JP4826194B2 - Surface acoustic wave device and method of using the same - Google Patents

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Description

本発明は、弾性表面波素子,およびそれを用いた電気信号処理方法の改良に関する。
特に、本発明は、単結晶またはLiNbO3あるいはLiTaO3などの圧電体(以後、これらを、「圧電性結晶」と称することもある。)で形成されており、少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している円環状表面を有している基材を有しており、前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波(Surface Acoustic Wave;SAW)が励起される弾性表面波素子(以下、SAWデバイスとも称する)に関するものであるが、
バイオ用途などでの体液検査や、液体の弾性変化など各種物性の検出にあたって好適な弾性表面波素子とそれを用いた処理(使用)方法の改良に関する。
The present invention relates to a surface acoustic wave element and an improvement of an electric signal processing method using the same.
In particular, the present invention is formed of a single crystal or a piezoelectric body such as LiNbO 3 or LiTaO 3 (hereinafter, these may be referred to as “piezoelectric crystals”), and is formed of at least a part of a spherical surface. A surface acoustic wave device having a base material having an annular surface that is continuous in an annular shape and exciting a surface acoustic wave (SAW) propagating along the annular surface (Hereinafter also referred to as SAW device)
The present invention relates to an improvement of a surface acoustic wave device suitable for testing body fluids in bio applications and the like, and detecting various physical properties such as elastic changes of liquids and a processing (use) method using the surface acoustic wave device.

基材上に弾性表面波を発生させると共に、発生された弾性表面波を受信するものとして、弾性表面波素子は従来から良く知られている。   2. Description of the Related Art A surface acoustic wave element is well known as a device that generates a surface acoustic wave on a substrate and receives the generated surface acoustic wave.

SAWデバイスは、平坦な基材上に1対の櫛形電極(Interdigital Transducer;IDT。以降は、すだれ状電極とも称する。)が設けられている。
基材が圧電性材料で形成されているか、又はすだれ状電極と基板の間には圧電体が設けられており、一方のすだれ状電極に高周波電圧を供給することにより、電極の並んでいる方向に弾性表面波を励起させる。他方のすだれ状電極はこの弾性表面波の伝搬方向に配置されていてこの弾性表面波を受信する。
In a SAW device, a pair of comb electrodes (Interdigital Transducer; IDT; hereinafter, also referred to as interdigital electrodes) is provided on a flat substrate.
The substrate is formed of a piezoelectric material, or a piezoelectric body is provided between the interdigital electrode and the substrate, and a high frequency voltage is supplied to one interdigital electrode, thereby arranging the electrodes in a line. To excite surface acoustic waves. The other interdigital electrode is disposed in the propagation direction of the surface acoustic wave and receives the surface acoustic wave.

SAWデバイスは、圧電効果によって発生する弾性表面波を利用した素子であり、以下のような特徴を有することから、遅延線,発信機のための発振素子もしくは共振素子,周波数を選択するためのフィルタ,化学センサー,バイオセンサ,またはリモートタグ等、応用範囲は多岐に渡っている。
1)伝搬速度が数千m/sであり、波長は周波数1GHzで、電磁波は30cmであるのに対して、弾性表面波は4μmと短いので、素子の小型化(1mm角以下)が可能。
2)表面付近にエネルギ−のほぼ90%が集中しているため表面から波の発生・検出及び伝搬途中での光等との自由なアクセスが可能。
3)固定化デバイスであるため無調整であり信頼性に優れている。
4)製造技術にLSIと同じフォトリソグラフィ技術が適用できるため量産化が容易。
A SAW device is an element that uses surface acoustic waves generated by the piezoelectric effect and has the following characteristics. Therefore, a delay line, an oscillation or resonance element for a transmitter, and a filter for selecting a frequency are used. , Chemical sensors, biosensors, remote tags, etc. have a wide range of applications.
1) The propagation speed is several thousand m / s, the wavelength is 1 GHz, the electromagnetic wave is 30 cm, whereas the surface acoustic wave is as short as 4 μm, so the device can be downsized (1 mm square or less).
2) Almost 90% of the energy is concentrated near the surface, so wave generation and detection from the surface and free access to light during propagation are possible.
3) Since it is an immobilization device, there is no adjustment and excellent reliability.
4) Mass production is easy because the same photolithography technology as LSI can be applied to the manufacturing technology.

国際公開 WO 01/45255 号公報は、球形状の弾性表面波素子(以下、ボールSAWデバイスや球状弾性表面波素子と称することもある)を開示している。
ボールSAWデバイスの基体は、弾性表面波が励起可能であり励起された弾性表面波を伝搬させることが可能な球形状の表面を有している。
ボールSAWデバイスにおける電気音響変換素子は、基体の球形状の表面において円環状に連続している所定の幅を有した帯域に配置されており、前記表面に励起した弾性表面波を前記帯域が連続している方向に沿い伝搬させ繰り返し周回させるよう構成される。
International Publication WO 01/45255 discloses a spherical surface acoustic wave element (hereinafter also referred to as a ball SAW device or a spherical surface acoustic wave element).
The base of the ball SAW device has a spherical surface that can excite surface acoustic waves and can propagate the excited surface acoustic waves.
The electroacoustic transducer in the ball SAW device is arranged in a band having a predetermined width that is continuous in an annular shape on the spherical surface of the substrate, and the band is continuously generated by the surface acoustic wave excited on the surface. It is configured to propagate along the direction in which it is traveling and repeatedly circulate.

ボールSAWデバイスでは、基体の表面の円環状に連続している弾性表面波伝搬帯域に電気音響変換素子により励起された弾性表面波を、弾性表面波伝搬帯域内で実質的に減衰することなく上記表面を繰り返し周回させることが出来る。
国際公開 WO 01/45255 号公報
In the ball SAW device, the surface acoustic wave excited by the electroacoustic transducer in the surface acoustic wave propagation band that is continuous in an annular shape on the surface of the substrate is substantially not attenuated within the surface acoustic wave propagation band. The surface can be circulated repeatedly.
International Publication WO 01/45255

ボールSAWデバイスでは、球状面に弾性表面波がエネルギーを集中させて伝搬する際に、エネルギーが球表面から球の内部やあるいはその他に漏洩することがないため、非常に多周回に球表面を伝搬する現象を利用している。
また、上記デバイスでは、限られた面積の領域を繰り返し弾性波を伝搬させるため、弾性表面波の伝搬速度の非常に小さな変化やあるいはその減衰の仕方を高精度に測定できることから、ガスセンサー等にその応用が進められている。
In ball SAW devices, when surface acoustic waves propagate with concentrated energy on a spherical surface, the energy does not leak from the surface of the sphere to the inside of the sphere or elsewhere, so the surface of the sphere propagates very many times. The phenomenon is used.
In the above device, since elastic waves are propagated repeatedly in a limited area, it is possible to measure very small changes in the propagation speed of surface acoustic waves or how to attenuate them. Its application is underway.

IDTを用いたSAWデバイスにおけるSAWの励起にあたっては、
弾性表面波を伝搬させる球(基材)を構成するガラスやセラミックなどの材料の表面に圧電性膜を形成し、圧電性膜に接触あるいは近接して配置されるすだれ状電極(IDT)を用いて電界を印加し、生じる圧電性膜の弾性変形に基づいて超音波振動(弾性表面波)を発生させることが出来る。
あるいは、基材を圧電性結晶によって構成し、その表面に接触するかあるいは近接して電界を印加し、弾性表面波を励起することが出来る。
前者の場合、球表面上に任意の最大円周線に沿って周回経路を背系することが出来る。
後者の場合、結晶の結晶軸に依存した中心線を持つ経路に周回経路を設計しなくてはならないが、構造が簡単で弾性表面波の伝搬に伴う減衰が小さいという長所がある。
In exciting SAW in a SAW device using IDT,
A piezoelectric film is formed on the surface of a material such as glass or ceramic that constitutes a sphere (base material) that propagates a surface acoustic wave, and an interdigital electrode (IDT) disposed in contact with or close to the piezoelectric film is used. By applying an electric field, ultrasonic vibration (surface acoustic wave) can be generated based on the elastic deformation of the resulting piezoelectric film.
Alternatively, the substrate can be made of a piezoelectric crystal, and an electric field can be applied in contact with or close to the surface thereof to excite surface acoustic waves.
In the former case, the circulation path can be backed along an arbitrary maximum circumference on the sphere surface.
In the latter case, it is necessary to design a circular path in a path having a center line depending on the crystal axis of the crystal, but there is an advantage that the structure is simple and the attenuation due to the propagation of the surface acoustic wave is small.

SAWは、伝搬面に接する媒質の特性変化や伝搬面上への物質の吸脱着により伝搬特性(速度と振幅)が摂動を受けるため、この変化を検出することによりセンサが実現できる。
伝搬特性とは、弾性表面波が素子表面を伝搬する際の速度(周回するに必要な速度でも、絶対速度を区別しない)、あるいはその速度の関数である弾性表面波の周波数依存性、あるいは伝搬に伴う弾性表面波の減衰量を指す。
In SAW, the propagation characteristics (velocity and amplitude) are perturbed due to changes in the characteristics of the medium in contact with the propagation plane and the adsorption and desorption of substances on the propagation plane. Therefore, a sensor can be realized by detecting these changes.
Propagation characteristics are the speed at which surface acoustic waves propagate on the device surface (even if the speed is required to circulate, absolute speed is not distinguished), or the frequency dependence of surface acoustic waves as a function of the speed, or propagation Indicates the amount of attenuation of surface acoustic waves.

これまでのボールSAWデバイスは、気体中での駆動(使用)を前提としてきたが、液体中での駆動(使用)に対する要求も高まっている。   Conventional ball SAW devices have been premised on driving (use) in a gas, but demand for driving (use) in a liquid is also increasing.

医療診断分野では、血液あるいはそれを処理したサンプルあるいは体内組織を処理して溶液に溶かしたものなど、溶液として被分析物がハンドリングされる。
生体物質は、乾燥状態よりも液体状態の方が安定に存在できることが多いためであって、乾燥によって蛋白質の変質が起こったり、特にそれを他の物質を反応させる作業はドライの状態では困難であって、その結果を観測する際にも乾燥するプロセスを用いずに溶液で実施するほうが簡単にできることは明らかである。
In the field of medical diagnosis, an analyte is handled as a solution, such as blood or a sample processed from it or a body tissue processed and dissolved in a solution.
This is because the biological material can exist more stably in the liquid state than in the dry state, and protein alteration occurs due to drying, and the work of reacting it with other substances is particularly difficult in the dry state. Obviously, it is easier to observe the results in solution without using a drying process.

このように、生体物質の評価だけでなく、体内に直接カテーテルなどを挿入したり、あるいは人体の外部から電磁波などで姿勢コントロールを行いながら診断あるいは治療を行なうことが成されている。
しかし、検査チップを体内に挿入することは、消化器の場合を除く場合、たとえば欠陥の内径は大きくても数ミリであって、大きなセンサーを挿入することは非常な努力を必要とした。
このため、血液の粘度などを測定するには血液採取を行なうことで実施しており、日常生活の中で、それをモニターすることは実質困難であった。
例えば、血液の粘性は高脂血症などの評価で重要なパラメーターであるが、顕微鏡下で抵抗を持った構造物の流動を調べるなどの方法をとらざるを得なかった。
このような顕微鏡を用いない血液の粘度測定にあたって、弾性表面波素子を用いた方法が実施されている。
As described above, not only the evaluation of biological materials but also the diagnosis or treatment is performed by inserting a catheter or the like directly into the body or performing posture control from the outside of the human body with electromagnetic waves or the like.
However, inserting a test chip into the body requires a great effort to insert a large sensor except for the case of the digestive organ, for example, the inner diameter of the defect is at most several millimeters.
For this reason, blood viscosity is measured by collecting blood, and it has been difficult to monitor it in daily life.
For example, the viscosity of blood is an important parameter in the evaluation of hyperlipidemia and the like, but a method such as examining the flow of a structure having resistance under a microscope has to be taken.
In measuring the viscosity of blood without using such a microscope, a method using a surface acoustic wave element has been implemented.

SAWの伝搬路が球面または円筒面の一部であるようなボールSAWデバイスの場合、特に圧電性結晶をボール基材とする場合、基材が結晶であることから、伝搬面の弾性物性が連続的に変わっている。
圧電性結晶では、弾性表面波の伝搬する球表面の場所に従って、基材表面での粒子変位方向は変わる。
このため、周回に渡って垂直の粒子変位を免れないことから、液中でのSAWの伝搬が困難と思われてきた。
In the case of a ball SAW device in which the SAW propagation path is a part of a spherical surface or a cylindrical surface, particularly when a piezoelectric crystal is used as a ball base material, the base material is a crystal, and therefore the elastic physical properties of the propagation surface are continuous. It has changed.
In the piezoelectric crystal, the particle displacement direction on the surface of the substrate changes according to the location of the spherical surface on which the surface acoustic wave propagates.
For this reason, it has been considered that it is difficult to propagate SAW in the liquid because vertical particle displacement is unavoidable over the circumference.

最も有名な弾性表面波であるRayleigh波は、表面と平行でない変位を持つ横波(SV波)と縦波が結合した非分散(音速が周波数に依存しない)性の波である。
Rayleigh波は、水平変位と垂直変位の位相が90°ずれているので、図1に示すように表面付近の粒子の動きは楕円軌道を描き、表面から遠ざかるにつれてその振幅が指数関数的に減少する。表面から1波長以内の深さに大部分のエネルギーが集中している。
上述のように、圧電体の表面にすだれ状電極(IDT)を設け、高周波電界を加えると、圧電効果を介して弾性表面波が励振される。
非圧電体には、表面および伝搬方向に平行な変位を有する横波(SH波)の表面波は存在しない。
しかし、特定の圧電体には、その表面にエネルギーを集中して伝搬する純粋な横波の弾性表面波が存在することが知られている。
この表面波は、圧電表面すべり波あるいはBGS波(Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave)と呼ばれ、六方晶系6mm圧電結晶や圧電セラミックスの、c軸または分極軸に平行な面を有する基板などに存在する、と報告されている。
The Rayleigh wave, which is the most famous surface acoustic wave, is a non-dispersive (sound speed does not depend on frequency) wave in which a transverse wave (SV wave) having a displacement not parallel to the surface and a longitudinal wave are combined.
The Rayleigh wave is 90 ° out of phase between the horizontal and vertical displacements, so as shown in FIG. 1, the motion of particles near the surface draws an elliptical orbit, and its amplitude decreases exponentially as it moves away from the surface. . Most of the energy is concentrated at a depth within one wavelength from the surface.
As described above, when an interdigital electrode (IDT) is provided on the surface of the piezoelectric body and a high frequency electric field is applied, a surface acoustic wave is excited through the piezoelectric effect.
In the non-piezoelectric material, there is no transverse wave (SH wave) surface wave having a displacement parallel to the surface and the propagation direction.
However, it is known that a specific piezoelectric body has a pure transverse surface acoustic wave that concentrates energy on its surface and propagates.
This surface wave is called a piezoelectric surface slip wave or BGS wave (Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave), and exists on a substrate having a plane parallel to the c-axis or polarization axis of a hexagonal 6 mm piezoelectric crystal or piezoelectric ceramic. It is reported to be.

平面型の弾性表面波素子を用いて、液体の粘度を評価することを可能とする各種手法が明らかになっている。
中央付近で発生される弾性表面波は、導電性膜により左右に形成されたはしご上に形成された反射器によって反射し、外部から高周波信号を入力すると、特定の周波数において共振現象を起こす現象を利用して、その周波数を測定することで、弾性表面波の伝搬速度を測定することが出来る。
あるいは、一定の共振現象を維持する為に必要な高周波の投入エネルギーの量を求めることで、弾性表面波の減衰量を求めることが出来る。
上記の弾性表面波は、表面に水平方向にしか表面の変位を持たない振動成分を持つ伝搬モードであり、SH波と呼ばれる。このようなモードはその接する溶液に対して圧縮応力を発生しない為に、液体の粘性を介した摺り応力によって溶液と相互作用を及ぼし合う。
SH波の伝搬過程では、溶液の粘性が大きくなるとSH波の伝搬速度が低下すると共に、その減衰率も変化し、それらを観測することで測定が可能である。
Various techniques have been clarified that make it possible to evaluate the viscosity of a liquid using a planar surface acoustic wave device.
The surface acoustic wave generated near the center is reflected by the reflectors formed on the ladder formed on the left and right by the conductive film. When a high frequency signal is input from the outside, a phenomenon that causes a resonance phenomenon at a specific frequency occurs. The propagation speed of the surface acoustic wave can be measured by measuring the frequency by utilizing it.
Alternatively, the attenuation amount of the surface acoustic wave can be obtained by obtaining the amount of high-frequency input energy necessary for maintaining a certain resonance phenomenon.
The surface acoustic wave is a propagation mode having a vibration component having a surface displacement only in the horizontal direction on the surface, and is called an SH wave. Since such a mode does not generate compressive stress with respect to the solution in contact therewith, it interacts with the solution by sliding stress via the viscosity of the liquid.
In the propagation process of the SH wave, when the viscosity of the solution increases, the propagation speed of the SH wave decreases and the attenuation rate also changes, and measurement is possible by observing them.

しかし、上記手法による場合、反射器は十分な反射率で進行していた弾性表面波を反射する必要から、十分なサイズが必要であって、デバイスが大型になることが避けられない。
そのため、平面型SAWデバイスでは、人体に挿入して使用(検査・測定)するには、そのサイズから、実用困難であった。
人体に挿入しての使用でなく、平面型の弾性表面波素子を体液検査などに使用する場合には、デバイスのSAW伝搬路にサンプル溶液を接触させる必要があるが、サンプル溶液の量を確保したり、所定の場所に滴下することに難点があり、弾性表面波素子を用いての液体評価の実現にあたってのハードルとなっていた。
However, in the case of the above method, the reflector needs to reflect the surface acoustic wave that has traveled with sufficient reflectivity, so that a sufficient size is necessary and the device is inevitably large.
Therefore, it is difficult to use a planar SAW device because of its size to insert into a human body for use (inspection / measurement).
When using a flat surface acoustic wave device for body fluid inspection, etc., instead of inserting it into the human body, it is necessary to bring the sample solution into contact with the SAW propagation path of the device. However, there is a difficulty in dropping the liquid into a predetermined place, which has been a hurdle for realizing liquid evaluation using a surface acoustic wave element.

平面型の弾性表面波素子を利用した液体評価として、その他にQCMと呼ばれる手法があり、ATカット水晶と呼ばれる切片の表裏に電極を形成して、それを溶液中に浸漬して使用する手法である。
ATカット水晶は、その表面の粒子振動の方位が表面平衡であって、溶液とのずり変位に対する応答を、非常に精度良く検出することが出来る。
上記手法による測定では、表面に特定の蛋白質と結合する抗体を固定しておき、溶液中で蛋白質との結合に基づく表面質量負荷に伴う共振周波数の測定によって、特定の蛋白質を検出する技術にも応用されている。
ATカット水晶を用いた素子の場合も、直径は8mm程度あり小型化が困難で、さらに、ATカット水晶の共振周波数を上げることで感度を上げることは出来るが、薄くすることには限界があり、高感度化の上でも難点があった。
In addition, there is a method called QCM as a liquid evaluation using a surface type surface acoustic wave element. In this method, electrodes are formed on the front and back of a section called an AT-cut crystal and immersed in a solution. is there.
The AT-cut quartz has a surface equilibrium in the direction of particle vibration on its surface, and can detect the response to the shear displacement with the solution with very high accuracy.
In the measurement using the above method, an antibody that binds to a specific protein is immobilized on the surface, and a technique for detecting a specific protein by measuring the resonance frequency associated with the surface mass load based on the binding with the protein in solution is also used. Applied.
In the case of an element using an AT cut crystal, the diameter is about 8 mm and it is difficult to reduce the size. Further, the sensitivity can be increased by increasing the resonance frequency of the AT cut crystal, but there is a limit to making it thin. There was also a difficulty in increasing sensitivity.

本発明は、固液界面を伝搬可能なモードのSAWを励起〜伝搬させることが可能なボールSAWデバイスを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a ball SAW device capable of exciting to propagating a mode SAW capable of propagating through a solid-liquid interface.

本発明によるボールSAWデバイスは、
球面または円筒面の一部で形成され、円環状に連続している円環状表面を有する基材と、
前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波を励起する弾性表面波励起手段とを備えており、
前記円環状表面は、弾性表面波が伝搬可能な凸曲面からなる伝搬路を有していると共に、前記円環状表面を構成する基材はLiNbO3あるいはLiTaO3であり、
前記弾性表面波励起手段は、前記円環状表面に沿って設けられ、高周波電源に接続されるすだれ状電極を含んでおり、
前記すだれ状電極への電界印加に伴い、伝搬する前記円環状表面の法線方向に変位を持たない部分を少なくとも有するモードの弾性表面波を励起することを特徴とする。
また、上記の弾性表面波素子を用いて、
少なくとも前記円環状表面の一部を溶液に接触させた状態で、前記弾性表面波励起手段により弾性表面波を励起して伝搬させ、その周回を検出することにより、弾性表面波の伝搬状態を計測することを特徴とする弾性表面波素子の使用方法を提案する。
The ball SAW device according to the present invention comprises:
A substrate having an annular surface formed of a part of a spherical surface or a cylindrical surface and continuous in an annular shape;
A surface acoustic wave excitation means for exciting a surface acoustic wave propagating along the annular surface,
The annular surface has a propagation path made of a convex curved surface through which surface acoustic waves can propagate, and the base material constituting the annular surface is LiNbO3 or LiTaO3,
The surface acoustic wave excitation means includes an interdigital electrode provided along the annular surface and connected to a high-frequency power source,
According to the application of an electric field to the interdigital electrode, a surface acoustic wave of a mode having at least a portion not displaced in the normal direction of the annular surface that propagates is excited.
In addition, using the surface acoustic wave element,
The surface acoustic wave propagation state is measured by exciting the surface acoustic wave with the surface acoustic wave excitation means and propagating it with at least a part of the annular surface in contact with the solution, and detecting the circulation of the surface acoustic wave. A method of using a surface acoustic wave device is proposed.

固液界面を伝搬可能なモードのSAWを励起〜伝搬させることが可能なデバイスを用いることにより、液体の力学的性質(粘性率,弾性率,密度など)や電気的性質(導電率,誘電率など)の計測に応用することが可能なボールSAWデバイスが実現される。   By using a device capable of exciting and propagating a SAW in a mode that can propagate through a solid-liquid interface, the mechanical properties (viscosity, elastic modulus, density, etc.) and electrical properties (conductivity, dielectric constant) of the liquid are used. Etc.) can be applied to the measurement of the ball SAW device.

<実施形態1>
図2に、ボールSAWデバイスの構成例とそれを用いた測定を行なっている状態の要部および観測される弾性表面波の周回経路の一例を示す。
<Embodiment 1>
FIG. 2 shows a configuration example of a ball SAW device, an example of a main part in a state where measurement is performed using the ball SAW device, and an example of an observed surface acoustic wave circulation path.

ボールSAWデバイスは、
球面の一部で形成され、円環状に連続している円環状表面を有する基材と、
前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波を励起する弾性表面波励起手段と
を備えており、
前記円環状表面は、弾性表面波が伝搬可能な曲面からなる伝搬路を有していると共に、
前記弾性表面波励起手段は、前記円環状表面に沿って設けられ、高周波電源に接続されるすだれ状電極を含んでいる構成である。
Ball SAW device
A base material formed of a part of a spherical surface and having an annular surface continuous in an annular shape;
A surface acoustic wave excitation means for exciting a surface acoustic wave propagating along the annular surface, and
The annular surface has a propagation path composed of a curved surface through which surface acoustic waves can propagate,
The surface acoustic wave excitation means includes an interdigital electrode provided along the annular surface and connected to a high frequency power source.

本実施形態においては、圧電性結晶からなる基材として、LiNbO3あるいはLiTaO3を採用する。
上記デバイスを用いて、
少なくとも前記円環状表面の一部を溶液に接触させた状態で、前記弾性表面波励起手段により弾性表面波を励起して伝搬させ、その周回を検出することにより、弾性表面波の伝搬状態を計測する。
同図では、円環状表面と溶液とは、「接触部」となっている部分で接触している。
In the present embodiment, LiNbO3 or LiTaO3 is employed as the base material made of piezoelectric crystals.
Using the above device,
The surface acoustic wave propagation state is measured by exciting the surface acoustic wave with the surface acoustic wave excitation means and propagating it with at least a part of the annular surface in contact with the solution, and detecting the circulation of the surface acoustic wave. To do.
In the figure, the annular surface and the solution are in contact with each other at a portion that is a “contact portion”.

あるいは、凹部壁面にすだれ状電極を形成した基材を純水中に浸漬し、前記凹部壁面に嵌合する形状の圧電性結晶材料を配置して、すだれ状電極への電界印加に伴って発生したSAWを観測した結果、水中で周回する弾性表面波の観測が可能だった。
このように、間接的に電磁界を作用させて、圧電性結晶材料に弾性波を励起する方法について、前記材料表面に十分な強度ですだれ状電極パターンに対応した電界を生じさせて弾性波を励起するように、すだれ状電極パターンの間隔に対して十分接近させておくことが必要であることは言うまでもない。
Alternatively, a substrate having interdigital electrodes formed on the concave wall surface is immersed in pure water, and a piezoelectric crystal material shaped to fit into the concave wall surface is disposed, and generated when an electric field is applied to the interdigital electrode. As a result of observing SAW, it was possible to observe surface acoustic waves that circulate in water.
As described above, the method of exciting the elastic wave in the piezoelectric crystal material by indirectly acting the electromagnetic field generates an electric field corresponding to the interdigital electrode pattern with sufficient strength on the surface of the material to generate the elastic wave. Needless to say, it is necessary to be sufficiently close to the interval of the interdigital electrode pattern so as to be excited.

空気中(真空中も含む)で測定する際に、最も効率良く計測出来たSAWの伝搬速度(音速)は、3600〜4000m/sおよび3800〜5000m/sであった。   When measuring in air (including in vacuum), the SAW propagation speed (sound speed) that could be measured most efficiently was 3600 to 4000 m / s and 3800 to 5000 m / s.

前者の周波数で励起される振動は、Rayleigh波と呼ばれるモード,あるいはそれと似た変位を持つ振動であって、後者は表面に水平に変位を持つモードである。   The vibration excited at the former frequency is a mode called a Rayleigh wave or a vibration having a similar displacement, and the latter is a mode having a displacement horizontally on the surface.

入力する高周波信号の周波数を変えることでも、励起される弾性表面波のモードを変更することが可能であった。
モードの違いによる溶液との影響の仕方をモードの選択によって行なうことが出来る。
It was also possible to change the mode of the excited surface acoustic wave by changing the frequency of the input high-frequency signal.
The method of influence with the solution due to the mode difference can be performed by selecting the mode.

空中での測定と、溶液中の測定を同一の素子で行なった場合、共に測定可能であることも確認された。   It was also confirmed that both measurement in air and measurement in solution were possible using the same element.

球状弾性表面波素子に対して所定の高周波信号を印加することで、溶液中でも伝搬する弾性表面波を伝搬させることが出来ることを利用すれば、球形であることから非常にセンサーヘッドを小型化できることが明らかであり、SAWデバイスを利用したセンサーを、体内に設置あるいは挿入する場合にも、組織を傷つける可能性が小さく有効である。   By applying a predetermined high-frequency signal to the spherical surface acoustic wave element, it is possible to propagate the surface acoustic wave propagating in the solution. It is clear that even when a sensor using a SAW device is installed or inserted into the body, the possibility of damaging the tissue is small and effective.

<実施形態2>
図3は、上記デバイスとは異なる形状(中心がZ軸の円筒形状)の素子を示す説明図である。
直径は、1mm〜3mm強であり、円筒の側面に沿ってSAWを周回させることが可能である。
本実施形態で使用する圧電性結晶基材はリチウムナイオベートであり、線状に加工した結晶材料を切断することで容易に作製が可能である。
円筒形状とする利点は、血管などへの挿入が容易であり、取り扱いが容易なことである。
<Embodiment 2>
FIG. 3 is an explanatory view showing an element having a shape different from that of the above device (a cylindrical shape whose center is a Z axis).
The diameter is slightly over 1 mm to 3 mm, and the SAW can be circulated along the side surface of the cylinder.
The piezoelectric crystal substrate used in the present embodiment is lithium niobate, and can be easily manufactured by cutting a linearly processed crystal material.
The advantage of the cylindrical shape is that it can be easily inserted into a blood vessel or the like and can be handled easily.

<実施形態3>
体外で、限られた量のサンプルに対して素子表面を接触させるような用途においては、球形の内面を持つ容器に溶液を表面張力を利用して導入して、弾性表面波を励起してその伝搬状態を測定することで溶液の評価を行なうことが可能であり、非常に少量のサンプルで済むことも明らかである。
<Embodiment 3>
In applications where the element surface is in contact with a limited amount of sample outside the body, the solution is introduced into a container having a spherical inner surface using surface tension to excite the surface acoustic wave and It is obvious that the solution can be evaluated by measuring the propagation state, and that only a very small amount of sample is required.

<実施形態4>
円筒形状の素子にバースト信号を入力し、その出力を検出する形態での使用(測定)も可能である。
上記の場合、体内で接触が起こると、接触の程度に応じて弾性表面波の伝達が阻害され、エネルギーを奪われるために出力が小さくなる。
さらに、体内で組織に接触する領域の周回経路上の位置を、接触部分で起こる経路上の反射波の出力時間から求めることが出来、カテーテルの挿入において組織との接触状態を外部から認識する上で有効と考えられるだけでなく、体内組織に素子を押し当てるに従って、接触状態がどのように変化するかを測定出来れば、癌化組織の硬さなど弾性的に特徴のある部位を識別することが可能である。
<Embodiment 4>
It is also possible to use (measure) in a form in which a burst signal is input to a cylindrical element and the output is detected.
In the above case, when contact occurs in the body, the transmission of the surface acoustic wave is hindered depending on the degree of contact, and the output is reduced because energy is deprived.
Furthermore, the position of the region in contact with the tissue in the body on the circular path can be obtained from the output time of the reflected wave on the path that occurs at the contact portion, and the state of contact with the tissue can be recognized from the outside during catheter insertion. In addition to being considered effective, it is possible to identify elastically characteristic parts such as the hardness of cancerous tissue if the contact state changes as the element is pressed against the body tissue. Is possible.

<実施形態5>
図4は、ボールSAWデバイスの他の使用形態を示す説明図であり、非接触で弾性表面波素子を駆動するタイプに関する。
つまり、ボール表面にすだれ状電極は形成せず、非常に接近して(すだれ状電極の電極周期の少なくとも4分の1以下)配置した場合の使用形態である。
ボールSAWデバイスを大量に使用して、各種の計測・検査を多数回行なう必要がある場合には、圧電性結晶基材からなるボール全てにすだれ状電極を形成する必要がないため、消耗されるデバイスや計測に要するコスト低減の上で有効である。
すだれ状電極は、電解質と接触すると十分な電圧で圧電面に電界を印加することが困難であるために、発生できる弾性表面波の強度及び検出できる伝搬する弾性表面波の強度が小さくなる。
<Embodiment 5>
FIG. 4 is an explanatory view showing another usage pattern of the ball SAW device, and relates to a type that drives a surface acoustic wave element in a non-contact manner.
In other words, the interdigital electrode is not formed on the ball surface, but is used in a case where the interdigital transducers are arranged very close (at least one-fourth or less of the electrode period of the interdigital electrode).
When a large number of ball SAW devices are used and various measurements and inspections need to be performed many times, it is not necessary to form interdigital electrodes on all the balls made of the piezoelectric crystal base material, which is consumed. This is effective in reducing the cost required for devices and measurement.
When the interdigital electrode is in contact with the electrolyte, it is difficult to apply an electric field to the piezoelectric surface with a sufficient voltage. Therefore, the intensity of the surface acoustic wave that can be generated and the intensity of the propagated surface acoustic wave that can be detected are reduced.

このため、すだれ状電極は溶液に接触しないように配置する工夫を施している。
図中、円環状空隙領域があることで、毛細管現象によって下部から供給される溶液は、この部分から上部には上昇せず、すだれ状電極が溶液(特に電解質溶液)に接触することを防ぐことが出来る。
For this reason, the interdigital electrode is devised so as not to contact the solution.
In the figure, since there is an annular void region, the solution supplied from the lower part due to capillary action does not rise from this part to the upper part, preventing the interdigital electrode from contacting the solution (especially electrolyte solution). I can do it.

<実施形態6>
図5は、他の実施形態を示す説明図であり、球殻型の球状弾性表面波素子の例である。
この形状のデバイスでは、主にガス配管に使用し、液体の流入を検出したり、周回経路にガス感応膜を形成することで、ガス漏れセンサーに応用する用途が考えられていたが、本発明により、液体の粘性と温度の測定にも転用出来る。
できる。
<Embodiment 6>
FIG. 5 is an explanatory view showing another embodiment, which is an example of a spherical shell type surface acoustic wave element.
In this type of device, it was mainly used for gas piping, and it was considered to be applied to a gas leak sensor by detecting the inflow of liquid or forming a gas sensitive film in the circulation path. Can be used to measure the viscosity and temperature of liquids.
it can.

<実施形態7>
図6は、他の実施形態を示す説明図であり、球状弾性表面波素子の周回経路を被分析用の溶液に浸漬する場合に係る説明図である。
球状弾性表面波素子に印加する高周波信号を発生する高周波発生手段と、
その出力を解析する信号解析装置を備えている。
<Embodiment 7>
FIG. 6 is an explanatory view showing another embodiment, and is an explanatory view relating to a case where the circulation path of the spherical surface acoustic wave element is immersed in the solution to be analyzed.
High-frequency generating means for generating a high-frequency signal to be applied to the spherical surface acoustic wave element;
A signal analyzer for analyzing the output is provided.

高周波発生手段は数百MHzのバースト信号発生器であり、信号解析手段はデジタイザーとその時間波形情報から周波数分析あるいはその周回する弾性表面波の強度の変化から減衰率を解析する手段を有していても良い。   The high-frequency generating means is a burst signal generator of several hundred MHz, and the signal analyzing means has means for analyzing the frequency from the digitizer and its time waveform information or analyzing the attenuation rate from the change in the intensity of the surface acoustic wave that circulates. May be.

図7は、他の実施形態を示す説明図であり、超高圧の圧力測定に用いる場合に係る説明図である。
これまで述べたように、本発明による球状弾性表面波素子は、溶液の弾性的な性質を、それに接触した状態で伝搬する弾性表面波の伝搬状態から類推することが可能である。
伝播路に液体を満たした状態で(金属製などの耐圧性)容器に密閉すると、容器外側の圧力が超高圧になっても、容器は殆どその形状を変えることなく、圧力を内部の液体に及ぼすことが出来る。
液体は超高圧下で弾性定数を変えることが知られており、その変化から圧力変化を測定することが可能である。
従来の素子のように、周囲が気体の環境で用いる場合、外部の圧力が変化するに従って内部の圧力が変化するために、容器が変形してしまう問題があり、特に素子を外部のゴミなどから保護するためにフィルターなども必要であった。
溶液で満たした場合、溶液の圧力に対する体積変化は限られており、素子を外部環境から保護する遮蔽膜を金属で作っても、溶液の体積変化が小さく、圧力測定用途として機能する素子を較正することが可能になる。
本実施形態としての使用形態は、圧力が数百気圧以上の場合に有効であり、内部に封入する溶液を、その対圧力による弾性変化の異なる溶液を選ぶことで、異なる特性の圧力測定を可能にする。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing another embodiment, and is an explanatory diagram related to a case where it is used for measuring an ultra-high pressure.
As described above, the spherical surface acoustic wave device according to the present invention can infer the elastic property of a solution from the propagation state of the surface acoustic wave propagating in contact with the solution.
If the container is sealed in a container filled with liquid (pressure resistance such as metal), even if the pressure on the outside of the container becomes extremely high, the container will not change its shape and the pressure will be changed to the liquid inside. Can be affected.
Liquids are known to change elastic constants under ultra-high pressure, and pressure changes can be measured from these changes.
When used in a gas environment like a conventional element, there is a problem that the container is deformed because the internal pressure changes as the external pressure changes. In order to protect it, a filter was also necessary.
When filled with a solution, the volume change with respect to the pressure of the solution is limited, and even if a shielding film that protects the element from the external environment is made of metal, the volume change of the solution is small and the element that functions as a pressure measurement application is calibrated It becomes possible to do.
The use form as this embodiment is effective when the pressure is several hundred atmospheres or more, and it is possible to measure pressures with different characteristics by selecting solutions with different elastic changes due to the pressure as the solution sealed inside. To.

上記の何れの実施形態においても、出力を解析する方法については、様々な方法が提案されており、如何なる方法を用いても、本発明では特に除外しない。
一般のQCMあるいは平面型弾性表面波素子をセンサー用途として使用する場合には、その共振周波数を、カウンターと呼ばれる周波数を精密に変更してその強度最大の周波数を探す回路によって可能で非常に広く使用されており、これと同様の方法を用いても良いことは明らかである。
In any of the above-described embodiments, various methods have been proposed for analyzing the output, and any method is not particularly excluded in the present invention.
When a general QCM or surface acoustic wave device is used as a sensor, its resonance frequency can be changed by a frequency called a counter and a circuit that searches for the maximum intensity is used. Obviously, a method similar to this may be used.

Rayleigh波の挙動・深さ方向でのエネルギー分布を示す説明図。Explanatory drawing which shows the energy distribution in the behavior and depth direction of Rayleigh wave. ボールSAWデバイスの構成例とそれを用いた測定を行なっている状態の要部および観測される弾性表面波の周回経路の一例を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration example of a ball SAW device, an example of a main part in a state where measurement is performed using the ball SAW device, and an example of an observed circulation path of a surface acoustic wave. 本発明の他実施形態に係る説明図。Explanatory drawing which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他実施形態に係る説明図。Explanatory drawing which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他実施形態に係る説明図。Explanatory drawing which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他実施形態に係る説明図。Explanatory drawing which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他実施形態に係る説明図。Explanatory drawing which concerns on other embodiment of this invention.

Claims (11)

球面または円筒面の一部で形成され、円環状に連続している円環状表面を有する基材と、
前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波を励起する弾性表面波励起手段と
を備えており、
前記円環状表面は、弾性表面波が伝搬可能な曲面からなる伝搬路を有していると共に、前記円環状表面を構成する基材はLiNbO3あるいはLiTaO3であり、
前記弾性表面波励起手段は、前記円環状表面に沿って設けられ、高周波電源に接続されるすだれ状電極を含んでおり、
前記すだれ状電極への電界印加に伴い、伝搬する前記円環状表面の法線方向に変位を持たない部分を少なくとも有するモードの弾性表面波を励起することを特徴とする弾性表面波素子。

A substrate having an annular surface formed of a part of a spherical surface or a cylindrical surface and continuous in an annular shape;
A surface acoustic wave excitation means for exciting a surface acoustic wave propagating along the annular surface, and
The annular surface has a propagation path made of a curved surface through which surface acoustic waves can propagate, and the base material constituting the annular surface is LiNbO3 or LiTaO3,
The surface acoustic wave excitation means includes an interdigital electrode provided along the annular surface and connected to a high-frequency power source,
A surface acoustic wave element that excites a surface acoustic wave in a mode having at least a portion that has no displacement in the normal direction of the annular surface that propagates in response to application of an electric field to the interdigital electrode.

前記弾性表面波励起手段により励起され、前記円環状表面を伝搬する弾性表面波は、
SH波,圧電表面すべり波,BGS波(Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave)から選択される少なくとも何れかであることを特徴とする請求項1記載の弾性表面波素子。
The surface acoustic wave excited by the surface acoustic wave excitation means and propagating through the annular surface is
2. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the surface acoustic wave element is at least one selected from an SH wave, a piezoelectric surface slip wave, and a BGS wave (Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave).
前記円環状表面を構成する基材は単結晶からなり、
前記円環状表面は、前記基材を形成している単結晶の結晶方位で決まる所定の経路に沿って形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の弾性表面波素子。
The base material constituting the annular surface is made of a single crystal,
3. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the annular surface is formed along a predetermined path determined by a crystal orientation of a single crystal forming the base material. 4.
性表面波の伝搬速度が、3600〜5000m/sであることを特徴とする請求項1または2に記載の弾性表面波素子。

Propagation velocity of elastic surface waves, surface acoustic wave element according to claim 1 or 2, characterized in that a 3600~5000m / s.

前記弾性表面波励起手段により励起され、前記円環状表面を伝搬する弾性表面波は、
弾性表面波の中で、変位が伝搬面に平行なモードである横波型弾性表面波であることを特徴とする請求項2記載の弾性表面波素子。
The surface acoustic wave excited by the surface acoustic wave excitation means and propagating through the annular surface is
3. The surface acoustic wave device according to claim 2, wherein the surface acoustic wave is a transverse surface acoustic wave whose displacement is a mode parallel to the propagation surface.
前記円環状表面には、弾性表面波が伝搬可能な凹面からなる液体流路を有する構成であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の弾性表面波素子。   The surface acoustic wave element according to claim 1, wherein the annular surface has a liquid flow path formed of a concave surface capable of propagating surface acoustic waves. 前記円環状表面における弾性表面波が伝搬する伝搬経路の幅は、伝搬経路の球形表面の中心から見た見掛け角が60度以内であって、
伝搬経路球形表面の曲率半径Rおよびそこに励起する弾性表面波の周回時間と周回長と励起する弾性表面波の周波数から求められる平均波長λを用いて求められる前記球表面の中心からのコリメート角の0.5倍より大きいことを特長とする特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の弾性表面波素子。
The width of the propagation path through which the surface acoustic wave propagates on the annular surface has an apparent angle of 60 degrees or less as viewed from the center of the spherical surface of the propagation path,
Collimation angle from the center of the sphere surface obtained from the radius of curvature R of the spherical surface of the propagation path and the mean wavelength λ obtained from the circulation time and circumference of the surface acoustic wave excited there and the frequency of the surface acoustic wave excited. The surface acoustic wave element according to claim 1, wherein the surface acoustic wave element is larger than 0.5 times.
請求項1〜7の何れかに記載の弾性表面波素子を用いて、
少なくとも前記円環状表面の一部を溶液に接触させた状態で、前記弾性表面波励起手段により弾性表面波を励起して伝搬させ、その周回を検出することにより、弾性表面波の伝搬状態を計測することを特徴とする弾性表面波素子の使用方法。
Using the surface acoustic wave device according to claim 1,
The surface acoustic wave propagation state is measured by exciting the surface acoustic wave with the surface acoustic wave excitation means and propagating it with at least a part of the annular surface in contact with the solution, and detecting the circulation of the surface acoustic wave. A method of using a surface acoustic wave device.
請求項1〜7の何れかに記載の弾性表面波素子を用いて、弾性表面波の伝搬状態を計測することによって、素子の伝搬経路の表面状態あるいは周囲の液体の弾性変化を検出することを特徴とする弾性表面波素子の使用方法。   The surface state of the propagation path of the element or the elastic change of the surrounding liquid is detected by measuring the propagation state of the surface acoustic wave using the surface acoustic wave element according to claim 1. A method of using the surface acoustic wave device as a feature. 請求項1〜7の何れかに記載の弾性表面波素子を、液体の封入された容器内で、少なくとも前記円環状表面の一部を溶液に接触させて配置し、
封入容器の外部の圧力に応じた弾性表面波の伝搬状態の変化を検出することにより、前記圧力を測定することを特徴とする弾性表面波素子の使用方法。
The surface acoustic wave element according to any one of claims 1 to 7 is disposed in a container in which a liquid is sealed, with at least a part of the annular surface in contact with the solution,
A method of using a surface acoustic wave element, wherein the pressure is measured by detecting a change in a propagation state of the surface acoustic wave according to the pressure outside the enclosure.
請求項1〜7の何れかに記載の弾性表面波素子を体内に挿入して、弾性表面波の伝搬状態から体内環境の評価を行なう体内環境評価素子として用いることを特徴とする弾性表面波素子の使用方法。   8. A surface acoustic wave device, wherein the surface acoustic wave device according to claim 1 is inserted into a body and used as an internal body environment evaluation device for evaluating the internal environment from a propagation state of the surface acoustic wave. How to use.
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