JP4891772B2 - バルク超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、基板及び少なくとも１つの共振器(resonator)を有するセンサであって、前記共振器が、音響反射器(acoustic reflector)、圧電層、第１及び第２電極並びに検出層で構成されるセンサに関する。

化学的物質及び生物学的物質(chemical and biological agents)の迅速且つ正確な検出は、環境汚染検査又は軍事用途といった多くの活動に非常に重要である。

これまで、バイオ／化学センサは、熱量測定又は重力測定のいずれかの結果に基づいていた。

例えば、米国特許公開公報第US5,936,150号が、化学的に感度の高い吸収被膜で覆われた薄膜音響共振器を用いる化学センサを記載している。薄膜音響共振器は、薄膜圧電層によって分離された電極を持ち、多層共振音響絶縁体によって支持される。化学物質を検出するために、関心のある化学物質（通常、蒸気）は、露出した吸収表面被膜と接触させられ、相互に作用し、吸収被膜の質量及び／又は機械特性を変化させる。前記被膜は、共振器の直上にある又は音響共振路の一部であるので、吸収被膜の変化は、薄膜音響共振器の共振周波数の変化をもたらすであろう。

上記のセンサは、ガス状物質の検出時に最も良好に利用され得る。液体中で前記センサを使用する場合には、液体が、共振器の能力を減じるであろう。これは、装置のより低いQ係数及びより低い感度をもたらす。

本発明の目的は、液体中で使用される場合により感度の高いセンサを提供することにある。

これは、基板及び少なくとも１つの共振器を有するセンサであり、前記共振器が、音響反射器、第１及び第２電極、圧電層並びに検出層で構成されるセンサであって、前記第１電極及び前記第２電極が、前記圧電層の同じ面に配置されるセンサによって達成される。

このような共振器は、主に、液体によって吸収されないであろうせん断振動が励振されるという利点を持つ。結果として、励振された前記振動は、前記液体中を伝わり得ず、前記振動の減衰量は少ない。これは、結果的に前記共振器の音響的損失をより少なくする。このような共振器で作成されたセンサは、液体中で用いられる場合に高い感度を持つ。

請求項２によるセンサは、低い電気インピーダンスを持つ共振器を有する。

請求項３の好ましい実施例を用いて、液体中の化学的物質又は生物学的物質の検出のための非常にロバスト且つ感度の高いセンサアレイが得られる。

請求項４によるセンサは、前記検出層において用いられる全ての材料が、検出されるべき前記物質と異なる程度に相互に作用することから、非常に高い感度で動作する。得られる出力信号は、かなり複雑であり、斯くして、前記検出されるべき物質に対して感度が高い。

２つの図を参照して本発明をより詳細に説明する。

本発明によるセンサは、基板及び少なくとも１つの共振器を有する。前記共振器は、音響反射器、第１及び第２電極、圧電層並びに検出層で構成される。

より好ましいセンサは、複数の個々にアドレス指定可能な共振器を有する。この複数の共振器が、ｍ行及びｎ列を含む矩形の行及び列の配置で配設されるのは非常に好ましい。この配置により、センサアレイが実現される。最も好ましい各共振器は、個々にアドレス指定され得る。図１は、ｍ×ｎ個の共振器Ｒを有するこのようなセンサアレイの回路を示している。

センサが複数の共振器を有する場合には、共振器の各々は、共振エネルギが重なり合わないような距離だけその隣接共振器から隔てられる。

センサは、Si若しくはGaAsなどの半導体材料、又はガラス若しくはAl₂O₃などの絶縁材料を含み得る基板１を有する。共振器は基板１上に配置される。各共振器は、音響反射器２、第１電極３及び第２電極４、圧電層５並びに検出層６を有する。

図２は、本発明による共振器を断面図で示している。

最も好ましい音響反射器２は、層構造を持ち、交互の高音響インピーダンス及び低音響インピーダンスを持つ幾つかの層を有する。これらの層は、共振波長λの１／４の厚さを示している。低音響インピーダンスを持つ層は、例えば、有機若しくは無機のエーロゲル、有機若しくは無機のキセロゲル、気泡、低密度合成材料又はSiO₂を有し得る。高音響インピーダンスを持つ層は、例えば、Ta₂O₅、Si₃N₄、TiO₂、ZnO、LiNbO₃、LiTaO₃、Al₂O₃、SiC、V₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂、La₂O₃、WO_x (

)、MoO_x (

)、ZrC、WC、MoC、ThO₂、CeO₂、Nd₂O₃、Pr₂O₃、Sm₂O₃、Gd₂O₃、ReO_x (

)、RuO₂、IrO₂、Y₂O₃、Sc₂O₃、LiGeO₂、Bi₁₂GeO₂₀、GeO₂、MgO、イットリウムアルミニウムガーネット(Y₃Al₅O₁₂、YAG)、イットリウム鉄ガーネット(Y₃Fe₅O₁₂、YIG)、LiGaO₂、HfO₂、AlN、高密度合成材料、W又はCを有し得る。

音響反射器２内の層の数は奇数であり、層構造の最初の層及び最後の層は、低音響インピーダンスを持つ材料を有する。５層のこのような層が示されているが、より多くの層が用いられてもよいことは理解されるであろう。一般に、５乃至９層が望ましい。

音響反射器２の最上部の上に配置される圧電層５は、最も優先的にAlNを有する。他の例においては、ZnO、KNbO₃、ジルコン酸チタン酸鉛（PZT）、ランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（PLZT）などが圧電層４において用いられ得る。

第１及び第２電極３、４は、圧電層５の最上部の上に配置される。電極３、４は、Pt、Al、Al:Cu、Al:Si、Mo、Wのような金属又は合金、及びTi、Cr又はNiCrを有する付加的な付着層を有し得る。もっとも好ましい２つの電極３、４は、互いにかみ合わされた電極(interdigitated electrodes)である。

圧電層５の外面には、接地の金属被覆及び／又はボンドパッド（図示せず）がある。接地の金属被覆及びボンドパッドは、Al、Al:Si、Al:Cu、Cu、Ni、Au又はそれらの組合せを有し得る。

検出層６は、完全に又は部分的にだけ、２つの電極３、４を覆う。検出層６の材料は、検出されるべき物質に関して選択される。化学的物質又は生物学的物質の検出は、吸収、吸着、脱着又は化学反応によって行なわれる。

化学的物質又は生物学的物質は、原子、イオン、分子、高分子、細胞小器官又は細胞を含み得る。化学的物質又は生物学的物質はまた、トリクロロメタン、テトラクロロメタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエタン、テトラクロロエチレン、トルエン、ベンゼン、芳香族化合物及び炭化水素農薬などの環境汚染物質を含むが、それらに限定されない媒質(medium)中の物質も含み得る。本願明細書で用いられているような「媒質」という用語は、水性媒質(aqueous medium)、非水性液状媒質(non-aqueous liquid medium)及びガスを意味する。本願明細書で用いられているような、「化学的物質」又は「生物学的物質」という用語はまた、タンパク質、糖タンパク質、金属塩、イオンなどといった分子も含む。前記用語はまた、神経伝達物質、ホルモン、成長因子(growth factor)、サイトカイン、モノカイン、リンフォカイン、栄養素、酵素及び受容体も含む。「化学的物質」又は「生物学的物質」という用語はまた、高分子構造体などの構造化素子(structured element)と、幹細胞、血液細胞、神経系細胞、免疫細胞及び胃腸細胞などの外胚葉、中胚葉及び内胚葉の細胞由来のものを含むが、それらに限定されない細胞小器官及び細胞と、菌類、ウィルス、バクテリア及び原生動物などの微生物も意味する。

検出層６は、例えば、化学反応体、抗体、物質を結合することが可能な抗体のフラグメント、特定の物質のための生物学的受容体(biological receptor)、酵素、タンパク質、オリゴヌクレオチド、（DNA又はRNAなどの）核酸、ペプチド、有機金属材料、又はリガンドなどの小分子を有し得る。検出層６はまた、検出層６にある物質に対して反応を示す高分子材料も有し得る。更に、検出層６の高分子材料は、対象物質に対する選択性を高めるであろう分子群を組み込むことによって改良され得る。

場合によっては、単一の化学的物質又は生物学的物質に特有である物質を得るのは困難であるかもしれないが、複数の共振器の存在は、検出層６において幾つかの材料、即ち、各共振器について１つの材料を使用することを可能にする。各検出層６は、検出される化学的物質又は生物学的物質に対して異なる反応性又は感度を持ち得る。共振器の集まりからの情報を集約することによって、被検物質の存在が推量され得る。共振器において、吸収、吸着、脱着又は化学反応によって作用する材料を用いると、さらされることで、個々の周波数は高く又は低くなり得る。

他の例においては、センサは、２つの共振器のみで構成されてもよい。この実施例においては、共振器のうちの１つが、基準共振器であり、検出層６は、物質に対して不活性のものである。例えば、物質の検出が、吸収によって行なわれる場合には、基準共振器は、不活性被膜のために吸収のせいでその質量を変化させない。他の例においては、基準共振器は、検出層６において、既知の一定の吸収作用の程度が知られている材料を有する。

圧電層４の同じ面に両方の電極３、４を有する共振器は、主に、液体によって吸収されないであろうせん断振動が励振されるという利点を持つ。結果として、励振された振動は、液体中を伝わり得ず、振動の減衰量は少ない。これは、結果的に共振器の音響的損失をより少なくする。１つ又は複数のこのような共振器で作成されたセンサは、より高い感度を持つ。

電極３、４への電圧の印加により、圧電層５が、励振されて振動する。このため、共振器の第１電極３及び第２電極４は、更に、第１電極３と第２電極４との間に時変励振電圧を印加することが可能な発振回路に結合され、故に、時変電界が生成される。

センサアレイ回路を示す。 共振器の構造を断面図で示す。

Claims (2)

1. 基板及び少なくとも１つの共振器を有するセンサであり、前記共振器が、
   音響反射器と、
   圧電層と、
   前記圧電層の最上部の上に配置される第１電極及び第２電極と、
   検出層と
   で構成されるセンサであって、
   前記第１電極及び前記第２電極が、前記圧電層の同じ面に配置され、
   前記センサが、複数の個々にアドレス指定可能な前記共振器を有し、
   異なる前記共振器の前記検出層が異なる材料を有する
   センサ。
2. 前記第１電極及び前記第２電極が、互いにかみ合わされた電極である請求項１に記載のセンサ。

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