JP4618492B2

JP4618492B2 - 弾性表面波センサ

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Publication number: JP4618492B2
Application number: JP2004374543A
Authority: JP
Inventors: 隆山崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP2006184011A

Description

本発明は、弾性表面波素子を利用した弾性表面波センサに係り、特に液体の特性や液体中に含まれる物質の検出などに好適な弾性表面波センサに関する。

弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）素子は、高い共振周波数が得られるところから、高感度なセンサとすることができる。なかでも、弾性表面波の１種であるＳＨ（Shear Horizontal）波を利用した弾性表面波センサは、液体の粘性率や密度などの物理的特性や、液体中に含まれる物質を検出できるところから開発が進められている。この液相系の弾性表面波センサは、非特許文献１に記載されているように、３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ_３やＳＴカット９０°伝搬水晶板などが用いられる。

そして、特許文献１には、すだれ状に形成した送信電極と、すだれ状に形成した受信電極との間に受容体を設けるとともに、受容体の周囲に上部が開口しているプール壁を設けた溶液センサが記載されている。この溶液センサは、プール壁内に試料溶液を滴下することにより、試料溶液が電極側に流れて、電極が短絡するような不都合を防止することができる。
日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会・編「弾性波デバイス技術」４０５〜４１２頁、株式会社オーム社（平成１６年）特開平９−８００３５号公報

しかし、弾性表面波センサは、小型化が進められるとともに、高感度化が求められている。弾性表面波センサの感度は、圧電基板に生ずる弾性表面波の周波数に依存しており、感度を向上させるためには、励振する弾性表面波の周波数（共振周波数）を高くする必要がある。弾性表面波素子からなる弾性表面波センサの共振周波数は、ＩＤＴ（Interdigital Transducer）を構成しているすだれ状電極の電極間ピッチに依存する。そして、共振周波数を高周波化するためには、電極間ピッチを小さくしなければならず、すだれ状電極を微細加工する必要がある。したがって、弾性表面波センサは、小型化の要望と電極の微細化とにより、受容体の面積も小さくしなければならない。このため、特許文献１に記載の溶液センサは、受容体の周囲がプール壁によって囲まれているため、受容体に試料溶液を滴下するのが困難になり、測定に多くの労力や時間を必要とし、測定の失敗も生じやすい。

また、特許文献１に記載の溶液センサは、すだれ状電極が露出したままであるため、溶液中に浸漬すると、すだれ状電極が溶液を介して短絡するため、溶液中において使用することができない。このため、溶液中に含まれている多数の物質を同時に検出する場合、多数の溶液センサの受容体のそれぞれに溶液を滴下する必要があり、測定に多くの時間と労力とを必要とする。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、溶液を受容体に容易に接触させることができるようにすることを目的としている。
また、本発明は、溶液中に浸漬した状態で使用できるようにすることなどを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る弾性表面波センサは、圧電基板の表面に設けられ、前記圧電基板に弾性表面波を生成するすだれ状電極と、前記すだれ状電極によって生成された前記弾性表面波の伝搬領域に露出させて設けた受容体と、前記すだれ状電極を覆って設けられ、前記すだれ状電極の周囲に密閉空間を形成する電極封止部材と、を有することを特徴としている。

上記のようになっている本発明は、受容体の周囲に壁部を設けていないため、弾性表面波センサが小型化、高感度化されて受容体が小さくされたとしても、試料溶液を容易に接触させることができる。また、本発明は、すだれ状電極を電極封止部材によって密閉したことにより、弾性表面波センサを溶液中に浸漬しても、すだれ状電極が溶液によって短絡することがない。したがって、本発明に係る弾性表面波センサの多数を溶液中に浸漬して使用することにより、溶液中に含まれている多数の物質の容易に検出することができ、測定の労力を大きく軽減でき、測定時間を大幅に短縮することができる。

弾性表面波の伝搬領域における電極封止部材の圧電基板への接合部の前記弾性表面波の伝搬方向における幅は、弾性表面波の波長をλとしたときに、λ／４の整数倍にするとよい。このようにすると、電極封止部材の接合部における弾性表面波の不要な反射を避けることができる。また、弾性表面波の伝搬領域における電極封止部材の圧電基板への接合部と、すだれ状電極との距離は、弾性表面波の波長をλとしたときに、λ／４の整数倍にするとよい。上記と同様に、電極封止部材の接合部における弾性表面波の不要な反射を避けることができる。

電極封止部材を圧電基板に接合する接合材は、絶縁材を用いることが望ましい。電極封止部材の接合部が、すだれ状電極の給電用の配線部などと交差する場合であっても、配線部間において短絡するのを防止することができる。また、電極封止部材を平板状に形成し、電極封止部材を圧電基板に接合する接合材を、電極封止部材とすだれ状電極とを離間させる高さを有するようにできる。電極封止部材に、すだれ状電極との間に空隙を形成するための凹部などを形成する必要がなく、電極封止部材の加工が容易となる。

電極封止部材を上面に電極部を有する絶縁体によって形成し、すだれ状電極を電極封止部材に形成した貫通孔を介して電極部に電気的に接続することができる。このようにすると、電極封止部材の接合部が配線部などと交差するのを避けることができ、接合材に金属を使用できて弾性表面波の減衰を小さくすることができる。すだれ状電極は、密閉空間から引き出された配線部を有し、配線部の電極封止部材の接合部と対応した位置が絶縁してあるようにできる。このようにすると、接合材に金属を使用することができ、弾性表面波の減衰を小さくすることができる。

本発明に係る弾性表面波センサの好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、第１実施形態に係る弾性表面波センサの説明図である。図１において、弾性表面波センサ１０は、圧電基板１２の表面に励振用ＩＤＴ１４と受信用ＩＤＴ１６とを備えている。圧電基板１２は、実施形態の場合、３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ_３またはＳＴカット９０°伝搬水晶板なっていて、弾性表面波であるＳＨ波を励振できるようになっている。励振用ＩＤＴ１４と受信用ＩＤＴ１６とは、それぞれ一対の櫛型電極１８（１８ａ、１８ｂ）、２０（２０ａ、２０ｂ）からなっている。それぞれ対をなす櫛型電極１８、２０は、それぞれの電極指が交互に、かつ平行に、等間隔で配置され、すだれ状をなしている。これらの櫛型電極１８、２０は、実施形態の場合、アルミニウムまたはアルミニウム系合金の薄膜によって形成してある。

励振用ＩＤＴ１４は、圧電基板１２の一側に配置され、所定周波数の電圧が一対の櫛型電極１８間に印加され、圧電基板１２を励振してＳＨ波を生成できるようになっている。受信用ＩＤＴ１６は、圧電基板１２の他側に配置してあり、励振用ＩＤＴ１４によって生成され、圧電基板１２を伝搬するＳＨ波を受信するようになっている。そして、各ＩＤＴ１４、１６間、すなわち弾性表面波の伝搬領域である圧電基板１２の中央部には、特定の物質と結合する感応膜から受容体２２が露出させて設けてある。

励振用ＩＤＴ１４と受信用ＩＤＴ１６とは、それぞれ電極封止部材２４によって覆われている。電極封止部材２４は、金属やセラミック、ガラスなどからなり、図２に示したように、平板状に形成してある。そして、電極封止部材２４は、実施形態の場合、低融点ガラスなどの絶縁材からなる接合材２６によって圧電基板１２に液密に接合してある。電極封止部材２４を圧電基板１２に接合している接合材２６は、実施形態の場合、厚みｈが櫛型電極１８、２０の電極膜厚ｄより厚くなるようにしてあって、櫛型電極１８、２０の周囲に密閉空間２８を形成できるようにしてある。したがって、励振用ＩＤＴ１４を設けた部分による圧電基板１２の逆圧電効果、受信用ＩＤＴ１６を設けた部分における圧電基板１２の圧電効果に影響を与えることがなく、高感度な弾性表面波センサ１０とすることができる。

なお、櫛型電極１８、２０の電極指の幅は、弾性表面波（ＳＨ波）の波長をλとした場合、λ／４に形成してある。また、弾性表面波の伝搬方向における電極封止部材２４の接合部、すなわち接合材２６と櫛型電極１８との距離ａおよび接合材２６の幅ｂは、λ／４の整数倍にしてある。これにより、電極封止部材２４の接合部においてＳＨ波の不要な反射を防ぐことができる。ただし、距離ａと幅ｂとは同じでなくともよい。このことは、受信用ＩＤＴ１６側においても同様である。また、各櫛型電極１８、２０は、図１に示したように、配線部である配線パターン３０が一体に形成してある。配線パターン３０は、密閉空間２８から引き出され、密閉空間２８の外部に設けた電極パッド３２に接続してある。

このようになっている第１実施形態の弾性表面波センサ１０は、受容体２２の周囲に壁部を設けていないため、試料溶液を容易に受容体に滴下して接触させることができ、測定を容易、迅速に行なうことができる。しかも、励振用ＩＤＴ１４、受信用ＩＤＴ１６は、電極封止部材２４によって密閉空間２８内に封入してあるため、試料溶液に接触することがない。このため、励振用ＩＤＴ１４、受信用ＩＤＴ１６の部分において弾性表面波が溶液によって減衰したり、短絡したりするのを防ぐことができる。なお、弾性表面波センサ１０を溶液に浸漬して使用する場合、各電極パッド３２にワイヤ（リード）を接続したのち、露出している導電部に絶縁材を塗布する。これにより、弾性表面波センサ１０を液中において使用することが可能となる。このため、受容体２２を構成している感応膜の性質の異なった複数の弾性表面波センサ１０を試料溶液に浸漬することにより、溶液中の複数の物質を同時に検出、測定することができ、測定の労力と時間とを大幅に削減することができる。

なお、前記実施形態においては、金属やセラミック、ガラスなどによって形成した電極封止部材２４を低融点ガラスからなる接合材２６によって接合した場合について説明したが、電極封止部材と接合材とをドライフィルムレジストによって形成してもよい。また、前記実施形態においては、励振する弾性表面波がＳＨ波である場合について説明したが、弾性表面波はラブ波などであってもよい。

図３は、第２実施形態の要部の断面図である。この第２実施形態に係る弾性表面波センサは、励振用ＩＤＴ１４、受信用ＩＤＴ１６を覆っている電極封止部材３４が第１実施形態と異なっている。すなわち、電極封止部材３４は、櫛型電極１８、２０と対面する内面に凹部３６が形成してある。これにより、接合材２６の厚み（高さ）に対する制約が緩和され、櫛型電極１８、２０の周囲に容易に密閉空間２８を形成することができる。

図４は、第３実施形態の説明図である。この実施形態に係る弾性表面波センサ４０は、いわゆるＩＤＴ４２が共振子型に形成してある。ＩＤＴ４２は、一対の櫛型電極４４（４４ａ、４４ｂ）から形成してある。各櫛型電極４４は、長手方向の中央部に電極指が形成されておらず、両端部に電極指が形成され、両端部においてすだれ状電極からなるすだれ状電極部４６（４６ａ、４６ｂ）を形成している。両すだれ状電極部４６ａ、４６ｂを形成している櫛型電極４４ａ、４４ｂのそれぞれの電極指は、バスバー４８（４８ａ、４８ｂ）によって電気的に接続してある。

両すだれ状電極部４６に挟まれた電極指の形成されていない部分には、受容体２２がバスバー４８間に露出させた状態で配設してある。また、弾性表面波の伝搬方向であるＩＤＴ４２の両側には、格子状に形成した反射器５０が設けてある。そして、弾性表面波センサ４０は、受容体２２の両側に位置するすだれ状電極部４６と反射器５０とが電極封止部材２４によって液密に封止してある。この電極封止部材２４は、前記の実施形態と同様に、すだれ状電極部４６と反射器５０との周囲に密閉空間を形成している。バスバー４８は、配線部となっていて、一部が電極封止部材２４から露出しており、露出した部分が電極パッド３２に接続してある。なお、この実施形態においては、すだれ状電極部４６と反射器５０とを電極封止部材２４によって封止した場合について説明したが、すだれ状電極部４６のみを封止し、反射器５０は露出させてもよい。

図５は、第４実施形態を説明する断面図である。図５において、弾性表面波センサ６０は、励振用ＩＤＴ１４と受信用ＩＤＴ１６とのそれぞれを覆っている電極封止部材６２が平板状に形成してある。電極封止部材６２は、セラミックやガラスなどの絶縁体によって形成してある。また、励振用ＩＤＴ１４、受信用ＩＤＴ１６の電極パッド３２は、弾性表面波（ＳＨ波）の伝搬方向であって、受容体２２の反対側に設けてある。そして、電極封止部材６２は、それぞれＩＤＴ１４、１６と電極パッド３２とを覆う大きさを有しているとともに、電極パッド３２と対応した位置に貫通孔６４が設けてある。

貫通孔６４は、上面側から下面側に向けて漸次縮径するテーパ状に形成してある。また、電極封止部材６２は、下面の貫通孔６４と対応した位置に、貫通孔６４に対応して形成された貫通孔６７を有する接触パッド６６が設けてある。接触パッド６６は、アルミニウムや金などの導電性の金属によって形成してあって、図５に示したように、電極封止部材６２が圧電基板１２に接合されたときに、下面が電極パッド３２の上面に接触するようになっている。

弾性表面波センサ６０は、接合材２６を介して電極封止部材６２が圧電基板１２に接合されたのち、電極封止部材６２の貫通孔６４に導電性金属からなる電極材６８（６８ａ、６８ｂ）が配置される。この電極材６８は、電極部を構成しており、図５に示したように、溶融されて電極封止部材６２と接触パッド６６との貫通孔６４、６７を埋め、下端が電極パッド３２に達して電極パッド３２と電気的に接続される。励振用ＩＤＴ１４側の電極材６８ａは、励振用ＩＤＴ１４に励振用の電力を供給するために電源に接続される。また、受信用ＩＤＴ１６側の電極材６８ｂは、周波数検出器に接続される。なお、電極封止部材６２の貫通孔６４の面は、電極材６８の密着性を向上させるために印刷やめっきなどによって、タングステンや半田などの図示しない金属膜が設けてある。

ところで、この第４実施形態においては、接合材２６が導電性の配線パターンなどと交差することがない。したがって、接合材２６は、絶縁性のものばかりでなく、金属などの導電性のものも使用することができる。例えば、電極封止部材６２の接合は、接合材として圧電基板側と電極封止部材側とにＣｒ／Ａｕを用いた熱圧着や、さらに電極封止部材側のＣｒ／Ａｕの上にＡｕＳｎや半田を設けて接合するＡｕＳｎ接合、半田接合、さらには陽極接合などを用いることができる。そして、接合材として金属を用いた場合、電極封止部材６２に設けた接触パッド６６を接合材と同じ金属によって形成することができる。これにより、接合材と接触パッド６６とを同じ工程で形成することができ、工程の簡素化を図ることができる。

図６は、第４実施形態の製造方法の一例を示すフローチャートである。まず、ステップ７０に示したように、圧電体ウエハの表面にＣｒとＡｕとの２層からなるＣｒ／Ａｕ膜を成膜する。この膜は、スパッタリングや蒸着などによって形成してよい。次に、Ｃｒ／Ａｕ膜をパターニングして接合部（接合材）を形成する（ステップ７２）。その後、電極用のアルミニウム（Ａｌ）を蒸着やスパッタリングによって成膜する（ステップ７４）。次に、Ａｌ膜をパターニングしてＩＤＴ、電極パッドなどを形成する（ステップ７６）。

一方、上記の工程に並行して電極封止部材となる板材に貫通孔を形成する（ステップ８０）。さらに、貫通孔の壁面に金属膜を形成する（ステップ８２）。この金属膜は、タングステンなどの金属ペーストを印刷などによって貫通孔を覆って塗布し、貫通孔の反対側から吸引して金属ペーストを貫通孔の壁面に密着させ、焼成することにより形成できる。なお、電極封止部材をセラミックによって形成する場合、グリーンシートの状態で貫通孔の形成、金属ペーストの塗布を行なったのちに焼結する。

次に、ＣｒとＡｕとの２層膜による接合部を形成する（ステップ８４）。この接合部は、金属ペーストの印刷などに形成する。ただし、蒸着やスパッタリングなどによって形成してもよい。その後、ステップ９０に示したように、圧電体ウエハと電極封止部材用の板材とを位置合わせして重ねあわせ、接合部のＣｒ／Ａｕ膜同士を熱圧着により接合する。なお、両者をＡｕＳｎ接合する場合、ステップ８６に示したように電極封止部材用板材の接合部の上にＡｕＳｎ膜を印刷などにより設け、ステップ９０においてＡｕＳｎ膜を溶融して接合する。その後、電極封止材用板材に設けた貫通孔に電極材を配置し、電極材を溶融して貫通孔を埋める（ステップ９２）。次に、圧電体ウエハと電極封止部材用板材とを切断（ダイシング）し、個々の弾性表面波センサにする（ステップ９４）。

なお、個々の弾性表面波センサを複数配置して一体化してあるマルチチャンネルセンサの場合は、マルチチャンネルセンサが単位となるように切断して個々のチップにすればよい。

図７は、第５実施形態を説明する断面図である。この実施形態に係る弾性表面波センサ１００は、電極パッド３２が弾性表面波の伝搬方向であって、受容体２２の反対側に形成してある。そして、励振用ＩＤＴ１４と受信用ＩＤＴ１６と構成している各櫛型電極に一端を接続した配線パターン部１０２は、電極封止部材２４が形成する密閉空間２８から引き出され、他端が密閉空間２８の外部に設けた電極パッド３２に接続してある。電極パッド３２、配線パターン部１０２は、実施形態の場合、励振用ＩＤＴ１４と受信用ＩＤＴ１６と構成している各櫛型電極とともにアルミまたはアルミ系合金によって形成してある。

電極封止部材２４を圧電基板１２に接合する接合材１０４は、実施形態の場合、Ｃｒ／Ａｕによって形成してある。また、接合材１０４と配線パターン部１０２との間には、絶縁層（絶縁体）１０６が設けてある。この絶縁層１０６は、配線パターン部１０２を陽極酸化することによって形成してある。なお、図７に示した符号１０８は、接合部に高低差が生ずるのを避けるために。配線パターン部１０２と一体に形成したダミーパターン部である。また、絶縁層１０６は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜など成膜して形成してもよい。そして、パターンを陽極酸化せずに酸化ケイ素などによって絶縁層１０６を設ける場合は、図４に示した共振型のＩＤＴを設けた弾性表面波センサにも適用することができる。

第１実施形態の説明図である。図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。第２実施形態の要部断面図である。第３実施形態の説明図である。第４実施形態の断面図である。第４実施形態の製造方法の一例を示すフローチャートである。第５実施形態の断面図である。

符号の説明

１０………弾性表面波センサ、１２………圧電基板、１４、１６………すだれ状電極（励振用ＩＤＴ、受信用ＩＤＴ）、２２………受容体、２４………電極封止部材、２６………接合部（接合材）４０、６０、１００………弾性表面波センサ、４２………ＩＤＴ、４６ａ、４６ｂ………すだれ状電極部、５０………反射器、６４………貫通孔、６８ａ、６８ｂ………電極部（電極材）、１０６………絶縁体（絶縁層）。

Claims

圧電基板の表面に設けられ、前記圧電基板に弾性表面波を生成するすだれ状電極と、
前記すだれ状電極によって生成された前記弾性表面波の伝搬領域に露出させて設けた受容体と、
前記すだれ状電極を覆って設けられ、前記すだれ状電極の周囲に密閉空間を形成する電極封止部材と、
を有し、
前記弾性表面波の伝搬領域における前記電極封止部材の前記圧電基板への接合部と、前記すだれ状電極との距離は、前記弾性表面波の波長をλとしたときに、λ／４の整数倍であることを特徴とする弾性表面波センサ。
圧電基板の表面に設けられ、前記圧電基板に弾性表面波を生成するすだれ状電極と、
前記すだれ状電極によって生成された前記弾性表面波の伝搬領域に露出させて設けた受容体と、
前記すだれ状電極を覆って設けられ、前記すだれ状電極の周囲に密閉空間を形成する電極封止部材と、
を有し、
前記弾性表面波の伝搬領域における前記電極封止部材の前記圧電基板への接合部の前記弾性表面波の伝搬方向における幅は、前記弾性表面波の波長をλとしたときに、λ／４の整数倍であることを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１または請求項２に記載の弾性表面波センサにおいて、
前記電極封止部材を前記圧電基板に接合する接合材は、絶縁材からなることを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の弾性表面波センサにおいて、
前記電極封止部材は、平板状に形成され、
前記電極封止部材を前記圧電基板に接合する接合材は、前記電極封止部材と前記すだれ状電極とを離間させる高さを有している、
ことを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の弾性表面波センサにおいて、
前記電極封止部材は、上面に電極部を有する絶縁体からなり、
前記すだれ状電極が前記電極封止部材に形成した貫通孔を介して前記電極部に電気的に接続してある、
ことを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１、請求項２、請求項４または請求項５のいずれかに記載の弾性表面波センサにおいて、
前記すだれ状電極は、前記密閉空間から引き出された配線部を有し、
前記配線部の前記電極封止部材の接合部と対応した位置が絶縁してある、
ことを特徴とする弾性表面波センサ。