JP2023111668A

JP2023111668A - 検出装置

Info

Publication number: JP2023111668A
Application number: JP2022013628A
Authority: JP
Inventors: 哲広後藤; Tetsuhiro Goto
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2022-01-31
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2023-08-10

Abstract

【課題】検出感度を向上させることができる検出装置を提供する。【解決手段】検出装置は、圧電層１４と、前記圧電層の少なくとも一部を挟み設けられた第１電極および第２電極と、を備える圧電部２１と、前記第１電極の前記圧電層の反対側に設けられ、環境の変化により質量が変化する感応膜１８と、を備え、前記質量の変化に対応し、前記感応膜が設けられていない前記圧電部での電気励振が可能な周波数を弾性波の奇数次モードとしたときに、前記感応膜を前記圧電部に設けたあと、前記奇数次モードとは異なる電気励振が可能な弾性波の振動モードである偶数次振動モードにおける共振周波数および反共振周波数の少なくとも一方の周波数が変化する共振器４０と、前記少なくとも一方の周波数の変化に基づき、前記環境の変化を検出する検出器４５とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、検出装置に関し、例えば感応膜を有する共振器を有する検出装置に関する。

感応膜の質量の変化を検出することで、環境の変化を検出する環境センサが知られている。圧電薄膜共振器の上部電極上に感応膜を設け、感応膜の質量変化による共振周波数等に基づき環境の変化を検出する検出装置が知られている（例えば特許文献１）。液体中のセンシングでは、共振器に感応膜を成長させることで、Ｑ値が減少することが知られている。（例えば特許文献２）。

特表２００５－５３３２６５号公報特表２０２０－５１９８８６号公報

気体内において環境の変化を検出する場合、共振器の共振特性を劣化させないため感応膜は薄い方が好ましい。しかし、感応膜を薄くすると、感応膜の表面積が小さくなり、環境の変化に対する感度が低下する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振器の共振特性の劣化を抑えつつ、検出感度を向上させることを目的とする。

本発明は、圧電層と、前記圧電層の少なくとも一部を挟み設けられた第１電極および第２電極と、を備える圧電部と、前記第１電極の前記圧電層の反対側に設けられ、環境の変化により質量が変化する感応膜と、を備え、前記質量の変化に対応し、前記感応膜が設けられていない前記圧電部での電気励振が可能な周波数を弾性波の奇数次モードとしたときに、前記感応膜を前記圧電部に設けたあと、前記奇数次モードとは異なる電気励振が可能な弾性波の振動モードである偶数次モードにおける共振周波数および反共振周波数の少なくとも一方の周波数が変化する共振器と、前記少なくとも一方の周波数の変化に基づき、前記環境の変化を検出する検出器と、を備える検出装置である。

上記構成において、前記偶数次モードは、２次モードである構成とすることができる。

上記構成において、前記感応膜の厚さは、前記圧電層の厚さの０．２倍以上かつ１．０倍以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記感応膜の弾性スティフネスＣ_３３は前記圧電層の弾性スティフネスＣ_３３の０．０６倍以上かつ０．６２倍以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記感応膜の密度は前記圧電層の密度の０．３５倍以上かつ０．５４倍以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電層は窒化アルミニウム層であり、前記感応膜のヤング率は２０ＧＰａ以上かつ８０ＧＰａ以下であり、前記感応膜の密度は１．２ｇ／ｃｍ^３以上かつ１．７ｇ／ｃｍ^３以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電層は窒化アルミニウム層であり、前記感応膜は、金属フタロシニアンを主成分とする構成とすることができる。

上記構成において、前記共振器の前記偶数次モードにおける共振周波数は、前記感応膜を除去した共振器の１次モードにおける共振周波数の０．８５倍以上かつ１．１５倍以下である構成とすることができる。

本発明によれば、検出感度を向上させることを目的とする。

図１は、実施例１に係る検出装置を示すブロック図である。図２（ａ）は、実施例１に係る共振器４０の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、シミュレーション１における周波数に対するインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜およびＱ値を示す図である。図４（ａ）から図４（ｃ）は、実験における周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。図５は、実験における周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実験における周波数に対するＱ値を示す図である。図７（ａ）は、実験におけるＴ＝４５０ｎｍサンプルの周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の拡大図である。図８（ａ）から図８（ｃ）は、シミュレーション２におけるＺ方向の位置に対する変位を示す図である。

以下、図面を参照し実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る検出装置を示すブロック図である。検出装置１００は、発振回路４２および検出器４５を備えている。発振回路４２は、共振器４０およびアンプ４１を備え、共振器４０の偶数次モードにおける共振周波数または反共振周波数において発振し発振信号を出力する。測定器４４は発振信号の周波数を測定する。算出器４６は、測定器４４が測定した発振信号の周波数の変化に基づき、環境の変化を検出する。環境の変化としては、気体中の特定の原子または分子等の物質の量の変化、環境の温度の変化、湿度の変化などである。気体内の特定の物質がにおいの元になる場合には、検出装置１００はにおいセンサとして機能する。

図２（ａ）は、実施例１に係る共振器４０の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。基板１０の上面の法線方向をＺ方向、下部電極１２が共振領域５０から引き出される方向をＸ方向、平面方向のうちＸ方向に直行する方向をＹ方向とする。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、共振器４０の構成を説明する。厚みを持ち平面視で長方形の基板１０がある。この基板１０の平坦な上面には、下部電極１２が基板１０の上面の中央付近から長手方向（Ｘ方向）で基板１０の一端まで延在されている。また圧電層１４とこの圧電層１４の上に形成される上部電極１６は、基板１０の上面の中央部から長手方向で基板の他端まで延在されている。共振領域５０は圧電層１４の少なくとも一部を挟み下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域により画定される。図２（ａ）の楕円形状の部分が共振領域５０で、この共振領域５０に対応する圧電層１４が下部電極１２と上部電極１６で挟まれている。この共振領域５０に対応する基板１０と下部電極１２との間には、ドーム状の膨らみを有する空隙２２が形成されている。下部電極１２と上部電極１６に電圧を印加することで圧電層１４が振動し、この空隙２２を設けることで、振動をし易くしている。

上部電極１６の全面には保護膜１７が設けられている。少なくとも共振領域５０に対応する保護膜１７上に感応膜１８が設けられている。なお、保護膜１７は設けられていなくてもよい。感応膜１８の厚さはＴであり、後述する。感応膜１８は平面視において共振領域５０を含むように設けられていればよく、感応膜１８は共振領域５０を覆うか、共振領域５０周囲よりも外側まで大きく被覆してもよい。共振領域５０における下部電極１２、圧電層１４、上部電極１６、保護膜１７および感応膜１８は積層膜２０を形成する。感応膜１８を設ける前における、下部電極１２、圧電層１４、上部電極１６および保護膜１７は圧電部２１である。共振領域５０内の積層膜２０には、厚み縦振動モードまたは厚みすべり振動モード等の弾性波で共振する。

図２（ａ）のように、共振領域５０の平面形状は、例えば楕円形状である。格子状にハッチングした部分が共振領域５０の平面形状である。共振領域５０の平面形状は五角形状等の多角形状でもよい。本実施例では、共振器４０として、共振領域５０において空隙２２が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）を例に説明した。

気体中の原子または分子等の物質が感応膜１８に吸着すると感応膜１８の質量が増加する。感応膜１８の周囲の湿度が高くなると、水分が感応膜１８に吸着し感応膜１８の質量が増加する。温度が変化すると、膜の吸着特性に変化が発生し、感応膜１８の質量が変化する。このように、感応膜１８の周囲の気体中の特定の物質の濃度、湿度、温度の環境の変化により感応膜１８の質量が変化する。感応膜１８の質量が変化すると、圧電薄膜共振器の共振周波数および反共振周波数が変化する。例えば、感応膜１８に特定物質が吸着すると、感応膜１８の質量が増加する。特定物質とは、アセトン、エタノールおよびトルエンなどが挙げられる。これにより、共振器４０の共振周波数および反共振周波数が低くなる。感応膜１８から特定物質が脱離すると、感応膜１８の質量が減少する。これにより、共振器４０の共振周波数および反共振周波数が高くなる。

基板１０は、例えばシリコン基板、サファイア基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板である。下部電極１２および上部電極１６は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜またはこれらの中から複数の膜が選択された積層膜である。本実施例では、下部電極１２、上部電極１６ともにルテニウム膜である。

圧電層１４は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜、窒化ガリウム（ＧａＮ）膜、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）膜、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）膜またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）膜である。圧電層１４は、（００２）方向（Ｚ軸方向）を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、スカンジウム（Ｓｃ）、２族元素もしくは１２族元素と４族元素との２つの元素、または２族元素もしくは１２族元素と５族元素との２つの元素を用いることにより、圧電層１４の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を向上できる。２族元素は、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）であり、１２族元素は例えば亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン、ジルコニウム（Ｚｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は、例えばタンタル、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）である。さらに、圧電層１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、ボロン（Ｂ）を含んでもよい。

共振領域５０内の圧電層１４に挿入膜が設けられていてもよい。例えば、図２（ｂ）において、基板１０上に圧電層１４の厚みの半分の厚さを有する下部圧電層が設けられる。その下部圧電層上に前記挿入膜が設けられる。さらに挿入膜上に圧電層１４の厚みの半分を有する上部圧電層が設けられる。このような構造の共振器では、共振周波数の温度依存性を抑制することができる。挿入膜は例えば酸化シリコン膜である。挿入膜は、例えば共振周波数の温度依存性を抑制するための膜、または共振器のＱ値（Quality factor）を向上させるための膜である。

保護膜１７は、上部電極１６の表面を保護する膜であり、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜等の絶縁膜または金属膜である。

感応膜１８は、例えば有機高分子膜、有機低分子膜、または無機膜である。有機高分子材料としては、例えばポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、６－ナイロン、セルロースアセテート、ポリ-９，９-ジオクチレフルオレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンオキシド、ポリ塩化ビニル、ポリ-ｐ-フェニレンエーテルスルホン、ポリ-１-ブテン、ポリブタジエン、ポリフェニルメチルシラン、ポリカプロラクトン、ポリビスフェノキシホスファゼン、ポリプロピレンなどの単一構造からなるホモポリマー、ホモポリマー２種以上の共重合体であるコポリマー、これらから複数選択して混合したブレンドポリマーなどを用いることができる。

例えば、有機低分子材料としては、トリス（８-キノリノラト）アルミニウム（Ａｌｑ３）、ナフチルジアミン（α－ＮＰＤ）、ＢＣＰ（2,9 - dimethyl - 4,7 - diphenyl - 1,10 - phenanthroline)、ＣＢＰ（4,4' - N,N' - dicarbazole - biphenyl）、銅フタロシアニン、フラーレン、ペンタセン、アントラセン、チオフェン、Ｉｒ（ｐｐｙ（2 - phenylpyridinato））_３、トリアジンチオール誘導体、ジオクチルフルオレン誘導体、テトラテトラコンタン、パリレンなどから少なくとも一つを用いることができる。

例えば、無機材料としては、アルミナ、チタニア、五酸化バナジウム、酸化タングステン、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、アルミニウム、金、銀、スズ、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）、カーボンナノチューブ、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどから少なくとも一つを用いることができる。

感応膜１８は、金属フタロシニアンでもよい。金属フタロシニアンとしては、例えば銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、フッ化銅フタロシアニン（ＣｕＰｃＦ_８、ＣｕＰｃＦ_１６）、コバルトフタロシアニン（ＣｏＰｃ）、マンガンフタロシアニン（ＭｎＰｃ）、鉄フタロシアニン（ＦｅＰｃ）またはニッケルフタロシアニン（ＮｉＰｃ）などを用いることができる。

［シミュレーション１］
共振器４０の応答をシミュレーションした。シミュレーションは、積層膜２０を短冊状としたモデルを用い行った。シミュレーション条件を以下に示す。
下部電極１２：基板１０側から厚さが約７０ｎｍのクロム層が設けられ、その上に厚さが１６６ｎｍのルテニウム層が積層される。
圧電層１４：厚さが９９６ｎｍの窒化アルミニウム層
上部電極１６：圧電層１４側から厚さが１７３ｎｍのルテニウム層が設けられ、その上に厚さが５５ｎｍのクロム層が積層される。
保護膜１７：上部電極１６の上面に、厚さが７０ｎｍの酸化シリコン層が被覆される。
感応膜１８：厚さＴを変えた銅フタロシアニン層

図３（ａ）および図３（ｂ）は、シミュレーション１における周波数に対するインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜およびＱ値を示す図である。図３（ａ）および図３（ｂ）の横軸は周波数であり、図３（ａ）の縦軸はインピーダンスの絶対値であり、図３（ｂ）の縦軸はＱ値である。感応膜１８の厚さＴを７５ｎｍ～７００ｎｍの範囲で変えている。図３（ａ）に示すように、感応膜１８の厚さＴが大きくなると、共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１は低くなる。感応膜１８の厚さＴが大きくなると、共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１のピークの差が小さくなる。共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１は積層膜２０において弾性波が１次モードにおいて共振するときの共振周波数および反共振周波数である。図３（ｂ）に示すように、Ｑ値は共振周波数ｆ_ｒ１と反共振周波数ｆ_ａ１の間において極大となる。感応膜１８の厚さＴが大きくなると、Ｑ値が小さくなる。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように感応膜１８の厚さＴ１が大きくなると、１次モードにおける共振が小さくなり、Ｑ値が小さくなる。これにより、共振器４０が共振しにくくなる。一方、感応膜１８が薄くなると、感応膜１８内の特定物質を吸着するサイトの数が減る。また、感応膜１８の表面の凹凸が小さくなる。感応膜１８が薄くなると、感応膜１８内の、特定物質を吸着するサイトの数が減るので、環境の変化による感応膜１８の質量の変化が小さくなる。これにより、検出装置１００における環境の変化の検出感度が低下する。１次モードを用いて共振器を発振させ、計測しようとすると、上記に挙げた課題が発生する。

［実験］
共振器４０を作製し共振器４０の共振応答を測定した。感応膜１８以外の共振器４０の作製条件は、若干の製造誤差はあるものの、実質シミュレーション１の条件と同じである。感応膜１８の厚さＴをそれぞれ０ｎｍ、１３０ｎｍ、２９７ｎｍ、３２４ｎｍおよび５０６ｎｍとしたサンプルを作製した。なお、厚さＴは感応膜１８の作製時に段差計で測定した結果である。

図４（ａ）から図４（ｃ）は、実験における周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸はインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜である。図４（ａ）から図４（ｃ）は、感応膜１８の厚さＴは段差計を用い測定しそれぞれ２９７ｎｍ、３２４ｎｍおよび５０６ｎｍである。各図内のＴ＝０ｎｍは共振器に感応膜１８を形成する前に測定した結果である。

図４（ａ）に示すように、感応膜１８を形成する前には、共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１を有するピークが観測される。厚さＴ＝２９７ｎｍの感応膜１８を形成した後には、共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１を有するピークと、共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２を有するピークと、が観測される。共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１は、Ｔ＝０ｎｍの共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１より低い周波数である。共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２は、Ｔ＝０ｎｍの共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１より高い周波数である。

図４（ｂ）に示すように、厚さＴ＝３２４ｎｍの感応膜１８を有するサンプルの共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１は、図４（ａ）のＴ＝２９７ｎｍのサンプルの共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１より低い周波数にシフトする。Ｔ＝３２４ｎｍの共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２は、Ｔ＝２９７ｎｍの共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２より低い周波数にシフトし、感応膜１８を成膜する前の共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１に近づく。Ｔ＝３２４ｎｍにおける共振周波数ｆ_ｒ２の｜Ｚ｜に対する反共振周波数ｆ_ａ２の｜Ｚ｜のＺ比およびＱ値は、Ｔ＝２９７ｎｍにおけるＺ比およびＱ値より高い。

図４（ｃ）に示すように、厚さＴ＝５０６ｎｍの感応膜１８を有するサンプルの共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２は、感応膜１８を形成する前（Ｔ＝０ｎｍ）の共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１とほぼ同じ周波数である。

図４（ａ）から図４（ｃ）のように、Ｔ＝２９７ｎｍおよび３２４ｎｍのサンプルでは、感応膜１８の厚さＴが大きくなると、共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１のピークは小さくなりかつ低周波数にシフトする。Ｔ＝２９７ｎｍでは、共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２のピークが２６００ＭＨｚ～２７００ＭＨｚ付近において観察される。Ｔ＝３２４ｎｍおよび５０６ｎｍのサンプルのように、感応膜１８の厚さＴが大きくなると、共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２のピークは、大きくなりかつ低周波数にシフトし、感応膜１８を成膜する前の設計周波数（すなわち共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１）に近づく。

図５は、実験における周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸はインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜である。図５に示すように、Ｔ＝１３０ｎｍのサンプルでは、共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１の大きなピークが観察される。共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２のピークは２９００ＭＨｚ以下では観察されない。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、実験における周波数に対するＱ値を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の拡大図である。横軸は周波数であり、縦軸はＱ値である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、Ｔ＝１３０ｎｍのサンプルでは、共振周波数ｆ_ｒ１と反共振周波数ｆ_ａ１の間に大きなＱ値のピークが観察される。Ｔ＝２９７ｎｍのサンプルでは、共振周波数ｆ_ｒ２と反共振周波数ｆ_ａ２の間にＱ値のピークが観察される。Ｔ＝２９７ｎｍのサンプルのＱ値のピークはＴ＝１３０ｎｍのサンプルのＱ値のピークより非常に小さい。Ｔ＝３２４ｎｍのサンプルでは、共振周波数ｆ_ｒ２と反共振周波数ｆ_ａ２の間のＱ値のピークはＴ＝２９７ｎｍのサンプルより大きくなる。Ｔ＝５０６ｎｍのサンプルでは、共振周波数ｆ_ｒ２と反共振周波数ｆ_ａ２の間のＱ値のピークはＴ＝３２４ｎｍのサンプルよりさらに大きくなる。このように、２次モードにおけるＱ値は、感応膜１８が厚くなると大きくなる。

図７（ａ）は、実験におけるＴ＝４５０ｎｍサンプルの周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の拡大図である。横軸は周波数であり、縦軸はインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜である。図７（ａ）は図５より周波数範囲を大きくしている。図７（ｂ）は、周波数が１４００ＭＨｚ付近を拡大している。Ｔ＝０ｎｍは、感応膜１８を形成する前の特性である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、Ｔ＝４５０ｎｍでは、１４００ＭＨｚに小さなピークがあり、このピークが１次モードの共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１のピークである。Ｔ＝０ｎｍの１次モードの共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１のピークとほぼ同じ周波数を有する共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２は２次モードの共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２のピークと考えられる。

[シミュレーション２]
感応膜１８が厚くなると２次モードのＱ値が高くなる理由を調べるため、１次モードおよび２次モードにおける積層膜２０内の変位をシミュレーションした。シミュレーション条件はシミュレーション１と同じである。感応膜１８については、感応膜１８の厚さは一定とし、感応膜１８のヤング率を変えることで、感応膜１８の厚さＴを疑似的に変えた状態を再現した。

図８（ａ）から図８（ｃ）は、シミュレーション２におけるＺ方向の位置に対する変位を示す図である。縦軸がＺ方向の位置を示し、下部電極１２の下面をＺ＝０に設定している、横軸は弾性波による変位を示している。下部電極１２上および上部電極１６下に記載した丸＋および丸－は、弾性波の変位により生じる電位の正および負を示している。

図８（ａ）では、感応膜１８が設けられていない。図８（ａ）に示すように、１次モード（基本波モード）では、積層膜２０の厚さが弾性波の波長λの１／２に相当する。１次モードの共振状態では、時間とともに、下部電極１２が負電位および上部電極１６が正電位の状態と、下部電極１２が正電位および上部電極１６が負電位の状態と、が繰り返される。図８（ａ）では、下部電極１２が負電位であり上部電極１６が正電位のときを示している。これにより、１次モードの電気励振が可能である。

２次モード（２次高調波モード）では、積層膜２０の厚さが弾性波の波長λに相当する。下部電極１２が正電位のときは上部電極１６も正電位である。このように、２次モードでは、下部電極１２と上部電極１６とがほぼ同じ電位となるため、電気励振ができない。

図８（ｂ）および図８（ｃ）では、上部電極１６上に感応膜１８が設けられている。感応膜１８のヤング率は、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６のヤング率より小さい。図８（ｂ）に示すように、感応膜１８が設けられると、感応膜１８内に弾性波の変位が入る。このため、感応膜１８を含めた積層膜２０の厚さが１次モードでは、λ／２に相当し、２次モードでは、λに相当する。下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６のヤング率より感応膜１８のヤング率が小さいと、感応膜１８内の弾性波の変位が大きくなるため、電位も感応膜１８内で大きく変化する。図８（ｂ）では、感応膜１８のヤング率はさほど低くないため、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６における１次モードおよび２次モードの電位は、図８（ａ）とほとんど変わらない。これにより、１次モードでは電気励振可能であるが、２次モードでは電気励振ができない。

図８（ｃ）では、感応膜１８のヤング率を図８（ｂ）より小さくし、図８（ｂ）の感応膜１８の厚さＴより感応膜１８を疑似的に厚くする。図８（ｂ）よりさらに、感応膜１８内に弾性波の変位が入る。１次モードでは、λ／２の変位のうちλ／４以上の変位が感応膜１８内で生じる。このため、１次モードにおける下部電極１２と上部電極１６との電位差は図８（ｂ）より小さくなる。これにより、１次モードの共振応答は図８（ｂ）より小さくなると考えられる。２次モードでは、λの変位のうちλ／２以上の変位が感応膜１８内で生じる。このため、下部電極１２が正電位となり上部電極１６が負電位となる。これにより、２次モードの電気励振が可能となる。

以上のように、感応膜１８を厚くすると、１次モードの共振応答が小さくなり、２次モードの共振応答が大きくなると考えられる。

実施例１によれば、共振器４０は、上部電極１６（第１電極）と下部電極１２（第２電極）とが圧電層１４の少なくとも一部を挟み設けられた圧電部と、上部電極１６の圧電層１４と反対側に設けられた感応膜１８と、を備える。共振器４０は、感応膜１８の質量の変化に対応し２次モードにおける共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２の少なくとも一方の周波数が変化する。検出器４５は、共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２の少なくとも一方の変化に基づき、環境の変化を検出する。これにより、感応膜１８を厚くしても、Ｑ値の高い共振応答を得られる。感応膜１８を厚くできるため、環境の変化に対応する感応膜１８の質量の変化を大きくできる。これらにより、検出装置１００の環境の変化の検出感度を向上できる。

実施例１では、２次モードにおける共振周波数ｆ_ｒ２および反共振周波数ｆ_ａ２を例に説明したが、偶数次モードでは、感応膜１８を設けなければ、下部電極１２と上部電極１６の電位がほぼ同じとなり、電気励振がほとんど生じない。感応膜１８の厚さＴを大きくすることで、下部電極１２と上部電極１６との間の電位差が大きくなり、偶数次モードの電気励振が可能となる。なお、偶数次モードとして４次モードでは、積層膜２０の厚さがほぼ２λであり、６次モードでは、積層膜２０の厚さがほぼ３λである。このように、偶数次モードでは、ｎ次モードのとき、積層膜２０の厚さはほぼｎ×λ／２となる。

また、１次モードにおける共振周波数ｆ_ｒ１および反共振周波数ｆ_ａ１を例に説明したが、感応膜１８を設けなければ、奇数次モードの励振が可能である。奇数次モードとして３次モードでは、積層膜２０の厚さがほぼ３λ／２であり、５次モードでは、積層膜２０の厚さがほぼ５λ／２である。このように、奇数次モードでは、ｎ次モードのとき、積層膜２０の厚さはほぼｎ×λ／２となる。共振器４０では、感応膜１８を設ける前の圧電部２１での電気励振が可能な周波数を弾性波の奇数次モードとしたときに、感応膜１８を圧電部２１に設けたあとに、奇数次モードとは異なる電気励振が可能な弾性波の振動モードである偶数次モードである。

図８（ａ）から図８（ｄ）より、感応膜１８の厚さＴが大きくなると、共振器４０は２次モードにおいて電気励振可能となる。図５から、感応膜１８の厚さＴが２００ｎｍ以上において２次モードにおいて共振すると考えられる。積層膜２０中では圧電層１４が最も厚い。また、様々な共振周波数を有する共振器４０を設計したとしても、圧電層１４の厚さに対する下部電極１２および上部電極１６の厚さの比は大きくは変わらない。そこで、感応膜１８の厚さＴを圧電層１４の厚さで規格化すると、感応膜１８の厚さＴは、２００ｎｍであり、圧電層１４の厚さの０．２倍である。よって、感応膜１８の厚さＴは、圧電層１４の厚さの０．２倍以上が好ましい。感応膜１８の厚さＴは、圧電層１４の厚さの０．３倍以上がより好ましく、０．４倍以上がさらに好ましい。

感応膜１８が厚くなると、弾性波のほとんどの変位が感応膜１８内になってしまい共振応答が小さくなる。例えば、Ｔ＝５０６ｎｍのとき、２次モードにおけるλの定在波のうちλ／２相当の変位が感応膜１８内で変位しているとすると、例えばＴ＝１０００ｎｍとしたときに、２λ／３相当の変位が感応膜１８内で変位してしまい、下部電極１２と上部電極１６との電位差が小さくなる。これにより、共振応答が小さくなると考えられる。この観点から、感応膜１８の厚さＴは、圧電層１４の厚さの１倍以下が好ましく、０．７倍以下がより好ましく、０．６倍以下がさらに好ましい。

感応膜１８のヤング率が低くなると弾性波の変位は感応膜１８内により入りやすくなる。感応膜１８として用いた銅フタロシアニンのヤング率は５５ＧＰａ、ポアソン比は０．３５である。そこで、感応膜１８として、２０ＧＰａ～８０ＧＰａかつポアソン比が０．２～０．４であれば、実験の結果を一般化できると考える。圧電層１４の窒化アルミニウム層は等方的でないため、弾性スティフネスを用いて検討する。圧電層１４は、結晶方位のＺ軸方向が図２（ａ）および図２（ｂ）におけるＺ方向になるように配向する多結晶である。そこで弾性スティフネスＣ_３３について検討する。なお、弾性スティフネスＣ_３３の添え字３は窒化アルミニウムのＺ軸方向を示す。圧電層１４の窒化アルミニウムのＣ_３３は２８０ＧＰａ～３４０ＧＰａである、一方、感応膜１８のヤング率を２０ＧＰａ～８０ＧＰａかつポアソン比が０．２～０．４とする。このとき、感応膜１８の弾性スティフネスＣ_３３は圧電層１４の弾性スティフネスＣ_３３の０．０６倍～０．６２倍であれば、実験の結果を一般化できると考えられる。感応膜１８のＣ_３３は圧電層１４のＣ_３３の０．１倍～０．５倍が好ましく、０．２倍～０．４倍がより好ましい。

感応膜１８の密度も弾性波の変位に関係する。感応膜１８として用いた銅フタロシアニンの密度は１．５ｇ／ｃｍ^３である。そこで、感応膜１８の密度として、１．２ｇ／ｃｍ^３～１．７ｇ／ｃｍ^３であれば、実験の結果を一般化できると考える。圧電層１４の窒化アルミニウム層の密度は３．２ｇ／ｃｍ^３～３．４ｇ／ｃｍ^３である。よって、感応膜１８の密度は圧電層１４の密度の０．３５倍以上かつ０．５４倍以下であれば、実験の結果を一般化できると考えられる。感応膜１８の密度は圧電層１４の密度の０．４倍～０．５倍が好ましい。

圧電層１４が窒化アルミニウム層のとき、感応膜１８のヤング率は２０ＧＰａ以上かつ８０ＧＰａ以下が好ましく、３０ＧＰａ以上かつ７０Ｇｐａ以下がより好ましく、５０ＧＰａ以上かつ６０ＧＰa以下がさらに好ましい。感応膜１８の密度は１．２ｇ／ｃｍ^３以上かつ１．７ｇ／ｃｍ^３以下が好ましく、１．３ｇ／ｃｍ^３以上かつ１．６５ｇ／ｃｍ^３以下が好ましく、１．４ｇ／ｃｍ^３以上かつ１．６ｇ／ｃｍ^３以下がより好ましい。

圧電層１４は窒化アルミニウム層であり、感応膜１８は、金属フタロシニアンを主成分とする。これにより、感応膜１８は、銅フタロシアニンと同程度のヤング率および密度を有する。よって、実験の結果をより一般化できる。なお、感応膜１８が金属フタロシニアンを主成分とするとは、感応膜１８が金属フタロシニアン以外の不純物を意図的または意図せず含んでいてもよい。感応膜１８の金属フタロシニアンの割合は例えば５０重量％以上または８０重量％以上である。

図１の検出装置１００は、感応膜１８を設ける前に、共振器４０の１次モードにおける共振応答を用い検出器４５の調整を行う。感応膜１８を設けた共振器４０の共振周波数または反共振周波数が感応膜１８を設ける前の共振器の共振周波数または反共振周波数と大きく異なると、検出器４５を再度調整することになる。この観点から、共振器４０の偶数次モードにおける共振周波数は、共振器４０から感応膜１８を除去した共振器の１次モードにおける共振周波数の０．８５倍以上かつ１．１５倍以下であることが好ましく、０．９倍以上かつ１．１倍以下がより好ましく、０．９５倍以上かつ１．０５倍以下がさらに好ましい。

これまでは、共振器４０が有する圧電部２１の共振周波数または反共振周波数は、感応膜１８を形成することで変化が生じていた。このため、発振回路４２は、この変化した共振周波数を発振させるための調整が必要であった。本実施例では、圧電部２１に感応膜１８を形成し、偶数次モードで発振させるので、圧電部２１の共振周波数または反共振周波数を感応膜１８形成前に近づけることができる。このため、発振回路４２の調整が不要となる。さらに、感応膜１８を厚く形成できるので、検出装置１００の感度向上を実現できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０基板
１２下部電極
１４圧電層
１６上部電極
１７保護膜
１８感応膜
２０積層膜
２１圧電部
２２空隙
４０共振器
４２発振回路
４４測定器
４５検出器
４６算出器
５０共振領域
Ｔ厚さ

Claims

圧電層と、前記圧電層の少なくとも一部を挟み設けられた第１電極および第２電極と、を備える圧電部と、
前記第１電極の前記圧電層の反対側に設けられ、環境の変化により質量が変化する感応膜と、を備え、
前記質量の変化に対応し、前記感応膜が設けられていない前記圧電部での電気励振が可能な周波数を弾性波の奇数次モードとしたときに、前記感応膜を前記圧電部に設けたあと、前記奇数次モードとは異なる電気励振が可能な弾性波の振動モードである偶数次モードにおける共振周波数および反共振周波数の少なくとも一方の周波数が変化する共振器と、
前記少なくとも一方の周波数の変化に基づき、前記環境の変化を検出する検出器と、
を備える検出装置。
前記偶数次モードは、２次モードである請求項１に記載の検出装置。
前記感応膜の厚さは、前記圧電層の厚さの０．２倍以上かつ１．０倍以下である請求項２に記載の検出装置。
前記感応膜の弾性スティフネスＣ_３３は前記圧電層の弾性スティフネスＣ_３３の０．０６倍以上かつ０．６２倍以下である請求項３に記載の検出装置。
前記感応膜の密度は前記圧電層の密度の０．３５倍以上かつ０．５４倍以下である請求項３または４に記載の検出装置。
前記圧電層は窒化アルミニウム層であり、前記感応膜のヤング率は２０ＧＰａ以上かつ８０ＧＰａ以下であり、前記感応膜の密度は１．２ｇ／ｃｍ^３以上かつ１．７ｇ／ｃｍ^３以下である請求項３に記載の検出装置。
前記圧電層は窒化アルミニウム層であり、前記感応膜は、金属フタロシニアンを主成分とする請求項３に記載の検出装置。
前記共振器の前記偶数次モードにおける共振周波数は、前記感応膜を除去した共振器の１次モードにおける共振周波数の０．８５倍以上かつ１．１５倍以下である請求項１から７のいずれか一項に記載の検出装置。