JP5000473B2 - Spherical surface acoustic wave device - Google Patents
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Description
本発明は、球状弾性表面波素子に関し、特にセンサに用いる球状弾性表面波素子する。 The present invention relates to a spherical surface acoustic wave element, and more particularly to a spherical surface acoustic wave element used for a sensor.
弾性表面波(SAW:surface acoustic wave)が、水晶、ランガサイト、LiNbO3、LiTaO3等の圧電性材料の単結晶からなる球の表面を伝播する場合、周囲の水素濃度によりその伝播速度が変化することを利用した水素センサ(ボールSAWセンサ)が知られている(特許文献1及び2参照)。上記球の表面に弾性表面波を励起すると、弾性表面波は、通常の波のように拡がらず、所定の光学軸回りの球の大円に沿った有限幅の円環状領域を、ほとんど減衰することなく、多数回周回する。この弾性表面波が球を周回する回数に比例して、上記伝播速度の変化が増幅されるため、ボールSAWセンサは非常に高感度な水素センサである。 When a surface acoustic wave (SAW) propagates on the surface of a sphere made of a single crystal of a piezoelectric material such as quartz, langasite, LiNbO 3 , LiTaO 3 , the propagation speed changes depending on the surrounding hydrogen concentration. A hydrogen sensor (ball SAW sensor) utilizing this is known (see Patent Documents 1 and 2). When a surface acoustic wave is excited on the surface of the sphere, the surface acoustic wave does not spread like a normal wave, but almost attenuates an annular region with a finite width along the great circle of the sphere around a predetermined optical axis. Rotate many times without doing. Since the change in the propagation velocity is amplified in proportion to the number of times that the surface acoustic wave goes around the sphere, the ball SAW sensor is a very sensitive hydrogen sensor.
図3に弾性表面波素子の構成を簡単に示す。圧電性材料の単結晶からなる球形状の基体11上に櫛形電極12、感応膜13、入出力用電極14及び外部端子15が形成されている。感応膜13は、水素を吸蔵するPd、Ni、Pd−Ni合金等からなる。水素を吸収した感応膜13は硬くなり、感応膜13上では、弾性表面波の伝播速度が速くなるため、水素センサとして利用できる。
FIG. 3 simply shows the configuration of the surface acoustic wave device. A comb-
ここで、櫛形電極12、感応膜13、入出力用電極14及び外部端子15は各々、基体11上の所定の位置に形成される必要がある。具体的には、図8に示すように、基体11の中心を通る光学軸16を地軸とした場合、赤道上に櫛形電極12及び感応膜13が形成されている。また、光学軸16の両極点には、入出力用電極14が形成されている。そして、入出力用電極14上であって、まさに光学軸16の両極点の位置に外部端子15が形成されている。なお、光学軸については、圧電結晶の種類によって称呼が異なる。例えば、水晶及びランガサイドではZ軸と呼ばれ、一つである(一軸結晶)。またLiNbO3では光学軸が複数あることが分かっている(二軸結晶)。上記各構成要素の形成位置がずれるとボールSAWセンサの感度が急激に低下するため、高い精度で形成することが要求される。
例えば、直径0.3mmのピン状の外部端子15を、直径1mmの球状の基体11の2つの極点に正確に接着する必要がある。この接着作業は、観察しながら位置合わせせざるを得ず、長時間を要していた。特に、2本目の外部端子15の接着は、片側の外部端子15が接着された状態で行うため、極めて困難な作業であった。すなわち、従来の球状弾性表面波素子は、生産性に劣っていた。
For example, the pin-shaped
本発明は、生産性に優れる球状弾性表面波素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a spherical surface acoustic wave device having excellent productivity.
本発明の第1の態様に係る球状弾性表面波素子は、球状の基体と、前記基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する一対の櫛形電極と、前記基体の中心を通る光学軸の両極点近傍に形成され、前記一対の櫛形電極の各々に接続された第1及び第2の入出力用電極と、前記第1の入出力電極上に形成された外部端子と、前記第2の入出力電極に対向して非接触で形成された外部電極とを備えるものである。 A spherical surface acoustic wave element according to a first aspect of the present invention includes a spherical base, a pair of comb-shaped electrodes that excite a surface acoustic wave that circulates around the surface of the base and receives the surface acoustic wave that has circulated. Formed on the first input / output electrode and the first and second input / output electrodes formed near both pole points of the optical axis passing through the center of the substrate and connected to each of the pair of comb electrodes. An external terminal and an external electrode formed in a non-contact manner facing the second input / output electrode.
本発明の態様2に係る球状弾性表面波素子は、上記第1の態様において、前記第2の入出力電極と前記外部電極との間に、柔軟性を有する導電性物質が充填されたことを特徴とするものである。 The spherical surface acoustic wave device according to aspect 2 of the present invention is the first aspect, in which a flexible conductive material is filled between the second input / output electrode and the external electrode. It is a feature.
本発明の態様3に係る球状弾性表面波素子は、上記発明の態様において、前記基体が水晶よりも大きな電気機械結合係数を有する圧電性材料からなることを特徴とするものである。 The spherical surface acoustic wave device according to aspect 3 of the present invention is characterized in that, in the aspect of the invention described above, the base is made of a piezoelectric material having an electromechanical coupling coefficient larger than that of quartz.
本発明の態様4に係る環境差異検出装置は、上記発明の態様の球状弾性表面波素子を備えるものである。 An environmental difference detection apparatus according to aspect 4 of the present invention includes the spherical surface acoustic wave element according to the aspect of the invention described above.
本発明の態様5に係る環境差異検出装置は、上記第4の態様において、前記球状弾性表面波素子を複数備え、当該複数の球状弾性表面波素子の外部電極が共通であることを特徴とするものである。 The environmental difference detection apparatus according to aspect 5 of the present invention is characterized in that, in the fourth aspect, a plurality of the spherical surface acoustic wave elements are provided, and the external electrodes of the plurality of spherical surface acoustic wave elements are common. Is.
本発明によれば、生産性に優れる球状弾性表面波素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the spherical surface acoustic wave element excellent in productivity can be provided.
以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化されている。 Embodiments of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the following embodiment. Further, in order to clarify the explanation, the following description and drawings are appropriately omitted and simplified.
実施の形態1
図1を用いて、本発明の実施の形態に係る水素センサについて説明する。図1は実施の形態に係る水素センサの構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る水素センサ100は、図1に示すように、球状弾性表面波素子110、発信機120、インピーダンスマッチング回路130、高周波アンプ140、デジタルオシロスコープ150、濃度信号生成部160を備える。また、球状弾性表面波素子110は、基体111、櫛形電極112、感応膜113、入出力用電極114、外部端子115、外部電極116を備える。
Embodiment 1
A hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a hydrogen sensor according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the
基体111は、水晶、LiNbO3、LiTaO3等の圧電性材料の単結晶からなり、球形状に形成されている。球の直径は1mm程度が好ましい。基体111の表面に弾性表面波を励起すると、この弾性表面波は、所定の光学軸回りの球の大円に沿って伝播する。球の弾性表面波は、通常の波のように拡がらず、上記大円に沿った有限幅の円環状領域を、ほとんど減衰することなく、多数回周回する。ここで、基体111を構成する材料としては、電気機械結合係数の大きいものほど、発信する弾性表面波が高強度となるため、好ましい。
The
櫛形電極112は、基体111上に形成されており、例えば、Au、Al、Cu、Cr等の金属からなる。櫛歯が向き合い、かつ、互い違いになるように形成された一対の電極である。櫛形電極112は、例えば、真空蒸着、スパッタリング等により基体111上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成することができる。櫛形電極112に電気信号を入力すると、弾性表面波が励起される。また、櫛形電極112は、基体111の表面を周回した弾性表面波を受信し、信号を発生する。すなわち、櫛形電極112は、本発明に係る水素センサにおける弾性表面波励起部兼受信部に該当する。
The comb-
感応膜113は、基体111上における弾性表面波の周回経路の少なくとも一部に形成されている。感応膜113は、水素を吸蔵するPd、Ni又はPd−Ni合金層からなる。感応膜113は、例えば、感応膜113形成部分以外をマスクした状態で真空蒸着、スパッタリング等を行うことにより基体111上に形成することができる。感応膜113上において水蒸気が酸素と水素に分解し、この水素が感応膜113中に吸収される。水素を吸収した感応膜113は硬くなるため、感応膜113上では、弾性表面波の伝播速度が速くなる。従って、水素濃度が高いほど弾性表面波の伝播速度が速くなり、一方、水素濃度が低いほど弾性表面波の伝播速度が遅くなる。感応膜113は、水素濃度に応じて、可逆的に水素を吸収、放出する。そのため、弾性表面波の伝播速度を測定することにより、水素濃度を測定することができる。
The
入出力用電極114も、櫛形電極112と同様に、基体111上に形成されており、例えば、Au、Al、Cu、Cr等の金属からなる。入出力用電極114も、例えば、真空蒸着、スパッタリング等により基体111上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成することができる。入出力用電極114は2つ形成されており、各々一対の電極からなる櫛形電極112の片方に接続されている。また、一方の入出力用電極114上には、外部端子115が形成されている。他方の入出力用電極114上には、外部端子は形成されておらず、代わりに非接触の外部電極116が形成されている。
Similarly to the comb-
外部端子115は、一方の入出力用電極114上であって、基体111の光学軸の極点に接触して形成されている。外部端子115は、例えば、直径0.3mmのピン状の端子である。外部端子115は、例えば、Au、Al、Cu、Cr等の金属からなる。外部端子115は、導電性接着剤を用いて、基体111の光学軸の極点近傍に正確に接着される。
The
外部電極116は、外部端子115が形成された一方の入出力用電極114ではなく、もう一方の入出力用電極114に対向して非接触で形成された電極である。外部電極116は、例えば、Au、Al、Cu、Cr等からなる金属板である。すなわち、外部電極116と入出力用電極114とがコンデンサを形成している。例えば、直径1mmの水晶球を基体111とした場合、外部電極116と入出力用電極114との間隔を約10μmとすることにより、両極点に外部端子115を形成した従来の素子の30%程度の強度の弾性表面波を励起することができる。30%程度の強度が得られれば、センサとして十分使用することができる。
ここで、平行板コンデンサの場合、コンデンサの容量CはC=ε0・εr・S/dで表され(ただし、ε0は真空の誘電率、εrは物質の比誘電率、Sは電極面積、dは電極間距離)で表される。空気の比誘電率は約1.0であるため、入出力電極114と外部電極116が非接触であっても空気を媒介として弾性波を励起することができる。
Here, in the case of a parallel plate capacitor, the capacitance C of the capacitor is expressed by C = ε 0 · εr · S / d (where ε 0 is the dielectric constant of vacuum, εr is the relative dielectric constant of the substance, and S is the electrode area) , D is expressed by a distance between electrodes). Since the relative dielectric constant of air is about 1.0, even if the input /
また、上述の通り、圧電材料の種類により電極間に加えた電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する効率を表す定数(電気機械結合係数)が異なる。そのため、電気機械結合係数が水晶よりも大きな材料を選択すれば、少ない電位差でも弾性表面波を発生させることが可能である。すなわち、水晶と同程度の弾性表面波の強度を得ることを条件とすれば、水晶の場合に比べてさらに電極間距離dを大きくとることができる。 Further, as described above, the constant (electromechanical coupling coefficient) representing the efficiency of converting electrical energy applied between the electrodes into mechanical energy differs depending on the type of piezoelectric material. Therefore, if a material having an electromechanical coupling coefficient larger than that of quartz is selected, a surface acoustic wave can be generated even with a small potential difference. That is, if the condition is that the surface acoustic wave intensity is comparable to that of quartz, the inter-electrode distance d can be made larger than that of quartz.
さらに、外部電極116と入出力用電極114との間に柔軟性を有する導電性物質を充填してもよい。コンデンサの容量Cは前述の式より電極間物質の比誘電率εrに比例するため、空気よりも比誘電率の大きな物質を充填することでより高強度の弾性波を励起することができる。導電性物質として、プロピレンカーボネート、シリコーンゴム、ウレタンゴム等を用いることができる。
Further, a flexible conductive material may be filled between the
上述のように、本発明に係る球状弾性表面波素子では、一方の入出力用電極114上に外部端子115を形成する必要がない。そのため、製造工程が簡略化され、生産性に優れた球状弾性表面波素子を提供することができる。従来の球状弾性表面波素子では、2本目の外部端子115の形成が極めて困難であった。そのため、生産性に劣っていた。
As described above, in the spherical surface acoustic wave device according to the present invention, it is not necessary to form the
次に、図1を用いて、本発明の実施の形態に係る水素センサの動作について説明する。まず、発信機120から出力された信号は、インピーダンスマッチング回路130、外部端子115、外部電極116及び入出力用電極114を介し、櫛形電極112に入力される。櫛形電極112に入力された信号により、弾性表面波が基体111の表面に励起される。この弾性表面波は、上述の通り、所定の光学軸回りの球の大円に沿った周回経路上を、ほとんど減衰することなく多数回周回する。
Next, the operation of the hydrogen sensor according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, a signal output from the
周回する弾性表面波は、櫛形電極112により受信され、これにより発生した信号が、入出力用電極114、インピーダンスマッチング回路130を介し、高周波アンプ140に入力される。高周波アンプ140において増幅された信号がデジタルオシロスコープ150に入力される。弾性表面波の周回経路上には感応膜114が形成されており、上述の通り、感応膜114は周囲の水素濃度により硬さが変化する。そのため、弾性表面波の伝播速度が変化する。この伝播速度の変化を、デジタルオシロスコープ150において出力される信号の位相のずれすなわち遅延時間として知ることができる。デジタルオシロスコープ150から出力された信号は、その信号に基づいて水素濃度信号を生成する濃度信号生成部160に入力される。最終的に、濃度信号生成部160から水素濃度信号が出力される。
The circulating surface acoustic wave is received by the
実施の形態2
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。本実施の形態では、図2(a)に示すように、複数の基体111が同一平面上に配置されている。そして、図2(b)に示すように、外部電極116が共通となっている。また、各素子の外部端子115は互いに平行になるように配置されている。それ以外の構成は実施の形態1と同じであるため、説明を省略する。
Embodiment 2
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 2A, a plurality of
球状弾性表面波素子を匂いセンサやエレクトリックノーズなどに応用する場合、多数の球状弾性表面波素子を実装する必要がある。ここで、両側に複数の外部電極を接続すると配線の取り回しの影響で構造の自由度が阻害されるだけでなく、複数の電極の傾きや長さ等を厳密に調整する必要があった。本発明に係る球状弾性表面波素子を用いることにより、このような問題点を解決することができる。そして、多数の球状弾性表面波素子を高密度で実装することができる。また水素センサや匂いセンサを含め、圧力センサや露点センサ等の環境差異検出装置としても利用することができる。 When the spherical surface acoustic wave element is applied to an odor sensor or an electric nose, it is necessary to mount a large number of spherical surface acoustic wave elements. Here, when a plurality of external electrodes are connected to both sides, not only the degree of freedom of the structure is hindered due to the influence of wiring, but also the inclination and length of the plurality of electrodes need to be strictly adjusted. Such a problem can be solved by using the spherical surface acoustic wave device according to the present invention. A large number of spherical surface acoustic wave elements can be mounted at high density. It can also be used as an environmental difference detection device such as a pressure sensor and a dew point sensor, including a hydrogen sensor and an odor sensor.
100 水素センサ
110 弾性表面波素子
111 基体
112 櫛形電極
113 感応膜
114 入出力用電極
115 外部端子
116 外部電極
120 発信機
130 インピーダンスマッチング回路
140 高周波アンプ
150 デジタルオシロスコープ
160 濃度信号生成部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する一対の櫛形電極と、
前記基体の中心を通る光学軸の両極点近傍に形成され、前記一対の櫛形電極の各々に接続された第1及び第2の入出力用電極と、
前記第1の入出力電極上に形成された外部端子と、
前記第2の入出力電極に対向して非接触で形成された外部電極とを備える球状弾性表面波素子。 A spherical substrate;
A pair of comb electrodes for exciting the surface acoustic waves that circulate around the surface of the substrate and receiving the surface acoustic waves that have circulated;
First and second input / output electrodes formed near both pole points of the optical axis passing through the center of the substrate and connected to each of the pair of comb electrodes;
An external terminal formed on the first input / output electrode;
A spherical surface acoustic wave device comprising: an external electrode formed in a non-contact manner facing the second input / output electrode.
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