JP2007225546A - Elastic surface wave sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特定の化学物質を検出しかつ/またはその物理特性を測定するためのトランスデューサとして、弾性表面波(SAW:Surface acoustic wave)を利用した弾性表面波センサに関する。 The present invention relates to a surface acoustic wave sensor using a surface acoustic wave (SAW) as a transducer for detecting a specific chemical substance and / or measuring a physical property thereof.
近年、バイオテクノロジや医療などの技術分野において、検出・測定対象の化学物質を認識する感応膜の化学的または物理的変化を検出するために、弾性表面波素子(SAW素子)をトランスデューサーとして利用した弾性表面波センサ(SAWセンサ)が開発され、その利用が広がってきている(例えば、特許文献1〜4を参照)。
In recent years, surface acoustic wave elements (SAW elements) have been used as transducers to detect chemical or physical changes in sensitive membranes that recognize chemical substances to be detected and measured in technical fields such as biotechnology and medicine. Such surface acoustic wave sensors (SAW sensors) have been developed and their use has been expanded (see, for example,
このような弾性表面波センサなどの弾性表面波装置に用いられる弾性表面波としては、レイリー波(Rayleigh wave)や、リーキー波(Leaky wave)と呼ばれる漏洩弾性表面波が主に用いられている。レイリー波は、弾性体の表面を伝搬する表面波であり、そのエネルギーを圧電基板内部に放射することなく、理論上伝搬損失なく伝搬する。レイリー波を利用した弾性表面波装置用圧電基板としては、位相速度が3150〔m/秒〕のSTカット水晶が挙げられる。 As the surface acoustic wave used for such a surface acoustic wave device such as a surface acoustic wave sensor, a leaky surface acoustic wave called Rayleigh wave or Leaky wave is mainly used. A Rayleigh wave is a surface wave that propagates on the surface of an elastic body, and propagates without propagation loss theoretically without radiating the energy into the piezoelectric substrate. As a piezoelectric substrate for a surface acoustic wave device using a Rayleigh wave, an ST cut crystal having a phase velocity of 3150 [m / sec] can be mentioned.
圧電基板中には、「遅い横波」、「速い横波」、「縦波」の3種類の体積波(バルク波)が存在するが、前記のレイリー波は「遅い横波」よりも更に遅い位相速度で伝搬するものである。
漏洩弾性表面波は、弾性体の深さ方向にエネルギを放射しながら伝搬する弾性表面波であり、特別な切り出し角および伝搬方向では利用可能となる。例えば、位相速度が、3900〔m/秒〕のLSTカット水晶が知られている。この漏洩弾性表面波は、「遅い横波」と「速い横波」の間の位相速度で伝搬するものである。
There are three types of volume waves (bulk waves) of “slow transverse waves”, “fast transverse waves”, and “longitudinal waves” in the piezoelectric substrate, but the Rayleigh wave has a slower phase velocity than “slow transverse waves”. It propagates with.
The leaky surface acoustic wave is a surface acoustic wave that propagates while radiating energy in the depth direction of the elastic body, and can be used at a special cutting angle and propagation direction. For example, an LST cut crystal having a phase velocity of 3900 [m / sec] is known. This leaky surface acoustic wave propagates at a phase velocity between a “slow transverse wave” and a “fast transverse wave”.
近年では、漏洩弾性表面波の理論を発展させて、基板表面での変位のほとんどが縦波成分で構成され、バルク波として2つの横波成分を圧電基板内部に放射しながら「速い横波」と「縦波」の間の高い位相速度で伝搬する擬似縦波型弾性表面波が相次いで発見されている。
また、従来、弾性表面波装置の高周波化には適した材料ではないと考えられていた水晶基板においても、所定の切り出し角の水晶基板を用いた擬似縦波型弾性表面波の利用が報告されてきている(例えば非特許文献1を参照)。
In recent years, the theory of leaky surface acoustic waves has been developed, and most of the displacements on the substrate surface are composed of longitudinal wave components, and while radiating two transverse wave components inside the piezoelectric substrate as bulk waves, A quasi-longitudinal-type surface acoustic wave propagating at a high phase velocity between “longitudinal waves” has been discovered one after another.
In addition, the use of quasi-longitudinal wave type surface acoustic waves using a quartz substrate with a predetermined cut-out angle has been reported even for quartz substrates that have been conventionally considered not to be suitable materials for high-frequency surface acoustic wave devices. (See, for example, Non-Patent Document 1).
このような弾性表面波を利用した弾性表面波センサの基本的構成の従来例を図5に示して説明する。弾性表面波センサ110は所謂共振型(1ポート共振子型)で、水晶などからなる圧電基板101の上側の主面の略中央に形成されたIDT(interdigital Transducer)電極104と、IDT電極104の略中央に形成された感応膜107と、IDT電極104を挟んだ両側に形成された格子構造の一組の反射器106a,106bとを有している。感応膜107は、IDT電極104を構成する交差指電極102a,102bの各電極指間のSAW伝搬面に配置されている。このような弾性表面波センサ110において、交差指電極102a,102b間に所定の高周波信号電圧を引加すると、圧電基板101の表面に入力信号と同じ周波数の弾性表面波が励振される。弾性表面波はIDT電極104の左右両側に伝搬し、左右に配置された反射器106a,106bに反射されてIDT電極104に向けて戻る結果、両反射器106a,106b間に定在波が発生する。感応膜107が検出・測定対象の化学物質を吸収するなどしてその重量が増加すると、弾性表面波の伝搬速度が変化し、その周波数が変化する。この周波数変化量を測定することによって、目的の化学物質を高精度に検出しまたは測定することができる(例えば特許文献1を参照)。
A conventional example of the basic configuration of a surface acoustic wave sensor using such surface acoustic waves will be described with reference to FIG. The surface
この他に、例えば、SH(Shear Horizontal)モードのSAWデバイスにおいて、圧電体からなるSAW伝搬面に電気的短絡と電気的開放とをそれぞれ励振用IDT電極と受信用IDT電極の間に設け、酵素を固定した試料セルに同一液体を負荷した場合に電気的短絡と電気的開放間に生じるSAW伝搬速度の変化から、pH、導電性などの物性を検出する弾性表面波バイオセンサが知られている(例えば特許文献2を参照)。
また、弾性表面波デバイスの圧電基板上に、励振用IDT電極と受信用IDT電極と、この励振用および受信用IDTの間に配置したガス吸着体をそれぞれ形成し、ガス吸収体(感応膜)が特定のガスを吸着して発熱しまたは質量を増大させることによるSAW伝搬速度の変化を出力周波数の変化として検出する弾性表面波センサ(ガスセンサ)が知られている(例えば特許文献3を参照)。
さらに、一方の主面にIDT電極が設けられた圧電基板の他方の主面に、一方の面に感応膜が設けられたアクリル板などの非圧電基板の他方の面を貼り合わせることにより、IDT電極により励振された弾性表面波が非圧電基板にバルク波として漏洩されることを利用してガスの検出または測定を行う弾性表面波センサ(ガスセンサ)が知られている(例えば特許文献4を参照)。
In addition to this, for example, in an SHW (Shear Horizon) mode SAW device, an electrical short circuit and an electrical release are provided between the excitation IDT electrode and the reception IDT electrode on the SAW propagation surface made of a piezoelectric material, respectively, Surface acoustic wave biosensors that detect physical properties such as pH and conductivity are known from changes in SAW propagation speed that occur between electrical short-circuiting and electrical opening when the same liquid is loaded on a sample cell with a fixed surface. (For example, refer to Patent Document 2).
Further, an excitation IDT electrode and a reception IDT electrode and a gas adsorber disposed between the excitation and reception IDTs are formed on the piezoelectric substrate of the surface acoustic wave device, respectively, and a gas absorber (sensitive film). A surface acoustic wave sensor (gas sensor) that detects a change in SAW propagation velocity due to heat generated by increasing the mass by adsorbing a specific gas as a change in output frequency is known (see, for example, Patent Document 3). .
Further, the other surface of the non-piezoelectric substrate such as an acrylic plate having a sensitive film provided on one surface is bonded to the other main surface of the piezoelectric substrate provided with the IDT electrode on one main surface, whereby the IDT 2. Description of the Related Art A surface acoustic wave sensor (gas sensor) that detects or measures a gas by utilizing the fact that a surface acoustic wave excited by an electrode leaks to a non-piezoelectric substrate as a bulk wave is known (see, for example, Patent Document 4). ).
しかしながら、上述した従来の弾性表面波センサは、IDT電極と感応膜が圧電基板の同一主面上に設けられている。このため、検出・測定精度を上げるために弾性表面波の伝搬経路を長くしたり、感応膜を大きくしたりすることにより、弾性表面波センサのサイズが大きくなるために、センサの精度向上と小型化を同時に満足させることが困難であった。また、非測定物が腐蝕性を有する場合、IDT電極およびセンサ回路を構成する電極などが腐蝕して検出・測定精度に悪影響を及ぼす虞があり、また、これを回避するためにIDT電極などを保護する手段を講ずるとコストアップを招くという問題があった。さらに、圧電基板に非圧電基板を貼り合わせる構成の漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波センサでは、圧電および非圧電基板の界面部分にインピーダンス不整合によって生じる弾性表面波の反射があり、非圧電基板へ効率的にバルク波を漏洩できないために正確な検出・測定ができないという問題があった。また、貼り合わせの工程がコストアップを招くという問題があった。 However, in the conventional surface acoustic wave sensor described above, the IDT electrode and the sensitive film are provided on the same main surface of the piezoelectric substrate. For this reason, by increasing the surface acoustic wave propagation path and increasing the sensitive film in order to increase detection and measurement accuracy, the size of the surface acoustic wave sensor is increased. It was difficult to satisfy the requirements at the same time. In addition, when the non-measurement object has a corrosive property, the IDT electrode and the electrode constituting the sensor circuit may be corroded to adversely affect the detection / measurement accuracy. In order to avoid this, an IDT electrode or the like may be used. If measures were taken to protect, there was a problem of increasing costs. Furthermore, in a surface acoustic wave sensor using a leaky surface acoustic wave in which a non-piezoelectric substrate is bonded to a piezoelectric substrate, there is reflection of the surface acoustic wave caused by impedance mismatch at the interface between the piezoelectric and non-piezoelectric substrates. There is a problem that accurate detection and measurement cannot be performed because bulk waves cannot be efficiently leaked to the substrate. In addition, there is a problem that the bonding process causes an increase in cost.
本発明は、上記課題を鑑みてなされるものであって、その目的は、検出・測定対象の化学物質によるIDT電極等の腐食や劣化を抑制して検出・測定精度を確保しかつ高信頼性を有し、小型化や高周波化も可能な弾性表面波センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to ensure detection and measurement accuracy by suppressing corrosion and deterioration of IDT electrodes and the like caused by chemical substances to be detected and measured, and to have high reliability. It is an object of the present invention to provide a surface acoustic wave sensor that can be reduced in size and frequency.
上記課題を解決するために、本発明では、水晶基板と、水晶基板の主面上に形成される擬似縦波型弾性表面波を励振するIDT電極と、IDT電極が形成された主面の反対側の主面に、検出または測定の対象となる物質を認識する感応膜が形成されていることを主旨とする。 In order to solve the above problems, in the present invention, a quartz substrate, an IDT electrode that excites a pseudo-longitudinal wave type surface acoustic wave formed on the principal surface of the quartz substrate, and the opposite of the principal surface on which the IDT electrode is formed. The main purpose is that a sensitive film for recognizing a substance to be detected or measured is formed on the main surface on the side.
この構成によれば、検出・測定対象となる化学物質に接触させる必要がある感応膜が、水晶基板の一方の主面に設けられたIDT電極とは水晶基板を介して隔離された水晶基板の他方の主面に設けられている。これにより、IDT電極に化学物質を触れさせることなく検出または測定を行うことが可能となるので、特に保護膜等を設けなくてもIDT電極の化学物質による腐蝕や劣化を防止することができる。従って、保護膜形成に伴なうコストアップなどをさせることなく、高精度を有し、IDT電極の腐蝕や劣化を起こさない信頼性の高い弾性表面波センサを提供することができる。
また、位相速度の比較的速い擬似縦波型弾性表面波を用いて化学物質の検出または測定を行うので、レイリー波や漏洩弾性表面波を用いた場合に比べ、IDT電極の電極幅と電極間隔を小さくすることなく高周波化を容易に実現することが可能となり、高精度な弾性表面波センサを実現できる。また、IDT規格化電極膜厚の大きさに制約がある場合においても、レイリー波や漏洩弾性表面波を用いた場合に比べて、IDT電極の各電極膜厚に余裕をもたせることができる。これにより、電気抵抗損失の増大を抑制し、Q値の低下を防止することができるとともに、IDT電極の微細化による製造歩留まりの低下を防ぎ、弾性表面波センサの製造が容易となる。
また、電極膜厚を大きくできることにより、ボンディングするパッド部を厚くすることができ、ワイヤーボンディングする際の電極剥離を防止することができる。
また、基板を貼り合わせることなくバルク波が下側主面に漏洩されるため、製造コストを低減できる。
さらに、IDT電極と感応膜とが、水晶基板の別の主面に縦配置されるように設けられるので、平面サイズを増大させることなく感応膜の平面積を大きくすることができる。これにより、検出または測定の対象となる化学物質の感応膜への受容量を多くすることができるので、弾性表面波センサをサイズアップすることなく検出・測定精度を向上させることができる。
According to this configuration, the sensitive film that needs to be in contact with the chemical substance to be detected / measured is separated from the IDT electrode provided on one main surface of the quartz substrate via the quartz substrate. It is provided on the other main surface. As a result, detection or measurement can be performed without touching the IDT electrode with a chemical substance, and therefore corrosion and deterioration of the IDT electrode due to the chemical substance can be prevented without providing a protective film or the like. Therefore, it is possible to provide a highly reliable surface acoustic wave sensor that has high accuracy and does not cause corrosion or deterioration of the IDT electrode without increasing the cost associated with the formation of the protective film.
Further, since the chemical substance is detected or measured using a quasi-longitudinal wave type surface acoustic wave having a relatively high phase velocity, the electrode width and the electrode interval of the IDT electrode are compared with those using Rayleigh waves or leaky surface acoustic waves. It is possible to easily realize a high frequency without reducing the size, and a highly accurate surface acoustic wave sensor can be realized. Even when there is a restriction on the thickness of the IDT normalized electrode film thickness, it is possible to provide a margin for each electrode film thickness of the IDT electrode as compared with the case where Rayleigh waves or leaky surface acoustic waves are used. As a result, an increase in electrical resistance loss can be suppressed and a reduction in Q value can be prevented, and a decrease in manufacturing yield due to miniaturization of IDT electrodes can be prevented, thereby making it easier to manufacture a surface acoustic wave sensor.
In addition, since the electrode film thickness can be increased, the pad portion to be bonded can be increased, and electrode peeling during wire bonding can be prevented.
Further, since the bulk wave leaks to the lower main surface without bonding the substrates, the manufacturing cost can be reduced.
Furthermore, since the IDT electrode and the sensitive film are provided so as to be vertically arranged on another main surface of the quartz substrate, the plane area of the sensitive film can be increased without increasing the plane size. Thereby, since the amount of the chemical substance to be detected or measured can be increased in the sensitive film, the detection / measurement accuracy can be improved without increasing the size of the surface acoustic wave sensor.
本発明では、IDT電極が、一組の交差指電極を有する1つのIDT電極からなる構成としてもよい。 In the present invention, the IDT electrode may be composed of one IDT electrode having a pair of cross finger electrodes.
このような所謂1ポート共振子型の弾性表面波センサは、励振用および受信用の2つのIDT電極を設ける所謂トランスバーサル型の弾性表面波センサに比して1個のIDTを省略できるので、弾性表面波センサの小型化および製造コストの低減を図ることができる。また、従来のレイリー波やSHモードの表面波を利用した1ポート共振子型の弾性表面波センサに比して、感応膜をIDT電極の上に設けることがないため、検出・測定精度を向上させることができる。 Such a so-called 1-port resonator type surface acoustic wave sensor can omit one IDT compared to a so-called transversal type surface acoustic wave sensor provided with two IDT electrodes for excitation and reception. The surface acoustic wave sensor can be downsized and the manufacturing cost can be reduced. Also, compared to conventional 1-port resonator type surface acoustic wave sensors using Rayleigh waves or SH mode surface waves, no sensitive film is provided on the IDT electrode, improving detection and measurement accuracy. Can be made.
本発明では、平面視で擬似縦波型弾性表面波の伝搬方向に沿ってIDT電極を挟むように配置される一組の反射器を備えることが好ましい。 In the present invention, it is preferable to include a pair of reflectors arranged so as to sandwich the IDT electrode along the propagation direction of the pseudo longitudinal wave type surface acoustic wave in plan view.
この構成によれば、IDT電極に所定の高周波数信号電圧を印加することによって励振される擬似縦波型弾性表面波の伝搬方向に沿ってIDT電極の平面視で両側に位置する反射器に反射されてIDT電極に向けて戻り、該反射器間に擬似縦波型弾性表面波の定住波が発生する。このような反射器による表面波閉じ込め効果により、損失を少なくしてQ値を高くし、Cl値を小さくして、より優れた共振特性が得られる。したがって、弾性表面波センサの感度が向上し、高精度な検出・測定が可能になる。 According to this configuration, reflection is performed on reflectors located on both sides in a plan view of the IDT electrode along the propagation direction of the pseudo-longitudinal surface acoustic wave excited by applying a predetermined high-frequency signal voltage to the IDT electrode. Then, returning toward the IDT electrode, a quasi-longitudinal surface acoustic wave standing wave is generated between the reflectors. Due to the surface wave confinement effect by such a reflector, the loss can be reduced, the Q value can be increased, and the Cl value can be decreased, whereby a more excellent resonance characteristic can be obtained. Therefore, the sensitivity of the surface acoustic wave sensor is improved, and highly accurate detection / measurement is possible.
本発明では、水晶基板上の少なくともIDT電極が収納容器で覆われ、感応膜の少なくとも一部が大気中に露出される構成としてもよい。 In the present invention, at least the IDT electrode on the quartz substrate may be covered with the storage container, and at least a part of the sensitive film may be exposed to the atmosphere.
この構成によれば、IDT電極や、弾性表面波の伝搬面である水晶基板表面が、検出・測定対象の化学物質の飛散や曝露から保護されるので、IDT電極の腐蝕や劣化、水晶基板表面の汚染などを抑えることができる。これにより、腐食性を有する化学物質に適用可能な、検出・測定精度に優れ高信頼性を有する弾性表面波センサを提供することができる。 According to this configuration, the IDT electrode and the surface of the quartz substrate, which is the propagation surface of the surface acoustic wave, are protected from scattering and exposure of the chemical substance to be detected / measured. Contamination can be suppressed. As a result, it is possible to provide a surface acoustic wave sensor that can be applied to a corrosive chemical substance and has excellent detection and measurement accuracy and high reliability.
本発明では、IDT電極と、IDT電極を駆動・制御して検出または測定の対象となる物質の検出または測定を実施しその結果を記録する手段を備えた回路部が、収納容器内に密閉された状態で収納されている構成としてもよい。 In the present invention, an IDT electrode and a circuit unit including means for driving and controlling the IDT electrode to detect or measure a substance to be detected or measured and record the result are sealed in a storage container. It is good also as a structure accommodated in the state.
この構成によれば、IDT電極および検出・測定の駆動・制御・記録に供する回路部が、収納容器内に密閉状態で収容され、感応膜の少なくとも一部が外部に露出している。これにより、感応膜以外の部分を検出・測定対象の物質から完全に遮断した状態で検出・測定対象の物質の検出・測定をすることができる。従って、腐蝕性を有する検出・測定対象の化学物質の液中または気体の雰囲気中に弾性表面波センサを投入して、検出または測定作業を行うことが可能となる。 According to this configuration, the IDT electrode and the circuit unit used for driving / control / recording of detection / measurement are housed in a sealed state in the housing container, and at least a part of the sensitive film is exposed to the outside. As a result, it is possible to detect and measure the substance to be detected and measured in a state where the parts other than the sensitive film are completely blocked from the substance to be detected and measured. Therefore, it is possible to perform the detection or measurement operation by introducing the surface acoustic wave sensor into the liquid or gas atmosphere of the chemical substance to be detected / measured having corrosive properties.
以下、本発明を具体化した第1の実施形態について図面に従って説明する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)は、本発明による弾性表面波センサの一実施形態の構造を説明する説明図であり、図1(a)は斜視図、同図(b)は、同図(a)のA−A線断面図である。 FIG. 1A is an explanatory view for explaining the structure of an embodiment of a surface acoustic wave sensor according to the present invention. FIG. 1A is a perspective view, and FIG. It is AA sectional view.
弾性表面波センサ10は、矩形薄板状の水晶基板1を有している。水晶基板1の上側の主面には、1組の交差指電極2a,2bからなる励振用IDT電極4と、同じく1組の交差指電極3a,3bからなる受信用IDT電極5が形成されている。また、水晶基板1の他方の主面側には感応膜7が形成されている。
The surface
図1(b)において、tは水晶基板1の厚み、Pは入力用および出力用の交差指電極2a,3a,2b,3bの各ピッチ、λは励振用および受信用IDT電極4,5の各波長、hは励振用および受信用IDT電極4,5の各厚みを示している。
水晶基板1は、オイラー角が(0°,100°〜150°,0°)の範囲で切り出されている。また、水晶基板1の厚みtは、スプリアスが十分抑圧されるように調整されており、例えば弾性表面波センサを構成した場合に異常発振や周波数飛び(周波数のシフト)が起こらないようにされている。
In FIG. 1 (b), t is the thickness of the
The
励振用IDT電極4は、櫛歯形状を有する交差指電極2aと交差指電極2bが、互いに触れないように所定の間隔を設けて交差するように形成されている。同様に、受信用IDT電極5は、櫛歯形状を有する入力側の交差指電極3aと出力側の交差指電極3bが、互いに触れないように所定の間隔を設けて交差するように形成されている。この励振用IDT電極4と受信用IDT電極5は、水晶基板の上側の主面上の略中央に所定の間隔を設けて併設されている。なお、各交差指電極2a,2b,3a,3bは、金、アルミニウム、アルミニウム合金のような公知の導電性材料で、フォトリソグラフィ、蒸着、スパッタリングなどの従来知られた電極パターニング方法を用いて形成される。
また、励振用IDT電極4は、水晶基板1表面上を、図1(b)における+X軸と平行に伝搬する擬似縦波型弾性表面波を励振するものであり、IDT規格化電極厚みh/λは、例えば0.02以上に設定される。ここで、IDT規格化電極厚みh/λは、励振用IDT電極4の厚みhをIDT電極波長λで規格化したものである。
The
Further, the
感応膜7は、水晶基板1の、上記の励振用および受信用IDT電極4,5が形成されている主面とは反対側の主面に積層させるように形成されている。なお、感応膜7は、検出・測定対象となる化学物質の性状・性質などに対応して、例えばガス吸着体、酵素、微生物、抗体、DNAなど従来公知の様々なものを用いることができ、それらを固定した膜、セルなど従来公知の様々な形態で形成され使用される。
The
このような所謂トランスバーサル型の弾性表面波センサ10において、励振用IDT電極4の交差指電極2a,2b間に所定の高周波信号電圧を印加すると、水晶基板1の上側主面の表面に擬似縦波型漏洩弾性表面波が伝搬するのにともなって、水晶基板1の下側の主面方向にバルク波が漏洩され下側主面で反射してまた上側主面に向けて戻る。つまり、水晶基板1の厚み方向に定住波が発生し、下側主面側にも振動が生じる。水晶基板1の下側主面に形成された感応膜7が、検出対象の化学物質を吸収してその重量が増加すると、擬似縦波型弾性表面波の伝搬速度が変化する。変化した伝搬速度を受信用IDT電極5で出力される伝搬遅延を測定することによって、目的の化学物質を検出またはその濃度、pHなどの物理特性を測定することができる。
In such a so-called transversal type surface
以下、上記実施形態の効果を記載する。 The effects of the above embodiment will be described below.
(1)上記構成の弾性表面波センサ10では、位相速度の比較的速い擬似縦波型弾性表面波を用いて化学物質の検出または測定を行う構成となっている。これにより、レイリー波や漏洩弾性表面波を用いた場合に比べ、励振および受信用IDT電極4,5の交差指電極2a,2bおよび交差指電極3a,3bのそれぞれの電極幅と電極間隔を小さくすることなく高周波化を容易に実現することが可能となる。また、IDT電極規格化電極膜厚h/λの大きさに制約がある場合においても、レイリー波や漏洩弾性表面波を用いた場合に比べて、励振および受信用IDT電極4,5の各電極膜厚hに余裕をもたせることができるので、電気抵抗損失の増大を抑制し、Q値の低下を防止することができる。また、電極膜厚を大きくできることにより、ボンディングするパッド部を厚くすることができ、例えばワイヤーボンディングする際の電極剥離を防止することができる。したがって、高周波で、検出または測定精度が高く、高信頼性を有する弾性表面波センサ10を提供することができる。
(1) The surface
(2)上記構成の弾性表面波センサ10では、検出または測定の対象となる化学物質に接触させる必要がある感応膜7が、水晶基板1の上側主面に設けられた励振および受信用IDT電極4,5と水晶基板1を介して隔離された水晶基板1の下側主面に設けられている。これにより、励振用および受信用IDT電極4,5に化学物質を触れさせることなく検出または測定を行うことが可能となるので、特に保護膜等を設けなくても励振用および受信用IDT電極4,5の化学物質による腐蝕や劣化を防止することができる。また、擬似縦波型弾性表面波を利用することで、基板を貼り合わせることなく下側主面を振動させることが可能で、製造コストを低減できる。従って、保護膜形成に伴なうコストアップなどをさせることなく、高精度を有し、励振および受信用IDT電極4,5の腐蝕や劣化を起こさない信頼性の高い弾性表面波センサ10を提供することができる。
(2) In the surface
(3)また、上記構成の弾性表面波センサ10は、励振用および受信用IDT電極4,5と感応膜7とが、水晶基板1の別の主面に設けられるので、平面サイズを増大させることなく感応膜7の平面積を大きくすることができる。これにより、検出・測定対象となる化学物質の感応膜7への受容量を多くすることができるので、弾性表面波センサ10をサイズアップすることなく、検出または測定の精度を向上させることができる。
(3) Further, the surface
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、以下の変形例を実施することもできる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modified examples can also be implemented.
(変形例1)上記実施形態では、励振および受信用IDT電極4,5を有する所謂トランスバーサル型の弾性表面波センサ10について説明したが、これに限らず、IDT電極をひとつ設けて定住波を発生させる所謂共振子型の弾性表面波センサを提供することもできる。
図2は、本発明の擬似縦波型弾性表面波を利用した共振子型の弾性表面波センサの構成を説明する説明図であり、図2(a)は斜視図、同図(b)は図2(a)のB−B線断面図である。なお、本変形例の弾性表面波センサの構成のうち、上述した第1の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
(Modification 1) In the above embodiment, the so-called transversal type surface
FIG. 2 is an explanatory view for explaining the configuration of a resonator type surface acoustic wave sensor using a quasi-longitudinal wave type surface acoustic wave according to the present invention. FIG. 2 (a) is a perspective view, and FIG. It is the BB sectional view taken on the line of Fig.2 (a). Note that, among the configurations of the surface acoustic wave sensor according to this modification, the description of the same configurations as those of the first embodiment described above will be omitted.
図2において、弾性表面波センサ20は、水晶基板11の上側主面の略中央に、交差指電極12a,12bが、互いに触れないように所定の間隔を設けて交差して形成されたIDT電極14が設けられている。また、このIDT電極14の左右両側には、それぞれ格子構造の反射器16a,16bが配設されている。これら交差指電極12a,12bおよび反射器16a,16bは、公知の導電性材料で、従来知られた電極パターニング方法を用いて同時に形成される。
水晶基板11の、上記IDT電極14が形成されている主面とは反対側の主面には、感応膜17が形成されている。
In FIG. 2, the surface
A
このような1ポート共振子型の弾性表面波センサ20において、交差指電極12aと出力側交差指電極12b間に所定の高周波数信号電圧を印加すると、水晶基板11の上側主面の表面に入力信号と同じ周波数の擬似縦波型弾性表面波が励振される。それにともなって、水晶基板11の下側の主面方向にバルク波が漏洩され下側主面で反射し、また上側主面に向けて戻る。その結果、水晶基板11の厚み方向にも定住波が発生し、下側主面側にも振動が生じる。このような擬似縦波型弾性表面波は平面視でIDT電極14の左右両側に伝搬し、左右の反射器16a,16bに反射されてIDT電極14に向けて戻る。その結果、反射器16a,16b間に擬似縦波型弾性表面波の定住波が発生する。このように、反射器16a,16b間に表面波閉じ込められることによって、損失を少なくしてQ値を高くし、CI値を小さくして、より優れた共振特性が得られる。また、弾性表面波センサ20の水晶基板11の端面による反射波の影響を有効に駆除することができる。
感応膜17が、検出・測定対象の化学物質を吸収するなどしてその重量が増加すると、擬似縦波型弾性表面波の伝搬速度が変化し、それにともなって発生する周波数変化をIDT電極14により測定することによって、目的の化学物質を検出しまたはその物理特性を測定することができる。また、励振用および受信用の2つのIDT電極4,5を設けるトランスバーサル型の弾性表面波センサ10に比して1個のIDTを省略できるので、弾性表面波センサ20の小型化および製造コストの低減を図ることができる。
In such a 1-port resonator type surface
When the
(変形例2)上記実施形態で説明した弾性表面波センサ10は、その一部をパッケージ容器に収容することにより、検出・測定する化学物質の応用範囲を広げたり、検出・測定精度を維持して信頼性を向上させることができる。
図3は、パッケージ容器収容型の弾性表面波センサの概略構成を説明する模式断面図である。
(Modification 2) The surface
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a package container-accommodating type surface acoustic wave sensor.
図3の弾性表面波センサ30は、上側主面にIDT電極24が形成され下側主面に感応膜27が形成された水晶基板21と、凹部が形成されたパッケージ容器50を有している。検出・測定対象の化学物質に対して耐性を有した材料からなるパッケージ容器50は、該パッケージ容器50の凹部にIDT電極24を収納するように水晶基板21の上側主面側に接合され、水晶基板21の下側主面に形成された感応膜27は外部に露出している。また、パッケージ容器50の一部には貫通孔59が設けられている。貫通孔59は、例えばIDT電極24に高周波数信号電圧を印加するための発振回路などを接続したり、IDT電極24の洗浄をする際などに用いられる。
この構成によれば、パッケージ容器50により、擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振させるIDT電極24が水晶基板21の上側主面にあり、検出・測定対象の化学物質の飛散や曝露から保護されるので、IDT電極24の腐蝕や劣化、水晶基板21表面の汚染などを抑えることができる。これにより、腐食性を有する化学物質の検出・測定に適用可能で、検出・測定精度に優れ、高信頼性を有する弾性表面波センサ30を提供することができる。
The surface
According to this configuration, the
(変形例3)上記実施形態で説明した弾性表面波センサは、その一部をパッケージ容器に密閉させて収容することにより、特有な条件下での化学物質の検出・測定に利用することが可能となる。図4は、局所密閉型のパッケージタイプの弾性表面波センサの一例を概念的に説明する模式断面図である。 (Modification 3) The surface acoustic wave sensor described in the above embodiment can be used for detection and measurement of chemical substances under specific conditions by containing a part of the surface acoustic wave sensor sealed in a package container. It becomes. FIG. 4 is a schematic sectional view conceptually illustrating an example of a locally sealed package type surface acoustic wave sensor.
弾性表面波センサ40は、両主面にIDT電極34と感応膜37とをそれぞれ設けた水晶基板31と、弾性表面波センサ40の駆動・制御と検出・測定結果の記録を司るセンサ回路としての発振回路80とメモリ90と、密閉可能なキャビティを有するパッケージ容器70を有している。パッケージ容器70のキャビティ内には、水晶基板31上のIDT電極34と、発振回路80と、メモリ90が収納されてキャビティ内部が密閉状態に封止され、感応膜37はパッケージ容器70の外部に露出している。発振回路80とメモリ90は、図示しない回路配線によりIDT電極34と電気的に接続され回路が構成されている。
発振回路80によりIDT電極34に所定の高周波数信号電圧を印加すると、水晶基板31の表面に励振される擬似縦波型漏洩弾性表面波にともなって水晶基板31の厚み方向にバルク波が漏洩され、水晶基板31の厚み方向に定住波が発生し、下側主面にも振動が生じる。この定住波の、感応膜37が検出対象の化学物質を吸収するなどして生ずる周波数変化をIDT電極34により測定し、目的の化学物質を検出しまたはその物理特性を測定する。この測定結果は、メモリ90にデータとして記憶されるようになっている。
The surface
When a predetermined high frequency signal voltage is applied to the
この構成によれば、弾性表面波センサ40は感応膜37が外部に露出し、IDT電極34と発信回路80およびメモリ90がパッケージ容器70のキャビティ内に密閉状態で収容されている。これにより、感応膜以外の部分を検出・測定対象の物質から完全に遮断した状態で検出・測定対象の物質の検出・測定をすることができる。したがって、例えば検出・測定対象の化学物質の液中または気体の雰囲気中に、弾性表面波センサ40を投入して検出または測定作業を行うことができる。
According to this configuration, in the surface
1,11,21,31…水晶基板、2a,2b,12a,12b…交差指電極、4…励振用IDT電極、5…受信用IDT電極、14,24,34…IDT電極、7,17,27,37…感応膜、50,70…収納容器としてのパッケージ容器、80…駆動部または制御部としての発振回路、90…記録部としてのメモリ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記水晶基板の主面上に形成される擬似縦波型弾性表面波を励振するIDT電極と、
前記IDT電極が形成された前記主面の反対側の主面に、検出または測定の対象となる物質を認識する感応膜が形成されていることを特徴とする弾性表面波センサ。 A quartz substrate,
An IDT electrode for exciting a quasi-longitudinal wave type surface acoustic wave formed on the main surface of the quartz substrate;
A surface acoustic wave sensor characterized in that a sensitive film for recognizing a substance to be detected or measured is formed on a main surface opposite to the main surface on which the IDT electrode is formed.
前記IDT電極が、一組の交差指電極を有する1つのIDT電極からなることを特徴とする弾性表面波センサ。 The surface acoustic wave sensor according to claim 1,
2. The surface acoustic wave sensor according to claim 1, wherein the IDT electrode comprises one IDT electrode having a pair of cross finger electrodes.
平面視で前記擬似縦波型弾性表面波の伝搬方向に沿って前記IDT電極を挟むように配置される一組の反射器を備えることを特徴とする弾性表面波センサ。 The surface acoustic wave sensor according to claim 1,
A surface acoustic wave sensor comprising: a pair of reflectors disposed so as to sandwich the IDT electrode along a propagation direction of the pseudo longitudinal wave type surface acoustic wave in plan view.
前記水晶基板上の少なくとも前記IDT電極が収納容器で覆われ、前記感応膜の少なくとも一部が大気中に露出されることを特徴とする弾性表面波センサ。 The surface acoustic wave sensor according to any one of claims 1 to 3,
A surface acoustic wave sensor, wherein at least the IDT electrode on the quartz substrate is covered with a storage container, and at least a part of the sensitive film is exposed to the atmosphere.
前記IDT電極と、前記IDT電極を駆動・制御して前記検出または測定の対象となる物質の検出または測定を実施しその結果を記録する手段を備えた回路部が、前記収納容器内に密閉された状態で収納されていること特徴とする弾性表面波センサ。
The surface acoustic wave sensor according to claim 4,
The IDT electrode and a circuit unit having means for driving and controlling the IDT electrode to detect or measure the substance to be detected or measured and record the result are sealed in the storage container. A surface acoustic wave sensor characterized by being housed in a heated state.
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