JP2008544259A - 圧電薄膜共振器（ｆｂａｒ）に基づく気相化学センサ - Google Patents
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Abstract
ＦＢＡＲデバイスは、インタラクティブ層を蒸着することにより化学的に機能化されることができ、その結果、ターゲット化学物質が優先的に吸着される。このような小型化学センサは、無線ネットワーク技術と組み合わされてもよい。例えば、化学センサは、無線接続およびＧＰＳを備える携帯電話、ＰＤＡ、腕時計、または、自動車に一体化され得る。このようなデバイスは、広く行き渡っているので、全国的なセンサネットワークが設立され得る。したがって、全国の毒性マップがリアルタイムに作成され得る。地上に据えられたソースにより、または、物体を移動させることにより化学物質が放出されるかどうか、あるいは、爆発物または風などによって散布されるかどうかなどの詳細な化学物質情報を得ることもできる。
【選択図】なし
【選択図】なし
Description
本発明の実施形態は、圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）に関し、より詳しくは、化学センサとして用いられるようなデバイスに関する。
圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）技術は、最新の無線システムに多くの周波数成分を形成するための基礎として用いられ得る。例えば、ＦＢＡＲ技術は、フィルタ素子、発振器、共振器、および、他の周波数関連成分のホストを形成すべく用いられることができる。ＦＢＡＲは、表面弾性波（ＳＡＷ）および従来の水晶発振器技術のような他の共振器技術に勝る利点がある。特に、結晶発振器とは異なり、ＦＢＡＲデバイスは、チップに集積されて、一般的にＳＡＷデバイスより優れた電力処理特性を有し得る。
技術に付与される記述名ＦＢＡＲは、その一般的な主体を記載するのに役立つだろう。要するに、「膜」とは２つの電極間に挟まれる窒化アルミニウム（ＡＩＮ）などの圧電フィルムのことを指す。圧電フィルムは、機械的に振動する場合に電界を生ずるだけでなく、電界の存在する場合に機械的に振動する特性を有する。「バルクアコースティック」とは、大量のフィルムスタックの中で生成される音波のことを指す。ＳＡＷデバイスとは対照的に、音波は、圧電基板（またはフィルム）の表面上にある。
本願明細書中には、実施形態の完全なる理解を提供すべく、多数の具体的な詳細が記載されてよい。しかしながら、当業者であれば、これらの具体的な詳細がなくとも実施形態を実行できることは理解できるだろう。他の例においては、実施形態をあいまいにしないよう、既知の方法、手続き、構成要素、および、回路は、詳しく説明していない。本願明細書中に開示される特定の構造および機能的詳細は、代表的なものであって、実施形態の範囲を必ずしも限定しないと理解されたい。
図１は、独立型ＦＢＡＲデバイス１０の概略を示す。ＦＢＡＲデバイス１０は、シリコンなどの基板１２の水平面に形成され、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層１３を含んでよい。第１の金属層１４は、基板１２の上に配置され、該金属相１４の上に圧電層１６が配置される。圧電層１６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、または、他のいかなる圧電材料であってもよい。第２の金属層１８は、圧電層１４の上に配置される。第１の金属層１４は、第１の電極１４としての機能し、第２の金属層１８は、第２の電極１８として機能する。第１の電極１４、圧電層１６、および、第２の電極１８は、スタック２０を形成する。図に示すように、スタックは、例えば、約１．８μｍの厚みを有する。スタック２０の裏または下の基板１２の一部が裏面バルクシリコンエッチングを用いて除去されることにより、開口２２が形成され得る。裏面バルクシリコンエッチングは、ディープトレンチ反応性イオンエッチング、または、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、および、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）などの結晶異方性エッチングを用いて行われてよい。
結果として生じる構造は、第１の電極１４と、基板１２における開口２２の上に位置する第２の電極１６との間に挟まれた、水平に配置される圧電層１６である。要するに、ＦＢＡＲ１０は、水平基板１２における開口２２の上に懸架される膜デバイスを含む。
図２は、固着膜ＦＢＡＲを含むＦＢＡＲデバイスの他の実施形態を示す。この場合、基板１２は、二酸化ケイ素２１とタングステン（Ｗ）２３との交互層などの多層周期構造を含む。上記と同様に、第１の金属層１４が二酸化ケイ素層２１の上に配置され、該第１の金属層１４の上に圧電層１６が配置される。圧電層１６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、または、他のいかなる圧電材料であってもよい。第２の金属層１８は、圧電層１４の上に配置される。この場合もやはり、第１の金属層１４は、第１の電極１４としての機能し、第２の金属層１８は、第２の電極１８として機能する。周期構造の交互層２１および２３は、Ｚ方向の音波を反射するので、音波は、固着膜においてＦＢＡＲ共振周波数で効率的にトラップされる。
図３は、薄膜圧電共振器１０を含む電気回路３０の概略を示す。電気回路３０は、高周波（ＲＦ）電圧３２のソースを含む。ＲＦ電圧３２のソースは、電気経路３４により第１の電極１４に取り付けられ、第２の電気経路３６により第２の電極１８に取り付けられる。共振周波数のＲＦ電圧３２が印加されると、スタック全体は、Ｚ方向に自由に共振することができる。共振周波数は、膜厚、すなわち、図３では文字「ｄ」またはｄｉｍｅｎｓｉｏｎの「ｄ」で示される圧電層１６の厚みにより決定される。共振周波数は、以下の式により決定される。
ｆ０＝共振周波数
Ｖ＝圧電層の音速
ｄ＝圧電層の厚み
図１−３に記載される構造は、共振器、あるいは、フィルタのいずれかとして使用できることに留意されたい。ＦＢＡＲを形成すべく、ＺｎＯ、ＰＺＴ、および、ＡＩＮなどの圧電フィルム１６が活性物質として用いられてよい。これらのフィルムの、長手方向の圧電係数および音響損失係数などの物質特性は、共振器性能のパラメータである。性能係数は、Ｑ係数、挿入損失、および、電気的／機械的結合を含む。ＦＢＡＲを作製すべく、圧電フィルム１６は、例えば反応スパッタリングなどを用いて金属電極１４上に蒸着される。結果として生じたフィルムは、ｃ軸テクスチャ配向を有する多結晶である。言い換えれば、ｃ軸は、基板に対し垂直である。
図４は、ＦＢＡＲ４０が発振回路のフィードバックループ内の位相制御要素としてどのように用いられることができるかを示す単純回路である。図に示すように、回路は、増幅器４２、および、ＦＢＡＲ４０およびバラクタ４４などの任意の要素を含むフィードバックループを備える。
振動は、振動周波数における２つの状態を含む。まず、閉ループ位相シフトは、２ｎｐのはずであり、ｐは、位相、ｎは、整数である。ループ利得は、一以上でなければならない。発振器の安定性は、ループ位相遅れの安定性により決定される。さらに、ＦＢＡＲ４０の周波数特性は、無線通信用途には望ましくないかもしれない温度により影響される傾向にある。例えば、携帯電話用途では、動作温度仕様は、−３５度から＋８５度までであってよい。このように極端な温度変化には、例えば、携帯電話が置きっぱなしにされている締め切った自動車内で遭遇し得る。温度により誘発される周波数ドリフトにより、通過帯域ウィンドウは、一般的に、かなり大きく設計され、さもないと、それらは帯域をより急に遷移させることになるだろう。このような設計制約条件は、挿入損失を低下させ、製品歩留まりの減少を導くより厳しい処理要件を要求しがちである。
本発明の実施形態によれば、ＦＢＡＲ４０の表面は、インタラクティブ層を蒸着することにより化学的に機能化されることができ、その結果、ターゲット化学物質が優先的に吸着される。化学種が吸着されるとき、共振周波数は、質量負荷効果により減少する。吸着された化学物質に対するＦＢＡＲの感度は、非常に高くなり得る。これらの説明されたような小型化学センサは、無線ネットワーク技術と組み合わされてよい。例えば、化学センサは、無線接続およびＧＰＳを備えた携帯電話、ＰＤＡ、腕時計、または、自動車と一体化されることができる。このようなデバイスは、広く行き渡っているので、全国的なセンサネットワークが設立され得る。したがって、全国の毒性マップがリアルタイムに作成され得る。地上に据えられたソースにより、または、物体を移動させることにより化学物質が放出されるかどうか、あるいは、爆発物または風などによって散布されるかどうかなどの詳細な化学物質情報を得ることもできる。
図５は、圧電層１４を挟む下側電極１４と上側電極１８とを含む上述のＦＢＡＲスタックの側面断面図である。上側電極１８の上にインタラクティブ層５０が配置される。インタラクティブ層５０は、ターゲット化学物質が優先的に吸着または収集されるよう選択される。一旦組み立てられると、ＦＢＡＲは、共振周波数（ｆ）を有するようになる。
図６は、電極１４および１８と、インタラクティブ層５０と関係する大気から吸着または収集されるターゲット化学物質６０を伴う圧電層１６とを含む、図５に示されるものと同じスタックを示す。これは、ΔｆによりＦＢＡＲの共振周波数を減少させる傾向がある。
異なる材料は、大気中で検出されることを要求される特定化学物質を対象とするべくインタラクティブ層を含み得る。一般的に、各関心の検体（ターゲット化学蒸気）の完全なる選択的コーティングの合成または選択は難しく、多数の化学物質が含まれている場合は特に難しい。したがって、各検出器は、異なる感度塗布フィルムを有してよい。応答のクラスタ解析に基づくパターン認識との組み合わせにおいて、混合ガスそれぞれの固有のサインが認識できる。これは、例えば、Ｍ．Ｋ．バラー他によるカンチレバーアレイに基づく人工鼻、Ｕｌｔｒｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ８２（２０００）１−９に示されている。
上記したように、温度が変化すると、ＥＢＡＲの共振周波数も対応して変化する。この温度ドリフトは、正確な化学検出をする目的で考慮されなければならない。
図７に示すように、２つの同一のＦＢＡＲ共振器４０および５０が並べて配置されてよいが、共振器５０だけが参照用に他の共振器４０とは別に化学的インタラクティブ層５２を含むので、差分周波数変動が化学検出信号を生じさせる。この差分測定技術は、歩留まりを向上させることにおいても有効であろう。これは、膜厚変化による製造中のウェーハ全体、および、ウェーハからウェーハへのＦＢＡＲの共振周波数の変化が存在するからである。差分周波数変化を測定することにより、これらの処理変化が相殺され得る。共振器４０および５０の出力ｆ０およびｆ１は、コンバイナ７０で結合され、ローパスフィルタ７２を通過して差分出力信号７４が生成される。周波数カウンタ７６は、差分周波数信号７４をカウントする。周波数における変化は、ターゲット化学物質が存在し、インタラクティブ層５２によって吸着されていることを決定するのに用いられてよい。
図７に示す回路は、携帯電話、ＰＤＡなどの無線デバイス７８の一部であってよい。このような無線デバイスが消費者によって大きい地理的領域にわたり流通していることに伴い、多くのこのようなデバイスから収集されるデータが空気中の化学物質をモニタするのに用いられることができる。したがって、全国または地域の毒性マップをリアルタイムで作成することができる。地上に据えられたソースにより、または、物体を移動させることにより化学物質が放出されるかどうか、あるいは、爆発物または風などによって散布されるかどうかなどの詳細な化学物質情報を得ることもできる。
図８は、本発明のさらなる他の実施形態を示す。ＦＢＡＲ検出器アレイを含むこと以外は図７と同様である。多数のＦＢＡＲ４０、８０、８２、８４、および、８６は、同じシリコン上に集積されてよく、ＦＢＡＲ共振器８０、８２、８４、および、８６のそれぞれは、異なる化学種を検出するための異なる化学検出層８１、８３、８５、および、８７によりコーティングされてよい。残りのＦＢＡＲ共振器４０は、コーティングされないまま、再び参照用として機能できる。種は、いくつかの共振器に周波数をシフトさせることができ、相対的な周波数シフトの大きさは、種の固有のサインを提供できる。切り替えマルチプレクサ８９は、各共振器からの信号を順次集めるために用いられてよい。再び、これらの信号はコンバイナ７０で結合され、ローパスフィルタ７２を通過し、結果として生じた差分信号（ｆ０−ｆｎ）が周波数カウンタ７６でカウントされることにより、変化が検出される。特定の用途に対し、マルチプレクサは、ＦＢＡＲ８０、８２、８４、および、８６の選択されたサブセットからのデータを収集すべくプログラムされてよい。
図９は、図８に示されたものと類似する本発明のさらなる他の実施形態を示す。違いは、コーティングされたＦＢＡＲ共振器８０、８２、８４、および、８６からの信号ｆ１−Ｆ４が多重化されず、信号スプリッタ９０により分割されるコーティングされていないＦＢＡＲ４０からの基準信号ｆ０とコンバイナ７０で個別に結合されることである。この場合もやはり、結合信号のそれぞれは、個別のローパスフィルタ７２を通過し、結果として生じた差分信号が専用の周波数カウンタ７６によりカウントされることにより、ターゲット化学物質の存在を示す変化が検出される。
あるいは、表面弾性波（ＳＡＷ）またはカンチレバータイプの共振器が小型化学検出器として用いられてもよい。しかしながら、ＳＡＷの感度は、質量負荷によるその周波数シフトが二次的効果であるという事実により制限され、また、カンチレバー共振器（および機械的共振膜などのその派生物）は、空気制動を欠点として持ち、その結果Ｑおよび感度が低い。本願明細書に記載されるＦＢＡＲ共振器は、空気制動効果に対しては非常に敏感であるが、空気制動には反応しない。さらに、ＦＢＡＲは、挿入損失（ＩＬ）がＳＡＷより非常に小さい。また、ＦＢＡＲは、シリコン上に形成されるため、他のシリコン素子と簡単に一体化されることができる。
図１０は、例えば、化学センサが無線接続およびＧＰＳを備える携帯電話（ＰＤＡ）、腕時計、または、自動車と一体化され、そのようなデバイスが広く行き渡ってセンサネットワークが確立される場合を示す。したがって、全国的な毒性マップがリアルタイムで生成されることができる。図１０は、カリフォルニア州のように見える毒性マップ示す。例えば、様々な地理的領域で人々に使用される無線消費者向けデバイスは、化学的検出を中央施設に報告することにより、空気中で運ばれる様々な化学物質１００および２００の広がりをマップすることができる。地上に据えられたソースにより、または、物体を移動させることにより化学物質が放出されるかどうか、あるいは、爆発物または風などによって散布されるかどうかなどの詳細な化学物質情報を得ることもできる。
要約の記載を含む本発明の例示的実施形態の上記記載は、実施形態を網羅的に、あるいは開示される正確な形態に制限することを意図するものではない。本願明細書中に本発明の特定の実施形態および例が例示目的で記載されているが、様々な同等の修正が可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。これらの修正は、上記詳細な説明を考慮して本発明の実施形態に為され得る。
添付の請求項で用いられる用語は、本発明を明細書に開示される特定所実施形態に限定するよう解釈されるべきでない。むしろ、添付の請求項は、請求項解釈の確立された原理に従い解釈されるべきである。
Claims (19)
- 一の第１の第１の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）デバイスと、
一のターゲット化学物質選択層によりコーティングされる一の第２のＦＢＡＲデバイスと、
前記第１のＦＢＡＲデバイスおよび前記第２のＦＢＡＲデバイスの一の差分周波数出力を決定することにより、前記ターゲット化学物質の存在を決定する手段と、
を含む装置。 - 前記第１のＦＢＡＲデバイスおよび前記第２のＦＢＡＲデバイスは、それぞれ、
一の増幅器と、
前記増幅器の出力と入力との間に接続される一のＦＢＡＲを有する一のフィードバックループと、
を含む、請求項１に記載の装置。 - 前記ターゲット化学物質の存在を示すデータを一の遠隔地に送信することにより、一の領域の一の毒性マップを生成する一の無線デバイスをさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 一のターゲット化学物質選択層によりそれぞれコーティングされ、一の異なる化学物質を検出する複数の前記第２のＦＢＡＲデバイスをさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 前記第１のＦＢＡＲデバイスおよび前記第２のＦＢＡＲデバイスの一の差分周波数出力を決定するための前記手段は、
前記第１のＦＢＡＲデバイスおよび前記第２のＦＢＡＲデバイスから一の出力信号を受信することにより、一の結合信号を出力する一のコンバイナと、
前記結合信号を受信し、かつ、一の差分出力信号を出力する一のローパスフィルタと、
前記差分周波数を決定する一の周波数カウンタと、
を含む、請求項１に記載の装置。 - 前記第１のＦＢＡＲデバイスおよび前記第２のＦＢＡＲデバイスの一の差分周波数出力を決定するための前記手段は、
複数の前記第２のＦＢＡＲデバイスからの信号を多重化する一のマルチプレクサと、
前記第１のＦＢＡＲデバイスおよび前記マルチプレクサから一の出力信号を受信することにより、一の結合信号を出力する一のコンバイナと、
前記結合信号を受信し、かつ、一の差分出力信号を出力する一のローパスフィルタと、
前記差分周波数を決定する一の周波数カウンタと、
を含む、請求項１に記載の装置。 - 前記第１のＦＢＡＲデバイスおよび前記第２のＦＢＡＲデバイスの一の差分周波数出力を決定するための前記手段は、
前記第１のＦＢＡＲデバイスの前記出力を分割する一のスプリッタと、
前記スプリッタからの一の信号と、複数の前記第２のＦＢＡＲデバイスのそれぞれからの一の信号とをそれぞれ受信し、一の結合信号をそれぞれ出力する複数のコンバイナと、
前記コンバイナの１つにそれぞれ接続される複数のローパスフィルタと、
一の差分周波数をそれぞれ決定する複数の周波数カウンタと、
を含む請求項１に記載の装置。 - 方法であって、
一のＦＢＡＲ発振器における一の圧電薄膜共振器を一のターゲット化学物質選択層によりコーティングすることと、
前記コーティングされたＦＢＡＲ発振器と一の参照非コーティングＦＢＡＲ発振器との間の一の差分周波数を決定することと、
前記差分周波数から、前記ターゲット化学物質の存在を決定することと、
を含む方法。 - 前記ターゲット化学物質の存在を示す情報を一の遠隔地に送信する一の無線デバイスを用いることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
- 一の地理的領域に分散される消費者製品中に複数の無線デバイスを配置することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
- 前記遠隔地において記複数の無線デバイスからの情報を得ることと、
前記地理的領域の一の毒性マップを作成することと、
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。 - 異なる化学物質を対象とすべく、複数のＦＢＡＲ発振器における一の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）を一のターゲット化学物質選択層によりコーティングすることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
- 複数のＦＢＡＲ発振器から少なくとも１つを選択するよう一のマルチプレクサをプログラムすることを含む、請求項 に記載の方法。
- システムであって、
一のターゲット化学物質選択層によりコーティングされる一の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）をそれぞれ含む複数の無線デバイスと、
前記複数の無線デバイスの位置における一のターゲット化学物質の存在を示す前記複数の無線デバイスから情報を受信する一の遠隔レシーバ位置と、
を含むシステム。 - 前記情報は、一の毒性マップを生成するのに用いられる、請求項１４に記載のシステム。
- 前記複数の無線デバイスは、測位システムを含む、請求項１４に記載のシステム。
- 前記複数の無線デバイスは、携帯電話を含む、請求項１６に記載のシステム。
- 前記複数の無線デバイスは、パーソナル携帯情報機器を含む、請求項１６に記載のシステム。
- 前記複数の無線デバイスの少なくとも１つは、一の異なるターゲット化学物質選択層をそれぞれ含むＦＢＡＲデバイスアレイを含む、請求項１４に記載のシステム。
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