JP2005534894A - スリット弾性波を用いたｓａｗセンサ素子およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部圧力の強度およびスリットに通過する液体の粘性度と誘電率を知ることが可能な、スリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子を提供する。
【解決手段】 素子に加えられる外部圧力を感知することができるように、その一側には薄膜を形成し、その他側には基板を形成し、その内部にはスリット弾性波が通過するスリットを備えた圧電基板と、前記圧電基板のスリット内の外側に形成され、電気的な入力信号をスリット弾性波に変換する入力ＩＤＴと、前記入力ＩＤＴと反対の外側に形成され、伝播されたスリット弾性波を受信して電気的な信号に変換する出力ＩＤＴとを備えてなるスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子。

Description

本発明は、ＳＡＷ素子に関し、特に、ＳＡＷ素子の共振器から発生する表面弾性波の適用と同様に、共振器から発生したスリット表面波の変化する周波数と速度との相関関係を適用することで、外部圧力の強度および液体の粘性度と誘電率を感知することができるスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子およびその方法に関する。

近年、移動通信システムの発展に伴い、携帯電話、携帯型情報端末などの移動通信機器が急速に普及され、これらの機器の小型化および高性能化の要求から、使用部品の小型化および高性能化が行われている。また、携帯電話においては、アナログ方式とデジタル方式の２種類の無線通信システムが採用されており、無線通信に使用する周波数は、８００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚにわたっている。
前述の移動通信システムにおいて、一般に使用されるアンテナデュプレクサには、通常、低損失、耐電力性、温度安定性などを考慮した誘電体共振器デュプレクサが使用されてきている。

しかし、最近、ＳＡＷフィルタの低損失設計方法、耐電力性材料の開発、温度特性の安定した基板開発の急速な進行により、前記ＳＡＷデュプレクサを適用する動きが活発化している。

前記誘電体デュプレクサと前記ＳＡＷデュプレクサとの長短所を比較すると、前記ＳＡＷデュプレクサは、耐電力性を除いては、全ての特性が誘電体に比べて同等または優れている。特に、外形寸法を比較してみると、前記ＳＡＷデュプレクサが絶対的に優れている。但し、現在、価格的には、誘電体共振器型デュプレクサに比べてずっと高価であるが、半導体工程を用いたＳＡＷ製造工程の特性上、量産化が進むにつれ価格が安定化し、価格競争力を確保できると考えられる。

図１は、一般の表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタを概略的に示す図である。同図に示されたように、表面弾性波フィルタは、単結晶基板１０１、入力ＩＤＴ１０２、出力ＩＤＴ１０３からなる。

前記単結晶基板１０１は、一般に、クォーツ（Ｑｕａｒｔｚ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）などの圧電単結晶基板から形成されると、前記入力ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）１０２と、前記出力ＩＤＴ１０３は、金属薄膜から形成される。

図１において、入力ＩＤＴ１０２に印加された電気的信号は、圧電単結晶基板１０１により機械的な波動に変換され、媒質である単結晶基板１０１を介して出力ＩＤＴ１０３に伝播していく。出力ＩＤＴ１０３に到達した波動を圧電効果により、さらに電気的な信号に変換して出力される。

即ち、前記ＳＡＷフィルタは、移動通信端末において高周波信号をフィルタリングするために一般に使用されているフィルタであって、圧電単結晶基板上に金属薄膜で変換器をパターン化して入出力端子に連結することで、目的の周波数のみを選択的に通過させる受動素子である。

前記ＳＡＷフィルタの共振器において周波数応答全体の伝達関数は、圧電体の材料物性、結晶体の純度、金属薄膜の材料特性などの材料的な特性と、電極設計の際に考慮すべき変数を含むデバイス変数の複合的な関数として与えられる。

このとき、前記共振周波数範囲の最小値の限界については、デバイスの大きさで決定され、最大値の限界は、電極の線幅と電波損失により制約を受けると知られている。共振器は、特性上、帯域幅の非常に狭い周波数応答と長い応答を有するため、電極の設計による正確な電極の製造によってのみ希望の特性を得ることが可能である。

以上のように、ＳＡＷ素子に適用される特性を考慮して他の応用分野、特にセンサ分野においても適用しようとする動きがある。

本発明は、前述のような要求に答えるためになされたものであって、本発明の目的は、特に、ＳＡＷ素子の共振器から発生する表面弾性波の適用と同様に、共振器から発生したスリット表面波の変化する周波数と速度との相関関係を適用することで、外部圧力の強度、およびスリットを通過する液体の粘性度と誘電率を感知することができるスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子およびその方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の一側面によれば、素子に加えられる外部圧力を感知することができるように、その一側には薄膜を形成し、その他側には基板を形成し、その内部にはスリット弾性波が通過するスリットを備えた圧電基板と、前記圧電基板のスリット内の外側に形成され、電気的な入力信号をスリット弾性波に変換する入力ＩＤＴと、前記入力ＩＤＴと反対の外側に形成され、伝播されたスリット弾性波を受信して電気的な信号に変換する出力ＩＤＴとを備えてなるスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子が提供される。

前記スリットは、前記薄膜に加える圧力に応じて幅が変化し、前記スリットの幅変化に応じてスリット内の伝播されるスリット弾性波の速度が変化することができる。

また、前記圧電基板は、適用される基板の性質に応じてスリット弾性波の速度が変化することができる。

好適な実施例において、スリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子は、素子内の液体を感知することができるように、その内部にスリット弾性波が通過するスリットを形成し、前記スリットを基準に上部と下部とに分けられる圧電基板と、前記圧電基板の一側に形成され、電気的な入力信号を前記スリット弾性波に変換する入力ＩＤＴと、前記圧電基板の前記入力ＩＤＴと反対の一側に形成され、伝播された前記スリット弾性波を受信して電気的な信号に変換する出力ＩＤＴと、前記圧電基板のスリット内に液体が入力されるようにする液体入力ポートと、前記圧電基板のスリット内の液体が出力されるようにする液体出力ポートとを備えてなることを特徴とする。

前記スリット内に所定の液体が流れると、スリット内の液体スリット弾性波の速度と周波数を測定することで、その液体の誘電率と粘性度を知ることができる。
本発明の他の側面によれば、（ａ）薄膜に圧力を加えていない状態のスリット内において、入力ＩＤＴおよび出力ＩＤＴの電気的な信号の周波数および速度を計算し、その値を相互比較するステップと、（ｂ）前記薄膜に外部圧力が加えられる時、前記入力ＩＤＴおよび出力ＩＤＴの電気的な信号の周波数および速度を計算し、その値を相互比較するステップと、（ｃ）前記薄膜に加えられる外部圧力による変化した速度の差および周波数の差を考慮して外部圧力強度をを感知するステップとを含んでなるＳＡＷセンサ素子の外部入力感知方法が提供される。
前記（ｃ）ステップにおいて、前記外部圧力強度の感知は、予め外部的な装置に前記外部入力による周波数および速度の変化値データを備え、そのデータを比較して求めることで得られる。

好適な実施例において、ＳＡＷセンサ素子の液体感知方法は、（ａ）空スリットの状態で進行されるスリット弾性波の位相速度（ｖ₀）を測定し、周波数（ｆ₀）を計算するステップと、（ｂ）液体入力ポートを介して前記スリット内に所定の液体が流れると、前記スリット内のスリット弾性波の位相速度（ｖ₁）を測定し、周波数（ｆ₁）を計算するステップと、（ｃ）前記速度（ｖ₀）と速度（ｖ₁）との差および前記周波数（ｆ₀）と周波数（ｆ₁）との差を考慮して前記スリットを通過する液体の誘電率と粘性度を感知するステップとを含むことができる。

前記（ｂ）ステップにおいて、前記スリット弾性波の位相速度（ｖ₁）の測定および周波数（ｆ₁）の計算は、前記液体が液体出力ポートまで満たされた時のスリット弾性波の速度と周波数を求めることで得られる。

前記（ｃ）ステップにおいて、前記液体の誘電率と粘性度の感知は、予め外部的な装置に各種液体の誘電率および粘性度データを備え、そのデータを比較して求めることで得られる。

本発明によれば、本発明に係るスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子およびその方法は、ＳＡＷ素子の共振器から発生する表面弾性波の適用と同様に、共振器から発生したスリット表面波の変化する周波数と速度との相関関係を適用することで外部圧力の強度を感知することができる。
また、本発明によれば、ＳＡＷ素子スリット内の共振器から発生したスリット表面波の変化する周波数と速度との相関関係を適用することで、スリットに通過する液体の粘性度と誘電率を知ることができる。

本発明の追加的な長所、目的、及び特徴は、以下の説明で部分的に主張され、審査時この技術において通常の知識を有する者に明白になり、あるいは発明の実行により教わることになる。特に添付された請求項で指摘されることにより、本発明の目的及び長所は実現されて達成される。
本発明は同様な符号が同様な要素を示す以下の図面を参照して詳しくされる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。

図２は、本発明に係るスリット弾性波を用いた圧力センサとして機能するＳＡＷセンサ素子の構成の断面を概略的に示す図である。

同図に示されたように、本発明に係るスリット弾性波を用いた圧力センサとして機能するＳＡＷセンサ素子は、その上側には薄膜２０５を形成し、その下側には基板を形成し、その内部にはスリット弾性波（ｓｌｉｔ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）が通過するスリット２０４を備えた圧電基板２０３と、前記圧電基板スリット２０４内の外側に形成され、電気的な入力信号をスリット弾性波に変換する入力ＩＤＴ２０１と、前記入力ＩＤＴ２０１と反対の外側に形成され、伝播されたスリット弾性波を受信して電気的な信号に変換する出力ＩＤＴ２０２とを備えてなる。

前述のような本発明に係る圧力センサとして機能するＳＡＷセンサ素子の動作原理は、次の通りである。

先ず、前記入力ＩＤＴ２０１では、電気的な信号をスリット弾性波である振動形態の信号に変換し、前記スリット弾性波は、前記圧電基板２０３に沿って伝播していく。

即ち、前記ＳＡＷセンサ素子は、絶縁性の大きな基板に金属電極を形成して圧電を加えると、一時的に基板表面がよじれるが、このような作用を用いて物理的な波を起こすようになる。前記ＳＡＷセンサ素子の表面を伝える波の速度が電子波のそれに比べて遅いため、一時的に電気信号を遅延させるか、または、特定の周波数信号のみを通過させるフィルタとして使用される。

従って、前記圧電基板２０３に沿って伝播される特定の周波数信号であるスリット弾性波は、一般のＳＡＷ素子の表面弾性波と同様な概念で、基板の表面に沿って伝播される波動の状態を示すものである。なお、波動の形態は、前記圧電基板の性質に応じて進行される波の種類としては、横波、縦波などがあり得る。また、このような進行波は、媒質の特性など、さまざまな条件により減殺するという特徴を有する。

一方、前記圧電基板２０３の内部スリット２０４の上側薄膜２０５は、外部圧力を加えると、基板の形態が変形する程度の薄い圧電基板として形成され、前記スリット２０４における前記スリット弾性波の進行を可能とする。前記圧電基板２０３に沿って伝播されるスリット弾性波は、さらに前記出力ＩＤＴ２０２で振動形態の信号を電気的な信号に変換するようになる。
ここで、前記薄膜２０５に外部圧力が加えられると、前記薄膜２０５は、その中央部が曲がり、前記スリット２０４の幅（ｔ）が変化するため、前記スリット２０４内を進行する前記スリット弾性波の速度が変化するようになる。

また、前記圧電基板２０３に他の応力が加えられ、スリット弾性波の速度が変化するようになる。

即ち、前記スリット弾性波の位相速度は、前記スリット２０４の幅（ｔ）に依存する。

従って、前記外部圧力の強度に応じて前記スリットの幅（ｔ）が変化し、前記スリットの幅変化に応じてスリット弾性波の速度が変化することを適用することで、その速度との相関関係を求めて前記外部圧力の強度を感知することができる。

以下、本発明に係るＳＡＷ素子の圧力センサとして作動する過程を詳述する。

先ず、前記薄膜２０５に圧力を加えていない状態のスリット内において前記入力ＩＤＴ２０１の電気的な信号の周波数および速度を計算し、また、前記出力ＩＤＴ２０２の電気的な信号の周波数および速度を計算し、その値を互いに比較する（Ｓ２１）。このとき、前記入力と出力信号の周波数および速度の変化は、ほとんどなくなる。

そして、前記薄膜２０５に外部圧力が加えられると、前記入力ＩＤＴ２０１の電気的な信号の周波数および速度を計算し、また、前記出力ＩＤＴ２０２の電気的な信号の周波数および速度を計算し、その値を互いに比較する（Ｓ２２）。このとき、前記入力と出力信号の周波数および速度は、変化している。

また、これは、ｆ＝ｖ／λの式を適用して相関関係を求めることができる。ここで、ｆは、周波数、ｖは、速度、λは、波長を意味する。

従って、速度の変化（ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｈｉｆｔ）は、周波数の変化（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ）をもたらし、これは、外部圧力に依存する。

即ち、前記入力ＩＤＴ２０１の信号と前記出力ＩＤＴ２０２の信号の周波数および速度が変化することは、前記薄膜２０５に外部的な圧力が加えられる時、前記薄膜２０５が外部圧力を受けてスリットが撓んでしまい、スリット内で進行されるスリット弾性波に変化を与えるためである。

また、予め外部圧力の強度による周波数および速度の変化値データを外部的な装置にセットしてデータベース化する（Ｓ２３）。

これにより、前記薄膜２０５に加えられる外部圧力による変化した速度の値および周波数の値をデータベース化した速度変化および周波数変化のデータ値と比較することで、外部圧力の強度を感知することができ（Ｓ２４）、前記ＳＡＷ素子が圧力センサとしての役割をすることが可能である。

図３は、本発明に係るスリット弾性波を用いた液体センサとして機能するＳＡＷセンサ素子の構成の断面を概略的に示す図である。

同図に示されたように、液体センサとして機能するＳＡＷセンサ素子は、その内部にスリット弾性波が通過するスリット３０４を形成し、前記スリットを基準に上部と下部とに分けられる圧電基板３０１と、前記圧電基板の一側に形成され、電気的な入力信号をスリット弾性波に変換する入力ＩＤＴ３０２と、前記圧電基板３０１の前記入力ＩＤＴ３０２と反対の一側に形成され、伝播された前記スリット弾性波を受信して電気的な信号に変換する出力ＩＤＴ３０３と、前記圧電基板３０１のスリット内に液体が入力されるようにする液体入力ポート（Ｉｎｐｕｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｏｒｔ）３０５と、前記圧電基板３０１のスリット内の液体が出力されるようにする液体出力ポート（Ｏｕｔｐｕｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｏｒｔ）３０６とを備えてなる。

前述のような本発明に係る液体センサとして機能するＳＡＷセンサ素子の動作原理は、次の通りである。

先ず、入力ＩＤＴ３０２で変換したスリット弾性波は、前記圧電基板３０１により伝達され、前記出力ＩＤＴ３０３でさらにスリット弾性波を電気的な信号に変換するようになる。前記圧電基板３０１のスリット３０４を通過するスリット弾性波は、特定の周波数のみを通過させるようになる。

このように、圧電基板３０１のスリット３０４をスリット弾性波が伝播する時、前記スリット弾性波の位相速度は、スリット３０４内の液体の誘電率に依存する。即ち、空スリットで進行されるスリット弾性波の速度をｖ₀とし、液体が満たされたスリットで進行されるスリット弾性波の速度をｖ₁とする時、液体の誘電率に従ってその位相速度が変化する。

また、液体の粘性度に応じて波力の損失が発生し、これによって、速度の変化が発生する。

従って、このような液体の粘性度と誘電率に応じてスリット弾性波の位相速度が変化するため、これらの相関関係を用いて前記ＳＡＷセンサ素子が液体感知センサとして使用可能であり、以下、その詳細な過程を説明する。

先ず、液体の粘性度（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）と誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）を知るためには、先ず、前記空スリット３０４の状態で進行されるスリット弾性波の位相速度（ｖ₀）を測定し、周波数（ｆ₀）を計算する（Ｓ３１）。ここで、前記速度と周波数とは、ｆ＝ｖ／λの式を適用して相関関係を求めることができる。

そして、前記液体入力ポート３０５を介して前記スリット内に所定の液体が流れると、前記スリット３０４内のスリット弾性波の位相速度（ｖ₁）を測定し、周波数（ｆ₁）を計算する（Ｓ３２）。ここで、前記液体は、前記液体出力ポート３０６まで満たされた時のスリット弾性波の速度と周波数を求めるようになる。

従って、前記速度（ｖ₀）と速度（ｖ₁）との差（ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｈｉｆｔ）および前記周波数（ｆ₀）と周波数（ｆ₁）との差（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ）を考慮して前記スリット３０４を通過する液体の誘電率と粘性度を知ることができる。

即ち、予めスリット弾性波の位相速度の差および周波数の差による各種液体の誘電率と粘性度の値データを外部的な装置にセットしてデータベース化する（Ｓ３３）。

なお、前記液体の誘電率や粘性度については、予め外部的な装置に各種液体の誘電率と粘性度データを備えているため、そのデータと比較して類似した値を有するものを探すことで知ることができ（Ｓ３４）、前記ＳＡＷ素子が液体センサとしての役割をすることが可能である。

一般の表面弾性波フィルタの概略図。 本発明に係るスリット弾性波を用いた圧力センサとして機能するＳＡＷセンサ素子の構成の断面の概略図。 本発明に係るスリット弾性波を用いた液体センサとして機能するＳＡＷセンサ素子の構成の断面の概略図。

符号の説明

１０１・・・単結晶基板
１０２・・・入力ＩＤＴ
１０３・・・出力ＩＤＴ
２０１・・・入力ＩＤＴ
２０２・・・出力ＩＤＴ
２０３・・・圧電基板
２０４・・・スリット
２０５・・・薄膜
３０１・・・圧電基板
３０２・・・入力ＩＤＴ
３０３・・・出力ＩＤＴ
３０４・・・スリット
３０５・・・液体入力ポート
３０６・・・液体出力ポート

Claims (10)

1. 素子に加えられる外部圧力を感知することができるように、
   その一側には薄膜を形成し、その他側には基板を形成し、その内部にはスリット弾性波が通過するスリットを備えた圧電基板と、
   前記圧電基板のスリット内の外側に形成され、電気的な入力信号をスリット弾性波に変換する入力ＩＤＴと、
   前記入力ＩＤＴと反対の外側に形成され、伝播されたスリット弾性波を受信して電気的な信号に変換する出力ＩＤＴと、
   を備えてなることを特徴とする、
   スリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子。
2. 請求項１に記載のスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子において、前記スリットは、前記薄膜に加える圧力に応じて幅が変化し、前記スリットの幅変化に応じてスリット内の伝播されるスリット弾性波の速度が変化することを特徴とする、
   スリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子。
3. 請求項１に記載のスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子において、前記圧電基板は、適用される基板の性質に応じてスリット弾性波の速度が変化することを特徴とする、
   スリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子。
4. 素子内の液体を感知することができるように、
   その内部にスリット弾性波が通過するスリットを形成し、前記スリットを基準に上部と下部とに分けられる圧電基板と、
   前記圧電基板の一側に形成され、電気的な入力信号を前記スリット弾性波に変換する入力ＩＤＴと、
   前記圧電基板の前記入力ＩＤＴと反対の一側に形成され、伝播された前記スリット弾性波を受信して電気的な信号に変換する出力ＩＤＴと、
   前記圧電基板のスリット内に液体が入力されるようにする液体入力ポートと、
   前記圧電基板のスリット内の液体が出力されるようにする液体出力ポートと、
   を備えてなることを特徴とする、
   スリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子。
5. 請求項４に記載のスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子において、前記スリット内に所定の液体が流れると、スリット内の液体スリット弾性波の速度と周波数を測定することで、その液体の誘電率と粘性度を知ることができることを特徴とする、
   スリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子。
6. （ａ）薄膜に圧力を加えていない状態のスリット内において、入力ＩＤＴおよび出力ＩＤＴの電気的な信号の周波数および速度を計算し、その値を相互比較するステップと、
   （ｂ）前記薄膜に外部圧力が加えられる時、前記入力ＩＤＴおよび出力ＩＤＴの電気的な信号の周波数および速度を計算し、その値を相互比較するステップと、
   （ｃ）前記薄膜に加えられる外部圧力による変化した速度の差および周波数の差を考慮して外部圧力強度を感知するステップと、
   を含んでなることを特徴とする、
   ＳＡＷセンサ素子の外部入力感知方法。
7. 請求項６に記載のスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子において、前記（ｃ）ステップにおいて、前記外部圧力強度の感知は、予め外部的な装置に前記外部入力による周波数および速度の変化値データを備え、そのデータを比較して求めることであることを特徴とする、
   ＳＡＷセンサ素子の外部入力感知方法。
8. （ａ）空スリットの状態で進行されるスリット弾性波の位相速度（ｖ₀）を測定し、周波数（ｆ₀）を計算するステップと、
   （ｂ）液体入力ポートを介して前記スリット内に所定の液体が流れると、前記スリット内のスリット弾性波の位相速度（ｖ₁）を測定し、周波数（ｆ₁）を計算するステップと、
   （ｃ）前記速度（ｖ₀）と速度（ｖ₁）との差および前記周波数（ｆ₀）と周波数（ｆ₁）との差を考慮して前記スリットを通過する液体の誘電率と粘性度を感知するステップと、
   を含んでなることを特徴とする、
   ＳＡＷセンサ素子の液体感知方法。
9. 請求項８に記載のスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子において、前記（ｂ）ステップにおいて、前記スリット弾性波の位相速度（ｖ₁）の測定および周波数（ｆ₁）の計算は、前記液体が液体出力ポートまで満たされた時のスリット弾性波の速度と周波数を求めることであることを特徴とする、
   ＳＡＷセンサ素子の液体感知方法。
10. 請求項８に記載のスリット弾性波を用いたＳＡＷセンサ素子において、前記（ｃ）ステップにおいて、前記液体の誘電率と粘性度の感知は、予め外部的な装置に各種液体の誘電率および粘性度データを備え、そのデータを比較して求めることであることを特徴とする、
    ＳＡＷセンサ素子の液体感知方法。
    

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