JP6469736B2 - センサ回路およびセンシング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、センサ回路およびセンシング方法に関し、例えば共振器を有するセンサ回路およびセンシング方法に関する。
感応膜の質量の変化を検出することで、気体もしくは液体中の特定原子もしくは分子の濃度、温度、または湿度等の物理量を検出する環境センサが知られている。感応膜（物質を検出する表面）を有する弾性波共振器を移相器として用い、基準発振信号の位相シフト量で物質を検出するセンサ回路が知られている（例えば特許文献１）。感応膜（物質を検出する反応性膜または化学的インタラクチィブ膜）を有する弾性波共振器と基準となる弾性波共振器との共振周波数の差で物質を検出するセンサ回路が知られている（例えば特許文献２および３）。
特許文献１では、感応膜を有する弾性波共振器はＱ値が小さくなる。このため、感応膜の質量変化に対する位相シフト量が小さくなり、検出感度が低下する。特許文献２、３では、弾性波共振器を有する発振器を２つ用いることになり回路規模が大きくなる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、検出感度が良好でかつ小型化可能とすることを目的とする。
本発明は、感応部の質量が変化することで共振周波数および／または反共振周波数が変化する共振器と、前記共振周波数または前記反共振周波数に対応する発振信号を出力する増幅器と、前記発振信号が分岐された第１信号および第２信号の位相差を前記発振信号の周波数の変化に対応して変化させる移相回路と、前記移相回路が位相差を変化させた前記第１信号と前記第２信号とをミキシングすることで前記共振器の前記共振周波数または反共振周波数の変化に対応する信号を出力するミキサと、を具備するセンサ回路である。
上記構成において、前記移相回路は、前記第１信号の位相を第１移相量で変化させる第１移相器と、前記第２信号の位相を第２移相量で変化させ、前記第２信号の周波数の変化に対する前記第２移相量の変化量は前記第１信号の周波数の変化に対する第１移相量の変化量と異なる第２移相器と、を有する構成とすることができる。
上記構成において、前記第１移相器は、第１弾性波共振器を有する構成とすることができる。
上記構成において、前記第１弾性波共振器は、前記第１信号が伝送する伝送線路にシャント接続されている構成とすることができる。
上記構成において、前記第１移相器は、前記第１弾性波共振器に並列に、前記伝送線路にシャント接続されたキャパシタを有する構成とすることができる。
上記構成において、前記第１信号の周波数は、前記第１弾性波共振器の反共振周波数近傍に位置する構成とすることができる。
上記構成において、前記共振器は第２弾性波共振器を含む構成とすることができる。
上記構成において、前記第２弾性波共振器は、圧電層と、前記圧電層の少なくとも一部を挟む第１電極および第２電極と、前記第２電極の前記圧電層と反対側に設けられ、前記感応部である感応膜と、を有する構成とすることができる。
上記構成において、前記ミキサの出力端子に接続され、前記発振信号の周波数より低い遮断周波数を有するローパスフィルタを具備する構成とすることができる。
上記構成において、センシング前に前記共振器の共振周波数および／または反共振周波数を調整する制御部を具備する構成とすることができる。
本発明は、感応部の質量が変化することで変化する共振器の共振周波数または反共振周波数に対応する発振信号を出力するステップと、前記発振信号が分岐された第１信号および第２信号の位相差を前記発振信号の周波数の変化に対応して変化させるステップと、前記位相差を変化させた前記第１信号と前記第２信号とをミキシングすることで前記共振器の前記共振周波数または前記反共振周波数の変化に対応する信号を出力するステップと、を含むセンシング方法である。
本発明によれば、検出感度が良好でかつ小型化可能とすることができる。
以下、図面を参照し実施例について説明する。
図１は、実施例１に係るセンサ回路の回路図である。センサ回路１００は、発振回路１０、分岐回路１６、移相回路１８、ミキサ２４およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６を備えている。
発振回路１０は、共振器１２および増幅器１４を有している。共振器１２は、感応部の質量の変化に応じ共振周波数および／または反共振周波数が変化する。感応部は、環境変化により質量が変化する部位である。例えば気体または液体中の特定の原子または分子が感応部に吸着すると感応部の質量が増加する。また、雰囲気の湿度が高くなると、水分が感応部に吸着し感応部の質量が増加する。温度が変化すると感応部の質量が変化する。また、紫外線等の光が感応部に照射されると感応部の質量が変化する。増幅器１４は、発振器として機能し、共振器の共振周波数または反共振周波数に対応する発振信号Ｓ１を出力する。
分岐回路１６は例えばパワースプリッタであり、発振信号Ｓ１を周波数、位相およびパワーが互いにほぼ同じ信号Ｓ１ａおよびＳ１ｂに分岐する。移相回路１８は、移相器２０および２２を有している。移相器２０は、信号Ｓ１ａの位相をシフトさせ信号Ｓ２を出力する。移相器２２は、信号Ｓ１ｂの位相をシフトさせ信号Ｓ３を出力する。信号Ｓ２とＳ３との位相差は、発振信号Ｓ１の周波数により変化する。例えば移相器２０は、信号Ｓ１ａの周波数の変化に応じ位相の変化量を変化させる。移相器２２は、信号Ｓ１ａの周波数に対し位相の変化量はほとんど変わらない。
ミキサ２４は、乗算器であり、信号Ｓ２とＳ３をミキシング（乗算）した信号Ｓ４を出力する。ＬＰＦ２６は、発振信号Ｓ１の周波数より低い遮断周波数を有しており、信号Ｓ４から発振信号Ｓ１の周波数より低い周波数成分の信号Ｓ５を出力端子Ｔｏｕｔに出力する。
図２は、実施例１における各信号の時間に対する電圧を示す図である。時間および電圧は任意単位（ａ．ｕ．：arbitrary unit）である。図２に示すように、発振信号Ｓ１を正弦波とする。発振信号Ｓ１は数式１に表される。Ａ０は振幅を示す。
Ｓ１＝Ａ０・ｃｏｓ（ωｔ） 数式１
Ｓ１＝Ａ０・ｃｏｓ（ωｔ） 数式１
移相器２０は、信号Ｓ２の位相を発振信号Ｓ１より遅らせる。移相器２２は、信号Ｓ３の位相を発振信号より進める。信号Ｓ２およびＳ３はそれぞれ数式２および３のように表される。Ａ１およびＡ２は振幅を示す。数式２および３のように、信号Ｓ２およびＳ３の周波数は発振信号Ｓ１と同じであり、信号Ｓ２とＳ３の位相が異なっている。
Ｓ２＝Ａ１・ｃｏｓ（ωｔ＋θ１） 数式２
Ｓ３＝Ａ２・ｃｏｓ（ωｔ＋θ２） 数式３
Ｓ２＝Ａ１・ｃｏｓ（ωｔ＋θ１） 数式２
Ｓ３＝Ａ２・ｃｏｓ（ωｔ＋θ２） 数式３
ミキサ２４は、信号Ｓ２とＳ３を乗算する。信号Ｓ４は、数式４のように表される。信号Ｓ４は、主に発振信号の周波数の約２倍の周波数成分と、信号Ｓ２とＳ３の位相差θ１−θ２に相当する周波数成分と、を有する。
Ｓ４＝Ａ１・ｃｏｓ（ωｔ＋θ１）×Ａ２・ｃｏｓ（ωｔ＋θ２）
＝０．５・Ａ１・Ａ２・｛ｃｏｓ（θ１−θ２）＋Ａ２・ｃｏｓ（２ωｔ＋θ１＋θ２）｝ 数式４
Ｓ４＝Ａ１・ｃｏｓ（ωｔ＋θ１）×Ａ２・ｃｏｓ（ωｔ＋θ２）
＝０．５・Ａ１・Ａ２・｛ｃｏｓ（θ１−θ２）＋Ａ２・ｃｏｓ（２ωｔ＋θ１＋θ２）｝ 数式４
ＬＰＦ２６は、信号Ｓ４のうち発振信号Ｓ１の２倍の周波数成分を除去する。信号Ｓ５は数式５のように表される。数式５のように、信号Ｓ５は、位相差θ１−θ２に対応する周波数成分となる。位相差θ１−θ２に対応する周波数は発振信号Ｓ１の周波数に対し十分小さいため、発振信号Ｓ１の周波数に対しほぼ直流成分とみなせる。
Ｓ５＝０．５・Ａ１・Ａ２・ｃｏｓ（θ１−θ２） 数式５
Ｓ５＝０．５・Ａ１・Ａ２・ｃｏｓ（θ１−θ２） 数式５
図３は、実施例１の信号Ｓ２とＳ３の位相差に対する信号Ｓ５の電圧を示す図である。電圧は任意単位であり例えばＶである。図３に示すように位相差が９０°のとき、信号Ｓ５の電圧は０となる。位相差が９０°より小さくなると、信号Ｓ５の電圧は大きくなる。位相差が０°のとき、信号Ｓ５の電圧は０．５となる。このように、信号２とＳ３の位相差が変化すると信号Ｓ５の電圧が変化する。Ｓ３−Ｓ２の位相差が９０°のとき、Ｓ３−Ｓ２位相差に対するＳ５電圧の傾きは最も大きくなる。よって、検出感度の観点からＳ３−Ｓ２の位相差は９０°付近が好ましい。
図４は、実施例１における周波数に対する移相器の移相量を示す図である。実線は移相器２０の移相量、破線は移相器２２の移相量を示している。図４に示すように、移相器２０は、位相を主に遅らせる（移相量がマイナス）。２．４ＧＨｚから２．４５ＧＨｚにおいて、移相器２０の移相量はピークを有する。移相量のピーク付近では移相量はプラスとなる（位相が進む)。移相器２２は位相を進める（移相量がプラス）。移相器２２の移相量は周波数依存がほとんどない。
移相器２０は、２．４３ＧＨｚと２．４５ＧＨｚとの間において、移相量は周波数に対し急激にほぼ線形的に変化する。センサ回路がセンシングを始めると、発振信号Ｓ１の周波数が低くなる場合を考える。このとき、センサ回路のセンシング前の初期状態の基準周波数ｆ０は、急激にほぼ線形的に変化する周波数範囲の高周波数端付近とする。また、図３のように基準周波数ｆ０のＳ３−Ｓ２位相差を９０°付近とする。これらを考慮し、図４の例では基準周波数ｆ０およびこのときの移相量を以下とする。
基準周波数ｆ０ ：２．４５ＧＨｚ
移相器２０の移相量：−２５°
移相器２２の移相量：＋５０°
信号Ｓ３−Ｓ２の位相差：＋７５°
基準周波数ｆ０ ：２．４５ＧＨｚ
移相器２０の移相量：−２５°
移相器２２の移相量：＋５０°
信号Ｓ３−Ｓ２の位相差：＋７５°
センサ回路がセンシングをはじめ、感応部の質量が大きくなり共振周波数が低くなる。例えば矢印８０のように、発振信号Ｓ１の周波数ｆ１およびこのときの移相量が以下のように変化したとする。
周波数ｆ１ ：２．４４ＧＨｚ
移相器２０の移相量：＋５°
移相器２２の移相量：＋５０°
信号Ｓ３−Ｓ２の位相差：＋４５°
周波数ｆ１ ：２．４４ＧＨｚ
移相器２０の移相量：＋５°
移相器２２の移相量：＋５０°
信号Ｓ３−Ｓ２の位相差：＋４５°
図５は、実施例１における発振信号の周波数変位に対するＳ３−Ｓ２位相差およびＳ５信号の電圧を示す図である。実線は位相差を示し、破線はＳ５の電圧を示す。周波数変位は、センシングのときの基準周波数ｆ０を基準とした周波数変位である。図４において基準周波数ｆ０（２．４５ＧＨｚ）のとき周波数変位は０ＭＨｚであり、周波数ｆ１（２．４４ＧＨｚ）のとき周波数変位は−１０ＭＨｚである。周波数変位が０ＭＨｚのとき図４のように信号Ｓ３−Ｓ２位相差は７５°である。このとき、図３の矢印８１ａのように、信号Ｓ５の電圧は０．１３である。周波数変位が−１０ＭＨｚとなると、図４のように信号Ｓ３−Ｓ２位相差は４５°となる。図３の矢印８１ｂのように、信号Ｓ５の電圧は０．３７となる。よって、図５の矢印８２ａのように周波数変位が０ＭＨｚから−１０ＭＨｚに変化すると、矢印８２ｂのように、Ｓ３−Ｓ２位相差は７５°から４５°に変化し、矢印８２ｃのように、Ｓ５電圧は、０．１３から０．３７に変化する。
以上のように、共振器１２の共振周波数を基準周波数ｆ０に設定しておく。感応部の質量が増加すると、共振器１２の共振周波数は低くなり、周波数ｆ１となる。これにより、発振信号Ｓ１の周波数はｆ０からｆ１に変化する。図４のように、信号Ｓ３とＳ２との位相差が小さくなる。図５のように、基準周波数ｆ０からの変位によりＳ５の電圧が変化する。このように、感応部の質量変化を信号Ｓ５の電圧の変化に変換できる。
予め、信号Ｓ５の電圧と検知する物理量（例えば気体または液体中の特定分子の濃度、温度、湿度または紫外線量）との関係を求めておく。これにより、信号Ｓ５の電圧から物理量を検出できる。
実施例１によれば、共振器１２は、感応部の質量が変化することで共振周波数および／または反共振周波数が変化する。発振器として機能する増幅器１４は、共振周波数または反共振周波数に対応する発振信号Ｓ１を出力する。移相回路１８は発振信号Ｓ１が分岐された信号Ｓ１ａ（第１信号）およびＳ１ｂ（第２信号）の位相差を発振信号Ｓ１の周波数の変化に対応して変化させる。ミキサ２４は、移相回路１８が位相差を変化させた信号Ｓ２とＳ３とをミキシングすることで共振器１２の共振周波数または反共振周波数の変化に対応する信号を出力する。
発振器は一個のため、特許文献２および３に比べセンサ回路を小型化できる。また、発振器を複数設けることによる発振周波数間の変動のような測定誤差を抑制できる。また、移相器２０に感応部を設けていない。よって、移相器２０のＱ値を高くでき、周波数変位の検出感度を高くできる。
図４のように、移相器２０（第１移相器）は、信号Ｓ１ａの位相を第１移相量で変化させる。移相器２２（第２移相器）は、信号Ｓ１ｂの位相を第２移相量で変化させる。信号Ｓ１ａの周波数の変化に対する第２移相量の変化量は信号Ｓ１ａの周波数の変化に対する第１移相量の変化量と異なる。これにより、図５のように、感応部の質量変化にともなう周波数変位を検出できる。
信号Ｓ３とＳ２の位相差の周波数依存性を大きくするため、移相器２２の第２移相量の周波数に対する傾きは０に近いことが好ましい。さらに、移相器２０と２２との移相量の周波数に対す傾きが逆符号であることが好ましい。
さらに、ミキサ２４の出力端子に、発振信号Ｓ１の周波数より低い遮断周波数を有するＬＰＦ２６を接続することが好ましい。これにより、周波数変位を直流信号として出力できる。ＬＰＦ２６の遮断周波数は発振信号Ｓ１の周波数の１／２より低いことがより好ましい。
［共振器の例］
共振器として圧電薄膜共振器を用いる例を説明する。図６（ａ）は、実施例１における共振器の例を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、基板４０上に圧電膜４２が設けられている。圧電膜４２を挟むように下部電極４１および上部電極４３が設けられている。下部電極４１と基板４０との間に空隙４６が形成されている。共振領域４８は、圧電膜４２の少なくとも一部を挟み下部電極４１と上部電極４３とが対向する領域である。共振領域４８において、下部電極４１および上部電極４３は圧電膜４２内に厚み縦振動モードの弾性波を励振する。基板４０上に下部電極４１、圧電膜４２および上部電極４３を覆うように保護膜４４が設けられている。保護膜４４上に感応膜４５が設けられている。平面視において感応膜４５は共振領域４８を含んでいる。基板４０の下面には電極５１が設けられている。基板４０および圧電膜４２を貫通する貫通電極５０が設けられている。貫通電極５０は、下部電極４１および上部電極４３を電極５１に接続する。
共振器として圧電薄膜共振器を用いる例を説明する。図６（ａ）は、実施例１における共振器の例を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、基板４０上に圧電膜４２が設けられている。圧電膜４２を挟むように下部電極４１および上部電極４３が設けられている。下部電極４１と基板４０との間に空隙４６が形成されている。共振領域４８は、圧電膜４２の少なくとも一部を挟み下部電極４１と上部電極４３とが対向する領域である。共振領域４８において、下部電極４１および上部電極４３は圧電膜４２内に厚み縦振動モードの弾性波を励振する。基板４０上に下部電極４１、圧電膜４２および上部電極４３を覆うように保護膜４４が設けられている。保護膜４４上に感応膜４５が設けられている。平面視において感応膜４５は共振領域４８を含んでいる。基板４０の下面には電極５１が設けられている。基板４０および圧電膜４２を貫通する貫通電極５０が設けられている。貫通電極５０は、下部電極４１および上部電極４３を電極５１に接続する。
感応膜４５に気体または液体の分子が吸着すると、感応膜４５の質量が増加する。また、温度または湿度が変化すると感応膜４５の質量が変化する。共振領域４８内の感応膜４５の質量が増加すると、圧電薄膜共振器の共振周波数および反共振周波数が低くなる。
基板４０は、例えばサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板またはシリコン基板である。下部電極４１および上部電極４３は例えばルテニウム（Ｒｕ）膜等の金属膜である。圧電膜４２は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜または水晶層等である。保護膜４４は例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜である。貫通電極５０および電極５１は例えば金（Ａｕ）層または銅（Ｃｕ）層等の金属層である。
感応膜４５は、感応部に相当する。感応膜４５としては、有機高分子膜、有機低分子膜、または無機膜等を用いることができる。感応膜４５の形成方法としては、感応膜の材料を溶剤に溶解させ塗布する方法、蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。
有機高分子材料としては、例えばポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、６−ナイロン、セルロースアセテート、ポリ-９，９-ジオクチレフルオレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンオキシド、ポリ塩化ビニル、ポリ-ｐ-フェニレンエーテルスルホン、ポリ-１-ブテン、ポリブタジエン、ポリフェニルメチルシラン、ポリカプロラクトン、ポリビスフェノキシホスファゼン、ポリプロピレンなどの単一構造からなるホモポリマー、ホモポリマー２種以上の共重合体であるコポリマー、これらを混合したブレンドポリマーなどを用いることができる。
例えば、有機低分子材料としては、トリス（８-キノリノラト）アルミニウム（Ａｌｑ３）、ナフチルジアミン（α−ＮＰＤ）、ＢＣＰ（2,9 - dimethyl - 4,7 - diphenyl - 1,10 - phenanthroline)、ＣＢＰ（4,4' - N,N' - dicarbazole - biphenyl）、銅フタロシアニン、フラーレン、ペンタセン、アントラセン、チオフェン、Ｉｒ（ｐｐｙ（2 - phenylpyridinato））３、トリアジンチオール誘導体、ジオクチルフルオレン誘導体、テトラテトラコンタン、パリレンなどを用いることができる。
例えば、無機材料としては、アルミナ、チタニア、五酸化バナジウム、酸化タングステン、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、アルミニウム、金、銀、スズ、インジウム・シン・オキサイド（ＩＴＯ）、カーボンナノチューブ、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどを用いることができる。
空隙４６の代わりに圧電膜４２を縦方向に伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を用いることができる。共振領域４８の平面形状は楕円形状以外に四角形または五角形等の多角形でもよい。
［発振回路の例］
図７は、実施例１における発振回路の例を示す回路図である。図７に示すように、発振回路１０は、共振器１２および増幅器１４を有している。共振器１２は、弾性波共振器１１および可変キャパシタＶＣ１を有している。弾性波共振器１１は、例えば図６（ａ）および図６（ｂ）に示した圧電薄膜共振器である。弾性波共振器１１および可変キャパシタＶＣ１は出力端子Ｔ１とグランドとの間に並列に接続されている。
図７は、実施例１における発振回路の例を示す回路図である。図７に示すように、発振回路１０は、共振器１２および増幅器１４を有している。共振器１２は、弾性波共振器１１および可変キャパシタＶＣ１を有している。弾性波共振器１１は、例えば図６（ａ）および図６（ｂ）に示した圧電薄膜共振器である。弾性波共振器１１および可変キャパシタＶＣ１は出力端子Ｔ１とグランドとの間に並列に接続されている。
増幅器１４は、トランジスタＴｒ１、抵抗Ｒ１からＲ３、キャパシタＣ１からＣ３、インダクタＬ１を有している。トランジスタＴｒ１のエミッタは抵抗Ｒ３およびキャパシタＣ２を並列に介しグランドに接続されている。トランジスタＴｒ１のベースは抵抗Ｒ２およびキャパシタＣ３を並列に介しグランドに接続され、抵抗Ｒ１を介し電源端子Ｖｃｃに接続されている。トランジスタＴｒ１のコレクタはインダクタＬ１を介し電源端子Ｖｃｃに接続され、キャパシタＣ１を介しエミッタに接続され、かつ出力端子Ｔ１に接続されている。
抵抗Ｒ１からＲ２はトランジスタＴｒ１の各端子に供給されるバイアス電圧を定める抵抗である。インダクタＬ１は高周波信号が電源端子Ｖｃｃに漏れることを抑制する。キャパシタＣ１からＣ３はコレクタの出力をベースに正帰還する。
図８は、実施例１における共振器の通過特性および移相器の移相量を示す図である。実線は共振器１２の通過特性（トランジスタＴｒ１のコレクタから出力端子Ｔ１への通過特性）の例を示す。共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、共振器１２の共振周波数および反共振周波数に対応する。破線は、移相器２０の移相量の例を示す。図８に示すように、共振器１２は共振周波数ｆｒのとき減衰量が大きくなり、反共振周波数ｆａのとき減衰量が小さくなる。これにより、発振回路１０は反共振周波数ｆａの発振信号Ｓ１を出力する。共振器１２において、可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンスを変化させると、反共振周波数ｆａが変化する。これにより、可変キャパシタＶＣ１を調整することにより発振信号Ｓ１の周波数を調整できる。
共振器１２の反共振周波数ｆａを移相器２０の移相量が大きく変化する周波数範囲の高周波側の周波数（範囲８３：例えば移相量が０°から−４５°の範囲）のあたりに調整する。これにより、弾性波共振器１１の感応膜の質量が増加することで、質量の増加を感度よく検出できる。
図６（ａ）および図６（ｂ）のような圧電薄膜共振器では、感応膜４５の質量が変化すると、共振周波数より反共振周波数の方が大きく変化する。よって、検出感度を向上させるため、発振回路１０は共振器１２の反共振周波数において発振することが好ましい。また、後述するように、移相器２２を弾性波共振器で構成した場合、範囲８３は弾性波共振器の反共振周波数近傍に相当する。よって、共振器１２と移相器２０で同様の構造の弾性波共振器を用いた場合、共振器１２の反共振周波数ｆａを発振周波数とすることで基準周波数ｆ０と移相器２０の移相量との周波数温度特性をほぼ同じとすることができる。これにより、センサ回路の温度特性を改善できる。
図９は、実施例１における発振回路の別の例を示す回路図である。図９に示すように、図７と比較し、共振器１２はトランジスタＴｒ１のエミッタとコレクタとの間に接続されている。弾性波共振器１１と可変キャパシタＶＣ１とは直列に接続されている。その他の構成は図７と同じであり説明を省略する。
図９の例では、共振器１２の共振周波数において正帰還のインピーダンスが低くなる。よって、発振回路１０の発振信号Ｓ１の周波数は共振器１２の共振周波数ｆｒとなる。可変キャパシタＶＣ１を調整することで、共振器１２の共振周波数を調整できる。例えば共振周波数ｆｒを図８の範囲８３内とする。可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンスにより共振器１２の共振周波数ｆｒが大きく変化する。このため、発振信号Ｓ１の周波数を大きく調整する場合に適している。
以上のように、共振器１２は弾性波共振器１１（第２弾性波共振器）を用いることで、Ｑ値を高くすることができる。
また、弾性波共振器１１として、圧電薄膜共振器を用いる。図６（ａ）および図６（ｂ）のように、圧電薄膜共振器では、下部電極４１（第１電極）と上部電極４３（第２電極）は圧電膜４２の少なくとも一部を挟んで設けられている。感応部である感応膜４５は上部電極４３の圧電膜４２と反対側に設けられている。圧電薄膜共振器では感応膜４５の質量の変化に敏感に共振周波数および反共振周波数が変化する。よって、センサ回路の検出感度を向上できる。
感応膜４５の質量変化に対応し反共振周波数は共振周波数より大きく変化する。よって、検出感度を向上させるためには、図７のように信号経路に対しシャントに弾性波共振器１１を接続することが好ましい。
共振器１２では、弾性波共振器１１に並列または直列に可変キャパシタＶＣ１が接続されている。これにより、可変キャパシタＶＣ１の調整により、共振周波数または反共振周波数を調整できる。よって、発振回路１０の発振周波数を移相回路１８の感度の高い周波数に調整できる。
［移相器２０の例］
図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１における移相器の例を示す回路図である。図１０（ａ）の移相器２０では、信号Ｓ１ａが入力する端子Ｔ２と信号Ｓ２が出力する端子Ｔ３の間に弾性波共振器２１がシャント接続されている。図１０（ｂ）の移相器２０では、端子Ｔ２とＴ３との間に弾性波共振器２１とキャパシタＣ４がシャント接続されている。図１０（ｃ）の移相器２０では、端子Ｔ２とＴ３との間に弾性波共振器２１とキャパシタＣ４とが並列に接続されている。
図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１における移相器の例を示す回路図である。図１０（ａ）の移相器２０では、信号Ｓ１ａが入力する端子Ｔ２と信号Ｓ２が出力する端子Ｔ３の間に弾性波共振器２１がシャント接続されている。図１０（ｂ）の移相器２０では、端子Ｔ２とＴ３との間に弾性波共振器２１とキャパシタＣ４がシャント接続されている。図１０（ｃ）の移相器２０では、端子Ｔ２とＴ３との間に弾性波共振器２１とキャパシタＣ４とが並列に接続されている。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）の移相器における周波数に対する移相量を示す図である。図１１（ａ）に示すように、図１０（ａ）の移相器２０では、弾性波共振器２１の反共振周波数ｆａ付近で周波数に対する移相量の傾きが緩やかである。このため、周波数変位に対する検出感度は低い。
図１１（ｂ）に示すように、図１０（ｂ）の移相器２０では、キャパシタＣ４により、反共振周波数ｆａが図１０（ａ）より低周波数側に移動する。このため、反共振周波数ｆａ付近で周波数に対する移相量の傾きが急峻である。このため、周波数変位に対する検出感度は高い。
図１２は、図１０（ｂ）の移相器の通過特性および移相器の移相量を示す図である。移相器２０の通過特性は端子Ｔ２からＴ３への通過特性である。図１２に示すように、移相器２０は共振周波数ｆｒのとき減衰量が大きくなり、反共振周波数ｆａのとき減衰量が小さくなる。図１０（ａ）および図１０（ｂ）のように、弾性波共振器２１をシャント接続すると、反共振周波数ｆａ近傍８４において減衰量が小さくなる。このため移相器２０による挿入損失を抑制できる。また、周波数に対する移相量が比較的直線的に変化する。一方、共振周波数ｆｒ近傍８６では、減衰量が大きく移相器２０の挿入損失が大きくなる。また、周波数に対する移相量が急激に変化する。よって、反共振周波数ｆａ近傍の範囲８４で位相シフトさせることが好ましい。
図１０（ｃ）の移相器２０では、共振周波数ｆｒ近傍で減衰量が小さくなる。しかし、共振周波数ｆｒ近傍では、周波数に対する減衰量が急激に変化する。このため、移相器２０の挿入損失の周波数依存が大きい。しかし、共振周波数ｆｒ近傍では反共振周波数ｆａ近傍に比べ急峻な移相特性が得られる。よって、図１０（ｃ）の移相器２０より図１０（ａ）および図１０（ｂ）の移相器２０が好ましい。
［移相器２２の例］
図１３（ａ）は、実施例１における移相器２２の回路図、図１３（ｂ）は、移相器の周波数に対する移相量を示す図である。図１３（ａ）に示すように、移相器２２では、信号Ｓ１ｂが入力する端子Ｔ４と信号Ｓ３が出力する端子Ｔ５の間にキャパシタＣ５が直列に接続されている。
図１３（ａ）は、実施例１における移相器２２の回路図、図１３（ｂ）は、移相器の周波数に対する移相量を示す図である。図１３（ａ）に示すように、移相器２２では、信号Ｓ１ｂが入力する端子Ｔ４と信号Ｓ３が出力する端子Ｔ５の間にキャパシタＣ５が直列に接続されている。
図１３（ｂ）の実線は移相器２２の移相量、破線は移相器２０の移相量を示している。図１３（ａ）の移相器２２は、移相量の周波数変化が小さい。また、移相量が正である。これにより、移相器２０との位相差を大きくできる。
図１０（ａ）から図１０（ｃ）のように、移相器２０は、弾性波共振器２１（第２弾性波共振器）を有する。これにより、信号Ｓ１ａの周波数の変化に対し移相量を大きく変更できる。よって、センサ回路の検出感度を向上できる。
図１０（ａ）および図１０（ｂ）のように、弾性波共振器２１は、信号Ｓ１ａが伝送する伝送線路にシャント接続されている。これにより、図１２のように、移相器２０の挿入損失を抑制し、移相量の周波数依存を線形に近くできる。
図１０（ｂ）のように、移相器２０は、弾性波共振器２１に並列に、伝送線路にシャント接続されたキャパシタＣ４を有する。これにより、図１１（ｂ）のように、センサ回路の検出感度を向上できる。
図１２のように、信号Ｓ１ａの周波数は、弾性波共振器２１の反共振周波数ｆａ近傍に位置することが好ましい。これにより、移相器２０の挿入損失を抑制し、移相量の周波数依存を線形に近くできる。
弾性波共振器２１としては圧電薄膜共振器または弾性表面波共振器を用いることができる。移相器２０は、弾性波共振器２１以外を用いてもよい。
移相器２２としてキャパシタＣ５を用いる例を説明したが、弾性波共振器等を用いてもよい。
図１４は、実施例２に係るセンサ回路の回路図である。図１４に示すように、実施例２のセンサ回路１０２は、実施例１のセンサ回路１００に比べ増幅回路２８、３０および制御部３２をさらに有している。増幅回路２８は発振回路１０の発振信号Ｓ１を増幅する。増幅回路３０はＬＰＦ２６が出力する信号Ｓ５を増幅する。増幅された信号Ｓ６は制御部３２に入力される。制御部３２は、例えばプロセッサまたはコンピュータであり、信号Ｓ６に基づき、共振器１２の共振周波数を調整するための信号Ｓ７を出力する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図１５は、実施例２におけるセンシング方法を示すフローチャートである。図１２に示すように、センサ回路１０２がセンシングを行なう前の初期化ステップとして、制御部３２は、発振回路１０の発振信号Ｓ１の周波数を調整する（ステップＳ１０）。例えば、制御部３２は発振信号Ｓ１の周波数が図４の基準周波数ｆ０となるように共振器１２に信号Ｓ７を出力する。図７および図９の可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンスを調整することで、発振信号Ｓ１の周波数を調整できる。例えば、制御部３２は、信号Ｓ６が目標電圧となるようにフィードバック制御することで、発振信号Ｓ１の周波数を基準周波数ｆ０とする。以降のセンシング期間では、制御部３２は可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンスを固定する。
センサ回路１０２のセンシングが開始されると、感応膜４５がセンシングする環境に曝される。感応膜４５の質量が変化すると、発振回路１０の発振信号Ｓ１の周波数が変化する。発振回路１０は、周波数が変化した発振信号Ｓ１を出力する（ステップＳ１２）。増幅回路２８は発振信号Ｓ１を増幅する。移相回路１８は、発振信号Ｓ１が分岐された信号Ｓ２とＳ３の位相をシフトさせる（ステップＳ１４）。ミキサ２４は、信号Ｓ２とＳ３をミキシングする（ステップＳ１６）。ＬＰＦ２６は、ミキシングされた信号Ｓ４をフィルタリングし、低周波数信号を抽出する（ステップＳ１８）。増幅回路３０はフィルタリングされた信号Ｓ５を増幅し信号Ｓ６を制御部３２に出力する。制御部３２は、終了するか判定する（ステップＳ２０）。センシングを終了するときＹｅｓと判定する。Ｙｅｓのとき終了する。ＮｏのときステップＳ１２に戻る。
実施例２によれば、図１５のステップＳ１０のように制御部３２は、センシング前に共振器１２の共振周波数（反共振周波数）を調整する。これにより、発振信号Ｓ１の周波数を移相回路１８の検出感度のよい基準周波数ｆ０に制御できる。
増幅回路２８はバッファアンプとして機能する。これにより、信号Ｓ１の周波数が安定化する。増幅回路３０は信号Ｓ５を増幅する。これにより、信号Ｓ５の振幅が小さくてもセンサ回路を動作させることができる。
［共振器の弾性波共振器の例］
実施例１および２に用いる共振器１２の弾性波共振器１１の別の例を説明する。図１６（ａ）から図１７（ｂ）は、実施例１および２における共振器の弾性波共振器の別の例である。図１６（ａ）に示すように、貫通電極５０および電極５２を設けず、保護膜４４に開口を設け開口内に端子５４を設ける。端子５４はそれぞれ下部電極４１および上部電極４３に電気的に接続されている。これにより、端子５４にボンディングワイヤを接合させる、またはバンプによりフィリップチップ実装を行うことが可能となる。その他の構成は図６（ａ）および図６（ｂ）と同じであり説明を省略する。
実施例１および２に用いる共振器１２の弾性波共振器１１の別の例を説明する。図１６（ａ）から図１７（ｂ）は、実施例１および２における共振器の弾性波共振器の別の例である。図１６（ａ）に示すように、貫通電極５０および電極５２を設けず、保護膜４４に開口を設け開口内に端子５４を設ける。端子５４はそれぞれ下部電極４１および上部電極４３に電気的に接続されている。これにより、端子５４にボンディングワイヤを接合させる、またはバンプによりフィリップチップ実装を行うことが可能となる。その他の構成は図６（ａ）および図６（ｂ）と同じであり説明を省略する。
図１６（ｂ）に示すように、共振領域４８の外周の外側の圧電膜４２が溝状に除去されている。共振領域４８の外周の外側の圧電膜４２を除去することで、弾性波共振器１１のＱ値を向上できる。その他の構成は図６（ａ）および図６（ｂ）と同じであり説明を省略する。
図１７（ａ）のように、共振領域４８内の上部電極４３と保護膜４４との間に周波数調整用の付加膜４７が設けられていてもよい。付加膜４７の膜厚を変えることで共振周波数を調整できる。付加膜４７は、上部電極４３内、圧電膜４２と上部電極４３の間、下部電極４１と圧電膜４２の間、または下部電極４１内に設けてもよい。その他の構成は図１６（ｂ）と同じであり説明を省略する。
図１７（ｂ）に示すように、保護膜４４に共振領域４８を囲む凸部４９を設けてもよい。凸部４９は、保護膜４４上に感応膜４５を形成するときに、感応膜の材料が溶解した溶剤のダムとなる。その他の構成は図１６（ｂ）と同じであり説明を省略する。
［共振器の弾性波共振器と移相器の弾性波共振器の例］
図１８は、実施例１および２における共振器および移相器の弾性波共振器の例を示す平面図である。図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、それぞれ図１８のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ断面図である。図１８から図１９（ｂ）に示すように、同じ基板４０上に弾性波共振器１１および２１が設けられている。弾性波共振器１１は保護膜４４上の共振領域４８内に感応膜４５を有し、付加膜４７を有していない。弾性波共振器２１は上部電極４３と保護膜４４の間の共振領域４８内に付加膜４７を有し、感応膜４５を有していない。下部電極４１、圧電膜４２および上部電極４３の材料および膜厚は弾性波共振器１１と２１とでほぼ同じである。その他の構成は図６（ａ）および図６（ｂ）と同じであり説明を省略する。
図１８は、実施例１および２における共振器および移相器の弾性波共振器の例を示す平面図である。図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、それぞれ図１８のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ断面図である。図１８から図１９（ｂ）に示すように、同じ基板４０上に弾性波共振器１１および２１が設けられている。弾性波共振器１１は保護膜４４上の共振領域４８内に感応膜４５を有し、付加膜４７を有していない。弾性波共振器２１は上部電極４３と保護膜４４の間の共振領域４８内に付加膜４７を有し、感応膜４５を有していない。下部電極４１、圧電膜４２および上部電極４３の材料および膜厚は弾性波共振器１１と２１とでほぼ同じである。その他の構成は図６（ａ）および図６（ｂ）と同じであり説明を省略する。
図１８から図１９（ｂ）では、弾性波共振器１１と２１を同じ基板４０上に設ける。これにより、弾性波共振器１１が発熱した場合においても弾性波共振器１１と２１との温度をほぼ同じにできる。また、共振領域４８内における感応膜４５と付加膜４７の質量を同程度に調整することで、弾性波共振器１１および２１の共振周波数（または反共振周波数）を同程度に調整できる。
図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、それぞれ図１８のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ断面図の別の例である。図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すように、弾性波共振器１１には、保護膜４４に凹部４４ａが設けられている。凹部４４ａ内に感応膜４５が設けられている。凹部４４ａは、保護膜４４上に感応膜４５を形成するときに、感応膜の材料が溶解した溶剤のダムとなる。弾性波共振器２１には、凹部４４ａおよび感応膜４５が設けられていない。弾性波共振器１１の共振領域４８内の保護膜４４と感応膜４５の合計の質量と、弾性波共振器２１の共振領域４８内の保護膜４４の質量と、を同程度に調整する。これにより、弾性波共振器１１および２１の共振周波数（または反共振周波数）を同程度に調整できる。
弾性波共振器１１の共振周波数（または反共振周波数）は、可変キャパシタＶＣ１等で調整できる。しかし、共振周波数（または反共振周波数）の調整範囲は限られる。そこで、図１８から図２０（ｂ）のように、弾性波共振器１１および２１の製造時に弾性波共振器１１および２１の共振周波数（または反共振周波数）を同程度に調整することが好ましい。
図２１は、実施例１および２における付加膜の平面図である。図２１に示すように、共振領域４８内の付加膜４７は複数の島状パターン４７ａでもよい。また、共振領域４８の付加膜４７に複数の開口を設けてもよい。これにより、弾性波共振器１１および２１の共振周波数（または反共振周波数）を任意に設定できる。
［実装例］
図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、実施例１および２におけるセンサ回路の断面図である。図２２（ａ）に示すように、基板４０の上面に弾性波共振器１１、２１および配線６２が設けられている。配線６２は、それぞれ弾性波共振器１１および２１の下部電極４１および上部電極４３に接続されている。基板４０の下面に電極５２が設けられている。貫通電極５０は配線６２と電極５２とを電気的に接続する。基板５６は例えばシリコン基板等の半導体基板である。基板５６には、弾性波共振器１１および２１以外の回路素子が設けられている。基板５６の上面に電極５８が設けられている。基板４０は基板５６上にフェースアップ実装されている。電極５８と５２とはバンプ６０により接合されている。その他の構成は、図１８から図２０（ｂ）と同様である。
図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、実施例１および２におけるセンサ回路の断面図である。図２２（ａ）に示すように、基板４０の上面に弾性波共振器１１、２１および配線６２が設けられている。配線６２は、それぞれ弾性波共振器１１および２１の下部電極４１および上部電極４３に接続されている。基板４０の下面に電極５２が設けられている。貫通電極５０は配線６２と電極５２とを電気的に接続する。基板５６は例えばシリコン基板等の半導体基板である。基板５６には、弾性波共振器１１および２１以外の回路素子が設けられている。基板５６の上面に電極５８が設けられている。基板４０は基板５６上にフェースアップ実装されている。電極５８と５２とはバンプ６０により接合されている。その他の構成は、図１８から図２０（ｂ）と同様である。
図２２（ｂ）に示すように、基板４０の下面に弾性波共振器１１、２１および配線６２が設けられている。基板４０は、バンプ６０を用い基板５６上にフリップチップ実装されている。その他の構成は図２２（ａ）と同じであり説明を省略する。
図２２（ａ）および図２２（ｂ）のように、回路素子が形成された半導体基板上に弾性波共振器１１および２１が形成された基板４０を実装する。これにより、センサ回路を小型化できる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 発振回路
１１、２１ 弾性波共振器
１２ 共振器
１４ 増幅器
１６ 分岐回路
１８ 移相回路
２０、２２ 移相器
２４ ミキサ
２６ ＬＰＦ
２８、３０ 増幅回路
３２ 制御部
４０ 基板
４１ 下部電極
４２ 圧電膜
４３ 上部電極
４４ 保護膜
４５ 感応膜
４６ 空隙
４８ 共振領域
１１、２１ 弾性波共振器
１２ 共振器
１４ 増幅器
１６ 分岐回路
１８ 移相回路
２０、２２ 移相器
２４ ミキサ
２６ ＬＰＦ
２８、３０ 増幅回路
３２ 制御部
４０ 基板
４１ 下部電極
４２ 圧電膜
４３ 上部電極
４４ 保護膜
４５ 感応膜
４６ 空隙
４８ 共振領域
Claims (11)
- 感応部の質量が変化することで共振周波数および／または反共振周波数が変化する共振器と、
前記共振周波数または前記反共振周波数に対応する発振信号を出力する増幅器と、
前記発振信号が分岐された第１信号および第２信号の位相差を前記発振信号の周波数の変化に対応して変化させる移相回路と、
前記移相回路が位相差を変化させた前記第１信号と前記第２信号とをミキシングすることで前記共振器の前記共振周波数または反共振周波数の変化に対応する信号を出力するミキサと、
を具備するセンサ回路。 - 前記移相回路は、前記第１信号の位相を第１移相量で変化させる第１移相器と、前記第２信号の位相を第２移相量で変化させ、前記第２信号の周波数の変化に対する前記第２移相量の変化量は前記第１信号の周波数の変化に対する第１移相量の変化量と異なる第２移相器と、を有する請求項１記載のセンサ回路。
- 前記第１移相器は、第１弾性波共振器を有する請求項２記載のセンサ回路。
- 前記第１弾性波共振器は、前記第１信号が伝送する伝送線路にシャント接続されている請求項３記載のセンサ回路。
- 前記第１移相器は、前記第１弾性波共振器に並列に、前記伝送線路にシャント接続されたキャパシタを有する請求項４記載のセンサ回路。
- 前記第１信号の周波数は、前記第１弾性波共振器の反共振周波数近傍に位置する請求項４または５記載のセンサ回路。
- 前記共振器は第２弾性波共振器を含む請求項１から６のいずれか一項記載のセンサ回路。
- 前記第２弾性波共振器は、
圧電層と、
前記圧電層の少なくとも一部を挟む第１電極および第２電極と、
前記第２電極の前記圧電層と反対側に設けられ、前記感応部である感応膜と、
を有する請求項７記載のセンサ回路。 - 前記ミキサの出力端子に接続され、前記発振信号の周波数のより低い遮断周波数を有するローパスフィルタを具備する請求項１から８のいずれか一項記載のセンサ回路。
- センシング前に前記共振器の共振周波数および／または反共振周波数を調整する制御部を具備する請求項１から９のいずれか一項記載のセンサ回路。
- 感応部の質量が変化することで変化する共振器の共振周波数または反共振周波数に対応する発振信号を出力するステップと、
前記発振信号が分岐された第１信号および第２信号の位相差を前記発振信号の周波数の変化に対応して変化させるステップと、
前記位相差を変化させた前記第１信号と前記第２信号とをミキシングすることで前記共振器の前記共振周波数または前記反共振周波数の変化に対応する信号を出力するステップと、
を含むセンシング方法。
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