JP2017156253A

JP2017156253A - 弾性波センサ

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Publication number: JP2017156253A
Application number: JP2016040585A
Authority: JP
Inventors: 曽我部　智浩; Tomohiro Sogabe; 智浩曽我部
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-03
Also published as: JP6604238B2

Abstract

【課題】弾性表面波デバイスは周囲の温度、湿度の影響を受けやすく、これらの影響を補正するための補償用弾性表面波デバイスも必要であるが、補償用弾性表面波デバイスも配置した場合、その専有面積は倍近くになり、小型化が困難である。【解決手段】本発明の弾性波センサは、弾性波を励振し、該弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる弾性波伝搬手段と、前記弾性波の伝搬経路上に配置され、検出対象の特定物質と反応する反応物質層と、を有し、前記特定物質による前記反応物質層の変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、前記特定物質を検出する弾性波センサであって、前記弾性波伝搬手段が前記基板の表裏両面に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波センサに関し、詳しくは、被検出物による弾性表面波デバイスへの導電性の変化または質量負荷の変化に基づいて被検出物を検出する弾性波センサに関する。

従来、環境、食品、医療等の様々な分野において、各種物質の検出や、該物質の量や濃度の測定を行うため構造が簡単で且つ小型化が期待できる弾性波デバイスを用いたセンサが研究されている。

弾性波センサのうち弾性表面波（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ，以下ＳＡＷと略す）デバイスを用いたセンサは、弾性波伝搬手段として、例えば図５のように圧電基板２上に、櫛歯状電極（ＩｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ，以下ＩＤＴと略す）からなる表面検出用入力電極３及び表面検出用出力電極４が形成された構成となっている。そして、ＩＤＴの表面検出用入力電極３に電気信号が印加されると、電極間に電界が発生し、圧電効果によりＳＡＷが励振され、ＳＡＷが表面検出用出力電極４に到達すると、再び電気信号に変換される。

弾性表面波デバイスを用いたセンサは、表面検出用入力電極３と表面検出用出力電極４との間の領域に反応膜層５が形成されており、質量が大きな検出対象物質の反応膜層への吸着により質量が増加し、それに伴いＳＡＷの共振周波数が低下するため、この検出対象物質の質量をＳＡＷの周波数変化として定量的に測定することが可能となる。

更には、検出対象物質の質量変化のみならず、検出対象物質の反応膜層への吸着による反応膜層の導電性変化をＳＡＷの周波数変化として量的に測定することも可能である。

ここで反応膜層とは、表面近傍が特定の気体分子が優勢的に物理吸着や化学吸着を起こしやすい物質を塗布した層のことである。

また、弾性表面波デバイスを用いた検出センサの多くは、圧電基板上を伝搬する弾性表面波（レイリー波）を利用して検出対象物質の質量等の検出を行っている。

また、弾性表面波デバイスを用いたセンサは、例えば図６のように圧電基板２表面に２対の表面検出用入力電極３と表面検出用出力電極４及び表面補正用入力電極８と表面補正用出力電極９を備えた弾性表面波デバイスが並んで配置されている。一方の弾性表面波デバイスには、表面検出用入力電極３及び表面検出用出力電極４の間に反応物質層５が配置されており、もう一方は補償用弾性表面波デバイスとして配置されている。

そして、反応物質層５の質量変化を基板表面を伝搬する弾性表面波の周波数変化と補償用弾性表面波の周波数変化の差を検出するように接続され、測定精度を向上させている。
尚、上記弾性表面波デバイスを用いたセンサ等については、下記先行技術文献に開示されている。

特開２００５−３３１３２６ＷＯ２０１０／０７３４８４特表２００８−５１８２０１

弾性表面波デバイスを用いたセンサは、化学センサやバイオセンサなど広く検討されているが、実用に供するためには小型化が重要である。取り分け携帯電話器に搭載するためには占有体積を抑える必要があるが、センサが小さくなればなるほどセンサの感度は低下するというトレードオフの関係にある。

更に、弾性表面波デバイスは周囲の温度、湿度、雰囲気の影響を受けやすく、これらの影響を補正するための補償用弾性表面波デバイスも必要であるが、補償用弾性表面波デバイスを配置した場合、図６のように専有面積は倍近くになり、小型化が困難である。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した弾性波センサを提供する。
上記目的を達成するため、本発明の弾性波センサは、弾性波を励振し、該弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる弾性波伝搬手段と、前記弾性波の伝搬経路上に配置され、検出対象の特定物質と反応する反応物質層と、を有し、前記特定物質による前記反応物質層の変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、前記特定物質を検出する弾性波センサであって、前記弾性波伝搬手段が前記基板の表裏の両面に配置されたものである。

また、本発明の弾性波センサは、弾性波センサの表裏の両面に配置されている前記弾性波伝搬手段が、同位相で励振するものである。

また、前記弾性波伝搬手段は、櫛歯電極を含み、前記櫛歯電極が、表裏どちらか一方から見た場合、重なり部分を有するものである。

また、本発明の弾性波センサは、前記弾性波を、基板表面に平行で且つ前記弾性波の伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波としたものである。

ここで、前記反応物質層は酸化グラフェン、グラフェン、グラファイトの何れか一つ以上を含んでいるものである。

また、前記反応物質層は、前記基板の表裏どちらか一方の面に配置されているものである。

また、前記基板は、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、水晶のうちの何れか一つからなるものである。

本発明の弾性波センサでは、弾性波伝搬手段が弾性波センサの表裏の両面に配置されており、その一方を補償用弾性表面波デバイスとするため、周囲の温度、湿度、雰囲気の影響を補正することができ、尚かつ、その専有面積を小さくすることができ、小型化が可能である。

また、横波弾性波を利用しているため、形成された反応膜層による伝搬損失が少なく、効率良く表面波を伝搬、検出することができる。また、横波弾性波は周波数温度特性に優れ且つ伝搬速度が速いため、高周波化に適している。従って、従来の水晶振動子や弾性表面波デバイスを用いたセンサでは実現が困難であったセンサの小型化、高感度化を達成することができる。

更に横波弾性波の場合、弾性表面波（レイリー波）のような厚み方向への励振が無いため、極めて薄い圧電基板を用いることが可能である。

また、励振電極の表面に反応膜層を配置することにより、この反応膜層と特定検出物質とが反応した際に生じる反応膜層の質量変化（質量増加）や導電率変化（表面抵抗増加）に伴う弾性波の周波数変化率が向上する（大きくなる）ため、センサの一層の高感度化を達成することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る弾性波センサの概略斜視図である。図２は、本発明の実施形態の弾性波センサの横波弾性波（リーキー波）を示した概念図である。図３は、弾性表面波（レイリー波）を示した概念図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波センサを用いた発振回路の一例を示す図である。図５は、従来の弾性波センサの概略斜視図である。図６は、従来の弾性波センサの概略斜視図である。

次に、本発明に係る実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。まず、本実施形態に係る弾性波センサの構成について、図１ないし図４を参照して説明する。

本実施形態に係る弾性波センサ１は、図１に示すように、基板２と、表面検出用入力電極３と、表面検出用出力電極４と、反応膜層５と、裏面補正用入力電極６と、裏面補正用出力電極７と、を有する構成となっている。

前記基板２は、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波を伝搬させることができる材料であれば良く、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、水晶等がある。タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）では、カット角が３６度回転Ｙカットで、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）では、カット角が６４度回転Ｙカットで、水晶では、カット角が−７．５度回転Ｙカットで、弾性波の伝搬方向がＸ方向に垂直な方向である横波弾性波となる。

本実施形態では、伝搬する弾性波の周波数温度特性が優れているという点から、基板材料としてタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）を選定した。また、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板には、高い機械結合係数を有し、横波弾性波の伝搬速度が速い点も選定した理由である。

前記表面検出用入力電極３は、弾性波を励振させる電極として櫛型電極を用いており、弾性波の伝搬方向がＸ方向に垂直な方向となるように基板２の表面に配置されている。また、前記表面検出用出力電極４は、前記表面検出用入力電極３にて励振され伝搬してきた弾性波を受信する櫛型電極である。

また、前記裏面補正用入力電極６は、基板裏面の弾性波を励振させる電極として櫛型電極を用いており、表面と同じ弾性波の伝搬方向が、Ｘ方向に垂直な方向となるように基板２の裏面に配置されている。また、前記裏面補正用出力電極７は、前記裏面補正用入力電極６にて励振され伝搬してきた弾性波を受信する櫛型電極である。

尚、本実施形態では、各電極はＡｕで作製されている。また、Ａｕ電極膜と基板２との密着強化のために、Ａｕ電極膜と基板２との間にＴｉ膜を形成してもよい。

以上のように基板２の表面の横波弾性波の励振条件を設定し、且つ、この基板２の表面の横波弾性波の励振条件に合致するように前記表面検出用入力電極３と、前記表面検出用出力電極４及び前記裏面補正用入力電極６と前記裏面補正用出力電極７を配置しているため、基板２の表面及び裏面に平行で且つ伝搬方向に対し垂直な変位を持つ横波弾性波が、前記表面検出用入力電極３及び前記裏面補正用入力電極６から前記表面検出用出力電極４及び前記裏面補正用出力電極７に向けて伝搬することとなる。

表裏に配置された前記弾性波伝搬手段は同位相で励振する様に配置されているため、周囲の温度、湿度、雰囲気が変化した場合でも、表裏の弾性波伝搬手段は同位相で励振することができる。

また、前記弾性波は、基板表面に平行で且つ前記弾性波の伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波としたものである。図２は、本発明の実施形態の弾性波センサの横波弾性波（リーキー波）を示した概念図である。図２のように横波弾性波は水平方向の波（ＳＨ波）のみの励振である。図３は、弾性表面波（レイリー波）を示した概念図である。弾性表面波（レイリー波）は垂直方向の波（ＳＶ波）と進行方向の波（Ｐ波）の合成した励振波である。従って横波弾性波（リーキー波）は弾性表面波（レイリー波）のような基板の厚み方向への励振は無く、そのため、表裏に配置された前記弾性波伝搬手段が同位相で励振が可能となる。
更に横波弾性波（リーキー波）を用いた場合は、極めて薄い基板においても表裏の励振の伝搬損失が影響を考慮することなく前記弾性波伝搬手段を配置することができる。

また、前記反応膜層５は、検出対象の特定物質と反応する性質を有するものであり、前記表面検出用入力電極３と前記表面検出用出力電極４との間の横波弾性波の伝搬路上に配置される。また、この反応膜層５は、酸化グラフェン、グラフェン、グラファイトの何れか一つ以上を含んでいる。

そして、例えば図４のように、上記構成の弾性波センサ１の表面の前記弾性波伝搬手段と増幅器１５と上記構成の弾性波センサ１の裏面の前記弾性波伝搬手段と増幅器１５とを混合器１６で接続されており、伝搬波の和周波数を測定する周波数カウンタ（図示せず）への出力を行う帰還型の発振回路を構成し、特定物質の検出を行うと、検出対象の特定物質との反応による反応膜５の質量変化（質量増加）や導電率変化（表面抵抗増加）に伴って基板表面を伝搬する横波弾性波の伝搬速度が変化することから、上記反応による質量変化や導電率変化が、横波弾性波の伝搬速度変化に基づく周波数変化として出力される。従って、この弾性波センサ１によれば、質量変化や導電率変化を周波数変化として測定することが可能となるため、この測定結果に基づいて、検出対象の特定物質の有無、質量、あるいは濃度等の検出を行うことが可能となる。

具体的には、質量が大きな検出対象物質、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２の反応膜層への吸着によりの質量が増加し、それに伴いＳＡＷの共振周波数が低下するため、この検出対象物質の質量をＳＡＷの周波数変化として定量的に測定することが可能となる。
一方、質量が小さな検出対象物質、例えば、Ｈ_２の反応膜層への吸着による質量が増加よりも、反応膜層との反応による反応層の導電性の減少によって、ＳＡＷの共振周波数が増加する作用の影響がより大きいため、共振周波数が増加し、この検出対象物質の濃度をＳＡＷの周波数の増加として定量的に測定することが可能となる。

また、本実施形態に係る弾性波センサ１では横波弾性波を利用しているため、基板２の表面に抗体膜等が存在していても伝搬損失が少なくなり、効率良く表面波を伝搬、検出することができる。さらに、横波弾性波は周波数温度特性に優れ且つ伝搬速度が速いことから高周波化に適しているため、センサの高感度化を達成することができる。

以上のように、本発明に係る弾性波センサは、ガスセンサをはじめ、他の各種用途におけるバイオセンサや化学センサに有用である。

１弾性表面波デバイス
２圧電基板
３表面検出用入力電極
４表面検出用出力電極
５反応膜層
６裏面補正用入力電極
７裏面補正用出力電極
８表面補正用入力電極
９表面補正用出力電極
１０横波弾性波（リーキー波）概念図の圧電基板
１１ＳＨ波（リーキー波）
１２弾性表面波（レイリー波）概念図の圧電基板
１３ＳＶ波（レイリー波）
１４Ｐ波（レイリー波）
１５増幅器
１６混合器

Claims

弾性波を励振し、該弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる弾性波伝搬手段と、前記弾性波の伝搬経路上に配置され、検出対象の特定物質と反応する反応物質層と、を有し、前記特定物質による前記反応物質層の変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、前記特定物質を検出する弾性波センサであって、前記弾性波伝搬手段が前記基板の表裏の両面に配置されていることを特徴とする弾性波センサ。
前記弾性波伝搬手段が、同位相で励振することを特徴とする請求項１に記載の弾性波センサ。
前記弾性波伝搬手段は、櫛歯状電極を含み、前記櫛歯状電極が、表裏どちらか一方から見た場合、重なり部分を有することを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波センサ。
前記弾性波を、基板表面に平行で且つ前記弾性波の伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波とすることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の弾性波センサ。
前記反応物質層は酸化グラフェン、グラフェン、グラファイトの何れか一つ以上を含んでいる、ことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の弾性波センサ。
前記反応物質層は、前記基板の表裏どちらか一方の面に配置されている、ことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の弾性波センサ。
前記基板は、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、水晶のうちの何れか一つであることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の弾性波センサ。