JP2015052524A - 弾性表面波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】液体を検出領域に導入する際の多孔性基材による検出領域へのダメージの発生を抑える。
【解決手段】ＳＡＷセンサ１は、弾性表面波を伝播する圧電素子基板１０と、電気信号と弾性表面波との変換を行う電極１１−１と、弾性表面波の伝播路に配置され、検体である液体が導入される検出領域と、検出領域上に配置され、液体が浸潤する多孔性基材１３と、検出領域と多孔性基材とを、少なくとも多孔性基材に液体が浸潤していない状態で所定距離だけ離間させる凸部材２１−１、２１−２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波センサに関する。

弾性表面波センサ（ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）センサ）の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている弾性表面波センサは、弾性表面波によって免疫反応を測定する弾性波バイオセンサである。特許文献１に記載されている弾性表面波センサは、圧電性基板上に形成された１対の櫛形電極（ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ））と、その１対の櫛形電極の間に形成された検出領域と、その検出領域に接触するように設けられた多孔性基材とを備えている。そして、検体である液体を多孔性基材に滴下及び浸潤させることで、液体を検出領域に確実かつ均一に導入することを可能としている。

特開２０１３−９６８６６号公報

特許文献１に記載されている弾性表面波センサは、検出領域に液体を導入するため、検出領域に多孔性基材を直接接触させている。そのため、振動などによって多孔性基材が動いた場合、検出領域を構成する薄膜の表面自体と薄膜表面に固定されたバイオ膜（以下、本願では薄膜とバイオ膜とから検出領域が構成されているものとする）のどちらかに擦り傷等のダメージが発生する場合があった。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、液体を検出領域に導入する際の多孔性基材による検出領域へのダメージの発生を抑えることができる弾性表面波センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の弾性表面波センサは、弾性表面波を伝播する圧電素子基板と、電気信号と前記弾性表面波との変換を行う電極と、前記弾性表面波の伝播路に配置され、検体である液体が導入される検出領域と、前記検出領域上に配置され、液体が浸潤する多孔性基材と、前記検出領域と前記多孔性基材とを、少なくとも前記多孔性基材に液体が浸潤していない状態で所定距離だけ離間させる凸部材とを備えることを特徴とする。

また、本発明の他の態様の弾性表面波センサは、前記検出領域を複数備え、前記凸部材を前記検出領域間に設けたことを特徴とする。

また、本発明の他の態様の弾性表面波センサは、前記検出領域を挟んで前記電極に対向する位置に設けられた反射器を備え、前記多孔性基材が、前記反射器側の前記圧電素子基板端部近傍上に前記液体の滴下領域を有していることを特徴とする。

また、本発明の他の態様の弾性表面波センサは、前記多孔性基材が、前記液体を前記検出領域に導入する際に前記液体が滴下される滴下用多孔性基材に所定の押圧力によって接触されるものであることを特徴とする。

本発明の弾性表面波センサによれば、凸部材によって検出領域と多孔性基材とが離間されているので、液体を検出領域に導入する際の検出領域へのダメージの発生を抑えることができる。

本発明の第１実施形態の弾性表面波センサ（以下、ＳＡＷセンサ）の概略構成を示した模式図である。 図１に示したＳＡＷセンサ１への液体の導入過程を説明するための説明図である。 図１に示したＳＡＷセンサ１への液体の導入過程を説明するための他の説明図である。 図１に示したＳＡＷセンサ１への液体の導入過程を説明するための他の説明図である。 本発明の第２実施形態のＳＡＷセンサの概略構成を示した模式図である。 本発明の第３実施形態のＳＡＷセンサの概略構成を示した模式図である。 本発明の第４実施形態のＳＡＷセンサの概略構成を示した模式図である。 本発明の第１実施形態のＳＡＷセンサ１の駆動回路の一例を説明するためのブロック図である。 図８に示した駆動回路１００の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図８に示したＳＡＷセンサ１の動作波形の一例を説明するための波形図である。 本発明の第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１の駆動回路の一例を説明するためのブロック図である。 図１１に示した駆動回路１００ａの動作を説明するための説明図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１の概略的な模式図である。図１（ａ）は、ＳＡＷセンサ１の概略的な上面図であり、図１（ｂ）はＳＡＷセンサ１を切断面Ａから見た概略的な断面図である。ＳＡＷセンサ１（弾性表面波センサ）は、圧電素子基板１０、送信電極１１−１ａ、送信電極１１−１ｂ、受信電極１１−２ａ、受信電極１１−２ｂ、反応領域薄膜１２、多孔性基材１３、封止構造１４−１、及び封止構造１４−２を含んでいる。ＳＡＷセンサ１は、さらに、凸部材２１−１及び凸部材２１−２を含んでいる。

圧電素子基板１０は、ＳＡＷを伝播する基板である。圧電素子基板１０は、水晶基板である。

送信電極１１−１ａ及び送信電極１１−１ｂは、送信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。以下、送信電極１１−１ａ及び送信電極１１−１ｂを総称してＩＤＴ１１−１と呼ぶものとする。送信電極１１−１ａ及び送信電極１１−１ｂは、電気信号とＳＡＷとの変換を行う電極である（なお、この変換は双方向で可能である）。

また、受信電極１１−２ａ及び受信電極１１−２ｂは、受信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。以下、受信電極１１−２ａ及び受信電極１１−２ｂを総称してＩＤＴ１１−２と呼ぶものとする。受信電極１１−２ａ及び受信電極１１−２ｂは、ＳＡＷと電気信号との変換を行う電極である。

ＩＤＴ１１−１及びＩＤＴ１１−２（総称してＩＤＴ１１と呼ぶ）は、圧電素子基板１０上に構成される電極である。ＩＤＴ１１は、対向した一対の電極である。ＩＤＴ１１は、例えばアルミニウム薄膜によって構成される。

反応領域薄膜１２は、金を蒸着して生成した薄膜である。反応領域薄膜１２は、表面に抗体を担持した薄膜である。反応領域薄膜１２は、圧電素子基板１０上であって、圧電素子基板１０上に対向して設けられた一対のＩＤＴ１１の間の領域に形成される。
圧電素子基板１０と反応領域薄膜１２との重なる部分が、検体である液体が導入される検出領域（センサ表面となる領域）となる。上述したように、本願では反応領域薄膜１２と反応領域薄膜１２上に固定されたバイオ膜とから検出領域が構成されているものとする。この検出領域は、ＳＡＷの伝播路に配置され、検体である液体が導入される。

多孔性基材１３は、反応領域薄膜１２に対して所定の隙間Ｇ（所定距離）を有して設けられる基材である。この多孔性基材１３は、上記検出領域上に配置されていて、検体である液体が浸潤する。多孔性基材１３は、例えばニトロセルロースなどの物質から構成される。多孔性基材１３は、凸部材２１−１及び凸部材２１−２の上面に接するように設置され、凸部材２１−１及び凸部材２１−２の高さによって決定される所定の距離だけ離間して反応領域薄膜１２上の領域に設置される。多孔性基材１３は、反応領域薄膜１２を完全に覆うように又は特定の領域を限定的に覆うように設置される。また、多孔性基材１３は、反応領域薄膜１２とは別の平面領域に形成されている凸部材２１−１及び凸部材２１−２に重なる大きさを持つ平面形状を有している。多孔性基材１３は、例えば、凸部材２１−１及び凸部材２１−２の両方あるいは一方に接着剤等によって固定される。多孔性基材１３は、滴下された溶液を保持し、その内部及び表面に溶液を浸潤させる。そして、多孔性基材１３は、滴下された溶液を、毛細管現象により多孔性基材１３内部で移送するとともに、多孔性基材１３が膨潤することで、あるいは、多孔性基材１３表面から凸部材２１−１や凸部材２１−２を伝わることで、表面張力の作用などによって、反応領域薄膜１２の表面やバイオ膜に（すなわち検出領域に）移送し、保持する。つまり、ＳＡＷセンサ１は、滴下された溶液を多孔性基材１３内部及び反応領域薄膜１２の表面に保持する。その際、多孔性基材１３と反応領域薄膜１２の表面とは、全然接触しないか、あるいは接触したとしても短時間、低い接触圧もしくは全面ではなく一部の領域のみでの接触となる。したがって、特許文献１のＳＡＷセンサように、多孔性基材と反応領域薄膜１２とを全領域に渡って直接接触させ、固定する場合に比べて、接触圧や接触面積を零とすることができるか、あるいは少なくとも小さくすることができる。

凸部材２１−１及び凸部材２１−２は、少なくとも多孔性基材１３に液体が浸潤していない状態で、あるいは液体が浸潤している状態であっても、反応領域薄膜１２と多孔性基材１３とが直接接触しないよう離間させるために設けられた凸部である。すなわち、凸部材２１−１及び凸部材２１−２は、反応領域薄膜１２と多孔性基材１３との間に所定の大きさの隙間Ｇが確保されるように、多孔性基材１３を支持する部材である。凸部材２１−１及び凸部材２１−１は、後述する封止構造１４−１及び封止構造１４−２と同様な構造を有するものであってもよいし、あるいはワイヤーボンディングなどの保護で使用されるエポキシ樹脂や、ダイボンディングなどでパッケージと圧電基板を接着する目的で利用される樹脂(主にエポキシ樹脂)等であってもよい。また、凸部材２１−１及び凸部材２１−１は、図１に示した形状及び配置と異なり、封止構造１４−１又は封止構造１４−２と一体として形成されていてもよい。あるいは、凸部材２１−１及び凸部材２１−１は、図１には示していないＳＡＷセンサ１のプラスチック製等の外部筐体と一体として形成されるものであってもよい。

ＳＡＷセンサ１では、多孔性基材１３内を移送された溶液は、反応領域薄膜１２の特定の領域を濡らす。ここで、特定の領域とは、多孔性基材１３と反応領域薄膜１２との重なる部分によって面積が定められる領域である。例えば、反応領域薄膜１２の全面を多孔性基材１３で覆う場合、反応領域薄膜１２の全領域となる。
検体である溶液中の抗原は、反応領域薄膜１２上に担持された抗体と反応し、反応領域薄膜１２上の特定領域に抗原抗体結合物を生成する。すなわち、反応領域薄膜１２では、その表面に抗原を含んだ液体試料を滴下することにより、反応領域薄膜１２上に担持された抗体と、液体試料中の抗原との間で抗原抗体反応が起こる。その結果、反応領域薄膜１２上には、反応領域薄膜１２上に担持した抗体と抗原が結合した抗原抗体結合物が生成する。なお、反応領域薄膜１２は、金以外であっても抗体を担持できるものであればいかなるものでもよい。また、本願では反応領域薄膜１２上に固定された抗体がつくる膜（あるいは層）をバイオ膜と呼ぶ。

送信電極部側の封止構造１４−１は、封止壁１５−１と封止天井１６−１とを備えている。なお、封止壁１５−１と封止天井１６−１との間には両者を接着するための接着層が設けられるが、図１においては省略している。
封止壁１５−１は、ＩＤＴ１１−１を覆う壁であり、圧電素子基板１０上に矩形状に形成される。封止壁１５−１は、例えば感光性樹脂により構成される。
また、封止天井１６−１は、封止壁１５−１の上側を塞ぎ、ＩＤＴ１１−１を外部から密閉するための天井である。封止天井１６−１は、封止天井１６−１の平面領域内に封止壁１５−１が収まるように封止壁１５−１の上側に配置される。封止天井１６−１は、例えばガラス基板で構成される。なお、封止壁１５−１と封止天井１６−１との間には、不図示の接着層が設けられ、封止壁１５−１と封止天井１６−１との間を密封して接着する。
封止構造１４−１は、ＩＤＴ１１−１（端部を除き）を外部から密閉してＩＤＴ１１−１上に空間を形成するように覆い、ＩＤＴ１１−１が液体と接触することを防ぐ封止構造である。

また、受信電極部側の封止構造１４−２は、封止構造１４−１と同様に、封止壁１５−２と封止天井１６−２とを備え、ＩＤＴ１１−２を外部から密閉してＩＤＴ１１−２上に空間を形成するように覆い、ＩＤＴ１１−２が液体と接触することを防ぐ封止構造である。これら封止構造１４−１及び封止構造１４−２により、検出領域における雰囲気（例えば湿度）の変化があったとしても、ＩＤＴ１１−１、及びＩＤＴ１１−２は、その影響を受けにくくなる。
また、図１では、多孔性基材１３を封止構造１４−１及び封止構造１４−２の封止天井と重ならないように配置する例を示しているが、多孔性基材１３は、反応領域薄膜１２が配置されるセンサの検出領域を覆うように配置されていれば、封止天井と重なるように配置してもよい。

図２は、図１に示したＳＡＷセンサ１への液体の滴下過程の一例を説明するための説明図である。なお、図２では図１に示した構成に同一の符号を付け説明を省略する。図２（ａ）は図１に示したＳＡＷセンサ１の上面図であり、図２（ｂ）は切断面Ｂから見た概略的な断面図である。図２に示した滴下過程の一例では、ＳＡＷセンサ１の多孔性基材１３と重なるように滴下用多孔性基材５１を配置し、図２（ｂ）に示したように、滴下用多孔性基材５１の上から固定ピン６１を所定の押圧力で下向きに押し当てることで、多孔性基材１３と滴下用多孔性基材５１とを接触させ、固定している。ここで固定ピン６１は、多孔性基材１３が検出領域からずれてしまうことを防止する作用も奏する。滴下用多孔性基材５１は、多孔性基材１３と同じ特性を有する材質であってもよいし、異なる特性を有する材質であってもよい。また、固定ピン６１は、多孔性基材１３や滴下用多孔性基材５１に対してどのような位置で押し当ててもよい。すなわち、多孔性基材１３が検出領域からずれてしまうことを防止したり、多孔性基材１３と滴下用多孔性基材５１とを接触及び固定させる作用を奏したりするものであれば、固定ピン６１の位置、設置箇所もしくは接点数、または形状は、特に限定されない。
また、図２（ｂ）において滴下用多孔性基材５１は治具６２及び治具６３によって下方向から支えられている。また、治具６３は多孔性基材１３の水平面より高くなる位置に固定されていて、滴下用多孔性基材５１は右から左に向かって固定ピン６１の端部周辺まで下り方向に傾斜している。図２に示した例では、液体を検出領域に導入する際に、図２（ａ）に示した滴下用多孔性基材５１上の滴下領域５２に、図２（ｂ）に矢印で示した方向で検体となる液体を滴下する。
滴下用多孔性基材５１の滴下領域５２に滴下された液体は、毛細管現象によって滴下用多孔性基材５１を浸潤し、滴下用多孔性基材５１と多孔性基材１３とが接触している部分で滴下用多孔性基材５１から多孔性基材１３へと浸潤する。

図３及び図４は、図２（ｂ）の概略断面図において、多孔性基材１３に浸潤した液体が、反応領域薄膜１２の表面に移送する過程を説明するための模式図である。図３は、多孔性基材１３が膨潤することで、多孔性基材１３と反応領域薄膜１２との隙間が小さくなることを利用して多孔性基材１３から反応領域薄膜１２の表面に液体７１を移送する例を模式的に示している。図３に示した例では、液体によって多孔性基材１３が膨潤することで多孔性基材１３に膨張部１３ａが発生し、多孔性基材１３表面を濡らしていた液体７１が、表面張力によって反応領域薄膜１２へ移り、反応領域薄膜１２の表面を濡らしている。一方、図４は、液体が、多孔性基材１３の表面から凸部材２１−１や凸部材２１−２の表面に移り、さらに凸部材２１−１や凸部材２１−２の表面から反応領域薄膜１２の表面に移動する例を模式的に示している。

なお、図３及び図４に示した多孔性基材１３から反応領域薄膜１２の表面への液体の移送例は、一例であって移送過程はそれらに限定されない。少なくとも多孔性基材１３と、反応領域薄膜１２の表面自体あるいは表面に固定されたバイオ膜とが、全面にわたって（あるいは一定以上の接触圧力を有して）直接接触することなく、多孔性基材１３から反応領域薄膜１２の表面等の検出領域に液体が移送することができるものであればよい。例えば図３に示した多孔性基材１３の膨潤による反応領域薄膜１２の表面の濡れと、図４に示した多孔性基材１３から凸部材２１−１及び凸部材２１−２を伝っての反応領域薄膜１２の表面の濡れとの両方が発生する場合などであってもよい。

本実施形態によれば、凸部材２１−１及び凸部材２１−２を圧電素子基板１０上に配置したので、多孔性基材１３と検出領域（すなわち反応領域薄膜１２の表面あるいは表面に固定されたバイオ膜）とが直接接触しない。そのため、ＳＡＷセンサの検出領域と多孔性基材とが直接接触している場合に発生する、振動などによる擦れ傷やダメージの発生を避けることができる。また、図２等に示したように、固定ピン６１等を用いて多孔性基材１３に圧力を掛ける場合でも、多孔性基材１３は直接検出領域に接触しないようにすることができるので、固定ピンの設置圧力によってＳＡＷセンサ１の特性がバラツク（変化する）ことを防ぐことができる。つまり、固定ピン６１の設置圧力が仮に異なっても、検出領域に多孔性基材１３が直接接触しておらず特性に影響しないようにすることができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係るＳＡＷセンサ１ａの概略的な模式図である。図５（ａ）は、ＳＡＷセンサ１ａの概略的な上面図であり、図５（ｂ）はＳＡＷセンサ１ａを切断面Ｃから見た概略的な断面図である。なお、図５において図１に示したものと同一の構成には同一の符号を付け説明を省略する。

図５に示したＳＡＷセンサ１ａは、図１に示したＳＡＷセンサ１の検出領域を２個に増やしたものである。つまり、センサ出力を１チャネルから２チャンネルに増加させたものである。この場合、ＳＡＷセンサ１ａは、図１に示したＳＡＷセンサ１が含む構成に加え、新たに送信電極１１−３ａ及び送信電極１１−３ｂ（総称はＩＤＴ１１−３）と、反応領域薄膜１２−２と、受信電極１１−４ａ及び受信電極１１−４ｂ（総称はＩＤＴ１１−４）とを含んでいる。なお、図５において、反応領域薄膜１２−１が、図１に示した反応領域薄膜１２に対応する構成である。また、ＩＤＴ１１−３とＩＤＴ１１−４とは、ＩＤＴ１１−１とＩＤＴ１１−２と同じ封止構造１４−１と封止構造１４−２とによってそれぞれ封止されている。

多孔性基材１３は、凸部材２１−１及び凸部材２１−２を覆う形の平面形状を有していて、反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２上に所定の隙間Ｇを有して設置されている。また、多孔性基材１３への液体の浸潤は、例えば図２を参照して説明した第１実施形態と同様に滴下用多孔性基材５１と固定ピン６１とを用いた構成にて滴下用多孔性基材５１に液体を滴下することで行うことができる。図５（ａ）には、その場合に、固定ピン６１に押さえられる領域１３ｂを一点鎖線で示した。この場合、多孔性基材１３への液体の浸潤は、反応領域薄膜１２−１と反応領域薄膜１２−２との中間中央部付近から行われるので、反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２（つまり反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２上の各検出領域）に対して同一の液体が均一に浸潤する。ただし、多孔性基材１３への液体の浸潤の仕方はこれに限らず、例えば、領域１３ｂに直接液体を滴下することで行うこともできる。

なお、図５に示したＳＡＷセンサ１ａでは、反応領域薄膜１２−１と反応領域薄膜１２−１とに、異なる特性のバイオ膜を固定したり、一方にバイオ膜を形成して他方にバイオ膜を固定しなかったり、あるいは、同一のバイオ膜を固定したりすることができる。

第２実施形態のＳＡＷセンサ１ａでも、第１実施形態と同様に、凸部材２１−１及び凸部材２１−２を圧電素子基板１０上に配置したので、多孔性基材１３と各検出領域（すなわち反応領域薄膜１２の表面あるいは表面に固定されたバイオ膜）とが直接接触しない。そのため、ＳＡＷセンサの検出領域と多孔性基材とが直接接触している場合に発生する、振動などによる擦れ傷やダメージの発生を避けることができる。また、図２等に示したように、固定ピン６１等を用いて多孔性基材１３に圧力を掛ける場合でも、多孔性基材１３は直接検出領域に接触しないので、固定ピンの設置圧力によってＳＡＷセンサ１ａ全体としての特性やチャネル毎の特性がバラツクことを防ぐことができる。つまり、固定ピン６１の設置圧力が仮に異なっても、検出領域に多孔性基材１３が直接接触しておらず、特性に影響しない。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るＳＡＷセンサ１−１の概略的な模式図である。図６（ａ）は、ＳＡＷセンサ１−１の概略的な上面図であり、図６（ｂ）はＳＡＷセンサ１−１を切断面Ｄから見た概略的な断面図である。なお、図６において図１又は図５に示したものと同一の構成には同一の符号を付け説明を省略する。

第１実施形態のＳＡＷセンサ１及び第２実施形態のＳＡＷセンサ１ａが送信用のＩＤＴと受信用のＩＤＴとを個別に設けるトランスバーサル型と呼ばれるＳＡＷセンサであるのに対して、第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１は、反射型と呼ばれる構造を有している。すなわち、第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１は、一方のＩＤＴを無くして代わりに検出領域を挟んで送信用電極に対向する位置に反射器２２−１又は反射器２２−２を設けている。この構成では、１個のＩＤＴを例えば時分割で切り替えることで送信用と受信用とで共用することができる。なお、第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１は、第２実施形態のＳＡＷセンサ１ａと同様に、２チャンネルのセンサである。

なお、図６において、反射器２２−１はＩＤＴ１１−１から送信されたＳＡＷを反射する。この反射器２２−１は、ＩＤＴ１１−１と反応領域薄膜１２−１を挟んで対向する位置に配置され、例えば、ＩＤＴ１１−１と同様の電極材を使用するＳＡＷの１波長の１／４の線幅を持ち２分の１波長の間隔で複数整列させた構造を有している。また、反射器２２−２はＩＤＴ１１−３から送信されたＳＡＷを反射する。この反射器２２−２は、ＩＤＴ１１−３と反応領域薄膜１２−２を挟んで対向する位置に配置され、例えば、反射器２２−１と同様の構造を有している。図６に示した構成例では、反射器２２−１及び反射器２２−２は、圧電素子基板１０上に露出した形で形成されていて、反射器２２−１及び反射器２２−２上には封止構造１４−１のような封止構造は設けられていない。なお、図６に示した例ではＳＡＷを反射する構造物を、電極を用いて電気的に反射する反射器を用いて構成しているが、ＳＡＷの反射は機械的反射とすることもできる。例えば、圧電素子基板１０の端面より弾性表面波を反射することも可能である。すなわち、ＳＡＷを反射する手法は、反射器を設置する以外のものであってもよい。

また、図６において、多孔性基材１３−１が図１等に示した多孔性基材１３に対応する構成である。また、凸部材２１−３及び凸部材２１−４が図１等に示した凸部材２１−１及び凸部材２１−２に対応する構成である。多孔性基材１３−１は、図１等に示した多孔性基材１３と同一の材質を有しているが、平面形状が次のように異なっている。すなわち、多孔性基材１３−１は、反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２と、凸部材２１−３及び凸部材２１−４とを覆うとともに、反射器２２−１及び反射器２２−２と、反射器２２−１及び反射器２２−２側の圧電素子基板１０の端部近傍までとを覆うような平面形状を有している。また、凸部材２１−３及び凸部材２１−４は、反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２と多孔性基材１３−１とが平行する領域に加えて、反射器２２−１及び反射器２２−２と多孔性基材１３−１とが平行する領域にわたるような平面形状を有している。したがって、凸部材２１−３及び凸部材２１−４は、多孔性基材１３−１と、反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２並びに反射器２２−１及び反射器２２−２との間に所定の隙間Ｇを確保する構造物として機能する。

また、多孔性基材１３−１への液体の浸潤は、例えば図２を参照して説明した第１実施形態と同様に滴下用多孔性基材５１と固定ピン６１とを用いた構成にて滴下用多孔性基材５１に液体を滴下することで行うことができる。図６（ａ）には、その場合に、固定ピン６１に押さえられる領域１３−１ｂを一点鎖線で示した。この場合、多孔性基材１３−１への液体の浸潤は、反応領域薄膜１２−１と反応領域薄膜１２−２との中間中央部付近から行われる。したがって、反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２（つまり反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２が構成する検出領域）に対して同一の液体が均一に浸潤する。ただし、多孔性基材１３−１への液体の浸潤の仕方はこれに限らず、例えば、領域１３−１ｂに直接液体を滴下することで行うこともできる。

さらに、第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１では、多孔性基材１３−１への液体の浸潤を次のようにして行うことができる。すなわち、図６（ａ）で多孔性基材１３−１上に２点鎖線で示した領域（滴下領域）１３−１ｃに液体を直接（あるいは他の多孔性基材を介して）滴下することで多孔性基材１３−１へ液体を浸潤させることができる。この領域１３−１ｃは、反射器２２−１及び反射器２２−２側の圧電素子基板１０端部近傍上に設けられている。第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１は、反射型のＳＡＷセンサであるため、反射器２２−１及び反射器２２−２側の端部にはＩＤＴ１１のようにＳＡＷセンサ１−１の外部と電気的に接続される端子を備えていない。そのため、反射器２２−１及び反射器２２−２側の端部であれば、ＩＤＴ１１側の端部に比べ液体による濡れを回避する必要性が低下する。すなわち、液体を滴下する場合に、液体が検出領域以外で圧電素子基板１０を濡らしてしまうこと避ける必要性が低下する。よって、多孔性基材１３−１へは比較的容易に液体を直接滴下することができる。また、領域１３−１ｃに液体を滴下した場合、各検出領域に対する液体の浸潤速度を比較的容易にチャネル間で同一とすることができる。つまり、各検出領域上の領域１３−１ｂに直接液体を滴下する場合、滴下位置が一方の検出領域の方向にずれてしまうと一方の検出領域への液体の浸潤が早く進むことが考えられる。他方、領域１３−１ｃに液体を滴下する場合には、領域１３−１ｃと各検出領域との間に一定の距離があるので、滴下位置のチャネル間での偏り（あるいはずれ）による影響は受けにくくなる。

第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１でも、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、凸部材２１−３及び凸部材２１−４を圧電素子基板１０上に配置したので、多孔性基材１３−１と各検出領域（すなわち反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２の表面あるいは表面に固定されたバイオ膜）とが直接接触しない。そのため、ＳＡＷセンサの検出領域と多孔性基材とが直接接触している場合に発生する、振動などによる擦れ傷やダメージの発生を避けることができる。また、図２等に示したように、固定ピン６１等を用いて多孔性基材１３−１に圧力を掛ける場合でも、多孔性基材１３−１は直接検出領域に接触しないので、固定ピンの設置圧力によってＳＡＷセンサ１−１全体としての特性やチャネル毎の特性がバラツクことを防ぐことができる。つまり、固定ピン６１の設置圧力が仮に異なっても、検出領域に多孔性基材１３−１が直接接触しておらず、特性に影響しない。

（第４実施形態）
図７は、第４実施形態に係るＳＡＷセンサ１−１ａの概略的な模式図である。図７（ａ）は、ＳＡＷセンサ１−１ａの概略的な上面図であり、図７（ｂ）はＳＡＷセンサ１−１ａを切断面Ｅから見た概略的な断面図である。なお、図７において図６等に示したものと同一の構成には同一の符号を付け説明を省略する。

図７に示したＳＡＷセンサ１−１ａは、図６を参照し説明したＳＡＷセンサ１−１に対して、さらに、１個の凸部材２１−５を反応領域薄膜１２−１及び反応領域薄膜１２−２の中間部に追加した構成を有している。凸部材２１−５は、例えば他の凸部材２１−３及び凸部材２１−４と同一構造を有している。このＳＡＷセンサ１−１ａでは、凸部材２１−５を設けたことで、図６に示したＳＡＷセンサ１−１に対して、多孔性基材１３−１のたわみ等の変形を抑制することができる。

（第１実施形態及び第２実施形態のＳＡＷセンサの駆動回路）
次に、図８から図１０を参照して、第１実施形態のＳＡＷセンサ１及び第２実施形態のＳＡＷセンサ１ａの１チャネル分のセンサの駆動及び検出のための回路（駆動回路と呼ぶ）の構成例について説明する。

図８は、駆動回路１００の構成例を説明するためのブロック図である。図９は、図８に示した駆動回路１００の各部の波形を示すタイミングチャートである。図１０は、ＳＡＷセンサ１の出力信号の一例を示したグラフである。

図８に示したように、駆動回路１００は、発振回路１０１、クロック発生回路１０２、入力制御ロジック１０３、出力制御ロジック１０４、高周波スイッチ１０５、位相・振幅検出回路１０６、サンプルホールド回路１０７、サンプルホールド回路１０８、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換回路１０９、及びＡ／Ｄ変換回路１１０を備えている。

発振回路１０１は、所定の周波数の高周波信号を発振する。発振回路１０１が生成した高周波信号は、高周波スイッチ１０５の一方の入力端子と位相・振幅検出回路１０６の一方の入力端子へ入力される。クロック発生回路１０２は、所定の周波数のクロック信号を発生し、入力制御ロジック１０３と出力制御ロジック１０４とに入力する。

入力制御ロジック１０３は、図９に示したように、一定のバースト周期ｔ１で繰り返して、バースト間隔時間ｔ２だけＨ（ハイ）レベルとなる信号を生成し、高周波スイッチ１０５へ出力する。出力制御ロジック１０４は、入力制御ロジック１０３がＬレベルとなってから一定の時間ｔｄが経過した後、一定時間ｔ３だけＨレベルとなる信号を生成し、サンプルホールド回路１０７及びサンプルホールド回路１０８へ出力する。高周波スイッチ１０５は、入力制御ロジック１０３の出力信号がＨレベルの場合、発振回路１０１が出力した高周波信号を出力し、入力制御ロジック１０３の出力信号がＬ（ロー）レベルの場合、グランドレベルの信号を出力する。この高周波スイッチ１０５の出力信号がＳＡＷセンサ１（あるいはＳＡＷセンサ１ａの一方のチャネル）のＩＤＴ１１−１（あるいはＩＤＴ１１−３）へ入力される。

位相・振幅検出回路１０６は、発振回路１０１が出力した高周波信号と、ＳＡＷセンサ１（あるいはＳＡＷセンサ１ａの一方のチャネル）のＩＤＴ１１−２（あるいはＩＤＴ１１−４）の出力信号を入力する。位相・振幅検出回路１０６は、入力した高周波信号を基準信号として、ＳＡＷセンサ１から入力した信号の位相変化（＝位相差）と振幅変化（＝振幅減衰量）とを表すアナログ信号を求めて、サンプルホールド回路１０７とサンプルホールド回路１０８とへ出力する。

サンプルホールド回路１０７は、位相・振幅検出回路１０６が出力した位相変化を表す信号を、出力制御ロジック１０４の出力信号がＨレベルの間に取り込み、Ｌレベルの期間取り込んだ信号を保持しＡ／Ｄ変換回路１０９に対して出力する。サンプルホールド回路１０８は、位相・振幅検出回路１０６が出力した振幅変化を表す信号を、出力制御ロジック１０４の出力信号がＨレベルの間に取り込み、Ｌレベルの期間取り込んだ信号を保持しＡ／Ｄ変換回路１１０に対して出力する。そして、Ａ／Ｄ変換回路１０９とＡ／Ｄ変換回路１１０とは、それぞれ入力されたサンプルホールド回路１０７の出力とサンプルホールド回路１０８の出力とをデジタル信号に変換して、位相出力と振幅出力として出力する。

次に、図９及び図１０を参照して図８に示した駆動回路１００の動作について説明する。図８に示した駆動回路１００は、バースト信号方式のＳＡＷセンサ１（あるいはＳＡＷセンサ１ａの一方のチャネル；以下ＳＡＷセンサ１を代表して用いる）の駆動回路である。すなわち、図８に示した駆動回路１００は、高周波信号を間欠的にオン・オフしてＳＡＷセンサ１へ入力し、高周波信号をオフしている期間に検出領域によって生じたＳＡＷの位相及び振幅変化を検出する。図１０は、ＳＡＷセンサ１の出力信号の時間応答を表すグラフである。

ＳＡＷセンサ１の時間応答は、波長λ（音速と周波数の関数で決める）と音速（伝搬速度）Ｖと伝搬距離Ｌで決定される。図１０の時間応答が計測されたＳＡＷセンサ１の場合、主信号の伝搬応答は約２．３μである。グラフ上で判断できるその他の信号は、時間０μｓからの直達と時間７μｓの主信号のＴＴＥ（ｔｒｉｐｌｅ ｔｒａｎｓｉｔ ｅｃｈｏ）である。ここでＴＴＥは入力電極で発生したＳＡＷが出力電極で受信されるとともに、一部は反射し、入力電極へ戻り、さらにそこでもう一度反射して再び出力電極で受信される現象である。直達はセンサの伝搬を直接介さない変化で主信号が変化しても変化しない。ＴＴＥは反射が影響した信号のため３回通過するため３倍変化する。

バースト信号を利用した回路方式は、主にこの直達とＴＴＥの影響を除く回路方式と言える。ＳＡＷセンサ１を通過した信号は、直達の信号をまず初めに出力し始める。そして、主信号の遅延時間後から主信号の成分を出力する。同様にＴＴＥの遅延時間後からＴＴＥの成分を出力する。単純に考えるために仮に主信号と直達の差よりも小さなバースト信号をＳＡＷセンサ１へ入力した場合、信号はそれぞれのタイミングで容易に分離可能である。

位相・振幅検出回路１０６は、発振回路１０１より出力される基準信号とＳＡＷセンサ１の出力を比較して直流電圧として出力する。振幅検出は基準信号に対してレベル差を振幅レベルを調整して検出する。位相検出は基準信号とＳＡＷセンサ１の出力を掛け算器に入力し位相差を検出する。

次にサンプルホールド回路１０７及びサンプルホールド回路１０８の仕組みについて説明する。ＳＡＷセンサ１の出力を検出する位相・振幅検出回路１０６は主信号や直達成分の位相変化や振幅変化を表す信号を出力する。そこで主信号の信号のみを検出するためにサンプルホールド回路１０７及びサンプルホールド回路１０８を利用する。サンプルホールド回路１０７及びサンプルホールド回路１０８は直流電圧をメモリする役割を担っている。それは、出力制御ロジック１０４の出力信号がＬレベルの場合ホールド回路の出力電圧を維持する。他方、出力制御ロジック１０４の出力信号がＨレベルの場合にはその場での入力電圧に出力電圧を更新する。このホールドを用いることで主信号のみの信号を長い時間維持することが可能である。その後アナログ成分である直流電圧の出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路１０９及びＡ／Ｄ変換回路１１０でデジタル信号に変換されて、図示していないＣＰＵ（中央処理装置）側へ出力したり、ディスプレイに出力したりされる。Ａ／Ｄ変換回路１０９及びＡ／Ｄ変換回路１１０によるアナログ／デジタルの変換は１回分のホールド信号に対して複数回行い、平均値を求めることが可能である。この場合、変換は平均回数を増やすことによってノイズ成分を低いレベルに落とすことが可能であり、図９に示した構成で検出信号をサンプルホールドしている主目的となる。駆動回路１００内の各回路はコンデンサーなどにより立ち上がりで時間応答を持つものがあるが、複数回の変換後の平均化処理によってこのような回路自体の時間応答も解決することができる。この平均か処理は、例えば、外部のＣＰＵで行ってもよいし、Ａ／Ｄ変換回路１０９及びＡ／Ｄ変換回路１１０の内部に平均化処理を行うための構成を設けてもよい。

なお、図９に示した各時間ｔ１、ｔ２及びｔ３は、次のように設定される。すなわち、ｔ１はバースト間の間隔に対応する時間であり、妨害波の影響により調整する。ｔ２はバーストの間隔に対応する時間であり、ＳＡＷの遅延時間未満に調整する。そして、ｔ３は位相・振幅検出回路１０６の出力のサンプルホールド時間に対応するものであり、ＳＡＷセンサ１の出力に含まれる目的の主信号のみを取得する時間に対応するように調整する。位相・振幅検出回路１０６の出力には、変化の立ち上がりと立ち下がりに誤差が含まれている。そこで出力制御ロジック１０４がＨレベルを出力する時間ｔ３は、時間ｔ２の間隔より短く設定して安定なポイントでサンプルホールドの書き換えを実施している。

（第３実施形態及び第４実施形態のＳＡＷセンサの駆動回路）
次に、図１１及び図１２を参照して、第３実施形態のＳＡＷセンサ１−１及び第４実施形態のＳＡＷセンサ１−１ａの各１チャネル分のセンサの駆動回路の構成例について説明する（以下、代表してＳＡＷセンサ１−１について説明する）。図１１に示した駆動回路１００ａは、反射型ＳＡＷセンサであるＳＡＷセンサ１−１の駆動回路である。駆動回路１００ａは、図８に示したトランスバーサル型ＳＡＷセンサの駆動回路１００に対して、高周波スイッチ１１１を新たに追加して備えている。そして、高周波スイッチ１０５の出力は高周波スイッチ１１１の一方の入力端子へ入力される。また、高周波スイッチ１１１の一方の入出力端子がＳＡＷセンサ１−１のＩＤＴ１１−１（あるいはＩＤＴ１１−３）に接続される。そして、高周波スイッチ１１１の他方の入出力端子が位相・振幅検出回路１０６の入力端子へ接続される。高周波スイッチ１１１は、入力制御ロジック１０３の出力信号がＨレベルの場合、高周波スイッチ１０５の出力信号をＳＡＷセンサ１−１のＩＤＴ１１−１等へ入力し、入力制御ロジック１０３の出力信号がＬレベルの場合、ＳＡＷセンサ１−１のＩＤＴ１１−１等からの出力信号を、位相・振幅検出回路１０６へ入力する。

図１２（ｂ）に示したように、反射型のＳＡＷセンサ１−１の伝搬距離Ｌ２を、トランスバーサル型のＳＡＷセンサ１の伝搬距離Ｌ１の半分に設定した場合、反射型もまったく同様でＳＡＷの時間応答は図１０のままである（したがって図１２（ａ）のタイミングチャートに示したように出力タイミングは同一となる）。この場合、図１０に示した伝搬応答が２．３μｓのトランスバーサル型ＳＡＷセンサに対して伝搬時間を同等とするには、反射型では反射器により反射されて電極へ戻ることから伝搬距離はトランスバーサル型に対して半分に設定すればよい。弾性表面波の大きな特徴は遅延時間が数μｓオーダーと駆動回路１００ａの内部回路の一般的な動作速度の数ｎｓオーダーに比べはるかに遅い。したがって、図１１に示したような構成によって適切なタイミングで高周波スイッチ１１１に制御信号を入力すればＳＡＷセンサ１−１の入出力を容易に切り替えることが可能である。

なお、本発明の実施形態に係る構成は、上記に限定されず、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更をすることが可能である。例えば、第４実施形態で設けた複数チャネルの検出領域間の凸部材を、第２実施形態のＳＡＷセンサに設けることも可能である。

１、１ａ、１−１、１−１ａ ＳＡＷセンサ
１０ 圧電素子基板
１１ 電極
１２、１２−１、１２−２ 反応領域薄膜
１３、１３−１ 多孔性基材
１３−１ｃ、５２ 滴下領域
１４−１、１４−２ 封止構造
５１ 滴下用多孔性基材
２１−１、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５ 凸部材
２２−１、２２−２ 反射器

Claims (4)

1. 弾性表面波を伝播する圧電素子基板と、
   電気信号と前記弾性表面波との変換を行う電極と、
   前記弾性表面波の伝播路に配置され、検体である液体が導入される検出領域と、
   前記検出領域上に配置され、液体が浸潤する多孔性基材と、
   前記検出領域と前記多孔性基材とを、少なくとも前記多孔性基材に液体が浸潤していない状態で所定距離だけ離間させる凸部材と
   を備えることを特徴とする弾性表面波センサ。
2. 前記検出領域を複数備え、
   前記凸部材を前記検出領域間に設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センサ。
3. 前記検出領域を挟んで前記電極に対向する位置に設けられた反射器を備え、
   前記多孔性基材が、前記反射器側の前記圧電素子基板端部近傍上に前記液体の滴下領域を有している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波センサ。
4. 前記多孔性基材が、前記液体を前記検出領域に導入する際に前記液体が滴下される滴下用多孔性基材に所定の押圧力によって接触されるものである
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。

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