JP7804473B2 - Detection Device - Google Patents
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Description
本発明は、検出装置に関し、例えば感応膜を有する共振器を有する検出装置に関する。 The present invention relates to a detection device, for example, a detection device having a resonator with a sensitive membrane.
感応膜の質量の変化を検出することで、環境の変化を検出する環境センサが知られている。圧電薄膜共振器の上部電極上に感応膜を設け、感応膜の質量変化による共振周波数等に基づき環境の変化を検出する検出装置が知られている(例えば特許文献1)。液体中のセンシングでは、共振器に感応膜を成長させることで、Q値が減少することが知られている。(例えば特許文献2)。 Environmental sensors are known that detect environmental changes by detecting changes in the mass of a sensitive film. A detection device is known in which a sensitive film is provided on the upper electrode of a piezoelectric thin-film resonator, and environmental changes are detected based on the resonant frequency caused by changes in the mass of the sensitive film (see, for example, Patent Document 1). When sensing in liquid, it is known that the Q value decreases when a sensitive film is grown on the resonator (see, for example, Patent Document 2).
気体内において環境の変化を検出する場合、共振器の共振特性を劣化させないため感応膜は薄い方が好ましい。しかし、感応膜を薄くすると、感応膜の表面積が小さくなり、環境の変化に対する感度が低下する。 When detecting environmental changes within a gas, a thin sensitive film is preferable to avoid degrading the resonance characteristics of the resonator. However, making the sensitive film thinner reduces the surface area of the sensitive film, reducing its sensitivity to environmental changes.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振器の共振特性の劣化を抑えつつ、検出感度を向上させることを目的とする。 The present invention was developed in consideration of the above-mentioned problems, and aims to improve detection sensitivity while suppressing deterioration of the resonance characteristics of the resonator.
本発明は、圧電層と、前記圧電層の少なくとも一部を挟み設けられた第1電極および第2電極と、を備える圧電部と、前記第1電極の前記圧電層の反対側に設けられ、環境の変化により質量が変化する感応膜と、を備え、前記質量の変化に対応し、前記感応膜が設けられていない前記圧電部での電気励振が可能な周波数を弾性波の奇数次モードとしたときに、前記感応膜を前記圧電部に設けたあと、前記奇数次モードとは異なる電気励振が可能な弾性波の振動モードである偶数次モードにおける共振周波数および反共振周波数の少なくとも一方の周波数が変化する共振器と、前記少なくとも一方の周波数の変化に基づき、前記環境の変化を検出する検出器と、を備える検出装置である。 The present invention provides a detection device comprising: a piezoelectric section including a piezoelectric layer and first and second electrodes sandwiching at least a portion of the piezoelectric layer; a sensitive membrane provided on the opposite side of the piezoelectric layer from the first electrode, the sensitive membrane having a mass that changes in response to environmental changes; a resonator that responds to the mass change, and when the frequency at which electrical excitation is possible in the piezoelectric section without the sensitive membrane is defined as an odd mode of elastic waves, after the sensitive membrane is provided on the piezoelectric section, at least one of the resonant frequency and anti-resonant frequency in an even mode, which is a vibration mode of elastic waves that can be electrically excited differently from the odd mode, changes; and a detector that detects the change in the environment based on the change in at least one of the frequencies.
上記構成において、前記偶数次モードは、2次モードである構成とすることができる。 In the above configuration, the even-order mode can be a second-order mode.
上記構成において、前記感応膜の厚さは、前記圧電層の厚さの0.2倍以上かつ1.0倍以下である構成とすることができる。 In the above configuration, the thickness of the sensitive film can be configured to be 0.2 times or more and 1.0 times or less the thickness of the piezoelectric layer.
上記構成において、前記感応膜の弾性スティフネスC33は前記圧電層の弾性スティフネスC33の0.06倍以上かつ0.62倍以下である構成とすることができる。 In the above configuration, the elastic stiffness C33 of the sensitive film may be 0.06 to 0.62 times the elastic stiffness C33 of the piezoelectric layer.
上記構成において、前記感応膜の密度は前記圧電層の密度の0.35倍以上かつ0.54倍以下である構成とすることができる。 In the above configuration, the density of the sensitive film can be 0.35 to 0.54 times the density of the piezoelectric layer.
上記構成において、前記圧電層は窒化アルミニウム層であり、前記感応膜のヤング率は20GPa以上かつ80GPa以下であり、前記感応膜の密度は1.2g/cm3以上かつ1.7g/cm3以下である構成とすることができる。 In the above configuration, the piezoelectric layer may be an aluminum nitride layer, the Young's modulus of the sensitive film may be 20 GPa or more and 80 GPa or less, and the density of the sensitive film may be 1.2 g/cm 3 or more and 1.7 g/cm 3 or less.
上記構成において、前記圧電層は窒化アルミニウム層であり、前記感応膜は、金属フタロシアニンを主成分とする構成とすることができる。 In the above configuration, the piezoelectric layer may be an aluminum nitride layer, and the sensitive film may be composed mainly of metal phthalocyanine .
上記構成において、前記共振器の前記偶数次モードにおける共振周波数は、前記感応膜を除去した共振器の1次モードにおける共振周波数の0.85倍以上かつ1.15倍以下である構成とすることができる。 In the above configuration, the resonant frequency of the resonator in the even-order mode can be 0.85 to 1.15 times the resonant frequency in the first-order mode of the resonator from which the sensitive film has been removed.
本発明によれば、検出感度を向上させることを目的とする。 The objective of the present invention is to improve detection sensitivity.
以下、図面を参照し実施例について説明する。 The following describes the examples with reference to the drawings.
図1は、実施例1に係る検出装置を示すブロック図である。検出装置100は、発振回路42および検出器45を備えている。発振回路42は、共振器40およびアンプ41を備え、共振器40の偶数次モードにおける共振周波数または反共振周波数において発振し発振信号を出力する。測定器44は発振信号の周波数を測定する。算出器46は、測定器44が測定した発振信号の周波数の変化に基づき、環境の変化を検出する。環境の変化としては、気体中の特定の原子または分子等の物質の量の変化、環境の温度の変化、湿度の変化などである。気体内の特定の物質がにおいの元になる場合には、検出装置100はにおいセンサとして機能する。 Figure 1 is a block diagram showing a detection device according to a first embodiment. The detection device 100 includes an oscillator circuit 42 and a detector 45. The oscillator circuit 42 includes a resonator 40 and an amplifier 41, and oscillates at the resonant frequency or anti-resonant frequency of the even mode of the resonator 40 to output an oscillation signal. A measuring device 44 measures the frequency of the oscillation signal. A calculator 46 detects environmental changes based on changes in the frequency of the oscillation signal measured by the measuring device 44. Examples of environmental changes include changes in the amount of specific atoms or molecules or other substances in the gas, changes in the temperature of the environment, and changes in humidity. When a specific substance in the gas is the source of an odor, the detection device 100 functions as an odor sensor.
図2(a)は、実施例1に係る共振器40の平面図、図2(b)は、図2(a)のA-A断面図である。基板10の上面の法線方向をZ方向、下部電極12が共振領域50から引き出される方向をX方向、平面方向のうちX方向に直行する方向をY方向とする。 Figure 2(a) is a plan view of the resonator 40 according to the first embodiment, and Figure 2(b) is a cross-sectional view taken along the line A-A in Figure 2(a). The normal direction to the top surface of the substrate 10 is the Z direction, the direction in which the lower electrode 12 is drawn out from the resonance region 50 is the X direction, and the planar direction perpendicular to the X direction is the Y direction.
図2(a)および図2(b)に示すように、共振器40の構成を説明する。厚みを持ち平面視で長方形の基板10がある。この基板10の平坦な上面には、下部電極12が基板10の上面の中央付近から長手方向(X方向)で基板10の一端まで延在されている。また圧電層14とこの圧電層14の上に形成される上部電極16は、基板10の上面の中央部から長手方向で基板の他端まで延在されている。共振領域50は圧電層14の少なくとも一部を挟み下部電極12と上部電極16とが対向する領域により画定される。図2(a)の楕円形状の部分が共振領域50で、この共振領域50に対応する圧電層14が下部電極12と上部電極16で挟まれている。この共振領域50に対応する基板10と下部電極12との間には、ドーム状の膨らみを有する空隙22が形成されている。下部電極12と上部電極16に電圧を印加することで圧電層14が振動し、この空隙22を設けることで、振動をし易くしている。 The structure of the resonator 40 is described below, as shown in Figures 2(a) and 2(b). The substrate 10 has a thickness and is rectangular in plan view. A lower electrode 12 extends from the center of the substrate's 10 top surface to one end of the substrate 10 in the longitudinal direction (X direction). A piezoelectric layer 14 and an upper electrode 16 formed on the piezoelectric layer 14 extend from the center of the substrate's top surface to the other end of the substrate in the longitudinal direction. The resonance region 50 is defined by the region where the lower electrode 12 and upper electrode 16 face each other, sandwiching at least a portion of the piezoelectric layer 14. The elliptical portion in Figure 2(a) is the resonance region 50, and the piezoelectric layer 14 corresponding to this resonance region 50 is sandwiched between the lower electrode 12 and upper electrode 16. A dome-shaped void 22 is formed between the substrate 10 and the lower electrode 12, corresponding to the resonance region 50. Applying a voltage to the lower electrode 12 and upper electrode 16 causes the piezoelectric layer 14 to vibrate, and the provision of this gap 22 makes this vibration easier.
上部電極16の全面には保護膜17が設けられている。少なくとも共振領域50に対応する保護膜17上に感応膜18が設けられている。なお、保護膜17は設けられていなくてもよい。感応膜18の厚さはTであり、後述する。感応膜18は平面視において共振領域50を含むように設けられていればよく、感応膜18は共振領域50を覆うか、共振領域50周囲よりも外側まで大きく被覆してもよい。共振領域50における下部電極12、圧電層14、上部電極16、保護膜17および感応膜18は積層膜20を形成する。感応膜18を設ける前における、下部電極12、圧電層14、上部電極16および保護膜17は圧電部21である。共振領域50内の積層膜20には、厚み縦振動モードまたは厚みすべり振動モード等の弾性波で共振する。 A protective film 17 is provided on the entire surface of the upper electrode 16. A sensitive film 18 is provided on at least the protective film 17 corresponding to the resonance region 50. The protective film 17 does not have to be provided. The sensitive film 18 has a thickness T, which will be described later. The sensitive film 18 is only required to be provided so as to include the resonance region 50 in a planar view. The sensitive film 18 may cover the resonance region 50 or may extend beyond the periphery of the resonance region 50. The lower electrode 12, piezoelectric layer 14, upper electrode 16, protective film 17, and sensitive film 18 in the resonance region 50 form a laminated film 20. Before the sensitive film 18 is provided, the lower electrode 12, piezoelectric layer 14, upper electrode 16, and protective film 17 form a piezoelectric portion 21. The laminated film 20 in the resonance region 50 resonates with elastic waves such as a thickness-extensional vibration mode or a thickness-shear vibration mode.
図2(a)のように、共振領域50の平面形状は、例えば楕円形状である。格子状にハッチングした部分が共振領域50の平面形状である。共振領域50の平面形状は五角形状等の多角形状でもよい。本実施例では、共振器40として、共振領域50において空隙22が基板10と下部電極12との間に形成されているFBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)を例に説明した。 As shown in Figure 2(a), the planar shape of the resonance region 50 is, for example, elliptical. The hatched area in a grid pattern represents the planar shape of the resonance region 50. The planar shape of the resonance region 50 may also be a polygonal shape, such as a pentagon. In this embodiment, the resonator 40 is described as an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) in which a gap 22 is formed between the substrate 10 and the lower electrode 12 in the resonance region 50.
気体中の原子または分子等の物質が感応膜18に吸着すると感応膜18の質量が増加する。感応膜18の周囲の湿度が高くなると、水分が感応膜18に吸着し感応膜18の質量が増加する。温度が変化すると、膜の吸着特性に変化が発生し、感応膜18の質量が変化する。このように、感応膜18の周囲の気体中の特定の物質の濃度、湿度、温度の環境の変化により感応膜18の質量が変化する。感応膜18の質量が変化すると、圧電薄膜共振器の共振周波数および反共振周波数が変化する。例えば、感応膜18に特定物質が吸着すると、感応膜18の質量が増加する。特定物質とは、アセトン、エタノールおよびトルエンなどが挙げられる。これにより、共振器40の共振周波数および反共振周波数が低くなる。感応膜18から特定物質が脱離すると、感応膜18の質量が減少する。これにより、共振器40の共振周波数および反共振周波数が高くなる。 When substances such as atoms or molecules in the gas are adsorbed onto the sensitive film 18, the mass of the sensitive film 18 increases. As the humidity around the sensitive film 18 increases, moisture is adsorbed onto the sensitive film 18, increasing the mass of the sensitive film 18. Changes in temperature cause changes in the adsorption characteristics of the film, resulting in a change in the mass of the sensitive film 18. Thus, the mass of the sensitive film 18 changes due to changes in the concentration, humidity, and temperature of specific substances in the gas surrounding the sensitive film 18. When the mass of the sensitive film 18 changes, the resonant frequency and anti-resonant frequency of the piezoelectric thin film resonator change. For example, when specific substances are adsorbed onto the sensitive film 18, the mass of the sensitive film 18 increases. Examples of specific substances include acetone, ethanol, and toluene. This lowers the resonant frequency and anti-resonant frequency of the resonator 40. When specific substances are desorbed from the sensitive film 18, the mass of the sensitive film 18 decreases. This increases the resonant frequency and anti-resonant frequency of the resonator 40.
基板10は、例えばシリコン基板、サファイア基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはGaAs基板である。下部電極12および上部電極16は、例えばルテニウム(Ru)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)またはイリジウム(Ir)等の単層膜またはこれらの中から複数の膜が選択された積層膜である。本実施例では、下部電極12、上部電極16ともにルテニウム膜である。 The substrate 10 is, for example, a silicon substrate, sapphire substrate, quartz substrate, glass substrate, ceramic substrate, or GaAs substrate. The lower electrode 12 and upper electrode 16 are, for example, single-layer films of ruthenium (Ru), chromium (Cr), aluminum (Al), titanium (Ti), copper (Cu), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), platinum (Pt), rhodium (Rh), or iridium (Ir), or a laminate film made of multiple films selected from these. In this embodiment, both the lower electrode 12 and upper electrode 16 are ruthenium films.
圧電層14は、例えば窒化アルミニウム(AlN)膜、酸化亜鉛(ZnO)膜、窒化ガリウム(GaN)膜、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜、チタン酸鉛(PbTiO3)膜、タンタル酸リチウム(LiTaO3)膜またはニオブ酸リチウム(LiNbO3)膜である。圧電層14は、(002)方向(Z軸方向)を主軸とする窒化アルミニウム(AlN)を主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、スカンジウム(Sc)、2族元素もしくは12族元素と4族元素との2つの元素、または2族元素もしくは12族元素と5族元素との2つの元素を用いることにより、圧電層14の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を向上できる。2族元素は、例えばカルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)であり、12族元素は例えば亜鉛(Zn)である。4族元素は、例えばチタン、ジルコニウム(Zr)またはハフニウム(Hf)である。5族元素は、例えばタンタル、ニオブ(Nb)またはバナジウム(V)である。さらに、圧電層14は、窒化アルミニウムを主成分とし、ボロン(B)を含んでもよい。 The piezoelectric layer 14 may be, for example, an aluminum nitride (AlN) film, a zinc oxide (ZnO) film, a gallium nitride (GaN) film, a lead zirconate titanate (PZT) film, a lead titanate (PbTiO 3 ) film, a lithium tantalate (LiTaO 3 ) film, or a lithium niobate (LiNbO 3 ) film. The piezoelectric layer 14 is primarily composed of aluminum nitride (AlN) with its principal axis in the (002) direction (Z-axis direction), and may contain other elements to improve resonance characteristics or piezoelectricity. For example, the piezoelectricity of the piezoelectric layer 14 can be improved by adding scandium (Sc), two elements consisting of a Group 2 element or a Group 12 element and a Group 4 element, or two elements consisting of a Group 2 element or a Group 12 element and a Group 5 element, as additive elements. This improves the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric thin film resonator. Examples of Group 2 elements include calcium (Ca), magnesium (Mg), and strontium (Sr), and examples of Group 12 elements include zinc (Zn). Examples of Group 4 elements include titanium, zirconium (Zr), and hafnium (Hf). Examples of Group 5 elements include tantalum, niobium (Nb), and vanadium (V). Furthermore, the piezoelectric layer 14 may be primarily composed of aluminum nitride and may also contain boron (B).
共振領域50内の圧電層14に挿入膜が設けられていてもよい。例えば、図2(b)において、基板10上に圧電層14の厚みの半分の厚さを有する下部圧電層が設けられる。その下部圧電層上に前記挿入膜が設けられる。さらに挿入膜上に圧電層14の厚みの半分を有する上部圧電層が設けられる。このような構造の共振器では、共振周波数の温度依存性を抑制することができる。挿入膜は例えば酸化シリコン膜である。挿入膜は、例えば共振周波数の温度依存性を抑制するための膜、または共振器のQ値(Quality factor)を向上させるための膜である。 An insertion film may be provided on the piezoelectric layer 14 within the resonance region 50. For example, in FIG. 2(b), a lower piezoelectric layer having half the thickness of the piezoelectric layer 14 is provided on the substrate 10. The insertion film is provided on the lower piezoelectric layer. An upper piezoelectric layer having half the thickness of the piezoelectric layer 14 is further provided on the insertion film. A resonator with this structure can suppress the temperature dependence of the resonance frequency. The insertion film is, for example, a silicon oxide film. The insertion film is, for example, a film for suppressing the temperature dependence of the resonance frequency or a film for improving the Q value (Quality Factor) of the resonator.
保護膜17は、上部電極16の表面を保護する膜であり、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜等の絶縁膜または金属膜である。 The protective film 17 is a film that protects the surface of the upper electrode 16, and is, for example, an insulating film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon nitride oxide film, or a metal film.
感応膜18は、例えば有機高分子膜、有機低分子膜、または無機膜である。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、これらから複数選択して混合したブレンドポリマーなどを用いることができる。 The sensitive film 18 may be, for example, an organic polymer film, an organic low-molecular-weight film, or an inorganic film. Examples of organic polymer materials that can be used include homopolymers with a single structure, such as polystyrene, polymethyl methacrylate, 6-nylon, cellulose acetate, poly-9,9-dioctylenefluorene, polyvinyl alcohol, polyvinylcarbazole, polyethylene oxide, polyvinyl chloride, poly-p-phenylene ether sulfone, poly-1-butene, polybutadiene, polyphenylmethylsilane, polycaprolactone, polybisphenoxyphosphazene, and polypropylene; copolymers, which are copolymers of two or more homopolymers; and blend polymers, which are mixtures of multiple types of homopolymers.
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、パリレンなどから少なくとも一つを用いることができる。 For example, the organic low-molecular-weight material may be at least one of tris(8-quinolinolato)aluminum (Alq3), naphthyldiamine (α-NPD), BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), CBP (4,4'-N,N'-dicarbazole-biphenyl), copper phthalocyanine, fullerene, pentacene, anthracene, thiophene, Ir(ppy(2-phenylpyridinato)) 3 , triazine thiol derivatives, dioctylfluorene derivatives, tetratetracontane, parylene, and the like.
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・ティン・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から少なくとも一つを用いることができる。 For example, the inorganic material may be at least one of alumina, titania, vanadium pentoxide, tungsten oxide, lithium fluoride, magnesium fluoride, aluminum, gold, silver, tin, indium tin oxide (ITO), carbon nanotubes, sodium chloride, magnesium chloride, etc.
感応膜18は、金属フタロシアニンでもよい。金属フタロシアニンとしては、例えば銅フタロシアニン(CuPc)、フッ化銅フタロシアニン(CuPcF8、CuPcF16)、コバルトフタロシアニン(CoPc)、マンガンフタロシアニン(MnPc)、鉄フタロシアニン(FePc)またはニッケルフタロシアニン(NiPc)などを用いることができる。 The sensitive film 18 may be made of a metal phthalocyanine , such as copper phthalocyanine (CuPc), copper phthalocyanine fluoride ( CuPcF8 , CuPcF16 ), cobalt phthalocyanine (CoPc), manganese phthalocyanine (MnPc), iron phthalocyanine (FePc), or nickel phthalocyanine (NiPc).
[シミュレーション1]
共振器40の応答をシミュレーションした。シミュレーションは、積層膜20を短冊状としたモデルを用い行った。シミュレーション条件を以下に示す。
下部電極12:基板10側から厚さが約70nmのクロム層が設けられ、その上に厚さが166nmのルテニウム層が積層される。
圧電層14:厚さが996nmの窒化アルミニウム層
上部電極16:圧電層14側から厚さが173nmのルテニウム層が設けられ、その上に厚さが55nmのクロム層が積層される。
保護膜17:上部電極16の上面に、厚さが70nmの酸化シリコン層が被覆される。
感応膜18:厚さTを変えた銅フタロシアニン層
[Simulation 1]
The response of the resonator 40 was simulated. The simulation was performed using a model in which the laminated film 20 was in the shape of a strip. The simulation conditions are as follows:
Lower electrode 12: A chromium layer with a thickness of about 70 nm is provided on the substrate 10 side, and a ruthenium layer with a thickness of 166 nm is laminated thereon.
Piezoelectric layer 14: an aluminum nitride layer with a thickness of 996 nm. Upper electrode 16: a ruthenium layer with a thickness of 173 nm is provided on the piezoelectric layer 14 side, and a chromium layer with a thickness of 55 nm is laminated thereon.
Protective film 17: The upper surface of the upper electrode 16 is covered with a silicon oxide layer having a thickness of 70 nm.
Sensitive film 18: Copper phthalocyanine layer with varying thickness T
図3(a)および図3(b)は、シミュレーション1における周波数に対するインピーダンスの大きさ|Z|およびQ値を示す図である。図3(a)および図3(b)の横軸は周波数であり、図3(a)の縦軸はインピーダンスの絶対値であり、図3(b)の縦軸はQ値である。感応膜18の厚さTを75nm~700nmの範囲で変えている。図3(a)に示すように、感応膜18の厚さTが大きくなると、共振周波数fr1および反共振周波数fa1は低くなる。感応膜18の厚さTが大きくなると、共振周波数fr1および反共振周波数fa1のピークの差が小さくなる。共振周波数fr1および反共振周波数fa1は積層膜20において弾性波が1次モードにおいて共振するときの共振周波数および反共振周波数である。図3(b)に示すように、Q値は共振周波数fr1と反共振周波数fa1の間において極大となる。感応膜18の厚さTが大きくなると、Q値が小さくなる。 3(a) and 3(b) are graphs showing the magnitude |Z| of impedance and the Q value versus frequency in Simulation 1. The horizontal axis of FIGS. 3(a) and 3(b) represents frequency, the vertical axis of FIG. 3(a) represents the absolute value of impedance, and the vertical axis of FIG. 3(b) represents the Q value. The thickness T of the sensitive film 18 was varied in the range of 75 nm to 700 nm. As shown in FIG. 3(a), as the thickness T of the sensitive film 18 increases, the resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 decrease. As the thickness T of the sensitive film 18 increases, the difference between the peaks of the resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 decreases. The resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 are the resonant frequency and the antiresonant frequency when the elastic wave resonates in the first mode in the laminated film 20. As shown in FIG. 3(b), the Q value reaches its maximum between the resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 . As the thickness T of the sensitive film 18 increases, the Q value decreases.
図3(a)および図3(b)に示すように感応膜18の厚さT1が大きくなると、1次モードにおける共振が小さくなり、Q値が小さくなる。これにより、共振器40が共振しにくくなる。一方、感応膜18が薄くなると、感応膜18内の特定物質を吸着するサイトの数が減る。また、感応膜18の表面の凹凸が小さくなる。感応膜18が薄くなると、感応膜18内の、特定物質を吸着するサイトの数が減るので、環境の変化による感応膜18の質量の変化が小さくなる。これにより、検出装置100における環境の変化の検出感度が低下する。1次モードを用いて共振器を発振させ、計測しようとすると、上記に挙げた課題が発生する。 As shown in Figures 3(a) and 3(b), as the thickness T1 of the sensitive film 18 increases, the resonance in the first mode decreases and the Q value decreases. This makes it harder for the resonator 40 to resonate. On the other hand, as the sensitive film 18 becomes thinner, the number of sites in the sensitive film 18 that adsorb specific substances decreases. In addition, the surface roughness of the sensitive film 18 becomes smaller. As the sensitive film 18 becomes thinner, the number of sites in the sensitive film 18 that adsorb specific substances decreases, so changes in the mass of the sensitive film 18 due to environmental changes become smaller. This reduces the detection sensitivity of the detection device 100 to environmental changes. The above-mentioned issues arise when attempting to oscillate and measure the resonator using the first mode.
[実験]
共振器40を作製し共振器40の共振応答を測定した。感応膜18以外の共振器40の作製条件は、若干の製造誤差はあるものの、実質シミュレーション1の条件と同じである。感応膜18の厚さTをそれぞれ0nm、130nm、297nm、324nmおよび506nmとしたサンプルを作製した。なお、厚さTは感応膜18の作製時に段差計で測定した結果である。
[experiment]
A resonator 40 was fabricated and the resonance response of the resonator 40 was measured. The fabrication conditions for the resonator 40, except for the sensitive film 18, were essentially the same as those in Simulation 1, although there were some manufacturing errors. Samples were fabricated with the thickness T of the sensitive film 18 set to 0 nm, 130 nm, 297 nm, 324 nm, and 506 nm. The thickness T was measured using a step gauge when the sensitive film 18 was fabricated.
図4(a)から図4(c)は、実験における周波数に対するインピーダンス|Z|を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸はインピーダンスの絶対値|Z|である。図4(a)から図4(c)は、感応膜18の厚さTは段差計を用い測定しそれぞれ297nm、324nmおよび506nmである。各図内のT=0nmは共振器に感応膜18を形成する前に測定した結果である。 Figures 4(a) to 4(c) show the impedance |Z| versus frequency in the experiment. The horizontal axis is frequency, and the vertical axis is the absolute value of the impedance |Z|. In Figures 4(a) to 4(c), the thickness T of the sensitive film 18 was measured using a step gauge and was found to be 297 nm, 324 nm, and 506 nm, respectively. T = 0 nm in each figure represents the result measured before the sensitive film 18 was formed on the resonator.
図4(a)に示すように、感応膜18を形成する前には、共振周波数fr1および反共振周波数fa1を有するピークが観測される。厚さT=297nmの感応膜18を形成した後には、共振周波数fr1および反共振周波数fa1を有するピークと、共振周波数fr2および反共振周波数fa2を有するピークと、が観測される。共振周波数fr1および反共振周波数fa1は、T=0nmの共振周波数fr1および反共振周波数fa1より低い周波数である。共振周波数fr2および反共振周波数fa2は、T=0nmの共振周波数fr1および反共振周波数fa1より高い周波数である。 As shown in Figure 4(a), before the sensitive film 18 is formed, a peak having a resonant frequency f r1 and an anti-resonant frequency f a1 is observed. After the sensitive film 18 with a thickness T = 297 nm is formed, a peak having a resonant frequency f r1 and an anti-resonant frequency f a1 , and a peak having a resonant frequency f r2 and an anti-resonant frequency f a2 are observed. The resonant frequency f r1 and the anti-resonant frequency f a1 are lower than the resonant frequency f r1 and the anti-resonant frequency f a1 at T = 0 nm. The resonant frequency f r2 and the anti-resonant frequency f a2 are higher than the resonant frequency f r1 and the anti-resonant frequency f a1 at T = 0 nm.
図4(b)に示すように、厚さT=324nmの感応膜18を有するサンプルの共振周波数fr1および反共振周波数fa1は、図4(a)のT=297nmのサンプルの共振周波数fr1および反共振周波数fa1より低い周波数にシフトする。T=324nmの共振周波数fr2および反共振周波数fa2は、T=297nmの共振周波数fr2および反共振周波数fa2より低い周波数にシフトし、感応膜18を成膜する前の共振周波数fr1および反共振周波数fa1に近づく。T=324nmにおける共振周波数fr2の|Z|に対する反共振周波数fa2の|Z|のZ比およびQ値は、T=297nmにおけるZ比およびQ値より高い。 As shown in Fig. 4(b), the resonant frequency f r1 and antiresonant frequency f a1 of the sample having a sensitive film 18 with a thickness T = 324 nm are shifted to lower frequencies than the resonant frequency f r1 and antiresonant frequency f a1 of the sample having a thickness T = 297 nm in Fig. 4(a). The resonant frequency f r2 and antiresonant frequency f a2 at T = 324 nm are shifted to lower frequencies than the resonant frequency f r2 and antiresonant frequency f a2 at T = 297 nm, and approach the resonant frequency f r1 and antiresonant frequency f a1 before the sensitive film 18 was formed. The Z ratio and Q value of |Z| of the antiresonant frequency f a2 to |Z| of the resonant frequency f r2 at T = 324 nm are higher than the Z ratio and Q value at T = 297 nm.
図4(c)に示すように、厚さT=506nmの感応膜18を有するサンプルの共振周波数fr2および反共振周波数fa2は、感応膜18を形成する前(T=0nm)の共振周波数fr1および反共振周波数fa1とほぼ同じ周波数である。 As shown in FIG. 4C, the resonant frequency f r2 and anti-resonant frequency f a2 of the sample having the sensitive film 18 with a thickness T=506 nm are approximately the same as the resonant frequency f r1 and anti-resonant frequency f a1 before the sensitive film 18 is formed (T=0 nm).
図4(a)から図4(c)のように、T=297nmおよび324nmのサンプルでは、感応膜18の厚さTが大きくなると、共振周波数fr1および反共振周波数fa1のピークは小さくなりかつ低周波数にシフトする。T=297nmでは、共振周波数fr2および反共振周波数fa2のピークが2600MHz~2700MHz付近において観察される。T=324nmおよび506nmのサンプルのように、感応膜18の厚さTが大きくなると、共振周波数fr2および反共振周波数fa2のピークは、大きくなりかつ低周波数にシフトし、感応膜18を成膜する前の設計周波数(すなわち共振周波数fr1および反共振周波数fa1)に近づく。 4( a) to 4(c), in the samples with T=297 nm and 324 nm, as the thickness T of the sensitive film 18 increases, the peaks of the resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 become smaller and shift to lower frequencies. At T=297 nm, the peaks of the resonant frequency f r2 and the antiresonant frequency f a2 are observed near 2600 MHz to 2700 MHz. As in the samples with T=324 nm and 506 nm, as the thickness T of the sensitive film 18 increases, the peaks of the resonant frequency f r2 and the antiresonant frequency f a2 become larger and shift to lower frequencies, approaching the designed frequencies (i.e., the resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 ) before the sensitive film 18 was formed.
図5は、実験における周波数に対するインピーダンス|Z|を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸はインピーダンスの絶対値|Z|である。図5に示すように、T=130nmのサンプルでは、共振周波数fr1および反共振周波数fa1の大きなピークが観察される。共振周波数fr2および反共振周波数fa2のピークは2900MHz以下では観察されない。 FIG. 5 is a graph showing the impedance |Z| versus frequency in the experiment. The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents the absolute value of the impedance |Z|. As shown in FIG. 5, in the sample with T=130 nm, large peaks are observed at the resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 . No peaks are observed at the resonant frequency f r2 and the antiresonant frequency f a2 below 2900 MHz.
図6(a)および図6(b)は、実験における周波数に対するQ値を示す図である。図6(b)は、図6(a)の拡大図である。横軸は周波数であり、縦軸はQ値である。図6(a)および図6(b)に示すように、T=130nmのサンプルでは、共振周波数fr1と反共振周波数fa1の間に大きなQ値のピークが観察される。T=297nmのサンプルでは、共振周波数fr2と反共振周波数fa2の間にQ値のピークが観察される。T=297nmのサンプルのQ値のピークはT=130nmのサンプルのQ値のピークより非常に小さい。T=324nmのサンプルでは、共振周波数fr2と反共振周波数fa2の間のQ値のピークはT=297nmのサンプルより大きくなる。T=506nmのサンプルでは、共振周波数fr2と反共振周波数fa2の間のQ値のピークはT=324nmのサンプルよりさらに大きくなる。このように、2次モードにおけるQ値は、感応膜18が厚くなると大きくなる。 6(a) and 6(b) show the Q-factor versus frequency in the experiment. FIG. 6(b) is an enlarged view of FIG. 6(a). The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents the Q-factor. As shown in FIGS. 6(a) and 6(b), a large Q-factor peak is observed between the resonant frequency f r1 and the antiresonant frequency f a1 in the T=130 nm sample. In the T=297 nm sample, a Q-factor peak is observed between the resonant frequency f r2 and the antiresonant frequency f a2 . The Q-factor peak for the T=297 nm sample is much smaller than that for the T=130 nm sample. In the T=324 nm sample, the Q-factor peak between the resonant frequency f r2 and the antiresonant frequency f a2 is larger than that for the T=297 nm sample. In the T=506 nm sample, the Q-factor peak between the resonant frequency f r2 and the antiresonant frequency f a2 is even larger than that for the T=324 nm sample. Thus, the Q value in the second-order mode increases as the sensitive film 18 becomes thicker.
図7(a)は、実験におけるT=450nmサンプルの周波数に対するインピーダンス|Z|を示す図、図7(b)は、図7(a)の拡大図である。横軸は周波数であり、縦軸はインピーダンスの絶対値|Z|である。図7(a)は図5より周波数範囲を大きくしている。図7(b)は、周波数が1400MHz付近を拡大している。T=0nmは、感応膜18を形成する前の特性である。図7(a)および図7(b)に示すように、T=450nmでは、1400MHzに小さなピークがあり、このピークが1次モードの共振周波数fr1および反共振周波数fa1のピークである。T=0nmの1次モードの共振周波数fr1および反共振周波数fa1のピークとほぼ同じ周波数を有する共振周波数fr2および反共振周波数fa2は2次モードの共振周波数fr2および反共振周波数fa2のピークと考えられる。 FIG. 7(a) shows the impedance |Z| versus frequency for a T=450 nm sample in an experiment, and FIG. 7(b) is an enlarged view of FIG. 7(a). The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents the absolute value of impedance |Z|. FIG. 7(a) shows a wider frequency range than FIG. 5. FIG. 7(b) shows an enlarged view of a frequency near 1400 MHz. T=0 nm represents the characteristics before the formation of the sensitive film 18. As shown in FIGS. 7(a) and 7(b), at T=450 nm, there is a small peak at 1400 MHz, which is the peak of the first-order mode resonant frequency f r1 and antiresonant frequency f a1 . The resonant frequency f r2 and antiresonant frequency f a2 , which have approximately the same frequencies as the peaks of the first-order mode resonant frequency f r1 and antiresonant frequency f a1 at T=0 nm , are considered to be the peaks of the second-order mode resonant frequency f r2 and antiresonant frequency f a2 .
[シミュレーション2]
感応膜18が厚くなると2次モードのQ値が高くなる理由を調べるため、1次モードおよび2次モードにおける積層膜20内の変位をシミュレーションした。シミュレーション条件はシミュレーション1と同じである。感応膜18については、感応膜18の厚さは一定とし、感応膜18のヤング率を変えることで、感応膜18の厚さTを疑似的に変えた状態を再現した。
[Simulation 2]
To investigate why the Q value of the second-order mode increases as the sensitive film 18 becomes thicker, the displacement in the laminated film 20 in the first and second modes was simulated. The simulation conditions were the same as in Simulation 1. The thickness of the sensitive film 18 was kept constant, and the Young's modulus of the sensitive film 18 was changed to reproduce a state in which the thickness T of the sensitive film 18 was artificially changed.
図8(a)から図8(c)は、シミュレーション2におけるZ方向の位置に対する変位を示す図である。縦軸がZ方向の位置を示し、下部電極12の下面をZ=0に設定している、横軸は弾性波による変位を示している。下部電極12上および上部電極16下に記載した丸+および丸-は、弾性波の変位により生じる電位の正および負を示している。 Figures 8(a) to 8(c) show displacement relative to position in the Z direction in Simulation 2. The vertical axis represents position in the Z direction, with the bottom surface of the lower electrode 12 set at Z=0, and the horizontal axis represents displacement due to elastic waves. The circles + and - written on the lower electrode 12 and under the upper electrode 16 represent the positive and negative potentials generated by displacement of the elastic waves.
図8(a)では、感応膜18が設けられていない。図8(a)に示すように、1次モード(基本波モード)では、積層膜20の厚さが弾性波の波長λの1/2に相当する。1次モードの共振状態では、時間とともに、下部電極12が負電位および上部電極16が正電位の状態と、下部電極12が正電位および上部電極16が負電位の状態と、が繰り返される。図8(a)では、下部電極12が負電位であり上部電極16が正電位のときを示している。これにより、1次モードの電気励振が可能である。 In Figure 8(a), the sensitive film 18 is not provided. As shown in Figure 8(a), in the primary mode (fundamental wave mode), the thickness of the laminated film 20 corresponds to half the wavelength λ of the elastic wave. In the primary mode resonance state, over time, a state in which the lower electrode 12 is at a negative potential and the upper electrode 16 is at a positive potential, and a state in which the lower electrode 12 is at a positive potential and the upper electrode 16 is at a negative potential, are repeated. Figure 8(a) shows the state when the lower electrode 12 is at a negative potential and the upper electrode 16 is at a positive potential. This enables electrical excitation in the primary mode.
2次モード(2次高調波モード)では、積層膜20の厚さが弾性波の波長λに相当する。下部電極12が正電位のときは上部電極16も正電位である。このように、2次モードでは、下部電極12と上部電極16とがほぼ同じ電位となるため、電気励振ができない。 In the second-order mode (second-order harmonic mode), the thickness of the laminated film 20 corresponds to the wavelength λ of the elastic wave. When the lower electrode 12 is at a positive potential, the upper electrode 16 is also at a positive potential. Thus, in the second-order mode, the lower electrode 12 and upper electrode 16 are at approximately the same potential, making electrical excitation impossible.
図8(b)および図8(c)では、上部電極16上に感応膜18が設けられている。感応膜18のヤング率は、下部電極12、圧電層14および上部電極16のヤング率より小さい。図8(b)に示すように、感応膜18が設けられると、感応膜18内に弾性波の変位が入る。このため、感応膜18を含めた積層膜20の厚さが1次モードでは、λ/2に相当し、2次モードでは、λに相当する。下部電極12、圧電層14および上部電極16のヤング率より感応膜18のヤング率が小さいと、感応膜18内の弾性波の変位が大きくなるため、電位も感応膜18内で大きく変化する。図8(b)では、感応膜18のヤング率はさほど低くないため、下部電極12、圧電層14および上部電極16における1次モードおよび2次モードの電位は、図8(a)とほとんど変わらない。これにより、1次モードでは電気励振可能であるが、2次モードでは電気励振ができない。 In Figures 8(b) and 8(c), a sensitive film 18 is provided on the upper electrode 16. The Young's modulus of the sensitive film 18 is smaller than that of the lower electrode 12, piezoelectric layer 14, and upper electrode 16. As shown in Figure 8(b), when the sensitive film 18 is provided, elastic wave displacement enters the sensitive film 18. Therefore, the thickness of the laminated film 20 including the sensitive film 18 corresponds to λ/2 in the primary mode and λ in the secondary mode. If the Young's modulus of the sensitive film 18 is smaller than that of the lower electrode 12, piezoelectric layer 14, and upper electrode 16, the displacement of the elastic wave in the sensitive film 18 becomes larger, and the potential also changes significantly within the sensitive film 18. In Figure 8(b), the Young's modulus of the sensitive film 18 is not so low, so the primary and secondary mode potentials in the lower electrode 12, piezoelectric layer 14, and upper electrode 16 are almost the same as those in Figure 8(a). This allows electrical excitation in the primary mode, but not in the secondary mode.
図8(c)では、感応膜18のヤング率を図8(b)より小さくし、図8(b)の感応膜18の厚さTより感応膜18を疑似的に厚くする。図8(b)よりさらに、感応膜18内に弾性波の変位が入る。1次モードでは、λ/2の変位のうちλ/4以上の変位が感応膜18内で生じる。このため、1次モードにおける下部電極12と上部電極16との電位差は図8(b)より小さくなる。これにより、1次モードの共振応答は図8(b)より小さくなると考えられる。2次モードでは、λの変位のうちλ/2以上の変位が感応膜18内で生じる。このため、下部電極12が正電位となり上部電極16が負電位となる。これにより、2次モードの電気励振が可能となる。 In Figure 8(c), the Young's modulus of the sensitive membrane 18 is made smaller than in Figure 8(b), and the sensitive membrane 18 is artificially thicker than the thickness T of the sensitive membrane 18 in Figure 8(b). Compared to Figure 8(b), elastic wave displacement enters the sensitive membrane 18 even more. In the primary mode, a displacement of λ/4 or more of the λ/2 displacement occurs within the sensitive membrane 18. Therefore, the potential difference between the lower electrode 12 and the upper electrode 16 in the primary mode is smaller than in Figure 8(b). As a result, it is thought that the resonant response in the primary mode is smaller than in Figure 8(b). In the secondary mode, a displacement of λ or more of the λ displacement occurs within the sensitive membrane 18. Therefore, the lower electrode 12 has a positive potential and the upper electrode 16 has a negative potential. This enables electrical excitation in the secondary mode.
以上のように、感応膜18を厚くすると、1次モードの共振応答が小さくなり、2次モードの共振応答が大きくなると考えられる。 As described above, it is believed that increasing the thickness of the sensitive film 18 reduces the resonant response of the first mode and increases the resonant response of the second mode.
実施例1によれば、共振器40は、上部電極16(第1電極)と下部電極12(第2電極)とが圧電層14の少なくとも一部を挟み設けられた圧電部と、上部電極16の圧電層14と反対側に設けられた感応膜18と、を備える。共振器40は、感応膜18の質量の変化に対応し2次モードにおける共振周波数fr2および反共振周波数fa2の少なくとも一方の周波数が変化する。検出器45は、共振周波数fr2および反共振周波数fa2の少なくとも一方の変化に基づき、環境の変化を検出する。これにより、感応膜18を厚くしても、Q値の高い共振応答を得られる。感応膜18を厚くできるため、環境の変化に対応する感応膜18の質量の変化を大きくできる。これらにより、検出装置100の環境の変化の検出感度を向上できる。 According to the first embodiment, the resonator 40 includes a piezoelectric portion including an upper electrode 16 (first electrode) and a lower electrode 12 (second electrode) sandwiching at least a portion of the piezoelectric layer 14, and a sensitive film 18 provided on the upper electrode 16 opposite the piezoelectric layer 14. The resonator 40 changes at least one of the resonant frequency f r2 and the anti-resonant frequency f a2 in the second mode in response to changes in the mass of the sensitive film 18. The detector 45 detects environmental changes based on the changes in at least one of the resonant frequency f r2 and the anti-resonant frequency f a2 . This allows a resonant response with a high Q factor to be obtained even when the sensitive film 18 is thick. Because the sensitive film 18 can be thickened, the change in the mass of the sensitive film 18 corresponding to environmental changes can be increased. These features improve the detection sensitivity of the detection device 100 to environmental changes.
実施例1では、2次モードにおける共振周波数fr2および反共振周波数fa2を例に説明したが、偶数次モードでは、感応膜18を設けなければ、下部電極12と上部電極16の電位がほぼ同じとなり、電気励振がほとんど生じない。感応膜18の厚さTを大きくすることで、下部電極12と上部電極16との間の電位差が大きくなり、偶数次モードの電気励振が可能となる。なお、偶数次モードとして4次モードでは、積層膜20の厚さがほぼ2λであり、6次モードでは、積層膜20の厚さがほぼ3λである。このように、偶数次モードでは、n次モードのとき、積層膜20の厚さはほぼn×λ/2となる。 In the first embodiment, the resonant frequency f r2 and the anti-resonant frequency f a2 in the second mode were described as an example. However, in the even modes, if the sensitive film 18 is not provided, the potentials of the lower electrode 12 and the upper electrode 16 will be approximately the same, and electrical excitation will hardly occur. Increasing the thickness T of the sensitive film 18 increases the potential difference between the lower electrode 12 and the upper electrode 16, making electrical excitation in the even modes possible. In the fourth mode, which is an even mode, the thickness of the laminated film 20 is approximately 2λ, and in the sixth mode, the thickness of the laminated film 20 is approximately 3λ. Thus, in the even modes, in the nth mode, the thickness of the laminated film 20 is approximately n×λ/2.
また、1次モードにおける共振周波数fr1および反共振周波数fa1を例に説明したが、感応膜18を設けなければ、奇数次モードの励振が可能である。奇数次モードとして3次モードでは、積層膜20の厚さがほぼ3λ/2であり、5次モードでは、積層膜20の厚さがほぼ5λ/2である。このように、奇数次モードでは、n次モードのとき、積層膜20の厚さはほぼn×λ/2となる。共振器40では、感応膜18を設ける前の圧電部21での電気励振が可能な周波数を弾性波の奇数次モードとしたときに、感応膜18を圧電部21に設けたあとに、奇数次モードとは異なる電気励振が可能な弾性波の振動モードである偶数次モードである。 Furthermore, although the resonant frequency f r1 and anti-resonant frequency f a1 in the first mode have been described as an example, excitation of odd modes is possible if the sensitive film 18 is not provided. In the third mode, which is an odd mode, the thickness of the laminated film 20 is approximately 3λ/2, and in the fifth mode, the thickness of the laminated film 20 is approximately 5λ/2. Thus, in the nth mode, the thickness of the laminated film 20 is approximately n×λ/2 in the odd mode. In the resonator 40, if the frequency at which electrical excitation is possible in the piezoelectric portion 21 before the sensitive film 18 is provided is defined as the odd mode of elastic waves, then after the sensitive film 18 is provided on the piezoelectric portion 21, an even mode, which is a vibration mode of elastic waves that can be electrically excited, different from the odd mode, is provided.
図8(a)から図8(d)より、感応膜18の厚さTが大きくなると、共振器40は2次モードにおいて電気励振可能となる。図5から、感応膜18の厚さTが200nm以上において2次モードにおいて共振すると考えられる。積層膜20中では圧電層14が最も厚い。また、様々な共振周波数を有する共振器40を設計したとしても、圧電層14の厚さに対する下部電極12および上部電極16の厚さの比は大きくは変わらない。そこで、感応膜18の厚さTを圧電層14の厚さで規格化すると、感応膜18の厚さTは、200nmであり、圧電層14の厚さの0.2倍である。よって、感応膜18の厚さTは、圧電層14の厚さの0.2倍以上が好ましい。感応膜18の厚さTは、圧電層14の厚さの0.3倍以上がより好ましく、0.4倍以上がさらに好ましい。 8(a) to 8(d), as the thickness T of the sensitive film 18 increases, the resonator 40 becomes electrically excitable in the second-order mode. From FIG. 5, it appears that the resonator 40 resonates in the second-order mode when the thickness T of the sensitive film 18 is 200 nm or greater. The piezoelectric layer 14 is the thickest in the laminated film 20. Furthermore, even if resonators 40 with various resonant frequencies are designed, the ratio of the thickness of the lower electrode 12 and upper electrode 16 to the thickness of the piezoelectric layer 14 does not change significantly. Therefore, when the thickness T of the sensitive film 18 is normalized by the thickness of the piezoelectric layer 14, the thickness T of the sensitive film 18 is 200 nm, which is 0.2 times the thickness of the piezoelectric layer 14. Therefore, the thickness T of the sensitive film 18 is preferably 0.2 times or greater than the thickness of the piezoelectric layer 14. The thickness T of the sensitive film 18 is more preferably 0.3 times or greater than the thickness of the piezoelectric layer 14, and even more preferably 0.4 times or greater.
感応膜18が厚くなると、弾性波のほとんどの変位が感応膜18内になってしまい共振応答が小さくなる。例えば、T=506nmのとき、2次モードにおけるλの定在波のうちλ/2相当の変位が感応膜18内で変位しているとすると、例えばT=1000nmとしたときに、2λ/3相当の変位が感応膜18内で変位してしまい、下部電極12と上部電極16との電位差が小さくなる。これにより、共振応答が小さくなると考えられる。この観点から、感応膜18の厚さTは、圧電層14の厚さの1倍以下が好ましく、0.7倍以下がより好ましく、0.6倍以下がさらに好ましい。 When the sensitive film 18 is thick, most of the displacement of the elastic wave is within the sensitive film 18, resulting in a smaller resonant response. For example, if, when T = 506 nm, a displacement equivalent to λ/2 of the λ standing wave in the second-order mode is displaced within the sensitive film 18, then when T = 1000 nm, a displacement equivalent to 2λ/3 is displaced within the sensitive film 18, reducing the potential difference between the lower electrode 12 and the upper electrode 16. This is thought to result in a smaller resonant response. From this perspective, the thickness T of the sensitive film 18 is preferably no more than 1 time the thickness of the piezoelectric layer 14, more preferably no more than 0.7 times, and even more preferably no more than 0.6 times.
感応膜18のヤング率が低くなると弾性波の変位は感応膜18内により入りやすくなる。感応膜18として用いた銅フタロシアニンのヤング率は55GPa、ポアソン比は0.35である。そこで、感応膜18として、20GPa~80GPaかつポアソン比が0.2~0.4であれば、実験の結果を一般化できると考える。圧電層14の窒化アルミニウム層は等方的でないため、弾性スティフネスを用いて検討する。圧電層14は、結晶方位のZ軸方向が図2(a)および図2(b)におけるZ方向になるように配向する多結晶である。そこで弾性スティフネスC33について検討する。なお、弾性スティフネスC33の添え字3は窒化アルミニウムのZ軸方向を示す。圧電層14の窒化アルミニウムのC33は280GPa~340GPaである、一方、感応膜18のヤング率を20GPa~80GPaかつポアソン比が0.2~0.4とする。このとき、感応膜18の弾性スティフネスC33は圧電層14の弾性スティフネスC33の0.06倍~0.62倍であれば、実験の結果を一般化できると考えられる。感応膜18のC33は圧電層14のC33の0.1倍~0.5倍が好ましく、0.2倍~0.4倍がより好ましい。 As the Young's modulus of the sensitive film 18 decreases, the displacement of the elastic wave becomes more likely to penetrate into the sensitive film 18. The Young's modulus of the copper phthalocyanine used as the sensitive film 18 is 55 GPa and the Poisson's ratio is 0.35. Therefore, we believe that the experimental results can be generalized if the sensitive film 18 has a modulus of 20 GPa to 80 GPa and a Poisson's ratio of 0.2 to 0.4. Because the aluminum nitride layer of the piezoelectric layer 14 is not isotropic, we will use elastic stiffness for our analysis. The piezoelectric layer 14 is a polycrystal oriented so that the Z-axis direction of the crystal orientation is the Z direction in Figures 2(a) and 2(b). Therefore, we will consider the elastic stiffness C33 . Note that the subscript 3 in elastic stiffness C33 indicates the Z-axis direction of the aluminum nitride. The C33 of the aluminum nitride of the piezoelectric layer 14 is 280 GPa to 340 GPa, while the Young's modulus of the sensitive film 18 is 20 GPa to 80 GPa and the Poisson's ratio is 0.2 to 0.4. In this case, it is believed that the experimental results can be generalized if the elastic stiffness C33 of the sensitive film 18 is 0.06 to 0.62 times the elastic stiffness C33 of the piezoelectric layer 14. The C33 of the sensitive film 18 is preferably 0.1 to 0.5 times the C33 of the piezoelectric layer 14, and more preferably 0.2 to 0.4 times.
感応膜18の密度も弾性波の変位に関係する。感応膜18として用いた銅フタロシアニンの密度は1.5g/cm3である。そこで、感応膜18の密度として、1.2g/cm3~1.7g/cm3であれば、実験の結果を一般化できると考える。圧電層14の窒化アルミニウム層の密度は3.2g/cm3~3.4g/cm3である。よって、感応膜18の密度は圧電層14の密度の0.35倍以上かつ0.54倍以下であれば、実験の結果を一般化できると考えられる。感応膜18の密度は圧電層14の密度の0.4倍~0.5倍が好ましい。 The density of the sensitive film 18 also relates to the displacement of the elastic wave. The density of the copper phthalocyanine used as the sensitive film 18 is 1.5 g/cm 3. Therefore, it is believed that the experimental results can be generalized if the density of the sensitive film 18 is 1.2 g/cm 3 to 1.7 g/cm 3. The density of the aluminum nitride layer of the piezoelectric layer 14 is 3.2 g/cm 3 to 3.4 g/cm 3. Therefore, it is believed that the experimental results can be generalized if the density of the sensitive film 18 is 0.35 to 0.54 times the density of the piezoelectric layer 14. It is preferable that the density of the sensitive film 18 is 0.4 to 0.5 times the density of the piezoelectric layer 14.
圧電層14が窒化アルミニウム層のとき、感応膜18のヤング率は20GPa以上かつ80GPa以下が好ましく、30GPa以上かつ70Gpa以下がより好ましく、50GPa以上かつ60GPa以下がさらに好ましい。感応膜18の密度は1.2g/cm3以上かつ1.7g/cm3以下が好ましく、1.3g/cm3以上かつ1.65g/cm3以下が好ましく、1.4g/cm3以上かつ1.6g/cm3以下がより好ましい。 When the piezoelectric layer 14 is an aluminum nitride layer, the Young's modulus of the sensitive film 18 is preferably 20 GPa to 80 GPa, more preferably 30 GPa to 70 GPa, and even more preferably 50 GPa to 60 GPa. The density of the sensitive film 18 is preferably 1.2 g/ cm3 to 1.7 g/ cm3 , preferably 1.3 g/ cm3 to 1.65 g/ cm3 , and more preferably 1.4 g/ cm3 to 1.6 g/ cm3 .
圧電層14は窒化アルミニウム層であり、感応膜18は、金属フタロシアニンを主成分とする。これにより、感応膜18は、銅フタロシアニンと同程度のヤング率および密度を有する。よって、実験の結果をより一般化できる。なお、感応膜18が金属フタロシアニンを主成分とするとは、感応膜18が金属フタロシアニン以外の不純物を意図的または意図せず含んでいてもよい。感応膜18の金属フタロシアニンの割合は例えば50重量%以上または80重量%以上である。 The piezoelectric layer 14 is an aluminum nitride layer, and the sensitive film 18 is primarily composed of metal phthalocyanine . This gives the sensitive film 18 a Young's modulus and density comparable to those of copper phthalocyanine. This allows the experimental results to be more generalized. Note that the sensitive film 18 being primarily composed of metal phthalocyanine may also contain impurities other than metal phthalocyanine , either intentionally or unintentionally. The proportion of metal phthalocyanine in the sensitive film 18 is, for example, 50% by weight or more, or 80% by weight or more.
図1の検出装置100は、感応膜18を設ける前に、共振器40の1次モードにおける共振応答を用い検出器45の調整を行う。感応膜18を設けた共振器40の共振周波数または反共振周波数が感応膜18を設ける前の共振器の共振周波数または反共振周波数と大きく異なると、検出器45を再度調整することになる。この観点から、共振器40の偶数次モードにおける共振周波数は、共振器40から感応膜18を除去した共振器の1次モードにおける共振周波数の0.85倍以上かつ1.15倍以下であることが好ましく、0.9倍以上かつ1.1倍以下がより好ましく、0.95倍以上かつ1.05倍以下がさらに好ましい。 In the detection device 100 of FIG. 1, the detector 45 is adjusted using the resonance response in the first mode of the resonator 40 before the sensitive film 18 is provided. If the resonance frequency or anti-resonance frequency of the resonator 40 with the sensitive film 18 provided is significantly different from the resonance frequency or anti-resonance frequency of the resonator before the sensitive film 18 is provided, the detector 45 will need to be adjusted again. From this perspective, the resonance frequency in the even mode of the resonator 40 is preferably 0.85 to 1.15 times the resonance frequency in the first mode of the resonator 40 after the sensitive film 18 has been removed, more preferably 0.9 to 1.1 times, and even more preferably 0.95 to 1.05 times.
これまでは、共振器40が有する圧電部21の共振周波数または反共振周波数は、感応膜18を形成することで変化が生じていた。このため、発振回路42は、この変化した共振周波数を発振させるための調整が必要であった。本実施例では、圧電部21に感応膜18を形成し、偶数次モードで発振させるので、圧電部21の共振周波数または反共振周波数を感応膜18形成前に近づけることができる。このため、発振回路42の調整が不要となる。さらに、感応膜18を厚く形成できるので、検出装置100の感度向上を実現できる。 Until now, the resonant frequency or anti-resonant frequency of the piezoelectric portion 21 of the resonator 40 has changed when the sensitive film 18 is formed. As a result, the oscillator circuit 42 needed to be adjusted to oscillate at this changed resonant frequency. In this embodiment, a sensitive film 18 is formed on the piezoelectric portion 21 and oscillates in an even-order mode, so the resonant frequency or anti-resonant frequency of the piezoelectric portion 21 can be brought closer to that before the sensitive film 18 was formed. This eliminates the need to adjust the oscillator circuit 42. Furthermore, the sensitive film 18 can be formed thicker, thereby improving the sensitivity of the detection device 100.
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。 Although the present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the invention as set forth in the claims.
10 基板
12 下部電極
14 圧電層
16 上部電極
17 保護膜
18 感応膜
20 積層膜
21 圧電部
22 空隙
40 共振器
42 発振回路
44 測定器
45 検出器
46 算出器
50 共振領域
T 厚さ
REFERENCE SIGNS LIST 10 Substrate 12 Lower electrode 14 Piezoelectric layer 16 Upper electrode 17 Protective film 18 Sensitive film 20 Laminated film 21 Piezoelectric portion 22 Gap 40 Resonator 42 Oscillator circuit 44 Measuring device 45 Detector 46 Calculator 50 Resonance region T Thickness
Claims (8)
前記第1電極の前記圧電層の反対側に設けられ、環境の変化により質量が変化する感応膜と、を備え、
前記質量の変化に対応し、前記感応膜が設けられていない前記圧電部での電気励振が可能な周波数を弾性波の奇数次モードとしたときに、前記感応膜を前記圧電部に設けたあと、前記奇数次モードとは異なる電気励振が可能な弾性波の振動モードである偶数次モードにおける共振周波数および反共振周波数の少なくとも一方の周波数が変化する共振器と、
前記少なくとも一方の周波数の変化に基づき、前記環境の変化を検出する検出器と、
を備える検出装置。 a piezoelectric portion including a piezoelectric layer and a first electrode and a second electrode sandwiching at least a portion of the piezoelectric layer;
a sensitive film that is provided on the opposite side of the piezoelectric layer from the first electrode and whose mass changes in response to a change in the environment;
a resonator in which, when a frequency at which electrical excitation is possible in the piezoelectric portion where the sensitive film is not provided is defined as an odd-order mode of an elastic wave, at least one of a resonance frequency and an anti-resonance frequency in an even-order mode, which is a vibration mode of an elastic wave that can be electrically excited different from the odd-order mode, changes in response to the change in mass, after the sensitive film is provided on the piezoelectric portion;
a detector that detects a change in the environment based on a change in the at least one frequency;
A detection device comprising:
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