JP6392679B2

JP6392679B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP6392679B2
Application number: JP2015023039A
Authority: JP
Inventors: 直規白石
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2035-02-09
Also published as: JP2016145762A

Description

本発明は、ガスセンサに関するものである。

揮発性有機化合物を検出するセンサとして、揮発性有機化合物の分子を含む気体中で振動子を振動させ、分子が振動子の表面に吸着された際の振動子の質量変化を振動子のたわみ量又は共振周波数の変化として検出する振動式センサが用いられている。

振動式センサは、低消費電力化や小型化の面において優れているので、幅広く使用されている。振動子の材料としては、シリコンや水晶等のヤング率の高い材料が用いられる。
例えば、そのようなセンサとして、下記の特許文献１に開示された構成が知られている。この構成では、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量を大きくする振動子が用いられている。そして、ガスセンサは、互いに連結されて、振動駆動される第１梁部材及び第２梁部材を備えている。第１梁部材には、形状の変化が可能であるガス感応膜が設けられている。第１梁部材は、ガス感応膜の変形によって、第２梁部材とは異なる態様で変形する。特許文献１に記載の構成では、第１梁部材及び第２梁部材の梁本体の材料として、シリコンが用いられる（例えば、特許文献１の段落［００２１］−［００２２］参照）。

特開２０１２−８３３３８号公報

上記特許文献１では、ガスセンサの検出信号の品質を考慮した振動検出素子の構成は考慮されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高品質な検出信号を得られるガスセンサを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のガスセンサは、
少なくとも一端が固定されて、振動源に共振して振動する梁部材と、
梁部材を支持する支持部と、
梁部材に固定されて梁部材の振動を検出する振動検出素子と、を有するガスセンサであって、
梁部材を高分子材料で形成し、梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とし、
振動検出素子を、表面電極と裏面電極とで挟まれた圧電特性を有する高分子材料で形成し、
表面電極と裏面電極とのオーバーラップ領域を、梁部材の固定端部分に成形することを特徴とする。

本発明は、高品質な検出信号を得られるガスセンサを提供できるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るガスセンサの斜視構成を示す図である。（ａ）は、第１実施形態に係るガスセンサの梁部材の固定端近傍の構成を示す分解立体図である。（ｂ）は、第１実施形態に係るガスセンサの梁部材の固定端近傍の構成を示す他の図である。本発明の第２実施形態に係るガスセンサの斜視構成を示す図である。（ａ）は、第２実施形態に係るガスセンサの梁部材の固定端近傍の構成を示す分解立体図である。（ｂ）は、第２実施形態に係るガスセンサの梁部材の固定端近傍の構成を示す他の図である。

本実施形態のガスセンサの構成による作用効果を説明する。なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えない。従って、以下で説明する本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のガスセンサの斜視構成を示す図である。まず、構成について説明する。

本実施形態のガスセンサ１００は、
少なくとも一端が固定されて、振動源である駆動部１４に共振して振動する梁部材１１と、
梁部材１１を支持する支持部１３と、
梁部材１１に固定されて梁部材１１の振動を検出する振動検出素子１２と、を有する。
ここで、梁部材１１を高分子材料で形成し、梁部材１１の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域１０とする構成である。
また、振動検出素子１２は、表面電極１２１と裏面電極１２２で挟まれた圧電特性を有する高分子材料１２３で形成されている。

図２（ａ）は、梁部材１１の固定端近傍の構成を示す分解立体図である。図２（ｂ）は、梁部材１１の固定端近傍の構成を示す斜視図である。図２（ａ）に示すように、表面電極１２１と裏面電極１２２のオーバーラップ領域１１ａを、梁部材１１の固定端部分に成形する構成である。

さらに、図２（ａ）と図２（ｂ）とを用いて、具体的に構成を説明する。梁部材１１は、その一端が支持部１３に支持されている。梁部材１１と支持部１３とにわたって振動検出素子１２が設けられている。振動検出素子１２は、表面電極１２１と裏面電極１２２とが形成された圧電特性を有する高分子材料１２３である。圧電特性を有する高分子材料１２３は、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等で構成される。

表面電極１２１と裏面電極１２２は、導電性を有する材料により形成される。導電性を有する材料は、一般的な金属、導電性ポリマー、例えばポリ（３、４−エチレンジオキシチオフェン、ＥＤＯＴ）−ポリ（スチレンスルホン酸、ＰＳＳ）（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳＳ）等で形成される。

揮発性有機化合物を吸着する高分子材料からなる梁部材１１は、上述したように、その一端が支持部１３に固定されている。支持部１３は振動源である駆動部１４に接続されている。振動源としては、駆動部１４の代わりに、ガスセンサ１００の外部に駆動部を設ける構成でも良い。例えば、工場内の振動源、自動車内の振動源を駆動部として用いることができる。
このような構成により、本実施形態のガスセンサ１００は、梁部材１１が駆動部１４により印加される振動に共振して振動するように構成されている。

さらに、本実施形態のガスセンサ１００は、振動検出素子１２が梁部材１１に積層されている。これにより、梁部材１１の振動が振動検出素子１２に伝わる。高分子材料１２３は、機械エネルギーを電気的エネルギーに変換する圧電特性を有する。この結果、圧電特性を有する高分子材料１２３の表面と裏面に、それぞれ形成された表面電極１２１と裏面電極１２２によって、振動は電圧として検出される構成となっている。

次に、本実施形態のガスセンサ１００の駆動方法について説明する。図１に示すように、梁部材１１は、一端が支持部１３に固定されている。支持部１３は、振動源である駆動部１４に接続されている。振動源である駆動部１４が振動すると、梁部材１１は共振周波数で振動する。

梁部材１１が揮発性有機化合物に暴露されると、梁部材１１の一部に揮発性有機化合物が吸着される。このため、梁部材１１の質量が増える。従って、梁部材１１に吸着された揮発性有機化合物の質量の影響により、梁部材１１の共振周波数が低下する。

また、図１に示すように、梁部材１１の上面に振動検出素子１２が形成されている。梁部材１１が振動すると、振動検出素子１２に応力が伝わる。振動検出素子１２は圧電特性を有する高分子材料１２３を有するため、印加された応力によって電圧を発生する。発生した電圧は、表面電極１２１と裏面電極１２２により検出される。従って、振動検出素子１２の表面電極１２１と裏面電極１２２の電圧を測定することにより、梁部材１１の共振周波数を検出できる。

例えば、梁部材１１の長さは５００μｍ〜２５００μｍ、幅は５０μｍ〜５００μｍ、高さは１０μｍ〜２５０μｍである。表面電極１２１と裏面電極１２２のオーバーラップ領域１１ａ（図２（ａ）参照）の長さは、梁部材１１の長さの１０分の１以下であることが望ましい。

次に、本実施形態の作用について説明する。本実施形態のガスセンサ１００の梁部材１１は、振動源である駆動部１４によって印加される振動に共振して振動する。振動検出素子１２は、圧電性を有する高分子材料１２３を有する。このため、印加された応力によって電圧を発生し、表面電極１２１と裏面電極１２２が発生した電圧を検出する。

振動源である駆動部１４が梁部材１１を共振周波数で振動させている際、梁部材１１が揮発性有機化合物を吸着すると、梁部材１１の質量が増加する。梁部材１１の共振周波数の低下を、振動検出素子１２の表面電極１２１と裏面電極１２２により検出することで、揮発性有機化合物の濃度を測定することができる。

また、本実施形態のガスセンサ１００の梁部材１１は、ヤング率が低い高分子材料で形成されている。本実施形態において、好ましくは、高分子材料のヤング率は、１ＧＰａ以上で、１０ＧＰａ以下であることが望ましい。一般に、揮発性有機化合物を検出するガスセンサにおいては、感度と共振周波数とは比例関係にある。また、梁部材１１の共振周波数は、ヤング率の平方根に比例し、梁部材１１の長さの２乗に反比例する。
高分子材料のヤング率は、従来例のシリコンのヤング率よりも低い。このため、本実施形態では上述のヤング率の範囲に設定することで、同じ共振周波数の梁部材と比較して、小型化することができる。

参考として、シリコンのヤング率は、結晶方位により異なるが、おおよそ７０ＧＰａ〜１７０ＧＰａ程度である。

さらに、説明すると、片持ち梁においては振動モードが高次になるに従い共振周波数が高くなる。また、振動式のガスセンサにおいては、共振周波数が高い方が、検出感度が高くなる、即ち、感度は共振周波数に比例することが知られている。
従って、片持ち梁の振動式のガスセンサにおいて高いセンサ性能を得るためには高次の振動モードに対応したセンシングが望ましい。

このように、梁部材１１の材料をヤング率の低い材料にすることにより、ガスセンサ１００を小型化できる。

以上、説明したように、本実施形態のガスセンサ１００は、振動検出素子１２の表面電極１２１と裏面電極１２２のオーバーラップ領域１１ａを梁部材１１の固定端部分に成形する構成である。このため、非応力検出領域の電極間で発生する浮遊容量が小さくなる。この結果、高感度に梁部材１１の振動を変出することができる。従って、ガスセンサ１００の検出機能の更なる向上を達成でき、高品質な検出信号を得ることができるという格別の効果を奏する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るガスセンサ２００について説明する。
図３は、本実施形態のガスセンサ２００を示す斜視図である。第１実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付して、重複する説明は省略する。

図４（ａ）は、梁部材１１の固定端近傍の構成を示す分解立体図である。図４（ａ）において、後述する配線２２４、２２５の図示は、省略している。図４（ｂ）は、図３におけるＢ−Ｂ線に沿った断面構成を示す。また、図４（ｃ）は、図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面構成を示す。

図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）に示すように、振動検出素子２２は、表面電極２２１と裏面電極２２２が形成された圧電特性を有する高分子材料２２３と、支持部２３と、圧電特性を有する高分子材料２２３を貫いて表面電極２２１と接続する配線２２４（第１の配線）と、支持部２３を貫いて裏面電極２２２と接続する配線２２５（第２の配線）を有している。
このように、配線２２４は、支持部２３と圧電特性を有する高分子材料２２３を貫いて表面電極２２１と接続するように形成されている。配線２２５は、支持部２３を貫いて裏面電極２２２と接続するように形成されている。

具体的には、ガスセンサ２００は、梁部材２１と、振動検出素子２２と、支持部２３を有している。支持部２３は、駆動部１４に接続されている。揮発性有機化合物を吸着する高分子材料からなる梁部材２１は、一端が支持部２３に固定されている。

支持部２３は、振動源である駆動部１４に接続されている。これにより、ガスセンサ２００は、梁部材２１が振動源である駆動部１４により印加される振動に共振して振動する構成となっている。

また、本実施形態のガスセンサ２００は、振動検出素子２２が梁部材２１に積層されている。このため、梁部材２１の振動が振動検出素子２２に伝わる。高分子材料２２３は、機械エネルギーを電気的エネルギーに変換する圧電特性を有する。圧電特性を有する高分子材料２２３の表面と裏面に、それぞれ形成された表面電極２２１と裏面電極２２２によって、振動は電圧として検出される構成となっている。

また、本実施形態のガスセンサ２００は、配線２２４と配線２２５を有している。配線２２４と配線２２５により、表面電極２２１と裏面電極２２２によって検出された電子信号を外部に引き出す構成となっている。

次に、本実施形態のガスセンサ２００の駆動方法について説明する。
図４（ａ）に示すように、表面電極１２１と裏面電極１２２のオーバーラップ領域１１ａを、梁部材１１の固定端部分に成形する構成である。

梁部材２１は、一端が支持部２３に固定されている。支持部２３は振動源である駆動部１４に接続されている。振動源である駆動部１４が振動すると、梁部材２１は共振周波数で振動する。

梁部材２１が揮発性有機化合物に暴露されると、梁部材２１の一部に揮発性有機化合物が吸着される。このため、梁部材２１の質量が増える。従って、梁部材２１に吸着された揮発性有機化合物の質量の影響により、梁部材２１の共振周波数が低下する。

また、図３に示すように、梁部材２１の上面に振動検出素子２２が形成されている。梁部材２１が振動すると、振動検出素子２２に応力が伝わる。振動検出素子２２は、圧電特性を有する高分子材料２２３を有する。このため、振動検出素子２２は、印加された応力によって電圧を発生する。発生した電圧は、表面電極２２１と裏面電極２２２により検出される。

表面電極２２１と裏面電極２２２により検出された電圧は、配線２２４と配線２２５により不図示の信号処理部に出力される。従って、振動検出素子１２の配線２２４と配線２２５の電圧を測定することにより、梁部材２１の共振周波数を検出できる。

次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態のガスセンサ２００の梁部材２１は、振動源である駆動部１４によって印加される振動に共振して振動する。振動検出素子２２は、圧電性を有する高分子材料２２３を有する。このため、印加された応力によって電圧を発生し、表面電極２２１と裏面電極２２２が発生した電圧を検出する。

振動源である駆動部１４が梁部材２１を共振周波数で振動させている際に、梁部材２１が揮発性有機化合物を吸着すると、梁部材２１の質量が増加する。梁部材２１の共振周波数の低下を、振動検出素子２２の表面電極２２１と裏面電極２２２により検出する。そして、梁部材２１の共振周波数の低下を、配線２２４と配線２２５により外部に引き出すことで、揮発性有機化合物の濃度を測定することができる。

以上、説明したように、本実施形態のガスセンサ２００は、支持部２３と、圧電特性を有する高分子材料２２３を貫いて表面電極２２１と接続する配線２２４と、支持部２３を貫いて裏面電極２２２と接続する配線２２５を有している。このため、電気信号を剛体としての配線により引き出すことが可能となる。この結果、ガスセンサ２００の検出信号の品質の更なる向上を達成でき、高品質な検出信号を得ることができるという格別の効果を奏する。

また、梁部材２１の材料をヤング率の低い材料、例えば１ＧＰａ以上で、１０ＧＰａ以下に設定することにより、ガスセンサ２００の小型化ができるという効果を奏する。

また、第１実施形態で述べたように、第２実施形態においても、駆動部１４として、外部の振動源を用いることができる。例えば、工場内の振動源、自動車内の振動源を用いることができる。梁部材は、その振動源より共振する形状にすることが望ましい。

以上のように、本発明に係るガスセンサは、高品質な検出信号を得ることができるガスセンサに有用である。

１００、２００ガスセンサ
１０吸着領域
１１、２１梁部材
１１ａオーバーラップ領域
１２、２２振動検出素子
１３、２３支持部
１４駆動部
１２１、２２１表面電極
１２２、２２２裏面電極
１２３、２２３高分子材料
２２４配線（第１の配線）
２２５配線（第２の配線）

Claims

少なくとも一端が固定されて、振動源に共振して振動する梁部材と、
前記梁部材を支持する支持部と、
前記梁部材に固定されて前記梁部材の振動を検出する振動検出素子と、を有するガスセンサであって、
前記梁部材を高分子材料で形成し、前記梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とし、
前記振動検出素子を、表面電極と裏面電極とで挟まれた圧電特性を有する高分子材料で形成し、
前記表面電極と前記裏面電極とのオーバーラップ領域を、前記梁部材の固定端部分に成形することを特徴とするガスセンサ。
前記振動検出素子を、前記表面電極と前記裏面電極で挟まれた圧電特性を有する前記高分子材料と第１の配線と第２の配線で形成し、
前記第１の配線は、前記支持部と前記圧電特性を有する前記高分子材料を貫いて前記表面電極と接続するように形成され、
前記第２の配線は、前記支持部を貫いて前記裏面電極と接続するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。