特開 2022-156965 弾性波センサおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022156965

(43)【公開日】2022-10-14

(54)【発明の名称】弾性波センサおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/036 20060101AFI20221006BHJP

   G01N 29/22 20060101ALI20221006BHJP

【ＦＩ】

G01N29/036

G01N29/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021060921

(22)【出願日】2021-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】後藤 哲広

(72)【発明者】

【氏名】坂下 武

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA01

2G047BA04

2G047CA01

2G047EA10

(57)【要約】

【課題】感度の低下を抑制する弾性波センサを提供する。
【解決手段】弾性波センサ２５は、圧電基板１０と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指１４を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極１６を、備える弾性波共振器２７と、前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に少なくとも設けられ、前記複数の電極指より薄い感応膜２４とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器と、
前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に少なくとも設けられ、前記複数の電極指より薄い感応膜と、
を備える弾性波センサ。

【請求項2】

前記感応膜の一部は、前記配列領域において前記複数の電極指上に設けられている請求項１に記載の弾性波センサ。

【請求項3】

前記配列領域において前記領域における前記圧電基板上に設けられた感応膜と前記複数の電極指上に設けられた感応膜とは連続して形成されていない請求項２に記載の弾性波センサ。

【請求項4】

前記感応膜は、前記配列領域において前記複数の電極指上に設けられていない請求項１に記載の弾性波センサ。

【請求項5】

圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器と、
前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に設けられ、前記配列領域において前記複数の電極指上には設けられていない感応膜と、
を備える弾性波センサ。

【請求項6】

前記感応膜は前記複数の電極指より厚い請求項５に記載の弾性波センサ。

【請求項7】

前記弾性波センサの共振周波数は、前記感応膜が設けられていないときの共振周波数より高い請求項１から６のいずれか一項に記載の弾性波センサ。

【請求項8】

圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器と、
前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に少なくとも設けられた感応膜と、
を備え、
前記弾性波共振器の共振周波数は、前記感応膜が設けられていないときの前記弾性波共振器の共振周波数より高い弾性波センサ。

【請求項9】

前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板であり、
前記感応膜は、金属フタロシニアンを主材料とする請求項１から８のいずれか一項に記載の弾性波センサ。

【請求項10】

圧電基板上に、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器を準備し、
前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に少なくとも設けられた感応膜を、前記感応膜を形成した後の共振周波数が前記感応膜を形成する前の前記弾性波共振器の共振周波数より高くなるように形成する、弾性波センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、弾性波センサおよびその製造方法に関し、例えば弾性波共振器を有する弾性波センサおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

感応膜の質量の変化を検出することで、気体もしくは液体中の特定原子もしくは分子の濃度、温度、または湿度等の環境の変化を検出する環境センサが知られている。周波数の変化を検出することで感応膜の質量の変化を検出する弾性波センサが知られている（例えば特許文献１、２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５-３３１３２６号公報

【特許文献2】特開２００６-３１３０９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、櫛型電極上に感応膜を設けると共振周波数が低くなる。共振周波数が低くなると弾性波センサの感度が低下する。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みなされものであり、感度の低下を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器と、前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に少なくとも設けられ、前記複数の電極指より薄い感応膜と、を備える弾性波センサである。

【0007】

上記構成において、前記感応膜の一部は、前記配列領域において前記複数の電極指上に設けられている構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記配列領域において前記領域における前記圧電基板上に設けられた感応膜と前記複数の電極指上に設けられた感応膜とは連続して形成されていない構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記感応膜は、前記配列領域において前記複数の電極指上に設けられていない構成とすることができる。

【0010】

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器と、前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に設けられ、前記配列領域において前記複数の電極指上には設けられていない感応膜と、を備える弾性波センサである。

【0011】

上記構成において、前記感応膜は前記複数の電極指より厚い構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記弾性波センサの共振周波数は、前記感応膜が設けられていないときの共振周波数より高い構成とすることができる。

【0013】

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器と、前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に少なくとも設けられた感応膜と、を備え、前記弾性波共振器の共振周波数は、前記感応膜が設けられていないときの前記弾性波共振器の共振周波数より高い弾性波センサである。

【0014】

上記構成において、前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板であり、前記感応膜は、金属フタロシニアンを主材料とする構成とすることができる。

【0015】

本発明は、圧電基板上に、複数の電極指を各々備え、前記複数の電極指の配列方向において一方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部と他方の櫛型電極の電極指の少なくとも一部とは互い違いに配列された一対の櫛型電極を、備える弾性波共振器を準備し、前記一方の櫛型電極の電極指と前記他方の櫛型電極の電極指とが互い違いに配列される配列領域において、前記複数の電極指の間の領域における前記圧電基板上に少なくとも設けられた感応膜を、前記感応膜を形成した後の共振周波数が前記感応膜を形成する前の前記弾性波共振器の共振周波数より高くなるように形成する、弾性波センサの製造方法である。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、感度の低下を抑制することを目的とする。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１（ａ）は、実施例１における弾性波センサを示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図2】図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る弾性波センサの製造方法を示す断面図である。

【図3】図３（ａ）から図３（ｆ）は、実施例１における感応膜の例を示す断面図である。

【図4】図４（ａ）は、実施例２における弾性波センサを示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図5】図５（ａ）から図５（ｄ）は、実施例２における感応膜の例を示す断面図である。

【図6】図６は、比較例１に係る弾性波センサの断面図である。

【図7】図７は、比較例１における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。

【図8】図８は、実施例１における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。

【図9】図９は、実施例１における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。

【図10】図１０は、実施例１における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。

【図11】図１１は、実施例２における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。

【図12】図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例１における弾性波センサの周波数に対するインピーダンスＺを示す図である。

【図13】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実験における弾性波センサＡおよびＢの周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。

【図14】図１４は、実施例３に係る弾性波センサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照し実施例について説明する。

【実施例0019】

実施例１は、弾性波センサとして、弾性波共振器を用いる例である。図１（ａ）は、弾性波センサを示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１（ａ）において、感応膜２４を太破線で示す。電極指１４の配列する配列方向をＸ方向、電極指１４の延伸方向をＹ方向、圧電基板１０の法線方向をＺ方向とする。なお、Ｘ、ＹおよびＺ方向は圧電基板１０の結晶方位とは必ずしも一致しない。

【0020】

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、弾性波センサ２５は、弾性波共振器２７と感応膜２４を備えている。弾性波共振器２７は、ＩＤＴ２０（櫛歯電極：interdigital transducer）および反射器２２を有している。ＩＤＴ２０および反射器２２は圧電基板１０上に設けられている。ＩＤＴ２０および反射器２２は金属膜１２により形成されている。ＩＤＴ２０は一対の櫛型電極１６を有する。一対の櫛型電極１６は、それぞれ複数の電極指１４と、Ｙ方向に延伸する複数の電極指１４の一端が接続され、Ｘ方向に延伸するバスバー１５を有する。Ｘ方向において一方の櫛型電極１６の電極指１４と他方の櫛型電極１６の電極指１４とは少なくとも一部は互い違いに設けられている。バスバー１５には、パッド１７が接続されている。Ｘ方向からみて、一方の櫛型電極１６の電極指１４と他方の櫛型電極１６の電極指１４とが重なる領域が交差領域２３である。交差領域２３は、一方の櫛型電極１６の電極指１４と他方の櫛型電極１６の電極指１４とが互い違いに配列される配列領域である。ＩＤＴ２０のＸ方向の両側に反射器２２が形成されている。ＩＤＴ２０が励振した弾性波は主にＸ方向に伝播し、反射器２２は弾性波を反射する。一対の櫛型電極１６内の一方の電極指１４のピッチをλとする。λは、ＩＤＴ２０が励振する弾性表面波の波長に相当する。λは複数の電極指１４のピッチＤの２倍である。なお、λはピッチＤの２倍以外の場合もある。

【0021】

ＩＤＴ２０上および電極指１４間の圧電基板１０上に感応膜２４が設けられている。例えば、気体または液体中の特定の原子または分子等の物質が感応膜２４に吸着すると感応膜２４の質量が増加する。このように、感応膜２４の周囲の気体または液体中における特定の物質の濃度等の環境の変化により感応膜２４の質量が変化する。感応膜２４の質量が変化すると、弾性波共振器２７の共振周波数および反共振周波数が変化する。弾性波共振器２７の共振周波数または反共振周波数の変化を検出することにより、環境の変化を検出できる。なお、温度が変化すると共振周波数または反共振周波数が変化する。また、感応膜２４の周囲の湿度が高くなると、水分が感応膜２４に吸着し感応膜２４の質量が増加する。これにより、共振周波数または反共振周波数が変化する。これらの共振周波数または反共振周波数の変化はノイズである。

【0022】

圧電基板１０は、例えばタンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板または水晶基板であり、例えば、単結晶回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板または単結晶回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板である。金属膜１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、銅（Ｃｕ）膜またはモリブデン（Ｍｏ）膜である。金属膜１２は、アルミニウム、銅およびモリブデンの少なくとも１つの金属を主材料とする膜でもよい。感応膜２４は、例えば、金属フタロシアニンを主材料とする。

【0023】

図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る弾性波センサの製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、圧電基板１０を準備する。図２（ｂ）に示すように、圧電基板１０上に金属膜１２を形成する。金属膜１２により、ＩＤＴ２０および反射器２２を備える弾性波共振器２７が形成される。金属膜１２の形成方法としては、例えばスパッタリング法または真空蒸着法などにより、金属膜１２を圧電基板１０の一面に被覆する。ホトリソグラフィー技術によりレジスト膜を形成し、その後パターニングする。パターニングされたレジスト膜をマスクに用い、金属膜１２をエッチングすることで、金属膜１２をパターニングする。図２（ｃ）に示すように、ＩＤＴ２０上および電極指１４間の圧電基板１０上に感応膜２４を形成する。感応膜２４は、例えば真空蒸着法またはスパッタリング法により形成する。このとき、感応膜２４を形成する前（図２（ｂ））における弾性波共振器２７の共振周波数および反共振周波数より、弾性波センサ２５の共振周波数および反共振周波数が高くなるように感応膜２４を成膜する。これにより、弾性波センサ２５が製造される。

【0024】

図３（ａ）から図３（ｆ）は、実施例１における感応膜の例を示す断面図である。図３（ａ）～図３（ｆ）では、２本の電極指１４を図示している。図３（ａ）に示すように、感応膜２４は、電極指１４上と電極指１４間の領域２８における圧電基板１０上とに設けられている。電極指１４の側面の上部において、感応膜２４が被覆されていない領域がある。このため、電極指１４上の感応膜２４と領域２８の感応膜２４とは離れている。電極指１４の厚さをＴ１、領域２８における感応膜２４の厚さをＴ２、電極指１４上の感応膜２４の厚さをＴ３とする。厚さＴ２は厚さＴ１より小さい。厚さＴ２とＴ３とは同じでもよいし、異なっていてもよい。

【0025】

図３（ｂ）に示すように、圧電基板１０上に電極指１４が設けられ、この電極指１４の上面および側面、電極指１４間の領域２８における圧電基板１０上を覆うように絶縁膜２６が設けられている。絶縁膜２６は保護膜であり、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の無機絶縁膜である。絶縁膜２６の厚さは電極指１４の厚さＴ１、感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３より小さい。感応膜２４は絶縁膜２６上に設けられている。その他の構成は図３（ａ）と同じであり説明を省略する。

【0026】

図３（ｃ）に示すように、電極指１４上の感応膜２４と領域２８の感応膜２４とは電極指１４の側面に設けられた感応膜２４により連続して形成されている。その他の構成は図３（ａ）と同じであり説明を省略する。

【0027】

図３（ｄ）に示すように、圧電基板１０上に電極指１４を覆うように絶縁膜２６が設けられている。感応膜２４は絶縁膜２６上に設けられている。その他の構成は図３（ｃ）と同じであり説明を省略する。

【0028】

図３（ｅ）に示すように、領域２８の感応膜２４の厚さＴ２は電極指１４の厚さＴ１より大きい。電極指１４上の感応膜２４の厚さＴ３はほぼＴ２－Ｔ１である。これにより、感応膜２４の上面はほぼ平坦である。厚さＴ３はＴ２－Ｔ１より大きくてもよいし、小さくてもよい。その他の構成は図３（ａ）と同じであり説明を省略する。

【0029】

図３（ｆ）に示すように、圧電基板１０上に電極指１４を覆うように絶縁膜２６が設けられている。感応膜２４は絶縁膜２６上に設けられている。その他の構成は図３（ｅ）と同じであり説明を省略する。

【0030】

図３（ａ）～図３（ｄ）のように、領域２８の感応膜２４の厚さＴ２は電極指１４の厚さＴ１より小さくてもよいし、図３（ｅ）および図３（ｆ）のように、厚さＴ２は厚さＴ１より大きくてもよい。図３（ａ）および図３（ｂ）のように、領域２８の感応膜２４と電極指１４上の感応膜２４とは離れていてもよいし、図３（ｃ）および図３（ｄ）のように、領域２８の感応膜２４と電極指１４上の感応膜２４とは接続されていてもよい。

【実施例0031】

図４（ａ）は、実施例２における弾性波センサを示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、感応膜２４は、電極指１４の間の領域２８における圧電基板１０上、および電極指１４とバスバー１５との間における圧電基板１０上に設けられ、電極指１４上に設けられていない。その他の構成は実施例１の図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。

【0032】

図５（ａ）から図５（ｄ）は、実施例２における感応膜の例を示す断面図である。図５（ａ）～図５（ｄ）では、２本の電極指１４を図示している。図５（ａ）に示すように、感応膜２４は、電極指１４の間の領域２８における圧電基板１０上に設けられ、電極指１４上に設けられていない。感応膜２４の厚さＴ２は電極指１４の厚さＴ１より小さい。

【0033】

図５（ｂ）に示すように、圧電基板１０上に電極指１４を覆うように絶縁膜２６が設けられている。感応膜２４は絶縁膜２６上に設けられている。その他の構成は図５（ａ）と同じであり説明を省略する。

【0034】

図５（ｃ）に示すように、感応膜２４の厚さＴ２は電極指１４の厚さＴ１より大きい。その他の構成は図５（ａ）と同じであり説明を省略する。

【0035】

図５（ｄ）に示すように、圧電基板１０上に電極指１４を覆うように絶縁膜２６が設けられている。感応膜２４は絶縁膜２６上に設けられている。その他の構成は図５（ｃ）と同じであり説明を省略する。

【0036】

［比較例１］
図６は、比較例１に係る弾性波センサの断面図である。図６に示すように、比較例１では、感応膜２４は電極指１４上に設けられ、領域２８には設けられていない。電極指１４および感応膜２４の厚さはそれぞれＴ１およびＴ３である。

【0037】

［シミュレーション］
実施例１および比較例１について、感応膜を形成する前後の弾性表面波共振器と感応膜２４を形成した後の弾性波センサ２５の周波数特性をシミュレーションした。
圧電基板１０：４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板
電極指１４：Ｔ１が４８５ｎｍのモリブデン膜
感応膜２４：銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）
波長λ：４．４μｍ
銅フタロシアニンの密度ρおよびヤング率Ｅは測定結果からそれぞれ１．４９ｇ／ｃｍ^３および５５ＧＰａとし、ポアソン比σは文献から０．３５とした。

【0038】

比較例１の図６の構造において、感応膜２４の厚さＴ３を変えた。図７は、比較例１における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。感応膜２４を設ける前の共振周波数ｆｒ０は７００ＭＨｚ（破線）である。感応膜２４の厚さＴ３を０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．１５μｍ、０．２μｍおよび０．４８５μｍとした。共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａともに、厚さＴ３が厚くなるにしたがい低くなる。

【0039】

実施例１の図３（ａ）の構造において、感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３を変えてシミュレーションした。図８から図１０は、実施例１における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。感応膜２４を設ける前の共振周波数ｆｒ０は７００ＭＨｚ（破線）である。図８では、感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３を０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．１５μｍおよび０．２μｍとした。Ｔ２＝Ｔ３である。厚さＴ２およびＴ３の感応膜２４を設けると、感応膜２４を設ける前の共振周波数ｆｒ０より共振周波数が低くなる。厚さＴ２およびＴ３が厚くなるにしたがい共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは高くなる。厚さＴ２およびＴ３が０．１５μｍと０．２μｍの間において共振周波数ｆｒは感応膜２４を設けない共振周波数ｆｒ０より高くなる。図９では、感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３を０．２５μｍ、０．３μｍ、０．３５μｍおよび０．４μｍとした。感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３が厚くなるにしたがい共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは高くなる。

【0040】

図１０では、感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３を０．１８１μｍ、０．１８２μｍ、０．１８３μｍおよび０．１８４μｍとし、共振周波数付近を拡大した。感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３が０．１８３μｍのとき、共振周波数ｆｒは感応膜２４を設けない共振周波数ｆｒ０とほぼ一致する。弾性表面波の波長λ＝４．４μｍで規格化すると、厚さＴ２およびＴ３を規格化した値は０．０４１６以上のとき、共振周波数ｆｒはｆｒ０以上となる。

【0041】

実施例２の図５（ａ）の構造において、感応膜２４の厚さＴ２を変えてシミュレーションした。図１１は、実施例２における弾性波センサの周波数に対するアドミッタンスＹを示す図である。感応膜２４を設ける前の共振周波数ｆｒ０は７００ＭＨｚ（破線）である。図１１では、感応膜２４の厚さＴ２を０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．１５μｍ、０．２μｍおよび０．４８５μｍとした。厚さＴ２の感応膜２４を設けると、感応膜２４を設ける前の共振周波数ｆｒ０より共振周波数が低くなる。厚さＴ２が厚くなるにしたがい共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは高くなる。厚さＴ２が０．０５μｍと０．１μｍの間において共振周波数ｆｒは感応膜２４を設けない共振周波数ｆｒ０より高くなる。共振周波数ｆｒが感応膜２４を設けない共振周波数ｆｒ０より高くなる感応膜２４の厚さＴ２は実施例１の図１０より薄い。

【0042】

感応膜２４を設けることによる共振周波数の変化の理由を検討するため、図３（ａ）の構造についてシミュレーションを行った。シミュレーションでは、感応膜２４の密度ρ、ヤング率Ｅおよびポアソン比σを変えた。感応膜２４の厚さＴ２およびＴ３は０．１４μｍである。

【0043】

図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例１における弾性波センサの周波数に対するインピーダンスＺを示す図である。図１２（ａ）に示すように、ヤング率Ｅおよびポアソン比σをそれぞれ５５ＧＰａおよび０．３５に固定し、密度ρを０．７５ｇ／ｃｍ^３、１．４９ｇ／ｃｍ^３および３ｇ／ｃｍ^３とした。密度ρが大きくなると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは低くなる。図１２（ｂ）に示すように、密度ρおよびポアソン比σをそれぞれ１．４９ｇ／ｃｍ^３および０．３５に固定し、ヤング率Ｅを２７．５ＧＰａ、５５ＧＰａおよび１１０ＧＰａとした。ヤング率Ｅが高くなると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは高くなる。図１２（ｃ）に示すように、密度ρおよびヤング率Ｅをそれぞれ１．４９ｇ／ｃｍ^３および５５ＧＰａに固定し、ポアソン比σを０．２５、０．３５および０．４９とした。ポアソン比が変わっても、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａはあまり変わらない。

【0044】

感応膜２４を設けることで共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが変化する要因には２つある。
１つ目は、感応膜２４を設けることで圧電基板１０および電極指１４に加わる質量付加の影響である。質量付加が大きくなると共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは低くなる。
２つ目は、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速の影響である。領域２８では、弾性表面波は圧電基板１０と感応膜２４との界面付近を伝搬する。感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速が速くなると、圧電基板１０と感応膜２４との界面付近を伝搬する弾性表面波の速度が速くなる。これにより、弾性波センサ２５の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが高くなる。領域２８に設けられる感応膜２４の密度ρが低くなると、負荷質量が小さくなって共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが低くなる影響が小さくなる。一方、感応膜２４の密度ρが低くなると感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速が速くなると考えられる。よって、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが高くなる。領域２８に設けられる感応膜２４のヤング率Ｅが高くなると、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速が速くなると考えられ、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが高くなる。

【0045】

図１２（ａ）では、感応膜２４の密度ρが高くなると、質量付加が大きくなり、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速が遅くなる。よって、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは低くなると考えられる。図１２（ｂ）では、感応膜２４のヤング率Ｅが高くなると、質量付加は変わらず、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速が速くなる。よって、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは高くなると考えられる。図１２（ｃ）では、感応膜２４のポアソン比σは質量付加および感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速にあまり影響しないため、ポアソン比σが変化しても共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａはあまり変わらないと考えられる。

【0046】

上記考察に基づき、比較例１、実施例１および２について考察する。図１２（ａ）から図１２（ｃ）の結果から、以下のように考えられる。比較例１のように、感応膜２４が電極指１４間の領域２８に設けられていない場合、共振周波数の変化は質量付加の影響のみである。このため、図７のように、感応膜２４の厚さＴ３が大きくなると共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは低くなる。

【0047】

実施例１および２のように、感応膜２４が領域２８に設けられている場合には、共振周波数の変化への質量負荷の影響と、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速の影響がある。

【0048】

まず、感応膜２４の厚さＴ２が小さい場合、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速への影響はほとんどなく、質量負荷の影響が大きい。よって、図８および図１１のＴ２＝０．０１μｍのように、薄い感応膜２４が設けられると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは感応膜２４が設けられていない共振周波数および反共振周波数ｆａより低くなる。

【0049】

次に、感応膜２４の厚さＴ２が大きい場合、質量負荷の影響より感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速の影響が大きくなる。よって、図８～図１１のように、感応膜２４の厚さＴ２が大きくなるにしたがい、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは高くなる。

【0050】

実施例１と実施例２の比較では、実施例２では電極指１４上に感応膜２４が設けられていない。このため、実施例２は実施例１より質量付加の影響が小さい。よって、実施例１では、図１０のように共振周波数ｆｒがｆｒ０より大きくなる感応膜２４の厚さＴ２は０．１８３μｍである。これに対し実施例２では、図１１のように共振周波数ｆｒがｆｒ０より大きくなる感応膜２４の厚さＴ２は０．０５μｍ～０．１μｍである。このように、実施例２は実施例１より共振周波数ｆｒがｆｒ０より高くなる厚さＴ２が小さくなる。

【0051】

［実験］
共振周波数が異なる弾性波センサＡおよびＢを作製し、感応膜２４を形成する前後における周波数特性を測定した。周波数特性の測定には、ベクトルネットワークアナライザを用いた。作製した弾性波センサは実施例１の図３（ａ）の構造であり、感応膜２４は厚さＴ２およびＴ３が０．１４μｍの銅フタロシアニンである。弾性波センサＡの波長λは１．８１μｍ、弾性波センサＢの波長λは４．４μｍである。規格化した厚さＴ２／λ、Ｔ３／λは、弾性波センサＡおよびＢにおいてそれぞれ０．０７７および０．０３２である。

【0052】

図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実験における弾性波センサＡおよびＢの周波数に対するインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。図１３（ａ）に示すように、弾性波センサＡでは、感応膜２４を成膜した後の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、感応膜２４を成膜前の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａよりそれぞれ高くなる。共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａのピークが鈍り、Ｑ値が低下している。

【0053】

図１３（ｂ）に示すように、弾性波センサＢでは、感応膜２４を成膜した後の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、感応膜２４を成膜する前の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａよりそれぞれ低くなる。共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａのピークが多少鈍り、多少Ｑ値が低下しているが、弾性波センサＡほどではない。

【0054】

感応膜２４を成膜後、弾性波センサＡではｆａおよびｆｒが高くなり、弾性波センサＢではｆａおよびｆｒが低くなるのは、規格化した厚さＴ２／λおよびＴ３／λの差と考えられる。図１０のシミュレーションでは、規格化厚さＴ２およびＴ３が０．０４１６λのとき、感応膜２４の成膜によりｆｒおよびｆａが低くなるか高くなるかの境値である。この結果は、弾性波センサＡおよびＢの結果と矛盾しない。Ｑ値の劣化は規格化厚さＴ２／λおよびＴ３／λが大きいほど大きくなると考えられる。一般的な電極指１４の厚さＴ１／λは０．１～０．１５である。図１３（ａ）のように、厚さＴ２／λが０．０７７では、Ｑ値が劣化している。Ｑ値劣化の防止という観点では、厚さＴ２は電極指１４の厚さＴ１より小さいことが好ましいと考えられる。

【0055】

以上の実施例１および２におけるシミュレーション結果および実験結果をまとめる。

【0056】

比較例１では、感応膜２４を電極指１４上のみに設けられているため、共振周波数および反共振周波数の変化に影響するのは質量負荷の影響のみである。一方、実施例１では、感応膜２４は、複数の電極指１４間の領域２８における圧電基板１０上に設けられる。これにより、共振周波数および反共振周波数の変化に影響する要因として、質量負荷の影響に加え、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速の影響が加わる。このため、実施例１では、比較例１のように感応膜２４を電極指１４上のみに設ける場合に比べ、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが高くなる。よって、弾性波センサの感度の低下を抑制できる。

【0057】

領域２８における感応膜２４の厚さＴ２が大きくなると、図１３（ａ）のように、Ｑ値が低下する。よって、図３（ａ）～図３（ｄ）、図５（ａ）および図５（ｂ）のように、厚さＴ２は、電極指１４の厚さＴ３より小さいことが好ましい。厚さＴ２はＴ３の０．９以下が好ましく、０．８以下がより好ましく、０．７以下がより好ましい。一方、感応膜２４が厚いほど、特定の物質の吸着量が多く、感応膜２４の質量の増加量も大きくなる。よって、この観点から、図３（ｅ）、図３（ｆ）、図５（ｃ）および図５（ｄ）のように、感応膜２４の厚さＴ２（圧電基板１０からの高さ）は電極指１４の厚さＴ３より大きくてもよい。

【0058】

感応膜２４の厚さＴ２が小さいと、図８および図１１のように、音速が速くなる影響が小さくなり、感応膜２４内に存在する弾性表面波のエネルギーが少なくなり、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが低くなる。よって、電極指１４の平均ピッチＤとしたとき、感応膜２４の厚さＴ２は０．０２Ｄ（０．０１λ）以上が好ましく、０．０４Ｄ（０．０２λ）以上がより好ましく、０．０８Ｄ（０．０４λ）以上がさらに好ましい。なお、電極指１４の平均ピッチＤは、ＩＤＴ２０のＸ方向の幅を電極指１４の本数で除することで算出できる。

【0059】

実施例１の図３（ａ）から図３（ｆ）のように、交差領域２３において、感応膜２４は電極指１４上に設けられていてもよい。電極指１４の間の領域２８に感応膜２４を設け、電極指１４上に感応膜２４を設けない場合、製造工程が複雑になる。よって、製造工程を簡略化する場合には電極指１４上に感応膜２４を設けることが好ましい。電極指１４上の感応膜２４の厚さＴ３が大きいと、質量付加の影響で共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが低くなる。よって、厚さＴ３は小さいほど好ましい。

【0060】

図３（ｃ）および図３（ｄ）のように、交差領域２３において領域２８に設けられた感応膜２４と電極指１４上に設けられた感応膜２４とが接続されている場合、領域２８において感応膜２４の厚さが異なる箇所が生じてしまい、Ｑ値が劣化する恐れがある。よって、図３（ａ）および図３（ｂ）のように、交差領域２３において領域２８における圧電基板１０上に設けられた感応膜２４と電極指１４上に設けられた感応膜２４とは連続して形成されていないことが好ましい。感応膜２４が連続して形成されていないとは、交差領域２３において領域２８における圧電基板１０上に設けられた感応膜２４と電極指１４上に設けられた感応膜２４とは離れているということである。

【0061】

電極指１４上に設けられた感応膜２４は質量付加のみに寄与する。このため、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを低くすることのみに寄与する。この観点から、感応膜２４は、交差領域２３において電極指１４上に設けられていないことが好ましい。

【0062】

さらに、弾性波センサの共振周波数ｆｒは、感応膜２４が設けられていないときの共振周波数ｆｒより高い。例えば図２（ｂ）において測定された弾性波共振器２７の共振周波数ｆｒ０および反共振周波数ｆａ０より、図２（ｃ）において測定された弾性波センサ２５の共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは高い。これにより、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを高くできる。よって、弾性波センサ２５の感度の低下を抑制できる。

【0063】

共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを高くするためには、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速は圧電基板１０を伝搬する弾性表面波の音速より速いことが好ましい。タンタル酸リチウムでは、密度ρおよびヤング率Ｅはそれぞれ７．４５ｇ／ｃｍ^３および２３０ＧＰａであり、ニオブ酸リチウムでは、密度ρおよびヤング率Ｅはそれぞれ４．６５ｇ／ｃｍ^３および２１０ＧＰａである。銅フタロシアニンの密度ρおよびヤング率Ｅはそれぞれ１．４９ｇ／ｃｍ^３および５５ＧＰａである。よって、圧電基板１０がタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムのとき、銅フタロシアニンを感応膜２４に用いることで、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速を圧電基板１０を伝搬する弾性表面波の音速より速くできる。よって、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを高くできる。

【0064】

音速の速い感応膜２４としては銅フタロシアニン以外に、フッ化銅フタロシアニン（ＣｕＰｃＦ_８、ＣｕＰｃＦ_１６）、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）を主成分としてもよい。銅フタロシアニン、フッ化銅フタロシアニン（ＣｕＰｃＦ_１６）、コバルトフタロシアニン、マンガンフタロシアニンおよび鉄フタロシアニンの文献に記載された密度ρは、それぞれ１．６４１ｇ／ｃｍ^３、２．０５４ｇ／ｃｍ^３、１．６２５ｇ／ｃｍ^３、１．６５１ｇ／ｃｍ^３および１．６４９ｇ／ｃｍ^３である。銅フタロシアニン、鉄フタロシアニンおよびニッケルフタロシアニンの乾式密度計により測定した密度ρは、それぞれ１．６２ｇ／ｃｍ^３、１．５８ｇ／ｃｍ^３および１．６０ｇ／ｃｍ^３である。銅フタロシアニンのＸ線反射率法（ＸＲＲ：X-Ray Reflectivity）により測定した密度ρは、１．４９ｇ／ｃｍ^３である。

【0065】

これらの金属フタロシアニンの密度は圧電基板１０より低い。また、金属フタロシアニンのヤング率が高い。このため、金属フタロシアニンを感応膜２４に用いることで、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速を速くでき、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを高くできる。このように、金属フタロシアニンは密度が小さくヤング率が大きい。金属フタロシアニンの金属は、遷移金属であり、例えば銅、コバルト、マンガン、鉄、ニッケルまたはチタンである。金属フタロシアニンはフッ化金属フタロシニアン、塩素化金属フタロシニアンまたは臭素化金属フタロシニアンのようにハロゲン化フタロシニアンでもよい。

【0066】

以上のように、圧電基板１０は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板であり、感応膜２４は、金属フタロシニアンを主材料とすることが好ましい。これにより、感応膜２４を伝搬する弾性表面波の音速が圧電基板１０を伝搬する弾性表面波の音速より速くなり、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａを高くできる。なお、感応膜２４が金属フタロシニアンを主材料とするとは、感応膜２４が金属フタロシニア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２４の金属フタロシニアンの割合は例えば５０重量％以上または８０重量％以上である。