(57)【要約】【課題】  本発明は、モノリシック集積化の容易なシリコン振動子を用いたガスセンサにおいて、振動のＱ値が大きく、ガス吸着による固有振動数の変化が大きく、また感度の高いシリコン振動子を利用したガスセンサを提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、特定のガスを吸着する反応膜を有する振動子と、前記振動子を外力により振動させる振動付与手段と、前記振動子と空気を介して対向する固定電極と、を備えるガスセンサであって、前記振動子と前記固定電極との間の静電容量の変動の位相の遅れを検出することによってガス濃度を検出するガスセンサである。【選択図】図６
2005337794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のガスを吸着する反応膜を有する振動子と、
前記振動子を外力により振動させる振動付与手段と、
前記振動子と空気を介して対向する固定電極と、
を備えるガスセンサであって、前記振動子と前記固定電極との間の静電容量の変動を検出することによってガス濃度を検出するガスセンサ。
【請求項２】
前記振動子と前記固定電極との間の静電容量の変動の位相の遅れからガス濃度を算定するガス濃度算定部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記振動子は、平板状であって該平板の両面に前記反応膜を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記振動子は、長軸方向の両端部が固定された可動体であって、当該可動体の長軸の中央部が前記固定電極に対して撓むことができることを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかのガスセンサ。
【請求項５】
前記振動子は、前記可動体の長軸と略垂直な方向に複数の前記可動体をアレイ状に配列したことを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記固定電極は、複数の電極を並列に配置したものであって、該電極間に空隙を設けたことを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかのガスセンサ。
【請求項７】
前記固定電極は、複数の電極を並列に配置したものであって、該電極間に空隙を設けたことを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記振動子の複数の可動体と前記複数の電極間の空隙とが対向するように配置したことを特徴とする請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記振動付与手段は、前記固定電極の両側に配置された静電駆動用電極で、前記振動子を静電駆動させることを特徴とする請求項１から８に記載のいずれかのガスセンサ。
【請求項１０】
前記振動付与手段は、前記振動子に初期応力を付与することを特徴とする請求項１から９に記載のいずれかのガスセンサ。
【請求項１１】
前記初期応力は、前記固定電極の両側に配置された静電駆動用電極に印加する直流電圧によって付与することを特徴とする請求項１０に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度を測定するガスセンサ、特に、振動子を用いたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、産業用としてガス使用設備におけるガス検知器、香水や果実の品質管理用の匂いセンサ、医療用として歯科医院における呼気分析装置、医院における消火器系、呼吸器系の病気や耳鼻咽喉系の病気の臭気分析装置として利用されている。近年ではエチケット志向の高まりから個人用口臭検査器や電化製品に付与する居住空間の臭気測定器への需要も増加している。個人用途への需要の広がりを支えるためには、小型で安価、かつ人間の鼻と同等の感度を持つガスセンサが望まれている。
【０００３】
ガスセンサが、小型で安価、かつ高感度になれば、各家庭に普及して簡単に測定することで、習慣的に臭気測定が可能となり、家庭における健康管理のみならず、産業用としてガス検知器、匂いセンサ、呼気分析装置や臭気分析装置への適用が拡大する。
【０００４】
振動子を用いたガスセンサとして、現在までに、振動子やＳＡＷ（Ａｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）デバイスに、圧電効果の大きい結晶、例えば水晶を用いた例がある。図１に水晶振動子によるガス成分測定素子の例を示す（例えば、特許文献１参照。）。図１において、８０１は水晶振動子、８０２は水晶振動子８０１を両面から挟む下地電極、８０３はガス成分を吸着する有機高分子薄膜である。
【０００５】
図１において、水晶振動子８０１の両面に設けられた下地電極８０２に電圧を印加することによって、水晶振動子８０１を水晶振動子の固有振動数で振動させる。有機高分子薄膜８０３は特定のガスを選択的に吸着するため、有機高分子薄膜８０３の質量は特定のガスの濃度に比例して増大する。有機高分子薄膜８０３の質量の増加によって、水晶振動子８０１の振動数が変化する。水晶振動子８０１の振動数の変化は有機高分子薄膜８０３の質量増加と比例関係にあるため、水晶振動子８０１の振動数を測定すれば、ガスの濃度を算定することができる。
【０００６】
シリコン振動子を利用するガスセンサも検討されている。シリコン振動子からの反射光位置検出、シリコン振動子の撓みによるピエゾ抵抗変化、またはシリコン振動子の撓みによる圧電効果を利用して、振動数を検出することが行われている。図２にシリコン振動子の撓みによるピエゾ抵抗変化を利用したガス成分測定素子の例を示す（例えば、特許文献２参照。）。図２において、８０４はシリコン振動子、８０５はガス成分を吸着する反応膜、８０６はバッテリ、８０７はビーム８０４を振動させる発振回路、８０８は電極、８０９はベースプレート、８１０はピエゾ抵抗素子からなるブリッジ、８１１は発振回路８０７の出力端子、８１３はシリコン基板である。
【０００７】
図２のガス成分測定素子は、ベースプレート８０９上に積層されたシリコン基板の一部をエッチング等で加工して、シリコン振動子８０４が形成されている。バッテリ８０６を電源とした発振回路８０７からの信号で、シリコン振動子８０４の片面に配置された電極８０８とベースプレート８０９との間に静電引力を発生させ、シリコン振動子８０４を振動させている。反応膜８０５は、電極８０８と反対側の片面に配置されている。シリコン振動子８０４に取り付けられたブリッジ８１０が、シリコン振動子８０４の振動を電位に変換し、発振回路８０７に入力することによって、発振回路８０７はシリコン振動子の固有振動数を維持する。
【０００８】
反応膜８０５は特定のガスを選択的に吸着するため、反応膜８０５の質量は特定のガスの濃度に比例して増大する。反応膜８０５の質量の増加によって、シリコン振動子８０４の振動数が変化する。シリコン振動子８０４の振動数の変化は反応膜８０５の質量増加と比例関係にあるため、シリコン振動子８０４の振動数が出力端子８１１に出力され、ガスの濃度を算定することができる。
【特許文献１】特開平０７−１５９３０４
【特許文献２】特開昭５８−０３９９２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の水晶振動子を用いたガスセンサは、温度、湿度や振動などの雑音の影響を受けづらいが、モノリシック集積化が困難である。このため、ガスセンサとして小型化、経済化には適していない。
【００１０】
前述のシリコン振動子を用いたガスセンサは、モノリシック集積化が容易で成分分析のためのセンサアレイ化も可能であるが、従来のシリコン振動子の構造では、振動のＱ値が小さく、また、ガス吸着による固有振動数の変化が小さいという欠点がある。また、シリコン振動子の振動数の検出にピエゾ抵抗素子からなるブリッジを用いているため、感度が悪い。さらに、ガスを吸着する反応膜はシリコン振動子の片面に配置されているため、温度や湿度の影響を受けやすく、測定精度が悪い。さらに、従来の構造のシリコン振動子に異なる反応物質を被覆すると、反応物質の応力の違いにより、シリコン振動子の特性にばらつきが生じる。
【００１１】
そこで、本発明は、モノリシック集積化の容易なシリコン振動子を用いたガスセンサにおいて、これらの課題を解決するために、振動のＱ値が大きく、ガス吸着による固有振動数の変化が大きく、また感度の高いシリコン振動子を利用したガスセンサ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】
【００１２】
本発明は、特定のガスを吸着する反応膜を有する振動子と、前記振動子を外力により振動させる振動付与手段と、前記振動子と空気を介して対向する固定電極と、を備えるガスセンサであって、前記振動子と前記固定電極との間の静電容量の変動を検出することによってガス濃度を検出するガスセンサである。
【００１３】
本発明のガスセンサでは、振動子の振動数を静電容量の変動から検出するため、振動子を微小化することができ、そのため、空気粘性の影響を低減してＱ値を高く、かつ振動数の変化を大きくすることができる。従って、高精度なガスセンサを提供することができる。また、振動子をアレイ構造としても、それぞれの振動子の特性が劣化しないため、アレイ化に有利な構造である。
【００１４】
本発明のガスセンサは、前記振動子と前記固定電極との間の静電容量の変動の位相の遅れからガス濃度を算定するガス濃度算定部をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
ガス濃度算定部を備えることにより、前記振動子と前記固定電極との間の静電容量の変動の位相の遅れからガス濃度を算定することができる。静電容量の変動の位相の遅れは高精度に測定できるため、ガス濃度の測定の感度を向上することができる。
【００１６】
本発明のガスセンサは、前記振動子が平板状であって該平板の両面に前記反応膜を有することが好ましい。
【００１７】
振動子の両面に反応膜を有するため、温度や湿度によって生じる反応膜の応力不均衡を相殺することができ、環境の変化の影響を受け難いガスセンサとすることができる。
【００１８】
本発明のガスセンサは、前記振動子は長軸方向の両端部が固定された可動体であって、当該可動体の長軸の中央部が前記固定電極に対して撓むことができることが好ましい。
【００１９】
可動体の長軸方向の両端部が固定され、長軸の中央部が撓む構造であることにより、背振動に対する静電容量の変化を大きくすることができる。静電容量の変化を大きくすると、高精度なガスセンサを提供することができる。
【００２０】
本発明のガスセンサにおいて、前記振動子は、前記可動体の長軸と略垂直な方向に複数の前記可動体をアレイ状に配列することが好ましい。
【００２１】
可動体をアレイ状に配列することによって、可動体を単一とするよりもガスに対する検出感度を向上することができる。
【００２２】
本発明のガスセンサにおいて、前記固定電極は、複数の電極を並列に配置したものであって、該電極間に空隙を設けることが好ましい。
【００２３】
複数の電極を並列に配置し電極間に空隙を設けることによって、振動子の可動体の振動で生じる空気粘性抵抗の影響を低減することができる。
【００２４】
本発明のガスセンサにおいて、複前記振動子の複数の可動体と前記複数の電極間の空隙とが対向するように配置することが好ましい。
【００２５】
振動子の複数の可動体と複数の電極間の空隙が対向することによって、振動子の可動体の振動で生じる空気粘性抵抗の影響を低減することができる。
【００２６】
本発明のガスセンサは、前記振動付与手段が前記固定電極の両側に配置された静電駆動用電極で、前記振動子を静電駆動させることが好ましい。
【００２７】
振動子を静電駆動することにより、振動子に簡易に振動を付与することができる。
【００２８】
本発明のガスセンサは、前記振動付与手段が前記振動子に初期応力を付与することが好ましい。
【００２９】
振動子に初期応力を付与することによって、特性ばらつきのある振動子であっても感度調整をすることができる。
【００３０】
本発明のガスセンサは、前記初期応力が前記固定電極の両側に配置された静電駆動用電極に印加する直流電圧によって付与することが好ましい。
【００３１】
振動子を静電駆動する静電駆動用電極に交流電圧に直流電圧をバイアスするだけで、振動子に初期応力を付与することができる。
【００３２】
本発明のガスセンサでは、既存の半導体微細加工技術と互換性があり、算定回路や信号処理回路を同一基板上に形成できるという点から、振動子をシリコンで形成することが好ましいが、シリコン以外であっても、上記説明したような構造の振動子を形成できればシリコンに拘泥するものではない。
【００３３】
ここで、本願発明の定量的な評価を説明する。本願発明のガスセンサでは、振動子の駆動、振動子の振動数の検出が容易になるように、ガスセンサの形状や構造に特徴を持たせている。微小な振動子にとっては、空気粘性抵抗の影響が大きく、空気粘性抵抗の影響を小さくできる構造が望ましい。空気粘性抵抗の影響を小さくするためには、振動子の対向する極板面積を小さくすることが有効である。その一方、極板面積を小さくすると静電容量の検出感度が低下してしまう。静電容量の検出感度の低下を防止しつつ、振動子の対向する極板面積を小さくするには、振動子をアレイ化する方法がある。
【００３４】
本願発明では、両端部が固定され中央部が撓む可動体をアレイ状に配列することによって、両方の条件を満足している。アレイ状にすることにより、個々の可動体のサイズを微小化できるため、空気粘性抵抗が小さくなる。振動子全体としては、極板面積を大きくすることができるため、静電容量の検出感度の低下を防ぐことができる。さらに、個々の可動体のサイズを微小化すると、ガス吸着による質量変化に伴う振動数の変化が大きくなるため、ガスの検知感度が向上する。以下にその効果について定量的に評価する。
【００３５】
吸着による振動子の質量変化Δｍと振動数の変化Δｆとの関係は、振動数をｆ０、振動子の質量をｍとおくと、
【数１】
2005337794.tif 000003
と表される。質量ｍは、振動子の体積に振動子の材料の密度ρを掛け合わせることで求まる。
【００３６】
振動子の幅に対する質量感度Ｓｍを図３に示す。質量感度は、振動子の幅に反比例し、幅が狭いほど質量感度は向上する。これは振動子の質量ｍが減少することによる効果である。また、本ガスセンサでは、振動数の変化に伴う機械的振動の位相の変化を検出し、吸着量を算定する。
【００３７】
振動子の位相φの周波数特性φ（ｆ）と感度Ｓφは次式で表される。
【数２】
2005337794.tif 000004
【数３】
2005337794.tif 000005
ここで、ｃはダンピング比、ｋはバネ定数である。ダンピング比ｃが小さいほど、つまり機械的なＱ値が高いほど位相の変化が急峻になるため、感度Ｓφが向上する。
【００３８】
２つの対向する極板が近づくと、空気粘性によって生じるダンピング比ｃは次式で表される（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，  １９９０．  ４ｔｈ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ．，  ＩＥＥＥ，  ｐｐ．４４−４７参照）。
【数４】
2005337794.tif 000006
ここで、μは空気粘性定数、Ｗは極板の幅、Ｌは極板の長さ、ｇは極板の間隔である。
【００３９】
振動子の幅に対する位相感度Ｓφを図４に示す。ほぼ振動子の幅の２乗に反比例し、幅が狭いほど位相感度が向上する。
【００４０】
振動子としての感度Ｓφは、数式１と数式３を掛け合わせ、次式で表される。
【数５】
2005337794.tif 000007
【００４１】
数式５をもとに、振動子の幅に対する感度を図５に示す。振動子の幅を狭めることで、振動子の質量の減少と空気粘性抵抗の減少との相乗効果により、感度が大きく向上する。例えば、振動子の幅と間隔を同比率とすれば、幅１００μｍの振動子に比して、幅１０μｍの可動体を１０個アレイ化した振動子の感度は、１０００倍以上に増加させることができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明により、振動のＱ値が大きく、ガス吸着による固有振動数の変化が大きく、また感度の高い振動子を利用したガスセンサ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】
【００４３】
本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。
【００４４】
本実施の形態のガスセンサを図６、図７に示す。図６は、本実施の形態のガスセンサの断面図である。図７は、図６のＡ−Ａ’線における断面図である。図６、図７において、２０１はシリコン基板、２０２は可動体、２０３は反応膜、２０４は静電駆動用電極、２０５は絶縁基板、２０６は静電駆動用電極端子、２０７は固定電極、２０８は固定電極端子、２０９はシリコン基板用電極端子である。
【００４５】
絶縁基板２０５上にシリコン基板２０１で形成した可動体２０２を配置し、絶縁基板２０５の上面に可動体２０２に対向する固定電極２０７を配置し、固定電極２０７の両側に静電駆動用電極２０４を配置している。可動体２０２は、シリコン基板用電極端子２０９と接続され、静電駆動用電極２０４は、静電駆動用電極端子２０６と接続され、固定電極２０７は、固定電極端子２０８と接続されている。
【００４６】
可動体２０２は、図６、図７に示すように、複数本が並列に配列されて、振動子を構成する。それぞれの可動体の長軸方向の両端部はシリコン基板２０１に固定され、中央部が固定電極２０７の方向に撓むことができる。可動体２０２の片面には特定のガスを吸着する反応膜２０３が被覆されている。
【００４７】
静電駆動用電極端子２０６とシリコン基板用電極端子２０９との間に直流電圧を印加して、可動体２０２に対向する静電駆動用電極２０４に対して、可動体に初期応力を与え、可動体の特性のばらつきを調整することができる。さらに、静電駆動用電極端子２０６とシリコン基板用電極端子２０９との間に交流電圧を印加して、静電駆動用電極２０４との間に働く静電力励起で可動体２０２を振動させる。ここでは、静電力で可動体２０２を振動させたが、可動体２０２に静電駆動用交流信号で変調した光を照射することによる光熱励起で可動体２０２を振動させてもよい。
【００４８】
振動による可動体２０２と固定電極２０７との間隔の変化は、可動体２０２と固定電極２０７との間の静電容量の変化となって現れる。そこで、シリコン基板用電極端子２０９と固定電極端子２０８との間に静電容量検出用交流電流を印加し、シリコン基板用電極端子２０９と固定電極端子２０８との間に流れる電流を検出する。可動体２０２に被覆された反応膜２０３が特定のガスを吸着すると、質量が変化するため、可動体２０２の振動の位相に遅れが生じる。振動の位相の遅れに応じて可動体２０２と固定電極２０７との間の静電容量の変動の位相にも遅れが生じる。即ち可動体２０２と固定電極２０７との間を流れる交流電流の位相の遅れからガス濃度を算定することができる。
【００４９】
このガスセンサにさらにガス濃度算定部を付加した構成を図８に示す。図８において、３０１は第一の発振器、３０２は第二の発振器、３０３はガスセンサ、３０４はチャージアンプ、３０５は検波回路、３０６は位相比較器、３０７は出力端子である。随時図６、図７の符号を用いて説明する。
【００５０】
図８において、第一の発振器３０１から静電容量検出用交流電流信号をガスセンサ３０３に入力する。この交流電流信号は図６におけるシリコン基板用電極端子２０９から固定電極端子２０８に流れる。第二の発振器３０２から静電駆動用交流電圧信号をガスセンサ３０３に入力する。この電圧信号は図６におけるシリコン基板用電極端子２０９と静電駆動用電極端子２０６との間に印加され、可動体２０２が固有振動数で振動する。反応膜２０３が特定のガスを吸着すると、可動体２０２の振動の位相に遅れが生じる。ガスの濃度が高いほど吸着量が多くなるため、振動の位相の遅れが大きくなる。
【００５１】
静電容量検出用交流電流信号の周波数は静電駆動用交流電圧信号の周波数よりも十分高く設定しているので、シリコン基板用電極端子２０９と固定電極端子２０８との間の静電容量の変化に応じて、固定電極端子２０８に流れる静電容量検出用交流電流信号も変化する。この静電容量検出用交流電流信号の位相の遅れを測定すると可動体２０２の振動の位相の遅れを検出できる。そこで、静電容量検出用交流電流信号をチャージアンプ３０４で電圧に変換し、検波回路３０５で検波し、第二の発振器３０２からの静電駆動用交流電圧信号と検波回路３０５からの信号との位相差を位相比較器３０６で測定する。位相比較器３０６の出力端子３０７からの信号は位相差を電圧値にしたものである。この電圧値を予めガス濃度に対して作成した変換曲線でガス濃度に変換する。
【００５２】
このように、振動子を複数の可動体で構成し、振動子と固定電極との間の静電容量の変動の位相の遅れを検出することによって、高感度にガス濃度を測定することができる。
【００５３】
また、図６、図７に示すガスセンサの構造では静電容量を検出するための固定電極によって空気圧縮による空気粘性抵抗が必然的に存在する。このため、前述したように振動子の機械的なＱ値が劣化する。そこで、図６、図７に示すガスセンサの固定電極を複数の電極とし、固定電極間に空隙を設ければ、空気圧縮による空気粘性抵抗を減少させることができる。さらに、振動子の複数の可動体と複数の電極間の空隙とが対向するように配置すると空気圧縮による空気粘性抵抗を一層減少させることができる。また、複数の可動体と複数の電極とを交互に入れ子構造にすれば、水平方向の静電容量が増加して検出感度が向上する。
【００５４】
図６、図７では、可動体の片面に反応膜を被覆したが、可動体の両面に被覆することによって、反応膜に生じる応力の影響を縮減することができる。両面を同程度の厚さで反応膜を被覆すると、反応膜による応力の影響を一層縮減することができる。また、温度による熱膨張や湿度による膨張に対しても両面で等価なため、応力の影響を縮減できる。
【００５５】
反応膜によって生じる応力は反応膜を構成する反応物質によって異なる。そのため、異なる反応物質を被覆した場合には、初期応力条件が異なる。応力条件が異なれば、振動子の固有振動数が変化するため測定値に誤差が生じる。そこで、静電駆動用交流電圧信号に直流電圧を重畳して初期応力を調整する。その結果、異なる初期応力条件の振動子であっても、誤差なく測定することができる。
【実施例】
【００５６】
以下に、本発明の装着型血液成分濃度測定装置のさらに具体的な実施例について説明する。
【００５７】
（第１実施例）本発明のガスセンサの実施例を図９、図１０に示す。図９は、本実施例のガスセンサの断面図である。図１０は、図９のＢ−Ｂ’線における断面図である。図９、図１０において、５０１はシリコン基板、５０２は可動体、５０３は反応膜、５０４は静電駆動用電極、５０５はガラス基板、５０６は静電駆動用電極端子、５０７は固定電極、５０８は固定電極端子、５０９はシリコン基板用電極端子である。
【００５８】
図９、図１０において、シリコン基板５０１上の可動体５０２は、複数本として並列に配置できるように、レジストをパターニングし、シリコン基板５０１の表面（図面上で上部側）をドライエッチング又はウェットエッチングした。次に、シリコン基板５０１の裏面（図面上で下部側）もドライエッチング又はウェットエッチングし、可動体５０２の厚みを制御し、図９、図１０に示すような可動体５０２を複数配列してアレイ状の振動子を形成した。可動体５０２の厚さ５μｍ、長軸方向の長さ８００μｍ、幅１０μｍ、間隔１０μｍで６本のアレイとした。
【００５９】
可動体５０２には特定のガスを吸着する反応膜５０３をスパッタ法で厚さ１００ｎｍで被覆した。被覆する反応膜の材料は例えば、有機質であるＤ−Ｐｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅ、Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅを用いた。メタルマスクを用いて、被覆しない部分を覆い、可動体のみを選択的に形成した。
【００６０】
ガラス基板５０５には、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の金属を蒸着又はスパッタして金属層を形成し、可動体５０２に対向する静電駆動用電極５０４、固定電極５０７及びこれらの電極を接続する静電駆動用電極端子５０６、固定電極端子５０８、シリコン基板用電極端子５０９をウェットエッチング又はリフトオフ法により形成した。シリコン基板５０１とガラス基板５０５とは、陽極接合法又は接着剤を用いて接合した。
【００６１】
次に、上記のように製作したガスセンサにガス濃度算定部等を付加した。その構成を図１１に示す。図１１において、６０１は第一の発振器、６０２は第二の発振器、６０３はガスセンサ、６０４はチャージアンプ、６０５は高域通過フィルタ、６０６は検波回路、６０７は低域通過フィルタ、６０８は位相補償器、６０９は位相比較器、６１０は出力端子である。随時、図９、図１０の符号を用いて説明する。
【００６２】
図１１において、第一の発振器６０１から周波数１ＭＨｚ、電圧振幅３Ｖｐ−ｐの静電容量検出用交流信号をガスセンサ６０３に入力する。この信号は図９における固定電極端子５０８からシリコン基板用電極端子５０９に流れる。第二の発振器６０２から振動子の固有振動数と同じ周波数である３０ｋＨｚ、電圧振幅３Ｖｐ−ｐの静電駆動用交流電圧信号と初期応力調整用の電圧５Ｖの直流電圧とをガスセンサ６０３に入力する。この信号は図９における静電駆動用電極端子５０６とシリコン基板用電極端子５０９との間に印加される。
【００６３】
なお、可動体を光熱励起で振動させる場合には、第二の発振器６０２をシリコンの吸収する波長１．１μｍ以下の光源、例えば８００ｎｍで発光する光源と接続し、周波数３０ｋＨｚ、光パワー６ｍＷの光照射を行った。この場合は、静電駆動用電極端子５０６とシリコン基板用電極端子５０９との間に初期応力調整用の電圧５Ｖの直流電圧を印加する。
【００６４】
第一の発振器からの静電容量検出用交流信号によりガスセンサ６０３内を通過する電流を、増幅率を１００倍に設定したチャージアンプ６０４に入力し、電流−電圧変換し、さらに増幅した。この信号を、高域通過フィルタ６０５で０．９７ＭＨｚより低い不要な周波数成分を除去した。
【００６５】
その後、検波回路６０６に入力し、振動子と固定電極との間の静電容量の変動成分を抽出した。変動成分の周波数は、静電駆動用交流電圧信号の周波数である３０ｋＨｚに等しいため、低域通過フィルタ６０７で３０ｋＨｚより高い不要な周波数成分を除去した。
【００６６】
最後に、位相補償回路６０８に入力し、チャージアンプ６０４、高域通過フィルタ６０５、検波回路６０６、低域通過フィルタ６０７で生じた位相遅れを補償し、位相比較器６０９において、補償された信号と第二の発振器６０２からの静電駆動用交流電圧信号との位相差を比較した。位相比較器６０９の出力端子６１０における電圧値は２７ｍＶであった。予め作成した電圧値とガス濃度の変換曲線を用いて、その電圧値からガス濃度に変換する。例えば、エタノールガスについて予め作成した電圧値とガス濃度の変換曲線を用いて、その電圧値からガス濃度に変換すると、エタノールガスの濃度は２２ｐｐｍと求まった。
【００６７】
（第２実施例）本発明のガスセンサの実施例を図１２、図１３に示す。図１２は、本実施例のガスセンサの断面図である。図１３は、図１２のＣ−Ｃ’線における断面図である。図１２、図１３において、７０１はシリコン基板、７０２は可動体、７０３は反応膜、７０４は静電駆動用電極、７０５はガラス基板、７０６は静電駆動用電極端子、７０７は固定電極、７０８は固定電極端子、７０９はシリコン基板用電極端子である。
【００６８】
シリコン基板の構造、製作法は第１実施例と同様である。ガラス基板７０５の製作法について説明する。Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の金属をガラス基板７０５に蒸着又はスパッタし、金属層を形成し、可動体７０２に対向する静電駆動用電極７０４、固定電極７０７及びこれらの電極を接続する静電駆動用電極端子７０６、固定電極端子７０８、シリコン基板用電極端子７０９をウェットエッチング又はリフトオフ法により形成した。
【００６９】
次に、固定電極７０７以外の領域をレジスト膜で被覆し、メッキ法により金属を２０μｍ以上堆積した。その結果、固定電極７０７は厚さ２０μｍ、長軸方向の長さ４００μｍ、幅９μｍで７本の電極から構成されることになった。ガラス基板７０５の裏面（図面上で下部側）から、ドライエッチング又はウェットエッチングすることにより貫通部を形成した。最後に、シリコン基板７０１とガラス基板７０５とを陽極接合法、又は接着剤を用いて接合した。
【００７０】
第１実施例と同様に、ガス濃度算定部等を付加して、ガス濃度を測定したところ、位相比較器の出力電圧は１３ｍＶであった。この結果から、エタノールガスの濃度は７０ｐｐｂと求まった。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明のガスセンサは、産業用としてガス使用設備におけるガス検知器、香水や果実の品質管理用の匂いセンサ、医療用として歯科医院における呼気分析装置、医院における消火器系、呼吸器系の病気や耳鼻咽喉系の病気の臭気分析装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】従来の水晶振動子によるガス成分測定素子の構成を示した説明図である。
【図２】従来のシリコン振動子の撓みによるピエゾ抵抗変化を利用したガス成分測定素子の説明図である。
【図３】振動子の幅に対する質量感度の説明図である。
【図４】振動子の幅に対する位相感度の説明図である。
【図５】振動子の幅に対する感度の説明図である。
【図６】本発明のガスセンサの断面図である。
【図７】本発明のガスセンサの断面図である。
【図８】本発明のガスセンサの構成図である。
【図９】本発明のガスセンサの断面図である。
【図１０】本発明のガスセンサの断面図である。
【図１１】本発明のガスセンサの構成図である。
【図１２】本発明のガスセンサの断面図である。
【図１３】本発明のガスセンサの断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
２０１：シリコン基板
２０２：可動体
２０３：反応膜
２０４：静電駆動用電極
２０５：絶縁基板
２０６：静電駆動用電極端子
２０７：固定電極
２０８：固定電極端子
２０９：シリコン基板用電極端子
３０１：第一の発振器
３０２：第二の発振器
３０３：ガスセンサ
３０４：チャージアンプ
３０５：検波回路
３０６：位相比較器
３０７：出力端子
５０１：シリコン基板
５０２：可動体
５０３：反応膜
５０４：静電駆動用電極
５０５：ガラス基板
５０６：静電駆動用電極端子
５０７：固定電極
５０８：固定電極端子
５０９：シリコン基板用電極端子
６０１：第一の発振器
６０２：第二の発振器
６０３：ガスセンサ
６０４：チャージアンプ
６０５：高域通過フィルタ
６０６：検波回路
６０７：低域通過フィルタ
６０８：位相補償器
６０９：位相比較器
６１０：出力端子
７０１：シリコン基板
７０２：可動体
７０３：反応膜
７０４：静電駆動用電極
７０５：ガラス基板
７０６：静電駆動用電極端子
７０７：固定電極
７０８：固定電極端子
７０９：シリコン基板用電極端子
８０１：水晶振動子
８０２：水晶振動子を両面から挟む下地電極
８０３：ガス成分を吸着する有機高分子薄膜
８０４：シリコン振動子
８０５：ガス成分を吸着する反応膜
８０６：バッテリ
８０７：ビームを振動させる発振回路
８０８：電極
８０９：ベースプレート
８１０：ピエゾ抵抗素子からなるブリッジ
８１１：発振回路の出力端子
８１３：シリコン基板
【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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【図１２】
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【図１３】
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