JP2006313092A - 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】 ＳＡＷセンサの小型化及び高感度化を図り、更に信頼性を向上させる。
【解決手段】 ＳＡＷセンサ１０，２０，３０は、圧電基板１１，２１，３１の表面に形成した交差指電極からなるＩＤＴ１３，２３，３３と、ＩＤＴの上に配置されて、目的の物質を認識するための受容体１４，２４，３４と、ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴの両側に配置される１対の反射器１５，２５，３５とを備える。かかる共振子型の構成により、従来のＳＡＷセンサに比して低ノイズ化できるので、感度が向上する。ＩＤＴは、絶縁膜２６，３６で被覆することができ、それによって液相系において試料液体による交差指電極間の電気的短絡、交差指電極の腐食を防止できる。
【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）。例えば、気体中の分子を検出するために、圧電基板上にガス吸着体とそれぞれＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）からなる励振電極及び受信電極とを配置したＳＡＷデバイスが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。液体の物性を検出する場合には、試料液体を負荷するためのセルが、ガス吸着体に代えて圧電基板上に設けられる（例えば、特許文献３，４を参照）。

一般に、これら従来のＳＡＷセンサは所謂トランスバーサル型構造で、図５はその基本的構成を例示している。圧電基板１の表面には、励振用ＩＤＴ２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。前記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。

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（例えば、特許文献１，２を参照）。同様に複数種の化学物質を検出するために、図６に示すように、同一の圧電基板１上に図５のＳＡＷセンサを複数個並べてマルチチャネル化することもできる。

例えば、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（例えば、特許文献３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も知られている（例えば、特許文献５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８−６８７８１号公報 特開２００２−４８７９７号公報 特開平９−８００３５号公報 特開平６−１３３７５９号公報 特開２００３−３０７４８１号公報

上述した従来のＳＡＷセンサにおいて、検査される試料が液体又は液体状である液相系の場合には、それを滴下するセルの周囲をプール壁で包囲し、セルから漏出しないようにしている。しかしながら、トランスバーサル型のＳＡＷセンサは、受容体である前記セルが、図５に例示したように励振用ＩＤＴ２と受信用ＩＤＴ３との間に配置され、しかも試料を滴下できるように或る程度の平面寸法を必要とする。そのため、圧電基板の平面寸法を小さくすることが困難で、ＳＡＷセンサの小型化を十分に図れない、という問題を生じる。

また、ＳＡＷセンサは、高周波化することによって感度をより高くできる。しかしながら、高周波化によりＩＤＴの交差指電極が挟ピッチ化され、両ＩＤＴ間のスペースも狭くなるので、受容体即ち前記セルを設けるスペースもそれだけ小さくなる。そのため、液相系において試料液体を受容体に滴下することが困難になる、という問題がある。しかも、滴下した試料液体が受容体から漏出し易く、ＩＤＴ側に流れて交差指電極間を電気的に短絡させる虞がある。また、ＳＡＷセンサを試料液体に浸漬するような液相系の用途には不向きである。

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、より小型化が可能で、感度を向上させ得るＳＡＷセンサを提供することにある。
更に本発明の目的は、ＳＡＷセンサの小型化を図りつつ、液相系においても試料液体の漏出による交差指電極の電気的短絡を有効に防止し、信頼性を向上させ得ることにある。

また、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、小型化及び感度の向上を図ることにある。

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されたＩＤＴと、該ＩＤＴの上に配置されて、目的の物質を認識するための受容体と、ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴの両側に配置された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ＳＡＷセンサの基本的構成を共振子型とすることにより、従来のトランスバーサル型において受容体を設ける励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴ間のスペースを省略することができるので、圧電基板の平面寸法を縮小でき、従ってＳＡＷセンサの小型化を図ることができる。更に、一般にトランスバーサル型のＳＡＷデバイスが、図５（Ｂ）に示すように、中心周波数ｆ０ に関して或る程度の帯域幅をもった周波数特性を有するのに対し、共振子型のＳＡＷデバイスは、後述するように中心周波数ｆ０ に関する帯域幅が狭く、高いＱ値を有する。即ち、本発明のＳＡＷセンサは、従来のＳＡＷセンサに比して低ノイズ化を図ることができ、その感度を向上させることができる。

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、またＳＡＷの伝搬路を短くできるので、より一層の小型化と製造コストの低減とを図ることができる。

別の実施例では、ＳＡＷセンサのＩＤＴが、それぞれ１組の交差指電極を有する励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとからなる２ポート共振子型である。

また、別の実施例によれば、圧電基板の表面に形成されたそれぞれ１組の交差指電極を有する励振用ＩＤＴ及び受信用ＩＤＴと、ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬方向に沿って両ＩＤＴの両側に配置された１対の反射器と、両ＩＤＴの間に配置された追加の反射器とを備える２ポート共振子型において、該追加の反射器の上に、目的の物質を認識するための受容体が配置された弾性表面波センサが提供される。

或る実施例では、交差指電極の表面が絶縁膜で被覆されている。それにより、液体又は液体状の試料が受容体に負荷される場合に、それが受容体からこぼれてＩＤＴの上まで流れても、交差指電極間を電気的に短絡する虞が無く、高い信頼性を確保できる。更に、試料液体にそのまま浸漬して使用することができる。また、かかる液相系だけでなく、検出物質が気相系の場合にも、交差指電極の腐食を有効に防止できるので、有利である。

別の実施例では、交差指電極がＡｌ又はＡｌを主成分とする合金で安価に形成され、かつそれを陽極酸化などにより酸化させて、絶縁膜をＡｌ_２Ｏ_３で簡単に形成することができる。

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。

これにより、各チャネルのＳＡＷセンサが小型化されてＳＡＷセンサシステム全体を小型化できると共に、各チャネルの感度が向上する。更に、各ＳＡＷセンサがＩＤＴ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ので、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の上には、その略中央に受容体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。この反射器による表面波エネルギの閉じ込め効果によって、損失を少なくしてＱ値を高くし、ＣＩ値を小さくして、図１（Ｃ）に示すように優れた共振特性が得られる。

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。上述したように優れた共振特性を有するので、本発明のＳＡＷセンサは感度が向上し、高精度な検出・測定が可能である。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示すＳＡＷセンサの実施例の変形例を示している。この変形例のＳＡＷセンサ２０は、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及びそれらの両側に反射器２５、２５が形成され、上記実施例と同じ１ポート共振子型の構成を有するが、次の点において図１の実施例と異なる。圧電基板２１表面は、ＩＤＴ２３及び両反射器２５、２５を含む広い面積が絶縁膜２６で被覆されている。受容体２４は、ＩＤＴ２３を被覆する絶縁膜２６上に形成されている。

絶縁膜２６は、例えばＳｉＯ_２をスパッタリング又は蒸着することにより容易に形成することができる。また、ＳｉＯ_２以外に、例えばＴａ_２Ｏ_５のような酸化物、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＮのような窒化物等、様々な絶縁材料を絶縁膜２６に用いることができる。

絶縁膜２６を設けたことによって、液相系の場合に、液体又は液体状の試料が受容体２４から漏出してＩＤＴ２３の上に流れても、前記交差指電極間を電気的に短絡する虞が無い。従って、絶縁膜２６は、少なくともＩＤＴ２３を完全に被うことができれば十分である。更に、本実施例のＳＡＷセンサ２０は、試料液体にそのまま浸漬するような用途にも使用可能である。また、絶縁膜２６によって、気相系の場合にも、前記交差指電極の腐食を有効に防止できるので、有利である。

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。ＩＤＴ２３の上に絶縁膜２６を挟んで配置された受容体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（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示すＳＡＷセンサの実施例の別の変形例を示している。この変形例のＳＡＷセンサ３０は、上記各実施例と同様に、圧電基板３１表面に入力側及び出力側交差指電極３２ａ，３２ｂからなるＩＤＴ３３及びそれらの両側に反射器３５、３５が形成された１ポート共振子型の構成を有するが、次の点において異なる。ＩＤＴ３３及び両反射器３５、３５を構成する電極膜の表面は、絶縁膜３６で被覆されている。受容体３４は、絶縁膜３６で被覆されたＩＤＴ３３の上に配置されている。

本実施例では、交差指電極３２ａ，３２ｂ及び反射器３５、３５がＡｌ又はＡｌを主成分とする合金の電極膜で形成され、かつ該電極膜の表面を陽極酸化処理で酸化することによって絶縁膜３６が形成されている。図２の実施例と同様に、液相系の場合に、液体又は液体状の試料が受容体３４から漏出してＩＤＴ３３の上に流れても、又は試料液体中で使用しても、前記交差指電極間を電気的に短絡する虞が無く、気相系の場合にも、前記交差指電極の腐食を有効に防止できるので、有利である。また、絶縁膜３６は、ＩＤＴ３３にのみ設けることができる。

この変形例においても、ＩＤＴ３３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３１表面に励振され、ＩＤＴ３３の左右両側に伝搬しかつ左右の反射器３５、３５に反射され、前記両反射器間にＳＡＷの定在波が発生する。ＩＤＴ３３の上に絶縁膜３６を挟んで配置された受容体３４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。

また、別の実施例では、ＳＡＷセンサを、圧電基板表面に励振用ＩＤＴ及び受信用ＩＤＴと、前記両ＩＤＴの左右両側にそれぞれ配置された１対の反射器とを有する２ポート共振子型で構成することができる。この場合、受容体は、いずれか一方の前記ＩＤＴの上、又は前記両ＩＤＴを跨いでそれらの上に配置することができる。

更に別の実施例では、ＳＡＷセンサを、圧電基板表面に励振用ＩＤＴ及び受信用ＩＤＴと、前記両ＩＤＴの左右両側にそれぞれ配置された１対の反射器とを有し、更に前記両ＩＤＴ間に追加の反射器を配置した２ポート共振子型で構成することができる。この場合、受容体は、前記追加の反射器の上に配置することができる。

これら２ポート共振子型のＳＡＷセンサにおいても、図２及び図３の変形例を適用することができる。即ち、前記励振用ＩＤＴ及び受信用ＩＤＴ、並びに必要に応じて前記反射器を絶縁膜で被覆し、その上に受容体を設けることができる。

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、その上に略中央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反射器４５、４５とを備える。

図６に示すように、単に従来のＳＡＷセンサを同一の圧電基板上に複数個並べてマルチチャネル化した場合、各チャネルの励振用ＩＤＴ２から励振されたＳＡＷがその両側に進行し、該励振用ＩＤＴに隣接する別のチャネルのＳＡＷセンサに直接影響を与えることになる。更に各チャネルの励振用ＩＤＴ２から受信用ＩＤＴ３に進行するＳＡＷも、該受信用ＩＤＴ３を通過して、隣接する別のチャネルのＳＡＷセンサに影響を与える虞がある。

本実施例では、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に反射されて、それらの間に閉じ込められる。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。

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。

（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサの実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はその周波数特性を示す波形図。 （Ａ）図は図１の実施例の変形例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図。 （Ａ）図は図１の実施例の別の変形例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図。 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。 （Ａ）図は従来のＳＡＷセンサの典型例を示す平面図、（Ｂ）図はその周波数特性を示す波形図。 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，３２ａ，３２ｂ…交差指電極、１３，２３，４３…ＩＤＴ、１５，２５，３５，４５…反射器、２６，３６…絶縁膜、４０…ＳＡＷセンサシステム。

Claims (7)

1. 圧電基板の表面に形成されたＩＤＴと、目的の物質を認識するための受容体と、前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬方向に沿って前記ＩＤＴの両側に配置された１対の反射器とを備え、前記受容体が前記ＩＤＴの上に配置されてい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からなることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センサ。
3. 前記ＩＤＴが、それぞれ１組の交差指電極を有する励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとからなることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センサ。
4. 圧電基板の表面に形成されたそれぞれ１組の交差指電極を有する励振用ＩＤＴ及び受信用ＩＤＴと、目的の物質を認識するための受容体と、前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬方向に沿って前記両ＩＤＴの両側に配置された１対の反射器と、前記両ＩＤＴの間に配置された追加の反射器とを備え、前記受容体が前記追加の反射器の上に配置されていることを特徴とする弾性表面波センサ。
5. 前記交差指電極の表面が絶縁膜で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の弾性表面波センサ。
6. 前記交差指電極がＡｌ又はＡｌを主成分とする合金で形成され、かつ前記絶縁膜がＡｌ_２Ｏ_３からなることを特徴とする請求項５に記載の弾性表面波センサ。
7. 請求項１乃至６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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