ボールSAWセンサの基盤技術確立― 最高速のワイドレンジ水素センサ開発
で、ボールSAWセンサの有用性実証
各種センサへ展開 ―2006.1.12
東北大学
未来科学技術共同研究センター
教授 山中 一司

【概要】
• 未来科学技術共同研究センター山中一司教授（未来材料評価学創製研究分野）らのグループは、同グループが発見した球の表面波の自然なコリメートビームに基づいて、世界最高速のワイドレンジ水素ガスセンサの試作に成功した。
• 今後は、今回開発した評価装置とセンサモジュールを協力機関に提供し、燃料電池、環境、バイオなど多様な分野のセンサ市場へ進出する。

これまでの研究経過• 濃度10ppmから100%まで測れる世界初の水素ガスセンサを開発した• 従来の表面波センサより100倍も高感度である（米電気電子工学会紀要IEEE Trans.
UFFCに論文掲載予定）• 応答時間は20秒程度であり、高速化が課題

今回の研究• 素子製造プロセスの高精度化による信号強度の増大• 水素を吸蔵する感応膜の組成安定性の向上• 高速にガスを加温できる計測系の開発• 信号処理時間の短縮

燃料電池と水素ステーション

高圧水素タンク
40MPa～400気圧☆爆発限界～4vol%
漏れ検出の必要性

水素ガスセンサ◇ 水素ガスセンサに求められる性能*（水素ガス濃度0.1%以下～10%以上）*Department of Energy DOE(U.S.A.)<広い検知範囲（ワイドレンジ）、高選択性、高応答性、低コスト>◇ 開発されている主な水素センサ
FET型水素センサ
電気抵抗式水素センサ
接触燃焼式水素センサ

現在、全ての条件を満たすセンサは開発されていない

FET水素センサ
パラジウム合金をゲートとするFETのチャンネル部を水素が被覆すると、仕事関数が変化して、電流が変化する

Pd thin film

H2

H H H H H

Ids

DrainSource

検知濃度範囲10ppm から1% （体積濃度）

電気抵抗式水素センサ
H2

Pd thin film

パラジウム合金に水素が拡散すると電気抵抗が変化して電流が変化する
検知濃度範囲0.1%-100%

H2HHIH
HH

H

H2H

表面波(SAW;surface acoustic wave)センサ
物質の表面に沿って伝搬する超音波
感応膜

ガス分子

高周波パルス

表面波

圧電結晶基板高周波パルス電極

薄膜の弾性特性の変化が伝搬特性に影響多様なメカニズム

水素、CO、臭気、
プロテイン、、圧力、温度

超音波は半導体より広範囲な対象に反応 （exペニシリンvs漢方薬）.
but 伝搬距離が短く、感度不十分⇒厚い感応膜が必要(100 nm以上)⇒拡散時間が長く(>100秒)遅いのが問題。

各種水素ガスセンサの比較
方式

水素検出濃度範 応答時間
囲
電界効果トラ 10ppm-1%（低濃 2s
ンジスタFET 度）
1%-100% （高濃 5s
電気抵抗度）
0.1%-100% （高濃 >100 s
表面波度）
（長い）

表面波

圧電結晶球

感応膜

すだれ状電極分子

ボールSAW
センサ
周回信号
⇒高感度化

高周波パルス123

100 周目膜を繰り返し通る（100周以上）….感度が飛躍的に向上⇒厚い感応膜が不要(40 nm以下)⇒応答が早い (>4秒)。
「ペニシリンの即効性と漢方の汎用性」が両立⇒・・すべてのセンサに革命をもたらす可能性あり。

球の表面波における無回折伝搬の発見
ある特定の幅のビームは、拡がらず同じ幅で周回する。
=自然な コリメートビーム
他の部分に存在する障害（球の支持部、加工による欠陥、真球度の低下した部分など）の影響を受けない

ka=440Aperture 8°k=

ωVs=2πf 2π=fλ
λa: radius of ball

Aperture angle

×Center of ball

8ºK. Yamanaka et.al
Appl. Physics Lett. 76 2797-2799
K. Yamanaka et.al
Technical Report of Institute ofElectronics, Information andCommunication Engineersコリメートビームのアニメーション

ka=45

In this calculation, the fundamental modes (n=0) in the range of 30<ka <56 wereemployed.

・The waterfront isparallel to themeridian.

・SAW continue tocircle the sphere.

・There are no diffraction losses
during round-trips, only propagation
loss due to material attenuation.

Quartz SiO2
z-axis cylinder直径1 mm の素子
Φ1mm Ball SAW Device

Bottom view of device

8 or 12 Gold bumps for device assembly
From the calculation of acoustic field near the electrode,We can determine the location and number of bumps andpins so that they don’t disturb the SAW propagation.

１ｍｍ ball SAW sensor

ボールSAW 素子の多重周回波形
Confirm the SAW
propagation till 100thturn

Amplitude [V]0.2

050th turn

–0.2

50

100μTime [Time[μs]s]

Amplitude [V]

0.04

0.02

0–0.02–0.0450450.450550.6

50650.8

Time[μs]

507 51.0水素ガスセンサの特性比較方式

検出濃度範囲

応答時間

FET

10ppm-1%（low）

2s

電気抵抗

1%-100% （high）

5s

SAW(平面)0.1%-100%（high）>100 s

ボールSAW?-?%?s

1mm φ

PdNi film

Transducer
H2Ball SAW hydrogen sensor

50SignalSignal(mV)(mV)

A51周0–5002.5Signal
Signal ((mV)
mV)

B

200

400600Time (μs)

キャリアガスのみ
100%
Argon
3%
Hydrogenin Argon
水素濃度3%

0–2.5505.9

506506.1

Time ( μs )506.2

水素に対する遅延時間応答
10mm球の予備実験

遅延時間
[μs]
Delaytime [ μs]0.1

0.6 1.2

1.8

2.4

3.0 %

506.08αphase

遅延時間応答Δt

506.07502040

Time [min]
時間経過
[分]

60

高感度とワイドレンジ性の実証
2004年7月
濃度10ppmでも測れる⇒最高の感度

振幅応答
Amplitude change [%]遅延時間応答Delay Time changeΔt[ns]0.60.40–100.2

Amplitude change [%]濃度100%でも飽和しない⇒ワイドレンジ

10.5100–20–201010Hydrogen Concentration [%]102

水素濃度 [%]

単独のセンサで実現 世界初の成果
応答時間は２０秒程度 ・・高速化に課題–310–2Hydrogen Concentration [%]10–2100Hydrogen Concentration[%]
水素濃度[%]

102

実験装置

制御装置

温度計

PdNi 薄膜：40nm
高速加温器

窒素ガス
3%水素ガス

MFC
MFC

パルス送受信器
流量5 リットル/毎分

温度計

信号処理用
コンピュータ

波形記録装置MFC：マスフローコントローラ（ガスを一定比率で混合する）

高速応答性の実証(測定間隔 2秒)

振幅 [mV](mV)
Amplitude

応答時間
室温で4秒
124度で2秒以下

260

250–400(c) 124℃ 0.6%
Amplitude
振幅[mV](mV)(a) 23℃
0.6% H2320310–4040040Time (s)[秒]
時間経過Time (s)[秒]時間経過(d) 124℃ 1.8%
270

Amplitude(mV)
振幅 [mV]

振幅 [mV]
Amplitude(mV)

270320310260(b) 23℃ 1.8%
–400Time (s)[秒]
時間経過
時間経過[秒]

40–400Time (s)[秒]
時間経過

40

Comparison of H2 sensors
SchemeDetection Range

Time

FET

10ppm-1%（low）

2s

Resistivity

1%-100% （high）

5s

SAW(conv.)

0.1%-100%（high）>100 sBall SAW

10ppm-100% （allrange）

2s

Best

圧電結晶球

表面波のコリメート
ビーム

感応膜

IDT
ガス分子（H2、におい分子など）

Ball SAW hydrogen sensor

今後の展開（１）• with（株）山武• 水素ステーション向け製品に組み込み• 水素漏れ検知機能つきの流量調節弁

今後の展開（２） with 凸版印刷(株)共同開発した評価装置とセンサモジュールを製品化
環境・バイオセンサの分野に進出

まとめ• 世界最高速のワイドレンジ水素ガスセンサを開発• 開発したボールSAWセンサは、超音波を使うためガス、液体、温度、圧力など広範囲な対象に適用可• 新発見の原理－自然に形成されるコリメートビームの多重周回－により従来のどのセンサより高感度• 自動車や家庭用に普及が見込まれる燃料電池（2020年の予想市場規模１．３兆円）の安全・制御センサ（水素、CO、圧力など）として製品開発決定• 環境ホルモン、ガス、臭気などの環境センサやプロテインチップなどのバイオセンサの分野でも新しい市場形成を期待