JP5332079B2 - Manufacturing method of spherical surface acoustic wave device - Google Patents

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Description

本発明は、表面弾性波(SAW;Surface Acoustic Wave)の解析により、各種の計測を行なう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(SurfaceAcoustic 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)の改良に関する。
The present invention relates to a surface acoustic wave element that performs various measurements by analyzing surface acoustic waves (SAW) and an improvement in an electric signal processing method using the surface acoustic wave element.
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 element (Surface Acoustic Wave; SAW) that has a base material having an annular surface that is continuous in an annular shape and is excited along a surface acoustic wave (SAW) that propagates along the annular surface. Hereinafter, it is also related to improvement of the SAW device.

近年、平板形状ではなく、球形表面上を弾性表面波を周回させることによって長い伝搬距離を実現し、伝搬過程の表面の弾性物性の変化を、伝搬する速度の高い分解能によって検出して評価する球状弾性表面波素子(以下、ボールSAWデバイスと称することもある)によるセンサーが提案されている。   In recent years, a long propagation distance has been realized by rotating a surface acoustic wave on a spherical surface instead of a flat plate shape, and a change in the elastic properties of the surface of the propagation process is detected and evaluated with a high resolution of propagation speed. A sensor using a surface acoustic wave element (hereinafter also referred to as a ball SAW device) has been proposed.

ボールSAWデバイスは、駆動信号としての高周波バースト信号がすだれ状電極に印加されると、すだれ状電極から表面弾性波(SAW)が励起され、表面弾性波が基材表面の円環状領域を多重に周回する。
表面弾性波は、基材表面の状態に応じて、多重周回する際の速度や減衰率が変化する。
例えば、基材表面への分子の付着などにより、円環状領域の周長が表面弾性波の波長の整数倍になる時、共鳴周波数が変化する。
In the ball SAW device, when a high-frequency burst signal as a drive signal is applied to the interdigital electrode, surface acoustic waves (SAW) are excited from the interdigital electrode, and the surface acoustic waves multiplex the annular region on the substrate surface. Go around.
The surface acoustic wave changes in speed and attenuation rate when it makes multiple turns depending on the state of the substrate surface.
For example, when the circumference of the annular region becomes an integral multiple of the wavelength of the surface acoustic wave due to adhesion of molecules to the substrate surface, the resonance frequency changes.

球の表面には、例えばパラジウム薄膜を形成することで超高感度の水素ガスセンサーを実現したり、あるいは、匂い分子を多様な選択性をもって吸着し、その質量負荷効果による伝播速度の低下を測定することで検出する匂いセンサーなどへの用途展開が提案されている。   For example, a palladium thin film is formed on the surface of the sphere to realize an ultrasensitive hydrogen gas sensor, or odor molecules are adsorbed with various selectivity, and the decrease in propagation speed due to the mass load effect is measured. Development of applications to odor sensors that detect the odors has been proposed.

また、表面弾性波(SAW)でなく、光(回廊波)の伝搬状態を検出することで、ボールSAWデバイスと同様に各種の物理計測への用途展開が期待されているデバイスとして、特許文献2に例示される素子も知られている。   Patent Document 2 discloses a device that is expected to be used for various physical measurements in the same manner as a ball SAW device by detecting the propagation state of light (corridor wave) instead of surface acoustic wave (SAW). An element exemplified in (1) is also known.

特許文献2によるセンサーでは、透明球形材料の内部に光ファイバーを接近させ、球形内部に回廊波を励起して多重周回させ、周回過程での球の表面の誘電率の変化を光吸収波長の変化から測定する。
特許文献2の請求項1は以下の通りである。
光を透過する光透過部材と、
この光透過部材に対向している、光を透過する光透過基材と、
この光透過基材の表面を周回する周回表面と、
この周回表面の上に形成されていて、表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜と、
前記光透過部材の表面に含まれていて、この表面プラズモン媒体膜に対向する対向表面と、
を備えており、
入力光が前記光透過部材を透過して前記対向表面に導かれると、前記周回表面に沿つて周回表面の内側を周回する回廊波が発生し、
この回廊波は前記表面プラズモン媒体膜にて表面プラズモンを発生させ、
表面プラズモンを発生させたこの回廊波は前記対向表面を介して前記光透過部材に伝達されて、前記光透過部材を透過する出力光になることを特徴とする表面プラズモン素子。
In the sensor according to Patent Document 2, an optical fiber is brought close to the inside of a transparent spherical material, and a corridor wave is excited inside the spherical shape to make multiple turns, and the change in the dielectric constant of the surface of the sphere in the turning process is determined from the change in the light absorption wavelength. taking measurement.
Claim 1 of patent document 2 is as follows.
A light transmissive member that transmits light;
A light-transmitting base material that transmits light, facing the light-transmitting member;
A rotating surface that circulates around the surface of the light-transmitting substrate;
A surface plasmon medium film formed on the circumferential surface and formed of a material that generates surface plasmons;
An opposing surface that is included on the surface of the light transmitting member and that opposes the surface plasmon medium film;
With
When the input light is transmitted through the light transmitting member and guided to the facing surface, a corridor wave that circulates inside the circulating surface along the rotating surface is generated,
This corridor wave generates surface plasmons in the surface plasmon medium film,
The corridor wave that generates the surface plasmon is transmitted to the light transmitting member through the opposing surface and becomes output light that passes through the light transmitting member.

特許文献1,2に例示されるように、球形状したデバイスを実用化する利点の一つは、例えば、基材としてLiNb3結晶のような圧電性結晶材料を選択した場合、一個の球形基材上に、SAWが伝搬する複数の経路を形成可能であるため、複数種類の感応膜を用いた測定を数少ない素子で実現出来、センサーの小型化が図れることにある。   As exemplified in Patent Documents 1 and 2, one of the advantages of putting a spherical device into practical use is, for example, when a piezoelectric crystal material such as a LiNb3 crystal is selected as the substrate, and a single spherical substrate. In addition, since a plurality of paths through which SAW propagates can be formed, measurement using a plurality of types of sensitive films can be realized with few elements, and the sensor can be miniaturized.

上記のような課題を解決するたに、請求項1の発明(ボールSAWデバイス)では、球形状表面を有する3次元基材の表面に、弾性表面波が周回可能な円環状経路を複数有しており、各経路には、弾性表面波を励起検出する電気音響変換素子を有すると共に、環境変化に応じて弾性表面波の伝搬状態が変化する複数種類の感応膜を有する球状弾性表面波素子の製造方法であって、経路毎に感応膜の種類が異なっており、かつ、経路同士の交点には感応膜を有さず、かつ、前記交点に形成した感応膜を、光の照射によって除去することを特徴とする球状表面弾性波素子の製造方法を提案している。
In order to solve the above-described problems, the invention according to claim 1 (ball SAW device) has a plurality of annular paths on which a surface acoustic wave can circulate on the surface of a three-dimensional substrate having a spherical surface. Each surface has an electroacoustic transducer for exciting and detecting surface acoustic waves, and a spherical surface acoustic wave device having a plurality of types of sensitive films whose propagation states vary depending on environmental changes . This is a manufacturing method , and the type of sensitive film is different for each path, and there is no sensitive film at the intersection of the paths, and the sensitive film formed at the intersection is removed by light irradiation. The manufacturing method of the spherical surface acoustic wave element characterized by this is proposed.

光の場合においても、周回する光が所定の周回経路のみを伝搬することは明らかにされており、同じように多機能素子(複数の感応特性を持ったセンシング機能を一個の素子上に形成する。)を実現することは言うまでもない。   Even in the case of light, it has been clarified that the circulating light propagates only through a predetermined circular path. Similarly, a multi-functional element (a sensing function having a plurality of sensitive characteristics is formed on one element) It goes without saying that it will be realized.

これとは別に、特許文献3の様に、球状表面弾性波素子で校正用に複数の周回経路を持つ技術も知られている。   Apart from this, a technique having a plurality of circulation paths for calibration with a spherical surface acoustic wave element is also known, as in Patent Document 3.

特開2003−115743号公報JP 2003-115743 A 特開2004−61370号公報JP 2004-61370 A 特開2005−101974号公報JP 2005-101974 A

しかし、実際に複数経路を用いた球状弾性表面波素子を実現するためにたとえば、匂い分子を検出する目的で複数の有機感応膜材料を形成するためには、球表面上において所定の経路上に所定の感応膜のみを形成する、あるいは、必要な感応膜の種類の数以上の複数の素子を用いる必要がある。   However, in order to actually realize a spherical surface acoustic wave device using a plurality of paths, for example, to form a plurality of organic sensitive film materials for the purpose of detecting odor molecules, It is necessary to form only a predetermined sensitive film, or to use a plurality of elements more than the number of types of required sensitive films.

感応膜の従来の形成方法として、図7に示すように(Pd膜などの場合)蒸着方法を、蒸着源403から気化して蒸着雰囲気402を出し、マスク402を用いて球状部材401に蒸着する技術を採用することが出来る。
しかし、これらは球形素子の直径が1mmよりも小さい場合はマスク合わせが困難となり、球の周回にわたって形成できない難点を持つ。
特に、蒸着法のように過熱を必要とする製膜方法の場合には、感応膜の分子構造を侵す致命的な難点を持っていた。
As a conventional method of forming a sensitive film, as shown in FIG. 7 (in the case of a Pd film or the like), a vapor deposition method is vaporized from a vapor deposition source 403 to emit a vapor deposition atmosphere 402, and vapor deposition is performed on a spherical member 401 using a mask 402. Technology can be adopted.
However, when the diameter of the spherical element is smaller than 1 mm, it is difficult to align the mask, and there is a difficulty that cannot be formed over the circumference of the sphere.
In particular, in the case of a film forming method that requires overheating, such as a vapor deposition method, it has a fatal difficulty in eroding the molecular structure of the sensitive film.

あるいは、薄く形成した感応膜材料に対して素子を浸漬して引き上げ、乾燥させる方法、スピンコーターを用いて遠心力によって形成する方法があるが、何れも、球表面の限られた環状の経路に渡って形成する方法として使用することが出来ない難点を持っていた。
しかし、これらの感応膜は所定の匂い分子に対して吸着によって結合させる為に表面の分子状態によってその機能が著しく影響されることから、フォトリソプロセスのように別個の薬品処理によって処理することで吸着特性が変化し、パターニングが非常に困難だった。
Alternatively, there are a method of immersing the element in a thin sensitive film material, pulling it up and drying, and a method of forming it by centrifugal force using a spin coater. There was a difficulty that could not be used as a method of forming across.
However, because these sensitive membranes bind to specific odor molecules by adsorption, their functions are greatly affected by the molecular state of the surface, so they can be adsorbed by treating them with a separate chemical treatment, such as a photolitho process. The characteristics changed and patterning was very difficult.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、球状弾性表面波素子の表面に形成する感応膜形成プロセスにおいて、複数の周回経路に選択的に感応膜を形成することで、独立して働く多機能素子を製造する方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such problems, and in a sensitive film forming process formed on the surface of a spherical surface acoustic wave element, a sensitive film is selectively formed in a plurality of circulation paths. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a multifunctional element that works independently.

あるいは、1つの経路上に複数種類の感応膜が混在していても、周囲のガス種の変化に対して異なる応答を各経路から得ることが出来、さらに複数の経路の出力を分析すれば、使用した各感応膜への応答を簡単な計算で求めることも可能である。   Alternatively, even if multiple types of sensitive films are mixed on one path, different responses to changes in the surrounding gas species can be obtained from each path, and if the output of multiple paths is further analyzed, It is also possible to obtain the response to each sensitive membrane used by simple calculation.

従って、個別の素子に個別の感応膜を形成する場合に比較して、1つあるいは少数の素子で実現できるだけでなく、温度など全く同じ条件で複数のセンシングを実現できることから高精度でもある。
また、複数種類の感応膜によるセンシングを行なうために、1つの経路上に必ずしも1種類の感応膜のみを形成するためのプロセスを用いる必要がない。
Therefore, compared to the case where individual sensitive films are formed on individual elements, not only one or a few elements can be realized, but also a plurality of sensing can be realized under exactly the same conditions such as temperature.
In addition, in order to perform sensing using a plurality of types of sensitive films, it is not always necessary to use a process for forming only one type of sensitive film on one path.

上記のような課題を解決するために、請求項1の発明(ボールSAWデバイス)では、
球形状表面を有する3次元基材の表面に、弾性表面波が周回可能な円環状経路を複数有しており、
各経路には、弾性表面波を励起検出する電気音響変換素子を有すると共に、環境変化に応じて弾性表面波の伝搬状態が変化する複数種類の感応膜を有する球状弾性表面波素子であって、
経路毎に感応膜の種類が異なっていることを特徴とする球状弾性表面波素子を提案している。
In order to solve the above-described problems, the invention according to claim 1 (ball SAW device)
The surface of the three-dimensional substrate having a spherical surface has a plurality of annular paths that allow the surface acoustic wave to circulate,
Each path has an electroacoustic transducer for exciting and detecting surface acoustic waves, and a spherical surface acoustic wave device having a plurality of types of sensitive films in which the propagation state of the surface acoustic waves changes according to environmental changes,
A spherical surface acoustic wave device has been proposed in which the type of sensitive film is different for each path.

本発明によって、球状弾性表面波素子の表面に形成する感応膜形成プロセスにおいて、複数の周回経路の表面に選択的に感応膜を形成することで、独立して働く多機能素子が提供される。   According to the present invention, in the process of forming a sensitive film formed on the surface of a spherical surface acoustic wave element, a multifunctional element that works independently is provided by selectively forming a sensitive film on the surface of a plurality of circulation paths.

さらに、逆に1つの経路上に複数種類の感応膜を混在させ、各経路が外部環境の変化に応じて異なる特性に従って応答し、さらにその出力を分析すれば、使用した感応膜それぞれの膜への外部環境による影響を知ることが出来る。   Furthermore, conversely, if multiple types of sensitive membranes are mixed on a single route, each route responds according to different characteristics according to changes in the external environment, and the output is analyzed, then each sensitive membrane used To know the impact of the external environment.

従って、個別の素子に個別の感応膜を形成する場合に比較して、1つあるいは少数の素子で実現できるだけでなく、温度など全く同じ条件で複数のセンシングを実現できることから高精度でもある。   Therefore, compared to the case where individual sensitive films are formed on individual elements, not only one or a few elements can be realized, but also a plurality of sensing can be realized under exactly the same conditions such as temperature.

以下、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

図1は、直径10mmのLiNbO3結晶を用いた球状表面弾性波素子10の構成を示す模式図で、図2がそれを用いた計測装置全体の構成図である。
この球状表面弾性波素子10は、球状部材12の表面に3対のすだれ状電極13〜15が形成されている。
3対のすだれ状電極13〜15は、夫々、交差する最大外周線102を中心に幅2.5mmの帯状の円環状表面101からなる第1経路r1、第2経路r2及び経路r3を使用する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a spherical surface acoustic wave device 10 using a LiNbO 3 crystal having a diameter of 10 mm, and FIG. 2 is a configuration diagram of the entire measuring apparatus using the same.
In this spherical surface acoustic wave element 10, three pairs of interdigital electrodes 13 to 15 are formed on the surface of the spherical member 12.
The three pairs of interdigital electrodes 13 to 15 respectively use the first route r1, the second route r2, and the route r3 that are formed of a belt-like annular surface 101 having a width of 2.5 mm around the intersecting maximum outer peripheral line 102. .

経路上には各々所望の感応膜が形成されている。
匂いを感知するために用いる感応膜としては、polyphenyl ether,cerebrosides,thermol-1,polyetylene glycol 1000,versamid900,tricresyl phosphate,apiezon L,ethyl celluloseなどを用いることが出来、例えば、2個の素子に3種類ずつの感応膜を経路に形成し、残り1個に2種類,あと1本の経路を用いて(匂いとは別な測定である)温度測定を行なうことも可能である。
A desired sensitive film is formed on each path.
As a sensitive film used to sense odor, polyphenyl ether, cerebrosides, thermol-1, polyethylene glycol 1000, versamid 900, tricresyl phosphate, apiezon L, ethyl cellulose, etc. can be used. It is also possible to form different types of sensitive membranes in the path, and to perform temperature measurement using two paths for the remaining one and another path (a measurement different from odor).

ここで、測定用第1経路r1は、球状部材12の表面に、反応膜が形成されず、LiNbO3となっている。   Here, in the first measurement path r1, a reaction film is not formed on the surface of the spherical member 12, and is LiNbO3.

本実施形態による別の応用例として、水素センサーについて説明する。
測定用第2経路r2は、球状部材12の表面に、測定用第1経路r1と重複する部分には反応膜が形成されず、他の部分には10nm厚のPd(パラジウム)からなる反応膜が形成されており、水素を吸収するPdを用いて水素センサを構成して、環境測定が可能になっている。
A hydrogen sensor will be described as another application example according to the present embodiment.
In the second measurement path r2, a reaction film is not formed on the surface of the spherical member 12 where the reaction film overlaps with the first measurement path r1, and the other part is a reaction film made of Pd (palladium) having a thickness of 10 nm. The hydrogen sensor is configured using Pd that absorbs hydrogen, and environmental measurement is possible.

ここで、測定用第3経路r3は、球状部材12の表面に、測定用第1経路r1と重複する部分には反応膜が形成されず、測定用第2経路r2と重複する部分には10nm厚のPd(パラジウム)からなる反応膜が形成されており、他の部分には10nm厚のPd(パラジウム)からなる反応膜が形成されており、100nm厚ポリエチレンテレフタレート(PET)を用いて温度湿度センサを構成して、環境測定が可能になっている。   Here, in the measurement third path r3, no reaction film is formed on the surface of the spherical member 12 in a portion overlapping with the measurement first path r1, and 10 nm in a portion overlapping with the measurement second path r2. A reaction film made of Pd (palladium) having a thickness is formed, and a reaction film made of Pd (palladium) having a thickness of 10 nm is formed in the other part. Temperature and humidity are measured using 100 nm thickness polyethylene terephthalate (PET). The sensor can be configured to measure the environment.

今、高周波信号発生部304は、図2に示すように、45MHzの高周波信号を発生すると共に、この高周波信号を出力する。
出力された高周波信号は、3本のすだれ状電極の何れかに印加される。
Now, as shown in FIG. 2, the high frequency signal generator 304 generates a 45 MHz high frequency signal and outputs this high frequency signal.
The output high frequency signal is applied to one of the three interdigital electrodes.

各球状表面弾性波素子10は、高周波信号によりすだれ状電極13、14もしくは15が表面弾性波を励起する。すだれ状電極13の場合で説明すれば、励起された表面弾性波は、球状部材12の表面上を約10μ秒毎に周回してすだれ状電極13に受信され、図4(d)に示すように、周回毎に、周回受信信号としてすだれ状電極13からの信号を増幅して計測部305に出力する。   In each spherical surface acoustic wave element 10, the interdigital electrodes 13, 14 or 15 excite surface acoustic waves by a high frequency signal. In the case of the interdigital electrode 13, the excited surface acoustic wave circulates on the surface of the spherical member 12 every about 10 μs and is received by the interdigital electrode 13, as shown in FIG. In addition, the signal from the interdigital electrode 13 is amplified and output to the measuring unit 305 for each round as a round reception signal.

本素子について電極1に周波数150MHzの高周波バースト信号を印加して、周回に伴う出力の観測を減衰率及び位相速度測定解析装置を用いて行う。これは実際にはデジタルオシロスコープと計算機によって構成している。
電極について周回速度率は周囲の気体圧力によって感度良く測定できることがわかっており、適当な周回数における位相変化を測定することで測定が可能である。
つまり、LiNbO3素子の経路1における温度依存性は80ppm/度であって、周回速度を測定することで温度を非常に良く測定できる。
With respect to this element, a high frequency burst signal having a frequency of 150 MHz is applied to the electrode 1 and the output accompanying the circulation is observed using an attenuation rate and phase velocity measurement analyzer. This actually consists of a digital oscilloscope and a computer.
It has been found that the circulation rate of the electrode can be measured with high sensitivity by the ambient gas pressure, and can be measured by measuring the phase change at an appropriate number of revolutions.
That is, the temperature dependency of the LiNbO3 element in the path 1 is 80 ppm / degree, and the temperature can be measured very well by measuring the circulation speed.

一方、水素濃度を測定する為に、パラジウム金属を蒸着を用いて形成するが、パラジウム金属が経路1上に存在すると、水素濃度に従ってパラジウムの弾性物性が変化する為に正確な温度測定が困難になる。
このため、次に示すように、パラジウムを経路1上に形成しない処理を行うことで可能であった。
On the other hand, in order to measure the hydrogen concentration, palladium metal is formed by vapor deposition. However, if palladium metal is present on the path 1, the elastic physical properties of palladium change according to the hydrogen concentration, making accurate temperature measurement difficult. Become.
For this reason, as shown below, it was possible by performing the process which does not form palladium on the path | route 1. As shown in FIG.

パラジウム蒸着は加熱ボードを用いたパラジウム蒸着源212を用いた蒸着を行うが、蒸着の際には図3(A)に示すように経路2の上でのみ蒸着されるように2個の金属マスクで素子をはさみ、回転しながら蒸着を行う。
回転速度は毎秒60度程度である。
蒸着によって図3(B)のようにすだれ状電極2の部分についてもパラジウムの蒸着をマスク211が防ぎ電極短絡を防ぐことが出来ている。
Palladium vapor deposition is performed using a palladium vapor deposition source 212 using a heating board, but in the vapor deposition, two metal masks are deposited so as to be vapor deposited only on the path 2 as shown in FIG. The element is sandwiched between and is evaporated while rotating.
The rotation speed is about 60 degrees per second.
As shown in FIG. 3B, the mask 211 prevents the electrode 211 from being deposited on the interdigital electrode 2 by vapor deposition, thereby preventing an electrode short circuit.

以上のような簡単なマスクによって電極1については周囲の水素濃度によって弾性表面波の伝搬状態を変化させるパラジウム膜の影響がない経路と、パラジウムの弾性物性の影響を大きく受ける経路2の二つの経路を単一の素子の上に形成することが出来た。   With the simple mask as described above, the electrode 1 has two paths: a path that is not affected by the palladium film that changes the propagation state of the surface acoustic wave depending on the surrounding hydrogen concentration, and a path 2 that is greatly influenced by the elastic properties of palladium. Can be formed on a single element.

上記は金属の蒸着であったが次にPET(ポリエチレンテレフタレート)を球結晶上に形成することで、温度湿度センサーを形成することが出来る。   Although the above is metal vapor deposition, a temperature / humidity sensor can be formed by forming PET (polyethylene terephthalate) on a spherical crystal.

PET材料は水分を吸収することで自身が重くなり、伝搬する弾性表面波の位相速度を低下させることから、温度計を同時に使用することで湿度計を構成することが出来る。
この場合には図4(A)に示すようにマスク201を行いながらPETをPET蒸着源202を用いた熱蒸着によって薄膜形成する(100nm)。
有機材料であるが低温蒸着を行えば蒸着が可能な材料である。
この結果、図4(B)に示すように蒸着が行えた。
Since the PET material absorbs moisture and becomes heavier and reduces the phase velocity of the propagated surface acoustic wave, a hygrometer can be configured by using a thermometer at the same time.
In this case, as shown in FIG. 4 (A), a thin film of PET is formed by thermal evaporation using a PET evaporation source 202 while performing a mask 201 (100 nm).
Although it is an organic material, it is a material that can be deposited by low-temperature deposition.
As a result, vapor deposition was performed as shown in FIG.

次に(C)に示すように、フェムト秒レーザー204を用いて、電極による経路1、2に渡る領域のPETを昇華により取り除くことが可能であった。
正確に取り除くことが可能で、直径3.3mmの球状弾性表面波素子について、経路幅約0.7mm幅を正確にPETの影響を受けない経路を作成することが可能である。
フェムト秒レーザーは、Clark MXR社製で、波長は775nm,平均最大出力は1Wを用い、エネルギーは熱に弱いLiNbO3結晶を損傷しない強度のコリメートビームに調整して行った。
収束させることで非常に微細な部位を正確に、感応膜(PET)を加工できるがエネルギーが高すぎる為に基材の破損に注意が必要であった。
Next, as shown in (C), using the femtosecond laser 204, it was possible to remove the PET in the region extending along the paths 1 and 2 by the electrodes by sublimation.
With a spherical surface acoustic wave element having a diameter of 3.3 mm, it is possible to accurately remove a path width of about 0.7 mm and not to be affected by PET.
The femtosecond laser was manufactured by Clark MXR, the wavelength was 775 nm, the average maximum output was 1 W, and the energy was adjusted to a collimated beam with a strength that did not damage the heat-sensitive LiNbO3 crystal.
By making it converge, the sensitive film (PET) can be processed accurately in a very fine part, but since the energy is too high, it is necessary to pay attention to damage to the substrate.

尚、本実施形態ではフェムト秒レーザーを使用したが、紫外線を用いることで、PETのみを分解させて基材に損傷を与えることなく感応膜の加工が可能である。
紫外線照射によって残渣が残るが、弾性表面波への影響の程度は非常小さくなることが経路全周がPETの素子を用いた実験によって明らかになっている。
これはUV照射によって、殆どの分子が分解されたからで質量負荷効果としても影響が殆ど無視できる程度に低下するからである。
また、PET樹脂として存在する場合に比べて湿度の影響を経路1がうけなくなることは明らかである。
In this embodiment, a femtosecond laser is used. However, by using ultraviolet rays, it is possible to process a sensitive film without decomposing only PET and damaging the substrate.
Although the residue remains due to ultraviolet irradiation, it has been clarified by an experiment using a PET device that the entire path circumference has a very small influence on the surface acoustic wave.
This is because most of the molecules are decomposed by the UV irradiation, so that the influence of the mass load effect is reduced to a negligible level.
Further, it is clear that the path 1 is not affected by humidity as compared with the case where it exists as a PET resin.

以上のように、経路の他の経路との交点を加工することによって、一方の経路は感応膜の影響を受けず、一方は影響を受ける構成が可能であって、より高精度の測定を可能にする。   As described above, by processing the intersection of the path with another path, one path is not affected by the sensitive film, and the other can be affected. To.

次に直径1mmの素子の加工を行う方法について説明する。
図5(A)では同じであるが非常に微細な加工を必要とするために、レンズを用いて集束させた。平行ビームを用いる場合は、球材料自体がレンズ効果によって、球の反対面の表面に集束すると意図しない部分の感応膜の除去をおこなうことがありその際には収束させることで、反対面での破損を防ぐことが出来る。
これで領域Aのみならず、領域Bについての感応膜の除去を行うことを防ぐことが可能である。
Next, a method for processing an element having a diameter of 1 mm will be described.
Although it is the same in FIG. 5A, since it requires very fine processing, focusing was performed using a lens. When using a parallel beam, if the spherical material itself is focused on the surface of the opposite surface of the sphere by the lens effect, it may remove the unintended part of the sensitive film. Damage can be prevented.
Thus, it is possible to prevent the sensitive film from being removed not only in the region A but also in the region B.

図5から明らかなようにAでは領域1も高いエネルギー密度となり感応膜が損傷するが、Bの場合は、領域2は非常に高くエネルギー密度になり除去されるが、領域1は光の拡散によって除去されずに済むことが明らかである。   As is clear from FIG. 5, in region A, the energy density of region 1 is also high and the sensitive film is damaged. In case of B, region 2 is very high in energy density and is removed, but region 1 is removed by light diffusion. It is clear that it will not be removed.

次に複数の経路に複数種類の感応膜が混在している場合の解析方法について説明する。
図6は、LiNbO3結晶球の、3経路を用いた球状弾性表面波のモデルを示す。
LiNbO3は三方晶系であるために結晶学的に全く同等の経路を形成することが出来る。
経路1から3について図6に示すように3種類の感応膜分布に形成する場合、3つの出力を測定することによって、各官能膜の応答を推測することが出来る。
Next, an analysis method when a plurality of types of sensitive films are mixed in a plurality of paths will be described.
FIG. 6 shows a model of a spherical surface acoustic wave using three paths of LiNbO3 crystal spheres.
Since LiNbO3 is trigonal, it can form crystallographically equivalent paths.
In the case of forming three types of sensitive film distributions for the paths 1 to 3 as shown in FIG. 6, the response of each functional film can be estimated by measuring three outputs.

図6に示すように、3種類の感応膜を夫々の経路で異なる比率で形成すると次に示すように感応膜の夫々の経路への寄与しやすさと3つの経路の出力から3つの連立方程式がなり立つ。   As shown in FIG. 6, when three types of sensitive membranes are formed at different ratios in the respective paths, three simultaneous equations are obtained from the ease of contribution of the sensitive membranes to the respective paths and the outputs of the three paths as shown below. Stand up.

各経路について感応膜の形成される領域の比率を図6の場合を用いて示す。
A1 p:q:r=5:0:0
A2 p:q:r=1:4:0
A3 p:q:r=1:1:3
A1、A2、A3、から、各感応膜の検知する環境因子p、q、rを求めることが出来る。
The ratio of the region where the sensitive film is formed for each path is shown using the case of FIG.
A1 p: q: r = 5: 0: 0
A2 p: q: r = 1: 4: 0
A3 p: q: r = 1: 1: 3
From A1, A2, A3, the environmental factors p, q, r detected by each sensitive film can be determined.

例えば、A1,A2,A3の感応膜の周回時間が、各々t1からt1+Δt1に、t2からt2+Δt2に、t3からt3+Δt3に、変化するとすれば、p、q、rの感応膜の変化を各々tpからtp+Δtpに、tqからtq+Δtqに、trからtr+Δtrに、なったとして、
1+Δt1/t1=1+Δtp/tp
1+Δt1/t1=(1+Δtp/5tp)(1+4Δtq/5tq)
1+Δt1/t1=(1+Δtp/5tp)(1+Δtq/5tq)(1+3Δtr/5tr)
For example, if the peripheries of the sensitive membranes A1, A2 and A3 change from t1 to t1 + Δt1, respectively from t2 to t2 + Δt2, and from t3 to t3 + Δt3, the changes in the sensitive membranes of p, q and r from tp respectively tp + Δtp, tq to tq + Δtq, tr to tr + Δtr,
1 + Δt1 / t1 = 1 + Δtp / tp
1 + Δt1 / t1 = (1 + Δtp / 5tp) (1 + 4Δtq / 5tq)
1 + Δt1 / t1 = (1 + Δtp / 5tp) (1 + Δtq / 5tq) (1 + 3Δtr / 5tr)

さらに、感応膜として特定の匂いに対する場合などは、その匂いに対する変化率を定めておけば算定は可能である。
例えば、アップル、パイン、オレンジの感応膜の変化を各々t(アップル)からt(アップル)+Δt(アップル)に、t(パイン)からt(パイン)+Δt(パイン)に、t(オレンジ)からt(オレンジ)+Δt(オレンジ)に、なるとして、
1+Δt(アップル)/t(アップル)=(1+np(アップル)Δtp/tp)(1+nq(アップル)Δtq/tq)(1+nr(アップル)Δtr/tr)
1+Δt(パイン)/t(パイン)=(1+np(パイン)Δtp/tp)(1+nq(パイン)Δtq/tq)(1+nr(パイン)Δtr/tr)
1+Δt(オレンジ)/t(オレンジ)=(1+np(オレンジ)Δtp/tp)(1+nq(オレンジ)Δtq/tq)(1+nr(オレンジ)Δtr/tr)
である様な係数、np(アップル)、nq(アップル)、nr(アップル)、np(パイン)、nq(パイン)、nr(パイン)、np(オレンジ)、nq(オレンジ)、nr(オレンジ)、が明確であればこれより計算できることが明白である。
Further, in the case of a specific odor as a sensitive film, the calculation can be performed if the rate of change with respect to the odor is determined.
For example, changes in the sensitive membranes of apple, pine, and orange are changed from t (apple) to t (apple) + Δt (apple), from t (pine) to t (pine) + Δt (pine), and from t (orange) to t. (Orange) + Δt (Orange)
1 + Δt (Apple) / t (Apple) = (1 + np (Apple) Δtp / tp) (1 + nq (Apple) Δtq / tq) (1 + nr (Apple) Δtr / tr)
1 + Δt (pine) / t (pine) = (1 + np (pine) Δtp / tp) (1 + nq (pine) Δtq / tq) (1 + nr (pine) Δtr / tr)
1 + Δt (orange) / t (orange) = (1 + np (orange) Δtp / tp) (1 + nq (orange) Δtq / tq) (1 + nr (orange) Δtr / tr)
Np (apple), nq (apple), nr (apple), np (pine), nq (pine), nr (pine), np (orange), nq (orange), nr (orange) If it is clear, it is obvious that it can be calculated from this.

尚、図6では長さに比例すると仮定したが、既知のp、q、rに対する、A1,A2,A3の比率を求めることで素子の感度係数として導出しておくことで算出可能である。   In FIG. 6, it is assumed that it is proportional to the length, but it can be calculated by deriving the sensitivity coefficient of the element by obtaining the ratio of A1, A2, A3 to the known p, q, r.

以上示すように球形弾性表面波素子の経路について、複数種類の感応膜が形成されている場合であっても、環境因子に対する感度があらかじめ判っている場合は、上記のように夫々の経路の変化率を求めることで算出することができる。   As described above, even when a plurality of types of sensitive films are formed on the path of the spherical surface acoustic wave element, if the sensitivity to environmental factors is known in advance, the change of each path as described above. It can be calculated by determining the rate.

上記の方法を採用すると、結晶球の表面に、適当に複数種類の感応膜を形成しておきさえすれば(各経路で夫々の環境要因に対して異なる感度を持つ必要があるが)、感応膜の精度の高いパターニングを必要とせずに、複数の検知対象について独立して検知可能なセンサーを構成できる。   By adopting the above method, it is only necessary to form several types of sensitive films on the surface of the crystal sphere (although it is necessary to have different sensitivities to each environmental factor in each path). A sensor capable of independently detecting a plurality of detection targets can be configured without requiring highly accurate patterning of the film.

例えば、素子の半球のみを浸漬によって感応膜形成を行うなど、非常に容易な感応膜形成方法を採用できる。   For example, a very easy method for forming a sensitive film, such as forming a sensitive film by dipping only the hemisphere of an element, can be employed.

本発明は、球形状の圧電性結晶基材の表面にすだれ状電極が形成された球状表面弾性波素子や、透明材料からなる球表面に金属膜を形成し、その表面に感応材料(膜)を形成することで構成される表面プラズモン共鳴測定用素子に関する。   The present invention provides a spherical surface acoustic wave device in which interdigital electrodes are formed on the surface of a spherical piezoelectric crystal substrate, or a metal film formed on the surface of a sphere made of a transparent material, and a sensitive material (film) on the surface. It is related with the element for surface plasmon resonance measurement comprised by forming.

本発明の球状表面弾性波素子である場合の実施形態の一例を示す斜視図。The perspective view which shows an example of embodiment in case it is the spherical surface acoustic wave element of this invention. 図1の球状表面弾性波素子の配線を示す概要図。The schematic diagram which shows the wiring of the spherical surface acoustic wave element of FIG. 図1の球状表面弾性波素子のパラジウム蒸着工程を示す概念側面図。The conceptual side view which shows the palladium vapor deposition process of the spherical surface acoustic wave element of FIG. 図1の球状表面弾性波素子のPET蒸着工程を示す概要側面図。FIG. 2 is a schematic side view showing a PET vapor deposition step of the spherical surface acoustic wave device of FIG. 1. 図1の球状表面弾性波素子のフェムト秒レーザを用いたPET膜を部分的に取り除く工程を示す概念断面図。The conceptual sectional drawing which shows the process of removing partially the PET film | membrane using the femtosecond laser of the spherical surface acoustic wave element of FIG. 図1の球状表面弾性波素子の各経路の表面状態を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the surface state of each path of the spherical surface acoustic wave device of FIG. 1. 従来の球状表面弾性波素子の製造工程の蒸着機の構成を示す概要断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a vapor deposition machine in a manufacturing process of a conventional spherical surface acoustic wave element.

符号の説明Explanation of symbols

10 球状表面弾性波素子
12 球状部材
13,14,15 すだれ状電極
201 マスク
202 PET蒸着源
204 フェムト秒レーザー
302 駆動用スイッチ
303 サーキュレーター
304 高周波信号発生器
305 計測部
402 マスク
r1,r2,r3 経路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Spherical surface acoustic wave element 12 Spherical member 13,14,15 Interdigital electrode 201 Mask 202 PET vapor deposition source 204 Femtosecond laser 302 Drive switch 303 Circulator 304 High-frequency signal generator 305 Measurement unit 402 Mask r1, r2, r3 Path

Claims (1)

球形状表面を有する3次元基材の表面に、弾性表面波が周回可能な円環状経路を複数有しており、各経路には、弾性表面波を励起検出する電気音響変換素子を有すると共に、環境変化に応じて弾性表面波の伝搬状態が変化する複数種類の感応膜を有する球状弾性表面波素子の製造方法であって、当該球状弾性表面波素子は、経路毎に感応膜の種類が異なっており、かつ、経路同士の交点には感応膜を有さないものであり、上記複数種類の感応膜のうち1種はポリエチレンテレフタレートであり、前記3次元基材の1つの経路上に当該ポリエチレンテレフタレートを形成した後、前記交点に形成されたポリエチレンテレフタレートを、光の照射によって除去する工程を含むことを特徴とする球状表面弾性波素子の製造方法。 The surface of the three-dimensional substrate having a spherical surface has a plurality of annular paths that can circulate surface acoustic waves, and each path has an electroacoustic transducer that detects and detects surface acoustic waves. A method of manufacturing a spherical surface acoustic wave element having a plurality of types of sensitive films whose propagation states of surface acoustic waves change according to environmental changes, wherein the spherical surface acoustic wave element has a different type of sensitive film for each path. And there is no sensitive film at the intersection of the paths, one of the plurality of types of sensitive films is polyethylene terephthalate, and the polyethylene on one path of the three-dimensional substrate. A method of manufacturing a spherical surface acoustic wave device , comprising: forming terephthalate, and then removing polyethylene terephthalate formed at the intersection by light irradiation .
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