JP2013205172A

JP2013205172A - Ｓａｗセンサおよびｓａｗセンサ装置

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Publication number: JP2013205172A
Application number: JP2012073528A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Katsuta; 宏勝田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: US8636953B2; US20130259746A1; JP5917973B2

Abstract

【課題】高精度のＳＡＷセンサを提供する。
【解決手段】
入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６と入力側ＩＤＴ電極および出力側ＩＤＴ電極６の間に位置する検出部７とを有するＳＡＷセンサ１００であって、入力側ＩＤＴ電極５に、高周波信号が、検出部７による弾性表面波の遅延時間から入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６との電磁結合に起因する直達波の到達時間を差し引いた時間以上であり、かつ入力側ＩＤＴ電極５から出力側ＩＤＴ電極６への弾性表面波の３次応答波の到達時間未満の印加時間の１パルスの信号として入力されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば液体の性質あるいは液体に含まれる物質を測定することができるＳＡＷセンサおよびＳＡＷセンサ装置に関するものである。

ＳＡＷ（弾性表面波：Surface Acoustic Wave）素子を用いて、検体である液体の性質
もしくは液体の成分を測定するＳＡＷセンサが知られている。

ＳＡＷセンサは、圧電基板上に検体試料に含まれる成分と反応する検出部を設け、この検出部を伝搬したＳＡＷの変化に基く電気信号を測定することによって検体である液体の性質あるいは成分を検出するものである（例えば、特許文献１）。

特許文献１に開示されているＳＡＷセンサは、ＳＡＷの位相差を検出することにより検体濃度を測定している。

特開２００８−１２２１０５号公報

しかしながら、このようなＳＡＷセンサは、感度がよくなると信号のロスが大きくなる。このため、ＳＡＷセンサにおいて検出すべき信号を精度よく検出できないという問題点があった。

本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、信号を感度よく検出できるＳＡＷセンサ及びＳＡＷセンサ装置を提供することにある。

本発明の一態様に係るＳＡＷセンサは、圧電基板と、該圧電基板の一主面に配置された、高周波信号の印加によって弾性表面波を発生する入力側ＩＤＴ電極と、前記圧電基板の一主面に配置された、前記入力側ＩＤＴ電極からの前記弾性表面波を受信して電気信号に変換して出力する出力側ＩＤＴ電極と、前記圧電基板の一主面のうち前記入力側ＩＤＴ電極および前記出力側ＩＤＴ電極の間に位置した、前記弾性表面波を遅延させるとともに、検体が備える標的の吸着または該標的との反応に応じて質量が変化する検出部とを有し、前記入力側ＩＤＴ電極に、前記高周波信号が、前記検出部による前記弾性表面波の遅延時間から前記入力側ＩＤＴ電極と前記出力側ＩＤＴ電極との電磁結合に起因する直達波の到達時間を差し引いた時間以上であり、かつ前記入力側ＩＤＴ電極から前記出力側ＩＤＴ電極への前記弾性表面波の３次応答波の到達時間未満の印加時間の１パルスの信号として入力されるものである。

また、本発明の一態様に係るＳＡＷセンサ装置は、上述のＳＡＷセンサと、前記１パルスの信号を生成する高周波信号印加手段とを有するものである。

本発明によれば、信号検出感度の優れたＳＡＷセンサ及びＳＡＷセンサ装置を提供できる。

本発明の実施形態に係るＳＡＷセンサの原理的な構成図である。（ａ），（ｂ）はＳＡＷセンサに単発パルスを入力したときの出力を示すグラフである。（ａ），（ｂ）は高周波信号の印加時間を説明するダイヤグラムである。ＳＡＷセンサに入力する高周波信号の印加時間を変化させたときの出力を示すグラフである。本発明の実施形態に係るＳＡＷセンサ斜視図である。図５に示すＳＡＷセンサの一部を破断した状態の斜視図である。図７（ａ）は図５のＶＩＩａ−ＶＩＩａ線における断面図、図７（ｂ）は図５のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線における断面図である。

以下、本発明にかかるＳＡＷセンサの実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する各図面において同じ構成部材には同じ符号を付すものとする。また、各部材の大きさや部材同士の間の距離などは模式的に図示しており、現実のものとは異なる場合がある。

また、ＳＡＷセンサは、いずれの方向が上方または下方とされてもよいものであるが、以下では、便宜的に、直交座標系ｘｙｚを定義するとともにｚ方向の正側を上方として、上面、下面などの用語を用いるものとする。

（ＳＡＷセンサ１００）
図１は、ＳＡＷセンサ１００及びそれを用いたＳＡＷセンサ装置２００の原理を説明するための概略図である。ＳＡＷセンサ装置２００は、高周波信号印加手段２１０と、ＳＡＷセンサ１００と、電気信号サンプリング手段２２０とを有する。

高周波信号印加手段２１０は、高周波信号発生器２１１と高周波信号制御装置２１２とを有する。

高周波信号発生器２１１は、高周波信号を発生するものであり、例えばショットキーダイオードやＳＡＷ発信器等を用いることができる。高周波信号制御装置２１２は、高周波信号発生器２１１で発生した高周波信号のＳＡＷセンサ１００への印加と非印加とを切り替えるためのものであり、例えばＲＦスイッチ等を用いることができる。この高周波信号制御装置２１２により切り替えられる印加状態から非印加状態までの間にＳＡＷセンサ１００に印加される高周波信号を、後述の１パルスとする。

ＳＡＷセンサ１００は、圧電基板１と入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６と検出部７とを有する。入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６とは、圧電基板１の一主面１ａに配置されている。

入力側ＩＤＴ電極５は、高周波信号印加手段２１０からの信号が印加されるものであり、印加された高周波信号により弾性表面波を発生するものである。具体的には、櫛歯状の互いに噛み合う電極対で構成される。電極対の一方は圧電基板１上に形成された信号線８及びパッド電極９を介して高周波信号印加手段２１０に電気的に接続される。電極対の他方は、信号線８及び基準電位に接続されるパッド電極９Ｇに接続される。

出力側ＩＤＴ電極６は、入力側ＩＤＴ電極５が発生し、圧電基板１上を伝搬してきた弾性表面波を電気信号に変換して出力するものである。具体的には、櫛歯状の互いに噛み合
う電極対で構成される。電極対の一方は圧電基板１上に形成された信号線８及びパッド電極９を介して電気信号サンプリング手段２２０に電気的に接続される。電極対の他方は、信号線８及び基準電位に接続されるパッド電極９Ｇに接続される。

入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６との間には検出部７が位置している。検出部７は、入力側ＩＤＴ電極５で発生した弾性表面波を遅延させるものである。また、検出部７上には、標的を含む溶液状の検体が供給される。検出部７は標的の吸着や標的との反応により質量が変化するものである。詳細なメカニズムについては後述する。

電気信号サンプリング手段２２０は、出力側ＩＤＴ電極６に電気的に接続されており、出力側ＩＤＴ電極６から出力される電気信号をサンプリングするものである。

そして、高周波信号印加手段２１０及び電気信号サンプリング手段２２０にＳＡＷセンサ１００が電気的に接続されることで、ＳＡＷセンサ装置２００を形成している。

ここでＳＡＷセンサ１００に入力される高周波信号について説明する。高周波信号印加手段２１０は、１パルスの信号を生成する。この１パルスの信号は、検出部７による弾性表面波の遅延時間から、入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６との電磁結合に起因する直達波の到達時間を差し引いた時間以上の印加時間で生成される。同様に、１パルスの信号は、入力側ＩＤＴ電極５から出力側ＩＤＴ電極６への弾性表面波の３次応答波の到達時間未満の時間の印加時間で生成される。

このようにして生成された１パルスの信号が、ＳＡＷセンサ１００の入力側ＩＤＴ電極５に入力される。１パルスの信号を制御することにより、ＳＡＷセンサ１００により信号検出感度を高めることができる。その理由について詳述する。なお、以下の説明において、ＳＡＷセンサ１００のモデルとして、以下の条件の通りとした。
入力側・出力側ＩＤＴ電極５，６の電極対：２５
電極指ピッチ：５μｍ（弾性表面波の１／２波長）
弾性表面波の伝搬速度：４０００ｍ／ｓ
弾性表面波の波長：１０μｍ
中心周波数：４１１ＭＨｚ
検出部７の長さ：約３００λ（３ｍｍ）
遅延時間：０．８６μｓｅｃ
ＳＡＷセンサにおいて、単発パルス信号を入力側ＩＤＴ電極５に入力したときに、出力側ＩＤＴ電極６から出力される信号を図２に示す。図２において、横軸は時間（単位：μｓｅｃ）であり、縦軸は１で規格化した振幅特性である。図２において（ａ）は０μｓｅｃから６μｓｅｃまで時間における振幅特性を示すものであり、（ｂ）は０．６μｓｅｃから１．２μｓｅｃの区間の特性を拡大したものである。

図２に示すように、０．８６μｓｅｃ付近の主応答信号に近い位置に直達波信号成分が発生する。直達波は入力側ＩＤＴ電極５，出力側ＩＤＴ電極６の電磁結合に由来するものであり、０μｓｅｃに発生する。この直達波は、検体中の標的の有無等に関係なく一定の強度を有する。ここで、直達波の半値幅を直達波の到達時間Ｔ１とし、主応答信号の半値幅を単発パルスの単発パルス幅Ｔ２とし、単発パルス幅の開始時間から直達波の到達時間を差し引いたものも便宜的に出力応答時間Ａと定義する。

この主応答信号の振幅や波形は、検出部７の状態等により変化するが、振幅の大小にかかわらず、検出部７の状態に基づく信号を正確に検出する必要がある。このためには、単発パルスでは不安定であり、単発パルスを連続的に発生させて信号幅を持たせた１パルスの信号をＳＡＷセンサ１００に入力する必要がある。具体的には、１パルスのパルス幅を
出力応答時間より大きくすることが好ましい。このようなパルス幅とすることにより、出力側ＩＤＴ電極６から出力される電気信号は、図３（ａ）のようになり、出力応答時間を超える値とすることにより、各単発パルスの直達波の影響によらず主応答信号のみの情報を入手できる時間を確実に出力応答時間分確保することができる。一方、図３（ｂ）に示すように、高周波信号の印加時間を出力応答時間以下とすると、主応答信号のみの情報を入手できる時間が短くなるので好ましくない。なお、図３において、直達波は容量成分のため、指数関数的な波形となり、主応答波は弾性表面波であるため三角波であるが、便宜的に矩形波と仮定して図示している。また、１パルスのパルス幅の上限は、図２（ａ）に示すように３次応答波の影響をなくすために３次応答波の到達時間未満であることが好ましい。すなわち、１パルスのパルス幅の上限は、遅延時間の３倍の時間である。

図４に、高周波信号の印加時間Ｔを変化させて入力側ＩＤＴ電極５に入力したときに、出力側ＩＤＴ電極６から出力される信号をフーリエ変換したものを示す。図４からも明らかなように、印加時間が出力応答時間以下の場合（Ｔ＝０．０１〜０．５μｓｅｃ）には、主応答信号のみに起因する信号が安定して確認できる平坦部が存在しない。ここで平坦部とは、時間の経過によらず信号が一定とみなせる領域である。特にフーリエ変換したときに一定となればよい。

これに対して、印加時間が出力応答時間を超える場合（Ｔ＝０．８〜１．０μｓｅｃ）には平坦部を確認することができ、印加時間の増加とともに平坦部も長くなることが確認できた。

ここで実際にＩＤＴ電極６から出力される電気信号には、図２に示すようなリップルが存在する。このため、平坦部においても平均的なレベルは変化しないが周期的に連続したピーク点を有する場合がある。すなわち、振動中心値は一定であるが周期的に微小振動を有するものとなる場合がある。このような振動中心値を通る傾きが０である場合や、隣接するピーク点の強度が同等である場合も平坦部に含むものとする。

なお、印加時間を変化させて出力を確認した結果、１パルスのパルス幅は、遅延時間から直達波到達時間を差し引いた時間以上であることにより、確実に安定した平坦部を得られるため好ましい。

さらに、１パルスの信号印加時間と、出力側ＩＤＴ電極６からの電気信号の出力時間とが一部重複することが好ましい。言い換えると、１パルスのパルス幅は、遅延時間よりも長いことが好ましい。１パルスをこのような構成とすることにより、平坦部を長くすることができる。

上述の構成により、出力側ＩＤＴ電極６から出力される電気信号が平坦部を有するものとなる。このため、電気信号サンプリング手段２２０では、この平坦部においてサンプリングすることにより、１点のサンプリングで安定したデータを採取することができる。また、長い平坦部を有するため、サンプリングのタイミングに誤差が生じても安定して正確なデータを採取できるのでロバスト性の高いものとなる。これにより、出力される電気信号を一定時間サンプリングして平均値をとる必要がないため、生産性がよく、かつ、精度の高いデータを採取することができるものとなる。

さらに、１パルスの１回の入力により、平坦部において信頼性のある値を複数回サンプリングすることができる。この複数回のサンプリングにより得たデータの平均値を用いることにより、より精度の高いデータを１パルスの入力１回により得ることができ、生産性がよく、かつ、精度の高いデータを採取することができるものとなる。

なお、パルス幅が図３（ｂ）に示すように狭い場合には、平坦部がないか、極端に狭いため、サンプリングのタイミングに高い精度を求められたり、データの信頼性を高めるために、高周波信号を複数回入力し電気信号のサンプリングを繰り返したり必要があった。

このような電気信号サンプリング手段２２０におけるサンプリングは、１パルスの信号の印加を開始してから、パルス幅と直達波の信号幅に相当する時間を足し合わせた時間以上の時間が経過した後に行なうことが好ましい。例えば、遅延時間とパルス幅に相当する時間の半分を足し合わせた時間以降とすればよい。

以上のような１パルスをＳＡＷセンサ１００の入力側ＩＤＴ電極５に入力することで、検出信号精度の高いものとすることができる。

（変形例）
上述の説明の通り、パルス幅は長い方が好ましいが、一方で、高周波信号印加手段２１０からの１パルスが、出力側ＩＤＴ電極６から出力される電気信号に混入する恐れがある。

ＳＡＷセンサ１００は非常に小型である。このため、ＳＡＷセンサ１００に高周波信号を入力させるための電気回路と、ＳＡＷセンサ１００から出力される電気信号を処理する電気回路と、が近接配置されることになる。これにより、両回路間でクロストークが発生する恐れがあり、入力信号・出力信号ともにアイソレーションがとれない可能性がある。また、ＳＡＷセンサは、一般に感度が大きいときにはロスも大きくなる性質がある。そこで、ＳＡＷセンサ１００から検出される信号（電気信号）の検出精度を高めるとともに、ノイズを除去する必要がある。

以上より、１パルスのパルス幅は、遅延時間に単発パルスの半値幅（単発パルス幅）に相当する時間を足し合わせたものとすることが好ましい。

このような構成とすることにより、ＳＡＷセンサ１００からの電気信号は平坦部を有することができ、かつ、ＳＡＷセンサ１００に入力される高周波信号とのアイソレーションをとることができ、小型で高精度なＳＡＷセンサ１００とすることができる。

（ＳＡＷセンサの構成）
上述のＳＡＷセンサ１００の具体的な構成について詳述する。ＳＡＷセンサ１００は、検体中に存在する標的の吸着またはこの標的との反応に応じて重量が単調変化する検出部７ａを有する。この検出部７ａは、例えば検体の導電率などの電気的性質の影響を受けないＡｕの膜に、標的に対して特異的に吸着させるような反応性を有する反応基を固定化させることで実現できる。なお、標的自体を吸着させなくてもよい。例えば、Ａｕの膜に、標的に対して反応すると同時に、検体中に存在する標的以外の物質と反応するような特性を有する反応基を固定化させてもよい。なお、このＡｕ膜は電気的に短絡していることが望ましい。

検出部７ｂは、検出部７ａで検出する信号に対して基準信号の役割を果たすリファレンスとして機能するものである。このリファレンス信号測定部１２１検出部７ｂは、例えば、検体中に存在する標的に対して特異的な吸着させたり、構造変化を生じて検体中の物質と置換反応を起こしたりするような反応性を有さないものである。具体的には、前述した反応基を固定化していないＡｕの膜を用いることができる。

バイオセンサ１００は、図５の斜視図に示すように外観上は主に圧電基板１と保護部材３とで構成されている。保護部材３には、検体の流入口である第１貫通孔１８と空気孔も
しくは検体溶液の流出口である第２貫通孔１９が設けられている。

図６に保護部材３の片側半分を取り除いたときのＳＡＷセンサ１００の斜視図を示す。同図に示すように保護部材３の内部には検体の検体用流路となる空間２０が形成されている。第１貫通孔１８はこの空間２０に繋がっている。すなわち、第１貫通孔１８から入った検体は空間２０に流れ込み、空間２０を満たすようになっている。

空間２０に流れ込んだ検体液には標的物質となる検体が含まれており、その検体が圧電基板上に形成された金属膜７などからなる検出部と反応する。

圧電基板１は、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶，ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）単結晶、水晶などの圧電性を有する単結晶の基板からなる。圧電基板１の平面形状および各種寸法は適宜に設定されてよい。一例として、圧電基板１の厚みは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍである。

図７にＳＡＷセンサ１００の断面図を示す。図７（ａ）は図６のIIVａ−IIVａ線における断面図であり、図７（ｂ）は図６のIIVｂ−IIVｂ線における断面図である。

図７（ａ）に示すように圧電基板１の上面には、入力側ＩＤＴ電極５ａ，５ｂ、出力側ＩＤＴ電極６ａ，６ｂが形成されている。入力側ＩＤＴ電極５ａ，５ｂは所定のＳＡＷを発生させるためのものであり、出力側ＩＤＴ電極６ａ，６ｂは、それぞれ入力側ＩＤＴ電極５ａ，５ｂで発生したＳＡＷを受信するためのものである。入力側ＩＤＴ電極５ａで発生したＳＡＷを出力側ＩＤＴ電極６ａが受信できるように出力側ＩＤＴ電極は、入力側ＩＤＴ電極で発生したＳＡＷの伝搬路上に配置されている。入力側ＩＤＴ電極５ｂと出力側ＩＤＴ電極６ｂとも同様に配置される。

入力側ＩＤＴ電極５ｂおよび出力側ＩＤＴ電極６ｂは、入力側ＩＤＴ電極５ａおよび出力側ＩＤＴ電極６ａと同様であるため、以下、入力側ＩＤＴ電極５および出力側ＩＤＴ電極６として説明する。

入力側ＩＤＴ電極５および出力側ＩＤＴ電極６は、１対の櫛歯電極を有する（図１参照）。各櫛歯電極は、互いに対向する２本のバスバーおよび各バスバーから他のバスバー側へ延びる複数の電極指を有している。そして、１対の櫛歯電極は、複数の電極指が互いに噛み合うように配置されている。入力側ＩＤＴ電極５および出力側ＩＤＴ電極６は、トランスバーサル型のＩＤＴ電極を構成している。

入力側ＩＤＴ電極５，出力側ＩＤＴ電極６の電極指の本数、隣接する電極指同士の距離、電極指の交差幅などをパラメータとして周波数特性を設計することができる。ＩＤＴ電極によって励振されるＳＡＷとしては、レイリー波、ラブ波、リーキー波などが存在するが、本例では、ラブ波を利用している。

入力側ＩＤＴ電極５のＳＡＷの伝搬方向における外側の領域にＳＡＷの反射抑制のための弾性部材を設けてもよい。ＳＡＷの周波数は、例えば、数メガヘルツ（ＭＨｚ）から数ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲内において設定可能である。なかでも、数百ＭＨｚから２ＧＨｚとすれば、実用的であり、かつ圧電基板１の小型化ひいてはＳＡＷセンサ１００の小型化を実現することができる。

入力側ＩＤＴ電極５および出力側ＩＤＴ電極６はそれぞれ配線８を介してパッド９に接続されている。これらのパッド９および配線８を介して外部から入力側ＩＤＴ電極５に信号が入力され、出力側ＩＤＴ電極６から外部に信号が出力される。

圧電基板１の上面のうち入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６との間の領域である第１領域１ａには短絡電極１０が形成されている。この短絡電極１０は、圧電基板１の上面のうちＳＡＷの伝搬路となる部分を電気的に短絡させるためのものである。この短絡電極１０を設けることによってＳＡＷの種類によってはＳＡＷの損失を小さくすることができる。なお、ＳＡＷとして特にリーキー波を使用したときに短絡電極１０による損失抑制効果が高いと考えられる。

短絡電極１０は、例えば、入力側ＩＤＴ電極５から出力側ＩＤＴ電極６へ向かうＳＡＷの伝搬路に沿って伸びた長方形状とされている。短絡電極１０のＳＡＷの伝搬方向と直交する方向（ｘ方向）における幅は、例えば、入力側ＩＤＴ電極５の電極指の交差幅と同じである。

短絡電極１０は、電気的に浮き状態とされていてもよいし、グランド電位用のパッド９を設け、これに接続してグランド電位としてもよい。短絡電極１０をグランド電位とした場合には、入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極６との間の電磁結合による直達波の伝搬を抑制することができる。

入力側ＩＤＴ電極５、出力側ＩＤＴ電極６、短絡電極１０、配線８およびパッド９は、例えば、アルミニウム、アルミニウムと銅との合金などからなる。またこれらの電極は、多層構造としてもよい。多層構造とする場合は、例えば、１層目がチタン又はクロムからなり、２層目がアルミニウム又はアルミニウム合金からなる。

入力側ＩＤＴ電極５、出力側ＩＤＴ電極６、短絡電極１０は、保護膜４によって覆われている。保護膜４は各電極および配線の酸化防止などに寄与するものである。保護膜４は酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化チタン、窒化珪素、またはシリコンなどからなる。ＳＡＷセンサ１００では、保護膜４として二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を使用している。

保護膜４は、パッド９を露出するようにして、圧電基板１の上面全体にわたって形成されている。入力側ＩＤＴ電極５および出力側ＩＤＴ電極６はこの保護膜４によって被覆されている。これにより、ＩＤＴ電極が腐食するのを抑制することができる。

保護膜４の厚さは、例えば１００ｎｍ〜１０ｕｍである。なお、保護膜４は必ずしも圧電基板１の上面全体にわたって形成する必要はなく、例えば、パッド９を含む圧電基板１の上面の外周に沿った領域が露出するように圧電基板１の上面中央付近のみを被覆するように形成してもよい。

図３（ｂ）に示すように入力側ＩＤＴ電極５は第１振動空間１１に収容され、出力側ＩＤＴ電極６は第２振動空間１２に収容されている。これにより入力側ＩＤＴ電極５および出力側ＩＤＴ電極６が外気および検体と隔離され、水分などの腐食物質から保護することができる。また、第１振動空間１１および第２振動空間１２が確保されることによって入力側ＩＤＴ電極５、出力側ＩＤＴ電極６においてＳＡＷの励振が大きく阻害されない状態とすることができる。

第１振動空間１１および第２振動空間１２は、これら振動空間を構成するための凹部を有した板状体２を圧電基板１に接合することによって形成することができる。

リファレンス入力側ＩＤＴ電極５ｂとリファレンス出力側ＩＤＴ電極６ｂとにも、同様に第１振動空間１１ｂおよび第２振動空間１２ｂが設けられている。

ＳＡＷセンサ１００Ａの第１振動空間１１および第２振動空間１２は、直方体状の空間であるが、振動空間の形状は直方体状に限らず、例えば、断面視したときにドーム状のもの、平面視したときに楕円状のものなどＩＤＴ電極の形状・配置などに合わせて適宜変更してよい。

板状体２の、第１振動空間１１および第２振動空間１２を形成するための凹部の間には、板状体２を厚み方向に貫通している部分である貫通部が形成されている。この貫通部はＳＡＷの伝搬路上に金属膜７を形成するために設けられたものである。すなわち、板状体２を圧電基板１に接合したときに、平面視で、入力側ＩＤＴ電極５から出力側ＩＤＴ電極６に伝搬するＳＡＷの伝搬路の少なくとも一部が貫通部から露出し、その露出部に金属膜７が形成される。

このような形状の板状体２は、例えば、感光性のレジストを用いて形成することができる。

板状体２の貫通部から露出する金属膜７は、検体の検出部を構成する。金属膜７は、例えば、クロムおよびクロム上に成膜された金の２層構造となっている。金属膜７ａの表面には、例えば、核酸やペプチドからなるアプタマーが固定化されている。このようにアプタマーが固定化された金属膜７ａに検体液が接触すると検体液中の特定の標的物質がその標的物質に対応するアプタマーと結合する。このような構成とすることで、検体がアプタマーと結合し、吸着するにつれ金属膜７ａの重量が単調増加するものとなる。すなわち、検体の検出に応じて重量が単調増加するものとなる。なお、ここで金属膜７ａの重量が単調増加するのは、検体が連続的に金属膜７ａ上に供給される間のみである。例えば、検体の供給の前後に、検体の供給と連続して緩衝液が供給される場合には、検体が金属膜７ａ上を通過し、検体とアプタマーとが乖離することにより重量が減少しても問題はない。

また、板状体２の他の貫通部から露出する金属膜７ｂは、リファレンス用の測定部を構成する。金属膜７ｂは、例えば、クロムおよびクロム上に成膜された金の２層構造となっている。金属膜７ａの表面には、検体に対して反応性を示さないように金属膜７aに固定
化したようなアプタマーをつけないものとする。さらに、検体溶液に対して反応性を低め安定化させるような表面処理を行なってもよい。

ＳＡＷを利用して検体溶液の性質などを測定するには、まず、入力側ＩＤＴ電極５に、パッド９および配線８を介して高周波信号の１パルスを印加する。そうすると、入力側ＩＤＴ電極５の形成領域において圧電基板１の表面が励振され、所定の周波数を有するＳＡＷが発生する。発生したＳＡＷはその一部が入力側ＩＤＴ電極５と出力側ＩＤＴ電極との間の領域である第１領域１ａを通過し、出力側ＩＤＴ電極６に到達する。このとき第１領域１ａ上に位置している金属膜７ａでは、金属膜７ａに固定化されたアプタマーが検体中の特定の標的と結合し、結合した分だけ金属膜７の重さが変化するため、金属膜７ａの下を通過するＳＡＷの位相特性などが変化する。このように特性が変化したＳＡＷが出力側ＩＤＴ電極６に到達すると、それに応じた電気信号が出力側ＩＤＴ電極６に生じる。この電気信号が配線８およびパッド９を介して外部に出力され、検体液の性質や成分を調べることができる。

同様に、同じ空間２０にアプタマーが固定化されていない別の金属膜７ｂを設け、入力側ＩＤＴ電極５ｂからの信号を入力し、出力側ＩＤＴ電極６ｂから出力される電気信号を温度特性等や湿度等の環境変化による信号変動の校正に用いるリファレンス信号とする。

このようにＳＡＷを利用して測定を行う場合、上述したようにＩＤＴ電極などを保護す
るために酸化珪素などの保護膜を設ける必要があるが、本願発明者が調べた結果、このような保護膜が検体液の流路内に露出していると検出感度のばらつきが大きくなる、あるいは検出感度が低下するといった不具合が生じやすくなることが判明した。

そのような不具合が生じる原因は必ずしも明らかではないが、貫通部から保護膜４が露出していると金属膜７ａにアプタマーを固定化する際にアプタマーが保護膜４に付いてしまい金属膜７ａに所望の量のアプタマーが固定化されない、あるいは検体液を空間２０に充填した際に標的物質（検体）が保護膜４に付着するといった現象が起こっていることによるものである可能性が高いと考えられる。

そこでＳＡＷセンサ１００では、流路となる空間２０内に保護膜４が露出されないような構造としている。

測定時の検体液の量を均一化するためにＳＡＷセンサ１００では、検体溶液の検体用流路となる空間２０が設けられている。ＳＡＷセンサ１００における空間２０は、保護部材３の内面、板状体２の外面および金属膜７ａ，７ｂの上面によって囲まれた空間である。

このような空間２０は基本的には容積一定のため、この空間２０の中に検体溶液を充填することによって、測定時の検体溶液の量を均一化することができる。

検体を空間２０に充填させる際、ＳＡＷセンサ１００では毛細管現象を利用する。具体的には、検体の流入口である第１貫通孔１８の大きさ（径など）と検体液の流路である空間２０の大きさ（幅、高さなど）を検体液の種類、保護部材３の材質などを考慮して所定の値に設定することによって、流入口から流路にかけて毛細管現象により検体を駆動させることができる。空間２０の幅ｗ（図７（ｂ））は、例えば、０．５ｍｍ〜３ｍｍであり、高さｈ（図７（ａ））は、例えば、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍである。第１貫通孔１８の直径は例えば５０μｍ〜５００μｍである。

このような第１貫通孔１８および空間２０を形成することによって、第１貫通孔１８の開口部に検体を接触させれば、その後は毛細管現象によって検体が空間２０の内部へ自動的に吸い込まれて空間２０に満たされる。よってＳＡＷセンサ１００によれば、それ自体が検体液の吸引機構を備えているため、ピペットなどの器具を使用することなく検体の吸引を行うことができる。なお、検体の流入口となる第１貫通孔１８の形状は円筒状に限らず、第１貫通孔１８の径が空間２０に向かうにつれて漸次小さくなるように、あるいは漸次大きくなるようにしてもよいし、開口部の形状を矩形状としてもよい。また、第１貫通孔１８の形成位置は保護部材３の天井部に限らず保護部材３の側壁に設けるようにしてもよい。

保護部材３には第１貫通孔１８の他にも第２貫通孔１９が設けられている。第２貫通孔１９は第１貫通孔１８とは反対側の端部に配置され空間２０と繋がっている。このような第２貫通孔１９を設けておくことによって、検体が空間２０に入ってきたときにもともと空間２０内に存在していた空気が第２貫通孔１９から外部へ放出されるため、検体が空間２０内に入り込みやすくなる。

空間２０のうち保護部材３の内面によって規定される部分の角部は丸みを帯びている。例えば、図４の断面図に示すように第１貫通孔１８と空間２０とのつなぎ目部分、第２貫通孔１９と空間２０とのつなぎ目部分、保護部材３の内周面と板状体２とのつなぎ目部分がいずれも丸みを帯びている。

検体液の流路である空間２０の角部が角張っているとその部分に検体液が滞留し、検体
の淀みができやすい。検体の淀みができると、例えば、空間２０に充填された検体中の標的物質の濃度が場所によって異なり、検出感度の低下などを招く。これに対し、ＳＡＷセンサ１００のように空間２０の角部が丸みを帯びるようにすれば、検体の淀みができにくく、空間２０内における標的物質の濃度を均一化することができる。

また検体の滞留を防止する観点から、検体の流入口である第１貫通孔１８は空間２０の出来る限り端に位置するようにして形成するとよい。

保護部材３は、例えば、ポリジメチルシロキサンからなる。保護部材３の材料としてポリジメチルシロキサンを用いることによって、角部が丸みを帯びた形状など、保護部材３を任意の形状にすることができる。また、ポリジメチルシロキサンを用いれば、保護部材３の天井部や側壁を比較的簡単に分厚く形成することができる。保護部材３の天井部および側壁の厚みは、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍである。

ＳＡＷセンサ１００において保護部材３は、その下面外周部が板状体２の周囲に位置している保護膜４に接しており、その部分で保護膜４と接合されている。換言すれば、保護部材３は保護膜４を介して圧電基板１に接合されていると捉えることもできる。保護部材３がポリジメチルシロキサンからなり、保護膜４がＳｉＯ_２からなる場合、保護部材３の保護膜４への接触面に酸素プラズマ処理を施しておくことによって、接着剤などを用いることなく保護部材３と保護膜４とを直接接合することができる。そのように保護部材３と保護膜４とを直接接合できる理由は必ずしも明らかではないが、保護部材３と保護膜４との間にＳｉとＯとの共有結合が形成されることによるものと考えられる。

ここで、２つの検出部間で互いの信号がクロストークする恐れがある。このため、図１に示すように、圧電基板１上の、２つの検出部（７）として機能する領域の間に、基準電位に接続された基準電位線３１を設けている。基準電位線３１により、クロストークの発生を防ぐことができ、高感度のＳＡＷセンサ１００を提供することができる。

なお、図１に示すように、この基準電位線３１は、入力側ＩＤＴ電極５，出力側ＩＤＴ電極６のそれぞれを構成する一対の櫛歯状電極の一方が接続されている。そして、、入力側ＩＤＴ電極５，出力側ＩＤＴ電極６のそれぞれを構成する一対の櫛歯状電極のうち、基準電位に接続される側の電極を基準電位線３１が配置されている側に配置している。換言すると、一対の櫛歯状電極のうち内側に位置する側の電極が基準電位に接続されている。

このような構成とすることにより、配線８取り回し，配線８の長さを揃えることができる。これにより、参照用の信号としてより正確なものとなる。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
例えば、上述した検体センサ１００Ａにおいては、検出部が金属膜７と金属膜７の表面に固定化されたアプタマーからなるものについて説明したが、検体液中の標的物質が金属膜７と反応する場合には、アプタマーを使用せず金属膜７だけで検出部を構成してもよい。

上述の例では、検体が備える標的の吸着または標的との反応に応じて質量が単調増加する検体検出部について説明したが、検体が備える標的との反応に応じて質量が単調減少する検体検出部を用いることもできる。この場合には、例えば、検体検出部として、例えば、標的に対して反応性を有し、標的との反応により一部が乖離するような構造を有する反応基をＡｕ層に固定化することにより実現できる。そして、ヘテロダイン方式により得た計測信号の時間的変化が増加の場合には、正の位相変化候補値を、減少の場合には負の位相変化候補値を位相変化値とすればよい。このような構成とすることにより、検体が備える標的の吸着または標的との反応に応じて質量が単調変化する検体検出部に対して対応す
ることが可能である。

１・・・圧電基板
２・・・板状体
３・・・カバー
４・・・保護膜
５ａ・・・入力側ＩＤＴ電極
５ｂ・・・リファレンス入力側ＩＤＴ電極
６ａ・・・出力側ＩＤＴ電極
６ｂ・・・リファレンス出力側ＩＤＴ電極
７ａ，７ｂ・・・（検出部として機能する）金属膜
８・・・配線
９・・・パッド
１０・・・短絡電極
１１ａ，１１ｂ・・・第１振動空間
１２ａ，１２ｂ・・・第２振動空間
２０・・・空間
３１・・・基準電位線
３２・・・π／２遅延線
１００・・・ＳＡＷセンサ
２００・・・ＳＡＷセンサ装置
２１０・・・高周波信号印加手段
２２０・・・電気信号サンプリング手段

Claims

圧電基板と、
該圧電基板の一主面に配置された、高周波信号の印加によって弾性表面波を発生する入力側ＩＤＴ電極と、
前記圧電基板の一主面に配置された、前記入力側ＩＤＴ電極からの前記弾性表面波を受信して電気信号に変換して出力する出力側ＩＤＴ電極と、
前記圧電基板の一主面のうち前記入力側ＩＤＴ電極および前記出力側ＩＤＴ電極の間に位置した、前記弾性表面波を遅延させるとともに、検体が備える標的の吸着または該標的との反応に応じて質量が変化する検出部とを有し、
前記入力側ＩＤＴ電極に、前記高周波信号が、前記検出部による前記弾性表面波の遅延時間から前記入力側ＩＤＴ電極と前記出力側ＩＤＴ電極との電磁結合に起因する直達波の到達時間を差し引いた時間以上であり、かつ前記入力側ＩＤＴ電極から前記出力側ＩＤＴ電極への前記弾性表面波の３次応答波の到達時間未満の印加時間の１パルスの信号として入力される、ＳＡＷセンサ。
前記圧電基板の前記一主面上に前記入力側ＩＤＴ電極，前記出力側ＩＤＴ電極および前記検出部を覆うように配置された、導入口から下面の前記検出部上まで延びる流路を有する保護部材をさらに有する請求項１に記載のＳＡＷセンサ。
請求項１または請求項２に記載のＳＡＷセンサと、前記１パルスの信号を生成する高周波信号印加手段とを有するＳＡＷセンサ装置。
前記高周波信号印加手段による前記１パルスの信号の印加時間と、前記出力側ＩＤＴ電極からの前記電気信号の出力時間とが一部重複する、請求項３記載のＳＡＷセンサ装置。
前記出力側ＩＤＴ電極から出力される前記電気信号をサンプリングする電気信号サンプリング手段をさらに有する、請求項３または４記載のＳＡＷセンサ装置。
前記電気信号サンプリング手段は、前記１パルスの信号の印加を開始してから、前記１パルスの信号の前記印加時間と前記直達波の信号幅に相当する時間とを足し合わせた時間以上を経過した後にサンプリングする、請求項５に記載のＳＡＷセンサ装置。
前記電気信号サンプリング手段は、前記電気信号をフーリエ変換した際に時間によらずに信号が一定である領域においてサンプリングする、請求項５に記載のＳＡＷセンサ装置。