JP2013092446A - 弾性波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】弾性波センサのセンシングの正確性を向上させる。
【解決手段】弾性波センサ１は、圧電体２と、圧電体２の上に形成された複数の電極３、４と、圧電体２の上であって複数の電極３、４の間の伝搬路の上に形成された反応部５と、電極３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、反応部５は、枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなることを特徴とする。この特徴により、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１のセンシング精度が向上する。
【選択図】図２

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。

従来の弾性波センサを、図９を用いて説明する。図９は、従来の弾性波センサの断面模式図である。

図９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。

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。

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。

国際公開第２０１１／０３０５１９号

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。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。

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、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、枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなることを特徴とする。

本発明の弾性波センサにおいて、反応部が枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなるので、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。

本発明の実施の形態１における弾性波センサの上面模式図 本発明の実施の形態１における弾性波センサの断面模式図 本発明の実施の形態１における弾性波センサの陽極化成後の蒸着層を示したＳＥＭ写真 本発明の実施の形態１における弾性波センサの反応部の拡大模式図 本発明の実施の形態１における弾性波センサの反応部の要部を拡大した模式断面図 本発明の実施の形態１における他の弾性波センサの断面模式図 本発明の実施の形態２における弾性波センサの上面模式図 本発明の実施の形態２における弾性波センサの断面模式図 従来の弾性波センサの断面模式図

（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。

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。

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。

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。

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。

この反応部５が枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子６からなることにより、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。

以下、弾性波センサ１の各構成について詳述する。

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。反応部５に形成された枝分かれするように積み重なり一体的に結合した複数の粒子６は、例えば、最表面が酸化アルミニウムを主成分としている。

図２に示す様に、反応部５に形成された複数の粒子６は、圧電体２から表層に向かって立ち上がるツリー状の柱が多数密集し、霜柱状になっている。そして夫々のツリー状の柱は、複数の粒子６が一体に結合して、海ぶどう状に枝分かれしながら積み重なった形状である。なお、図３は、複数の粒子６からなる粒子層７をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で３万倍に拡大して撮影した写真である。

粒子６は核となる部分がアルミニウムで構成され、その上に酸化アルミニウムの膜が形成されている。微小な粒子６には、全体が酸化アルミニウムで構成されているものもある。

なお、図４に示すように、この粒子層７は、圧電体２の表面と接する第一の粒子層７ａと、この第一の粒子層７ａ上に積層された第二の粒子層７ｂとで構成されている場合は、第一の粒子層７ａの粒子径は、第二の粒子層７ｂの粒子径よりも大きくなるように形成されていることが望ましい。上記構成によって、第一の粒子層７ａと圧電体２表層との密着性を向上することができるためである。

第一の粒子層７ａは、厚みが数μｍであり、第二の粒子層７ｂの厚みは（数十μｍ）よりも薄くした。

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。

図５に示すように、反応部５に形成された複数の粒子６には、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プローブ８が表面に付着、密集し形成されている。

また、図６に示すように、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９上における伝搬路の上方に設けられていても良い。

誘電体膜９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）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）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、あるいはパリレンなどを用いることができるが、この限りではない。

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。

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を覆うようにメタルマスクを形成する。

次に、反応部５に粒子６を形成する。粒子６の形成には、例えば蒸着を用いることができる。
１）上記の圧電体２を、蒸着槽内に配置して、０．０１〜０．００１Ｐａの真空に保つ。
２）圧電体２周辺に酸素ガスに対してアルゴンガスの流量比を２〜４にした不活性ガスを流入して圧電体２周辺の圧力を２０〜３０Ｐａの状態にする。
３）圧電体２の温度を７０〜２００℃の範囲に保つ。
４）蒸着源にアルミニウムを配設した状態で真空蒸着により複数の粒子６からなる粒子層７を形成する。

このように形成された粒子層７のそれぞれの粒子６は、最表面が自然酸化による酸化皮膜（酸化アルミニウム）で覆われている。

ここで、さらに大気中など（少なくとも酸素下）で熱酸化させることによって、粒子６表面の酸化アルミニウムの厚みを厚くすることができる。粒子６の核となるアルミニウムの溶出を抑制することが可能となる。

上述の方法によると、低温下で複数の粒子６を形成させることが出来るので、圧電体２上に形成させた電極３、４などに与える負荷を少なくすることができる。

さらに、低温下で粒子６を形成させることによって、粒子径をさらに小さくすることができ、その結果さらに表面積を大きくすることができるため好ましい。

上述の方法によると、低温下で平均粒子径の小さい粒子６からなる粒子層７を形成したことにより、空孔径の最頻値が約０．０３μｍと極めて微細なものとなる。これは、比較用に示したエッチングによるアルミニウム箔の空孔径の最頻値である約０．１５μｍと比較して極めて微細化されたものであり、これにより、表面積を大きく拡大することができる。またこの粒子層７は、微小な粒子６がランダムに枝分かれして積み重なり、ある程度の厚みを持った層であるから、直線的な穴が規則的に形成された多孔質アルミナと比較して、表面積が大きくなり、センサの感度を向上させることができる。

ここで低温とは、７０〜２００℃程度の温度を示す。

なお、図４に示すような、粒子径の異なる第一の粒子層７ａと第二の粒子層７ｂとを反応部５に形成させる場合は下記のような方法で形成させることができる。
・反応部５に対応した開口部を有するメタルマスクを上記の圧電体２上に配置する。
１）上記の圧電体２を、蒸着槽内に配置して０．０１〜０．００１Ｐａの真空に保つ。
２）圧電体２周辺に酸素ガスに対してアルゴンガスの流量比を４〜６にした不活性ガスを流入して圧電体２周辺の圧力を１０〜２０Ｐａの状態にする。
３）圧電体２の温度を２００〜３００℃の範囲に保つ。
４）蒸着源にアルミニウムを配設した状態で真空蒸着により第一の粒子層７ａを形成する。
５）圧電体２周辺に酸素ガスに対してアルゴンガスの流量比を２〜４にした不活性ガスを流入して圧電体２周辺の圧力を２０〜３０Ｐａの状態にする。
６）圧電体２の温度を７０〜２００℃の範囲に保つ。
７）蒸着源にアルミニウムを配設した状態で真空蒸着により第二の粒子層７ｂを形成する。

上記の圧電体２上に配置したメタルマスクを取り外す。

上述と同様、熱酸化を行うことにより、粒子６最表面の酸化アルミニウムの厚みを厚くすることができる。

なお、この場合、１）の工程で、真空雰囲気は０．００４Ｐａに調整した。また、第一の粒子層７ａとなる層の形成時において、酸素ガスに対してアルゴンガスの流量比を４とし、圧電体２周辺の圧力が２０Ｐａになるように不活性ガスの流量を調整した。更に、圧電体２の温度を３００℃に設定した。また、第二の粒子層７ｂとなる層の形成時において、酸素ガスに対してアルゴンガスの流量比を４とし、圧電体２周辺の圧力が２０Ｐａになるように不活性ガスの流量を調整した。更に、圧電体２の温度を２００℃に設定した。

なお、第一の粒子層７ａの平均粒子径は０．１μｍ以上であれば、上記のとおりツリー構造体の根元部分と圧電体２との接触面積を十分大きくすることができる。また、第一の粒子層７ａを形成する前に、例えばＯ₂アッシング処理で圧電体２の表面を清浄化することで、反応部５と第一の粒子層７ａとの密着性が増す。

なお、第一の粒子層７ａを厚くしても、粒子６の小さい第二の粒子層７ｂを厚くする場合と比較して表面積の増大に寄与しにくいことから、第一の粒子層７ａは極力薄い方がよい。

この結果、第一の粒子層７ａは、この層を構成する粒子６の平均粒子径が０．２μｍとなり、第二の粒子層７ｂより大きな粒子６で構成されている。また、第一の粒子層７ａは、粒子６が持つエネルギーが大きく、表面の活性度が高いため、粒子６が大きく成長し、圧電体２と複数のツリー構造体の根元部分の接触面積が大きくなる。そしてその結果、粒子層７の機械的強度が増し、センサの信頼性を高めることができる。

なお、第二の粒子層７ｂの厚みは表面積増大に大きく寄与するため、第一の粒子層７ａより厚く形成することが好ましい。また、第一の粒子層７ａと第二の粒子層７ｂとは、同種の金属を用い、同一真空内で形成したため、第一の粒子層７ａと第二の粒子層７ｂの境界は明確に現れない。

また、上記形成方法５）〜７）に示すように、第二の粒子層７ｂを形成する工程では、酸素ガスとアルゴンガスの流量比、周辺の圧力、反応部５の温度を、第一の粒子層７ａを形成する工程とは変えたことで、金属粒子の運動エネルギーおよび粒子表面の活性度が抑えられ、金属粒子が成長しにくくなり、第二の粒子層７ｂの粒子６を第一の粒子層７ａよりも小さくなるように形成できたと考えられる。

そして本実施の形態では、複数のツリー構造体の第一の粒子層７ａおよび第二の粒子層７ｂが反応部５から表層に向かってアルミニウムの複数の粒子６が連なって形成され、かつ、夫々複数の枝に枝分かれして形成されているために、毛細管現象が起こりやすい状態となり、これにより測定したい試料溶液の含浸性に優れる。

なお、上記２）の工程では、その他の例として、酸素ガスおよびアルゴンガスを流入させずに蒸着を行ってもよい。

また、別の製造方法として、上記５）〜７）の工程では、第二の粒子層７ｂが第一の粒子層７ａの表面から段階的に粒子径が小さくなるように形成するため、上記２）、３）の条件から酸素ガスに対してアルゴンガスの流量比を２〜４、不活性ガスを流入して圧電体２周辺の圧力を２０〜３０Ｐａ、圧電体２の温度を１５０〜２００℃の範囲に段階的に変化させてもよい。

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。

なお、図６に示すような、誘電体膜９を設け、誘電体膜９上に複数の粒子６からなる粒子層７を形成する場合は下記のような方法で形成させることができる。

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、誘電体膜９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。誘電体膜９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。

その後、誘電体膜９の上面において反応部５を形成する部分に上述のような方法で複数の粒子６からなる粒子層７を形成させることで弾性波センサ１を得ることができる。

次に反応部５に形成された粒子６に対して、プローブ８を形成する方法の一例を示す。

プローブ８は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、糖鎖、抗体、など、それぞれ検出したいリガンド分子を捕捉可能な受容体や反応性物質を選択すればよい。また場合によっては測定したい物質を機能性分子として粒子層７に固定し、これらの物質と特異的に結合する受容体や反応性物質を粒子層７上に注入して反応をセンシングすることもできる。

粒子６表面にプローブ８と結合する適当な官能基を導入することにより、粒子６にプローブ８を容易に固定することができる。

粒子６とプローブ８との結合反応には、例えば、表面にアミノ基を導入した粒子６とプローブ８とをイオン結合させる方法、アルデヒド基を導入した粒子６とアミノ化したプローブ８とを共有結合させる方法、また架橋剤を用いて、粒子６上の官能基とプローブ８に修飾した官能基とを結合させる方法などが知られている。あるいは、有機物等からなる接着層で粒子６に付着されていても良い。

これらいずれの結合方法においても、プローブ８を適当な溶液に溶解して試料溶液とし粒子６上へスポットし、その微小な液滴中で結合反応を進行させ、その後水洗浄によって余剰のプローブ８を除去して弾性波センサを作製することができる。

このような構成により、反応部５におけるプローブ８を付着させるための表面積を大きくすることができるので、センサとしての感度を向上することができる。

また、複数の粒子６は、その表面が酸化アルミニウムで覆われているため、耐薬品性に優れる。

さらに、上記複数のツリー構造体が、個々の粒子６が複数に枝分かれして一体に結合した構造に形成されているために、応力負荷が分散され、破壊されにくくなる。そしてその結果、センサの機械的強度を高めることができる。

このように、反応部５が枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなることにより、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。

すなわち本実施の形態は、粒子層７が枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなるため、表面積が大きくなり、狭いスペースにもプローブ８を高密度に形成することができる。したがって、各プローブ８とリガンド分子との反応を十分得ることができ、大きな信号として検出することができる。そしてその結果、弾性波センサの感度を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、粒子層７として平均粒子径の小さい粒子６を形成したことにより、空孔径の最頻値が約０．０３μｍと極めて微細なものとなる。これは、エッチングしたアルミニウム箔の空孔径の最頻値が約０．１５μｍであることと比べて分かるように、極めて微細化されたものであり、これにより、表面積を大きく拡大することができる。

また本実施の形態の粒子層７は、複数の粒子６がランダムに枝分かれしながら成長した形状であるため、直線的な穴が規則的に形成された多孔質アルミナよりも表面積を大きくすることができる。

さらに、この粒子層７は、厚みをミリメートルオーダーまで厚くさせることができるため、さらに表面積を大きくすることができる。

なお粒子層７の粒子径は均一でもよいが、粒子層７の根元に粒子径の大きい第一の粒子層７ａを設けたことにより、圧電体２と粒子層７の密着性に優れ、剥離を抑制できる。

このように本実施の形態で示す粒子層７は、表面積が大きく、さらに圧電体２との密着性も高いことから、この粒子層７を用いることで、高精度かつ高信頼性の弾性波センサを実現できる。

このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。

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体膜９を介して間接的に形成されていても良い。

特に、酸化アルミニウムからなる誘電体膜９上に反応部５が設けられているときは、反応部５の粒子６と誘電体膜９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９との密着性を向上させることができる。

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。

（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７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８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。

図７、図８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１０を備えていても良い。

また、この弾性波センサ１は、圧電体２の上に前記電極３を覆うように形成された誘電体膜９を備え、反応部５は誘電体膜９の上に形成された構成である。

この実施の形態２においても、反応部５が枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなることにより、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。

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粒子６からなる粒子層７である。誘電体膜９が反応部５の粒子６と同じ材料を含む場合（誘電体膜９、粒子６表面共に酸化アルミニウムなど）は、圧電体２と反応部５は直接接合される。このように、誘電体膜９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の粒子６表面が酸化アルミニウムからなる場合に、酸化アルミニウムからなる誘電体膜９上に反応部５が設けられているときは、反応部５と誘電体膜９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９との密着性を向上させることができる。

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。

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 粒子
７ 粒子層
８ プローブ
９ 誘電体膜
１０ 反射器

Claims (7)

1. 圧電体と、
   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、枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなる弾性波センサ。
2. 圧電体と、
   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、枝分かれするように積み重なり、一体的に結合した複数の粒子からなる弾性波センサ。
3. それぞれの前記粒子の表面は、酸化アルミニウムを主成分とする
   請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。
4. 前記反応部を構成する前記複数の粒子は、
   前記圧電体と接する第一の粒子層と、
   この第一の粒子層上に形成された第二の粒子層とを有し、
   前記第一の粒子層を構成する粒子の平均粒子径は、
   前記第二の粒子層を構成する粒子の平均粒子径より大きい請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。
5. 前記粒子の表面にはプローブが形成されている請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。
6. 前記圧電体は、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いずれかからなる圧電基板である請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。
7. 前記電極は、タングステン又はモリブデンを主成分とする電極層を含む請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。