JP2013076625A - 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7を用いて説明する。図7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. 7 is a schematic cross-sectional view of a conventional acoustic wave sensor.
図7において、従来の弾性波センサ101は、圧電体102と、圧電体102の上に形成された入力電極103及び出力電極104と、圧電体102の上であって入力電極103及び出力電極104の間の伝搬路の上に形成された反応部105と、入力電極103によって励振される弾性波の特性を検出する検出部(図示せず)とを備える。
In FIG. 7, a conventional
この弾性波センサ101の反応部105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)を接触させることで、検出対象物質の付着に起因する弾性波の周波数変化を検出部が検出し、検出対象物質の有無、或はその濃度などを検知することができる。
By detecting a substance (exhaled breath, test liquid, etc.) that may contain the detection target substance in contact with the
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が知られている。 Note that Patent Document 1 is known as a prior art document related to this application.
しかし、弾性波センサが小型になると、反応部105の占有面積が小さくなり、反応部105に吸着される検出対象物質量が低下する。このため、弾性波センサ101のセンシング精度が低下するという問題があった。
However, when the elastic wave sensor is reduced in size, the area occupied by the
そこで、本発明は、弾性波センサのセンシング精度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 sensing accuracy 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、圧電体と、圧電体の上に形成された複数の電極と、圧電体の上であって複数の電極の間の伝搬路の上に形成された反応部と、電極によって励振される弾性波の特性を検出する検出部とを備え、反応部は、繊維状であることを特徴とする。 To achieve the above object, an acoustic wave sensor according to the present invention includes a piezoelectric body, a plurality of electrodes formed on the piezoelectric body, and a propagation path between the plurality of electrodes on the piezoelectric body. The reaction part is formed, and the detection part which detects the characteristic of the elastic wave excited by the electrode is provided, The reaction part is fibrous, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の弾性波センサにおいて、反応部が繊維状であるので、反応部の表面積が大きくなり、反応部に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。 In the acoustic wave sensor of the present invention, since the reaction part is fibrous, the surface area of the reaction part is increased, and the amount of the substance to be detected adsorbed on the reaction part is increased. For this reason, 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、トランスバーサル型の弾性波素子を用いたバイオセンサであって、生態の分子認識機構に基づいてタンパク質、遺伝子、シグナル分子などの検出対象物質をセンシングするものである。 1 and 2, an elastic wave sensor 1 is a biosensor using a transversal type elastic wave element, and senses detection target substances such as proteins, genes, and signal molecules based on ecological molecular recognition mechanisms. To do.
この弾性波センサ1は、圧電体2と、圧電体2の上に形成された入力電極3及び出力電極4と、圧電体2の上であって入力電極3及び出力電極4の間の伝搬路の上に形成された繊維状の反応部5と、入力電極3によって励振される弾性波の特性(周波数特性など)を検出する検出部(図示せず)とを備える。この弾性波センサ1は、各種医療機器に内蔵されるマザーボードに搭載されるが、このマザーボードに圧電体2の電極3、4の形成面が対向するようにフェースダウン実装されていても良いし、マザーボードに電極3、4の形成面の裏面が接着されることでフェースアップ実装されていても良い。前者の場合は、電極3、4が金属バンプ等を介して検出部(図示せず)に電気的に接続され、後者の場合は、電極3、4が金属ワイヤ等を介して検出部(図示せず)に電気的に接続される。
The acoustic wave sensor 1 includes a
尚、この検出部(図示せず)は、電極3によって励振される弾性波の周波数変化を検出するものが一般的であるが、弾性波の速度、振幅、波長等の他の特性の変化を検出しても良い。
The detector (not shown) generally detects a change in the frequency of the elastic wave excited by the
上記の反応部5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)を接触させることで、検出対象物質の付着による反応部5の質量変化に起因する弾性波の特性変化を検出部が検出し、検出対象物質の有無、或はその濃度などを検知することができる。
By contacting a substance (exhaled breath, test liquid, etc.) that may contain a detection target substance with the
この反応部5が繊維状であることにより、反応部5の表面積が大きくなり、反応部5に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
Since the
以下、弾性波センサ1の各構成について詳述する。 Hereinafter, each component of the elastic wave sensor 1 will be described in detail.
圧電体2は、圧電単結晶基板からなり、例えば、水晶、ランガサイト系、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圧電基板である。尚、反応部5が繊維状の酸化シリコンからなる場合は、圧電体2として酸化シリコンとの熱膨張係数差の小さいランガサイト系の圧電基板を用いると、圧電体2と反応部5との密着性を高めることができるので好ましい。
The
電極(入力電極3、出力電極4)は、夫々一対の櫛形電極の電極指同士が互いに噛み合う様に配置されたIDT(Inter Digital Transducer)電極であり、例えばSH(Shear−Horizontal)波やレイリー波等の弾性波を励振させる。これら電極3、4は、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。尚、電極3、4として、タングステン又はモリブデンを主成分とする層を含むと、これらの融点が高く反応部5の成長過程での電極溶解を防止でき、また、これらの密度が高いため、弾性波のバルク波変換によるロスも低減できる。
The electrodes (
反応部5は、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抗体が表面に付着した繊維状の材料が密集し形成される。例えば、反応部5は、図3に示す様に、繊維状の酸化シリコン(SiO2)からなる太さ0.01μm〜1μmで長さ1μm〜500μmの絶縁繊維9と、この絶縁繊維9の先端部分に絶縁繊維9に覆われるように配置された金属触媒の粒子8と、絶縁繊維9に付着した抗体10を有する。抗体10は、有機物等からなる接着層で絶縁繊維9に付着されていても良い。このように絶縁繊維9で金属触媒の粒子8は覆われているので、繊維状の反応部5は、複数の絶縁繊維9同士が絡み合っても互いに絶縁を保つこととなる。
The
また、この反応部5は、圧電体2上に電極3、4を覆うように設けられた誘電体膜上における伝搬路の上方に設けられていても良い。このとき、反応部5の絶縁繊維9と誘電体膜とが同じ酸化シリコンからなる場合は、反応部5の絶縁繊維と誘電体膜との熱膨張係数差は極めて小さいので、反応部5と誘電体膜との密着性を向上させることができる。
The
圧電体2が反応部5の絶縁繊維9を構成する材料と同じ材料を含む場合(圧電体が水晶(SiO2)、絶縁繊維9が酸化シリコン(SiO2)など)は、圧電体2と反応部5は直接接合される。ここで、「直接接合」とは、圧電体2上に反応部5が直接形成され、圧電体2と反応部5を構成する分子同士が共有結合している状態を指す。このように、圧電体2と反応部5が直接接合されることで、反応部5が圧電体2に対し強固に固定される。
When the
次に本実施の形態1の弾性波センサ1における反応部5の形成方法の一例を説明する。以下、酸化シリコンからなる繊維状の反応部5の形成方法として、プラズマCVD(ChemicalVapor Deposition)法を用いたVLS(Vapor−Liquid−Solid)成長法で反応部5となるファイバを成長させる方法について説明するが、これに限るものではない。ただ、この成長法は他の成長法と比較して低い温度で繊維状の反応部5を成長させることができるので好ましい。
Next, an example of the formation method of the
まず、ウエハ状の圧電体2の上に電極3、4を蒸着若しくはスパッタリング等で形成した後に、伝搬路を除いて電極3、4を覆うようにレジストマスクを形成する。
First, after
その後、伝搬路における圧電体2の表面や上記レジストマスク上に、CVD法、スパッタリング、CSD法、又はALD(Atomic Layer Deposition)法等の任意の方法で層厚10nm未満の金属触媒の層(図示せず)を形成する。このように、金属触媒の層を数nmのオーダーに薄くする事で、後のファイバの成長工程における加熱温度が金属触媒の融点に達していない低温(電極3、4の融点未満)でも金属触媒の層は金属触媒の粒子群となり得る。この金属触媒としては、例えば、白金の他に、鉄、アルミニウム、ニッケル、銀、クロム、モリブデン、チタン、銅または金等の金属を用いることができるが、電極3、4の融点よりも低い温度で酸化シリコンからなるファイバが成長可能な金属を選択すればよい。
Thereafter, a layer of a metal catalyst having a layer thickness of less than 10 nm is formed on the surface of the
次に、レジストマスクをレジストマスク上の金属触媒の層と共に除去することで、伝搬路における圧電体2の表面のみに金属触媒の層が存在する状態とする。
Next, the resist mask is removed together with the metal catalyst layer on the resist mask, so that the metal catalyst layer exists only on the surface of the
次に、プラズマCVD法を用いたVLS成長法にてファイバを成長させる。まず、加熱することで金属触媒の層を金属触媒の粒子群とし、金属触媒の粒子群に、酸素に加えてシリコン(Si)を含むガス(SiH4等)を吹き付ける。このとき、金属触媒はシリコンとの混合物となることで融点は下がり、金属触媒が純物質であるときの融点未満でファイバの成長が開始する。例えば、金属触媒が金を主成分とする場合は最低約350℃の低温で酸化シリコンからなるファイバを成長させることが可能であるので、この温度よりも融点の高い金属を電極3、4の材料として選択すればよい。また、金は生体適合性が高いので、医療機器に適用する弾性波センサ1の電極3、4や金属触媒として金は有用である。
Next, a fiber is grown by a VLS growth method using a plasma CVD method. First, the metal catalyst layer is made into a metal catalyst particle group by heating, and a gas (SiH 4 or the like) containing silicon (Si) in addition to oxygen is sprayed onto the metal catalyst particle group. At this time, since the metal catalyst becomes a mixture with silicon, the melting point decreases, and the growth of the fiber starts below the melting point when the metal catalyst is a pure substance. For example, when the metal catalyst is mainly composed of gold, it is possible to grow a fiber made of silicon oxide at a low temperature of about 350 ° C., so a metal having a melting point higher than this temperature is used as the material for the
金属触媒とシリコンとの混合物の融点の最低温度は、金属触媒が白金の場合には約700℃、金属触媒が銀の場合には約840℃、金属触媒がアルミニウムの場合は約580℃、金属触媒がクロムの場合には約1320℃、金属触媒が銅の場合には約560℃、金属触媒がモリブデンの場合は約2000℃、金属触媒がチタンの場合は約1330℃、金属触媒がニッケルの場合は約970℃、金属触媒が鉄の場合は約1210℃である。即ち、電極3、4を構成する金属の融点より低い温度をシリコンとの混合物の融点とする金属触媒を適宜選択すれば良い。
The minimum temperature of the melting point of the mixture of the metal catalyst and silicon is about 700 ° C. when the metal catalyst is platinum, about 840 ° C. when the metal catalyst is silver, and about 580 ° C. when the metal catalyst is aluminum. About 1320 ° C. when the catalyst is chromium, about 560 ° C. when the metal catalyst is copper, about 2000 ° C. when the metal catalyst is molybdenum, about 1330 ° C. when the metal catalyst is titanium, and the metal catalyst is nickel When the metal catalyst is iron, the temperature is about 970 ° C. That is, a metal catalyst having a temperature lower than the melting point of the metal constituting the
このように、プラズマCVD法を用いたVLS成長法にてファイバを成長させる際の雰囲気温度を、電極3、4の温度より低く、金属触媒とシリコンとの混合物の融点の最低温度より高くすれば、電極3、4を融解することを抑制しつつ、ファイバを成長させることができる。
As described above, if the fiber temperature is grown in the VLS growth method using the plasma CVD method, the temperature is lower than the temperature of the
その後、ウエハ状の圧電体2をダイシングにより個片に分割し、検出部等を接続し、弾性波センサ1を得る。
Thereafter, the wafer-like
このように、反応部5を繊維状とすることにより、反応部5の表面積が大きくなり、反応部5に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
Thus, by making the
尚、上記弾性波センサ1の反応部5は、圧電体2の上面上であって、入力電極3と出力電極4との間の伝搬路上に形成されている場合について説明したが、入力電極3や出力電極の上に直接、若しくはこれら電極3、4を覆う酸化シリコン等の誘電膜を介して間接的に形成されていても良い。特に、反応部5の絶縁繊維が酸化シリコンからなる場合に、酸化シリコンからなる誘電体膜上に反応部5が設けられているときは、反応部5の絶縁繊維と誘電体膜との熱膨張係数差は極めて小さいので、反応部5と誘電体膜との密着性を向上させることができる。
Although the
尚、上記弾性波センサ1は、櫛形電極の電極指同士が互いに噛み合う様に配置されたIDT電極を有する弾性表面波素子を用いたセンサについて説明したが、例えば、圧電体2の上下に電極を有するFBAR(FilmBulk Acoustic Resonator)等のバルク波素子を用いたセンサであっても良い。 The above-described acoustic wave sensor 1 has been described as a sensor using a surface acoustic wave element having IDT electrodes arranged so that the electrode fingers of the comb-shaped electrodes engage with each other. A sensor using a bulk wave element such as an FBAR (FilmBulk Acoustic Resonator) may be used.
(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4は、実施の形態2における弾性波センサの上面模式図であり、図5は、実施の形態2における弾性波センサのCD断面における断面模式図である。尚、特に説明しない限りにおいて、実施の形態2の構成は実施の形態1の構成と同様であり、同一の符号をつけてその説明を省略する。
(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. 4 is a schematic top view of the acoustic wave sensor according to the second embodiment, and FIG. 5 is a schematic sectional view taken along the CD cross section of the acoustic wave sensor according to the second embodiment. Unless otherwise specified, the configuration of the second embodiment is the same as the configuration of the first embodiment, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
図4、図5において、弾性波センサ1は、共振器型の弾性波素子を用いたバイオセンサである。この弾性波センサ1における電極3は、一対の櫛形電極がその電極指同士が噛み合う様に配置されたIDT(InterDigital Transducer)電極からなる共振器を構成しており、この共振器は弾性波の伝搬方向におけるその両端に反射器7を備えていても良い。
4 and 5, the acoustic wave sensor 1 is a biosensor using a resonator type acoustic wave element. The
また、この弾性波センサ1は、圧電体の上に前記電極を覆うように形成された誘電膜6を備え、反応部5は誘電膜6の上に形成された構成である。
The acoustic wave sensor 1 includes a dielectric film 6 formed on the piezoelectric body so as to cover the electrode, and the
誘電膜6は、例えば、酸化シリコン(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、誘電膜6として圧電体2とは逆の周波数温度特性を有する媒質(酸化シリコン等)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。
The dielectric film 6 is, for example, a single layer structure of silicon oxide (SiO 2 ), diamond (C), silicon (Si), silicon nitride (SiN), aluminum nitride (AlN), or aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Or it is these laminated structures. When a medium (such as silicon oxide) having a frequency temperature characteristic opposite to that of the
この実施の形態2においても、反応部5が繊維状であることにより、反応部5の表面積が大きくなり、反応部5に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
Also in this
反応部5は、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繊維状の材料である。誘電膜6が反応部5の絶縁繊維と同じ材料を含む場合(誘電膜6、絶縁繊維共に酸化シリコンなど)は、圧電体2と反応部5は直接接合される。このように、誘電膜6と反応部5が直接接合されることで、反応部5が圧電体2に対し強固に固定される。特に、反応部5の絶縁繊維が酸化シリコンからなる場合に、酸化シリコンからなる誘電体膜上に反応部5が設けられているときは、反応部5の絶縁繊維と誘電体膜との熱膨張係数差は極めて小さいので、反応部5と誘電体膜との密着性を向上させることができる。
The
次に本実施の形態2の弾性波センサ1における反応部5の形成方法の一例を説明する。以下、実施の形態1と同様に、プラズマCVD法を用いたVLS成長法で反応部5となるファイバを成長させる方法について述べる。
Next, an example of the formation method of the
まず、圧電体2の上に電極3を蒸着若しくはスパッタリング等で形成した後に、誘電膜6を蒸着若しくはスパッタリング等で圧電体2の上に電極3、4を覆うように形成する。誘電膜6の上面は研磨等で平坦化されていても良いが、凹凸を有していても良い。
First, after the
その後、誘電膜6の上面において反応部5を形成する部分(電極3の上方の誘電膜6の上面)以外にレジストマスクを形成し、実施の形態1と同様に、金属触媒層を形成した後に、レジストマスクを除去し、繊維状の反応部5を電極3の上方の誘電膜6の上面に形成することで弾性波センサ1を得る。
After that, a resist mask is formed on the upper surface of the dielectric film 6 except for a portion where the
このように、反応部5を繊維状とすることにより、反応部5の表面積が大きくなり、反応部5に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
Thus, by making the
また、図6に示す様に、電極3に直接的に反応部5が形成されていても良い。この場合の反応部5の形成方法は、電極3の最上層に層厚10nm未満の金属触媒の層を形成した後に、実施の形態1と同様に、加熱しながらプラズマCVD法を用いたVLS成長法で反応部5となるファイバを成長させる方法が挙げられる。
Further, as shown in FIG. 6, the
この場合も、繊維状の反応部5は、図3に示す様に、絶縁繊維9と、この絶縁繊維9の先端部分に絶縁繊維9に覆われるように配置された金属触媒の粒子8を有することで、複数の絶縁繊維9同士は絡み合っても互いに絶縁を保つこととなり、電極3の電極指同士が短絡することを防止することができるのである。
Also in this case, as shown in FIG. 3, the
この場合も、反応部5を繊維状とすることにより、反応部5の表面積が大きくなり、反応部5に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
Also in this case, by making 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 弾性波センサ
2 圧電体
3 入力電極(電極)
4 出力電極(電極)
5 反応部
6 誘電膜
7 反射器
8 金属触媒の粒子
9 絶縁繊維
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
4 Output electrodes (electrodes)
5 Reaction part 6
Claims (7)
前記圧電体の上に形成された複数の電極と、
前記圧電体の上であって前記複数の電極の間の伝搬路の上に形成された反応部と、
前記電極によって励振される弾性波の特性を検出する検出部とを備え、
前記反応部は、繊維状である弾性波センサ。 A piezoelectric body;
A plurality of electrodes formed on the piezoelectric body;
A reaction portion formed on the piezoelectric body and on a propagation path between the plurality of electrodes;
A detection unit for detecting characteristics of elastic waves excited by the electrodes,
The reaction part is an elastic wave sensor having a fibrous shape.
前記圧電体の上に形成された電極と、
前記電極の上方に直接的又は誘電膜を介して間接的に形成された反応部と、
前記電極によって励振される弾性波の特性を検出する検出部とを備え、
前記反応部は、繊維状である弾性波センサ。 A piezoelectric body;
An electrode formed on the piezoelectric body;
A reaction part formed directly or indirectly via a dielectric film above the electrode;
A detection unit for detecting characteristics of elastic waves excited by the electrodes,
The reaction part is an elastic wave sensor having a fibrous shape.
前記金属触媒とシリコンとの混合物の融点の最低温度は前記電極を構成する金属の融点より低い請求項5に記載の弾性波センサ。 The insulating fiber is made of silicon oxide,
The acoustic wave sensor according to claim 5, wherein the minimum temperature of the melting point of the mixture of the metal catalyst and silicon is lower than the melting point of the metal constituting the electrode.
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