JP2020064014A

JP2020064014A - センサ回路

Info

Publication number: JP2020064014A
Application number: JP2018196969A
Authority: JP
Inventors: 京日廉; Jing Ri Lian; 哲夫佐治; Tetsuo Saji
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-04-23

Abstract

【課題】出力電圧の高いセンサ回路を提供すること。【解決手段】本発明は、感応部の質量が変化することで共振周波数および／または***振周波数が変化する共振器１２を備え、前記共振周波数または前記***振周波数に対応する発振信号Ｓ１を出力する発振器１０と、前記発振信号Ｓ１の周波数の変化を振幅の変化に変換する周波数弁別器１６と、前記周波数弁別器１６の出力信号Ｓ２の振幅電圧を出力する検波器１８と、を備えるセンサ回路。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ回路に関し、例えば共振器を有するセンサ回路に関する。

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、または湿度等の物理量を検出する環境センサが知られている。感応膜（物質を検出する表面）を有する弾性波共振器を移相器として用い、基準発振信号の位相シフト量で物質を検出するセンサ回路が知られている（例えば特許文献１）。感応膜（物質を検出する反応性膜または化学的インタラクチィブ膜）を有する弾性波共振器と基準となる弾性波共振器との共振周波数の差で物質を検出するセンサ回路が知られている（例えば特許文献２および３）。感応膜を有する弾性波共振器が出力した発振信号を発振信号の周波数の変化に対応するように位相差が変化する２つの信号に分岐し、２つの信号をミキシングすることで、物質を検出するセンサ回路が知られている（例えば特許文献４）。

米国特許第５９３２９５３号明細書特開２００４−２２６４０５号公報国際公開第２００７／００５７０１号特開２０１８−１１５９２７号公報

特許文献１では、感応膜を有する弾性波共振器はＱ値が小さくなる。このため、感応膜の質量変化に対する位相シフト量が小さくなり、検出感度が低下する。特許文献２、３では、弾性波共振器を有する発振器を２つ用いることになり回路規模が大きくなる。特許文献４では、検出感度は良好であるが出力信号の電圧が低い。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、出力電圧の高いセンサ回路を提供することを目的とする。

本発明は、感応部の質量が変化することで共振周波数および／または***振周波数が変化する共振器を備え、前記共振周波数または前記***振周波数に対応する発振信号を出力する発振器と、前記発振信号の周波数の変化を振幅の変化に変換する周波数弁別器と、前記周波数弁別器の出力信号の振幅電圧を出力する検波器と、を備えるセンサ回路である。

上記構成において、前記周波数弁別器は、前記発振信号が入力する端子と振幅が変化する出力信号が出力する端子との間に直列および／またはシャントに接続された第１弾性波共振器を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記共振器は前記感応部を有する第２弾性波共振器を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記第２弾性波共振器は、第１圧電膜と、前記第１圧電膜の少なくとも一部を挟む第１電極および第２電極と、前記第２電極の前記第１圧電膜と反対側に設けられ、前記感応部である感応膜と、を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記周波数弁別器は、前記発振信号が入力する端子と振幅が変化する出力信号が出力する端子との間に直列および／またはシャントに接続された第１弾性波共振器を備え、前記第１弾性波共振器は、前記第１圧電膜と同じ材料からなる第２圧電膜と、前記第２圧電膜の少なくとも一部を挟む第３電極および第４電極と、を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記発振器は、制御端子、第１端子、および前記発振信号が出力する第２端子を有するトランジスタと、一端が前記制御端子に接続され、他端が前記第１端子に接続された第１キャパシタと、前記第２端子と前記第１端子との間に前記トランジスタと並列に接続された第３弾性波共振器と、前記第２端子と前記第１端子との間に前記第３弾性波共振器と直列に接続されたインダクタと、前記第２端子と前記第１端子との間に、前記第３弾性波共振器と並列かつ前記インダクタと直列に接続された第２キャパシタと、を有し、前記第２弾性波共振器は、一端が前記制御端子に接続され、他端が前記第２端子に接続される構成とすることができる。

本発明は、発振信号を出力する発振器と、感応部の質量が変化することで通過特性が変化する共振器を有し、前記通過特性の変化に対応し前記発振信号の振幅を変化させる周波数弁別器と、前記周波数弁別器の出力信号の振幅電圧を出力する検波器と、を備えるセンサ回路である。

上記構成において、前記周波数弁別器は、前記発振信号が入力する端子と振幅が変化する出力信号が出力する端子との間に直列および／またはシャントに接続され、前記感応部を有する１または複数の第１弾性波共振器を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記１または複数の第１弾性波共振器の少なくとも１つは、第１圧電膜と、前記第１圧電膜の少なくとも一部を挟む第１電極および第２電極と、前記第２電極の前記第１圧電膜と反対側に設けられ、前記感応部である感応膜と、を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記発振器は、第２弾性波共振器を備え、前記第２弾性波共振器の共振周波数または***振周波数に対応する発振信号を出力し、前記第２弾性波共振器は、前記第１圧電膜と同じ材料からなる第２圧電膜と、前記第２圧電膜の少なくとも一部を挟む第３電極および第４電極と、を有する構成とすることができる。

本発明によれば、出力電圧の高いセンサ回路を提供することができる。

図１は、実施例１に係るセンサ回路の回路図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１における周波数弁別器の通過特性を示す図である。図３は、実施例１における検波器の例を示す回路図である。図４は、実施例１における検波器の入力パワーに対する出力レベルを示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１における周波数弁別器の例を示す回路図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１における周波数弁別器の通過特性を示す図である。図７（ａ）は、実施例１における共振器の例を示す平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８は、実施例１における発振器の例を示す回路図である。図９は、実施例１における発振器の別の例を示す回路図である。図１０は、共振器の周波数に対するリアクタンス成分を示す図である。図１１は、共振器および共振回路の周波数に対するリアクタンス成分を示す図である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、共振器および共振回路の回路図、図１２（ｃ）は共振器および共振回路の周波数に対するリアクタンス成分を示す図である。図１３は、実施例１における発振器の位相雑音を示す図である。図１４は、実施例１におけるセンサ回路の測定系を示すブロック図である。図１５（ａ）は、実施例１におけるアセトンを与えたときの発振器の発振スペクトラムの変化、図１５（ｂ）は、出力信号の時間に対する電圧を示す図である。図１６（ａ）は、実施例１における周波数に対する周波数弁別器の減衰量を示す図、図１６（ｂ）は、比較例１における周波数に対する移相器の位相変化を示す図である。図１７は、実施例１および比較例１における発振周波数に対するセンサ回路の出力電圧を示す図である。図１８は、実施例２に係るセンサ回路のブロック図である。図１９（ａ）から図１９（ｄ）は、実施例２における周波数弁別器の回路図である。図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、実施例２における周波数弁別器の周波数に対する減衰量を示す図である。図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、実施例２における周波数弁別器の周波数に対する減衰量を示す図である。図２２は、実施例１および２における弾性波共振器の例を示す平面図である。図２３（ａ）および図２３（ｂ）は、それぞれ図２２のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ断面図である。

以下、図面を参照し実施例について説明する。

図１は、実施例１に係るセンサ回路の回路図である。センサ回路は、発振器１０、周波数弁別器１６および検波器１８を備えている。

発振器１０は、共振器１２および増幅器１４を有している。共振器１２は、感応部の質量の変化に応じ共振周波数および／または***振周波数が変化する。感応部は、環境変化により質量が変化する部位である。例えば気体または液体中の特定の原子または分子が感応部に吸着すると感応部の質量が増加する。また、雰囲気の湿度が高くなると、水分が感応部に吸着し感応部の質量が増加する。温度が変化すると感応部の質量が変化する。また、紫外線等の光が感応部に照射されると感応部の質量が変化する。増幅器１４は、発振器として機能し、共振器の共振周波数または***振周波数に対応する発振信号Ｓ１を出力する。

周波数弁別器（Discriminator）１６は、発振信号Ｓ１の周波数の変化を振幅の変化に変換して信号Ｓ２として出力する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１における周波数弁別器の通過特性を示す図である。図２（ａ）に示すように、周波数弁別器１６はノッチフィルタである。発振信号Ｓ１の周波数がｆ１からｆ２に変化すると信号Ｓ２のパワーはＰ１からＰ２に変化する。図２（ｂ）に示すように、周波数弁別器１６はバンドパスフィルタである。発振信号Ｓ１の周波数がｆ１からｆ２に変化すると信号Ｓ２のパワーはＰ１からＰ２に変化する。このように、周波数弁別器１６は、発振信号Ｓ１の周波数の変化を振幅の変化に変換する。検波器１８は信号Ｓ２の振幅の変化を電圧の変化に変換し、信号Ｓ３を出力する。

［検波器の例］
図３は、実施例１における検波器の例を示す回路図である。図３に示すように、端子Ｔ１は信号Ｓ２が入力する入力端子であり、端子Ｔ２は信号Ｓ３が出力する出力端子である。端子Ｔ１と端子Ｔ２との間にキャパシタＣ３およびダイオードＤ１が直列に接続されている。ダイオードＤ１の接続方向は端子Ｔ１からＴ２の方向が順方向である。キャパシタＣ３とダイオードＤ１との間のノードとグランドとの間に抵抗Ｒ１が接続されている。端子Ｔ２とグランドとの間にキャパシタＣ１および抵抗Ｒ２が並列に接続されている。キャパシタＣ３は入力側の直流阻止用である。抵抗Ｒ１は入力インピーダンスの整合用である。キャパシタＣ１と抵抗Ｒ２は検波精度の調整用である。

検波器１８の検波特性を測定した。測定条件は以下である。
抵抗Ｒ１：５１Ω
抵抗Ｒ２：１ＭΩ
キャパシタＣ１：１５ｐＦ
キャパシタＣ３：１５ｐＦ
信号Ｓ２の周波数：２．４ＧＨｚ

図４は、実施例１における検波器の入力パワーに対する出力レベルを示す図である。図４に示すように、信号Ｓ２の入力パワーが大きくなると信号Ｓ３の出力レベルが大きくなる。信号Ｓ２の入力パワーが−２０ｄＢｍのとき信号Ｓ３の出力レベルは５３ｍＶである。信号Ｓ２の入力パワーが８ｄＢｍのとき信号Ｓ３の出力レベルは約３Ｖである。このように、検波器１８は、信号Ｓ２の振幅（すなわち包絡線）を電圧レベルに変換することができる。

［周波数弁別器の例］
図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１における周波数弁別器の例を示す回路図である。図５（ａ）に示すように、端子Ｔ１は発振信号Ｓ１が入力する入力端子であり、端子Ｔ２は信号Ｓ２が出力する出力端子である。周波数弁別器１６ａでは、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間の経路に直列に共振器１５ａが接続されている。共振器１５ｂの一端は端子Ｔ１と端子Ｔ２との間の経路に接続され、他端はグランドに接続されている。

図５（ｂ）に示すように、周波数弁別器１６ｂでは、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間の経路に直列に共振器１５ａおよび１５ｃが接続されている。共振器１５ｂおよび１５ｄの一端は端子Ｔ１と端子Ｔ２との間の経路に接続され、他端はグランドに接続されている。周波数に対する振幅の傾きを急峻にするため、共振器１５ａから１５ｄのＱ値が大きいことが好ましい。共振器１５ａから１５ｄとしては、Ｑ値の大きい弾性波共振器または水晶共振器を用いる。

共振器１５ａから１５ｄを窒化アルミニウムを圧電膜とする圧電薄膜共振器とし、周波数弁別器１６ａおよび１６ｂの通過特性をシミュレーションした。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１における周波数弁別器の通過特性を示す図である。図６（ａ）では、各共振器１５ａから１５ｄの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａを以下とした。
１５ａ、１５ｃ：ｆｒ＝２．３１６ＧＨｚ、ｆａ＝２．３９３ＧＨｚ
１５ｂ、１５ｄ：ｆｒ＝２．３９３ＧＨｚ、ｆａ＝２．４７０ＧＨｚ
共振器１５ａおよび１５ｃの***振周波数ｆａと共振器１５ｂおよび１５ｄの***振周波数ｆａを略同じとすることで１段および２段ラダー型のノッチフィルタを形成した。

図６（ａ）に示すように、１段ラダー型の周波数弁別器１６ａでは、約１０ＭＨｚの周波数変動を約３５ｄＢの振幅変動に変換できる。２段ラダー型の周波数弁別器１６ｂでは、約１０ＭＨｚの周波数変動を約６０ｄＢの振幅変動に変換できる。このように、ラダー型のノッチフィルタを用いることで周波数弁別器を実現できる。ラダーの段数が増加すると、周波数に対する振幅の傾きがより急峻になる。

図６（ｂ）では、各共振器１５ａおよび１５ｂの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａを以下とした。
１５ａ：ｆｒ＝２．３９３ＧＨｚ、ｆａ＝２．４７０ＧＨｚ
１５ｂ：ｆｒ＝２．４３１ＧＨｚ、ｆａ＝２．４４７ＧＨｚ
共振器１５ａの***振周波数ｆａを共振器１５ｂの***振周波数ｆａより約２０ＭＨｚ高くすることで１段ラダー型のバンドパスフィルタを形成した。

図６（ｂ）に示すように、１段ラダー型の周波数弁別器１６ａでは、約１０ＭＨｚの周波数変動を約２９．５ｄＢの振幅変動に変換できる。このように、ラダー型のバンドパスフィルタを用いることで周波数弁別器を実現できる。

周波数弁別器１６には、ラダー型フィルタ以外に、端子Ｔ１とＴ２との間に直列に接続された共振器１５ａのみの回路、端子Ｔ１とＴ２との間にシャント接続された共振器１５ｂのみの回路を用いてもよい。周波数変動から振幅変動への変換の感度を高めるためには、共振器をラダー型に接続することが好ましい。

［共振器の例］
共振器として圧電薄膜共振器を用いる例を説明する。図７（ａ）は、実施例１における共振器の例を示す平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、基板４０上に圧電膜４２が設けられている。圧電膜４２を挟むように下部電極４１および上部電極４３が設けられている。下部電極４１と基板４０との間に空隙４６が形成されている。共振領域４８は、圧電膜４２の少なくとも一部を挟み下部電極４１と上部電極４３とが対向する領域である。共振領域４８において、下部電極４１および上部電極４３は圧電膜４２内に厚み縦振動モードの弾性波を励振する。基板４０上に下部電極４１、圧電膜４２および上部電極４３を覆うように保護膜４４が設けられている。保護膜４４上に感応膜４５が設けられている。平面視において感応膜４５は共振領域４８を含んでいる。基板４０の下面には電極５１が設けられている。基板４０および圧電膜４２を貫通する貫通電極５０が設けられている。貫通電極５０は、下部電極４１および上部電極４３を電極５１に接続する。

感応膜４５に気体または液体の分子が吸着すると、感応膜４５の質量が増加する。また、温度または湿度が変化すると感応膜４５の質量が変化する。共振領域４８内の感応膜４５の質量が増加すると、圧電薄膜共振器の共振周波数および***振周波数が低くなる。

基板４０は、例えばサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板またはシリコン基板である。下部電極４１および上部電極４３は例えばルテニウム（Ｒｕ）膜等の金属膜である。圧電膜４２は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜または水晶層等である。保護膜４４は例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜である。貫通電極５０および電極５１は例えば金（Ａｕ）層または銅（Ｃｕ）層等の金属層である。

感応膜４５は、感応部に相当する。感応膜４５としては、有機高分子膜、有機低分子膜、または無機膜等を用いることができる。感応膜４５の形成方法としては、感応膜の材料を溶剤に溶解させ塗布する方法、蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。

有機高分子材料としては、例えばポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、６−ナイロン、セルロースアセテート、ポリ-９，９-ジオクチレフルオレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンオキシド、ポリ塩化ビニル、ポリ-ｐ-フェニレンエーテルスルホン、ポリ-１-ブテン、ポリブタジエン、ポリフェニルメチルシラン、ポリカプロラクトン、ポリビスフェノキシホスファゼン、ポリプロピレンなどの単一構造からなるホモポリマー、ホモポリマー２種以上の共重合体であるコポリマー、これらを混合したブレンドポリマーなどを用いることができる。

例えば、有機低分子材料としては、トリス（８-キノリノラト）アルミニウム（Ａｌｑ３）、ナフチルジアミン（α−ＮＰＤ）、ＢＣＰ（2,9 - dimethyl - 4,7 - diphenyl - 1,10 - phenanthroline)、ＣＢＰ（4,4' - N,N' - dicarbazole - biphenyl）、銅フタロシアニン、フラーレン、ペンタセン、アントラセン、チオフェン、Ｉｒ（ｐｐｙ（2 - phenylpyridinato））_３、トリアジンチオール誘導体、ジオクチルフルオレン誘導体、テトラコンタン、パリレンなどを用いることができる。

例えば、無機材料としては、アルミナ、チタニア、五酸化バナジウム、酸化タングステン、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、アルミニウム、金、銀、スズ、インジウム・シン・オキサイド（ＩＴＯ）、カーボンナノチューブ、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどを用いることができる。

空隙４６の代わりに圧電膜４２を縦方向に伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を用いることができる。共振領域４８の平面形状は楕円形状以外に四角形または五角形等の多角形でもよい。

［発振器の例］
図８は、実施例１における発振器の例を示す回路図である。図８に示すように、発振器１０ａは、共振器１２、トランジスタＱ１、抵抗Ｒ１からＲ３、キャパシタＣ１からＣ３、インダクタＬ１を有している。トランジスタＱ１のベースとコレクタとの間に共振器１２が接続されている。抵抗Ｒ１およびＲ２はベースバイアスを供給する。抵抗Ｒ３はエミッタバイアスを供給する。キャパシタＣ１およびＣ２は周波数調整および波形改善のために用いる。キャパシタＣ４は端子Ｔ１から出力される発振信号Ｓ１の振幅を大きくする。キャパシタＣ３は直流阻止キャパシタである。

以下に説明する測定およびシミュレーションでは、発振器１０ａにおいて、共振器１２は窒化アルミニウムを圧電膜４２とする圧電薄膜共振器である。抵抗Ｒ１からＲ３はそれぞれ２ｋΩ、３ｋΩおよび１８０Ωである。キャパシタＣ１からＣ４はそれぞれ１ｐＦ、１．８ｐＦ、１５ｐＦおよび１５ｐＦである、インダクタＬ１は１５ｎＨである。電源電圧Ｖｃｃは３．３Ｖである。

図９は、実施例１における発振器の別の例を示す回路図である。図９に示すように、発振器１０ｂは、共振器１２、トランジスタＱ１、Ｑ２、抵抗Ｒ１からＲ５、キャパシタＣ１、Ｃ３からＣ６、インダクタＬ１を有している。共振器１１ａ、キャパシタＣ６およびインダクタＬ１は共振回路１１を形成する。共振器１２は感応膜を有し、共振器１１ａは感応膜を有していない。図８の発振器１０ａに比べ主にトランジスタＱ１およびＱ２をカスコード接続し、コレクタとエミッタとの間のキャパシタＣ２を共振回路１１に変更している。

以下に説明する測定およびシミュレーションでは、発振器１０ｂにおいて、共振器１２および１１ａは窒化アルミニウムを圧電膜４２とする圧電薄膜共振器である。抵抗Ｒ１からＲ５は、それぞれ１ｋΩ、１ｋΩ、７９０Ω、１ｋΩおよび１８０Ωである。キャパシタＣ１、Ｃ３からＣ６は、それぞれ７ｐＦ、１５ｐＦ、３ｐＦ、７ｐＦおよび３ｐＦである、インダクタＬ１は３ｎＨである。電源電圧Ｖｃｃは３．３Ｖである。

共振回路１１を設ける理由を説明する。発振器１０ａおよび１０ｂはピアス型発振器であり、コレクタ−ベース間が誘導性、ベース−エミッタ間が容量性およびエミッタ−コレクタ間が容量性となったときに発振する。

図１０は、共振器の周波数に対するリアクタンス成分を示す図である。リアクタンス成分が０より大きい範囲は誘導性であり、０より小さい範囲は容量性である。窒化アルミニウムを圧電膜４２とする圧電薄膜共振器を作製し感応膜４５のある共振器と、感応膜４５のない共振器との測定結果を比較した。

図１０に示すように、感応膜４５のない共振器は誘導性となる範囲Ａ０は７８ＭＨｚと小さい。このため、感応膜４５のない圧電薄膜共振器を発振器１０ａの共振器１２に用いれば発振器１０ａは狭い範囲で発振し位相雑音が小さい。

しかし、感応膜４５がある共振器では誘導性となる範囲Ａ１が３６８ＭＨｚと広がる。さらに、２．７ＧＨｚ以上の範囲Ａ２でも誘導性となる。このため、感応膜４５のある共振器を発振器１０ａの共振器に用いると発振器１０ａは広い範囲で発振し位相雑音が劣化する。

図１１は、共振器および共振回路の周波数に対するリアクタンス成分を示す図である。発振器１０ｂにおいて、共振回路１１はコレクタ−エミッタ間に接続され、共振器１２はコレクタ−ベース間に接続されている。共振器の測定結果に基づくシミュレーションの結果である。図１１に示すように、感応膜のある共振器１２が誘導性となる範囲Ａ１は３６８ＭＨｚと広い。共振回路１１が容量性となる範囲Ａ３は１２ＭＨｚである。これにより、発振器１０ｂの発振する範囲は１２ＭＨｚとなる。よって、位相雑音が劣化しない。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）は共振器および共振回路の回路図、図１２（ｃ）は共振器および共振回路の周波数に対するリアクタンス成分を示す図である。図１２（ａ）のように端子Ｔ１とＴ２との間に直列接続された感応膜のない共振器１１ａの周波数に対するリアクタンス成分を測定した。図１２（ｂ）のように、端子Ｔ１とＴ２との間にインダクタＬ１と共振器１１ａが直列接続され、共振器１１ａにキャパシタＣ６を並列接続された共振回路１１のリアクタンス成分をシミュレーションした。

図１２（ｃ）に示すように、共振器１１ａ単体では広い周波数範囲で容量性であり、狭い範囲で誘導性となる。このような共振器１１ａを発振器１０ｂのコレクタ−エミッタ間に用いても発振する周波数範囲を狭くできない。共振回路１１では、広い周波数範囲で誘導性であり、狭い周波数範囲で容量性とすることができる。容量性となる範囲はキャパシタＣ６およびインダクタＬ１で調整できる。

図１３は、実施例１における発振器の位相雑音を示す図である。発振器１０ａと１０ｂの位相雑音を測定した。図１３に示すように、位相周波数が１ＭＨｚにおいて、発振器１０ｂの位相雑音は発振器１０ａより２０ｄＢｃ小さい。

このように、発振器１０ｂでは、コレクタとエミッタとの間に共振回路１１を接続することで、コレクタ−エミッタが容量性となる周波数範囲を狭くできる。これにより、感応膜４５を有する共振器の誘導性となる周波数範囲が広くても発振する周波数範囲を狭くできる。これにより、位相雑音を抑制できる。

［センサ回路の測定］
センサ回路を試作した。図１４は、実施例１における発振器の測定系を示すブロック図である。発振器１０として図９の発振器１０ｂを用いた。共振器１２の感応膜４５には、銅フタロシアニンを用いた。周波数弁別器１６として図５（ａ）の周波数弁別器１６ｂのノッチフィルタを用いた。検波器１８として図３の検波器１８を用いた。発振信号Ｓ１を増幅およびインピーダンス変換するバッファアンプ６０と直流信号Ｓ３を増幅するアンプ６１とを用いた。マイクロコンピュータ６２はアンプ６１が増幅したアナログの信号Ｓ３をデジタル信号に変換し、データ処理を行う。パーソナルコンピュータ６４はデータ処理結果を表示する。

図１５（ａ）は、実施例１におけるアセトンを与えたときの発振器の発振スペクトラムの変化、図１５（ｂ）は、出力信号の時間に対する電圧を示す図である。感応膜４５にアセトンを与えた。図１５（ａ）は、アセトンを与えたときのバッファアンプ６０の出力信号のスペクトラムの変化である。周波数ｆ１はアセトンを与える前の発振信号Ｓ１の発振周波数を示し、周波数ｆ２はアセトンを与えた後の発振信号Ｓ１の発振周波数である。アセトンを与えることで、発振周波数が６０ｋＨｚ低下した。また、アセトンを与えることで、バッファアンプ６０の出力信号のレベルは０．１６ｄＢ低下した。

図１５（ｂ）は、アセトンを瞬間的に与えたときのアンプ６１の出力信号の電圧変化を示している。アセトンを与えると電圧が下がる。その後元の電圧に戻る。アセトンを与えることによる発振器１０の発振周波数の変動は約−６０ｋＨｚであり、信号Ｓ２の振幅変動は約−０．１６ｄＢｍであり、信号Ｓ３の電圧変動は約５ｍＶであった。

特許文献１の図１のセンサ回路を参考にした比較例１との差をシミュレーションした。図１６（ａ）は、実施例１における周波数に対する周波数弁別器の減衰量を示す図、図１６（ｂ）は、比較例１における周波数に対する移相器の位相変化を示す図である。図１６（ａ）の矢印に示すように、実施例１では、発振信号Ｓ１の周波数が約１０ＭＨｚ変化すると、減衰量は約２０ｄＢ変化する。図１６（ｂ）の矢印に示すように、比較例１では、発振信号の周波数が約１０ＭＨｚ変化すると位相は約１２３°変化する。

図１７は、実施例１および比較例１における発振周波数に対するセンサ回路の出力電圧を示す図である。図１７の矢印に示すように、実施例１では発振信号の周波数が約１０ＭＨｚ変化すると出力電圧が約０．２２Ｖ変化する。比較例１では発振信号の周波数が約１０ＭＨｚ変化すると出力電圧が約０．３３ｍＶ変化する。

このように、実施例１では比較例１に比べ出力電圧を約６５０倍にできる。また、比較例１では、位相差の最大は１８０°のため出力される電圧範囲が狭いが、実施例１では、信号の振幅を検波するため電圧範囲を大きくできる。比較例１では、ミキサを用いるためバイアス電圧の変動が測定誤差になるが、実施例１では、周波数弁別器１６および検波器１８にバイアス電圧を用いないためバイアス電圧の変動が測定誤差になりにくい。

実施例１によれば、図１のように、発振器１０は、感応部の質量が変化することで共振周波数および／または***振周波数が変化する共振器１２を備え、共振周波数または***振周波数に対応する発振信号Ｓ１を出力する。周波数弁別器１６は、発振信号Ｓ１の周波数の変化を振幅の変化に変換する。検波器１８は、周波数弁別器１６の出力信号の振幅電圧を出力する。これにより、出力電圧を高くできる。

図５（ａ）および図５（ｂ）のように、周波数弁別器１６は、発振信号Ｓ１が入力する端子Ｔ１と振幅が変化する出力信号が出力する端子Ｔ２との間に直列および／またはシャントに接続された共振器１５ａから１５ｄ（第１弾性波共振器）を備える。これにより、発振周波数の変化を振幅の変化に変換できる。また、Ｑ値の高い弾性波共振器を用いることで、周波数変化に対する感度を高くできる。

共振器１２は感応部を有する圧電薄膜共振器（第２弾性波共振器）を備える。これにより、感応部の質量が変化することで共振器の共振周波数および／または***振周波数が変化する。

図７（ａ）および図７（ｂ）のように、共振器１２は、圧電膜４２（第１圧電膜）と、圧電膜４２の少なくとも一部を挟む下部電極４１（第１電極）および上部電極４３（第２電極）と、上部電極４３の圧電膜４２層と反対側に設けられ、感応部である感応膜４５と、を有する。これにより、感応部の質量が変化することで共振器の共振周波数および／または***振周波数が変化する。

図９のように、発振器１０ｂは、ベース（制御端子）、エミッタ（第１端子）、および発振信号Ｓ１が出力するコレクタ（第２端子）を有するトランジスタＱ１およびＱ２を備えている。キャパシタＣ１およびＣ４（第１キャパシタ）は、一端がベースに接続され、他端がエミッタに接続されている。これにより、ベース−エミッタ間は容量性となる。共振器１１ａ（第３弾性波共振器）は、コレクタとエミッタとの間にトランジスタＱ１およびＱ２と並列に接続されている。インダクタＬ１は、コレクタとエミッタとの間に共振器１１ａと直列に接続されている。キャパシタＣ６（第２キャパシタ）は、コレクタとエミッタとの間に、共振器１１ａと並列かつインダクタＬ１と直列に接続されている。共振器１２は、一端がベースに接続され、他端がコレクタに接続される。これにより、感応部を有する共振器１２の誘導性の周波数範囲が広くても、共振回路１１の容量性の周波数範囲が狭いため、位相雑音を抑制できる。

図１８は、実施例２に係るセンサ回路のブロック図である。図１８に示すように、センサ回路は、発振器１０ｄ、周波数弁別器１６ｄおよび検波器１８を備えている。

発振器１０ｄは、共振器１２ｄおよび増幅器１４を有している。共振器１２ｄは、感応部を有していない。周波数弁別器１６ｄは感応部を有する共振器を有している。その他の回路は実施例１と同じであり説明を省略する。

図１９（ａ）から図１９（ｄ）は、実施例２における周波数弁別器の回路図である。図１９（ａ）に示すように、周波数弁別器１６ｅでは、端子Ｔ１とＴ２との間に感応膜４５を有する共振器１５ｂがシャントに接続されている。図１９（ｂ）に示すように、周波数弁別器１６ｆでは、端子Ｔ１とＴ２との間に感応膜４５を有する共振器１５ａが直列に接続されている。

図１９（ｃ）に示すように、周波数弁別器１６ｇでは、端子Ｔ１とＴ２との間に感応膜４５を有する共振器１５ａが直列に、感応膜４５を有する共振器１５ｂがシャントに接続されている。図１９（ｄ）に示すように、周波数弁別器１６ｈでは、端子Ｔ１とＴ２との間に感応膜４５を有する共振器１５ａおよび１５ｃが直列に、感応膜４５を有する共振器１５ｂおよび１５ｄがシャントに接続されている。

このように、周波数弁別器１６ｄは、端子Ｔ１とＴ２との間に、直列接続された１または複数の共振器１５ａおよび１５ｃおよび／またはシャント接続された１または複数の共振器１５ｂおよび１５ｄを備えている。共振器１５ａから１５ｄの少なくとも１つの共振器が感応膜４５を有して入ればよい。

窒化アルミニウム膜を圧電膜４２とする圧電薄膜共振器の感応膜４５に、アセトンまたはエタノールを与え通過特性を測定した。測定結果を用い、周波数弁別器１６ｅから１６ｈの通過特性をシミュレーションした。

図２０（ａ）から図２１（ｂ）は、実施例２における周波数弁別器の周波数に対する減衰量を示す図である。「においなし」は感応膜４５にアセトンおよびエタノールを与えない状態での通過特性、「アセトン」は感応膜４５にアセトンを与えたときの通過特性、「エタノール」は感応膜４５にエタノールを与えたときの通過特性である。

図２０（ａ）に示すように、周波数弁別器１６ｅでは、周波数が２．３７５ＧＨｚにおいて、アセトンを与えたときの振幅の変化は−１．１３ｄＢ、エタノールを与えたときの振幅の変化は−０．３４ｄＢである。図２０（ｂ）に示すように、周波数弁別器１６ｆでは、周波数が２．４６ＧＨｚにおいて、アセトンを与えたときの振幅の変化は−０．５２ｄＢ、エタノールを与えたときの振幅の変化は−０．１３ｄＢである。

周波数弁別器１６ｅおよび１６ｆでは、共振器１５ａおよび１５ｂのにおいなしでの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２３６３．０ＭＨｚおよび２４７２．８ＭＨｚである。アセトンを与えたときの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２３７０．６ＭＨｚおよび２４６８．２ＭＨｚである。エタノールを与えたときの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２３６６．８ＭＨｚおよび２４７２．２ＭＨｚである。

図２１（ａ）に示すように、周波数弁別器１６ｇでは、周波数が２．３７５ＧＨｚにおいて、アセトンを与えたときの振幅の変化は−１．８７ｄＢ、エタノールを与えたときの振幅の変化は−０．５１ｄＢである。図２１（ｂ）に示すように、周波数弁別器１６ｈでは、周波数が２．３７５ＧＨｚにおいて、アセトンを与えたときの振幅の変化は−４．０４ｄＢ、エタノールを与えたときの振幅の変化は−１．０５ｄＢである。

周波数弁別器１６ｇおよび１６ｈでは、共振器１５ａおよび１５ｃのにおいなしでの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２２７９．６ＭＨｚおよび２３８７．８ＭＨｚである。アセトンを与えたときの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２２８６．３ＭＨｚおよび２３８３．４ＭＨｚである。エタノールを与えたときの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２２８２．３ＭＨｚおよび２３８７．６ＭＨｚである。共振器１５ｂおよび１５ｄのにおいなしでの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２３６３．０ＭＨｚおよび２４７２．８ＭＨｚである。アセトンを与えたときの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２３７０．６ＭＨｚおよび２４６８．２ＭＨｚである。エタノールを与えたときの共振周波数ｆｒおよび***振周波数ｆａはそれぞれ２３６６．８ＭＨｚおよび２４７２．２ＭＨｚである。

以上のように、感応膜４５を有する圧電薄膜共振器は、感応膜の質量が変化することで、共振周波数および／または***振周波数が変化するだけでなく、減衰量も変化する。これにより、感応膜４５を有する圧電薄膜共振器を周波数弁別器として用いることもできる。図２０（ａ）から図２１（ｂ）のように、共振器の段数が多い方がより振幅が大きく変化する。

実施例２によれば、図１８のように、発振器１０ｄは発振信号Ｓ１を出力する。周波数弁別器１６ｄは、感応部の質量が変化することで通過特性が変化する共振器１５ａから１５ｄを有し、通過特性の変化に対応し発振信号Ｓ１の振幅を変化させる。検波器１８は、周波数弁別器１６ｄの出力信号Ｓ２の振幅電圧を出力する。これにより、出力電圧を高くできる。

図１９（ａ）から図１９（ｄ）のように、周波数弁別器１６ｄは、発振信号Ｓ１が入力する端子Ｔ１と振幅が変化する出力信号が出力する端子Ｔ２との間に直列および／またはシャントに接続され、感応部を有する共振器１５ａから１５ｄ（１または複数の第１弾性波共振器）を備える。これにより、発振信号Ｓ１の振幅を変化させることができる。

共振器１５ａから１５ｄの少なくとも１つは、圧電膜４２（第１圧電膜）と、圧電膜４２の少なくとも一部を挟む下部電極４１（第１電極）および上部電極４３（第２電極）と、上部電極４３の圧電膜４２と反対側に設けられ、感応部である感応膜４５と、を有する。これにより、感応部の質量が変化することで共振器の通過特性が変化する。

発振器１０ｄは、例えばＰＬＬ回路または原子発振器でもよい。発振器１０ｄとして発振精度の高い発振器を用いることで測定誤差を小さくできる。

［実施例１および２の共振器の例］
図２２は、実施例１および２における弾性波共振器の例を示す平面図である。図２３（ａ）および図２３（ｂ）は、それぞれ図２２のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ断面図である。図２２から図２３（ｂ）に示すように、同じ基板４０上に弾性波共振器５４および５６が設けられている。弾性波共振器５４は保護膜４４上の共振領域４８内に感応膜４５を有し、付加膜４７を有していない。弾性波共振器５６は上部電極４３と保護膜４４の間の共振領域４８内に付加膜４７を有し、感応膜４５を有していない。下部電極４１、圧電膜４２および上部電極４３の材料および膜厚は弾性波共振器５４と５６とでほぼ同じである。その他の構成は図７（ａ）および図７（ｂ）と同じであり説明を省略する。

実施例１では、弾性波共振器５４を発振器１０の共振器１２に用い、弾性波共振器５６を周波数弁別器１６の共振器１５ａから１５ｄに用いる。実施例２では、弾性波共振器５４を周波数弁別器１６の共振器１５ａから１５ｄに用い、弾性波共振器５６を発振器１０ｄの共振器１２ｄに用いる。

実施例１では、共振器１５ａから１５ｄである弾性波共振器５６は、共振器１２である弾性波共振器５４の圧電膜４２と同じ材料からなる圧電膜４２（第２圧電膜）と、圧電膜４２の少なくとも一部を挟む下部電極４１（第３電極）および上部電極４３（第４電極）と、を有する。

実施例２では、共振器１２ｄである弾性波共振器５６は、共振器１５ａから１５ｄである弾性波共振器５４の圧電膜４２と同じ材料からなる圧電膜４２（第２圧電膜）と、圧電膜４２の少なくとも一部を挟む下部電極４１（第３電極）および上部電極４３（第４電極）と、を有する。

弾性波共振器５４および５６を同じ基板４０上に設ける。これにより、弾性波共振器５４および５６のどちらかが発熱した場合においても弾性波共振器５４と５６との温度をほぼ同じにできる。また、共振領域４８内における感応膜４５と付加膜４７の質量を同程度に調整することで、弾性波共振器５４および５６の共振周波数（または***振周波数）を同程度に調整できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｄ発振器
１１ａ、１２、１２ｄ、１５ａ−１５ｄ共振器
１４増幅器
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｄ−１６ｈ周波数弁別器
１８検波器
４０基板
４１下部電極
４２圧電膜
４３上部電極
４４保護膜
４５感応膜
４６空隙
４８共振領域

Claims

感応部の質量が変化することで共振周波数および／または***振周波数が変化する共振器を備え、前記共振周波数または前記***振周波数に対応する発振信号を出力する発振器と、
前記発振信号の周波数の変化を振幅の変化に変換する周波数弁別器と、
前記周波数弁別器の出力信号の振幅電圧を出力する検波器と、
を備えるセンサ回路。
前記周波数弁別器は、前記発振信号が入力する端子と振幅が変化する出力信号が出力する端子との間に直列および／またはシャントに接続された第１弾性波共振器を備える請求項１に記載のセンサ回路。
前記共振器は前記感応部を有する第２弾性波共振器を備える請求項１または２に記載のセンサ回路。
前記第２弾性波共振器は、
第１圧電膜と、
前記第１圧電膜の少なくとも一部を挟む第１電極および第２電極と、
前記第２電極の前記第１圧電膜と反対側に設けられ、前記感応部である感応膜と、
を有する請求項３に記載のセンサ回路。
前記周波数弁別器は、前記発振信号が入力する端子と振幅が変化する出力信号が出力する端子との間に直列および／またはシャントに接続された第１弾性波共振器を備え、
前記第１弾性波共振器は、
前記第１圧電膜と同じ材料からなる第２圧電膜と、
前記第２圧電膜の少なくとも一部を挟む第３電極および第４電極と、
を有する請求項４に記載のセンサ回路。
前記発振器は、
制御端子、第１端子、および前記発振信号が出力する第２端子を有するトランジスタと、
一端が前記制御端子に接続され、他端が前記第１端子に接続された第１キャパシタと、
前記第２端子と前記第１端子との間に前記トランジスタと並列に接続された第３弾性波共振器と、
前記第２端子と前記第１端子との間に前記第３弾性波共振器と直列に接続されたインダクタと、
前記第２端子と前記第１端子との間に、前記第３弾性波共振器と並列かつ前記インダクタと直列に接続された第２キャパシタと、
を有し、
前記第２弾性波共振器は、一端が前記制御端子に接続され、他端が前記第２端子に接続される請求項３から５のいずれか一項に記載のセンサ回路。
発振信号を出力する発振器と、
感応部の質量が変化することで通過特性が変化する共振器を有し、前記通過特性の変化に対応し前記発振信号の振幅を変化させる周波数弁別器と、
前記周波数弁別器の出力信号の振幅電圧を出力する検波器と、
を備えるセンサ回路。
前記周波数弁別器は、前記発振信号が入力する端子と振幅が変化する出力信号が出力する端子との間に直列および／またはシャントに接続され、前記感応部を有する１または複数の第１弾性波共振器を備える請求項７に記載のセンサ回路。
前記１または複数の第１弾性波共振器の少なくとも１つは、
第１圧電膜と、
前記第１圧電膜の少なくとも一部を挟む第１電極および第２電極と、
前記第２電極の前記第１圧電膜と反対側に設けられ、前記感応部である感応膜と、を有する請求項８に記載のセンサ回路。
前記発振器は、第２弾性波共振器を備え、前記第２弾性波共振器の共振周波数または***振周波数に対応する発振信号を出力し、
前記第２弾性波共振器は、
前記第１圧電膜と同じ材料からなる第２圧電膜と、
前記第２圧電膜の少なくとも一部を挟む第３電極および第４電極と、
を有する請求項９に記載のセンサ回路。