JP4470590B2 - 表面弾性波センサー用基板及び表面弾性波センサー - Google Patents

Description

本発明は、ランガテイト単結晶からなる圧電体基板に関し、使用温度範囲の限定された表面弾性波センサーに用いた場合に、特に優れた高性能の表面弾性波センサーを得ることができる表面弾性波センサー用基板に関する。

圧電体基板上に櫛形電極（ interdigital transducer, ＩＤＴ）を形成した受動型表面弾性波（ＳＡＷ）センサーセンサーは、（１）無線化が可能であること、及び（２）センサーへの電源供給が不要であること等の利点によりその利用範囲を拡大している。このような表面弾性波素子用の基板としては、従来、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、４硼酸リチウム、水晶等の圧電性単結晶を適当なカット面で切断、研磨した基板が使用されている（例えば、特許文献１参照。）が、近年ＳＡＷセンサーの圧電体基板として、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４；ＬＧＳ）の単結晶基板が注目されており（例えば、特許文献２参照。）、ランガサイト単結晶基板の（１）融点が高く（約１４７０℃）、（２）室温から融点までの間に相転移点がない等の利点から、他の基板を用いた場合に比して、より高温環境下での使用が可能になるとされている。

従来、伝送型フィルタ等の表面弾性波素子に使われる圧電体基板においては、遅延時間温度係数（ＴＣＤ）及び電気機械結合係数（Ｋ^２ ）が重要視されており、ＴＣＤは零に近いほど、Ｋ^２ は大きいほど望ましいとされている。
そこで、圧電体基板としてランガサイト（ＬＧＳ）単結晶基板を用い、その表面の方位をオイラー角表示で所定範囲内とすることで、ＴＣＤが小さく、かつ比較的大きなＫ^２ が得られる。

しかしながら、上記文献に挙げられているＬＧＳ単結晶基板は、伝送型ＳＡＷフィルターに好適なランガサイト単結晶基板の表面方位を限定するものであり、温度測定用等のＳＡＷセンサーに用いるための圧電体基板としては不適当なものであった。また、ランガサイト単結晶はその表面方位によって表面弾性波の伝搬特性が変化するため、その方位を適切に制御しない場合、再現性に優れかつ高効率のＳＡＷセンサーを作製することは到底不可能である。 また、ランガサイト単結晶を用いた場合、音速が約２６００ｍ／ｓと大きいため、素子サイズが大きくなってしまう不都合があった。加えて素子が大型化するのに伴い伝播距離も長くなって伝播損出も大きくなる欠点がある。

しかし、現在のランガサイト基板は、安定した温度特性を有するものの、低挿入損失で大きなＫ^２ を有したものは得られていない。従って、安定した温度特性を持ち、かつランガサイトよりも大きなＫ^２ を持つ圧電基板が切望されている。
そこで本出願人はランガサイト基板に替わる基板としてランガテイト（Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４ ；ＬＧＴ）単結晶から切り出した単結晶基板を提案した（例えば、特許文献４参照。）。
特開昭６０−４１３１５号公報 特開２００３−２２９７４１号公報 特開平１１−２７０８９号公報 特開２０００−１３８５５７号公報

ランガテイト （Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４）単結晶は、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）単結晶の構成元素Ｓｉを元素Ｔａで置換したもの、すなわちランガサイト単結晶系列の置換型単結晶の一種であり、ランガサイトと同じ結晶構造を有している。従って、ランガサイト単結晶が温度に対して安定した特性を持つことから、ランガテイト単結晶も安定した温度特性を有している。ランガテイトは融点が約１５００℃と高く、室温から融点までの間で相転移がないので、より高温での使用が可能となる。

特許文献４に開示したランガテイト単結晶基板は、表面弾性波伝送型フィルタに適した基板であって、温度センサー等のセンサー用の基板としてそのまま使用するには不適当なものである。例えば、音速が約２６００ｍ／ｓｅｃと大きいため、センサーの小型化に限界があり、センサーが大きくなると伝播距離も長くなって伝播損失が大きくなる。また、フィルター用の基板では遅延時間温度係数（ＴＣＤ）を小さくすることを目的としており、特性が温度に依存しにくいので温度センサー用としては適さない。さらに、ランガテイト単結晶は方位によって表面弾性波の伝播特性が変化するが、センサー用として最適な方位は未だに示されていない。

センサー用の基板として要求される具備特性としては、（１）電気機械結合係数（Ｋ^２ ）が０．２５％以上と大きく、 （２）遅延時間温度係数（ＴＣＤ）が１０ｐｐｍ以上と大きいこと、また、（３）高効率を得るためには伝播特性のパラメーターとしてパワーフロー角（ＰＦＡ）の絶対値が１０°以下と小さく、かつ（４）回折係数（γ）が−３以上１以下と−１に近く、加えて（５）センサーの小型化、高効率化のためには音速（ｖ）が２３００ｍ／ｓｅｃ以下と小さいことが望まれる。
本発明は、上記センサー用の基板として要求される特性を具備したランガテイト単結晶基板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ー用基板は、使用温度範囲が１００℃以上で温度を測定するための圧電体基板であって、ランガテイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４ ；ＬＧＴ）単結晶で形成され、その表面の方位が、オイラー角表示で（２０°＜φ≦３０°、８０°＜θ＜１００°、−２０°＜ψ＜２０°）の範囲内である表面弾性波センサー用基板とした。
本発明の表面弾性波センサー用基板においては、前記表面の方位がオイラー角表示で（φ、θ、ψ）＝（３０°，９０°，０°）である表面弾性波センサー用基板とすることが好ましい。

上記構成の本発明の表面弾性波センサー用基板は、表面方位が上記範囲とされていることで、Ｋ^２ が０．２５％以上、ＴＣＤの絶対値が１０ｐｐｍ／℃以上、ＰＦＡの絶対値が１０°以下、γが−３以上１以下、音速が２３００ｍ／ｓｅｃ以下であるという表面弾性波センサ用の圧電体基板に求められる条件を満たすことができ、もって再現性が良く、かつ高効率の表面弾性波センサーを構成することが可能な圧電体基板を提供することができる。

本発明の表面弾性波センサーは、上記の本発明の各表面弾性波センサー用基板表面に、表面弾性波を励振、受信、もしくは反射するための金属膜電極を備えた表面弾性波センサーとした。
上記構成によれば、先の本発明の表面弾性波センサー用基板により、再現性が良く、効率の良い表面弾性波センサーを提供することができる。

本発明によれば、ランガサイト結晶を用いるよりも表面弾性波センサー用としてより適した特性を有する基板を比較的容易に提供することができ、もってより特性に優れ小型化した面弾性波センサーを効率的に提供することができるようになる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の表面弾性波センサーの模式図である。この表面弾性波センサーでは、圧電体基板１上に、金属膜で形成された対の櫛型電極、すなわち励振用電極３および受信用電極４が形成されている。なお、センサ両端の圧電体基板１上には吸着材層５が形成されている。このように構成された表面弾性波センサーでは、励振用電極３に信号を入力して、圧電体基板１に表面弾性波を励振し、この表面弾性波を受信用電極４にて受信する。これをループ状に結合して自励振動を発生させ、温度による音速の変化すなわち発振周波数の変化から温度を測定するようになっている。

上記圧電体基板１としては、ランガテイト（Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４ ）単結晶を使用する。ランガテイト単結晶は、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｓｉ_０．５Ｏ_１４ ）単結晶の構成元素Ｓｉを元素Ｔａで置換したもの、すなわちランガサイト単結晶系列の置換型単結晶の一種であり、ランガサイトと同じ結晶構造を有している。従って、ランガサイト単結晶が温度に対して安定した特性を持つことから、ランガテイト単結晶も安定した温度特性を有している。
ランガテイト単結晶基板の表面弾性波の伝搬特性を計算するのに必要な材料定数である、表１に示す２０℃における密度、弾性定数、圧電定数、誘電率および線膨張係数の値を使用して、圧電基板表面でのニュートン運動方程式、圧電方程式、準静電近似したマックスウエルの方程式を連立して解くことにより、ランガテイト基板の特性を解析した。解析はオイラー角表示（φ，θ，ψ）でφ＝０°〜３０°、θ＝０°〜１８０°、ψ＝０°〜１８０°の範囲のランガテイト単結晶基板の表面弾性波の伝搬特性を解析した。この解析結果の例を以下の図２から図１１に示す。

図２から図６は、φ＝０°、θ＝９０°の場合の計算結果である。
これらのうち、図２は角度（ψ）と電気機械結合係数（Ｋ^２ ）の関係を示す。図２からＫ^２ が０．２５％以上となるのはψが−２０°〜２０°の範囲であることが判る。
図３は角度（ψ）とパワーフロー角（ＰＦＡ）の関係を示す。図３からＰＦＡの絶対値が１０°以下となるのはψが−６０°〜６０°の全ての範囲であることが判る。
図４は角度（ψ）と遅延時間温度係数（ＴＣＤ）の関係を示す。図４からＴＣＤが１０ｐｐｍ以上となるのはψが−３０°〜３０°の範囲であることが判る。

図５は角度（ψ）と回折係数（γ）の関係を示す。図５からγが−３〜１となるのはψが−６０°〜６０°の全ての範囲であることが判る。
そして、図６は角度（ψ）と音速（ｖ）の関係を示す。図６からｖが２３００ｍ／ｓｅｃ以下となるのはψが−３０°〜３０°の範囲であることが判る。

次に、図７から図１１は、φ＝３０°、θ＝９０°の場合の計算結果である。
これらのうち、図７は角度（ψ）と電気機械結合係数（Ｋ^２ ）の関係を示す。図５からＫ^２ が０．２５％以上となるのはψが−２０°〜２０°の範囲であることが判る。
図８は角度（ψ）とパワーフロー角（ＰＦＡ）の関係を示す。図８からＰＦＡの絶対値が１０°以下となるのはψが−６０°〜６０°の全ての範囲であることが判る。
図９は角度（ψ）と遅延時間温度係数（ＴＣＤ）の関係を示す。図９からＴＣＤが１０ｐｐｍ以上となるのはψが−３０°〜３０°の範囲であることが判る。
図１０は角度（ψ）と回折係数（γ）の関係を示す。図１０からγが−３〜１となるのはψが−６０°〜６０°の全ての範囲であることが判る。
そして、図１１は角度（ψ）と音速（ｖ）の関係を示す。図１１からｖが２３００ｍ／ｓｅｃ以下となるのはψが０°〜６０°の範囲であることが判る。

なお、ランガテイト単結晶の点群は３２であるため、結晶構造の対称性から表面弾性波の伝搬特性が同じである方位、所謂等価な方位が存在する。すなわち、φ＝０゜〜３０°、θ＝０゜〜１８０°、ψ＝０゜〜１８０°の範囲の伝搬特性を調べることにより全方位の伝播特性を知ることができる。具体的には、３０°≦φ≦６０°の範囲では
φ'＝６０°−φ
θ'＝１８０°−θ
ψ'＝ψ
により、
また、６０°≦φ≦９０°の範囲では
φ'＝６０°＋φ
θ'＝１８０°−θ
ψ'＝１８０°−ψ
により、
また、９０°≦φ≦１２０°の範囲では
φ'＝１２０°−φ
θ'＝θ
ψ'＝１８０°−ψ
により（φ，θ，ψ）と等価な（φ'，θ'，ψ'）を求めることが出来る。さらに、点群３２の対称性よりφ＝０゜〜１２０°とφ＝１２０゜〜２４０°及びφ＝２４０゜〜３６０°が等価であり、また、θ＝０゜〜１８０°とθ＝０゜〜−１８０°が等価であり、また、ψ＝９０゜〜２７０°とψ＝−９０゜〜９０°が等価である。本発明の表面弾性波センサー用基板の方位範囲としては、このような等価な方位をも含むものである。

以上の結果からオイラー角表示で（０°≦φ≦３０°，θ＝９０°，−１０°≦ψ≦２０°）で表記されるカット面は、表面弾性波センサー用基板として要求される諸特性を満たし、特に（φ，θ，ψ）＝（０°，９０°，０°）で表されるカット面は、電気機械結合係数（Ｋ^２ ）＝０．３７％、遅延時間温度係数（ＴＣＤ）＝１４ｐｐｍ（１００℃），２１０ｐｐｍ（２００℃），４８４ｐｐｍ（３００℃），９８４ｐｐｍ（４００℃）、パワーフロー角（ＰＦＡ）＝０°、回折係数（γ）＝０．６１、音速（ｖ）＝２１９３ｍ／ｓｅｃ（２５℃）であり、表面弾性波センサー用基板として好適なカット面であるのに加え、Ｙ面となるためＹ軸に平行な結晶育成を行った場合、効率よく基板の取得ができる利点がある。
一方、特に（φ，θ，ψ）＝（３０°，９０°，０°）で表されるカット面は、電気機械結合係数（Ｋ^２ ）＝０．５０％、遅延時間温度係数（ＴＣＤ）＝２１ｐｐｍ（１００℃），１５２ｐｐｍ（２００℃），３３８ｐｐｍ（３００℃），６６７ｐｐｍ（４００℃）、パワーフロー角（ＰＦＡ）＝−８．４５°、回折係数（γ）＝０．２２、音速（ｖ）＝２３００ｍ／ｓｅｃ（２５℃）であり、（Ｋ^２ ）が特に大きく、その他の値も許容範囲内で表面弾性波センサー用基板として適するカット面であるのに加え、この面はＸ面となるためＸ軸に平行な結晶育成を行った場合、効率よく基板の取得ができる利点がある。

上記のようなカット面で切り出したランガテイト結晶基板の上に、金属膜で形成した対の櫛型電極、すなわち励振用電極および受信用電極を形成し、基板両端には吸着材層を形成して表面弾性波センサーとする。このように形成した表面弾性波センサーの励振用電極に信号を入力して、圧電体基板に表面弾性波を励振し、この表面弾性波を受信用電極にて受信する。これをループ状に結合して自励振動を発生させると、温度による音速の上昇すなわち発振周波数の上昇から温度を測定することができる。

上記のカット面解析から得られた結果を検証するために、（φ，θ，ψ）＝（０°，９０°，０°）なる表面方位を備えた圧電体基板を作成し、その音速特性を測定した。まず、ＣＺ法により作成したランガサイト単結晶から指定したカット面方位（φ，θ）となるようにウエーハを切り出し、片面を鏡面研磨して基板とした。この基板の鏡面側に指定した伝搬方位（φ）となるように櫛形電極、すなわち励振用電極及び受信電極をアルミニウム（Ａｌ）により形成して表面弾性波センサを作成した。電極の膜厚は２００ｎｍ、電極間距離（λ）は７４μｍ、電極指幅は９．２５μｍ、電極対数は励振用電極及び受信電極ともに１２λとした。

上記で得られた表面弾性波センサについて、音速温度特性（ Temperature Coefficient of Veloscity ：ＴＣＶ) を１００℃から６００℃の範囲で求めた。これらの結果を図１２に示す。図に示すような結果から、カット面解析のシュミレーションによって得られた音速温度特性と実測値とは良く一致している。

本発明の表面弾性波センサーを示す外観斜視図である。 ψとＫ^２ の関係を示す図である。 ψとＰＦＡの関係を示す図である。 ψとＴＣＤの関係を示す図である。 ψとγの関係を示す図である。 ψとＶの関係を示す図である。 ψとＫ^２ の関係を示す他の図である。 ψとＰＦＡの関係を示す他の図である。 ψとＴＣＤの関係を示す他の図である。 ψとγの関係を示すを他の図である。 ψとＶの関係を示す他の図である。 温度と速度変化量との関係を示す図である。

符号の説明

１・・・・・表面弾性波センサー用基板、２・・・・・表面弾性波センサー、３・・・・・励振用電極、４・・・・・受信電極、５・・・・・吸音材層

Claims (3)

1. 使用温度範囲が１００℃以上で温度を測定するための表面弾性波センサー用の圧電体基板であって、ランガテイト（Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４ ；ＬＧＴ）単結晶で形成され、その表面の方位が、オイラー角表示で（２０°＜φ≦３０°、８０°＜θ＜１００°、−２０°＜ψ＜２０°）の範囲内であることを特徴とする表面弾性波センサー用基板。
2. 前記表面の方位が、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）＝（３０°，９０°，０°）であ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ー用基板。
3. 請求項１または請求項２に記載の表面弾性波センサー用基板表面に、表面弾性波を励振、受信、もしくは反射するための金属膜電極を備えたことを特徴とする表面弾性波センサー。
   

Images