JPH0618496A - 流体センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】せん断横波による流体センサにおいて、試験下
の液体を密閉することによって変換手段の腐食等の悪影
響を防止し、かつ密閉部分において横波の減衰を来さな
いようにして、密閉部材の選択を自由にする。 【構成】 基板５６は、検出領域と、該検出領域に沿っ
てせん断横波を伝播させる電極フィンガと６０、６２、
６４、６６を備えており、この基板上にはフローセル１
２が設けられる。フローセル内に供給された被試験液は
ガスケット３２によって流域３４内に保たれる。ガスケ
ット部分の電極フィンガ４２、４８は、せん断横波が他
よりも深く浸透するように幅や厚さが変えられ、横波の
減衰が抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般にせん断横波及びラ
ブ波センサに関し、特にセンサによって誘発されるせん
断横波の減衰を軽減することにより流体センサの感度を
増大するシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子信号処理を行い、又は質量、圧力、
粘性及び密度のような変数を測定するように設計された
圧電装置には多くの種類のものがある。例えば、センサ
を浸漬した化学溶液中の選択された種類の成分の濃度を
測定するために、重力センサを使用することができる。
圧電センサは液体と共に使用できる他に、気体と共にも
使用できる。

【０００３】本明細書では、このような圧電装置は「バ
ルク波装置」、「板波装置」及び「表面波装置」とに大
きく分類される。バルク波装置とは音波が圧電基板の厚
み全体に亘って伝播し、拡がろうとする装置である。板
波装置とは音響エネルギが板の上面と底面からの反射に
よって限定される装置である。表面波装置とは音響エネ
ルギが基板表面の近傍領域で縦方向に（すなわち基板表
面と垂直方向に）限定される装置である。

【０００４】上記の３つの種類はそれぞれ装置の基板表
面に対する音波の運動の向きによって細分化することが
できる。３種類の音波の運動とは次の通りである。物
質の変位が音波の伝播方向に対して平行な方向にある縦
波運動、物質の変位が基板表面と音波の伝播方向の双
方に対して垂直な方向にあるせん断波運動、及び物質
の変位が伝播方向に対して垂直であり、基板表面と平行
であるせん断横又はせん断縦波運動である。

【０００５】「表面音波」（ＳＡＷ）装置は表面波装置
の一種類である。この種類は「レイリー波」（ＲＷ）と
しても知られ、主としてせん断縦波である音波を利用
し、音響エネルギは基板表面の音波長さの範囲内に局限
化されている。この種類の装置は多くの用途で有効に動
作するものの、せん断縦波運動はＳＡＷ装置を液体中の
センサとして使用する場合は性能に悪影響を及ぼすこと
がある。音波運動のせん断縦成分は試験中の流体を圧縮
する。表面波の速度が流体圧縮波速度よりも高い場合
は、エネルギは流体中に放射される。表面波のエネルギ
は流体内へと漏れ出すので、流体圧縮波は「漏れ波」と
呼ばれる。漏れ波放射に起因する減衰により、許容範囲
を超えた挿入損が生じ、装置が動作不能となる。

【０００６】「曲げ板波」（ＦＰＷ）装置もせん断縦波
運動を利用している。ＦＰＷセンサは従来の半導体製造
技術を用いて製造された薄板を有している。ＦＰＷ化学
センサはウェンゼール他著「曲げ板波重力化学センサ」
（センサとアクチュエータ、Ａ２１−Ａ２３、１９９０
年刊、７００−７０３ページ）に記載されている。蒸気
又は液体の流れる領域がシリコン基板内にエッチングさ
れ、低応力の窒化シリコンと、アルミニウムと酸化亜鉛
との合成板から成る超音波遅延線が音波エネルギの上下
の反射用の板として使用される。ＦＰＭセンサはほとん
どの液体の音速以下の音速を呈し、そのために音波エネ
ルギが液体中に「漏れ出す」ことが防止されるという長
所を有している。しかし、ＦＰＷセンサは液体密度、圧
力及び温度の僅かな変化に過敏である。更に、このセン
サは板が著しく薄いので比較的壊れ易い。

【０００７】せん断横波運動は流体センサ内での音波運
動の好ましい運動の向きである。せん断横波は同じ漏れ
波のメカニズムによる影響を受けない。何故ならば、流
体と基板との界面での物質の変位は基板表面と平行であ
り、流体へと圧縮されないからである。表面と垂直な物
質変位の成分が存在しないことによって、せん断横波は
試験中の流体内に許容量を超えた音波エネルギの散逸を
生ずることなく伝播することができる。

【０００８】せん断横波を利用した「音響板モード」
（ＡＰＭ）の液体センサはマーチン他著「ＳＨ音響板モ
ードの液体センサ」（センサとアクチュエータ、２０、
１９８９年刊、２５３−２６８ページ）に記載されてい
る。ＡＰＭセンサは漏れ波による減衰は受け難いが、一
般にＳＡＷ装置よりも感度が低い。

【０００９】「表面スキミング・バルク波」（ＳＳＢ
Ｗ）装置はせん断横波運動を利用している。表面スキミ
ング・バルク波の形式は「浅いバルク音波」（ＳＢＡ
Ｗ）装置とも呼ばれている。伝播はバルク・モードで行
われ、そこで音波は表面をかすめ、圧電基板内に回折す
る。バルク伝播モードはレイリー波よりも速度が高い
が、基板への、又、基板からのエネルギの結合が不十分
であるため、損失を生じ易い。更に、回折損も相当であ
る。

【００１０】「ラブ波」（ＬＷ）は音波エネルギを圧電
基板の表面の近傍でトラップするために表面トラップ構
造として機能する板を含めたことにおいてＳＳＢＷとは
異なっている。板を加えることによって、質量負荷が生
じて、圧電的な脆さを生じ、この圧電的な脆さによりス
キミング・バルクせん断波の速度が低下し、その結果、
基板の深さへと波動関数が減衰する。板を製造する際に
採用される材料は一般に圧電基板の音響せん断波の速度
よりも速度が低いので、板によってせん断横波の速度が
更に低下する。

【００１１】「表面横波」（ＳＴＷ）装置は更にせん断
水平波運動をも利用している。ＳＴＷ装置がラブ波装置
と異なっている点は、音波トラップ板を表面の溝、又は
隆起したフィンガ格子と入れ換えた点だけである。フィ
ンガ格子によって、板よりも強い表面トラッピングが得
られる。このようにして、高速のバルク・モードは基板
の表面の近傍で更にトラップされ、より有効な変換によ
ってより大きいエネルギの結合が可能になる。

【００１２】一般に、ＬＷセンサ又はＳＴＷセンサには
電気信号に応答して圧電基板の検出領域に沿ってせん断
横波を進めるために、割り込み（インタリーブ）された
電極フィンガの配列を有する送信側インターディジット
変換器が備えられている。検出領域の反対側には受信側
インターディジット変換器が備えられ、これが音波を検
出し、対応する出力信号を生成する。このようなセンサ
はその最も簡単な形態では、累積された単位面積当たり
質量に応じて、表面質量の変化の高感度検出器として機
能する。圧電基板の表面を試験中の流体内の成分と優先
的に反応する化学反応層で被覆することによってより一
層の洗練が達成される。流体中の成分の濃度に応じて、
化学反応層の質量は変動する。化学反応層の質量の変化
によって、センサの位相遅延もしくは音響せん断波速度
が対応して変化する。このように、センサは溶液中の特
定の抗体のような特定の成分の検出用に利用することが
できる。

【００１３】ＬＷセンサ又はＳＴＷセンサを使用する上
での一つの関心は、試験中の流体が送信及び受信インタ
ーディジタル変換器に及ぼす影響である。代表的には、
変換器の各々の電極フィンガは割り込みされた金属部材
である。試験中の流体によっては流体は電極フィンガを
腐食させることがある。更に、流体が電極フィンガを相
互に短絡させることがある。従って、流体はセンサの検
出領域内に密閉し、インターディジタル変換器内に到達
しないように防止することが好ましい。例えば、フロー
セルを圧電基板の表面に取り付け、フローセルと基板表
面との間に柔軟なガスケットを挟装することができる。

【００１４】流体をインターディジタル変換器から密閉
することによって、電気的な短絡と早すぎる腐食の問題
を解決することはできるが、別の問題が発生する。その
第１は、柔軟なガスケットが漏れ波減衰の別の原因にな
ることである。音波エネルギはせん断波の形態でセンサ
の基板から柔軟なガスケット内へと漏れ出す。第２は、
漏れ波減衰に加えて、別のメカニズムによってガスケッ
トは音波エネルギを反射、又は吸収し、送信インターデ
ィジタル変換器から受信インターディジタル変換器へと
伝播する音波エネルギの部分がより少なくなる。音波の
減衰はガスケット又はその他の密閉部材の長さと機械的
なこわさと共に増大する。その結果、流体を密閉するた
めの手段の選択に際しては、減衰と流体の密閉との双方
を考慮した折衷案となる。すなわち、この折衷とはセン
サの感度と、密閉の信頼性との折衷でもある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は基板の
表面に結合された流体密閉部材を有する基板に沿ったせ
ん断横波の伝播を利用した流体センサの感度と性能を高
めることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題はセンサが密
閉による音波エネルギの減衰を受け難くするために、せ
ん断横波エネルギのトラッピングが選択的に緩和され、
又、強化される形式の流体センサによって解決される。
トラッピングの緩和によって圧電基板の密閉領域での音
波エネルギの浸透深さを高めることができる。圧電基板
の検出領域内では、センサの感度を最大にするために表
面横波のトラップはより強化される。エネルギを圧電基
板内に、又は基板外に有効に結合するために、エネルギ
のトラッピングの強化は送信及び受信側インターディジ
タル変換器の部位でも行われることが好ましい。

【００１７】第１の実施例では、流体センサは音波トラ
ッピング構造として機能する溝又はフィンガの配列を有
する表面横波装置である。フィンガ又は溝の厚さは選択
的に変更することができる。厚いフィンガによりトラッ
ピングは強化され、その結果、圧電基板と変換器との間
で有効な電気的結合が可能になり、センサの感度が最大
になるように音波エネルギを検出領域の基板表面に引き
つける。このように、音波トラッピング構造はインター
ディジタル変換器及び検出領域の近傍では最も厚いこと
が必要である。フィンガ又は溝はガスケット又は流体密
閉を行うためのその他の部材との接触に関連する密閉領
域へと接近するに応じて、又、そこから離反するに応じ
て先細にされている。この先細構造によって、密閉領域
での音波の浸透深さを高めることができるので、圧電基
板とガスケットとの界面によって、高度な減衰の有効な
メカニズムは生じない。密閉領域での音波エネルギのト
ラッピングの緩和によって、装置に誘発される減衰をセ
ンサが受け難くなる。

【００１８】トラッピングを選択的に緩和し、又、強化
する別の先細構造には、第１の実施例のフィンガ又は溝
の、幅と間隔との比の先細構造が含まれる。幅と間隔と
の比の先細構造には高さを先細にすることが好ましい。
その理由は、従来の製造技術によっては厚みを高度に制
御して変化させることは簡単ではないからである。フィ
ンガ又は溝の心間距離、すなわち周期性が所定である場
合は幅の変化がトラッピングに影響を及ぼすことが判明
している。幅広いフィンガの配列は音波エネルギを基板
表面により強くトラップする。高さの先細構造と同様
に、フィンガの幅と間隔比は密閉領域への接近と共に次
第に縮小され、密閉領域から離れると共に次第に増大さ
れる。第３の別の方法はトラッピングの選択性を最大に
するために高さと幅の先細構造を組合せる方法である。
第４の別の方法は周期性を選択的に変更することであ
る。しかし、この方法は最も望ましくない方法である。
何故ならば、小さい範囲の周波数に対するブラッグ(Bra
gg) 分散の影響を制限するためには、周期は固定的であ
ることが好ましいからである。

【００１９】第２の実施例では、検出器はラブ波センサ
である。音波トラッピング板の厚さはＳＴＷセンサのフ
ィンガの高さの変更に関して前述したと同様に選択的に
変更される。音波トラッピング板の厚さは密閉領域で最
小であり、検出領域と、インターディジタル変換器の近
傍領域とで最大である。

【００２０】本発明の利点は選択的なトラッピングによ
って、ＳＴＷ又はＬＷセンサにより高感度の測定が可能
であると同時に、インターディジタル変換器を流体から
遮断できることである。従来技術では音波エネルギの減
衰はガスケット又はその他の密閉部材の配置、成分及び
寸法を入念に選択することによって最小限に抑制され
た。本発明の別の利点は、選択的なトラッピングによっ
てガスケットの性質、配置及び寸法の制約が緩和される
ことである。性能は向上し、同時に製造コストを節減す
ることができる。

【００２１】

【実施例】図１を参照すると、流体センサ１０はフロー
セル１２と表面横波（ＳＴＷ）装置１４とを備えてい
る。ＳＴＷ装置は圧電材料の変位が伝播方向と垂直で、
基板表面と平行であるせん断横断、すなわちせん断横波
運動を伝播するための基板表面１８を有する圧電基板１
６を備えている。圧電材料は水晶、LiTaO3、LiNbO3、又
はＳＴＷ装置で使用される任意の公知の材料でよい。圧
電基板１６は電極フィンガ２０と２２を有する送信側イ
ンターディジタル変換器からのエネルギをせん断横波へ
と結合するようにカットされている。基板材料とカット
態様は基板表面１８で音波エネルギをトラップできるよ
うにも選択される。

【００２２】送信側インターディジタル変換器の交番電
極フィンガ２０は電極フィンガ２２と電気的に接続さ
れ、相互の間に割り込みされている。電極フィンガはア
ルミニウムのような導電材料から成り、基板表面１８上
に溶着され、フォトリソグラフ工程でパターン形成され
ている。電極フィンガ２０及び２２及び後述する別のフ
ィンガを形成する導電材料の溶着は、蒸着又はスパッタ
溶着のような従来の方法で行われる。電極フィンガは
０．０１ミクロンないし１．０ミクロンの範囲内の代表
的な厚さである。電極フィンガの幅は１ミクロンないし
１００ミクロンの範囲内でよい。電極フィンガ２０と電
極フィンガ２２との間に電位差が印加されることによっ
て電界が発生され、これが圧電基板１６と電気機械的に
相互作用して、表面横波を圧電基板の検出領域に沿って
進行せしめる。フィンガの格子（図示せず）は送信側の
インターディジタル変換器と圧電基板１６の第１エッジ
２４との間に製造される。

【００２３】電極フィンガ２６と２８とを有する出力側
のインターディジタル変換器は送信側インターディジタ
ル変換器の電極フィンガ２０と２２との反対側の基板表
面１８の端部の近傍に形成されている。動作に際して
は、交流電圧が送信側のインターディジタル変換器に供
給されて、電極フィンガ２０と２２との間に電界が生成
される。圧電基板１６の電気機械的な動作によって応力
界が生成される。圧電基板の特別の結晶構造により、こ
の応力界は設計された周波数にてせん断横波を生成す
る。せん断横波は出力側のインターディジタル変換器の
電極フィンガ２６と２８の方向に伝播し、電極フィンガ
２６と電極フィンガ２８との間に電界を生成して出力信
号を発生する。せん断横波はこの波が送信側のインター
ディジタル変換器から受信側のインターディジタル変換
器へと伝播する際に、圧電基板１６のバルク内に回折す
る固有の特性を有している。しかし、基板表面に形成さ
れる周期的な摂動は音波エネルギを基板表面のより近傍
でトラップする機能を果たすことが公知である。周期的
な摂動は溝を圧電基板１６内にカットすることによって
形成することができる。あるいは、変換器の電極フィン
ガ２０、２２、２６及び２８を溶着する際に用いられる
フォトリソグラフ段階と同じ段階を用いても音波トラッ
ピング・フィンガの配列を構成することもできる。音波
トラッピング・フィンガはせん断横波の速度を低下させ
ることによって、波動関数を圧電基板１６の深さへと減
衰させる。トラッピングを発生せしめるこの「減速作
用」は個々のフィンガからの多重の反射に起因する。代
表的にはフィンガはアルミニウムのような金属層からフ
ォトリソグラフ工程によってパターン形成される。金属
の特に密度が高いので、金属製フィンガは別の材料の機
能的に匹敵する音波トラッピング・フィンガよりも薄く
て済む。更に、金属製フィンガは圧電表面１６をその上
面で脆くすることができるので、基板の上面でのこわさ
が軽減される。それによって、せん断横波のトラッピン
グが増大する。しかし、その他の材料も使用できる。

【００２４】動作に際しては、少なくとも圧電基板１６
の中心内の音波トラッピング・フィンガ３０が多数の材
料層から形成される。前述のとおり、せん断横波のトラ
ッピングを増強するために、第１の材料は圧電表面をそ
の上面で脆くできる材料であることが好ましい。第２の
層はスパッタ溶着又は蒸着によって溶着できる接続層で
ある。例えば、１０ないし１０００オングストロームの
厚さを有する層を形成して、フィンガ３０の金属層を化
学薬品による腐食から防止することができる。この防護
層は音波トラッピング・フィンガ３０相互間の間隔に晒
されている基板表面１８の部位を覆うこともできる。化
学センサとして機能する実施例の場合は、その後で化学
反応層が溶着される。化学反応層は試験中の流体の成分
と優先的に反応するような層が選択される。二酸化シリ
コンと種々の化学的に選択された成分との結合に関して
大量の文献が入手できるので、二酸化シリコンを使用す
ることができる。その他の層も使用できる。例えば、伝
播するせん断横波を試験中の液体又は気体の導電性から
遮蔽するために、フィンガ３０の上又は下に均一にアー
スされた金属層を形成することができる。

【００２５】ＳＴＷ装置１４にはフローセル１２が取り
付けられている。フローセルとＳＴＷ装置との結合方法
は重要ではない。しかし、試験中の流体が対向するイン
ターディジタル変換器の電極フィンガ２０，２２，２６
及び２８に及ぼす影響は重要な関心点である。流体は電
極フィンガの腐食の原因となり、又、送信側のインター
ディジタル変換器の電極フィンガ２０を同じ変換器の別
のフィンガ２２と電気的に短絡させる場合がある。腐
食、電気的な短絡、及び流体が外部の構造に及ぼすその
他の悪影響を防止するため、又、流体の制御された領域
への流入を制限するため、セル１２の流域３４を密閉す
るためのガスケット３２が使用される。矢印Ａで示すよ
うに、試験中の流体は入力通路３６を通して誘導され
る。代表的には、流体は当該の成分を含む液体である。
その後、流体は矢印Ｂで示すように出力通路３８を通し
て排出される。

【００２６】フローセル１２は本発明にとって重要な部
品ではない。表面横波装置１４は試験中の流体内に浸漬
することができる。この場合、インターディジタル変換
器の電極フィンガ２０，２２，２６及び２８は腐食及び
電気的な短絡を防止するために別個の障壁内部に密閉す
ることができる。それにも係わらず、変換器を流体の流
れから密閉するという問題には、密閉部材の最適な配置
を選択し、且つ密閉材料を選択するという課題が残され
る。図１のガスケットのような密閉材料は圧電基板１６
からのせん断横波エネルギを吸収する。エネルギのこの
ような減衰は流体センサ１０の感度を低下させる。

【００２７】本発明は密閉部材により構造的に誘発され
る上記の減衰を大幅に低減するものである。フィンガ３
０の検出領域で強力なトラッピンクを行い、変換器の電
極フィンガ２０，２２，２６及び２８で強力なトラッピ
ングを行うことができ、しかし、ガスケット３２と結合
された基板表面１８の領域に接近すると共に、圧電基板
１６内に音波エネルギが回折することができるように、
音波トラッピング機構の高さは選択的に変更されてい
る。「強力なトラッピング」とはここではせん断横波エ
ネルギが伝播波の３つの波長の最大の深さまでトラッピ
ングされることを意味している。基板表面１８から圧電
基板１６まで下方に延びた一連の縦線は、音波の浸透深
さを図形的に示すために記載されたものである。ただ
し、棒の長さは浸透の比率を表すものではない。一般
に、インターディジタル変換器の間の音波トラッピング
・フィンガの数は図１に示した個数よりも大幅に多い。

【００２８】電極フィンガ２０，２２，２６及び２８の
間の音波トラッピング・フィンガは伝播するせん断横波
を減速させる。フィンガの高さ、又は厚さはせん断横波
の浸透に影響を及ぼす。送信側のインターディジタル変
換器とガスケット３２との間の音波トラッピング・フィ
ンガ４０はガスケット３２に接近すると共に音波がより
深く浸透できるように先細に構成されている。高さが縮
小するにつれて、波動関数は圧電基板１６の内部へと更
に減衰する。所定のフィンガ格子周期性（P=ＳＴＷの波
長（λ）の０．４７５倍）においてフィンガ幅とP との
比（r=0.5)の場合、格子内の異なる均一な高さについて
下記の結果がコンピュータによって算定された。 ケース１−ｈ＝０の場合、ＳＴＷのエネルギは基板全体
に浸透する。すなわち、表面トラッピングは認められな
い。 ケース２−ｈ＝０．０１ｐの場合、ＳＴＷのエネルギは
６λの深さでその基板表面での値の２５％まで減衰す
る。 ケース３−ｈ＝０．０２ｐの場合、ＳＴＷのエネルギは
４λの深さでその基板表面での値の２５％まで減衰す
る。 ケース４−ｈ＝０．０３ｐの場合、ＳＴＷのエネルギは
３λの深さでその基板表面での値の２５％まで減衰す
る。

【００２９】音波トラッピング・フィンガ４０の高さの
変化は漸次的な先細構造である必要がある。急激な遷移
は反射を誘発する不連続性を生じ、流体センサ１０の性
能に影響する。送信側のインターディジタル変換器の近
傍の音波トラッピング・フィンガは電極フィンガ２０及
び２２の高さと次第に等しくなる必要がある。それによ
って、エネルギが変換器から圧電基板１６へと有効に結
合されることが保証される。音波トラッピング・フィン
ガは圧電基板の密閉領域内でフィンガ４２の高さまで先
細にされる。音波エネルギが基板内へと減衰すると共
に、音波はガスケット３２との接触のような表面条件に
対してより感度が弱まる。その結果、音波エネルギのト
ラッピングを緩和することによって、ガスケットに起因
する減衰は大幅に低減する。

【００３０】ガスケット３２と接近するにつれて音波ト
ラッピング・フィンガ４０が音波エネルギのトラッピン
グを緩和すると同様に、密閉領域の間の音波トラッピン
グ・フィンガ４４と検出領域のフィンガ３０とは再び次
第に高さを増し、再度強力に音波エネルギをトラップす
る。このようにして、ＳＴＷ装置１４は高感度が必要な
領域で表面条件に対して最も高感度になる。

【００３１】次に音波トラッピング・フィンガ４６によ
ってガスケット３２に接近すると共に音波の第２漸次的
な減衰が可能になる。この場合も、浸透性が高まると共
に、音波は基板表面１８とガスケットとの接触によって
影響を受け難くなる。最後の一連の先細り音波トラッピ
ング・フィンガ５０は出力側のインターディジタル変換
器の電極フィンガ２６と２８によるエネルギの有効な減
結合のためにエネルギを表面へと引き寄せる。

【００３２】図１の実施例の問題の一つにはＳＴＷ装置
１４の製造が含まれる。音波トラッピング・フィンガ３
０及び４０−５０は単一の製造段階で行われることが望
ましいであろう。そのためには、基板表面１８上の位置
の関数として材料の溶着率を制御する必要があろう。例
えば、蒸着によって溶着する際に、基板の密閉領域の真
上に基板１６と間隔を隔てて一対のワイヤを懸架するこ
とができよう。各々のワイヤは密閉領域用の陰影マスク
として機能するのである。そこで、蒸着された金属には
陰影が付けられ、金属の高さは次第に変化する。

【００３３】別の方法としてはフィンガ３０と４０−５
０を選択的に構成するために多数の段階を用いる方法が
ある。第１の溶着によって均一な高さで金属フィンガが
形成され、その後で検出領域内での音波トラッピング・
フィンガ３０のような選択されたフィンガに同じ金属製
の第２層が被覆される。段階数はフィンガの厚さの数に
よって左右されよう。例えば、送信側のインターディジ
タル変換器とガスケット３２との間のフィンガ４０に集
中する場合は、高さが異なるこれらの４つのフィンガを
形成するには４段階が必要となろう。

【００３４】図２はより簡単に製造できる流体センサ５
２を図示している。その点において、図２は前述の図１
に示した実施例よりも好ましい実施例である。流体セン
サ５２は同一のフローセル１２を備え、且つ表面横波装
置５４を備えている。基板表面５８を有する圧電基板５
６は前述の基板と機能的には同一であるが、音波トラッ
ピング・フィンガの幅を変更することによって音波トラ
ッピングの選択的な強化と緩和を達成することができ
る。インターディジタル変換器の電極フィンガ６０，６
２，６４及び６６と、基板表面５８上の音波トラッピン
グ・フィンガ６８の寸法と材料とは第１の実施例と同一
である。性能を最高にするため、フィンガの間隔は基板
表面に亘って固定されている。しかし、送信側のインタ
ーディジタル変換器とガスケット３２との間に配置され
た隣接するフィンガ７１の幅は、音波エネルギが基板５
６内により深く浸透できるように次第に縮小されてい
る。これはフィンガから下方に延びる棒線で図式的に示
されているとおりである。音波エネルギの減衰によって
装置５４はガスケット３２内へのエネルギの減衰の影響
を受け難くなる。フィンガの幅はガスケットと音波トラ
ッピング・フィンガ７０との接触部分で最小になる。フ
ィンガ７２の可変的な格子構成によって、この場合もガ
スケットと離れるにつれて音波が表面の方向に引きつけ
られる。音波は検出領域内の幅広い音波トラッピング・
フィンガ６８によって強力にトラッピングされる。

【００３５】音波トラッピング・フィンガ７４が狭まる
ことによって再び、受信側のインターディジタル変換器
の電極フィンガ６４及び６６を防護するガスケット３２
の部分に接近するに応じた音波の減衰が可能になる。ガ
スケット部分でのフィンガ７６は圧電基板５６の底面へ
の減衰が好ましく減衰される。次第に広くなる音波トラ
ッピング・フィンガ７８の最後の配列は、出力側のイン
ターディジタル変換器によるエネルギの減結合のために
音波エネルギを基板表面５８に引きつけるために利用さ
れる。

【００３６】所定のフィンガ格子周期性（P=０．４７５
λ）と所定の格子高さ（ｈ＝０．０１ｐ）において、異
なるフィンガ幅とP との比（ｒ) の場合、下記の結果が
コンピュータによって算定された。 ケース５−ｒ＝０．４の場合、ＳＴＷのエネルギは７λ
の深さでその基板表面での値の２５％まで減衰する。 ケース６−ｒ＝０．５の場合、ＳＴＷのエネルギは６λ
の深さでその基板表面での値の２５％まで減衰する。 ケース７−ｒ＝０．６の場合、ＳＴＷのエネルギは４λ
の深さでその基板表面での値の２５％まで減衰する。 ケース８−ｒ＝０．８の場合、ＳＴＷのエネルギは３λ
の深さでその基板表面での値の２５％まで減衰する。 ケース９−ｒ＝１．０の場合、ＳＴＷのエネルギは２λ
の深さでその基板表面での値の２５％まで減衰する。

【００３７】あるいは、図１の厚さの変更と図２の幅の
変更とを組合せて、音波の浸透のより制御された漸次的
な遷移を可能にすることもできよう。製造上の困難さに
も係わらず、これは好ましい構造であろう。何故なら
ば、漸次的な変化によって、音波が厚さと幅のような構
造上の側面の急激な不連続性に遭遇する場合に生ずる反
射が回避されるからである。

【００３８】ＳＴＷ装置の音波トラッピング・フィンガ
の周期性を変更する方法は浸透深さを制御するための方
法としては上記の方法よりも好ましくない。フィンガの
周期を高めることによって、表面トラッピングが増大
し、一方、周期を低減することによって浸透性を高める
ことができる。しかし、ブラッグ拡散の影響を小さい周
波数範囲に限定するためには周期は固定していることが
好ましい。

【００３９】本発明の別の実施例が図３に示されてい
る。流体センサ８０は前述のものと同一のフローセル１
２を備えているが、このフローセルはラブ波（ＬＷ）装
置８２に結合されている。圧電基板８４は送信側のイン
ターディジタル変換器を形成する電極フィンガ８６を有
し、且つ入力側のインターディジタル変換器の電極フィ
ンガ９０及び９２を備えている。

【００４０】電極フィンガの相互間には音波トラッピン
グ板９４が配置されている。板９４は音波エネルギをト
ラッピングするのにＳＴＷ装置の周期的摂動よりも有効
ではないことが公知ではあるが、板はせん断横波が圧電
基板８４の全体に回折する傾向を制限するためにせん断
横波を減速する機能を有している。前述の実施例の場合
と同様に、音波トラッピング構造は金属製であることが
好ましいが、これは決定的なものではない。音速が圧電
基板の音速以下である任意の材料を使用することができ
る。代表的には、板９４は試験中の流体の成分に化学的
に反応する反応層を有する多層構造である。

【００４１】音波トラッピング板９４は音波エネルギの
トラッピングを選択的に緩和したり、強化するために厚
さが変更される。板とガスケット３２との界面での厚さ
が縮小されることによって、充分な浸透が可能になり、
ＬＷ装置８２は前記のガスケットと板との接点に起因す
る減衰の影響を受け難くなる。板から圧電基板８４へと
下方に延びている棒線は浸透厚さの変化を示すものであ
る。

【００４２】前述の実施例の全てにおいて、せん断横波
エネルギは圧電基板と密閉材料との界面で圧電表面と軽
く結合されるだけである。従って、密閉部材を形成する
材料の重要性はある程度軽減される。従来技術では、密
閉部材は許容限度を超えた減衰を防止するために充分に
柔軟でなければならなかった。本発明によって製造メー
カーはより多くの材料から密閉材料を選択することがで
き、試験中の流体に対する化学耐性が強く、より信頼性
のある密閉部材を得るためによりこわい材料を選択する
ことに主眼を置くことができるようになった。

【００４３】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、流体の密閉
を実現して変換手段の腐食等の悪影響を防止すると共
に、その密閉部分において横波の減衰を来さないように
することによって、密閉部材の自由な選択が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る横波センサの側面図
である。

【図２】本発明の第２実施例に係る横波センサの側面図
である。

【図３】本発明の他の実施例に係るラブ波センサの側面
図である。

【符号の説明】

１０：流体センサ １２：フローセル １４：表面横波装置 １６：圧電基板 ２０、２２、２６、２８：電極フィンガ ３０：音波トラッピングフィンガ ３２：ガスケット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出領域と、該検出領域に沿ってせん断横
   波を伝播させる変換手段とを備えた基板と、 上記基板上の変換手段に密着して上記検出領域に液体を
   密閉する密閉手段を備えて、試験下の液体を上記検出領
   域に保持するよう上記基板上に実装される本体と、 上記検出領域よりも上記密閉手段の位置で上記せん断横
   波の深い浸透を許容し、上記検出領域に沿って伝搬する
   せん断横波をトラップするよう上記基板内へのせん断横
   波エネルギーの浸透の深さを制御する上記基板上に設け
   られたウェーブトラップ手段と、 からなることを特徴とする流体センサ。