JP2015230244A - 弾性表面波式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料を用いた場合と比較して、物理量の検出感度が高い弾性表面波式センサを提供する。【解決手段】物理量によって歪みが与えられる場所に設置されるＳＡＷ材料３と、ＳＡＷ材料３に形成され、ＳＡＷ材料３にＳＡＷを励振させる櫛歯電極４とを備える弾性表面波式センサにおいて、ＳＡＷ材料３として、サファイア基板７の表面上にＳｃＡｌＮ膜８が形成されたＳｃＡｌＮ／サファイア構造のＳＡＷ材料を用いる。【選択図】図２

Description

本発明は、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下ＳＡＷと略す）を利用して物理量を検出する弾性表面波式センサに関するものである。

圧力、荷重、加速度などの物理量を検出するセンサとして、当該物理量をＳＡＷデバイスの歪みに変換し、ＳＡＷデバイスの周波数、遅延時間、位相などの変化量を検出し、当該物理量を検出する弾性表面波式センサが知られている。

また、ＳＡＷデバイスとして、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料を用いたものが非特許文献１に開示されている。このＳＡＷ材料は、非圧電性基板であるＳｉＣ基板の表面上に圧電性薄膜であるＳｃＡｌＮ膜が形成されたものである。

Teshigahara, Akihiko ; Hashimoto, Ken-ya; Akiyama, Morito 「Scandium Aluminum Nitride : Highly Piezoelectric Thin Film for RF SAW Devices in multi GHz Range」, 2012 IEEE INTERNATIONAL ULTRASONICS SYMPOSIUM (IUS)

上記した非特許文献１に開示のＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷデバイスは、ＳｃＡｌＮ膜の圧電性が高いことから、ＳＡＷ特性が優れており、さらに、ＳｃＡｌＮ膜の耐熱性が高いことから、高温での使用が可能である。そこで、上記した弾性表面波式センサにおいて、高感度であって高温環境下での使用が可能なセンサの実現のために、非特許文献１に開示のＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷデバイスを用いることが考えられる。

しかし、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷデバイスを用いた弾性表面波式センサでは、物理量によってＳＡＷ材料に歪みが与えられたときのＳＡＷ素子の周波数、遅延時間、位相などの変化量が、音弾性効果によって弱められるため、物理量の検出感度（センシング感度）が低いという問題がある。なお、音弾性効果とは、ＳＡＷ材料を伝搬するＳＡＷの伝搬速度が応力（歪み）によって変化する現象である。

本発明は上記点に鑑みて、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料を用いた場合と比較して、物理量の検出感度が高い弾性表面波式センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
物理量によって歪みが与えられる場所に設置される弾性表面波材料（３）と、
弾性表面波材料に形成され、弾性表面波材料に弾性表面波を励振させる櫛歯電極（４、４４、５４）とを備え、
弾性表面波材料は、サファイア基板（７）と、サファイア基板の表面上に形成されたＳｃＡｌＮ膜（８）とを有する構造であることを特徴としている。

本発明者の実験結果より、サファイア基板の表面上にＳｃＡｌＮ膜が形成されたＳｃＡｌＮ／サファイア構造のＳＡＷ材料は、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料と比較して、音弾性効果が非常に小さいことがわかった。

したがって、本発明によれば、このようなＳｃＡｌＮ／サファイア構造のＳＡＷ材料を用いているので、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料を用いる場合と比較して、ＳＡＷ素子の周波数、遅延時間、位相などの変化量が受ける音弾性効果の影響が小さく、物理量の検出感度が高くなる。

なお、請求項１に記載の発明では、ＳＡＷとしてセザワ波、レイリー波を用いることができるが、請求項３に記載のように、セザワ波を用いることが好ましい。

一般的な圧電性薄膜／基板構造のＳＡＷ材料におけるＳＡＷエネルギーの深さ方向分布は、ＳＡＷのモードが高次モードになるほどＳＡＷ材料表面から深い側、つまり、基板中への分配率が大きくなることが知られている。このため、レイリー波を用いる場合よりもセザワ波を用いる場合の方が、音弾性効果におけるサファイア基板の影響が強くなり、音弾性効果が小さくなる。

したがって、請求項１に記載の発明は、セザワ波を用いる場合に、物理量の検出感度を向上できるという効果が高くなる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態におけるＳＡＷ式センサのセンサチップを示す斜視図である。 図１中のII−II線断面図である。 図１のセンサチップが設置されたダイヤフラム構造体の平面図である。 図３中のIV−IV線断面図である。 ＳＡＷ材料の音弾性係数を求める実験に用いたダイヤフラム構造体の平面図である。 ＳＡＷ材料の音弾性係数を求める実験に用いたダイヤフラム構造体の平面図である。 ＳｃＡｌＮ／サファイア構造のＳＡＷ材料とＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料をそれぞれ用いた場合の荷重と位相変化量との関係を示す図である。 第２実施形態におけるセンサチップを示す斜視図である。 第２実施形態におけるセンサチップの設置形態を示す断面図である。 第３実施形態におけるセンサチップの設置形態を示す断面図である。 第４実施形態におけるセンサチップを示す斜視図である。 第５実施形態におけるセンサチップの平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本実施形態のＳＡＷ式センサは、物理量としての圧力や荷重を検出するものであり、例えば、エンジン燃焼圧を検出する燃焼圧センサとして用いられるものである。

図１に示すように、ＳＡＷ式センサ１は、センサチップ２を備えている。センサチップ２は、ＳＡＷ材料３と、ＳＡＷ材料３に形成された電極４、５とを備えている。

ＳＡＷ材料３に形成された電極は、ＳＡＷ材料３にＳＡＷを励振させる櫛歯電極４と、櫛歯電極４から伝搬されたＳＡＷを反射させる反射器５である。ＳＡＷ材料３の表面のうち櫛歯電極４と反射器５との間の領域が、ＳＡＷが伝搬する伝搬路６を構成している。櫛歯電極４と反射器５と伝搬路６とによって、反射遅延型のＳＡＷ素子が構成されている。

櫛歯電極４は、互いに平行に延びている複数の櫛歯部４ａを有する一対の電極から構成されている。反射器５は、複数の直線状の電極が互いに平行かつ櫛歯部４ａと平行に配置されたものである。櫛歯電極４の共振周波数相当の高周波信号（バースト信号）が櫛歯電極４に印加されることにより櫛歯電極４が駆動され、櫛歯電極４の駆動によってＳＡＷ材料３にＳＡＷが励振され、ＳＡＷが櫛歯電極４の櫛歯部４ａに対して垂直な方向に伝搬する。図１中のＤ１矢印方向がＳＡＷの伝搬方向を示しており、Ｄ２矢印方向がＳＡＷの伝搬方向に対して垂直な方向を示している。

なお、本明細書でいうＳＡＷは、レイリー波型弾性表面波を意味し、レイリー波型弾性表面波の各モードのうち、最低次モードである０次モードがレイリー波であり、１次モードがセザワ波である。本実施形態では、ＳＡＷとして、レイリー波型弾性表面波のモードが１次モードであるセザワ波が用いられる。すなわち、セザワ波を励振するように、櫛歯電極４が構成されている。

図２に示すように、ＳＡＷ材料３は、非圧電性基板であるサファイア基板７と、サファイア基板７の表面上に直接形成された圧電性薄膜であるＳｃＡｌＮ（スカンジウム含有窒化アルミニウム）膜８とを有するＳｃＡｌＮ／サファイア構造である。

サファイア基板７としては、例えば、基板表面の面方位がＣ面であり、ＳＡＷの伝搬方向をａ面内またはａ面に対して６０°単位で回転した方向とするものが用いられる。これらの条件のとき、ＳＡＷ特性が良好になる。

ＳｃＡｌＮ膜８は、ＡｌＮにＳｃを添加した膜である。ＳｃＡｌＮ膜８のＳｃ濃度は、ＳｃとＡｌの合計を１００原子％としたとき、４０〜５０原子％とすることが好ましい。この場合に、圧電定数を最も高くできる。なお、本実施形態では、ＳｃＡｌＮ膜８のサファイア基板７側とは反対側の表面８ａ（図２中の上面８ａ）上に電極４、５が形成されている。

図３、４に示すように、センサチップ２は、ダイヤフラム構造体１０のダイヤフラム部１１の表面１１ａに設置される。ダイヤフラム部１１は、図３に示すように、輪郭が円形状である。ダイヤフラム部１１は、表面１１ａとは反対側の裏面１１ｂに、図４中の矢印で示す圧力や荷重を受けて反り変形する。このため、ダイヤフラム部１１には、ダイヤフラム部１１の中心位置を中心とした同心円状の応力分布が形成される。なお、本実施形態のダイヤフラム構造体１０は、金属で構成されているが、他の材料で構成されていてもよい。また、ダイヤフラム１１は、円形状であったが、四角等の他の形状であってもよい。この場合、ダイヤフラム１１には、ダイヤフラム部１１の中心位置を基準位置とした点対称の応力分布が形成される。

センサチップ２は、その裏面２ｂの全域が、図示しない接着層を介して、ダイヤフラム部１１の表面１１ａに固定されている。このため、ダイヤフラム部１１の裏面１１ｂに圧力や荷重がかかると、ダイヤフラム部１１と同様にセンサチップ２が反り変形し、センサチップ２に引張応力がかかる状態となる。この引張応力は、センサチップ２の表面上における全方向に応力成分を有し、図１に示すように、ＳＡＷの伝搬方向Ｄ１の応力σ_ＬとＳＡＷの伝搬方向に垂直な方向Ｄ２の応力σ_Ｔに分けて表すことができる。このように、本実施形態のセンサチップ２は、センサチップ２に対して、ＳＡＷの伝搬方向Ｄ１の応力σ_ＬとＳＡＷの伝搬方向に垂直な方向Ｄ２の応力σ_Ｔがかかる場所に配置されている。

本実施形態のＳＡＷ式センサ１は、次のようにして、圧力または荷重を検出する。

櫛歯電極４を駆動させることにより、ＳＡＷ材料３の表面にＳＡＷを励振させ、反射器５で反射したＳＡＷを櫛歯電極４で受信する。このとき、ダイヤフラム部１１が裏面１１ｂから圧力や荷重を受けると、ダイヤフラム部１１とともにセンサチップ２が反り変形する。すなわち、圧力や荷重によってセンサチップ２が歪みを受ける。これにより、ＳＡＷ材料３の伝搬路６の長さ等が変化するため、櫛歯電極４で励起したＳＡＷの位相に対して、反射器５で反射して櫛歯電極４で受信したＳＡＷの位相が変化する。そこで、この位相の変化量を検出し、検出した位相変化量と、位相変化量と圧力または荷重との関係とに基づいて、圧力または荷重を算出する。したがって、本実施形態では、位相変化量をセンサ出力としている。

なお、ＳＡＷの位相は図示しない位相検出回路で検出され、位相変化量の算出や位相変化量からの圧力や荷重の算出は図示しない演算部で実行される。

次に、本実施形態のＳＡＷ式センサ１と比較例１のＳＡＷ式センサとを比較する。比較例１のＳＡＷ式センサは、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料を用いたものであり、その他の構成は、第１実施形態のＳＡＷセンサ１と同じである。

本実施形態のＳＡＷ式センサ１および比較例１のＳＡＷ式センサのセンシング感度は、圧力や荷重によってセンサチップに与えられる歪みに対する位相変化量が大きいほど高く、次の式１で表される。
ｓ＝ｓ_ｅ＋ασ_Ｌ＋βσ_Ｔ・・・式１
ｓ：センシング感度、位相変化量（ｄｅｇ）／荷重（Ｎ）
ｓ_ｅ：伝搬路長の伸びによる位相変化量（ｄｅｇ）／荷重（Ｎ）
σ_Ｌ：ＳＡＷの伝搬方向の応力（Ｐａ）／荷重（Ｎ）
σ_Ｔ：ＳＡＷの伝搬方向に対して垂直な方向の応力（Ｐａ）／荷重（Ｎ）
α：縦音弾性係数
β：横音弾性係数
なお、σ_Ｌ、σ_Ｔは、引張り応力のとき、符号を正とする。また、上記式１の説明は、物理量が荷重のときのものである。上記式１中の（ασ_Ｌ）の項と（βσ_Ｔ）の項が音弾性効果である。

ここで、表１に、本実施形態のＳＡＷ式センサ１および比較例１のＳＡＷ式センサにおける縦音弾性係数αと横音弾性係数βを示す。

なお、表１に示す縦音弾性係数αと横音弾性係数βは、本発明者が次のようにして求めたものである。

本実施形態のセンサチップ２を２つ用意し、それぞれのセンサチップを図５、６に示す金属製のダイヤフラム構造体１０に設置した。図５の状態をケース１、図６の状態をケース２と呼ぶ。用意した本実施形態のセンサチップ２の寸法等の条件は次の通りである。また、比較例１についても、第１実施形態と同じ条件のセンサチップを用意した。
・ＳｃＡｌＮ膜の厚さ（*）：２μｍ
・櫛歯電極（*）および反射器の材質、厚さ：Ａｕ、５０ｎｍ
・波長：４μｍ
・伝搬路長：１．５ｍｍ
・櫛歯電極（*）：４０対
・反射器（*）：８０本
・駆動周波数：１．６ＧＨｚ（比較例１）、１．４５ＧＨｚ（第１実施形態）
なお、（*）印はセンシング感度には影響しないパラメータを示す。

図５に示すダイヤフラム構造体１０は、ダイヤフラム部１１のうちセンサチップ２のＳＡＷ伝搬方向に平行な二辺の隣に、ＳＡＷ伝搬方向に延びるスリット（開口部）１２、１３が設けられたものである。図６に示すダイヤフラム構造体１０は、ダイヤフラム部１１のうちセンサチップ２のＳＡＷ伝搬方向に垂直な二辺の隣に、ＳＡＷ伝搬方向に垂直な方向に延びるスリット（開口部）１４、１５が設けられたものである。

ダイヤフラム部１１に荷重が加えられたとき、ケース１とケース２では、センサチップ上のＳＡＷ伝搬方向とスリットの位置関係が異なるため、式１中のσ_Ｌ、σ_Ｔが異なる。このため、ケース１、２のそれぞれに対して、以下の２式が成り立つ。

ｓ（１）＝ｓ_ｅ（１）＋ασ_Ｌ（１）＋βσ_Ｔ（１）・・・式２
ｓ（２）＝ｓ_ｅ（２）＋ασ_Ｌ（２）＋βσ_Ｔ（２）・・・式３
そして、ケース１、２のそれぞれにおいて、図４に示すように、ダイヤフラム部１１の裏面１１ｂに荷重を加え、荷重に対する位相変化量（位相変化量／荷重）を実測した。すなわち、ｓ（１）、ｓ（２）を実測した。さらに、ｓ_ｅ（１）、ｓ_ｅ（２）、σ_Ｌ（１）、σ_Ｌ（２）、σ_Ｔ（１）、σ_Ｔ（２）を、有限要素法（ＦＥＭ）により求めた。これらを用いて、式２と式３の連立方程式を解くことで、α、βを求めた。

表１に示すように、比較例１のＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料は、縦音弾性係数αが負値であるとともに、絶対値が大きい。このため、比較例１のＳＡＷ式センサは、縦音弾性がセンシング感度を弱める方向に作用するので、センシング感度が低くなる。

一方、本実施形態のＳｃＡｌＮ／サファイア構造のＳＡＷ材料は、縦音弾性係数αと横音弾性係数βのどちらも、小数点第２位の値であり、非常に小さい。このため、本実施形態のＳＡＷ式センサは、音弾性効果の影響が非常に小さいので、センシング感度が高くなる。

図７に、ＳｃＡｌＮ／サファイア構造のＳＡＷ材料を用いた本実施形態のＳＡＷ式センサと、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料を用いた比較例１のＳＡＷ式センサのそれぞれにおける荷重と位相変化量との関係を示す。図７は、実験によって得られたものであり、図７中の歪みだけからの解析値は、上記式１においてα＝０、β＝０と仮定して、荷重に対する位相変化量を解析した結果である。また、用いた本実施形態のセンサチップおよび比較例１のセンサチップの条件は、α、βを求めた実験と同じである。また、ｓ_ｅが両センサチップで同じとなるように、両センサチップの厚さを調整した。

図７に示すように、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造の比較例１のＳＡＷ式センサは、位相変化量が解析値の約１／３であったのに対して、ＳｃＡｌＮ／サファイア構造の本実施形態のＳＡＷ式センサは、位相変化量が解析値に近かった。したがって、図７に示す実験結果からも、本実施形態のＳＡＷ式センサは、音弾性効果の影響が非常に小さく、比較例１のＳＡＷ式センサよりもセンシング感度が高いことがわかる。

また、本実施形態では、ＳＡＷとしてセザワ波を用いていたが、レイリー波を用いてもよい。レイリー波を用いた場合でも、本実施形態と同様の効果が得られる。ただし、次の理由により、レイリー波よりセザワ波を用いることが好ましい。

一般的な圧電性薄膜／基板構造のＳＡＷ材料におけるＳＡＷエネルギーの深さ方向分布は、ＳＡＷのモードが高次モードになるほどＳＡＷ材料表面から深い側、つまり、基板中への分配率が大きくなることが知られている。このため、レイリー波を用いる場合よりもセザワ波を用いる場合の方が、音弾性効果におけるサファイア基板の影響が強くなり、音弾性効果が小さくなる。したがって、セザワ波を用いた場合に、センシング感度を向上できるという効果が高くなる。

（第２実施形態）
本実施形態のＳＡＷ式センサは、物理量としての引張応力、圧縮応力、歪み等を検出するものである。

具体的には、図８、９に示すように、センサチップ２は、応力や歪みの検出対象である被検出対象物２０に設置される。センサチップ２は、第１実施形態と同じ構成のものである。例えば、図９中の矢印のように、被検出対象物２０に一軸方向の引張応力が印加される場合、その応力の印加方向とＳＡＷの伝搬方向Ｄ１とが一致するように、センサチップ２が設置される。なお、被検出対象物２０に一軸方向の圧縮応力や歪みが印加される場合も同様である。

これにより、被検出対象物２０に一軸方向の応力が印加されると、センサチップ２は、図８に示すように、ＳＡＷの伝搬方向の引張応力σ_Ｌがかかる状態となる。このとき、反射波の位相が変化するので、この位相変化量と、位相変化量と応力または歪みとの関係とに基づいて、応力や歪みを検出することができる。

本実施形態では、ＳＡＷ式センサのセンシング感度は次式で表される。

ｓ＝ｓ_ｅ＋ασ_Ｌ・・・式４
本実施形態においても、ＳｃＡｌＮ／ＳｉＣ構造のＳＡＷ材料を用いる場合と比較して、センシング感度が受ける音弾性効果の影響が小さいので、センシング感度の向上効果が得られる。

（第３実施形態）
本実施形態のＳＡＷ式センサは、物理量としての加速度を検出するものである。

図１０に示すように、センサチップ２は、加速度が印加されることで一軸方向に反り変形する変形部材３０に設置される。センサチップ２は、第１実施形態と同じ構成のものである。センサチップ２は、変形部材３０の反り方向とＳＡＷの伝搬方向Ｄ１とが一致するように、センサチップ２が設置される。これにより、変形部材３０に加速度が印加されたとき、センサチップ２は、第２実施形態と同様に、ＳＡＷの伝搬方向の引張応力σ_Ｌがかかる状態となる。このとき、反射波の位相が変化するので、この位相変化量と、位相変化量と加速度との関係とに基づいて、加速度を検出することができる。

本実施形態においても、第２実施形態と同様に、センシング感度の向上効果が得られる。

（第４実施形態）
第２、第３実施形態では、応力等の物理量によって、センサチップ２にＳＡＷの伝搬方向の引張応力σ_Ｌのみがかかる場所に、センサチップ２を設置したが、本実施形態では、図１１に示すように、応力等の物理量によって、センサチップ２にＳＡＷの伝搬方向に垂直な方向の引張応力σ_Ｔのみがかかる場所に、センサチップ２を設置している。

本実施形態では、ＳＡＷ式センサのセンシング感度は次式で表される。

ｓ＝ｓ_ｅ＋βσ_Ｔ・・・式５
第１実施形態での説明の通り、ＳｃＡｌＮ／サファイア構造のＳＡＷ材料３は横音弾性係数βが非常に小さいので、本実施形態のＳＡＷ式センサは、センシング感度が高くなる。

（第５実施形態）
図１２に示すように、本実施形態のセンサチップ２は、ＳＡＷ材料３の表面に、セザワ波用の櫛歯電極４４とレイリー波用の櫛歯電極５４とが形成されている。

ＳＡＷ材料３は、第１実施形態と同じ構成のものである。セザワ波用の櫛歯電極４４とレイリー波用の櫛歯電極５４は、第１実施形態の櫛歯電極４に対応するものである。セザワ波用の櫛歯電極４４は、セザワ波を励振させるように構成されている。レイリー波用の櫛歯電極５４は、レイリー波を励振させるように構成されている。

具体的には、セザワ波用の櫛歯電極４４とレイリー波用の櫛歯電極５４は、櫛歯電極４４、５４を構成する複数の櫛歯部４４ａ、５４ａのピッチｐ１、ｐ２が異なるとともに、櫛歯電極４４、５４を駆動するための駆動用信号の周波数が同一となるように、各ピッチｐ１、ｐ２が設定されている。ピッチｐ１は、セザワ波用の櫛歯電極４４における隣り合う櫛歯部４４ａの間隔である。同様に、ピッチｐ２は、レイリー波用の櫛歯電極５４における隣り合う櫛歯部５４ａの間隔である。駆動用信号は、櫛歯電極４４、５４を駆動させてＳＡＷ材料３にＳＡＷを励振させるために、櫛歯電極４４、５４に印加する高周波信号である。

例えば、櫛歯電極４４、５４の駆動方式を無線駆動とする場合、櫛歯電極４４、５４のそれぞれにコイルを電気的に接続することになる。この場合、コイルには周波数特性があるため、駆動用信号の周波数を統一することで、櫛歯電極４４、５４に接続されるコイルを共有することができる。

なお、セザワ波用の櫛歯電極４４のピッチｐ１とレイリー波用の櫛歯電極５４のピッチｐ２とを同一としてもよい。この場合、櫛歯電極４４、５４のそれぞれに周波数特性が異なるコイルを電気的に接続する。

ＳＡＷ材料３の表面には、セザワ波用の櫛歯電極４４に対応して、セザワ波用の櫛歯電極４４によって励振されたセザワ波を反射するセザワ波用の対応電極である反射器４５が設けられている。ＳＡＷ材料３の表面のうちセザワ波用の櫛歯電極４４と反射器４５との間の領域が、セザワ波が伝搬するセザワ波用の伝搬路４６を構成している。セザワ波用の櫛歯電極４４、反射器４５および伝搬路４６によって、反射遅延型のセザワ波素子４０が構成されている。

同様に、ＳＡＷ材料３の表面には、レイリー波用の櫛歯電極５４に対応して、レイリー波用の櫛歯電極５４によって励振されたレイリー波を反射するレイリー波用の対応電極である反射器５５が設けられている。ＳＡＷ材料３の表面のうちレイリー波用の櫛歯電極５４と反射器５５との間の領域が、レイリー波が伝搬するレイリー波用の伝搬路５６を構成している。レイリー波用の櫛歯電極５４、反射器５５および伝搬路５６によって、反射遅延型のレイリー波素子５０が構成されている。

このように、本実施形態では、１つのセンサチップ２にセザワ波素子４０とレイリー波素子５０というレイリー波型弾性表面波のモードが異なる２つの素子が形成されている。

そして、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０は、どちらも素子領域の重心がセンサチップ２の中心Ｃ１に位置するように配置されており、セザワ波用の伝搬路４６の一部とレイリー波用の伝搬路５６の一部とが重複している。このため、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０の各素子領域の温度はほぼ同じになる。

なお、セザワ波用の伝搬路４６の一部とレイリー波用の伝搬路５６の一部とが重複していれば、各素子領域の重心がセンサチップ２の中心Ｃ１に位置していなくてもよい。この場合であっても、セザワ波用の伝搬路４６の一部とレイリー波用の伝搬路５６の一部とを重複させることで、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０の各素子領域全体の平均温度を互いに近づけることができる。

セザワ波素子４０は、第１実施形態と同様に、圧力等の物理量を検出するための物理量検出用の素子として用いられるものである。レイリー波素子５０は、温度変化による位相変化量を補償するための温度補償用の素子として用いられるものである。

センサチップ２、すなわち、ＳＡＷ材料３が物理量によって歪みを受けたとき、セザワ波素子４０の櫛歯電極４４で励起したＳＡＷの位相に対して、反射器４５で反射して櫛歯電極４４で受信したＳＡＷの位相が変化する。そこで、この位相の変化量をセンサ出力として検出し、検出した位相の変化量に基づいて、圧力等の物理量を検出する。

このとき、上述の通り、セザワ波素子４０は、音弾性効果の影響が小さいので、ＳＡＷ材料３の歪み変化に対するセンサ出力が大きい。一方、レイリー波素子５０は、セザワ波素子４０と比較して音弾性効果の影響が大きいので、ＳＡＷ材料３の歪み変化に対するセンサ出力が小さい。すなわち、レイリー波素子５０は、セザワ波素子４０と比較して、歪み変化に対するセンシング感度が小さい。

ところで、上記した反射遅延型のＳＡＷ素子における位相の変化は、温度変化によっても生じるものであり、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０では温度変化に対する感度、いわゆる温特（温度特性）が一般に異なる。

このため、例えば、第１実施形態と同様に、センサチップ２をダイヤフラム部１１に設置して、圧力等の物理量を検出する場合、測定対象の圧力変化と温度変化によって、センサチップ２が受ける歪みとセンサチップ２の温度とが変化する。この場合、センサ出力は、歪み変化によるセンサ出力分と、温度変化によるセンサ出力分との合計となる。

そこで、セザワ波素子４０のセンサ出力とレイリー波素子５０のセンサ出力とを組み合わせることによって、温度補償が可能となる。すなわち、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０のそれぞれの温特を事前に求めておくことで、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０のそれぞれの温特およびセンサ出力から、各々のセンサ出力に関する連立方程式を解くことができ、セザワ波素子４０のセンサ出力から温度変化によるセンサ出力分をキャンセルすることが可能となる。

以上の説明の通り、本実施形態では、１つのセンサチップ２、すなわち、同じＳＡＷ材料３にセザワ波素子４０とレイリー波素子５０とを形成している。そして、セザワ波素子４０を物理量検出用の素子として用い、レイリー波素子５０を温度補償用の素子として用いている。

ここで、本実施形態と異なり、温度補償用のＳＡＷ素子として、物理量検出用のＳＡＷ素子と同じモードのＳＡＷ素子を用いる場合、温度補償用のＳＡＷ素子が物理量によって歪みを受けてしまうと、両方のＳＡＷ素子のセンサ出力を組み合わせても、温度変化によるセンサ出力分のみをキャンセルすることができない。このため、温度補償用の素子が歪みを受けず、温度補償用の素子が物理量検出用の素子と同じ温度もしくは近い温度となる場所に、温度補償用の素子を配置する必要がある。

しかし、そのような場所を、小さなセンサチップ内に求めることは、一般的に難しいことである。特に、反射遅延型のＳＡＷ素子のように素子領域が大きい場合、１つのセンサチップ内に、そのような場所を選定することは困難である。

これに対して、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０は、歪み変化に対するセンシング感度が異なり、温度変化に対するセンシング感度の違いは、事前にわかっている。このため、歪みを受ける場所にレイリー波素子５０が配置されても、セザワ波素子４０とレイリー波素子５０では、歪み変化に対するセンサ出力が異なるので、両方のセンサ出力を組み合わせることで、温度補償が可能となる。

したがって、本実施形態では、物理量によって歪みを受ける物理量検出用の素子から離れた場所に、温度補償用の素子を配置する必要がない。このため、１つのセンサチップ２内で、物理量検出用の素子４０の近くに温度検出用の素子５０を配置でき、本実施形態のように、両素子４０、５０の伝搬路４６、５６を重複させて、両素子４０、５０を配置することできる。これにより、温度補償用の素子５０を物理量検出用の素子４０と同じ温度にすることができる。このように、本実施形態は、音弾性現象とそのモード依存性を巧みに利用した発明である。

上記した温度補償について、より具体的に説明する。温度補償用のＳＡＷ素子として、物理量検出用のＳＡＷ素子と同じモードのＳＡＷ素子を用いる場合、同じセンサチップ内において、温度補償用のＳＡＷ素子を物理量検出用のＳＡＷ素子から離れた場所に設置する。このとき、温度補償は以下の連立方程式（式６、７）を解くことでなされる。

ｓ１＝αε１＋βＴ１・・・式６
ｓ２＝αε２＋βＴ２・・・式７
なお、ｓ１、ε１、Ｔ１は、それぞれ、物理量検出用のＳＡＷ素子の信号出力、素子設置部の歪み、素子設置部の温度であり、ｓ２、ε２、Ｔ２は、それぞれ、温度補償用のＳＡＷ素子の信号出力、素子設置部の歪み、素子設置部の温度である。また、α、βは、それぞれ、両素子の歪みに対する出力感度、両素子の温度に対する出力感度であり、予め実験によって求められる。

この場合、未知数が４つ（ε１、ε２、Ｔ１、Ｔ２）あるので、上記連立方程式を解くために、一番望ましいのは、Ｔ１＝Ｔ２、ε２＝０となる温度補償用のＳＡＷ素子の設置場所を見つけることであるが、ほとんど不可能である。

ちなみに、上記連立方程式を解くためには、Ｔ１とＴ２の関係がわかっていること（例えば差が常に一定等）、かつ、ε１とε２の関係がわかっていること（ＦＥＭなどで両者の比を求める等）が必要となる。しかし、Ｔ１とＴ２の差は温度が高いほど大きくなるのが普通であり、これが上記連立方程式を解く上で誤差につながってしまう。

これに対して、本実施形態における連立方程式は以下の式８、９で示される。

ｓ１＝α１ε１＋β１Ｔ１・・・式８
ｓ２＝α２ε２＋β２Ｔ２・・・式９
なお、ｓ１、ε１、Ｔ１、ｓ２、ε２、Ｔ２は、式６、７と同じである。α１、β１は、それぞれ、物理量検出用のＳＡＷ素子の歪みに対する出力感度、温度に対する出力感度であり、予め実験によって求められる。α２、β２は、それぞれ、温度補償用のＳＡＷ素子の歪みに対する出力感度、温度に対する出力感度であり、予め実験によって求められる。物理量検出用のＳＡＷ素子がセザワ波素子に対応し、温度補償用のＳＡＷ素子がレイリー波素子５０に対応する。

この場合、α１、α２、β１、β２は事前にわかっており、本実施形態のように、両素子４０、５０の伝搬路４６、５６を重複させて、両素子４０、５０を配置することで、かなりの精度でε１＝ε２、Ｔ１＝Ｔ２と仮定することができる。よって、本実施形態によれば、精度よく上記連立方程式（式８、９）を解くことができる。

なお、本実施形態では、セザワ波用の伝搬路４６の一部とレイリー波用の伝搬路５６の一部とが重複していたが、重複していなくてもよい。セザワ波素子４０とレイリー波素子５０は、両素子領域の温度や歪みが近づくように配置されていればよい。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

（１）上記した各実施形態では、ＳｃＡｌＮ膜８を、サファイア基板７の表面上に直接形成したが、サファイア基板７の表面上にＳｉＯ_２膜等を介して形成してもよい。

（２）上記した各実施形態では、櫛歯電極４等の電極を、ＳｃＡｌＮ膜８の上面８ａに形成したが、ＳｃＡｌＮ膜８の下面、すなわち、ＳｃＡｌＮ膜８とサファイア基板７の間に形成してもよい。

（３）上記した各実施形態では、ＳＡＷ素子の電極構造を、反射遅延型としたが、トランスバーサルフィルタ型や共振型としてもよい。

トランスバーサル型の場合、電極として、駆動してＳＡＷを励振する駆動用の櫛歯電極と、ＳＡＷを受信する受信用の櫛歯電極とがＳＡＷ材料に形成される。この場合、受信用の櫛歯電極が、ＳＡＷを励振する櫛歯電極に対応して設けられる対応電極である。

共振型の場合、電極として、少なくとも駆動用の櫛歯電極がＳＡＷ材料に形成される。この場合、第１実施形態に記載の式１の説明において、ｓは、共振周波数変化量／荷重であり、ｓ_ｅは、伝搬路長の伸びによる共振周波数変化量／荷重である。

（４）上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。例えば、第５実施形態を第１実施形態だけでなく、第２〜第４実施形態と組み合わせてもよい。

（５）また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

３ 弾性表面波材料
４ 櫛歯電極
７ サファイア基板
８ ＳｃＡｌＮ膜
４０ セザワ波素子（物理量検出用の素子）
４４ セザワ波用の櫛歯電極
４６ セザワ波用の伝搬路
５０ レイリー波素子（温度補償用の素子）
５４ レイリー波用の櫛歯電極
５６ レイリー波用の伝搬路

Claims (7)

1. 物理量によって歪みが与えられる場所に設置される弾性表面波材料（３）と、
   前記弾性表面波材料に形成され、前記弾性表面波材料に弾性表面波を励振させる櫛歯電極（４、４４、５４）とを備え、
   前記弾性表面波材料は、サファイア基板（７）と、前記サファイア基板の表面上に形成されたＳｃＡｌＮ膜（８）とを有する構造であることを特徴とする弾性表面波式センサ。
2. 前記弾性表面波材料は、前記弾性表面波材料に対して、弾性表面波の伝搬方向（Ｄ１）の応力（σ_Ｌ）と弾性表面波の伝搬方向に垂直な方向（Ｄ２）の応力（σ_Ｔ）がかかる場所に設置されることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波式センサ。
3. 前記弾性表面波として、セザワ波を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波式センサ。
4. 前記櫛歯電極として、セザワ波を励振させるセザワ波用の櫛歯電極（４４）と、レイリー波を励振させるレイリー波用の櫛歯電極（５４）とを備え、
   前記セザワ波用の櫛歯電極が、物理量検出用の素子（４０）を構成し、
   前記レイリー波用の櫛歯電極が、温度補償用の素子（５０）を構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波式センサ。
5. 前記セザワ波用の櫛歯電極と前記レイリー波用の櫛歯電極は、前記櫛歯電極を構成する複数の櫛歯部（４４ａ、５４ａ）のピッチ（ｐ１、ｐ２）が異なるとともに、前記櫛歯電極を駆動するための駆動用信号の周波数が同一となるように、前記ピッチが設定されていることを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波式センサ。
6. 前記セザワ波用の櫛歯電極に対応して前記弾性表面波材料に設けられ、前記セザワ波用の櫛歯電極によって励振されたセザワ波を受信または反射するセザワ波用の対応電極（４５）と、
   前記弾性表面波材料のうち前記セザワ波用の櫛歯電極と前記セザワ波用の対応電極との間をセザワ波が伝搬するセザワ波用の伝搬路（４６）と、
   前記レイリー波用の櫛歯電極に対応して前記弾性表面波材料に設けられ、前記レイリー波用の櫛歯電極によって励振されたレイリー波を受信または反射するレイリー波用の対応電極（５５）と、
   前記弾性表面波材料のうち前記レイリー波用の櫛歯電極と前記レイリー波用の対応電極との間をレイリー波が伝搬するレイリー波用の伝搬路（５６）とを備え、
   前記セザワ波用の伝搬路の一部と前記レイリー波用の伝搬路の一部とが重複していることを特徴とする請求項４または５に記載の弾性表面波式センサ。
7. 前記サファイア基板は、基板表面の面方位がＣ面であり、前記弾性表面波の伝搬方向がａ面内またはａ面に対して６０°単位で回転した方向であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の弾性表面波式センサ。

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