JP2007255988A - 弾性波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】弾性波センサにおいて被測定物質の測定精度を向上させる。
【解決手段】センシング用弾性波の励振電極１２ａ，１４ａ及び受信電極１２ｂ，１４ｂと、センシング用弾性波の伝搬経路上に形成されたセンシング領域とをそれぞれ有する弾性波素子１２，１４と、各弾性波素子１２，１４におけるセンシング領域内の被測定物質を撹拌するための撹拌用弾性波を励振する撹拌電極２０，２２と、を同一基板表面１０ａ上に設ける。また、弾性波素子１２のセンシング領域には被測定物質に対して吸着性を示す感応膜１６を形成し、弾性波素子１４のセンシング領域には被測定物質に対して吸着性を示さない非感応膜１８を形成する。こうして、測定用の弾性波素子１２と基準用の弾性波素子１４の発振特性を比較することで、被測定物質の撹拌による温度上昇に起因した発振特性の変化のずれをキャンセルできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板表面に弾性波を励振する励振電極と、基板表面及び表面近傍を伝搬する弾性波を受信する受信電極とを基板表面に備え、両電極との間に存在する被測定物質によって生じる発振特性の変化を利用して、被測定物質のセンシングを行う弾性波センサに関する。

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センサにおいては、例えば被測定物質に対して吸着性を示す感応膜が形成されている。この感応膜に被測定物質が吸着することで、弾性波素子の発振周波数が変化する。したがって、感応膜を有する弾性波センサにおいては、この発振周波数の変化を検出することで、被測定物質の濃度を検出することができる。

また、近年、上記のセンサに、ＳＡＷを用いた被測定物質の自動搬送機能や自動撹拌機能を付加した弾性波センサについての開発が行われている。この弾性波センサは、具体的には、被測定物質を搬送するための搬送用弾性波（ＳＡＷ）を励振する搬送電極や、被測定物質を撹拌するための撹拌用弾性波（ＳＡＷ）を励振する撹拌電極を、被測定物質のセンシングを行うための励振電極及び受信電極と同一の基板表面上に配置した構成となっている。この弾性波センサによれば、励振電極と受信電極との間に、搬送用弾性波を用いて被測定物質を自動搬送したり、撹拌用弾性波を用いて被測定物質を自動撹拌したりすることができる。例えば、複数種類の被測定物質（例えば、複数種類の溶液）をそれぞれ励振電極と受信電極との間に搬送し、さらにこれらを均質な状態に撹拌して混合すること等が可能となる。

特開２０００−２１４１４０号公報 特開平８−６８７８０号公報

ところで、ＳＡＷを用いた被測定物質の撹拌時には、ＳＡＷの励振による被測定物質の温度上昇および基板の温度上昇が生じるが、この温度上昇は、弾性波センサにおけるセンシング用の横波弾性波（ＳＴＷ）の温度特性を変化させるため、センシングの検出精度上、問題となる。

本発明者らの実験によれば、２４５ＭＨｚＳＴＷ発振器を用いてＳＡＷを３０ｄＢｍ入力して被測定物質（溶液）を撹拌させた場合、ＳＴ水晶基板の基板表面における温度は約２５℃から約４５℃まで上昇した。また、この温度上昇により、中心周波数が３４．２ｐｐｍ程度変化した。この変化は、例えば弾性波センサを生体材料などの微量検出に用いる場合には無視できないものである。

本発明は、被測定物質の測定精度を向上させることができる弾性波センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の弾性波センサは、被測定物質をセンシングするためのセンシング用弾性波を励振する励振電極、基板表面及び表面近傍を伝搬するセンシング用弾性波を受信する受信電極、及びセンシング用弾性波の伝搬経路上に形成されたセンシング領域をそれぞれ有する一対の弾性波素子と、各弾性波素子におけるセンシング領域内の被測定物質を撹拌するための撹拌用弾性波を励振する撹拌電極と、を同一基板表面上に有し、一方の弾性波素子のセンシング領域に、被測定物質に対して吸着性を示す測定用感応膜を形成させることで、該一方の弾性波素子を測定用弾性波素子として機能させると共に、他方の弾性波素子を、被測定物質が吸着しない基準用弾性波素子として機能させ、測定用弾性波素子と基準用弾性波素子の発振特性を比較することで、センシング領域内の被測定物質の撹拌により生じる発振特性の変化のずれを抑制可能としたことを特徴とするものである。

また、本発明の弾性波センサは、被測定物質をセンシングするためのセンシング用弾性波を励振する励振電極と、基板表面及び表面近傍を伝搬するセンシング用弾性波を受信する受信電極と、センシング用弾性波の伝搬経路上に形成されたセンシング領域と、をそれぞれ有する一対の弾性波素子と、各弾性波素子におけるセンシング領域内の被測定物質を撹拌するための撹拌用弾性波を励振する撹拌電極と、を同一基板表面上に有し、一方の弾性波素子のセンシング領域に、被測定物質に対して吸着性を示す測定用感応膜を形成させることで、該一方の弾性波素子を測定用弾性波素子として機能させると共に、他方の弾性波素子を、被測定物質が吸着しない基準用弾性波素子として機能させ、測定用弾性波素子と基準用弾性波素子におけるセンシング用弾性波の伝搬特性を比較することで、センシング領域内の被測定物質の撹拌により生じるセンシング用弾性波の伝搬特性の変化のずれを抑制可能としたことを特徴とするものである。

また、上記構成の弾性波センサにおいて、前記撹拌電極を双方向性櫛型電極とし、この撹拌電極を、該撹拌電極から双方向に発生した撹拌用弾性波が各弾性波素子のセンシング領域に略同時に伝搬するように、各センシング領域間の略中点位置に配置するのが好適である。

本発明の弾性波センサによれば、特に、撹拌により生じる温度上昇に起因した発振特性やセンシング用弾性波の伝搬特性の変化のずれを抑制することができるため、被測定物質の測定精度を一層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、本発明の第一の実施形態に係る弾性波センサの構成の概略を示す上面図である。本実施形態に係る弾性波センサは、以下に説明する測定用弾性波素子１２及び基準用弾性波素子１４を備えている。

測定用弾性波素子１２は、櫛型の励振電極１２ａ及び受信電極１２ｂが所定間隔をおいて圧電性基板１０の一方の基板表面１０ａ上に形成されることで構成されている。また同様に、基準用弾性波素子１４は、櫛型の励振電極１４ａ及び受信電極１４ｂが所定間隔をおいて、測定用弾性波素子１２と同一の基板表面１０ａ上に形成されることで構成されている。そして、図１に示すように、測定用弾性波素子１２と基準用弾性波素子１４とは、弾性波の伝搬方向が略平行となるように、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、弾性波の伝搬方向と略垂直方向に関して所定距離だけ離れた状態で配置されている。

測定用弾性波素子１２の励振電極１２ａと受信電極１２ｂとの間には、被測定物質のセンシングを行うセンシング領域が形成され、このセンシング領域に、被測定物質が吸着する感応膜１６が形成されている。感応膜１６としては、例えば、被測定物質が吸着する抗体とＰＢＳ（リン酸緩衝液）とを含む膜である。一方、基準用弾性波素子１４の励振電極１４ａと受信電極１４ｂとの間には、測定用弾性波素子１２のセンシング領域に対応する領域に、被測定物質を吸着しない膜（非感応膜）１８が形成されている。非感応膜１８としては、例えば、被測定物質が吸着する抗体を含まない膜（例えばＰＢＳのみからなる膜）である。

ここで、基準用弾性波素子１４には、被測定物質に対して吸着性を示さないようにするために上記のような非感応膜１８を形成せずとも良い。しかしながら、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弾性波素子１２と基準用弾性波素子１４とで異なってくるため、本実施形態のように非感応膜１８を形成することで、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制するのが好ましい。

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、あるいは、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、弾性波伝搬路上に各膜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ので好適である。

また、感応膜１６に被測定物質を吸着させる場合、被測定物質を含む溶液などを感応膜１６上に滴下して被測定物質を感応膜１６に吸着させたりするが、このとき被測定物質の感応膜１６への吸着性を高めるため、滴下した感応膜１６上の溶液を撹拌するのが好ましい。そこで、本実施形態に係る弾性波センサには、各弾性波素子１２，１４と同一の基板表面１０ａ上に、測定用弾性波素子１２の感応膜１６上の溶液を撹拌する撹拌用弾性波（ＳＡＷ）を励振する電極（撹拌電極）２０が設けられている。また、基準用弾性波素子１４の非感応膜１８上に滴下された溶液を撹拌する撹拌用弾性波（ＳＡＷ）を励振する電極（撹拌電極）２２も設けられている。このとき、撹拌電極２０から感応膜１６までの撹拌用弾性波の伝搬距離と、撹拌電極２２から非感応膜１８までの撹拌用弾性波の伝搬距離とを同一距離にする等して、感応膜１６での撹拌の開始のタイミングと、非感応膜１８での撹拌の開始のタイミングとを同期させるようにするのが好ましい。

ここで、本実施形態に係る弾性波センサを用いて被測定物質の濃度を検出する際には、例えば図１に示すように、各弾性波素子１２，１４に関して発振ループ２４，２６をそれぞれ形成し、濃度検出を行う。具体的には、増幅器ＡＭＰ１の入力側を励振電極１２ａに接続し、増幅器ＡＭＰ１の出力側を受信電極１２ｂに接続することで、測定用弾性波素子１２及び増幅器ＡＭＰ１を含む発振ループ２４を形成する。また同様に、増幅器ＡＭＰ２の入力側を励振電極１４ａに接続し、増幅器ＡＭＰ２の出力側を受信電極１４ｂに接続することで、基準用弾性波素子１４及び増幅器ＡＭＰ２を含む発振ループ２６を形成する。そして、測定用弾性波素子１２の感応膜１６及び基準用弾性波素子１４の非感応膜１８に、被測定物質を含む溶液をそれぞれ滴下し、濃度検出を行う。

このとき、感応膜１６に被測定物質が吸着すること、及び、撹拌電極２０からの撹拌用弾性波による温度上昇によって、測定用弾性波素子１２の発振周波数が変化し、発振ループ２４を循環する発振信号の周波数が変化する。一方、非感応膜１８には被測定物質が吸着しないため、基準用弾性波素子１４の発振周波数は、撹拌電極２２からの撹拌用弾性波による温度上昇のみによって変化し、発振ループ２６を循環する発振信号の周波数が変化する。そこで、発振ループ２４を循環する発振信号の周波数と発振ループ２６を循環する発振信号の周波数とを周波数比較回路２８により比較することで、撹拌による温度上昇に起因した発振周波数の変化分をキャンセルした上で、被測定物質の濃度を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態においては、各弾性波素子１２，１４における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制することができる。特に、撹拌により生じる温度上昇に起因した発振特性の変化のずれを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、被測定物質の測定精度を向上させることができる。

（他の実施形態）
図２は、本発明の第二の実施形態に係る弾性波センサの構成の概略を示す上面図である。

本実施形態に係る弾性波センサにおいては、撹拌用弾性波（ＳＡＷ）が双方向に伝搬する双方向性櫛型電極を用いた撹拌電極３０により、測定用弾性波素子１２の感応膜１６及び基準用弾性波素子１４の非感応膜１８に滴下された溶液を撹拌するように構成されている。このとき撹拌電極３０は、双方向に伝搬する撹拌用弾性波が感応膜１６及び非感応膜１８に略同時に伝搬するよう、感応膜１６と非感応膜１８との間の中点位置（撹拌電極３０から感応膜１６までの弾性波伝搬距離と撹拌電極３０から非感応膜１８までの弾性波伝搬距離とが等しくなる位置）に配置されている。これにより、感応膜１６での撹拌の開始のタイミングと、非感応膜１８での撹拌の開始のタイミングとを同期させるようにしている。

なお、他の構成については、第一の実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態においても、本実施形態に係る弾性波センサを用いて被測定物質の濃度を検出する際には、例えば図２に示すように、各弾性波素子１２，１４に関して発振ループ２４，２６をそれぞれ形成し、測定用弾性波素子１２の感応膜１６及び基準用弾性波素子１４の非感応膜１８に、被測定物質を含む溶液をそれぞれ滴下し、濃度検出を行う。

このとき、感応膜１６に被測定物質が吸着すること、及び、撹拌電極３０からの撹拌用弾性波による温度上昇によって、測定用弾性波素子１２の発振周波数が変化し、発振ループ２４を循環する発振信号の周波数が変化する。一方、非感応膜１８には被測定物質が吸着しないため、基準用弾性波素子１４の発振周波数は、撹拌電極３０からの撹拌用弾性波による温度上昇のみによって変化し、発振ループ２６を循環する発振信号の周波数が変化する。そこで、発振ループ２４を循環する発振信号の周波数と発振ループ２６を循環する発振信号の周波数とを周波数比較回路２８により比較することで、撹拌による温度上昇に起因した発振周波数の変化分をキャンセルした上で、被測定物質の濃度を検出することができる。

こうして、本実施形態においても、各弾性波素子１２，１４における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制することができる。特に、撹拌により生じる温度上昇に起因した発振特性の変化のずれを抑制することができ、被測定物質の測定精度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、撹拌電極を共通化して一つの撹拌電極３０で感応膜１６および非感応膜１８上の溶液を撹拌できるので、センサの小型化を図ることができる。

図３は、本発明の第三の実施形態に係る弾性波センサの構成の概略を示す上面図である。なお、図３では、図２に示す弾性波センサについて位相比較回路５０による構成にしたものを示すが、図１に示す弾性波センサについて位相比較回路５０による構成にしても良い。

本実施形態に係る弾性波センサにおいては、上記の実施形態のような各発振ループ２４，２６を循環する発振信号の周波数を周波数比較回路２８により比較する構成に替えて、位相比較回路５０により各弾性波素子１２，１４における弾性波（ＳＴＷ）の伝搬特性の変化による位相差を検出するように構成されている。

具体的には、各弾性波素子１２，１４の励振電極１２ａ，１４ａには、信号発生器４０から高周波信号が入力されると、励振電極１２ａ，１４ａから受信電極１２ｂ，１４ｂに向かって弾性波（ＳＴＷ）が伝搬する。このとき、感応膜１６に被測定物質が吸着すること、及び、撹拌電極３０からの撹拌用弾性波による温度上昇によって、測定用弾性波素子１２における弾性波（ＳＴＷ）の伝搬特性が変化し、受信電極１２ｂが受信する弾性波（ＳＴＷ）の位相が変化する。一方、非感応膜１８には被測定物質が吸着しないため、基準用弾性波素子１４における弾性波（ＳＴＷ）の伝搬特性は、撹拌電極３０からの撹拌用弾性波による温度上昇のみによって変化し、受信電極１４ｂが受信する弾性波（ＳＴＷ）の位相が変化する。そこで、受信電極１２ｂが受信する弾性波（ＳＴＷ）の位相と、受信電極１４ｂが受信する弾性波（ＳＴＷ）の位相とを位相比較回路５０により比較し、伝搬特性の変化による位相差を検出することで、撹拌による温度上昇に起因した位相変化分をキャンセルした上で、被測定物質の濃度を検出することができる。

なお、他の構成については、上記の各実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態においても、各弾性波素子１２，１４における温度等の外部環境の変化に対する弾性波の伝搬特性の変化が異なってくるのを抑制することができる。特に、撹拌により生じる温度上昇に起因した弾性波の伝搬特性の変化のずれを抑制することができ、被測定物質の測定精度を向上させることができる。

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。

本発明の第一の実施の形態に係る弾性波センサの構成の概略を示す図である。 本発明の第二の実施の形態に係る弾性波センサの構成の概略を示す図である。 本発明の第三の実施の形態に係る弾性波センサの構成の概略を示す図である。

符号の説明

１０ 圧電性基板、１２ 測定用弾性波素子、１２ａ 励振電極、１２ｂ 受信電極、１４ 基準用弾性波素子、１４ａ 励振電極、１４ｂ 受信電極、１６ 感応膜、１８ 非感応膜、２０，２２ 撹拌電極、２４，２６ 発振ループ、２８ 周波数比較回路、３０ 撹拌電極、ＡＭＰ１，ＡＭＰ２ 増幅器、４０ 信号発生器、５０ 位相比較回路。

Claims (3)

1. 被測定物質をセンシングするためのセンシング用弾性波を励振する励振電極と、基板表面及び表面近傍を伝搬するセンシング用弾性波を受信する受信電極と、センシング用弾性波の伝搬経路上に形成されたセンシング領域と、をそれぞれ有する一対の弾性波素子と、
   各弾性波素子におけるセンシング領域内の被測定物質を撹拌するための撹拌用弾性波を励振する撹拌電極と、
   を同一基板表面上に有し、
   一方の弾性波素子のセンシング領域に、被測定物質に対して吸着性を示す測定用感応膜を形成させることで、該一方の弾性波素子を測定用弾性波素子として機能させると共に、他方の弾性波素子を、被測定物質が吸着しない基準用弾性波素子として機能させ、
   測定用弾性波素子と基準用弾性波素子の発振特性を比較することで、センシング領域内の被測定物質の撹拌により生じる発振特性の変化のずれを抑制可能とした、
   ことを特徴とする弾性波センサ。
2. 被測定物質をセンシングするためのセンシング用弾性波を励振する励振電極と、基板表面及び表面近傍を伝搬するセンシング用弾性波を受信する受信電極と、センシング用弾性波の伝搬経路上に形成されたセンシング領域と、をそれぞれ有する一対の弾性波素子と、
   各弾性波素子におけるセンシング領域内の被測定物質を撹拌するための撹拌用弾性波を励振する撹拌電極と、
   を同一基板表面上に有し、
   一方の弾性波素子のセンシング領域に、被測定物質に対して吸着性を示す測定用感応膜を形成させることで、該一方の弾性波素子を測定用弾性波素子として機能させると共に、他方の弾性波素子を、被測定物質が吸着しない基準用弾性波素子として機能させ、
   測定用弾性波素子と基準用弾性波素子におけるセンシング用弾性波の伝搬特性を比較することで、センシング領域内の被測定物質の撹拌により生じるセンシング用弾性波の伝搬特性の変化のずれを抑制可能とした、
   ことを特徴とする弾性波センサ。
3. 請求項１または２に記載の弾性波センサであって、
   前記撹拌電極は双方向性櫛型電極であり、
   この撹拌電極は、該撹拌電極から双方向に発生した撹拌用弾性波が各弾性波素子のセンシング領域に略同時に伝搬するように、各センシング領域間の略中点位置に配置されている、
   ことを特徴とする弾性波センサ。
   
   

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