JPH0643016A - せん断横波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】せん断横波装置により流体試験を行う際の流体
封止による音波減衰を低減し、かつその信頼性を向上す
る。 【構成】圧電基板(16)の変換面(18)に入力変換器(19)を
設け、せん断横波を発生し、そのトラッピング能力を漸
減して、横波を検出面のトラッピング構造(30)に転送す
る。トラッピング構造の両端のトラッピング能力は低く
されていて、横波は再び変換面(18)に浮上し出力変換器
(25)にトラップされる。検出される液体の封止(32)は、
横波の存在しない部分に設けられる。

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
ブ波装置に関し、特に装置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高め
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】電子信号の処理を行い、又
は質量、圧力、粘度及び密度のような変数を測定するた
めに設計された多くの種類の圧電装置がある。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利用できる他、気体と共に
も利用できる。

【０００３】ここで用いる場合、上記の圧電装置は広義
に「バルク波装置」、「薄板波装置」及び「表面波装
置」に分類される。バルク波装置は音波が圧電基板の厚
さ全体に亘って伝播し、拡がる傾向を示す装置である。
薄板波装置は音響エネルギが薄板の上面と下面からの反
射によって限定される装置である。表面波装置は音響エ
ネルギが基板表面の近傍領域で縦方向（すなわち基板表
面に対して垂直方向）に限定される装置である。

【０００４】上記の３つの種類は各々装置の基板表面に
対する音波運動の方向性によって細分化される。３種類
の音波運動とは次のとおりである。材料の変位が音波
の伝播方向と平行な方向である縦波運動、材料の変位
が基板表面と音波の伝播方向の双方と垂直な方向である
せん断垂直波運動、及び材料の変位が伝播方向に垂直
であり、基板表面と平行であるせん断横波、又はせん断
水平波運動である。

【０００５】「表面音波」（ＳＡＷ）装置は表面波装置
の一つである。この種類の装置は「レイリー波」（Ｒ
Ｗ）装置としても知られ、主としてせん断垂直波を利用
し、エネルギは基板表面の音波の波長ないに局限化され
る。この種類の装置は多くの用途で効果的に動作するも
のの、ＳＡＷ装置を液体中のセンサとして使用する場合
は、上記のせん断垂直波運動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運動は試験中の流体を圧
縮する。表面波の速度が流体を圧縮する波の速度以上で
ある場合、エネルギは流体内に放射される。表面波のエ
ネルギは流体内に漏れ出すので、流体圧縮波は「漏洩
波」と呼ばれる。流体内への漏洩波の放射に起因する減
衰は許容限度を超えた量の挿入損を生じ、この目的には
装置を使用できなくなる。

【０００６】「たわみ板波」（ＦＰＷ）装置もせん断垂
直波運動を利用している。ＦＰＷセンサは従来の半導体
技術を利用して製造された薄板を有している。ＦＰＷ化
学センサはヴェンツェル他著「たわみ板波重力化学セン
サ」（センサとアクチュエータ、Ａ２１−Ａ２３、１９
９０年刊、７００−７０３ページ）に記載されている。
蒸気又は液体の流域がシリコン基板内にエッチングさ
れ、音波エネルギの上から下への反射用の薄板として、
低応力の窒化シリコン、アルミニウム及び酸化亜鉛の合
成板から成る超音波遅延線が利用される。ＦＰＷセンサ
はほとんどの液体の音速より低い音速を呈し、それによ
って音波エネルギが液体中に「漏れ出す」ことが回避さ
れるという利点を備えている。しかし、ＦＰＷセンサは
液体の密度、圧力及び温度の僅かな変化に対して過敏で
ある。更に、音速が低いことから必然的に薄板が著しく
薄いので、センサは比較的壊れ易い。

【０００７】せん断横波運動は流体センサ内の音波運動
の好ましい運動方向である。せん断横波は同じ漏洩波の
メカニズムには影響されない。それは流体／基板の界面
での材料変位が基板表面と平行であり、流体を圧縮しな
いからである。材料変位に表面と垂直な運動成分がない
ことによって、試験中の流体内に許容限度を超えた量の
音波エネルギが散逸することなくせん断横波が伝播す
る。

【０００８】せん断横波を利用した「音響薄板モード」
（ＡＰＭ）液体センサはマーチン他著「ＳＨ音響薄板モ
ードの液体センサ」（センサとアクチュエータ２０、１
９８９年刊、２５３−２６８ページ）に記載されてい
る。マーチン他は音波が入力変換器から出力変換器へと
伝播する際に薄板の上面と下面の間に音響エネルギを限
定するために音波案内板として機能する薄い単結晶の水
晶を使用することを教示している。水晶板の上面と下面
はＡＰＭが表面で最大に変位し、表面の間で正弦波振動
するように横共振状態を付与する。薄板波装置の特性に
より、水晶板の変換器と反対側で検出を行うことができ
る。ＡＰＭセンサは漏洩波減衰を生じ難いが、一般にＳ
ＡＷ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・バルク波の形式の装置は「浅いバルク音波」（Ｓ
ＢＡＷ）とも呼ばれている。伝播はバルク・モードで行
われ、音波は表面をかすり、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速いが、基板
への、又、基板からのエネルギの結合が有効ではないの
で損失を生じ易い。更に回折損もかなりある。

【００１０】「ラブ波」（ＬＷ）装置は圧電基板の表面
の近傍で音波エネルギをトラップするために表面トラッ
ピング構造として機能する薄板を備えた点でＳＳＢＷと
は異なっている。薄板を付加することによって質量負荷
が生じ、これが圧電短絡(piezoelectric shorting)の原
因となり、この短絡がスキミング・バルクせん断波を減
速させることにより、波動関数が基板の深部に至る程減
衰する。薄板を製造する際に選択される材料は従来は圧
電基板よりもせん断波の音速が低い材料であるので、薄
板はせん断横波を更に一層減速する。

【００１１】「表面横波」（ＳＴＷ）装置もせん断横波
運動を利用している。ＳＴＷ装置がラブ波装置と異なっ
ている点は音波トラッピング板の代わりに表面溝もしく
はフィンガの隆起格子を使用することだけである。フィ
ンガの格子は薄板よりも表面トラッピングが強力であ
る。従って、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、より有効な変換を介してエネルギ
をより強力に結合することが可能になる。

【００１２】一般にＬＷセンサ又はＳＴＷセンサは電気
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
を進行させるために交互に割り込みされた電極フィンガ
の配列を有する入力すだれ変換器を備えている。検出領
域の反対端には出力すだれ変換器が設けられ、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
センサは最も簡単な形式では累積された単位面積当たり
の質量に応答して、表面質量の変化の高感度センサとし
て機能する。圧電基板の表面を試験中の流体中の成分と
優先的に反応する化学反応層で被覆することによって更
に洗練された機能が達成される。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。層の質量の変化
によって、センサの位相遅延、又はせん断波の音速が変
化する。このようにして、このセンサは溶液中の特定の
抗体のような特殊な成分の検出に利用できる。

【００１３】ＬＷセンサ又はＳＴＷセンサを使用する際
の関心事の一つは試験中の流体が入力及び出力すだれ変
換器に及ぼす影響である。代表的には、各々の変換器の
電極フィンガは交互に配置された金属部材である。試験
中の流体によっては流体が電極フィンガの腐食の原因に
なることがある。更に、流体は電極フィンガを相互間で
電気的に短絡させることがある。従って、センサの検出
領域内で流体を密閉して、流体がすだれ変換器に達しな
いようにすることが好ましい。例えば、フローセルを圧
電基板の表面に設け、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】すだれ変換器から流体の流れを封止するこ
とによって、電気的短絡と腐食の問題は解決されるが、
別な問題が生ずる。その第１は、柔軟なガスケットが漏
洩波減衰の別の原因になることである。第２は、漏洩波
減衰に加えて、別のメカニズムによってガスケットが音
波エネルギを反射、又は吸収し、入力すだれ変換器から
出力すだれ変換器への音波の伝播量を減少させることで
ある。音波の減衰はガスケット又はその他の封止部材の
長さと機械的剛性に応じて増大する。その結果、液密封
止を行う手段の選択は減衰と流体密閉の配慮との折衷案
となる。すなわち、この折衷はセンサの感度と密閉の信
頼度との折衷である。

【００１５】

【発明の目的】本発明の目的は流体検出用に利用される
表面横波装置及びラブ波装置の感度と性能を向上させ、
その際に試験中の流体を受容する流体密閉の信頼度を損
なうことなく上記の向上を達成することにある。

【００１６】

【発明の概要】上記の目的はせん断横波エネルギが検出
領域及び入力及び出力変換器の近傍領域でトラップされ
るが、音波エネルギが装置の変換表面から検出面へと第
１と第２の転送を行うことが可能な流体センサによって
達成された。音波エネルギの転送は制御された表面トラ
ッピングの緩和によって達成され、検出領域を圧電基板
の入力及び出力変換器とは反対側にすることが可能にな
る。その結果、流体と装置との界面は基板の変換器とは
反対側にある検出面に局限化される。本明細書では、
「変換面」とは圧電基板の、入力及び出力変換器を有す
る側と定義され、一方「検出面」とは圧電基板の、流体
の検出が行われる側と定義される。

【００１７】第１の実施例では、流体検出装置は音波ト
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。フィンガ又は溝のような周
期的な摂動の高さ又は幅のいずれかを選択的に変更でき
る。フィンガの高さは圧電基板の表面から測定した材料
の厚さであると定義される。厚いフィンガは強力なトラ
ッピングを生じ、圧電基板と変換器との間の有効な電気
機械的な結合が可能になり、且つ検出領域での音波エネ
ルギの強力な表面トラッピングが可能になる。このよう
に、音波トラッピング構造は変換器の近傍領域と検出領
域内では最も厚いことが必要である。

【００１８】第１配列のフィンガは入力変換器の近傍に
あり、変換器から離れるにつれて高さが漸減する。高さ
が低くなると、せん断横波は圧電基板のバルク内により
深く浸透する。第２列のフィンガは反対面、すなわち検
出面にある。検出面上のフィンガの高さは中央の検出領
域で最高になるように増大し、その後、低くなって、音
波エネルギは出力変換器で検出されるように再び変換表
面へと転送できるようにされている。第３配列のフィン
ガは出力変換器の近傍にある。第３配列内のフィンガの
高さは出力変換器に近づくと共に増大する。

【００１９】入力変換器から検出面への音波エネルギの
転送を制御し、且つ出力変換器にて検出されるように音
波エネルギを再捕獲するための別の漸減機構には第１の
実施例のフィンガ又は溝の幅／間隔比が用いられる。幅
／間隔比の構造が高さに勾配を付けることより好まし
い。何故ならば、従来の製造技術によっては高度に制御
された厚さの変更は簡単にはできないからである。

【００２０】所定の心間距離、すなわち周期性におい
て、フィンガ又は溝の幅を変更することは表面トラッピ
ングに影響を及ぼす。広いフィンガの配列はと音波エネ
ルギを基板表面へとより強力にトラップする。高さに勾
配を付けるのと同様に、第１配列内のフィンガの幅／間
隔比は入力変換器から離れると共に次第に減少する。検
出面上に配設された第２配列は反対端で幅／間隔比が次
第に増大し、中心の検出領域で最大比率になる。第３の
配列は変換面上の出力変換器に接近すると共に幅を増大
して、幅／間隔比が次第に増大する。

【００２１】別の漸減機構は高さと幅の漸減構造を結合
して、振動の範囲を最大にすることである。第４の方法
は、同期性を選択的に変動させる方法である。しかし、
ブラッグ (Bragg)散乱の影響を狭い周波数範囲に制限す
るために周期は固定していることが好ましいので、上記
の第４の方法は最も好ましくない。

【００２２】第２の実施例では、検出装置はラブ波装置
である。前述の３つのフィンガ配列の代わりに使用され
る３枚の音波トラッピング板の厚さはＳＴＷ装置のフィ
ンガの厚さ又は高さと同様に選択的に変更される。変換
面上の２枚の音波トラッピング板の厚さは変換器の近傍
領域で最大になり、ＬＷ装置の検出面上の音波トラッピ
ング板へと、又、音波トラッピング板から有効且つ制御
可能に音波エネルギを転送できるように漸減されてい
る。

【００２３】本発明の利点は圧電基板の反対側に変換と
検出を分離することによって、流体の密閉の信頼度を減
ずることなくＳＴＷ又はＬＷ装置の感度を向上すること
ができることである。典型的にはフローセルは基板表面
の変換器とは反対側に取り付けられている。フローセル
はＳＴＷ装置の基板表面の第２のフィンガ配列を越えた
位置に、又、ＬＷ装置の第２の音波トラッピング板を越
えた位置に取り付けた部材によって密閉される。

【００２４】別の利点は本発明によって装置の設計が簡
略になり、密閉材料の選択が簡単になることである。従
来の一面装置では、流体の流れを変換器から密閉するた
めのガスケットはせん断横波の経路に配置された。一面
装置で変換器から流体の流れを密閉する部材の配置、材
料及び寸法は全て、過度の音波減衰を回避するために配
慮すべき重要な設計上の要因であった。これらの配慮に
よって密閉部材の材料の選択が限定され、試験中の化学
薬品と適応する材料を発見することが困難であった。本
発明は密閉部材をせん断横波の経路の外側に配置するこ
とによってこの問題を解消するものである。

【００２５】

【発明の実施例】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装置はせん断横波もしくはせん断水平
波運動の伝播用の変換面１８を有する圧電基板１６を備
えており、圧電材料の変位方向は伝播方向と垂直であ
り、基板表面と水平である。圧電材料は水晶、LiTaO₃、
LiNbO₃又はＳＴＷ装置と共に使用することで公知の任意
の材料でよい。圧電基板１６は電極フィンガ２０、２２
を有する入力すだれ変換器１９からせん断横波へとエネ
ルギを結合するようにカットされている。基板材料とカ
ットも、基板表面１８で音波エネルギのトラッピングが
可能であるように選択される。

【００２６】入力すだれ変換器１９の交互の電極フィン
ガ２０は電極フィンガ２２と電気的に接続され、これを
間に挟み込んでいる。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、これは変換面１８上に溶着さ
れ、フォトリソグラフ工程によってパターン形成され
る。電極フィンガ２０及び２２並びに後述する別のフィ
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。電極フィンガの代表的
な厚さは０，０１ミクロンないし１，０ミクロンの範囲
内にある。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との間に印加される電位差によって電界が発生
し、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させる。フィ
ンガの格子（図示せず）は入力すだれ変換器と圧電基板
１６の第１エッジ２４との間に製造することができる。

【００２７】電極フィンガ２６と２８を有する出力すだ
れ変換器２５は入力すだれ変換器１９の反対側の基板表
面１８の端部の近傍に形成される。動作時には、交流電
圧が入力すだれ変換器に供給され、電極フィンガ２０と
２２の間に電界が発生せしめられる。圧電基板１６の電
気機械的な作用によって応力界が生成される。圧電基板
の特殊な結晶構造により、この応力界は設計周波数にて
せん断横波を生成する。せん断横波は出力すだれ変換器
の出力の方向に伝播し、電極フィンガ２６と電極フィン
ガ２８の間に電界を発生して、出力信号を生成する。

【００２８】せん断横波は音波が入力すだれ変換器１９
から出力すだれ変換器２５へと伝播する際に圧電基板１
６のバルク内に回折するという固有の特性を有してい
る。しかし、基板表面で形成される周期的摂動は基板表
面により密接して音波エネルギをトラップする機能を果
たすことが知られている。周期的摂動は圧電基板１６に
溝を切ることによって生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
堆積する際に利用したものと同じフォトリソグラフ技術
を用いて音波トラッピング・フィンガの配列を形成する
こともできる。音波トラッピング・フィンガはせん断横
波を減速し、それによって波動関数は圧電基板１６の深
部に至る程減衰する。トラッピングを誘発するこの「減
速作用」は個々のフィンガからの多重反射に起因するも
のである。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。金属は特にちゅう密であるので、金属製フィ
ンガは機能的に匹敵する別の材料のフィンガよりも薄
い。更に、金属フィンガはフィンガがその上に形成され
る表面で圧電基板１６を短絡し、それによって基板の表
面でのこわさを低減する。それによってせん断横波のト
ラッピングが増強される。しかし、別の材料を使用して
もよい。

【００２９】動作に際しては、少なくとも圧電基板１６
の検出領域内にある音波トラッピング・フィンガ３０が
多くの材料層から形成される。前述したように、第１材
料はせん断横波のトラッピングを増強するため、圧電基
板を表面で短絡することができる金属であることが好ま
しい。第２層はスパッタ又は蒸着によって堆積できる付
着層である。例えば、１０ないし１０００オングストロ
ームの範囲内の厚さを有する層を形成して、フィンガ３
０の金属層を化学的腐食から防護することができる。こ
の防護層は又、表面が音波トラッピング・フィンガ３０
の間の間隔により露出されている基板表面３４を被覆す
ることができる。化学センサとして機能するための実施
例では、その後で化学反応層が堆積される。化学反応層
は試験中の成分と優先的に反応するものが選択される。

【００３０】付着層として二酸化シリコンを使用するこ
とができるが、その理由は二酸化シリコンと種々の化学
的に選択された成分との接合に関する文献が多数入手で
きるからである。他の付着層も使用できる。例えば、試
験中の液体、又は気体の導電性から伝播するせん断横波
を遮蔽するために、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。

【００３１】ＳＴＷ装置１４にはフローセルが取り付け
られている。従来の技術ではフローセルは圧電基板１６
の変換面１８に取り付けられていた。従って、重要な関
心事は試験中の液体が対向するすだれ変換器１９及び２
５の電極フィンガ２０，２２，２６及び２８に及ぼす影
響であった。液体は電極フィンガの腐食の原因となり、
又、入力すだれ変換器の電極フィンガ２０を同じ変換器
の別の電極フィンガ２２へと電気的に短絡させる原因と
なることがある。腐食、電気的短絡又はその他の液体に
よる悪影響を防止するため、すだれ変換器を除いた制御
領域への流体の流れを制限するためにガスケットが使用
された。変換器を流体の流れから密閉する従来技術の問
題点は密閉の最適な位置の選択と、密閉を行うための材
料の選択であった。図１に示したガスケットのような密
閉部材は、ガスケットを変換面１８上に配置した場合
は、圧電基板１６からせん断横波を反射及び（又は）吸
収してしまう。その結果生ずるエネルギの減衰によって
流体センサの感度が低下する。

【００３２】本発明はエネルギを検出面３４に強力にト
ラッピングするため、圧電基板１６への音波エネルギの
回折を制御し、且つフローセル１２を検出面３４に取り
付けることによって、密閉部材による構造的な減衰を克
服するものである。「強力なトラッピング」とはここで
は伝播する音波の３波長の最大の深さまでせん断横波を
トラッピングことを意味する。変換表面１８から下方
に、又、検出表面３４から上方に延びる一連の縦線は音
波伝播の深さを図表で表すための示してある。しかし、
棒線は浸透の縮尺的な表現ではない。代表的には、音波
トラッピング・フィンガの数は図１に示した数を大幅に
上回っている。

【００３３】音波トラッピング・フィンガの第１配列３
６は入力すだれ変換器１９に密接して変換面１８上に配
置されている。性能を最大限にするため、第１配列のフ
ィンガの配列周期は固定され、すだれ変換器１９及び２
５の周期と等しい。しかし、隣接する音波トラッピング
・フィンガの幅は入力すだれ変換器１９から離れると共
に次第に縮小し、それによって音波エネルギが圧電基板
１６内により深く浸透することが可能になる。第１配列
３６は圧電基板のバルクを通したエネルギの浸透と共に
終端することが好ましい。

【００３４】音波エネルギが圧電基板１６のバルク内に
回折することによって、音波トラッピング・フィンガの
第２配列がエネルギを検出面３４へと引き寄せることが
可能になる。第１の一連の音波トラッピング・フィンガ
はエネルギをより強力にトラッピングするために幅が次
第に増大するフィンガ４０を含んでいる。圧電基板１４
の検出領域内のフィンガ３０にて最大幅に達する。フロ
ーセル１２は基本的に検出領域と対応する流れチャンバ
３２を形成する。矢印Ａで示すように、試験中の流体は
入口通路４４内に誘導される。代表的には、流体は当該
の成分を有する液体である。液体は次に矢印Ｂで示すよ
うに出口通路４６を通って流出する。ガスケット３２は
流体の漏れを防止する。

【００３５】一列の音波トラッピング・フィンガ４０が
音波エネルギを検出面３４により近く引き込むのと同様
にして、検出面の対向端の一列のフィンガ４８はエネル
ギを変換面１８へと伝達するためにトラッピングを緩和
せしめる。検出領域内の音波トラッピング・フィンガ３
０は表面トラッピングを最大にするために比較的幅広
い。第２列の音波トラッピング・フィンガ４８は同じ周
期性を維持しつつ、幅が漸減されている。第３配列５２
の音波トラッピング・フィンガは音波エネルギを変換面
１８へと再捕獲する。フィンガ５２は出力すだれ変換器
２５に接近すると共に幅を増大する。それによって変換
器２５と圧電基板１６との間の有効な電気気体的結合が
保証される。

【００３６】所定のフィンガ格子の周期性（ｐ＝０．４
７５×ＳＴＷの波長（λ）と、所定の格子高さ（ｈ＝
０．０１ｐ）の場合、異なるフィンガ幅：ｐの比率
（Ｔ）について下記の結果がコンピュータにより算定さ
れた。ケース１（ｒ＝０．４）の場合、ＳＴＷのエネル
ギは７λの深さでその基板表面値の２５％まで減衰す
る。ケース２（ｒ＝０．５）の場合、ＳＴＷのエネルギ
は６λの深さでその基板表面値の２５％まで減衰する。
ケース３（ｒ＝０．６）の場合、ＳＴＷのエネルギは４
λの深さでその基板表面値の２５％まで減衰する。ケー
ス４（ｒ＝０．８）の場合、ＳＴＷのエネルギは３λの
深さでその基板表面値の２５％まで減衰する。ケース５
（ｒ＝１．０）の場合、ＳＴＷのエネルギは２λの深さ
でその基板表面値の２５％まで減衰する。

【００３７】動作に際しては、入力すだれ変換器１９は
出力すだれ変換器２５の方向にせん断横波を進行させ
る。第１配列３６の音波トラッピング・フィンガ３８は
幅が漸減されているので、音波エネルギは圧電基板１６
のバルク内に回折する。この回折は音波トラッピング・
フィンガ３８によって制御される。

【００３８】入力すだれ変換器１９と関連する検出領域
の端部にある一列の音波トラッピング・フィンガ４０は
均一な幅と高さの中央フィンガ３０により強力なトラッ
ピングで音波エネルギを捕獲する。ＳＴＷ装置１４の感
度が最も重要であるのは、均一なフィンガ３０と関連す
る領域内においてである。第２列の音波トラッピング・
フィンガ４８はその後、出力すだれ変換器２５への電気
機械的な結合を最大限にする第３配列５０によって再捕
獲されるようにトラッピングを緩和する。

【００３９】さて図２を参照すると、フィンガの高さ又
は厚さもＳＴＷ流体センサ５６の圧電基板５４内へのせ
ん断横波の浸透に影響する。圧電基板５４は入力すだれ
変換器５８と出力すだれ変換器６０とを備えている。導
波すだれ変換器５８は制御可能に回折されたせん断横波
を圧電基板内に進行させる。この回折の制御は高さが次
第に漸減された第２配列６２の音波トラッピング・フィ
ンガ６４によって行われる。前述の幅の漸減構造の場合
と同様に、フィンガ６４の高さの変更も漸次的な漸減構
造であることが必要である。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５６の性能に影響する。
すだれ変換器に密接する音波トラッピング・フィンガは
変換器の電極フィンガの高さとほぼ同じ高さを有してい
ることが必要である。それによって、エネルギを変換器
から圧電基板５４へと有効に結合することが保証され
る。フィンガ６４から下方に延びた棒線は高さの縮小と
共にエネルギの浸透度が高まることを示すものである。

【００４０】音波トラッピング・フィンガ６４が入力す
だれ変換器５８から離れると共に音波エネルギのトラッ
ピングを緩和するのと同様に、検出面６８上の音波トラ
ッピング・フィンガ６６は圧電基板の検出領域に接近す
ると共に音波エネルギのトラッピングを強化するために
高さを次第に増大する。検出領域内で、エネルギは均一
な高さ、幅及び配列周期を有するフィンガ７０によって
強力にトラップされる。試験中の流体は流れチャンバ４
２への入口通路４４でフローセル１２に入り、その後、
流体は出口通路４６を通って流出する。ガスケット３２
は液体の流れを制限する。

【００４１】そこで音波トラッピング・フィンガ７２は
音波の第２の漸次的な減衰を可能にするが、この漸次的
減衰は変換面７４の方向への音波の回折である。回折し
た音波は第３配列７６の音波トラッピング・フィンガ７
８によって捕獲され、このフィンガはエネルギを出力す
だれ変換器６０によって有効に減結合するために音波エ
ネルギを表面へと引き寄せる。

【００４２】図２の実施例の問題点としてＳＴＷ流体セ
ンサ５６の製造上の問題がある。検出面６８上の音波ト
ラッピング・フィンガ６６，６７及び７２は全て単一の
製造段階で形成されることが好ましいであろう。そのた
めには検出面の位置の関数として材料溶着率を制御する
ことが必要であろう。例えば、蒸着によって溶着する場
合、最も外側のフィンガ６６及び７２に密接した圧電基
板５４から離して一対のワイヤを懸垂することができよ
う。各々のワイヤはフィンガの厚さを漸減するための陰
影マスクとして機能する。そこで、蒸着された材料は陰
影を付けられ、金属の高さは次第に変化せしめられる。
同様の製造技術を第１配列６２と第２配列７６内のフィ
ンガの高さを漸減するために利用することができよう。

【００４３】別の方法としてはフィンガ６６，７０及び
７２を選択的に形成するために複数の溶着段階を経る方
法がある。第１の溶着は一様な高さで金属フィンガを形
成し、その後、検出領域内のフィンガ７０のような選択
されたフィンガに同じ金属材料の第２の層が被覆され
る。その場合、段階の数は厚さの数に左右される。例え
ば、検出領域の入力端上のフィンガ６６に集中する場合
は、異なる高さの５個のフィンガを形成するために５段
階が必要であろう。

【００４４】所定のフィンガ格子周期（ｐ＝０．４７５
λ）及びフィンガの幅：ｐの比率（Υ＝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
ンピュータで算定された。ケース６（ｈ＝０）の場合、
ＳＴＷのエネルギは基板全体を通して浸透する。すなわ
ち、表面トラッピングは見られない。ケース７（ｈ＝
０．０１ｐ）の場合、ＳＴＷのエネルギは６λの深度で
基板表面の値の２５％に減衰する。ケース８（ｈ＝０．
０２ｐ）の場合、ＳＴＷのエネルギは４λの深度で基板
表面の値の２５％に減衰する。ケース９（ｈ＝０．０３
ｐ）の場合、ＳＴＷのエネルギは３λの深度で基板表面
の値の２５％に減衰する。

【００４５】図１の厚さの変更と、図１の幅の変更を組
み合わせて、音波の浸透の漸次的な制御性を高める流体
センサを得ることが可能である。製造上の困難さにも関
わらず、上記の漸次的な変化によって、音波が厚さ又は
幅のような構造上の側面の急速な不連続性に遭遇した場
合に生ずる反射を回避できるので、上記の構造は好まし
い構造である。あまり好ましくはないが、ＳＴＷ装置の
音波トラッピングフィンガの周期性を変換して浸透深度
を制御する方法がある。フィンガの周期が増大すると、
禁止帯域のエッジの下の表面トラッピングが増大し、一
方、周期が減少すると、浸透度が高まる。しかし、周期
はブラッグ拡散の作用を小範囲の周波数に限定するよう
に固定していることが望ましい。

【００４６】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、フローセルはラブ波（ＬＷ）装置８
２と結合されている。圧電基板８４は入力すだれ変換器
８６と、出力すだれ変換器８８とを有している。変換器
８６と８８は圧電基板の変換面９０上にある。変換器８
６と８８の間には第１と第２の音波トラッピング板９２
と９４がある。ＬＷ装置の薄板は音波エネルギをトラッ
プするのにＳＴＷ装置の周期の摂動よりも効果的でない
ことが知られているが、薄板はせん断横波の減速作用を
有し、それによって前記の音波が圧電基板８４全体の内
部に回折する傾向が制限される。しかし、本発明では、
音波が基板全体に回折できるように、しかも制御された
態様でそれがなされるように、第１音波トラッピング板
９２が使用されている。

【００４７】第１音波と板は音波エホルギのトラッピン
グを選択的に緩和するために厚さが漸減されている。入
力すだれ変換器８６の反対側の薄板の端部の厚さを縮小
することによって、浸透度が次第に増すが、これは薄板
から圧電基板８４へと延びる棒線によって図示されてい
るとおりである。

【００４８】変換面９０の反対側の検出面上には別の音
波トラッピング板９８がある。この音波トラッピング板
は圧電基板８４の検出領域で厚さが最大になる。薄板の
反対端は厚さが漸減されている。音波トラッピング板９
８の入力端では、検出領域に接近すると共に薄板の厚さ
が増すことによって表面トラッピングは次第に増強され
る。反対端では、第２音波トラッピング板９４によって
変換面９０で再捕獲されるせん断横波の制御された回折
が可能になるように、厚さは次第に縮小されている。第
２薄板９４の厚さを変化させることによって、出力変換
器８８に対する圧電基板８４の電気機械的な結合の効果
が高まる。

【００４９】前述の実施例と同様に音波トラッピング板
９２，９４及び９８は金属製であることが好ましいが、
それに限定されるものではない。圧電基板８４よりもせ
ん断波の音速が低い任意の材料を使用できる。代表的に
は、検出領域における薄板９８は試験中の流体の当該の
成分と化学的に反応する層を有する多層構造になってい
る。

【００５０】更に別の実施例としては圧電基板の片側に
音波トラッピング・フィンガの格子を備え、且つ反対側
には音波トラッピング板を備える方法があろう。

【００５１】

【発明の効果】前述の全ての実施例において、フローセ
ル１２は圧電基板の入力及び出力変換器とは反対の側に
結合される。ガスケットであるものとして前述した密閉
部材は音波トラッピング構造の範囲を越えて圧電基板に
接続される。従って、密閉部材は伝播する音波がトラッ
プされる表面領域と接触することがない。それによって
流体の密閉構造の材料の選択がそれほど重要ではなくな
る。従来の技術では、許容レベルを越えた減衰を防止す
るために充分に柔軟な密閉部材を用いることが主要な問
題点であった。本発明によって、試験中の特定の流体に
対して化学的耐性を有する材料を使用して、信頼性が高
い流体密閉を行うことに主眼を置くことが可能になる。
また、封止による音波の減衰も少なくなるから、高感度
測定、高精度測定に資する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を用いた流体センサの側面図
である。

【図２】本発明の別の実施例を用いた流体センサの側面
図である。

【図３】本発明のさらに別の実施例を用いた流体センサ
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（ＳＴＷ）装置 １６：圧電基板 １８：変換面 １９：入力すだれ変換器 ２０，２２，２６，２８：電極フィンガ ２５：出力すだれ電極 ３０：検出領域内フィンガ ３２：ガスケット ３４：エネルギ検出面 ４４：入口通路 ４６：出口通路 ８２：ラブ波（ＬＷ）装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】後記（イ）及至（ヘ）を備えたせん断横波
   装置。 （イ）第１の表面と流体試験のための検出領域を有する
   第２の表面とを有し、せん断横波を伝播するための基
   板、 （ロ）せん断横波を発生するための前記第１の表面に設
   けられた入力手段、 （ハ）前記せん断横波を受信するための前記第１の表面
   に設けられた出力手段、 （ニ）前記入力手段から離れるにつれて前記せん断横波
   の前記基板内部への回折を増すための第１の部分と前記
   出力手段に近づくにつれて前記せん断横波を再捕獲する
   ための第２の部分とを有する前記第１の表面に設けられ
   た第１の音波トラッピング手段、 （ホ）前記入力手段から離れるにつれて前記第１の部分
   から回折した前記せん断横波トラップするとともに、前
   記トラップされたせん断横波を前記第２の部分に受信さ
   せるべく前記基板内に回折するための前記検出領域上の
   前記第２の表面に設けられた第２の音波トラッピング手
   段。 （ヘ）前記検出領域へ被試験流体を導入するための導入
   手段。