JP4147116B2 - 表面弾性波センサ - Google Patents
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Description
SAWデバイスは、液体及び気体環境におけるセンサとして、使用されている。
米国特許第4,562,371号は、レーリー波を伝搬するカット結晶シリコン基板上にZnO圧電層を備えるSAWデバイスを開示する。
表面積の接触、したがってデバイスの感度を増加させるために、多孔質性の表面を、気体環境に用いることができる。多孔質性の表面は、液体媒体に用いることができない。なぜならば、多孔質性の表面が、挿入損失および感度の低下を導く粘性を増加させるからである。
この目的のために、本発明は、圧電基板上に圧電層を含む表面音響波センサを提供する。
好ましくは、圧電層は、多孔質である。
この基板は、以下の利点を提供する:
1−高電気機械結合係数(K2)
2−小温度係数
3−表面上のエネルギの高制限
4−多孔質表面で液体媒体においてデバイスを動作させる能力。
好ましい圧電基板は、5000m/sの伝搬速度を持つ90°回転STカット石英結晶であり、主要な波は、SSBWであり、他のモードにゼロ結合を持つ。それは、主に、横方向水平(SH)バルク波であり、低い温度係数を持つ。その大きな欠点は、SSBWからラブ・モードに変更したときの高い挿入損失である。フィルムの材料が表面の上に置かれたとき、それは、基板内よりもフィルム内で伝搬速度が遅いことを意味する基板をロードすべきである。この場合、伝搬モードは、ラブ・モードに変化する。金属酸化物フィルムが基板の上に置かれる場合、挿入損失は、動作モードがSSBWからラブ・モードに変化したときに、減少する。この主な利点は、SSBWからラブ・モードへの減少の際の低い挿入損失である。
表面音響波デバイスは、
圧電石英結晶基板と、
前記石英結晶の上に形成された、少なくとも1つのくし形電極と、
前記結晶及び電極の上に置かれた亜鉛酸化物の圧電フィルムと、
前記亜鉛酸化物層の上に置かれた生物学的に選択的な層と、を備える。
質量検出の限界は、100pg/cm2であり、これは、他の基板を用いるセンサよりも少なくとも10倍の高い感度であり、非圧電層(例えばSiO2)を持つ石英結晶よりも2〜3倍の高い感度である。
本発明は、圧電基板上の圧電層を提供する。基板のカットは、表面スキミング・バルク波(Surface Skimming Bulk Wave:SSBW)をサポートする結晶カットのクラスに属する。層は、基板上に高い方向性フィルムとして配置可能な異なる圧電材料であり、これにより、音響波は、横方向水平方向に伝搬することが可能となる。層内の音響波の伝搬速度は、ラブ・モードの伝搬をサポートする基板よりも小さくなければならない。
図2は、遷移層9及び保護層10が含まれている点を除き、図1の形態と同様な、もう1つの実施形態の断面図である。好ましくは、遷移層9は、速度シフトを増加させ、結果として電気機械結合因子を増加させる、例えばSiO2のような、音響検知層である。遷移層9は、波伝送層5と基板1との間に位置し、その結果、第1のIDTと層5との間の差が増加して、高い結合係数を助長し、また、そうでなければ生じる音響波伝送エネルギ損失を減少させる。保護層10は、検知層6と圧電層5との間に位置し、層5をダメージから保護する。
図3において、第2の波生成トランスデューサ7及び第2の受信トランスデューサ8は、基板層の上に位置し、波伝送層の下に位置し、第1の生成トランスデューサ3及び受信トランスデューサ4の近くに位置する。トランスデューサの両方の組は、基板1の上に位置するか、又は、第2の組は、個別の基板上に位置してもよい。第2の組のトランスデューサ7及び8の上に、検知層が位置せず、その結果、それらが参照用センサとして機能できることが好ましい。
デュアル・ラインZnO/90°回転STカット石英結晶構造は、0から3.2ミクロンの範囲のZnO層で作製される。15nmCr(5nm)/Au(12nm)層は、複数の遅延ラインのうちの1つの上にある検知層として、蓄積される。Cr/Auは、金の検知表面を増加させるZnOシリンダに沿って、成長する。
ラブ波トランスデューサは、0.5mmの厚さの90°回転STカット石英結晶ウェハの上に作製されている。伝送及び受信IDTは、それぞれ入力及び出力ポート内の64及び16のフィンガー対から成っている。利用される音響波長は、50ミクロンである。伝送及び受信IDTのセンタ距離に対して音響センタは、60波長であり、アパーチャは、50波長として選択されている。
ZnOは、六方晶系の結晶構造の圧電材料である。それは、6mmの対称性を持つウルツ鉱型の結晶である。
ZnOフィルムのエピタキシャル成長は、蓄積速度、基板温度、スパッタリング気体温度、及びターゲット配置によって、影響を受ける。
連続の異なる溶解に対するシステムの応答例を図6に示す。
検知層は、金である。ポンプで液体セルに入れられる7.4pHバッファ内のIgG(免疫グロブリンG、100ng/ml)及びBSA(牛血清アルブミン、0.1mg/ml)のフロー速度は、0.05ml/minuteである。
その後、IgG溶解液体は、押し出され、Au表面上のIgG粒子の吸着のため、同じ周波数シフトがあるであろう。それは、実験が反復可能であり、選択層に応答するだけでることを示す。
1−選択層上への物理的な吸着
2−選択層との共有結合
3−重合体の選択層内への吸着
4−重合格子内の包含
5−膜で包むことによる包含
6−2官能又は多官能の何れか一方の化学反応モノマーで共重合を架橋すること。
気体検知実験に関して、ZnO層の厚さは、50μmの周期性に対して90MHzの動作周波数を与える2.8μmであった。センサは、デバイスの下に位置するマイクロ・ヒータによって、350℃まで熱せられた。
50ppmに対するセンサの応答は、−11kHzに等しい。この点からの先の応答が線形で続く場合、0.5ppmに対するデバイスの応答は、110Hzに等しいであろう。システムのノイズは、気体媒体において、ほぼ50Hzである。
Claims (3)
- 気体又は液体媒体内の化学的又は生物学的な部分を検出する際に用いるセンサであって、
表面音響波デバイスを含み、
表面音響波デバイスは、
圧電90°回転STカット石英結晶のカットされた基板と、
前記石英結晶の上に形成された、少なくとも1つのくし形電極と、
前記結晶及び電極の上に置かれた亜鉛酸化物の圧電被覆層と、
前記亜鉛酸化物層の上に置かれ、検出されるべき適切な生物学的な成分と相互作用するように適合された生物学的選択層と、
を備える、センサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、前記生物学的選択層が、金の層の上に吸着されたタンパク質を含む、センサ。
- 請求項1に記載のセンサにおいて、前記石英結晶基板と亜鉛酸化物被覆が、ラブ・モード波伝搬を伝搬させるために作成されている、センサ。
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