JPH07318542A - Ultrasonic gas sensor - Google Patents

Ultrasonic gas sensor

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JPH07318542A
JPH07318542A JP6133767A JP13376794A JPH07318542A JP H07318542 A JPH07318542 A JP H07318542A JP 6133767 A JP6133767 A JP 6133767A JP 13376794 A JP13376794 A JP 13376794A JP H07318542 A JPH07318542 A JP H07318542A
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Japan
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piezoelectric
interdigital
surface acoustic
plate
wave
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JP6133767A
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Inventor
Koji Toda
耕司 戸田
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Abstract

PURPOSE:To obtain an ultrasonic gas sensor comprising a thin piezoelectric plate equipped with an interdigital electrode provided on one surface of a non- piezoelectric substrate and a sensitive membrane provided on the other surface thereof and measuring a gas, adsorbed by the sensitive membrane, qualitatively or quantitatively. CONSTITUTION:When an electric signal is inputted to an interdigital electrode T, only such electric signals as having a central frequency corresponding to the interdigital electrode T and the frequency in the vicinity thereof are converted into surface acoustic waves which propagate to a thin piezoelectric ceramic plate 1. The surface acoustic wave leaks, as a bulk wave, into an acrylic plate 2 and reflected on the interface between the acrylic plate 2 and the air before being outputted, in the form of an electric signal, from an interdigital electrode R. When an sensitive membrane adsorbs a target gas, electric output signal from the interdigital electrode R is varied. Consequently, the gas detection sensitivity of the liquid is enhanced while reducing the size and weight of the apparatus.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【産業上の利用分野】本発明はすだれ状電極を備えた圧
電薄板を非圧電基板の一方の板面F1に設け、前記非圧
電基板のもう一方の板面F2に感応膜を備えることによ
り該感応膜に吸着したガスを定性または定量する超音波
ガスセンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention provides a piezoelectric thin plate provided with interdigital electrodes on one plate surface F1 of a non-piezoelectric substrate, and a sensitive film on the other plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate. The present invention relates to an ultrasonic gas sensor for qualitatively or quantitatively measuring a gas adsorbed on a sensitive film.

【従来の技術】食品、化粧品および環境試験等の分野に
おける従来の臭気の評価方法としては、人間の嗅覚を利
用した官能試験法や機器分析による方法が主に挙げられ
る。官能試験法は感受性の個人差の問題や、生理的およ
び心理的影響により識別能力が変化する等の問題を有し
ており、客観性に乏しく信頼性に欠ける。機器分析によ
る方法としてはガスクロマトグラフ法および吸光光度法
等が挙げられるが、これらの方法は測定結果と感覚量が
必ずしも一致しないという問題点を有する。その他の方
法として、水晶振動子センサによる評価法等が挙げられ
る。これは、ガス感応膜を塗布した水晶振動子にガス分
子が吸着すると周波数が変化するということを利用した
ものである。この水晶振動子センサは水晶振動子に固有
の周波数が存在すること等から、製造技術、量産技術、
耐久性、感度、再現性等に問題を有している。このよう
にして、従来の臭気の評価方法では、客観性に乏しく信
頼性に欠けること、測定結果と感覚量が必ずしも一致し
ないこと、感度、再現性、製造技術および量産技術など
に問題を有していた。
2. Description of the Related Art As a conventional odor evaluation method in the fields of food, cosmetics, environmental tests, etc., a sensory test method utilizing human sense of smell and a method by instrumental analysis are mainly mentioned. The sensory test method has a problem of individual difference in sensitivity and a problem that the discriminating ability is changed due to physiological and psychological influences, and thus lacks objectivity and lacks reliability. Examples of the method based on instrumental analysis include a gas chromatographic method and an absorptiometric method. However, these methods have a problem that the measurement result and the sensory quantity do not always match. Other methods include an evaluation method using a crystal oscillator sensor. This utilizes the fact that the frequency changes when gas molecules are adsorbed on a crystal oscillator coated with a gas sensitive film. Since this crystal oscillator sensor has a frequency unique to the crystal oscillator, manufacturing technology, mass production technology,
It has problems in durability, sensitivity, reproducibility, etc. In this way, the conventional odor evaluation methods have problems in lack of objectivity and lack of reliability, inconsistency between measurement results and sensory quantities, sensitivity, reproducibility, manufacturing technology and mass production technology. Was there.

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、小型
軽量で、検出感度が高く、再現性に優れ、測定精度およ
び高速応答に優れ、測定方法が容易で、低消費電力駆動
で、加工性や量産性に優れた超音波ガスセンサを提供す
ることにある。
It is an object of the present invention to be compact and lightweight, to have high detection sensitivity, excellent reproducibility, excellent measurement accuracy and high-speed response, easy measurement method, low power consumption drive, and processing. It is to provide an ultrasonic gas sensor excellent in productivity and mass productivity.

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の超音波
ガスセンサは、少なくとも2組のすだれ状電極Tおよび
Rを備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面F1に設
け、前記非圧電基板のもう一方の板面F2に感応膜を備
え、該感応膜に吸着されたガスを定性または定量するガ
ス感知手段を備えた超音波ガスセンサであって、前記圧
電薄板の厚さは前記すだれ状電極TおよびRの電極周期
長以下であり、前記ガス感知手段は、前記すだれ状電極
Tに電気信号を入力して前記非圧電基板と前記圧電薄板
との界面に弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非
圧電基板中にバルク波としてモード変換させ、該バルク
波を前記板面F2によって反射させ、その反射させた前
記バルク波を前記すだれ状電極Rから電気信号として出
力させる手段を含み、前記すだれ状電極TおよびRの電
極周期長は前記弾性表面波の波長にほぼ等しく、前記界
面に励振され、前記非圧電基板中にバルク波としてモー
ド変換される前記弾性表面波の位相速度は前記非圧電基
板単体における横波の速度よりも大きいことを特徴とす
る。請求項2に記載の超音波ガスセンサは、前記すだれ
状電極Rの出力端が増幅器を介して前記すだれ状電極T
の入力端に接続されており、前記すだれ状電極Tから前
記すだれ状電極Rに至る間の前記非圧電基板における弾
性表面波の伝搬路を遅延素子とする発振器が構成されて
いて、前記発振器の信号ループは前記すだれ状電極T
と、前記弾性表面波の伝搬路と、前記すだれ状電極R
と、前記増幅器とから成ることを特徴とする。請求項3
に記載の超音波ガスセンサは、前記すだれ状電極Tおよ
びRが円弧状を成すことを特徴とする。請求項4に記載
の超音波ガスセンサは、前記非圧電基板がアクリル板で
成り、前記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セ
ラミックの分極軸の方向は該圧電セラミックにおけるす
だれ状電極を有する板面と垂直であることを特徴とす
る。請求項5に記載の超音波ガスセンサは、前記非圧電
基板がアクリル板で成り、前記圧電薄板がLiNbO3
その他の単結晶で成ることを特徴とする。請求項6に記
載の超音波ガスセンサは、前記感応膜がリン脂質膜、セ
ルロース膜またはその他の高分子薄膜で成ることを特徴
とする。
An ultrasonic gas sensor according to claim 1 is characterized in that a piezoelectric thin plate having at least two sets of interdigital electrodes T and R is provided on one plate surface F1 of a non-piezoelectric substrate, An ultrasonic gas sensor having a sensitive film on the other plate surface F2 of the piezoelectric substrate, and a gas sensing means for qualifying or quantifying the gas adsorbed on the sensitive film, wherein the thickness of the piezoelectric thin plate is the blind. Is less than or equal to the electrode period length of the electrode T and R, the gas sensing means inputs an electric signal to the interdigital electrode T to excite a surface acoustic wave at the interface between the non-piezoelectric substrate and the piezoelectric thin plate, Means for mode-converting the surface acoustic wave into a bulk wave in the non-piezoelectric substrate, reflecting the bulk wave by the plate surface F2, and outputting the reflected bulk wave as an electric signal from the interdigital transducer R. Including The electrode period lengths of the interdigital transducers T and R are substantially equal to the wavelength of the surface acoustic wave, and the phase velocity of the surface acoustic wave excited at the interface and mode-converted as a bulk wave in the non-piezoelectric substrate is It is characterized in that it is higher than the transverse wave velocity in the non-piezoelectric substrate alone. The ultrasonic gas sensor according to claim 2, wherein the output end of the interdigital transducer R is the interdigital transducer T via an amplifier.
An oscillator using a propagation path of a surface acoustic wave in the non-piezoelectric substrate between the interdigital transducer T and the interdigital transducer R as a delay element. The signal loop is formed by the interdigital transducer T
And the surface acoustic wave propagation path and the interdigital transducer R
And the amplifier. Claim 3
The ultrasonic gas sensor described in [1] is characterized in that the interdigital transducers T and R have an arc shape. The ultrasonic gas sensor according to claim 4, wherein the non-piezoelectric substrate is made of an acrylic plate, the piezoelectric thin plate is made of piezoelectric ceramic, and the polarization axis of the piezoelectric ceramic has a plate surface having interdigital electrodes in the piezoelectric ceramic. And is vertical. Ultrasonic gas sensor according to claim 5, wherein the non-piezoelectric substrate is made of an acrylic plate, and the piezoelectric thin plate LiNbO 3
It is characterized by being made of another single crystal. An ultrasonic gas sensor according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that the sensitive membrane is formed of a phospholipid membrane, a cellulose membrane or another polymer thin film.

【作用】本発明の超音波ガスセンサは、すだれ状電極を
備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面F1に設け、
非圧電基板のもう一方の板面F2に感応膜を備えた簡単
な構造を有する。すだれ状電極Tに電気信号を入力する
構造を採用することにより、圧電薄板に速度VSの弾性
表面波を励振させることができる。その上、圧電薄板を
非圧電基板の板面F1上に固着させた構造を採用するこ
とにより、この弾性表面波を非圧電基板にバルク波とし
て漏洩する形でモード変換させることができる。このと
き漏洩される弾性表面波の位相速度は非圧電基板単体中
の横波の速度VATよりも大きい。つまり、圧電薄板に励
振される弾性表面波のうちVSがVA Tよりも大きいとい
う関係を満たすものが非圧電基板に漏洩される。圧電薄
板に励振される弾性表面波のうちVSがVATよりも小さ
いものは非圧電基板に漏洩されることはない。このよう
にして、圧電薄板に励振された弾性表面波のうち、位相
速度が非圧電基板単体中の横波の速度VATよりも大きく
縦波の速度VALよりも小さい波は速度VATとほぼ等しい
速度を有する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩
される。また、圧電薄板に励振された弾性表面波のう
ち、位相速度が非圧電基板単体中の縦波の速度VALより
も大きな波は速度VATあるいは速度VALとほぼ等しい速
度を有する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩さ
れる。非圧電基板に漏洩されたバルク波を板面F2によ
って反射させる構造を採用することにより、その反射さ
せたバルク波を非圧電基板と圧電薄板との界面において
再び弾性表面波に変換して圧電薄板に伝搬し、すだれ状
電極Rから電気信号として出力させることができる。本
発明の超音波ガスセンサの使用時、非圧電基板の板面F
2に固着された感応膜は特定のガスに対しガス感応性を
有することから、該感応膜が目的のガスを吸着すると、
超音波の伝搬速度が変化する。従って、すだれ状電極R
で出力される電気信号に伝搬遅延の位相差を生じる。つ
まり、前記感応膜がガスを吸着したこととその吸着量を
すだれ状電極Rに出力される電気信号の位相差としてと
らえることができる。なお、感応膜としては、たとえば
リン脂質膜やセルロース膜などが用いられる。このよう
にして、本発明の超音波ガスセンサはガスの定性が可能
であるばかりでなく、そのガスの吸着量を測定すること
も可能である。もちろん、前記液体を入れ換えることに
より別の種類のガスについて定性および定量を行なうこ
とも可能となる。すだれ状電極TおよびRとして円弧状
すだれ状電極を用いることにより、第1に、すだれ状電
極Tに電気信号を入力することにより圧電薄板に励振さ
れる弾性表面波を非圧電基板の板面F2で反射させる
際、板面F2における反射箇所を同一箇所に点状に集中
させることができる。すなわち、非圧電基板に漏洩され
たバルク波をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で板
面F2における焦点に集中させて反射させることができ
る。第2には、このようにして反射させた反射波を再び
すだれ状電極Rから電気信号として効率よく出力させる
ことができる。すなわち、板面F2において前記焦点を
設けることにより、感応膜が感知するガスの検出感度を
向上させることができる。圧電薄板の厚さをすだれ状電
極TおよびRの電極周期長以下にし、すだれ状電極Tお
よびRの電極周期長を1次以上の高次モードの弾性表面
波の波長にほぼ等しくする構造を採用することにより、
すだれ状電極Tに加えられる電気的エネルギーが弾性表
面波に変換される度合を大きくすることができるだけで
なく、圧電薄板と非圧電基板との界面での音響インピー
ダンスの不整合等によって生じる反射等を抑圧すること
ができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への効果的
な漏洩を促進させることができる。なお、すだれ状電極
TおよびRの電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに
対する圧電薄板の厚さdの割合(d/λ)が小さいほど
効果は大きい。本発明の超音波ガスセンサは、圧電薄板
の厚さdを小さくすることに伴う脆弱性を圧電薄板を非
圧電基板に固着することによって克服している。すなわ
ち、非圧電基板は圧電薄板の脆弱性を克服するために重
要な役割を果たしている。すだれ状電極Rの出力端を増
幅器を介してすだれ状電極Tの入力端に接続する構造を
採用することにより、すだれ状電極Tからすだれ状電極
Rに至る間の非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を
遅延素子とする発振器を構成することができる。その発
振器の信号ループはすだれ状電極Tと、前記弾性表面波
の伝搬路と、すだれ状電極Rと、増幅器とから成る。こ
のようにして、回路構成が簡略化され、装置の小型軽量
化が促進されるとともに低電圧で低消費電力での駆動が
可能となる。非圧電基板としてアクリル板を採用し、圧
電薄板として圧電セラミックを採用し、その圧電セラミ
ックの分極軸の方向が圧電セラミックにおけるすだれ状
電極を有する板面と垂直になるような構造を採用するこ
とにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波を励振するこ
とができ、さらにその弾性表面波を非圧電基板に効率よ
く漏洩することができる。非圧電基板としてアクリル板
を採用し、圧電薄板としてLiNbO3その他の単結晶
を採用することにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波
を励振することができ、さらにその弾性表面波を非圧電
基板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板として
PVDFその他の圧電高分子フィルムを採用することに
より、より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効率よく
弾性表面波を励振することができ、さらにその弾性表面
波を非圧電基板に効率よく漏洩することができる。
In the ultrasonic gas sensor of the present invention, the piezoelectric thin plate provided with the interdigital electrode is provided on one plate surface F1 of the non-piezoelectric substrate,
It has a simple structure in which a sensitive film is provided on the other plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate. By adopting a structure in which an electric signal is input to the interdigital transducer T, it is possible to excite a surface acoustic wave having a velocity V S on the piezoelectric thin plate. Moreover, by adopting the structure in which the piezoelectric thin plate is fixed on the plate surface F1 of the non-piezoelectric substrate, it is possible to perform mode conversion in such a manner that this surface acoustic wave leaks to the non-piezoelectric substrate as a bulk wave. The phase velocity of the surface acoustic wave leaked at this time is higher than the velocity V AT of the transverse wave in the single non-piezoelectric substrate. In other words, satisfies the relationship of V S of the surface acoustic wave excited on the piezoelectric sheet is greater than V A T is leaked to the non-piezoelectric substrate. Among surface acoustic waves excited on the piezoelectric thin plate, those having V S smaller than V AT are not leaked to the non-piezoelectric substrate. In this way, among the surface acoustic waves excited on the piezoelectric thin plate, the wave whose phase velocity is larger than the velocity V AT of the transverse wave in the single non-piezoelectric substrate and smaller than the velocity V AL of the longitudinal wave is almost the velocity V AT. It is efficiently converted into waves having the same velocity and leaks to the non-piezoelectric substrate. Further, among the surface acoustic waves excited on the piezoelectric thin plate, a wave having a phase velocity larger than the velocity V AL of the longitudinal wave in the single non-piezoelectric substrate is effective for a wave having a velocity almost equal to the velocity V AT or the velocity V AL. Well converted and leaked to non-piezoelectric substrate. By adopting a structure in which the bulk wave leaked to the non-piezoelectric substrate is reflected by the plate surface F2, the reflected bulk wave is converted into a surface acoustic wave again at the interface between the non-piezoelectric substrate and the piezoelectric thin plate, and the piezoelectric thin plate. And can be output as an electric signal from the interdigital transducer R. When the ultrasonic gas sensor of the present invention is used, the plate surface F of the non-piezoelectric substrate
Since the sensitive film fixed to 2 has gas sensitivity to a specific gas, when the sensitive film adsorbs a target gas,
The propagation velocity of ultrasonic waves changes. Therefore, the interdigital transducer R
A phase difference in propagation delay is generated in the electric signal output at. That is, the fact that the sensitive film has adsorbed the gas and the amount of the adsorbed gas can be understood as the phase difference between the electric signals output to the interdigital transducer R. As the sensitive membrane, for example, a phospholipid membrane or a cellulose membrane is used. In this way, the ultrasonic gas sensor of the present invention can not only qualify the gas but also measure the adsorption amount of the gas. Of course, by replacing the liquid, it is possible to perform qualitative and quantitative determination for another type of gas. By using the arc-shaped interdigital electrodes as the interdigital electrodes T and R, firstly, the surface acoustic wave excited by the piezoelectric thin plate by inputting an electric signal to the interdigital electrode T is applied to the plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate. When the light is reflected by, the reflection points on the plate surface F2 can be concentrated in the same spot in a dot shape. That is, the bulk wave leaked to the non-piezoelectric substrate can be concentrated and reflected at the focal point on the plate surface F2 in such a manner that the lens just focuses. Secondly, the reflected wave reflected in this way can be efficiently outputted again from the interdigital transducer R as an electric signal. That is, by providing the focal point on the plate surface F2, it is possible to improve the gas detection sensitivity sensed by the sensitive film. A structure is adopted in which the thickness of the piezoelectric thin plate is set to be equal to or less than the electrode period length of the interdigital electrodes T and R, and the electrode period lengths of the interdigital electrodes T and R are made substantially equal to the wavelength of the surface acoustic wave in the first or higher order mode. By doing
Not only can the degree to which the electrical energy applied to the interdigital transducer T is converted into surface acoustic waves can be increased, but also reflection or the like caused by mismatch of acoustic impedance at the interface between the piezoelectric thin plate and the non-piezoelectric substrate, etc. Can be suppressed. Therefore, effective leakage of surface acoustic waves to the non-piezoelectric substrate can be promoted. The smaller the ratio of the electrode period length of the interdigital electrodes T and R, that is, the thickness d of the piezoelectric thin plate to the wavelength λ of the surface acoustic wave (d / λ), the greater the effect. The ultrasonic gas sensor of the present invention overcomes the weakness associated with reducing the thickness d of the piezoelectric thin plate by fixing the piezoelectric thin plate to the non-piezoelectric substrate. That is, the non-piezoelectric substrate plays an important role in overcoming the weakness of the piezoelectric thin plate. By adopting a structure in which the output end of the interdigital transducer R is connected to the input end of the interdigital transducer T via an amplifier, the surface acoustic wave of the non-piezoelectric substrate from the interdigital transducer T to the interdigital electrode R is generated. It is possible to configure an oscillator using the propagation path as a delay element. The signal loop of the oscillator is composed of the interdigital transducer T, the propagation path of the surface acoustic wave, the interdigital transducer R, and the amplifier. In this way, the circuit configuration is simplified, the size and weight of the device are promoted, and driving with low voltage and low power consumption is possible. By adopting an acrylic plate as the non-piezoelectric substrate, a piezoelectric ceramic as the piezoelectric thin plate, and a structure in which the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is perpendicular to the plate surface of the piezoelectric ceramic having the interdigital electrodes. The surface acoustic wave can be efficiently excited in the piezoelectric thin plate, and the surface acoustic wave can be efficiently leaked to the non-piezoelectric substrate. By adopting an acrylic plate as the non-piezoelectric substrate and using LiNbO 3 or other single crystal as the piezoelectric thin plate, it is possible to efficiently excite surface acoustic waves on the piezoelectric thin plate, and further to transfer the surface acoustic waves to the non-piezoelectric substrate. Can be leaked efficiently. By adopting PVDF or other piezoelectric polymer film as the piezoelectric thin plate, it is possible to efficiently excite the surface acoustic wave on the piezoelectric thin plate in a form capable of supporting higher frequencies, and further to efficiently transmit the surface acoustic wave to the non-piezoelectric substrate. Can leak well.

【実施例】図1は本発明の超音波ガスセンサの一実施例
を示す断面図である。本実施例はすだれ状電極T,R、
圧電磁器薄板1、アクリル板2、感応膜3および増幅器
4から成る。すだれ状電極TおよびRは円弧状を成し、
アルミニウム薄膜で成り、圧電磁器薄板1上に設けられ
ている。圧電磁器薄板1は直径15mm、厚さ200μ
mの円板状のTDK製101A材(製品名)で成り、ア
クリル板2の一方の板面上にエポキシ系樹脂によって固
着されている。アクリル板2は直径16mm、厚さ(T
A)1mmの円板で成る。感応膜3はガス感応性を有す
るリン脂質膜で成り、アクリル板2のもう一方の板面上
に設けられている。図2は図1の超音波ガスセンサの部
分斜視図である。但し、図2ではすだれ状電極T、R、
圧電磁器薄板1およびアクリル板2が示される。すだれ
状電極TおよびRは同一の形状を成し、電極周期長が2
Pで、10対の電極指を有し、開口角(θA)は45゜
である。図2の楕円内はすだれ状電極Tの部分拡大図で
あり、すだれ状電極Rについてもこれと同様である。す
だれ状電極TとRとの電極離間距離(L)は10mmで
ある。図3は圧電磁器薄板1を伝搬する弾性表面波がア
クリル板2中に伝搬されるまでの伝搬形態を示す図であ
る。但し、図3ではすだれ状電極T、圧電磁器薄板1お
よびアクリル板2が示される。すだれ状電極Tに電気信
号を入力するとその電気信号の周波数のうちすだれ状電
極Tに対応する中心周波数とその近傍の周波数の電気信
号のみが弾性表面波に変換されて圧電磁器薄板1を速度
Sで伝搬する。もしも弾性表面波の速度VSがアクリル
板2単体中での横波の速度VATよりも大きく縦波の速度
ALよりも小さいときには、この弾性表面波は速度VAT
の横波に変換されてアクリル板2に漏洩される。圧電磁
器薄板1からバルク波が漏洩されるときの漏洩角θAT
ATとVSとの比(VAT/VS)に相関する。なお、すだ
れ状電極Tに入力する電気信号の周波数に応じて速度V
Sが変化することから、その電気信号の周波数を変化さ
せることにより漏洩角θATを変動させることが可能とな
る。図4は圧電磁器薄板1に伝搬する弾性表面波の速度
Sがアクリル板2単体中での縦波の速度VALよりも大
きい場合の超音波の伝搬形態を示す図である。この場
合、弾性表面波は速度VATの横波および速度VALの縦波
に変換されてアクリル板2に漏洩される。圧電磁器薄板
1からバルク波として横波が漏洩されるときの漏洩角θ
ATはVATとVSとの比(VAT/VS)に相関し、縦波の場
合の漏洩角θALはVALとVSとの比(VAL/VS)に相関
する。すだれ状電極Tに入力する電気信号の周波数に応
じて速度VSが変化することから、その電気信号の周波
数を変化させることにより、速度VSを図3のような条
件(VAT<VS<VAL)に設定することもでき、また図
4のような条件(VAL<VS)に設定することもでき
る。また、それぞれの漏洩角θATおよびθALを変動させ
ることが可能となる。図5はアクリル板2と空気との界
面付近での超音波の伝搬形態を示す図である。但し、速
度VSが図3の条件(VAT<VS<VAL)を満たすときの
ものである。また、図5では感応膜3は描かれていな
い。アクリル板2を伝搬するバルク横波が該界面に達す
ると、反射角θATを示す横波反射率RTおよび反射角θ
ALを示す縦波反射率RLの2成分を生じる。このように
して、アクリル板2を伝搬するバルク横波は前記界面に
おいて一部が横波反射率RTおよび縦波反射率RLとして
反射される。ところで、すだれ状電極Tに入力する電気
信号の周波数を変化させることにより漏洩角θATおよび
θALを変動させることが可能なことから、前記界面にお
いて反射させたバルク波をすだれ状電極Rから再び電気
信号として出力することが可能となる。この際、すだれ
状電極TおよびRが円弧状を成すことにより、前記界面
での反射箇所をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で
同一箇所に集中させることができる。従って、反射させ
たバルク波をすだれ状電極Rから電気信号として効率よ
く出力することが可能となる。図1の超音波ガスセンサ
では、すだれ状電極Tに電気信号を入力するとその電気
信号の周波数のうちすだれ状電極Tに対応する中心周波
数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波に変
換されて圧電磁器薄板1を速度VSで伝搬する。弾性表
面波の速度VSがアクリル板2単体中での横波の速度V
ATよりも大きく縦波の速度VALよりも小さい場合には、
この弾性表面波は速度VATの横波に変換されてアクリル
板2に漏洩される。弾性表面波の速度VSがアクリル板
2単体中での縦波の速度VALよりも大きい場合には、こ
の弾性表面波は速度VATの横波および速度VALの縦波に
変換されてアクリル板2に漏洩される。弾性表面波の速
度VSがアクリル板2単体中での横波の速度VATよりも
小さい場合には、この弾性表面波はすだれ状電極Rから
電気信号として出力され、この電気信号は増幅器4によ
って増幅され、再びすだれ状電極Tから入力される。こ
のようにして、すだれ状電極Tからすだれ状電極Rに至
る間のアクリル板2における弾性表面波の伝搬路を遅延
素子とする発振器を構成することができる。この発振器
の信号ループはすだれ状電極T、前記伝搬路、すだれ状
電極Rおよび増幅器4から成る。このような発振器を構
成することにより、回路構成が簡略化され、装置の小型
軽量化が促進されるとともに低電圧で低消費電力での駆
動が可能となる。図1の超音波ガスセンサの駆動時、感
応膜3が目的のガスを吸着すると、バルク波の伝搬速度
が変化することから、すだれ状電極Rで出力される電気
信号に伝搬遅延の位相差を生じる。つまり、感応膜3が
ガスを吸着したことおよびその吸着量をすだれ状電極R
に出力される電気信号の位相差としてとらえることがで
きる。図6は図1の超音波ガスセンサにおける圧電磁器
薄板1およびアクリル板2から成る層状媒体を伝搬する
弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、弾性表
面波の周波数fと圧電磁器薄板2の厚さdとの積に対す
る各モードの位相速度を示す図である。但し、圧電磁器
薄板1は、圧電磁器薄板1のアクリル板2と接触する方
の板面(アクリル側板面)ともう一方の空気に接触する
方の板面(空気側板面)とがともに電気的に開放状態に
あるものを用いた。本図において”open”は開放状
態であることを示す。また、○印は実測値を示す。弾性
表面波には複数個のモードがある。fd値がほぼ0.4
MHz・mm以下のときのA0モードの波は速度がアク
リル板2の横波速度VATよりも小さい。このような波は
波のエネルギーが表面付近に局在して伝搬する表面波で
あり、アクリル板2に漏洩されることは無い。速度がV
ATよりも大きなA0モードおよびその他のモードの波に
は速度の虚数成分が存在し、波のエネルギーの一部はア
クリル板2中にバルク波として漏洩される。各モードの
弾性表面波のうち速度がVATよりも大きくVALよりも小
さい領域の波がアクリル板2中にバルク横波として効果
的に漏洩することができる。速度がVALよりも大きい領
域の波はバルク縦波およびバルク横波としてアクリル板
2中に漏洩される。図7は図1の超音波ガスセンサにお
けるモード変換効率Cとfd値との関係を示す特性図で
ある。但し、圧電磁器薄板1は、圧電磁器薄板1のアク
リル側板面ともう一方の空気側板面とがともに電気的に
開放状態にあるものを用いた。A0モードを除くどのモ
ードにおいても圧電磁器薄板1に伝搬する弾性表面波が
効率よくアクリル板2にバルク波として漏洩されること
がわかる。図8は圧電磁器薄板1の異なる2つの電気的
境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機械
結合係数k2とfd値との関係を示す特性図である。但
し、圧電磁器薄板1は、圧電磁器薄板1の空気側板面に
各すだれ状電極(IDT)を設けアクリル側板面を電気
的に開放状態にしたものを用いている。A0モードのk2
はfd=2.8MHz・mm付近からほぼ一定の値(k
2=4%)を示している。S0モードはfd=1.4MH
z・mm付近で1つのピーク(k2=17.5%)が存
在する。このピークは圧電磁器薄板1からアクリル板2
へ漏洩される表面波に対応するものと考えられる。A1
およびA2モードもまた効率的には良好な値を示してい
る。このようにして、A0モードを除くどのモードにお
いても弾性表面波を圧電磁器薄板1からアクリル板2へ
効率よく漏洩させることができ、fd値を調整すること
によりアクリル板2への最も効率のよい漏洩を実現する
ことができる。また、圧電磁器薄板1の空気側板面に各
すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易性にもつなが
るという利点を有している。図9は圧電磁器薄板1の異
なる2つの電気的境界条件下での位相速度差から算出し
た実効的電気機械結合係数k2とfd値との関係を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板1は、圧電磁器薄板
1の空気側板面に各すだれ状電極を設けアクリル側板面
を電気的に短絡状態にしたものを用いている。本実施例
においては圧電磁器薄板1の板面に金属薄膜を被覆する
ことによりその板面を電気的に短絡状態にしている。本
図において”short”は短絡状態であることを示
す。図9においても図8と同様に、A0モードを除くど
のモードにおいても弾性表面波を圧電磁器薄板1からア
クリル板2へ効率よく漏洩させることができ、fd値を
調整することによりアクリル板2への最も効率のよい漏
洩を実現することができる。また、圧電磁器薄板1の空
気側板面に各すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易
性にもつながるという利点を有している。
1 is a sectional view showing an embodiment of an ultrasonic gas sensor of the present invention. In this embodiment, the interdigital electrodes T, R,
It comprises a piezoelectric ceramic thin plate 1, an acrylic plate 2, a sensitive film 3 and an amplifier 4. The interdigital electrodes T and R have an arc shape,
It is made of an aluminum thin film and is provided on the piezoelectric ceramic thin plate 1. Piezoelectric thin plate 1 has a diameter of 15 mm and a thickness of 200 μ
It is made of a disc-shaped TDK 101A material (product name) of m, and is fixed to one plate surface of the acrylic plate 2 by an epoxy resin. The acrylic plate 2 has a diameter of 16 mm and a thickness (T
A ) It consists of a 1 mm disc. The sensitive film 3 is made of a gas-sensitive phospholipid film, and is provided on the other plate surface of the acrylic plate 2. FIG. 2 is a partial perspective view of the ultrasonic gas sensor of FIG. However, in FIG. 2, the interdigital electrodes T, R,
A piezoelectric ceramic sheet 1 and an acrylic sheet 2 are shown. The interdigital electrodes T and R have the same shape and the electrode period length is 2
At P, it has 10 pairs of electrode fingers, and the opening angle (θ A ) is 45 °. The inside of the ellipse in FIG. 2 is a partially enlarged view of the interdigital electrode T, and the same applies to the interdigital electrode R. The electrode separation distance (L) between the interdigital electrodes T and R is 10 mm. FIG. 3 is a diagram showing a propagation mode until the surface acoustic wave propagating through the piezoelectric ceramic thin plate 1 is propagated through the acrylic plate 2. However, in FIG. 3, the interdigital electrode T, the piezoelectric ceramic thin plate 1 and the acrylic plate 2 are shown. When an electric signal is input to the interdigital transducer T, only the electric signal having a center frequency corresponding to the interdigital electrode T and a frequency in the vicinity thereof is converted into a surface acoustic wave to move the piezoelectric ceramic thin plate 1 at a velocity V. Propagate in S. If the velocity V S of the surface acoustic wave is larger than the velocity V AT of the transverse wave in the acrylic plate 2 alone and smaller than the velocity V AL of the longitudinal wave, the surface acoustic wave has a velocity V AT.
Is converted into a transverse wave and leaked to the acrylic plate 2. The leak angle θ AT when the bulk wave leaks from the piezoelectric ceramic thin plate 1 correlates with the ratio of V AT and V S (V AT / V S ). In addition, the velocity V is changed according to the frequency of the electric signal input to the interdigital transducer T.
Since S changes, it becomes possible to change the leakage angle θ AT by changing the frequency of the electric signal. FIG. 4 is a diagram showing a propagation form of ultrasonic waves when the velocity V S of surface acoustic waves propagating to the piezoelectric ceramic thin plate 1 is higher than the velocity V AL of longitudinal waves in the acrylic plate 2 alone. In this case, the surface acoustic wave is converted into a transverse wave having a velocity V AT and a longitudinal wave having a velocity V AL and leaked to the acrylic plate 2. Leakage angle θ when transverse wave is leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 1 as bulk wave
AT correlates with the ratio of V AT and V S (V AT / V S ), and the leakage angle θ AL in the case of a longitudinal wave correlates with the ratio of V AL and V S (V AL / V S ). Since the speed V S changes according to the frequency of the electric signal input to the interdigital transducer T, the speed V S is changed by changing the frequency of the electric signal so that the speed V S can be changed under the condition (V AT <V S <V AL ), or the condition (V AL <V S ) as shown in FIG. 4 can be set. Further, it becomes possible to change the respective leak angles θ AT and θ AL . FIG. 5 is a diagram showing the propagation form of ultrasonic waves in the vicinity of the interface between the acrylic plate 2 and air. However, the speed V S is when the condition of FIG. 3 (V AT <V S <V AL ) is satisfied. Further, the sensitive film 3 is not shown in FIG. When the bulk transverse wave propagating through the acrylic plate 2 reaches the interface, the transverse wave reflectance R T and the reflection angle θ showing the reflection angle θ AT.
Two components of the longitudinal wave reflectance R L indicating AL are generated. In this way, the bulk transverse wave propagating through the acrylic plate 2 is partially reflected at the interface as the transverse wave reflectance R T and the longitudinal wave reflectance R L. By the way, since it is possible to change the leakage angles θ AT and θ AL by changing the frequency of the electric signal input to the interdigital transducer T, the bulk wave reflected at the interface is again regenerated from the interdigital electrode R. It becomes possible to output as an electric signal. At this time, by forming the interdigital electrodes T and R in an arc shape, it is possible to concentrate the reflection points on the interface at the same position so that the lens is in focus. Therefore, the reflected bulk wave can be efficiently output from the interdigital transducer R as an electric signal. In the ultrasonic gas sensor of FIG. 1, when an electric signal is input to the interdigital electrode T, only the electric signal of the center frequency corresponding to the interdigital electrode T and the frequency in the vicinity of the frequency of the electric signal is converted into a surface acoustic wave. Propagating through the piezoelectric ceramic thin plate 1 at a velocity V S. The velocity V S of the surface acoustic wave is the velocity V of the transverse wave in the acrylic plate 2 alone.
If it is larger than AT and smaller than the longitudinal wave velocity V AL ,
This surface acoustic wave is converted into a transverse wave having a velocity V AT and leaked to the acrylic plate 2. When the velocity V S of the surface acoustic wave is larger than the velocity V AL of the longitudinal wave in the acrylic plate 2 alone, the surface acoustic wave is converted into the transverse wave of the velocity V AT and the longitudinal wave of the velocity V AL to be acryl. It is leaked to board 2. When the velocity V S of the surface acoustic wave is smaller than the velocity V AT of the transverse wave in the acrylic plate 2 alone, this surface acoustic wave is output as an electric signal from the interdigital transducer R, and this electric signal is output by the amplifier 4. It is amplified and input again from the interdigital transducer T. In this way, it is possible to configure an oscillator using the propagation path of the surface acoustic wave in the acrylic plate 2 between the interdigital electrode T and the interdigital electrode R as a delay element. The signal loop of this oscillator consists of the interdigital transducer T, the propagation path, the interdigital transducer R and the amplifier 4. By configuring such an oscillator, the circuit configuration is simplified, the size and weight of the device are promoted, and driving with low voltage and low power consumption becomes possible. When the sensitive gas 3 adsorbs the target gas when the ultrasonic gas sensor of FIG. 1 is driven, the propagation velocity of the bulk wave changes, so that a phase difference in propagation delay occurs in the electric signal output from the interdigital transducer R. . That is, the fact that the sensitive film 3 has adsorbed the gas and the amount of adsorption thereof are determined by the interdigital electrode R
It can be understood as the phase difference of the electric signal output to. FIG. 6 is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of a surface acoustic wave propagating in a layered medium composed of a piezoelectric ceramic thin plate 1 and an acrylic plate 2 in the ultrasonic gas sensor of FIG. 1. The frequency f of the surface acoustic wave and the piezoelectric ceramic thin plate 2 are shown in FIG. It is a figure which shows the phase velocity of each mode with respect to the product with thickness d of. However, in the piezoelectric ceramic thin plate 1, both the plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1 that contacts the acrylic plate 2 (the acrylic side plate surface) and the other plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1 that contacts the air (air side plate surface) are electrical. The one in the open state was used. In the figure, "open" indicates an open state. In addition, the mark ○ indicates the measured value. Surface acoustic waves have multiple modes. fd value is approximately 0.4
The velocity of the wave in the A 0 mode when it is less than or equal to MHz · mm is smaller than the transverse wave velocity V AT of the acrylic plate 2. Such a wave is a surface wave in which the energy of the wave locally propagates near the surface and is not leaked to the acrylic plate 2. Speed is V
There is an imaginary component of velocity in waves of A 0 mode and other modes larger than AT , and a part of the energy of the waves leaks into the acrylic plate 2 as a bulk wave. Among the surface acoustic waves of each mode, the waves in the region where the velocity is higher than V AT and lower than V AL can be effectively leaked into the acrylic plate 2 as bulk transverse waves. Waves in the region where the velocity is higher than V AL are leaked into the acrylic plate 2 as bulk longitudinal waves and bulk transverse waves. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the mode conversion efficiency C and the fd value in the ultrasonic gas sensor of FIG. However, the piezoelectric ceramic thin plate 1 used was one in which both the acrylic side plate surface and the other air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1 were electrically open. It can be seen that surface acoustic waves propagating to the piezoelectric ceramic thin plate 1 are efficiently leaked to the acrylic plate 2 as bulk waves in any mode except the A 0 mode. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 1 under two different electrical boundary conditions and the fd value. However, as the piezoelectric ceramic thin plate 1, each interdigital electrode (IDT) is provided on the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1, and the acrylic side plate surface is electrically opened. K 2 in A 0 mode
Is a substantially constant value (k near fd = 2.8 MHz · mm
2 = 4%). F 0 = 1.4MH in S 0 mode
There is one peak (k 2 = 17.5%) near z · mm. This peak is from piezoelectric ceramic thin plate 1 to acrylic plate 2
This is considered to correspond to the surface wave leaked to. A 1
The A 2 mode and the A 2 mode also show good values efficiently. In this way, the surface acoustic wave can be efficiently leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 1 to the acrylic plate 2 in any mode except the A 0 mode, and the most efficient efficiency for the acrylic plate 2 can be obtained by adjusting the fd value. Good leakage can be achieved. Further, the structure in which each interdigital electrode is provided on the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1 has an advantage that it is easy to manufacture. FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 1 under two different electrical boundary conditions and the fd value. However, as the piezoelectric ceramic thin plate 1, one in which each interdigital electrode is provided on the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1 and the acrylic side plate surface is electrically short-circuited is used. In this embodiment, the plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1 is coated with a metal thin film to electrically short the plate surface. In the figure, "short" indicates a short circuit state. In FIG. 9 as in FIG. 8, surface acoustic waves can be efficiently leaked from the piezoelectric ceramic thin plate 1 to the acrylic plate 2 in any mode except the A 0 mode, and the acrylic plate 2 can be adjusted by adjusting the fd value. The most efficient leakage to the can be realized. Further, the structure in which each interdigital electrode is provided on the air side plate surface of the piezoelectric ceramic thin plate 1 has an advantage that it is easy to manufacture.

【発明の効果】本発明の超音波ガスセンサによれば、す
だれ状電極Tに電気信号を入力する構造を採用すること
により、圧電薄板に速度VSの弾性表面波を励振させる
ことができる。その上、圧電薄板を非圧電基板の板面F
1上に固着させた構造を採用することにより、この弾性
表面波を非圧電基板にバルク波として漏洩する形でモー
ド変換させることができる。圧電薄板に励振された弾性
表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の横波の速
度VATよりも大きく縦波の速度VALよりも小さい波は速
度VATとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換され
て非圧電基板に漏洩される。また、圧電薄板に励振され
た弾性表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の縦
波の速度VALよりも大きな波は速度VATあるいは速度V
ALとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非
圧電基板に漏洩される。非圧電基板に漏洩されたバルク
波を板面F2によって反射させる構造を採用することに
より、その反射させたバルク波を非圧電基板と圧電薄板
との界面において再び速度VSの弾性表面波に変換して
圧電薄板に伝搬し、すだれ状電極Rから電気信号として
出力させることができる。非圧電基板の板面F2に感応
膜を設ける構造を採用することにより、その感応膜が目
的のガスを吸着すると超音波の伝搬速度が変化すること
から、すだれ状電極Rで出力される電気信号に伝搬遅延
の位相差を生じる。つまり、感応膜がガスを吸着したこ
ととその吸着量をすだれ状電極Rに出力される電気信号
の位相差としてとらえることができる。このようにし
て、本発明の超音波ガスセンサはガスの定性および定量
を可能にする。すだれ状電極TおよびRとして円弧状す
だれ状電極を用いることにより、非圧電基板のバルク波
を板面F2で反射させる際、板面F2における反射箇所
をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で同一箇所に点
状に集中させることができる。しかも、このようにして
反射させた反射波を再びすだれ状電極Rから電気信号と
して効率よく出力させることができる。従って、感応膜
が感知するガスの検出感度を向上させることができる。
圧電薄板の厚さをすだれ状電極の電極周期長以下にし、
すだれ状電極の電極周期長を1次以上の高次モードの弾
性表面波の波長にほぼ等しくする構造を採用することに
より、すだれ状電極Tに加えられる電気的エネルギーが
弾性表面波に変換される度合を大きくすることができる
だけでなく、圧電薄板と非圧電基板との界面での音響イ
ンピーダンスの不整合等によって生じる反射等を抑圧す
ることができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への
効果的な漏洩を促進させることができる。なお、すだれ
状電極の電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに対す
る圧電薄板の厚さdの割合(d/λ)が小さいほど効果
は大きい。すだれ状電極Rの出力端を増幅器を介してす
だれ状電極Tの入力端に接続する構造を採用することに
より、すだれ状電極Tからすだれ状電極Rに至る間の非
圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素子とする
発振器を構成することができる。その発振器の信号ルー
プはすだれ状電極Tと、前記弾性表面波の伝搬路と、す
だれ状電極Rと、増幅器とから成る。このようにして、
回路構成が簡略化され、装置の小型軽量化が促進される
とともに低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。非
圧電基板としてアクリル板を採用し、圧電薄板として圧
電セラミックを採用し、その圧電セラミックの分極軸の
方向が圧電セラミックにおけるすだれ状電極を有する板
面と垂直になるような構造を採用することにより、圧電
薄板に効率よく弾性表面波を励振することができ、さら
にその弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩すること
ができる。また、圧電薄板としてLiNbO3その他の
単結晶を採用することにより、圧電薄板に効率よく弾性
表面波を励振することができ、さらにその弾性表面波を
非圧電基板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板
としてPVDFその他の圧電高分子フィルムを採用する
ことにより、より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効
率よく弾性表面波を励振することができ、さらにその弾
性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩することができ
る。
According to the ultrasonic gas sensor of the present invention, by adopting a structure in which an electric signal is input to the interdigital transducer T, it is possible to excite a surface acoustic wave having a velocity V S on the piezoelectric thin plate. In addition, the piezoelectric thin plate is a plate surface F of the non-piezoelectric substrate
By adopting the structure in which the surface acoustic wave is fixed on the surface 1, the surface acoustic wave can be mode-converted in the form of leaking to the non-piezoelectric substrate as a bulk wave. Of the surface acoustic waves excited on the piezoelectric thin plate, the wave whose phase velocity is higher than the velocity V AT of the transverse wave in the simple substance of the non-piezoelectric substrate and smaller than the velocity V AL of the longitudinal wave has a velocity almost equal to the velocity V AT. Are efficiently converted to and leaked to the non-piezoelectric substrate. Further, of the surface acoustic waves excited on the piezoelectric thin plate, a wave having a phase velocity larger than the longitudinal wave velocity V AL in the single non-piezoelectric substrate is the velocity V AT or the velocity V.
It is efficiently converted into a wave having a velocity almost equal to AL and leaks to the non-piezoelectric substrate. By adopting a structure in which the bulk wave leaked to the non-piezoelectric substrate is reflected by the plate surface F2, the reflected bulk wave is converted into a surface acoustic wave of velocity V S again at the interface between the non-piezoelectric substrate and the piezoelectric thin plate. Then, it propagates to the piezoelectric thin plate and can be output as an electric signal from the interdigital transducer R. By adopting the structure in which the sensitive film is provided on the plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate, the propagation speed of the ultrasonic wave changes when the sensitive film adsorbs the target gas, so that the electric signal output from the interdigital transducer R. Propagation delay phase difference occurs in. That is, the fact that the sensitive film has adsorbed the gas and the amount of the adsorbed gas can be regarded as the phase difference between the electric signals output to the interdigital transducer R. In this way, the ultrasonic gas sensor of the present invention enables qualitative and quantitative determination of gas. By using arcuate interdigital electrodes as the interdigital electrodes T and R, when the bulk wave of the non-piezoelectric substrate is reflected by the plate surface F2, the reflection point on the plate surface F2 is exactly the same as the lens focuses. It can be concentrated in a spot shape. Moreover, the reflected wave reflected in this manner can be efficiently output again from the interdigital transducer R as an electric signal. Therefore, the detection sensitivity of the gas sensed by the sensitive film can be improved.
The thickness of the piezoelectric thin plate is equal to or less than the electrode period length of the interdigital transducer,
By adopting a structure in which the electrode period length of the interdigital transducer is approximately equal to the wavelength of the surface acoustic wave of the first or higher order mode, the electric energy applied to the interdigital electrode T is converted into the surface acoustic wave. Not only can the degree be increased, but reflection and the like caused by acoustic impedance mismatch at the interface between the piezoelectric thin plate and the non-piezoelectric substrate can be suppressed. Therefore, effective leakage of surface acoustic waves to the non-piezoelectric substrate can be promoted. The smaller the electrode period length of the interdigital transducer, that is, the ratio (d / λ) of the thickness d of the piezoelectric thin plate to the wavelength λ of the surface acoustic wave, the greater the effect. By adopting a structure in which the output end of the interdigital transducer R is connected to the input end of the interdigital transducer T via an amplifier, the surface acoustic wave of the non-piezoelectric substrate from the interdigital transducer T to the interdigital electrode R is generated. It is possible to configure an oscillator using the propagation path as a delay element. The signal loop of the oscillator is composed of the interdigital transducer T, the propagation path of the surface acoustic wave, the interdigital transducer R, and the amplifier. In this way
The circuit configuration is simplified, the size and weight of the device are promoted, and driving with low voltage and low power consumption is possible. By adopting an acrylic plate as the non-piezoelectric substrate, a piezoelectric ceramic as the piezoelectric thin plate, and a structure in which the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is perpendicular to the plate surface of the piezoelectric ceramic having the interdigital electrodes. The surface acoustic wave can be efficiently excited in the piezoelectric thin plate, and the surface acoustic wave can be efficiently leaked to the non-piezoelectric substrate. Further, by adopting a single crystal such as LiNbO 3 as the piezoelectric thin plate, it is possible to efficiently excite the surface acoustic wave on the piezoelectric thin plate, and further to efficiently leak the surface acoustic wave to the non-piezoelectric substrate. By adopting PVDF or other piezoelectric polymer film as the piezoelectric thin plate, it is possible to efficiently excite the surface acoustic wave on the piezoelectric thin plate in a form capable of supporting higher frequencies, and further to efficiently transmit the surface acoustic wave to the non-piezoelectric substrate. Can leak well.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の超音波ガスセンサの一実施例を示す断
面図。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an ultrasonic gas sensor of the present invention.

【図2】図1の超音波ガスセンサの部分斜視図。FIG. 2 is a partial perspective view of the ultrasonic gas sensor of FIG.

【図3】圧電磁器薄板1を伝搬する弾性表面波がアクリ
ル板2中に伝搬されるまでの伝搬形態を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a propagation form of a surface acoustic wave propagating in a piezoelectric ceramic thin plate 1 until being propagated in an acrylic plate 2.

【図4】圧電磁器薄板1に伝搬する弾性表面波の速度V
Sがアクリル板2単体中での縦波の速度VALよりも大き
い場合の超音波の伝搬形態を示す図。
FIG. 4 is a velocity V of a surface acoustic wave propagating on the piezoelectric ceramic thin plate 1.
The figure which shows the propagation form of an ultrasonic wave when S is larger than the velocity VAL of the longitudinal wave in the acrylic plate 2 simple substance.

【図5】アクリル板2と空気との界面付近での超音波の
伝搬形態を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a propagation form of ultrasonic waves in the vicinity of an interface between the acrylic plate 2 and air.

【図6】図1の超音波ガスセンサにおける圧電磁器薄板
1およびアクリル板2から成る層状媒体を伝搬する弾性
表面波の速度分散曲線を示す特性図。
6 is a characteristic diagram showing a velocity dispersion curve of a surface acoustic wave propagating through a layered medium composed of a piezoelectric ceramic thin plate 1 and an acrylic plate 2 in the ultrasonic gas sensor of FIG.

【図7】図1の超音波ガスセンサにおけるモード変換効
率Cとfd値との関係を示す特性図。
7 is a characteristic diagram showing the relationship between the mode conversion efficiency C and the fd value in the ultrasonic gas sensor of FIG.

【図8】圧電磁器薄板1の異なる2つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
2とfd値との関係を示す特性図。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference under two different electrical boundary conditions of the piezoelectric ceramic thin plate 1 and the fd value.

【図9】圧電磁器薄板1の異なる2つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
2とfd値との関係を示す特性図。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the effective electromechanical coupling coefficient k 2 calculated from the phase velocity difference of the piezoelectric ceramic thin plate 1 under two different electrical boundary conditions and the fd value.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 圧電磁器薄板 2 アクリル板 3 感応膜 4 増幅器 T すだれ状電極 R すだれ状電極 1 Piezoelectric ceramic thin plate 2 Acrylic plate 3 Sensitive film 4 Amplifier T Interdigital electrode R Interdigital electrode

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも2組のすだれ状電極TおよびR
を備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面F1に設
け、前記非圧電基板のもう一方の板面F2に感応膜を備
え、該感応膜に吸着されたガスを定性または定量するガ
ス感知手段を備えた超音波ガスセンサであって、 前記圧電薄板の厚さは前記すだれ状電極TおよびRの電
極周期長以下であり、 前記ガス感知手段は、前記すだれ状電極Tに電気信号を
入力して前記非圧電基板と前記圧電薄板との界面に弾性
表面波を励振し、該弾性表面波を前記非圧電基板中にバ
ルク波としてモード変換させ、該バルク波を前記板面F
2によって反射させ、その反射させた前記バルク波を前
記すだれ状電極Rから電気信号として出力させる手段を
含み、 前記すだれ状電極TおよびRの電極周期長は前記弾性表
面波の波長にほぼ等しく、 前記界面に励振され、前記非圧電基板中にバルク波とし
てモード変換される前記弾性表面波の位相速度は前記非
圧電基板単体における横波の速度よりも大きいことを特
徴とする超音波ガスセンサ。
1. At least two sets of interdigital electrodes T and R.
A gas sensor for qualitatively or quantitatively determining the gas adsorbed on the sensitive film by providing a piezoelectric thin plate having the above on one plate surface F1 of the non-piezoelectric substrate, and providing a sensitive film on the other plate surface F2 of the non-piezoelectric substrate. An ultrasonic gas sensor including means, wherein the thickness of the piezoelectric thin plate is equal to or less than the electrode cycle length of the interdigital electrodes T and R, and the gas sensing means inputs an electric signal to the interdigital electrode T. A surface acoustic wave is excited at the interface between the non-piezoelectric substrate and the piezoelectric thin plate, the surface acoustic wave is mode-converted into a bulk wave in the non-piezoelectric substrate, and the bulk wave is converted into the plate surface F.
And a means for outputting the reflected bulk wave as an electric signal from the interdigital transducer R, wherein the electrode period lengths of the interdigital transducers T and R are substantially equal to the wavelength of the surface acoustic wave. An ultrasonic gas sensor, wherein a phase velocity of the surface acoustic wave excited on the interface and mode-converted as a bulk wave in the non-piezoelectric substrate is higher than a velocity of a transverse wave in the non-piezoelectric substrate alone.
【請求項2】 前記すだれ状電極Rの出力端は増幅器を
介して前記すだれ状電極Tの入力端に接続されており、 前記すだれ状電極Tから前記すだれ状電極Rに至る間の
前記非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素子
とする発振器が構成されていて、 前記発振器の信号ループは前記すだれ状電極Tと、前記
弾性表面波の伝搬路と、前記すだれ状電極Rと、前記増
幅器とから成ることを特徴とする請求項1に記載の超音
波ガスセンサ。
2. An output end of the interdigital transducer R is connected to an input end of the interdigital transducer T via an amplifier, and the non-piezoelectric element between the interdigital electrode T and the interdigital electrode R is connected. An oscillator using a propagation path of a surface acoustic wave on a substrate as a delay element is configured, and a signal loop of the oscillator includes the interdigital electrode T, the propagation path of the surface acoustic wave, the interdigital electrode R, and The ultrasonic gas sensor according to claim 1, comprising an amplifier.
【請求項3】 前記すだれ状電極TおよびRが円弧状を
成すことを特徴とする請求項1または2に記載の超音波
ガスセンサ。
3. The ultrasonic gas sensor according to claim 1, wherein the interdigital electrodes T and R have an arc shape.
【請求項4】 前記非圧電基板がアクリル板で成り、前
記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セラミック
の分極軸の方向は該圧電セラミックにおけるすだれ状電
極を有する板面と垂直であることを特徴とする請求項
1,2または3に記載の超音波ガスセンサ。
4. The non-piezoelectric substrate is made of an acrylic plate, the piezoelectric thin plate is made of piezoelectric ceramic, and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is perpendicular to the plate surface of the piezoelectric ceramic having the interdigital electrodes. The ultrasonic gas sensor according to claim 1, 2, or 3.
【請求項5】 前記非圧電基板がアクリル板で成り、前
記圧電薄板がLiNbO3その他の単結晶で成ることを
特徴とする請求項1,2または3に記載の超音波ガスセ
ンサ。
5. The ultrasonic gas sensor according to claim 1, wherein the non-piezoelectric substrate is made of an acrylic plate and the piezoelectric thin plate is made of LiNbO 3 or another single crystal.
【請求項6】 前記感応膜がリン脂質膜、セルロース膜
またはその他の高分子薄膜で成ることを特徴とする請求
項1,2,3,4または5に記載の超音波ガスセンサ。
6. The ultrasonic gas sensor according to claim 1, wherein the sensitive membrane is a phospholipid membrane, a cellulose membrane or another polymer thin film.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110067946A (en) * 2019-05-09 2019-07-30 上海工程技术大学 A kind of sensor of natural gas and leakage monitoring system based on surface acoustic wave mode
CN111781271A (en) * 2020-07-14 2020-10-16 电子科技大学 Flexible surface acoustic wave gas sensor and preparation method thereof

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110067946A (en) * 2019-05-09 2019-07-30 上海工程技术大学 A kind of sensor of natural gas and leakage monitoring system based on surface acoustic wave mode
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