JPH03115853A - 微少反応検出センサ及びシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、気・液両相において金属薄膜あるいは有機物
薄膜の微少な反応を検出するセンサ及びシステムに関す
る。

〔従来の技術〕

従来１弾性表面波の入出力用のくし状電極を設けた圧電
基板を利用したセンサについては、はとんど見当らない
が、最近、日本音響学会講演論文編（１９８９年３月）
第６７９頁から第６８０頁において論じられた例がみら
れた。圧電基板のくし状電極として及びくし状電極間の
表面波伝搬面上にＡｕ薄膜を設け、基板表面に平行で、
伝搬方向に直角な方向に粒子変位を持つすべり表面波を
用いて、発振周波数の変化から溶液の粘性を測定するセ
ンサが作られている。ここで、このセンサの圧電基板の
発振周波数の変化は、溶液の粘度変化をくし状電極間の
表面波伝搬面が感知しているものであり、表面波伝搬面
上に形成されたＡｕ薄膜は溶液との化学的な反応を伴わ
ず、溶液側の物理的情報のみを得ているものであり、薄
膜自体の反応を検出するものではない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、溶液側の物理的情報のみを圧電基板上
の表面波伝搬面が感知しているものであす、伝搬面上に
形成されたＡｕ＃膜自身は環境因子との反応を引き起こ
さない。

本発明は、圧電基板を用いて、被対象環境中における金
属薄膜あるいは有機物薄膜の微少な反応をリアルタイム
で高感度に検出することを目的とし、さらに、圧電基板
の表面波伝搬面上に例えば金属あるいは有機物等の反応
性薄膜を有する高感度なセンサ及びシステムを提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明では圧電基板上に形
成されたくし状電極によって弾性表面波を発生・検出し
、発振周波数変化Δｆがくし状電極間の表面波伝搬面上
に形成された薄膜の重量変化Δｍに−１を乗じた一Δｍ
に比例するという原理を用いており、Δｆの減少が薄膜
の重量増加に、Δｆの増加が重量減少に対応している。

また、弾性表面波のなかで、Ｓ　Ｈ（ＳｈｅａｒＨｏｒ
ｉｚｏｎｔａｌ）モードの波を用いることにより、溶液
中においても発振を可能とし、気・液両相において使用
可能なセンサを実現した。

つまり、ＳＨモードの弾性表面波を発生できる圧電基板
及びくし状電極を選び、くし状電極間の表面波伝搬面上
に金属薄膜あるいは有機物薄膜を形成させることによっ
て、被対象環境中の成分との反応による金属薄膜あるい
は有機物薄膜の微重量変化を弾性表面波の発振周波数変
化にて、その場でリアルタイムで高感度に連続的に測定
することができる。

本発明のセンサを用いることにより環境中の水分、ガス
成分、溶液中の微量イオン濃度、微量溶存ガス濃度、金
属の大気中あるいは溶液中での微量の腐食量、腐食速度
を検出することができる。

（作用〕 弾性表面波を入出力させるくし状電極を対向して配置し
た圧電基板上の、表面波が伝搬するくし状電極間に金属
薄膜あるいは有機物薄膜を形成させ、かつ、被対象環境
に対して前記薄膜のみを露出させる構造体とすることに
より、環境中の成分との反応は薄膜上においてのみ起こ
すことができる。また、前記の構造を有するセンサと発
振回路と周波数カウンタを接続することにより、被対象
環境中の成分と前記薄膜の反応による重量変化を発振周
波数変化としてとらえることができる。さらに５発振周
波数の変化量の時間変化を、別途、微積分ユニットを備
えることにより、薄膜自体の反応量及び反応速度のみな
らず環境中の反応した成分の濃度等を計算可能となり、
環境中の特定成分濃度の検出センサ及びシステムとして
活用できる。

ところで、前記の構造を有するセンサにおいて、薄膜が
露出した構造体と露出部分のない構造体を備え、それぞ
れの発振周波数の差を検出する回路を設けることにより
、圧電基板の温度変化による周波数変動を相殺すること
ができ、温度補償されたセンサが可能となる。

また、くし状電極間の表面波伝搬面上の感知部分の薄膜
として、例えば、電子・情報機器等の材料として用いら
れているＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ＋Ｃｒ、Ｃｏ等のいず
れかを含む金属薄膜を形成し、使用環境中に曝露し前記
金属薄膜の腐食速度を検出することができ、使用環境中
における金属材料のリアルタイムでの微量腐食モニタリ
ングが可能となる。

さらに、表面波伝搬面上の感知部分の薄膜としつ、例え
ばポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコー
ル、アセチルセルロース、テフロン、シリコン樹脂等の
高分子膜を形成し、環境中の微量成分と反応させること
により、環境中の有害成分、不純物、各種におい成分、
微生物量検出センサとして使用することができる。例え
ば環境中の空気あるいは水質汚染度の測定用として特定
の戸外、河川に設置する。また、各種において発生・充
満度をモニタリングするセンサとして、例えば冷蔵庫、
電子レンジ等の庫内に設置する。また、微生物の発生・
存在量をリアルタイムにて高感度にモニタリングするセ
ンサとして、例えば洗たく機の洗たく槽、衣類乾燥器の
槽内２食器洗い器の槽内２食器乾燥器の槽内に設置する
。

〔実施例〕

以下１本発明を図面に基づいて、詳細に説明する。

実施例１ 第１図はセンサの平面形状の一例を示す。圧電基板２上
の入出力用のくし状電極３及びくし状電極３間の表面波
伝搬面上の感知用薄膜４からなる。

第２図は測定セル５の一例を示す断面図である。

中央部の凹部が感知部分であり、第１図に示すセンサ１
の感知用薄膜４が露出するように残し、それ以外はシリ
コンゴム６で覆い、さらにアクリル板７を被せ、ネジ８
で底板９に固定し密閉した。

このように感知用薄膜４以外を密閉した構造となってい
るので、気・液両相において測定可能である。

第３図は測定系の構成の一例を示す。第１図のセンサが
アンプ、バッファアンプにより構成される発振回路によ
り発振し、感知用薄膜４上の反応により変化する発振周
波数を周波数カウンタによって計測し、得られた周波数
変化Δｆはパーソナルコンピュータにデータとしてとり
こまれ、処理されるようにした。

第４図は、第１図に示すセンサ１の圧電基板２として、
例えば３６°回転ｙＦｉｘ伝搬ＬｉＴａＯ３を用い、く
し状電極３として例えば交差長２ｎｍ、周期４０μｍ、
対数１５のＡｕ蒸着膜（下地Ｃｕ蒸着股）とし、くし状
電極３の間の表面波伝搬面上の感知用薄膜４に例えばＡ
ｆｆ薄膜１０００人を真空蒸着したものを用い、第２図
に示す測定セル５を作成し、第３図に示す構成の測定系
にて感知用薄膜４のＡｕ薄膜の液温３０℃、１ａ＋ｏＱ
／ＱＨＣＱ水溶液中における腐食挙動を連続測定した結
果を示す。Ａｕ薄膜の溶解に伴い、薄膜の重量減少に対
応してΔＪが正側に増加しており、Ａｕ薄膜の溶解挙動
が周波数変動としてとらえられている。このときの検出
感度は２　ｎ　ｇ　／　ａｊ−Ｈｚである。

実施例２ 第５図は、実施例１にて使用したセンサの感知用薄膜４
部分のみを１０００人のＡｕ蒸着膜に代えたものを用い
て、気温３０℃、相対湿度９５％の雰囲気中に設置し、
Ａυ薄膜表面への水分吸着反応過程を連続測定した結果
を示す。Ａｕ薄膜上に水分が吸着するに従い、薄膜の重
量増加に対応してΔｆが負側にシフトしており、Ａ、　
ｕ薄膜への水分吸着挙動をモニタできることがわかる。

実施例３ 第６図は、測定用セルの形状の一例を示す、同一セル内
に、測定用センサ１０と温度補償用センサ１１を設け、
測定用センサ１０の感知用薄膜のみが露出しており、そ
れ以外はシリコンゴムで覆われている。

第７図は、第６図に示した２つのセンサを用いた場合の
センサ回路のブロック図を示す。測定用センサと温度補
償用センサのそれぞれの発振周波数ｆｓ　、　ＪＲを測
定するとともに、ダブルバランスミキサを介してｆｓと
ｆＲの差分を検出する構成となっている。

第６図に示すセンサを用い、第７図に示す回路を用いる
ことにより、測定中の温度の影響を除くことができ、よ
り精度の高い検出が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明のセンサによれば、気・液両相における薄膜の微
少な反応量あるいは環境中の微量成分をｎｇオーダの高
感度で検出できるので、極微量な反応を問題となる分野
１例えば電子・情報機器等の信頼性評価のプローブとし
ての腐食検出センサあるいは環境中の湿度センサ、ガス
センサ、においてセンサ、微生物検出センサ、微量イオ
ン濃度センサとして適用でき、各種ｌｉｔ品のセンサと
して活用できる。また、本発明にて使用する圧電基板使
用センサは量産性に富んでる上、非常に小型であり、低
価格で且つ、小型のセンサが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例を示すセンサの平面形状を
表わした図、第２図は、第１図のセンサの断面図、第３
図は、第１図のセンサを用いる測定系の構成を示すブロ
ック図、第４＠は、第１図のセンサを用いて作製した第
２図に示す測定セルを第３図に示す測定系にて測定した
、ＨＣＱ水溶液中のＡΩ薄膜の溶解過程を示す線図、第
５図は。 第４図と同様な測定系で測定した。Ａｕ薄膜への水の吸
着過程を示す線図、第６図は、温度補償用センサを備え
た測定用セルの形状を示す平面図、第７図は、第６図の
測定セルを用いる場合のセンサ回路のブロック図である
。 １・・・センサ、２・・・圧電基板、３・・・くし状電
極、４・・・感知用薄膜、５・・・測定セル、６・・・
シリコンゴム、７・・・アクリル板、８・・・ネジ、９
・・・底板、１０・・・測定用センサ、１１・・・温度
補償用センサ。 第 １ 図 圧電基板 第 図 第 図 第 図 第 図 Ｔｉｍｅ　（ｓｅｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性表面波の入出力用のくし状電極を対向して配置
   した圧電基板に、前記弾性表面波が伝搬する前記くし状
   電極間に金属あるいは有機物よりなる薄膜を有し、かつ
   、前記薄膜が露出している構造体を有するセンサと、前
   記構造体の発振回路と発振周波数の検出器を具備し、前
   記発振周波数を測定することにより、前記薄膜の反応を
   検知することを特徴とする微少反応検出システム。 ２、圧電基板がＬｉＴａＯ＿３あるいはＬｉＮｂＯ＿３
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微
   少反応検出システム。 ３、薄膜が露出した構造体と露出部分のない同一構造体
   を備え、それぞれの発振周波数の差を検出する回路を設
   け、温度を補償した特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の微少反応検出システム。 ４、ＬｉＴａＯ＿３あるいはＬｉＮｂＯ＿３からなる圧
   電基板上のくし状電極間の表面波伝搬面上に金属薄膜を
   設け、被対象溶液中の溶存物質との反応による前記金属
   薄膜の溶解量を前記ＬｉＴａＯ＿３あるいは前記ＬｉＮ
   ｂＯ＿３の発振周波数の変化としてとらえ、前記金属薄
   膜の溶解量から前記溶存物質の濃度を検出することを特
   徴とするセンサ。 ５、圧電基板が３６゜回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ＿３あ
   るいはＸカットＬｉＴａＯ＿３である特許請求の範囲第
   １項に記載のセンサ。 ６、圧電基板が４１゜回転Ｙ板ＬｉＮｂＯ＿３あるいは
   ６４゜回転Ｙ板ＬｉＮｂＯ＿３である特許請求の範囲第
   １項に記載のセンサ。 ７、くし状電極がＣｒ薄膜を下地にもつＡｕ薄膜である
   特許請求の範囲第１項から第５項のいずれかに記載のセ
   ンサ。 ８、くし状電極がＡｌ薄膜である特許請求の範囲第１項
   から第５項のいずれかに記載のセンサ。 ９、くし状電極間の表面波伝搬面上に設ける薄膜の厚み
   が、伝搬する表面波の波長以下である特許請求の範囲第
   １項から第８項のいずれかに記載のセンサ。 １０、くし状電極が蒸着法により形成される特許請求の
   範囲第１項から第９項のいずれかに記載のセンサ。 １１、くし状電極間の表面波伝搬面のみを露出し、それ
   以外はゴムで覆い、密閉構造とした特許請求の範囲第１
   項から第９項のいずれかに記載のセンサ。 １２、くし状電極が交差長２ｍｍ、周期４０μｍ、対数
   １５のＡｕ薄膜である特許請求の範囲第１項から第１１
   項のいずれかに記載のセンサ。 １３、くし状電極間の表面波伝搬面のみを露出し、それ
   以外はシリコンゴムあるいはフッ素ゴムで覆い、さらに
   アクリル板あるいはテフロン板で覆い、ネジにて密閉し
   た特許請求の範囲第１項から第１２項のいずれかに記載
   のセンサ。 １４、金属薄膜がＡｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒまたは
   Ｃｏの少なくとも１つを含む金属薄膜である特許請求の
   範囲第１項から第１２項のいずれかに記載の腐食量及び
   腐食速度検出するセンサ。 １５、請求項１４記載の腐食量及び腐食速度を検出する
   センサを備えた電子部品寿命予測システム又は故障発生
   警報発令システム。 １６、有機膜がテフロン、ポリエチレン、シリコン樹脂
   のいずれか１つである特許請求の範囲第４項記載の微量
   成分の吸着量を検出するセンサ。 １７、微量成分がＲｕ化合物である特許請求の範囲第１
   ６項記載のセンサ。 １８、特許請求の範囲第１７項記載のＲｕ化合物検出セ
   ンサを酸回収蒸発缶、廃液濃縮蒸発缶、精留塔内の気液
   相の少なくとも一方に備えた原子燃料再処理プラント。