(57)【要約】【課題】生産性に優れるとともに、さらなる小型化が可能な、圧電発振器及びセンサ並びにマルチセンサの提供。【解決手段】生産性に優れるとともに、さらなる小型化が可能な、圧電発振器及びセンサ並びにマルチセンサは、少なくとも振動部１１と基部１２とを有する水晶基板１０と、振動部１１に形成された励振電極１４と、基部１２に形成された発振回路１５とを備え、発振回路１５は、ポリシリコンまたは単結晶シリコンからなる薄膜トランジスタを含んで形成されるとともに、励振電極１４と接続していることを特徴とする。【選択図】図１
2008236460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも振動部と基部とを有する圧電基板と、
前記振動部に形成された励振電極と、
前記基部に形成された発振回路とを備え、
前記発振回路は、ポリシリコンまたは単結晶シリコンからなる薄膜トランジスタを含んで形成されるとともに、前記励振電極と接続していることを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】
前記圧電基板は、ＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
【請求項３】
前記圧電基板における一方の主面側には、前記発振回路と前記励振電極とが形成され、
他方の主面側には、前記励振電極と対向する共通電極が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電発振器。
【請求項４】
前記圧電基板は、前記一方の主面側において前記振動部が凹状に形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の圧電発振器。
【請求項５】
少なくとも振動部と基部とを有する圧電基板と、
前記振動部に形成された励振電極と、
前記基部に形成された発振回路と、
前記振動部に形成され、選択された物質の吸着により質量が増加する感応膜とを備え、
前記発振回路は、ポリシリコンまたは単結晶シリコンからなる薄膜トランジスタを含んで形成され、前記励振電極と接続していることを特徴とするセンサ。
【請求項６】
前記圧電基板は、ＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記圧電基板における一方の主面側には、前記発振回路と前記励振電極とが形成され、他方の主面側には、前記励振電極と対向する共通電極が形成され、
前記感応膜は、前記共通電極を覆うように形成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記一方の主面側において前記振動部が凹状に形成されていることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記圧電基板を保護するための蓋部材をさらに備え、
前記蓋部材は、前記振動部と前記発振回路の一部とを覆うとともに、少なくとも周縁部が前記圧電基板に対して接着され、
前記蓋部材と、前記振動部の凹状部とにより形成された空間は、密閉されていることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記発振回路における外部との入出力用の接続端子は、露出していることを特徴とする請求項５〜請求項９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１１】
請求項５〜請求項１０のいずれか一項に記載のセンサが、大判の圧電基板に複数形成されていることを特徴とするマルチセンサ。
【請求項１２】
複数の前記センサは、それぞれが前記感応膜を備え、
複数の前記感応膜は、選択的に吸着する物質がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１１に記載のマルチセンサ。
【請求項１３】
複数の前記センサは、それぞれが前記感応膜を備え、
複数の前記感応膜には、選択的に吸着する物質が異なる感応膜が含まれていることを特徴とする請求項１１に記載のマルチセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発振器及び圧電発振器を用いたセンサ、並びにマルチセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化の進展に伴ない、電子機器に搭載される水晶発振器などの圧電発振器に対して小型化の要求が高まっている。
この要求にこたえるべく、水晶振動体と発振回路を構成する電子部品とを一つの容器体に収容した水晶発振器の構成が知られている（特許文献１参照）。
また、圧電発振器を用いたセンサについても同様に小型化の要求があり、小型化を達成すべく、圧電振動片とＩＣチップとを一つの平板に接合するとともに両者を電気的に接続し、圧電振動片に吸着された特定物質を周波数の変化量で検出する質量測定チップの構成が知られている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−７５１２０号公報
【特許文献２】特開２００４−２６４２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている水晶発振器（以下、圧電発振器という）では、水晶振動体（以下、圧電基板という）と発振回路を構成する電子部品とが一つの容器体（以下、パッケージという）に収容されているものの、圧電基板と電子部品とがパッケージ内の別々のキャビティに収容されている。つまりこの構成では、圧電基板を収納するスペースと電子部品を収納するスペースとがパッケージ内に別々に必要なことから、さらなる小型化が困難である。
また、電子部品がディスクリート部品であるとともに、多数備えられているため製造工数が増え、生産性が悪かった。また、一般的にディスクリート部品は厚く、薄型化が困難であった。
さらに、複数のディスクリート部品を配線するための回路パターンも複雑化してしまうため、回路パターン間で電磁気的な結合を生じ、性能が劣化してしまう恐れがあった。
【０００５】
また、上記特許文献２に開示されている質量測定チップ（以下、センサという）についても、圧電振動片と発振回路を構成するＩＣチップとが、別々に平板に接合されている構成であるため、製造効率が良いとはいい難かった。また、平板上に、圧電振動片を搭載する構成であるため、薄型化が困難であった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に着目したものであり、生産性に優れた圧電発振器、センサ及びマルチセンサを提供することを目的の一つとする。また、小型の圧電発振器、センサ、及びマルチセンサを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る圧電発振器は、少なくとも振動部と基部とを有する圧電基板と、前記振動部に形成された励振電極と、前記基部に形成された発振回路とを備え、前記発振回路は、ポリシリコンまたは単結晶シリコンからなる薄膜トランジスタを含んで形成されるとともに、前記励振電極と接続していることを特徴とする。
【０００８】
上記によれば、圧電発振器は、圧電基板に励振電極と発振回路とが形成されたことにより、圧電基板と発振回路とが一体化されるので、スペース効率が向上し小型化できる。
また、圧電発振器は、圧電基板と発振回路とが一体化されることにより、部品点数が少なくなり製造工数が減少するので生産性が向上する。
さらに、圧電発振器は、圧電基板と発振回路とが一体化されることにより、励振電極と発振回路とが短い距離で接続されるので、接続パターン間の電磁気的な障害が抑制され高性能化が可能である。
【０００９】
上記の発明に係る圧電発振器は、前記圧電基板が、ＡＴカット水晶基板であることを特徴とする。
【００１０】
上記によれば、圧電発振器は、圧電基板がＡＴカット水晶基板であることにより、周囲の温度変化に対する周波数変化が少なく、厚さを薄くすることで高周波数化が可能なので、温度特性が良好な高周波数発振器を容易に実現できる。
【００１１】
上記の発明に係る圧電発振器は、前記圧電基板における一方の主面側には、前記発振回路と前記励振電極とが形成され、他方の主面側には、前記励振電極と対向する共通電極が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記によれば、圧電発振器は、圧電基板の一方の主面側に発振回路と励振電極とが形成されたことにより、発振回路と励振電極との接続が片面配線で済むので配線が容易である。
また、圧電発振器は、発振回路と励振電極とが片面配線により短い距離で接続されるので、配線パターン間の電磁気的な障害がより抑制され高性能化が可能である。
【００１３】
上記の発明に係る圧電発振器は、前記圧電基板の、前記一方の主面側において前記振動部が凹状に形成されたことを特徴とする。
【００１４】
上記によれば、圧電発振器は、圧電基板の振動部が凹状に形成されたことにより、振動部の外周の厚さは変えずに内側の厚さを薄くできるので、圧電基板の強度を維持しつつ高周波数化が可能となる。
【００１５】
本発明に係るセンサは、少なくとも振動部と基部とを有する圧電基板と、前記振動部に形成された励振電極と、前記基部に形成された発振回路と、前記振動部に形成され、選択された物質の吸着により質量が増加する感応膜とを備え、前記発振回路は、ポリシリコンまたは単結晶シリコンからなる薄膜トランジスタを含んで形成され、前記励振電極と接続していることを特徴とする。
【００１６】
上記によれば、センサは、圧電基板に励振電極と発振回路とが形成され、圧電基板の振動部に感応膜が形成されていることにより、選択された物質の吸着による感応膜の質量増加で振動部の周波数が変化するので、選択された物質を検出することができる。
また、センサは、圧電基板に励振電極と発振回路と感応膜とが形成されていることにより、圧電基板と励振電極と発振回路と感応膜とが一体化されるので、スペース効率が向上し小型化できる。
また、センサは、圧電基板と励振電極と発振回路と感応膜とが一体化されることにより、部品点数が少なくなり製造工数が減少するので生産性が向上する。
さらに、センサは、圧電基板と励振電極と発振回路と感応膜とが一体化されることにより、励振電極と発振回路とが短い距離で接続されるので、接続パターン間の電磁気的な障害が抑制され高性能化が可能である。
【００１７】
上記の発明に係るセンサは、前記圧電基板が、ＡＴカット水晶基板であることを特徴とする。
【００１８】
上記によれば、センサは、圧電基板がＡＴカット水晶基板であることで、厚さを薄くすることにより高周波数化が可能で温度特性も良い。これにより、センサは、選択された物質の吸着による周波数の変化範囲を広くできるとともに、周囲の温度変化に伴なう周波数の変化量を抑制できるので、選択された物質の検出感度、検出精度が向上する。
【００１９】
上記の発明に係るセンサは、前記圧電基板における一方の主面側には、前記発振回路と前記励振電極とが形成され、他方の主面側には、前記励振電極と対向する共通電極が形成され、前記感応膜は、前記共通電極を覆うように形成されていることを特徴とする。
【００２０】
上記によれば、センサは、感応膜が共通電極を覆うように形成されていることにより、選択された物質が広範囲に吸着されるので、周波数の変化量が大きくなり選択された物質の検出感度が向上する。
また、センサは、発振回路が形成された一方の主面側に励振電極が形成されたことにより、発振回路と励振電極との接続が片面配線で済むので配線が容易である。
また、センサは、発振回路と励振電極とが片面配線により短い距離で接続されるので、配線パターン間の電磁気的な障害がより抑制され高性能化が可能である。
【００２１】
上記の発明に係るセンサは、前記一方の主面側において前記振動部が凹状に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
上記によれば、センサは、圧電基板の振動部が凹状に形成されたことにより、振動部の外周の厚さは変えずに内側の厚さを薄くできるので、圧電基板の強度を維持しつつ高周波数化が可能となる。これにより、センサは、選択された物質の吸着による周波数の変化量が大きくなるので、選択された物質の検出感度が向上する。
【００２３】
上記の発明に係るセンサは、前記圧電基板を保護するための蓋部材をさらに備え、前記蓋部材は、前記振動部と前記発振回路の一部とを覆うとともに、少なくとも周縁部が前記圧電基板に対して接着され、前記蓋部材と、前記振動部の凹状部とにより形成された空間は、密閉されていることを特徴とする。
【００２４】
上記によれば、センサは、圧電基板の振動部と発振回路とが、蓋部材により覆われている。これにより、センサは、振動部の励振電極及び発振回路が外気に触れることを回避できるので、外気中に含まれる酸素または水分などによる性能劣化を抑制できる。このことから、センサは、パッケージが不要となり小型化できる。
また、センサは、振動部の凹状部が密閉されていることにより、選択された物質の吸着による周波数の変化量に、凹状部における外気物質の吸着による周波数の変化量が加わることはないので、選択された物質の検出精度が向上する。
また、センサは、振動部の凹状部と蓋部材との間に空間が形成されていることにより、振動部の振動が妨げられないので、選択された物質の検出感度を維持できる。
【００２５】
上記の発明に係るセンサは、前記発振回路における外部との入出力用の接続端子が、露出していることを特徴とする。
【００２６】
上記によれば、センサは、発振回路の接続端子が露出していることにより、外部機器との接続が容易に行える。
【００２７】
上記の発明に係るマルチセンサは、前記センサが、大判の圧電基板に複数形成されていることを特徴とする。
【００２８】
上記によれば、センサが大判の圧電基板に複数形成されることにより、マルチセンサとすることができる。また、当該マルチセンサは、大判の圧電基板を分割することにより、単一のセンサとして一括して複数製造できるので生産性が向上する。
【００２９】
上記の発明に係るマルチセンサは、複数の前記センサが、それぞれに前記感応膜を備え、複数の前記感応膜は、選択的に吸着する物質がそれぞれ異なることを特徴とする。
【００３０】
上記によれば、マルチセンサは、複数の感応膜が、選択的に吸着する物質がそれぞれ異なる。これにより、複数の選択された物質を一つの圧電基板で検出する小型化されたマルチセンサを提供できる。
【００３１】
上記の発明に係るマルチセンサは、複数の前記センサが、それぞれに前記感応膜を備え、複数の前記感応膜には、選択的に吸着する物質が異なる感応膜が含まれていることを特徴とする。
【００３２】
上記によれば、マルチセンサは、複数の感応膜が、選択的に吸着する物質が異なる感応膜が含まれている。これにより、複数の選択された物質を一つの圧電基板で検出する小型化されたマルチセンサを提供できる。また、選択された一つの物質を複数の感応膜で吸着することにより、選択された一つの物質の検出感度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明に係る圧電発振器及び圧電発振器を用いたセンサの実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る圧電発振器としての水晶発振器の概略構成を示す構成図である。図１（ａ）は透視平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）における要部裏面図である。
図２は、水晶発振器の発振回路構成図である。
なお、図１を含む以下の各図では、構成を分かり易くするために、各構成要素の寸法比率を異ならせて表している。
【００３４】
《構成》
図１に示すように、水晶発振器１は、圧電基板としての水晶基板１０、パッケージ２０、リッド２１などを備えている。
水晶基板１０は、パッケージ２０の内部において基部１２側が接着剤２３によりパッケージ２０に固定されている。接着剤２３は、振動部１１における振動（発振）を阻害しないように、基部１２側に塗布されている。
また、リッド２１は、外縁部に形成された接合材２４によって、パッケージ２０に固定されている。これにより、パッケージ２０の内部は、気密に封止されている。
【００３５】
水晶基板１０は、水晶の原石を光軸に対して約３５度の方向で切断して形成されたＡＴカット水晶基板であり、振動部１１と基部１２とを有する。本実施形態では、好適な態様として水晶基板１０の厚さを５００μｍとした。
水晶基板１０の一方の主面１３における振動部１１には、一対の励振電極１４が形成されている。また、基部１２には、発振回路１５が形成されている。
また、励振電極１４と発振回路１５とは、短い接続電極１６により接続されている。
他方の主面１７における振動部１１には、一対の励振電極１４に対向して共通電極１８が形成されている。
なお、図１において、共通電極１８は、無接続のフローティング状態（図示せず）としているが、接地しても良い。振動部１１における発振の安定性を確保するためには、接地した方が良い。
【００３６】
発振回路１５は、水晶基板１０上に低温ポリシリコンの半導体プロセスによって形成された薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）という）を含む発振回路である。
また、発振回路１５の配線パターン形成工程において、励振電極１４、接続電極１６が一緒に形成される。なお、励振電極１４及び接続電極１６は、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術などを用いて形成することであっても良い。これらの電極の材質としては、金、アルミニウム、タングステン、銅などの金属薄膜、または、これらの金属の合金による金属薄膜などを用いることができる。
また、共通電極１８も、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術などを用いて同様に形成される。
図２は、発振回路１５の回路構成の一態様を示す回路図である。
発振回路１５は、２つのインバータ、２つのコンデンサ、１つの抵抗を含んで構成されている。また、図２に示された水晶振動子は、一対の励振電極１４を含む振動部１１を指している。なお、図２では、インバータに供給される電源ラインを省略している。
【００３７】
パッケージ２０は、熱膨張係数が水晶基板１０に近いグリーンシートなどのセラミックから形成されている。パッケージ２０には、水晶基板１０の基部１２の近傍に内部電極２２が形成され、ＡｕまたはＡｌなどの金属からなる接続ワイヤ２５を用いて、ワイヤボンディングにより発振回路１５と接続されている。内部電極２２は、パッケージ２０の底面に形成された外部電極２６と接続されている。
【００３８】
リッド２１は、コバールなどの金属、セラミック、ガラスなど、熱膨張係数が水晶基板１０に近い材質で形成されている。リッド２１は、コバールリング、低融点ガラスなどからなる接合材２４によりパッケージ２０に接合されている。これにより、パッケージ２０の内部は気密に封止されている。
【００３９】
水晶発振器１は、上記のように、水晶基板１０に励振電極１４と発振回路１５と共通電極１８とが形成され、励振電極１４と発振回路１５とが接続電極１６により接続されていることで発振器として構成されている。
なお、水晶発振器１は、共通電極１８の代わりに励振電極１４の一方が他方の主面１７側に形成されていてもよい。
【００４０】
《作用・効果》
ここで、上記のように構成された水晶発振器１の作用・効果を説明する。
まず、図示しない外部の機器などから外部電極２６に電源が供給される。外部電極２６に供給された電力が、内部電極２２、接続ワイヤ２５を介して水晶基板１０の基部１２に形成された発振回路１５に入力される。
これにより、図２の発振回路において、励振電極１４及び共通電極１８に電圧が印加され、振動部１１が厚みすべり振動を発振する。
【００４１】
ここで、ＡＴカット水晶基板の厚みすべり振動の場合、発振周波数は水晶基板１０の振動部１１の厚さｔにより決まる。
振動モード次数がｎ（ｎ＝１，３，５，７，９，・・・）の場合、その関係式は以下のように表される。
ω＝１．６７×ｎ／ｔ（単位  ω：ＭＨｚ，ｔ：ｍｍ，ｎ＝１，３，５，７，９，・・・）
好適な態様として、水晶基板１０の振動部１１の厚さｔを５００μｍとした場合について説明する。
この場合、振動モード次数が１の基本発振モードでの発振が観測されたことから、発振周波数は約３．３ＭＨｚであった。
なお、発振周波数は、３．３ＭＨｚに限定されるものではなく、振動部１１の厚さｔを調整することにより、所望の発振周波数を得ることができる。
【００４２】
水晶発振器１にて発振した電気信号は、図２における後段のインバータの出力端子と接続する外部電極２６から外部の機器などに出力される。
【００４３】
上述したように、第１の実施形態の水晶発振器１は、水晶基板１０に励振電極１４と発振回路１５とが同一プロセスによって形成されているため、振動部１１を含む水晶基板１０と発振回路１５とが一体化され、スペース効率が向上し小型化できる。特に、発振回路１５がＴＦＴを主体とした薄膜によって形成されているため、従来技術のようにディスクリート部品を用いる必用がなく、薄型の水晶発振器１を提供することができる。
さらに、水晶基板１０の振動部１１自体が圧電振動片（水晶振動子）として機能するため、従来技術のように平板上に圧電振動片を搭載する必用がなく、薄型化を実現することができる。
また、水晶発振器１は、水晶基板１０と発振回路１５とが一体化されることにより、部品点数が少なくなり製造工数が減少するので生産性が向上する。
【００４４】
さらに、水晶基板１０と発振回路１５とが一体化されることにより、励振電極１４と発振回路１５とが短い距離で接続されるので、接続電極１６間のインピーダンスのアンマッチングなどの電磁気的な障害が抑制され性能が向上する。
また、水晶基板１０の一方の主面１３側に発振回路１５と一対の励振電極１４とを形成したことにより、発振回路１５と励振電極１４との接続が片面配線で済むので配線が容易である。
【００４５】
また、発振回路１５と励振電極１４と接続電極１６とを、同一の半導体プロセスによって形成することが可能なため、生産効率が高く、生産性に優れている。
【００４６】
また、水晶基板１０としてＡＴカット水晶基板を用いたことにより、常温付近に変極点をもった３次関数の周波数−温度特性を有し、振動部１１の厚さを薄くすることで高周波数化が可能なことから、厚さの設定によって所期の発振周波数を得られるとともに、温度特性が良好な高周波数発振器を容易に実現することができる。
【００４７】
また、水晶発振器１は、パッケージ２０とリッド２１とによる収納空間に密閉されているため、外部環境による影響を受け難く、励振電極１４の劣化を防止することができるため、常に安定した発振をすることができる。
さらに、当該収納空間を真空にするか、または、窒素や、ヘリウム、アルゴンガスなどの不活性ガスを封入することにより、外部環境の影響による励振電極１４の劣化をより抑制することができる。
【００４８】
なお、第１の実施形態の水晶発振器１は、発振器が組み込まれた小型発振モジュールとしての応用が可能である。
【００４９】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る圧電発振器を用いたセンサとしての、気相中の有機溶媒分子を検出する化学センサの概略構成を示す構成図である。図３（ａ）は表平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図、図３（ｃ）は裏平面図である。なお、図３（ａ）では、図面を分かり易くするために一部の構成要素を省略してある。
【００５０】
《構成》
図３に示すように、化学センサ１０１は、圧電基板としての水晶基板１１０、蓋部材としての封止板１２１、接着剤１２２などを備えている。
なお、第２の実施形態の化学センサ１０１は、第１の実施形態の水晶発振器１と略同様の構成を有する水晶基板１１０において、共通電極１１８上に感応膜３０を形成したものであり、水晶基板１１０は、水晶基板１０と同様の半導体プロセスによって製造されている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５１】
図３（ｂ）において水晶基板１１０の一方の主面１１３側には、接着剤１２２により封止板１２１が固定されている。接着剤１２２は、振動部１１１における振動（発振）を阻害しないように、基部１２側及び封止板１２１の周縁部を中心に塗布されている。
【００５２】
水晶基板１１０は、水晶の原石を光軸に対して約３５度の方向で切断して形成されたＡＴカット水晶基板であり、振動部１１１と基部１１２とを有する。本実施形態では、好適な態様として水晶基板１１０の厚さを５００μｍとした。
また、水晶基板１１０は、一方の主面１１３側において、振動部１１１が凹状に形成されている。本実施形態では、好適な態様として振動部１１１の厚さｔ１を、５５μｍとした。
【００５３】
水晶基板１１０の一方の主面１１３における振動部１１１には、一対の励振電極１１４が形成されている。また、基部１１２には、発振回路１１５が形成されている。
ここで実施形態１の水晶基板１０との相違点は、水晶基板１１０における振動部１１１が、一方の主面１１３において凹状に形成されていることである。つまり、振動部１１１を励振電極１１４付近のみを薄くした「逆メサ構造」としている。なお、凹形状は、フォトリソグラフィ技術や、エッチング技術などを用いて形成することができる。
【００５４】
また、一対の励振電極１１４は、凹状に形成された振動部１１１の底面１１１ａに形成され、励振電極１１４と発振回路１１５とを接続する接続電極１１６は、底面１１１ａから発振回路１１５に向かう傾斜面（図３（ｂ））に沿って形成されている。
他方の主面１１７における振動部１１１には、一対の励振電極１１４に対向して共通電極１１８が形成されている。なお、共通電極１１８は、無接続のフローティング状態でもかまわないが、接地させた方が振動部１１１の発振の安定性の点で好ましい。
【００５５】
発振回路１１５は、水晶基板１１０上に低温ポリシリコンの半導体プロセスによって形成されたＴＦＴを含む発振回路である。
また、発振回路１１５の配線パターン形成工程において、励振電極１１４、接続電極１１６が一緒に形成される。また、発振回路１１５には、外部の機器などとの入出力用の接続端子１１９が形成されている。
【００５６】
なお、励振電極１１４及び接続電極１１６は、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術などを用いて形成することであっても良い。これらの電極の材質としては、金、アルミニウム、タングステン、銅などの金属薄膜、または、これらの金属の合金による金属薄膜などを用いることができる。
また、共通電極１１８も、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術などを用いて同様に形成される。
【００５７】
共通電極１１８の上には、選択された物質の吸着により質量が変化する感応膜３０が共通電極１１８を覆うように形成されている。
感応膜３０は、例えば、感応膜成分を溶剤によって希釈した液体をディスペンサを用いて塗布することによって形成する。または、当該液体をインクジェット法を用いて吐出して形成することであっても良い。また、感応膜成分をジェル状にすることにより、シルク印刷や、タンポン印刷などの印刷法によっても感応膜３０を形成することができる。
【００５８】
本実施形態では、感応膜３０は、ポリスチレンにより形成している。ポリスチレンは、気相中のトルエン、酢酸、酢酸ブチル、アセトン、アセトアルデヒド、プロパナール、メタノール、エタノール、ジエチルエーテル、アンモニアなどの有機溶媒分子を吸着する性質を有しているため、感応膜３０によってこれらの物質を検出することができる。
また、感応膜３０は、ポリスチレンによって形成することに限定するものではなく、所望の他の物質を選択的に吸着する材質を用いても良い。
例えば、感応膜３０としてポリプロピレンを用いた場合には、気相中のトルエンや、キシレンなどの分子を吸着することができる。また、感応膜３０としてポリカーボネートを用いた場合には、気相中のアルデヒド分子を吸着することができる。
【００５９】
封止板１２１は、セラミック、ガラスなど、熱膨張係数が水晶基板１１０に近い材質で平板状に形成されている。封止板１２１により、水晶基板１１０の一方の主面１１３側において、凹状部分１１１ｂ及び発振回路１１５が接着剤１２２を介して封止（密閉）されている。  この際、封止板１２１が平板状に形成されているので、凹状部分１１１ｂと封止板１２１との間には空間がある。また、発振回路１１５に形成されている接続端子１１９は、封止されずに外部に露出している。
【００６０】
接着剤１２２には、アクリル系接着剤、紫外線硬化型接着剤、低融点ガラスなどの絶縁性を有するものが用いられている。接着剤１２２により、水晶基板１１０の一方の主面１１３側において、凹状部分１１１ｂの周囲及び発振回路１１５が被覆されている。
【００６１】
化学センサ１０１は、上記のように、水晶基板１１０の振動部１１１の凹状部分１１１ｂと発振回路１１５の一部とが、凹状部分１１１ｂの周囲及び発振回路１１５を被覆する接着剤１２２を介して、凹状部分１１１ｂとの間に空間を有するように形成された封止板１２１により封止されている。
なお、上記の空間は、窒素ガスなどの不活性ガスが封入されていてもよいし、真空でもよい。
【００６２】
《作用・効果》
ここで、上記のように構成された化学センサ１０１の作用・効果を説明する。
まず、図示しない外部の機器などから接続端子１１９に電源が供給される。接続端子１１９に供給された電力が、水晶基板１１０の基部１１２に形成された発振回路１１５に入力される。
これにより、図２の発振回路において、励振電極１１４及び共通電極１１８に電圧が印加され、振動部１１１が厚みすべり振動を発振する。なお、この発振周波数は、随時または定期的に外部の計測機器に出力される。
【００６３】
本実施形態では、好適な事例として、水晶基板１１０の振動部１１１の厚さｔ１を５５μｍに設定した。
この場合、振動モード次数が１の基本発振モードにおける発振が観測されたことから、第１の実施形態で述べた計算式により、発振周波数は約３０ＭＨｚとなる。
このように、化学センサ１０１では、第１の実施形態の水晶発振器１と比較して高い周波数を用いている。
【００６４】
ここで、ポリスチレンにより形成された感応膜３０に、気相中のアルコールなどの有機溶媒分子が吸着した場合には、有機溶媒分子の吸着により感応膜３０の質量が増加する。この感応膜３０の質量の増加により振動部１１１全体の質量が増加し、発振周波数が低周波数側に変化することになる。
つまり、この発振周波数の変化を検出することにより、気相中におけるアルコールなどの検出物質の有無、または、含有量を検出することができる。
【００６５】
具体的には、例えば、予め外部機器に出力周波数と検出物質の含有量との相対関係を示したＬＵＴ（Look Up Table）を記憶させておき、図２における後段のインバータの出力端子と接続する接続端子１１９からの出力信号の周波数（出力周波数）を測定する。そして、測定した出力周波数を当該ＬＵＴにおいて参照することにより、検出物質の含有量を引き当てる。なお、検出物質の検出方法は、この方法に限定するものではない。
【００６６】
また、感応膜３０の質量の変化量が同じ場合でも、振動部１１１の厚さｔ１が薄いほど、振動部１１１の厚さｔ１に対する感応膜３０の質量変化の影響が大きくなり、周波数の変化量が大きくなる。このことから、本実施形態では、水晶基板１１０の振動部１１１の厚さｔ１を５５μｍまで薄くして高周波数化することにより、有機溶媒分子の検出感度を高めている。
【００６７】
上述したように、第２の実施形態の化学センサ１０１は、水晶基板１１０に励振電極１１４と発振回路１１５とが形成され、水晶基板１１０の振動部１１１に感応膜３０が形成されていることにより、気相中のアルコールなどの有機溶媒分子の吸着による感応膜３０の質量増加で振動部１１１の周波数が変化する。これにより、化学センサ１０１は、気相中のアルコールなどの選択された物質を検出することができる。
【００６８】
また、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０に励振電極１１４と発振回路１１５と感応膜３０とが形成されていることにより、水晶基板１１０と励振電極１１４と発振回路１１５と感応膜３０とが一体化されるので、スペース効率が向上し小型化できる。
また、化学センサ１０１は、水晶基板１１０と励振電極１１４と発振回路１１５と感応膜３０とが一体化されることにより、部品点数が少なくなり製造工数が減少するので生産性が向上する。
【００６９】
さらに、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０と励振電極１１４と発振回路１１５と感応膜３０とが一体化されることにより、励振電極１１４と発振回路１１５とが短い距離で接続されるので、接続電極１１６間のインピーダンスのアンマッチングなどの電磁気的な障害が抑制され高性能化が可能である。
【００７０】
また、化学センサ１０１によれば、発振回路１１５がＴＦＴにより形成されているので、半導体プロセスを利用した発振回路１１５の製造が可能である。これにより、化学センサ１０１は、発振回路１１５の配線工程で励振電極１１４及び接続電極１１６を一緒に形成できるので生産性が向上する。
特に、発振回路１１５がＴＦＴを主体とした薄膜によって形成されているため、従来技術のようにディスクリート部品を用いる必用がなく、薄型の化学センサ１０１を提供することができる。
さらに、水晶基板１１０の振動部１１１自体が圧電振動片（水晶振動子）として機能するため、従来技術のように平板上に圧電振動片を搭載する必用がなく、薄型化を実現することができる。
【００７１】
また、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０がＡＴカット水晶基板であることで、厚さを薄くすることにより高周波数化が可能で温度特性も良い。これにより、化学センサ１０１は、アルコールなどの有機溶媒分子の吸着による周波数の変化範囲を広くできるとともに、周囲の温度変化に伴なう周波数の変化量を抑制できるので、選択されたアルコールなどの物質の検出感度、検出精度が向上する。
【００７２】
また、化学センサ１０１によれば、感応膜３０が共通電極１１８を覆うように形成されたことにより、アルコールなどの有機溶媒分子が広範囲に吸着されるので、周波数の変化量が大きくなり検出感度が向上する。
また、化学センサ１０１によれば、発振回路１１５が形成された一方の主面１１３側に励振電極１１４が形成されたことにより、発振回路１１５と励振電極１１４との接続が片面配線で済むので配線が容易である。
【００７３】
また、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０の振動部１１１が凹状（逆メサ構造）に形成されたことにより、振動部１１１の外周の厚さは変えずに内側の厚さｔ１を薄くできるので、水晶基板１１０の強度を維持しつつ高周波数化が可能である。これにより、化学センサ１０１は、アルコールなどの有機溶媒分子の吸着による周波数の変化量が大きくなるので、検出感度が向上する。
【００７４】
また、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０の凹状部分１１１ｂと発振回路１１５とが、接着剤１２２を介して封止板１２１により封止されている。これにより、化学センサ１０１は、凹状部分１１１ｂの励振電極１１４及び発振回路１１５が気相に触れることを回避できるので、気相中に含まれる酸素または水分などによる性能劣化を抑制できる。このことから、化学センサ１０１は、特許文献２の図４に開示されているような筐体（パッケージ）が不要となる。これにより、化学センサ１０１は、さらに生産性が向上し小型化が可能である。
【００７５】
また、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０の凹状部分１１１ｂが封止されていることにより、アルコールなどの有機溶媒分子の吸着による周波数の変化量に、凹状部分１１１ｂにおける気相中の他分子の吸着による周波数の変化量が加わることはないので、検出精度が向上する。
また、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０の凹状部分１１１ｂが、凹状部分１１１ｂとの間に空間を有するように形成された封止板１２１で封止されていることにより、振動部１１１の振動が妨げられないので、検出感度を維持できる。
【００７６】
また、化学センサ１０１によれば、水晶基板１１０の凹状部分１１１ｂと封止板１２１との間の空間が、窒素ガスなどの不活性ガスを封入されていたり、真空になっていたりすることにより、励振電極１１４の劣化を抑制することができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、化学センサ１０１を気相中のアルコールなどの有機溶媒分子の検出に用いたが、これに限定するものではなく、感応膜３０の成分を適宜設定することにより、水道水、排水、水溶液などの各種液体に浸漬して、検出対象となる選択された物質の検出に用いてもよい。
この際、化学センサ１０１は、水晶基板１１０の振動部１１１の凹状部分１１１ｂと発振回路１１５とが、接着剤１２２及び封止板１２１により封止されているので、各種液体に浸漬されても振動部１１１と発振回路１１５とに影響を受けることなく、選択された物質が検出できる。
【００７８】
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る圧電発振器を用いたセンサとしての、気相中の分子を検出する化学センサを、大判の圧電基板としての水晶基板に複数形成したマルチセンサの概略構成を示す構成図である。
図４（ａ）は表平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図、図４（ｃ）は裏平面図である。なお、図４（ａ）では、図面を分かり易くするために一部の構成要素を省略してある。
【００７９】
《構成》
図４に示すように、第３の実施形態のマルチセンサ２０１は、第２の実施形態で説明した化学センサ１０１が、一つの水晶基板２１０に二つ形成された構成となっている。このことから、ここでは、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８０】
マルチセンサ２０１は、ＡＴカット水晶基板である水晶基板２１０において、振動部２１１に二つの凹状部分２１１ａ，２１１ｂ（逆メサ構造）と二つの励振電極１１４ａ，１１４ｂと二つの共通電極１１８ａ，１１８ｂとが形成され、基部２１２に二つの発振回路１１５ａ，１１５ｂが形成されている。
二つの励振電極１１４ａ，１１４ｂと二つの発振回路１１５ａ，１１５ｂとは、接続電極１１６ａにより励振電極１１４ａが発振回路１１５ａと接続され、接続電極１１６ｂにより励振電極１１４ｂが発振回路１１５ｂと接続されている。
【００８１】
マルチセンサ２０１は、水晶基板２１０の一方の主面２１３側の凹状部分２１１ａ，２１１ｂと発振回路１１５ａ，１１５ｂとが、凹状部分２１１ａ，２１１ｂの周囲及び発振回路１１５ａ，１１５ｂを被覆する接着剤２２２を介して凹状部分２１１ａ，２１１ｂとの間に空間を有するように形成された封止板２２１により封止（密閉）されている。この際、接続端子１１９ａ，１１９ｂは、外部に露出している。
【００８２】
マルチセンサ２０１は、水晶基板２１０の他方の主面２１７側の、共通電極１１８ａを覆うように形成されている感応膜１３０と共通電極１１８ｂを覆うように形成されている感応膜１３１とが、第２の実施形態と異なる。
本実施形態では、感応膜１３０は、ポリプロピレンにより形成されている。ポリプロピレンは、気相中のトルエン、キシレンなどの分子を吸着する性質を有する。
また、感応膜１３１は、ポリカーボネートにより形成されている。ポリカーボネートは、気相中のアセトアルデヒドの分子を吸着する性質を有する。
【００８３】
なお、マルチセンサ２０１は、図４（ａ）に示した２点鎖線に沿って切断することにより、二つの化学センサに分離することもできる。
また、封止板２２１は、予め二つに分割されて形成されていてもよい。
【００８４】
《作用・効果》
ここで、上記のように構成されたマルチセンサ２０１の作用・効果を、図４、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態のマルチセンサ２０１を制御する制御回路の一例を示すブロック図である。
まず、図示しない外部の機器などから接続端子１１９ａ，１１９ｂに電源が供給される。接続端子１１９ａ，１１９ｂに供給された電力が、水晶基板２１０の基部１１２に形成された発振回路１１５ａ，１１５ｂに入力される。
【００８５】
これにより、図２の発振回路において、励振電極１１４ａ，１１４ｂ及び共通電極１１８ａ，１１８ｂに電圧が印加され、振動部２１１が厚みすべり振動を発振する。
この際、この発振周波数は、随時または定期的に接続端子１１９ａ，１１９ｂを介して発振回路１１５ａ，１１５ｂと接続されている周波数カウンタＡ４０、周波数カウンタＢ４１でそれぞれ計測され、メモリＡ４２、メモリＢ４３にそれぞれ蓄積される。
【００８６】
ついで、ポリプロピレンにより形成された感応膜１３０に、気相中のトルエンの分子が吸着され、ポリカーボネートにより形成された感応膜１３１に、気相中のアセトアルデヒドの分子が吸着される。
ついで、吸着されたトルエンの分子に応じて感応膜１３０の質量が増加し、吸着されたアセトアルデヒドの分子に応じて感応膜１３１の質量が増加する。
【００８７】
ついで、感応膜１３０の質量増加により、感応膜１３０が形成されている振動部２１１の凹状部分２１１ａの発振周波数が低周波数側に変化し、感応膜１３１の質量増加により、感応膜１３１が形成されている振動部２１１の凹状部分２１１ｂの発振周波数が低周波数側に変化する。
この際、低周波数側に変化したそれぞれの発振周波数が、前述のように周波数カウンタＡ４０、周波数カウンタＢ４１でそれぞれ計測され、メモリＡ４２、メモリＢ４３にそれぞれ蓄積される。
【００８８】
これにより、比較判定回路４４はメモリＡ４２、メモリＢ４３に蓄積された周波数の経時変化からメモリＡ４２とメモリＢ４３に蓄えられた周波数変化量を比較し、その特徴をデータベース４５に照らし合わせて気相中のトルエン及びアセトアルデヒドの検出結果を出力する。
また、データベース４５には、感応膜１３０、感応膜１３１ごとに前述した出力周波数と各検出物質の含有量との相対関係を示したＬＵＴ（Look Up Table）を記憶させておいても良い。
これによれば、気相中におけるトルエン、または、アセトアルデヒドの有無に加えて、それぞれの含有量も検出することができる。
【００８９】
上述したように、第３の実施形態のマルチセンサ２０１は、第２の実施形態で説明した効果とともに、次のような効果がある。
マルチセンサ２０１は、励振電極１１４ａ，１１４ｂと発振回路１１５ａ，１１５ｂと共通電極１１８ａ，１１８ｂと感応膜１３０，１３１とが一つの水晶基板２１０に二つ形成されることにより、一つの水晶基板２１０に二つのセンサが形成されたマルチセンサとすることができる。
【００９０】
また、マルチセンサ２０１は、二つの感応膜１３０，１３１が、それぞれの感応膜１３０，１３１ごとに種類が異なる。これにより、マルチセンサ２０１は、それぞれの感応膜１３０，１３１ごとに吸着する物質を異ならせられるので、二つの選択された物質を一つの水晶基板２１０に形成された二つのセンサで検出する、小型化されたマルチセンサを提供できる。
【００９１】
また、マルチセンサ２０１は、センサ形成後に一つの水晶基板２１０を二つに分割することにより、二つのセンサを一括して製造できるので生産性が向上する。
【００９２】
なお、第３の実施形態のマルチセンサ２０１は、二つのセンサからなるマルチセンサとしたが、これに限定するものではなく、一つの水晶基板２１０に三つ、四つなど、さらに多くのセンサを形成してもよい。これによれば、複数の物質を１つのマルチセンサによって検出することができる。
【００９３】
また、２つ以上の複数のセンサを備えるマルチセンサにおいて、同一の感応膜を有するセンサを複数設ける構成であっても良い。このマルチセンサによれば、特定の物質をより精度良く検出することが可能となる。具体的には、特に検出したい物質に対応した感応膜を持つセンサを複数設ける。これにより、例えば、複数の感応膜による検出周波数の平均値を取ることが可能となり、検出精度が向上する。また、万一、１つのセンサが壊れていたとしても、平均値を取ることにより、物質の有無を確実に検出することができる。
また、感応膜の設置位置を、例えば、マルチセンサにおける対角位置に配することにより、設置位置ごとにおける物質の含有量を検出することができる。
【００９４】
前記第１の実施形態において、発振回路１５と励振電極１４と接続電極１６とは、水晶基板１０上に低温ポリシリコンの半導体プロセスによって形成されるものとしたが、これに限定するものではない。
半導体プロセスは、水晶基板１０上に発振回路１５を含む各部位を形成可能なプロセスであれば良く、例えば、周知のフォトリソグラフィ技術や、エッチング技術、または薄膜形成技術などを組み合わせたものであっても良い。また、これは、前記第２の実施形態及び前記第３の実施形態においても同様である。
【００９５】
前記第１の実施形態において、発振回路は図２に示すような電源を印加することにより、単一の周波数を発振する発振回路１５として説明したが、これに限定するものではない。
発振回路１５は、水晶基板１０上に低温ポリシリコンなどの所定の半導体プロセスによって形成可能な回路であれば良く、例えば、分周回路や、ＰＬＬ（Phase locked loop）回路を含んだ回路により発振回路１５を構成しても良い。この構成によれば、より高周波を簡便に得ることができる。また、出力周波数をプログラミング可能な水晶発信器１を提供することができる。また、これは、前記第２の実施形態及び前記第３の実施形態においても同様である。
【００９６】
なお、第２の実施形態の化学センサ１０１、第３の実施形態のマルチセンサ２０１は、化学センサの他に、ニオイセンサ、ガスセンサ、バイオセンサなどとして応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１の実施形態における水晶発振器の概略構成を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態における水晶発振器の発振回路構成図。
【図３】本発明の第２の実施形態における化学センサの概略構成を示す構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態におけるマルチセンサの概略構成を示す構成図。
【図５】本発明の第３の実施形態におけるマルチセンサの制御回路のブロック図。
【符号の説明】
【００９８】
１…圧電発振器としての水晶発振器、１０…圧電基板としての水晶基板、１１…水晶基板の振動部、１２…水晶基板の基部、１３…水晶基板の一方の主面、１４…励振電極、１５…発振回路、１６…接続電極、１７…水晶基板の他方の主面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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