(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体と、
前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起する電気音響変換素子と、
少なくとも一部が前記３次元基体の前記周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜
とを備え、前記周回帯が前記３次元基体の外周側表面に定義されることを特徴とするセンサヘッド。
【請求項２】
前記感応膜の厚さが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサヘッド。
【請求項３】
前記感応膜の厚さが、前記弾性表面波の波長の１／５００以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサヘッド。
【請求項４】
前記感応膜の厚さが、前記弾性表面波の波長の１／１０００以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサヘッド。
【請求項５】
前記感応膜がパラジウムを含む膜であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサヘッド。
【請求項６】
前記３次元基体の表面に、該表面温度を測定する温度センサを更に備えることを特徴とする請求の範囲第１項記載のセンサヘッド。
【請求項７】
前記温度センサは、前記周回帯の少なくとも一部に配置された抵抗測温体パターンであることを特徴とする請求の範囲第６項記載のセンサヘッド。
【請求項８】
円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体と、
前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、且つ多重周回した前記弾性表面波から高周波信号を生成する電気音響変換素子と、
少なくとも一部が前記３次元基体の前記周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜と、
前記電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部と、
前記電気音響変換素子から前記弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部
とを備え、前記周回帯が前記３次元基体の外周側表面に定義されることを特徴とするガスセンサ。
【請求項９】
前記高周波発生部及び前記検出・出力部は、前記３次元基体に集積化されていることを特徴とする請求の範囲第８項記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記３次元基体の表面に、該表面温度を測定する温度センサを更に備えることを特徴とする請求の範囲第８項記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記温度センサは、前記周回帯の少なくとも一部に配置された抵抗測温体パターンであることを特徴とする請求の範囲第１０項記載のガスセンサ。
【請求項１２】
円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体と、
前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、且つ多重周回した前記弾性表面波から高周波信号を生成する電気音響変換素子と、
少なくとも一部が前記３次元基体の前記周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜と、
前記３次元基体を搭載する実装基板と、
前記実装基板上に配置され、前記電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部と、
前記実装基板上に配置され、前記電気音響変換素子から前記弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部と、
該実装基板の表面に配置され、前記高周波発生部と電気的に接続された第１の実装配線と、
該実装基板の表面に配置され、前記検出・出力部と電気的に接続された第２の実装配線と、
前記第１及び第２の実装配線のそれぞれと前記電気音響変換素子とを電気的に接続する導電性接続体
とを備え、前記周回帯が前記３次元基体の外周側表面に定義されることを特徴とするセンサユニット。
【請求項１３】
前記３次元基体の表面に、該表面温度を測定する温度センサを更に備えることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のセンサユニット。
【請求項１４】
前記温度センサは、前記周回帯の少なくとも一部に配置された抵抗測温体パターンであることを特徴とする請求の範囲第１３項記載のセンサユニット。
【請求項１５】
円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体と、
前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、且つ多重周回した前記弾性表面波から高周波信号を生成する電気音響変換素子と、
少なくとも一部が前記３次元基体の前記周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜と、
前記３次元基体上に集積化され、前記電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部と、
前記３次元基体上に集積化され、前記電気音響変換素子から前記弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部と、
前記３次元基体を搭載する実装基板と、
該実装基板の表面に配置された実装配線と、
前記第１の実装配線と前記検出・出力部とを電気的に接続する導電性接続体
とを備え、前記周回帯が前記３次元基体の外周側表面に定義されることを特徴とするセンサユニット。
【請求項１６】
前記３次元基体の表面に、該表面温度を測定する温度センサを更に備えることを特徴とする請求の範囲第１５項記載のセンサユニット。
【請求項１７】
前記温度センサは、前記周回帯の少なくとも一部に配置された抵抗測温体パターンであることを特徴とする請求の範囲第１６項記載のセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明はセンサヘッドに係り、特に弾性表面波デバイスを用いたセンサヘッド及びこれを用いたガスセンサ、更にはセンサヘッドを実装したセンサユニットに関する。
【背景技術】  接触燃焼式、半導体式、弾性表面波センサ等、様々なガスセンサが用いられている。この中の弾性表面波センサは、図１に示すような平面型の弾性表面波素子を用いている。図１に示すように、平行平板型の圧電基板１０の上に、弾性表面波を励起するための送信側すだれ状電極１１、弾性表面波を圧電変換で再び高周波電気信号に変換し、検出・出力部１４で検出するための受信側すだれ状電極１３、送信側すだれ状電極１１から受信側すだれ状電極１３に向かって弾性表面波を伝搬する伝搬路となり、且つ特定のガス分子を吸着或いは吸蔵する感応膜１５が設けられている。
圧電基板１０は、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等の圧電結晶、或いは、表面に酸化膜を形成したシリコン基板やガラス基板上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電性薄膜等を形成した多層構造が用いられている。送信側すだれ状電極１１には、高周波発生部１２からの高周波電気信号が供給され、この高周波電気信号が送信側すだれ状電極１１で圧電変換され、弾性表面波が励起される。受信側すだれ状電極１３は、弾性表面波を圧電変換で再び高周波電気信号に変換し、検出・出力部１４に供給し、検出・出力部１４が高周波電気信号を検出する。送信側すだれ状電極１１及び受信側すだれ状電極１３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等の金属よりなる。
図１に示す平面型ガスセンサでは、弾性表面波の伝搬路上に、特定のガス分子を吸着或いは吸蔵する感応膜１５が設けられているため、この感応膜１５が、特定のガス分子を吸着或いは吸蔵することによって、例えば、弾性表面波の伝搬速度、減衰係数、分散等が変化する。或いは、この様な直接的な伝搬特性の変化の他、膜自身の発熱などを介して、間接的に伝搬特性に変化が与えられる。したがって、送信側すだれ状電極１１から受信側すだれ状電極１３への弾性表面波の伝搬特性を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、ひいては特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。
一方、本発明者の一人である山中を含む研究グループは、電子情報通信学会技術研究報告（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ｏｆ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ），ＵＳ２０００巻１４号（２０００年）のｐ４９において、球上の弾性表面波の無回折伝搬による多重周回を報告している。
【発明の開示】
図１に示したような従来の平面弾性表面は素子においては、弾性表面波の伝搬における回折効果と圧電基板１０の大きさによって、その伝搬距離が１ｍｍから１０ｍｍ程度と短かい距離に限定される。このため、センサとして十分な感度を得るためには、例えば１００ｎｍ以上等のある程度の感応膜１５の膜厚が必要だった。したがって、特に感応膜１５を特定ガスの吸蔵薄膜にした場合は、反応速度が遅いという欠点を有していた。又、比較的厚い感応膜１５は、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵によって生じる薄膜の反応による相転移、温度変化による体積の膨張・収縮等の物理的変化及びその繰り返しの衝撃に対し弱いという欠点を有していた。
なお、高感度にするために、図１に示す構造を発展させ、平面上に弾性表面波の導波路による周回リングを構成して、伝搬距離を増加することを提案することは、可能である。しかし、平面上の弾性表面波では分散の影響を完全に回避することは困難であり、波形がひずむ。更に平面上に形成した導波路の曲率の大きい部分では導波路からの漏れの抑制も困難であり、波が減衰する。
上記問題点を鑑み、本発明は、高感度、高速応答で、なおかつ機械的に丈夫なセンサヘッド及びこれを用いたガスセンサ、更にはセンサヘッドを実装したセンサユニットを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は（ａ）円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体；（ｂ）３次元基体の周回帯上に位置し、周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起する電気音響変換素子；（ｃ）少なくとも一部が３次元基体の周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜とを備えるセンサヘッドであることを要旨とする。ここで、「周回帯」の幅は完全に平行である必要はなく、円環上で、幅が広くなったり狭くなったりするような、多少の幅の変化が許容される。「３次元基体」は、周回帯の中心線に沿った第１の主方向に第１の曲率を有し、且つこの第１の主方向に直交する第２の主方向に第２の曲率を有することが好ましい。但し、第１の曲率と第２の曲率とは、必ずしも等しい必要はない。第１の主方向に定義される第１の曲率は必ずしも、一定の曲率半径である必要はないが、少なくとも伝搬経路上のあらゆる点でいずれも方向にも曲率は同じ符号である必要がある。第２の主方向に定義される第２の曲率も必ずしも、一定の曲率半径である必要はなく、第２の主方向にそった断面図で見た場合、周回帯の中心線近傍でミクロには平坦な外径面を形成するようなトポロジーも許容できる。即ち、周回帯の中心線近傍では曲率半径無限大であるが、第２の主方向に沿って周回帯の中心線から離れるに従い曲率半径が、連続的若しくは、階段状に小さくなるようなトポロジーでも良い。丁度、算盤玉の円周の端部を円柱面状にしたようなトポロジーや、二つの円錐を互いに底面で接続し、その接続部分の最大径となる円周の端部を円柱面状にしたようなトポロジーでも良い。
簡単な場合として、「３次元基体」として真球を考えれば、周回帯の幅は球の半径と弾性表面波の波長で決まる。球（真球）の周長と弾性表面波の波長との比（又は弾性表面波の波数と球の半径との積）で定義される波数パラメータと、周回帯の幅と球の半径との比で定義されるコリメート角の間には近似的に次の関係がある（電子情報通信学会技術研究報告ＵＳ２０００巻，ｐ４９参照。）。
0004611890.tif 000002
表１によると、例えば、直径１０ｍｍの水晶球で、周波数が４５ＭＨｚだと、波数パラメータは４３８であり、コリメート角はおよそ８°で、周回帯の幅は、直径の約７／１００くらいになる。但し、上述したように、「周回帯」の幅は完全に平行である必要はないので、コリメート角も厳密に常に一定である必要はなく、結晶の異方性に従い、広くなったり、狭くなったりするような、多少の変動が許容される。
「周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起する電気音響変換素子」としては、オルターニット・フェーズアレイのすだれ状電極を用いれば良い。このすだれ状電極のフィンガーの長手方向は、周回帯の方向に直交するが、周回帯は、すだれ状電極の長手方向をすべて含んでいることが望ましい。この様なトポロジーであれば、３次元基体はビヤ樽形状等でも良く、繭型やラクビーボール型でも良い。
以上説明したように、一定の条件下では、真球以外の閉じた曲面上を周回する弾性表面波素子も構成することができる。真球以外の曲面でも、１点で発生してリング状に広がる弾性表面波は１周回った後に同一点に戻ることができるが、その戻る時刻が曲面上の伝搬経路により異なり波形が時間軸上で広がってしまうため、伝搬時間や周回共振周波数の変化を計測するセンサとしての精度が低下してしまう。このため、本発明の第１の特徴に係る「３次元基体」のトポロジーとしては、真球が最も好ましい。
いずれにせよ、「３次元基体」は、中身の詰まった塊状である必要はなく、空洞部分（中空部部分）を有する３次元形状や、ある肉厚の殻により外面を形成した３次元形状でも良い。したがって、周回帯は、３次元基体の外周側表面に円環状に定義される場合と、３次元基体の空洞部分の内壁側表面に円環状に定義される場合がある。
本発明の第１の特徴に係る３次元基体の周回帯を伝搬する弾性表面波は、無回折で多重周回する。例えば、直径１０ｍｍの水晶球を用いた計測結果によればその多重周回は３００周から５００周に及ぶ。これは、より小型の直径１ｍｍの球を用いたとしても、３００周回で実効長９００ｍｍに等価な伝搬距離を持っていることを示している。したがって、従来の平面型（２次元構造）の弾性表面波素子に比べれば、２桁程度伝搬距離が長い。このことは、伝搬遅延時間計測においては、従来よりも２桁程度の時間分解能の改善、ひいては感度の改善になるということである。
本発明の第１の特徴に係る感応膜は、特定のガス分子と反応する、即ち、特定のガス分子の吸着、吸蔵、化学反応若しくは触媒化学反応を生じ、それによりその弾性表面波伝搬特性に変化が生じる。例えば、特定のガス分子が感応膜に吸着すれば、そのガス分子の質量効果により、弾性表面波の伝搬速度は遅くなるし、振動振幅の減衰率も大きくなる。或いは特定のガス分子が感応膜と反応し、別の化合物に変化する場合も弾性特性が変化し、弾性表面波の伝搬特性に差が生じる。特定のガス分子と感応膜の反応による温度変化、又は感応膜を触媒とした化学反応によっても、弾性表面波の伝搬特性が変化する。したがって、弾性表面波の多重周回の遅延時間や周波数変化、或いは振幅、出力波形を検出することにより、特定のガス分子の有無や濃度等を計測できる。
本発明の第１の特徴に係る感応膜の厚さは、１００ｎｍ以下が好ましい。感応膜上を弾性表面波が多重周回すれば良いので、感応膜の必要量は非常に少なくて済み、感応膜の厚さを薄くすることにより、コストを大幅に削減できる。特に吸蔵型感応膜の場合には、特定のガス分子の感応膜中への拡散が応答時間を律速しているため、感応膜を薄くすることにより応答時間が早くなり、より実用的なセンサを供給できるからである。勿論同じ厚さならば飛躍的に高感度化ができ、従来検知できなかったような感度が得られる。この場合の下限は１分子層になるが、通常は、３分子層程度以上が好ましい。更に、感応膜を１００ｎｍ以下が薄くすることにより、外部温度変化や膜自身の反応熱の温度変化による膜の伸縮や、化学反応や原子吸蔵による物理的な結晶構造変化の繰り返しに強い構造が実現できる。この場合の下限は１分子層になるが、通常は、３分子層程度以上が好ましい。
又、感応膜の厚さが、弾性表面波の波長の１／５００以下であることが好ましい。より好ましくは、感応膜の厚さが、弾性表面波の波長の１／１０００以下とすべきである。
更に、感応膜がパラジウム（Ｐｄ）を含む膜である場合に、本発明の第１の特徴に係るセンサヘッドは好適である。「Ｐｄを含む膜」とは、単体のＰｄ膜の他、チタン・パラジウム（Ｔｉ−Ｐｄ）、ニッケル・パラジウム（Ｎｉ−Ｐｄ）、金・パラジウム（Ａｕ−Ｐｄ）、銀・パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）、若しくは金・銀・パラジウム（Ａｕ−Ａｇ−Ｐｄ）等のパラジウム合金膜等が含まれる意である。この様な、Ｐｄを含む感応膜は、特に水素ガス（Ｈ２）を検出するのに有効である。
Ｐｄを含む感応膜のように、材料として高価な材料の場合があるが、例えば、球表面の一部に感応膜を形成すれば安価にできる。
本発明の第２の特徴は、（ａ）円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体；（ｂ）３次元基体の周回帯上に位置し、周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、且つ多重周回した弾性表面波から高周波信号を生成する電気音響変換素子；（ｃ）少なくとも一部が３次元基体の周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜；（ｄ）電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部；（ｅ）電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部とを備えたガスセンサであることを要旨とする。
本発明の第２の特徴は、第１の特徴において述べたセンサヘッドの電気音響変換素子を構成しているすだれ状電極に高周波信号を与える高周波発生部と、電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部を備えたものである。検出・出力部は、電気音響変換素子から受信した高周波信号を検出し、遅延時間、周波数、或いは振幅等の弾性表面波の伝搬特性を測定する検出部と、伝搬特性の変化を特定のガス分子の有無や、濃度を換算して表示する出力部とを有する。この様な構成の、本発明の第２の特徴に係るガスセンサでは、特定のガス分子が感応膜に吸着すれば、そのガス分子の質量効果により、弾性表面波の伝搬速度は遅くなるし、振動振幅の減衰率も大きくなる。或いは特定のガス分子が感応膜と反応し、別の化合物に変化する場合も弾性特性が変化し、弾性表面波の伝搬特性に差が生じる。特定のガス分子と感応膜１５の反応による温度変化、又は感応膜を触媒とした化学反応によっても、弾性表面波の伝搬特性が変化するので、弾性表面波の多重周回の遅延時間や周波数変化、或いは振幅、出力波形を検出することにより、特定のガス分子の有無や濃度等を計測できる。
本発明の第２の特徴に係るガスセンサによれば、弾性表面波の多重周回現象を用いることにより、従来の平面型弾性表面波素子に比べて、１桁以上長い実効伝搬長を実現できる。そのため時間分解能を１桁以上あげることができるので、ガスセンサの感度を高くできる。又、第１の特徴において述べたように、特に吸蔵型感応膜の場合には、特定のガス分子の感応膜中への拡散が応答時間を律速しているため、感応膜を薄くすることにより応答時間が早くなり、より実用的なセンサを供給できる。更に、感応膜を薄くすることにより、外部温度変化や膜自身の反応熱の温度変化による膜の伸縮や、化学反応や原子吸蔵による物理的な結晶構造変化の繰り返しに強い構造にできる。
本発明の第２の特徴において、高周波発生部及び検出・出力部を３次元基体に集積化すれば、ガスセンサを小型化でき好ましい。
本発明の第３の特徴は、（ａ）円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体；（ｂ）３次元基体の周回帯上に位置し、周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、且つ多重周回した弾性表面波から高周波信号を生成する電気音響変換素子；（ｃ）少なくとも一部が３次元基体の周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜；（ｄ）３次元基体を搭載する実装基板；（ｅ）実装基板上に配置され、電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部；（ｆ）実装基板上に配置され、電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部；（ｇ）この実装基板の表面に配置され、高周波発生部と電気的に接続された第１の実装配線；（ｈ）この実装基板の表面に配置され、検出・出力部と電気的に接続された第２の実装配線；（リ）第１及び第２の実装配線のそれぞれと電気音響変換素子とを電気的に接続する導電性接続体とを備えたセンサユニットであることを要旨とする。「導電性接続体」としては金属バンプやボンディングワイヤ等の半導体の実装工程で用いられる種々の導電性部材が使用可能である。
既に、第１及び第２の特徴における説明から明らかであろうが、本発明の第３の特徴に係るセンサユニットによれば、従来の平面の弾性表面波素子に比べて、感度と応答性能を両立させて飛躍的に高性能なセンサユニットが提供できる。更に、感応膜が薄くできるため、外部温度変化や膜自身の反応熱の温度変化による膜の伸縮や、化学反応や原子吸蔵による物理的な結晶構造変化の繰り返しに強い構造のセンサユニットが提供できる。
本発明の第４の特徴は、（ａ）円環状に周回帯を定義可能な曲面を有する３次元基体；（ｂ）３次元基体の周回帯上に位置し、周回帯に沿って多重周回するように弾性表面波を励起し、且つ多重周回した弾性表面波から高周波信号を生成する電気音響変換素子；（ｃ）少なくとも一部が３次元基体の周回帯の少なくとも一部に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜；（ｄ）３次元基体上に集積化され、電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部；（ｅ）３次元基体上に集積化され、電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部；（ｆ）３次元基体を搭載する実装基板；（ｇ）この実装基板の表面に配置された実装配線；（ｈ）第１の実装配線と検出・出力部とを電気的に接続する導電性接続体とを備えたセンサユニットであることを要旨とする。第３の特徴で述べたように、「導電性接続体」としては金属バンプやボンディングワイヤ等の半導体の実装工程で用いられる種々の導電性部材が使用可能である。
第３の特徴に係るセンサユニットと同様に、本発明の第４の特徴に係るセンサユニットによれば、従来の平面の弾性表面波素子に比べて、感度と応答性能を両立させて飛躍的に高性能なセンサユニットが提供できる。更に、感応膜が薄くできるため、外部温度変化や膜自身の反応熱の温度変化による膜の伸縮や、化学反応や原子吸蔵による物理的な結晶構造変化の繰り返しに強い構造のセンサユニットが提供できる。特に、高周波発生部と検出・出力部とを３次元基体上に集積化しているので、軽量コンパクトなセンサユニットが提供できる。
【図面の簡単な説明】  図１は、従来の平面型センサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
図２Ａは、本発明の第１の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図で、図２Ｂは、図２Ａに示す構造の弾性表面波の周回帯の中心を切る面から見た赤道断面図である。
図３は、本発明の第１の実施例に係るセンサヘッドを用いたガスセンサの検出・出力部で測定される弾性表面波の多重周回に起因した信号波形の遅延を説明する図である。
図４Ａは、本発明の第２の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明する赤道断面図で、図４Ｂは、センサヘッドを用いたガスセンサの検出・出力部で測定される弾性表面波の多重周回に起因した信号波形を説明するグラフである。
図５は、本発明の第２の実施例に係るセンサヘッドの応答速度のガス流量依存性を説明するグラフである。
図６Ａは、本発明の第３の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図で、図６Ｂは、図６Ａに示す構造の弾性表面波の周回帯の中心を切る面から見た赤道断面図である。
図７は、本発明の第４の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
図８は、本発明の第４の実施例の変形例（第１変形例）に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
図９は、本発明の第４の実施例の他の変形例（第２変形例）に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
図１０は、本発明の第５の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
図１１は、本発明の第６の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
図１２Ａは、本発明の第７の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
図１２Ｂは、本発明の第７の実施例に係るセンサヘッドの温度センサの構造を具体的に示す模式的な鳥瞰図である。
図１２Ｃは、本発明の第７の実施例に係るセンサヘッドの温度センサの他の構造を具体的に示す模式的な鳥瞰図である。
図１３は、本発明の第８の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な赤道断面図である。
図１４は、本発明の第９の実施例に係るセンサユニットの構造を説明するための模式的な断面図である。
図１５は、本発明の第９の実施例に係るセンサユニットの実装方法を用いて、複数のセンサヘッド（球状弾性表面波素子）をアレイ状に実装した場合の模式的な鳥瞰図である。
図１６は、本発明の第１０の実施例に係るセンサユニットの構造を説明するための模式的な断面図である。
図１７は、本発明の第１０の実施例に係るセンサユニットの実装方法を用いて、複数のセンサヘッド（球状弾性表面波素子）をアレイ状に実装した場合の模式的な鳥瞰図である。
図１８は、本発明の第１１の実施例に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な赤道断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  次に、図面を参照して、本発明の第１〜第１１の実施例を説明する。以下の図面の項記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下に示す第１〜第１１の実施例は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例に係るセンサヘッドは、図２Ａ及び２Ｂに示すように、円環状に周回帯Ｂを定義可能な曲面を有する３次元基体４０と、この３次元基体４０の周回帯Ｂ上に位置し、周回帯Ｂに沿って多重周回するように弾性表面波を励起する電気音響変換素子２１と、３次元基体４０の周回帯Ｂのほぼ全領域に存在し、特定のガス分子と反応する感応膜２５とを備える。
３次元基体４０としては、圧電結晶からなる均質材料球４０が用いられている。均質材料球４０としては、例えば、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、圧電セラミック（ＰＺＴ）、ビスマスゲルマニウムオキサイド（Ｂｉ１２ＧｅＯ２０）等の単結晶球が採用可能である。この均質材料球４０の表面のほぼ全面には、感応膜２５が設けられている。更に、図２Ａ及び２Ｂに示すように、均質材料球４０の赤道上の一部には、均質材料球４０の表面の一部を露出する感応膜２５の開口部が存在し、この開口部の内部にすだれ状電極２１が配置されている。ここで、「赤道」とは、図２Ａに示す均質材料球４０の中心を通り、且つ、矢印Ａの方向と直交する平面が均質材料球４０の表面と交わる線を意味する。
均質材料球４０のような単結晶球の場合は、結晶材料の種類に応じて、弾性表面波が周回するルートが周回帯Ｂに限定される。例えば、水晶の場合、三方晶系結晶軸の一つであるｚ軸を図２Ａに示す矢印Ａの方向とすれば、赤道を中心として、ある幅を持つベルト状の周回帯Ｂで、弾性表面波が周回する。周回帯Ｂの幅は、結晶の異方性に従い、広くなったり狭くなったりしても良い。弾性表面波の伝搬特性からは、均質材料球４０のＺ軸を矢印Ａの方向に取ることが望ましい。
すだれ状電極２１は、所謂オルターニット・フェーズアレイであり、高周波発生部２２からスイッチ部２３を介して供給された高周波電気信号を圧電変換して弾性表面波を励起する。更に、すだれ状電極２１は、赤道上のベルト状の周回帯Ｂを周回してきた弾性表面波を圧電変換して、再び高周波電気信号に変換する機能をも兼ねている。すだれ状電極２１で再び高周波電気信号に変換された高周波電気信号は、スイッチ部２３を介して検出・出力部２４に供給され、検出・出力部２４で検出される。スイッチ部２３は高周波発生部２２と検出・出力部２４を切り換える。高周波発生部２２からの高周波電気信号をすだれ状電極２１に供給して、すだれ状電極２１が弾性表面波を送出後、所定の周回回数（第ｎ周回：ｎ≧１）目の弾性表面波が戻ってくる前に、すだれ状電極２１からの信号経路を検出・出力部２４に切り換える。勿論、高周波発生部２２からすだれ状電極２１の方向、及びすだれ状電極２１から検出・出力部２４の方向への、方向性結合回路等でも構わない。
オルターニット・フェーズアレイを構成しているすだれ状電極２１としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等の金属膜を採用可能である。赤道上の周回帯Ｂにおける多重周回の周回数を多く取るためには、弾性表面波に対する質量効果が少ない軽い金属がすだれ状電極２１の材料として望ましく、又、金属膜の膜厚も薄い方が望ましい。送信側と受信側と別々のすだれ状電極があっても構わないが、均質材料球４０の赤道上を弾性表面波が周回する素子では、弾性表面波が戻ってくるので、一つのすだれ状電極２１を時分割で共用するのが有効である。
弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１は、図２Ａに示すように、均質材料球４０の表面上で、その長手方向を赤道方向と垂直に取れば良い。すだれ状電極２１の長さは、弾性表面波の速度、均質材料球４０の半径等によって決定され、最適な値に設計することにより、一定幅の弾性表面波を多重周回させることができる。
すだれ状電極２１の長さが最適値より短い場合は、角度で９０°周回すると弾性表面波の幅が最大になり、次の９０°の周回で元の幅に戻り、以下それを繰り返す。一方、すだれ状電極２１の長さが最適値より長い場合は、角度で９０°周回すると弾性表面波の幅が最小になり、次の９０°の周回で元の幅に戻り、以下それを繰り返す。したがって、所望の伝搬経路により、すだれ状電極２１の長さを設計しても良い。オルターニット・フェーズアレイを構成しているすだれ状電極２１の繰り返し周期は、弾性表面波の速度や均質材料球４０の半径より、所望の周波数特性が得られるように設計する。繰り返し周期が短いほど弾性表面波に対する共振周波数が高くなり、表面との相互作用の効率が上がるために高感度になる。繰り返しの数が多いほど共振の幅が狭くなり、Ｑ値が上昇する。
センサヘッドとしての感度は、均質材料球４０の表面に形成された感応膜２５の材料と構造に依存する。この感応膜２５は、特定のガスと接触することにより、弾性表面伝搬特性に変化を及ぼすものであることが必要である。例えば、気体を表面に吸着させ、その質量効果により弾性表面波の伝搬速度を遅くなっても良いし、質量効果により伝搬強度が減衰しても良い。或いは、気体を感応膜２５内に吸蔵し、その薄膜の機械的堅さが変化し、弾性表面波の伝搬速度や減衰に変化を及ぼすものでも良い。更には、気体と反応することにより吸熱或いは発熱反応を起こし、弾性表面波の伝搬速度や減衰に影響を及ぼすものであっても良い。この感応膜２５は、特定の気体とのみ選択的に反応を起こし、なおかつ、可逆反応を起こす材料であることが望ましい。
例えば、この様な感応膜２５として、水素（Ｈ２）を収蔵し、水素化物を形成して機械的性質が変化するパラジウム（Ｐｄ）、アンモニア（ＮＨ３）に対する吸着性が高いプラチナ（Ｐｔ）、水素化物を吸着する酸化タングステン（ＷＯ３）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、二酸化硫黄（ＳＯ２）、二酸化窒素（ＮＯ２）等を選択的に吸着するフタロシアニン（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）等が知られている。
第１の実施例に係るセンサヘッドでは、すだれ状電極２１より弾性表面波を送出した後、特定の回数を多重周回した後の弾性表面波の遅延時間や振幅等の伝搬特性を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。
第１の実施例に係るセンサヘッドを用いたガスセンサの動作例が図３である。横軸には時間、縦軸には高周波電圧（振幅）が示してある。第１の実施例に係るセンサヘッドの表面に、特定のガス分子が吸着していないときにおいて、弾性表面波を送出後一定時間が経過し、特定の回数を多重周回を重ねた後の動作波形が図３の波形６である。但し、高周波電気信号で弾性表面波を励起した時間をゼロとし、特定の回数を多重周回後の波形近傍の時間軸を拡大して示してある。例えば、均質材料球４０が直径１ｍｍの水晶均質材料球４０の場合においては、弾性表面波の１周回は約１μｓであり、高周波電気信号で弾性表面波を励起した時間をゼロとすると１００回目の周回であれば、励起後約１００μｓ経過した後の現象と言うことになる。
表面に特定のガス分子が吸着したときには、表面に吸着した物質の質量効果により、弾性表面波の伝搬速度が遅くなる。このため、波形７に示すように弾性表面波には、矢印Ｃに示すような、更なる遅延が生じる。この波形７の遅延の有無や、大きさで特定のガス分子の有無や濃度を測定することができる。例えば、伝搬長約３ｍｍ、１μｓのときに１ｎｓ（０．１％）の分解能を持つ検出・出力部２４を有している場合において、第１の実施例に係るセンサヘッドを用い、１００μｓ後に１ｎｓ分解能で測定を行えば、従来の１／１００の１０ｐｐｍの分解能まで測定できることになる。
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例に係るセンサヘッドは、図４Ａに示すように、円環状に周回帯Ｂを定義可能な曲面を有する３次元基体４０と、この３次元基体４０の周回帯Ｂ上に位置し、周回帯Ｂに沿って多重周回するように弾性表面波を励起する電気音響変換素子２１と、３次元基体４０の周回帯Ｂの一部に存在する特定のガス分子と反応する感応膜２５とを備える。３次元基体４０は、第１の実施例と同様な均質材料球４０であるが、均質材料球４０の一部のみに感応膜２６が設けられている点が、第１の実施例とは異なる。そして、感応膜２６が存在しない均質材料球４０の赤道上の一部に、電気音響変換素子２１としてのすだれ状電極２１が配置されている。
即ち、第２の実施例に係るセンサヘッドでは、均質材料球４０の表面の、すだれ状電極２１の反対側に位置にあたる一部分にのみ感応膜２６が設けられている。均質材料球４０としては、第１の実施例に係るセンサヘッドと同様な水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の単結晶球が採用可能であるが、第２の実施例に係るセンサヘッドにおいては、直径１０ｍｍの水晶球の場合を説明する。感応膜２６はＰｄ膜で、弾性表面波の周回帯上に直径約６ｍｍの円状領域として、真空蒸着法により２０ｎｍ製膜した。Ｐｄは選択的に水素のみを吸収し、水素合金を形成するので、非常に選択性の良い水素ガスセンサとなる。又、Ｐｄは、すだれ状電極２１の形成及びアッセンブリ後に、球状弾性表面波素子の上面にのみ真空蒸着法によって形成できるので、製作が容易である。
Ｐｄのように感応膜２６が材料として高価な場合は、図４Ａ及び４Ｂに示すように、球表面の一部に感応膜２６を形成すれば、感応膜２６の必要量が非常に少なくて済み、コストを大幅に削減できる。したがって、第２の実施例に係るセンサヘッドの工業的価値は非常に高い。
図４Ｂが、第２の実施例に係るセンサヘッドの検出・出力部２４で測定される信号波形である。縦軸には高周波の検出振幅を、横軸には時間経過を示す。弾性表面波の励振周波数は約４５ＭＨｚで、直径１０ｍｍの水晶均質材料球４０における弾性表面波の周回時間は約１０μｓであり、４１周回目（４００μｓ前後）の信号を測定した。図４Ｂには、水素導入前のアルゴンガス１００％の場合と、水素を３％導入した後の波形を示す。Ｐｄは水素を吸収して、水素化物を形成を形成し、機械的に堅くなるので、弾性表面波の速度は速くなり、遅延時間が減少する。水素３％を導入した場合の遅延時間の減少は約３ｎｓ（約７ｐｐｍ）であった。
水素ガスセンサとして、その特性をアクリル製円筒のフローセルにより評価したのが図５である。図５の縦軸が弾性表面波の遅延時間が、横軸に時間経過である。まず純Ａｒガスを流し、時刻３．０分に３．０ｖｏｌ％水素を含むＡｒガスに切り換え、時刻８．０分に純Ａｒガスに切り換えた。ガス流量は、０．２Ｌ／分、１．０Ｌ／分、５．０Ｌ／分と変化させた。ガス流量を増加させると、フローセル内のガスの置換が早くなるので応答時間は６０秒ほどで飽和している。これは、水素がＰｄ内を拡散するのに要する時間と考えられ、従来の平面型弾性表面波素子を用いた水素ガスセンサ（Ｐｄ膜厚１９０ｎｍ）の１／４以下の応答速度になっている。これは、主として感応膜２６としてのＰｄの膜厚が従来の約１／１０になっていることに起因する。
ここで、第２の実施例に係るセンサヘッドの水素に対する限界感度について言及する。水素への応答時間を評価するため、４１周回目の波形に、時間・周波数分解能の優れたガボール（Ｇａｂｏｒ）関数をマザー・ウェーヴレットとして用いるウェーヴレット変換を適用し、時刻４０３．０４０ｓ〜４０３．０６０ｓの間においてウェーヴレット変換の実部を最大とする時刻を求め、これを遅延時間とした。計測のサンプリング時間は０．５ｎｓだったが、ウェーヴレット解析は０．０２５ｎｓの時間間隔で補間したところ、０．０２５ｎｓの分解能で有意な変化が見られた。一方、全遅延時間は４０３μｓなので、相対時間精度は０．０２５／４０３０００＝６０ｐｐｂである。これは水素ガス濃度に換算すれば、３０ｐｐｍに相当する。これは周回数を３００周にすれば、ｐｐｍ台の水素濃度精度も達成できることを意味している。逆に同一感度を保って、Ｐｄ膜を薄膜化すれば、応答時間を更に早めることができる。この様な極限的な計測精度を可能としたのは、均質材料球４０の弾性表面波に固有の特性である無回折伝搬による超多重周回である。
現在市販されている水素ガスセンサは接触燃焼方式及び半導体方式である。接触燃焼方式は水素以外の燃焼性ガスにも応答してしまい、選択性に問題がある。又、接触燃焼方式は高濃度、半導体方式は低濃度のみで使用でき、広い濃度範囲にわたって使用できない。前述したように、平面型の弾性表面波素子を用いた水素ガスセンサにおいては、応答時間が問題となっている。したがって、従来は選択性、感度とそのダイナミックレンジ、応答時間等のすべてを満足する水素ガスセンサは存在しなかったが、第２の実施例に係るセンサヘッドは、非常に選択性に優れ、ｐｐｍの感度と、数％までのダイナミックレンジと、６０秒以内の応答時間を有する、すべての点に優れた水素ガスセンサである。
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例に係るセンサヘッドは、図６Ａ及び６Ｂに示すように、弾性特性の均質な材料よりなる均質材料球４０の少なくとも一部に圧電性薄膜４１が形成されている。圧電性薄膜４１が表面に形成されているので、第１及び第２の実施例とは異なり、均質材料球４０は、圧電性を持たない物質（非圧電物質）でも構わない。このため、均質材料球４０の材料としては、アモルファス材料である硼珪酸ガラス，石英ガラスなどのガラス材料が採用可能である。圧電性薄膜４１としては、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が採用可能で、これらの薄膜は、公知のスパッタリング法、真空蒸着法等で均質材料球４０の表面に堆積すれば良い。
均質材料球４０と圧電性薄膜４１の表面には、感応膜２５が設けられている。圧電性薄膜４１は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１の近傍にのみあれば良い。非圧電物質の表面に直接、すだれ状電極２１を形成するだけでは弾性表面波を励起することはできない。電界が加わっても、均質材料球４０が歪まないからである。したがって、すだれ状電極２１の直下や直上等、すだれ状電極２１の近傍にのみ少なくとも、圧電性薄膜４１があれば、弾性表面波を励起し、又、受信することができる。高周波発生部２２、スイッチ部２３、検出・出力部２４に関しては、第１の実施例に係るセンサヘッドと同様であり、重複した説明を省略する。
図６Ｂには、図６Ａに示した第３の実施例に係るセンサヘッドの断面構造を示した。すだれ状電極２１の設計については第１の実施例に係るセンサヘッドと何ら変わるところはない。図６Ｂに示す断面図においては、すだれ状電極２１が圧電性薄膜４１の上に形成されているが、すだれ状電極２１の位置はこれに限ることはなく、例えば均質材料球４０と圧電性薄膜４１の間にあっても構わないし、圧電性薄膜４１の上下を１対のすだれ状電極２１で挟み込むような構造にしても良い。いずれの場合においても、弾性表面波の周回帯Ｂは、すだれ状電極２１の長手方向に対して直角な方向となり、任意の方向を選択できる。
センサヘッドとしての感度は、均質材料球４０の表面に形成された感応膜２５の材料と構造により決められる。この感応膜２５は、特定のガスと接触することにより、弾性表面伝搬特性に変化を及ぼすものであることが必要である。例えば、気体を表面に吸着させ、その質量効果により弾性表面波の伝搬速度を遅くなっても良いし、質量効果により伝搬強度が減衰しても良い。或いは、気体を感応膜２５内に吸蔵し、その薄膜の機械的堅さが変化し、弾性表面波の伝搬速度や減衰に変化を及ぼすものでも良い。更には、気体と反応することにより吸熱或いは発熱反応を起こし、弾性表面波の伝搬速度や減衰に影響を及ぼすものであっても良い。この感応膜２５は、特定の気体とのみ選択的に反応を起こし、なおかつ、可逆反応を起こす材料であることが望ましい。
（第４の実施例）
本発明の第４の実施例に係るセンサヘッドは、図７に示すように、弾性表面波の周回帯Ｂにのみ感応膜２５を形成されていることが特徴である。弾性特性の均質な材料よりなる均質材料球４０の少なくとも一部に圧電性薄膜４１が形成されている。圧電性薄膜４１は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１の近傍にのみある。そして、すだれ状電極２１の長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Ｂがある。高周波発生部２２、スイッチ部２３、検出・出力部２４に関しては、第１及び第３の実施例に係るセンサヘッドと同様であり、重複した説明を省略する。
第４の実施例に係るセンサヘッドでは感応膜２５は、弾性表面波の周回帯Ｂの近傍にのみ形成されている。感応膜２５をパターニングする必要がある反面、感応膜２５がない表面を、他の目的に使用できるという利点を有している。
Ｐｄのように感応膜２５が材料として高価な場合は、図７に示すように、周回帯Ｂのみに感応膜２５を形成すれば、感応膜２５の必要量が非常に少なくて済み、コストを大幅に削減できる。したがって、第４の実施例に係るセンサヘッドの工業的価値は非常に高い。
図８には、第４の実施例に係るセンサヘッドの変形例（第１変形例）として、高周波発生部６２、スイッチ部６３や検知・出力部６４を均質材料球４０の表面上に集積化した模式的な構造例を示した。均質材料球４０の少なくとも一部に圧電性薄膜４１が形成され点は、図７と同様である。圧電性薄膜４１は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１の近傍にのみあり、すだれ状電極２１の長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Ｂがある。感応膜２５は、弾性表面波の周回帯Ｂの近傍にのみ形成されているため、それ以外の領域に他の回路を形成できる。
図８に示す均質材料球４０は、表面に酸化膜が形成されたシリコン球４０が望ましい。弾性表面波の伝搬に対する均質性を酸化膜により近似的に確保した上で、感応膜２５を形成する領域を除いて酸化膜を除去することで、弾性表面波の伝搬に寄与しない領域に球面半導体製造技術によって、高周波発生部６２、スイッチ部６３、検知・出力部６４等の回路、更には、その他の高周波回路や集積回路を形成でき、ガスセンサを小型化できる。
勿論、均質材料球４０として硼珪酸ガラスや石英ガラス等のガラス材料を用い、高周波回路や集積回路を形成する部分に、多結晶シリコン薄膜或いはアモルファスシリコン薄膜を堆積させ、その上に薄膜トランジスタを集積することもできる。多結晶シリコン薄膜やアモルファス薄膜は熱処理やレーザーアニールによって単結晶化してから用いても良い。新たに薄膜を形成する方式は、均質材料球４０を用いたセンサヘッドにも応用できることは言うまでもない。
図９には、第４の実施例に係るセンサヘッドの他の変形例（第２変形例）として、複数の弾性表面波の周回帯Ｂ−１及びＢ−２を有していて、それぞれの周回帯Ｂ−１及びＢ−２に対して異なる感応膜２５ａ及び２５ｂを形成し、複数のガス種の同時計測を行う場合の模式的な構造例を示した。均質材料球４０の少なくとも一部に圧電性薄膜４１ａ及び４１ｂが形成されている。圧電性薄膜４１ａ及び４１ｂは弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１ａ及び２１ｂの近傍にのみあり、すだれ状電極２１ａ及び２１ｂの長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Ｂ−１及びＢ−２がある。それぞれの周回帯Ｂ−１及びＢ−２はできるだけ重複しないように、すだれ状電極２１ａ及び２１ｂの配置が決められる。感応膜２５ａ及び２５ｂは、弾性表面波の周回帯Ｂの近傍にのみ形成される。感応膜２５ａ及び２５ｂの種類を変えることにより、異なる種類のガス種を計測することが可能になる。勿論同一の感応膜とし、それぞれの周回帯Ｂ−１及びＢ−２からの検出結果を平均化することで精度の向上を測っても構わないし、測定感度に重点をおいた比較的膜厚の厚い感応膜と、反応速度に重点をおいた比較的薄い感応膜を組み合わせて使用しても良い。
図９に示す構造の高周波発生部２２、スイッチ部２３、検出・出力部２４は、第１及び第３の実施例に係るセンサヘッドとほぼ同様であるが、スイッチ部２３が二つのすだれ状電極２１ａ及び２１ｂに同時に接続されている点が異なる。感応膜２５ａ及び２５ｂが異なれば、基準となる被測定ガスがない場合の弾性表面波の伝搬特性も異なるため，時分割での計測が可能である。
図９に示すように、複数の周回帯Ｂ−１及びＢ−２を有する場合は、ここに記述される以外にも、一つのスイッチ部から、別々に二つのすだれ状電極に配線を行い、交互に時分割計測を行う方法によっても実施できる。
又、図９では、周回帯Ｂ−１及びＢ−２が二つの場合について説明されているが、すだれ状電極２１ａ及び２１ｂの長さを最適化すると、弾性表面波の周回帯Ｂ−１及びＢ−２の幅は常に一定とすることができ、しかも高々均質材料球４０の直径の約１／１０程度にできるため、更に多くの周回帯Ｂ−１，Ｂ−２，Ｂ−３，・・・・・を取ることが可能である。例えば、匂いのように、同時に多数のガス分子の存在やその濃度を測定する必要がある場合には、更に多くの周回帯Ｂ−１，Ｂ−２，Ｂ−３，・・・・・を取る構造が、特に有効である。
（第５の実施例）
ところで、本発明のセンサヘッドは、弾性表面波の伝搬特性を利用しているために、周囲温度の影響を受ける。したがって、温度に対する補正をすることが望ましい。
図１０には異なる二つの均質材料球４０ａ及び４０ｂを用いて温度構成を行った模式的な構造例を示す。弾性特性の均質な材料よりなる二つの均質材料球４０ａ及び４０ｂのそれぞれの少なくとも一部に圧電性薄膜４１ａ及び４１ｂがおのおの形成されている。圧電性薄膜４１ａ及び４１ｂは弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるそれぞれのすだれ状電極２１ａ及び２１ｂの近傍にのみあり、すだれ状電極２１ａ及び２１ｂの長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Ｂ−１及びＢ−２がある。感応膜２５は、一方の均質材料球４０ａにのみ形成され、他方の均質材料球４０ｂには形成されない。一方の弾性表面波素子は感応膜２５の存在により、前述した第１の実施例に係るセンサヘッドと同様な動作をする。これに対して他方の弾性表面波素子は、感応膜２５が存在しないために、その弾性表面波の伝搬特性は温度の影響のみを受ける。
図１０に示す構造の高周波発生部２２ｃ、スイッチ部２３ａ，２３ｂ、検出・出力部２４は、第１、第３及び第４の実施例に係るセンサヘッドとほぼ同様であるが、共通の高周波発生部２２ｃで発生させた高周波電気信号は二つに分かれて、それぞれ接続切り換えスイッチ２３ａ及び２３ｂによりすだれ状電極２１ａ及び２１ｂに同時に接続される点が異なる。それぞれの均質材料球４０ａ及び４０ｂの遅延信号は、再び接続切り換えスイッチ２３ａ及び２３ｂにより、検出・出力部２４に伝えられる。ここで、常時弾性表面波の遅延時間の差を測定することによって、温度の影響を取り除き、精度の高い計測を行うことができる。
第５の実施例に係るセンサヘッドによれば、二つの均質材料球４０ａ及び４０ｂを、感応膜２５の有無を除いてまったく同様に実現することにより、二つの信号の差分によって直接温度の影響を取り除いた計測が行えるために、温度補正が容易である。
（第６の実施例）
本発明の第６の実施例に係るセンサヘッドは、図１１に示すように、異なる二つの弾性表面波の周回帯Ｂ−１及びＢ−２を利用した温度校正例である。均質材料球４０の少なくとも一部に圧電性薄膜４１ａ及び４１ｂが形成されている。圧電性薄膜４１ａ及び４１ｂは弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１ａ及び２１ｂの近傍にのみあり、すだれ状電極２１ａ及び２１ｂの長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Ｂ−１及びＢ−２がある。それぞれの周回帯Ｂ−１及びＢ−２はできるだけ重複しないように、すだれ状電極２１ａ及び２１ｂの配置が決められる。感応膜２５は、一方の弾性表面波の周回帯Ｂ−１の近傍にのみ形成される。
第６の実施例に係るガスセンサの高周波発生部２２、スイッチ部２３、検出・出力部２４は、第１及び第３の実施例に係るセンサヘッド等で説明した構成とほぼ同様であるが、スイッチ部２３が二つのすだれ状電極２１ａ及び２１ｂに同時に接続されている点が異なる。一方の弾性表面波の周回帯Ｂ−１にのみ感応膜２５が存在し、他方には存在しないので、検出・出力部２４で、常時弾性表面波の遅延時間の差を測定することによって、温度の影響を取り除き、精度の高い計測を行うことができる。
第６の実施例に係るセンサヘッドによれば、同一の均質材料球４０上に二つの周回帯Ｂ−１及びＢ−２が空間的にも近接して設けられ、しかも同一計測法による温度計測手段を備えているために、温度補正精度が極めて高い。
（第７の実施例）
本発明の第７の実施例に係るセンサヘッドは、図１２Ａに示すように、均質材料球４０上に温度センサ４２を備えている。均質材料球４０の少なくとも一部に圧電性薄膜４１が形成されている。圧電性薄膜４１は弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１の近傍にのみあり、すだれ状電極２１の長手方向に直角に弾性表面波の周回帯Ｂがある。感応膜２５は、弾性表面波の周回帯Ｂの近傍にのみ形成されているため、それ以外の領域に他の回路を形成できる。
このため、第７の実施例に係るセンサヘッドでは、高周波発生部６２、スイッチ部６３や検知・出力部６４が均質材料球４０の表面に集積化されている。
更に第７の実施例に係るセンサヘッドでは弾性表面波の周回帯Ｂから外れたところに温度センサ４２が設けられている。温度センサ４２は、例えば熱電対式、抵抗測温体式、半導体式等種々の方式が用いられる。温度センサ４２は弾性表面波の周回帯Ｂに非常に近い位置に設けられているので、温度校正の精度が高い。
熱電対式の温度センサ４２を用いたセンサヘッドの例を図１２Ｂに示す。均質材料球４０の表面の周回帯Ｂに非常に近い位置に第１金属膜４２３のパターンと第２金属膜４２３のパターンとが、一部が互いに積層するように形成され、測温部（測温接点）を構成し、この測温部からボンディングパッド４２１及び４２３まで配線パターンが形成されている。図１２Ｂに示すように、すだれ状電極２１が周回帯Ｂ上の一部に配置され、すだれ状電極２１は、ボンディングパッド２１１，２１２に接続されている。ボンディングパッド２１１，２１２を介して、図示を省略した実装基板の高周波発生部から高周波電気信号が供給され、供給された高周波電気信号を圧電変換して弾性表面波を励起する。更に、すだれ状電極２１は、赤道上のベルト状の周回帯Ｂを周回してきた弾性表面波を圧電変換して、再び高周波電気信号に変換し、ボンディングパッド２１１，２１２を介して、図示を省略した実装基板の検出・出力部に供給され、検出・出力部で検出される。
図１２Ｂに示す温度センサのボンディングパッド４２１まで配線パターンは、第１金属膜４２３で配線するのが好ましいが、第１金属膜４２３と特性の近い補償導線となる金属膜を用いても良い。同様に、ボンディングパッド４２２まで配線パターンは、第２金属膜４２４で配線するのが好ましいが、第２金属膜４２４と特性の近い補償導線となる金属膜を用いても良い。ボンディングパッド４２１及び４２３を介して、図示を省略した実装基板の基準接点に導かれ、実装基板上の計測機器により温度測定される。
例えば、プラス（＋）側の第１金属膜４２３として１０％クロム（Ｃｒ）−ニッケル（Ｎｉ）合金膜、マイナス（−）側の第２金属膜４２４として、２％アルミニウム（Ａｌ）−Ｎｉ合金膜を用いれば、均質材料球４０の表面上に、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｎｉｃａｌ  Ｃｏｍｉｓｓｉｏｎ（ＩＥＣ）のタイプＫに相当するクロメル・アルメル熱電対を形成できる。ボンディングパッド４２１、ボンディングパッド４２１から第１金属膜４２３まで配線パターン及び第１金属膜４２３は、金属マスクを用いた真空蒸着若しくはスパッタリング、或いはリフトオフ法等により形成できる。同様に、ボンディングパッド４２２、ボンディングパッド４２２から第２金属膜４２４まで配線パターン及び第２金属膜４２４も金属マスクを用いた真空蒸着若しくはスパッタリング、或いはリフトオフ法等により形成できる。中でも、金属マスクを用いる場合は、同じマスクをずらしてボンディングパッド４２１、配線パターン、第１金属膜４２３のパターンと、ボンディングパッド４２２、配線パターン、第２金属膜４２４のパターンが簡単に形成できる。
第１金属膜４２３及び第２金属膜４２３のパターンは、例えば５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さで、０．５ｍｍ角〜２ｍｍ角程度の大きさに形成すれば良い。例えば、直径１０ｍｍの均質材料球４０の表面に約１ｍｍ角、厚さ約１００ｎｍの１０％Ｃｒ−Ｎｉ合金膜４２３と、約１ｍｍ角、厚さ約１００ｎｍの２％Ａｌ−Ｎｉ合金膜４２４をずらして積層した温度センサによれば、周囲の温度が２３度である時にセンサヘッドに４５ＭＨｚの１００μ秒の高周波パースト信号を１ＫＨｚで入力するときに、センサヘッド自体の温度が約０．０８度上昇することが観測できた。一方、ワイヤタイプのクロメル・アルメル熱電対を均質材料球４０の表面に点接触して測定する方法では０．０８度の変化を検出することは０．０３度の検出感度内では測定することはできなかった。この様に、別個に用意した熱電対を均質材料球４０の表面に接触させて均質材料球４０の表面の温度を測定する場合に比べて、図１２Ｂに示す温度センサは、遅延なく温度測定ができる。
抵抗測温体式の温度センサ４２を用いたセンサヘッドの例を図１２Ｃに示す。図１２Ｃでは、抵抗測温体パターン４２５が均質材料球４０の表面の周回帯Ｂの少なくとも一部に配置されている。図１２Ｂと同様に、図１２Ｃにおいても、すだれ状電極２１が周回帯Ｂ上の一部に配置され、すだれ状電極２１は、ボンディングパッド２１１，２１２に接続されている。ボンディングパッド２１１，２１２を介して、図示を省略した実装基板の高周波発生部及び検出・出力部に接続される。
抵抗測温体パターン４２５は、温度に依存して抵抗が変化する材料、例えば金属薄膜で構成すれば良い。そして、抵抗測温体パターン４２５の抵抗の変化を測定することで熱電対の場合と同様に均質材料球４０の表面の温度の直接測定が可能である。抵抗測温体パターン４２５の抵抗の変化を大きくするためには、抵抗測温体パターン４２５を構成する材料の抵抗率を大きくする、抵抗測温体パターン４２５の膜厚を薄くする、抵抗測温体パターン４２５の線幅を狭くする、或いは抵抗測温体パターン４２５の全長を長くすれば良い。図１２Ｃでは、抵抗測温体パターン４２５を、蛇行する所謂メアンダラインとして形成し、全長を長くしている。抵抗測温体パターン４２５は、薄い単層の薄膜で形成するのが、周回帯Ｂを伝搬する弾性表面波の周回を阻害しないので好ましい。
例えば、抵抗測温体パターン４２５として、白金（Ｐｔ）薄膜の細線パターンを用いる場合は、白金薄膜の厚さは例えば５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度、好ましくは１５０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さに選べば良い。白金薄膜の細線パターン４２５は、金属マスクを用いた真空蒸着若しくはスパッタリング、或いはリフトオフ法等により形成できる。
図１２Ｃに示す温度センサのボンディングパッド４２１まで配線パターンは、抵抗測温体パターン４２５と同一の材料で配線するのが好ましいが、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）等の電気伝導率の高い金属膜を用いても良い。ボンディングパッド４２１及び４２３を介して、図示を省略した実装基板に導かれ、実装基板上の計測機器により温度測定がされる。
図１２Ｃに示すように、抵抗測温体パターン４２５を弾性表面波の周回帯Ｂに形成することにより、弾性表面波の周回する表面の直接測定が可能で最も正確な測定が可能で、しかも、弾性表面波の周回を阻害しないようにできる。
例えば、幅約０．２ｍｍ、厚さ約２００ｎｍの白金薄膜を用い、８回折り返しのメアンダラインで抵抗測温体パターン４２５を構成した。メアンダラインの全長は、３．７６ｍｍである。この抵抗測温体パターン４２５で、抵抗変化を測定したところ比抵抗で１．３８５１／１００℃（ＪＩＳ  Ｃ  １６０４−１９９７相当）であり、十分な測定感度を持つ。
なお、白金の抵抗測温体パターン４２５の周回経路にかかる部分について、白金膜も水素から弾性的な影響を受けることが「燃料電池システム用窒化ガリウム集積化ガス／温度センサ（Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｇａｓ／Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）、水素、燃料電池及びインフラストラクチャ技術（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ，Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ，ａｎｄ  Ｉｎｆｒａｓｔｕｒｕｃｔｕｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ），ＦＹ２００３プログレス・レポート（Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｒｅｐｏｒｔ）」によって知られている。又、白金の抵抗の温度依存性もパラジウム（Ｐｄ）膜（或いはその合金膜）の抵抗の影響を受けることから、弾性表面波の周回速度変化から水素濃度に変換する際には、白金の抵抗測温体パターン４２５の領域影響を考慮して校正を行う。
他の対策として、白金膜とパラジウム膜（或いはその合金膜）の間に水素不透過膜を形成することによって白金による温度計測への水素濃度の影響を避けることが可能である。
（第８の実施例）
本発明の第８の実施例に係るセンサヘッドは、図１３に示すように、均質材料球４０の周回帯Ｂに空洞３１を介してカバー３２が設けられている。カバー３２は例えばガス透過性があるように、メッシュ状の金属や多孔質材料で形成する。又、水素の様に非常に透過性の高いガスの場合は薄い例えば数μｍ厚のフィルムを使用することで、パーティクルなどを除去できる。ガスを透過させるための穴径は、均質材料球４０表面の弾性表面波の波長に比べて十分小さくなるように設定する。
このカバー３２の存在により、弾性表面波の周回帯Ｂに大きなパーティクルが付着して弾性表面波の伝搬特性に影響を与え、計測に誤差が生じるのを避けることができる。即ち、本発明の第８の実施例に係るセンサヘッドによれば、測定環境下におけるパーティクルの付着によるセンサヘッド特性の劣化を防ぐことが可能になる。
勿論カバー３２の一部にガス導入口と排出口を設けて、弾性表面波の周回帯Ｂ上にのみガスを流す構造としても構わない。
（第９の実施例）
本発明の第９の実施例に係るセンサユニットは、図１４に示すように、３次元基体４０を搭載する実装基板６２と、実装基板６２上に配置され、電気音響変換素子（図示省略）に高周波電気信号を供給する高周波発生部（図示省略）と、実装基板６２上に配置され、電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部（図示省略）と、この実装基板６２の表面に配置され、高周波発生部と電気的に接続された第１の実装配線６１ａと、この実装基板６２の表面に配置され、検出・出力部と電気的に接続された第２の実装配線６１ｂと、第１の実装配線６１ａ及び第２の実装配線６１ｂのそれぞれと電気音響変換素子とを電気的に接続する導電性接続体５０ａ，５０ｂとを備えている。
電気音響変換素子の図示を省略しているが、既に説明した第１〜第８の実施例に係るセンサヘッドの構造から容易に理解できるであろう。即ち、第９の実施例に係るセンサユニットは、第１〜第８の実施例において説明したセンサヘッドのいずれかを、平行平板形状の実装基板６２上に導電性接続体５０ａ，５０ｂとしての金属バンプ５０ａ，５０ｂを用いて、実装した実装体（アセンブリ）である。より具体的には、実装基板６２上に、実装配線６１ａ，６１ｂがパターニングされ、この実装配線６１ａ，６１ｂに、金属パンプ５０ａ，５０ｂを用いて、第１〜第８の実施例に係るセンサヘッドのいずれかで説明した、センサヘッドが実装されている。
金属バンプ５０ａ，５０ｂは、半田ボール、金（Ａｕ）バンプ、銀（Ａｇ）バンプ、銅（Ｃｕ）バンプ、ニッケル／金（Ｎｉ−Ａｕ）バンプ、或いはニッケル／金／インジウム（Ｎｉ−Ａｕ−Ｉｎ）バンプ等が使用可能である。半田ボールとしては、直径１００μｍ〜２５０μｍ、高さ５０μｍ〜２００μｍの錫（Ｓｎ）：鉛（Ｐｂ）＝６：４の共晶半田等が使用可能である。或いは、Ｓｎ：Ｐｂ＝５：９５の半田でも良い。用いられ、熱圧着と超音波振動の組み合わせ、或いは熱溶融等によって接着が行える。
実装基板６２の材料としては、有機系の種々な合成樹脂、セラミック、ガラス等の無機系の材料が使用可能である。有機系の樹脂材料としては、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等が、使用可能で、又板状にする際の芯となる基材は、紙、ガラス布、ガラス基材などが使用される。無機系の基板材料として一般的なものはセラミックである。又、放熱特性を高めるものとして金属基板、透明な基板が必要な場合には、ガラスが用いられる。セラミック基板の素材としてはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（ＳｉＣ）等が使用可能である。更に、鉄、銅などの金属上に耐熱性の高いポリイミド系の樹脂板を積層して多層化した金属ベースの基板（金属絶縁基板）でも構わない。実装配線６１ａ，６１ｂとしては、金、銅、アルミニウム等の金属薄膜が使用可能である。
均質材料球４０は、弾性表面波の周回帯Ｂが赤道近傍に限られているため、周回帯Ｂでなければどこに金属バンプ５０ａ，５０ｂを接続詞、均質材料球４０を固定しても構わない。金属バンプ５０ａ，５０ｂを取り付けるための金属パッド（ボンディングパッド）は弾性表面波の周回帯Ｂを避けて設置される。しかし、実装基板６２側に配置された高周波発生部からすだれ状電極にパワーを供給し、すだれ状電極から高周波電気信号を実装基板６２側に配置された検出・出力部へ供給するためには、すだれ状電極から電極配線２７が延長形成され、この電極配線２７の端部に、金属パッド（ボンディングパッド）が設けられる。なお、図１４では、特に、高周波発生部や検出・出力回路については図示していないが、第９の実施例に係るセンサユニットでは、高周波発生部や検出・出力回路は、実装基板６２上に配置されている。そして、第１の実装配線６１ａが高周波発生部と電気的に接続され、第２の実装配線６１ｂが検出・出力部と電気的に接続されている。そして、導電性接続体５０ａ，５０ｂとしての金属バンプ５０ａ，５０ｂが、それぞれ、第１及び第２の実装配線６１ｂのそれぞれと電気音響変換素子（図示省略）とを電気的に接続している。この様な
高周波発生部や検出・出力回路が、実装基板６２上に形成されたシステム・オン・パッケージの他に、実装基板６２の外に別途接続しても構わない。
一方、均質材料球４０上に高周波発生部や検出・出力回路等の回路が集積化されている場合には、直接計測結果が得られることになるので、すだれ状電極から金属パッド（ボンディングパッド）までの電極配線２７は省略可能である。
なお、第９の実施例に係るセンサユニットの実装方法では、被計測ガスを実装基板６２の表面と平行に流すことが好ましい。
図１５は、図１４に示したセンサユニットの実装方法を用いて、複数のセンサヘッド（球状弾性表面波素子）をアレイ状に実装した場合の模式的な構造例である。センサヘッド（球状弾性表面波素子）１が、実装基板６２上にアレイ状に配列されている。弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極２１は、それぞれの均質材料球４０の裏面で、図示を省略した金属バンプにより実装基板６２上の図示を省略した実装配線に接続される。それぞれの球状弾性表面波素子１は、球状弾性表面波素子毎に、異なる感応膜を有し、異なるガス分子を計測するようにすることができる。
（第１０の実施例）
本発明の第１０の実施例に係るセンサユニットは、図１６に示すように、３次元基体４０を搭載する実装基板６２と、実装基板６２上に配置され、電気音響変換素子（図示省略）に高周波電気信号を供給する高周波発生部（図示省略）と、実装基板６２上に配置され、電気音響変換素子から弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部（図示省略）と、この実装基板６２の表面に配置され、高周波発生部と電気的に接続された第１の実装配線６４ａと、この実装基板６２の表面に配置され、検出・出力部と電気的に接続された第２の実装配線６４ｂと、第１の実装配線６４ａ及び第２の実装配線６４ｂのそれぞれと電気音響変換素子とを電気的に接続する導電性接続体６３ａ，６３ｂとを備えている。
電気音響変換素子の図示を省略しているが、既に説明した第１〜第８の実施例に係るセンサヘッドの構造から容易に理解できるであろう。
センサヘッドを、平行平板形状の実装基板６２に導電性接続体６３ａ，６３ｂとしてのボンディングワイヤ６３ａ，６３ｂを用いて、実装した第９の実施例に係るセンサユニットとは異なる構造の実装体（アセンブリ）である。
第１０の実施例に係るセンサユニットでは、エポキシ樹脂等で形成された実装基板６２に特徴があり、実装基板６２の表面（第１主表面）に、均質材料球４０より直径の大きな空洞６６が設けられている。実装基板６２の表面（第１主表面）の空洞６６の周辺部には、実装配線６１ａ，６１ｂがパターニングされている。そして、均質材料球４０が、ボンディングワイヤ６３ａ，６３ｂにより実装配線６１ａ，６１ｂに電気的に接続され、同時に空洞６６中に宙釣りに保持される。
ボンディングワイヤ６３ａ，６３ｂは、例えば金、アルミニウム、銅の細いワイヤが用いられる。特に金ワイヤのように柔らかい材料を用いる場合には、第１０の実施例に係るセンサユニットの実装形状を組立した後に、金表面にクロム等の堅い金属を鍍金法にて堆積させ、機械強度を改善しても良い。均質材料球４０は、弾性表面波の周回帯Ｂが赤道近傍に限られているため、周回帯Ｂでなければどこで均質材料球４０を固定しても構わない。ボンディングワイヤ６３ａ，６３ｂを取り付けるためのボンディングパッドは、弾性表面波の周回帯Ｂを避けるように配置する。
第１０の実施例に係るセンサユニットにおいても、高周波発生部や検出・出力回路については記述されていないが、実装基板６２上に形成するシステム・オン・パッケージでも構わないし、実装基板６２の外に別途接続しても構わない。均質材料球４０上にこれらの回路が集積化されている場合には、直接計測結果が得られることになる。なお、第１０の実施例に係るセンサユニットの実装方法では、被計測ガスを実装基板６２の表面と垂直に流し、空洞６６中を通過させることが好ましい。
図１７は図１６の実装法を用いて、複数の球状弾性表面波素子（センサヘッド）をアレイ状に実装した場合の模式的な構造例である。球状弾性表面波素子（センサヘッド）Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ２１，Ｘ２２，Ｘ２３，・・・・・が、実装基板６５上の空洞Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，・・・・・内にアレイ状配列されている。弾性表面波を励起し、又、受信するのに用いるすだれ状電極Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，・・・・・は金属ワイヤ６３ａ１１，６３ａ１２，６３ａ１３，６３ａ２１，６３ａ２２，６３ａ２３，６３ｂ１１，６３ｂ１２，６３ｂ１３，６３ｂ２１，６３ｂ２２，６３ｂ２３，・・・・・により実装基板６５上の実装配線６４ａ若しくは６４ｂに接続される。それぞれの球状弾性表面波素子Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ２１，Ｘ２２，Ｘ２３，・・・・・は、異なる感応膜を有し、異なるガス分子を計測するようになすことができる。
（第１１の実施例）
第１〜第８の実施例に係るセンサヘッドでは、周回帯Ｂが３次元基体４０の外周側表面に定義された場合を説明した。しかし、周回帯は、３次元基体の空洞部分の内壁側表面にも定義可能である。
本発明の第１１の実施例に係るセンサヘッドは、図１８に示すように、弾性特性の均質な材料よりなる３次元基体としての筐体７４の内部に、球状の内面を有する空洞部分（センシングキャビティ）７５が設けられている。そして、このセンシングキャビティ（空洞部分）７５の内壁側表面に周回帯が定義されている。即ち、第１１の実施例に係るセンサヘッドにおいては、センシングキャビティ（空洞部分）７５の内壁側表面に感応膜７３が形成されており、感応膜７３と筐体７４の境界面の一部に、圧電性薄膜７２、及びすだれ状電極７１が形成されている。
第１１の実施例に係るセンサヘッドのセンシングキャビティ７５の空洞部分の内壁側表面に定義された周回帯を用いても、第１〜第８の実施例に係るセンサヘッドのいずれかで説明したセンサヘッドと同様に、弾性表面波の多重周回現象が起こる。
第１１の実施例に係るセンサヘッドの構造は、電鋳法と同様な方法で実現できる。即ち、第１〜第８の実施例に係るセンサヘッドのいずれかで説明したセンサヘッド製造のためのシリコン球４０を電鋳母型（マスター）として用い、第１〜第８の実施例に係るセンサヘッドのいずれかで説明したセンサヘッドの製造方法とは逆の順序で、感応膜７３、圧電性薄膜７２、すだれ状電極７１、筐体７４を順に堆積した後、電鋳母型（マスター）としてのシリコン球４０を、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）でエッチング除去することで、容易にセンシングキャビティ７５を製造できる。ＸｅＦ２はシリコンのみをエッチングし、他の材料に対する選択比が非常に大きいので、感応膜２５、圧電性薄膜、すだれ状電極２１等の材料として、これまで述べてきた材料がそのまま使用できる。
第１１の実施例に係るセンサヘッドにおいては、弾性表面波の伝搬面がセンシングキャビティ７５の内壁側にあるために、パーティクルの影響を受けにくい。そして、非常に少ない量の被計測ガスをサンプリングしてセンシングキャビティ７５にガス入口８１からガス出口８２向かって流せば良いので、高感度、且つ、高応答性であるだけでなく、非常に小型で効率が良い。
（その他の実施例）
上記のように、本発明は第１〜第１１の実施例によって項記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施例、模式的な構造例及び運用技術が明らかとなろう。
既に述べた第１〜第１１の実施例に係るセンサヘッドの説明においては、「３次元基体」として、均質材料球４０を用いた場合を例示したが、３次元基体は真球に限定されず、センサとしての精度の低下等を許容できる場合は、ビヤ樽形状等でも良く、繭型やラクビーボール型でも良い。即ち、本発明の「３次元基体」は、周回帯の中心線に沿った第１の主方向に第１の曲率を有し、且つこの第１の主方向に直交する第２の主方向に周回帯の近傍で、第２の曲率を有していれば、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能である。第２の曲率を有する周回帯の幅は、第２の主方向と曲率半径と、弾性表面波の波長で決まる。例えば、第２の主方向の曲率半径が５ｍｍ程度であれば、周波数が４５ＭＨｚでは、周回帯の幅は、第２の主方向の曲率半径の約７／５０ぐらいになる。
このため、周回帯の幅から外れた第２の主方向の遠方では、多面体形状等を有していても、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能なトポロジーが存在しうる。
更に、第１〜第１１の実施例に係るセンサヘッドの構造は、実空間での３次元構造について述べたが、弾性テンソル空間において、弾性定数等を徐々に変化させ、実空間で曲面と等価な構造を実現しても良い。例えば、第２の主方向に沿って、周回帯の中心から離れるに従い、徐々に弾性特性を変化させても、球面と同様な効果が実現できる。
この様に、本発明はここでは項記載していない様々な実施例に係るセンサヘッド等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、高感度、高速応答で、なおかつ機械的に丈夫なセンサヘッド及びこれを用いたガスセンサ、更にはセンサヘッドを実装したセンサユニットが提供でき、大気中や気相化学プロセス等における種々のガス成分を分析する分野に利用可能である。
具体的には、感応膜を適度に選ぶことにより、家庭用ガス警報器、工業用ガス検知警報器、携帯用ガス検知器の分野に利用可能である。又、匂いセンサ等の分野や大気環境測定システム等にも利用可能である。
更には、空燃比制御装置、触媒装置、排気浄化装置、燃焼装置、給油装置等のボイラー、自動車産業の分野や化学プラントや半導体工場におけるガス濃度検知装置の分野にも、感応膜を適度に選ぶことにより利用可能である。更には、食品の品質管理用センサ等を含む異常検出装置の分野にも利用可能である。
【図１】
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【図３】
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【図５】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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