(57)【要約】【課題】本発明は、電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができ、これにより、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の振動子は、基板１１と、この基板１１の薄肉部１２上に形成した下地電極１３と、この下地電極１３の上に形成した圧電体層１４と、この圧電体層１４の上に形成した駆動電極１５および検出電極１６とを備え、前記駆動電極１５は前記基板１１の薄肉部１２の略中央に位置させ、かつ検出電極１６は駆動電極１５と同心状に位置させ、さらに圧電体層１４の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記検出電極１６内でキャンセルされるように駆動電極１５の中心から外周までの長さｒと検出電極１６の幅ｗを設定したものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部に薄肉部が形成された基板と、この基板の薄肉部上に形成した下地電極と、この下地電極の上に形成した圧電体層と、この圧電体層の上に形成した駆動電極および検出電極とを備え、前記駆動電極は前記基板の薄肉部の略中央に位置させ、かつ前記検出電極は前記駆動電極と同心状に位置させ、さらに前記圧電体層の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記検出電極内でキャンセルされるように前記駆動電極の中心から外周までの長さと前記検出電極の幅を設定した振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅器等と組み合わせて発振回路を構成することにより、物質の質量、液体の粘度等を高精度に検出することができる振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動子の周波数変化によって物理量を検出する装置としては図１１（ａ）（ｂ）、図１２に示すようなものが知られている（特許文献１参照）。図１１（ａ）（ｂ）は振動子の正面図および背面図を示す。図１１（ａ）（ｂ）において、Ｐは平板状の水晶振動子で、この水晶振動子Ｐの一面には第一の電極対Ｅ11、Ｅ12および第二の電極対Ｅ21、Ｅ22を形成し、それぞれ振動領域Ａ1、Ａ2を形成している。また、この水晶振動子Ｐの他面には背面電極Ｂ1、Ｂ2がそれぞれ第一の電極対Ｅ11、Ｅ12および第二の電極対Ｅ21、Ｅ22に対向して設けられている。図１２はこの振動子を用いたセンサ回路で、第一の電極対Ｅ11、Ｅ12にはＣＭＯＳインバータＶ1、抵抗Ｒ1および負荷容量Ｃ11、Ｃ12を接続して第一の発振回路ＯＳ1を構成し、そして、第二の電極対Ｅ21、Ｅ22にはＣＭＯＳインバータＶ2、抵抗Ｒ2および負荷容量Ｃ21、Ｃ22を接続して第二の発振回路ＯＳ2を構成している。ここで、前記背面電極Ｂ1、Ｂ2はいずれか一方を特定の検出対象に感応して電気抵抗が変化する材料で構成し、かつ他方を上記検出対象に感応しない材料で構成することにより、各振動領域の発振周波数の差から対象を検出することができるようにしている。
【０００３】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術などの微細加工技術の進展により、きわめて小さく薄い機械振動子を作ることが可能になっている。この技術により振動子自体の質量を小さく構成することが可能になったことから、微小物質の付着等によっても周波数やインピーダンスが大きく変動する高精度の振動子が実現しつつある。このような振動子を用いれば、物質の質量、液体の粘度等を高精度に検出できるセンサが構成できることになる。
【０００４】
本発明者らがこのＭＥＭＳ技術を用いて作製した振動子を図６、図７に示す。図６はＭＥＭＳ技術を用いて作製した振動子の斜視図、図７は図６のＡ−Ａ線断面図である。図６、図７に示すように、この振動子は基板１と、この基板１の薄肉部２上に形成した下地電極３と、この下地電極３の上に形成した圧電体層４と、この圧電体層４の上に形成した駆動電極５および検出電極６とを備え、そして前記駆動電極５は前記基板１の薄肉部２の略中央に位置させ、かつ前記検出電極６は前記駆動電極５と同心状に位置させている。
【０００５】
具体的には基板１として厚み３００μｍのシリコン基板を用い、そしてこの基板１の裏面をエッチングすることにより、厚み２０μｍ、半径１．５ｍｍの薄肉部２を形成した。その後、この薄肉部２上に半径２ｍｍの下地電極３を形成し、そしてこの下地電極３上に半径２ｍｍの圧電体層４を形成した。さらにこの圧電体層４上に、半径０．９５ｍｍの駆動電極５を形成するとともに、この駆動電極５の外側に位置して駆動電極５の外周と０．１５ｍｍの間隔を空けて幅０．５５ｍｍの検出電極６を形成した。
【０００６】
図８は図６、図７に示す構成の振動子を用いたセンサ回路を示したもので、このセンサ回路は、駆動電極５と検出電極６との間に電流−電圧変換器７と増幅器８とを接続して構成しているものである。このセンサ回路は図７に示す振動子の基板１の薄肉部２に機械的負荷を与えない状態では略２８ｋＨｚで発振していることを確認した。ここで基板１の薄肉部２に微小物質が付着したり、この薄肉部２に接触させている液体の粘度が変化したりした場合は、このセンサ回路は発振周波数や発振振幅が大きく変化するため、高感度のセンサを実現することができるものである。
【０００７】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特公平２−４５８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記図６、図７に示す構成の振動子を用いた図８に示すセンサ回路の動作を詳細に確認したところ、電源電圧や周囲温度が変化した際に略１０２ｋＨｚという高い周波数で発振するとともに発振振幅も大きく変化する場合があることが判明した。このように電源電圧や周囲温度の変化により発振周波数や発振振幅が安定せず大きく変動した場合、微小物質の付着や液体の粘度変化等を振動子により検出することが不可能になるという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができ、これにより、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、一部に薄肉部が形成された基板と、この基板の薄肉部上に形成した下地電極と、この下地電極の上に形成した圧電体層と、この圧電体層の上に形成した駆動電極および検出電極とを備え、前記駆動電極は前記基板の薄肉部の略中央に位置させ、かつ前記検出電極は前記駆動電極と同心状に位置させ、さらに前記圧電体層の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記検出電極内でキャンセルされるように前記駆動電極の中心から外周までの長さと前記検出電極の幅を設定したもので、この構成によれば、基板の薄肉部上に位置する下地電極の上に形成した圧電体層の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と、不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記圧電体層の上に形成した検出電極内でキャンセルされるように前記圧電体層の上に形成した駆動電極の中心から外周までの長さと前記検出電極の幅を設定しているため、振動子の不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができ、これにより、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することができるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明の振動子は、基板の薄肉部上に位置する下地電極の上に形成した圧電体層の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と、不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記圧電体層の上に形成した検出電極内でキャンセルされるように前記圧電体層の上に形成した駆動電極の中心から外周までの長さと前記検出電極の幅を設定しているため、振動子の不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができ、これにより、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することができるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは図６、図７に示す構成の振動子を用いた図８に示すセンサ回路で発生した問題点の原因を究明するために、振動子の周波数応答特性の測定と振動解析シミュレーションを実施した。
【００１４】
図９は図６、図７に示す構成の振動子の周波数応答を示すデータである。このデータは駆動電極５に一定振幅の周波数掃引信号（Ｖｉｎ）を入力した時に、検出電極６に現れる出力信号（Ｖｏｕｔ）を測定し、横軸に周波数をｋＨｚで表し、縦軸に利得（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）をｄＢで表したものである。このデータから、振動子を用いたセンサ回路が電源電圧や周囲温度が変化した際に略１０２ｋＨｚという高い周波数で発振するとともに発振振幅も大きく変化するのは、この振動子が２８ｋＨｚの主振動モードによる主応答以外に１０２ｋＨｚに不要振動モードによる不要応答を持つためであることが分かった。図１０（ａ）（ｂ）は図６、図７に示す構成の振動子の不要振動モードの変位分布と圧電体層に発生する電荷分布とを振動解析シミュレーションを行って求めたものである。そして、この図１０（ａ）（ｂ）は振動子における駆動電極の中心を原点とし、横軸を原点からの径方向の距離、縦軸を垂直方向の変位および圧電体層に発生する電荷として示したものである。また、この図１０（ａ）（ｂ）から明らかなように、振動子の不要振動モードは、駆動電極の中心と端部近傍とに腹を持つ中心対称の変位を持つとともに、検出電極に正味の電荷（斜線部）を発生させていることが分かった。本発明者らは検出電極に正味の電荷を発生させないような電極構成をとることにより、不要振動モードによる不要応答を低減することができると考えた。
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態における振動子について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態における振動子の斜視図、図２は図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１７】
本発明の一実施の形態における振動子は、図１、図２に示すように、基板１１と、この基板１１の薄肉部１２上に形成した下地電極１３と、この下地電極１３の上に形成した圧電体層１４と、この圧電体層１４の上に形成した駆動電極１５および検出電極１６とを備え、そして前記駆動電極１５は前記基板１１の薄肉部１２の略中央に位置させ、かつ前記検出電極１６は前記駆動電極１５と同心状に位置させている。
【００１８】
具体的には基板１１として表面に酸化シリコン層を有する厚み３００μｍのシリコン基板を用い、そしてこの基板１１の裏面をフォトリソ工法を用いてウェットエッチングすることにより、厚み２０μｍ、半径１．５ｍｍの円形状の薄肉部１２を形成した。その後、この薄肉部１２上にＴｉ層とこのＴｉ層の上に積層したＰｔ−Ｔｉ層からなる半径２ｍｍの円形状の下地電極１３を形成し、そしてこの下地電極１３の上に、チタン酸鉛を主成分とする配向制御層とこの配向制御層の上に積層したチタン酸ジルコン酸鉛からなるＰＺＴ層とにより構成される半径２ｍｍの円形状の圧電体層１４を形成した。さらにこの圧電体層１４の上に、Ｔｉ層とこのＴｉ層の上に積層したＡｕ層からなる半径０．８ｍｍの円形状の駆動電極１５を形成するとともに、この駆動電極１５の外側に位置して駆動電極１５の外周と０．１５ｍｍの間隔を空けてＴｉ層とこのＴｉ層の上に積層したＡｕ層からなる幅０．７ｍｍの円形状の検出電極１６を形成した。
【００１９】
上記図１、図２に示す構成の振動子の駆動電極１５と検出電極１６の寸法は振動解析シミュレーションを行って決定した。図４（ａ）（ｂ）は図１、図２に示す構成の振動子の不要振動モードの変位分布と圧電体層に発生する電荷分布とを振動解析シミュレーションを行って求めたものである。この図４（ａ）（ｂ）から明らかなように、振動子の不要振動モードは、駆動電極１５の中心と、駆動電極１５と検出電極１６との間隙近傍とに腹を持つ中心対称の変位を持つとともに、不要振動モードにより発生する電荷が検出電極１６内でキャンセルされることが分かる。
【００２０】
図５は図１、図２に示す構成の振動子の周波数応答を示すデータである。このデータは駆動電極１５に一定振幅の周波数掃引信号（Ｖｉｎ）を入力した時に、検出電極１６に現れる出力信号（Ｖｏｕｔ）を測定し、横軸に周波数をｋＨｚで表し、縦軸に利得（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）をｄＢで表したものである。図５において、実線は図１、図２に示す構成の振動子の周波数応答データであり、破線は比較のために再録した図６、図７に示す構成の振動子の周波数応答データである。このデータからも明らかなように、略１０２ｋＨｚに発生していた不要振動モードによる不要応答がきわめて小さくなっていることが分かる。
【００２１】
図３は図１、図２に示す構成の振動子を用いたセンサ回路を示したもので、このセンサ回路は、駆動電極１５と検出電極１６との間に電流−電圧変換器１７と増幅器１８とを接続して構成したものである。このセンサ回路は図２に示す振動子の基板１１の薄肉部１２に機械的負荷を与えない状態では略２８ｋＨｚで発振しているため、電源電圧や周囲温度が変化しても常に一定の周波数と振幅で発振を行わせることができるものである。そして、この振動子の基板１１の薄肉部１２に微小物質が付着したり、この薄肉部１２に接触させている液体の粘度が変化したりした場合は、このセンサ回路は発振周波数や発振振幅が大きく変化するため、高感度のセンサを実現することができるものである。
【００２２】
上記した図１、図２に示す構成の本発明の一実施の形態における振動子においては、薄肉部１２の半径Ｒを変更した場合に、圧電体層１４の上に形成された駆動電極１５の半径ｒ、すなわち駆動電極１５の中心から外周までの長さｒと、この駆動電極１５の外側に位置して駆動電極１５の外周と０．１５ｍｍの間隔を空けて形成された検出電極１６の幅ｗを設定したもので、すなわち、本発明の一実施の形態においては、薄肉部１２の半径Ｒが０．７ｍｍの時、駆動電極１５の半径ｒ、すなわち駆動電極１５の中心から外周までの長さｒと、検出電極１６の幅ｗを各々０．３ｍｍ、０．４ｍｍとした。このようにすれば、不要振動モードによる不要応答が有効に低減されることを確認することができた。また、薄肉部１２の半径Ｒが１．０ｍｍの時は、駆動電極１５の半径ｒ、すなわち駆動電極１５の中心から外周までの長さｒの半径ｒと、検出電極１６の幅ｗを各々０．５ｍｍ、０．５ｍｍとした。このようにした場合でも、不要振動モードによる不要応答が有効に低減されることを確認できた。
【００２３】
上記したように本発明の一実施の形態においては、一部に薄肉部１２が形成された基板１１と、この基板１１の薄肉部１２上に形成した下地電極１３と、この下地電極１３の上に形成した圧電体層１４と、この圧電体層１４の上に形成した駆動電極１５および検出電極１６とを備え、前記駆動電極１５は前記基板１１の薄肉部１２の略中央に位置させ、かつ前記検出電極１６は前記駆動電極１５と同心状に位置させ、さらに前記圧電体層１４の部分で発生する主振動モードにより発生する電荷と不要振動モードにより発生する電荷のうち、不要振動モードにより発生する電荷が前記検出電極１６内でキャンセルされるように前記駆動電極１５の中心から外周までの長さと前記検出電極１６の幅を設定しているため、振動子の不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができ、これにより、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、微小物質の付着や液体の粘度変化等を確実に検出できる振動子を提供することができるという効果を有するものである。
【００２４】
なお、上記本発明の一実施の形態においては、駆動電極１５を円形状に構成したものについて説明したが、この駆動電極１５の形状は矩形状、あるいは多角形状等に構成しても良いものである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明に係る振動子は、不要振動モードによる不要応答をきわめて小さく抑えることができるという効果を有するものであり、この振動子を用いたセンサ回路は電源電圧や周囲温度が変化しても、常に一定の周波数と振幅を有する主振動モードで発振させることができるため、特に、微小物質の付着や液体の粘度変化等を高精度に検出するセンサに適用して有用となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施の形態における振動子の斜視図
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図
【図３】同振動子を用いたセンサ回路を示す回路図
【図４】（ａ）（ｂ）同振動子の変位分布と電荷分布を示す図
【図５】同振動子の周波数応答を示す図
【図６】ＭＥＭＳ技術を用いて作製した振動子の斜視図
【図７】図６のＡ−Ａ線断面図
【図８】同振動子を用いたセンサ回路を示す回路図
【図９】同振動子の周波数応答を示す図
【図１０】（ａ）（ｂ）同振動子の変位分布と電荷分布を示す図
【図１１】（ａ）（ｂ）従来の振動子の正面および背面図
【図１２】同振動子を用いたセンサ回路を示す回路図
【符号の説明】
【００２７】
１１  基板
１２  薄肉部
１３  下地電極
１４  圧電体層
１５  駆動電極
１６  検出電極
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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