JP2006258767A - 圧電センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電センサにおいて被測定物の測定精度を向上させる。
【解決手段】測定用弾性波素子１２の発振周波数と基準用弾性波素子１４の発振周波数を比較することで、被測定物の濃度を検出する。測定用弾性波素子１２には被測定物に対して吸着性を示す感応膜１６が形成されており、感応膜１６が被測定物を吸着することで測定用弾性波素子１２の発振周波数が変化する。基準用弾性波素子１４にも感応膜１６と同じ種類の感応膜１８が形成されているが、基準用弾性波素子１４の感応膜１８は、感応膜１６が吸着する被測定物に対して吸着性を示さないように不活性化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子、あるいは弾性表面波（ＳＡＷ）や横波弾性波（ＳＴＷ）等の弾性波を用いる弾性波素子等の圧電素子を有する圧電センサ、及びその製造方法に関する。

水晶振動子、あるいは弾性表面波（ＳＡＷ）や横波弾性波（ＳＴＷ）等の弾性波を用いる弾性波素子等の圧電素子を有する圧電センサにおいては、被測定物に対して吸着性を示す感応膜が形成されている。この感応膜が被測定物を吸着することで、圧電素子の発振周波数が変化する。したがって、この発振周波数の変化を検出することで、被測定物の濃度を検出することができる。

この感応膜が形成された圧電センサの従来例が特許文献１，２に開示されている。特許文献１，２の圧電センサは、測定用圧電素子及び基準用圧電素子を備えている。測定用圧電素子には、被測定物に対して吸着性を示す感応膜が形成されている。一方、基準用圧電素子には、感応膜が形成されておらず、被測定物に対して吸着性を示さない。被測定物がセンサ付近に存在している場合は、測定用圧電素子の感応膜が被測定物を吸着することで測定用圧電素子の発振周波数が変化するのに対して、基準用圧電素子は被測定物を吸着することなく発振周波数が変化しない。特許文献１，２の圧電センサにおいては、この性質を利用して、測定用圧電素子の発振周波数と基準用圧電素子の発振周波数とを比較することで、被測定物の濃度を検出している。

特開２００３−４６１６号公報 特開平９−１３１３３５号公報

特許文献１，２においては、測定用圧電素子に感応膜が形成されているのに対して、基準用圧電素子には感応膜が形成されていない。この感応膜の有無の影響により、温度等の外部環境の変化に対する発振特性の変化が測定用圧電素子と基準用圧電素子とで異なってくる。したがって、特許文献１，２においては、被測定物の測定精度が低下してしまうという問題点がある。

本発明は、被測定物の測定精度を向上させることができる圧電センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電センサの製造方法は、被測定物に対して吸着性を示す感応膜が形成された測定用圧電素子と、該被測定物に対して吸着性を示さない基準用圧電素子と、を有する圧電センサを製造する方法であって、前記測定用圧電素子及び前記基準用圧電素子に、前記被測定物に対して吸着性を示す同じ種類の感応膜を形成する感応膜形成工程と、前記基準用圧電素子に形成された感応膜が前記被測定物に対して吸着性を示さないように、該感応膜を不活性化する不活性化工程と、を含むことをことを要旨とする。

本発明においては、測定用圧電素子及び基準用圧電素子に被測定物に対して吸着性を示す同じ種類の感応膜を形成し、基準用圧電素子に形成された感応膜をこの被測定物に対して吸着性を示さないように不活性化している。このように、測定用圧電素子の感応膜と同じ種類でかつ不活性化された感応膜を基準用圧電素子に形成することで、温度等の外部環境の変化に対する発振特性の変化を測定用圧電素子と基準用圧電素子とでほぼそろえることができる。したがって、本発明によれば、被測定物の測定精度を向上させることができる。

本発明に係る圧電センサの製造方法において、前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に形成された感応膜を加熱することで、該感応膜を不活性化する工程であるものとすることもできる。こうすれば、基準用圧電素子に形成された感応膜を容易に不活性化することができる。この態様の本発明に係る圧電センサの製造方法において、前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に電力を入力することで、該基準用圧電素子に形成された感応膜を加熱する工程であるものとすることもできる。

本発明に係る圧電センサの製造方法において、前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に形成された感応膜に前記被測定物を吸着させて、該被測定物に対する該感応膜の吸着性を飽和させることで、該感応膜を不活性化する工程であるものとすることもできる。こうすれば、基準用圧電素子に形成された感応膜を容易に不活性化することができる。

本発明に係る圧電センサの製造方法において、前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に形成された感応膜に光線を照射することで、該感応膜を不活性化する工程であるものとすることもできる。こうすれば、基準用圧電素子に形成された感応膜を容易に不活性化することができる。この態様の本発明に係る圧電センサの製造方法において、前記基準用圧電素子に形成された感応膜に照射する光線は、紫外線であるものとすることもできる。

また、本発明に係る圧電センサは、被測定物に対して吸着性を示す感応膜が形成された測定用圧電素子と、該被測定物に対して吸着性を示さない基準用圧電素子と、を有する圧電センサであって、前記基準用圧電素子には、前記測定用圧電素子の感応膜と同じ種類の感応膜が形成されており、前記基準用圧電素子に形成された感応膜は、前記被測定物に対して吸着性を示さないように不活性化されていることを要旨とする。

本発明によれば、温度等の外部環境の変化に対する発振特性の変化を測定用圧電素子と基準用圧電素子とでほぼそろえることができるので、被測定物の測定精度を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る圧電センサの構成の概略を示す図である。本実施形態に係る圧電センサは、測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４を備えており、図示しないパッケージに実装される。

測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４については、ともに櫛形電極が圧電性基板上に形成されることで構成される。図１に示す例では、測定用弾性波素子１２の櫛形電極及び基準用弾性波素子１４の櫛形電極が共通の圧電性基板１０上に形成されている場合を示している。そして、図１に示すように、測定用弾性波素子１２の櫛形電極及び基準用弾性波素子１４の櫛形電極については、弾性波伝搬方向が略平行となるように配置されており、かつ測定用弾性波素子１２が励振する弾性波と基準用弾性波素子１４が励振する弾性波とが互いに干渉しないように、弾性波伝搬方向と略垂直方向に関して所定距離はなされて配置されている。

測定用弾性波素子１２には、被測定物に対して吸着性を示し例えばたんぱく質により構成される感応膜１６が形成されている。ここで、被測定物及びこの被測定物を吸着する感応膜１６の組み合わせの一例を挙げると、被測定物はＣ−反応性タンパク（ＣＲＰ）抗原であり、かつ感応膜１６は抗ＣＲＰモノクローナル抗体である。一方、基準用弾性波素子１４は、感応膜１６が吸着する被測定物に対して吸着性を示さない。

図１に示す例では、測定用弾性波素子１２を含む発振ループ２０及び基準用弾性波素子１４を含む発振ループ２２がそれぞれ形成されている。測定用弾性波素子１２の感応膜１６が被測定物を吸着することで、測定用弾性波素子１２の発振周波数が変化し、発振ループ２０を循環する発振信号の周波数が変化する。一方、基準用弾性波素子１４の発振周波数は略一定のままであり、発振ループ２２を循環する発振信号の周波数も略一定のままである。したがって、発振ループ２０を循環する発振信号の周波数と発振ループ２２を循環する発振信号の周波数とを周波数比較回路２４により比較することで、被測定物の濃度を検出することができる。このように、本実施形態に係る圧電センサにおいては、測定用弾性波素子１２の発振周波数（発振ループ２０を循環する発振信号の周波数）と基準用弾性波素子１４の発振周波数（発振ループ２２を循環する発振信号の周波数）とを比較することで、被測定物の濃度を検出する。

そして、本実施形態において特徴的な点は、基準用弾性波素子１４にも感応膜１６と同じ種類の感応膜１８が形成されていることである。ただし、基準用弾性波素子１４に形成された感応膜１８は、感応膜１６が吸着する被測定物に対して吸着性を示さないように不活性化されている。このように、本実施形態においては、測定用弾性波素子１２の感応膜１６と同じ種類でかつ不活性化された感応膜１８を基準用弾性波素子１４に形成することで、測定用弾性波素子１２と基準用弾性波素子１４とで、感応膜の有無や感応膜の種類の違いにより、温度等の外部環境の変化に対する発振特性の変化が異なってくるのを抑止する。

なお、ここでの弾性波素子１２，１４としては、例えば圧電性基板１０の表面を伝搬するＳＡＷ（レイリー波）を利用するＳＡＷ素子を用いることができる。あるいは、弾性波素子１２，１４として、圧電性基板１０の表面近傍を伝搬するＳＴＷ（バルク波）を利用するＳＴＷ素子を用いることもできる。弾性波素子１２，１４としてＳＴＷ素子を用いた場合は、弾性波伝搬路上に感応膜１６，１８が形成されることによる弾性波（ＳＴＷ）の伝搬損失を少なくすることができる。

次に、本実施形態に係る圧電センサの製造方法について説明する。

まず圧電性基板１０上に櫛形電極を形成することで、測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４を形成する（弾性波素子形成工程）。ここで、圧電性基板１０上に櫛形電極を形成する方法については、既知の工程により行うことができる。

次に、測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４に感応膜１６，１８をそれぞれ形成する（感応膜形成工程）。ここでは、測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４に、被測定物に対して吸着性を示す同じ種類の感応膜１６，１８を同時に形成する。なお、圧電性基板１０上に感応膜１６，１８を形成する方法については、既知の工程により行うことができる。また、感応膜１６，１８については、金膜（図示せず）を介在させた状態で弾性波素子１２，１４にそれぞれ形成することもできる。

次に、感応膜１６が吸着する被測定物に対して基準用弾性波素子１４に形成された感応膜１８が吸着性を示さないように、感応膜１８の不活性化を行う（不活性化工程）。以下、基準用弾性波素子１４の感応膜１８の不活性化を行う方法について、図２〜５を用いて説明する。

図２は、感応膜１６，１８が形成された圧電性基板１０の断面図を示し、レーザ光線３２を感応膜１８に照射する場合を示している。レーザ光線３２が感応膜１８に照射されることで、感応膜１８が加熱される。この感応膜１８の加熱によって、感応膜１８の不活性化を行うことができる。典型的な例としては、たんぱく質による感応膜１８の場合は、感応膜１８の温度が８０℃程度に約３０分間加熱すれば、感応膜１８の不活性化を行うことができる。なお、測定用弾性波素子１２の感応膜１６については不活性化を行わないため、感応膜１６にはレーザ光線３２を照射しない。

図３は、感応膜１６，１８が形成された圧電性基板１０の平面図を示し、基準用弾性波素子１４の櫛形電極に交流電源３４を接続して電力を入力する場合を示している。基準用弾性波素子１４の櫛形電極が入力電力により熱を発生することで、基準用弾性波素子１４の櫛形電極上の感応膜１８が加熱されるので、感応膜１８の不活性化を行うことができる。典型的な例としては、たんぱく質による感応膜１８の場合は、１〜３Ｗ程度の電力を基準用弾性波素子１４の櫛形電極に１〜３時間程度入力すると、感応膜１８の温度は８０℃程度に達するので、感応膜１８の不活性化を行うことができる。なお、測定用弾性波素子１２の感応膜１６については不活性化を行わないため、測定用弾性波素子１２の櫛形電極には電力を入力しない。

図４は、感応膜１６，１８が形成された圧電性基板１０の断面図を示し、感応膜１８に被測定物３６を所定時間吸着させる場合を示している。感応膜１８に被測定物３６を予め吸着させておくことで、被測定物３６に対する感応膜１８の吸着性を飽和させることができるので、感応膜１８の不活性化を行うことができる。なお、測定用弾性波素子１２の感応膜１６については不活性化を行わないため、感応膜１８に被測定物３６を吸着させる際には、感応膜１６が被測定物３６を吸着しないように、レジスト等により感応膜１６のマスキング（図示せず）を行う。そして、被測定物３６に対する感応膜１８の吸着性を飽和させた後は、感応膜１６のマスキングを除去する。

図５は、感応膜１６，１８が形成された圧電性基板１０の断面図を示し、紫外線３８を感応膜１８に照射する場合を示している。紫外線３８が感応膜１８に照射されることで、感応膜１８が変性するため、感応膜１８の不活性化を行うことができる。なお、測定用弾性波素子１２の感応膜１６については不活性化を行わないため、紫外線３８を感応膜１８に照射する際には、感応膜１６に紫外線３８が照射されないように、マスキング手段４０により感応膜１６のマスキングを行う。そして、感応膜１８の不活性化を行った後は、マスキング手段４０を除去する。

以上説明した工程に基づいて、本実施形態に係る圧電センサを得ることができる。

以上説明したように、本実施形態においては、基準用弾性波素子１４に測定用弾性波素子１２の感応膜１６と同じ種類の感応膜１８が形成されており、基準用弾性波素子１４の感応膜１８は、感応膜１６が吸着する被測定物に対して吸着性を示さないように不活性化されている。このように、測定用弾性波素子１２と基準用弾性波素子１４とで、形成されている感応膜１６，１８の種類が同じであるため、感応膜の有無や感応膜の種類の違いによって、温度等の外部環境の変化に対する発振特性の変化が異なってくるのを抑止することができる。また、基準用弾性波素子１４の感応膜１８は不活性化されているため、基準用弾性波素子１４の発振周波数は、被測定物の存在による影響を受けない。したがって、本実施形態によれば、被測定物の測定精度を向上させることができる。

そして、本実施形態においては、測定用弾性波素子１２と基準用弾性波素子１４に用いる圧電性基板１０を共通化することにより、測定用弾性波素子１２と基準用弾性波素子１４とで、基板の違いによって発振特性が異なってくるのを抑止することができる。したがって、被測定物の測定精度をさらに向上させることができる。さらに、弾性波素子１２，１４を製造する際に、櫛形電極及び感応膜１６，１８の形成が容易となる。

また、本実施形態においては、基準用弾性波素子１４の感応膜１８にレーザ光線３２を照射することで、感応膜１８を加熱することができるので、基準用弾性波素子１４の感応膜１８を容易に不活性化することができる。

また、本実施形態においては、基準用弾性波素子１４の櫛形電極に電力を所定時間入力することで、感応膜１８を加熱することができるので、基準用弾性波素子１４の感応膜１８を容易に不活性化することができる。

また、本実施形態においては、感応膜１６が吸着性を示す被測定物を基準用弾性波素子１４の感応膜１８に所定時間吸着させることで、この被測定物に対する感応膜１８の吸着性を飽和させることができるので、基準用弾性波素子１４の感応膜１８を容易に不活性化することができる。

また、本実施形態においては、基準用弾性波素子１４の感応膜１８に紫外線３８を照射することで、感応膜１８を変性することができるので、基準用弾性波素子１４の感応膜１８を容易に不活性化することができる。

図１に示す例では、感応膜１６，１８が弾性波素子１２，１４の櫛形電極上及び弾性波伝搬路上に形成されているが、弾性波素子１２，１４の櫛形電極上のみ、または弾性波素子１２，１４の弾性波伝搬路上のみに形成されていてもよい。

以上の説明においては、測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４が共通の圧電性基板１０上に形成されている場合について説明した。ただし、本発明は、測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４が別々の圧電性基板上に形成されている場合についても適用可能である。

以上の説明においては、弾性表面波（ＳＡＷ）を利用するＳＡＷ素子や横波弾性波（ＳＴＷ）を利用するＳＴＷ素子等の弾性波素子１２，１４を有する圧電センサに本発明を適用した場合について説明した。ただし、本発明は、水晶振動子を有する圧電センサについても適用可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る圧電センサの構成の概略を示す図である。 基準用弾性波素子の感応膜を不活性化する方法を説明する図である。 基準用弾性波素子の感応膜を不活性化する方法を説明する図である。 基準用弾性波素子の感応膜を不活性化する方法を説明する図である。 基準用弾性波素子の感応膜を不活性化する方法を説明する図である。

符号の説明

１０ 圧電性基板、１２ 測定用弾性波素子、１４ 基準用弾性波素子、１６，１８ 感応膜、２０，２２ 発振ループ、２４ 周波数比較回路。

Claims (7)

1. 被測定物に対して吸着性を示す感応膜が形成された測定用圧電素子と、該被測定物に対して吸着性を示さない基準用圧電素子と、を有する圧電センサを製造する方法であって、
   前記測定用圧電素子及び前記基準用圧電素子に、前記被測定物に対して吸着性を示す同じ種類の感応膜を形成する感応膜形成工程と、
   前記基準用圧電素子に形成された感応膜が前記被測定物に対して吸着性を示さないように、該感応膜を不活性化する不活性化工程と、
   を含むことを特徴とする圧電センサの製造方法。
2. 請求項１に記載の圧電センサの製造方法であって、
   前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に形成された感応膜を加熱することで、該感応膜を不活性化する工程であることを特徴とする圧電センサの製造方法。
3. 請求項２に記載の圧電センサの製造方法であって、
   前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に電力を入力することで、該基準用圧電素子に形成された感応膜を加熱する工程であることを特徴とする圧電センサの製造方法。
4. 請求項１に記載の圧電センサの製造方法であって、
   前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に形成された感応膜に前記被測定物を吸着させて、該被測定物に対する該感応膜の吸着性を飽和させることで、該感応膜を不活性化する工程であることを特徴とする圧電センサの製造方法。
5. 請求項１に記載の圧電センサの製造方法であって、
   前記不活性化工程は、前記基準用圧電素子に形成された感応膜に光線を照射することで、該感応膜を不活性化する工程であることを特徴とする圧電センサの製造方法。
6. 請求項５に記載の圧電センサの製造方法であって、
   前記基準用圧電素子に形成された感応膜に照射する光線は、紫外線であることを特徴とする圧電センサの製造方法。
7. 被測定物に対して吸着性を示す感応膜が形成された測定用圧電素子と、該被測定物に対して吸着性を示さない基準用圧電素子と、を有する圧電センサであって、
   前記基準用圧電素子には、前記測定用圧電素子の感応膜と同じ種類の感応膜が形成されており、
   前記基準用圧電素子に形成された感応膜は、前記被測定物に対して吸着性を示さないように不活性化されていることを特徴とする圧電センサ。
   

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