JPH01500052A - 材料の状態特にその材料のガス又は液体の吸着を検出する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 材料の状態特にその材料のガス 又は液体の吸着を検出する装置 圧電気材料において弾性表面波（いわゆるレイリー波）が約２〜３μｍの深さで 発生し得ることが知られている。そのような材料では伝播速度が約１０３ｍ７’ ｓで、波長がマグニチュード１μｍオーダーにできるので、マグニチュードＩ　 ＧＨｚオーダーの振動が電気回路から対応する機械振動へ転換し得る。伝播速度 が遅い場合には小型の遅延回路を構成でき、このようにして電気機械フィルター が得られる。

上記の波を励起し再び電気振動を呼び起すのにいわゆる組合せ式変換器が利用で きる。この変換器は圧電気ウェハーの表面上の二つの櫛歯状の金属箔からなる電 極からなり、その電極の歯は、歯のピッチの４分の１に等しい幅を有して挿入さ れている。弾性波は歯に直交する方向に発生され、その波長は歯のピッチに等し い。その振幅と共振の尖鋭度は歯数により増大する。

この点の詳細は、刊行物Ａ、Ｖｅｎｅｍａ　ｉｎ　’ｒｔ　ｊｄａｃｈｒｉｆ　 ｔＮＥＲＧ　４０５（１９７５）　１３５に記載されている。

米国特許第４．３１２，２２８号では、２つの合成電極を有する圧電気ウェハー からなる装置が記載され。

その電極の間の部分がガス又は液体を吸着する層で覆われている。この層は圧電 気材料の振動の仕方に影響を与え、その結果として弾性波の伝播速度にも影響を 与える。この層の特性が例えば他の物質の吸着によって変化すると電極組立体間 の伝達時間に影響する。電極組立体は例えば層条件及び従って弾性波の伝達時間 の変化があるので多かれ少なかれ調整が外れるであろう発振回路に含ませること ができる。

吸着物質の特性に関する情報はそこから誘導される。

このような装置は他の表面層の変化やあるいは異なった種類の表面層を相互に比 較することにも使える。

この公知の装置には表面層の非常に微少な変化を検知できないという欠陥がある 。つまり弾性波の伝達時間の僅かな変動は発振器の実質的な脱調をもたらさない からである。このように波の伝達時間の測定が可能ではあるが、そのためには、 多くの場合。

装置を実用目的上不適とする複雑で高価な装置となってしまう。

本発明の目的は、公知の装置よりも実質的に高感度の装置を提供することである 。

本発明による装置は材料の条件特にこの材料の上のガス又は液体の吸着を決定す るために、少なくともその近くに圧電気特性を有する平らな面からなる基材と、 その面上に設けられ、薄い金属層で、互いに噛み合った（社）歯形をなす層から なる電極組立体からなり、その組立体が前記圧電気材に櫛歯と直交する方向に弾 性波を発生させるために適当な周波数を有する交流電圧が印加されるようになっ ており、さらに前記層ｆの組立体の横に配されている。その条件が決定されるべ き材料からなる少なくとも１つの表面層とからなり、その特徴は、櫛形電極組立 体の両側に、その組立体で生起される弾性波用のミラーが配され、そのミラーが 、前記電極の歯と平行に展がる実質的に直線状の面形状で形成されてなりかつ前 記ミラー間に反射される波が仮に前記表面層が所与の関連条件にあると前記電極 組立体で位相が一致するように電極組立体から一定の距離を置いて配されており 、前記層が少なくとも電極組立体と前記ミラーの１つとの間に設けられているこ とにある。

この構造は光学分野で知られる干渉計と比較することができ、電極組立体とミラ ーとの間の僅かな伝達時間差に極度に敏感である。伝達時間の差で異った波は位 相が一致しなくなり、電気回路によってインピーダンスの変化として感知され電 気振動を起すこの装置ではエネルギーストックが変化するのでそのような変化は 容易に検知される。

更に第２の同じような電極組立体を、第１の組立体から関連条件下で異なった波 がそこでも位相が一致するような距離を保って設けることも出来、この第２の組 立体は電気計測回路に接続される。この場合、その関連が、振動の位相が一致す る距離とポイントであれば、振動の中心点と考え得る電極組立体のポイントとな る。

前記ミラーは特に１表面層の関連条件における弾性波の４分の１波長の整数倍の 相互距離を有する複数の平行線からなり、その整数は実質的に完全な反射が得ら れるように選択されている。

前記ミラーの線は圧電気材料の表面に設けた金属層又は前記表面に刻んだ浅い溝 で形成できる。

特に圧電気材の表面は、関連回路が集積される半導体基材による被覆層の形にす ることができる。

本発明を図面を参照して更に詳細に説明する。

第１図は本発明の装置の基本形の輪隔図。

第２図は第１図の１部の拡大図。

第３図は他の実施例の対応図である。

本発明の装置は圧電気材料のウェハー１あるいは少なくとも適当な基材上に設け た圧電気被覆層からなり、被覆層１の場合には、数μｍの浸透深さを有する所謂 レイリー波を形成するのに充分な厚みを有している。

ウェハー１の上には所謂組合せ電極組立体２が設けである。その組立体の１部は 第２図で広大して示しである。前記組立体の下のウェハ一部分は圧電気材である 必要はなく、もし圧電気材でない場合には組立体２のと、ころに圧電気材被覆層 を設ければよい。

第２図で示すように１組立体２はそれぞれが複数の歯５を有する２つの電極３か ら成る。その歯５０幅は、異なった電極３と４の２つの歯５の空間の曙に等しい 。若し適当な交流電圧がこの電極に印加されると、ウェハー１の表面に歯５と直 交する伝播方向を有する弾性波が生起される。励起周波数は、圧電気柱内の伝播 速度から歯幅又は歯のピッチの４倍となり、この点において文献例えばＡ、Ｖｅ ｎｅｍａ　１ｎＴｉｊｄａｃｈｒｉｆｔ　ＮＥＲＧ　４０．５（１９７５）　１ ３５　を参照できる。

このような組立体で得られる波長は組立体製造の精度に依存する。半導体集積回 路用に開発されたエツチング技術により極めて精密な電極組立体の製造が可能に なり、１μｍ単位の波長即ち数ＧＨｚの周波数（圧電気材中の伝播速度が３．１ ０’ｍ／ｓ　）が可能となる。

このことは、ウェハー１上で比較的に非常に小さい通路長に弾性波の非常に沢山 の波長を含むことを意味する。

組立体２の両側のウェハー１の上に複数の線７が設けられるが、その線は蒸着金 属層又は表面に刻設した細い溝から成る。組立体２に直近の線と組立体２の中心 点との距離は半波長の整数倍に等しく、セットになった谷線の間隔は４分の１波 長の整数倍に等しい。この線は弾性波に対しミラーとして作用する。単線７では 完全な反射を発生せず、４分の１波長の整数倍で平行に複数設けることでより良 好な反射を行う。実際には、何１０本かの線が実質的に完全々反射を行う。電極 組立体２から発生する弾性波はミラー線７で反射し１組立体２の中心から放出さ れる波と位相が一致する。そしてこれが干渉計として作用し、調整条件において はエネルギーのマキシマムストレージが生じる。しかし１反射波が組立体２の中 心で位相が一致するように屈かないと、このエネルギーが急速に減衰して、これ が電極組立体２をなす電気回路内で対応する容易に検出されるインピーダンス変 動として感知される。組立体２は第２図に繊組立体の中間にあるものとして示し である。

これはしかし、編組立体７間の距離がギ波長の全数を合せたものである限りは必 要ではないことは云う迄もない。

ウェハー１の表面上の少なくとも線７と電極組立体２との間には、圧電気材の弾 性の態様に影響を与えるよう゛に表面層８が設けられている。前記の干渉計調整 はこの表面層に設けた圧電気材に発生する波長に適合するように行われる。

表面層８の条件が変ると、圧電気材の振動態様も変化され、振動条件への障害へ とつながる。そのような変動は例えば層が他の物質を吸着しその質量が増大した ときに生じる。層８に吸着され、極く微量であっても実質的に振動の平衡状態を 乱すに充分なガス、又は液体を検出することができるようになっている。

電極組立体２の１側方にのみ層８を設けることはできるカ２．第１図に示すよう に対称形に配するのがよい、その理由は感度が向上するからである。

第３図は他の実施例を示し、第２の電極組立体２′が設けられ第１の組立体２と 同じ位相の一致が行われる。組立体２′は電気計測回路と接続され９組立体２は 唯弾性振勤め励起にのみ機能する。

このように、極微の濃度を有するガス及び／又は液体に感応する検知器を得るこ とが容易となる。表面層８の態様に影響する他の現象も検知できることは云う迄 もない。

場合によっては半導体基材上に設けた圧電気層ｌを使用するのもよい、その基材 に電気振動を生起させるのに用いられる及び発生するずれを測定するための集積 回路を形成するのである。

ｌシフ邑−２゜ 国際調査報告 ’　ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴｈＥ　ｒ’ＭＴＺＲＮＡＴＩＯＮＮ−５ＥＪＲ国ＲＥ ＦＯＲＴ　０ＮＵＳ−Ａ−４１２１４６７２４／１０／７８　Ｎｏｎｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）材料の状態特にその材料へのガス又は液体の吸着を検出する装置であって， 少なくともその近傍に圧電気特性を有する平らな面を備えた基材と，前記面上に 設けられ，相互に歯を噛み合せた２つの櫛形の薄い金属層からなる前記圧電気の 基材に，櫛歯と直交する方向に弾性波を発生させるために適当な周波数を有する 交流電圧が印加されるようになってる電極組立体と，さらに前記面上の前記組立 体の横に配されその条件が決定されるべき材料からなる少なくとも１つの表面層 とからなるとともに，櫛形電極組立体の両側に，その組立体で生起される弾性波 用のミラーが配され，そのミラーが，前記電極の歯と平行に展がる実質的には直 線状をなす面形状に形成されてなり，前記ミラー間に反射される波が，前記表面 層が所与の関連条件にあるとき前記電極組立体で位相が一致するように電極組立 体から一定の距離で配され，かつ前記表面層が少なくとも電極組立体と前記ミラ ーの１つとの間に設けられていることを特徴とする検出装置。 ２）第２の同様の電極組立体が第１の電極組立体から，関連条件において異なつ た波がそこでも位相一致するような距離で設けられ更に電気計測回路に接続され ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の検出装置。 ３）前記ミラーが特に前記表面層の関連条件において，弾性波の４分の１波長の １整数倍の相互距離を有する複数の平行線からたり，その数が実質的に完全な反 射が得られるように選定されることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２ 項記載の検出装置。 ４）前記ミラー線が圧電気材表面に設けた金属層からなることを特徴とする特許 請求の範囲第１項から第３項のいずれか１つに記載の検出装置。 ５）前記ミラー線が圧電気材表面に刻設した浅い溝からなることを特徴とする特 許請求の範囲第１項から第３項のいずれか１つに記載の検出装置。 ６）前記圧電気材の表面が関連回路を集積した半導体基材上に被覆層として形成 されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第５項のいずれか１つに 記載の検出装置。