JP4092333B2 - 弾性表面波素子を基礎とするセンサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による、弾性表面波素子を基礎とするセンサに関する。このようなセンサはたとえば、ＤＥ４４１７１７０から公知である。

センサ系の分野では、たとえばバルク発振器、弾性表面波共振器、弾性表面波遅延線路、弾性表面波フィルタ等の、水晶またはセラミックスをベースとする圧電式の高周波部品は通常、ボンディングまたは溶接接合によって電気的に接触接続される。このようなボンディングワイヤはしばしば、センサの媒体伝導性の領域に設けられ、ボンディングワイヤ自体の振動による付加的なセンサノイズ、コンタクト位置の異なる材料の腐食、ボンディングループおよびコンタクトによる所要面積、必要な素子の固定接着材による信号の歪みを引き起こす。

R. Steindlらの『SAW Delay Lines for Wirelessly Requestable Conventional Sensors, Proc. IEEE Ultrasonic Symposium』からは、アンテナを有するトランスポンダを介して電磁波によってパッシブに駆動されるＳＡＷ素子が公知である。

J. Freudenbergらの『A SAW immunosensor for operating in liquid using a SiO_２ protective layer, Sensors and Actuators B 76』（２００１）の第１４７〜１５１頁からは、電流ループによって誘導を介して結合されているＳＡＷチップが公知である。アンテナループを介して高周波結合を実現するには、センサチップの表面上にて大きな面積が必要とされる。アンテナ間隔が変化する際の挿入減衰の変化を補償するためには、この結合を機械的に精確に位置決定しなければならない。さらに、送受信器アンテナのインピーダンスを整合しなければならず、こうすることによってさらに素子が付加され、挿入減衰が変化してしまう。信号全体は、アンテナ結合の誘導的な成分によって著しく非局在化される。大きなクロストークにより、異なる結合構造体を空間的に密接して配置することはできない。

本発明の課題は、冒頭に述べられた形式のコンパクトかつ簡単に構成されたセンサを提供することである。

前記課題は、請求項１の構成によって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が記載されている。

弾性表面波素子１（センサ）の容量性の結合面と接続基板（プリント基板）とによって、高周波は非接触で伝送される。センサ表面には全体的に、薄い保護層またはセンサ層が設けられており、オーム接触する必要がない。さらに、流体伝導空間が結合プリント基板に実現され、検出空間が非常に小さくなる。

センサチップ上には、プリント基板上の相応の受信面に対して面平行に対向する容量性の結合面が構成される。結合面間の間隔ないしは誘電体はセンサのコーティングによって決定され、数百ｎｍである。

容量性の結合によって、センサアレイ内部にクロストークを起こすことなく、システムを格段に小さく構成することができる。

バイオセンサ系では、最少のプロテイン量によってセンサ系を作動させることが重要である。こうすることにより、１つの分析あたりのコストを低く抑えることができる。

本発明によるセンサの重要な利点の基礎となっているのは、検出容量を低減し、通常のＳＡＷ素子を取り付けるための典型的な接着材料を回避し、ポリマ材料によって測定セルにおいて封止することである。調査の結果、これが信号の歪みの原因であることが判明した。すべての要求は、高周波を容量性の結合によって実現すると、効率的に変換することができる。

該センサは他に、以下の利点を有する：
センサは非接触結合されること。
センサに任意のアイソレータ（ポリマ）を全体的にコーティングできること。
機械的な安定性。というのも、センサはプリント基板上に設けられるからだ。
プリント基板において、容量性結合面間で流体伝導が可能であること。
ボンディングされる素子の固定接着材が不必要であること。
プリント基板に対して熱結合が良好であること。
多くの結合面を非常に狭い空間に実現できること。

４３３ＭＨｚのＳＡＷガスセンサアレイのために、内部のガス案内部を有する容量結合性のテストアダプタが開発された。検出容量は１３００μｌから６０μｌに低減され、取り付け接着材を省略することにより、信号のダイナミックスが格段に向上される。

本発明を以下で、実施例に基づいて図面を使用して詳細に説明する。図１は、結合コンデンサおよび中央の共振器構造体を有するセンサの概略図であり、図２は、センサ構成の一部の平面図および側面図である。図３および図４は、プリント基板上に設けられた８個のセンサの配置を示している。

図１には、弾性表面波素子５が示されている。この弾性表面波素子５は典型的な例の寸法を有し、容量性の結合面３ａおよび中央の共振器構造体を備えている。この中央の共振器構造体は、高周波信号の供給および導出のため、前記結合面３ａに電気的に接続されている。この接続は詳細に説明しない。

図２は、基板４上に設けられたセンサ５の構成を、３種類の図示形態で示している。ここでは結合面３ａ，３ｂが設けられており、基板４は流体通路６を備えており、結合面３ｂを有する導体路７を支持している。これに対向して結合面３ａおよびセンサ５が設けられており、後者はセンサコーティングによって被覆されている。基板４によって気密に接着されたフレームがセンサ５に密着して包囲し、面状シールが前記フレームを上方向に対して封止する。このフレームおよび面状シールは、ここでは図示されていない。

図３は、支持ボードの上面を示している。この支持ボードは、１ｍｍの深さおよび１．２ｍｍの幅を有する金めっきされたガス通路およびフライス加工部を有している。このガス通路６は、２つの部分で対称的に構成されている。ここでは８つのセンサ５が可能であるが、ここではそのうちの１つだけが図示されている。アース接続のための結合面３ｂは、ここでは共通の面として形成されている。

図４は、８個のＳＡＷセンサ５のための、支持ボード４に接着すべき取り付けフレームを示している。この取り付けフレームは、密着された内部の凹入部およびガス貫流部を有する。前記凹入部は、フライス加工されたものである。

８個のセンサは、センシング面とともに下方に、気密に接着されたフレーム内に挿入され、結合面上に位置づけされる。

これらのセンサは、ニトリルブタジエンラバー（ＮＢＲ）およびテフロン等の弾性の接合シールを介してフレーム内に挿入され、結合面３ｂ上に圧着される。こうすることによってセンサの封止部が形成され、結合面への圧着圧力が定義され、空隙の大きさが低減される。

結合コンデンサおよび中央の共振器構造体を有するセンサの概略図である。

センサ装置の一部の平面図および側面図である。

プリント基板上に設けられた８個のセンサの配置を示している。

プリント基板上に設けられた８個のセンサの配置を示している。

符号の説明

１ ＳＡＷ共振器構造体
２ センサコーティング
３ａ センサ表面上の容量性の結合面
３ｂ 基板上の容量性の結合面
４ 基板（プリント基板）
５ 弾性表面波素子（センサ）
６ 流体通路
７ プリント基板上の導体路

Claims (4)

1. 少なくとも１つの弾性表面波素子と、流体通路と、高周波信号のための供給線路および導出線路と、該弾性表面波素子（５）の高周波信号を供給および導出するための結合コンデンサとを有するセンサであって、
   加工されたプリント基板である基板（４）を有しており、
   該プリント基板は、該プリント基板と気密に接合されたフレームを支持し、
   該プリント基板は、流体通路（６）を含んでおり、
   該結合コンデンサの容量性の結合面（３ａ，３ｂ）のうち一方の結合面（３ｂ）を、該プリント基板が担持し、該一方の結合面（３ｂ）に対向する他方の結合面（３ａ）は該弾性表面波素子（５）に取り付けられており、
   該フレームは、弾性表面波素子を収容するために使用されることを特徴とするセンサ。
2. 前記フレームと基板（４）との間に面状シールが配置されており、
   面状シールは前記フレームに圧着されており、弾性表面波素子（５）を固定する、請求項１記載のセンサ。
3. 前記フレームは、弾性表面波素子（５）に密着して包囲する、請求項１または２記載のセンサ。
4. 前記センサのフレームに８個の弾性表面波素子が取り付けられており、
   前記弾性表面波素子は２つのグループで、分岐された流体通路（６）に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。

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