JP2005315646A - 弾性表面波センサ及び弾性表面波センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電基板端面によるＳＡＷ反射波の影響を排除して高い感度を確保し、マルチチャネル化した場合に、隣接するチャネルからのＳＡＷの影響を排除し得るＳＡＷセンサを提供する。
【解決手段】 ＳＡＷセンサ１０は、圧電基板１１の表面に形成した１組の交差指電極１２ａ、１２ｂからなるＩＤＴ１３と、該ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの伝搬面に固定され、目的の物質を認識するための受容体１４と、ＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ及び受容体を挟むようにそれらの両側に配置される１対の反射器１５，１５とを備える。ＩＤＴからその左右両側に伝搬するＳＡＷは、両反射器に反射されてその間に閉じ込められるので、圧電基板端面による反射波の影響が排除されてセンサの感度が向上し、マルチチャネル化した場合には、ＳＡＷが隣接するチャネルに伝搬することを防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特定の化学物質を検出しかつ／又はその物性を測定するために、トランスデューサとして弾性表面波（ＳＡＷ：surface acoustic wave）素子を利用した弾性表面波センサに関する。

最近、特にバイオテクノロジや医療などの技術分野において、測定対象の化学物質を認識する受容体の化学的又は物理的変化を検出するために、ＳＡＷ素子をトランスデューサとして利用したＳＡＷセンサが開発されている（例えば、非特許文献１、特許文献１乃至４を参照）。従来のＳＡＷセンサの基本的構成を図５に例示する。このＳＡＷセンサは所謂トランスバーサル型で、圧電基板１の表面に励振用ＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）２と受信用ＩＤＴ３とそれらの間のＳＡＷ伝搬面に配置した検出物質反応膜などの受容体４とを有する。受容体に目的の化学物質が化学的に結合してその重量が変化すると、励振用ＩＤＴ２により励振されたＳＡＷ５の伝搬速度が変化し、これを受信用ＩＤＴ３が発振周波数の変化として測定することにより、目的物質及び／又はその物性を高精度に検出することができる。

例えば、ＳＨモードのＳＡＷデバイスにおいて圧電体からなるＳＡＷ伝搬面に電気的短絡と電気的開放とをそれぞれＩＤＴの間に設け、酵素を固定した試料セルに同一液体を負荷した場合に電気的短絡と電気的開放間に生じるＳＡＷ伝搬速度の変化から、ｐＨ、導電性などの物性を検出する弾性表面波バイオセンサが知られている（特許文献１を参照）。また、ＳＡＷデバイスの圧電基板上にそれぞれＩＤＴからなる励振電極と受信電極との間にガス吸着体を配置し、これが特定のガスを吸着して発熱し又は質量を増大させることによるＳＡＷ伝搬速度の変化を出力周波数の変化として検出するガスセンサが知られている（特許文献２を参照）。

また、複数種の化学物質を検出するために、複数個のＳＡＷセンサを使用する構成が知られている（特許文献２，３を参照）。更に、単一の圧電基板に、それぞれＩＤＴからなる送信電極と受信電極との間にセンサセルを有する第１〜第３チャネルの３つのＳＡＷセンサを並設し、測定液の力学量と電気料とを同時に計測できるようにしたマルチチャネル型の溶液センサシステムが知られている（特許文献４を参照）。また、ＳＡＷ素子ではないが、基板の両面に電極を形成してなる複数個の圧電振動子を１つの基板上に配置し、同時に又は順次発振させて対象物質の捕獲量を同定するマルチチャネルバイオセンサが知られている（特許文献５を参照）。

他方、一般にＳＡＷデバイスでは、励振用ＩＤＴから励振されたＳＡＷがその伝搬方向に沿って両側に進行する。受信用ＩＤＴとは反対側に進行したＳＡＷが圧電基板の端面で反射されて帰ってくると、スプリアスが生じて周波数特性を劣化させる虞がある。これを防止するために、圧電基板の端面をＳＡＷの進行方向に関して９０°以外の角度に大きく傾斜させたり、圧電基板の端面側に接着部材などの吸音部材を塗布する構成が知られている（例えば、特許文献６，７を参照）。

工業所有権総合情報館編，「特許流通支援チャート・化学２・バイオセンサ」，社団法人発明協会，２００２年６月２９日，ｐ．３〜５及び１６〜１８ 特開平６−１３３７５９号公報 特開平８−６８７８１号公報 特開２００２−４８７９７号公報 特開平９−８００３５号公報 特開２００３−３０７４８１号公報 特開平５−２６７９８８号公報 実願昭５６−３９３６３号明細書のマイクロフィルム（実開昭５７−１５２８２４号）

上述した従来のＳＡＷセンサにおいても、ＩＤＴからのＳＡＷが圧電基板の端面でそのまま反射されると、スプリアスを生じてセンサの感度を劣化させたり、信頼性を損なう虞がある。しかし、圧電基板端面とＩＤＴとの間に吸音部材を設けることは、そのために製造工程を追加することになり、工数が増えて生産性の低下、製造コストの増大を招くことになる。また、圧電基板の端面を９０°以外の角度に傾斜させれば、その外形寸法が大きくなるので、ＳＡＷセンサを不必要に大型化させることになる。

また、従来のＳＡＷセンサを同一の圧電基板１上に複数個並べてマルチチャネル化した場合、図６に示すように、各チャネルの励振用ＩＤＴ２から励振されたＳＡＷがその両側に進行するので、該励振用ＩＤＴ２に隣接するチャネルのＳＡＷセンサは、その影響を直接受けることになる。また、各チャネルにおいてその励振用ＩＤＴ２から受信用ＩＤＴ３に進行するＳＡＷも、該受信用ＩＤＴ３を通過してそれに隣接するチャネルのＳＡＷセンサに影響を与える虞がある。これを防止するために、隣接するチャネル間に吸音部材を設けたり溝を形成する方法が考えられるが、同様に製造工程の追加によって工数が増え、生産性の低下、製造コストの増大を招く。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電基板端面によるＳＡＷ反射波の影響を有効に排除して、より高い感度を確保することができ、かつ追加工程を要することなく製造可能なＳＡＷセンサを提供することにある。

更に本発明の目的は、単一の圧電基板上にそれぞれＳＡＷセンサからなる複数のチャネルを有するマルチチャネル型のＳＡＷセンサシステムにおいて、各チャネルのＳＡＷセンサを同時に発振させた場合でも、隣接するチャネルから励振されるＳＡＷの影響を有効に排除することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電基板の表面に形成したＩＤＴと、該ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬面に固定され、目的の物質を認識するための受容体と、弾性表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴ及び受容体を挟むようにそれらの両側に配置される１対の反射器とを備えるＳＡＷセンサが提供される。

このようにＩＤＴ及び受容体を反射器で挟むことにより、それらの間にＳＡＷエネルギを閉じ込める効果が高くなり、圧電基板端面からの反射波を少なくでき、かつ損失を少なくしてＳＡＷ素子の共振尖鋭度Ｑ値を高め、ＣＩ値を小さくし、より優れた共振特性が得られるので、ＳＡＷセンサの感度を向上させることができる。反射器は、ＩＤＴと同様の電極膜で形成され、ＩＤＴを圧電基板表面に形成する際にそれと同時に形成することができる。そのため、従来の吸音部材や溝のように別の工程を追加する必要が無く、工数の増加による生産性低下やコスト増大の虞が無い。また、圧電基板の端面を大きく傾斜させる必要がないので、ＳＡＷセンサの小型化を図ることができる。

或る実施例では、ＳＡＷセンサのＩＤＴが１組の交差指電極を有する１つのＩＤＴからなる１ポート共振子型であり、トランスバーサル型に比して１個のＩＤＴを省略できるので、小型化及び製造コストの低減を図ることができる。この場合、受容体は、交差指電極の電極指と電極指との間に配置することができ、またはＩＤＴと一方の反射器との間に配置することができる。

別の実施例では、ＳＡＷセンサのＩＤＴが励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとからなり、かつ受容体が励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとの間に配置された２ポート共振子型である。

本発明の別の側面によれば、上述した本発明のＳＡＷセンサを複数個有し、それらＳＡＷセンサがＳＡＷの伝搬方向に関して直列にかつ／又は並列に配置されると共に、各ＳＡＷセンサが単一の共通の圧電基板に設けられているマルチチャネル型のＳＡＷセンサシステムが提供される。

このように各チャネルのＳＡＷセンサがＩＤＴ及び受容体の両側に反射器を備えたＳＡＷエネルギ閉じ込め型の共振子構造を有することによって、各チャネルの感度が向上すると同時に、各チャネルのＳＡＷセンサを同時に発振させた場合でも、隣接するチャネルから励振されたＳＡＷの影響及び圧電基板端面によるＳＡＷ反射波の影響を有効に排除することができる。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１は、本発明によるＳＡＷセンサの第１実施例を示している。このＳＡＷセンサ１０は、タンタル酸リチウム、水晶などの圧電体材料を平坦な矩形薄板に加工した圧電基板１１を有する。圧電基板１１の表面には、その略中央に１組の交差指電極１２ａ、１２ｂからなるＩＤＴ１３が形成されている。

ＩＤＴ１３の略中央には、前記交差指電極を構成する電極指と電極指間のＳＡＷ伝搬面に受容体１４が配置されている。受容体１４は、検出対象となる化学物質の性状・特質などに対応して、例えばガス吸着体、酵素、微生物、抗体、ＤＮＡなど従来公知の様々なものを用いることができ、それらを固定した膜、セルなど従来公知の様々な形態で使用される。

ＩＤＴ１３及び受容体１４の左右両側には、それぞれ格子構造の反射器１５、１５が配置されている。前記交差指電極及び反射器は、金、アルミニウム、アルミニウム合金のような公知の導電性材料で、フォトリソグラフィ、蒸着、スパッタリングなどの従来方法を用いて同時に形成される。

このような１ポート共振子型のＳＡＷセンサ１０において、入力側交差指電極１２ａと出力側交差指電極１２ｂ間に所定の高周波信号電圧を印加すると、圧電基板１１の表面に入力信号と同じ周波数のＳＡＷが励振される。ＳＡＷはＩＤＴ１３の左右両側に伝搬し、左右の反射器１５、１５に反射されてＩＤＴ１３の中心に向けて戻る結果、前記両反射器間にＳＡＷの定在波が発生する。このように両反射器１５、１５間に表面波エネルギが閉じ込められることによって、ＳＡＷの圧電基板１１の端面による反射波の影響を有効に排除することができる。

受容体１４が検出対象の化学物質を吸着するなどしてその重量が増加すると、ＳＡＷの伝搬速度が変化し、その周波数が変化する。この周波数変化を測定することによって、目的の化学物質を検出しかつ／又はその濃度、ｐＨなど物性を測定することができる。前記反射器による表面波エネルギの閉じ込め効果により、ＳＡＷ反射波の影響を排除できるだけでなく、損失を少なくしてＱ値を高くし、ＣＩ値を小さくして、より優れた共振特性が得られるので、ＳＡＷセンサの感度が向上し、高精度な検出・測定が可能になる。

図２は、図１に示す第１実施例のＳＡＷセンサの変形例を示している。この変形例のＳＡＷセンサ２０は、第１実施例と同じ１ポート共振子型の構成を有するが、圧電基板２１表面に、入力側及び出力側交差指電極２２ａ，２２ｂからなるＩＤＴ２３と受容体２４とをＳＡＷの伝搬方向に沿って並置し、それらの両側に反射器２５、２５を配置した点において、第１実施例と異なる。

この変形例においても、ＩＤＴ２３の前記両交差指電極間に所定の高周波信号電圧を印加すると、それと同じ周波数のＳＡＷが圧電基板２１表面に励振され、ＩＤＴ２３の左右両側に伝搬しかつ左右の反射器２５、２５に反射され、前記両反射器間にＳＡＷの定在波が発生する。この表面波エネルギの閉じ込め効果によって、ＳＡＷの圧電基板２１端面による反射波の影響を有効に排除できる。

ＩＤＴ２３と一方の反射器２５間のＳＡＷ伝搬面に配置された受容体２４が検出対象の化学物質を吸着すると、それによる重量の変化がＳＡＷ伝搬速度の変化となり、周波数変化として検出する。これにより、同様に目的の化学物質の検出及び／又は物性の測定を高精度に行うことができる。

図３は、本発明によるＳＡＷセンサの第２実施例を示している。このＳＡＷセンサ３０は２ポート共振子型で、圧電基板３１表面に励振用ＩＤＴ３２及び受信用ＩＤＴ３３と、前記両ＩＤＴ間のＳＡＷ伝搬面に配置された受容体３４と、それらを挟むように左右両側にそれぞれ配置された格子構造の反射器３５、３５とを有する。

励振用ＩＤＴ３２に所定の高周波信号電圧を印加すると、それと同じ周波数のＳＡＷが圧電基板３１表面に励振され、第１実施例の場合と同様にＩＤＴ３２の左右両側に伝搬しかつ左右の反射器３５、３５に反射されるので、前記両反射器間にＳＡＷの定在波が発生する。この表面波エネルギの閉じ込め効果によって、同様にＳＡＷの圧電基板３１端面による反射波の影響を有効に排除できる。

励振用ＩＤＴ３２により励振されたＳＡＷは受信用ＩＤＴ３３により受信され、その周波数が測定される。このとき、受容体３４が検出対象の化学物質を吸着することによりその重量が変化していると、ＳＡＷ伝搬速度の変化が周波数変化として検出されるので、同様に目的の化学物質の検出及び／又は物性の測定を高精度に行うことができる。

図４は、本発明によるマルチチャネル型ＳＡＷセンサシステムの実施例を示している。このＳＡＷセンサシステム４０は、単一かつ共通の圧電基板４１の表面に多数のＳＡＷセンサ４２がＳＡＷの伝搬方向に関して直列かつ並列に、本実施例では４×４のマトリクス状に配列されている。本実施例の各ＳＡＷセンサ４２は、図１に示す第１実施例のＳＡＷセンサと同じ構成を有し、圧電基板４１表面に１組の交差指電極からなるＩＤＴ４３と、その略中央に前記交差指電極間のＳＡＷ伝搬面に配置された受容体４４と、それらの左右両側にそれぞれ配置された格子構造の反射器４５、４５とを備える。

各ＳＡＷセンサ４２において、ＩＤＴ４３に所定の高周波信号電圧を印加すると、それと同じ周波数のＳＡＷが圧電基板４１表面に励振され、該ＩＤＴの左右両側に伝搬しかつ左右の反射器４５、４５に反射される。これにより、各チャネル毎にそれぞれ左右の反射器間でＳＡＷの定在波が発生する。

このように各ＳＡＷセンサ４２においてそれぞれ両反射器４５、４５間に表面波エネルギが閉じ込められる結果、各チャネルの感度が向上することに加えて、各チャネルのＳＡＷセンサを同時に発振させた場合でも、ＳＡＷがその伝搬方向に隣接する別のチャネルのＳＡＷセンサまで伝搬するのを有効に防止することができる。また、上述した第１及び第２実施例のＳＡＷセンサと同様に、圧電基板４１端面による反射波の影響も有効に排除することができる。

以上、本発明についてその好適な実施例を用いて説明したが、本発明はその技術的範囲内において上記実施例に様々な変形・変更を加えることができる。例えば、図４のＳＡＷセンサシステムにおいて、各ＳＡＷセンサ４２を図２又は図３のＳＡＷセンサで置き換えることができ、また複数のＳＡＷセンサ４２をＳＡＷの伝搬方向に関して直列又は並列に１列に配置したり、様々な形に配列することができる。

本発明によるＳＡＷセンサの第１実施例を示す平面図。 図１の第１実施例の変形例を示す平面図。 本発明によるＳＡＷセンサの第２実施例を示す平面図。 本発明によるマルチチャネル型のＳＡＷセンサシステムの実施例を示す平面図。 従来のＳＡＷセンサの典型例を示す平面図。 図５のＳＡＷセンサを複数個配列したマルチチャネル化した構成を示す部分平面図。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１…圧電基板、２，３２…励振用ＩＤＴ、３，３３…受信用ＩＤＴ、４，１４，２４，３４，４４…受容体、５…ＳＡＷ、１０，２０，３０，４２…ＳＡＷセンサ、１２ａ、１２ｂ，２２ａ，２２ｂ…交差指電極、１３，２３，４３…ＩＤＴ、１５，２５，３５，４５…反射器、４０…ＳＡＷセンサシステム。

Claims (5)

1. 圧電基板の表面に形成したＩＤＴと、前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬面に固定され、目的の物質を認識するための受容体と、前記弾性表面波の伝搬方向に沿って前記ＩＤＴ及び前記受容体を挟むようにそれらの両側に配置される１対の反射器とを備えることを特徴とする弾性表面波センサ。
2. 前記ＩＤＴが１組の交差指電極を有する１つのＩＤＴからなり、前記受容体が前記交差指電極の電極指と電極指との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波センサ。
3. 前記ＩＤＴが１つのＩＤＴからなり、前記受容体が前記ＩＤＴと一方の前記反射器との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波センサ。
4. 前記ＩＤＴが励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとからなり、前記受容体が前記励振用ＩＤＴと前記受信用ＩＤＴとの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載される複数の弾性表面波センサを有し、前記複数の弾性表面波センサが前記弾性表面波の伝搬方向に関して直列にかつ／又は並列に配置されると共に、前記各弾性表面波センサが単一の共通の圧電基板に設けられていることを特徴とする弾性表面波センサシステム。

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