JP5683199B2

JP5683199B2 - 弾性表面波デバイス

Info

Publication number: JP5683199B2
Application number: JP2010229801A
Authority: JP
Inventors: 幹博後藤; 谷津田　博美; 博美谷津田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: JP2012085110A

Description

本発明は、入力された電気信号を弾性表面波に変換し、この弾性表面波の圧電基板上における伝搬特性に基づく処理が施された後に電気信号に再び変換する弾性表面波デバイスに関する。

弾性表面波センサ等の弾性表面波デバイスは、以下の好ましい特徴を有するために、これらの特徴を活かすことによる小型化、軽量化、無調整化が容易なデバイスとして多様なものが開発されつつある。

(1) 入力された電気信号が内部で変換されることによって得られる弾性表面波の波長が電磁波の波長の百万分の一程度と大幅に短い。
(2) 弾性表面波の伝搬路となる圧電基板上と、その圧電基板上に微細に形成可能な膜やパターンとして形成された電極等とから構成される。
(3) 圧電基板の表面の研磨は、弾性表面波の伝搬路が形成される片面だけで十分である。

(4) 弾性表面波の主要なエネルギーが圧電基板の表面に集中して伝搬するために、このような表面に形成された電極、あるいはその表面に接触する媒質との音響的な結合が密に、あるいは自在に達成される。
(5) 上記結合の下で弾性表面波に施される処理、あるいは生じる変化は、線形領域だけではなく非線形領域でも、安定に精度よく実現可能である。

従来の弾性表面波センサとしては、例えば、後述する特許文献１に開示されるように以下の通りに構成された弾性表面波装置がある。
(1) 伝搬特性が同じである２つの伝搬路が圧電基板上に形成される。

(2) これらの伝搬路の一方では、その伝搬路上に配置された遮断手段（該当する伝搬路上に塗布された樹脂、あるいは形成された溝）によって弾性表面波の伝搬が阻止されることによって、他方の伝搬路で生じるバルク波が予測される。
(3) 上記他方の伝搬路を伝搬した弾性波（弾性表面波およびバルク波を含む。）から上記予測されたバルク波が減じられることにより、バルク波の成分の抑圧が図られる。

このような構成の弾性表面波センサでは、バルク波に起因する精度や性能の低下が軽減される。

なお、本発明に関連する先行技術としては、既述の特許文献１の他に後述する特許文献２がある。以下、これらの先行技術の概要を列記する。

(1) 「圧電性基板上に、弾性表面波を励振する入力電極と、該入力電極からの弾性表面波を電気信号に変換して出力する出力電極とを形成し、所望の周波数特性を得るために電極指交差幅に重み付けした弾性表面波装置において、前記入力電極は、前記弾性表面波の伝搬方向とほぼ直交する方向に互いに対向して配置され、且つ各々から弾性表面波と共に励振される前記圧電性基板の表面に対して平行に進行するバルク波を互いに逆相とするように構成された第１及び第２の入力電極を含み、該第１及び第２の入力電極の各々から前記出力電極へ伝搬する弾性表面波のいずれか一方を遮断する遮断手段を設けた」ことにより、「基板の特性によらず、主として圧電性基板に平行に進行する不要バルク波を抑圧して帯域外抑圧度を改善する」点に特徴がある弾性表面波装置…特許文献１

(2) 「弾性表面波素子の基板裏面を所定の条件を満たす角度に傾斜させる」ことにより、「この裏面で反射され基板表面に形成された出力電極または弾性表面波導波路の異なる位置に入射するバルク波による信号を相殺させ、高いＳＮ比で出力信号を取り出せるようにする」点に特徴がある…特許文献２

特許第２８２１２６３号公報特開平５−１２９８８６号公報

ところで、上述した従来の弾性表面波センサでは、弾性表面波の伝搬の阻止や抑圧は、その弾性表面波の伝搬路に塗布された樹脂、あるいは形成された溝によって実現されていた。

また、このような樹脂の塗布や溝の形成は、弾性基板の表面に対する電極の形成とは別の工程として実現されるため、コスト高でとなるだけではなく、弾性表面波の伝搬を阻止する特性にバラツキが生じる要因となる可能性が高かった。

しかし、上記特性のバラツキについては、弾性表面波センサに対して要求される感度や性能のさらなる向上を妨げる要因となるために、解消や大幅な軽減を実現できる技術が強く要望されつつある。

本発明は、コストが大幅に増加することなく、性能が向上し、かつ特性のバラツキが安定に回避される弾性表面波デバイスを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、圧電基板上に形成され、かつ電気信号を弾性波に変換する
送波電極と、前記圧電基板を介して到来した弾性波を電気信号に変換する受波電極とを有
する弾性表面波デバイスにおいて、伝搬速度調整体における弾性表面波の伝搬速度は、前
記送波電極と前記受波電極とで挟まれた前記圧電基板上の領域に塗設あるいは形成され、
前記受波電極に到来する弾性波の内、弾性表面波とバルク波との主要な成分が分布する期
間の時間軸上における重なりが回避される程度に低い。

すなわち、送波電極から圧電基板を介して伝搬する弾性波の内、弾性表面波とバルク波との主要な成分は、異なる期間に受波電極に到来する。

また、選択手段は、前記送波電極を励振した電気信号に同期して前記弾性表面波の主要な成分が前記受波電極に到来する期間のみに前記受波電極の出力を抽出する。

すなわち、弾性表面波とバルク波との伝搬速度の格差に基づくその弾性表面波の成分の抽出は、本発明に係る弾性表面波デバイスに内蔵された選択手段によって実現され、しかも、このような弾性表面波の成分が抽出されるべき期間は、本発明に係る弾性表面波デバイスの内部と外部との何れかに備えられた装置による指定が可能となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記選択
手段は、前記弾性表面波の主要な成分が前記受波電極に到来する期間を外部から与えられ
る指示に基づいて識別する。

すなわち、受波電極に到来した弾性表面波の成分の内、所望の成分が分布する期間の多様な設定が柔軟に可能となる。

本発明によれば、受波電極によって電気信号に変換される弾性表面波のＳＮ比が向上する。
また、本発明に係る弾性表面波デバイスが搭載されたシステムや装置は、構成、機能、性能および仕様の何れに対しても柔軟な適応が可能となる。

さらに、本発明に係る弾性表面波デバイスは、所望のシステムや装置の機能、性能および仕様に対する柔軟な適応が可能となる。

また、本発明に係る弾性表面波デバイスは、実装面における制約が大幅に増加することなく、安価に性能や機能が向上する。

さらに、本発明は、弾性表面波の主要な成分が受波電極に到来する期間の特定および指示の柔軟性が高められ、かつ適用可能なシステムや装置の容易な拡大が可能となる。

したがって、本発明が適用されたシステムや装置は、価格性能比に併せて、総合的な信頼性が高められる。

本発明の一実施形態を示す図である。本実施形態の動作原理を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。

図において、圧電基板１１が有する矩形の片面の中央部には、その片面に相似な矩形の伝搬路１２が確保され、かつたんぱく質等の膜が形成される。このような伝搬路１２の特定の辺の近傍には、圧電基板１１上におけるパターンとして櫛形電極(IDT:interdigital
transducer)１３Ｓが形成され、その伝搬路１２の特定の辺に対向する他の辺の近傍には、櫛形電極１３Ｒが上記櫛形電極１３Ｓに正対する状態で形成される。なお、このような櫛形電極１３Ｒの構成は既述の櫛形電極１３Ｓの構成と同じである。

櫛形電極１３Ｓの一方の端子には信号源２０の出力が接続され、その櫛形電極１３Ｓの他方の端子および信号源２０の接地端子は接地される。

また、信号源２０の出力は分離回路２１の一方の入力にも接続され、その分離回路２１の他方の入力には、櫛形電極１３Ｒの一方の端子が接続される。櫛形電極１３Ｒの他方の端子と分離回路２１の接地端子とは、共に接地される。

図２は、本実施形態の動作原理を示す図である。
以下、図１および図２を参照して本実施形態の動作を説明する。

信号源２０は、例えば、上記伝搬路１２の中央部に該当する反応場に滴下され、あるいは接触する媒質について、計測されるべき項目に適した所定の周波数の交流信号を櫛形電極１３Ｓに与える。ここに、「媒質」とは、例えば、本実施形態に係る弾性表面波センサによって行われる計測や検査の対象として、反応場上に滴下され（滴下され得る）液体や溶液を意味する。

櫛形電極１３Ｓは、このような交流信号によって励振され、図１に太い実線の矢印で示すように、伝搬路１２に弾性表面波を送出する。

この弾性表面波は、伝搬路１２上において既述の媒質が滴下されあるいは接触する反応場を伝搬して櫛形電極１３Ｒに到達し、その櫛形電極１３Ｒによって電気信号Ｅａに変換される。

ところで、櫛形電極１３Ｓによって送出された弾性表面波のエネルギーの一部は、例えば、櫛形電極１３Ｓを形成する金属膜の部位と伝搬路１２との間における弾性波の伝搬速度の差（以下、「伝搬速度の格差」という。）が大きい場合には、図１に点線の矢印で示すように、圧電基板１１の表面ではなく内部を伝搬するバルク波に変換される。

したがって、上記電気信号Ｅａには、一般に、図２(a) に示すように、伝搬路１２を介して受波電極１３Ｒに到来した弾性表面波とバルク波とのそれぞれの主要な成分が分布する期間の一部は、時間軸上で重なる。

しかし、本実施形態では、伝搬路１２上に形成されたたんぱく質等の膜の厚さｔは、例えば、２１００オングストロームと、一般的な厚みに比べて大幅に大きく設定される。

したがって、分離回路２１に上記電気信号Ｅａに代えて入力される電気信号Ｅｂに弾性表面波の成分が含まれる期間は、図２(b) に記載するように、時間軸上でバルク波の成分より大幅に遅れた期間Ｐ_ＳＡＷとなる。しかも、このような電気信号Ｅｂにバルク波の主要な成分が含まれる期間Ｐ_ＢＷは、そのバルク波の伝搬経路が圧電基板１１の内部（内層）であるため、伝搬路１２の表面の伝搬速度に左右されない。

一方、分離回路２１は、本実施形態に係る弾性表面波センサの構成の下で上記期間Ｐ_ＳＡＷの特定に必要なパラメータが予め与えられる。

さらに、分離回路２１は、信号源２０によって送波電極１３Ｓに与えられる交流信号に同期して上記パラメータを適用することにより期間Ｐ_ＳＡＷを識別し、受波電極１３Ｒによって与えられる電気信号Ｅｂをその期間Ｐ_ＳＡＷにサンプリングすることにより、電気信号Ｅｓを出力する。

したがって、このような電気信号Ｅｓには、図２(c) に示すように、時間軸上でバルク波の主要な成分が分布しない期間Ｐ_ＳＡＷに抽出された弾性表面波の主要な成分が含まれる。

このように本実施形態によれば、従来例に比べて構成が大幅に複雑化することなく、バルク波に起因する精度や性能の低下が回避され、かつ感度の向上および安定化が図られる。

なお、本実施形態では、上記厚みｔについては、以下に列記する何れかの形態で設定されてもよい。

(1) 伝搬路１２（反応場）上にある（存在し得る）媒質の種類、量、分布等に応じて変化し得る弾性表面波の伝搬速度の範囲が加味される。

(2) 伝搬路１２に塗設されたたんぱく質等の膜に関して、厚みｔだけではなく、その厚みｔに併せて（あるいは、厚みｔとは別に）、厚みｔの物理的な分布と、該当する膜の形状、寸法、材質との全てまたは一部が好適に設定される。

また、本実施形態では、上記伝搬路１２（反応場）上にある（存在し得る）媒質の種類、量、分布等が一定とは限らない場合には、例えば、これらの種類、量、分布等を計測し、その計測の結果に適した期間Ｐ_ＳＡＷを直接または間接的に特定する装置（以下、「期間特定装置」という。）が備えられ、分離回路２１がその期間特定装置の配下で作動してもよい。

なお、上記計測された種類、量、分布等に基づいて期間Ｐ_ＳＡＷを特定する処理は、以下の何れの形態で行われてもよい。

(1) 予め実測や模擬（定量的な評価を含む。）に基づいて求められたテーブルをルックアップする処理
(2) 上記計測された種類、量、分布等に基づく定量的な評価として適宜行われる処理

また、このような期間Ｐ_ＳＡＷの特定には、例えば、反応場（伝搬路１２）に塗設されたたんぱく質等の形状、寸法、配置、材質が加味されることが望ましい。

さらに、本実施形態では、分離回路２１は、圧電基板１１上に配置されてもよい。

また、本実施形態では、分離回路２１（既述の「期間特定装置」が含まれてもよい。）の全てまたは一部は、例えば、ＤＳＰ(Digital Signal
Processor)等の情報処理装置で代替されてもよい。

さらに、本発明は、本実施形態のような弾性表面波センサに限定されず、例えば、弾性表面波フィルタ、弾性表面波発振器、弾性表面波共振器、弾性表面波導波路、弾性表面波遅延器、弾性表面波相関器等の多様な弾性表面波デバイスにも同様に適用可能である。

また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

以下、本願に開示された発明を整理し、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段」の欄の記載に準じた様式により列記する。

［請求項６］請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
前記弾性表面波の伝搬速度が低下する程度は、
前記領域にありまたは存在し得る媒質と、前記伝搬速度調整体とによる前記弾性表面波の総合的な伝搬特性が加味されて設定された
ことを特徴とする弾性表面波デバイス。

このような構成の弾性表面波デバイスでは、請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記弾性表面波の伝搬速度が低下する程度は、前記領域にありまたは存在し得る媒質と、前記伝搬速度調整体とによる前記弾性表面波の総合的な伝搬特性が加味されて設定される。

すなわち、弾性表面波の主要な成分とバルク波の主要な成分とがそれぞれ受波電極に到来する期間の相違は、本発明に係る弾性表面波デバイスの構成だけではなく、その弾性表面デバイスが適用される分野と、実際に稼働すべき環境との双方が加味されることにより適切に確保される。

したがって、本発明が適用されたシステムや装置は、性能および信頼性が確度高く安定に高められる。

［請求項７］請求項４または請求項５に記載の弾性表面波デバイス支援装置において、
前記期間特定手段は、
前記弾性表面波デバイスの入力側の電極と出力側の電極とで挟まれた圧電基板上の領域にありまたは存在し得る媒質の量、分布、特性の全てまたは一部を加味して、前記受波電極に弾性表面波の主要な成分が到来する期間を特定する
ことを特徴とする弾性表面波デバイス支援装置。

このような構成の弾性表面波デバイス支援装置では、請求項５または請求項６に記載の弾性表面波デバイス支援装置において、前記期間特定手段は、前記弾性表面波デバイスの入力側の電極と出力側の電極とで挟まれた圧電基板上の領域にありまたは存在し得る媒質の量、分布、特性の全てまたは一部を加味して、前記受波電極に弾性表面波の主要な成分が到来する期間を特定する。

すなわち、本発明に係る弾性表面波デバイス支援装置と連係する弾性表面波デバイスでは、弾性表面波の主要な成分とバルク波の主要な成分とがそれぞれ受波電極に到来する期間の相違は、本発明に係る弾性表面波デバイスの構成だけではなく、その弾性表面デバイスが適用される分野と、実際に稼働すべき環境との双方が加味されることにより適切に確保される。

したがって、本発明が適用されたシステムや装置は、性能および信頼性が柔軟に確度高く安定に高められる。

１１圧電基板
１２伝搬路
１３Ｒ，１３Ｓ櫛形電極
２０信号源
２１分離回路

Claims

圧電基板上に形成され、かつ電気信号を弾性波に変換する送波電極と、前記圧電基板を介して到来した弾性波を電気信号に変換する受波電極とを有する弾性表面波デバイスであって、
前記送波電極と前記受波電極とで挟まれた前記圧電基板上の領域に塗設あるいは形成され、前記受波電極に到来する弾性波の内、弾性表面波とバルク波との主要な成分が分布する期間の時間軸上における重なりが回避される程度に前記弾性表面波の伝搬速度が前記バルク波に比べて低い伝搬速度調整体と、
前記送波電極を励振した電気信号に同期して前記弾性表面波の主要な成分が前記受波電極に到来する期間のみに前記受波電極の出力を抽出する選択手段と、
を備えたことを特徴とする弾性表面波デバイス。
請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
前記選択手段は、
前記弾性表面波の主要な成分が前記受波電極に到来する期間を外部から与えられる指示に基づいて識別する
ことを特徴とする弾性表面波デバイス。