができる。 According to the third embodiment, similarly to the first and second embodiments, the hydrogen gas detection range (dynamic range) is wide from 10 [ppm] to 100%, and has a high-speed response, In addition, it is possible to provide a sensor head and a gas sensor whose output does not fluctuate even under high temperature and high humidity or in the presence of other gases.
(第4の実施の形態)
第3の実施の形態に係るセンサヘッドでは、多孔質化した絶縁膜や緻密性に劣る絶縁膜を等を水素透過性絶縁膜663として用いる構造を例示した。緻密なシリコン酸化膜(SiO2)やシリコン窒化膜(SiN)の場合は、一定の厚さ以上では、水素の透過性は無視できる。
(Fourth embodiment)
In the sensor head according to the third embodiment, a structure in which a porous insulating film or an insulating film having poor density is used as the hydrogen permeable insulating film 663 is exemplified. In the case of a dense silicon oxide film (SiO 2 ) or silicon nitride film (SiN), hydrogen permeability is negligible above a certain thickness.
本発明の第4の実施の形態に係るセンサヘッドは、図10に示すように、水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器(64,65,66)と、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する3次元基体40、3次元基体40の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が3次元基体40の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜25とを備え、容器(64,65,66)の内部に収容された水素ガス検出部(25,27,40)とを含み、容器(64,65,66)は、3次元基体40を搭載する実装基板(パッケージ基板)64を備える容器本体(64,65)と、選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋66とを備える点では、第1〜第3の実施の形態に係るセンサヘッドと同様である。
As shown in FIG. 10, the sensor head according to the fourth embodiment of the present invention is a container (64, 65, 66) that selectively transmits only hydrogen gas and has sealing properties against gases other than hydrogen gas. 3) the three-
しかし、図10に示すように、パッケージ上蓋66は、メッシュ構造体基板662と、このメッシュ構造体基板662上の水素透過膜661と、メッシュ構造体基板662と水素透過膜661との間に挟まれたメッシュ構造の絶縁膜668とを備える。メッシュ構造体基板662の貫通孔は、絶縁膜668のメッシュを構成する貫通孔と連続して形成されている。即ち、絶縁膜668とメッシュ構造体基板662を連続して貫通する矩形の穴により、メッシュ構造が形成されている。水素透過膜661は第1〜第3の実施の形態に係るセンサヘッドと同様に、Pd、Pd合金薄膜、若しくは水素吸蔵合金膜から構成すれば良い。
However, as shown in FIG. 10, the package
メッシュ構造体基板662は、Si等の半導体基板をRIE等を用いて、図10に示すような、矩形の貫通孔を開口すれば良い。例えばSi(100)面を用いてリソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、RIEによる異方性エッチングを行えば、図10に示すような、(100)面で囲まれた貫通孔をマトリクス状に形成できる。絶縁膜668は、高温でCVDしたシリコン酸化膜(SiO2)熱酸化膜若しくは化学量論的組成のシリコン窒化膜(Si3N4)等の緻密性の高く、水素の透過に対しバリア性を有する絶縁膜が採用可能である。
The
更に、パッケージ上蓋66は、メッシュ構造の絶縁膜668に埋め込まれたマイクロヒータ665を備える。マイクロヒータ665は、Al、W、Mo等の金属からなる抵抗線型ヒータである。例えば、下層の水素透過性絶縁膜をCVD法等により堆積後、リソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、RIEによるメアンダライン形状のダマシン溝部を形成し、その後Al、W、Mo等の金属膜を真空蒸着、スパッタリング法等により堆積し、更に化学的機械研磨(CMP)で平坦化すれば、ダマシン溝部にマイクロヒータ665となる金属膜が埋め込まれる。その後、この上に上層の水素透過性絶縁膜をCVD法等により堆積すれば、メアンダライン形状のマイクロヒータ665が埋め込まれたメッシュ構造の絶縁膜668が形成できる。メッシュ構造に絶縁膜668を加工するには、リソグラフィー工程で形成したフォトレジスト膜等のエッチングマスクを用い、RIE、マグネトロンプラズマエッチング或いはイオンミリング等のエッチングを行えば、貫通孔をマトリクス状に形成できる。メッシュ構造体基板662と絶縁膜668とは、貼り合わせ法等で接合可能である。
Further, the package
マイクロヒータ665で、水素透過膜661を所定の温度にまで加熱・昇温しておくことにより、パッケージ上蓋66を選択性水素ガス透過フィルタとして機能させ、水素を選択的に容器の内部に導入することができること等は、第1〜第3の実施の形態に係るセンサヘッド説明したとおりであり、重複した説明を省略する。
By heating and raising the temperature of the hydrogen
第4の実施の形態によれば、第1及び第2の実施の形態と同様に、水素ガスの検出範囲(ダイナミックレンジ)が10[ppm]から100%までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないセンサヘッド及びガスセンサを提供することができる。 According to the fourth embodiment, similarly to the first and second embodiments, the hydrogen gas detection range (dynamic range) is as wide as 10 [ppm] to 100%, and has high-speed response, In addition, it is possible to provide a sensor head and a gas sensor whose output does not fluctuate even under high temperature and high humidity or in the presence of other gases.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1〜第4の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、模式的な構造例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to fourth embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, schematic structural examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば、本発明の水素ガス検出部を収納する容器としては、セラミックDIPパッケージ若しくはキャン形パッケージに等の技術を適用することが可能であり、図1、図2、図8及び図9に例示した構造に限定される必要はない。したがって、図1では、複数のビアプラグ62a,62b,・・・・・にそれぞれ電気的に接続され、容器(64,65,66)の外部回路との接続を可能にするように、複数の外部実装配線63a,63b,・・・・・が、実装基板(パッケージ基板)64の裏面に備えられた構造を例示したが、図11に示すように、複数の外部実装配線(ピン)67l〜67n,67p〜67wが実装基板を備えるパッケージ基体68の側壁に設けられ、埋込配線を介して、内部実装配線に接続される構造でも良い。
For example, as a container for storing the hydrogen gas detection unit of the present invention, it is possible to apply a technique such as a ceramic DIP package or a can-type package, which is exemplified in FIGS. 1, 2, 8, and 9. The structure need not be limited. Accordingly, in FIG. 1, a plurality of
或いは、図12に示すように、パッケージ側壁69にガス導入配管72a,73a、ガス導入バルブ71a、ガス排気配管72b,73b及びガス排気バルブ71bを設け、水素ガスの検出後に、ガス導入バルブ71a及びガス排気バルブ71bを開け、Ar等のパージガスを容器の内部に導入し、水素ガス検出部の表面をパージできるようにしても良い。
Alternatively, as shown in FIG. 12,
パージが終了したら、ガス導入バルブ71a及びガス排気バルブ71bを閉じ、水素ガスを検出するような使用の態様が提供できる。
When the purge is completed, the
又、既に述べた第1〜第4の実施の形態に係る水素ガス検出部の説明においては、「3次元基体」として、均質材料球40を用いた場合を例示したが、3次元基体は真球に限定されず、センサとしての精度の低下等を許容できる場合は、ビヤ樽形状等でも良く、繭型やラクビーボール型でも良い。即ち、本発明の「3次元基体」は、周回帯の中心線に沿った第1の主方向に第1の曲率を有し、且つこの第1の主方向に直交する第2の主方向に周回帯の近傍で、第2の曲率を有していれば、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能である。第2の曲率を有する周回帯の幅は、第2の主方向と曲率半径と、弾性表面波の波長で決まる。例えば、第2の主方向の曲率半径が5mm程度であれば、周波数が45MHzでは、周回帯の幅は、第2の主方向の曲率半径の約7/50ぐらいになる。
In the description of the hydrogen gas detectors according to the first to fourth embodiments already described, the case where the
このため、周回帯の幅から外れた第2の主方向の遠方では、多面体形状等を有していても、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能なトポロジーが存在しうる。 For this reason, there may exist a topology in which the collimated surface acoustic wave can circulate multiple times, even if it has a polyhedron shape or the like, far away in the second main direction outside the width of the orbital band.
更に、第1〜第4の実施の形態に係る水素ガス検出部の構造は、実空間での3次元構造について述べたが、弾性テンソル空間において、弾性定数等を徐々に変化させ、実空間で曲面と等価な構造を実現しても良い。例えば、第2の主方向に沿って、周回帯の中心から離れるに従い、徐々に弾性特性を変化させても、球面と同様な効果が実現できる。 Furthermore, the structure of the hydrogen gas detection unit according to the first to fourth embodiments has been described with respect to a three-dimensional structure in real space. However, in the elastic tensor space, the elastic constant and the like are gradually changed, and A structure equivalent to a curved surface may be realized. For example, an effect similar to that of a spherical surface can be realized even if the elastic characteristics are gradually changed along the second main direction as the distance from the center of the orbital zone increases.
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態に係る水素ガス検出部等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes a hydrogen gas detection unit and the like according to various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
15…感応膜
21…すだれ状状電極(電気音響変換素子)
22,82…高周波発生部
23,83…スイッチ部
24,84…検出・出力部
25,26…感応膜
27…電極配線
40…均質材料球(3次元基体)
41…圧電性薄膜
42…温度センサ
50a,50b…導電性接続体(金属バンプ)
61a,61b…内部実装配線
62a,62b…ビアプラグ
63a,63b…外部実装配線
64…実装基板
65…パッケージ側壁
66…パッケージ上蓋
68…パッケージ基体
69…パッケージ側壁
71a…ガス導入バルブ
71b…ガス排気バルブ
72a,73a…ガス導入配管
72b,73b…ガス排気配管
91…高周波発生部搭載半導体チップ
92…検出・出力部搭載半導体チップ
661…水素透過膜
662…メッシュ構造体基板
663…水素透過性絶縁膜
665…マイクロヒータ
668…絶縁膜
15 ...
22, 82 ...
41 ... Piezoelectric thin film 42 ...
61a, 61b ... internal mounting
Claims (12)
コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する3次元基体、前記3次元基体の前記周回帯上に位置し、前記弾性表面波を前記周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が前記3次元基体の前記周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、前記容器の内部に収容された水素ガス検出部
とを含むことを特徴とするセンサヘッド。 A container that selectively permeates only hydrogen gas and has a sealing property against a gas other than hydrogen gas;
A three-dimensional substrate having a curved surface that defines a circular band in which a collimated surface acoustic wave can circulate multiple times, and an electric located on the circular band of the three-dimensional substrate to excite the surface acoustic wave along the circular band An acoustic conversion element, a hydrogen gas detection unit that is at least partially present in at least a part of the circumference of the three-dimensional substrate and includes a sensitive film that reacts with hydrogen gas molecules; A sensor head comprising:
前記3次元基体を搭載する実装基板を備える容器本体と、
選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋
とを備えることを特徴とする請求項1に記載のセンサヘッド。 The container
A container body including a mounting substrate on which the three-dimensional substrate is mounted;
The sensor head according to claim 1, further comprising: a package upper cover including a selective hydrogen gas permeable filter.
メッシュ構造体基板と、
該メッシュ構造体基板上の水素透過膜
とを備えることを特徴とする請求項2に記載のセンサヘッド。 The package top lid is
A mesh structure substrate;
The sensor head according to claim 2, further comprising: a hydrogen permeable film on the mesh structure substrate.
前記メッシュ構造体基板と前記水素透過膜との間に挟まれた水素透過性絶縁膜と、
該水素透過性絶縁膜に埋め込まれたマイクロヒータ
とを更に備えることを特徴とする請求項3に記載のセンサヘッド。 The package top lid is
A hydrogen permeable insulating film sandwiched between the mesh structure substrate and the hydrogen permeable film;
The sensor head according to claim 3, further comprising a micro heater embedded in the hydrogen permeable insulating film.
コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する3次元基体、前記3次元基体の前記周回帯上に位置し、前記弾性表面波を前記周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が前記3次元基体の前記周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、前記容器の内部に収容された水素ガス検出部と、
前記電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部と、
前記電気音響変換素子から前記弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部
とを含むことを特徴とするガスセンサ。 A container that selectively permeates only hydrogen gas and has a sealing property against a gas other than hydrogen gas;
A three-dimensional substrate having a curved surface that defines a circular band in which a collimated surface acoustic wave can circulate multiple times, and an electric located on the circular band of the three-dimensional substrate to excite the surface acoustic wave along the circular band An acoustic conversion element, at least part of which is present in at least part of the circumference of the three-dimensional substrate, and a sensitive film that reacts with hydrogen gas molecules, and a hydrogen gas detector housed in the container;
A high frequency generator for supplying a high frequency electrical signal to the electroacoustic transducer;
A gas sensor comprising: a detection / output unit that measures a high-frequency signal related to a propagation characteristic of the surface acoustic wave from the electroacoustic transducer.
前記3次元基体を搭載する実装基板を備える容器本体と、
選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋
とを備えることを特徴とする請求項7に記載のガスセンサ。 The container
A container body including a mounting substrate on which the three-dimensional substrate is mounted;
The gas sensor according to claim 7, further comprising: a package upper cover including a selective hydrogen gas permeation filter.
前記実装基板内部に埋め込まれ、前記複数の内部実装配線にそれぞれ電気的に接続された複数のビアプラグと、
該複数のビアプラグにそれぞれ電気的に接続され、前記容器の外部回路との接続を可能にする複数の外部実装配線
とを更に備えることを特徴とする請求項9に記載のガスセンサ。 A plurality of internal mounting wirings disposed on the top surface of the mounting substrate and electrically connected to the hydrogen gas detection unit;
A plurality of via plugs embedded in the mounting substrate and electrically connected to the plurality of internal mounting wirings;
The gas sensor according to claim 9, further comprising: a plurality of external mounting wirings that are respectively electrically connected to the plurality of via plugs and enable connection to an external circuit of the container.
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