2012 Fiscal Year Annual Research Report
圧電結晶の活性表面と弾性表面波の超長距離伝搬を利用した高感度極性ガスセンサ
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24686013
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Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
辻 俊宏 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教 (70374965)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 圧電結晶 / 弾性表面波 / ボールSAWセンサ / 加工変質層 / 非晶質シリカ / 紫外線照射 / 微量水分 / 温度補償 |
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| Research Abstract |
本研究の目的は圧電結晶の活性表面を用いた弾性表面波の超長距離伝搬を用いた高感度極性ガスセンサを開発することである。当初、圧電結晶の極性ガスに対する活性表面は紫外線(UV)照射した表面により見出されたが、研究の過程でその他の原理に基づく活性表面が実用的な性能を有することが分かった。
具体的には、極性ガスの中でも最も強い極性を持つ水蒸気は半導体産業において1ppm以下の濃度管理が求められているが既存のセンサは感度と応答時間の点で性能が不十分である(1ppmに10分)。一方で、光学研磨された水晶球を用いたボールSAWセンサにおいて1ppmを15秒測定できる性能を持つものが存在することが分かったが、メカニズムが不明だった。状況から圧電結晶の活性表面の存在が示唆されたため、応答の有ったセンサについてレーザー顕微鏡観察、顕微ラマン散乱スペクトル測定、エネルギー分散型X線分析、X線光電子分光法、緩衝フッ酸溶液を用いたエッチングを実施した。その結果、表面に極薄い非晶質のシリカ層が存在し水和反応している可能性が高いことが分かった。この非晶質シリカは鏡面加工された水晶の表面には存在しないとされているものであるが、研磨工程が同じでも加工条件の微妙な違いで発生したと考えらえる。一方で、このように優れた特性を持つ非晶質シリカを利用するために、模擬する方法を探索し、スパッタリング成膜およびゾルゲル反応を試した結果、ゾルゲル反応で作製したシリカが水蒸気に高感度なことが分かった。しかし、センサとして用いる場合にガス温度(室温)の変動による応答のドリフトが問題になり、センサセルの開発においてガスの吸着性や死容量の低減だけでなく、2つのセンサを用いて高精度な応答の補償ができるようにセンサ間の熱伝導性も考慮にいれた設計が必要なことが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
圧電結晶の新しい活性表面の形態を見出して、実用化可能な性能のセンサの開発に目途が立ちつつある。ボールSAW素子の高精度化に重要な電極材料や対数の検討も進め、軽量な材料(Al)や少対数(3対)の有用性を実証することができた。この活性表面を人工的に生成する方法は必ずしも容易ではないかもしれないが、H24年度から着手したX線光電子分光法や二次イオン質量分析等の表面分析技術を駆使して応答機構の解明を図っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
極性ガスの中でも微量水分は半導体産業で強いニーズがあるため、これに応えられるようなボールSAWセンサを圧電結晶の活性表面を利用して開発する。高調波素子を用いたセンサは当初最終年度に検討する予定だったが、前倒して実施する可能性がある。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
助成金の額は1万4千円程度であり意図して計画した額ではない。高精度かつ高確度な測定を実現するための、温度ドリフトを高度に補償できるセンサセルの試作開発を継続する。
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