JP2023545576A - 圧電共振子、圧電共振子のための圧電材料、および圧電共振子を製造するための方法 - Google Patents
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Abstract
本開示は、圧電共振子、圧電共振子のための圧電材料、および圧電共振子を製造するための方法に関する。特に、本開示は、圧電材料を備える圧電共振子に関し、圧電材料は、改善された剪断波速度を有するように構成される。圧電材料を備える圧電共振子は、前記圧電材料が、前記圧電材料の剪断波速度を増加させるために、水素含有量を減少させるように構成される。圧電共振子を製造するための方法は、所定の厚さの圧電材料を提供するステップと、前記圧電材料の剪断波速度を増加させるために、前記圧電材料から水素を除去するステップとを含む。【選択図】図４
Description
本開示は、圧電共振子、圧電共振子のための圧電材料、および圧電共振子を製造するための方法に関する。特に、本開示は、圧電材料を備える圧電共振子に関し、圧電材料は、剪断波速度を改善するように構成され、剪断波速度を改善することによって、圧電材料の品質係数および共振周波数を改善することができる。
圧電共振子は、異なる種類の共振システムにおいて使用される。圧電共振子の一般的な用途の１つは、質量感受性化学センサである。質量感受性化学センサは、任意のデバイスであって、そのデバイスの検出面に関連付けられた、または結合された質量に比例してスケーリングする特性の測定を可能にするものとして定義することができる。エバネッセント波ベースのセンサ、例えば、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ、表面での屈折率の関連する変化によって質量変化を記録できる）、光導波路（質量結合イベントに関連する屈折率変化にも依存する）、光回折、光干渉、エリプソメトリおよび音響波デバイス（例えば、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ））などの、いくつかのこのようなセンサ技術を利用することができる。これらのセンサアプローチは、当該技術分野で十分に確立されており（例えば、非特許文献１を参照のこと）、これらのタイプの機器は、インサイチュでの化学反応の研究およびサンプル中のある種の分子の検出のために使用することができる。特許文献１は、ＱＣＭセンサ素子およびセンサ機器の関連装置を記載している。質量感受性センサ用途では、センサの感受性は共振周波数に依存する。Ｑファクタは、共振子の周波数安定性を示す。
圧電共振子の別の一般的な用途は発振回路である。発振回路は、例えば、特定の所望の周波数でクロック信号を提供するための通信用途で使用することができる。圧電共振子の性能は、その共振周波数およびその品質、またはＱファクタに依存する。共振周波数は、発振回路における所望の発振周波数を決定する。通信回路におけるＱファクタは、所与の周波数範囲に対する回路の選択性を示しており、一部の通信用途では、狭い周波数範囲を選択するために高いＱファクタが有益である。
従来、圧電共振子の性能の最適化は、水晶結晶板の厚さと共振周波数との間のトレードオフ、およびＱファクタと共振周波数との間のトレードオフなどのトレードオフのために制限される。したがって、圧電共振子の特性を変更して、これらのトレードオフによって共振子の性能に課せられる制限を軽減または完全に回避する必要がある。
Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｇｉｚｅｌｉ ａｎｄ Ｌｏｗｅ．Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｌｏｎｄｏｎ；２００２
本開示は、圧電共振子、圧電共振子のための圧電材料、および圧電共振子を製造するための方法に関する。特に、本開示は、圧電材料を備える圧電共振子に関し、圧電材料は、剪断波速度を改善するように構成される。
提案された圧電材料は、水素含有量のレベルを減少させる。本発明者らは、圧電材料から水素を脱ガスすることにより、圧電材料の剪断波速度を増加させることができることを認識した。これにより、次に、変更された圧電材料を備える共振子の共振周波数および品質係数の両方が改善される。例えば、質量感受性センサ用途では、共振周波数が改善されると、センサの感受性が改善される。品質係数の改善は、提案された圧電材料を備える共振子の改善された周波数安定性を保証する。さらに、共振子の共振周波数を増加させるために、圧電材料の厚さをもはや薄くする必要がないので、共振子の機械的安定性も改善される。
本発明の提案された圧電材料は、共振子の機械的安定性のトレードオフを必要とせずに、共振子の共振周波数および品質係数を改善するために使用できるという利点を有する。すなわち、提案された圧電材料は、共振子の共振周波数の改善を達成するためにその厚さを薄くする必要がない。さらに、提案された圧電材料を備える共振子の品質係数は、共振子の共振周波数とともに増加する。本発明者らは、圧電共振子の共振周波数に影響を与える要因を認識し、それに応じて、共振周波数を改善するために圧電材料の特性を変更することを提案した。
本開示の第１の態様によれば、圧電材料を備える圧電共振子が提供され、圧電材料は、圧電材料の剪断波速度を増加させるために、水素含有量を減少させるように構成される。
本開示の第２の態様によれば、上述の圧電共振子を備える質量感受性化学センサが提供される。
本開示の第３の態様によれば、流体サンプルの化学分析のための圧電センサ素子が提供され、センサ素子は、上述の質量感受性化学センサを備え、センサ素子は、流体サンプルを受容し、流体サンプルと質量感受性化学センサとの接触を促進するようにさらに構成されるサンプルチャンバと、サンプルチャンバへ、およびサンプルチャンバから流体サンプルの流れを誘導するためのサンプルチャンバと流体接続する１つ以上のフローチャネルとを備える。
本開示の第４の態様によれば、流体サンプルの化学分析のための圧電センサシステムが提供され、圧電センサシステムは、上述の圧電センサ素子と、流体サンプルをセンサ素子に導入するためのサンプル挿入ユニットと、圧電センサ素子内の圧電共振子の振動運動を生成するために電気信号を圧電センサ素子に提供するための信号源と、圧電共振子の共振周波数を測定するため、および前記共振周波数を表す出力信号を生成するための処理ユニットとを備える。
本開示のさらなる態様によれば、クロック信号を生成するための発振回路が提供され、発振回路は、第１の態様による圧電共振子を備える。
本開示のさらなる態様によれば、圧電共振子を製造するための方法が提供され、その方法は、所定の厚さの圧電材料を提供するステップと、圧電材料の剪断波速度を増加させるために圧電材料から水素を除去するステップとを含む。
本開示のさらなる特徴は、添付の特許請求の範囲で定義される。
ここで、非限定的な例として、添付の図面を参照して本開示を説明する。
本開示は、圧電共振子、圧電共振子のための圧電材料、および圧電共振子を製造するための方法に関する。特に、本開示は、圧電材料を備える圧電共振子に関し、圧電材料は、改善された剪断波速度を有するように構成される。
提案された圧電材料を備える圧電共振子は、例えば、生体分子結合を特徴付けるための質量感受性センサ用途で使用することができる。提案された圧電材料は、圧電共振子で使用される場合、その厚さを薄くすることも、共振子の品質またはＱファクタを低下させることも必要とせずに、共振周波数を改善することができる。このようにして、提案された圧電材料を備える圧電共振子は、改善された性能および機械的安定性を有する。
圧電共振子は、２つの電極間に配置された圧電材料を備える。圧電材料は、電位を印加すると変形する結晶材料である。図１ａは、そのような圧電共振子１００の例示的な描写を示す。水晶板などの圧電材料１０１は、２つの電極１０２と１０３との間に配置される。この例では、水晶板１０１は、両側の電極材料によって部分的に覆われている。電極１０２、１０３は、通常、金から作製されるが、他の適切な金属が使用されてもよい。
図１ａの例では、電極１０３は、結晶板１０１の周縁部、結晶板の縁の周り、および結晶板１０１の反対側まで延びる部分１０３ａを備える。したがって、電極１０３の部分１０３ａの接触領域は、電極１０３の主要部分とは反対側の結晶板１０１に位置する。また、部分１０３ａは電極１０２と同じ側にある。これにより、両方の電極１０２、１０３を結晶板１０１の片側から接触させることができる。しかしながら、電極１０２、１０３は、結晶板の両側から電気的に接触することができる。
図１ａの共振子の実際の実装では、電極１０２、１０３はＡＣ電位に接続される。水晶板１０１は、ＡＣ電位の周波数が水晶板１０１の振動モードの共振周波数ｆ０に近い場合に振動を開始する。結果として生じる水晶の振動は、用途および共振周波数に応じて、バルクモード、または結晶内を移動する表面音響波として表すことができる。水晶板１０１の共振周波数ｆ０は、温度、圧力、結晶の切断角度、機械的応力、および結晶板の厚さなどの多くのパラメータの関数である。水晶板１０１の共振周波数ｆ０は、以下の式［１］にも見られるように、水晶における剪断波速度ｖｏに正比例し、水晶板１０１の厚さｔに反比例する：
図１ｂは、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）を使用して測定した、従来の１０ＭＨｚの水晶共振子のアドミタンススペクトルのグラフである。図１ｂに見られるように、共振周波数は、結晶のアドミタンスにピークがある周波数であり、この場合は約１０ＭＨｚである。共振子の品質係数、すなわちＱファクタは、共振周波数と共振ピークの周波数帯域幅の比である。これは、典型的に、図１ｂのグラフから導出される最大周波数帯域幅（ＦＷＨＭ）の半分での全幅である。この場合、典型的な１０ＭＨｚの水晶のＱファクタは約１３２０である。Ｑファクタは水中で測定されたことに留意する必要があり、すなわち、液体環境での水晶振動子マイクロバランスとして圧電共振子の使用をシミュレートするために結晶の片側が水に曝露されている。同じ結晶共振子の空気中または真空中のＱファクタは、水中で測定したＱファクタよりも高くなる。
共振周波数ｆ０およびＱファクタは、圧電共振子の性能を特徴付けるための２つの重要なパラメータである。質量感受性センサ用途では、例えば、図１ａの圧電共振子を、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）として使用して生体分子の結合を検出できる。特に、ＱＣＭは、生体分子材料が追加または除去されるとき、例えば、共振子の表面に膜が堆積して追加されるとき、または共振子の表面から膜が脱着して除去されるとき、共振子の表面に追加または除去されるときの質量変化を検出するために使用することができる。このような用途では、共振子の厚さすべりモードの共振周波数ｆ０は、共振子の表面上の材料の質量の変化とともにシフトする。この周波数のシフトΔｆは、以下のＳａｕｅｒｂｒｅｙの式［２］によって与えられる：
式中、Δｆは共振周波数ｆｏのシフトであり、ρは水晶の密度であり、ｖは水晶の剪断波速度であり、Ａは電極面積であり、Δｍは共振子表面上の材料の表面質量堆積の変化である。
上記のＳａｕｅｒｂｒｅｙの式［２］から理解できるように、本質的に質量変化を示す周波数のシフトΔｆは、共振周波数ｆｏの２乗に正比例する。したがって、共振周波数ｆｏが高いほど、表面質量堆積の変化に対するＱＣＭの感受性が高くなる。実際の実装では、関連するエネルギー損失または結晶の振動の減衰が発生する場合がある。Ｑファクタは、このような減衰の程度を示すとみなすことができ、Ｑファクタが高いほど、低いエネルギー損失を示すため、ＱＣＭセンサ測定の精度が向上する。
クロックおよび他の共振システムなどの圧電共振子の他の用途では、性能を向上させるために高い共振周波数および高いＱファクタが望まれる。これらの要因により、高いクロックレートおよび高い周波数安定性が可能になる。
従来、圧電共振子の共振周波数ｆｏの改善または増加は、圧電材料の厚さを薄くすることによって達成される。さらに、共振周波数ｆｏが増加すると、典型的に、共振子のＱファクタが低下する。しかしながら、圧電材料の厚さを薄くすると、共振子の機械的安定性が低下し、Ｑファクタが低下すると、共振子の周波数安定性が低下するので、望ましくない。
本発明者らは、圧電材料中の水素含有量を減少させることによって、圧電共振子の共振周波数ｆｏを改善することが可能であることを実現した。除去された水素は、結合、吸着および／または吸収された水素を含むことができる。本発明者らは、所与の厚さの圧電材料中の水素を除去することによって、圧電材料中の剪断波速度ｖを増加させることができることを認識した。この場合、水素の除去とは、圧電材料中の水素の表面およびバルクの除去を指す。圧電材料から水素が除去されると、次に、圧電材料の剪断波速度ｖに正比例する共振周波数ｆｏが増加する。
図２は、本開示の一実施形態に係る、水晶板などの圧電材料中の水素含有量を減少させるための提案された製造方法２００のフローチャートを示す。図２に見ることができるように、圧電材料またはウェーハが提供される（ステップ２０１）。圧電材料中の水素は、熱脱着（ＴＤ）プロセスを使用して除去される（ステップ２０２）。このプロセスでは、圧電材料を超高真空中で所定の持続時間にわたって加熱し（ステップ２０２ａ）、水素の脱ガスを可能にする（ステップ２０２ｂ）。
ＴＤプロセスは、所定の温度で所定の持続時間にわたって、単一のステップで圧電材料を加熱することを含むことができる。あるいは、ＴＤプロセスは、圧電材料を加熱するための温度を所定の速度で徐々に上昇させる段階的なプロセスであってもよい。単一のステップで圧電材料を加熱する場合、材料は好ましくは約９００℃の温度で加熱されて、水素含有量を約０．０５ｗｔ．ｐｐｍ以下のレベルまで減少させる。圧電材料を加熱するための持続時間は、予め決定することができる。
段階的なＴＤプロセスは、試験またはキャリブレーションプロセスとして機能し得る。この場合、水素は、所定の速度で材料の温度を徐々に上げることによって圧電材料のサンプルから除去され、質量分析（ＭＳ）を使用して脱ガスの間に放出された水素をモニタリングする。試験またはキャリブレーションプロセスにおいてＴＤと一緒に質量分析を使用すると、圧電材料中の所望の減少した水素含有量を達成するために、圧電材料を加熱するための全持続時間を決定するのに役立つ。段階的なＴＤプロセスについても、図３ｂを参照して以下に説明する。
図３ａは、図２の方法を実装するためのＴＤシステム３００のブロック図を示す。ＴＤシステム３００は、圧電材料を導入し、加熱するために、内蔵炉３０１内に超高真空サンプルチャンバ３０１ａを備える、そこから水素が除去される。システム３００は、サンプルチャンバ３０１に出入りするガスの流れを制御するためのガス処理ユニット３０２をさらに備える。システム３００は、必要に応じて、圧電材料を加熱したときに放出されたガスを分析するための質量分析計３０３、およびガスを放出するためのイオンポンプ３０４を備えてもよい。
図３ｂは、図３ａに示したＴＤシステムの使用により可能になった、脱ガスの間の加熱された水晶サンプルからの水素放出の実験的モニタリングデータを示す。すなわち、図３ｂは、加熱された水晶サンプルの脱ガスの間のガス成分の圧力を示す。この場合、結晶サンプルを含む炉の温度を、１時間ごとに１００℃ずつ段階的に上昇させる。図３ｂのスペクトルでは、水素曲線より下の面積は、キャリブレーションとともに、現在脱ガスされている圧電材料に存在していた水素の量を示す。圧電材料中の初期の水素含有量は、約１．９８ｗｔ．ｐｐｍであると測定した。脱ガス後に、圧電材料中の水素含有量は、０．０５ｗｔ．ｐｐｍ未満であると測定した。
図４は、他の全ての測定条件は一定に保ったままで、共振子の水晶板から水素を除去する前および除去した後の、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）を使用して測定した、１０ＭＨｚの水晶共振子についてのアドミタンススペクトルを示す。水晶板内の水素は、それぞれ図２および図３において上記に示した方法およびシステムを使用して除去できる。表１（下記）は、図４のアドミタンススペクトルから導出された、水晶から水素を除去する前および除去した後の平均共振周波数および平均Ｑファクタを示す。表１のデータは、１０個の水晶について、水晶から水素を除去する前後の共振周波数およびＱファクタの平均測定値である。
したがって、共振周波数は、類似または同一の測定条件下で、少なくとも１４ＭＨｚまで増加し得る。好ましくは、本発明による圧電共振子において、共振周波数は、１．０１から２、３、４もしくは５倍、例えば、１．０１から１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８もしくは１．９倍、例えば、１．０５から１．５倍、または１．１から１．５倍、好ましくは１．１から１．４倍増加し得る。特に、増加は、約１．２倍、またはより好ましくは約１．４倍であり得る。また、好ましくは、本発明による圧電共振子において、Ｑファクタは、１．０１から２、３、４または５倍、例えば、１．０１から１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８または１．９倍、例えば、１．０１、１．０２、１．０３、１．０４、１．０５、１．０６、１．０７、１．０７、１．０８、１．０９から１．５倍、好ましくは１．０１または１．０５から１．２倍増加し得る。特に、増加は、約１．１倍であり得る。ここで、共振周波数およびＱファクタは、液体環境での水晶振動子マイクロバランスとして圧電共振子の使用をシミュレートするために結晶の片側が水に曝露されて測定されたことに留意されたい。同じ結晶共振子の空気中または真空中の対応するパラメータ値は、水中で測定した上記の値よりも高くなる。しかしながら、水素除去の前および後で同じ測定条件の下で測定された共振周波数およびＱファクタの相対的な増加は、依然として上記の範囲内であることが好ましい。共振周波数およびＱファクタの同様の改善は、水晶以外の圧電材料でも観察され、圧電材料の水素含有量は、上記のプロセスに従って、好ましくは０．０５ｗｔ．ｐｐｍ以下のレベルまで減少する。
上記の例では、水素除去前の基本周波数が１０ＭＨｚの水晶共振子を使用しているが、基本周波数が異なる水晶または他の圧電共振子でも同様の改善を観察することができる。例えば、本開示は、水素を除去する前に、少なくとも５ＭＨｚ、６ＭＨｚ、７ＭＨｚ、８ＭＨｚ、または９ＭＨｚの基本共振周波数を有する水晶共振子または他の圧電共振子に適用することができる。これらの例では、共振周波数を少なくとも１．２倍向上させことができ、その結果、共振周波数が、それぞれ、少なくとも６ＭＨｚ、７．２ＭＨｚ、８．４ＭＨｚ、９．６ＭＨｚ、および１０．８ＭＨｚに向上する。あるいは、共振周波数を少なくとも１．４倍向上させることができ、その結果、共振周波数が、それぞれ、少なくとも７ＭＨｚ、８．４ＭＨｚ、９．８ＭＨｚ、１１．２ＭＨｚ、および１２．６ＭＨｚに向上する。
基本周波数は、一部の用途では圧電共振子の動作周波数であるが、他の用途では、共振子をその倍音の１つで動作するように構成することもできる。したがって、圧電共振子の共振周波数に対する上述の改善は、水素の除去前に、倍音周波数の１つで動作するように構成される共振子でも観察される。
図３ｂで説明したように、水晶板から水素を除去する前に、水晶板は約１．９８ｗｔ．ｐｐｍの水素含有量を有する。この場合、図１ｂでも説明し、図４のグラフで理解できるように、水晶共振子は、約１０ＭＨｚの共振周波数ｆｏおよび約１３２０のＱファクタを有する。この場合、約０．０５ｗｔ．ｐｐｍのレベル（図３ｂに関する上記の説明を参照のこと）まで水晶から水素を除去した後、表１は、水晶共振子の共振周波数ｆｏが、約５０％増加して１４．７ＭＨｚになり、Ｑファクタが、約１０％増加して１４６４になることを示す（図４のスペクトルも参照のこと）。すなわち、表１および図４は、水晶中の水素含有量を減少させることによって、水晶共振子の共振周波数ｆｏおよびＱファクタの改善が、水晶の厚さを著しく変更させることを必要とせずに達成されることを示す。実際の用途では、水晶の厚さは、８０μｍから３５０μｍの間であり得、好ましくは約１６０μｍであり得る。水素含有量を減少させた水晶について述べたような厚さ範囲は、圧電材料の水素含有量を減少させるように構成される水晶以外の圧電材料にも適用可能である。
また、表１は、水素含有量を減少させた水晶の共振周波数ｆｏが、周囲空気中で結晶を３か月間保存した後でさえも変化しないことを示す。この場合、Ｑファクタは、１４６４から１４５２まで０．６９％のわずかな減少を示す。それにもかかわらず、水素含有量を減少させた水晶のＱファクタは、周囲空気中で結晶を３か月間保存した後でも、水素含有量が比較的高い受領したままの結晶のＱファクタの初期の値よりも、依然として高い。したがって、表１は、水素含有量を減少させた水晶の性能が改善され、周囲空気への長期曝露による大きな影響を受けないという点で安定していることを示す。
水素含有量を減少させた水晶板を含む水晶共振子は、バイオセンサ用途のためのＱＣＭシステムなどの圧電センサに使用することができる。例えば、改善された水晶共振子は、Ａｔｔａｎａ Ｃｅｌｌ ２００またはＡｔｔａｎａ Ｃｅｌｌ Ａ２００などのＱＣＭシステムにおける圧電センサ素子の一部として使用することができる。ＱＣＭシステム、およびＱＣＭシステムで使用するための水晶共振子を含むセンサ素子の簡単な説明は、図５ａおよび図５ｂに関連して以下に説明される。
図５ａは、本開示の一実施形態に係る、ＱＣＭセンサシステム５００の構成要素のブロック図を示す。ＱＣＭセンサシステム５００は、本開示の改善された水晶共振子（図示せず）を有するセンサ素子５０１を備える。ＱＣＭシステムは、センサ素子５０１における水晶共振子の振動運動を生成するために圧電センサ素子に電気信号を提供するための信号源５０２をさらに備える。ＱＣＭセンサシステム５００は、また、流体サンプルをセンサ素子５０１に導入するためのサンプル挿入ユニット５０３、およびセンサ素子５０１における水晶共振子の圧電特性（発振周波数を含む）を決定するためのプロセッサ５０４も備える。システム５００は、バッファおよび廃棄物容器（図示せず）、ならびに信号提示機器５０５をさらに備えることができる。
図５ｂ（ｉ）は、本開示の一実施形態に係る、センサ素子５０１の斜視図を示す。図５ｂ（ｉｉ）は、図５ｂ（ｉ）の線ＡＡ’に沿ったセンサ素子の断面図を示す。
図５ｂ（ｉ）および図５ｂ（ｉｉ）に見られるように、センサ素子５０１は、蓋コンポーネント５０１ｂと共に組み立てられるベースコンポーネント５０１ａを備える。２つのコンポーネントのアセンブリの詳細な説明は、国際公開第２００８／１３２，４８７号に提供されている。
図５ｂ（ｉｉ）は、ベースコンポーネント５０１ａが水晶板５０１ｅを備え、水晶板５０１ｅの対向面上に電極５０１ｆおよび５０１ｇを有することを示す。この場合、水晶板５０１ｅは、先に説明したように、共振周波数および品質係数を改善するために、水素のレベルを減少させるように構成されている。水晶板５０１ｅは、電極５０１ｆおよび５０１ｇと共に水晶共振子を形成する。水晶板５０１ｅは、図１ａの実施形態に従って構成することができる。図５ｂ（ｉｉ）は、また水晶５０１ｅの上のサンプルチャンバ５０１ｈを示し、サンプルチャンバ５０１ｈはサンプルチャンバ天井５０１ｉによって画定されている。使用中、目的の任意の化学物質を含有することができる流体サンプルは、サンプル挿入ユニット５０３（図５ａを参照のこと）によって、蓋コンポーネント５０１ｂにおけるホールまたは流体チャネル５０１ｃ、５０１ｄ（図５ｂ（ｉ）を参照のこと）を介してセンサ素子５０１のサンプルチャンバ５０１ｉに導入される。流体チャネルは、流体チャネルの一方、例えば５０１ｃが、流体サンプルをサンプルチャンバ５０１ｈに導入するために使用され、他方の流体チャネル、例えば５０１ｄが、流体サンプルをサンプルチャンバから流出させることを可能とする出口として使用されるように構成されてもよい。このようにして、サンプルチャンバはフローセルとして使用され得る。図５ｂ（ｉｉ）はまた、水晶板５０１ｅの下のベースコンポーネント５０１ａに形成されたキャビティ５０１ｊを示す。このキャビティは、センサ素子の使用中に水晶板５０１ｅの共振を可能にするように形成される。
ＱＣＭセンサ機器５００の使用中、流体サンプルは、上記でも説明したように、サンプル挿入ユニット５０３によってセンサ素子５０１に導入される。サンプルは、水晶表面との相互作用を誘起し、次いで、結晶板５０１ｅの振動特性をモニタリングすることによって、例えば、水晶板５０１ｅを含む圧電共振子の周波数の変化を測定することによって観察することができる。結晶板５０１ｅは、その表面上に電極５０１ｆ、５０１ｇのための電気接触領域（図示せず）を備えており、そのような接触領域は、交流電圧源などの信号源５０２（図５ａを参照のこと）、および測定デバイス５０４に接続可能である。測定のために、圧電結晶板５０１ｅは、検査される流体（例えば、液体）サンプルと一方の側で接触し、例えば、図５ｂ（ｉｉ）では、この接触面は５０１ｇである。結晶５０１ｅは、その共振周波数および／または振動振幅を変化させることによって、検出されるべき物質の質量の蓄積、またはサンプルの物理的特性の変化に応答する。
図６は、本開示の一実施形態に係る水晶共振子６０１を備える水晶発振回路６００の例示的な概略回路図を示す。発振回路６００は、例えば、回路に結合された電子回路６０２のためのクロックとして使用することができる。水晶共振子６０１は、共振周波数およびＱファクタを改善するために水素を減少させた水晶板６０３を備える。回路６００は、負荷コンデンサ６０４および６０５をさらに備える。各コンデンサは、グラウンドと、水晶板６０３のそれぞれの電極との間に結合される。負荷コンデンサ６０４、６０５は、回路の浮遊容量Ｃｓの近似と共に、回路６００によって生成される信号の周波数を調整するために使用することができる。
動作中、回路６００は、水晶共振子６０１の共振周波数によって調節される周波数を有する方形波信号を出力する。水晶発振回路によって出力される方形波信号は、例えば、回路に結合された電子回路６０２の動作を制御するためのクロックとして使用することができる。電子回路６０２は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの、その動作を制御するためのクロックを必要とする任意の回路であってもよい。上述したように、この例示的な実施では、水晶共振子の共振周波数およびＱファクタは、生成されたクロック信号の周波数およびクロック信号の周波数安定性をそれぞれ制御するために重要である。本発明は、結晶板の物理的特性、特に厚さを変えることなく共振周波数を増加させることを可能にする。従来、水晶共振子の顕著な値よりも高い周波数を生成するには、発振回路の追加の構成が必要である。例えば、発振器によって生成されたクロック信号の周波数は、典型的に、位相同期ループを使用して増加させることができ、基準として水晶発振回路６００によって生成された低い周波数クロック入力を使用することによって電子回路６０２のためのより高い内部クロック周波数を生成する。しかしながら、上述のように、本開示の水晶共振子の改善された性能により、より単純な発振回路を使用して、共振子の寸法または回路の構成を変更することなく、高周波を有するクロック信号を生成することができる。
本発明は、質量感受性化学センサ用途に使用するための圧電共振子の性能を改善するのに特に有用であるが、この用途に限定されず、圧電共振子を実装する任意の用途に同等に有用であり得る。提案された圧電材料を備える圧電共振子が、集積回路の一部として使用される場合、これはポリマーで封入されてもよい。
用途とは無関係に、圧電共振子をケーシング内に収納することは有用であり得る。このようなケーシングは、圧電共振子に侵入する大気ガスおよび不純物を防ぐために使用することができる。特に、湿気の形態で水が共振子に侵入するのを防ぐことが重要であり得る。なぜなら、これが起こると、共振子の水素含有量が増加するので、その共振周波数が変化する可能性があるためである。封入はまた、共振周波数を減少させる共振子の表面（乾燥側）への水の吸着も防ぐことができる。圧電材料の大気による腐食を防ぐことも重要であり得る。ケーシングは、上述のように集積回路の場合に使用できるポリマーであってもよい。金属による封入などの、他のタイプの封入も可能である。さらなる代替手段には、シリコンキャッピングの使用、または疎水性材料の使用が含まれる。
実施形態では、圧電材料は水晶であると定義されているが、必ずしもこのタイプに限定されず、圧電材料を備える共振子の共振周波数および品質係数を改善するために圧電材料中の水素含有量を減少させるための提案された方法は、例えば、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、タンタル酸リチウム、ホウ酸リチウム、ベルリナイト、ヒ化ガリウム、四ホウ酸リチウム、リン酸アルミニウム、酸化ビスマスゲルマニウム、ケイ素－亜鉛酸化物複合体、酒石酸二カリウムなどの、水素を含む任意のタイプの圧電材料のために使用され得る。
説明では、提案された圧電共振子を含む水晶発振回路の一例を記載しているが（図６を参照のこと）、提案された共振子は、用途の要件に応じて、ＣＭＯＳクロックなどの他のタイプの発振回路で使用することができる。例えば、提案された共振子は、回路がクロック信号を提供するために使用できる通信用途の発振回路で使用することができる。特に、提案された共振子の改善されたＱファクタは、当該共振子を備える通信回路の選択性を改善することができ、それによって、より狭い帯域幅にわたって改善された選択を可能にし、改善された情報転送をもたらす。
本開示は、多くの用途における圧電共振子の使用に適用することができる。例えば、本開示は、１００ＭＨｚ～２．５ＧＨｚの範囲の周波数を有し得るフィルタ用途で使用される圧電共振子に適用することができる。この場合、共振周波数の改善の倍率は、上記のものと同じであり得る。すなわち、水素減少前の共振周波数に対して１．２倍または１．４倍である。
さらに、説明全体を通じて、実験的に測定された様々なパラメータに提供される値は、その値が測定機器の品質／許容範囲内で測定されるという点で「近似」値である。
Claims (36)
- 圧電材料を備える圧電共振子であって、前記圧電材料が、前記圧電材料の剪断波速度を増加させるために、水素含有量を減少させるように構成される、圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子の共振周波数が、水素含有量を減少させていない前記圧電材料を備える圧電共振子の共振周波数と比較して増加している、請求項１に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子の前記共振周波数が、水中で測定したとき、少なくとも６ＭＨｚである、請求項２に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子の前記共振周波数が、水中で測定したとき、少なくとも１４ＭＨｚである、請求項３に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子の前記共振周波数が、水中で測定したとき、少なくとも７ＭＨｚ、７．２ＭＨｚ、８．４ＭＨｚ、９．６ＭＨｚ、９．８ＭＨｚ、１０．８ＭＨｚ、１１．２ＭＨｚおよび１２．６ＭＨｚのうちの１つである、請求項２に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子の前記共振周波数が、少なくとも１．２倍向上している、請求項２～４のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子の前記共振周波数が、少なくとも１．４倍向上している、請求項２～４のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子のＱファクタが、水素含有量を減少させていない前記圧電材料を備える圧電共振子のＱファクタと比較して向上している、請求項１～７のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子のＱファクタが、少なくとも１．１倍向上している、請求項８に記載の圧電共振子。
- 前記水素含有量を減少させた前記圧電材料を備える前記圧電共振子のＱファクタが、水中で測定したとき、少なくとも１４５０である、請求項８に記載の圧電共振子。
- 前記圧電材料の前記水素含有量が、約０．０５ｗｔ．ｐｐｍ以下のレベルまで減少している、請求項１～１０のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 前記圧電材料が、結晶板を備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 前記圧電材料が、１６０μｍ～３５０μｍの厚さを有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 前記圧電材料が、水晶板である、請求項１３に記載の圧電共振子。
- 前記圧電共振子が第１の電極および第２の電極を備え、各電極が所定の面積を有し、前記第１の電極が前記圧電材料の第１の平面を覆い、前記第２の電極が前記圧電材料の第２の平面を覆い、前記第２の平面が、前記圧電材料の前記第１の平面と対向している、請求項１～１４のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 各電極が、前記圧電材料のそれぞれの平面を部分的に覆う、請求項１５に記載の圧電共振子。
- 前記第１の電極が、前記圧電材料の前記第２の平面に延びる第１の部分を含む、請求項１５または１６に記載の圧電共振子。
- 前記圧電共振子が、封入されている、請求項１～１７のいずれか一項に記載の圧電共振子。
- 前記圧電共振子が、ケーシング内に封入され、前記ケーシングがポリマー、金属ケーシング、シリコンキャップ、または疎水性材料のうちの１つ以上を含み得る、請求項１８に記載の圧電共振子。
- 請求項１～１９のいずれか一項に記載の圧電共振子を備える、質量感受性化学センサ。
- 流体サンプルの化学分析のための圧電センサ素子であって、前記圧電センサ素子が、
請求項２０に記載の質量感受性化学センサと、
流体サンプルを受容するように構成され、流体サンプルが前記質量感受性化学センサと接触するのを促進するようにさらに構成されるサンプルチャンバと、
前記流体サンプルの流れを前記サンプルチャンバへ、および前記サンプルチャンバから誘導するために前記サンプルチャンバと流体接続する１つ以上のフローチャネルと
を備える、圧電センサ素子。 - 前記サンプルチャンバが、前記質量感受性化学センサを保持するようにさらに構成される、請求項２１に記載の圧電センサ素子。
- 流体サンプルの化学分析のための圧電センサシステムであって、前記圧電センサシステムが、
請求項２１または２２に記載の圧電センサ素子と、
前記流体サンプルを前記圧電センサ素子に導入するためのサンプル挿入ユニットと、
前記圧電センサ素子における前記圧電共振子の振動運動を生成するための前記圧電センサ素子に電気信号を提供するための信号源と、
前記圧電共振子の前記共振周波数を測定するため、および前記共振周波数を表す出力信号を生成するための処理ユニットと
を備える、圧電センサシステム。 - 前記サンプル挿入ユニットが、取り外し可能なユニットである、請求項２３に記載の圧電センサシステム。
- クロック信号を生成するための発振回路であって、請求項１～１９のいずれか一項に記載の圧電共振子を備える、発振回路。
- 圧電材料の剪断波速度を増加させるための方法であって、前記方法が、
所定の厚さを有する圧電材料を提供するステップと、
前記圧電材料から水素を除去するステップと
を含む、方法。 - 圧電材料を備える圧電共振子の共振周波数および／またはＱファクタを増加させるための方法であって、前記方法が、
所定の厚さを有する圧電材料を提供するステップと、
前記圧電材料から水素を除去するステップと
を含む、方法。 - 圧電共振子を製造するための方法であって、前記方法が、
所定の厚さの圧電材料を提供するステップと、
前記圧電材料の剪断波速度を増加させるために、前記圧電材料から水素を除去するステップと
を含む、方法。 - 前記圧電材料から水素を除去するステップが、熱脱着を使用して水素を脱ガスすることを含む、請求項２６～２８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記方法が、
（ｉ）単一ステップにおいて、所定の持続時間にわたって所定の温度で、または
（ｉｉ）段階的な熱脱着プロセスにおいて、
前記圧電材料を加熱することを含む、請求項２９に記載の方法。 - 前記圧電材料から水素を除去するステップが、前記圧電材料中の水素含有量を約０．０５ｗｔ．ｐｐｍ以下のレベルまで減少させることを含む、請求項２６～３０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記圧電材料が、結晶板である、請求項２６～３１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記結晶板が、水晶版を含む、請求項３２に記載の方法。
- 前記圧電材料が、１６０μｍ～３５０μｍの厚さを有する、請求項２６～３３のいずれか一項に記載の方法。
- 圧電共振子のための圧電材料であって、前記圧電材料が、前記圧電材料の剪断波速度を増加させるために、水素含有量を減少させる、圧電材料。
- 前記圧電材料が、約０．０５ｗｔ．ｐｐｍ以下のレベルまで水素含有量を減少させるように構成される、請求項３５に記載の圧電材料。
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