JP2011232231A - 表面弾性波センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化や、溶液の比重・粘性などの外乱要素の影響を抑制し、高い精度により溶液の電気的特性・力学的特性の測定を行う表面弾性波センサ装置を提供する。
【解決手段】本発明の表面弾性波センサ装置は、基準信号を入力し、溶液の比重及び粘性を含む力学的特性で基準信号が変化した第１の測定信号を出力する第１の表面弾性波センサ素子と、溶液の測定対象の特性により影響を受ける形状に構成されており、力学的な特性と測定対象の特性とにより基準信号が変化した第２の測定信号を出力する第２の表面弾性波センサ素子とを有し、第１及び第２の表面弾性波センサ素子の基準信号を伝搬させる方向の長さが、第１及び第２の表面弾性波素子のセンサ面の構造に起因する誤差の差分に対応する長さ分異なって形成され、第１及び第２の測定信号の振幅比及び位相差から、溶液の特性を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面弾性波構成素子を有する表面弾性波センサ装置に関する。

一般に、表面弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられた櫛歯状電極指からなる入力電極及び出力電極を備えている。表面弾性波素子では、入力電極に電気信号が入力されると、電極指間に電界が発生し、圧電効果により表面弾性波が励振され、圧電基板上を伝搬していく。この表面弾性波のうち、伝搬方向と直交する方向に変位するすべり表面弾性波（SH-SAW:Shear horizontal Surface Acoustic Wave）を利用する表面弾性波素子を用いた各種物質の検出や物性値等の測定を行うための弾性波センサが研究されている（特許文献１、非特許文献１参照）。

弾性波センサは、図４に示す２つの表面弾性波センサ素子からなる構成であり、圧電基板上に置かれた測定対象である液体状の被測定物と接触するセンサ領域が開口部によって電気的に開放されている場合（表面弾性波センサ素子１００）と、短絡されている場合（表面弾性波センサ素子２００）とでは、出力電極から出力される出力信号の特性に差異があることを利用している。すなわち、圧電基板上のセンサ領域が開放されている場合の出力信号は、物理的相互作用（電気的相互作用及び力学的相互作用）を受けており、圧電基板上のセンサ領域が短絡されている場合の出力信号は、力学的相互作用のみを受けている。従って、両出力信号から力学的相互作用を相殺し、電気的相互作用を抽出することにより、被測定物の比誘電率や導電率を求めることができる。

特許第３４８１２９８号公報

羽藤逸文他２名、「ＳＡＷ発振器一体型ＳＡＷセンサシステムの開発」、信学技報、電子情報通信学会、２００３年２月

しかしながら、上述した電気的に開放されている開放伝搬路を有する表面弾性波センサ素子と、電気的に開放されていない、すなわち短絡されている短絡伝搬路を有する表面弾性波センサ素子とにおける温度特性が異なる。
例えば、図５は、メタノールを測定対象とした場合の、開放伝搬路を有する表面弾性波素子と短絡伝搬路を有する表面弾性波素子とにおける、シミュレーションにより求めた表面弾性波の伝搬速度（縦軸）と、温度（横軸）との対応関係を示している。
図５は、センサ面には空気が触れている状態において、求められた数値である。この図５においては、２０℃における表面弾性波の伝搬速度を基準にして変化を測定している。

また、図６は、メタノールを測定対象とした場合の、開放伝搬路を有する表面弾性波センサ素子と短絡伝搬路を有する表面弾性波センサ素子とにおける、実験から得られた表面弾性波の伝搬速度（縦軸）と、温度（横軸）との対応関係を示している。
この図６において、□は開放伝搬路を有する表面弾性波センサ素子の伝搬速度の水の温度に対する比誘電率変化による特性変化の理論値を示し、○は開放伝搬路を有する表面弾性波センサ素子の伝搬速度の温度特性の実験値を示し、△は短絡伝搬路を有する表面弾性波素子の伝搬速度の温度特性と水の温度に対する比誘電率変化による特性変化の実験値を示し、×は開放伝搬路を有する表面弾性波センサ素子の伝搬速度の□と○との差分であり温度特性による変化を示している。
図６は、センサ面には水が触れている状態において、求められた数値である。この図６においては、２０℃における表面弾性波の伝搬速度を基準にして変化を測定している。

図５及び図６からも判るように、開放伝搬路を有する表面弾性波センサ素子に対し、短絡伝搬路を有する表面弾性波センサ素子の方の温度に対する速度変化が小さい。
例えば、図５のミュレーション結果から見ると、温度が１℃変化するに従い、開放伝搬路では−４１．２ｐｐｍの速度変化を生じ、短絡伝搬路では−３６．８ｐｐｍの速度変化を生じている。このため、温度が１℃変化する毎に５ｐｐｍずつセンサの感度差が生じることになり、温度変化による電気的特性（導電率、比誘電率）あるいは力学的特性（密度、粘性）の測定における誤差が発生することになる。
また、測定物質の比重が高い場合にも、開放伝搬路と短絡伝搬路との受ける力学的な影響が異なり、温度変化による電気的特性あるいは力学的特性の測定における誤差が発生することになる。

本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、センサを形成する圧電基板の温度変化や、被測定対象である溶液の比重あるいは粘性などが高いなどの外乱要素の影響を抑制し、高い精度により被測定対象である溶液の電気的特性あるいは力学的特性の測定を行うことができる表面弾性波センサ装置を提供することを目的とする。

本発明の表面弾性波センサ装置は、基準信号を入力し、センサ表面に接触している溶液における比重及び粘性を含む力学的な特性により前記基準信号が変化した第１の測定信号を出力する第１の表面弾性波センサ素子と、前記基準信号を入力し、前記溶液に接触するセンサ面が当該溶液における測定対象の特性により影響を受ける形状に構成されており、前記力学的な特性と前記測定対象の特性により前記基準信号が変化した第２の測定信号を出力する第２の表面弾性波センサ素子とを有し、前記第１の表面弾性波センサ素子と前記第２の表面弾性波センサ素子との前記基準信号を伝搬させる方向の長さが、当該第１の表面弾性波センサ素子と第２の表面弾性波素子とにおける前記センサ面の構造に起因する誤差の差分に対応する長さ分異なって形成され、前記第１の測定信号及び前記第２の測定信号における振幅比及び位相差とから、前記測定対象の特性を検出することを特徴とする。

本発明の表面弾性波センサ装置は、前記第１の表面弾性波線センサ素子が検出面が導電膜に覆われたセンサ面を有し、前記第２の表面弾性波線センサ素子が検出面が開放されたセンサ面を有し、前記第１の表面弾性波センサ素子と、前記第２の表面弾性波センサ素子との各々の前記基準信号の伝搬方向の長さが、温度特性による前記基準信号の伝搬速度の変化が同一となるように形成されていることを特徴とする。

本発明の表面弾性波センサ装置は、前記第１の表面弾性波センサ素子及び前記第２の表面弾性波センサ素子がＬｉＴａ３の基板上に生成され、前記溶液が前記導電膜に覆われたセンサ面と、前記開放されたセンサ面との双方に対して与える前記力学的な特性の影響の差が測定誤差に対して少ないことを特徴とする。

本発明の表面弾性波センサ装置は、前記第１の表面弾性波線センサ素子が検出面が導電膜に覆われたセンサ面を有し、前記第２の表面弾性波線センサ素子が検出面が開放されたセンサ面を有し、当該基準信号が伝搬する方向に、長尺方向が垂直になるよう矩形状の導電膜が検出部上に並列に配列されたセンサ面を有し、前記第１の表面弾性波センサ素子及び前記第２の表面弾性波素子と前記基準信号が伝搬する方向の長さが異なり、前記基準信号を入力し、前記力学的な特性と前記測定対象の特性により前記基準信号が変化した第２の測定信号を出力する第３の表面弾性波素子をさらに有することを特徴とする。

本発明の表面弾性波センサ装置は、前記第１表面弾性波センサ素子から出力される第１の測定信号と、前記第２表面弾性波センサ素子から出力される第２の測定信号とにおけるの振幅比及び位相差から、または、前記第１表面弾性波センサ素子から出力される第１の測定信号と、前記第３表面弾性波センサ素子から出力されるから出力される第３の測定信号とにおける振幅比及び位相差から、前記測定対象の特性を検出することを特徴とする。

この本発明によれば、センサを形成する圧電基板の温度変化や、被測定対象である溶液の比重あるいは粘性などが高いなどの外乱要素の影響を、２チャンネルの表面弾性波センサ素子の弾性波の伝搬方向の長さを制御することにより、それぞれのセンサの外乱の変化による伝搬する弾性波の速度変化の変化を同様の制御することにより、被測定対象における特性の変化による速度変化のそれぞれのセンサの差分を高精度に検出することができ、高い精度により被測定対象である溶液の電気的特性あるいは力学的特性の測定を行うことができる。

本発明の第１の実施形態による表面弾性波センサ装置の構成例を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態における他の形態の表面弾性波センサ装置の構成例を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態による表面弾性波センサ装置の構成例を示す概念図である。 従来の表面弾性波センサ装置における第１表面弾性波センサ素子（短絡伝搬路を有する）及び第２表面弾性波センサ素子（開放伝搬路を有する）を説明する図である。 ＬｉＴａＯ_３を基板材料とした場合に、シミュレーションから得られた第１表面弾性波センサ素子と第２表面弾性波センサ素子とにおける温度と速度変化との対応を示す図である。 ＬｉＴａＯ_３を基板材料とした場合に、実測により得られた第１表面弾性波センサ素子と第２表面弾性波センサ素子とにおける温度と速度変化との対応を示す図である。

本発明の表面弾性波センサ装置は、複数設けられた表面弾性波センサ素子において、弾性波の伝搬方向の長さを、それぞれの表面弾性波センサ素子毎に、外乱の影響による弾性波の伝搬速度の変化を、各表面弾性波センサ素子間にて同一となるように調整されて形成されていることを特徴としている。
例えば、２つの表面弾性波センサ素子において、弾性波が伝搬する領域（伝搬路）である検出部表面が導電体により覆われたセンサ面を有している表面弾性波センサ素子（短絡伝搬路を有するセンサ素子）である第１の表面弾性波センサ素子と、弾性波が伝搬する領域（伝搬路）である検出部表面の導電膜の検出部上面が開口され、検出部が露出されたセンサ面を有している表面弾性波センサ素子（開放伝搬路を有するセンサ素子）である第２の表面弾性波センサ素子とを有する表面弾性波センサ装置に関する。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態による、溶液の電気的特性（導電率、比誘電率など）、力学的特性（密度、粘性など）を測定する、２つの表面弾性波センサ素子からなる表面弾性波センサ装置について説明する。図１は、この本実施形態による表面弾性波センサ装置の構成例を示す概念図である。特に、第１の実施形態の表面弾性波センサ装置は、測定対象としての溶液がアルコール（炭化水素の水素原子をヒドロキシ基 (-OH) で置き換えた物質、例えば、本実施形態においてはメタノール（methanol：ＣＨ_３ＯＨ）など）であり、溶液の比誘電率を求め、この比誘電率からアルコール濃度を検出する。

本実施形態の表面弾性波センサ装置は、第１表面弾性波センサ素子１と、第２表面弾性波センサ素子２と、発振器５１、分配器５２、振幅比・位相差検出器５３、特性値算出部５４、ＲＦ（Radio Frequency）スイッチ５５及び５６を有している。第１表面弾性波センサ素子１と第２表面弾性波センサ素子２とは、図示しない圧電基板、本実施形態においてはＬｉＴａＯ_３上に形成されている。

第１表面弾性波センサ素子１は、入力電極１１及び出力電極１２間に、導電体膜により、例えば金属膜により検出部表面（弾性波の伝搬する基板表面）が覆われた第１伝搬路１３を有しており、弾性波が伝搬する方向ｘの第１伝搬路１３（検出部）の長さがＬ２に設定されている。
また、第１表面弾性波センサ素子１において、この第１伝搬路１３の表面が特性を検出する対象の溶液と接するセンサ面となっている。

第２表面弾性波センサ素子２は、入力電極２１及び出力電極２２間にあり、検出部表面が導電膜に覆われた第２伝搬路２３を有し、この導電膜に開口部２４が設けられ検出部が露出された構成となっており、弾性波が伝搬する方向ｘの第２伝搬路２３（検出部）の長さがＬ１に設定されている。
また、第２表面弾性波センサ素子２において、この第２伝搬路２３の表面（すなわち、検出部表面）が特性を検出する対象の溶液と接するセンサ面となっている。
第１表面弾性波センサ素子１と第２表面弾性波センサ素子２とは、表面弾性波の伝搬方向がｘに平行となるように、並列して配置されている。
本実施形態においては、第１表面弾性波センサ素子１と第２表面弾性波センサ素子２とが並列に並んだ構成で説明するが、他の構成として、第１表面弾性波センサ素子１と第２表面弾性波センサ素子２とを、ｘ方向に対して、伝搬方向が平行となるように、直列に配列する構成としても良い。

入力電極１１及び入力電極２１は、発振器５１から分配器５２を介して入力された基準信号によって、表面弾性波を励振させるために、櫛の間隔が高周波の波長λであり、櫛の幅がλ／８で形成された櫛形電極で構成されている。櫛の幅としては、λ／４、λ／８、λ／１２など様々な値が用いられるが、本実施形態においては、λ／８、を用いている。
同様に、出力電極１２及び出力電極２２は、入力電極１１、入力電極２１で励振され伝搬してきた表面弾性波を受信するために、櫛の間隔が高周波の波長λであり、櫛の幅がλ／８で形成された櫛形電極で構成されている。

発振器５１は、高周波の電気信号である基準信号を発生する。
分配器５２は、発振器５１の出力する基準信号を、ＲＦスイッチ５５と振幅比・位相差検出器５３とに分配する。

振幅比・位相差検出器５３は、基準信号と第１表面弾性波センサ素子１から出力される第１の測定信号との振幅比及び位相差を検出し、検出した振幅比及び位相差を第１の検出信号として特性値算出器５４に対して出力する。
また、振幅比・位相差検出器５３は、基準信号と第２表面弾性波センサ素子２から出力される第２の測定信号との振幅比及び位相差を検出し、検出した振幅比及び位相差を第２の検出信号として特性値算出部５４に対して出力する。

特性値算出部５４は、振幅比・位相差検出部５３から出力される、第１の検出信号における振幅比及び位相差と、第２の検出信号における振幅比と位相差とにより、溶液の比誘電率及び導電率とを算出する（詳細は後述）。

ＲＦスイッチ５５は、分配器５２の出力端子を、第１表面弾性波センサ素子１の入力電極１１と、第２表面弾性波センサ素子２の入力電極２１と、のいずれかに接続するスイッチである。
すなわち、ＲＦスイッチ５５は、分配器５２から供給される基準信号を、第１表面弾性波センサ素子１の入力電極１１へ伝達させるか、あるいは第２表面弾性波センサ素子２の入力電極２１へ伝達させるかを切り換えるスイッチである。

ＲＦスイッチ５６は、振幅比・位相差検出器５３の入力端子に対し、第１表面弾性波センサ素子１の出力電極１２と、第２表面弾性波センサ素子２の出力電極２２と、のいずれかを接続するスイッチである。
すなわち、ＲＦスイッチ５６は、第１表面弾性波センサ素子１の出力電極１２から出力される第１の測定信号、または第２表面弾性波センサ素子２の出力電極２２から出力される第２の測定信号のいずれを、振幅比・位相差検出器５３に伝達させるかを切り換えるスイッチである。

上述したように、本実施形態においては、第１伝搬路１３と第２伝搬路２３との長さが、それぞれＬ２、Ｌ１と異なって形成されている。
基板が温度特性を有し、例えば、本実施形態で用いているＬｉＴａＯ_３からなる基板の場合、温度が上昇すると伝搬する表面弾性波の伝搬速度が低下する際、低下の割合が第１伝搬路１３に比較して第２伝搬路２３の方が１℃毎の伝搬速度の変化において５ｐｐｍ小さい。
すなわち、第１表面弾性波センサ素子１及び第２表面弾性波センサ素子２を、短絡伝搬経路を有する第１表面弾性波センサし素子において１℃毎に伝搬速度が−３６．８ｐｐｍ変化し、開放伝搬経路を有する第２表面弾性波センサ素子２において１℃毎の伝搬速度が−４１．２ｐｐｍ変化する。
したがって、１℃温度が変化することにより、溶液の特性が変化しなくとも、伝搬速度の５ｐｐｍの差分が測定され、この差分により第１伝搬路１３と第２伝搬路２３とにおける位相差が異なることとなり、溶液の特性を測定する際の測定誤差となってしまう。

例えば、伝搬路長Ｌ２及びＬ１を同一の５０λとして形成した場合、得られる位相変化は温度が１℃変化する毎に、以下に示す１℃あたり（毎）の位相変化量を算出する式から
Δφ2（short）=41.2×10^−６（速度変化）×360×50（伝搬路長）＝0.7416
Δφ1（open）＝36.8×10^−６（速度変化）×360×50（伝搬路長）＝0.6624
となる。
ここで、Δφ2（short）は第１伝搬路１３における１℃あたりの位相変化であり、Δφ1（open）は第２伝搬路２３における１℃あたりの位相変化である。この結果、第１伝搬路１３と第２伝搬路２３との表面弾性波の伝搬速度の温度変化の違いにより、第１伝搬路１３と第２伝搬路２３とのとの間で、１℃の温度変化毎に０．０７９２度ずつの位相変化が生じることになる。
本実施形態の表面弾性波センサ装置が測定対象とするメタノールでは、０．１％の濃度変化を測定することを目標とした場合、位相差Δφの検出精度としては０．００９６度が必要となり、上述した温度変化による位相変化０．０７９２を許容することはできない。

したがって、本実施形態においては、０．７４１６／０．６６２４＝１．１１９６から、第１伝搬路１３の伝搬路長Ｌ２を、第２伝搬路長２３の伝搬路長Ｌ１を１．１９６倍の５５．９８λとすることにより、
Δφ1（open）＝36.8×10^−６（速度変化）×360×55.98（伝搬路長）＝0.7416
となり、第２伝搬路２３における１℃あたりの位相変化量を、第１伝搬路１３に合わせることができる。
このとき、第１伝搬路１３の伝搬路長Ｌ２を、第２伝搬路２３の伝搬路長Ｌ１の１／１．１１９６倍にしても良いが、メタノールの実際の濃度変化に起因する位相変化量も少なくなるため、上述したように、速度変化の小さい方の伝搬路長を長くする調整を行う方が良い。

次に、特性値算出部５４における溶液の比誘電率及び導電率の算出の説明を行う。
以下の説明において、第１伝搬路１３の位相変化量をΔφ2（degree）、基準信号の信号レベルの減衰量をΔＡ2とし、第２伝搬路２３の位相変化量をΔφ1（degree）、基準信号の信号レベルの減衰量をΔＡ1とし、温度による変化量には添え字としてtempを付加し、密度粘度積変化に伴う変化量には添え字としてvisを付加し、溶液の物理的変化（溶液及びセンサ面とにおける力学的相互作用と電気的相互作用）による変化量には添え字としてphysを付加し、溶液とセンサ面とにおける電気的相互作用に伴う変化量には添え字としてelecを付加する。

以下の（１）式は、減衰変化量Δα／ｋを求める式である。αは表面弾性波の伝搬減衰であり、Δαは標準液（例えば純水）に対する溶液（例えばメタノール）における表面弾性波の減衰の変化量であり、ｋは波数であり、Δａｍｐは基準信号と表面弾性波センサ素子からの測定信号との振幅比であり、ΔＡは基準信号の信号レベルの変化量であり、λは波長であり、Ｌは伝搬路長を示している。

この（１）式は、減衰変化量Δα／ｋ（単位はＮｅｐｅｒ）と、変化量ΔＡ（単位はｄＢ）との単位が異なるため、以下の（２）式を用いた単位の変換が行われている。

波数ｋがｋ＝（２π／λ）であるため、（１）式が以下の（３）式に変形される。

同様に、位相変化と速度変化の関係式が以下の（４）式で表される。

この（４）式においても、位相がｄｅｇｒｅｅの単位で出力されるが、計算においてはラジアン（ｒａｄ）の単位で計算するため、以下の（５）式により、Ｘ［ｄｅｇｒｅｅ］がＹ［ｒａｄ］に変換される。（４）式においては、波数ｋとラジアンによる変換での関数とが分子・分母において打ち消されて簡略化されている。

次に、特性値算出部５４において行われる導電率及び比誘電率を求める計算を説明する。
特性値算出部５４は、振幅比・位相差検出器５３から入力される第１表面弾性波センサ素子１に対応する第１の検出信号と、第２表面弾性波センサ素子２に対応する第２の検出信号とにより、以下の計算を行う。
特性値算出部５４は、第１の検出信号における振幅比として、損失である減衰量ΔＡ2[ｄＢ]により、（１）式を用いて以下の（６）式を生成する。

また、減衰変化量Δα／ｋは、溶液の密度粘度積を用いて以下の（７）式で表される。（７）式において、ν2は伝搬方向に沿った粒子速度であり、Ｐは伝搬方向に沿った単位幅当たりのパワーフローの平均値であり、ωは２πｆ（ｆは基準信号の周波数）である。

（６）式及び（７）式を変換して、力学的相互作用として、溶液の密度粘度積ρ’η’を、以下の（８）式により求める。この（８）式において、密度粘度積による減衰変化量はΔαvis／ｋとする。ここで、’が付いているものが測定する溶液のものであり、付いていないもの、例えば密度粘度積ρηは測定基準となる２０℃の水の特性値であり、密度ρ＝０．９９８、粘性η＝１．００２、導電率σ＝０、比誘電率ｅr＝８０．３７である。

次に、温度変化による信号レベルの速度変化を以下の処理により求める。上述のように計算した力学的相互作用から、第１表面弾性波センサ素子１における力学的相互作用による位相変化量を、以下の（９）式により計算する。なお、密度粘度積による速度変化はΔＶvis／Ｖとする。Ｖは基準信号の速度、ΔＶvisは基準信号と第１伝搬路１３を伝搬した第１の測定信号との速度差を示している。

密度粘度積のみの変化においては、（７）式と（９）式とが逆数のため、（９）式から得られる速度変化ΔＶvis／Ｖは負（マイナス）の数値となる。このため、（９）式を以下に示す（１０）式に代入する。

第１表面弾性波センサ素子１の第１伝搬路１３における位相変化量Δφ2は、温度特性にの速度変化に起因する要素と、力学的相互作用とに起因する要素とを合わせた変化量である。このため、以下の（１１）式を用いて、計算により求めた力学的相互作用による位相変化量Δφcal2を、測定結果としての位相変化量Δφ2から減算することにより、温度変化に起因した位相変化量Δφtempを求める。

この結果、第１表面弾性波センサ素子１を用いることにより、力学的相互作用の密度粘度積と、温度変化とによる位相変化量とを、測定した位相変化量Δφ2から個別に算出して求めることができる。

次に、本実施形態における温度特性による速度変化に対応させ、第１伝搬路１３の伝搬路長Ｌ２を、第２伝搬路２３の伝搬路長Ｌ１より長く形成された表面弾性波センサ装置において、特性値算出部５４が溶液の比誘電率εr’と伝導度σ’とを求める処理について説明する。
溶液として純水付加時において、１℃の温度変化毎に、第１伝搬路１３における速度変化が４９ｐｐｍであり、第２伝搬路２３における温度変化が４０ｐｐｍである場合、すでに述べたように、第１伝搬路１３の伝搬路長Ｌ２を、第２伝搬路２３の伝搬路長Ｌ１の１．２２５倍の長さに、温度変化の差に対応する伝搬路長差を有するように形成する。

このように、温度変化に起因する速度変化を調整した構成とすることにより、Δφtempを直接に、第２伝搬路２３における位相差Δφ1から、以下の（１２）式のように減算し、物理的相互作用（電気的相互作用及び力学的相互作用の双方の作用）による位相差Δφphysを算出する。直接に差分を演算するのは、第１伝搬路１３の伝搬路長Ｌ２と第２伝搬路２３の伝搬路長Ｌ１との長さを調整して、温度の変化による速度変化があるように補正しているためである。

次に、（１２）式により算出した位相変化Δφpyhsを用いて、電気的相互作用から伝導度及び比誘電率を計算する。
物理的相互作用における電気的相互作用を算出するため、物理的相互作用から力学的相互作用を打ち消す処理を行う。第１表面弾性波センサ素子１の力学的相互作用である密度粘度積による速度変化ΔＶvis／Ｖまたは減衰変化量Δαvis／ｋ（すなわち、−ΔＶvis／Ｖ）である。
ここで、本実施形態においては、第１伝搬路１３と第２伝搬路２３との伝搬路長が異なるため、位相変化を用いるものではなく、第２伝搬路２３の単位長さあたりの速度変化ΔＶ1／Ｖと減衰変化量Δαvis／ｋとの各々に、それぞれ以下に示す（１３）式及び（１４）式を用いて変換する。

第２伝搬路２３における速度変化ΔＶ1／Ｖと、第１伝搬路１３から求めた密度粘度積による速度変化ΔＶvis／Ｖとの差は、以下の（１５）式により求める。それぞれ単位長さあたりの速度変化であるため、（１５）式のように直接に差分を取ることができる。

同様に、第２伝搬路２３における減衰変化量Δα1／ｋと、第１伝搬路１３から求めた密度粘度積による減衰変化量Δαvis／ｋとの差は、以下の（１６）式により求める。それぞれ単位長さあたりの速度変化であるため、（１６）式のように直接に差分を取ることができる。

（１５）式により求めた電気的相互作用による速度変化ΔＶelec／Ｖと、減衰変化量Δφelec／ｋとにより、以下に示す（１７）式により溶液の比誘電率εr’を算出し、（１８）式により溶液の導電率σ’を算出する。（１７）式及び（１８）式において、ε0は真空の誘電率であり、Ｋsは電気機械結合係数であり、ε_Ｐ ^Ｔは実行誘電率である。

メタノール濃度は、得られた比誘電率εr’に対応している。したがって、特性値算出部５４は、比誘電率εr’と、メタノール濃度との対応関係を示すテーブルあるいは式を内部に記憶しており、求めた比誘電率εr’からメタノール濃度を算出して求める。
また、導電率σ’は、メタノールが消費されることで酸化して生じる蟻酸の濃度に関係している。メタノールの濃度変化は導電率σ’の変化に影響を与えず、蟻酸の濃度変化は比誘電率εr’の変化に影響を与えない。
このため、本願実施形態の表面弾性波センサ装置は、比誘電率εr’を正確に測定することにより、メタノール濃度を精度良く求めることができる。

図１に示すように、本実施形態の表面弾性波センサ装置は、周期的（例えば、1秒ごと）にメタノールの濃度変化を求める。図示しない制御部は、周期的に発振器を動作させ、波長λ（測定対象により異なる）の高周波の基準信号を発生させる。
次に、制御部は、ＲＦスイッチ５５及び５６を制御し、分配器５２から出力される基準信号を第１表面弾性波センサ素子１の入力電極１１に対して伝達させ、出力電極１２から出力される第１の測定信号を振幅器・位相差検出器５３に対して出力させる。
また、制御部は、ＲＦスイッチ５５及び５６を制御し、分配器５２から出力される基準信号を第２表面弾性波センサ素子２の入力電極２１に対して伝達させ、出力電極２２から出力される第２の測定信号を振幅器・位相差検出器５３に対して出力させる。

そして、振幅比・位相差検出器５３は、入力される基準信号、第１の測定信号、第２の測定信号により、基準信号に対する第１の測定信号の減衰変化ΔＡ2、位相変化Δφ2を求め、第１の検出信号として、また、基準信号に対する第２の測定信号の減衰変化ΔＡ1、位相変化Δφ1を求め、第２の検出信号として特性値算出部５４へ出力する。
特性値算出部５４は、上述した（６）式から（１８）式を用いて、第１の測定信号の減衰変化ΔＡ2、位相変化Δφ2と、第２の測定信号の減衰変化ΔＡ1、位相変化Δφ1とにより、測定対象の溶液であるメタノールの比誘電率εr’及び導電率σ’を算出する。

上述した構成により、本実施形態によれば、温度の変化による速度変化の異なりを補正するため、１℃あたりの速度変化が大きい方の表面弾性波センサ素子（第２表面弾性波センサ素子２）と、１℃あたりの速度変化が小さい方の表面弾性波センサ素子（第１表面弾性波センサ素子１）との速度変化が合うように、速度変化が小さい方の表面弾性波センサ素子における表面弾性波の伝搬距離を、速度変化が大きい方の表面弾性波センサ素子に対し、１℃あたりの速度変化が対応する距離分長くしている。
この結果、第１表面弾性波センサ素子１及び第２表面弾性波センサ素子２間における温度特性による速度変化分を実質的に同一とすることができる。
したがって、本実施形態によれば、高い精度により第１の測定信号から温度に依存する速度変化を求めることができ、物理的相互作用による位相変化を算出することができ、最終的に、メタノールの比誘電率を高い精度で求められ、この比誘電率からメタノールの濃度を容易に、精度良く求めることができる。

また、図２に図１と異なる形態の表面弾性波センサ装置の構成を示す。図１と異なる点は、ＲＦスイッチ５５、５６が無くなり、分配器５２の２つに分配された出力が、それぞれ第１表面弾性波センサ素子１の入力電極１１及び第２表面弾性波センサ素子２の入力電極２１に与えられ、第１表面弾性波センサ素子１の出力電極１２及び第２弾性波表面波センサ素子２の出力電極２２が振幅比・位相差検出器５３に接続されている構成である。
この構成により、温度の変化による速度変化を第１伝搬路１３と第２伝搬路２３との伝搬路長を調整しているため、振幅比・位相差検出器５３は、第１の測定信号と第２の測定信号との信号レベルの差分を求めて、減衰変化ΔＡとして特性値算出部５４に出力する。また、振幅比・位相差検出器５３は、第１の測定信号と第２の測定信号との位相差を求め、Δφとして特性値算出部５４に出力する。

特性値算出部５４は、振幅比・位相差検出器５３から入力される減衰変化ΔＡと位相差Δφとを用い、以下の（１９）式及び（２０）式により、減衰変化量Δα／ｋと速度変化量ΔＶ／Ｖとの各々を算出する。この（１９）式及び（２０）式において用いられる伝搬長は第２表面弾性波センサ素子１における第１伝搬路１３のＬ1が用いられる。

そして、特性値算出部５４は、算出した減衰変化量Δα／ｋと速度変化量ΔＶ／Ｖとにより、（２１）式及び（２２）式により、比誘電率εr’と導電率σ’とを算出する。

また、本実施形態においては、第２表面弾性波センサ素子２にセンサ面が開放され、溶液の電気的相互作用による変化を測定し、溶液の濃度を求めたが、他の構成として第１表面弾性波センサ素子１と、第２表面弾性波センサ素子２との双方とも、導電膜により検出部が覆われたセンサ面を有する形状とした構成を用いてもよい。
このとき、第１表面弾性波センサ素子１の導電膜表面には何も配設せず、一方、第２表面弾性波センサ素子２の導電膜の表面には抗体などを配設し、２チャンネルの表面弾性波センサ素子からなるバイオセンサを構成しても良い。
そして、純水を付加とした場合、第１表面弾性波センサ素子１と第２表面弾性波センサ素子２との、温度あるいは溶液の粘度による速度変化や信号レベルの変化などが実質的に同一となるように、第１表面弾性波センサ素子１の第１伝搬路１３と、第２表面弾性波センサ素子２の第２伝搬路２３との伝搬路長を調整するようにしても良い。

＜第２の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第２の実施形態による、溶液の電気的特性（導電率、比誘電率など）、力学的特性（密度、粘性など）を測定する、３つの表面弾性波センサ素子からなる表面弾性波センサ装置について説明する。図３は、この本実施形態による表面弾性波センサ装置の構成例を示す概念図である。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１表面弾性波センサ素子１及び第２表面弾性波センサ素子２に加えて、第３表面弾性波センサ素子３を加えて、３つの表面弾性波センサ素子の３チャンネルの表面弾性波センサ素子の構成である。

第３表面弾性波センサ素子３は、入力電極３１と出力電極３２とに挟まれて、第３伝搬路３３が構成されている。また、第３表面弾性波センサ素子３も、表面弾性波の伝搬方向がｘ方向に平行となるように、第１表面弾性波センサ素子１及び第２表面弾性波センサ素子２と並列に配置されている。
第３表面弾性波センサ素子３は、検出部の上面を覆う導電膜に長尺状のスリット３４が、伝搬方向がｘ方向に対して垂直となるように、複数ｘ方向に配列して第３伝搬路３３上の導電膜に形成されている。スリット３４の形成されている部分は、検出部が露出されている。
本実施形態においては、第１表面弾性波センサ素子１、第２表面弾性波センサ素子２及び第２表面弾性波センサ素子３が並列に並んだ構成で説明するが、他の構成として、第１表面弾性波センサ素子１、第２表面弾性波センサ素子２及び第２表面弾性波センサ素子３を、ｘ方向に対して、伝搬方向が平行となるように、直列に配列する構成としても良い。

第３表面弾性波センサ素子３は、第２表面弾性波センサ素子２と同様に、物理的相互作用（電気的相互作用及び力学的相互作用）による変化を検出する。
したがって、図示しない制御部は、発振器５１に高周波の基準信号を発生させ、分配器５２に出力させる。
分配器５２は、入力される基準信号を、第１表面弾性波センサ素子１の入力電極１１と、ＲＦスイッチ５５とに分配して出力する。

ＲＦスイッチ５５は、分配器５２から入力される基準信号を、制御部の制御により、第２表面弾性波センサ素子２の入力電極２１、あるいは第３表面弾性波センサ素子３の入力電極３１のいずれかに伝達するかの切り替えを行う。
ＲＦスイッチ５６は、制御部の制御により、第２表面弾性波センサ素子２の出力電極２２、あるいは第３表面弾性波センサ素子３の出力電極３２のいずれを、振幅比・位相差検出器５３の入力端子に接続するかの切り替えを行う。
第３表面弾性波センサ素子３は、入力された基準信号が物理的相互作用により影響を受けた第３の測定信号を出力する。

振幅比・位相差検出器５３は、第１の測定信号と第２の測定信号との位相差、信号レベルの変化量を第１の検出信号、また第１の測定信号と第３の測定信号の位相差、信号レベルの変化量を第２の検出信号として特性値算出部５４へ出力する。
特性値算出部５４は、第１の検出信号と、第２の検出信号とからそれぞれ、（１９）式から（２２）式を用いて、溶液の比誘電率εr’及び導電率σ’を求める。

上述した第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、第１表面弾性波センサ素子１、第２表面弾性波センサ素子２及び第３表面弾性波センサ素子３の各々は、外乱（例えば、温度依存性、粘度依存性などの実際の測定のノイズとなる特性変化）による影響を合わせるように補正するため、表面弾性波の伝搬長を異なる長さに形成されている。
これにより、本第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に、メタノールセンサとして用いた場合、高い精度により第１の測定信号から温度に依存する速度変化を求めることができ、物理的相互作用による位相変化を算出することができ、最終的に、メタノールの比誘電率を高い精度で求められ、この比誘電率からメタノールの濃度を容易に、精度良く求めることができる。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…第１表面弾性波センサ素子
２…第２表面弾性波センサ素子
３…第３表面弾性波センサ素子
１１，２１，３１…入力電極
１２，２２，３２…出力電極
１３…第１伝搬路
２３…第２伝搬路
２４…開口部
３３…第３伝搬路
３４…スリット
５１…発振器
５２…分配器
５３…振幅比・位相差検出器
５４…特性値算出部
５５，５６…ＲＦスイッチ

Claims (5)

1. 基準信号を入力し、センサ表面に接触している溶液における比重及び粘性を含む力学的な特性により前記基準信号が変化した第１の測定信号を出力する第１の表面弾性波センサ素子と、
   前記基準信号を入力し、前記溶液に接触するセンサ面が当該溶液における測定対象の特性により影響を受ける形状に構成されており、前記力学的な特性と前記測定対象の特性により前記基準信号が変化した第２の測定信号を出力する第２の表面弾性波センサ素子と
   を有し、
   前記第１の表面弾性波センサ素子と前記第２の表面弾性波センサ素子との前記基準信号を伝搬させる方向の長さが、当該第１の表面弾性波センサ素子と第２の表面弾性波素子とにおける前記センサ面の構造に起因する誤差の差分に対応する長さ分異なって形成され、前記第１の測定信号及び前記第２の測定信号における振幅比及び位相差とから、前記測定対象の特性を検出することを特徴とする表面弾性波センサ装置。
2. 前記第１の表面弾性波線センサ素子が検出面が導電膜に覆われたセンサ面を有し、前記第２の表面弾性波線センサ素子が検出面が開放されたセンサ面を有し、
   前記第１の表面弾性波センサ素子と、前記第２の表面弾性波センサ素子との各々の前記基準信号の伝搬方向の長さが、温度特性による前記基準信号の伝搬速度の変化が同一となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波センサ装置。
3. 前記第１の表面弾性波センサ素子及び前記第２の表面弾性波センサ素子がＬｉＴａ３の基板上に生成され、前記溶液が前記導電膜に覆われたセンサ面と、前記開放されたセンサ面との双方に対して与える前記力学的な特性の影響の差が測定誤差に対して少ないことを特徴とする請求項２に記載の表面弾性波センサ装置。
4. 前記第１の表面弾性波線センサ素子が検出面が導電膜に覆われたセンサ面を有し、前記第２の表面弾性波線センサ素子が検出面が開放されたセンサ面を有し、
   当該基準信号が伝搬する方向に、長尺方向が垂直になるよう矩形状の導電膜が検出部上に並列に配列されたセンサ面を有し、前記第１の表面弾性波センサ素子及び前記第２の表面弾性波素子と前記基準信号が伝搬する方向の長さが異なり、前記基準信号を入力し、前記力学的な特性と前記測定対象の特性により前記基準信号が変化した第２の測定信号を出力する第３の表面弾性波素子
   をさらに有することを特徴とする請求項１記載の表面弾性波センサ装置。
5. 前記第１表面弾性波センサ素子から出力される第１の測定信号と、前記第２表面弾性波センサ素子から出力される第２の測定信号とにおけるの振幅比及び位相差から、
   または、前記第１表面弾性波センサ素子から出力される第１の測定信号と、前記第３表面弾性波センサ素子から出力されるから出力される第３の測定信号とにおける振幅比及び位相差から、
   前記測定対象の特性を検出することを特徴とする請求項４に記載の表面弾性波センサ装置。

Images