(57)【要約】【課題】従来になく高感度であり、高精度湿度制御に用いられる湿度センサーを提供すること。【解決手段】本発明に係る湿度センサーは、球形状の基体１１１と、基体１１１の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する弾性表面波励起受信部１１２と、弾性表面波が周回する経路に設けられた感応膜１１４とを備えた弾性表面波素子１１０と、弾性表面波を受信した弾性表面波励起受信部１１２から出力された信号に基づいて弾性表面波の速度を測定し、当該測定された速度に基づいて湿度信号を生成する湿度信号生成部１６０とを備えたものである。【選択図】図１
2008116404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球形状の基体と、前記基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する弾性表面波励起受信部と、前記弾性表面波が周回する経路に設けられた感応膜とを備えた弾性表面波素子と、
弾性表面波を受信した前記弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の速度を測定し、当該測定された速度に基づいて湿度信号を生成する湿度信号生成部とを備えた湿度センサー。
【請求項２】
球形状の第２の基体と、前記第２の基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する第２の弾性表面波励起受信部とを備えた参照用の第２の弾性表面波素子をさらに備え、
弾性表面波を受信した前記第２の弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の速度を測定し、当該測定された速度に基づいて前記湿度信号を補正することを特徴とする請求項１に記載の湿度センサー。
【請求項３】
測定対象となる湿度が２０％ＲＨ以下であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサー。
【請求項４】
前記感応膜がＰｄ−Ｎｉ合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の湿度センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波（ＳＡＷ：surface acoustic wave）が、圧電性材料の単結晶からなる球の表面を伝播する場合、周囲の水素濃度によりその伝播速度が変化することを利用した水素センサー（ボールＳＡＷセンサー）が知られている（特許文献１参照）。球の弾性表面波は、通常の波のように拡がらず、球の大円に沿った有限幅の円環状領域を、ほとんど減衰することなく、多数回周回する。この弾性表面波が球を周回する回数に比例して、上記伝播速度の変化が増幅されるため、ボールＳＡＷセンサーは非常に高感度な水素センサーである。
【特許文献１】特開２００５−２９１９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、湿度センサーとしては、高分子系センサー、金属酸化物センサー、電解質系センサー等が知られているが、相対湿度２０％ＲＨ以下の低湿度を、簡易に精度良く測定できる湿度センサーはない。そのため、例えば、半導体製造工程等で用いられるドライガスの湿度を、簡易に測定できる湿度センサーの開発が望まれている。発明者らは、上記ボールＳＡＷセンサーに注目し、新規湿度センサーの開発を行ってきた。
【０００４】
本発明は、従来になく高感度であり、高精度湿度制御に用いられる湿度センサー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】
【０００５】
本発明の第１の態様に係る湿度センサーは、球形状の基体と、前記基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する弾性表面波励起受信部と、前記弾性表面波が周回する経路に設けられた感応膜とを備えた弾性表面波素子と、弾性表面波を受信した前記弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の速度を測定し、当該測定された速度に基づいて湿度信号を生成する湿度信号生成部とを備えたものである。これにより、特に低湿度領域において従来になく高感度であり、高精度湿度制御に用いられる湿度センサーを提供することができる。
【０００６】
本発明の態様２に係る湿度センサーは、上記第１の態様において、球形状の第２の基体と、前記第２の基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する第２の弾性表面波励起受信部とを備えた参照用の第２の弾性表面波素子をさらに備え、弾性表面波を受信した前記第２の弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の速度を測定し、当該測定された速度に基づいて前記湿度信号を補正することを特徴とするものである。感応膜を有さない参照用の弾性表面波素子をさらに備えることにより、低湿度から高湿度の広い範囲に亘り高感度な湿度センサーを提供することができる。
【０００７】
本発明の態様３に係る湿度センサーは、上記発明の態様において、測定対象となる湿度が２０％ＲＨ以下であることを特徴とするものである。本発明に係る湿度センサーは特に２０％ＲＨ以下の湿度において高感度である。
【０００８】
本発明の態様４に係る湿度センサーは、上記発明の態様において、前記感応膜がＰｄ−Ｎｉ合金からなることを特徴とするものである。感応膜としては、特にＰｄ−Ｎｉ合金が好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来になく高感度であり、高精度温度制御に用いられる湿度センサーを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化されている。
【００１１】
発明の実施の形態
図１を用いて、本発明の実施の形態に係る湿度センサーについて説明する。図１は実施の形態に係る湿度センサーの構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る湿度センサー１００は、図１に示すように、弾性表面波素子１１０、発信機１２０、インピーダンスマッチング回路１３０、高周波アンプ１４０、デジタルオシロスコープ１５０、湿度信号生成部１６０を備える。また、弾性表面波素子１１０は、基体１１１、櫛形電極１１２、入出力用電極１１３、感応膜１１４を備える。
【００１２】
基体１１１は、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の圧電性材料の単結晶からなり、球形状に形成されている。球の直径は１ｍｍ程度が好ましい。基体１１１の表面に弾性表面波を励起すると、この弾性表面波は、所定の結晶軸回りの球の大円に沿って伝播する。球の弾性表面波は、通常の波のように拡がらず、上記大円に沿った有限幅の円環状領域を、ほとんど減衰することなく、多数回周回する。
【００１３】
櫛形電極１１２は、基体１１１上に形成されたＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等の金属層からなる。櫛歯が向き合い、かつ、互い違いになるように形成された一対の電極である。櫛形電極１１２は、例えば、真空蒸着、スパッタリング等により基体１１１上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成することができる。櫛形電極１１２に電気信号を入力すると、弾性表面波が励起される。また、櫛形電極１１２は、基体１１１の表面を周回した弾性表面波を受信し、信号を発生する。すなわち、櫛形電極１１２は、本発明に係る湿度センサーにおける弾性表面波励起受信部に該当する。
【００１４】
入出力用電極１１３も、基体１１１上に形成されたＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等の金属層からなる。入出力用電極１１３も、例えば、真空蒸着、スパッタリング等により基体１１１上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成することができる。入出力用電極１１３は２つ形成されており、各々一対の電極からなる櫛形電極１１２の片方に接続されている。また、２の入出力用電極１１３は、各々インピーダンスマッチング回路１３０に接続されている。なお、櫛形電極１１２及び入出力用電極１１３は必ずしも基体１１１上に一体に形成されている必要はなく、図２に示すように、基体１１１とは別体の平面基板上に形成された櫛形電極１１２上にわずかな間隙をあけて基体１１１を搭載し、静電結合を利用して弾性表面波を励起、受信するような構成としてもよい。
【００１５】
感応膜１１４は、基体１１１上における弾性表面波の周回経路の少なくとも一部に形成されている。感応膜１１４は、水素を吸蔵するＰｄ、Ｎｉ又はＰｄ−Ｎｉ合金層からなる。感応膜１１４は、例えば、感応膜１１４形成部分以外をマスクした状態で真空蒸着、スパッタリング等を行うことにより基体１１１上に形成することができる。感応膜１１４上において水蒸気が酸素と水素に分解し、この水素が感応膜１１４中に吸収される。水素を吸収した感応膜１１４は硬くなるため、感応膜１１４上では、弾性表面波の伝播速度が速くなる。従って、水蒸気が多く湿度が高いほど弾性表面波の伝播速度が速くなり、一方、水蒸気が少なく湿度が低いほど弾性表面波の伝播速度が遅くなる。感応膜１１４は、湿度に応じて、可逆的に水素を吸収、放出する。そのため、弾性表面波の伝播速度を測定することにより、湿度を測定することができる。
【００１６】
次に、図１を用いて、本発明の実施の形態に係る湿度センサーの動作について説明する。まず、発信機１２０から出力された信号は、インピーダンスマッチング回路１３０及び入出力用電極１１３を介し、櫛形電極１１２に入力される。電極１１２に入力された信号により、弾性表面波が基体１１１の表面に励起される。この弾性表面波は、上述の通り、所定の結晶軸回りの球の大円に沿った周回経路上を、ほとんど減衰することなく多数回周回する。
【００１７】
周回する弾性表面波は、櫛形電極１１２により受信され、これにより発生した信号が、入出力用電極１１３、インピーダンスマッチング回路１３０を介し、高周波アンプ１４０に入力される。高周波アンプ１４０において増幅された信号がデジタルオシロスコープ１５０に入力される。弾性表面波の周回経路上には感応膜１１４が形成されており、上述の通り、感応膜１１４は周囲の湿度により硬さが変化する。そのため、弾性表面波の伝播速度が変化する。この伝播速度の変化を、デジタルオシロスコープ１５０において出力される信号の位相のずれすなわち遅延時間として知ることができる。デジタルオシロスコープ１５０から出力された信号は、その信号に基づいて湿度信号を生成する湿度信号生成部１６０に入力される。最終的に、湿度信号生成部１６０から湿度信号が出力される。
【００１８】
特開２００３−１１５７４３には、本発明に係る弾性表面波素子１１０と同様の構成を有するボールＳＡＷデバイスが、湿度評価に適用できる旨、開示されている。しかしながら、これは基体１１１上に結露が生じることにより弾性表面波の伝播が妨げられる原理を利用したものである。すなわち、その記載内容は、露点計として利用できる旨を開示したものである。従って、その湿度測定においては、基体１１１上に結露を生じさせる必要があった。具体的には、例えば、低湿度環境下では、極低温にする必要があった。本発明は、特開２００３−１１５７４３に記載された湿度評価とは、原理を全く異にするものであり、基体１１１上に結露を生じさせる必要がない。従って、低湿度環境下においても、極低温にすることなく、湿度を測定することができる。
【００１９】
次に、図３を用いて、本発明に係る湿度センサーの湿度測定実験方法について説明する。直径１ｍｍの水晶球からなる弾性表面波素子１１０を用い、測定チャンバー内の湿度を変化させた場合の遅延時間の変化を測定した。乾燥窒素ガスと純水に乾燥窒素ガスを通過させて得られる湿潤窒素ガスとの流量比を変化させることにより、所望の湿度の窒素ガスを得ることができる。
【００２０】
図３に示すように、本実験では、１つの乾燥窒素ガスボンベからの乾燥窒素ガスを、２つの経路に分岐し、その一方の経路の窒素ガスを湿潤窒素ガスとして他経路の乾燥窒素ガスと混合して所望の湿度の窒素ガスを得た。図中のＭＦＣはマスフローコントローラー（mass flow controller）を意味し、これにより乾燥窒素ガスの質量流量を制御する。上記純水に乾燥窒素ガスを通過させて得られる湿潤窒素ガスの湿度は、本実験の場合、９０％ＲＨであった。従って、例えば、乾燥窒素ガスと湿潤窒素ガスの流量比を１：１とすれば、４５％ＲＨの窒素ガスが得られる。上記手順により得られた所望の湿度の窒素ガスを測定チャンバー内に導入し、弾性表面波素子１１０における弾性表面波の遅延時間を測定した。測定チャンバーへのガス流量は５ｌ／ｍｉｎ、温度は２５℃で一定に保持した。測定チャンバーチャンバー内の湿度は、山武社製のＲＨセンサー相対湿度・温度検出器ＲＨＳ３０２を用いて測定し、弾性表面波素子１１０により測定される弾性表面波の遅延時間との関係を評価した。すなわち、横軸を相対湿度、縦軸を弾性表面波の遅延時間とした検量線を作成した。
【００２１】
図４は、上記実験により得られた本発明の実施の形態に係る湿度センサーの検量線を示すグラフである。横軸が相対湿度、縦軸が遅延時間変化を示す。ここで、遅延時間変化は、最小測定湿度における遅延時間からの変化を示す。図４における検量線（ａ）は、弾性表面波の周回経路の約３０％の領域に感応膜１１４が形成された弾性表面波素子１１０（以下この素子を測定素子という）についての検量線である。また、図４における検量線（ｂ）は、弾性表面波の周回軌道に感応膜１１４が形成されていない参照用の弾性表面波素子１１０（以下この素子を参照素子という）についての検量線である。さらに、図４における検量線（ｃ）は、測定素子の検量線（ａ）と参照素子の検量線（ｂ）とから、感応膜部分のみの遅延時間を求めた検量線である。検量線（ｃ）の求め方の詳細については、後述する。
【００２２】
図４の検量線（ａ）に示すように、相対湿度２０％以下の低湿度領域では、相対湿度変化に対する遅延時間変化が大きい。このため、本発明に係る測定素子により、高感度かつ高精度で測定することができることが分かる。
【００２３】
図５には、図４の検量線（ａ）の低湿度領域における拡大図を示す。ただし、縦軸は遅延時間変化ではなく、遅延時間である。図５（ａ）には、横軸の相対湿度を、図４と同様、リニアスケールで示した。一方、図５（ｂ）では、横軸の相対湿度をｌｏｇスケールで示した。図５（ａ）に示すように、より低湿度になる程、相対湿度変化に対する遅延時間変化が大きくなる。すなわち、本発明に係る測定素子は、特に、低湿度環境の測定に適していることが分かる。また、図５（ｂ）に示すように、横軸の相対湿度をｌｏｇスケールとした場合、遅延時間と相対湿度は線形関係を示す。
【００２４】
一方、図４の検量線（ａ）に示すように、相対湿度２０％ＲＨ以上の領域では、相対湿度変化に対する遅延時間変化が小さく、ほぼ一定である。従って、本発明に係る測定素子単独で精度良く測定するのは困難であることが分かる。ここで、図４の検量線（ｂ）に示すように、感応膜１１４を有さない参照素子の場合、相対湿度の上昇とともに、弾性表面波の遅延時間が単調に増加する。
【００２５】
このことから、図４の検量線（ａ）が、相対湿度２０％ＲＨ以上の領域において、ほぼ一定となる理由が推察される。すなわち、相対湿度の上昇とともに、弾性表面波の周回経路における感応膜上では弾性表面波の伝播速度が速くなり遅延時間が小さくなる一方、それ以外の周回経路では弾性表面波の伝播速度が遅くなり遅延時間が大きくなるため、全体としては、遅延時間がほぼ一定となると考えられる。
【００２６】
上述の通り、測定素子単独では、相対湿度２０％ＲＨ以上を精度良く測定するのは困難だが、参照素子も付加することにより、高湿度領域まで高精度で測定することができる。すなわち、図４の検量線（ａ）に加え、図４の検量線（ｂ）を用いることにより、感応膜部分のみの遅延時間を求めた検量線（ｃ）を得ることができる。具体的には、感応膜部分での遅延時間変化Ｔｆは、測定端子での遅延時間変化をＴｓ、参照端子での遅延時間変化をＴｒ、測定端子の弾性表面波の周回経路における感応膜形成領域の割合をＲとすると、以下の式１により求めることができる。
［式１］  Ｔｆ＝Ｔｓ−Ｔｒ（１−Ｒ）
このＴｆの値をプロットしたものが、図４の検量線（ｃ）である。本実験の場合、上述の通り、感応膜形成領域の割合Ｒ＝０．３である。図４の検量線（ｃ）から、測定端子に加え、参照素子を付加した湿度センサーとすることにより、低湿度領域のみならず、高湿度領域まで高感度かつ高精度に測定できることが分かる。また、式１から、感応膜１１４の形成領域を大きくすることにより、さらに高感度かつ高精度にできることもわかる。理想的には、測定端子の弾性表面波の周回経路全体に亘り感応膜１１４を形成するのが好ましい。この場合、式１から分かるように、参照素子も不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る湿度センサーの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る弾性表面波素子の他の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る湿度センサーを用いた湿度測定実験方法を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る湿度センサーの検量線を示すグラフである。
【図５】図４の検量線（ａ）の低湿度領域を拡大したグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１００  湿度センサー
１１０  弾性表面波素子
１１１  基体
１１２  櫛形電極
１１３  入出力用電極
１１４  感応膜
１２０  発信機
１３０  インピーダンスマッチング回路
１４０  高周波アンプ
１５０  デジタルオシロスコープ
１６０  湿度信号生成部
【図１】
2008116404.tif 000003
【図２】
2008116404.tif 000004
【図３】
2008116404.tif 000005
【図４】
2008116404.tif 000006
【図５】
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