CN102484466A - 弹性波元件与弹性波元件传感器 - Google Patents

弹性波元件与弹性波元件传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弹性波元件及弹性波元件传感器。弹性波元件构成为具备：压电体；输入IDT电极；进行输出的输出IDT电极；传播路径，其设置于这些输入IDT电极与输出IDT电极之间；第一电介质层，其以覆盖输入IDT电极及输出IDT电极的方式设置在压电体上；和反应部，其设置在传播路径上、且与检测对象物质或耦合物质进行反应，其中所述耦合物质与检测对象物质耦合；主要弹性波在输入IDT电极及输出IDT电极成为在压电体与第一电介质层之间进行传播的弹性边界波，而在传播路径成为在传播路径的上表面进行传播的弹性表面波。根据该构成，可以抑制元件特性劣化。

Description

弹性波元件与弹性波元件传感器
技术领域
本发明涉及弹性波元件与弹性波元件传感器。
背景技术
利用图10对以往的弹性波元件进行说明。图10是以往的弹性波元件的剖视图。弹性波元件1由压电体2、设置于该压电体2上且使波长λ的主要弹性波激励的IDT电极3、以覆盖IDT电极3的方式设置在压电体2之上的电介质层4、设置于该电介质层4之上的接触层5、以及设置于该接触层5之上且与检测对象物质或耦合物质反应的反应部6组成，其中该耦合物质与检测对象物质耦合。
在这种现有的弹性波元件1中，由IDT电极3激励的主要弹性波是在电介质层4的表面上进行传播的弹性表面波。然而，因为电介质层4薄到在电介质层4的表面上分布能量的程度，所以在使用弹性波元件1时或者制造过程中，存在IDT电极3因为外部的主要原因而受到损伤，从而性能劣化的问题。
另外，作为与该申请的发明相关的现有技术文献信息，例如公知专利文献1。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：国际公开第2008/102577号
发明内容
本发明的弹性波元件构成为具备：压电体；输入IDT电极，其设置于该压电体之上、且使主要弹性波激励；输出IDT电极，其设置于压电体之上、且接收主要弹性波并输出信号；传播路径，其设置于这些输入IDT电极与输出IDT电极之间；和第一电介质层，其以覆盖输入IDT电极及输出IDT电极的方式设置在压电体上；设置在传播路径上；主要弹性波在输入IDT电极及输出IDT电极成为在压电体与第一电介质层之间进行传播的弹性边界波，而在传播路径成为在传播路径的上表面进行传播的弹性表面波。
根据该构成，在将弹性波元件用作传感器之际，或者在制造过程中，可以抑制输入IDT电极及输出IDT电极因为外部的主要原因而受到损伤，从而导致性能劣化的状况。
附图说明
图1是本发明的实施方式1中的弹性波元件的剖视图。
图2是本发明的实施方式1中的弹性波元件的能量分布图。
图3是本发明的实施方式1中的弹性波元件的其他剖视图。
图4是本发明的实施方式1中的弹性波元件的其他剖视图。
图5是本发明的实施方式1中的弹性波元件的其他剖视图。
图6是本发明的实施方式1中的弹性波元件的其他剖视图。
图7是本发明的实施方式1中的弹性波元件的其他剖视图。
图8是本发明的实施方式1中的弹性波元件的其他能量分布图。
图9是本发明的实施方式1中的弹性波元件传感器的剖视图。
图10是现有的弹性波元件的剖视图。
具体实施方式
(实施方式1)
以下参照附图对本发明实施方式1中的弹性波元件进行说明。图1是实施方式1中的弹性波元件的剖视图。
在图1中，弹性波元件7是横向型的弹性波元件，其包括：压电体8；输入IDT(Inter Digital Transducer)电极9，其设置于该压电体8之上、且使波长λ的例如SH(Shear-Horizontal)波等的主要弹性波激励；输出IDT电极10，其设置于压电体8之上、且接收主要弹性波并输出信号；以及传播路径11，其设置于这些输入IDT电极9与输出IDT电极10之间。再有，弹性波元件7还具备第一电介质层12，其按照覆盖输入IDT电极9及输出IDT电极10的方式设置在压电体8上，并且具有波长λ的0.8倍以上的膜厚。
还有，虽然图1中并未记载，但是弹性波元件7也可以具备反应部(未图示)，其设置在传播路径之上、且与检测对象物质或者耦合物质反应，其中该耦合物质与检测对象物质耦合。
压电体8由板厚为100μm～350μm左右的单结晶压电基板构成，例如是铌酸锂系、钽酸锂系、水晶或者铌酸钾系的基板。
输入IDT电极9与输出IDT电极10是标准化膜厚为0.01λ～0.12λ左右的梳状电极，例如是铝、铜、银、金、钛、钨、白金、钼或铬组成的单体金属、或者以这些金属为主要成分的合金、或者这些金属层叠而成的构成。尤其是，作为这些IDT电极9、10的材料，优选采用耐腐蚀且质量大的金。
第一电介质层12例如是氧化硅、金刚石、硅、氮化硅、氮化铝或者氧化铝。再有，按照使在第一电介质层12中传播的最慢的体波的速度变得比由输入IDT电极9或输出IDT电极10激励的主要弹性波的速度还快的方式选定第一电介质层12，由此可以将主要弹性波限制在第一电介质层12与压电体8的边界部。再有，输入IDT电极9或输出IDT电极10中的主要弹性波的速度主要是由第一电介质层12的材料和IDT电极9、10的材料及膜厚来决定的。
再有，若将由输入IDT电极9激励的主要弹性波的波长设为λ，则希望第一电介质层12的膜厚为0.8λ以上的膜厚。由此，如图2所示，可以将IDT电极9、10中的主要弹性波限制在弹性波元件7之内。在此，图2的纵轴表示将主要弹性波的最大能量值设为1时的能量值，图2的横轴表示利用将IDT电极9、10与压电体8的边界面设为0的情况下以压电体8侧的厚度方向(图1的下方向)为正时的主要弹性波的波长λ进行了标准化的距离。图2中的u1、u2、u3分别表示主要弹性波的能量的纵波成分、横波成分、深度方向成分。即使在以后说明的图8中也是同样的。
优选，若将第一电介质层12的膜厚设为主要弹性波、即SH波的波长2λ以上，则可以将主要弹性波几乎完全地限制在弹性波元件7之内。还有，作为第一电介质层12，例如在采用氧化硅等具有与压电体8相反的频率温度特性的媒质的情况下，可以提高弹性波元件7的频率温度特性。另外，通过将第一电介质层12的膜厚设为5λ以下，从而可以使得弹性波元件7变薄。
这样，由输入IDT电极9激励的主要弹性波在输入IDT电极9内作为边界波而在第一电介质层12与压电体8的边界上传播，在传播路径11内作为主要弹性波集中的表面弹性波而在压电体8的表面上传播，在输出IDT电极10内如图2所示那样再次成为在第一电介质层12与压电体8的边界上传播的边界波。
即，在本实施方式1的弹性波元件7中，在传播路径11通过将主要弹性波设为表面波，从而例如在将弹性波元件用作传感器的情况下，可以维持传感检测灵敏度。另一方面，因为输入IDT电极9与输出IDT电极10为被厚的第一电介质层12覆盖的构成，所以在使用弹性波元件7时或者制造过程中，可以抑制输入IDT电极9及输出IDT电极10因为外部的主要原因而受到损伤，从而导致性能劣化的状况。
再有，如图3所示，第一电介质层12也可以由多层电介质层构成。该情况下，作为覆盖输入IDT电极9与输出IDT电极10的第一层的电介质层A，使用具有与压电体8相反的频率温度特性的媒质、例如氧化硅，作为其上的第二层的电介质层B，若采用在该电介质层中传播的最慢的体波的速度比在IDT电极9、10中传播的主要弹性波的速度快的媒质、例如金刚石、氮化硅、氮化铝或氧化铝，则可以兼顾频率温度特性与主要弹性波的限制。
进而，如图4所示，在输入IDT电极9及/或输出IDT电极10与传播路径11的边界部分，希望采取体波传播速度快的媒质、即上述第二层的电介质层B覆盖上述第一层的电介质层A的侧面的构成。由此，在IDT电极9、10与传播路径11的边界部分，通过使主要弹性波的能量从压电体8的表面进入内部，从而可以防止主要弹性波的反射所引起的损耗。
还有，如图5所示，在输入IDT电极9及/或输出IDT电极与传播路径11的边界部分，通过设置使第一电介质层12向下方扩展的锥状部15，从而能够缓和声阻抗的不匹配，由此能够抑制主要弹性波的反射，弹性波元件7可以获得良好的电特性。
另外，如图6所示，也可以在传播路径11上设置具有主要弹性波的波长λ的0.4倍以下的膜厚的第二电介质层14，在该第二电介质层14之上设置反应部(未图示)。该情况下，通过在进行传感检测的传播路径11将主要弹性波设为表面波，从而例如在将弹性波元件用作传感器的情况下，也可以维持传感检测灵敏度。另一方面，因为输入IDT电极9及输出IDT电极10为由厚的第一电介质层12覆盖的构成，所以在使用弹性波元件7时或者制造过程中，可以抑制输入IDT电极9及输出IDT电极10因为外部的主要原因而受到损伤，从而导致性能劣化的状况。此外，将第二电介质层14的标准化膜厚设为0.4λ以下的理由在于：可以抑制在IDT电极9、10与传播路径11的边界部分主要弹性波从边界波变换为表面波或者从表面波变换为边界波之际的能量损耗。进而，作为第二电介质层14，例如在采用了氧化硅这种具有与压电体8相反的频率温度特性的媒质的情况下，可以提高弹性波元件7的频率温度特性。
再有，如图7所示，即使在输入IDT电极9、输出IDT电极10与传播路径11之上全部设置了同一膜厚的第一电介质层12的情况下，只要主要弹性波在输入IDT电极9及输出IDT电极10成为在压电体8与第一电介质层12之间进行传播的弹性边界波，而在传播路径11成为在传播路径的上表面进行传播的弹性表面波即可。
即，确定第一电介质层12的材料与膜厚以及IDT电极9、10的材料与膜厚，以使：在IDT电极9、10，因电极的质量附加效应而被激励的主要弹性波的速度比在第一电介质层12中传播的最慢的体波的传播速度慢，而在传播路径11，因为没有IDT电极9、10的质量附加效应，所以主要弹性波的速度比在第一电介质层12中传播的最慢的体波的传播速度快。
例如，在图8中示出：作为压电体8而采用15度旋转Y切X向传播的铌酸锂，作为IDT电极9、10而采用标准化膜厚为0.08λ以上的金，作为第一电介质层12而采用氧化硅时的能量分布图。
如图8所示，在IDT电极9、10为具有与标准化膜厚0.08λ以上的金同等的材料的金属、且由氧化硅构成的第一电介质层12的标准化膜厚为0.8λ以上的情况下，主要弹性波在输入IDT电极9及输出IDT电极10成为能量分布集中于IDT电极9附近的弹性边界波，而在传播路径因为没有电极产生的质量附加效应，所以成为能量分布集中于第一电介质层12表面的弹性表面波。
即，在弹性波元件7中，通过在传播路径11将主要弹性波设为表面波，从而例如将弹性波元件用作传感器的情况下，可以维持传感检测灵敏度。另一方面，因为输入IDT电极9及输出IDT电极10为由厚的第一电介质层12覆盖的构成，所以在使用弹性波元件7时或者制造过程中，可以抑制输入IDT电极9及输出IDT电极10因为外部的主要原因而受到损伤，从而导致性能劣化的状况。
(实施方式2)
再有，例如如图9所示，对传播路径11上设置了基于特定物质的反应部13的情况进行详述。该情况下，本发明的弹性波元件7可以用作弹性波元件传感器16。
反应部13可以由与检测对象物质或者耦合物质反应的适当的人工细胞膜等有机材料膜、或镍、铜、金、钴、锌等单体金属、或者由合金组成的金属膜构成，其中该耦合物质与检测对象物质耦合。再有，该反应部13也可以不是膜状的，例如是由粒子状的脂质体构成的反应粒子。另外，反应部13也可以在与压电体8的界面具有由钛等构成的粘接层(未图示)。
以下说明在反应部13由镍构成的情况下例如对组氨酸标记蛋白质进行测量的方法。
首先，预先测量与未含有组氨酸标记蛋白质的参考用液体接触时的频率特性。
然后，使液体中含有组氨酸标记蛋白质的检测物体与反应部13接触，使反应部13吸附组氨酸标记蛋白质，测量弹性波元件传感器16的频率特性。
根据使这样得到的参考用液体与反应部13接触时的频率特性中的谐振频率和使液体中含有组氨酸标记蛋白质的检测物体与反应部13接触时的频率特性中的谐振频率之差，对检测物体中的组氨酸标记蛋白质的有无进行检测。
再有，通过如下这样预先生成标准曲线，从而也可以检测组氨酸标记蛋白质的浓度。即，预先使用已知的多种浓度的含有组氨酸标记蛋白质的标准检测物体，与上述同样地测量弹性波元件传感器16的频率特性。基于预先根据接触了已知的多种浓度的标准检测物体之际的频率特性而得到的多种谐振频率和接触了参考用液体时的谐振频率之差来生成标准曲线。而且，检测与含有组氨酸标记蛋白质的未知的检测物体相关的弹性波元件传感器16的谐振频率，求取该检测结果和与参考用液体相关的弹性波元件16的谐振频率之差，基于上述标准曲线来求取组氨酸标记蛋白质的浓度即可。
在本发明的弹性波元件传感器16中，因为输入IDT电极9及输出IDT电极10为由厚的电介质层12覆盖的构成，所以在使用弹性波元件传感器16时或者制造过程中，可以抑制输入IDT电极9及输出IDT电极10因为外部的主要原因而受到损伤，从而导致性能劣化的状况。
另外，在本实施方式1中，作为主要弹性波而采用了SH波，但是主要弹性波不仅可以是SH波，还可以通过改变压电体8的切割角而将瑞利波用作主要弹性波，其中作为变位成分，该瑞利波具有前进方向成分与深度方向成分。由此，可以进一步强化在传播路径11上传播的主要弹性波向表面的限制，可以提高传感检测灵敏度。
另外，在实施方式1中虽然传播路径11表面开放，但是也可以被电极(未图示)覆盖。通过用电极进行覆盖，从而利用短路的效应与质量负荷的效应而进一步强化在传播路径11上传播的主要弹性波向表面的限制，可以提高传感检测灵敏度。
再有，在实施方式1中，弹性波元件7或弹性波元件传感器16虽然示出了横向型的元件，但是并未限于此，例如弹性波元件7也可以是谐振器型元件、DMS(双模弹性表面波)元件或者梯型弹性波元件等。
(工业上的可利用性)
本发明涉及的弹性波元件例如具有抑制传感器特性劣化的特征，能够适用于医疗设备等电子设备。
符号说明：
7弹性波元件
8压电体
9输入IDT电极
10输出IDT电极
11传播路径
12第一电介质层
13反应部
14第二电介质层
15锥状部

Claims (8)

1.一种弹性波元件，其具备：
压电体；
输入IDT电极，其设置于所述压电体之上、且使主要弹性波激励；
输出IDT电极，其设置于所述压电体之上、且接收所述主要弹性波并输出信号；
传播路径，其设置于所述输入IDT电极与所述输出IDT电极之间；和
第一电介质层，其以覆盖所述输入IDT电极及所述输出IDT电极的方式设置在所述压电体上；
所述主要弹性波在所述输入IDT电极及所述输出IDT电极成为在所述压电体与所述第一电介质层之间进行传播的弹性边界波，而在所述传播路径成为在所述传播路径的上表面进行传播的弹性表面波。
2.根据权利要求1所述的弹性波元件，其中，
所述第一电介质层具有所述波长λ的0.8倍以上的膜厚，并且在所述第一电介质层中传播的最慢的体波的速度比在所述输入IDT电极或所述输出IDT电极中传播的所述主要弹性波的速度快。
3.根据权利要求1所述的弹性波元件，其中，
所述第一电介质层包括：
电介质层A，其覆盖所述输入IDT电极与所述输出IDT电极、且由氧化硅构成；和
电介质层B，其设置于所述电介质层A之上；
在所述电介质层B中传播的最慢的体波的速度比在所述输入IDT电极中传播的主要弹性波的速度快；并且，
在所述输入IDT电极或所述输出IDT电极与所述传播路径的边界部分，所述电介质层B为覆盖所述电介质层A的侧面的构成。
4.根据权利要求1所述的弹性波元件，其中，
所述第一电介质层在所述输入IDT电极或所述输出IDT电极与所述传播路径的边界部分具有向下方扩展的锥状部。
5.根据权利要求1所述的弹性波元件，其中，
所述第一电介质层设置在所述输入IDT电极、所述输出IDT电极与所述传播路径之上。
6.一种弹性波元件传感器，其具备：
压电体；
输入IDT电极，其设置于所述压电体之上、且使主要弹性波激励；
输出IDT电极，其设置于所述压电体之上、且接收所述主要弹性波并输出信号；
传播路径，其设置于所述输入IDT电极与所述输出IDT电极之间；
第一电介质层，其以覆盖所述输入IDT电极及所述输出IDT电极的方式设置在所述压电体上；和
反应部，其设置于所述传播路径之上、且与检测对象物质或耦合物质反应，其中该耦合物质与所述检测对象物质耦合；
所述主要弹性波在所述输入IDT电极及所述输出IDT电极成为在所述压电体与所述第一电介质层之间进行传播的弹性边界波，而在所述传播路径成为在所述传播路径的上表面进行传播的弹性表面波。
7.根据权利要求6所述的弹性波元件传感器，其中，
所述反应部直接设置在所述压电体之上。
8.根据权利要求6所述的弹性波元件传感器，其中，
在所述第一电介质层中传播的最慢的体波的速度比在所述输入IDT电极或所述输出IDT电极中传播的所述主要弹性波的速度慢；并且，
所述反应膜设置在第二电介质层之上，该第二电介质层设置于所述传播路径、且为所述波长的0.4倍以下。
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