JP2005331326A - Elastic wave sensor - Google Patents

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Hiromi Yatsuda
博美 谷津田
Makoto Nara
誠 奈良
Hidenori Takahashi
英紀 高橋
Takashi Kogai
崇 小貝
Toshimasa Mori
敏正 森
Shigeru Kurosawa
茂 黒澤
Hidenobu Aizawa
秀信 愛澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elastic wave sensor realizing simplifying and turning high sensitivity of the structure. <P>SOLUTION: This elastic wave sensor 1 is constituted by arranging on a substrate 2, for example, a reaction film 5 to be reacted with a specific material which is a detection object, between an input electrode 3 for exciting elastic waves and an output electrode 4 for receiving the elastic waves excited by the input electrode 3 and propagated (on a propagation route of the elastic wave). In the sensor 1 capable of detecting the specific material by the change of a propagation characteristic of the elastic wave generated accompanying the mass change of the reaction film 5 caused by a reaction with the specific material, the elastic waves are a transversal elastic wave mainly deformed in the direction parallel to the substrate 2 surface and orthogonal to the propagation direction. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、特定の検出対象物質を検出するセンサに係り、特に、弾性波センサに関する。   The present invention relates to a sensor for detecting a specific substance to be detected, and more particularly to an elastic wave sensor.

従来、環境、食品、医療等の様々な分野において、構造が簡単で且つ小型化が期待できる水晶振動子を用いたセンサが、各種物質の検出や、該物質の量や濃度の測定を行うために使用されている。   Conventionally, in various fields such as the environment, food, and medicine, a sensor using a crystal resonator, which has a simple structure and can be expected to be miniaturized, detects various substances and measures the amount and concentration of the substance. Is used.

水晶振動子を用いたセンサは、例えば、図6のように水晶基板の表側と裏側にそれぞれ金電極が配設され、且つ一方の金電極の表面に、検出対象の物質と反応する性質の膜(以下、反応膜という)が被覆された構成となっている。例えば、このセンサをガスセンサとして使用する場合には、検出対象たるガスを吸着するような膜を被覆し、免疫センサとして使用する場合には、検出対象たる抗原と抗原抗体反応する抗体膜を被覆する。   As shown in FIG. 6, for example, a sensor using a quartz resonator has gold electrodes disposed on the front side and the back side of a quartz substrate, and has a property of reacting with a substance to be detected on the surface of one gold electrode. (Hereinafter, referred to as a reaction film). For example, when this sensor is used as a gas sensor, a film that adsorbs a gas to be detected is coated, and when it is used as an immunosensor, an antibody film that reacts with an antigen to be detected and antigen-antibody reacts. .

そして、図6のような水晶振動子を用いたセンサによれば、前記反応膜と検出対象物質とが反応すると、水晶振動子の電極上の質量が増加し、それに伴い水晶振動子の共振周波数が低下するため、この検出対象物質の質量を水晶振動子の周波数変化として定量的に測定することが可能となる。また、検出対象物質の質量測定のみならず濃度測定等にも応用することが可能となる。尚、測定用センサあるいは検出用センサに通常使用されている水晶振動子の周波数は9MHz程度であり、このような水晶振動子を用いたセンサによれば、10−6〜10−9gの質量変化を周波数変化として検出可能である。 Then, according to the sensor using the crystal resonator as shown in FIG. 6, when the reaction film reacts with the detection target substance, the mass on the electrode of the crystal resonator increases, and accordingly, the resonance frequency of the crystal resonator. Therefore, the mass of the detection target substance can be quantitatively measured as the frequency change of the crystal resonator. Further, it can be applied not only to mass measurement of a detection target substance but also to concentration measurement. Note that the frequency of a crystal resonator normally used for a measurement sensor or a detection sensor is about 9 MHz, and according to a sensor using such a crystal resonator, a mass of 10 −6 to 10 −9 g. The change can be detected as a frequency change.

また、他の種類の検出センサとして、水晶振動子に替えて弾性表面波デバイスを用いることにより、圧電基板上を伝搬する弾性表面波(レイリー波)を利用して検出対象物質の質量等の検出を行うセンサがある。   In addition, by using surface acoustic wave devices instead of quartz resonators as other types of detection sensors, surface mass waves (Rayleigh waves) propagating on the piezoelectric substrate are used to detect the mass of the detection target substance. There is a sensor that performs.

弾性表面波デバイスは、圧電基板上に、櫛歯状電極指からなる入力用電極及び出力用電極が形成された構成となっている。そして、櫛歯状入力用電極に電気信号が印加されると、電極指間に電界が発生し、圧電効果により弾性表面波が励振される。そして、この弾性表面波を用いたセンサは、例えば図7のように、入力用電極と出力用電極との間の領域に反応膜が形成されており、検出対象物質との反応による反応膜の質量変化を、基板表面を伝搬するレイリー波の周波数変化として検出するようになっている。尚、このレイリー波を利用したセンサについては、下記先行技術文献に開示されている。   The surface acoustic wave device has a configuration in which an input electrode and an output electrode composed of comb-shaped electrode fingers are formed on a piezoelectric substrate. When an electric signal is applied to the comb-like input electrode, an electric field is generated between the electrode fingers, and a surface acoustic wave is excited by the piezoelectric effect. In the sensor using the surface acoustic wave, as shown in FIG. 7, for example, a reaction film is formed in a region between the input electrode and the output electrode. A change in mass is detected as a change in the frequency of Rayleigh waves propagating on the substrate surface. The sensor using the Rayleigh wave is disclosed in the following prior art documents.

ハスケル(R. B. Haskell)他4名、“Effects of Film Thickness on Sensitivity of SAW Mercury Sensors”、1999 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings、(米国)、IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Society、1999年11月30日、pp.429−434R. B. Haskell et al., “Effects of Film Thickness on Sensitivity of SAW Mercury Sensors”, 1999 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, (USA), IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Society, November 30, 1999, pp. 429-434

近年、各利用分野において、より高精度な測定を実現するため、センサの高感度化が求められている。例えば、環境や食品の分野においては、人体に有害なダイオキシンや環境ホルモンの量を分析するにあたり、極めて微少な量(10−9〜10−12g)を精度良く測定することが要求されている。また、医療分野においては、例えば、炎症マーカーであるCRP(C−反応性蛋白)等の疾病マーカーの検出や菌の感染検出を行うにあたり、高精度の測定を可能にすることで病気の早期発見を実現でき、しかも被験者から採取する血液を微量とすることができるために被験者への負担を軽減できることから、センサの高感度化が望まれている。 In recent years, high sensitivity of sensors has been demanded in each application field in order to realize more accurate measurement. For example, in the field of the environment and food, it is required to accurately measure a very small amount (10 −9 to 10 −12 g) in analyzing the amount of dioxins and environmental hormones harmful to the human body. . In the medical field, for example, detection of disease markers such as CRP (C-reactive protein), which is an inflammatory marker, and detection of bacterial infections enable early detection of diseases by enabling highly accurate measurement. In addition, since it is possible to reduce the burden on the subject because the amount of blood collected from the subject can be made very small, high sensitivity of the sensor is desired.

また、現在、地雷等の火薬物センシング方法として、磁気センサによる探知方式、電波センサによる探知方式、バイオセンサによる探知方式が検討されているが、この中でもバイオセンサによる探知方式が、センサの構造が簡単で且つ携帯化が期待されているため、注目されている。そして、バイオセンサとして、水晶振動子の金電極上にTNT(トリニトロトルエン)の微量蒸気に反応する反応膜を被覆したセンサが検討されている。しかし、このような構成のバイオセンサを用いたガスセンシングでは、センサの感度が不足しているのが現状であり、やはりセンサの高感度化が実用化に向けての課題となっている。   At present, detection methods using magnetic sensors, detection methods using radio wave sensors, and detection methods using biosensors are being investigated as methods for sensing explosives such as landmines. Among these, detection methods using biosensors have a sensor structure. It is attracting attention because it is easy and portable. As a biosensor, a sensor in which a reaction film that reacts with a small amount of vapor of TNT (trinitrotoluene) is coated on a gold electrode of a crystal resonator has been studied. However, in gas sensing using a biosensor with such a configuration, the sensitivity of the sensor is insufficient at present, and the high sensitivity of the sensor is still an issue for practical use.

ここで、水晶振動子を用いたセンサにおけるセンサの感度向上には、水晶振動子の共振周波数を高くすることが効果的であるが、水晶振動子の共振周波数fは基板の厚さdで決定されることから(f=v/0.5d:vは弾性波の音速)、水晶基板の厚さを薄くすることで共振周波数を高くすることができ、ひいてはセンサの感度を向上させることができる。しかし、水晶基板の厚さを薄くすることは機械的な加工困難性から限界があるため、高周波化は困難であり、よって、水晶振動子を用いたセンサの感度を向上させることは非常に困難であった。 Here, in order to improve the sensitivity of a sensor using a crystal resonator, it is effective to increase the resonance frequency of the crystal resonator. The resonance frequency f 0 of the crystal resonator is determined by the thickness d of the substrate. Since it is determined (f 0 = v / 0.5d: v is the acoustic velocity of the elastic wave), the resonance frequency can be increased by reducing the thickness of the quartz substrate, thereby improving the sensitivity of the sensor. Can do. However, since it is difficult to reduce the thickness of the quartz substrate due to mechanical processing difficulties, it is difficult to increase the frequency, and thus it is very difficult to improve the sensitivity of the sensor using the quartz resonator. Met.

一方、弾性表面波デバイスを用いたセンサでは、通常、反応膜は金膜の上に自己組織化単分子膜を介して形成されるが、このように反応膜が形成されることで、レイリー波の伝搬損失が大きくなってしまうという欠点があった。また、センサ感度向上のために周波数を高めるとしても、弾性波の波長が短くなることから金膜による上記の伝搬損失は顕著になってしまい、結局のところ従来のレイリー波を用いた手法では高周波化は困難であり、センサの感度向上は望めなかった。   On the other hand, in a sensor using a surface acoustic wave device, a reaction film is usually formed on a gold film via a self-assembled monolayer, and as a result of the reaction film being formed in this way, a Rayleigh wave is formed. There is a disadvantage that the propagation loss of the device becomes large. Even if the frequency is increased to improve the sensitivity of the sensor, the above-mentioned propagation loss due to the gold film becomes noticeable because the wavelength of the elastic wave becomes shorter. As a result, the conventional method using the Rayleigh wave has a high frequency. It was difficult to improve the sensitivity of the sensor.

本発明の目的は、構造が簡単であり、且つ高感度の弾性波センサを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an elastic wave sensor having a simple structure and high sensitivity.

上記目的を達成するため、本発明の弾性波センサは、弾性波を励振し、該弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる弾性波伝搬手段と、前記弾性波の伝搬経路上に配置された、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記特定物質との反応による前記反応膜の変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、前記特定物質の検出を可能とする弾性波センサであって、前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波としたものである。   In order to achieve the above object, an elastic wave sensor according to the present invention is arranged on an elastic wave propagation means for exciting an elastic wave and propagating the elastic wave to and near the surface of the substrate, and on the propagation path of the elastic wave. And a reaction film that reacts with the specific substance to be detected, and the specific substance can be detected by a change in the propagation characteristics of the elastic wave caused by a change in the reaction film due to the reaction with the specific substance. The acoustic wave is a transverse acoustic wave whose displacement is mainly parallel to the substrate surface and perpendicular to the propagation direction.

ここで、上記の弾性波センサにおいて、前記弾性波伝搬手段が、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、を有し、前記入力用電極と出力用電極との間に前記反応膜が配置されているようにしても良い。また、前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に、前記反応膜と同種の膜をさらに形成しても良く、さらに、前記反応膜を格子状の形状としても良い。   Here, in the elastic wave sensor, the elastic wave propagation means is an input electrode for exciting the elastic wave on the substrate, and an output for receiving the elastic wave excited on the input electrode and propagating on the substrate. An electrode, and the reaction film may be disposed between the input electrode and the output electrode. Further, a film of the same type as the reaction film may be further formed on at least one of the input electrode and the output electrode, and the reaction film may have a lattice shape.

また、本発明の弾性波センサは、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記反応膜を、前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波としたものである。   The elastic wave sensor according to the present invention includes an input electrode that excites an elastic wave on a substrate, and an elastic wave that is disposed adjacent to the input electrode and that is excited by the input electrode and propagates on the substrate. An output electrode for receiving; and a reaction film that reacts with a specific substance to be detected; the reaction film is formed on at least one of the input electrode and the output electrode; and A transverse acoustic wave having a displacement in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the propagation direction is used.

また、本発明の弾性波センサは、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、前記入力用電極及び出力用電極を挟むように当該弾性波の伝搬方向に沿って配置される2個の反射器と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極及び両反射器の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波としたものである。   The elastic wave sensor according to the present invention includes an input electrode that excites an elastic wave on a substrate, and an elastic wave that is disposed adjacent to the input electrode and that is excited by the input electrode and propagates on the substrate. An output electrode to receive, two reflectors arranged along the propagation direction of the elastic wave so as to sandwich the input electrode and the output electrode, a reaction film that reacts with a specific substance to be detected, The reaction film is formed on at least one of the input electrode, the output electrode, and both reflectors, and the elastic wave is displaced in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the propagation direction. It is a transverse elastic wave having

ここで、前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極、及び各反射器の上に形成しても良く、あるいは、前記各反射器の上にのみ形成しても良い。   Here, the reaction film may be formed on the input electrode, the output electrode, and each reflector, or may be formed only on each reflector.

また、本発明の弾性波センサにおいて、前記基板を水晶基板とすることが好ましく、さらに、前記水晶基板は、30度回転Yカットから60度回転Yカットのカット角とし、且つ前記入力用電極は、前記弾性波の伝搬方向をX方向に垂直な方向となるように形成されていることが好ましい。   In the acoustic wave sensor of the present invention, it is preferable that the substrate is a quartz substrate, and the quartz substrate has a cut angle from 30 degrees rotation Y cut to 60 degrees rotation Y cut, and the input electrode is The propagation direction of the elastic wave is preferably formed to be a direction perpendicular to the X direction.

本発明の弾性波センサでは、横波弾性波を利用しているため、形成された反応膜による伝搬損失が少なく、効率良く表面波を伝搬、検出することができる。また、横波弾性波は周波数温度特性に優れ且つ伝搬速度が速いため、高周波化に適している。従って、従来の水晶振動子や弾性表面波デバイスを用いたセンサでは実現が困難であったセンサの高感度化を達成することができる。   Since the elastic wave sensor of the present invention uses transverse elastic waves, the propagation loss due to the formed reaction film is small, and surface waves can be efficiently propagated and detected. In addition, the transverse elastic wave is excellent in frequency temperature characteristics and has a high propagation speed, and is therefore suitable for high frequency. Therefore, it is possible to achieve high sensitivity of the sensor, which has been difficult to realize with a conventional sensor using a crystal resonator or a surface acoustic wave device.

また、励振電極の表面に反応膜を配置することにより、この反応膜と特定検出物質とが反応した際に生じる反応膜の質量変化(質量増加)に伴う弾性波の周波数変化率が向上する(大きくなる)ため、センサの一層の高感度化を達成することができる。   Further, by arranging the reaction film on the surface of the excitation electrode, the frequency change rate of the elastic wave accompanying the mass change (mass increase) of the reaction film generated when the reaction film reacts with the specific detection substance is improved ( Therefore, the sensitivity of the sensor can be further increased.

まず、本発明の第1の実施形態について、図1から図3を参照して説明する。   First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態に係る弾性波センサ1は、図1及び図2に示すように、基板2と、入力用電極3と、出力用電極4と、反応膜5と、金膜6と、を有する構成となっている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the acoustic wave sensor 1 according to the present embodiment includes a substrate 2, an input electrode 3, an output electrode 4, a reaction film 5, and a gold film 6. It has become.

前記基板2は、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波(例えば、STW:surface transverse wave、等)を伝搬させることができる材料であれば良く、例えば水晶やタンタル酸リチウム(LiTaO)等があるが、本実施形態では、伝搬する弾性波の周波数温度特性が優れているという点から、基板材料として水晶を選定した。また、水晶基板には、横波弾性波が効率良く励振されて伝搬することができるカット角及び伝搬方向が存在し、例えば、カット角が30度回転Yカットから60度回転Yカットであり、弾性波の伝搬方向がX方向に垂直な方向である、等のような横波弾性波を伝搬させるのに好適な条件があるが、本実施形態で使用する水晶基板2においては、カット角を38度回転Yカットとし、弾性波の伝搬方向をX方向に垂直な方向としている。 The substrate 2 may be any material that can propagate a transverse elastic wave (e.g., STW: surface transverse wave) having a displacement in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the propagation direction. Although there is lithium tantalate (LiTaO 3 ) or the like, in this embodiment, quartz is selected as the substrate material because the frequency temperature characteristics of the propagating elastic wave are excellent. Further, the quartz substrate has a cut angle and a propagation direction in which the transverse acoustic wave can be efficiently excited and propagated. For example, the cut angle is from a 30-degree rotation Y-cut to a 60-degree rotation Y-cut. There are suitable conditions for propagating a transverse elastic wave such as that the wave propagation direction is perpendicular to the X direction. However, in the quartz substrate 2 used in this embodiment, the cut angle is 38 degrees. A rotation Y cut is used, and the propagation direction of the elastic wave is a direction perpendicular to the X direction.

また、前記入力用電極3は、弾性波を励振させる電極として櫛型電極を用いており、弾性波の伝搬方向がX方向に垂直な方向となるように基板2の表面に配置されている。また、前記出力用電極4は、前記入力用電極3にて励振され伝搬してきた弾性波を受信する櫛型電極である。尚、本実施形態では、センサの軽量化という点から、各電極はアルミニウムで作製されている。   The input electrode 3 uses a comb-shaped electrode as an electrode for exciting an elastic wave, and is disposed on the surface of the substrate 2 so that the propagation direction of the elastic wave is perpendicular to the X direction. The output electrode 4 is a comb-shaped electrode that receives the elastic wave excited and propagated by the input electrode 3. In the present embodiment, each electrode is made of aluminum from the viewpoint of weight reduction of the sensor.

そして、以上のように基板2の条件を設定し、且つ、この基板2の条件に合致するように前記各電極3,4を配置しているため、基板2の表面に平行で且つ伝搬方向に対し垂直な変位を持つ横波弾性波が、入力用電極3から出力用電極4に向けて伝搬することとなる。   And since the conditions of the board | substrate 2 are set as mentioned above and each said electrodes 3 and 4 are arrange | positioned so that the conditions of this board | substrate 2 may be met, it is parallel to the surface of the board | substrate 2, and it is in a propagation direction. On the other hand, a transverse elastic wave having a vertical displacement propagates from the input electrode 3 toward the output electrode 4.

また、前記反応膜5は、検出対象の特定物質と反応する性質を有するものであり、前記入力用電極3と前記出力用電極4との間の横波弾性波の伝搬路上に配置される。また、この反応膜5は、図2のように金膜6の上に自己組織化単分子膜(図示せず)を介して形成されている。尚、この伝搬路上の反応膜5は、一層の膜としても良く、あるいは図1のような格子状の形状(グレーティング構造)としても良いが、グレーティング構造とすることにより、横波弾性波は、波動エネルギが基板2の表面にトラップされた状態で伝搬するため、伝搬損失を抑制できるという利点がある。そこで本実施形態では、伝搬路上の反応膜5をグレーティング構造としている。   The reaction film 5 has a property of reacting with a specific substance to be detected, and is disposed on a propagation path of a transverse acoustic wave between the input electrode 3 and the output electrode 4. The reaction film 5 is formed on the gold film 6 via a self-assembled monomolecular film (not shown) as shown in FIG. The reaction film 5 on the propagation path may be a single layer film or a lattice-like shape (grating structure) as shown in FIG. Since energy propagates while being trapped on the surface of the substrate 2, there is an advantage that propagation loss can be suppressed. Therefore, in this embodiment, the reaction film 5 on the propagation path has a grating structure.

また、金膜6と基板2との密着強化のために、金膜6と基板2との間にチタン膜やクロム膜を形成すると良い。また、金の質量は大きいため、金膜6に替えて質量の軽いアルミニウム等の材料と金との二層あるいは多層構造の膜としても良く、この場合には最表面が金の層であれば良い。   Further, a titanium film or a chromium film is preferably formed between the gold film 6 and the substrate 2 in order to enhance the adhesion between the gold film 6 and the substrate 2. Further, since the mass of gold is large, the gold film 6 may be replaced with a light-mass material such as aluminum and a gold or two-layer or multilayer film. In this case, the outermost surface is a gold layer. good.

そして、例えば図3のように、上記構成の弾性波センサ1と増幅器7と移相器8とを接続して、伝搬波の周波数を測定する周波数カウンタ(図示せず)への出力を行う帰還型の発振回路を構成し、特定物質の検出を行うと、検出対象の特定物質との反応による反応膜5の質量変化(質量増加)に伴って基板表面を伝搬する横波弾性波の伝搬速度が低下することから、上記反応による質量変化が、横波弾性波の伝搬速度変化に基づく周波数変化として出力される。従って、この弾性波センサ1によれば、質量変化を周波数変化として測定することが可能となるため、この測定結果に基づいて、検出対象の特定物質の有無、質量、あるいは濃度等の検出を行うことも可能となる。   Then, for example, as shown in FIG. 3, the acoustic wave sensor 1 having the above configuration, the amplifier 7 and the phase shifter 8 are connected to perform feedback to a frequency counter (not shown) that measures the frequency of the propagation wave. When a specific substance is detected by configuring a type oscillation circuit, the propagation speed of the transverse elastic wave propagating on the substrate surface with the mass change (mass increase) of the reaction film 5 due to the reaction with the specific substance to be detected is Therefore, the mass change due to the reaction is output as a frequency change based on a change in the propagation velocity of the transverse elastic wave. Therefore, according to the elastic wave sensor 1, it is possible to measure a mass change as a frequency change. Based on the measurement result, the presence / absence, mass, or concentration of a specific substance to be detected is detected. It is also possible.

また、本実施形態に係る弾性波センサ1では横波弾性波を利用しているため、基板2の表面に抗体膜等が存在していても伝搬損失が少なくなり、効率良く表面波を伝搬、検出することができる。さらに、横波弾性波は周波数温度特性に優れ且つ伝搬速度が速いことから高周波化に適しているため、センサの高感度化を達成することができる。   In addition, since the elastic wave sensor 1 according to the present embodiment uses a transverse elastic wave, even if an antibody film or the like is present on the surface of the substrate 2, the propagation loss is reduced, and the surface wave is efficiently propagated and detected. can do. Furthermore, since the transverse acoustic wave is excellent in frequency temperature characteristics and has a high propagation speed, it is suitable for high frequency, so that high sensitivity of the sensor can be achieved.

次に、本発明の第2の実施形態について、図4及び図5を参照して以下説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

本実施形態に係る弾性波センサ11は、水晶の基板12と、入力用電極13と、出力用電極14と、反応膜15と、2個の反射器16と、を有する構成となっている。本実施形態において用いられる基板12は、第1の実施形態と同様に、横波弾性波が効率良く励振されて伝搬することができるカット角及び伝搬方向の条件を満たす水晶基板である。   The elastic wave sensor 11 according to the present embodiment includes a quartz substrate 12, an input electrode 13, an output electrode 14, a reaction film 15, and two reflectors 16. As in the first embodiment, the substrate 12 used in the present embodiment is a crystal substrate that satisfies the conditions of the cut angle and the propagation direction in which the transverse acoustic wave can be efficiently excited and propagated.

前記入力用電極13は、弾性波を励振させる電極として櫛型電極を用いており、弾性波の伝搬方向が上記条件を満たすように基板12の表面に配置されている。また、前記出力用電極14は、前記入力用電極13にて励振され伝搬してきた弾性波を受信する櫛型電極であり、前記入力用電極13に隣接して配置されている。さらに、これら入力用電極13及び出力用電極14を挟むように、当該弾性波の伝搬方向に沿って、2個の反射器16が配置されている。   The input electrode 13 uses a comb-shaped electrode as an electrode for exciting an elastic wave, and is arranged on the surface of the substrate 12 so that the propagation direction of the elastic wave satisfies the above conditions. The output electrode 14 is a comb-shaped electrode that receives the elastic wave excited and propagated by the input electrode 13, and is disposed adjacent to the input electrode 13. Furthermore, two reflectors 16 are arranged along the propagation direction of the elastic wave so as to sandwich the input electrode 13 and the output electrode 14.

また本実施形態では、入力用電極13、出力用電極14、及び各反射器16の表面が金で形成されており、入力用電極13、出力用電極14、及び各反射器16の上に、反応膜15が自己組織化単分子膜(図示せず)を介して形成されている。尚、これら入力用電極13、出力用電極14、及び各反射器16は、金で作製されていても良く、あるいは、質量の軽いアルミニウム等の材料と金との二層あるいは多層構造の膜とし、且つ最表面を金の層としても良い。   In the present embodiment, the surfaces of the input electrode 13, the output electrode 14, and each reflector 16 are made of gold, and on the input electrode 13, the output electrode 14, and each reflector 16, The reaction film 15 is formed through a self-assembled monomolecular film (not shown). The input electrode 13, the output electrode 14, and each reflector 16 may be made of gold, or may be a two-layer or multi-layer film of a material such as light aluminum and gold. The outermost surface may be a gold layer.

そして、以上のような構成の弾性波センサ11を用い、発振回路を構成する等して特定物質の検出を行う場合、特定物質との反応による反応膜15の質量変化(質量増加)に伴って、電極指の見かけ上の厚さが大きくなることによる伝搬速度の低下が生じるだけでなく、質量増加に伴う電極指一本あたりの反射率が増大することによる中心周波数の低下が生じる。よって、質量変化に伴う伝搬速度の低下に起因する中心周波数変化以上に、横波弾性波の中心周波数が変化する。また、各反射器16においても、同様に質量変化に伴う横波弾性波の中心周波数変化率が大きくなる。従って、質量変化に伴う横波弾性波の周波数変化率は、第1の実施形態に係る弾性波センサ1に比べて大きくなるため、本実施形態に係る弾性波センサ11によれば、より高感度の測定を行うことができるようになる。   When the specific substance is detected by configuring the oscillation circuit using the elastic wave sensor 11 configured as described above, the mass change (mass increase) of the reaction film 15 due to the reaction with the specific substance occurs. Not only does the propagation speed decrease due to the increase in the apparent thickness of the electrode finger, but also the center frequency decreases due to an increase in the reflectance per electrode finger as the mass increases. Therefore, the center frequency of the transverse acoustic wave changes more than the center frequency change caused by the decrease in the propagation speed accompanying the mass change. Similarly, in each reflector 16, the rate of change of the center frequency of the transverse elastic wave accompanying the mass change is also increased. Therefore, since the frequency change rate of the transverse acoustic wave accompanying the mass change is larger than that of the elastic wave sensor 1 according to the first embodiment, the elastic wave sensor 11 according to the present embodiment has higher sensitivity. Measurement can be performed.

また、第2の実施形態では、入力用電極13、出力用電極14、及び各反射器16の上に反応膜15が配置されているが、入力用電極13及び出力用電極14には反応膜15を配置せず、各反射器16の上にのみ反応膜15を配置し、反射器16における横波弾性波の周波数変化を測定するような構成としても良い。この構成の場合には、反応膜15を電極上に配置しないために、入力用電極13における入力インピーダンスが変化しないという利点がある。   In the second embodiment, the reaction film 15 is disposed on the input electrode 13, the output electrode 14, and each reflector 16, but the reaction film 15 is provided on the input electrode 13 and the output electrode 14. The reaction film 15 may be disposed only on each reflector 16 without arranging the reflector 15, and the frequency change of the transverse acoustic wave in the reflector 16 may be measured. In the case of this configuration, since the reaction film 15 is not disposed on the electrode, there is an advantage that the input impedance of the input electrode 13 does not change.

また、第2の実施形態において、2個の反射器16を設けず、隣接した入力用電極13及び出力用電極14の上に反応膜15を配置し、横波弾性波の周波数変化を測定するように構成しても良い。これにより、センサの一層の小型化を実現できる。   In the second embodiment, the two reflectors 16 are not provided, and the reaction film 15 is disposed on the adjacent input electrode 13 and output electrode 14 to measure the frequency change of the transverse acoustic wave. You may comprise. Thereby, further downsizing of the sensor can be realized.

また、第2の実施形態における周波数変化率の向上を踏まえ、第1の実施形態に係る弾性波センサ1において、入力用電極3及び出力用電極4の少なくとも一方に反応膜5を配置する構成としても良い。   Further, in consideration of the improvement in the frequency change rate in the second embodiment, in the elastic wave sensor 1 according to the first embodiment, the reaction film 5 is disposed on at least one of the input electrode 3 and the output electrode 4. Also good.

本発明の第1の実施形態に係る弾性波センサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the elastic wave sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1のA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 本発明の第1の実施形態に係る弾性波センサを用いた発振回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the oscillation circuit using the elastic wave sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る弾性波センサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the elastic wave sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図4のB−B線断面図である。It is the BB sectional view taken on the line of FIG. 従来の水晶振動子を用いたセンサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the sensor using the conventional crystal oscillator. 従来の弾性波デバイスを用いたセンサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the sensor using the conventional elastic wave device.

符号の説明Explanation of symbols

1,11 弾性波センサ、2,12 基板、3,13 入力用電極、4,14 出力用電極、5,15 反応膜、6 金膜、7 増幅器、8 移相器、16 反射器。   1,11 Elastic wave sensor, 2,12 Substrate, 3,13 Input electrode, 4,14 Output electrode, 5,15 Reaction film, 6 Gold film, 7 Amplifier, 8 Phase shifter, 16 Reflector.

Claims (10)

弾性波を励振し、該弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる弾性波伝搬手段と、前記弾性波の伝搬経路上に配置された、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記特定物質との反応による前記反応膜の変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、前記特定物質の検出を可能とする弾性波センサであって、
前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波とすることを特徴とする弾性波センサ。
There is provided an elastic wave propagation means for exciting an elastic wave and propagating the elastic wave to and near the substrate surface, and a reaction film disposed on the propagation path of the elastic wave and reacting with a specific substance to be detected. An acoustic wave sensor that enables detection of the specific substance by a change in propagation characteristics of the elastic wave that occurs with a change in the reaction film due to a reaction with the specific substance,
An acoustic wave sensor characterized in that the acoustic wave is a transverse acoustic wave whose displacement is mainly parallel to the substrate surface and orthogonal to the propagation direction.
前記弾性波伝搬手段は、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、を有し、前記入力用電極と出力用電極との間に前記反応膜が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の弾性波センサ。   The elastic wave propagation means includes an input electrode for exciting an elastic wave on a substrate, and an output electrode for receiving an elastic wave excited by the input electrode and propagating on the substrate. The elastic wave sensor according to claim 1, wherein the reaction film is disposed between the electrode and the output electrode. 前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に、前記反応膜と同種の膜がさらに形成されていることを特徴とする請求項2に記載の弾性波センサ。   The elastic wave sensor according to claim 2, wherein a film of the same type as the reaction film is further formed on at least one of the input electrode and the output electrode. 前記反応膜は、格子状の形状としていることを特徴とする請求項1から3の何れか一つに記載の弾性波センサ。   The elastic wave sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction film has a lattice shape. 基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、
前記反応膜を、前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波とすることを特徴とする弾性波センサ。
An input electrode for exciting an elastic wave on the substrate, an output electrode arranged adjacent to the input electrode, receiving an elastic wave excited on the input electrode and propagating on the substrate, and a detection target A reaction film that reacts with a specific substance,
The reaction film is formed on at least one of the input electrode and the output electrode, and the elastic wave is a transverse elastic wave having a displacement in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the propagation direction. An elastic wave sensor characterized by the above.
基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、前記入力用電極及び出力用電極を挟むように当該弾性波の伝搬方向に沿って配置される2個の反射器と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、
前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極及び両反射器の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波とすることを特徴とする弾性波センサ。
An input electrode for exciting an elastic wave on a substrate, an output electrode disposed adjacent to the input electrode, receiving an elastic wave excited on the input electrode and propagating on the substrate, and the input electrode Two reflectors arranged along the propagation direction of the elastic wave so as to sandwich the electrode and the output electrode, and a reaction film that reacts with a specific substance to be detected,
The reaction film is formed on at least one of the input electrode, the output electrode, and both reflectors, and the elastic wave has a transverse wave elasticity having a displacement in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the propagation direction. An elastic wave sensor characterized by being a wave.
前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極、及び各反射器の上に形成することを特徴とする請求項6に記載の弾性波センサ。   The acoustic wave sensor according to claim 6, wherein the reaction film is formed on the input electrode, the output electrode, and each reflector. 前記反応膜を、前記各反射器の上にのみ形成することを特徴とする請求項6に記載の弾性波センサ。   The elastic wave sensor according to claim 6, wherein the reaction film is formed only on each of the reflectors. 前記基板は、水晶基板であることを特徴とする請求項1から8の何れか一つに記載の弾性波センサ。   The acoustic wave sensor according to claim 1, wherein the substrate is a quartz substrate. 前記水晶基板は、30度回転Yカットから60度回転Yカットのカット角とし、且つ前記入力用電極は、前記弾性波の伝搬方向をX方向に垂直な方向となるように形成されていることを特徴とする請求項9に記載の弾性波センサ。
The quartz substrate has a cut angle of 30 ° rotation Y cut to 60 ° rotation Y cut, and the input electrode is formed so that the propagation direction of the elastic wave is perpendicular to the X direction. The elastic wave sensor according to claim 9.
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