JP2000214140A

JP2000214140A - センサ

Info

Publication number: JP2000214140A
Application number: JP11011925A
Authority: JP
Inventors: Eiji Nozu; 栄治野洲
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】表面弾性波発振器を利用したセンサであっ
て、高速応答性と高精度を兼ね備え、且つ、回路構成の
簡単なセンサを提供する。【解決手段】圧電性膜４をその圧電性膜４より表面弾
性波の伝搬速度が速い高速伝搬体３上に形成し、圧電性
膜４上に１組以上の二つのすだれ状電極トランスデュー
サ５、６を形成し、各組のすだれ状電極トランスデュー
サ５、６において一方のトランスデューサ５を増幅器８
の入力側８ａに接続し、増幅器８の出力側８ｂを他方の
トランスデューサ６に接続して、少なくとも一つの遅延
線型の表面弾性波発振器１を構成し、且つ、各表面弾性
波発振器１の発振周波数を各別に測定する周波数測定手
段９を備えてなる。更に好ましくは、少なくとも一つの
表面弾性波発振器１において、圧電性膜４上の二つのす
だれ状電極トランスデューサ５、６間に所定の被測定量
に感応する感応膜１０を形成してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電性膜上に二つ
のすだれ状電極トランスデューサを形成し、一方のトラ
ンスデューサを増幅器の入力側に接続し、前記増幅器の
出力側を他方のトランスデューサに接続してなる遅延線
型の表面弾性波発振器を利用した、湿度やガス等を検出
するセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、湿度やガス等を検出するセンサ
として被測定量の変化に基づいて電気容量や電気抵抗が
変化するのを検出する半導体センサ等が知られている。
また、上記した遅延線型の表面弾性波発振器を利用した
センサとしては、水晶やＬｉＮｂＯ₃ （ニオブ酸リチウ
ム）等の圧電体基板上に一対のすだれ状電極トランスデ
ューサを形成して遅延線型の表面弾性波発振器を構成
し、この一対のすだれ状電極トランスデューサ間の圧電
体基板上にガス感応膜や湿度感応膜を形成したものが知
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
電気容量や電気抵抗が変化するのを検出する方式の半導
体センサは応答速度が遅く、検出に３秒程また元の状態
に復帰するのに数１０秒乃至１分程要していた。更に、
圧電体基板上に作製した表面弾性波発振器を利用したセ
ンサにおいても、発振の中心周波数が約１００ＭＨｚと
低く、水晶やＬｉＮｂＯ₃ 等の圧電体の表面弾性波の伝
搬速度が約３０００ｍ／ｓと遅いため、応答速度が遅
く、検出に最速でも３秒程度要していた。また、当該セ
ンサにおいて、発振周波数が高いものほど高精度のセン
サが得られることから、高速応答性に加えて発振周波数
の高周波化も望まれていた。

【０００４】ところで、本願発明者等は、表面弾性波を
利用したセンサとして、ダイヤモンド薄膜上に圧電性膜
を形成し、その上に一対のすだれ状電極トランスデュー
サを形成し、一方を表面弾性波の発信端とし、他方を表
面弾性波の受信端とし、両トランスデューサ間に形成さ
れる遅延線の弾性的性質に及ぼす被測定量の変化の影響
を受信端に現れる周波数の変化として検出する方式のも
のを、先の特許出願（特願平８−２７４３１３号）で提
案している。この提案のセンサは、圧電性膜より表面弾
性波の伝搬速度の速いダイヤモンド薄膜上に圧電性膜を
形成しているため、表面弾性波の周波数として１ＧＨｚ
以上のものが使用ができ、且つ、遅延線上の伝搬速度も
速いため、高速応答性と高精度を兼ね備えることができ
る。しかしながら、上記提案のセンサは、構成上１ＧＨ
ｚ以上の高周波発生源が別途必要となり、センサを有効
に機能させるための外付け回路の作製が困難であった。

【０００５】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、表面弾性波発振器を利用したセン
サであって、高速応答性と高精度を兼ね備え、且つ、回
路構成の簡単なセンサを提供する点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係るセンサの第一の特徴構成は、特許請求の
範囲の欄の請求項１に記載した通り、圧電性膜をその圧
電性膜より表面弾性波の伝搬速度が速い高速伝搬体上に
形成し、前記圧電性膜上に二つのすだれ状電極トランス
デューサを形成し、一方のトランスデューサを増幅器の
入力側に接続し、前記増幅器の出力側を他方のトランス
デューサに接続して遅延線型の表面弾性波発振器を構成
し、且つ、前記表面弾性波発振器の発振周波数を測定す
る周波数測定手段を備えてなる点にある。

【０００７】同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項２に記載した通り、圧電性膜をその圧電性膜よ
り表面弾性波の伝搬速度が速い高速伝搬体上に形成し、
前記圧電性膜上に複数組の二つのすだれ状電極トランス
デューサを形成し、各組のすだれ状電極トランスデュー
サにおいて一方のトランスデューサを増幅器の入力側に
接続し、前記増幅器の出力側を他方のトランスデューサ
に接続して、複数の遅延線型の表面弾性波発振器を構成
し、且つ、前記各表面弾性波発振器の発振周波数を各別
に測定する周波数測定手段を備えてなる点にある。

【０００８】同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項３に記載した通り、前述の第一または第二の特
徴構成に加えて、少なくとも一つの前記表面弾性波発振
器において、前記圧電性膜上の前記二つのすだれ状電極
トランスデューサ間に所定の被測定量に感応する感応膜
を形成してなる点にある。

【０００９】同第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項４に記載した通り、前述の第一、第二または第
三の特徴構成に加えて、前記高速伝搬体を所定の基板上
に形成してなる点にある。

【００１０】同第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項５に記載した通り、前述の第四の特徴構成に加
えて、前記増幅器を前記基板上に形成してなる点にあ
る。

【００１１】以下に上記特徴構成による作用並びに効果
を説明する。上記第一または第二の特徴構成によれば、
前記圧電性膜を伝搬する表面弾性波が、前記圧電性膜の
下側に形成されている前記高速伝搬体の影響を受けて前
記高速伝搬体における伝搬速度で伝搬するため、前記圧
電性膜の伝搬速度によって制限される前記表面弾性波発
振器の発振周波数の高周波化が図れ、前記圧電性膜に作
用する被測定量の微妙な変化も発振周波数の変化として
高精度に検出できるのである。また、前記圧電性膜を伝
搬する表面弾性波の伝搬速度が上記したように前記高速
伝搬体における伝搬速度まで高速化が図られるため、高
速応答性も達成されるのである。更に、ガスセンサとし
て利用する場合には、高速・高周波性より気体の分子量
の測定も可能となるのである。また、前記表面弾性波発
振器が構成され、高周波の表面弾性波が自己励起される
ため、高周波の表面弾性波を励振するための、別途の高
周波発振器を必要としないため、回路構成の簡単化が図
れるのである。

【００１２】更に、上記第二の特徴構成によれば、複数
の表面弾性波発振器が構成されるため、各表面弾性波発
振器毎に、測定対象を異ならせたり、或いは、同じ測定
対象であっても被測定量の範囲を異ならせることができ
るため、一定の雰囲気中において複数の測定対象に対応
できるとともに広範囲な測定が可能な複合的な高機能セ
ンサを提供することができるのである。また、単一基板
上に複数のセンサを実現できることからセンサの感応部
分の小型化も図れるのである。

【００１３】上記第三の特徴構成によれば、圧電性膜単
体では検出できない被測定量やその測定範囲について
も、検出できるようになるのである。特に所定ガス種に
反応する感応膜を付加することで、当該ガス種のガスセ
ンサが容易に作製できるのである。特に、上記第二の特
徴構成と組み合わせることにより、上記した高機能セン
サを容易に作製できるのである。

【００１４】上記第四の特徴構成によれば、例えばダイ
ヤモンド基板等の高速伝搬体の基板を使用せずに、前記
基板上に高速伝搬体を薄膜状に形成することにより、他
の製品と基板を共用でき、製造コストの低減が図れるの
である。更に、当該基板上に他の周辺回路等を集積化で
き、センサの小型化が図れるのである。

【００１５】上記第五の特徴構成によれば、表面弾性波
発振器の全体を同一基板上に形成できるため、増幅器と
各トランスデューサ間の配線の浮遊容量等の軽減が図
れ、配線遅延及びその間の信号遷移の急峻化が図れ、発
振周波数の高周波化が更に可能となるのである。また、
増幅器を外付けする必要が無くなり、センサの小型化が
図れるのである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。本発明に係るセンサの第１実施形
態は、図１に示すように、Ｓｉ基板２上に、高速伝搬体
であるダイヤモンド薄膜３と圧電性膜４を形成し、その
圧電性膜４上に二つのすだれ状電極トランスデューサ
５、６を設けて両トランスデューサ５、６間に遅延線７
を形成し、一方のトランスデューサ５を高周波増幅器８
の入力側８ａに接続し、前記増幅器８の出力側８ｂを他
方のトランスデューサ６と接続してなる帰還ループによ
り表面弾性波発振器１を形成し、前記高周波増幅器８の
出力側８ｂから高周波出力信号の一部を分岐させてその
発振周波数を測定する周波数測定手段９を備えた構成と
なっており、本発明に係るセンサの基本的構成である。

【００１７】前記ダイヤモンド薄膜３は前記基板２上に
ＣＶＤ法で１０μｍ程度の膜厚に成膜したものを５μｍ
程度にまで研磨して表面を平坦化してある。前記圧電性
膜４として、上記研磨後のダイヤモンド薄膜３上にＲＦ
スパッタリング法で成膜した膜厚０．５〜１．０μｍ、
より好ましくは膜厚０．６〜０．７μｍのＺｎＯ膜を使
用する。ＺｎＯ膜は膜厚０．５〜１．０μｍの範囲内に
おいて圧電膜として正常に機能する。つまり、ＺｎＯ膜
の膜厚が０．５μｍより薄くなると、圧電変換効率が著
しく低下するとともに、発生した表面弾性波の強度が小
さく、両トランスデューサ５、６間を伝搬する間に減衰
し、発振不能とある。他方、ＺｎＯ膜の膜厚が１．０μ
ｍより厚くなると、ＺｎＯ結晶膜の結晶軸が崩れて圧電
体としての機能が損なわれ発振不能となる。

【００１８】前記すだれ状電極トランスデューサ５、６
は、図２及び図３に示すように、ＡｌまたはＡｌ合金か
らなる櫛形の多対電極を二つ組み合わせた形状のいわゆ
るＩＤＴ（インターディジタルトランスデューサ）電極
で、前記圧電性膜４上に電極金属膜を蒸着法やスパッタ
リング法等で形成した後、フォトリソグラフィにより不
要な金属膜部分をドライエッチングやリフトオフ等によ
り除去し、電極パターンが形成されている。各トランス
デューサ５、６の電極の幅ｗ及び間隔ｓは夫々３μｍに
形成されており、励振される表面弾性波の波長λは２
（ｗ＋ｓ）で求まり１２μｍとなる。また、櫛形の多対
電極は夫々２５対の交差幅３００μｍの電極からなり、
各トランスデューサ５、６の長さは３００μｍとなる。
また、両トランスデューサ５、６の間隔は５００μｍで
ある。この間隔が長くなれば、前記遅延線７における表
面弾性波の減衰が大きくなり、前記高周波増幅器８の増
幅率の大きなものが要求されることになる。ところで、
１ＧＨｚ以上の高周波で発振する為には、前記高周波増
幅器８の周波数帯域としてそれより十分高いものが要求
されるため、増幅率はできるだけ低く抑えることが好ま
しい。本実施形態では、前記遅延線７の減衰率が３０〜
４０ｄＢ程度であるため、前記高周波増幅器８の増幅率
は７０ｄＢのものを使用している。尚、前記高周波増幅
器８は、既存のものを外付けで使用しても、前記Ｓｉ基
板２上にモノリシックに半導体集積回路として形成した
ものであってもよい。

【００１９】前記周波数測定手段９は、周波数カウンタ
や高周波スペクトルアナライザを備えた構成となってお
り、必要に応じて基準周波数発生器を設け、その基準信
号との周波数差を測定する構成であっても構わない。ま
た、前記ダイヤモンド薄膜３における表面弾性波の伝搬
速度の個体差や、後述する感応膜による伝搬速度の変動
による測定周波数と被測定量との関係を補正する補正手
段をマイコン等を使用して設けてある。

【００２０】以上のような構成において、前記増幅器８
の出力側８ｂから出力される電気信号が前記トランスデ
ューサ６に入力され、前記圧電性膜４の表面に表面弾性
波が励振される。前記トランスデューサ６において励振
された表面弾性波は、前記遅延線７を前記トランスデュ
ーサ５に向けて、前記圧電性膜４における表面弾性波の
伝搬速度（約３０００ｍ／ｓ）より高速の前記圧電性膜
４の下層側に設けられた前記ダイヤモンド薄膜３におけ
る表面弾性波の伝搬速度ｖ（１２０００〜１５０００ｍ
／ｓ）で伝搬し、前記トランスデューサ５で検波され電
気信号に変換され、前記増幅器８の入力側８ａに入力さ
れ、上記した帰還ループ上において所定周波数ｆで発振
する。ここで、発振周波数ｆは、表面弾性波の波長λと
伝搬速度ｖより関係式ｆ＝ｖ／λで決定される。ところ
で、前記圧電性膜４であるＺｎＯ膜は湿度感応膜として
作用するため、湿度変化によりＺｎＯ膜の弾性的性質が
変化し、その結果、表面弾性波の伝搬速度が変化して前
記発振周波数ｆが変化する。現象的にはＺｎＯ膜表面に
接触する水の分子量の大きさに感応してＺｎＯ膜の弾性
的性質が変化するものと考えられる。

【００２１】次に、第１実施形態のセンサの相対湿度セ
ンサとしての特性を測定した測定結果について説明す
る。この測定結果を、横軸を相対湿度、縦軸を前記周波
数測定手段９で測定した前記表面弾性波発振器１の発振
周波数の中心周波数として、図４に示す。これより、前
記表面弾性波発振器１は１ＧＨｚ以上の発振周波数
（１．０３７２〜１．０３９５ＧＨｚ）で発振している
ことが確認でき、センサの高精度化が図られていること
が分かる。更に、図４より、相対湿度が増加するに伴い
発振周波数ｆが低下することが分かる。特に、相対湿度
が７０％を超えると発振周波数ｆの低下が大きくなるた
め、相対湿度７０％以上の範囲で高感度の測定ができ
る。また、図５に示すように、相対湿度を強制的に３５
％と８０％の間を周期的に変化させた場合の応答性は、
発振周波数の中心周波数が相対湿度の変化から約０．５
秒遅延して、１．０３９５ＧＨｚと１．０３７２ＧＨｚ
の間で遷移しており、従来に比べ６倍以上の応答性の改
善が図られていることが分かる。

【００２２】次に、本発明に係るセンサの第２実施形態
について説明する。第２実施形態に係るセンサは、第１
実施形態のセンサの前記圧電性膜４上の前記両トランス
デューサ５、６間に所定の被測定量に感応する感応膜１
０を備えた構成となっている。前記感応膜１０として
は、例えば、湿度変化に反応する酢酸セルロースや、表
１に示す所定のガスに反応するＳｎＯ₂ 等が候補として
挙げられる。

【００２３】尚、前記感応膜１０は各材質に応じた成膜
方法によって適当な膜厚で形成される。一般的に、前記
圧電性膜４上に前記感応膜１０を形成することにより、
表面弾性波の伝搬速度が低下するため、反応速度及び精
度が僅かであるが低下する。従って、膜厚は薄い方が反
応速度及び精度の観点からは好ましいが、高濃度ガスの
検出には不適当となり、逆に、膜厚が厚い方が高濃度ガ
スの検出に適する。また、前記感応膜１０が導電性の場
合は、前記両トランスデューサ５、６間を短絡させない
ように形成する必要がある。

【００２４】

【表１】

【００２５】次に、前記感応膜１０として湿度感応膜で
ある酢酸セルロース膜をスピナー等で塗布して成膜した
センサについて、その湿度感応特性の測定結果について
説明する。この測定結果を、第１実施形態と同様に、横
軸を相対湿度、縦軸を前記周波数測定手段９で測定した
前記表面弾性波発振器１の発振周波数の中心周波数とし
て、図６に示す。これより、前記表面弾性波発振器１は
１ＧＨｚ以上の発振周波数（１．０３１９〜１．０３３
３ＧＨｚ）で発振していることが確認でき、センサの高
精度化が図られていることが分かる。また、相対湿度が
増加するに伴い発振周波数が低下することが分かる。
尚、中心周波数の相対湿度の変化に伴う変動域は、第１
実施形態の場合に比べ若干低周波側に移動しているが、
これは、上述したように前記感応膜１０の影響による伝
搬速度の低下或いは前記ダイヤモンド薄膜３の伝搬速度
の個体差によるものと考えられる。

【００２６】尚、本実施形態では、前記圧電性膜４であ
るＺｎＯ膜が湿度感応膜として作用するため、前記感応
膜１０として前記酢酸セルロース膜を特段設ける必要は
ないが、前記圧電性膜４が湿度に反応しない特性の場合
に、前記酢酸セルロース膜を設けることにより高感度で
高速応答性を有する湿度センサを作製することができ
る。

【００２７】次に、本発明に係るセンサの第３実施形態
について説明する。第３実施形態に係るセンサは、前記
Ｓｉ基板２上に、前記第１または第２の実施形態のセン
サを複数作製した複合センサである。具体的には、図７
に示すように、前記Ｓｉ基板２上に、前記ダイヤモンド
薄膜３と前記圧電性膜４を形成し、前記圧電性膜４上に
前記二つのすだれ状電極トランスデューサ５、６を複数
組設け、前記各組のトランスデューサ５、６毎に、各別
に、一方のトランスデューサ５を前記高周波増幅器８の
入力側８ａに接続し、前記増幅器８の出力側８ｂを他方
のトランスデューサ６と接続して前記表面弾性波発振器
１を形成し、前記高周波増幅器８の出力側８ｂから高周
波出力信号の一部を分岐させて前記周波数測定手段９に
入力する構成となっており、前記複数の表面弾性波発振
器１の内のいくつかの表面弾性波発振器１は、前記圧電
性膜４上の前記両トランスデューサ５、６間に前記感応
膜１０を備えている。前記感応膜１０は、例えば、前記
表面弾性波発振器１毎に異なるガス種に反応する感応膜
を選択して使用することで、ガスセンサとしてガス識別
能力を向上することができる。従って、本実施形態によ
り、湿度センサと多種のガスを識別できるガスセンサを
単一基板上に形成した多機能センサを構成することがで
きる。更に、前記第１実施形態に係るセンサは、前記圧
電性膜４が振動や歪みにも反応するため、振動センサや
歪みセンサとしても機能する。尚、前記感応膜１０は必
ずしも設ける必要はない。

【００２８】尚、前記複数の表面弾性波発振器１は表面
弾性波の進行方向に沿って隣接するもの同士が相互に干
渉し合わないように、前記圧電性膜４の成膜後に、前記
表面弾性波発振器１を同方向に分離すべく、前記トラン
スデューサ５、６を形成する領域の境界部分に当たる前
記圧電性膜４、或いは、前記圧電性膜４と前記ダイヤモ
ンド薄膜３をプラズマエッチング等で除去し、当該部分
に表面弾性波の緩衝帯１１を形成してある。また、前記
複数の表面弾性波発振器１は各別に完全に分離するよう
にしてもよい。

【００２９】以下、本発明の別実施形態を列記する。〈１〉上記実施の形態では、表面弾性波発振器１の高速
伝搬体として、前記ダイヤモンド薄膜３を前記Ｓｉ基板
２上に最終的に膜厚５μｍ程度に成膜したもの使用した
が、膜厚は５μｍ程度に限らず、２μｍ程度以上であれ
ばよい。また、高速伝搬体は前記Ｓｉ基板２上に前記ダ
イヤモンド薄膜３を成膜する構成以外に、単結晶のダイ
ヤモンド基板を使用し、その上に前記圧電性膜４を形成
するようにしても構わない。また、前記基板２はＳｉ基
板に限定されるものではなく、それ以外のものであって
も構わない。

【００３０】〈２〉更に、上記各実施の形態では、高速
伝搬体として前記ダイヤモンド薄膜３や前記ダイヤモン
ド基板９のようにダイヤモンドを使用したが、前記圧電
性膜４に比べて表面弾性波の伝搬速度が十分に速いもの
であれば良く、例えば，サファイアやＣＮｘ等の薄膜や
基板を使用しても構わない。

【００３１】〈３〉上記各実施の形態では、前記圧電性
膜４の材質としてＺｎＯを使用したが、例えば、ＬｉＮ
ｂＯ3 やＺｎＳ等の他の圧電性を有する材料のものでも
構わない。

【００３２】〈４〉上記各実施の形態において、前記す
だれ状電極トランスデューサ５、６の電極対数や各部の
寸法等は、例示した数値のものに限定されるものではな
く、適宜変更可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセンサの第１実施形態の斜視図

【図２】表面弾性波発振器のすだれ状電極トランスデュ
ーサの平面図

【図３】図２に示すすだれ状電極トランスデューサの要
部平面図

【図４】第１実施形態に係るセンサの湿度感応特性を示
す特性図

【図５】第１実施形態に係るセンサの応答性を示す過渡
応答特性図

【図６】第２実施形態に係るセンサの湿度感応特性を示
す特性図

【図７】本発明に係るセンサの第３実施形態の斜視図

【符号の説明】

１表面弾性波発振器２基板３高速伝搬体（ダイヤモンド薄膜）４圧電性膜５、６すだれ状電極トランスデューサ７遅延線８高周波増幅器８ａ入力側８ｂ出力側９周波数測定手段１０感応膜１１緩衝帯

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電性膜をその圧電性膜より表面弾性波
の伝搬速度が速い高速伝搬体上に形成し、前記圧電性膜
上に二つのすだれ状電極トランスデューサを形成し、一
方のトランスデューサを増幅器の入力側に接続し、前記
増幅器の出力側を他方のトランスデューサに接続して遅
延線型の表面弾性波発振器を構成し、且つ、前記表面弾
性波発振器の発振周波数を測定する周波数測定手段を備
えてなるセンサ。
【請求項２】圧電性膜をその圧電性膜より表面弾性波
の伝搬速度が速い高速伝搬体上に形成し、前記圧電性膜
上に複数組の二つのすだれ状電極トランスデューサを形
成し、各組のすだれ状電極トランスデューサにおいて一
方のトランスデューサを増幅器の入力側に接続し、前記
増幅器の出力側を他方のトランスデューサに接続して、
複数の遅延線型の表面弾性波発振器を構成し、且つ、前
記各表面弾性波発振器の発振周波数を各別に測定する周
波数測定手段を備えてなるセンサ。
【請求項３】少なくとも一つの前記表面弾性波発振器
において、前記圧電性膜上の前記二つのすだれ状電極ト
ランスデューサ間に所定の被測定量に感応する感応膜を
形成してなる請求項１または２記載のセンサ。
【請求項４】前記高速伝搬体を所定の基板上に形成し
てなる請求項１、２または３記載のセンサ。
【請求項５】前記増幅器を前記基板上に形成してなる
請求項４記載のセンサ。