JP2007057287A - Surface acoustic wave device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力および温度を検出する弾性表面波デバイスに関する。 The present invention relates to a surface acoustic wave device that detects pressure and temperature.
従来、弾性表面波デバイス(SAW Device)として特許文献1に示すような、半導体基板に圧電薄膜を形成しその上にIDT(Interdigital Transducer)電極を設け、さらにIDT電極を含む弾性表面波素子を励振するための周辺回路素子とから構成された弾性表面波デバイスが知られている。
一般に、弾性表面波は温度、応力(圧力)により変化することが知られており、この性質を利用して圧力を検出する弾性表面波デバイスに弾性表面波圧力センサがある。例えば、非特許文献1に示すような、シリコン基板上にZnO薄膜を形成し、その上にIDT電極を備えた圧力センサが提案されている。この種の弾性表面波圧力センサでは、基板を薄肉化したダイアフラム上に弾性表面波素子を設け、ダイアフラムに圧力を受けると、その表面応力が変化し、音速が変化すると同時に弾性表面波素子の電極間隔も変化し、その結果、発振周波数(または共振周波数)が変化する。したがって、この発振周波数の変化により圧力を検出することができるものである。
Conventionally, as shown in Patent Document 1 as a surface acoustic wave device (SAW Device), a piezoelectric thin film is formed on a semiconductor substrate, an IDT (Interdigital Transducer) electrode is provided thereon, and a surface acoustic wave element including the IDT electrode is excited. 2. Description of the Related Art A surface acoustic wave device configured with peripheral circuit elements for performing the above is known.
In general, it is known that a surface acoustic wave changes depending on temperature and stress (pressure). A surface acoustic wave device that detects pressure using this property includes a surface acoustic wave pressure sensor. For example, as shown in Non-Patent Document 1, a pressure sensor is proposed in which a ZnO thin film is formed on a silicon substrate and an IDT electrode is provided thereon. In this type of surface acoustic wave pressure sensor, a surface acoustic wave element is provided on a diaphragm with a thin substrate, and when pressure is applied to the diaphragm, the surface stress changes, and the sound velocity changes. The interval also changes, and as a result, the oscillation frequency (or resonance frequency) changes. Therefore, the pressure can be detected by the change in the oscillation frequency.
しかしながら、このような弾性表面波を利用する弾性表面波圧力センサは、周囲温度の影響を大きく受け、そのものだけでは精度の良い圧力を検出することができなかった。そこで温度による影響を補正するために、ダイアフラム以外の部分にサーミスタあるいは別にIDT電極などを設けて温度を検出し温度補正が行われるが、圧力検出部から離れているため温度の追従性に劣り、精度良く温度補正できないという問題があった。
また、圧力のみを検出するものはあるが、圧力と温度の両者を検出する弾性表面波デバイスは今までになかった。
However, such a surface acoustic wave pressure sensor using surface acoustic waves is greatly affected by the ambient temperature, and cannot detect pressure with high accuracy by itself. Therefore, in order to correct the influence of the temperature, thermistor or another IDT electrode is provided in a part other than the diaphragm to detect the temperature and the temperature correction is performed. There was a problem that the temperature could not be corrected accurately.
Some devices detect only pressure, but no surface acoustic wave device detects both pressure and temperature.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、周囲温度変化の影響を受けず、精度の良い圧力および温度の検出を可能とする弾性表面波デバイスを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a surface acoustic wave device that can detect pressure and temperature with high accuracy without being affected by changes in ambient temperature. is there.
上記課題を解決するために、本発明の弾性表面波デバイスは、半導体基板に圧電薄膜とIDT電極を有する弾性表面波素子が備えられ、前記弾性表面波素子が形成された部分の前記半導体基板が薄肉に形成された構造の弾性表面波デバイスであって、第1の弾性表面波素子と、前記第1の弾性表面波素子から励振される発振周波数と異なる発振周波数が励振される第2の弾性表面波素子と、前記第1の弾性表面波素子を励振させる第1の発振回路と、前記第2の弾性表面波素子を励振させる第2の発振回路と、前記第1の弾性表面波素子の発振周波数が電圧に変換され出力される第1のF/V変換回路と、前記第2の弾性表面波素子の発振周波数が電圧に変換され出力される第2のF/V変換回路と、基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータおよびそれぞれの発振周波数が有する温度係数と圧力係数に関するデータが記憶された記憶装置と、前記第1のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータが比較されその差分が出力される第1の比較回路と、前記第2のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された温度と圧力における発振周波数に関する基準となるデータが比較されその差分が出力される第2の比較回路と、前記第1の比較回路と前記第2の比較回路から出力されるデータおよび前記記憶装置から出力される温度係数と圧力係数に関するデータに基づき、温度および基準となる温度における圧力のデータが演算され出力される演算回路とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a surface acoustic wave device according to the present invention includes a surface acoustic wave element having a piezoelectric thin film and an IDT electrode on a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate in a portion where the surface acoustic wave element is formed A surface acoustic wave device having a thin structure, wherein the first surface acoustic wave element and a second elasticity that excites an oscillation frequency different from the oscillation frequency excited from the first surface acoustic wave element. A surface acoustic wave element, a first oscillation circuit for exciting the first surface acoustic wave element, a second oscillation circuit for exciting the second surface acoustic wave element, and the first surface acoustic wave element. A first F / V conversion circuit that converts the oscillation frequency into a voltage and outputs the voltage; a second F / V conversion circuit that converts the oscillation frequency of the second surface acoustic wave element into a voltage; Oscillation frequency at temperature and pressure Data relating to the temperature coefficient and pressure coefficient of each oscillation frequency, data output from the first F / V conversion circuit, and reference temperature stored in the memory device The first comparison circuit that compares the data related to the oscillation frequency at the pressure and outputs the difference, the data output from the second F / V conversion circuit, and the oscillation at the temperature and pressure stored in the storage device A second comparison circuit for comparing frequency reference data and outputting the difference; data output from the first comparison circuit and the second comparison circuit; and a temperature coefficient output from the storage device And a calculation circuit for calculating and outputting the pressure data at the temperature and the reference temperature based on the data relating to the pressure coefficient. And butterflies.
この構成によれば、2つの弾性表面波素子から、半導体基板の薄肉部に圧力がかかったときなど、半導体基板の状態に対応した発振周波数を得ることができる。これらの得られた2つの発振周波数は温度と圧力の要素を含んだ周波数であり、予め記憶装置に記憶された基準の温度および圧力に関するデータとそれぞれの温度係数と圧力係数のデータを用いて、温度および基準となる温度における圧力のデータを演算回路から出力することができる。このように、半導体基板の状態に対応した2つの周波数から直接、温度と圧力のデータを分離することができ、周囲温度変化の影響を受けず、精度の良い圧力および温度の検出を可能とする弾性表面波デバイスを提供することができる。 According to this configuration, an oscillation frequency corresponding to the state of the semiconductor substrate can be obtained from two surface acoustic wave elements, such as when pressure is applied to the thin portion of the semiconductor substrate. These two oscillation frequencies obtained are the frequencies including the elements of temperature and pressure. Using the reference temperature and pressure data stored in the storage device in advance and the respective temperature coefficient and pressure coefficient data, The pressure data at the temperature and the reference temperature can be output from the arithmetic circuit. As described above, the temperature and pressure data can be separated directly from the two frequencies corresponding to the state of the semiconductor substrate, and the pressure and temperature can be accurately detected without being affected by the ambient temperature change. A surface acoustic wave device can be provided.
本発明の弾性表面波デバイスは、前記第1の弾性表面波素子と前記第2の弾性表面波素子とが同じ励振モードにおいて異なる周波数に設計され、それぞれが同じ励振モードまたは異なる励振モードの周波数が励振されることが望ましい。 In the surface acoustic wave device of the present invention, the first surface acoustic wave element and the second surface acoustic wave element are designed to have different frequencies in the same excitation mode, and each has a frequency of the same excitation mode or a different excitation mode. It is desirable to be excited.
この弾性表面波デバイスによれば、2つの弾性表面波素子は同じ励振モードにおいて異なる周波数に設計されており、それぞれを同じ励振モードまたは異なる励振モードで励振させることで、異なる発振周波数を得ることができる。そして、この異なる2つの発振周波数を用いて温度と圧力のデータを分離し、温度および基準となる温度における圧力のデータを得ることができる。 According to this surface acoustic wave device, the two surface acoustic wave elements are designed to have different frequencies in the same excitation mode, and different oscillation frequencies can be obtained by exciting each in the same excitation mode or different excitation modes. it can. The temperature and pressure data can be separated using these two different oscillation frequencies, and pressure data at the temperature and the reference temperature can be obtained.
本発明の弾性表面波デバイスは、前記第1の弾性表面波素子と前記第2の弾性表面波素子とが同じ励振モードにおいて同じ周波数に設計され、それぞれが異なる励振モードの周波数が励振されることであっても良い。 In the surface acoustic wave device of the present invention, the first surface acoustic wave element and the second surface acoustic wave element are designed to have the same frequency in the same excitation mode, and the respective excitation modes have different frequencies. It may be.
この弾性表面波デバイスによれば、2つの弾性表面波素子は同じ励振モードにおいて同じ周波数に設計されており、それぞれを異なる励振モードで励振させることで、異なる2つの発振周波数を得ることができる。そして、この異なる発振周波数を用いて、温度と圧力のデータを分離し、温度および基準となる温度における圧力のデータを得ることができる。 According to this surface acoustic wave device, the two surface acoustic wave elements are designed to have the same frequency in the same excitation mode, and two different oscillation frequencies can be obtained by exciting each in a different excitation mode. Then, using the different oscillation frequencies, the temperature and pressure data can be separated, and the pressure data at the temperature and the reference temperature can be obtained.
本発明の弾性表面波デバイスは、半導体基板に圧電薄膜とIDT電極とを有する弾性表面波素子が形成され、前記弾性表面波素子が形成された部分の前記半導体基板が薄肉に形成された構造の弾性表面波デバイスであって、一つの弾性表面波素子と、前記弾性表面波素子を励振させる第1の発振回路と、前記弾性表面波素子を前記第1の発振回路で励振させる励振モードとは異なる励振モードで励振させる第2の発振回路と、前記第1の発振回路または前記第2の発振回路が間欠的に選択される第1のスイッチと、前記第1の発振回路から出力される発振周波数が電圧に変換され出力される第1のF/V変換回路と、前記第2の発振回路から出力される発振周波数が電圧に変換され出力される第2のF/V変換回路と、基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータおよびそれぞれの発振周波数が有する温度係数および圧力係数に関するデータが記憶された第1の記憶装置と、前記第1のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータが比較されその差分が出力される第1の比較回路と、前記第1の比較回路の出力データが一旦記憶される第2の記憶装置と、前記第1のスイッチに連動され前記第1の比較回路と前記第2の記憶装置の間に配置された第2のスイッチと、前記第2のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータが比較されその差分が出力される第2の比較回路と、前記第1のスイッチに連動され前記第2の比較回路の後段に配置された第2のスイッチと、前記第2の記憶装置と前記第2の比較回路および前記第1の記憶装置のデータに基づき、温度および基準となる温度における圧力のデータが演算され出力される演算回路とを備えたことを特徴とする。 The surface acoustic wave device of the present invention has a structure in which a surface acoustic wave element having a piezoelectric thin film and an IDT electrode is formed on a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate in a portion where the surface acoustic wave element is formed is formed thin. A surface acoustic wave device, which is one surface acoustic wave element, a first oscillation circuit that excites the surface acoustic wave element, and an excitation mode that excites the surface acoustic wave element by the first oscillation circuit. A second oscillation circuit for exciting in different excitation modes, a first switch for intermittently selecting the first oscillation circuit or the second oscillation circuit, and an oscillation output from the first oscillation circuit A first F / V conversion circuit that converts the frequency into a voltage and outputs the voltage; a second F / V conversion circuit that converts the oscillation frequency output from the second oscillation circuit into a voltage; Temperature and pressure A first storage device storing data relating to the oscillation frequency and data relating to the temperature coefficient and pressure coefficient of each oscillation frequency; data output from the first F / V conversion circuit; and storing in the storage device A first comparison circuit that compares data relating to the oscillation frequency at the reference temperature and pressure and outputs the difference; a second storage device that temporarily stores the output data of the first comparison circuit; The second switch disposed between the first comparison circuit and the second memory device in conjunction with the first switch, the data output from the second F / V conversion circuit, and the memory A second comparison circuit that compares data on the oscillation frequency at the reference temperature and pressure stored in the apparatus and outputs the difference, and is linked to the first switch before A pressure at a reference temperature based on a second switch arranged at a subsequent stage of the second comparison circuit, data of the second storage device, the second comparison circuit, and the first storage device And an arithmetic circuit for calculating and outputting the data.
この構成によれば、1つの弾性表面波素子を用いて、第1の発振回路と第2の発振回路を間欠的に切り替えることにより、半導体基板の薄肉部に圧力がかかったときなど、半導体基板の状態に対応した2つの発振周波数を得ることができる。これらの得られた発振周波数は温度と圧力の要素を含んだ周波数であり、予め記憶装置に記憶された基準の温度および圧力に関するデータとそれぞれの温度係数と圧力係数のデータを用いて、温度および基準となる温度における圧力のデータを演算回路から出力することができる。このように、半導体基板の状態に対応した発振周波数から直接、温度と圧力のデータを分離することができ、周囲温度変化の影響を受けず、精度の良い圧力および温度の検出を可能とする弾性表面波デバイスを得ることができる。また、このように1つの弾性表面波素子で圧力と温度の検出ができ、弾性表面波デバイスを小型化することができる。 According to this configuration, when a pressure is applied to a thin portion of the semiconductor substrate by intermittently switching between the first oscillation circuit and the second oscillation circuit using one surface acoustic wave element, the semiconductor substrate Two oscillation frequencies corresponding to the state of can be obtained. These obtained oscillation frequencies are frequencies including elements of temperature and pressure. Using the reference temperature and pressure data stored in the storage device in advance and the respective temperature coefficient and pressure coefficient data, the temperature and pressure Pressure data at a reference temperature can be output from the arithmetic circuit. In this way, temperature and pressure data can be separated directly from the oscillation frequency corresponding to the state of the semiconductor substrate, and elasticity that enables accurate pressure and temperature detection without being affected by ambient temperature changes. A surface wave device can be obtained. In addition, pressure and temperature can be detected with a single surface acoustic wave element as described above, and the surface acoustic wave device can be miniaturized.
本発明の弾性表面波デバイスは、前記弾性表面波素子と少なくとも前記発振回路を形成する回路素子が前記半導体基板に備えられていることが望ましい。 In the surface acoustic wave device of the present invention, it is preferable that the semiconductor substrate is provided with a circuit element that forms at least the oscillation circuit with the surface acoustic wave element.
この構成によれば、弾性表面波素子と発振回路などを構成する回路素子が半導体基板に形成されていることから、他の部分に回路素子を設ける必要がなく、弾性表面波デバイスの小型化に寄与することができる。 According to this configuration, since the surface acoustic wave element and the circuit element constituting the oscillation circuit are formed on the semiconductor substrate, it is not necessary to provide a circuit element in another part, and the surface acoustic wave device can be downsized. Can contribute.
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
(第1の実施形態)
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
図1は本実施形態の弾性表面波デバイスの構造を示し、図1(a)は模式平面図、図1(b)は同図(a)のA―A断線に沿う模式断面図である。
弾性表面波デバイス1は、シリコンなどの半導体基板10を有し、その上に回路素子およびAl配線が形成された回路層11、さらにその上にSiO2などの絶縁層12を備えている。そして、絶縁層12の上にZnO膜などの圧電薄膜13が形成されている。
1A and 1B show the structure of a surface acoustic wave device according to the present embodiment. FIG. 1A is a schematic plan view, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
The surface acoustic wave device 1 includes a
また、半導体基板10はその一部が薄肉になるようにエッチングされて薄肉部14,15が形成されている。このように半導体基板10はダイアフラムを備えた構造となっている。
この半導体基板10の薄肉部14,15に対応する圧電薄膜13の上には、Alを主材料とするIDT電極22,23,24,25がそれぞれ形成されている。これらのIDT電極22,23,24,25は櫛歯状の電極が交互に挟み合うように形成されている。IDT電極22は励振用電極であり、所定の間隔をあけて設けられたIDT電極23は受信用電極として働き、IDT電極22,23および圧電薄膜13と共に第1の弾性表面波素子20として構成されている。
同様にIDT電極24は励振用電極であり、所定の間隔をあけて設けられたIDT電極25は受信用電極として働き、IDT電極24,25および圧電薄膜13と共に第2の弾性表面波素子21として構成されている。
また、第1の弾性表面波素子20と第2の弾性表面波素子21とは、IDT電極間隔を異ならせて設計されており、同じ励振モードにおいて異なる発振周波数となるように構成されている。
なお、前述の半導体基板10の上に形成された回路層11には、第1の弾性表面波素子20と第2の弾性表面波素子21を励振させるための発振回路、温度および圧力を検出するための処理回路などが含まれている。
Further, the
On the piezoelectric
Similarly, the
Further, the first surface
The
このような構成の弾性表面波デバイス1において、半導体基板10の薄肉部14,15に圧力Pを受けると薄肉部14,15が歪み、その表面応力が変化して音速が変化すると同時に弾性表面波素子20,21のIDT電極間隔も変化し、その結果、発振周波数(または共振周波数)が変化する。したがって、この発振周波数を計測することで、発振周波数の変化を圧力の変化として検出することを可能としている。
このときの発振周波数は、周囲温度の要素を含み、周囲温度の要素を分離して基準となる温度における圧力を得る必要がある。
(温度および圧力の検出原理)
In the surface acoustic wave device 1 having such a configuration, when the
The oscillation frequency at this time includes an element of ambient temperature, and it is necessary to obtain a pressure at a reference temperature by separating the element of ambient temperature.
(Temperature and pressure detection principle)
ここで、説明の理解のために、本発明に係る弾性表面波デバイスの温度および圧力の検出原理について説明する。
弾性表面波の発振周波数(または共振周波数)は温度、応力(圧力)により変化することが知られている。図2は、レイリー波の励振モードにおけるこれらの関係を示し、図2(a)は弾性表面波素子の発振周波数と温度の関係の一例を説明する説明図であり、図2(b)は発振周波数と圧力の関係の一例を説明する説明図である。
図2(a)において、弾性表面波素子の発振周波数と温度の関係は、ほぼ直線に近似され、固有の傾き(温度係数)を持っている。
図2(b)において、弾性表面波素子の発振周波数と圧力の関係は、ほぼ直線に近似され、固有の傾き(圧力係数)を持っている。
これらの固有の傾き(温度係数および圧力係数)は圧電薄膜の材質と厚さ、さらには圧電薄膜の下に形成される絶縁膜などの材質により決まり、それぞれ固有の値をもつものである。
Here, for the understanding of the description, the temperature and pressure detection principles of the surface acoustic wave device according to the present invention will be described.
It is known that the oscillation frequency (or resonance frequency) of a surface acoustic wave changes with temperature and stress (pressure). FIG. 2 shows these relationships in the Rayleigh wave excitation mode, FIG. 2 (a) is an explanatory diagram for explaining an example of the relationship between the oscillation frequency and temperature of the surface acoustic wave device, and FIG. 2 (b) shows the oscillation. It is explanatory drawing explaining an example of the relationship between a frequency and a pressure.
In FIG. 2A, the relationship between the oscillation frequency of the surface acoustic wave element and the temperature is approximated by a straight line and has a specific inclination (temperature coefficient).
In FIG. 2B, the relationship between the oscillation frequency of the surface acoustic wave element and the pressure is approximated by a straight line and has a specific inclination (pressure coefficient).
These inherent slopes (temperature coefficient and pressure coefficient) are determined by the material and thickness of the piezoelectric thin film, and further by the material such as an insulating film formed under the piezoelectric thin film, and each has a specific value.
第1の弾性表面波素子における、基準となる温度および圧力(例えば25℃、1atm)における発振周波数(または共振周波数)と計測された発振周波数(または共振周波数)の差をΔf1とし、第2の弾性表面波素子における、基準となる温度および圧力(例えば25℃、1atm)における発振周波数(または共振周波数)と計測された発振周波数(または発振周波数)の差をΔf2とすると、下記式(1)、(2)のように表せる。
Δf1=α×ΔT+β×ΔP ・・・(1)
Δf2=γ×ΔT+δ×ΔP ・・・(2)
α:第1の弾性表面波素子における発振周波数が有する温度係数
β:第1の弾性表面波素子における発振周波数が有する圧力係数
γ:第2の弾性表面波素子における発振周波数が有する温度係数
δ:第2の弾性表面波素子における発振周波数が有する圧力係数
ΔT:基準温度と計測された温度との差
ΔP:基準圧力と計測された圧力との差
そして、上記式(1)、(2)より次式(3)が得られる。
A difference between the oscillation frequency (or resonance frequency) at the reference temperature and pressure (for example, 25 ° C., 1 atm) and the measured oscillation frequency (or resonance frequency) in the first surface acoustic wave element is Δf 1 , in the surface acoustic wave device, a primary temperature and pressure (e.g. 25 ° C., 1 atm) when the difference between the oscillation frequency (or resonance frequency) and the measured oscillation frequency (or oscillation frequency) of a Delta] f 2, the following formula ( It can be expressed as 1) and (2).
Δf 1 = α × ΔT + β × ΔP (1)
Δf 2 = γ × ΔT + δ × ΔP (2)
α: Temperature coefficient of the oscillation frequency in the first surface acoustic wave device
β: Pressure coefficient of the oscillation frequency in the first surface acoustic wave device
γ: temperature coefficient of the oscillation frequency in the second surface acoustic wave device
δ: Pressure coefficient of the oscillation frequency in the second surface acoustic wave device
ΔT: difference between the reference temperature and the measured temperature
ΔP: difference between the reference pressure and the measured pressure The following equation (3) is obtained from the above equations (1) and (2).
この式(3)が意味するところは、2つの異なる周波数が存在し、それぞれの基準となる周波数と温度係数、圧力係数が分かれば、ΔTおよびΔPが求まるということである。
また、弾性表面波素子は励振モードにより異なる周波数が励振し、例えば図3の挿入周波数特性(概念図)に示すように、300MHz付近でレイリー波27、400MHz付近でセザワ波28、500MHz付近でセザワ波(2nd)29が発振する。図示はしていないが、さらに高次の励振モードで励振する弾性表面波も存在する。
弾性表面波素子の発振周波数として、これらの励振モードの弾性表面波においてもそれぞれ固有の温度係数と圧力係数を有し、これらの励振モードにおける弾性表面波を温度および圧力の検出に利用することも可能である。
(温度および圧力検出の回路構成)
This expression (3) means that there are two different frequencies, and if the reference frequency, temperature coefficient, and pressure coefficient are known, ΔT and ΔP can be obtained.
The surface acoustic wave element excites different frequencies depending on the excitation mode. For example, as shown in the insertion frequency characteristic (conceptual diagram) of FIG. 3, the
As the oscillation frequency of the surface acoustic wave element, the surface acoustic waves of these excitation modes also have their own temperature coefficients and pressure coefficients, and the surface acoustic waves in these excitation modes can be used for temperature and pressure detection. Is possible.
(Temperature and pressure detection circuit configuration)
つぎに、図4において温度および圧力検出の回路構成について説明する。
第1の弾性表面波素子20は第1の発振回路31に接続され、帰還回路を構成している。第1の発振回路31は、周波数を電圧に変換する第1のF/V変換回路32に接続され、第1のF/V変換回路32は第1の比較回路33に接続されている。第1の比較回路33は記憶装置34および演算回路39に接続されている。
同様に、第2の弾性表面波素子21は第2の発振回路36に接続され、帰還回路を構成している。第2の発振回路36は、周波数を電圧に変換する第2のF/V変換回路37に接続され、第2のF/V変換回路37は第1の比較回路38に接続されている。第2の比較回路38は記憶装置34および演算回路39に接続されている。また、記憶装置34は演算回路39にも接続されている。
なお、記憶装置34には、第1の弾性表面波素子20および第2の弾性表面波素子21の、基準の温度および圧力における発振周波数を電圧値に変換したデータとそれぞれの発振周波数の温度係数と圧力係数のデータが予め記憶されている。
Next, a circuit configuration for temperature and pressure detection will be described with reference to FIG.
The first surface
Similarly, the second surface
The
以上の回路構成の弾性表面波デバイス1において、第1の弾性表面波素子20は第1の発振回路31により励振され発振周波数を第1の発振回路31から第1のF/V変換回路32へ出力する。第1のF/V変換回路32では、入力された周波数を電圧に変換して第1の比較回路33に出力する。第1の比較回路33では、基準となるデータ(基準の温度および圧力における発振周波数を電圧値に変換したデータ)を記憶装置34から読み出し、このデータと入力された電圧データを比較して、その差分データを演算回路39に出力する。
In the surface acoustic wave device 1 having the above circuit configuration, the first surface
他方で、第2の弾性表面波素子21は第2の発振回路36により励振され発振周波数を第2の発振回路36から第2のF/V変換回路37へ出力する。なお、第1の弾性表面波素子20および第2の弾性表面波素子21は、それぞれレイリー波を励振できるように第2の発振回路31,36が構成され、それぞれ異なる周波数を励振する。第2のF/V変換回路37では、入力された周波数を電圧に変換して第2の比較回路38に出力する。第2の比較回路38では、基準となるデータ(基準の温度および圧力における発振周波数を電圧値に変換したデータ)を記憶装置34から読み出し、このデータと入力された電圧データを比較して、その差分データを演算回路39に出力する。
On the other hand, the second surface
演算回路39では第1,第2の比較回路33,38から入力されたデータと、記憶装置34から読み出したそれぞれの励振モードにおける温度係数と圧力係数に基づき、前述の式(3)のΔT、ΔPに相当するデータを算出し、これらを基準温度および圧力のデータに加算して、温度データ(電圧)VT、圧力データ(電圧)VPが演算回路39から出力される。この圧力データVPは温度の要素を含まず、基準温度における圧力の値となっている。
Based on the data input from the first and
なお、上記実施形態では、第1の弾性表面波素子20と第2の弾性表面波素子21とを同じ励振モードで異なる周波数になるように設計し、利用する弾性表面波素子の励振モードとして共にレイリー波を用いたが、表1に示すような高次の励振モードと組み合わせて選択することもできる。例えば、第1の弾性表面波素子20の励振モードとしてレイリー波を用い、第2の弾性表面波素子21の励振モードとしてセザワ波を利用することができる。
また、表1に記載していないさらに高次の励振モードを選択して組み合わせて実施することも可能である。
In the above embodiment, the first surface
It is also possible to select and combine higher order excitation modes not listed in Table 1.
以上のように、本実施形態の弾性表面波デバイス1は、第1の弾性表面波素子20と第2の弾性表面波素子21から、半導体基板10の薄肉部14,15に圧力Pがかかったときなど、半導体基板10の状態に対応した周波数を得ることができる。これらの得られた発振周波数は温度と圧力の要素を含んだ周波数であり、予め記憶装置34に記憶された基準の温度および圧力に関するデータとそれぞれの温度係数と圧力係数のデータを用いて、温度と圧力のデータを分離することができ、温度および基準となる温度における圧力のデータを演算回路39から出力することができる。このように、半導体基板10の状態に対応した周波数から直接、温度と圧力のデータを分離することができ、周囲温度変化の影響を受けず、精度の良い圧力および温度の検出を可能とする弾性表面波デバイス1を提供することができる。
また、第1の弾性表面波素子20と第2の弾性表面波素子21および図4に示した回路を構成する回路素子が半導体基板10に形成されていることから弾性表面波デバイス1の小型化に寄与することができる。
(変形例)
As described above, in the surface acoustic wave device 1 of this embodiment, the pressure P is applied to the
Further, since the first surface
(Modification)
図5は上記第1の実施形態における変形例の構造を示し、図5(a)は模式平面図、図5(b)は同図(a)のB―B断線に沿う模式断面図である。第1の実施形態と同じ構成については図1と同じ符号を付し説明を省略する。
この変形例は、第1の弾性表面波素子40と第2の弾性表面波素子41とが、IDT電極間隔など同一の設計条件でなされ、同じ励振モードで同じ周波数が励振するように構成されている。
FIG. 5 shows a structure of a modification of the first embodiment, FIG. 5 (a) is a schematic plan view, and FIG. 5 (b) is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 5 (a). . The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
In this modification, the first surface
半導体基板10の薄肉部14,15に対応する圧電薄膜13の上には、Alを主材料とするIDT電極42,43,44,45がそれぞれ形成されている。これらのIDT電極42,43,44,45は櫛歯状の電極が交互に挟み合うように形成されている。IDT電極42は励振用電極であり、所定の間隔をあけて設けられたIDT電極43は受信用電極として働き、IDT電極42,43および圧電薄膜13と共に第1の弾性表面波素子40として構成されている。
同様にIDT電極44は励振用電極であり、所定の間隔をあけて設けられたIDT電極45は受信用電極として働き、IDT電極44,45および圧電薄膜13と共に第2の弾性表面波素子41として構成されている。
On the piezoelectric
Similarly, the
温度および圧力検出の回路構成については、図4に示した回路構成と同様であり、図4において、第1の弾性表面波素子20と第2の弾性表面波素子21を第1の弾性表面波素子40と第2の弾性表面波素子41に置き換えた構成となっている。
ここで、第1の弾性表面波素子40と第2の弾性表面波素子41は、それぞれ異なる励振モードで励振するように発振回路が構成され、例えば、第1の弾性表面波素子40がレイリー波、第2の弾性表面波素子41がセザワ波の励振モードで励振される。
また、利用する励振モードは、表2に示すような励振モードと組み合わせて選択することもできる。さらに、表2に記載していないさらに高次の励振モードを選択して組み合わせて実施することも可能である。
The circuit configuration for temperature and pressure detection is the same as the circuit configuration shown in FIG. 4. In FIG. 4, the first surface
Here, the first surface
Further, the excitation mode to be used can be selected in combination with the excitation modes as shown in Table 2. Furthermore, it is also possible to select and combine higher-order excitation modes not listed in Table 2 for implementation.
以上のような弾性表面波デバイス2における、温度と圧力の検出方法については図4で説明したのと同様であり、説明を省略する。
このように、本変形例の弾性表面波デバイス2は、第1の弾性表面波素子40と第2の弾性表面波素子41から、半導体基板10の薄肉部14,15に圧力Pがかかったときなど、半導体基板10の状態に対応した周波数を得ることができる。これらの得られた発振周波数は温度と圧力の要素を含んだ周波数であり、予め記憶装置34に記憶された基準の温度および圧力に関するデータとそれぞれの温度係数と圧力係数のデータを用いて、温度と圧力のデータを分離することができ、温度および基準となる温度における圧力のデータを演算回路39から出力することができる。このように、半導体基板10の状態に対応した周波数から直接、温度と圧力のデータを分離することができ、周囲温度変化の影響を受けず、精度の良い圧力および温度の検出を可能とする弾性表面波デバイス2を提供することができる。
また、第1の弾性表面波素子40と第2の弾性表面波素子41および図4に示した回路を構成する回路素子が半導体基板10に形成されていることから弾性表面波デバイス2の小型化に寄与することができる。
(第2の実施形態)
The method for detecting the temperature and pressure in the surface
As described above, the surface
Since the first surface
(Second Embodiment)
つぎに、第2の実施形態における弾性表面波デバイスについて説明する。
図6は本実施形態の弾性表面波デバイスの構造を示し、図6(a)は模式平面図、図6(b)は同図(a)のC―C断線に沿う模式断面図である。
弾性表面波デバイス3は、シリコンなどの半導体基板50を有し、その上に回路素子およびAl配線が形成された回路層51、さらにその上にSiO2などの絶縁層52を備えている。そして、絶縁層52の上にZnO膜などの圧電薄膜53が形成されている。
Next, a surface acoustic wave device according to the second embodiment will be described.
6A and 6B show the structure of the surface acoustic wave device according to this embodiment. FIG. 6A is a schematic plan view, and FIG. 6B is a schematic cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
The surface acoustic wave device 3 includes a
また、半導体基板50はその一部が薄肉になるようにエッチングされて薄肉部54が形成されている。このように半導体基板50はダイアフラムを備えた構造となっている。
この半導体基板50の薄肉部54に対応する圧電薄膜53の上には、Alを主材料とするIDT電極56,57がそれぞれ形成されている。これらのIDT電極56,57は櫛歯状の電極が交互に挟み合うように形成されている。IDT電極56は励振用電極でありIDT電極57は受信用電極として働き、IDT電極56,57および圧電薄膜53と共に弾性表面波素子55として構成されている。
なお、前述の半導体基板50の上に形成された回路層51には、弾性表面波素子55を励振させるための発振回路、温度および圧力を検出するための処理回路などが含まれている。
In addition, the
On the piezoelectric
The
このような構成の弾性表面波デバイス3において、半導体基板50の薄肉部54に圧力Pを受けると薄肉部54が歪み、その表面応力が変化して音速が変化すると同時に弾性表面波素子55のIDT電極間隔も変化し、その結果、発振周波数(または共振周波数)が変化する。したがって、この発振周波数を計測することで、発振周波数の変化を圧力の変化として検出することを可能としている。
In the surface acoustic wave device 3 having such a configuration, when the
つぎに、図7において温度および圧力検出の回路構成について説明する。
弾性表面波素子55はスイッチ70に接続され、このスイッチ70を介して第1の発振回路61または第2の発振回路66を選択可能としている。スイッチ70は端子71と接続することで弾性表面波素子55と第1の発振回路61が接続され一方の帰還回路を構成している。また、スイッチ70は端子72と接続することで弾性表面波素子55と第2の発振回路66が接続され他方の帰還回路を構成している。これらの第1の発振回路61と第2の発振回路66は、それぞれ異なる励振モードで弾性表面波素子55を発振できるように構成されている。そして、スイッチ70は間欠的に端子71と端子72の接続を交互に繰り返すように構成されている。
Next, the circuit configuration for temperature and pressure detection will be described with reference to FIG.
The surface
第1の発振回路61は、周波数を電圧に変換する第1のF/V変換回路62に接続され、第1のF/V変換回路62は第1の比較回路63に接続されている。第1の比較回路63は第1の記憶装置64に接続され、さらにスイッチ73を介して第2の記憶装置65に接続されている。スイッチ73はスイッチ70の動作に連動し、スイッチ70が端子71に接続するとスイッチ73は端子74と接続し、スイッチ70が端子71との接続を解除するとスイッチ73も端子74との接続を解除するように構成されている。
そして、第2の記憶装置65は演算回路69に接続されている。
The
The
同様に、第2の発振回路66は、周波数を電圧に変換する第2のF/V変換回路67に接続され、第2のF/V変換回路67は第2の比較回路68に接続されている。第2の比較回路68は第1の記憶装置64およびスイッチ75を介して演算回路39に接続されている。スイッチ75はスイッチ70の動作に連動し、スイッチ70が端子72に接続するとスイッチ75は端子76と接続し、スイッチ70が端子72との接続を解除するとスイッチ75も端子76との接続を解除するように構成されている。また、第1の記憶装置64は演算回路69にも接続されている。
なお、第1の記憶装置64には、弾性表面波素子55から励振される二つの励振モードの、基準の温度および圧力における発振周波数を電圧値に変換したデータとそれぞれの発振周波数の温度係数と圧力係数のデータが予め記憶されている。
Similarly, the
In the
以上の回路構成の弾性表面波デバイス3において、まず、スイッチ70が端子71と接続し、弾性表面波素子55は第1の発振回路61により励振され発振周波数を第1の発振回路61から第1のF/V変換回路62へ出力する。ここでは、弾性表面波素子55は第1の発振回路61によりレイリー波が励振される。第1のF/V変換回路62では、入力された周波数を電圧に変換して第1の比較回路63に出力する。第1の比較回路63では、基準となるデータ(基準の温度および圧力における発振周波数を電圧値に変換したデータ)を第1の記憶装置64から読み出し、このデータと入力された電圧データを比較して、スイッチ70に連動するスイッチ73を介して、その差分データを第2の記憶装置65に出力する。そして、第2の記憶装置65に一旦、差分データが記憶される。
In the surface acoustic wave device 3 having the above circuit configuration, first, the
つぎに、スイッチ70が端子72と接続し、弾性表面波素子55は第2の発振回路66により励振され発振周波数を第2の発振回路66から第2のF/V変換回路67へ出力する。ここでは、弾性表面波素子55は第2の発振回路66によりセザワ波が励振される。第2のF/V変換回路67では、入力された周波数を電圧に変換して第2の比較回路68に出力する。第2の比較回路68では、基準となるデータ(基準の温度および圧力における発振周波数を電圧値に変換したデータ)を第1の記憶装置64から読み出し、このデータと入力された電圧データを比較して、その差分データをスイッチ70に連動するスイッチ75を介して演算回路69に出力する。
Next, the
演算回路69では第2の記憶装置65から読み出したデータと第2の比較回路68から入力されたデータ、および第1の記憶装置64から読み出したそれぞれの励振モードにおける温度係数と圧力係数に基づき、前述の式(3)のΔT、ΔPに相当するデータを算出し、これらを基準温度および圧力のデータに加算して、温度データ(電圧)VT、圧力データ(電圧)VPが演算回路69から出力される。
この圧力データVPは温度の要素を含まず、基準温度における圧力の値となっている。
In the
The pressure data V P does not include a temperature element, and is a pressure value at the reference temperature.
なお、上記実施形態では、弾性表面波素子55を励振モードが異なるようにレイリー波とセザワ波を励振させたが、表3に示すような他の励振モードと組み合わせて選択することもできる。例えば、弾性表面波素子55の励振モードとしてレイリー波とセザワ波2ndを利用することができる。
また、表3に記載していないさらに高次の励振モードを選択して組み合わせて実施することも可能である。
In the above embodiment, the Rayleigh wave and the Sezawa wave are excited so that the surface
It is also possible to select and combine higher order excitation modes not listed in Table 3.
以上のように、本実施形態の弾性表面波デバイス3は、1つの弾性表面波素子55から、第1の発振回路61と第2の発振回路66を間欠的に切り替えることにより、半導体基板50の薄肉部54に圧力Pがかかったときなど、半導体基板50の状態に対応する2つの周波数を得ることができる。これらの得られた発振周波数は温度と圧力の要素を含んだ周波数であり、予め記憶装置に記憶された基準の温度および圧力に関するデータとそれぞれの温度係数と圧力係数のデータを用いて、温度と圧力のデータを分離することができ、温度および基準となる温度における圧力のデータを演算回路69から出力することができる。このように、半導体基板50の状態に対応した周波数から直接、温度と圧力のデータを分離することができ、周囲温度変化の影響を受けず、精度の良い圧力および温度の検出を可能とする弾性表面波デバイス3を得ることができる。また、このように1つの弾性表面波素子55で圧力と温度の検出ができ、弾性表面波デバイス3を小型化することができる。
そして、弾性表面波素子55と発振回路などを構成する回路素子が半導体基板50に形成されていることから弾性表面波デバイス3のさらなる小型化に寄与することができる。
As described above, the surface acoustic wave device 3 according to the present embodiment intermittently switches the
Since the surface
なお、本実施形態において半導体基板としてシリコンを用いたが、SiGe、GaAsなどの半導体基板であっても良い。
また、本発明の弾性表面波デバイスは圧力と温度を検出することができることから、タイヤパンクセンサ(TPMS)などの圧力と周囲温度の情報を必要とするセンサとしての利用が期待される。
In this embodiment, silicon is used as the semiconductor substrate, but a semiconductor substrate such as SiGe or GaAs may be used.
Further, since the surface acoustic wave device of the present invention can detect pressure and temperature, it is expected to be used as a sensor that requires information on pressure and ambient temperature, such as a tire puncture sensor (TPMS).
1,2,3…弾性表面波デバイス、10…半導体基板、11…回路層、12…絶縁層、13…圧電薄膜、14,15…薄肉部、20…第1の弾性表面波素子、21…第2の弾性表面波素子、22,23,24,25…IDT電極、31…第1の発振回路、32…第1のF/V変換回路、33…第1の比較回路、34…記憶装置、36…第2の発振回路、37…第2のF/V変換回路、38…第2の比較回路、39…演算回路、40…第1の弾性表面波素子,41…第2の弾性表面波素子、42,43,44,45…IDT電極、50…半導体基板、51…回路層、52…絶縁層、53…圧電薄膜、54…薄肉部、55…弾性表面波素子、56,57…IDT電極、61…第1の発振回路、62…第1のF/V変換回路、63…第1の比較回路、64…第1の記憶装置、66…第2の発振回路、65…第2の記憶装置、67…第2のF/V変換回路、68…第2の比較回路、69…演算回路、70,73,75…スイッチ、P…圧力。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第1の弾性表面波素子と、
前記第1の弾性表面波素子から励振される発振周波数と異なる発振周波数が励振される第2の弾性表面波素子と、
前記第1の弾性表面波素子を励振させる第1の発振回路と、
前記第2の弾性表面波素子を励振させる第2の発振回路と、
前記第1の弾性表面波素子の発振周波数が電圧に変換され出力される第1のF/V変換回路と、
前記第2の弾性表面波素子の発振周波数が電圧に変換され出力される第2のF/V変換回路と、
基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータおよびそれぞれの発振周波数が有する温度係数と圧力係数に関するデータが記憶された記憶装置と、
前記第1のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータが比較されその差分が出力される第1の比較回路と、
前記第2のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された温度と圧力における発振周波数に関する基準となるデータが比較されその差分が出力される第2の比較回路と、
前記第1の比較回路と前記第2の比較回路から出力されるデータおよび前記記憶装置から出力される温度係数と圧力係数に関するデータに基づき、温度および基準となる温度における圧力のデータが演算され出力される演算回路と、
を備えたことを特徴とする弾性表面波デバイス。 A surface acoustic wave device having a structure in which a surface acoustic wave element having a piezoelectric thin film and an IDT electrode is provided on a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate in a portion where the surface acoustic wave element is formed is formed thinly,
A first surface acoustic wave element;
A second surface acoustic wave element in which an oscillation frequency different from the oscillation frequency excited from the first surface acoustic wave element is excited;
A first oscillation circuit for exciting the first surface acoustic wave element;
A second oscillation circuit for exciting the second surface acoustic wave element;
A first F / V conversion circuit that converts an oscillation frequency of the first surface acoustic wave element into a voltage and outputs the voltage;
A second F / V conversion circuit for converting the oscillation frequency of the second surface acoustic wave element into a voltage and outputting the voltage;
A storage device in which data on the oscillation frequency at the reference temperature and pressure and data on the temperature coefficient and pressure coefficient of each oscillation frequency are stored;
A first comparison circuit that compares data output from the first F / V conversion circuit and data relating to an oscillation frequency at a reference temperature and pressure stored in the storage device and outputs the difference;
A second comparison circuit that compares the data output from the second F / V conversion circuit with the reference data relating to the oscillation frequency at the temperature and pressure stored in the storage device and outputs the difference;
Based on the data output from the first comparison circuit and the second comparison circuit and the data on the temperature coefficient and the pressure coefficient output from the storage device, the temperature and the pressure data at the reference temperature are calculated and output. An arithmetic circuit to be
A surface acoustic wave device comprising:
前記第1の弾性表面波素子と前記第2の弾性表面波素子とが同じ励振モードにおいて異なる周波数に設計され、それぞれが同じ励振モードまたは異なる励振モードの周波数が励振されることを特徴とする弾性表面波デバイス。 The surface acoustic wave device according to claim 1,
The first surface acoustic wave element and the second surface acoustic wave element are designed to have different frequencies in the same excitation mode, and each has the same excitation mode or a different excitation mode frequency. Surface wave device.
前記第1の弾性表面波素子と前記第2の弾性表面波素子とが同じ励振モードにおいて同じ周波数に設計され、それぞれが異なる励振モードの周波数が励振されることを特徴とする弾性表面波デバイス。 The surface acoustic wave device according to claim 1,
The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the first surface acoustic wave element and the second surface acoustic wave element are designed to have the same frequency in the same excitation mode, and each has a different excitation mode frequency.
一つの弾性表面波素子と、
前記弾性表面波素子を励振させる第1の発振回路と、
前記弾性表面波素子を前記第1の発振回路で励振させる励振モードとは異なる励振モードで励振させる第2の発振回路と、
前記第1の発振回路または前記第2の発振回路が間欠的に選択される第1のスイッチと、
前記第1の発振回路から出力される発振周波数が電圧に変換され出力される第1のF/V変換回路と、
前記第2の発振回路から出力される発振周波数が電圧に変換され出力される第2のF/V変換回路と、
基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータおよびそれぞれの発振周波数が有する温度係数および圧力係数に関するデータが記憶された第1の記憶装置と、
前記第1のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータが比較されその差分が出力される第1の比較回路と、
前記第1の比較回路の出力データが一旦記憶される第2の記憶装置と、
前記第1のスイッチに連動され前記第1の比較回路と前記第2の記憶装置の間に配置された第2のスイッチと、
前記第2のF/V変換回路から出力されるデータと前記記憶装置に記憶された基準となる温度と圧力における発振周波数に関するデータが比較されその差分が出力される第2の比較回路と、
前記第1のスイッチに連動され前記第2の比較回路の後段に配置された第2のスイッチと、
前記第2の記憶装置と前記第2の比較回路および前記第1の記憶装置のデータに基づき、温度および基準となる温度における圧力のデータが演算され出力される演算回路と、
を備えたことを特徴とする弾性表面波デバイス。 A surface acoustic wave device having a structure in which a surface acoustic wave element having a piezoelectric thin film and an IDT electrode is formed on a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate in a portion where the surface acoustic wave element is formed is thinly formed,
One surface acoustic wave element;
A first oscillation circuit for exciting the surface acoustic wave element;
A second oscillation circuit for exciting the surface acoustic wave element in an excitation mode different from an excitation mode for exciting the surface acoustic wave element with the first oscillation circuit;
A first switch for intermittently selecting the first oscillation circuit or the second oscillation circuit;
A first F / V conversion circuit for converting an oscillation frequency output from the first oscillation circuit into a voltage and outputting the voltage;
A second F / V conversion circuit for converting an oscillation frequency output from the second oscillation circuit into a voltage and outputting the voltage;
A first storage device storing data relating to oscillation frequencies at a reference temperature and pressure, and data relating to temperature coefficients and pressure coefficients of the respective oscillation frequencies;
A first comparison circuit that compares data output from the first F / V conversion circuit and data relating to an oscillation frequency at a reference temperature and pressure stored in the storage device and outputs the difference;
A second storage device in which output data of the first comparison circuit is temporarily stored;
A second switch linked to the first switch and disposed between the first comparison circuit and the second storage device;
A second comparison circuit that compares the data output from the second F / V conversion circuit with the data relating to the oscillation frequency at the reference temperature and pressure stored in the storage device and outputs the difference;
A second switch that is linked to the first switch and is arranged at a subsequent stage of the second comparison circuit;
An arithmetic circuit that calculates and outputs temperature and pressure data at a reference temperature based on data of the second storage device, the second comparison circuit, and the first storage device;
A surface acoustic wave device comprising:
前記弾性表面波素子と少なくとも前記発振回路を形成する回路素子が前記半導体基板に備えられていることを特徴とする弾性表面波デバイス。
The surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 4,
A surface acoustic wave device, wherein the surface acoustic wave element and at least a circuit element forming the oscillation circuit are provided on the semiconductor substrate.
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Legal Events
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A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20081104 |