JP2005533265A - 物質を検出する装置および物質を検出する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は流体（９）中の少なくとも１つの物質を検出する装置（１）に関する。本発明の装置は少なくとも１つのピエゾアコースティック共振器（２）を含む。この共振器は少なくとも１つの圧電層（４）と、この圧電層上に配置された第１の電極（５）および少なくとも１つの第２の電極（６）と、流体中の物質の吸収に用いられる表面セクション（８）とを有する。ここで圧電層、電極および表面セクションは、電極を駆動したときに表面セクションで吸収される物質の量に依存した共振周波数で共振器が発振（５１，５２）するように配置されている。本発明の装置は、圧電層の厚さ（７）が０．５μｍ〜２０μｍの範囲から選択されており、共振周波数が５００ＭＨｚ〜２ＧＨｚの範囲から選択されていることを特徴とする。本発明の装置は高周波数のピエゾアコースティック薄膜共振器を備えた質量センサである。本発明の装置は数Ｈｚ×ｐｇ^−１×ｃｍ^２の範囲の高い質量感応性を有しており、横方向の広がりも小さい。本発明の装置はバイオセンサまたはガスセンサとして使用される。

Description

本発明は、少なくとも１つのピエゾアコースティック共振器を含み、この共振器は少なくとも１つの圧電層と、この圧電層上に配置された第１の電極および少なくとも１つの第２の電極と、流体中の物質の吸収に用いられる表面セクションとを有し、ここで圧電層、電極および表面セクションは、電極を駆動したときに表面セクションで吸収される物質の量に依存した共振周波数で共振器が発振するように配置されている、流体中の少なくとも１つの物質を検出する装置に関する。さらに本発明はこの装置を用いて流体中の少なくとも１つの物質を検出する方法に関する。

こんにちの生物学的分析技術や医療診断技術においてはバイオセンサの使用される機会が増えてきている。バイオセンサは生体材料から成る物質認識部位といわゆる物理的なトランスデューサ部位とから成っている。生体材料から成る物質認識部位は所定の物質を“認識”する。この“認識”が物理的なトランスデューサを介して電気信号へ変換される。頻繁に使用される生体材料は抗体・酵素・核酸などである。この場合、生体材料から成る認識部位は、トランスデューサ上のほぼ２次元の層に固定化されていることが多い。ここでの固定化とは、共有結合、親和相互作用、親水相互作用または疎水相互作用によって行われる。ほぼ２次元の生体材料の物質認識部位の構造の概観はI.Willner & E.Katz, "Angew. Chem.", 112(2000), p.1230-1269に記載されている。

冒頭に言及した形式の装置および方法は、C.Koesslinger et al., Biosensors & Bioelectronics, 7(1992), p.397-404から公知である。ここでは、共振器の表面セクションに物質認識部位が存在し、圧電型共振器が物理的なトランスデューサとして機能する。公知の共振器の圧電層はクォーツ水晶から成る。クォーツ水晶に金から成る電極が被着されている。電極を電気的に駆動制御することにより、クォーツ水晶は幅方向のせん断振動の形態の固体伝播音（バルク波）で励振される。共振周波数は約２０ＭＨｚである。電極の一方は流体中の物質を吸収する表面セクションを形成している。物質は流体中に存在し、物理的に電極に吸収されるマクロ分子のタンパク質である。タンパク質が吸収されると、質量、ひいては共振器の共振周波数が変化する。共振周波数Δｆの変化分は面積単位あたりで吸収された物質量の変化分Δｍに依存するので、一般に式
Ｓ＝Δｆ／Δｍ＝ｃ（ｆ_０／ｍ）∝ｆ_０ ^２ （１）
が成り立つ（G.Sauerbrey, Zeitschrift fuer Physik, 155(1959), p.206-222を参照）。ここでＳは共振器の質量感応性であり、ｆ_０は吸収された物質がない場合の共振器の共振周波数であり、ｍは面積単位あたりの共振器の質量である。質量感応性は共振器の共振周波数の２乗に比例する。比較的低い共振周波数ｆ_０、すなわち約２０ＭＨｚまでの周波数では、周知の装置の質量感応性は約１Ｈｚ・ｎｇ^−１・ｃｍ^２と見積もられる。

冒頭に言及した形式の装置および方法は、V.Ferrari et al., Sensors and Actuators, B68(2000), p.81-87からも公知である。この装置は化学物質を検出する質量センサとして機能する。圧電層はジルコン酸チタン酸鉛ＰＺＴの層である。ＰＺＴ層の反対側には銀パラジウム合金から成る層状の電極（電極層）が被着されている。電極およびＰＺＴ層はピエゾアコースティック共振器を形成している。電極を電気的に駆動制御することにより、共振器をＰＺＴ層の厚み方向に沿って縦振動で励振させることができる。

公知の共振器は、所定の物質を吸収する表面セクションを有している。このために共振器には表面セクションを形成する化学的感応性を有するコーティングが設けられている。この化学的感応性を有するコーティングは電極上に被着されたポリマー膜である。ポリマー膜は例えばポリスチロールまたはポリメチルアクリレートである。こうしたポリマー膜には種々の物質、例えば炭化水素が吸着される。吸着により共振器の質量が変化する。その結果、共振器の共振周波数も変化する。共振周波数の変化の規模は吸着された物質量に依存する。吸着される物質量が多くなればなるほど、共振周波数の変化分も大きくなる。

共振器のＰＺＴ層の厚さは約１００μｍである。電極の厚さは約１０μｍである。ポリマー膜は約３μｍの厚さで被着されている。共振器の縦方向の広がりは約６ｍｍである。共振器の共振周波数は約７ＭＨｚである。ピエゾアコースティック共振器を備えた公知の装置は流体中の物質を検出するのに適している。流体は液体または気体または混合気であってよい。

公知の装置の共振器はアルミニウム酸化物の基板上に被着されている。共振器を製造したり基板上に被着したりする際にはいわゆる厚膜技術ＴＦＴ（Thick Film Technology）が用いられる。厚膜技術で達成できる分解能に限度があるために装置の微細化はいまのところ制限されているが、ますますの微細化が望まれている。例えば複数の共振器が共振器マトリクス（共振器アレイ）にまとめられ、各共振器が共振器マトリクスのマトリクス素子となるように構成される。できるだけ多くのマトリクス素子を大きさの限られた１つの基板に配置できるようにするためには、できるだけ小さな共振器素子を製造しなければならない。

公知の装置の共振器は、その大きさが微細化に不都合であるほか、共振器の共振周波数が低く、小さな質量感応性しか有さない（式（１）を参照）。流体中の物質濃度が低かったり、または流体中の物質濃度の変化分が小さかったりすると、測定に比較的大きな誤差が生じる。

H.Baltes, Proceedings of the IEEE, Vol.86, No.8, August 1998 p.1660-1678からいわゆるＦＰＷセンサ（Flexural Plate Wave Sensor）が公知である。このセンサも物質を検出する装置である。この装置には、ケイ素の半導体基板上に被着されたピエゾアコースティック共振器が設けられている。この装置の製造には蒸着プロセス、ＣＭＯＳ技術（Complementary Metal Oxyde Semiconductor Technology）、半導体基板のフロントサイドエッチングまたはリアサイドエッチング（バルクマイクロマシニング）などが使用される。電極および圧電層はいわゆるカンチレバー（Ausleger）の形態で半導体基板上に配置される。電極が電気的に駆動制御されると、共振器が約１４０ｋＨｚの横振動で発振する。共振器には化学的感応性を有するコーティングが設けられており、これはポリウレタンまたはポリシロキサンから成る。これらのポリマーは吸収され、ひいてはハロゲンを有する炭化水素を指示するのに適している。流体は特に気体である。流体がポリマーで形成された表面セクションを通過するとき、炭化水素はこの表面セクションに吸着される。炭化水素の濃度に応じて共振器の質量が変化し、ひいては共振器の共振周波数が変化する。共振器の横方向の広がりは比較的小さく、約３００μｍである。とはいえこの共振器も共振周波数が約１４０ｋＨｚと比較的低く、質量感応性が小さい。

本発明の課題は、従来技術に比べ、物質に対する高い質量感応性を有する物質の検出装置を提供することである。

この課題を解決するために、本発明では流体中の少なくとも１つの物質を検出する装置を提供する。本発明の装置は少なくとも１つのピエゾアコースティック共振器を含む。この共振器は少なくとも１つの圧電層と、この圧電層上に配置された第１の電極および少なくとも１つの第２の電極と、流体中の物質の吸収に用いられる表面セクションとを有する。ここで圧電層、電極および表面セクションは、電極を駆動したときに表面セクションで吸収される物質の量に依存した共振周波数で共振器が発振するように配置されている。本発明の装置は、圧電層の厚さが０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲から選択されており、共振周波数が５００ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲から選択されていることを特徴とする。

本発明の装置の共振器はピエゾアコースティック薄膜共振器である。電極は複数の電極層から形成されている。電極層は例えば金、アルミニウムまたは白金から成る。電極層と圧電層とから成る共振器の層全体の厚さは例えば１μｍである。圧電層の層厚さが小さく、また全体の厚さも小さくなることにより、共振器の質量は従来技術に比べて低減される。これにより共振器の共振周波数は高まる。高周波数とも称すべき高い周波数により、物質に対して高い質量感応性が得られる。本発明の装置の質量感応性は式（１）にしたがって数Ｈｚ・ｐｇ^−１・ｃｍ^２と推定される。例えば共振周波数１ＧＨｚでの質量感応性は約２．５Ｈｚ・ｐｇ^−１・ｃｍ^２である。本発明によれば１０^３の係数ほども質量感応性が改善される。

吸収とは物質と表面セクションとの化学的結合または物理的結合であると解されたい。ここでの吸収は狭義の吸収と吸着とを含む。吸収の場合には物質は例えば表面セクションを形成する共振器のコーティングを通して相界を形成することなく収容され、物質はコーティング内へ組み込まれる。これに対して吸着の場合には相界が形成される。特にこれは物理吸着の形式である。物質は共振器の表面セクションにファンデルワールス作用またはダイポール‐ダイポール相互作用によって蓄積される。これに代えて、化学吸着の形式の吸着も発生しうる。化学吸着の場合、物質は化学結合によって表面セクションに蓄積される。化学結合は例えば共有結合または水素架橋結合である。

有利には吸収は可逆的に発生する。これは物質が表面セクションから再び取り除かれることもあることを意味する。例えば物質は表面セクションの温度上昇により、または反応物質の作用により除去される。反応物質は例えば酸またはアルカリ液であり、これにより化学吸着で形成された結合が解除される。本発明の装置はこのようにすれば多数回利用することができる。ただし吸収は不可逆性であってもよい。その場合本発明の装置は使い捨てセンサとして１回だけ使用される。

物質としてそれぞれ可能な化学的結合または生物学的結合が重要である。本発明の装置はガスセンサとして気体の検出に使用することができる。気体は所定の気圧を有する物質である。このような物質は例えば有機溶剤である。またこの種の物質として、爆薬または爆薬の成分、前駆物質または分解生成物が挙げられる。このとき本発明の装置は爆薬検出器として使用される。また本発明の装置をバイオセンサとして任意のバイオ分子の検出に陥ることもできる。バイオ分子とは例えばＤＮＡ（デオキシリボ核酸）配列またはマクロ分子のタンパク質である。

表面セクションは有利には、所定の物質または物質クラスを鍵穴‐鍵の原理にしたがって選択的に吸収し、これを認識する。したがって複数の物質の混合物のなかからこの装置の所定の物質を識別することができる。この識別は物質の定性測定も定量測定も含む。液体中の所定の物質の有無を知ることができるし、また液体中の物質濃度も求めることができる。物質を差分的に検出することにより、当該の物質濃度の時間変化分を求めることもできる。したがって本発明の装置は例えば物質の関与する化学反応の反応コントロールなどに適している。

特に化学的感応性を有するコーティングが物質認識分子を有する。所定のＤＮＡ配列を認識するために、こうした分子に相応する複数のヌクレオチド単位からオリゴヌクレオチド（ＤＮＡ−Ｏｌｉｏｇｏｓ）が使用される。

物質認識分子は直接にトランスデューサ表面に結合される。例えばトランスデューサ表面には共振器の金電極が存在する。チオール基を備えた分子は金‐硫黄結合を形成することにより直接にトランスデューサ表面に結合される。

有利な実施形態では、化学的感応性を有するコーティングは共振器と物質認識分子とを結合する固定化層である。例えばトランスデューサ表面にはＮＨ基またはＯＨ基が設けられている。物質認識分子は、ここでは、アルコキシシラン、シアヌル酸塩化物またはカルボジイミドによって固定化される。これらの化合物が固定化層を形成する。

固定化層は直接にトランスデューサ表面に結合することができる。また固定化層を間接的にプライマー層を介してトランスデューサ表面に結合してもよい。

固定化層はほぼ２次元であると言ってよい。固定化層は配列された単分子層または多分子層としてトランスデューサ表面に沿って配置されている。ただし固定化層は３次元であってもよい。この場合には固定化層のマトリクスが形成される。例えば固定化層に孔が開けられ、ここに物質認識分子が配置される。化学的感応性を有するコーティングは大きな“反応性”表面を提供する。その結果、化学的感応性を有するコーティングと３次元の固定化層とによって、物質認識のための質量感応性が高まる。３次元の固定化層は例えばモノマーのラジカル架橋により形成することができる。架橋されたモノマーには物質認識分子が結合される。また架橋前にモノマーに物質を認識するための機能基を設けることもできる。

特に共振器の振動は縦振動および／または幅方向のせん断振動のグループから選択される。どのタイプの振動が励振されるかは、圧電材料の対称群、圧電層と表面との配向関係、および電極の配置に依存している。例えば圧電層は＜１１１＞の配位のジルコン酸チタン酸鉛から成る。電場が圧電層の層厚さに沿ったｚ方向のみで印加される場合、まず層厚さに沿った縦振動が発生する。これに対して幅方向のせん断振動は、前述の装置では、圧電層の横方向の広がりに沿って発生する。ただし幅方向のせん断振動には誘導される電場の横方向成分が必要となる。縦振動は特に気体の調査に使用される。液体では縦振動は著しく減衰されるので、質量感応性も大幅に低下してしまう。したがって共振器の縦振動を利用して液体を調査する際には、その液体は表面セクションでの吸収の後に共振器から除去される。共振器の共振周波数の測定は吸収の後、液体が除去されてから行われる。これに対して幅方向のせん断振動の測定は液体の直接測定に適している。幅方向のせん断振動は液体中でもほとんど減衰しない。こちらの測定は共振器と液体とが接触しているときに行われる。

有利な実施形態では、共振器は５０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲から選択される横方向の広がりを有している。横方向の広がりが小さいことにより、本発明の共振器で小さい体積のプローブ流体を調査することができる。

有利な実施形態では、圧電層はジルコン酸チタン酸鉛、亜鉛酸化物および／またはアルミニウム窒化物のグループから選択された圧電材料を有する。これらの材料は特に材料を気相で基板上に堆積するのに適している。この堆積は例えば化学蒸着法ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）または物理蒸着法ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）で行われる。物理蒸着法は例えばスパッタリングである。蒸着法により圧電層および電極の層厚さを小さくすることができる。

共振器は高周波数に対して僅かな損失しか有さない任意の基板上に配置することができる。この基板は誘電体として例えばサファイアを有する。またこれは特に高周波数基板である。高周波数基板は高周波数信号に対して高いクォリティを有しており、僅かな損失のみで伝送を行うことができる。高周波数基板としては特にＬＴＣＣ基板（低温焼結セラミクス基板）が適用される。ＬＴＣＣ基板では低温焼結されたガラスセラミクスを使用しているため、導電性の高い金属材料、例えば銅または銀を組み込んでもよい。

特に共振器は半導体基板上に配置されている。半導体基板はここでは特にケイ素および／またガリウムヒ化物のグループから選択された半導体材料を有する。これらの半導体材料はバイポーラ技術およびＣＭＯＳ技術の適用に適している。こうした技術を用いて半導体基板内には共振器の共振周波数を求める評価回路が集積される。これにより高い集積密度が得られる。

本発明の装置の有利な実施形態では、共振器と半導体基板とを音響的に分離する少なくとも１つの分離手段が設けられている。つまり共振器と半導体基板とは音響的に分離される。この音響的分離により、共振器の共振周波数が半導体基板に依存しないことが保証される。こうして高い質量感応性が得られる。音響的な分離手段は例えば基板内に集積された音響鏡である。音響鏡は例えば異なる音響インピーダンスのλ／４厚さの層から成る音響ブラッグリフレクタである。これに代えて分離手段をメンブレインでカバーされた基板内の中空室によって形成することもできる。共振器はメンブレインを介して（間接的に）半導体基板へ接合されている。メンブレインは例えば酸化物および／または窒化物から成る。例えばメンブレインは酸化物層および窒化物層から成る多層構造体である。音響的分離のために、共振器とは反対側の半導体基板の裏面に切欠が設けられる。この切欠は有利には半導体基板のリアサイドエッチングにより形成される。共振器は例えば切欠によって露出した窒化物から成るメンブレイン上で半導体基板に接合されている。

有利な実施形態では、流体中の物質を吸収する表面セクションは半導体基板の切欠に配置されている。共振器と半導体基板との音響的分離のための切欠は、物質を吸収する表面セクションを有する。表面セクションはここでは化学的感応性を有するコーティングから形成されており、これは切欠内に配置されて流体がアクセス可能となっている。また表面セクションが少なくとも部分的に、切欠内に配置されていて流体がアクセス可能な共振器の電極または圧電層から成っていてもよい。

本発明の装置の別の有利な実施形態では、少なくとも１つの評価回路が共振器の共振周波数を求めるために設けられている。評価回路は例えば高周波数回路を有しており、ここに共振器が周波数を求めるユニットとして接続されている。高周波数回路は例えばフェーズロックループＰＬＬであり、その制御ループはＰＩＮダイオードを介して共振器に接続されている。ＰＬＬの制御信号は共振器の共振周波数の変化の尺度となる。共振周波数の変化により共振器の表面セクションでの物質の吸収度が結論される。この評価回路は特には半導体基板に配置された内部評価回路である。内部評価回路はバイポーラ技術またはＣＭＯＳ技術などの周知の手段で半導体基板内に集積される。評価回路を半導体基板に集積できることにより、本発明の装置をいわゆる“ラブオンチップ”モジュールとして機能させることができる。

これに代えて評価回路は半導体基板の外部に配置された外部評価回路であってもよい。この場合評価回路は例えば共振周波数を評価するために構成された評価チップである。評価チップは例えば付加的に半導体基板上に被着され、共振器に電気的に接触する。

別の実施形態では、共振器と外部評価回路とを接続する少なくとも１つの電気コンタクト手段が設けられており、この電気コンタクト手段はＦＲ４基板および／またはＬＴＣＣ基板のグループから選択された高周波数基板である。例えば外部評価回路はＬＴＣＣ基板に被着され、ＬＴＣＣ基板を介して共振器に電気的に接続される。ＦＲ４は周知の高周波数材料である。またＧＥＴＥＫまたはＲＯ４００３などの他の高周波数材料から成る基板を用いてもよい。

有利な実施形態では、半導体基板を備えた共振器と高周波数基板とはフリップチップ技術により相互に接続されている。フリップチップ技術を用いると特にスペースを節約することができる。電気コンタクトは垂直方向でいわゆるはんだバンプにより形成される。はんだバンプは例えば基板表面に球状のはんだを設けることによって形成される小さな隆起物である。はんだバンプは例えば金ニッケル合金または金亜鉛合金から成る。はんだバンプを用いればスペースを消費する接続線（ボンディングワイヤ）が必要ない。スペースが節約されることにより本発明の装置の微細化はさらに進む。特に有利には、ボンディングワイヤのインダクタンスの障害的影響が大幅に低減される。また半導体基板上の不要な長さの電気線路が回避される。特にＧＨｚ領域の周波数では、半導体基板上の線路は大きな内部損失を有する。フリップチップ技術を適用することによりこうした半導体基板上の線路をほとんど省略することができる。したがって本発明の物質の検出装置は特に高い動作品質で、つまり特に高い質量感応性で動作できる。

フリップチップ技術を適用することにより、物質を吸収する表面セクションが半導体基板の切欠内に配置されているように装置を構成すると特に有利である。表面セクションを有する半導体基板のエッチングされた裏面は流体中の物質の吸収のために用いられる。裏面とは反対の共振器を有する側の表面は共振器の電極の電気コンタクトに用いられる。共振器の電極ははんだバンプを介して場合により設けられる高周波数基板に電気的かつ機械的にコンタクトされる。

物質を吸収する表面セクションは共振器の一方の電極から形成することもできる。有利な実施形態では、流体中の物質を吸収する表面セクションは共振器の化学的感応性を有するコーティングによって形成されている。共振器には所定の物質または物質クラスを吸収するコーティングが被着されている。吸収は化学吸着、物理吸着または吸収によって行われる。化学的感応性を有するコーティングは前述したようにポリマーである。またコーティングは表面に所定のＤＮＡ配列を有するものであってもよい。ＤＮＡ配列には相応のＤＮＡ配列が鍵穴‐鍵の原理にしたがってドッキングする。相応のＤＮＡ配列は水素架橋結合の形成により化学吸着される。この形式の装置は所定のＤＮＡ配列を指示するのに適している。また化学的感応性を有するコーティングは任意の化学物質または生物学的物質に対するものであってよい。

化学的感応性を有するコーティングは所定の気体分子を吸収するものであってもよい。こうした分子は例えば一酸化炭素、二酸化炭素、酸化窒素または酸化硫黄である。メタンまたはエタンなどの低分子量の有機気体も同様に可能である。本発明の装置は気体センシングにも使用される。

本発明の実施形態では、複数の共振器が共振器マトリクスとしてまとめられており、各共振器は共振器マトリクスのマトリクス素子となっている。各共振器の横方向の広がりが小さいので、従来技術に比べて、面積単位あたりで格段に多くの共振器を共振器マトリクスとしてまとめることができる。有利には共振器マトリクスの各共振器がそれぞれ所定の物質の検出に用いられる。このことは各共振器がそれぞれ所定の物質または物質クラスに感応性を有するように構成されていることを意味する。このようにすれば本発明の装置を用いて物質の混合物を定性的および／または定量的に分析することができる。ガスセンサでは例えば第１の共振器が炭化水素に感応性を有し、第２の共振器が酸化硫黄に感応性を有し、第３の共振器は一酸化炭素に感応性を有するというように構成可能である。バイオセンサでは例えば個々のマトリクス素子がそれぞれ所定のＤＮＡ配列に感応性を有するように構成可能である。したがって流体中の種々のＤＮＡ配列の有無を並列に調査することができる。

特に共振器マトリクスは半導体基板上に構成されている。有利には共振器マトリクスは薄膜技術で半導体基板上に製造される。薄膜技術では個々の共振器が１つの工程で並列的に製造される。薄膜技術を利用することにより、隣接する共振器のあいだの電気的特性のばらつきが小さくなる。例えば１つの共振器に化学的感応性を有するコーティングが設けられ、その隣の共振器がコーティングされないままである場合、コーティングされた共振器の共振周波数の変化分をコーティングされていない共振器の共振周波数から導出して物質を識別することができる。こうした差分的な測定も可能である。

有利には隣接するマトリクス素子間の間隔は２０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲から選択されている。本発明の装置では最小の空間に最多のマトリクス素子の集積された共振器マトリクスが得られる。各マトリクス素子はきわめて小さい。したがって本発明の装置では横方向での全体の規模をきわめて小さくすることができる。

本発明の第２の特徴は、流体中の少なくとも１つの物質を検出する装置を用いて流体中の少なくとも１つの物質を検出する方法に関する。この方法は、流体中の物質が共振器の表面セクションで吸収されるように流体をピエゾアコースティック共振器へ加えるステップと、共振器の共振周波数を求め、この共振周波数から、表面セクションで吸収された物質量を結論するステップとを含む。物質の吸収量を結論するために、流体を共振器に加える前に物質の吸収がないときの共振器の共振周波数を求めておくとよい。

有利には流体が存在するときの共振周波数を求める。例えば流体は気体または混合気である。混合気は表面セクションで１つまたは複数の共振器を通過し、物質が表面セクションに吸収される。吸収によって共振器の質量、ひいては共振器の共振周波数が変化する。物質が吸収されるにつれ、表面セクションに物質が吸収されていない共振器に比べて、共振周波数の変化分が大きくなる。

別の有利な実施形態では、流体が存在しないときの共振周波数を求める。例えば流体は第１のステップで共振器の表面セクションを通過し、その際に吸収が起こる。吸収が終了したのち、流体の通過も終了される。その後、流体は除去され、表面セクションに残った物質のみについて、共振器の共振周波数が求められる。この方法は特に流体として液体を用い、振動として共振器の縦振動を用いる場合に利用される。それ以外の場合には共振周波数は流体のあるときまたはないときのいずれで求めてもよい。

以下に本発明の利点をまとめて示す。
・物質の検出装置として従来の装置に比べて高い質量感応性を有する。本発明の装置の質量感応性は数Ｈｚ・ｐｇ^−１ｃｍ^２である。
・物質認識分子に対する３次元の固定化マトリクスを使用することにより、質量感応性がさらに高まる。
・高い質量感応性を有するので、検出すべき物質（分析分子）をマーキングしなくてよい。本発明では検出を“レーベルフリー”で行うことができる。
・本発明の装置の共振器は横方向の広がりが小さい。横方向の広がりが小さいので、複数の共振器をスペースを節約したうえで共振器マトリクスとして基板上に配置することができる。これにより高い集積密度が達成される。
・共振器マトリクスにより複数の物質を並列に検出することができる。
・共振器の横方向の広がりが小さいため、小さい体積のプローブ流体を調査することができる。
・共振器を備えた装置を簡単かつ低コストに製造することができる。製造に際しては周知の薄膜技術が利用される。半導体基板を使用することにより、ＣＭＯＳ技術やバルクマイクロマシニングも適用可能である。
・１つまたは複数の共振器の電気コンタクトに対して特にＬＴＣＣ基板の形態の高周波数基板が適している。
・フリップチップ技術により、高周波数損失や、共振器の電気コンタクトのためのボンディングワイヤに発生する障害インダクタンスが大幅に低減される。これにより高い動作品質および高い質量感応性が得られる。この利点は特に共振器のマトリクス素子を高密度に集積して共振器マトリクスを形成したときに顕著となる。

複数の実施例とこれに対応する図とに即して、本発明の流体中の物質を検出する装置および流体中の物質を検出する方法を以下に説明する。本発明の個々の特徴は任意に組み合わせることができる。図は説明のためのものであるので、縮尺通りには描かれていない。

図１のＡ〜Ｆには、圧電層および表面セクションが異なって配置された種々のピエゾアコースティック共振器の断面図が示されている。図２のＡ〜Ｃには半導体基板とピエゾアコースティック共振器との音響的分離の種々の手段が示されている。図３のＡ，Ｂには内部評価回路を備えた本発明の装置と、外部評価回路を備えた本発明の装置とが示されている。図４のＡ〜Ｃには複数のマトリクス素子を備えた共振器マトリクスの断面図（Ａ）と平面図（Ｂ，Ｃ）とが示されている。図５のＡ，Ｂには共振器の種々の振動モードが示されている。図６には流体中の物質を検出する方法が示されている。

物質の検出装置１は、ケイ素から成る半導体基板３上に被着されたピエゾアコースティック共振器２から形成されている。共振器２はジルコン酸チタン酸鉛から成る圧電層４を有する。ジルコン酸チタン酸鉛は半導体基板３に対して＜１１１＞配位を有する。圧電層４の厚さ７は約０．８μｍである。共振器２の横方向の広がり１１は約１００μｍである。これに代わる２つの実施例として、圧電層はアルミニウム窒化物から成っていてもよいし、亜鉛酸化物から成っていてもよい。

圧電層４に配置された層状の電極５，６の厚さは約０．１μｍである。これらの電極は金から形成されている。電極５，６を駆動することにより共振器２が発振する。圧電層４と電極５，６との相互の位置関係に依存して共振器２は励振され、圧電層４の横方向の広がりに沿ってせん断振動を開始するか（図５のＡ）、および／または圧電層４の厚さ７に沿って縦振動５２を開始する（図５のＢ）。

図１のＡによれば電極５，６はそれぞれ圧電層４の２つの表面に配置されている。さらにアルミニウム酸化物から成るアイソレーション１９が電極５，６を電気的に分離している。電極を駆動すると圧電層４の厚さ７に沿って縦振動５２が開始される。

図１のＢの装置では圧電層４の一方の表面に電極５，６の双方が配置されており、この場合には幅方向のせん断振動５１が発生する。同様に図１のＣの装置でも幅方向のせん断振動５１が発生する。

共振器２には流体９中の物質を吸収できる表面セクション８が設けられている。このために共振器２は化学的感応性を有するコーティング１０を有する。化学的感応性を有するコーティング１０は電極５上に被着されている（図１のＡ）。これに代えて化学的感応性を有するコーティング１０を電極５，６の双方に設けてもよい（図１のＢ）。また化学的感応性を有するコーティング１０を圧電層４上に被着することもできる（図１のＣ）。これに代えて共振器２に保護層１２を被着し、その上に化学的感応性を有するコーティング１０を設けてもよい（図１のＤ）。図示していないが、保護層１２を化学的感応性を有するコーティング１０そのものとして機能させる実施例も可能である。

図１のＥにはさらに、化学的感応性を有するコーティング１０を半導体基板３の切欠１３内で、窒化物から成るメンブレイン１４上に設ける実施例が示されている。切欠１３は半導体基板３のリアサイドエッチングによって形成される。

図１のＦでは、前述の実施例とは異なり、電極５が流体９中の物質を吸収する表面セクション８を形成している。物質は直接にこの電極に吸収される。

共振器２の所定の物資に対する質量感応性を高めるために、半導体基板３および共振器２は音響的分離手段１５を介して音響的に相互に分離されている。図２のＡによれば本発明の装置は異なるインピーダンスのλ／４厚さの層を備えたブラッグリフレクタである。これに代えて図２のＢのように共振器２の下方の半導体基板３にメンブレイン１４および中空室１６が組み込まれる場合もある。中空室１６はメンブレイン１４によってカバーされている。メンブレイン１４は共振器２と半導体基板３とを接合している。メンブレイン１４および中空室１６は半導体基板のバルクマイクロマシニングおよび／または表面マイクロマシニングにより実現される。

図２のＣによれば音響的分離手段１５は半導体基板３の切欠１３である。共振器２の下方で半導体基板３の材料がリアサイドエッチングにより除去されている。共振器２はメンブレイン１４上に被着される。メンブレイン１４はケイ素窒化物層およびケイ素酸化物層から形成される。

図３のＡでは半導体基板内に内部評価回路１７が設けられている。内部評価回路１７はＣＭＯＳ技術により半導体基板３内に集積されている。内部評価回路１７は共振を求める素子として共振器２に結合された共振回路を含む。

図３のＢでは共振器２は外部評価回路１８へ接続されている。共振器２と外部評価回路１８とのコンタクトのためにＬＴＣＣ基板の形態の高周波数基板２０が設けられている。ＬＴＣＣ基板にはスルーコンタクト２１および銀から成る導体路２２が集積されている。検出装置１および外部評価回路１８はフリップチップ技術によりはんだバンプ２３を介してＬＴＣＣ基板２０および導体路２２へ電気的に接触している。図３のＢの実施例では、化学的感応性を有するコーティング１０は半導体基板３の切欠１３内に配置されている。切欠１３は流体９をリザーバから表面セクション８へ案内するチャネル２４として機能する。チャネル２４は半導体基板３の切欠１３および半導体基板３に接続されたカバー２５によって形成される。カバー２５もケイ素から成っている。別の実施例でカバー２５をプラスティックから形成してもよい。このプラスティックおよび場合によりプラスティックと半導体基板とのあいだに設けられる封止体は、流体９に対してほとんど反応しない。このときには流体９は、流体９の成分とプラスティックまたは封止体材料とのあいだに反応を起こすことなくチャネル２４を通って案内される。

図４のＡには３つの共振器２を備えた装置１がＩ−Ｉ線に沿った側面図で示されている（図４のＢ，Ｃを参照）。共振器２はケイ素から成る半導体基板３の上に共振器マトリクス２６として配置されている。各共振器２は共振器マトリクス２６のマトリクス素子２７となっている。各共振器２は約１００μｍの横方向の広がりを有する。隣接するマトリクス素子２７どうしの間隔２８は１００μｍである。

図４のＢ，Ｃには個々のマトリクス素子２７の電気的コンタクトの種々の手段が示されている。図４のＢによれば共振器２の電極５，６が従来のように個々のマトリクス素子２７に電気的にコンタクトしている。そのために半導体基板３上に相応の電気線路２９が設けられている。

図４のＣでは、個々の共振器の電気コンタクトははんだバンプ２３を介してフリップチップ技術で形成されている。

各マトリクス素子２７に所定の物質に対して感応性を有する共振器２が設けられている。このようにすれば１つの装置のみで流体中の複数の物質を検出できる。

流体９中の物質を検出するために、第１のステップで共振器２の表面セクション８に流体９を加える（図６のステップ６１）。流体９はそのなかの物質が共振器２の表面セクションに吸収されるように共振器に加えられる。吸収により共振器２の質量が変化する。共振器２の共振周波数をあとから測定することにより（図６のステップ６２）、流体９中の物質の種類および濃度が結論される。物質の吸収によって共振器の共振周波数は表面セクションに物質が吸収されない場合の周波数に比べて変化する。共振周波数の変化分を求めるために、既知の共振周波数を有する共振器が使用される。別の実施例として、流体を共振器に加える前に、物質が吸収されていないときの共振器の共振周波数を求めておいてもよい。

タンパク質検出の例：
ピエゾアコースティック共振器２の金から成る電極５上に、化学的感応性を有するコーティング１０、すなわち２５個の塩基から成るオリゴヌクレオチドが固定化される。オリゴヌクレオチドは数ｍｍｏｌの濃度の水性溶液としてサブナノリットルの範囲で電極５に塗布される。各オリゴヌクレオチドは３’−側にチオールアルキル基を有し、５’−側にビオチン基を有する。チオールアルキル基を介して硫黄‐金結合の構造が生じる。オリゴヌクレオチドは電極５に固定化されており、オリゴヌクレオチドの基本骨格はいわば固定化層を形成している。ビオチン基はストレプトアビジンとともに強い複合体を形成する。ビオチン基はいわばストレプトアビジンに対する物質認識分子として機能する。このタンパク質が流体中に存在し、これに化学的感応性を有するコーティング１０が曝露されると複合体が形成され、タンパク質が化学的感応性を有するコーティング１０に吸収される。

ＤＮＡ検出の例：
２５個の塩基から成るオリゴヌクレオチドがチオールアルキル基によって固定化される。オリゴヌクレオチドは小さいビオチン基を有する。相応に相補的なヌクレオチド配列を有するＤＮＡフラグメントは水素架橋結合の構造により固定化されたオリゴヌクレオチドへ結合される。

種々のピエゾアコースティック共振器の断面図である。

半導体基板と共振器との音響的分離手段を示す図である。

内部評価回路を備えた装置と外部評価回路を備えた装置とを示す図である。

共振器マトリクスの断面図および平面図である。

共振器の種々の振動モードを示す図である。

流体中の物質を検出する方法のフローチャートである。

Claims (23)

1. 少なくとも１つのピエゾアコースティック共振器（２）を含み、該共振器は少なくとも１つの圧電層（４）と、該圧電層上に配置された第１の電極（５；６）および少なくとも１つの第２の電極（６；５）と、流体（９）中の物質の吸収に用いられる表面セクション（８）とを有し、
   ここで圧電層、電極および表面セクションは、電極を電気的に駆動したときに表面セクションで吸収される物質の量に依存した共振周波数で共振器が発振するように配置されている
   流体中の少なくとも１つの物質を検出する装置（１）において、
   圧電層（４）の厚さ（７）が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲から選択されており、
   共振周波数が５００ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲から選択されている
   ことを特徴とする流体中の少なくとも１つの物質を検出する装置。
2. 前記共振器（２）は２０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲から選択された横方向の広がり（１１）を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記共振器（２）の振動は縦振動（５２）および／または幅方向のせん断振動（５１）のグループから選択されている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記圧電層（４）はジルコン酸チタン酸鉛、亜鉛酸化物および／またはアルミニウム窒化物のグループから選択された圧電材料を有する、請求項１または２記載の装置。
5. 前記共振器（２）は半導体基板（３）上に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記共振器（２）と前記半導体基板（３）とを音響的に分離する少なくとも１つの分離手段（１５）が設けられている、請求項５記載の装置。
7. 流体中の物質を吸収する前記表面セクション（８）は前記半導体基板（３）の切欠（１３）に配置されている、請求項５または６記載の装置。
8. 少なくとも１つの評価回路（１７，１８）が前記共振器（２）の共振周波数を求めるために設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記評価回路は半導体基板（３）内に配置された内部評価回路（１７）である、請求項８記載の装置。
10. 前記評価回路は半導体基板の外部に配置された外部評価回路である、請求項８記載の装置。
11. 前記共振器（２）と前記外部評価回路（１８）とを接続する少なくとも１つの電気コンタクト手段（２０）が設けられており、該電気コンタクト手段はＦＲ４基板および／またはＬＴＣＣ基板のグループから選択された高周波数基板である、請求項１０記載の装置。
12. 前記半導体基板（３）を備えた共振器（２）と前記高周波数基板（２０）とがフリップチップ技術により相互に接続されている、請求項１１記載の装置。
13. 流体中の物質を吸収する前記表面セクション（８）は前記共振器（２）の化学的感応性を有するコーティング（１０）によって形成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
14. 前記共振器（２）は保護層（１２）を有しており、該保護層（１２）上に前記化学的感応性を有するコーティング（１０）が被着されている、請求項１３記載の装置。
15. 複数の共振器（２）が共振器マトリクス（２６）としてまとめられており、各共振器（２）は共振器マトリクス（２６）のマトリクス素子（２７）となっている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 前記共振器マトリクス（２６）の各共振器（２）はそれぞれ所定の物質の検出に用いられる、請求項１５記載の装置。
17. 隣接するマトリクス素子間の間隔（２８）は５０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲から選択されている、請求項１５または１６記載の装置。
18. 請求項１から１７までのいずれか１項記載の流体中の少なくとも１つの物質を検出する装置を用いて流体中の少なくとも１つの物質を検出する方法において、
    ａ）流体中の物質が共振器の表面セクションで吸収されるように流体をピエゾアコースティック共振器へ加えるステップと、
    ｂ）共振器の共振周波数を求め、該共振周波数から表面セクションで吸収された物質量を結論するステップとを有する
    ことを特徴とする流体中の少なくとも１つの物質を検出する方法。
19. 流体が存在するときの共振周波数を求める、請求項１８記載の方法。
20. 流体が存在しないときの共振周波数を求める、請求項１８または１９記載の方法。
21. 流体として液体を使用し、該液体を共振器に加え、共振器の表面セクションに物質が吸収されて残るようにし、その後共振周波数を求める前に液体を除去する、請求項２０記載の方法。
22. 前記化学的感応性を有するコーティングは物質認識分子を有する、請求項１３記載の装置。
23. 前記化学的感応性を有するコーティングは共振器と物質認識分子とを結合するための固定化層である、請求項２２記載の装置。

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