JP2009284375A

JP2009284375A - Oscillator

Info

Publication number: JP2009284375A
Application number: JP2008136231A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Kobayashi; 康展小林; Tsutomu Nakanishi; 努中西; Takashi Kawai; 孝士川井
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oscillator which is capable of surely detecting the deposition of minute substance or a viscosity change of liquid by enabling the oscillator to be oscillated, in a main oscillation mode having a fixed frequency and amplitude at all times, even if a power supply voltage or an ambient temperature is changed. <P>SOLUTION: The oscillator a substrate 11, a ground electrode 13 formed on a thin portion 12 of the substrate 11, a piezoelectric layer 14, formed on the ground electrode 13, and a drive electrode 15 and a detection electrode 16 formed on the piezoelectric layer 14. The drive electrode 15 is positioned approximately in the center of the thin portion 12 of the substrate 11, and the detection electrode 16 is positioned concentrically with the drive electrode 15. Furthermore, the length (r) from the center of the drive electrode 15 to its outer circumference and the width (w) of the detection electrode 16 are set, in such a manner that between charges, generated by a main oscillation mode and generated by an unwanted oscillation mode, to be generated in a portion of the piezoelectric layer 14, the charge generated by the unwanted oscillation mode can be canceled inside the detection electrode 16. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、増幅器等と組み合わせて発振回路を構成することにより、物質の質量、液体の粘度等を高精度に検出することができる振動子に関するものである。 The present invention relates to a vibrator that can detect a mass of a substance, a viscosity of a liquid, and the like with high accuracy by configuring an oscillation circuit in combination with an amplifier or the like.

振動子の周波数変化によって物理量を検出する装置としては図１１（ａ）（ｂ）、図１２に示すようなものが知られている（特許文献１参照）。図１１（ａ）（ｂ）は振動子の正面図および背面図を示す。図１１（ａ）（ｂ）において、Ｐは平板状の水晶振動子で、この水晶振動子Ｐの一面には第一の電極対Ｅ₁₁、Ｅ₁₂および第二の電極対Ｅ₂₁、Ｅ₂₂を形成し、それぞれ振動領域Ａ₁、Ａ₂を形成している。また、この水晶振動子Ｐの他面には背面電極Ｂ₁、Ｂ₂がそれぞれ第一の電極対Ｅ₁₁、Ｅ₁₂および第二の電極対Ｅ₂₁、Ｅ₂₂に対向して設けられている。図１２はこの振動子を用いたセンサ回路で、第一の電極対Ｅ₁₁、Ｅ₁₂にはＣＭＯＳインバータＶ₁、抵抗Ｒ₁および負荷容量Ｃ₁₁、Ｃ₁₂を接続して第一の発振回路ＯＳ₁を構成し、そして、第二の電極対Ｅ₂₁、Ｅ₂₂にはＣＭＯＳインバータＶ₂、抵抗Ｒ₂および負荷容量Ｃ₂₁、Ｃ₂₂を接続して第二の発振回路ＯＳ₂を構成している。ここで、前記背面電極Ｂ₁、Ｂ₂はいずれか一方を特定の検出対象に感応して電気抵抗が変化する材料で構成し、かつ他方を上記検出対象に感応しない材料で構成することにより、各振動領域の発振周波数の差から対象を検出することができるようにしている。 As an apparatus for detecting a physical quantity based on a change in the frequency of a vibrator, devices shown in FIGS. 11A and 11B and FIG. 12 are known (see Patent Document 1). 11A and 11B are a front view and a rear view of the vibrator. In FIGS. 11 (a) and 11 (b), P is a flat plate crystal resonator, and on one surface of the crystal resonator P, a first electrode pair E ₁₁ and E ₁₂ and a second electrode pair E ₂₁ and E _{22 are provided.} And vibration regions A ₁ and A ₂ are formed respectively. Further, back electrodes B ₁ and B ₂ are provided on the other surface of the crystal unit P so as to face the first electrode pair E ₁₁ and E ₁₂ and the second electrode pair E ₂₁ and E ₂₂ , respectively. . FIG. 12 shows a sensor circuit using this vibrator. A first inverter circuit is formed by connecting a CMOS inverter V ₁ , a resistor R _1, and load capacitors C ₁₁ and C ₁₂ to the first electrode pair E ₁₁ and E _12. The OS ₁ is configured, and the second electrode pair E ₂₁ and E ₂₂ is connected to the CMOS inverter V ₂ , the resistor R _2, and the load capacitors C ₂₁ and C ₂₂ to configure the second oscillation circuit OS _2. ing. Here, either _{one of} the back electrodes B ₁ and B ₂ is made of a material whose electrical resistance changes in response to a specific detection target, and the other is made of a material that does not respond to the detection target, The object can be detected from the difference in the oscillation frequency of each vibration region.

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術などの微細加工技術の進展により、きわめて小さく薄い機械振動子を作ることが可能になっている。この技術により振動子自体の質量を小さく構成することが可能になったことから、微小物質の付着等によっても周波数やインピーダンスが大きく変動する高精度の振動子が実現しつつある。このような振動子を用いれば、物質の質量、液体の粘度等を高精度に検出できるセンサが構成できることになる。 In recent years, with the progress of microfabrication technology such as MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, extremely small and thin mechanical vibrators can be made. Since this technique makes it possible to reduce the mass of the vibrator itself, high-precision vibrators in which the frequency and impedance greatly fluctuate due to adhesion of minute substances are being realized. If such a vibrator is used, a sensor capable of detecting the mass of the substance, the viscosity of the liquid, and the like with high accuracy can be configured.

本発明者らがこのＭＥＭＳ技術を用いて作製した振動子を図６、図７に示す。図６はＭＥＭＳ技術を用いて作製した振動子の斜視図、図７は図６のＡ−Ａ線断面図である。図６、図７に示すように、この振動子は基板１と、この基板１の薄肉部２上に形成した下地電極３と、この下地電極３の上に形成した圧電体層４と、この圧電体層４の上に形成した駆動電極５および検出電極６とを備え、そして前記駆動電極５は前記基板１の薄肉部２の略中央に位置させ、かつ前記検出電極６は前記駆動電極５と同心状に位置させている。 A vibrator produced by the present inventors using this MEMS technology is shown in FIGS. 6 is a perspective view of a vibrator manufactured using the MEMS technology, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. As shown in FIGS. 6 and 7, the vibrator includes a substrate 1, a base electrode 3 formed on the thin portion 2 of the substrate 1, a piezoelectric layer 4 formed on the base electrode 3, A drive electrode 5 and a detection electrode 6 formed on the piezoelectric layer 4 are provided, and the drive electrode 5 is positioned substantially at the center of the thin portion 2 of the substrate 1, and the detection electrode 6 is the drive electrode 5. And is located concentrically.

具体的には基板１として厚み３００μｍのシリコン基板を用い、そしてこの基板１の裏面をエッチングすることにより、厚み２０μｍ、半径１．５ｍｍの薄肉部２を形成した。その後、この薄肉部２上に半径２ｍｍの下地電極３を形成し、そしてこの下地電極３上に半径２ｍｍの圧電体層４を形成した。さらにこの圧電体層４上に、半径０．９５ｍｍの駆動電極５を形成するとともに、この駆動電極５の外側に位置して駆動電極５の外周と０．１５ｍｍの間隔を空けて幅０．５５ｍｍの検出電極６を形成した。 Specifically, a silicon substrate having a thickness of 300 μm was used as the substrate 1 and the back surface of the substrate 1 was etched to form a thin portion 2 having a thickness of 20 μm and a radius of 1.5 mm. Thereafter, a base electrode 3 having a radius of 2 mm was formed on the thin portion 2, and a piezoelectric layer 4 having a radius of 2 mm was formed on the base electrode 3. Further, a drive electrode 5 having a radius of 0.95 mm is formed on the piezoelectric layer 4, and a width of 0.55 mm is provided outside the drive electrode 5 and spaced from the outer periphery of the drive electrode 5 by a distance of 0.15 mm. The detection electrode 6 was formed.

図８は図６、図７に示す構成の振動子を用いたセンサ回路を示したもので、このセンサ回路は、駆動電極５と検出電極６との間に電流−電圧変換器７と増幅器８とを接続して構成しているものである。このセンサ回路は図７に示す振動子の基板１の薄肉部２に機械的負荷を与えない状態では略２８ｋＨｚで発振していることを確認した。ここで基板１の薄肉部２に微小物質が付着したり、この薄肉部２に接触させている液体の粘度が変化したりした場合は、このセンサ回路は発振周波数や発振振幅が大きく変化するため、高感度のセンサを実現することができるものである。 FIG. 8 shows a sensor circuit using the vibrator having the configuration shown in FIGS. 6 and 7. This sensor circuit has a current-voltage converter 7 and an amplifier 8 between the drive electrode 5 and the detection electrode 6. Are connected to each other. It was confirmed that this sensor circuit oscillated at about 28 kHz when no mechanical load was applied to the thin portion 2 of the substrate 1 of the vibrator shown in FIG. Here, when a minute substance adheres to the thin portion 2 of the substrate 1 or the viscosity of the liquid in contact with the thin portion 2 changes, the oscillation frequency and the oscillation amplitude of the sensor circuit greatly change. A highly sensitive sensor can be realized.

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特公平２−４５８０２号公報 As prior art document information relating to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
Japanese Examined Patent Publication No. 2-45802

上記図６、図７に示す構成の振動子を用いた図８に示すセンサ回路の動作を詳細に確認したところ、電源電圧や周囲温度が変化した際に略１０２ｋＨｚという高い周波数で発振するとともに発振振幅も大きく変化する場合があることが判明した。このように電源電圧や周囲温度の変化により発振周波数や発振振幅が安定せず大きく変動した場合、微小物質の付着や液体の粘度変化等を振動子により検出することが不可能になるという問題点を有していた。 The operation of the sensor circuit shown in FIG. 8 using the vibrator having the configuration shown in FIGS. 6 and 7 was confirmed in detail. When the power supply voltage or the ambient temperature changed, the sensor circuit oscillated at a high frequency of approximately 102 kHz. It has been found that the amplitude may change greatly. In this way, if the oscillation frequency or oscillation amplitude fluctuates greatly due to changes in the power supply voltage or ambient temperature, it becomes impossible to detect adhesion of minute substances, liquid viscosity changes, etc. with the vibrator. Had.

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができ、これにより、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and can oscillate in a main vibration mode having a constant frequency and amplitude even when the power supply voltage and the ambient temperature change. It is an object of the present invention to provide a vibrator capable of reliably detecting a change in viscosity of a liquid or the like.

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.

本発明の請求項１に記載の発明は、一部に薄肉部が形成された基板と、この基板の薄肉部上に形成した下地電極と、この下地電極の上に形成した圧電体層と、この圧電体層の上に形成した駆動電極および検出電極とを備え、前記駆動電極は前記基板の薄肉部の略中央に位置させ、かつ前記検出電極は前記駆動電極と同心状に位置させ、さらに前記圧電体層の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記検出電極内でキャンセルされるように前記駆動電極の中心から外周までの長さと前記検出電極の幅を設定したもので、この構成によれば、基板の薄肉部上に位置する下地電極の上に形成した圧電体層の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と、不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記圧電体層の上に形成した検出電極内でキャンセルされるように前記圧電体層の上に形成した駆動電極の中心から外周までの長さと前記検出電極の幅を設定しているため、振動子の不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができ、これにより、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することができるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 1 of the present invention includes a substrate in which a thin portion is formed in part, a base electrode formed on the thin portion of the substrate, a piezoelectric layer formed on the base electrode, A drive electrode and a detection electrode formed on the piezoelectric layer, wherein the drive electrode is positioned substantially in the center of the thin portion of the substrate, and the detection electrode is positioned concentrically with the drive electrode; Among the charges generated by the main vibration mode generated in the piezoelectric layer portion and the charges generated by the unnecessary vibration mode, the center of the drive electrode is canceled so that the charge generated by the unnecessary vibration mode is canceled in the detection electrode. To the outer circumference and the width of the detection electrode. According to this configuration, the main vibration mode generated in the portion of the piezoelectric layer formed on the base electrode located on the thin portion of the substrate Electricity generated Of the drive electrode formed on the piezoelectric layer so that the charge generated by the unnecessary vibration mode among the charges generated by the unnecessary vibration mode is canceled in the detection electrode formed on the piezoelectric layer. Since the length from the center to the outer periphery and the width of the detection electrode are set, the unnecessary response due to the unnecessary vibration mode of the vibrator can be suppressed to a very low level. Even if the ambient temperature changes, it is possible to oscillate in the main vibration mode having a constant frequency and amplitude at all times. Therefore, it is possible to provide a vibrator that can reliably detect adhesion of minute substances, changes in liquid viscosity, and the like. It has the effect of being able to.

以上のように本発明の振動子は、基板の薄肉部上に位置する下地電極の上に形成した圧電体層の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と、不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記圧電体層の上に形成した検出電極内でキャンセルされるように前記圧電体層の上に形成した駆動電極の中心から外周までの長さと前記検出電極の幅を設定しているため、振動子の不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができ、これにより、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することができるという優れた効果を奏するものである。 As described above, the vibrator according to the present invention has a charge generated by the main vibration mode generated in the piezoelectric layer formed on the base electrode located on the thin portion of the substrate and a charge generated by the unnecessary vibration mode. The length from the center to the outer periphery of the drive electrode formed on the piezoelectric layer and the detection so that the charge generated by the unnecessary vibration mode is canceled in the detection electrode formed on the piezoelectric layer. Since the width of the electrode is set, unnecessary response due to the unnecessary vibration mode of the vibrator can be suppressed to a very small level, so that even if the power supply voltage or the ambient temperature changes in the sensor circuit using this vibrator, Since it can be oscillated in the main vibration mode having a constant frequency and amplitude at all times, it is possible to provide a vibrator capable of reliably detecting adhesion of minute substances, change in viscosity of liquid, and the like. Was one in which the effect.

本発明者らは図６、図７に示す構成の振動子を用いた図８に示すセンサ回路で発生した問題点の原因を究明するために、振動子の周波数応答特性の測定と振動解析シミュレーションを実施した。 In order to investigate the cause of the problem that occurred in the sensor circuit shown in FIG. 8 using the vibrator having the configuration shown in FIGS. 6 and 7, the present inventors measured the frequency response characteristics of the vibrator and performed vibration analysis simulation. Carried out.

図９は図６、図７に示す構成の振動子の周波数応答を示すデータである。このデータは駆動電極５に一定振幅の周波数掃引信号（Ｖｉｎ）を入力した時に、検出電極６に現れる出力信号（Ｖｏｕｔ）を測定し、横軸に周波数をｋＨｚで表し、縦軸に利得（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）をｄＢで表したものである。このデータから、振動子を用いたセンサ回路が電源電圧や周囲温度が変化した際に略１０２ｋＨｚという高い周波数で発振するとともに発振振幅も大きく変化するのは、この振動子が２８ｋＨｚの主振動モードによる主応答以外に１０２ｋＨｚに不要振動モードによる不要応答を持つためであることが分かった。図１０（ａ）（ｂ）は図６、図７に示す構成の振動子の不要振動モードの変位分布と圧電体層に発生する電荷分布とを振動解析シミュレーションを行って求めたものである。そして、この図１０（ａ）（ｂ）は振動子における駆動電極の中心を原点とし、横軸を原点からの径方向の距離、縦軸を垂直方向の変位および圧電体層に発生する電荷として示したものである。また、この図１０（ａ）（ｂ）から明らかなように、振動子の不要振動モードは、駆動電極の中心と端部近傍とに腹を持つ中心対称の変位を持つとともに、検出電極に正味の電荷（斜線部）を発生させていることが分かった。本発明者らは検出電極に正味の電荷を発生させないような電極構成をとることにより、不要振動モードによる不要応答を低減することができると考えた。 FIG. 9 shows data indicating the frequency response of the vibrator configured as shown in FIGS. This data is obtained by measuring the output signal (Vout) appearing at the detection electrode 6 when a frequency sweep signal (Vin) having a constant amplitude is inputted to the drive electrode 5, the horizontal axis representing the frequency in kHz, and the vertical axis representing the gain (Vout). / Vin) is expressed in dB. From this data, when the sensor circuit using the vibrator oscillates at a high frequency of approximately 102 kHz when the power supply voltage or the ambient temperature changes, the oscillation amplitude also changes greatly due to the main vibration mode of 28 kHz. It was found that this was due to an unnecessary response in the unnecessary vibration mode at 102 kHz in addition to the main response. FIGS. 10A and 10B are obtained by performing vibration analysis simulation on the displacement distribution of the unnecessary vibration mode of the vibrator having the configuration shown in FIGS. 6 and 7 and the charge distribution generated in the piezoelectric layer. 10A and 10B, the center of the drive electrode in the vibrator is the origin, the horizontal axis is the radial distance from the origin, the vertical axis is the vertical displacement and the charge generated in the piezoelectric layer. It is shown. Further, as is apparent from FIGS. 10A and 10B, the unnecessary vibration mode of the vibrator has a center-symmetric displacement having an antinode at the center and the vicinity of the end of the drive electrode, and is net on the detection electrode. It was found that the electric charge (shaded part) was generated. The inventors of the present invention have considered that an unnecessary response due to an unnecessary vibration mode can be reduced by adopting an electrode configuration that does not generate a net charge on the detection electrode.

以下、本発明の一実施の形態における振動子について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a vibrator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明の一実施の形態における振動子の斜視図、図２は図１のＢ−Ｂ線断面図である。 FIG. 1 is a perspective view of a vibrator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line BB in FIG.

本発明の一実施の形態における振動子は、図１、図２に示すように、基板１１と、この基板１１の薄肉部１２上に形成した下地電極１３と、この下地電極１３の上に形成した圧電体層１４と、この圧電体層１４の上に形成した駆動電極１５および検出電極１６とを備え、そして前記駆動電極１５は前記基板１１の薄肉部１２の略中央に位置させ、かつ前記検出電極１６は前記駆動電極１５と同心状に位置させている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the vibrator according to one embodiment of the present invention is formed on a substrate 11, a base electrode 13 formed on the thin portion 12 of the substrate 11, and the base electrode 13. And a drive electrode 15 and a detection electrode 16 formed on the piezoelectric layer 14, and the drive electrode 15 is positioned substantially at the center of the thin portion 12 of the substrate 11, and The detection electrode 16 is positioned concentrically with the drive electrode 15.

具体的には基板１１として表面に酸化シリコン層を有する厚み３００μｍのシリコン基板を用い、そしてこの基板１１の裏面をフォトリソ工法を用いてウェットエッチングすることにより、厚み２０μｍ、半径１．５ｍｍの円形状の薄肉部１２を形成した。その後、この薄肉部１２上にＴｉ層とこのＴｉ層の上に積層したＰｔ−Ｔｉ層からなる半径２ｍｍの円形状の下地電極１３を形成し、そしてこの下地電極１３の上に、チタン酸鉛を主成分とする配向制御層とこの配向制御層の上に積層したチタン酸ジルコン酸鉛からなるＰＺＴ層とにより構成される半径２ｍｍの円形状の圧電体層１４を形成した。さらにこの圧電体層１４の上に、Ｔｉ層とこのＴｉ層の上に積層したＡｕ層からなる半径０．８ｍｍの円形状の駆動電極１５を形成するとともに、この駆動電極１５の外側に位置して駆動電極１５の外周と０．１５ｍｍの間隔を空けてＴｉ層とこのＴｉ層の上に積層したＡｕ層からなる幅０．７ｍｍの円形状の検出電極１６を形成した。 Specifically, a 300 μm thick silicon substrate having a silicon oxide layer on the surface is used as the substrate 11, and the back surface of this substrate 11 is wet-etched using a photolithographic method, thereby forming a circular shape having a thickness of 20 μm and a radius of 1.5 mm. The thin-walled portion 12 was formed. Thereafter, a circular base electrode 13 having a radius of 2 mm made of a Ti layer and a Pt—Ti layer laminated on the Ti layer is formed on the thin portion 12, and lead titanate is formed on the base electrode 13. A circular piezoelectric layer 14 having a radius of 2 mm, which is composed of an orientation control layer mainly composed of PZT and a PZT layer made of lead zirconate titanate laminated on the orientation control layer, was formed. Further, on the piezoelectric layer 14, a circular drive electrode 15 having a radius of 0.8 mm made of a Ti layer and an Au layer laminated on the Ti layer is formed and positioned outside the drive electrode 15. Thus, a circular detection electrode 16 having a width of 0.7 mm made of a Ti layer and an Au layer laminated on the Ti layer was formed at an interval of 0.15 mm from the outer periphery of the drive electrode 15.

上記図１、図２に示す構成の振動子の駆動電極１５と検出電極１６の寸法は振動解析シミュレーションを行って決定した。図４（ａ）（ｂ）は図１、図２に示す構成の振動子の不要振動モードの変位分布と圧電体層に発生する電荷分布とを振動解析シミュレーションを行って求めたものである。この図４（ａ）（ｂ）から明らかなように、振動子の不要振動モードは、駆動電極１５の中心と、駆動電極１５と検出電極１６との間隙近傍とに腹を持つ中心対称の変位を持つとともに、不要振動モードにより発生する電荷が検出電極１６内でキャンセルされることが分かる。 The dimensions of the drive electrode 15 and the detection electrode 16 of the vibrator configured as shown in FIGS. 1 and 2 were determined by performing a vibration analysis simulation. FIGS. 4A and 4B are obtained by performing vibration analysis simulation on the displacement distribution of the unnecessary vibration mode of the vibrator having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 and the charge distribution generated in the piezoelectric layer. As is apparent from FIGS. 4A and 4B, the unnecessary vibration mode of the vibrator is a center-symmetric displacement having an antinode at the center of the drive electrode 15 and in the vicinity of the gap between the drive electrode 15 and the detection electrode 16. It can be seen that the charge generated by the unnecessary vibration mode is canceled in the detection electrode 16.

図５は図１、図２に示す構成の振動子の周波数応答を示すデータである。このデータは駆動電極１５に一定振幅の周波数掃引信号（Ｖｉｎ）を入力した時に、検出電極１６に現れる出力信号（Ｖｏｕｔ）を測定し、横軸に周波数をｋＨｚで表し、縦軸に利得（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）をｄＢで表したものである。図５において、実線は図１、図２に示す構成の振動子の周波数応答データであり、破線は比較のために再録した図６、図７に示す構成の振動子の周波数応答データである。このデータからも明らかなように、略１０２ｋＨｚに発生していた不要振動モードによる不要応答がきわめて小さくなっていることが分かる。 FIG. 5 shows data indicating the frequency response of the vibrator having the configuration shown in FIGS. This data is obtained by measuring the output signal (Vout) appearing at the detection electrode 16 when a frequency sweep signal (Vin) having a constant amplitude is inputted to the drive electrode 15, the horizontal axis representing the frequency in kHz, and the vertical axis representing the gain (Vout). / Vin) is expressed in dB. In FIG. 5, the solid line is the frequency response data of the vibrator having the configuration shown in FIGS. 1 and 2, and the broken line is the frequency response data of the vibrator having the configuration shown in FIGS. 6 and 7 reproduced for comparison. . As is clear from this data, it can be seen that the unnecessary response due to the unnecessary vibration mode generated at approximately 102 kHz is extremely small.

図３は図１、図２に示す構成の振動子を用いたセンサ回路を示したもので、このセンサ回路は、駆動電極１５と検出電極１６との間に電流−電圧変換器１７と増幅器１８とを接続して構成したものである。このセンサ回路は図２に示す振動子の基板１１の薄肉部１２に機械的負荷を与えない状態では略２８ｋＨｚで発振しているため、電源電圧や周囲温度が変化しても常に一定の周波数と振幅で発振を行わせることができるものである。そして、この振動子の基板１１の薄肉部１２に微小物質が付着したり、この薄肉部１２に接触させている液体の粘度が変化したりした場合は、このセンサ回路は発振周波数や発振振幅が大きく変化するため、高感度のセンサを実現することができるものである。 FIG. 3 shows a sensor circuit using the vibrator having the configuration shown in FIGS. 1 and 2, and this sensor circuit has a current-voltage converter 17 and an amplifier 18 between the drive electrode 15 and the detection electrode 16. Are connected to each other. Since this sensor circuit oscillates at about 28 kHz in a state where no mechanical load is applied to the thin portion 12 of the substrate 11 of the vibrator shown in FIG. 2, it always has a constant frequency even if the power supply voltage or the ambient temperature changes. Oscillation can be performed with amplitude. When a minute substance adheres to the thin portion 12 of the substrate 11 of the vibrator or the viscosity of the liquid in contact with the thin portion 12 changes, the sensor circuit has an oscillation frequency or an oscillation amplitude. Since it changes greatly, a highly sensitive sensor can be realized.

上記した図１、図２に示す構成の本発明の一実施の形態における振動子においては、薄肉部１２の半径Ｒを変更した場合に、圧電体層１４の上に形成された駆動電極１５の半径ｒ、すなわち駆動電極１５の中心から外周までの長さｒと、この駆動電極１５の外側に位置して駆動電極１５の外周と０．１５ｍｍの間隔を空けて形成された検出電極１６の幅ｗを設定したもので、すなわち、本発明の一実施の形態においては、薄肉部１２の半径Ｒが０．７ｍｍの時、駆動電極１５の半径ｒ、すなわち駆動電極１５の中心から外周までの長さｒと、検出電極１６の幅ｗを各々０．３ｍｍ、０．４ｍｍとした。このようにすれば、不要振動モードによる不要応答が有効に低減されることを確認することができた。また、薄肉部１２の半径Ｒが１．０ｍｍの時は、駆動電極１５の半径ｒ、すなわち駆動電極１５の中心から外周までの長さｒの半径ｒと、検出電極１６の幅ｗを各々０．５ｍｍ、０．５ｍｍとした。このようにした場合でも、不要振動モードによる不要応答が有効に低減されることを確認できた。 In the vibrator according to the embodiment of the present invention having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 described above, the drive electrode 15 formed on the piezoelectric layer 14 is changed when the radius R of the thin portion 12 is changed. The radius r, that is, the length r from the center of the drive electrode 15 to the outer periphery, and the width of the detection electrode 16 formed outside the drive electrode 15 and spaced from the outer periphery of the drive electrode 15 by 0.15 mm. In other words, in one embodiment of the present invention, when the radius R of the thin wall portion 12 is 0.7 mm, the radius r of the drive electrode 15, that is, the length from the center of the drive electrode 15 to the outer periphery. The thickness r and the width w of the detection electrode 16 were set to 0.3 mm and 0.4 mm, respectively. In this way, it was confirmed that the unnecessary response due to the unnecessary vibration mode was effectively reduced. When the radius R of the thin portion 12 is 1.0 mm, the radius r of the drive electrode 15, that is, the radius r of the length r from the center to the outer periphery of the drive electrode 15 and the width w of the detection electrode 16 are each 0. 0.5 mm and 0.5 mm. Even in this case, it was confirmed that the unnecessary response due to the unnecessary vibration mode was effectively reduced.

上記したように本発明の一実施の形態においては、一部に薄肉部１２が形成された基板１１と、この基板１１の薄肉部１２上に形成した下地電極１３と、この下地電極１３の上に形成した圧電体層１４と、この圧電体層１４の上に形成した駆動電極１５および検出電極１６とを備え、前記駆動電極１５は前記基板１１の薄肉部１２の略中央に位置させ、かつ前記検出電極１６は前記駆動電極１５と同心状に位置させ、さらに前記圧電体層１４の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記検出電極１６内でキャンセルされるように前記駆動電極１５の中心から外周までの長さと前記検出電極１６の幅を設定しているため、振動子の不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができ、これにより、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することができるという効果を有するものである。 As described above, in one embodiment of the present invention, the substrate 11 partially formed with the thin portion 12, the base electrode 13 formed on the thin portion 12 of the substrate 11, and the base electrode 13 And a drive electrode 15 and a detection electrode 16 formed on the piezoelectric layer 14, the drive electrode 15 being positioned substantially at the center of the thin portion 12 of the substrate 11, and The detection electrode 16 is positioned concentrically with the drive electrode 15 and is generated by an unnecessary vibration mode among charges generated by the main vibration mode generated in the piezoelectric layer 14 and unnecessary vibration mode. Since the length from the center to the outer periphery of the drive electrode 15 and the width of the detection electrode 16 are set so that the electric charge to be canceled in the detection electrode 16, the vibration mode of the vibrator is changed to an unnecessary vibration mode. Therefore, even if the power supply voltage or the ambient temperature changes, the sensor circuit using this vibrator can always oscillate in the main vibration mode having a constant frequency and amplitude. Therefore, there is an effect that it is possible to provide a vibrator that can reliably detect adhesion of a minute substance, a change in viscosity of a liquid, and the like.

なお、上記本発明の一実施の形態においては、駆動電極１５を円形状に構成したものについて説明したが、この駆動電極１５の形状は矩形状、あるいは多角形状等に構成しても良いものである。 In the above embodiment of the present invention, the drive electrode 15 having a circular shape has been described. However, the drive electrode 15 may have a rectangular shape, a polygonal shape, or the like. is there.

本発明に係る振動子は、不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができるという効果を有するものであり、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、特に、微小物質の付着や液体の粘度変化等を高精度に検出するセンサに適用して有用となるものである。 The vibrator according to the present invention has an effect that the unnecessary response due to the unnecessary vibration mode can be suppressed to be extremely small, and the sensor circuit using this vibrator always has a power supply voltage and an ambient temperature change. Since it can be oscillated in a main vibration mode having a constant frequency and amplitude, it is particularly useful when applied to a sensor that detects adhesion of minute substances, changes in viscosity of liquids, and the like with high accuracy.

本発明の一実施の形態における振動子の斜視図The perspective view of the vibrator in one embodiment of the present invention 図１のＢ−Ｂ線断面図BB sectional view of FIG. 同振動子を用いたセンサ回路を示す回路図Circuit diagram showing a sensor circuit using the same vibrator （ａ）（ｂ）同振動子の変位分布と電荷分布を示す図(A) (b) The figure which shows the displacement distribution and electric charge distribution of the vibrator 同振動子の周波数応答を示す図Diagram showing frequency response of the same oscillator ＭＥＭＳ技術を用いて作製した振動子の斜視図Perspective view of a vibrator fabricated using MEMS technology 図６のＡ−Ａ線断面図AA line sectional view of FIG. 同振動子を用いたセンサ回路を示す回路図Circuit diagram showing a sensor circuit using the same vibrator 同振動子の周波数応答を示す図Diagram showing frequency response of the same oscillator （ａ）（ｂ）同振動子の変位分布と電荷分布を示す図(A) (b) The figure which shows the displacement distribution and electric charge distribution of the vibrator （ａ）（ｂ）従来の振動子の正面および背面図(A) (b) Front and back views of a conventional vibrator 同振動子を用いたセンサ回路を示す回路図Circuit diagram showing a sensor circuit using the same vibrator

Explanation of symbols

１１基板
１２薄肉部
１３下地電極
１４圧電体層
１５駆動電極
１６検出電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Thin part 13 Base electrode 14 Piezoelectric layer 15 Drive electrode 16 Detection electrode

Claims

A substrate having a thin portion formed thereon, a base electrode formed on the thin portion of the substrate, a piezoelectric layer formed on the base electrode, a drive electrode formed on the piezoelectric layer, and A main vibration mode generated at a portion of the piezoelectric layer, wherein the drive electrode is positioned substantially at the center of the thin portion of the substrate, and the detection electrode is positioned concentrically with the drive electrode. The length from the center of the drive electrode to the outer periphery and the width of the detection electrode are set so that the charge generated by the unnecessary vibration mode is canceled in the detection electrode. The set oscillator.