JP2012229926A - Elastic wave sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特定物質に反応する反応部を備えた弾性波センサに関する。 The present invention relates to an elastic wave sensor including a reaction unit that reacts with a specific substance.
従来の弾性波センサを図4を用いて説明する。図4は、従来の弾性波センサの断面模式図である。 A conventional elastic wave sensor will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a conventional acoustic wave sensor.
図4において、従来の弾性波センサ101は、圧電基板102と、圧電基板102の上に形成された第1のIDT電極103と、第1のIDT電極103によって励振される弾性波の周波数を判定する第1の判定部(図示せず)と、圧電基板102の上に第1のIDT電極103を覆うように形成されて、呼気等に含まれる可能性のある検出対象物質に反応する反応部104とを備える。また、従来の弾性波センサ101は、圧電基板102の上に形成された第2のIDT電極105と、第2のIDT電極105によって励振される弾性波の周波数を判定する第2の判定部(図示せず)とを備える。弾性波センサ101の周囲温度等が変化すると、圧電基板102の弾性定数や体積が変化し、その結果、第1のIDT電極103によって励振された弾性波の共振周波数が変化する。即ち、第2のIDT電極105と第2の判定部はリファレンス部として機能する。さらに、従来の弾性波センサ101は、第1の判定部が判定した周波数と第2の判定部が判定した周波数とを比較し、その比較結果に基づき検出対象物質を検出する検出部(図示せず)を備える。
In FIG. 4, a conventional
このように、従来の弾性波センサ101は、周囲温度変化等によって第1のIDT電極103によって励振される弾性波の周波数が変化しても、検出部が第1の判定部が判定した周波数と第2の判定部が判定した周波数とを比較し、第1の判定部の判定結果に補正を加えるので、弾性波センサ101のセンシングの正確性を向上させることができる。
As described above, the conventional
なお、この出願に関連する先行技術文献として特許文献1、特許文献2が知られている。
Note that
しかし、第1のIDT電極103と第2のIDT電極105とが同一基板上に存在するため、上記従来の弾性波センサ101に対し検出対象物質を含む可能性のある物質(呼気、検査液等)を接触させる際、リファレンス部を構成する第2のIDT電極105にも検出対象物質等が付着し、この付着物によって第2のIDT電極105によって励振される弾性波の共振周波数が変化する。その結果、第2のIDT電極105で構成するリファレンス部のセンシングの正確性が劣化し、これにより、弾性波センサ101のセンシングの正確性が悪化するという問題があった。
However, since the
そこで、本発明は、弾性波センサのセンシングの正確性を向上させることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to improve the accuracy of sensing of an elastic wave sensor.
上記目的を達成するために本発明の弾性波センサは、圧電基板と、この圧電基板の上に形成された第1のIDT電極と、この第1のIDT電極によって励振される弾性波の特性を判定する第1の判定部と、圧電基板の上に第1のIDT電極を覆うように形成されて、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する反応部と、圧電基板の上に形成された第2のIDT電極と、この第2のIDT電極の上に設けられた誘電体膜と、この第2のIDT電極によって励振される弾性波の特性を判定する第2の判定部と、第1の判定部が判定した特性と第2の判定部が判定した特性とを比較し、この比較結果に基づき検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を検出する検出部とを備え、第2のIDT電極が励振する弾性波が圧電基板と誘電体膜との境界を伝搬する境界波となる弾性境界波素子でリファレンス部を構成することを特徴としたものである。 In order to achieve the above object, an elastic wave sensor of the present invention has characteristics of a piezoelectric substrate, a first IDT electrode formed on the piezoelectric substrate, and an elastic wave excited by the first IDT electrode. A first determination unit for determining, a reaction unit formed on the piezoelectric substrate so as to cover the first IDT electrode and reacting with a detection target substance or a binding substance that binds to the detection target substance; A second IDT electrode formed on the first IDT electrode, a dielectric film provided on the second IDT electrode, and a second determination unit for determining the characteristics of the elastic wave excited by the second IDT electrode And a detection unit that compares the characteristic determined by the first determination unit and the characteristic determined by the second determination unit, and detects a detection target substance or a binding substance that binds to the detection target substance based on the comparison result. Elastic wave excited by the second IDT electrode It is obtained by characterized in that it constitutes a reference portion in the boundary acoustic wave device comprising a boundary wave propagating through the boundary between the piezoelectric substrate and the dielectric film.
上記構成により、弾性波センサに対し検出対象物質を含む可能性のある物質(呼気、検査液等)を接触させる際、リファレンス部を構成する第2のIDT電極に検出対象物質等が付着することを防止する。これにより、この付着物による特性変化が抑制されるため、第2のIDT電極で構成するリファレンス部のセンシングの正確性を向上させることができる。その結果、弾性波センサのセンシングの正確性が向上する。 With the above configuration, when a substance (exhaled breath, test liquid, etc.) that may contain a detection target substance is brought into contact with the acoustic wave sensor, the detection target substance or the like adheres to the second IDT electrode that constitutes the reference unit. To prevent. Thereby, since the characteristic change by this deposit | attachment is suppressed, the accuracy of sensing of the reference part comprised with a 2nd IDT electrode can be improved. As a result, the sensing accuracy of the elastic wave sensor is improved.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1の弾性波センサについて、図面を用いて説明する。図1は、実施の形態1における弾性波センサの上面模式図であり、図2は、実施の形態1における弾性波センサのAB断面における断面模式図である。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the elastic wave sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic top view of the acoustic wave sensor according to the first embodiment, and FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the line AB of the acoustic wave sensor according to the first embodiment.
図1、図2において、弾性波センサ1は、圧電基板2と、圧電基板2の上に形成され例えばSH(Shear−Horizontal)波やレイリー波等の波長λ1の弾性波を励振させる第1のIDT(InterDigital Transducer)電極3と、第1のIDT電極3によって励振される弾性波の周波数を判定する第1の判定部6と、圧電基板2の上に第1のIDT電極3を覆うように形成されて、呼気等に含まれる可能性のある検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する反応部4とを備える。また、弾性波センサ1は、圧電基板2の上に形成され波長λ2の弾性波を励振させる第2のIDT電極5と、第2のIDT電極を覆う波長λ2以上の膜厚を有する誘電体膜7と、第2のIDT電極5によって励振される弾性波の周波数を判定する第2の判定部8とを備える。弾性波センサ1の周囲温度等が変化すると、圧電基板2の弾性定数や体積が変化し、その結果、第1のIDT電極3によって励振された弾性波の共振周波数が変化する。即ち、第2のIDT電極5と第2の判定部8はリファレンス部として機能する。さらに、弾性波センサ1は、第1の判定部6が判定した周波数と第2の判定部8が判定した周波数とを比較し、その比較結果に基づき検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を検出する検出部9を備える。この検出部9によって、弾性波センサ1は、周囲温度変化等によって第1のIDT電極3によって励振される弾性波の周波数が変化しても、検出部9が第1の判定部が判定した周波数と第2の判定部が判定した周波数とを比較し、第1の判定部の判定結果に補正を加えるので、弾性波センサ1のセンシングの正確性を向上させることができる。
1 and 2, an elastic wave sensor 1 includes a
さらに、第2のIDT電極5が励振する弾性波が圧電基板2と誘電体膜7との境界を伝搬する境界波となる弾性境界波素子でリファレンス部を構成する。この構成により、弾性波センサ1に対し検出対象物質を含む可能性のある物質(呼気、検査液等)を接触させる際、リファレンス部を構成する第2のIDT電極5に検出対象物質等が付着することを防止する。これにより、この付着物による共振周波数変化が抑制されるため、第2のIDT電極5で構成するリファレンス部のセンシングの正確性を向上させることができる。その結果、弾性波センサ1のセンシングの正確性が向上する。
Further, the reference portion is configured by an elastic boundary wave element in which the elastic wave excited by the
圧電基板2は、圧電単結晶基板からなり、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム系、タンタル酸リチウム系、又はニオブ酸カリウム系の基板である。
The
第1のIDT電極3と第2のIDT電極5は、夫々2つの櫛形電極の電極指がかみ合うように配置されることで構成される。第1のIDT電極3の電極指ピッチ(=λ1の1/2)と第2のIDT電極5の電極指ピッチ(=λ2の1/2)とは異なっていても良いし同一でも良い。ただし、第1のIDT電極3と第2のIDT電極5の電極指ピッチ、電極指の本数、交差幅、膜厚等の電極構造が同一であると、両IDT電極の周囲温度から受ける影響度を近づけることができ、弾性波センサ1のセンシング精度が向上する。この第1のIDT電極3と第2のIDT電極5の膜厚は、λ1=λ2=λとすると、0.01λ〜0.12λ程度であり、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、モリブデン又はクロムからなる単体金属、若しくはこれらを主成分とする合金、又はこれらの金属が積層された構成である。特に、これらIDT電極3、5の材料として、腐食に強く質量の大きい金を用いるのが望ましい。
The
反応部4は、第1のIDT電極3に接して設けられていても良いが、第1のIDT電極3の上に設けられた圧電体膜(図示せず)や誘電体膜(図示せず)の上に設けられていても良い。即ち、反応部4は、第1のIDT電極3に励振された弾性表面波の変位が存在する範囲に設けられていれば良い。この反応部4は、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する適宜の人工細胞膜等の有機材料膜や、ニッケル、銅、金、コバルト、亜鉛等の単体金属、若しくは合金からなる金属膜で構成され得る。また、この反応部4は、膜状でなくとも良く、例えば粒子状のリポソームからなる反応粒子であっても良い。
The
第1の判定部6は第1のIDT電極3によって励振される弾性波の周波数を判定するが、第1のIDT電極3によって励振される弾性波の速度、振幅、波長等の他の特性を判定しても良い。同様に、第2の判定部8は第2のIDT電極5によって励振される弾性波の周波数を判定するが、第2のIDT電極5によって励振される弾性波の速度、振幅、波長等の他の特性を判定しても良い。
The first determination unit 6 determines the frequency of the elastic wave excited by the
検出部9は、第1の判定部6が判定した弾性波の特性と第2の判定部8が判定した弾性波の特性とを比較し、この比較結果に基づき、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を検出する。例えば、この検出部9は、上記比較の際、第2の判定部8が判定した弾性波の周波数に基づいて、弾性波センサ1の周囲温度を算出し、この算出結果に基づいて、第1の判定部6が判定した弾性波の周波数に補正を加え、補正後の周波数によって検出対象物質の有無を検出する。なお、検出部9は、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質の存在有無を検出しても良いし、それら物質の濃度を検出しても良い。
The
これら第1の判定部6、第2の判定部8、検出部9は、同一半導体パッケージ内に存在しても良いし、異なる半導体パッケージに存在しても良い。
The first determination unit 6, the
誘電体膜7は、例えば、酸化ケイ素(SiO2)、ダイアモンド(C)、シリコン(Si)、窒化シリコン(SiN)、窒化アルミニウム(AlN)、若しくは、酸化アルミニウム(Al2O3)の単層構造又はこれらの積層構造である。尚、誘電体膜7として例えば酸化ケイ素等の圧電基板2とは逆の周波数温度特性を有する媒質を用いた場合、弾性波センサ1の周波数温度特性を向上することができる。また、圧電基板2と誘電体膜7を伝搬するバルク波の速度が、第2のIDT電極5によって励振される弾性波の速度より速くなるように圧電基板2、第2のIDT電極5、誘電体膜7の材料とこれらの膜厚を決定することにより、誘電体膜7と圧電基板2の境界部に弾性波を閉じ込めることができる。尚、第2のIDT電極5における主要弾性波の速度は、主に誘電体膜7の材料と第2のIDT電極5の材料及び膜厚で決定される。第2のIDT電極5を覆う圧電基板2側から一層目の誘電体膜として、圧電基板2とは逆の周波数温度特性を有する媒質である例えば酸化ケイ素を用い、その上の二層目の誘電体層として、その誘電体層中を伝搬する最も遅いバルク波の速度が第2のIDT電極5が励振させる弾性波の速度より速い媒質である例えばダイアモンド、窒化シリコン、窒化アルミニウム、又は酸化アルミニウムを用いると、周波数温度特性と主要波の閉じ込めを両立することができる。
The
また、誘電体膜7の膜厚は、第2のIDT電極5が励振する弾性波の波長λ2で規格化すると波長λ2以上5λ2以下であることが望ましい。誘電体膜7の膜厚が波長λ2以上であると、第2のIDT電極5が励振させる弾性波を素子内に閉じ込めることが容易となり、誘電体膜7の膜厚が波長5λ2以下であると、素子の低背化を図ることができる。望ましくは、誘電体膜7の膜厚が弾性波の波長2λ2以上であると、弾性波を、素子内にほぼ完全に閉じ込めることができる。
The thickness of the
このような弾性波センサ1において、第1のIDT電極3は圧電基板の表面を伝搬する弾性表面波を励振させると共に第2のIDT電極5は圧電基板2と誘電体膜7との境界を伝搬する弾性境界波を励振させる構成である。
In such an acoustic wave sensor 1, the
この構成により、弾性波センサ1に対し検出対象物質を含む可能性のある物質(呼気、検査液等)を接触させる際、リファレンス部を構成する第2のIDT電極5に検出対象物質等が付着することを防止する。これにより、この付着物による共振周波数変化が抑制されるため、第2のIDT電極5で構成するリファレンス部のセンシングの正確性を向上させることができる。その結果、弾性波センサ1のセンシングの正確性が向上する。
With this configuration, when a substance (exhaled breath, test liquid, etc.) that may contain a detection target substance is brought into contact with the acoustic wave sensor 1, the detection target substance or the like adheres to the
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2の弾性波センサについて、図面を用いて説明する。図3は、実施の形態2における弾性波センサ11の断面模式図である。尚、特に説明しない限りにおいて、その構成は実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
Hereinafter, an elastic wave sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
実施の形態2の弾性波センサ11において、第2のIDT電極5が弾性表面波を励振させると共に、この励振空間15を形成するカバー部12によって覆われたことを特徴としている。この第2のIDT電極5は圧電基板の表面を伝搬する弾性表面波を励振させる。
The
カバー部12は、例えば、圧電基板2の上に第2のIDT電極5を囲むように設けられた側壁13と、第2のIDT電極5の上方を覆うように側壁13の上に設けられた蓋体14とからなる。
For example, the
側壁13は、第2のIDT電極5の周囲の少なくとも一部を囲む高さが5〜15μm程度の絶縁体で、所定の形状に加工することが容易なことから樹脂を用いている。特に、側壁13として感光性樹脂を用いることで圧電基板上に複数個の弾性波フィルタ部品を作るための側壁13を精度良く所望の形状に形成することが可能である。感光性樹脂としては、感光性ポリイミド樹脂、感光性エポキシ樹脂、感光性アクリレート樹脂等、感光性を有する樹脂材料であれば様々な材料を用いることが可能である。感光性ポリイミド樹脂はガラス転移点が高く、高温環境下での信頼性が高いため、側壁13として特に好ましい。
The
蓋体14は、接着層(図示せず)を介して側壁13の上部に接着されることにより保持された厚みが1〜10μm程度の天板であり、圧電基板2および側壁13とともに第2のIDT電極5を収容している。この蓋体14には、金属を用いると機械的強度に優れ、かつ導電性を有することにより蓋体14の電位を制御することが可能となる点で好ましく、さらに銅を用いると単結晶の圧電基板2と線膨張係数が略等しい点でより好ましい。また、蓋体14として、例えば、感光性樹脂組成物シートを用いてもよい。尚、図示していない上記接着層は、厚みが1〜10μm程度の接着剤で、例えば、エポキシ系、ポリフェニレン系、若しくはブタジエン系の樹脂、またはこれらの混合樹脂からなる。
The
励振空間15は、圧電基板2、側壁13および蓋体14によって囲まれた領域である。この励振空間15は気密性を有するものであり、その内部に第2のIDT電極5が収容されている。この励振空間15内は通常気圧の空気であっても構わないが、減圧密封されていると第2のIDT電極5の腐食を防止できるので、なお好ましい。
The
この第2のIDT電極5を覆うカバー部12により、弾性波センサ11に対し検出対象物質を含む可能性のある物質(呼気、検査液等)を接触させる際、リファレンス部を構成する第2のIDT電極5に検出対象物質等が付着することを防止する。これにより、この付着物による共振周波数変化が抑制されるため、第2のIDT電極5で構成するリファレンス部のセンシングの正確性を向上させることができる。その結果、弾性波センサ11のセンシングの正確性が向上する。
When the
本発明にかかる弾性波センサは、センシングの正確性を向上させるとの効果を有し、各種医療機器等の電子機器に適用可能である。 The elastic wave sensor according to the present invention has an effect of improving the accuracy of sensing, and can be applied to electronic devices such as various medical devices.
1、11 弾性波センサ
2 圧電基板
3 第1のIDT電極
4 反応部
5 第2のIDT電極
6 第1の判定部
7 誘電体膜
8 第2の判定部
9 検出部
12 カバー部
13 側壁
14 蓋体
15 励振空間
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記圧電基板の上に形成された第1のIDT電極と、
前記第1のIDT電極によって励振される弾性波の特性を判定する第1の判定部と、
前記圧電基板の上に前記第1のIDT電極を覆うように形成されて、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する反応部と、
前記圧電基板の上に形成された第2のIDT電極と、
前記第2のIDT電極の上に設けられた誘電体膜と、
前記第2のIDT電極によって励振される弾性波の特性を判定する第2の判定部と、
前記第1の判定部が判定した特性と前記第2の判定部が判定した特性とを比較し、この比較結果に基づき検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を検出する検出部とを備え、
前記第2のIDT電極は、前記圧電基板と前記誘電体膜との境界を伝搬する弾性境界波を励振させることを特徴とした弾性波センサ。 A piezoelectric substrate;
A first IDT electrode formed on the piezoelectric substrate;
A first determination unit for determining characteristics of an elastic wave excited by the first IDT electrode;
A reaction portion formed on the piezoelectric substrate so as to cover the first IDT electrode and reacting with a detection target substance or a binding substance that binds to the detection target substance;
A second IDT electrode formed on the piezoelectric substrate;
A dielectric film provided on the second IDT electrode;
A second determination unit for determining characteristics of an elastic wave excited by the second IDT electrode;
Comparing the characteristic determined by the first determination unit with the characteristic determined by the second determination unit, and detecting a detection target substance or a binding substance that binds to the detection target substance based on the comparison result; Prepared,
The elastic wave sensor, wherein the second IDT electrode excites an elastic boundary wave propagating along a boundary between the piezoelectric substrate and the dielectric film.
前記圧電基板の上に形成された第1のIDT電極と、
前記第1のIDT電極によって励振される弾性波の特性を判定する第1の判定部と、
前記圧電基板の上に前記第1のIDT電極を覆うように形成されて、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する反応部と、
前記圧電基板の上に形成された第2のIDT電極と、
前記第2のIDT電極によって励振される弾性波の特性を判定する第2の判定部と、
前記第1の判定部が判定した特性と前記第2の判定部が判定した特性とを比較し、この比較結果に基づき前記検出対象物質を検出する検出部とを備え、
前記第2のIDT電極は、前記第2のIDT電極の励振空間を形成するカバー部によって覆われたことを特徴とした弾性波センサ。 A piezoelectric substrate;
A first IDT electrode formed on the piezoelectric substrate;
A first determination unit for determining characteristics of an elastic wave excited by the first IDT electrode;
A reaction portion formed on the piezoelectric substrate so as to cover the first IDT electrode and reacting with a detection target substance or a binding substance that binds to the detection target substance;
A second IDT electrode formed on the piezoelectric substrate;
A second determination unit for determining characteristics of an elastic wave excited by the second IDT electrode;
Comparing the characteristic determined by the first determination unit and the characteristic determined by the second determination unit, and a detection unit for detecting the detection target substance based on the comparison result,
The elastic wave sensor, wherein the second IDT electrode is covered with a cover part that forms an excitation space of the second IDT electrode.
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