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2014 年度 実績報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 24686013
研究機関東北大学

研究代表者

辻 俊宏  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70374965)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワード圧電結晶 / 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
研究実績の概要

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。極性ガスとして水分子を対象とした場合に、前年度までの研究により、水晶の加工変質層が有用であることを見出し、非晶質シリカの効果であることをゾルゲル法で合成したシリカ膜(ゾルゲルシリカ膜)により検証した。その結果、0.2 nmol/mol(ppb)の検出限界を持つ微量水分センサとして利用できる可能性が示された。この性能は微量水分測定器の分野で最も高感度なキャビティリングダウン分光装置(CRDS)と同等であり、さらに応答時間に関してはその1/10と著しく短かった。しかし実用化を見据えた場合に、センサ出力の長期にわたる安定性(ドリフト、感度の経時変化の除去)が重要であるが、高調波素子を用いた温度変動によるセンサ出力の除去(温度補償)はまだ完全ではなかった。
そこでH26年度には測定機器の回路定数の温度依存性の除去を目指して、従来の周波数差分に異なる周回波間での遅延時間の差分を組み合わせた「周波数周回差分」を考案して適用した。その結果、計測器に起因した出力の変動は見られなくなり、極性分子と活性表面の相互作用のみを精密に評価できる基盤が整った。一方で、ゾルゲルシリカ膜を用いたセンサの出力はやはりドリフトしていたことが明らかになったため、原因が膜に吸着した様々な有機分子の脱離にあると考えセンサのベーキングを実施した。その結果、130℃の乾燥窒素中で十分な時間処理するとドリフトを著しく低減できることが分かった。
このようにボールSAW微量水分センサを実現できる見込みが得られたため、アンダーサンプリングを用いた測定装置の簡略化も試みた。アンダーサンプリング時の応答の定式化した結果、信号対雑音比は60%程度に下がるものの十分実用的な出力が得られることが分かった。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

26年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

26年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (5件) (うち謝辞記載あり 5件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (6件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] ボールSAWセンサを用いた小型・高速・高感度な微量水分計の開発2015

    • 著者名/発表者名
      辻俊宏、渡邊圭、東出祐介、大泉透、竹田宣生、赤尾慎吾、塚原祐輔、山中一司
    • 雑誌名

      圧電材料・デバイスシンポジウム2015講演論文集

      巻: 2015 ページ: 107-112

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Temperature Compensation of Ball SAW Sensor by Two-Frequency Measurement Using Undersampling2014

    • 著者名/発表者名
      T. Tsuji, T. Oizumi, N. Takeda, S. Akao, Y. Tsukahara, K. Yamanaka
    • 雑誌名

      Proc. Symp. Ultrason. Electron.

      巻: 35 ページ: 99-100

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Highly Sensitive Trace Moisture Ball Surface Acoustic Wave Sensor Using SiOx Film2014

    • 著者名/発表者名
      S. Hagihara, T. Tsuji, T. Oizumi, N. Takeda, S. Akao, T. Ohgi, K. Takayanagi, T. Yanagisawa, N. Nakaso, Y. Tsukahara, K. Yamanaka
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 53(7) ページ: 07KD08-1-5

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Detection of Trance Water Vapor Using SiOx-Coated Ball SAW Sensor2014

    • 著者名/発表者名
      K. Takayanagi, S. Akao, T. Yanagisaewa, N. Nakaso, Y. Tsukahara, S. Hagihara, T. Oizumi, N. Takeda, T. Tsuji, K. Yamanaka
    • 雑誌名

      Mater. Trans.

      巻: 55(7) ページ: 988-993

    • DOI

      doi:10.2320/matertrans.I-M2014807

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Highly Sensitive Ball Surface Acoustic Wave Hydrogen Sensor with Porous Pd-Alloy Film2014

    • 著者名/発表者名
      T. Tsuji, R. Mihara, T. Saito, S. Hagihara, T. Oizumi, N. Takeda, T. Ohgi, T. Yanagisawa, S. Akao, N. Nakaso, K. Yamanaka
    • 雑誌名

      Mater. Trans.

      巻: 55(7) ページ: 1040-1044

    • DOI

      doi:10.2320/matertrans.I-M2014816

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] ゾルゲルSiOx膜を用いたボールSAW微量水分センサの低ガス流量 における感度2015

    • 著者名/発表者名
      辻 俊宏, 渡邊 圭, 東出 祐介, 大泉 透, 竹田 宣生, 赤尾 慎吾, 塚原 祐輔, 山 中 一司
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東海大学(神奈川)
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [学会発表] アンダーサンプリングを用いた実用的ボールSAWセンサ2015

    • 著者名/発表者名
      辻 俊宏, 大泉 透, 竹田 宣生, 赤尾 慎 吾, 塚原 祐輔, 山中 一司
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東海大学(神奈川)
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [学会発表] ボールSAWセンサを用いた小型・高速・高感度な微量水分計の開発2015

    • 著者名/発表者名
      辻俊宏、渡邊圭、東出祐介、大泉透、竹田宣生、赤尾慎吾、塚原祐輔、山中一司
    • 学会等名
      圧電材料・デバイスシンポジウム
    • 発表場所
      東北大学(仙台)
    • 年月日
      2015-02-18 – 2015-02-19
  • [学会発表] Temperature compensation of ball SAW sensor by two-frequency measurement using undersampling2014

    • 著者名/発表者名
      Toshihiro Tsuji, Toru Oizumi, Nobuo Takeda, Shingo Akao, Yusuke Tsukahara, Kazushi Yamanaka
    • 学会等名
      Symposium on Ultrasonic Electronics
    • 発表場所
      明治大学(東京)
    • 年月日
      2014-12-03 – 2014-12-05
  • [学会発表] Vacuum pressure sensor available beyond atmospheric pressure using leaky attenuation of ball surface acoustic wave sensor2014

    • 著者名/発表者名
      T. Tsuji, T. Oizumi, N. Takeda, T. Ohgi, T. Yanagisawa, S. Akao, N. Nakaso, K. Yamanaka
    • 学会等名
      IEEE IUS
    • 発表場所
      米国シカゴ
    • 年月日
      2014-09-03 – 2014-09-06
  • [学会発表] Trace moisture measurement of 10 nmol/mol using a 3mm diameter silica coated ball SAW sensor2014

    • 著者名/発表者名
      K. Yamanaka, S. Hagihara, T. Tsuji, T. Oizumi, N. Takeda, S. Akao, T. Ohgi, K. Takayanagi, T. Yanagisawa, N. Nakaso, Y. Tsukahara
    • 学会等名
      IEEE IUS
    • 発表場所
      米国シカゴ
    • 年月日
      2014-09-03 – 2014-09-06
  • [産業財産権] 簡易型電気信号処理装置2014

    • 発明者名
      山中一司、辻俊宏、大泉透
    • 権利者名
      山中一司、辻俊宏、大泉透
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2014-241817
    • 出願年月日
      2014-11-28

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公開日: 2016-06-01  

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