(57)【要約】【課題】  水素ガス検出のダイナミックレンジが広く、高感度、高速応答で、且つ使用環境の影響を受けて出力変動することのないセンサヘッド及びガスセンサを提供する。【解決手段】  水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器（６４，６５，６６）と、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体４０、３次元基体４０の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が３次元基体４０の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜２５とを備え、容器（６４，６５，６６）の内部に収容された水素ガス検出部（２５，２７，４０）とを含む。【選択図】      図１
2007271577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器と、
コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体、前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記弾性表面波を前記周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、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、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、前記容器の内部に収容された水素ガス検出部
とを含むことを特徴とするセンサヘッド。
【請求項２】
前記容器が、
前記３次元基体を搭載する実装基板を備える容器本体と、
選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋
とを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサヘッド。
【請求項３】
前記パッケージ上蓋が、
メッシュ構造体基板と、
該メッシュ構造体基板上の水素透過膜
とを備えることを特徴とする請求項２に記載のセンサヘッド。
【請求項４】
前記パッケージ上蓋が、前記メッシュ構造体基板に埋め込まれたマイクロヒータを更に備えることを特徴とする請求項３に記載のセンサヘッド。
【請求項５】
前記パッケージ上蓋が、
前記メッシュ構造体基板と前記水素透過膜との間に挟まれた水素透過性絶縁膜と、
該水素透過性絶縁膜に埋め込まれたマイクロヒータ
とを更に備えることを特徴とする請求項３に記載のセンサヘッド。
【請求項６】
前記容器本体が、前記実装基板の周辺部に底部を接続され、前記パッケージ上蓋の周辺部に上部を接続されるパッケージ側壁を更に備えることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のセンサヘッド。
【請求項７】
水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器と、
コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体、前記３次元基体の前記周回帯上に位置し、前記弾性表面波を前記周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、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、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、前記容器の内部に収容された水素ガス検出部と、
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
とを含むことを特徴とするガスセンサ。
【請求項８】
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項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記容器が、
前記３次元基体を搭載する実装基板を備える容器本体と、
選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋
とを備えることを特徴とする請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記実装基板上の前記水素ガス検出部とは異なる位置において、前記高周波発生部及び前記検出・出力部が、前記実装基板上に搭載されていることを特徴とする請求項９に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記実装基板の上面に配置され、前記水素ガス検出部と電気的に接続された複数の内部実装配線と、
前記実装基板内部に埋め込まれ、前記複数の内部実装配線にそれぞれ電気的に接続された複数のビアプラグと、
該複数のビアプラグにそれぞれ電気的に接続され、前記容器の外部回路との接続を可能にする複数の外部実装配線
とを更に備えることを特徴とする請求項９に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記高周波発生部及び前記検出・出力部は、前記複数の外部実装配線を介して、前記容器の外部に配置されていることを特徴とする請求項１１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、大気中や気相化学プロセス又は水素ガスを使用する環境下での水素ガスの漏れ検出及び濃度を測るためのセンサヘッド及びこれを用いた水素ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の地球規模のエネルギー・環境問題を解決するものとして、燃料電池に代表される高エネルギー効率でクリーンな水素エネルギー利用システムが期待されている。しかし、水素（Ｈ2）は天然ガスの主成分であるメタン（ＣＨ4）と比較して、着火温度が低い（５３０℃）、発火エネルギーが小さい（０．０２ｍＪ）、爆発限界が広い（４〜７５％）、燃焼速度が速い（２．６５ｍ／ｓ）などの性質がある。そのため水素エネルギーの普及には、水素の製造、輸送、及び利用の安全性を管理するための水素ガス漏洩検出及び濃度計測ためのセンサデバイスが必要不可欠となる。
【０００３】
現在は石油精製や半導体工場又は宇宙産業のロケットなどの特殊な領域で水素ガスセンサが使われているが、将来は燃料電池自動車、工業用定置型燃料電池及び家庭用定置型燃料電池の普及するにともない、水素ガスセンサの需要は、大幅に拡大することが予想される。
【０００４】
この水素ガスセンサに要求される性能としては、例えば水素漏れや漏洩センサの場合には、高感度（０．１％−１０％）、作動温度が低い（−３０℃〜８０℃）、安定性が高い、水素ガスに対して選択性が高い、応答速度が速い（＜１ｓ）、及びコストが低いことがあげられる。しかしながら、現在市販されている接触燃焼式センサや半導体式センサ及び弾性表面波センサなどで、上記の性能を満たすものはない。
【０００５】
接触燃焼式センサでは、酸化触媒を用いてガスが燃焼する際の発熱量から水素濃度を測定するため、水素以外のすべての可燃性ガスに反応し、又作動温度が高い。
【０００６】
吸着現象を利用した半導体式センサは、酸化錫（ＳｎＯ２）などの金属酸化物半導体の表面に水素分子が吸着したときの、電気伝導率の変化から水素濃度を測定する。この方式は、応答速度も速く、数十ｐｐｍの水素濃度を検出できるが、水素濃度が大きくなるとセンサの出力が飽和してしまうため、低濃度側（〜０．２％）の測定に制限される。又、ＳｎＯ２表面に白金膜を触媒として形成すれば、センサの出力は、他の可燃性ガスに比べて高くなるが、なお一酸化炭素や他の可燃性ガスの影響を受ける。
【０００７】
そこで、近年は、半導体式、光学式、弾性表面波式、熱電式、電気化学式など各種方式のセンサが高性能化を競っている。  この中で半導体式、光学式、及び弾性表面波式では、センサ表面に水素を選択的に吸収及び放出する特徴をもつパラジウム（Ｐｄ）或いはパラジウム合金膜を形成することにより、水素ガスに対して選択性をもたせていると言われている。
【０００８】
しかし１９９６年に、パラジウム膜でも水素以外の一酸化炭素（ＣＯ）或いは一酸化窒素（ＮＯ）などの他のガスにも膜自身の特性変化があるとの報告がある（非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】Ｖ．Ｉ．アニシムキン（Anisimkin）他５名、「水素吸収によるパラジウム膜の弾性的変化のリアルタイム測定（REAL TIME CHARACTERIZATION OF ELASTIC VARIATIONS IN PALLADIUM FILMS PRODUCED BY HYDROGEN ADSORPTION）,米国電子電気学会（IEEE）超音波シンポジウム（ ULTRASONICS SYMPOSIUM），ｐ２９３，１９９６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の説明からもわかるように、一般大気の生活環境下で高い安全性が要求される燃料電池自動車、高圧高濃度水素ガスを用いる水素ステーション、又は天然ガス中のプロッパンガスから高温高湿度下で水素を精製しエネルギーに変換する工業用定置型燃料電池或いは家庭用定置型燃料電池などの分野では、高温高湿度下及び他のガスの影響を排除して、水素ガス漏洩が検出でき、或いは水素ガスの濃度が検出できるセンサヘッド及びガスセンサが待望されている。
【００１０】
本発明は、水素ガス検出のダイナミックレンジが広く、高感度、高速応答で、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在等の使用環境の影響を受けて出力変動することのないセンサヘッド及びこのセンサヘッドを用い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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は（イ）水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器と、（ロ）コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体、３次元基体の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、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、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、容器の内部に収容された水素ガス検出部とを含むセンサヘッドであることを要旨とする。ここで、「弾性表面波」とは、基材の表面に沿いエネルギーを集中して伝播する弾性波のすべてを含む。例えば、多少エネルギーを基材に漏洩しながら伝播する擬セザワ波（漏洩セザワ波）、ＳＨ波、また表面に設けられた膜を伝播可能なラブ波などを含む。そして、「コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯」とは、周回帯の幅が平行な場合で、最も狭い幅で弾性表面波が周回する。「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。
【００１２】
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一定の関係がある。例えば、直径１０ｍｍの水晶球で、周波数４５ＭＨｚでは、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。
【００１３】
「弾性表面波を周回帯に沿って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必要がある。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。
【００１４】
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の態様に係るセンサヘッドに用いる「３次元基体」のトポロジーとしては、真球が最も好ましい。
【００１５】
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定義される場合がある。
【００１６】
本発明の第１の態様に係るセンサヘッドに用いる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もっていることを示している。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。
【００１７】
本発明の第１の態様に係るセンサヘッドに用いる感応膜には、水素ガス分子と反応する、即ち、水素ガス分子の吸着、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材料が選択される。例えば、水素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。或いは水素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。水素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、水素ガス分子の有無や濃度等を計測できる。
【００１８】
本発明の第１の態様に係るセンサヘッドに用いる感応膜の厚さは、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、水素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以下にすることにより、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。
【００１９】
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。
【００２０】
更に、水素ガス（Ｈ2）を検出する感応膜としてはパラジウム（Ｐｄ）を含む膜が好適である。「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）、マグネシウム・パラジウム（Ｍｇ−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。パラジウムは自分の体積の９３５倍もの水素を吸蔵する。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。
【００２１】
水素ガス（Ｈ2）を検出する感応膜として種々の水素吸蔵合金膜を使用しても良い。水素吸蔵合金はＡとＢの原子比によりＡＢ5型合金、ＡＢ2型合金等に分類されるが、Ａサイトの元素としてはマグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、希土類金属等の２Ａ〜５Ａ族に属する金属、Ｂサイトの元素としては鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）等の６Ａ〜８族に属する金属で構成される。ＡＢ2型合金は、Ａサイトの元素１に対しＢサイトの元素２となる合金であるが、Ｔｉ，マンガン（Ｍｎ），Ｚｒ，Ｎｉなどの遷移元素の合金をベースとしたものが良く知られている。結晶はラーベス相と呼ばれる六方晶ベースの構造をもつ。水素密度が高く、容量を上げることが可能だが容量の大きい合金になるほど活性化が困難という欠点がある。一方ＡＢ5型合金は、希土類元素、ニオブ（Ｎｂ）、Ｚｒ等のＡサイトの元素１に対して触媒効果をもつ遷移元素（Ｎｉ、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）など）等のＢサイトの元素５を含む合金をベースとしたものであり、初期段階からの水素化反応が容易だが、希土類元素やコバルトを含むため高価なのが難点ではあるが、球表面の一部に感応膜を形成すれば安価にできる。
【００２２】
その他、Ｔｉ−Ｆｅ系、Ｖ系、Ｍｇ合金、Ｃａ系合金等も、水素吸蔵合金膜であり、水素ガス（Ｈ2）を検出する感応膜として採用可能である。Ｔｉ−Ｆｅ系の水素吸蔵合金膜は、比較的空隙の多い体心立方晶の金属間化合物をなすＴｉ−Ｆｅ系をベースにしたものである。Ｖ系の水素吸蔵合金膜は、Ｖが水素と効率よく反応するので、Ｖをベースとした比較的空隙の多い体心立方晶の合金である。Ｍｇ合金の水素吸蔵合金膜は、Ｍｇが７．６ｗｔ％もの水素を吸蔵するが、水素化マグネシウムが比較的安定であるために、これを不安定化する触媒元素との合金が有効である。Ｃａ系合金の水素吸蔵合金膜は、水素との親和力が強いカルシウムと遷移元素（ニッケルなど）の合金が中心である。
【００２３】
又、水素ガス（Ｈ2）を検出する感応膜として、チタン（Ｔｉ）のようなガス吸収ケッタリング性をもつ金属薄膜を用いることも可能である。
【００２４】
本発明の第２の態様は、（イ）水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器と、（ロ）コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体、３次元基体の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、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、水素ガス分子と反応する感応膜とを備え、容器の内部に収容された水素ガス検出部と、（ハ）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、（ニ）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・出力部とを含むガスセンサであることを要旨とする。
【００２５】
本発明の第２の態様は、第１の態様において述べた水素ガス検出部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、伝搬特性の変化を水素ガス分子の有無や、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の態様に係るガスセンサでは、水素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。或いは水素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。水素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、水素ガス分子の有無や濃度等を計測できる。
【００２６】
本発明の第２の態様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、２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２桁以上上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の態様において述べたように、特に吸蔵型感応膜の場合には、水素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。
【００２７】
本発明の第２の態様において、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。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、水素ガス検出のダイナミックレンジが広く、高感度、高速応答で、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在等の使用環境の影響を受けて出力変動することのないセンサヘッド及びこのセンサヘッドを用いたガスセンサが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、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。
【００３０】
又、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、本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、本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。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００３１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るセンサヘッドは、図１及び図２に示すように、水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器（６４，６５，６６）と、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体４０、３次元基体４０の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が３次元基体４０の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜２５とを備え、容器（６４，６５，６６）の内部に収容された水素ガス検出部（２５，２７，４０）とを含む。
【００３２】
図１及び図２に示すように、容器（６４，６５，６６）は、３次元基体４０を搭載する実装基板（パッケージ基板）６４を備える容器本体（６４，６５）と、選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋６６とを備える。そして、パッケージ上蓋６６は、メッシュ構造体基板６６２と、このメッシュ構造体基板６６２上の水素透過膜６６１とを備える。水素透過膜６６１はパラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金薄膜、若しくは水素吸蔵合金膜から構成すれば良い。メッシュ構造体基板６６２は、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いて、図１及び図２に示すような、矩形の貫通孔を開口すれば良い。例えばＳｉ（１００）面を用いてリソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、ＲＩＥによる異方性エッチングを行えば、図１及び図２に示すような、（１００）面で囲まれた貫通孔をマトリクス状に形成できる。
【００３３】
更に、パッケージ上蓋６６は、メッシュ構造体基板６６２に埋め込まれたマイクロヒータ６６５を備える。マイクロヒータ６６５は、Ａｌ、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属からなる抵抗線型ヒータであり、リソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、ＲＩＥによる溝部を形成し、この溝部の内部に真空蒸着やスパッタリングで埋め込めば、図１及び図２に示すような、メアンダライン形状の抵抗線型ヒータが形成できる。マイクロヒータ６６５で、水素透過膜６６１を所定の温度にまで加熱・昇温しておくことにより、パッケージ上蓋６６を選択性水素ガス透過フィルタとして機能させ、水素を選択的に容器の内部に導入することができる。加熱温度は水素透過膜６６１を構成する材料に依存するが、Ｐｄ膜で３００℃程度以上から５００℃程度以内、Ｐｄ合金膜では１００℃以上の低温に加熱すれば良い。
【００３４】
図３に示すように、水素ガス検出部（２１，２７，４０）は、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯Ｂを定義する曲面を有する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、弾性表面波を周回帯Ｂに沿って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、水素ガス分子と反応する感応膜２５とを備える。
【００３５】
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）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）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３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３（ａ）に示す均質材料球４０の中心を通り、且つ、矢印Ａの結晶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。
【００３６】
均質材料球４０のような単結晶水晶球の場合は、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、三方晶系結晶軸の一つを図３（ａ）に示す矢印Ａの方向とすれば、赤道を中心として、ある幅をもつベルト状の周回帯Ｂで、弾性表面波が周回する。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。
【００３７】
すだれ状電極２１は、いわゆるオルターニット・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。
【００３８】
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。
【００３９】
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３（ａ）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。
【００４０】
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。
【００４１】
水素ガス検出部としての感度は、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、水素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し、なおかつ、可逆反応を起す材料であることが望ましい。
【００４２】
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）、パラジウム合金薄膜、他の水素吸蔵合金膜、若しくは、チタン（Ｔｉ）のようなガス吸収ケッタリング性をもつ金属薄膜が好適である。
【００４３】
第１の実施の形態に係る水素ガス検出部では、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、水素ガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には水素ガス分子の有無や濃度を計測することができる。
【００４４】
図１及び図２に示すように、容器本体（６４，６５）は、実装基板（パッケージ基板）６４の周辺部に底部を接続され、パッケージ上蓋６６の周辺部に上部を接続されるパッケージ側壁６５を更に備え、３次元基体４０が、平行平板形状の実装基板６４上に導電性接続体５０ａ，５０ｂとしての複数の金属バンプ５０ａ，５０ｂ，・・・・・を用いて、実装され、本発明の第１の実施の形態に係るセンサヘッドを構成している。パッケージ側壁６５は、水素ガス検出部の直径を考慮して、パッケージ上蓋６６と実装基板（パッケージ基板）６４との間の距離を調整するスペーサの機能をなしている。
【００４５】
実装基板（パッケージ基板）６４とパッケージ側壁６５、或いは、パッケージ側壁６５とパッケージ上蓋６６とは、それぞれ、例えば、高温での耐熱性及び高密封性を有する接着剤で機密性を保つように接合される。実装基板（パッケージ基板）６４とパッケージ側壁６５、パッケージ側壁６５とパッケージ上蓋６６とは、それぞれ、合金接着層を用いた高温溶解接着をしても良く、或いは、低融点ガラス材などを用いて接着しても良い。
【００４６】
より具体的には、実装基板６４上に、複数の内部実装配線６１ａ，６１ｂ，・・・・・がパターニングされ、この複数の内部実装配線６１ａ，６１ｂ，・・・・・に、複数の金属バンプ５０ａ，５０ｂ，・・・・・を用いて、水素ガス検出部が実装されている。複数の金属バンプ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。
【００４７】
実装基板６４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。複数の内部実装配線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。
【００４８】
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でなければどこに複数の金属バンプ５０ａ，５０ｂ，・・・・・を接続し、均質材料球４０を固定しても構わない。複数の金属バンプ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。
【００４９】
図１に示すように、実装基板（パッケージ基板）６４の内部には、複数の内部実装配線６１ａ，６１ｂ，・・・・・にそれぞれ電気的に接続されるように、複数のビアプラグ６２ａ，６２ｂ，・・・・・が埋め込まれている。そして、この複数のビアプラグ６２ａ，６２ｂ，・・・・・にそれぞれ電気的に接続され、容器（６４，６５，６６）の外部回路との接続を可能にするように、複数の外部実装配線６３ａ，６３ｂ，・・・・・が、実装基板（パッケージ基板）６４の裏面に備えられている。
【００５０】
なお、図１及び図２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、高周波発生部及び検出・出力部は、複数の外部実装配線６３ａ，６３ｂ，・・・・・を介して接続されるように、容器（６４，６５，６６）の外部に配置しても良い。
【００５１】
又、第１の実施の形態に係るセンサヘッドでは、被計測ガスとなる水素ガスを実装基板６４の表面と平行に流すことが好ましい。
【００５２】
第１の実施の形態に係るセンサヘッドを用いたガスセンサによれば、例えば、伝搬長約３ｍｍ、１μｓのときに１ｎｓ（０．１％）の分解能をもつ検出・出力部２４を有している場合において、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。
【００５３】
このように、第１の実施の形態によれば、水素ガスの検出範囲（ダイナミックレンジ）が１０［ｐｐｍ］から１００％までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないセンサヘッド及びガスセンサを提供することができる。
【００５４】
＜第１変形例＞
本発明の第１の実施の形態の第１変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図４に示すように、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯Ｂを定義する曲面を有する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、弾性表面波を周回帯Ｂに沿って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の一部に存在する水素ガス分子と反応する感応膜２６とを備える。３次元基体４０は、第１の実施の形態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の実施の形態とは異なる。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。
【００５５】
即ち、第１の実施の形態の第１変形例に係る水素ガス検出部では、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の実施の形態に係る水素ガス検出部と同様な水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の単結晶球が採用可能であるが、第１の実施の形態の第１変形例に係る水素ガス検出部においては、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。
【００５６】
Ｐｄのように感応膜２６が材料として高価な場合は、図４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１の実施の形態の第１変形例に係る水素ガス検出部の工業的価値は非常に高い。
【００５７】
ここで、第１の実施の形態の第１変形例に係るガスセンサ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。
【００５８】
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１の実施の形態の第１変形例に係るガスセンサは、非常に選択性に優れ、ｐｐｍの感度と、１００％までのダイナミックレンジと、常温で４秒以内で１３０℃では２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。
【００５９】
＜第２変形例＞
本発明の第１の実施の形態の第２変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図５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の実施の形態及び第１変形例とは異なり、均質材料球４０は、圧電性をもたない物質（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。
【００６０】
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で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、結晶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の実施の形態に係るガスセンサと同様であり、重複した説明を省略する。
【００６１】
図５（ｂ）には、図５（ａ）に示した第１の実施の形態の第２変形例に係る水素ガス検出部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の実施の形態に係る水素ガス検出部と何ら変わるところはない。図５（ｂ）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。
【００６２】
水素ガス検出部としての感度は、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、水素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。
【００６３】
＜第３変形例＞
本発明の第１の実施の形態の第３変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図６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の実施の形態並びに第１変形例及び第２変形例に係るガスセンサと同様であり、重複した説明を省略する。
【００６４】
第１の実施の形態の第３変形例に係る水素ガス検出部では感応膜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。
【００６５】
Ｐｄのように感応膜２５が材料として高価な場合は、図６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１の実施の形態の第３変形例に係る水素ガス検出部の工業的価値は非常に高い。
【００６６】
＜第４変形例＞
本発明の第１の実施の形態の第４変形例に係るセンサヘッドの水素ガス検出部は、図７に示すように、高周波発生部８２、スイッチ部８３や検知・出力部８４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６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。
【００６７】
図７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８２、スイッチ部８３、検知・出力部８４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。
【００６８】
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を用いた水素ガス検出部にも応用できることは言うまでもない。
【００６９】
第４変形例に係る水素ガス検出部は、図７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。
【００７０】
第４変形例に係る水素ガス検出部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、半導体式が用いられる。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。
【００７１】
図７に示すように、均質材料球４０上に高周波発生部８２や検出・出力部６４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、すだれ状電極から図１に示した金属パッド（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。
【００７２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るガスセンサは、図８に示すように、３次元基体４０を搭載する実装基板６４と、実装基板６４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搭載半導体チップ９１と、実装基板６４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・出力部搭載半導体チップ９２と、この実装基板６４の表面に配置され、高周波発生部搭載半導体チップ９１と電気的に接続された第１の内部実装配線６１ａと、この実装基板６４の表面に配置され、検出・出力部搭載半導体チップ９２と電気的に接続された第２の内部実装配線６１ｂと、第１の内部実装配線６１ａ及び第２の内部実装配線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。
【００７３】
この様に、本発明の第２の実施の形態に係るガスセンサでは、実装基板（パッケージ基板）６４上の水素ガス検出部（２５，２７，４０）とは異なる位置において、高周波発生部及び検出・出力部がそれぞれ高周波発生部搭載半導体チップ９１及び検出・出力部搭載半導体チップ９２に集積化され、実装基板（パッケージ基板）６４上にハイブリッド集積回路として搭載されている。
【００７４】
図８では、電気音響変換素子の図示を省略しているが、既に図３、図４、図５及び図６を用いて説明した第１の実施の形態及びその変形例に係る水素ガス検出部の構造から容易に理解できるであろう。即ち、第２の実施の形態に係るガスセンサは、第１の実施の形態において説明した図３、図４、図５及び図６水素ガス検出部のいずれかを、平行平板形状の実装基板６４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６４上に、内部実装配線６１ａ，６１ｂ，・・・・・がパターニングされ、この内部実装配線６１ａ，６１ｂ，・・・・・に、金属バンプ５０ａ，５０ｂ，・・・・・を用いて、図３、図４、図５及び図６を用いて説明した第１の実施の形態及びその変形例に係る水素ガス検出部が実装されている。
【００７５】
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６４側に配置された高周波発生部搭載半導体チップ９１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６４側に配置された検出・出力部搭載半導体チップ９２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。
【００７６】
そして、第１の内部実装配線６１ａが高周波発生部搭載半導体チップ９１と電気的に接続され、第２の内部実装配線６１ｂが検出・出力部搭載半導体チップ９２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の内部実装配線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。この様にして、高周波発生部搭載半導体チップ９１や検出・出力部搭載半導体チップ９２が、実装基板６４上に形成されたシステム・オン・パッケージが構成できる。
【００７７】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、水素ガスの検出範囲（ダイナミックレンジ）が１０［ｐｐｍ］から１００％までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないガスセンサを提供することができる。
【００７８】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るセンサヘッドは、図９に示すように、水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器（６４，６５，６６）と、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体４０、３次元基体４０の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が３次元基体４０の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜２５とを備え、容器（６４，６５，６６）の内部に収容された水素ガス検出部（２５，２７，４０）とを含む。
【００７９】
図９に示すように、容器（６４，６５，６６）は、３次元基体４０を搭載する実装基板（パッケージ基板）６４を備える容器本体（６４，６５）と、選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋６６とを備える。そして、パッケージ上蓋６６は、メッシュ構造体基板６６２と、このメッシュ構造体基板６６２上の水素透過膜６６１と、メッシュ構造体基板６６２と水素透過膜６６１との間に挟まれた水素透過性絶縁膜６６３とを備える。水素透過膜６６１はＰｄ、Ｐｄ合金薄膜、若しくは水素吸蔵合金膜から構成すれば良い。メッシュ構造体基板６６２は、Ｓｉ等の半導体基板をＲＩＥ等を用いて、図９に示すような、矩形の貫通孔を開口すれば良い。例えばＳｉ（１００）面を用いてリソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、ＲＩＥによる異方性エッチングを行えば、図９に示すような、（１００）面で囲まれた貫通孔をマトリクス状に形成できる。水素透過性絶縁膜６６３は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）若しくはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）等が採用可能である。シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の水素透過性は、ＣＶＤの条件により、膜質の緻密性を制御すると共に、膜厚を選択すれば、所望の値を得ることができる。より具体的には、炭素あるいはフッ素を添加した一酸化珪素(ＳｉＯＣ，ＳｉＯＦ）等の無機系絶縁材料、水素シルセスオキサンポリマー（ＨＳＱ）、有機シリカ、多孔質ＨＳＱ、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等や、これらの材料を多孔質化した絶縁膜等の低誘電率絶縁膜が水素透過性絶縁膜６６３として使用可能である。
【００８０】
更に、パッケージ上蓋６６は、水素透過性絶縁膜６６３に埋め込まれたマイクロヒータ６６５を備える。マイクロヒータ６６５は、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等の金属からなる抵抗線型ヒータである。例えば、下層の水素透過性絶縁膜をＣＶＤ法等により堆積後、リソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、ＲＩＥによるメアンダライン形状のダマシン溝部を形成し、その後Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等の金属膜を真空蒸着、スパッタリング法等により堆積し、更に化学的機械研磨（ＣＭＰ）で平坦化すれば、ダマシン溝部にマイクロヒータ６６５となる金属膜が埋め込まれる。その後、この上に上層の水素透過性絶縁膜をＣＶＤ法等により堆積すれば、メアンダライン形状のマイクロヒータ６６５が埋め込まれた水素透過性絶縁膜６６３が形成できる。マイクロヒータ６６５で、水素透過膜６６１を所定の温度にまで加熱・昇温しておくことにより、パッケージ上蓋６６を選択性水素ガス透過フィルタとして機能させ、水素を選択的に容器の内部に導入することができることは、第１の実施の形態に係るセンサヘッド説明したとおりである。
【００８１】
他は、第１及び第２の実施の形態に係るセンサヘッドの構造と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【００８２】
第３の実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態と同様に、水素ガスの検出範囲（ダイナミックレンジ）が１０［ｐｐｍ］から１００％までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないセンサヘッド及びガスセンサを提供することができる。
【００８３】
（第４の実施の形態）
第３の実施の形態に係るセンサヘッドでは、多孔質化した絶縁膜や緻密性に劣る絶縁膜を等を水素透過性絶縁膜６６３として用いる構造を例示した。緻密なシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の場合は、一定の厚さ以上では、水素の透過性は無視できる。
【００８４】
本発明の第４の実施の形態に係るセンサヘッドは、図１０に示すように、水素ガスのみを選択的に透過し、水素ガス以外のガスに対し密封性を有する容器（６４，６５，６６）と、コリメートされた弾性表面波が多重周回可能な周回帯を定義する曲面を有する３次元基体４０、３次元基体４０の周回帯上に位置し、弾性表面波を周回帯に沿って励起する電気音響変換素子、少なくとも一部が３次元基体４０の周回帯の少なくとも一部に存在し、水素ガス分子と反応する感応膜２５とを備え、容器（６４，６５，６６）の内部に収容された水素ガス検出部（２５，２７，４０）とを含み、容器（６４，６５，６６）は、３次元基体４０を搭載する実装基板（パッケージ基板）６４を備える容器本体（６４，６５）と、選択性水素ガス透過フィルタを備えるパッケージ上蓋６６とを備える点では、第１〜第３の実施の形態に係るセンサヘッドと同様である。
【００８５】
しかし、図１０に示すように、パッケージ上蓋６６は、メッシュ構造体基板６６２と、このメッシュ構造体基板６６２上の水素透過膜６６１と、メッシュ構造体基板６６２と水素透過膜６６１との間に挟まれたメッシュ構造の絶縁膜６６８とを備える。メッシュ構造体基板６６２の貫通孔は、絶縁膜６６８のメッシュを構成する貫通孔と連続して形成されている。即ち、絶縁膜６６８とメッシュ構造体基板６６２を連続して貫通する矩形の穴により、メッシュ構造が形成されている。水素透過膜６６１は第１〜第３の実施の形態に係るセンサヘッドと同様に、Ｐｄ、Ｐｄ合金薄膜、若しくは水素吸蔵合金膜から構成すれば良い。
【００８６】
メッシュ構造体基板６６２は、Ｓｉ等の半導体基板をＲＩＥ等を用いて、図１０に示すような、矩形の貫通孔を開口すれば良い。例えばＳｉ（１００）面を用いてリソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、ＲＩＥによる異方性エッチングを行えば、図１０に示すような、（１００）面で囲まれた貫通孔をマトリクス状に形成できる。絶縁膜６６８は、高温でＣＶＤしたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）熱酸化膜若しくは化学量論的組成のシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）等の緻密性の高く、水素の透過に対しバリア性を有する絶縁膜が採用可能である。
【００８７】
更に、パッケージ上蓋６６は、メッシュ構造の絶縁膜６６８に埋め込まれたマイクロヒータ６６５を備える。マイクロヒータ６６５は、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等の金属からなる抵抗線型ヒータである。例えば、下層の水素透過性絶縁膜をＣＶＤ法等により堆積後、リソグラフィー工程で形成したエッチングマスクを用い、ＲＩＥによるメアンダライン形状のダマシン溝部を形成し、その後Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等の金属膜を真空蒸着、スパッタリング法等により堆積し、更に化学的機械研磨（ＣＭＰ）で平坦化すれば、ダマシン溝部にマイクロヒータ６６５となる金属膜が埋め込まれる。その後、この上に上層の水素透過性絶縁膜をＣＶＤ法等により堆積すれば、メアンダライン形状のマイクロヒータ６６５が埋め込まれたメッシュ構造の絶縁膜６６８が形成できる。メッシュ構造に絶縁膜６６８を加工するには、リソグラフィー工程で形成したフォトレジスト膜等のエッチングマスクを用い、ＲＩＥ、マグネトロンプラズマエッチング或いはイオンミリング等のエッチングを行えば、貫通孔をマトリクス状に形成できる。メッシュ構造体基板６６２と絶縁膜６６８とは、貼り合わせ法等で接合可能である。
【００８８】
マイクロヒータ６６５で、水素透過膜６６１を所定の温度にまで加熱・昇温しておくことにより、パッケージ上蓋６６を選択性水素ガス透過フィルタとして機能させ、水素を選択的に容器の内部に導入することができること等は、第１〜第３の実施の形態に係るセンサヘッド説明したとおりであり、重複した説明を省略する。
【００８９】
第４の実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態と同様に、水素ガスの検出範囲（ダイナミックレンジ）が１０［ｐｐｍ］から１００％までと広く、高速応答性をもち、且つ高温高湿度下やその他のガスの存在下においても、出力が変動することのないセンサヘッド及びガスセンサを提供することができる。
【００９０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態によって記載したが、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の形態、模式的な構造例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９１】
例えば、本発明の水素ガス検出部を収納する容器としては、セラミックＤＩＰパッケージ若しくはキャン形パッケージに等の技術を適用することが可能であり、図１、図２、図８及び図９に例示した構造に限定される必要はない。したがって、図１では、複数のビアプラグ６２ａ，６２ｂ，・・・・・にそれぞれ電気的に接続され、容器（６４，６５，６６）の外部回路との接続を可能にするように、複数の外部実装配線６３ａ，６３ｂ，・・・・・が、実装基板（パッケージ基板）６４の裏面に備えられた構造を例示したが、図１１に示すように、複数の外部実装配線（ピン）６７ｌ〜６７ｎ，６７ｐ〜６７ｗが実装基板を備えるパッケージ基体６８の側壁に設けられ、埋込配線を介して、内部実装配線に接続される構造でも良い。
【００９２】
或いは、図１２に示すように、パッケージ側壁６９にガス導入配管７２ａ，７３ａ、ガス導入バルブ７１ａ、ガス排気配管７２ｂ，７３ｂ及びガス排気バルブ７１ｂを設け、水素ガスの検出後に、ガス導入バルブ７１ａ及びガス排気バルブ７１ｂを開け、Ａｒ等のパージガスを容器の内部に導入し、水素ガス検出部の表面をパージできるようにしても良い。
【００９３】
パージが終了したら、ガス導入バルブ７１ａ及びガス排気バルブ７１ｂを閉じ、水素ガスを検出するような使用の態様が提供できる。
【００９４】
又、既に述べた第１〜第４の実施の形態に係る水素ガス検出部の説明においては、「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。
【００９５】
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。
【００９６】
更に、第１〜第４の実施の形態に係る水素ガス検出部の構造は、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。
【００９７】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態に係る水素ガス検出部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係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態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３】図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るセンサヘッドに用いる水素ガス検出部の構造を説明するための模式的な鳥瞰図で、図３（ｂ）は、図３（ａ）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４】本発明の第１の実施の形態の第１変形例に係るセンサヘッドに用いる水素ガス検出部の構造を説明する赤道断面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の第２変形例に係るセンサヘッドに用いる水素ガス検出部の構造を説明するための模式的な鳥瞰図で、図５（ｂ）は、図５（ａ）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６】本発明の第１の実施の形態の第３変形例に係るセンサヘッドに用いる水素ガス検出部の構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の第４変形例に係るセンサヘッドに用いる水素ガス検出部の構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るガスセンサの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係るガスセンサの構造を説明するための模式的な鳥瞰図である。
【図１２】本発明の更に他の実施の形態に係るセンサヘッドの構造を説明するための模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１５…感応膜
２１…すだれ状状電極（電気音響変換素子）
２２，８２…高周波発生部
２３，８３…スイッチ部
２４，８４…検出・出力部
２５，２６…感応膜
２７…電極配線
４０…均質材料球（３次元基体）
４１…圧電性薄膜
４２…温度センサ
５０ａ，５０ｂ…導電性接続体（金属バンプ）
６１ａ，６１ｂ…内部実装配線
６２ａ，６２ｂ…ビアプラグ
６３ａ，６３ｂ…外部実装配線
６４…実装基板
６５…パッケージ側壁
６６…パッケージ上蓋
６８…パッケージ基体
６９…パッケージ側壁
７１ａ…ガス導入バルブ
７１ｂ…ガス排気バルブ
７２ａ，７３ａ…ガス導入配管
７２ｂ，７３ｂ…ガス排気配管
９１…高周波発生部搭載半導体チップ
９２…検出・出力部搭載半導体チップ
６６１…水素透過膜
６６２…メッシュ構造体基板
６６３…水素透過性絶縁膜
６６５…マイクロヒータ
６６８…絶縁膜
【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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