(57)【要約】【課題】ガス成分の高精度な検出が可能なガスセンサ及びガス検出モジュールを提供すること。【解決手段】本発明に係るガスセンサは、振動子と、第１の電極と、第２の電極と、感応膜とを具備する。振動子は、チタン酸ジルコン酸鉛からなり、第１の主面と、第１の主面の反対側の第２の面を有する板状である。第１の電極は、第１の主面上に形成されている。第２の電極は、第２の主面上に形成されている。感応膜は、第１の電極と第２の電極によって振動子が挟まれた交差領域において第１の電極上に形成され、検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸ジルコン酸鉛からなり、第１の主面と、前記第１の主面の反対側の第２の面を有する板状の振動子と、
前記第１の主面上に形成された第１の電極と、
前記第２の主面上に形成された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極によって前記振動子が挟まれた交差領域において前記第１の電極上に形成され、検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなる感応膜と
を具備するガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記樹脂材料はフタロシアニン銅である
ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記交差領域の長手方向の幅は、前記振動子の厚みの１倍以上３倍以下である
ガスセンサ。
【請求項４】
請求項３に記載のガスセンサであって、
前記振動子の厚みは０．１ｍｍであり、
前記交差領域の長手方向の幅は、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である
ガスセンサ。
【請求項５】
チタン酸ジルコン酸鉛からなり、第１の主面と、前記第１の主面の反対側の第２の面を有する板状の振動子と、前記第１の主面上に形成された第１の電極と、前記第２の主面上に形成された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極によって前記振動子が挟まれた交差領域において前記第１の電極上に形成され、検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなる感応膜とを備えるガスセンサと、
前記第１の電極と前記第２の電極に接続され、前記振動子を所定の共振周波数で振動させる発振回路と、
前記発振回路を制御し、前記発振回路から前記振動子の振動による信号を取得する制御回路と
を具備するガス検出モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電共振器を利用するガスセンサ及びガス検出モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、単一のガス成分ではなく複数のガス成分の集合体であるにおいを識別するため、異なる化学的性質を有する吸着膜をアレイ化し、においをパターン化（可視化）させるガスセンサの開発が活発となっている。
【０００３】
ガス成分の吸着を電気信号に変換するトランスデューサ部分には、ＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance：水晶振動子マイクロバランス）をはじめとする圧電共振器式、半導体式、電気化学式、ピエゾ抵抗式等が利用される（例えば、特許文献１及び２）。
【０００４】
ＱＣＭを用いた圧電共振器では、ガス成分が吸着する感応膜が形成された水晶振動子を振動させ、ガス成分の吸着による共振周波数の変動を検出する。ＱＣＭは共振特性が急峻で周波数精度が高く、温度特性も良好なＡＴカット水晶板を用いたＱＣＭによる圧電共振器式のガスセンサが従来から検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２２７８２１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３３４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＱＣＭの欠点として、感度が低く、検知可能なガス濃度はｐｐｍオーダーに留まることが挙げられる。人間や動物の鼻はｐｐｂ〜ｐｐｔオーダーの濃度を嗅ぐことができるといわれ、市場の要求スペックもｐｐｂオーダーであるが、ＱＣＭではこの検出精度を満たすことができない。
【０００７】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、ガス成分の高精度な検出が可能なガスセンサ及びガス検出モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るガスセンサは、振動子と、第１の電極と、第２の電極と、感応膜とを具備する。
上記振動子は、チタン酸ジルコン酸鉛からなり、第１の主面と、上記第１の主面の反対側の第２の面を有する板状である。
上記第１の電極は、上記第１の主面上に形成されている。
上記第２の電極は、上記第２の主面上に形成されている。
上記感応膜は、上記第１の電極と上記第２の電極によって上記振動子が挟まれた交差領域において上記第１の電極上に形成され、検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなる。
【０００９】
この構成によれば、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加し、振動子を振動させている状態で感応膜に検出対象の分子が吸着すると、共振周波数が変動する。この共振周波数の変動によって分子の吸着を検出することができる。ここで、振動子がＰＺＴからなる場合、感応膜を検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料とすると、分子の吸着による周波数変動に加え、ヤング率の変化による周波数変動が生じる。これにより、検出対象の分子の検出感度を向上させることが可能である。
【００１０】
上記樹脂材料はフタロシアニン銅であってもよい。
【００１１】
上記交差領域の長手方向の幅は、上記振動子の厚みの１倍以上３倍以下であってもよい。
【００１２】
上記振動子の厚みは０．１ｍｍであり、
上記交差領域の長手方向の幅は、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であってもよい。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るガス検出モジュールは、ガスセンサと、発振回路と、制御回路とを具備する。
上記ガスセンサは、チタン酸ジルコン酸鉛からなり、第１の主面と、上記第１の主面の反対側の第２の面を有する板状の振動子と、上記第１の主面上に形成された第１の電極と、上記第２の主面上に形成された第２の電極と、上記第１の電極と上記第２の電極によって上記振動子が挟まれた交差領域において上記第１の電極上に形成され、検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなる感応膜とを備える。
上記発振回路は、上記第１の電極と上記第２の電極に接続され、上記振動子を所定の共振周波数で振動させる。
上記制御回路は、上記発振回路を制御し、上記発振回路から上記振動子の振動による信号を取得する。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明によれば、ガス成分の高精度な検出が可能なガスセンサ及びガス検出モジュールを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るガスセンサの斜視図である。
【図２】同ガスセンサの断面図である。
【図３】同ガスセンサの平面図である。
【図４】同ガスセンサの一部構成の平面図である。
【図５】同ガスセンサと比較対象のＱＣＭガスセンサの周波数変動を示すグラフである。
【図６】感応膜のヤング率と共振周波数の関係の解析結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に係るガスセンサの各部のサイズを示す模式図である。
【図８】同ガスセンサの交差幅（０．５ｍｍ）と共振特性の関係を示すグラフである。
【図９】同ガスセンサの交差幅（０．４ｍｍ）と共振特性の関係を示すグラフである。
【図１０】同ガスセンサの交差幅（０．３ｍｍ）と共振特性の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態に係るガス検出モジュールのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本実施形態に係るガスセンサについて説明する。
【００１７】
[ガスセンサの構造]
図１は本実施形態に係るガスセンサ１００の斜視図である。図２はガスセンサ１００の断面図であり、図１のＡ−Ａ線での断面図である。図３はガスセンサ１００の平面図である。各図において相互に直交する方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向とする。
【００１８】
これらの図に示すように、ガスセンサ１００は、振動子１０１、第１電極１０２、第２電極１０３及び感応膜１０４を備える。
【００１９】
振動子１０１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３）からなる板状部材である。図２に示すように振動子１０１は、第１主面１０１ａと、第１主面１０１ａの反対側の第２主面１０１ｂを有する。振動子１０１の形状は特に限定されないが、矩形状とすることができる。
【００２０】
第１電極１０２は、金属等の導電性材料からなり、第１主面１０１ａ上に形成されている。第２電極１０３は、金属等の導電性材料からなり、第２主面１０１ｂ上に形成されている。図４は、第１電極１０２及び第２電極１０３の位置関係を示す模式図であり、ガスセンサ１００から感応膜１０４を除いた状態を示す図である。
【００２１】
図２及び図４に示すように、第１電極１０２と第２電極１０３は、振動子１０１を介して対向するように形成されている。以下、第１電極１０２と第２電極１０３によって振動子１０１が挟まれた領域を交差領域Ｒ（図４中、斜線領域）とする。
【００２２】
感応膜１０４は、交差領域Ｒにおいて第１電極１０２上に形成されている。また、感応膜１０４の一部は図２に示すように振動子１０１上に形成されてもよく、少なくとも交差領域Ｒにおいて第１電極１０２上に形成されるものであればよい。
【００２３】
感応膜１０４は、検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなる。具体的には感応膜１０４は、フタロシアニン銅の他、例えばフロロテクノロジー製FS-6130等のフッ素樹脂からなるものとすることができる。フタロシアニン銅は例えば蒸着成膜によって形成することができる。
【００２４】
フタロシアニン銅はトルエンの分子が吸着するとヤング率が小さくなるため、トルエンの検出に用いることができる。この他にも、感応膜１０４は、検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料とすることができる。感応膜１０４の厚みは例えば５００ｎｍとすることができる。
【００２５】
[ガスセンサの動作]
ガスセンサ１００の動作について説明する。
【００２６】
第１電極１０２と第２電極１０３の間に電圧を印加すると、逆圧電効果により振動子１０１が一定の共振周波数で振動する。振動子１０１は厚みすべり振動を生じ、ガスセンサ１００は厚みすべり共振器として動作する。
【００２７】
ガスセンサ１００の周囲に、感応膜１０４に吸着することが可能な分子（以下、検出対象分子）が存在すると、検出対象分子は感応膜１０４に吸着する。これにより、振動子１０１の共振周波数が変動し、共振周波数の変動に基づいて検出対象分子の吸着を検出することが可能となる。
【００２８】
ここで、感応膜１０４が検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなることにより、次に示すように、検出対象分子の検出感度を向上させることができる。
【００２９】
［ＱＣＭガスセンサとの比較について］
本実施形態に係るガスセンサ１００（以下、ＰＺＴガスセンサ）を、一般的構造を有する、ＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance：水晶振動子マイクロバランス）を用いた圧電共振器型のガスセンサ（以下、ＱＣＭガスセンサ）と比較する。ＱＣＭガスセンサは、板状のＱＣＭの表裏両面に電極を配置し、電極の交差領域に感応膜を形成した構造を有する。
【００３０】
図５はＰＺＴガスセンサとＱＣＭガスセンサの周波数変動を示すグラフである。ＰＺＴガスセンサは、感応膜としてフタロシアニン銅を加熱蒸着で５００ｎｍ付与したものであり、共振周波数は１１ＭＨｚである。ＱＣＭガスセンサは感応膜としてフタロシアニン銅を加熱蒸着で５００ｎｍ付与したものであり共振周波数は９．８ＭＨｚである。
【００３１】
図５は両ガスセンサの周囲に濃度０．１％のトルエンガスを供給した場合の周波数変動を示す。ＱＣＭガスセンサの周波数変動量が１０００Ｈｚであるのに対し、ＰＺＴガスセンサでは３０００Ｈｚ以上の変動が生じている。このように、ＰＺＴガスセンサでは、ＱＣＭガスセンサに対して周波数変動量が３倍程度大きく、即ち検出限界濃度が１／３以下程度の高い検出感度を有する。
【００３２】
ＱＣＭガスセンサにおいては周囲に検出対象分子が存在すると、検出対象分子が感応膜に吸着し、その質量負荷による周波数変動が生じる。質量負荷による周波数変動量は、Sauerbrayの式で表されることが知られている。
【００３３】
感応膜の材料による影響は、主に密度に現れ、密度が小さい材料のほうが周波数変動量は大きくなり、感度はよくなると考えられる。ＱＣＭの材料である水晶とＰＺＴの組成式はそれぞれＳｉＯ２とＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３であり、構成元素の重いＰＺＴのほうが密度が高い。
【００３４】
Sauerbrayの式ではＰＺＴの高いの感度を説明できないため、質量負荷以外の周波数に影響するパラメータとして、感応膜のヤング率変化に着目し、有限要素法を用いた解析を行った。
【００３５】
図６には感応膜のヤング率と共振周波数の関係の解析結果を示すグラフである。感応膜のヤング率が低くなると共振周波数が低下し、またヤング率が１〜１０ＧＨｚの領域ではヤング率に対して共振周波数はほぼ横ばいである。
【００３６】
検出対象分子が感応膜に吸着すると、感応膜は膨張し、ヤング率は低下する（＝柔らかくなる）ことが知られている。共振周波数の変化率が大きい、ヤング率が１ＧＰａ又は１０ＧＰａ以下の領域の感応膜材料を用いることで、質量負荷による周波数変動以外に、上記のヤング率変化による周波数変動が加わり、結果ＰＺＴガスセンサの感度がよくなったと考えられる。
【００３７】
ＱＣＭガスセンサの場合も、検出対象分子の吸着によって感応膜のヤング率は低下する。しかしながら、感応膜のヤング率低下による周波数変動は、振動子がＱＣＭである場合に比べて振動子がＰＺＴである場合により大きい。
【００３８】
以上のように、本実施形態に係るガスセンサ１００では、ＰＺＴからなる振動子１０１と検出対象の分子が吸着するとヤング率が小さくなる樹脂材料からなる感応膜１０４を備えることにより、検出対象分子の検出感度を向上させることが可能である。
【００３９】
さらに、ＱＣＭの材料である水晶に比べてＰＺＴの方が材料費が安く、ＰＺＴガスセンサはＱＣＭガスセンサより価格を小さくすることができる。
【００４０】
ガスセンサ１００によって検出することが可能な分子は、気相であって感応膜１０４に吸着可能なものであれば特に限定されないが、例えばにおい分子であり、ガスセンサ１００をにおいセンサとして利用することが可能である。
【００４１】
［交差領域の幅について］
交差領域Ｒの幅（以下、交差幅）は一定の範囲が好適である。図７は、交差幅を示す模式図である。同図に示すように、交差領域Ｒの長手方向（Ｘ方向）の幅を交差幅Ｌとする。また、振動子１０１の厚みをＴとする。
【００４２】
図８乃至図１０は、交差幅と共振特性の関係を示すグラフであり、振動子１０１の厚みＴが０．１ｍｍのガスセンサ１００の共振特性を示す。図８は交差幅Ｌが０．５ｍｍ、図９は交差幅Ｌが０．４ｍｍ、図１０は交差幅Ｌが０．３ｍｍである。
【００４３】
図８乃至図１０から、共振点付近に不要波がない交差幅Ｌの条件は０．３ｍｍ以下であり、即ち厚みＴの３倍以下である。また、交差幅Ｌの下限は振動子１０１の厚みと同一であり、０．１ｍｍである。
【００４４】
以上から、交差幅Ｌは厚みＴの１倍以上３倍以下が好適であり、振動子１０１の厚みＴが０．１ｍｍの場合には交差幅Ｌは０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下が好適である。
【００４５】
［ガス検出モジュールついて］
上記ガスセンサ１００を用いてガス検出モジュールを構成することが可能である。図１１は、本実施形態に係るガス検出モジュール１５０の機能的構成を示すブロック図である。
【００４６】
同図に示すように、ガス検出モジュール１５０は、ガスセンサ１００、発振回路１１１及び制御回路１１２を備え、情報処理装置１１３に接続されている。
【００４７】
発振回路１１１は、ガスセンサ１００の第１電極１０２及び第２電極１０３に接続され、制御回路１１２から電源供給を受けて振動子１０１を所定の共振周波数で振動させる。また、発振回路１１１は振動子１０１の振動によって生じるアナログ信号を制御回路１１２に出力する。
【００４８】
制御回路１１２は、周波数カウンター、電源レギュレーター及び接続インターフェイスから構成されている。接続インターフェイスは制御回路１１２と情報処理装置１１３を接続し、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）インターフェイスである。
【００４９】
制御回路１１２は、情報処理装置１１３から電源供給を受けて、発振回路１１１を制御すると共に、発振回路１１１から出力されたアナログ信号を周波数カウンターによってデジタル信号に変換し、情報処理装置１１３に出力する。
【００５０】
情報処理装置１１３は、ＰＣ（personal computer）等の情報処理装置であり、制御回路１１２から出力されるデジタル信号を取得し、共振周波数の変化に基づいて、検出対象分子の感応膜１０４への吸着を検出する。
【００５１】
ガス検出モジュール１５０は以上のような構成を有する。なお一つのガス検出モジュールには、感応膜１０４の材料が異なる複数のガスセンサ１００が搭載されてもよい。感応膜１０４の材料によって感応膜１０４に吸着する分子の種類が異なるため、複数の種類のガスを検出することが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１００…ガスセンサ
１０１…振動子
１０２…第１電極
１０３…第２電極
１０４…感応膜
１１１…発振回路
１１２…制御回路
１１３…情報処理装置
１５０…ガス検出モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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