JP4899743B2

JP4899743B2 - 球状弾性表面波センサ

Info

Publication number: JP4899743B2
Application number: JP2006255532A
Authority: JP
Inventors: 恭行柳沢; 教尊中曽
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP2008076219A

Description

本発明は、弾性表面波素子，およびそれを用いた信号処理方法の改良に関する。
特に、本発明は、単結晶または圧電体（以後、これらを、「圧電性結晶」と称することもある。）で形成されており、少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している円環状表面を有している基材を有しており、前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波（Surface Acoustic Wave；ＳＡＷ）が励起される弾性表面波素子（以下、ＳＡＷデバイスとも称する）に関するものであり、ガスセンサに応用する上で好適なセンサヘッドおよびそれを実装してなるセンサユニットにおける信号処理方法の改良に関する。

ガスセンサとしては、接触燃焼式，半導体式，弾性表面波センサ等、様々なタイプが用いられている。
この中の弾性表面波センサは、図１に示すような平面型の弾性表面波素子を用いている。

図１に示すように、平行平板型の圧電基板１０の上に、弾性表面波を励起するための送信側すだれ状電極１１、弾性表面波を圧電変換で再び高周波電気信号に変換し、検出・出力部１４で検出するための受信側すだれ状電極１３、送信側すだれ状電極１１から受信側すだれ状電極１３に向かって弾性表面波を伝搬する伝搬路となり、且つ特定のガス分子を吸着或いは吸蔵する感応膜１５が設けられている。

圧電基板１０は、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＴａＯ₃），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）等の圧電結晶、或いは、表面に酸化膜を形成したシリコン基板やガラス基板上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電性薄膜等を形成した多層構造が用いられている。
送信側すだれ状電極１１には、高周波発生部１２からの高周波電気信号が供給され、この高周波電気信号が送信側すだれ状電極１１で圧電変換され、弾性表面波が励起される。
受信側すだれ状電極１３は、弾性表面波を圧電変換で再び高周波電気信号に変換し、検出・出力部１４に供給し、検出・出力部１４が高周波電気信号を検出する。送信側すだれ状電極１１及び受信側すだれ状電極１３は、例えばアルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ）等の金属よりなる。

図１に示す平面型ガスセンサでは、弾性表面波の伝搬路上に、特定のガス分子を吸着或いは吸蔵する感応膜１５が設けられているため、この感応膜１５が、特定のガス分子を吸着或いは吸蔵することによって、例えば、弾性表面波の伝搬速度、減衰係数、分散等が変化する。
或いは、この様な直接的な伝搬特性の変化の他、膜自身の発熱などを介して、間接的に伝搬特性に変化が与えられる。
したがって、送信側すだれ状電極１１から受信側すだれ状電極１３への弾性表面波の伝搬特性を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、ひいては特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

図１に示したような従来の平面弾性表面は素子においては、弾性表面波の伝搬における回折効果と圧電基板１０の大きさによって、その伝搬距離が１ｍｍから１０ｍｍ程度と短かい距離に限定される。
このため、センサとして十分な感度を得るためには、例えば１００ｎｍ以上等のある程度の感応膜１５の膜厚が必要だった。
したがって、特に感応膜１５を特定ガスの吸蔵薄膜にした場合は、反応速度が遅いという欠点を有していた。
又、比較的厚い感応膜１５は、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵によって生じる薄膜の反応による相転移、温度変化による体積の膨張・収縮等の物理的変化及びその繰り返しの衝撃に対し弱いという欠点を有していた。

なお、高感度にするために、図１に示す構造を発展させ、平面上に弾性表面波の導波路による周回リングを構成して、伝搬距離を増加することを提案することは可能である。
しかし、平面上を伝搬する弾性表面波では、分散の影響を完全に回避することは困難であり、波形が歪んでしまう問題がある。
更には、平面上に形成した導波路の曲率の大きい部分では、導波路からの漏れの抑制も困難であり、波が減衰する問題がある。

一方、電子情報通信学会技術研究報告（Technical Report of Institute of Electronics, Information andCommunication Engineers）US2000 巻14号（2000）のp.49（非特許文献１）において、球上の弾性表面波の無回折伝搬による多重周回する報告がなされており、球上の弾性表面波を利用したセンサが報告されている。
上記文献によれば、高感度、高速応答で、なおかつ機械的に丈夫なセンサヘッド及びこれを用いたガスセンサ、更にはセンサヘッドを実装したセンサユニットが提供でき、大気中や気相化学プロセス等における種々のガス成分を分析する分野に利用可能である。

国際公開ＷＯ０１／４５２５５号公報は、球形状の弾性表面波素子（以下、ボールＳＡＷデバイスや球状弾性表面波素子と称することもある）を開示している。
ボールＳＡＷデバイスの基体は、弾性表面波が励起可能であり励起された弾性表面波を伝搬させることが可能な球形状の表面を有している。
ボールＳＡＷデバイスにおける電気音響変換素子は、基体の球形状の表面において円環状に連続している所定の幅を有した帯域に配置されており、前記表面に励起した弾性表面波を前記帯域が連続している方向に沿い伝搬させ繰り返し周回させるよう構成される。
ボールＳＡＷデバイスでは、基体の表面の円環状に連続している弾性表面波伝搬帯域に電気音響変換素子により励起された弾性表面波を、弾性表面波伝搬帯域内で実質的に減衰することなく上記表面を繰り返し周回させることが出来る。
国際公開ＷＯ０１／４５２５５号公報電子情報通信学会技術研究報告（Technical Report of Institute of Electronics, Information andCommunication Engineers）US2000 巻14号（2000）p.49

ボールＳＡＷデバイスをガス成分の分析に応用するにあたっては、弾性表面波（ＳＡＷ）が伝搬する周回経路に、ガスの種類に応じた感応膜を適度に選ぶことにより、家庭用ガス警報器，工業用ガス検知警報器，携帯用ガス検知器の分野に利用可能である。
又、匂いセンサ等の分野や大気環境測定システム等にも利用可能である。
しかし、ボールＳＡＷデバイスを応用したガスセンサでは、圧電材料基材の弾性表面波の伝搬速度の温度係数がゼロでない、すなわち弾性表面波の伝搬速度が温度の影響を受けて変化する場合に、センサの感度が温度の影響を受けるという問題を有している。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、球上に弾性表面波を多重周回する圧電材料の基材が三方晶系のセンサにおいて、圧電材料の弾性表面波の温度係数が０でない場合に、センサの感度に対する温度変化の影響を補償することが可能な球状弾性表面波センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、
円環状に周回帯が定義可能な曲面を有し、前記周回帯に沿った弾性表面波の伝搬速度の平均が、前記周回帯中を複数等分した各等分間で等しい３次元基体と、前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、周回帯の弧の中心から前記複数等分した角度を隔てて設けた複数の電気音響変換素子と、少なくとも一部が前記３次元基体の前記周回帯上においていずれかの電気音響素子間の前記周回帯上に存在し周囲の環境変化に反応する感応膜とを備えたセンサヘッドと、
前記複数の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、
前記複数の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・出力部とを備え、
前記感応膜が存在する電気音響素子間の他方の電気音響素子間には感応膜が存在しない球状弾性表面波センサである。

請求項２の発明は、
前記３次元基体が三方晶系単結晶であって、前記周回帯に沿った弾性表面波の伝搬速度の平均が、前記周回帯中を３等分した各等分で等しい３次元基体と、前記周回帯の弧の中心から１２０度の角度を隔てて設けた複数の電気音響変換素子とを備えることを特徴とする請求項１記載の球状弾性表面波センサ。

請求項３の発明は、
前記複数の電気音響変換素子が、前記周回帯の弧の中心から１２０度の角度間における前記弾性表面波の伝搬速度と、前記周回帯の弧の中心から２４０度の角度間における前記弾性表面波の伝搬速度との差を検出することを特徴とする請求項２記載の球状弾性表面波
センサ。

請求項４の発明は、
前記高周波電気信号がバースト波であり、前記周回帯において前記感応膜が存在しない前記複数の電気音響変換素子間の前記弾性表面波の伝搬時間が、バースト波周期の整数倍であることを特徴とする請求項１記載の球状弾性表面波センサ。

本発明の球状弾性表面波センサによれば、球上を周回する表面弾性波の温度係数がゼロでない場合に、温度のセンサの感度に及ぼす影響を抑制できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係るセンサを示す模式図である。
センサヘッド２１は、円環状に周回帯２２を定義可能な曲面を有する三方晶系である単結晶の３次元基体２３と、３次元基体２３の周回帯２２上に位置し、周回帯２２に沿って多重周回するように弾性表面波を励起する、周回帯２２の弧の中心から１２０度の角度を隔てて周回帯２２上に設けた電気音響変換素子２４と２５と、周回帯２２上において電気音響変換素子２４と２５のいずれかの間の周回帯２２上に設けた特定のガス分子と反応する感応膜２６とを備えている。

ここでは、感応膜２６は、周回帯２２の弧の中心から電気音響変換素子２４，２５が２４０度の周回路に設けられた場合について説明する。
ガスセンサとして、高周波信号発生部２７，切換部２８，アンプ２９及び検出・出力部３０を備えている。

３次元基体２１としては、圧電結晶からなる均質材料が用いられている。
３次元基体２１には、水晶の単結晶を用いているが、ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃等の三方晶系の単結晶を用いてもよい。
電気音響変換素子２４，２５は、所謂オルターニット・フェーズアレイであり、高周波信号発生部２７から切替部２８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、電気音響変換素子２４，２５は、周回帯２２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。

電気音響変換素子２４，２５で弾性表面波から再び高周波電気信号に圧電変換された高周波電気信号は、切替部２８を介して、アンプ２９で増幅され、検出・出力部３０に供給され、検出・出力部３０で検出される。
切替部２８は、高周波信号発生部２７と検出・出力部３０を切り換える。
高周波信号発生部２７から高周波電気信号を電気音響変換素子２４，２５に供給して、電気音響変換素子２４，２５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、電気音響変換素子２４，２５からの信号経路を検出・出力部３０に切り換える。
勿論、高周波信号発生部２７から電気音響変換素子２４，２５の方向、及び電気音響変換素子２４，２５から検出・出力部３０の方向への、方向性結合回路等でも構わない。

センサヘッドとしての感度は、３次元基体２１の表面に形成された感応膜２６の材料と構造に依存する。
この感応膜２６は、特定のガスと接触することにより、弾性表面伝搬速度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、或いは、気体を感応膜２６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に影響を及ぼすものであっても良い。
この感応膜２６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。

例えば、この様な感応膜２６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）、アンモニア（ＮＨ₃）に対する吸着性が高いプラチナ（Ｐｔ）、水素化物を吸着する酸化タングステン（ＷＯ₃）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、二酸化硫黄（ＳＯ₂）、二酸化窒素（ＮＯ₂）等を選択的に吸着するフタロシアニン（Phthalocyanine）等が知られている。

第１の実施例に係るセンサヘッド２１では、電気音響変換素子２４，２５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を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る周回帯２２を示す模式図である。
３次元基体２１が三方晶系単結晶であって、周回帯２２を３等分したときに、周回帯２２に沿った弾性表面波の伝搬速度の平均が、３等分した各周回路で等しいとする。
電気音響変換素子２４，２５は、周回帯２２の弧の中心から１２０度の角度を隔てて設けられている。
電気音響変換素子２４，２５間において、周回帯２２の弧の中心から１２０度の角度間の周回路３１を弾性表面波が伝搬する伝搬時間をＴcとする。
２４０度の角度間の周回路３２を弾性表面波が伝搬する伝播時間は、周回路３１の２倍の周回路の長さを伝播する伝搬時間に、感応膜２６のガス反応による伝搬時間の変化τが加わり、２Ｔｃ＋τとなる。

高周波信号発生部２７から高周波電気信号を印加すると、電気音響変換素子２４からは、時計回りの方向へ弾性表面波３３、反時計回りの方向へ弾性表面波３４が送出され、３次元基体２３を伝搬する。
同様に、電気音響変換素子２５からは、時計回りの方向へ弾性表面波３５、反時計回りの方向へ弾性表面波３６が３次元基体２３を伝搬する。

弾性表面波３１，３２，３３，３４が周回路２２を伝搬しつつ、検出・出力部３０で検出されるタイミングを図４に示す。

高周波信号発生部２７から高周波電気信号を印加後、切替部２８を切り替え、周回帯２２を伝搬する弾性表面波３３は電気音響変換素子２４，２５を伝搬するたびに高周波電気信号を励起する。
高周波電気信号印加後、弾性表面波３３は、高周波電気信号の検出タイミング３７のタイミングで、検出・出力部３０で検出される。
同様に、弾性表面波３４は検出タイミング３８のタイミングで高周波電気信号を励起し、検出・出力部３０で高周波電気信号が検出される。
同様に、弾性表面波３５は検出タイミング３９、弾性表面波３６は検出タイミング４０のタイミングで、高周波電気信号を励起し、検出・出力部３０で検出される。

高周波信号発生部２７から高周波電気信号を印加後、切替部２８を切り替え、電気音響変換素子２４、２５から検出される高周波電気信号のタイミングは、弾性表面波３３，３４，３５，３６によって励起される高周波電気信号の検出タイミング３７，３８，３９，４０が加え合わされ、検出タイミング４１となる。

高周波電気信号の検出タイミング４１では、弾性表面波３３，３４，３５，３６がそれぞれ周回帯２２を一周伝搬する３Ｔｃ＋τの間に、高周波電気信号はＴｃ，２Ｔｃ＋τ、３Ｔｃ＋τの伝搬時間の差で検出される。
ｎ周伝搬した場合、各弾性表面波が同時に１周する間にその伝搬時間差が繰り返される。

弾性表面波３３，３４，３５，３６が周回帯２２をｎ周する任意の周において、検出・出力部３０で、Ｔｃを測定しｎ周分加算する。同様に３Ｔｃ＋τを測定しｎ周分加算する。
測定したｎ周分のＴｃを３倍し、ｎ周分の３Ｔｃ＋τとの差分を求めることで、温度によって変化する伝搬時間Ｔｃを除いて、ガス反応による伝搬時間の変化τを測定できる。

感応膜２６を、周回帯２２の弧の中心から、電気音響変換素子２４，２５が１２０度の角度間の周回路３１に設けた場合は、各高周波電気信号は、弾性表面波３３，３４，３５，３６が周回帯２２を一周する間に、Ｔｃ＋τ、２Ｔｃ、３Ｔｃ＋τの伝搬時間で検出され、電気音響変換素子２４，２５が２４０度の角度間の周回路３２に感応膜２６を設けた場合と同様に、ガス反応による伝搬時間の変化τを、温度によって変化する伝搬時間Ｔｃの影響を除いて測定できる。

尚、弾性表面波３３，３４，３５，３６は、広義の弾性表面波であり、擬似弾性表面波，朗詠弾性表面波等でも実施が可能である。

（第２の実施形態）
以下に図２，図３，図４を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。

図２のセンサにおいて、高周波信号発生部２７から高周波電気信号を印加後、切替部２８を切り替え、電気音響変換素子２４、２５から検出される高周波電気信号のタイミングは、弾性表面波３３，３４，３５，３６によって励起される高周波電気信号の検出タイミング３７，３８，３９，４０が加え合わされ、４１のタイミングとなる。

高周波電気信号の検出タイミング４１では、弾性表面波３３，３４，３５，３６が周回帯２２を同時に一周伝搬する３Ｔｃ＋τの間に、励起された高周波電気信号が、Ｔｃ，２Ｔｃ＋τ、３Ｔｃ＋τの伝搬時間で検出される。Ｎ周伝搬した場合、弾性表面波３１，３２，３３，３４が、それぞれ同時に１周する間にその伝搬時間差が繰り返されて高周波電気信号が検出される。

弾性表面波３３，３４，３５，３６が基体４１をｎ周する各周において、伝搬時間Ｔｃを測定しｎ周分加算する。
同様に、２Ｔｃ＋τを測定しｎ周分加算する。
測定したｎ周分のＴｃを２倍し、ｎ周分の２Ｔｃ＋τとの差分を求めることで、温度によって変化する伝搬時間Ｔｃを除いて、ガス反応による伝搬時間の変化τを測定できる。

（第３の実施形態）
以下に図２，図３，図４，図５を参照して、本発明の第３の実施の形態を説明する。

図２の装置において、高周波信号発生部２７から高周波電気信号を印加後、切替部２８を切り替え、電気音響変換素子２４、２５から検出される高周波電気信号のタイミングは、弾性表面波３３，３４，３５，３６によって励起される高周波電気信号の検出タイミング３７，３８，３９，４０が加え合わされ、高周波電気信号の検出タイミング４１となる。

高周波信号発生部２７からは、バースト波を供給する。
バースト波の周波数ωについて、伝搬時間Ｔcが、バースト波の周期１／ωの整数倍となる周波数ωcを求める。
すなわち、Ｔc＝(１／ωc)×ｎ(ｎは整数)となるように、ωcを求め、高周波信号発生部４１からバースト波をωcの周波数で供給する。

高周波電気信号の検出タイミング４１では、弾性表面波３１，３２，３３，３４がそれぞれ周回帯２２を一周伝搬する３Ｔｃ＋τの間に、励起された高周波電気信号が、Ｔｃ，２Ｔｃ＋τ、３Ｔｃ＋τの伝搬時間で検出される。
ｎ周伝搬した場合、弾性表面波３１，３２，３３，３４が、それぞれ同時に１周する間に、その伝搬時間差が繰り返される。
ガス反応による伝搬時間の変化τは、
τ＝(１／ωc)×(ｋ＋φ／３６０) （ｋは整数、φは実数）として表せる。
このとき検出タイミング４１は、検出タイミング４２のように表される。
ここで、温度によって変化するＴcの影響を除いて、τを測定する。

ガス反応による伝搬時間の変化が無くτ＝０である場合、弾性表面波３１，３２，３３，３４が一周する伝搬時間は３Ｔｃとなる。
ガス反応によって伝搬時間が変化した場合、一周する伝搬時間は３Ｔｃ＋τとなる。
ここで弾性表面波３１，３２，３３，３４が周回帯２２をｎ周した場合、ガス反応による伝搬時間の変化が無くτ＝０の場合のｎ周分の伝搬時間ｎ×３Ｔｃとの伝搬時間の差は、検出タイミング４３に示すように、ｎ×τ＝Ｎ×(１／ωc)×(ｋ＋φ)となる。
（ｎ×τ）を検出・出力部３０で検出することによって、温度によって変化するＴｃの影響を除き、弾性表面波がｎ周した長距離伝搬において、ガス反応による伝搬時間の差を検出でき、高感度なセンサーを実現できる。

従来の平面型ガスセンサの構成図である。本発明の第一の実施形態にかかわるセンサを示す模式図である。本発明の実施形態にかかわる周回路を示す模式図である。本発明の実施形態にかかわるタイミング図である。本発明の実施形態にかかわるタイミング図である。

符号の説明

１０・・・圧電基板
１１・・・送信側すだれ状電極
１２・・・高周波発生部
１３・・・受信側すだれ状電極
１４・・・検出・出力部
１５・・・感応膜
２１・・・センサヘッド
２２・・・周回帯
２３・・・３次元基体
２４・・・電気音響変換素子
２５・・・電気音響変換素子
２６・・・感応膜
２７・・・高周波信号発生部
２８・・・切換部
２９・・・アンプ
３０・・・検出・出力部
３１・・・周回路
３２・・・周回路
３３・・・弾性表面波
３４・・・弾性表面波
３５・・・弾性表面波
３６・・・弾性表面波
３７・・・検出タイミング
３８・・・検出タイミング
３９・・・検出タイミング
４０・・・検出タイミング
４１・・・検出タイミング
４２・・・検出タイミング
４３・・・検出タイミング

Claims

円環状に周回帯が定義可能な曲面を有し、前記周回帯に沿った弾性表面波の伝搬速度の平均が、前記周回帯中を複数等分した各等分間で等しい３次元基体と、前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、周回帯の弧の中心から前記複数等分した角度を隔てて設けた複数の電気音響変換素子と、少なくとも一部が前記３次元基体の前記周回帯上においていずれかの電気音響素子間の前記周回帯上に存在し周囲の環境変化に反応する感応膜とを備えたセンサヘッドと、
前記複数の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、
前記複数の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・出力部とを備え、
前記感応膜が存在する電気音響素子間の他方の電気音響素子間には感応膜が存在しない球状弾性表面波センサ。
前記３次元基体が三方晶系単結晶であって、前記周回帯に沿った弾性表面波の伝搬速度の平均が、前記周回帯中を３等分した各等分で等しい３次元基体と、前記周回帯の弧の中心から１２０度の角度を隔てて設けた複数の電気音響変換素子とを備えることを特徴とする請求項１記載の球状弾性表面波センサ。
前記複数の電気音響変換素子が、前記周回帯の弧の中心から１２０度の角度間における前記弾性表面波の伝搬速度と、前記周回帯の弧の中心から２４０度の角度間における前記弾性表面波の伝搬速度との差を検出することを特徴とする請求項２記載の球状弾性表面波センサ。
前記高周波電気信号がバースト波であり、前記周回帯において前記感応膜が存在しない前記複数の電気音響変換素子間の前記弾性表面波の伝搬時間が、バースト波周期の整数倍であることを特徴とする請求項１記載の球状弾性表面波センサ。