JP2008082842A - Gas sensor element - Google Patents

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Atsuro Sakamoto
敦郎 坂本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor element and a gas sensor using a tuning-fork oscillation piece. <P>SOLUTION: A gas sensor element 10 comprises a tuning-fork oscillation piece 12 equipped with a plurality of bending oscillating oscillation arms 14 and a sensitive film 18 set at the tip part of the oscillation arm 14. This sensitive film 18 may be set at the upper face 14a and the lower face 14b of the oscillation arm 14, or at the upper face 14a, the lower face 14b and the side face 14c of the oscillation arm 14. And, using a hydrogen-occluded metal alloy film as a sensitive film 18, the gas sensor element 10 can detect hydrogen gas and measure hydrogen concentration. The sensitive film 18 may be a phosphoric acid zirconium film, a lipid film, an olefin oxide film or a tin oxide film. Here, the tuning-fork oscillation piece 12 may be a piezoelectric tuning-fork piece formed with a piezoelectric element. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガスセンサ素子およびガスセンサに関するものである。   The present invention relates to a gas sensor element and a gas sensor.

ガスセンサには、厚みすべり振動や屈曲振動を利用した水素センサやアンモニアセンサがある。この厚みすべり振動を利用したセンサは、振動子の表面および裏面のそれぞれに2つの駆動電極を設けるとともに、この駆動電極間に検出電極を設け、1つの駆動電極上に水素またはアンモニアを吸着する膜を設けている。このセンサは、吸着膜に水素またはアンモニアが付着すると吸着膜の質量が増加して、振動子の中心軸に対する質量バランスが崩れるので、これによって発生した振動電圧に基づいて質量を検出している。また屈曲振動を利用したセンサは、2つの駆動振動片の間に検出振動片を設けた構成を2組有し、各振動片の先端部に重量部ないしハンマーヘッドを設け、駆動振動片上の電極上に吸着膜を設けている。(特許文献1)
特開2006−153859号公報(5−6頁)
Gas sensors include hydrogen sensors and ammonia sensors that use thickness-shear vibration and bending vibration. In the sensor using the thickness shear vibration, two driving electrodes are provided on each of the front and back surfaces of the vibrator, a detection electrode is provided between the driving electrodes, and a film that adsorbs hydrogen or ammonia on one driving electrode. Is provided. In this sensor, when hydrogen or ammonia adheres to the adsorption film, the mass of the adsorption film increases, and the mass balance with respect to the central axis of the vibrator is lost. Therefore, the mass is detected based on the vibration voltage generated thereby. In addition, a sensor using bending vibration has two sets of detection vibration pieces provided between two drive vibration pieces, a weight portion or a hammer head is provided at the tip of each vibration piece, and an electrode on the drive vibration piece. An adsorption film is provided on the top. (Patent Document 1)
JP 2006-153859 A (page 5-6)

前述した厚みすべり系の振動は他の振動モードよりも発振周波数が高い。この厚みすべり系の振動子を発振させるには、ゲインを取るために発振用の増幅回路に電流を多く供給しなければならない。このため厚みすべりの振動モードを利用したセンサは、消費電力が大きくなってしまう。   The vibration of the thickness-slip system described above has a higher oscillation frequency than other vibration modes. In order to oscillate the thickness-slip type vibrator, it is necessary to supply a large amount of current to the oscillation amplifier circuit in order to obtain a gain. For this reason, the sensor using the vibration mode of thickness sliding will increase power consumption.

また前述したように、このセンサは発振周波数が高いので、このセンサを駆動(発振)させる回路(発振回路)から出力する信号の周波数も高くなる。しかし発振回路の後段に接続する論理回路が高い周波数に対応していなければ、発振回路から出力する信号を入力することができないので、論理回路の入力にプリスケーラ等を設けて前記信号の周波数を低くしなければならない。さらに前記発振回路の後段にTTL(Transistor Transistor Logic)等の論理回路が接続する場合がある。そして発振回路にコルピッツ型等を用いると、この発振回路の一段発振では論理回路に前記信号を入力できる電圧レベルに到達しないので、アンプ等を設けて前記信号を増幅する必要がある。このため厚みすべり系の振動モードを利用したセンサは、プリスケーラやアンプ等の周辺回路を接続することによって複雑および大型になってしまう。   Further, as described above, since this sensor has a high oscillation frequency, the frequency of a signal output from a circuit (oscillation circuit) that drives (oscillates) this sensor also increases. However, if the logic circuit connected to the subsequent stage of the oscillation circuit does not support a high frequency, a signal output from the oscillation circuit cannot be input. Therefore, a prescaler or the like is provided at the input of the logic circuit to reduce the frequency of the signal. Must. Further, a logic circuit such as TTL (Transistor Transistor Logic) may be connected to the subsequent stage of the oscillation circuit. If Colpitts type or the like is used for the oscillation circuit, it is necessary to amplify the signal by providing an amplifier or the like because the one-stage oscillation of the oscillation circuit does not reach a voltage level at which the signal can be input to the logic circuit. For this reason, a sensor using a thickness-slip vibration mode becomes complicated and large by connecting peripheral circuits such as a prescaler and an amplifier.

また、このセンサは、振動子の駆動電極に電気信号を供給して基板を振動させ、この振動が検出電極まで伝わったものを検出電極で検知するものであるから、振動を間接的に測定して水素やアンモニアの濃度を測定することになる。このためセンサの検出感度が低下するおそれがある。   In addition, this sensor supplies an electrical signal to the drive electrode of the vibrator to vibrate the substrate, and the vibration transmitted to the detection electrode is detected by the detection electrode, so the vibration is indirectly measured. Therefore, the concentration of hydrogen and ammonia will be measured. For this reason, there exists a possibility that the detection sensitivity of a sensor may fall.

また前述した屈曲振動を利用したセンサは、振動子基部から6本の振動片が伸びた形状なので、振動子が大きくなってしまい、また形状が複雑になっている。このため1枚のウエハから得られる振動子の数が少なく、また加工が複雑になることから、センサを得るためのコストが高くなってしまう。さらに、このセンサは、前述した組を構成している1つの検出振動片に吸着膜を設けているので吸着膜同士の間隔が離れている。このため測定環境のガス濃度が不均一である場合は、この吸着膜への付着量に大きなバラツキを生じ、このセンサを用いると正確な水素やアンモニアの濃度検出ができない。   Moreover, the sensor using the bending vibration described above has a shape in which six vibrating pieces extend from the base of the vibrator, so that the vibrator becomes large and the shape is complicated. For this reason, the number of vibrators obtained from one wafer is small, and the processing becomes complicated, so that the cost for obtaining the sensor becomes high. Further, in this sensor, since the adsorption film is provided on one detection vibrating piece constituting the above-described set, the distance between the adsorption films is separated. For this reason, when the gas concentration in the measurement environment is not uniform, the amount of adhesion to the adsorption film varies greatly, and if this sensor is used, the concentration of hydrogen or ammonia cannot be detected accurately.

本発明は、音叉型振動片を用いたガスセンサ素子を提供することを目的とする。また本発明は、このガスセンサ素子を用いたガスセンサを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a gas sensor element using a tuning fork type resonator element. Another object of the present invention is to provide a gas sensor using this gas sensor element.

本発明に係るガスセンサ素子は、屈曲振動をする振動腕を備えた音叉型振動片と、振動腕の先端部に設けたガス感応膜とを備えたことを特徴とする。これによりガス感応膜が被検出ガスを吸着すると重くなるので、振動腕の先端部が重くなり屈曲振動の周波数を変えることができる。そして、この周波数変化を読み取ることにより、被検出ガスの検知と濃度を測定できる。また音叉型振動片が行う屈曲振動の周波数は数十kHzなので、ガスセンサ素子に接続する発振回路のゲインを大きくする必要はなく、少ない電流で発振できる。よってガスセンサ素子は、消費電流を少なくすることができる。またガスセンサ素子は、振動腕にガス感応膜を設けて屈曲振動の周波数の変化を直接捉えているから、検出感度が低下するおそれはない。また振動腕の互いの間隔は狭いので、ガス感応膜の互いの間隔も狭くできる。このためガスセンサ素子が配置される測定環境のガス濃度が不均一であっても狭い範囲での測定ができ、正確なガス濃度の測定ができる。また音叉型振動片は小型なので、1枚のウエハから得られる振動片の数を多くでき、また音叉型振動片は簡単な形状なので容易に加工できる。よってガスセンサ素子を得るためのコストを低くできる。   A gas sensor element according to the present invention is characterized by including a tuning fork type vibrating piece having a vibrating arm that bends and vibrates, and a gas sensitive film provided at the tip of the vibrating arm. As a result, the gas sensitive film becomes heavier when the gas to be detected is adsorbed, so that the tip of the vibrating arm becomes heavier and the frequency of flexural vibration can be changed. Then, by detecting this frequency change, the detection and concentration of the gas to be detected can be measured. Further, since the frequency of the flexural vibration performed by the tuning fork type resonator element is several tens of kHz, it is not necessary to increase the gain of the oscillation circuit connected to the gas sensor element, and oscillation can be performed with a small current. Therefore, the gas sensor element can reduce current consumption. Further, since the gas sensor element is provided with a gas sensitive film on the vibrating arm and directly captures the change in the frequency of the bending vibration, there is no possibility that the detection sensitivity is lowered. Further, since the distance between the vibrating arms is narrow, the distance between the gas sensitive films can also be narrowed. For this reason, even if the gas concentration in the measurement environment where the gas sensor element is arranged is not uniform, the measurement can be performed in a narrow range, and the gas concentration can be accurately measured. In addition, since the tuning fork type vibrating piece is small, the number of vibrating pieces obtained from one wafer can be increased, and the tuning fork type vibrating piece can be easily processed because it has a simple shape. Therefore, the cost for obtaining the gas sensor element can be reduced.

また発振回路から出力する周波数信号の周波数は、屈曲振動の周波数に応じて数十kHzになるので、発振回路の後段にプリスケーラ等の周波数を低くする手段を設ける必要がない。また音叉型振動片を用いたガスセンサ素子は1段の発振回路で発振できるので、アンプ等の電圧レベルを調整するための手段を設ける必要がない。   Further, since the frequency of the frequency signal output from the oscillation circuit is several tens of kHz depending on the bending vibration frequency, it is not necessary to provide a means for lowering the frequency such as a prescaler in the subsequent stage of the oscillation circuit. Further, since the gas sensor element using the tuning fork type resonator element can be oscillated by a single-stage oscillation circuit, it is not necessary to provide means for adjusting the voltage level of an amplifier or the like.

また本発明に係るガスセンサ素子は、振動腕の上下面または側面のうち少なくとも1つの面の先端部分にガス感応膜を設けたことを特徴としている。これによりガスセンサ素子は、被検出ガスをガス感応膜で吸着して振動腕の先端部を重くし、屈曲振動の周波数を低くできる。   Further, the gas sensor element according to the present invention is characterized in that a gas sensitive film is provided at a tip portion of at least one of the upper and lower surfaces or side surfaces of the vibrating arm. As a result, the gas sensor element can adsorb the gas to be detected by the gas-sensitive film to increase the tip of the vibrating arm and reduce the frequency of flexural vibration.

また本発明に係るガスセンサ素子は、振動腕の側面にガス感応膜を設けたことを特徴としている。これによりガスセンサ素子は、被検出ガスを感応膜で吸着して振動腕の先端部を重くし、屈曲振動の周波数を低くできる。そして振動腕の上面および下面に加えて側面にもガス感応膜を設ければ、ガス感応膜の表面積が大きくなるので被検出ガスをより多く吸着でき、ガスセンサ素子の検出感度を向上できる。   The gas sensor element according to the present invention is characterized in that a gas sensitive film is provided on a side surface of the vibrating arm. As a result, the gas sensor element can adsorb the gas to be detected by the sensitive film, increase the tip of the vibrating arm, and lower the frequency of bending vibration. If a gas sensitive film is provided on the side surface in addition to the upper and lower surfaces of the vibrating arm, the surface area of the gas sensitive film is increased, so that more gas to be detected can be adsorbed and the detection sensitivity of the gas sensor element can be improved.

また本発明に係るガスセンサ素子は、振動腕の先端部に設けた錘部における振動腕の長手方向の長さをLとすると、振動腕の先端からL/2までにガス感応膜を設けたことを特徴としている。振動腕の先端により近いほうにガス感応膜を設けると、ガス感応膜が被検出ガスを吸着して質量が増加したときに、効果的に屈曲振動に影響を与えることができ、屈曲振動の周波数を敏感に変化させることができる。これにより被検出ガスの検知や濃度測定を行い易くなり、ガスセンサ素子の検出感度を向上できる。   In the gas sensor element according to the present invention, a gas sensitive film is provided from the tip of the vibrating arm to L / 2, where L is the length in the longitudinal direction of the vibrating arm at the weight provided at the tip of the vibrating arm. It is characterized by. If a gas sensitive film is provided closer to the tip of the vibrating arm, the gas sensitive film can effectively affect the bending vibration when the mass increases due to adsorption of the gas to be detected. Can be changed sensitively. This facilitates detection of the gas to be detected and concentration measurement, and can improve the detection sensitivity of the gas sensor element.

また本発明に係るガスセンサ素子は、振動腕の先端部に凹部または凸部を設け、この凹部または凸部にそれぞれガス感応膜を設けたことを特徴としている。これによりガス感応膜の表面積が大きくなるので、被検出ガスをより多く吸着でき、ガスセンサ素子の検出感度を向上できる。   Further, the gas sensor element according to the present invention is characterized in that a concave portion or a convex portion is provided at the tip of the vibrating arm, and a gas sensitive film is provided in the concave portion or the convex portion, respectively. As a result, the surface area of the gas sensitive film is increased, so that more gas to be detected can be adsorbed and the detection sensitivity of the gas sensor element can be improved.

また本発明に係るガスセンサ素子は、振動腕の先端部に、振動腕の他の部分に比べて幅を広くした幅広部を設け、この幅広部にガス感応膜を設けたことを特徴としている。これにより幅広部に設けるガス感応膜の表面積が大きくなるので、被検出ガスをより多く吸着でき、ガスセンサ素子の検出感度を向上できる。   The gas sensor element according to the present invention is characterized in that a wide portion having a width wider than that of the other portion of the vibrating arm is provided at the tip of the vibrating arm, and a gas sensitive film is provided in the wide portion. As a result, the surface area of the gas-sensitive film provided in the wide portion is increased, so that more gas to be detected can be adsorbed and the detection sensitivity of the gas sensor element can be improved.

そして前述したガス感応膜は、水素吸蔵合金であることを特徴としている。これによりガスセンサ素子は、水素ガスを吸蔵すると屈曲振動の周波数が変わるので、測定環境に水素ガスが存在していることを検出でき、また水素ガスの濃度を測定できる。   The gas-sensitive film described above is a hydrogen storage alloy. As a result, when the gas sensor element occludes hydrogen gas, the frequency of bending vibration changes, so that the presence of hydrogen gas in the measurement environment can be detected, and the concentration of hydrogen gas can be measured.

そして前述したガス感応膜は、リン酸ジルコニウム、脂質、オレイン酸および酸化スズのうちのいずれか1つであることを特徴としている。ガスセンサ素子は、ガス感応膜をリン酸ジルコニウムにすればアンモニアガスの検知と濃度測定ができ、ガス感応膜を脂質にすれば揮発性有機塩素化合物の検知と濃度測定ができ、ガス感応膜をオレイン酸にすればエタノールの検知と濃度測定ができ、ガス感応膜を酸化スズにすれば硫化水素やアンモニア、アルコールの検知と濃度測定ができる。   The gas-sensitive membrane described above is characterized by being any one of zirconium phosphate, lipid, oleic acid, and tin oxide. The gas sensor element can detect and measure the concentration of ammonia gas if the gas sensitive membrane is made of zirconium phosphate, and can detect and measure the concentration of volatile organic chlorine compounds if the gas sensitive membrane is made of lipid. If acid is used, ethanol can be detected and its concentration measured, and if gas sensitive film is tin oxide, hydrogen sulfide, ammonia and alcohol can be detected and its concentration measured.

そして前述した音叉型振動片は、圧電体で形成されてなることを特徴としている。すなわち音叉型振動片は、圧電体で形成した音叉型圧電振動片であってもよい。音叉型圧電振動片とすれば、発振周波数の安定性を始めとする音叉型振動片の様々な特性を良くすることができる。また音叉型振動片を水晶で形成すれば、この音叉型水晶振動片の特性をより向上することができる。   The tuning fork type resonator element described above is formed of a piezoelectric material. That is, the tuning fork type vibrating piece may be a tuning fork type piezoelectric vibrating piece formed of a piezoelectric material. If the tuning fork type piezoelectric vibrating piece is used, various characteristics of the tuning fork type vibrating piece including the stability of the oscillation frequency can be improved. Further, if the tuning fork type vibrating piece is made of quartz, the characteristics of the tuning fork type quartz vibrating piece can be further improved.

また本発明に係るガスセンサは、前述したガスセンサ素子に発振回路を接続するとともに、発振回路に周波数測定手段を接続したことを特徴としている。発振回路から出力する周波数信号は、ガスセンサ素子が行う屈曲振動の周波数に応じた周波数を有している。これによりガスセンサは、発振回路から出力される周波数信号の周波数を測定することにより被検出ガスを検知でき、周波数信号の変化から被検出ガスの濃度を測定できる。   The gas sensor according to the present invention is characterized in that an oscillation circuit is connected to the above-described gas sensor element and a frequency measuring means is connected to the oscillation circuit. The frequency signal output from the oscillation circuit has a frequency corresponding to the frequency of the bending vibration performed by the gas sensor element. Thereby, the gas sensor can detect the gas to be detected by measuring the frequency of the frequency signal output from the oscillation circuit, and can measure the concentration of the gas to be detected from the change in the frequency signal.

また音叉型振動片が行う屈曲振動の周波数は数十kHzなので、ガスセンサ素子に接続する発振回路のゲインを大きくする必要はなく、少ない電流で発振できる。よってガスセンサは、消費電流を少なくすることができる。また発振回路から出力する周波数信号の周波数は、屈曲振動の周波数に応じて数十kHzになるので、発振回路の後段にプリスケーラ等の周波数を低くする手段を設ける必要がない。さらに音叉型振動片を用いたガスセンサ素子は1段の発振回路で発振できるので、アンプ等の電圧レベルを調整するための手段を設ける必要がない。よってガスセンサは、ガスセンサ素子に接続する周辺回路が複雑になったり、大型になったりするのを防止できる。   Further, since the frequency of the flexural vibration performed by the tuning fork type resonator element is several tens of kHz, it is not necessary to increase the gain of the oscillation circuit connected to the gas sensor element, and oscillation can be performed with a small current. Therefore, the gas sensor can reduce current consumption. Further, since the frequency of the frequency signal output from the oscillation circuit is several tens of kHz depending on the bending vibration frequency, it is not necessary to provide a means for lowering the frequency such as a prescaler in the subsequent stage of the oscillation circuit. Furthermore, since the gas sensor element using the tuning fork type resonator element can oscillate with a single-stage oscillation circuit, it is not necessary to provide means for adjusting the voltage level of an amplifier or the like. Therefore, the gas sensor can prevent the peripheral circuit connected to the gas sensor element from becoming complicated or large.

以下に、本発明に係るガスセンサ素子およびガスセンサの最良の実施形態について説明する。図1はガスセンサ素子の説明図である。ここで図1(A)はガスセンサ素子の平面図であり、図1(B)は概略側面図である。ガスセンサ素子10は、音叉型振動片12を有している。音叉型振動片12は、平行に配置した2本の振動腕14(141,142)と、これらの振動腕14の一端(根元)に設けた基部16を備えている。そして振動腕14および基部16(音叉型振動片12)は、圧電体で形成してある。この圧電体は、例えば水晶とすることができる。振動腕14および基部16を水晶で形成することにより、発振周波数の温度特性に対する安定性を始めとする音叉型振動片12の様々な特性を良くできる。   Hereinafter, the best embodiments of the gas sensor element and the gas sensor according to the present invention will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram of a gas sensor element. 1A is a plan view of the gas sensor element, and FIG. 1B is a schematic side view. The gas sensor element 10 has a tuning fork type vibrating piece 12. The tuning fork-type vibrating piece 12 includes two vibrating arms 14 (141, 142) arranged in parallel and a base 16 provided at one end (root) of these vibrating arms 14. The vibrating arm 14 and the base portion 16 (tuning fork type vibrating piece 12) are formed of a piezoelectric body. The piezoelectric body can be a crystal, for example. By forming the resonating arm 14 and the base portion 16 from quartz, various characteristics of the tuning-fork type resonator element 12 including the stability of the oscillation frequency with respect to the temperature characteristic can be improved.

各振動腕14の上面14a、下面14bおよび側面14cに励振電極20が設けてあり、また各振動腕14の先端部に錘部22が設けてある。そして一方の振動腕141の上面14aおよび下面14bに設けた励振電極20と、他方の振動腕142の側面14cに設けた励振電極20が導通しており、また一方の振動腕141の側面14cに設けた励振電極20と他方の振動腕142の上面14aおよび下面14bに設けた励振電極20が導通している。また基部16に接続電極24が設けてあり、励振電極20と1対1に導通している。なお図1(B)では、励振電極20や錘部22、接続電極24の記載を省略している。   Excitation electrodes 20 are provided on the upper surface 14 a, the lower surface 14 b, and the side surface 14 c of each vibrating arm 14, and a weight portion 22 is provided at the tip of each vibrating arm 14. The excitation electrode 20 provided on the upper surface 14a and the lower surface 14b of one vibration arm 141 and the excitation electrode 20 provided on the side surface 14c of the other vibration arm 142 are electrically connected, and the side surface 14c of the one vibration arm 141 is electrically connected. The excitation electrode 20 provided is electrically connected to the excitation electrode 20 provided on the upper surface 14a and the lower surface 14b of the other vibrating arm 142. In addition, a connection electrode 24 is provided on the base 16 and is electrically connected to the excitation electrode 20 on a one-to-one basis. In FIG. 1B, illustration of the excitation electrode 20, the weight portion 22, and the connection electrode 24 is omitted.

そしてガスセンサ素子10は、各振動腕14の上面14aおよび下面14bの錘部22上に感応膜(ガス感応膜)18を設けている。感応膜18は、被検出ガスを吸蔵または吸着等(以下「吸着」という。)するものである。具体的には、この感応膜18が水素吸蔵合金であれば、水素ガスを吸着できる。この水素吸蔵合金の一例としては、パラジウム−ニッケルの合金等であればよく、スパッタ等の成膜法を用いて錘部22上に設ければよい。また感応膜18がリン酸ジルコニウムであればアンモニアガスを吸着でき、感応膜18が脂質(人工脂質)であれば揮発性有機塩素化合物(トリクロロエチレンやテトラクロロエチレン)を吸着でき、感応膜18がオレイン酸(不飽和脂肪酸)であればエタノールを吸着でき、感応膜18が酸化スズ(二酸化スズ)であれば硫化水素やアンモニア、アルコールを吸着できる。   In the gas sensor element 10, a sensitive film (gas sensitive film) 18 is provided on the weight portion 22 of the upper surface 14 a and the lower surface 14 b of each vibrating arm 14. The sensitive film 18 occludes or adsorbs the gas to be detected (hereinafter referred to as “adsorption”). Specifically, if the sensitive film 18 is a hydrogen storage alloy, hydrogen gas can be adsorbed. As an example of the hydrogen storage alloy, a palladium-nickel alloy or the like may be used, and the hydrogen storage alloy may be provided on the weight portion 22 by using a film formation method such as sputtering. If the sensitive membrane 18 is zirconium phosphate, ammonia gas can be adsorbed. If the sensitive membrane 18 is lipid (artificial lipid), volatile organochlorine compounds (trichloroethylene and tetrachloroethylene) can be adsorbed. (Unsaturated fatty acid) can adsorb ethanol, and if the sensitive film 18 is tin oxide (tin dioxide), it can adsorb hydrogen sulfide, ammonia and alcohol.

図2はガスセンサのブロック図である。ガスセンサ30は、前述したガスセンサ素子10を用いている。具体的には、ガスセンサ30は、ガスセンサ素子10に発振回路32が接続するとともに、発振回路32に周波数測定手段34が接続している。発振回路32は、ガスセンサ素子10を発振させて、この発振により生じた信号(周波数信号)を出力している。また周波数測定手段34は周波数信号を入力して、この周波数信号の周波数を測定するものであり、例えば周波数カウンタであればよい。   FIG. 2 is a block diagram of the gas sensor. The gas sensor 30 uses the gas sensor element 10 described above. Specifically, in the gas sensor 30, an oscillation circuit 32 is connected to the gas sensor element 10, and a frequency measuring unit 34 is connected to the oscillation circuit 32. The oscillation circuit 32 oscillates the gas sensor element 10 and outputs a signal (frequency signal) generated by this oscillation. The frequency measuring means 34 inputs a frequency signal and measures the frequency of the frequency signal. For example, it may be a frequency counter.

次に、このようなガスセンサ素子10およびガスセンサ30の動作について説明する。なお以下では、ガス検出および濃度測定の一例として、ガスセンサ素子10およびガスセンサ30を用いて水素ガスを検出、濃度測定する場合について説明する。このため感応膜18は水素吸蔵合金となっている。   Next, operations of the gas sensor element 10 and the gas sensor 30 will be described. Hereinafter, as an example of gas detection and concentration measurement, a case where hydrogen gas is detected and the concentration is measured using the gas sensor element 10 and the gas sensor 30 will be described. Therefore, the sensitive film 18 is a hydrogen storage alloy.

発振回路32からガスセンサ素子10に供給された電気信号は、接続電極24を介して励振電極20に入力する。これによりガスセンサ素子10の振動腕14は屈曲振動する。そしてガスセンサ素子10が配置される測定環境に水素ガスがあると、水素吸蔵合金は水素ガスを吸蔵して重くなる。これにより振動腕14の先端が重くなって、屈曲振動の周波数(発振周波数)が低くなり、発振回路32から出力される周波数信号の周波数も低くなる。周波数測定手段34で発振回路32から出力される周波数信号の周波数を測定し、この周波数変化を検出してこの周波数変化量に基づいて水素ガスの濃度を求めれば、水素ガスの存在を検知でき、また水素ガスの濃度を測定できる。   The electric signal supplied from the oscillation circuit 32 to the gas sensor element 10 is input to the excitation electrode 20 through the connection electrode 24. As a result, the vibrating arm 14 of the gas sensor element 10 is flexibly vibrated. When hydrogen gas is present in the measurement environment where the gas sensor element 10 is disposed, the hydrogen storage alloy stores the hydrogen gas and becomes heavy. As a result, the tip of the vibrating arm 14 becomes heavy, the bending vibration frequency (oscillation frequency) decreases, and the frequency of the frequency signal output from the oscillation circuit 32 also decreases. If the frequency measurement means 34 measures the frequency of the frequency signal output from the oscillation circuit 32, detects this frequency change, and obtains the hydrogen gas concentration based on this frequency change amount, the presence of hydrogen gas can be detected, In addition, the concentration of hydrogen gas can be measured.

以上のようにガスセンサ素子10は、音叉型振動片12を構成する振動腕14の先端部に感応膜18を設けたので、この感応膜18と反応する被検出ガスを吸着できる。これによりガスセンサ素子10は、振動腕14の質量が重くなるので、屈曲振動の周波数を変えることができる。そしてガスセンサ30は、発振回路32から出力される周波数信号の周波数を測定することにより被検出ガスを検知でき、周波数信号の変化から被検出ガスの濃度を得ることができる。   As described above, since the gas sensor element 10 is provided with the sensitive film 18 at the tip of the vibrating arm 14 constituting the tuning fork type vibrating piece 12, the gas to be detected that reacts with the sensitive film 18 can be adsorbed. Thereby, since the mass of the vibrating arm 14 becomes heavy, the gas sensor element 10 can change the frequency of bending vibration. The gas sensor 30 can detect the gas to be detected by measuring the frequency of the frequency signal output from the oscillation circuit 32, and can obtain the concentration of the gas to be detected from the change in the frequency signal.

またガスセンサ素子10は音叉型振動片12を用いているので、屈曲振動の周波数を数十kHzにすることができる。このためガスセンサ素子10を屈曲振動させるために、発振回路32のゲインを大きくする必要はなく、厚みすべり振動を利用するものに比べて少ない電流で発振できる。よって消費電流を少なくできる。   Further, since the gas sensor element 10 uses the tuning fork type vibrating piece 12, the frequency of the bending vibration can be set to several tens of kHz. Therefore, it is not necessary to increase the gain of the oscillation circuit 32 in order to cause the gas sensor element 10 to bend and vibrate, and the gas sensor element 10 can oscillate with a smaller current than that using the thickness shear vibration. Therefore, current consumption can be reduced.

またガスセンサ素子10は、屈曲振動の周波数が数十kHzであるから、発振回路32の後段に周波数信号の周波数を低くするプリスケーラ等を設ける必要がない。さらにガスセンサ素子10は音叉型振動片12を利用しているので、ガスセンサ素子10に接続した発振回路32を、CMOSインバータ回路を用いたものにすることができる。このため、この発振回路32を1段用いてガスセンサ素子10を発振させても、発振回路32の後段に接続する回路に十分な電圧レベルの周波数信号を出力できる。すなわち発振回路32の後段にアンプを設ける必要がない。よってガスセンサ素子10およびガスセンサ30は、周辺回路が複雑になったり、大型になったりするのを防止できる。   Further, since the gas sensor element 10 has a bending vibration frequency of several tens of kHz, it is not necessary to provide a prescaler or the like for lowering the frequency of the frequency signal at the subsequent stage of the oscillation circuit 32. Further, since the gas sensor element 10 uses the tuning fork type resonator element 12, the oscillation circuit 32 connected to the gas sensor element 10 can be made using a CMOS inverter circuit. Therefore, even if the gas sensor element 10 is oscillated using one stage of the oscillation circuit 32, a frequency signal having a sufficient voltage level can be output to a circuit connected to the subsequent stage of the oscillation circuit 32. That is, it is not necessary to provide an amplifier after the oscillation circuit 32. Therefore, the gas sensor element 10 and the gas sensor 30 can prevent the peripheral circuit from becoming complicated or large.

またガスセンサ素子10は、2本の振動腕14を備えた音叉型なので、この音叉型振動片12の1つの大きさが小型になり、また形状が簡単になる。よって1枚のウエハから得られる振動片の数を多くでき、また加工が容易なことから、ガスセンサ素子10を得るためのコストを低くできる。さらにガスセンサ素子10は、各振動腕14の上面14aおよび下面14bに感応膜18を設けているので、容易に設けることができ、生産性を向上できる。   Further, since the gas sensor element 10 is a tuning fork type having two vibrating arms 14, one size of the tuning fork type vibrating piece 12 is reduced in size and shape is simplified. Therefore, the number of vibrating pieces obtained from one wafer can be increased and the processing is easy, so that the cost for obtaining the gas sensor element 10 can be reduced. Furthermore, since the gas sensor element 10 is provided with the sensitive film 18 on the upper surface 14a and the lower surface 14b of each vibrating arm 14, it can be easily provided, and productivity can be improved.

またガスセンサ素子10は、振動腕14に感応膜18を設けて屈曲振動の周波数の変化を直接捉えているから、検出感度が低下するおそれはない。またガスセンサ素子10は、振動腕14の先端部に感応膜18を設けているので、それぞれの感応膜18の間隔を狭くでき、被検出ガスの感応膜18への吸着のバラツキを小さくできる。このため測定環境のガス濃度が不均一であっても狭い範囲での検出を行え、正確なガス濃度の検出ができる。   Further, since the gas sensor element 10 is provided with the sensitive film 18 on the vibrating arm 14 and directly captures the change in the frequency of the bending vibration, there is no possibility that the detection sensitivity is lowered. Further, since the gas sensor element 10 is provided with the sensitive film 18 at the tip of the vibrating arm 14, the interval between the sensitive films 18 can be narrowed, and the variation in adsorption of the gas to be detected to the sensitive film 18 can be reduced. For this reason, even if the gas concentration in the measurement environment is not uniform, detection in a narrow range can be performed, and accurate gas concentration detection can be performed.

次に、前述したガスセンサ素子10の変形例について説明する。まず感応膜18の設け方の変形例について説明する。図3は第1の変形例に係るガスセンサ素子の説明図である。ここで図3(A)はガスセンサ素子の平面図であり、図3(B)は概略側面図である。なお図3では、励振電極や接続電極の記載を省略している。第1の変形例に係るガスセンサ素子40は、各振動腕14における先端部の上面14a、下面14bおよび側面14cの錘部22上に感応膜18を設けている。このように各振動腕14の側面14cにも感応膜18を設けたので、感応膜18の表面積を前述した実施形態に比べて大きくでき、より多くの被検出ガスを吸着して質量が増加したことを早く振動腕14に伝えることができる。すなわち、このガスセンサ素子40は、被検出ガスの検出能力を高くすることができる。   Next, a modified example of the gas sensor element 10 described above will be described. First, a modified example of how to provide the sensitive film 18 will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram of a gas sensor element according to a first modification. Here, FIG. 3 (A) is a plan view of the gas sensor element, and FIG. 3 (B) is a schematic side view. In FIG. 3, the description of the excitation electrode and the connection electrode is omitted. In the gas sensor element 40 according to the first modification, the sensitive film 18 is provided on the upper surface 14a, the lower surface 14b, and the weight portion 22 of the side surface 14c of the tip portion of each vibrating arm 14. As described above, since the sensitive film 18 is also provided on the side surface 14c of each vibrating arm 14, the surface area of the sensitive film 18 can be increased as compared with the above-described embodiment, and the mass to be detected is increased by adsorbing more detection gas. This can be transmitted to the vibrating arm 14 quickly. That is, the gas sensor element 40 can increase the detection ability of the gas to be detected.

図4は第2の変形例に係るガスセンサ素子の平面図である。第2の変形例に係るガスセンサ素子44は、感応膜18を設ける部分を規制したものである。振動腕14は屈曲振動をするので、基部16と接続している根元側が重くなるよりも、先端が重くなった方が屈曲振動に影響を与えることができる。すなわち振動腕14の先端により近い方にのみ感応膜18を設ければ、感応膜18を振動腕14全体に成膜した場合の構成と比較して、振動腕14の基部16付近の屈曲する部分に屈曲振動を妨げる感応膜が存在しないので、感応膜18の質量が増加したときに屈曲振動の周波数が敏感に変化する。したがって第2の変形例に係るガスセンサ素子44は、振動腕14の長手方向における錘部22の長さをLとすると、振動腕14の先端からL/2の範囲まで感応膜18を設けている。なお感応膜18は、各振動腕14の上面14aおよび下面14bに設けてあってもよく、各振動腕14の上面14a、下面14bおよび側面14cに設けてあってもよいが、各振動腕14の上面14aおよび下面14bのみに設けてあれば感応膜18の塗布量を少なくできる。これにより振動腕14の屈曲振動に影響を与え易くなるので、被検出ガスの検知や濃度測定を行い易くなり、ガスセンサ素子44の検出感度を向上できる。なお感応膜18を先端からL/2の長さまで設けているので、被検出ガスを吸着して屈曲振動に影響を与えられる質量変化を得ることができる。   FIG. 4 is a plan view of a gas sensor element according to a second modification. The gas sensor element 44 according to the second modified example regulates a portion where the sensitive film 18 is provided. Since the vibrating arm 14 performs bending vibration, the bending vibration can be affected when the tip end is heavier than when the base side connected to the base portion 16 is heavy. That is, if the sensitive film 18 is provided only on the side closer to the tip of the vibrating arm 14, the bent portion near the base portion 16 of the vibrating arm 14 is compared with the configuration in which the sensitive film 18 is formed on the entire vibrating arm 14. Therefore, when the mass of the sensitive film 18 increases, the frequency of the bending vibration changes sensitively. Therefore, in the gas sensor element 44 according to the second modification, the sensitive film 18 is provided from the tip of the vibrating arm 14 to a range of L / 2, where L is the length of the weight portion 22 in the longitudinal direction of the vibrating arm 14. . The sensitive film 18 may be provided on the upper surface 14a and the lower surface 14b of each vibrating arm 14, or may be provided on the upper surface 14a, the lower surface 14b, and the side surface 14c of each vibrating arm 14. If only the upper surface 14a and the lower surface 14b are provided, the coating amount of the sensitive film 18 can be reduced. As a result, the flexural vibration of the vibrating arm 14 is easily affected, so that detection of the gas to be detected and concentration measurement are facilitated, and the detection sensitivity of the gas sensor element 44 can be improved. In addition, since the sensitive film | membrane 18 is provided to the length of L / 2 from the front-end | tip, the to-be-detected gas can be adsorbed and the mass change which can influence a bending vibration can be obtained.

次に、ガスセンサ素子10を構成する振動腕14の変形例について説明する。図5は第3の変形例に係るガスセンサ素子の振動腕の先端部分を拡大した斜視図である。なお図5では、錘部の記載を省略している。第3の変形例では、振動腕における感応膜を設ける部分に凹部および凸部の少なくともいずれか一方を形成している。図5(A)に示す振動腕14は、その先端部の上面14aおよび下面14bに溝(凹部50)を設け、その先端部の上面14aおよび下面14bと前記溝(凹部50)の内部とに感応膜18を設けている。また図5(B)に示す振動腕14は、その先端部の上面14aおよび下面14bに穴(凹部50)を設け、その先端部の上面14aおよび下面14bと前記穴(凹部50)の内部とに感応膜18を設けている。このような凹部50は、エッチング等により形成することができる。これにより感応膜18の表面積が増加するので、ガスセンサ素子10の検出感度を向上できる。   Next, a modified example of the vibrating arm 14 constituting the gas sensor element 10 will be described. FIG. 5 is an enlarged perspective view of the tip portion of the vibrating arm of the gas sensor element according to the third modification. In FIG. 5, the description of the weight portion is omitted. In the third modification, at least one of a concave portion and a convex portion is formed in a portion where the sensitive film is provided on the vibrating arm. The vibrating arm 14 shown in FIG. 5A is provided with grooves (recesses 50) on the upper surface 14a and the lower surface 14b of the tip, and is provided on the upper surface 14a and lower surface 14b of the tip and the inside of the groove (recess 50). A sensitive film 18 is provided. 5B is provided with holes (recesses 50) in the upper surface 14a and the lower surface 14b of the tip, and the upper surface 14a and the lower surface 14b of the tip and the inside of the hole (recess 50). A sensitive film 18 is provided. Such a recess 50 can be formed by etching or the like. Thereby, since the surface area of the sensitive film | membrane 18 increases, the detection sensitivity of the gas sensor element 10 can be improved.

なお凹部50は、振動腕14における感応膜18を設ける箇所に1つ設けてもよく、2つ以上設けてもよい。また凹部50は、振動腕14の上面14aおよび下面14bのいずれか一方にのみ設けてもよい。また感応膜18は、図5(A),(B)に示すように振動腕14の上面14aおよび下面14bと凹部50の内部とに設けてもよく、また振動腕14の上面14a、下面14bおよび側面14cと凹部50の内部とに設けてもよい。そして図5に示す凹部50の他にも、感応膜18の表面積を大きくするために、振動腕14の先端部、すなわち感応膜18を形成する箇所に凸部を設けることもできる。この凸部は、振動腕14を予め大きく形成しておき、エッチング等をして振動腕14を所望の形状に小さくするときに形成できる。   One concave portion 50 may be provided at a location where the sensitive film 18 is provided on the vibrating arm 14, or two or more concave portions 50 may be provided. The recess 50 may be provided only on one of the upper surface 14 a and the lower surface 14 b of the vibrating arm 14. 5A and 5B, the sensitive film 18 may be provided on the upper surface 14a and the lower surface 14b of the vibrating arm 14 and the inside of the recess 50, and the upper surface 14a and the lower surface 14b of the vibrating arm 14. Further, it may be provided on the side surface 14 c and the inside of the recess 50. In addition to the recess 50 shown in FIG. 5, in order to increase the surface area of the sensitive film 18, it is possible to provide a convex part at the tip of the vibrating arm 14, that is, the place where the sensitive film 18 is formed. This convex portion can be formed when the vibrating arm 14 is formed large in advance and the vibrating arm 14 is reduced to a desired shape by etching or the like.

また図6を用いて説明する第4の変形例では、振動腕14の先端部を他の部分に比べて幅広にし、この幅広部に感応膜18を設けている。図6は第4の変形例に係るガスセンサ素子の概略平面図である。なお図6では、励振電極や接続電極、錘部の記載を省略している。振動腕14の先端部を、中央部分や根元部分に比べて幅を広くしておくことで、表面積を広げることができる。そしてこの幅を広くした部分(幅広部56)に感応膜18を設ければ、感応膜18の表面積を大きくでき、ガスセンサ素子10の検出感度を向上できる。なお幅広部56は、図6に示す形態ばかりでなく、振動腕14の根元部分から先端部に向かって幅が広くなっていくテーパー形状や、振動腕14の中央部分から先端部に向かって幅が広くなっていくテーパー形状であってもよい。また感応膜18は、幅広部56の上面および下面に設けてよく、また幅広部56の上面、下面および側面に設けてもよい。   In the fourth modification described with reference to FIG. 6, the distal end portion of the vibrating arm 14 is made wider than the other portions, and the sensitive film 18 is provided in the wide portion. FIG. 6 is a schematic plan view of a gas sensor element according to a fourth modification. In FIG. 6, the description of the excitation electrode, the connection electrode, and the weight portion is omitted. By increasing the width of the tip of the vibrating arm 14 compared to the central portion or the root portion, the surface area can be increased. And if the sensitive film | membrane 18 is provided in the part (wide part 56) which widened this width | variety, the surface area of the sensitive film | membrane 18 can be enlarged and the detection sensitivity of the gas sensor element 10 can be improved. In addition to the form shown in FIG. 6, the wide portion 56 has a tapered shape in which the width increases from the root portion of the vibrating arm 14 toward the tip portion, and the width from the center portion of the vibrating arm 14 toward the tip portion. The taper shape may become wider. The sensitive film 18 may be provided on the upper surface and the lower surface of the wide portion 56, or may be provided on the upper surface, the lower surface, and the side surface of the wide portion 56.

なお前述した実施形態や変形例では、振動腕14に設けられる錘部22上に感応膜18を設けた構成であるが、実施形態によっては錘部22を設けない形態、すなわち振動腕14上に直接に感応膜18を設けた形態であってよい。また感応膜18と振動腕14との間に、これらの密着性を向上するための下地膜を設けた形態であってもよい。これにより感応膜18を錘部22の代わりに用いることができる。   In the embodiment and the modification described above, the sensitive film 18 is provided on the weight portion 22 provided on the vibrating arm 14. However, in some embodiments, the weight portion 22 is not provided, that is, on the vibrating arm 14. The form which provided the sensitive film | membrane 18 directly may be sufficient. Further, a form in which a base film for improving the adhesion between the sensitive film 18 and the vibrating arm 14 may be provided. Thereby, the sensitive film 18 can be used in place of the weight part 22.

また上記実施形態の如く感応膜を振動腕14の複数面(上面14aや下面14b)に成膜した構成のガスセンサ素子10であれば、ガス検知感度能力の高いものが得られるが、振動腕14の上下面または側面のうち少なくとも1つの面の先端部分に感応膜18を設けた構造であれば、ガス検知能力を有するガスセンサ素子10を得ることができる。   In addition, the gas sensor element 10 having a structure in which a sensitive film is formed on a plurality of surfaces (the upper surface 14a and the lower surface 14b) of the vibrating arm 14 as in the above-described embodiment can provide a high gas detection sensitivity capability. If the sensitive film 18 is provided at the tip of at least one of the upper, lower, and side surfaces, the gas sensor element 10 having gas detection capability can be obtained.

特に、上記実施形態ほどの高いガス検知能力を必要としない代わりに低価格なガスセンサ素子10を必要とする場合であれば、感応膜18を振動腕14の上面14a、下面14bまたは側面14cのいずれか1つの面に成膜した構成が有効である。   In particular, if the gas sensor element 10 is required instead of the gas detection capability as high as that of the above-described embodiment, the sensitive film 18 may be any of the upper surface 14a, the lower surface 14b, and the side surface 14c of the vibrating arm 14. A configuration in which a film is formed on one surface is effective.

ガスセンサ素子の説明図である。It is explanatory drawing of a gas sensor element. ガスセンサのブロック図である。It is a block diagram of a gas sensor. 第1の変形例に係るガスセンサ素子の説明図である。It is explanatory drawing of the gas sensor element which concerns on a 1st modification. 第2の変形例に係るガスセンサ素子の平面図である。It is a top view of the gas sensor element which concerns on a 2nd modification. 第3の変形例に係るガスセンサ素子の振動腕の先端部分を拡大した斜視図である。It is the perspective view which expanded the front-end | tip part of the vibrating arm of the gas sensor element which concerns on a 3rd modification. 第4の変形例に係るガスセンサ素子の概略平面図である。It is a schematic plan view of the gas sensor element which concerns on a 4th modification.

符号の説明Explanation of symbols

10,40,44,54………ガスセンサ素子、12………音叉型振動片、14………振動腕、18………感応膜、22………錘部、30………ガスセンサ、32………発振回路、50………凹部、56………幅広部。 10, 40, 44, 54 ......... Gas sensor element, 12 ......... Tuning fork type vibrating piece, 14 ......... Vibrating arm, 18 .... Sensitive membrane, 22 ..... Weight part, 30 ....... Gas sensor, 32 ......... oscillation circuit, 50 ......... concave, 56 ......... wide part.

Claims (8)

屈曲振動をする振動腕を備えた音叉型振動片と、前記振動腕の先端部に設けたガス感応膜とを備えたことを特徴とするガスセンサ素子。   A gas sensor element comprising: a tuning fork-type vibrating piece having a vibrating arm that bends and a gas-sensitive film provided at a tip of the vibrating arm. 前記振動腕の上下面または側面のうち少なくとも一方の面の先端部分に前記ガス感応膜を設けたことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ素子。   The gas sensor element according to claim 1, wherein the gas sensitive film is provided on a tip portion of at least one of the upper and lower surfaces or side surfaces of the vibrating arm. 前記振動腕の先端部に設けた錘部における前記振動腕の長手方向の長さをLとすると、前記振動腕の先端からL/2までに前記ガス感応膜を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載のガスセンサ素子。   The gas sensitive film is provided from the tip of the vibrating arm to L / 2, where L is the length in the longitudinal direction of the vibrating arm at the weight provided at the tip of the vibrating arm. Item 3. The gas sensor element according to Item 1 or 2. 前記振動腕の先端部に凹部または凸部を設け、前記凹部または前記凸部にそれぞれ前記ガス感応膜を設けたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のガスセンサ素子。   The gas sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein a concave portion or a convex portion is provided at a tip portion of the vibrating arm, and the gas sensitive film is provided in the concave portion or the convex portion, respectively. 前記振動腕の先端部に、前記振動腕の他の部分に比べて幅を広くした幅広部を設け、前記幅広部に前記ガス感応膜を設けたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のガスセンサ素子。   5. The tip of the vibrating arm is provided with a wide portion that is wider than other portions of the vibrating arm, and the gas sensitive film is provided on the wide portion. The gas sensor element according to claim 1. 前記ガス感応膜は、水素吸蔵合金であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のガスセンサ素子。   6. The gas sensor element according to claim 1, wherein the gas sensitive film is a hydrogen storage alloy. 前記ガス感応膜は、リン酸ジルコニウム、脂質、オレイン酸および酸化スズのうちのいずれか1つであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のガスセンサ素子。   6. The gas sensor element according to claim 1, wherein the gas sensitive film is any one of zirconium phosphate, lipid, oleic acid, and tin oxide. 前記音叉型振動片は、圧電体で形成されてなることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載のガスセンサ素子。   8. The gas sensor element according to claim 1, wherein the tuning fork type vibrating piece is formed of a piezoelectric body.
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