JP2021032676A - Recognition signal generation element and element recognition system - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態は、弾性表面波を利用した認識信号生成素子及び素子認識方法に関する。 The embodiment relates to a recognition signal generation element using surface acoustic waves and an element recognition method.
近年、弾性表面波(SAW:Surface Acoustic Wave)を利用したセンシング技術が開発されており、その技術を利用したデバイスとして電源不要のパッシブSAWセンサが知られている。このパッシブSAWセンサは、半導体デバイスとは違ってDCバイアスは必要とせず、所望の周波数の高周波信号のみで駆動できる。一方で、複数のパッシブSAWセンサを用いて同時にセンシングを行う場合には、個々のセンサをいかに識別するかが問題となる。 In recent years, a sensing technology using surface acoustic wave (SAW) has been developed, and a passive SAW sensor that does not require a power supply is known as a device using the technology. Unlike semiconductor devices, this passive SAW sensor does not require a DC bias and can be driven only by a high frequency signal of a desired frequency. On the other hand, when sensing is performed simultaneously using a plurality of passive SAW sensors, how to identify each sensor becomes a problem.
例えば、下記特許文献1に記載のSAWセンサでは、圧電基板上に検出用弾性表面波に加えて識別用弾性表面波を励起する識別用弾性表面波素子を有している。この識別用弾性表面波素子は、識別周波数に対する識別用弾性表面波の反射の周波数特性を変えたり、識別用弾性表面波の伝搬距離を変えたりすることでSAWセンサの識別を可能にしている。 For example, the SAW sensor described in Patent Document 1 below has a surface acoustic wave element for identification that excites a surface acoustic wave for identification in addition to a surface acoustic wave for detection on a piezoelectric substrate. This surface acoustic wave element for identification enables identification of a SAW sensor by changing the frequency characteristic of reflection of the surface acoustic wave for identification with respect to the identification frequency and changing the propagation distance of the surface acoustic wave for identification.
また、下記非特許文献1に記載のSAWセンサでは、圧電基板上に設けられ、アンテナを経由して受信した高周波信号を基に弾性表面波を励起する励起電極と、圧電基板上にその励起電極から特定の距離で分離して配置された複数の反射電極とが用いられている。このような構成により、複数の反射電極の配置パターンに応じた反射信号がアンテナを経由して受信されるため、SAWセンサの識別が可能となる。 Further, in the SAW sensor described in Non-Patent Document 1 below, an excitation electrode provided on the piezoelectric substrate and exciting a surface acoustic wave based on a high frequency signal received via an antenna, and an excitation electrode thereof on the piezoelectric substrate. A plurality of reflective electrodes arranged separately from the above at a specific distance are used. With such a configuration, since the reflected signal corresponding to the arrangement pattern of the plurality of reflecting electrodes is received via the antenna, the SAW sensor can be identified.
最近では、SAWセンサにアンテナを設け、外部の送受信装置から複数のSAWセンサに向けて無線で高周波信号を送信し、送受信装置において複数のSAWセンサからの信号を無線で受信することも行われている。しかしながら、上述した非特許文献1に記載のSAWセンサの構成では、複数の反射電極間の多重反射が生じてしまうため実際の反射信号には多重反射によるダミー信号も含まれてしまう結果、SAWセンサの識別の精度が低下してしまう場合がある。 Recently, an antenna is provided in the SAW sensor, a high-frequency signal is wirelessly transmitted from an external transmitter / receiver to a plurality of SAW sensors, and the transmitter / receiver wirelessly receives signals from the plurality of SAW sensors. There is. However, in the configuration of the SAW sensor described in Non-Patent Document 1 described above, multiple reflections occur between a plurality of reflecting electrodes, so that the actual reflected signal includes a dummy signal due to the multiple reflections. As a result, the SAW sensor The accuracy of identification may decrease.
また、上述した特許文献1に記載のSAWセンサの構成においても、多くのSAWセンサ間の識別を可能にするためには、識別用弾性表面波素子に設ける反射電極の周波数特性を様々設定したり、識別用弾性表面波素子における反射電極の位置あるいは反射電極に接続するインピーダンスを様々に設定する必要がある。その結果、多くのSAWセンサを識別可能にするためには、識別用の素子構造が複雑化する傾向にある。 Further, even in the configuration of the SAW sensor described in Patent Document 1 described above, in order to enable discrimination among many SAW sensors, various frequency characteristics of the reflective electrode provided on the surface acoustic wave element for identification may be set. , It is necessary to set various positions of the reflecting electrode or the impedance connected to the reflecting electrode in the surface acoustic wave element for identification. As a result, in order to make many SAW sensors distinguishable, the element structure for identification tends to be complicated.
そこで、実施形態は、上記課題に鑑みて為されたものであり、構成を複雑化させることなく複数の素子間の精度の高い識別を可能にする認識信号生成素子及び素子認識方法を提供することを目的とする。 Therefore, the embodiment has been made in view of the above problems, and provides a recognition signal generation element and an element recognition method that enable highly accurate identification between a plurality of elements without complicating the configuration. With the goal.
上記課題を解決するため、本発明の一側面にかかる認識信号生成素子は、平面形状を有する圧電体と、圧電体の表面上に形成され、外部から受信した所定周波数の交流信号に応じて表面上に弾性表面波を励振させるための励振電極と、少なくとも励振電極に電気的に接続され、交流信号を受信して弾性表面波を生じさせ、弾性表面波に応じて生じる信号を外部に送信する少なくとも1つのアンテナと、表面上に励振電極から分離して形成され、弾性表面波を受けて信号を生じさせる第1の電極と、表面上において励振電極と第1の電極との間に形成された薄膜と、センサに電気的に接続された電極であって、表面上に励振電極から分離して形成され、弾性表面波を励振電極から受けて信号を生じさせる第2の電極と、を備える。 In order to solve the above problems, the recognition signal generation element according to one aspect of the present invention is formed on the surface of the piezoelectric body having a planar shape and the surface of the piezoelectric body, and responds to an AC signal of a predetermined frequency received from the outside. It is electrically connected to an excitation electrode for exciting surface acoustic waves above, and at least to the excitation electrode, receives an AC signal to generate a surface acoustic wave, and transmits a signal generated in response to the surface acoustic wave to the outside. At least one antenna, a first electrode formed on the surface separately from the excitation electrode and receiving a surface acoustic wave to generate a signal, and formed on the surface between the excitation electrode and the first electrode. A thin film and a second electrode which is an electrode electrically connected to the sensor and is formed on the surface separately from the excitation electrode and receives a surface acoustic wave from the excitation electrode to generate a signal. ..
上記形態の認識信号生成素子によれば、圧電体上の励振電極に外部からアンテナを介して所定周波数の交流信号が印加されることにより、圧電体上において励振電極から弾性表面波が励起され、その弾性表面波が第1の電極及び第2の電極に向けて圧電体上を伝搬される。そして、弾性表面波を第1の電極が受けることで第1の信号が生成され、第1の信号がアンテナを経由して外部に送信される一方、弾性表面波を第2の電極が受けることで第2の信号が生成され、第2の信号が励振電極及びアンテナを経由して外部に送信される。第2の電極にはセンサが電気的に接続されているので、第2の信号を受信した外部の送受信装置により、第2の信号を用いた所望の測定変数のセンシングが可能にされる。それに加えて、励振電極と第1の電極との間の圧電体上に薄膜が設けられているので、外部の送受信装置が薄膜の特性に応じた遅延時間の第1の信号を受信することができ、外部の送受信装置におけるその遅延時間に基づいたセンサ素子の識別が可能となる。これにより、識別用の弾性表面波を発生させるための構成を複雑化させることなく、複数のセンサ素子間の精度の高い識別を実現できる。 According to the recognition signal generation element of the above embodiment, a surface acoustic wave is excited from the excitation electrode on the piezoelectric body by applying an AC signal of a predetermined frequency from the outside to the excitation electrode on the piezoelectric body via an antenna. The surface acoustic wave is propagated on the piezoelectric body toward the first electrode and the second electrode. Then, the first electrode receives the surface acoustic wave to generate the first signal, and the first signal is transmitted to the outside via the antenna, while the second electrode receives the surface acoustic wave. A second signal is generated at, and the second signal is transmitted to the outside via the excitation electrode and the antenna. Since the sensor is electrically connected to the second electrode, an external transmitter / receiver that receives the second signal enables sensing of a desired measurement variable using the second signal. In addition, since the thin film is provided on the piezoelectric body between the excitation electrode and the first electrode, the external transmitter / receiver may receive the first signal with a delay time according to the characteristics of the thin film. It is possible to identify the sensor element based on the delay time in the external transmission / reception device. As a result, highly accurate identification between a plurality of sensor elements can be realized without complicating the configuration for generating an elastic surface wave for identification.
ここで、第1の電極は、弾性表面波を励振電極に向けて反射させ、少なくとも1つのアンテナは、反射された弾性表面波によって励振電極で生じる反射信号を外部に送信する、こととしてもよい。このような構成とすれば、弾性表面波が第1の電極で反射されて反射信号が生成され、反射信号が励振電極及びアンテナを経由して第1の信号として外部に送信される。この場合も外部の送受信装置における第1の信号の遅延時間に基づいたセンサ素子の識別が可能となり、アンテナの個数を削減できて構成の簡素化が可能となる。 Here, the first electrode may reflect the surface acoustic wave toward the excitation electrode, and at least one antenna may transmit the reflected signal generated at the excitation electrode by the reflected surface acoustic wave to the outside. .. With such a configuration, the surface acoustic wave is reflected by the first electrode to generate a reflected signal, and the reflected signal is transmitted to the outside as a first signal via the excitation electrode and the antenna. In this case as well, the sensor elements can be identified based on the delay time of the first signal in the external transmission / reception device, the number of antennas can be reduced, and the configuration can be simplified.
また、薄膜は、励振電極と第1の電極との配列方向に沿って矩形状をなしている、こととしてもよい。こうすれば、励振電極から発生し第1の電極に向けて伝搬する弾性表面波に対して、質量負荷効果を安定して与えることができ、外部装置によるセンサ素子の識別が安定化される。 Further, the thin film may have a rectangular shape along the arrangement direction of the excitation electrode and the first electrode. By doing so, the mass loading effect can be stably given to the surface acoustic wave generated from the excitation electrode and propagated toward the first electrode, and the identification of the sensor element by the external device is stabilized.
また、励振電極は、噛み合わせて配置された2つの櫛型の電極を有し、薄膜は、励振電極と第1の電極との配列方向に垂直な方向において、2つの櫛型の電極の噛み合わせ部分より広くなるように形成されている、こととしてもよい。この場合、励振電極から発生し第1の電極に向けて伝搬する弾性表面波に対して、質量負荷効果を効率的に与えることができ、外部装置によるセンサ素子の識別の精度をより高めることができる。 Further, the excitation electrode has two comb-shaped electrodes arranged in mesh with each other, and the thin film meshes the two comb-shaped electrodes in a direction perpendicular to the arrangement direction of the excitation electrode and the first electrode. It may be formed so as to be wider than the mating portion. In this case, the mass loading effect can be efficiently given to the surface acoustic wave generated from the excitation electrode and propagated toward the first electrode, and the accuracy of identification of the sensor element by the external device can be further improved. it can.
また、薄膜は、金属あるいは誘電体材料を含むものであってもよい。この場合には、薄膜による質量負荷効果を安定化することができ、外部装置によるセンサ素子の識別を安定化することができる。 Further, the thin film may contain a metal or a dielectric material. In this case, the mass load effect of the thin film can be stabilized, and the identification of the sensor element by the external device can be stabilized.
また、薄膜は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、あるいは、金、銀、銅、アルミニウム、及び白金のうちのいずれかの合金を含むものであってもよい。この場合、圧電体上に薄膜を容易に形成することができる。 Further, the thin film may contain an alloy of gold, silver, copper, aluminum, platinum, or any of gold, silver, copper, aluminum, and platinum. In this case, a thin film can be easily formed on the piezoelectric body.
あるいは、本発明の他の側面の素子認識システムは、上述した認識信号生成素子と、認識信号生成素子に向けて交流信号を送信し、弾性表面波に応じて第1の電極及び第2の電極によって生じる第1の信号及び第2の信号のそれぞれを少なくとも1つのアンテナを経由して受信し、交流信号と第1の信号との間の位相差あるいは時間差を基に認識信号生成素子を識別し、第2の信号を用いてセンシングする送受信装置と、を備える。 Alternatively, the element recognition system of another aspect of the present invention transmits an AC signal to the above-mentioned recognition signal generation element and the recognition signal generation element, and the first electrode and the second electrode correspond to the surface acoustic wave. Each of the first signal and the second signal generated by the above is received via at least one antenna, and the recognition signal generating element is identified based on the phase difference or time difference between the AC signal and the first signal. , A transmission / reception device for sensing using a second signal.
上記形態の素子認識システムによれば、第2の信号を受信した外部の送受信装置により、第2の信号を用いた所望の測定変数のセンシングが可能にされる。それに加えて、外部の送受信装置が薄膜の特性に応じた遅延時間の第1の信号を受信することができ、外部の送受信装置が交流信号と第1の信号との間の位相差あるいは時間差を基に、第1の信号の遅延時間を評価することができる。そして、外部の送受信装置において、遅延時間の評価結果を基に個々の認識信号生成素子の識別が可能となる。その結果、識別用の弾性表面波を発生させるための構成を複雑化させることなく、複数のセンサ素子間の精度の高い識別を実現できる。 According to the element recognition system of the above-described embodiment, the external transmission / reception device that has received the second signal enables sensing of a desired measurement variable using the second signal. In addition, an external transmitter / receiver can receive the first signal with a delay time according to the characteristics of the thin film, and the external transmitter / receiver can make a phase difference or time difference between the AC signal and the first signal. Based on this, the delay time of the first signal can be evaluated. Then, in the external transmission / reception device, each recognition signal generation element can be identified based on the evaluation result of the delay time. As a result, highly accurate identification between a plurality of sensor elements can be realized without complicating the configuration for generating an elastic surface wave for identification.
ここで、送受信装置は、位相差あるいは時間差とに基づいて、薄膜の材料、励振電極と第1の電極との配列方向における薄膜の長さ、薄膜の厚さ、及び弾性表面波の励振周波数のいずれかを判定することにより、認識信号生成素子を識別する、ことが好ましい。かかる構成によれば、薄膜の材料、長さ、厚さ、あるいは、認識信号生成素子における励振周波数のいずれかを様々に設定した複数の認識信号生成素子を用いてセンシングを行う場合に、複数の認識信号生成素子を精度よく識別することができる。加えて、認識信号生成素子において所望の特性の薄膜を容易に加工することができる。 Here, the transmitter / receiver determines the material of the thin film, the length of the thin film in the arrangement direction of the excitation electrode and the first electrode, the thickness of the thin film, and the excitation frequency of the surface acoustic wave based on the phase difference or the time difference. It is preferable to identify the recognition signal generating element by determining any of them. According to such a configuration, when sensing is performed using a plurality of recognition signal generation elements in which any of the thin film material, length, thickness, or excitation frequency in the recognition signal generation element is set variously, a plurality of recognition signal generation elements are used. The recognition signal generation element can be identified with high accuracy. In addition, a thin film having desired characteristics can be easily processed in the recognition signal generation element.
また、上記形態の素子認識システムは、認識信号生成素子を複数備え、複数の認識信号生成素子の間で、薄膜の材料、薄膜の長さ、薄膜の厚さ、及び励振周波数のいずれかの値が異なっている、ことも好ましい。このように、様々な弾性表面波の伝搬特性を有する認識信号生成素子を複数備える構成によれば、複数の認識信号生成素子をより精度よく識別することができる。 Further, the element recognition system of the above embodiment includes a plurality of recognition signal generation elements, and among the plurality of recognition signal generation elements, any value of the thin film material, the thin film length, the thin film thickness, and the excitation frequency. Are different, it is also preferable. As described above, according to the configuration including a plurality of recognition signal generation elements having various surface acoustic wave propagation characteristics, the plurality of recognition signal generation elements can be identified more accurately.
実施形態によれば、構成を複雑化させることなく複数の素子間の精度の高い識別を可能にする。 According to the embodiment, it enables highly accurate identification between a plurality of elements without complicating the configuration.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る認識信号生成素子及び素子認識システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。 Hereinafter, preferred embodiments of the recognition signal generation element and the element recognition system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. In addition, each drawing is created for the purpose of explanation, and is drawn so as to particularly emphasize the target part of the explanation. Therefore, the dimensional ratio of each member in the drawing does not always match the actual one.
実施形態にかかるセンシングシステム100に含まれる弾性波デバイスであるSAWセンサ2は、弾性表面波(Surface Acoustic Wave: SAW)を利用して所定の測定パラメータ(測定変数)を検出するための装置である。この測定パラメータは、傾斜状態を示す数値、振動状態を示す数値、温度、湿度、圧力等であるが、特定のパラメータには限定されない。ここで、弾性表面波とは、弾性体の表面を伝搬する縦波と横波からなる波動である。
The
図1には、本実施形態にかかる素子認識システムであるセンシングシステム100の概略構成を示している。同図に示すように、センシングシステム100は、無線で所定周波数の交流信号をSAWセンサ2との間で送受信可能に構成される送受信装置1と、送受信装置1から送信された交流信号を受信し、その交流信号に応じて反射信号を生成してその反射信号を送受信装置1に送信可能に構成される複数のSAWセンサ2を含んで構成される。反射信号は送受信装置1から送信された交流信号と同一周波数の交流信号である。送受信装置1とSAWセンサ2との間で送受信する交流信号の周波数は、特定の周波数には限定されないが、例えば、特定小電力帯の920MHz帯の周波数に設定される。これらの複数のSAWセンサ2のそれぞれは、本実施形態に係る認識信号生成素子を構成する。このようなセンシングシステム100によれば、送受信装置1と複数のSAWセンサ2との間が無線で接続されるので、有線で接続することが困難な複数の箇所を対象としたセンシングが可能とされる。センシングシステム100の用途としては、橋梁、トンネル、高速道路法面、建造物等の各種状態のセンシングが必要とされる建築・土木・防災分野のほか、車内、室内の環境センサの分野での利用が挙げられる。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a
次に、SAWセンサ2の構成について説明する。図2は、SAWセンサ2を圧電基板の表面側から見た平面図、図3は、図2のSAWセンサ2のIII−III線に沿った断面図である。SAWセンサ2は、矩形平板状(平面形状)に形成された圧電基板(圧電体)3と、圧電基板3の表面3a上に形成された励振電極4、第1反射電極(第1の電極)5、第2反射電極(第2の電極)6、及び質量負荷膜(薄膜)7と、アンテナ8と、を備える。なお、ここで圧電基板3の表面3aは、弾性表面波が伝搬する伝搬面を示す。
Next, the configuration of the
圧電基板3は、圧電効果によって弾性表面波を発生させる結晶体、例えば、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、水晶、ランガサイト系材料、等により構成されている。なお、圧電基板3は、縦波を含む弾性波を発生する基板、例えば、PZTなどの圧電セラミックス、又は、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)等からなる圧電薄膜をガラス、シリコン等からなる基板の表面に全体的或いは部分的に積層したものでものであってもよい。また、圧電基板3は、圧電効果を生じる高分子基板であってもよい。なお、圧電効果とは、水晶等の結晶に力又は電場を加えた場合に、その力又は電場に応じた電圧又は歪が生じる現象である。
The
励振電極4は、圧電基板3の表面3a上の一方の端部(図2における左端部)と他方の端部(図2における右端部)の間の中央部に設けられた一対の電極部材である。励振電極4は、圧電基板3に弾性表面波を励振するための電極であり、2つの櫛型のすだれ状電極(IDT:Interdigital Transducer)4a,4bによって構成されている。具体的には、2つのすだれ状電極4a,4bは、それぞれ、圧電基板3の一方の端部に垂直な方向に沿って直線状に延びる基部と、その基部から直交する方向に互いに平行に延びる複数の電極指とを有しており、2つのすだれ状電極4a,4bは、一方の電極指と他方の電極指とが圧電基板3の一方の端部に垂直な方向に交互に並ぶように配置されている。言い換えれば、2つのすだれ状電極4a,4bが噛み合った状態で形成されている。この励振電極4は、Al,Au,Cu,Cr,Ti,Pt等の金属単体、又はこれらの合金によって構成されており、フォトリソグラフィー、スパッタ法などにより圧電基板3の表面3aに形成される。また、励振電極4の一方のすだれ状電極4aは、アンテナ8に電気的に接続され、他方のすだれ状電極4bは接地されている。このような構成の励振電極4は、アンテナ8によって印加された交流信号に応じて、表面3a上に弾性表面波を励振する。励振電極4が励振可能な交流信号の周波数(励振周波数)は、2つのすだれ状電極4a,4bの形状によって所定の周波数範囲に限定される。すなわち、励振電極4は、表面3aの中央部から一方の端部に向かう方向と、表面3aの中央部からの他方の端部に向かう方向との二つの方向に伝搬する弾性表面波を生成する。
The
アンテナ8は、励振電極4の一方のすだれ状電極4aに電気的に接続され、送受信装置1から交流信号を無線で受信し、その交流信号を電気信号に変換して励振電極4に印加する。また、アンテナ8は、交流信号を基に生成された弾性表面波に対する反射信号を、励振電極4を経由して電気信号として受け、その反射信号を無線信号に変換して送受信装置1に送信する。
The
第1反射電極5は、圧電基板3の表面3a上の他方の端部(図2における右端部)において、励振電極4に対向するように励振電極4から分離して形成された導電部材であり、励振電極4によって生成された弾性表面波を受けてそれに対する反射波を生成するための反射器の役割を有する。具体的には、第1反射電極5は、表面3a上の他方の端部に沿って並列に延び、互いに一体化された複数の直線部5aを有する短絡型電極である。これらの直線部5aは、励振電極4を構成する2つのすだれ状電極4a,4bの電極指に対して、表面3a上の他方の端部に沿った方向における形成範囲が重なるように形成されている。なお、第1反射電極5は、励振電極4と同様に2つのすだれ状電極によって構成されていてもよい。第1反射電極5は、励振電極4と同様な金属単体あるいは合金によって構成され、励振電極4と同様な形成方法によって形成される。
The first
質量負荷膜7は、表面3a上において励振電極4と第1反射電極5との間に、励振電極4及び第1反射電極5から分離されて形成される矩形状の膜部材(薄膜)である。詳細には、質量負荷膜7は、励振電極4と第1反射電極5との配列方向(表面3a上の他方の端部に垂直な方向)に沿って延びており、その配列方向に垂直な方向における形成範囲が、励振電極4の2つのすだれ状電極4a、4bの電極指の噛み合わせ部分(電極指の重複部分)R1よりも広くなるように形成されている。この質量負荷膜7は、圧電基板3に質量負荷効果を発生させうる材料によって形成されており、金(Au)、銀(Ag)、銅(Au)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)等の金属、それらの金属のうちのいずれかを含む合金、あるいは、二酸化ケイ素(SiO2)、ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)を代表とする高分子系材料等の誘電体材料によって構成される。ここでいう「質量負荷効果」とは、圧電基板3上に付着する物質の質量に比例して圧電基板3における固有振動周波数を減少させる性質のことを示す。
The mass-loaded
第2反射電極6は、圧電基板3の表面3a上の一方の端部(図2における左端部)において、励振電極4に対向するように励振電極4から分離して形成された電極部材であり、励振電極4によって生成された弾性表面波に対する反射波を生成するための反射器の役割を有する。具体的には、第2反射電極6は、励振電極4と同様な構成を有し、2つすだれ状電極6a,6bを有する。これらのすだれ状電極6a,6bは、励振電極4を構成する2つのすだれ状電極4a,4bの電極指と同一方向に伸びる電極指を有し、表面3a上の一方の端部に沿った方向における電極指の形成範囲が、励振電極4と重なるように形成されている。第2反射電極6は、励振電極4と同様な金属単体あるいは合金によって構成され、励振電極4と同様な形成方法によって形成される。
The second
さらに、これらのすだれ状電極6a,6bには、インピーダンス変化型のセンサ素子10の両端が電気的に接続されている。センサ素子10は、傾斜量、振動量、湿度、温度、圧力等の所定の測定パラメータを検出する素子であり、測定パラメータの変化に応じてインピーダンスが変化する性質を有する。例えば、振動量を検出するセンサ素子10は、振動発電素子とその振動発電素子の出力に応じてインピーダンスを変化させるバリアブルダイオード等を含んで構成される。なお、センサ素子10は、インピーダンス変化型のセンサに限定されるものではなく、電圧変化型、電流変化型、磁気変化型の他のタイプのセンサであってもよい。
Further, both ends of the impedance change
上記のような構成のSAWセンサ2においては、複数のSAWセンサ2の中から1つのSAWセンサ2を識別するための認識用伝搬路MP1と、測定パラメータの測定するための計測用伝搬路MP2とが構成される。すなわち、圧電基板3の表面3a上の励振電極4と第1反射電極5との間に認識用伝搬路MP1が形成され、圧電基板3の表面3a上の励振電極4と第2反射電極6との間に計測用伝搬路MP2が形成される。
In the
次に、センシングシステム100におけるSAWセンサ2の識別機能及び測定パラメータの検出機能について説明する。送受信装置1は、SAWセンサ2から送信された反射信号を基にした、SAWセンサ2の識別機能及び測定パラメータの検出機能を有している。
Next, the identification function of the
まず、送受信装置1によるSAWセンサ2の識別機能について説明する。
First, the identification function of the
送受信装置1は、ユーザの指示等を契機とした所定のタイミングで、送受信装置1からSAWセンサ2に向けて交流信号が送信する。その結果、SAWセンサ2の励振電極4によって認識用伝搬路MP1と計測用伝搬路MP2の両方に弾性表面波が励起される。これに対して、第1反射電極5から励振電極4に向けて反射波(第1の信号)が発生するが、認識用伝搬路MP1における弾性表面波およびその反射波の伝搬速度は、質量負荷膜7によって生じる質量負荷効果の違いによって変化する。
The transmission / reception device 1 transmits an AC signal from the transmission / reception device 1 to the
ここで、圧電基板3の材料をタンタル酸リチウム(128YX−LiTaO3)と仮定した場合の弾性表面波の伝搬速度の質量負荷効果による変化量は、下記の式(1)によって与えられる。 Here, when the material of the piezoelectric substrate 3 is assumed to be lithium tantalate (128YX-LiTaO 3 ), the amount of change due to the mass loading effect of the propagation velocity of the surface acoustic wave is given by the following equation (1).
上記式(1)中、ΔV/Vは速度変化率、Vは非摂動時の弾性表面波の伝搬速度、hは質量負荷膜の厚さ、Pは圧電結晶の単位幅当たりのパワーフロー、ρ’は質量負荷膜の密度、λ’、μ’はラメの定数、ν1は弾性表面波の伝搬方向の粒子速度、ν3は弾性表面波の伝搬方向と伝搬面に垂直な方向の粒子速度である。圧電基板3の材料がタンタル酸リチウム(128YX−LiTaO3)であり、励振の角周波数がωの場合には、
V=3884.4m/s、
ν1/sqrt(P)=2.2065E−06×sqrt(ω)、
ν3/sqrt(P)=2.9468E−06×sqrt(ω)
で与えられるので、質量負荷膜の材料定数に対して速度変化ΔVを計算することができる。さらに、その速度変化ΔVを基に、質量負荷膜7の伝搬方向(励振電極4と第1反射電極5の配列方向)の長さLを考慮すれば、励振電極4と第1反射電極5との間を往復する反射波の伝搬時間差Δtを計算することができる。
In the above equation (1), ΔV / V is the rate of change in velocity, V is the propagation velocity of surface acoustic waves when not perturbed, h is the thickness of the mass-loaded film, P is the power flow per unit width of the piezoelectric crystal, and ρ. 'Is the density of the mass-loaded film, λ'and μ'are the constants of lame, ν 1 is the particle velocity in the surface acoustic wave propagation direction, and ν 3 is the particle velocity in the surface acoustic wave propagation direction and the direction perpendicular to the propagation plane. Is. When the material of the
V = 3884.4 m / s,
ν 1 / square (P) = 2.2065E-06 × square (ω),
ν 3 / square (P) = 2.9468E-06 × square (ω)
Since it is given by, the velocity change ΔV can be calculated with respect to the material constant of the mass-loaded membrane. Further, if the length L in the propagation direction of the mass load film 7 (arrangement direction of the
例えば、質量負荷膜7の長さL=100μm、質量負荷膜7の材料をAuとし、質量負荷膜7の厚さhを様々に変更した場合、各励振周波数に対する伝搬時間差Δtは、下記の表1のように計算できる。
For example, when the length L of the mass-loaded
また、上記の場合に対して質量負荷膜7の長さL=500μmに変更した場合には、各励振周波数に対する伝搬時間差Δtは、下記の表2のように計算できる。
Further, when the length L of the
さらに、表1の場合に対して質量負荷膜7の材料をAlに変更した場合、各励振周波数に対する伝搬時間差Δtは、下記の表3のように計算でき、表2の場合に対して質量負荷膜7の材料をAlに変更した場合、各励振周波数に対する伝搬時間差Δtは、下記の表4のように計算できる。
Further, when the material of the
表1〜表4の計算結果に示すように、同じ励振周波数であっても質量負荷膜7の膜厚hあるいは材料を変えると伝搬時間差Δtが異なる。
As shown in the calculation results of Tables 1 to 4, the propagation time difference Δt is different when the film thickness h or the material of the
上記の理論式(1)の計算結果を利用して、送受信装置1は複数のSAWセンサ2の中からそれぞれのSAWセンサ2を識別することができる。すなわち、同じ厚さh、長さLで材料の異なる質量負荷膜7が形成され、弾性表面波の励振周波数が同一の複数のSAWセンサ2を用意しておけば、それぞれのSAWセンサ2を対象に検出した伝搬時間差Δtから質量負荷膜7の材料が判定でき、その判定結果からそれぞれのSAWセンサを識別することができる。具体的には、膜なし、材料A、及び材料Bの質量負荷膜7が形成された3つのSAWセンサ2を用意しておけば、3つのSAWセンサ2を識別できる。また、同じ厚さh、材料で長さLの異なる質量負荷膜7が形成され、励振周波数が同一の複数のSAWセンサ2を用意しておいても、長さLを判定することによりそれぞれのSAWセンサ2を識別することができる。また、同じ長さL、材料で厚さhの異なる質量負荷膜7が形成され、励振周波数が同一の複数のSAWセンサ2を用意しておいても、厚さhを判定することによりそれぞれのSAWセンサ2を識別することができる。また、同じ長さL、同じ材料、同じ厚さhの質量負荷膜7が形成され、励振周波数が異なる複数のSAWセンサ2を用意しておいても、交流信号の周波数を変更しながらそれぞれの励振周波数を判定することによりそれぞれのSAWセンサ2を識別することができる。さらに、これらの材料、長さL、厚さh、励振周波数の複数のパラメータを組み合わせて、センサ間でいずれかのパラメータの値が異なるように構成された複数のSAWセンサ2を用いれば、さらに多くの数のSAWセンサ2を識別することができる。
Using the calculation result of the above theoretical formula (1), the transmission / reception device 1 can identify each
具体的には、送受信装置1がSAWセンサ2を識別する際には、SAWセンサ2に向けて送信した交流信号の基となった基準信号の時間波形と、そのSAWセンサ2から認識用伝搬路MP1を経由して受信した反射信号の時間波形との位相差を検出する。図4には、送受信装置1が検出する基準信号及び反射信号の時間波形WF0,WF1のイメージを示す。送受信装置1は、理論式(1)で計算される伝搬時間差Δtの値を参照しながら、複数のSAWセンサ2を対象に検出された基準信号と反射信号の位相差から計算される伝搬時間差を相対的に比較することにより、それぞれのSAWセンサ2を識別することができる。
Specifically, when the transmission / reception device 1 identifies the
次に、送受信装置1による測定パラメータの検出機能の処理手順について説明する。送受信装置1においては、上述のようにして識別されたSAWセンサ2からの計測用伝搬路MP2を経由した反射信号(第2の信号)が受信される。この反射信号においては、センサ素子10の測定パラメータの変化によるインピーダンス変化に応じて反射率が変化している。このような性質を使用して、送受信装置1は、反射信号の振幅の変化を検出することにより、測定パラメータを検出することができる。
Next, the processing procedure of the measurement parameter detection function by the transmission / reception device 1 will be described. In the transmission / reception device 1, the reflected signal (second signal) from the
本実施形態による作用効果について説明する。 The action and effect of this embodiment will be described.
本実施形態のセンシングシステム100によれば、SAWセンサ2から反射信号を受信した送受信装置1により、計測用伝搬路MP2を経由した反射信号を用いた所望の測定パラメータのセンシングが可能にされる。それに加えて、送受信装置1が質量負荷膜7の特性に応じた伝搬時間差Δtを持つ認識用伝搬路MP1を経由した反射信号を受信することができ、送受信装置1が交流信号の基となった基準信号とその反射信号との間の位相差を基に、反射信号の遅延時間を評価することができる。そして、送受信装置1において、遅延時間の評価結果を相対的に比較することにより個々のSAWセンサ2の識別が可能となる。その結果、識別用の弾性表面波を発生させるための構成を複雑化させることなく、複数のSAWセンサ2間の精度の高い識別を実現できる。
According to the
ここで、送受信装置1は、質量負荷膜7の材料、励振電極4と第1反射電極5との配列方向における質量負荷膜7の長さL、及び質量負荷膜7の厚さhを基に計算される伝搬時間差Δtの計算値と、基準信号と反射信号との位相差とに基づいてSAWセンサ2を識別している。このような機能により、質量負荷膜7の材料、長さL、あるいは、厚さhのいずれかを様々に設定した複数のSAWセンサ2を用いてセンシングを行う場合に、複数のSAWセンサ2を精度よく識別することができる。加えて、SAWセンサ2において所望の特性の質量負荷膜7を容易に加工することができる。
Here, the transmission / reception device 1 is based on the material of the
本実施形態のSAWセンサ2の構成によれば、圧電基板3上の励振電極4に外部からアンテナ8を介して所定周波数の交流信号が印加されることにより、圧電基板3上において励振電極4から弾性表面波が励起され、その弾性表面波が第1反射電極5及び第2反射電極6に向けて圧電基板3上を伝搬される。そして、弾性表面波が第1反射電極5で反射されて反射信号が生成され、その反射信号が励振電極4及びアンテナ8を経由して無線信号として外部に送信される一方、弾性表面波が第2反射電極6で反射されて反射信号が生成され、その反射信号が励振電極4及びアンテナ8を経由して無線信号として外部に送信される。第2反射電極6にはインピーダンス変化型のセンサ素子10が電気的に接続されているので、反射信号を受信した送受信装置1により、反射信号を用いた所望の測定パラメータのセンシングが可能にされる。それに加えて、励振電極4と第1反射電極5との間の圧電基板3上に質量負荷膜7が設けられているので、送受信装置1が質量負荷膜7の特性に応じた遅延時間の反射信号を受信することができ、送受信装置1におけるその遅延時間に基づいたSAWセンサ2の識別が可能となる。これにより、識別用の弾性表面波を発生させるための構成を複雑化させることなく、複数のSAWセンサ2間の精度の高い識別を実現できる。
According to the configuration of the
ここで、質量負荷膜7は、弾性表面波の伝搬方向に沿って矩形状をなしているので、励振電極4から発生し第1反射電極5に向けて伝搬する弾性表面波に対して、質量負荷効果を安定して与えることができ、外部装置によるSAWセンサ2の識別が安定化される。また、質量負荷膜7は、金属あるいは誘電体材料によって形成されているので、質量負荷膜7による質量負荷効果を安定化することができる。特に、質量負荷膜7を金、銀、銅、アルミニウム、あるいは白金等の金属によって形成する場合には、圧電基板3上に質量負荷膜7を容易に形成することができる。
Here, since the
また、励振電極4は、噛み合わせて配置された2つの櫛型のすだれ状電極4a,4bを有し、質量負荷膜7は、励振電極4と第1反射電極5との配列方向に垂直な方向において、2つのすだれ状電極4a,4bの噛み合わせ部分R1より広くなるように形成されている。このような構成により、励振電極4から発生し第1反射電極5に向けて伝搬する弾性表面波に対して、質量負荷効果を効率的に与えることができ、外部装置によるセンサ素子の識別の精度をより高めることができる。
Further, the
識別を可能にするセンサ素子の従来構成としては、反射電極の本数が変更された構成、反射電極の励振電極からの距離が変更された構成が用いられていた。しかし、この従来構成では、識別用として反射信号の振幅が検出されている。そのため、送受信装置とセンサ素子との距離が変化すると電波の伝搬距離が変化する結果反射信号の振幅が変化するため、識別の精度が低下する。また、反射電極間の多重反射も含まれてしまうため識別の精度が低下する。これに対して、本実施形態では位相差を用いており、多重反射も生じないため、識別の精度が落ちることもない。その他の従来の認識方法としては、直交周波数法の利用も提案されている。この場合、広帯域の信号をチャープ型すだれ状電極に入力し、反射電極の周波数特性を利用することにより、反射電極の位置と周波数とで識別が可能となる。しかし、直交周波数法では、広帯域の信号の利用が必要であり、帯域幅の狭い特定小電力帯の利用によっては実現できない。また、送受信装置の機能が複雑となり、消費電力も増大する。これに対して、本実施形態においては、広帯域の信号の利用は必要なく特定小電力帯での利用も可能であり、簡易かつ消費電力の少ない構成によって実現できる。例えば、特定小電力帯(920MHz)のように帯域幅が狭い信号しか利用できず、1つの励振周波数しか使用できない場合でも、多数の素子の識別が可能となる。 As the conventional configuration of the sensor element that enables identification, a configuration in which the number of reflecting electrodes is changed and a configuration in which the distance of the reflecting electrode from the excitation electrode is changed have been used. However, in this conventional configuration, the amplitude of the reflected signal is detected for identification. Therefore, when the distance between the transmitter / receiver and the sensor element changes, the propagation distance of the radio wave changes, and as a result, the amplitude of the reflected signal changes, so that the accuracy of identification decreases. In addition, multiple reflections between the reflecting electrodes are also included, so that the accuracy of identification is lowered. On the other hand, in the present embodiment, the phase difference is used and multiple reflections do not occur, so that the identification accuracy does not deteriorate. As another conventional recognition method, the use of the orthogonal frequency method has also been proposed. In this case, by inputting a wide band signal to the chirp-type blind electrode and utilizing the frequency characteristics of the reflecting electrode, it is possible to distinguish between the position and frequency of the reflecting electrode. However, in the orthogonal frequency method, it is necessary to use a wide band signal, which cannot be realized by using a specific low power band having a narrow bandwidth. In addition, the function of the transmitter / receiver becomes complicated, and the power consumption also increases. On the other hand, in the present embodiment, it is not necessary to use a wideband signal and it can be used in a specific low power band, and it can be realized by a simple configuration with low power consumption. For example, even when only a signal having a narrow bandwidth such as a specific low power band (920 MHz) can be used and only one excitation frequency can be used, it is possible to identify a large number of elements.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments.
上記実施形態にかかるSAWセンサ2は、質量負荷膜7が圧電基板3上に励振電極4と第1反射電極5から分離して形成されていたが、質量負荷膜7が誘電体材料で形成されている場合には、励振電極4あるいは第1反射電極5と接触して形成されてもよい。図5は、変形例にかかるSAWセンサ2Aを圧電基板3の表面3a側から見た平面図である。このように、質量負荷膜7が励振電極4に接して第1反射電極5を覆うように形成されていてもよい。この変形例においては、伝搬時間差Δtを評価する際には、質量負荷膜7の長さLとしては、励振電極4と第1反射電極5との間の距離が用いられる。
In the
また、図6に示す変形例にかかるSAWセンサ2Bのように、認識用伝搬路MP1と計測用伝搬路MP2とが並列に配置されていてもよい。詳細には、励振電極24が、圧電基板3の表面3a上の一方の端部(図6における左端部)に形成され、アンテナ8に接続された2組のすだれ状電極対24a,24bが表面3aの中央側で一体化された構成を有する。第2反射電極6は、一方のすだれ状電極対24aと対向するように表面3a上の他方の端部(図6における右端部)に形成され、一方のすだれ状電極対24aと第2反射電極6との間に計測用伝搬路MP2が形成される。第1反射電極5は、他方のすだれ状電極対24bと対向するように表面3a上の他方の端部に形成され、他方のすだれ状電極対24bと第1反射電極5との間に計測用伝搬路MP2と並列に認識用伝搬路MP1が形成される。
Further, the recognition propagation path MP1 and the measurement propagation path MP2 may be arranged in parallel as in the
また、上記実施形態にかかるSAWセンサ2においては、励振電極4、第1反射電極5、及び第2反射電極6の位置は入れ替えてもよい。例えば、図7に示す変形例にかかるSAWセンサ2Cのように、励振電極4と第2反射電極6の位置とを入れ替えてもよい。このような構成の場合には、表面3a上において計測用伝搬路MP2と認識用伝搬路MP1とが一部で同じ範囲に形成される。図8には、SAWセンサ2Cを用いて検出される反射信号の時間波形WF2,WF3のイメージを示す。送受信装置1からバースト波である交流信号が送信された場合には、計測用伝搬路MP2を経由した反射信号の時間波形WF2が検出された後に、認識用伝搬路MP1を経由した反射信号の時間波形WF3が検出される。本変形例においても、送受信装置1は、基準信号の時間波形WF0と反射信号の時間波形WF3とを用いてSAWセンサを識別することができる。ただし、交流信号としてバースト信号が用いられる場合には、反射信号の時間波形WF0と反射信号の時間波形WF3の立ち上がりの時間差を相対的に比較することにより、それぞれのSAWセンサ2を識別することができる。
Further, in the
また、上記実施形態及び上記変形例における第1反射電極5及び第2反射電極6の形状は、すだれ状電極の形状、あるいは、短絡型の形状のほか、複数の線状電極が平行に配列された平行線タイプの形状(開放型電極の形状)であってもよい。
Further, the shapes of the first reflecting
また、上記実施形態及び上記変形例における質量負荷膜7の形状は、矩形状には限定されず弾性表面波が伝わる範囲で様々な形状であってよい。さらに、質量負荷膜7は、弾性表面波が伝搬する範囲内で厚さが均一でなくてもよく、厚さに変化を持たせて伝搬速度が変化するような構成であってもよい。また、質量負荷膜7は、複数層を重ねて構成されていてもよく、その場合はそれぞれの層の材料が異なった構成(誘電体層と金属層を有する構成、2種類の金属層を有する構成等)であってもよい。
Further, the shape of the
また、上記実施形態及び上記変形例においては、計測用の信号周波数と認識用の信号周波数とは異なっていてもよい。この場合には、計測用信号の送受信用のアンテナと、認識用信号の送受信用のアンテナとを別々に設けられる場合がある。 Further, in the above embodiment and the above modification, the signal frequency for measurement and the signal frequency for recognition may be different. In this case, an antenna for transmitting and receiving the measurement signal and an antenna for transmitting and receiving the recognition signal may be provided separately.
上記実施形態及び上記変形例で利用されるセンサ素子10として、様々なセンシングが可能なセンサが利用できる。例えば、圧力センサ、歪センサ、温度センサ、湿度センサ、ねじれセンサ、化学センサ、バイオセンサ等が利用できる。
As the
また、上記実施形態及び上記変形例においては、認識用伝搬路MP1において励振電極4から圧電基板3上を伝搬した弾性表面波に応じて第1反射電極5で反射波を生成し、計測用伝搬路MP2において弾性表面波に応じて第2反射電極6で反射波を生成する構成とされていた。その一方で、認識用伝搬路MP1において弾性表面波を電極で直接受けて電気信号に変換してアンテナを経由して外部に無線信号を送信する構成であってもよいし、計測用伝搬路MP2において弾性表面波を電極で直接受けて電気信号に変換してアンテナを経由して外部に無線信号を送信する構成であってもよい。認識用伝搬路MP1及び計測用伝搬路MP2の両方の構成が外部に無線信号を直接送信する構成にされてもよいし、どちらか一方のみがそのような構成とされてもよい。図9は、変形例にかかるSAWセンサ2Dの構成を示している。このSAWセンサ2Dにおいては、第1反射電極5の代わりに、認識用伝搬路MP1上において励振電極4によって励起された弾性表面波を直接受けて電気信号を生成させる電極(第1の電極)105が設けられ、その電極105には、その電気信号を無線信号に変換して送受信装置1に送信するアンテナ108aが電気的に接続されている。この電極105は、例えば、励振電極4と同様な構成を有する。さらに、SAWセンサ2Dにおいては、電極(第2の電極)6が弾性表面波を直接受けて電気信号を生成させる構成とされ、その電極6には、その電気信号を無線信号に変換して送受信装置1に送信するアンテナ108bが電気的に接続されている。
Further, in the above-described embodiment and the above-described modification, a reflected wave is generated by the first reflecting
上記変形例のSAWセンサ2Dを複数含むセンシングシステム100においては、次のようなSAWセンサ2の識別機能を有する。すなわち、質量負荷膜7の各設計値および各励振周波数に対する伝搬時間差Δtが、励振電極4と電極105との間の片道の伝搬時間差として予め計算されて送受信装置1内でデータとして保持されている。そして、送受信装置1は、その伝搬時間差Δtを基にSAWセンサ2Dの質量負荷膜7の材料等の特性あるいはSAWセンサ2Dの励振周波数を判定することにより、SAWセンサ2Dを識別することができる。
The
1…送受信装置、2,2A,2B,2C,2D…SAWセンサ(認識信号生成素子)、3…圧電基板(圧電体)、3a…表面、4,24…励振電極、4a,4b…すだれ状電極、5…第1反射電極(第1の電極)、105…電極(第1の電極)6…第2反射電極(第2の電極)、7…質量負荷膜(薄膜)、8…アンテナ、10…センサ素子(センサ)、100…センシングシステム(素子認識システム)、R1…噛み合わせ部分。 1 ... Transmitter / receiver, 2,2A, 2B, 2C, 2D ... SAW sensor (recognition signal generation element), 3 ... piezoelectric substrate (piezoelectric material), 3a ... surface, 4,24 ... excitation electrode, 4a, 4b ... Electrodes, 5 ... 1st reflective electrode (1st electrode), 105 ... Electrode (1st electrode) 6 ... 2nd reflective electrode (2nd electrode), 7 ... Mass loading film (thin film), 8 ... Antenna, 10 ... sensor element (sensor), 100 ... sensing system (element recognition system), R1 ... meshing portion.
Claims (9)
前記圧電体の表面上に形成され、外部から受信した所定周波数の交流信号に応じて前記表面上に弾性表面波を励振させるための励振電極と、
少なくとも前記励振電極に電気的に接続され、前記交流信号を受信して前記弾性表面波を生じさせ、前記弾性表面波に応じて生じる信号を外部に送信する少なくとも1つのアンテナと、
前記表面上に励振電極から分離して形成され、前記弾性表面波を受けて前記信号を生じさせる第1の電極と、
前記表面上において前記励振電極と前記第1の電極との間に形成された薄膜と、
センサに電気的に接続された電極であって、前記表面上に励振電極から分離して形成され、前記弾性表面波を前記励振電極から受けて前記信号を生じさせる第2の電極と、
を備える認識信号生成素子。 Piezoelectric material with a planar shape and
An excitation electrode formed on the surface of the piezoelectric body and for exciting a surface acoustic wave on the surface in response to an AC signal having a predetermined frequency received from the outside,
At least one antenna that is electrically connected to the excitation electrode, receives the AC signal to generate the surface acoustic wave, and transmits a signal generated in response to the surface acoustic wave to the outside.
A first electrode formed on the surface separately from the excitation electrode and receiving the surface acoustic wave to generate the signal,
A thin film formed on the surface between the excitation electrode and the first electrode,
A second electrode electrically connected to the sensor, which is formed on the surface of the surface separately from the excitation electrode and receives the surface acoustic wave from the excitation electrode to generate the signal.
A recognition signal generation element comprising.
前記少なくとも1つのアンテナは、反射された前記弾性表面波によって前記励振電極で生じる反射信号を外部に送信する、
請求項1記載の認識信号生成素子。 The first electrode reflects the surface acoustic wave toward the excitation electrode.
The at least one antenna transmits a reflected signal generated by the excitation electrode by the reflected surface acoustic wave to the outside.
The recognition signal generation element according to claim 1.
請求項1又は2記載の認識信号生成素子。 The thin film has a rectangular shape along the arrangement direction of the excitation electrode and the first electrode.
The recognition signal generation element according to claim 1 or 2.
前記薄膜は、前記励振電極と前記第1の電極との配列方向に垂直な方向において、前記2つの櫛型の電極の噛み合わせ部分より広くなるように形成されている、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の認識信号生成素子。 The excitation electrode has two comb-shaped electrodes arranged in mesh with each other.
The thin film is formed so as to be wider than the meshing portion of the two comb-shaped electrodes in a direction perpendicular to the arrangement direction of the excitation electrode and the first electrode.
The recognition signal generation element according to any one of claims 1 to 3.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の認識信号生成素子。 The thin film comprises a metal or dielectric material.
The recognition signal generation element according to any one of claims 1 to 4.
請求項5に記載の認識信号生成素子。 The thin film comprises an alloy of gold, silver, copper, aluminum, platinum, or any of gold, silver, copper, aluminum, and platinum.
The recognition signal generation element according to claim 5.
前記認識信号生成素子に向けて前記交流信号を送信し、前記弾性表面波に応じて前記第1の電極及び前記第2の電極によって生じる第1の信号及び第2の信号のそれぞれを前記少なくとも1つのアンテナを経由して受信し、前記交流信号と前記第1の信号との間の位相差あるいは時間差を基に前記認識信号生成素子を識別し、前記第2の信号を用いてセンシングする送受信装置と、
を備える素子認識システム。 The recognition signal generation element according to any one of claims 1 to 6,
The AC signal is transmitted to the recognition signal generation element, and each of the first signal and the second signal generated by the first electrode and the second electrode according to the surface acoustic wave is at least one. A transmitter / receiver that receives via two antennas, identifies the recognition signal generating element based on the phase difference or time difference between the AC signal and the first signal, and senses using the second signal. When,
Element recognition system with.
請求項7記載の素子認識システム。 The transmitter / receiver is based on the phase difference or the time difference, the material of the thin film, the length of the thin film in the arrangement direction of the excitation electrode and the first electrode, the thickness of the thin film, and the elasticity of the thin film. The recognition signal generation element is identified by determining one of the excitation frequencies of the surface wave.
The element recognition system according to claim 7.
請求項8記載の素子認識システム。
A plurality of the recognition signal generating elements are provided, and the material of the thin film, the length of the thin film, the thickness of the thin film, and the excitation frequency are different among the plurality of recognition signal generating elements. ,
The element recognition system according to claim 8.
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Citations (4)
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---|---|---|---|---|
JP2006047229A (en) * | 2004-08-06 | 2006-02-16 | River Eletec Kk | Surface acoustic wave device sensor |
US20070052516A1 (en) * | 2005-09-07 | 2007-03-08 | Hines Jacqueline H | Passive SAW-based hydrogen sensor and system |
US20140007692A1 (en) * | 2011-07-28 | 2014-01-09 | Applied Sensor Research & Development Corporation | Surface acoustic wave monitor for deposition and analysis of ultra-thin films |
US20170254780A1 (en) * | 2013-02-28 | 2017-09-07 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Method of forming surface acoustic wave tag-based gas sensors |
-
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006047229A (en) * | 2004-08-06 | 2006-02-16 | River Eletec Kk | Surface acoustic wave device sensor |
US20070052516A1 (en) * | 2005-09-07 | 2007-03-08 | Hines Jacqueline H | Passive SAW-based hydrogen sensor and system |
US20140007692A1 (en) * | 2011-07-28 | 2014-01-09 | Applied Sensor Research & Development Corporation | Surface acoustic wave monitor for deposition and analysis of ultra-thin films |
US20170254780A1 (en) * | 2013-02-28 | 2017-09-07 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Method of forming surface acoustic wave tag-based gas sensors |
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