(57)【要約】  圧電音響共振器は少なくとも１つの圧電層と第１の電極と少なくとも１つの第２の電極とを有しており、各電極は電気的な駆動により圧電音響共振器が所定の共振周波数で共振するように配置されており、基板表面は基板と圧電音響共振器とを音響的に分離するために基板に組み込まれた音響鏡から形成されている。本発明によれば、評価装置と電極のうち少なくとも１つとが電気導体路を介して電気的に接続されており、電気導体路は音響鏡の開口部を通っている。音響鏡は音響インピーダンスのそれぞれ異なるλ／４厚さの層を備えたブラッグリフレクタを含む。最上部の層は二酸化ケイ素から成り、導通路と導体層とを電気的に絶縁する開口部内の絶縁層として機能する。なお、本発明の装置は液体中の物質を検出する検出装置の物理的トランスデューサ（バイオセンサ）として用いられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１２）と、基板表面（１２１）に配置された少なくとも１つの圧電音響共振器（１０）と、該圧電音響共振器の共振周波数を求める少なくとも１つの評価装置（１３）とを備えた装置（１）であって、
前記圧電音響共振器は少なくとも１つの圧電層（１１２）と、第１の電極（１１３）と、少なくとも１つの第２の電極（１１４）とを有しており、該第１の電極および該第２の電極はこれらの電極を電気的に駆動することにより前記圧電音響共振器が所定の共振周波数で共振するように配置されており、
前記基板表面は、前記基板と前記圧電音響共振器とを音響的に分離するために該基板に組み込まれた音響鏡（１４）から形成されている、
装置において、
前記評価装置と前記電極のうち少なくとも１つとは電気導体路（１５）を介して電気的に接続されており、
前記電気導体路は前記音響鏡の開口部を通っている
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記音響鏡の前記開口部の側縁（１４２１）には開口部用絶縁材料を有する電気的絶縁層（１４２２）が設けられており、該電気的絶縁層上に前記電気導体路が被着されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記評価装置は前記基板内に組み込まれた読み出し回路（１３１）を有しており、該読み出し回路は前記電気導体路を介して前記電極に電気的に接続されている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記圧電音響共振器は薄膜共振器である、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記電極のうちいずれか１つは前記音響鏡の直上に被着された第１の電極層を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記第２の電極は前記圧電層上に被着された第２の電極層を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記第２の電極層は、前記第１の電極層、前記第２の電極層、および、該２つの電極層のあいだに配置された前記圧電層が共振器積層体（１１１）を形成するように、前記圧電層上に被着されている、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記音響鏡は、第１の音響インピーダンスを有する第１の層（１４１１）と該第１の音響インピーダンスよりも高い第２の音響インピーダンスを有する第２の層（１４１２）とを上下方向に交互に積層した音響鏡積層体（１４１）を有しており、該第１の層および該第２の層の厚さは前記圧電音響共振器の共振波長の約１／４に相当する、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記第１の層は二酸化ケイ素を含む、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の層はタングステンを含む、請求項８または９記載の装置。
【請求項１１】
前記基板表面を形成する前記音響鏡積層体の最上部の層は音響鏡用絶縁材料を有する電気的絶縁層（１４１１）を有しており、前記音響鏡用絶縁材料は開口部用絶縁材料とほぼ同じである、請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記音響鏡の前記電気的絶縁層の厚さは前記開口部の前記電気的絶縁層の厚さとほぼ同じである、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記音響鏡の前記電気的絶縁層と前記開口部の前記電気的絶縁層とが組み合わされて共通の絶縁層を形成している、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記音響鏡用絶縁材料および前記開口部用絶縁材料は二酸化ケイ素を含む、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置の製造方法において、
ａ）基板表面が音響鏡によって形成された基板を設け、評価装置の読み出し回路への電気的接続のために前記音響鏡に開口部を設けるステップ、および
ｂ）電気的導体路を前記開口部内に配置し、前記読み出し回路と前記電気導体路とを電気的に接続するステップ
を有する
ことを特徴とする装置の製造方法。
【請求項１６】
前記基板を設けるステップにおいて、
ａ'）読み出し回路を内部に集積した基板を用意し、
ａ''）該基板の前記読み出し回路の上方に基板表面を形成する音響鏡を被着し、
ａ'''）前記音響鏡に前記読み出し回路へアクセスするための開口部を形成する、
請求項１５記載の装置の製造方法。
【請求項１７】
第１の音響インピーダンスを有する第１の層（１４１１）と該第１の音響インピーダンスよりも高い第２の音響インピーダンスを有する第２の層（１４１２）とを交互に積層し、該第１の層および該第２の層の厚さが前記圧電音響共振器の共振波長の約１／４に相当する音響鏡積層体（１４１）を有する音響鏡を使用する、請求項１５または１６記載の装置の製造方法。
【請求項１８】
前記開口部を形成した後、前記開口部の電気的絶縁層を被着する際に、前記音響鏡の絶縁層を、該絶縁層が前記基板表面を形成するように被着する、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の装置の製造方法。
【請求項１９】
前記音響鏡の前記絶縁層を被着した後、前記音響鏡の前記絶縁層によって形成される前記基板表面に圧電音響共振器を被着する、請求項１８記載の装置の製造方法。
【請求項２０】
液体中の物質を検出する装置の物理的トランスデューサとして用いられることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板と、基板表面に配置された少なくとも１つの圧電音響共振器と、該圧電音響共振器の共振周波数を求める少なくとも１つの評価装置とを備えた装置であって、前記圧電音響共振器は少なくとも１つの圧電層と、第１の電極と、少なくとも１つの第２の電極とを有しており、該第１の電極および該第２の電極はこれらの電極を電気的に駆動することにより前記圧電音響共振器が所定の共振周波数で共振するように配置されており、前記基板表面は前記基板と前記圧電音響共振器とを音響的に分離するために該基板に組み込まれた音響鏡から形成されている装置に関する。本発明は、さらに、こうした装置の製造方法およびこうした装置の使用にも関する。
【０００２】
圧電音響共振器は例えば圧電音響薄膜共振器ＦＢＡＲ（フィルムバルクアコースティックレゾネータ）である。こうした薄膜共振器は例えば国際公開第２００４／０１７０６３号明細書に記載されている。薄膜共振器は、例えば、２つの電極層と、これらの電極層のあいだに配置された圧電セラミック層としての１つの圧電層とから成る。圧電セラミック層は複数の亜鉛酸化物の単結晶から成る多結晶層であり、電極層は例えば白金層である。電極層と圧電セラミック層とは、電極の電気的駆動によって電場が切り換えられて共振器の共振が生じるように配置されている。所定の電場の切り換えをともなう電気的駆動は、所定の共振周波数での共振を発生させる。共振周波数は特に各層の層厚さに依存して変化する。亜鉛酸化物の単結晶の配向状態に基づいて、共振器の厚み縦モード振動または厚みせん断モード振動が発生する。
【０００３】
薄膜共振器の各層を基板上、特にケイ素基板上に形成するために、蒸着法、特に気相蒸着法が行われる。共振周波数は基板内に組み込まれた評価装置によって求められる。しかし、従来技術では、評価装置と薄膜共振器の電極層とを電気的に接触させることは示されていない。
【０００４】
ここから、本発明の課題は、圧電音響共振器の複数の電極を省スペースで電気的に接触させ、共振周波数を簡単かつ確実に求められるようにすることである。
【０００５】
この課題は、基板と、基板表面に配置された少なくとも１つの圧電音響共振器と、該圧電音響共振器の共振周波数を求める少なくとも１つの評価装置とを備えた装置であって、前記圧電音響共振器は少なくとも１つの圧電層と、第１の電極と、少なくとも１つの第２の電極とを有しており、該第１の電極および該第２の電極はこれらの電極を電気的に駆動することにより前記圧電音響共振器が所定の共振周波数で共振するように配置されており、前記基板表面は前記基板と前記圧電音響共振器とを音響的に分離するために該基板に組み込まれた音響鏡から形成されている装置において、前記評価装置と前記電極のうち少なくとも１つとは電気導体路を介して電気的に接続されており、前記電気導体路は前記音響鏡の開口部を通っていることを特徴とする装置により解決される。ここで、電気的導体路とは、圧電音響共振器に信号を供給したり圧電音響共振器をアース電位へ接続したりするために用いられる線路である。
【０００６】
本発明の課題は、また、前述した装置の製造方法において、ａ）基板表面が音響鏡によって形成された基板を設け、評価装置の読み出し回路への電気的接続のために前記音響鏡に開口部を設け、ｂ）電気的導体路を前記開口部内に配置し、前記読み出し回路と前記電気導体路とを電気的に接続することにより解決される。
【０００７】
本発明の方法に関連して、有利には、基板を設けるステップにおいて、ａ'）読み出し回路を内部に集積した基板が用意され、ａ''）基板の読み出し回路の上方に音響鏡が被着されて該音響鏡によって基板表面が形成され、ａ'''）音響鏡に読み出し回路へアクセスするための開口部が形成される。ここで、圧電音響共振器は、有利には、音響鏡に開口部を形成する前に被着される。
【０００８】
有利には、音響鏡は、第１の音響インピーダンスを有する第１の層とこの第１の音響インピーダンスよりも高い第２の音響インピーダンスを有する第２の層とを上下方向に交互に積層した音響鏡積層体を有しており、第１の層および第２の層の厚さは圧電音響共振器の共振波長λの約１／４に相当する。層を堆積するために、有利には、蒸着法、特に化学蒸着法ＣＶＤまたは物理蒸着法ＰＶＤが用いられる。こうして厚さλ／４のブラッグリフレクタの形態の音響鏡が得られる。ケイ素基板に関連して特に適しているのは、二酸化ケイ素層とタングステン層とを上下方向に交互に積層した層列である。
【０００９】
本発明の有利な実施形態によれば、音響鏡の開口部の側縁（エッジ）には開口部用絶縁材料を有する電気的絶縁層が設けられており、この電気的絶縁層上に電気導体路が被着されている。
【００１０】
本発明の別の有利な実施形態によれば、基板表面を形成する音響鏡積層体の最上部の層は音響鏡用絶縁材料を有する電気的絶縁層を有しており、音響鏡の絶縁材料は開口部の絶縁材料とほぼ同じである。これは、音響鏡の絶縁層が開口部の絶縁層と同様に二酸化ケイ素から形成されていることを意味する。特に、音響鏡の絶縁層の層厚さと開口部の絶縁層の層厚さとはほぼ同じである。有利には、当該の層厚さは、圧電音響共振器の共振波長λの約１／４に相当する。
【００１１】
本発明の別の有利な実施形態によれば、音響鏡の電気的絶縁層と開口部の前記電気的絶縁層とが組み合わされて共通の絶縁層を形成している。特に、音響鏡に開口部を形成した後に開口部に絶縁層が被着され、この被着のステップのあいだに、音響鏡の絶縁層が、基板表面を形成するように被着される。２つの絶縁層は有利には唯一のステップで形成されるが、基本的には２つの絶縁層を順次にそれぞれのステップで形成してもよい。
【００１２】
音響鏡の絶縁層を被着した後、圧電音響共振器は音響鏡の絶縁層によって形成される基板表面へ被着される。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、圧電音響共振器は薄膜共振器である。複数の電極は複数の電極層である。電極層および圧電層は相互に任意に配置することができる。有利には、薄膜共振器は共振器積層体を有しており、ここで、第１の電極は音響鏡上に被着される第１の電極層を有する。第１の電極層上に圧電層が被着される。第２の電極は圧電層の直上に被着される第２の電極層を有する。このようにして、電極層のあいだに圧電層の配置された共振器積層体が形成される。
【００１４】
有利には、圧電層は亜鉛酸化物またはアルミニウム窒化物から成る多結晶層である。相応の単結晶のＣ極性軸を適切に配向すれば、圧電音響共振器を励振して厚みせん断モードを形成することができる。
【００１５】
有利には、本発明の装置は液体中の物質を検出する装置の物理的トランスデューサとして用いられる。ここでは、共振器の表面をコーティングすることにより、共振器の質量が増大して共振周波数が増大するという効果が利用される。厚みせん断モードの振動により、本発明の装置を用いて、流体を検査することができる。
【００１６】
本発明の利点を次に挙げる。
・本発明によれば、基板上の圧電音響共振器を含む装置の構造スペースが節約される。
・特に、圧電音響共振器の共振器積層体において最上部の二酸化ケイ素層と開口部の絶縁層とが組み合わされて共通の絶縁層が用いられる場合、金属層すなわちタングステン層と電気的導体路との電気的絶縁が確実に行われる。
・音響鏡に関連して選択される共通の絶縁層の層厚さがλ／４であるので、電気的導体路と音響鏡との相互の容量分離が良好に達成される。共通の絶縁層がＳｉＯ２から形成される場合、共振周波数は１ＧＨｚを下回り、層厚さは１μｍを上回るので、効率的な電気的絶縁が達成される。
・付加的な絶縁層が必要ないので、製造コストが小さくて済む。
・最上部の鏡面層を絶縁層として利用することにより、音響鏡の構造が部分的に平坦化される。このような平坦な表面は、圧電音響共振器の製造時に場合によって必要となる後のフォトリソグラフィプロセスにとって有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】基板表面に圧電音響共振器を製造する本発明の製造方法の第１のステップを示す断面図である。
【図２】基板表面に圧電音響共振器を製造する本発明の製造方法の第２のステップを示す断面図である。
【図３】基板表面に圧電音響共振器を製造する本発明の製造方法の第３のステップを示す断面図である。
【００１８】
以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。なお、図は概略的なものであって、必ずしも縮尺通りに描かれていないことに注意されたい。
【００１９】
本発明の実施例によれば（図３）、装置１は基板１２の基板表面１２１上に３つの圧電音響共振器１１から成る共振器アレイを有する。各圧電音響共振器１１は圧電薄膜共振器である。各圧電音響共振器は、第１の電極または第１の電極層１１３，第２の電極または第２の電極層１１４、および、これらの電極または電極層のあいだに配置される圧電層１１２を有する共振器積層体から形成される。圧電層１１２は亜鉛酸化物の多結晶セラミック層（亜鉛酸化物膜）である。亜鉛酸化物膜の単結晶のＣ極性軸は基板表面に対して傾いている。こうして、共振器は電極層を電気的に駆動することにより励振され、厚み縦モード振動を起こすだけでなく、厚みせん断モード振動をも起こす。亜鉛酸化物膜の層厚さは約０．５μｍである。各電極層は白金から成る。上方の電極層は約１００ｎｍであり、下方の電極層は約８９０ｎｍである。薄膜共振器の横方向の広がりは約２００μｍである。
【００２０】
基板１２の基板表面１２１は基板内に組み込まれた音響鏡１４によって形成され、基板と共振器との音響的分離に寄与する。音響鏡１４は音響鏡積層体１４１を有する。当該の音響鏡積層体はブラッグリフレクタであり、相対的に低インピーダンスの第１の層１４１１とこの第１の層に比べて高インピーダンスの第２の層１４１２とが上下方向に交互に積層されたものである。第１の層は二酸化ケイ素から成り、第２の層はタングステンから成る。これらの層の厚さは共振器の共振周波数の波長λの約１／４である。
【００２１】
基板１２には共振周波数を求めるための評価装置１３が組み込まれている。評価装置１３には読み出し回路１３１が設けられている。当該の読み出し回路１３１は少なくとも１つの電極に電気的に接続されている。接続のために、電気的導体路１５が音響鏡の開口部１４２を通って通じている。導体路１５はアルミニウムから成る。音響鏡の開口部１４２の側縁（エッジ）１４２１には、導体路１５および音響鏡積層体のタングステンから成る第２の層１４１２に対する電気的絶縁のために、開口部の絶縁層１４２２が設けられている。当該の開口部の絶縁層１４２２は二酸化ケイ素から成る。
【００２２】
音響鏡積層体の最上部の層は音響鏡の絶縁層１４１４を形成している。当該の音響鏡の絶縁層１４１４と開口部の絶縁層１４２２とが共通の絶縁層１４３を形成している。音響鏡の絶縁層１４１４は基板表面１２１をなしており、その上に薄膜共振器の電極層が直接に被着されている。
【００２３】
こうした装置を製造するために、
ａ）基板表面１２１が音響鏡１４によって形成されたケイ素基板１２が設けられ、基板内に組み込まれる評価装置の読み出し回路への電気的接続のために音響鏡に開口部１４２が設けられ、
ｂ）電気的導体路１５が音響鏡の開口部１４２内に配置され、読み出し回路と電気導体路とが電気的に接続される。
【００２４】
基板を設ける際には、
ａ'）読み出し回路を内部に集積した基板が用意され、
ａ''）基板の読み出し回路の上方に基板表面を形成する音響鏡が被着され、
ａ'''）音響鏡に読み出し回路へアクセスするための開口部が形成される。
【００２５】
音響鏡を形成するために、音響インピーダンスの異なる個別の層が蒸着プロセスによって被着される。音響鏡に開口部を形成する際には、音響鏡積層体を被着した後、積層体の材料が読み出し回路の設けられるべき位置で除去される。
【００２６】
続いて、蒸着プロセスにより、二酸化ケイ素から成る開口部の絶縁層および音響鏡の絶縁層が組み合わされて共通の絶縁層が被着される。この被着は、唯一のステップで行われる。共通の絶縁層には２つの機能があり、１つは共振器と基板との音響的分離を達成し、もう１つは電気的絶縁を達成することである。
【００２７】
その後、共振器が被着される。これは気相を利用した周知の手法で相応の層を堆積することにより行われる。
【００２８】
続いて、開口部の絶縁層の領域に開口部が形成される。当該の開口部を通して、共振器の電極層と読み出し回路との電気的接続が行われる。
【００２９】
本発明の装置は、流体中の物質を検出する装置の物理的トランスデューサとして適用することができる。共振器を励振して厚み縦モード振動と厚みせん断モード振動との双方を発生させることにより、流体中の物質の検出が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011524709.tif 000005
【国際調査報告】
2011524709.tif 000006
2011524709.tif 000007
2011524709.tif 000008
2011524709.tif 000009
2011524709.tif 000010
2011524709.tif 000011