JP7386733B2

JP7386733B2 - 弾性表面波センサ

Info

Publication number: JP7386733B2
Application number: JP2020040621A
Authority: JP
Inventors: 直之吉村
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2023-11-27
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: JP2021143842A

Description

本発明は、弾性表面波センサに関し、特に、弾性表面波を送信または受信する電極を保護する構造に関する。

医療、環境保護、衛生管理等の分野では、液体試料を観測するセンサについて研究が行われている。液体試料を観測するセンサには弾性表面波センサがある。弾性表面波センサは、圧電性基板に弾性表面波を送信する送信電極と、圧電性基板を伝搬した弾性表面波を受信する受信電極と、送信電極および受信電極との間に設けられた検出領域とを備える。検出領域には金属が用いられ、検出領域の表面に抗体層が形成される。送信電極に交流の送信信号を印加することで、送信電極から圧電性基板に弾性表面波が送信される。検出領域を伝搬した弾性表面波は受信電極で受信され、受信電極からは受信信号が出力される。検出領域に抗原を含む液体試料が提供されると、免疫反応により検出領域を伝搬する弾性表面波の伝搬特性が変化する。したがって、液体試料が提供される前後で受信信号を比較することで、検出領域の抗体と検出領域に提供された液体試料に含まれる抗原の結合量が測定され得る。以下の特許文献１には、このような弾性表面波センサが記載されている。

弾性表面波センサには、特許文献１に記載されているものの他、弾性表面波を送信および受信する送受信電極と、弾性表面波を反射する反射器が用いられたものがある。このような弾性表面波センサでは、送受信電極と反射器との間に検出領域が設けられ、検出領域の表面に抗体層が形成される。送信電極から圧電性基板に送信された弾性表面波は、検出領域を伝搬した後、反射器で反射して、検出領域を逆方向に伝搬する。反射した弾性表面波は送受信電極で受信され、送受信電極から受信信号が出力される。上記の弾性表面波センサと同様の原理によって、液体試料が提供される前後で受信信号を比較することで、検出領域の抗体と検出領域に提供された液体試料に含まれる抗原の結合量を測定することが可能となる。

特開２００８－２８６６０６号公報

弾性表面波センサ周辺の湿度の変化等、周辺環境の変化による測定精度の低下を防ぐため、また液体試料の付着による短絡を防ぐため、一般に、弾性表面波センサの送信電極、受信電極または送受信電極は、保護構造によって外部から密閉される。しかし、保護構造の造りによっては、温度の変化等によって歪みが生じ、保護ケースと圧電性基板との間の密着性が低下することがあった。

本発明は、弾性表面波センサにおける電極保護構造の機械的強度を高めることを目的とする。

本発明は、圧電性基板と、前記圧電性基板に弾性表面波を送信し、または前記圧電性基板から弾性表面波を受信する電極と、前記弾性表面波が伝搬する領域に設けられ、液体試料が提供される検出領域と、前記圧電性基板上で前記電極を囲む保護枠と、前記保護枠によって囲まれた空間を上側から覆う天井板と、を備え、前記保護枠のうち、前記電極と前記検出領域との間を通る横切り区間の上面の一部が、前記天井板と重なっており、前記天井板の領域のうちの前記横切り区間に重なる領域の縁が、前記横切り区間の長手方向に延びる中心線よりも前記電極側に位置することを特徴とする。

また、本発明は、圧電性基板と、前記圧電性基板に弾性表面波を送信し、または前記圧電性基板から弾性表面波を受信する電極と、前記弾性表面波が伝搬する領域に設けられ、液体試料が提供される検出領域と、前記圧電性基板上で前記電極を囲む保護枠と、前記保護枠によって囲まれた空間を上側から覆う天井板と、を備え、前記保護枠のうち、前記電極と前記検出領域との間を通る横切り区間の上面の一部が、前記天井板と重なっており、前記天井板の領域のうちの前記横切り区間に重なる領域の縁が、前記横切り区間の長手方向に沿って波打った形状を有していることを特徴とする。

また、本発明は、圧電性基板と、前記圧電性基板に弾性表面波を送信し、または前記圧電性基板から弾性表面波を受信する電極と、前記弾性表面波が伝搬する領域に設けられ、液体試料が提供される検出領域と、前記圧電性基板上で前記電極を囲む保護枠と、前記保護枠によって囲まれた空間を上側から覆う天井板と、を備え、前記保護枠のうち、前記電極と前記検出領域との間を通る横切り区間の上面の一部が、前記天井板と重なっており、前記天井板の領域のうちの前記横切り区間に重なる領域が、前記横切り区間の長手方向に沿って延びる欠損領域を有することを特徴とする。

望ましくは、前記電極と前記検出領域との間に、前記弾性表面波の伝搬状態を調整するグレーティング領域を有し、前記横切り区間は、前記グレーティング領域の上に設けられている。望ましくは前記保護枠の厚みは、前記天井板の厚みよりも薄い。

本発明によれば、弾性表面波センサにおける電極保護構造の機械的強度を高めることができる。

電極保護構造付き弾性表面波センサの上面図である。保護構造が設けられていない弾性表面波センサの上面図である。電極保護構造付き弾性表面波センサの断面図である。保護構造のうちの保護枠のみが弾性表面波センサの上面に設けられたときの上面図である。保護枠に続いて天井板が形成されたときの弾性表面波センサの上面図である。電極保護構造付き弾性表面波センサの断面を拡大して示した図である。保護構造の例を示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示されている同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を簡略化する。図１には、本発明の実施形態に係る電極保護構造付き弾性表面波センサ１（以下、電極保護構造付きセンサ１という）の上面図が示されている。電極保護構造付きセンサ１は、弾性表面波センサ１０と、弾性表面波センサ１０が備える送受信電極１６を上方から覆う保護構造１２とを備えている。弾性表面波センサ１０は、圧電性基板１４、送受信電極１６、検出領域１８、反射器２０、およびグレーティング領域２２を備えている。

図１では、弾性表面波が送受信電極１６から反射器２０に向かう方向がｘ軸正方向とされている。また、圧電性基板１４の表面から離れる方向がｚ軸正方向とされ、ｚ軸正方向を上方向とし、ｘ軸正方向を見て左方向がｙ軸正方向とされている。以下の説明では、ｙ軸正方向は左方向とされ、ｙ軸負方向は右方向とされる。また、ｚ軸正方向は上方向とされ、ｚ軸負方向は下方向とされる。

図２には、保護構造が設けられていない弾性表面波センサ１０の上面図が示されている。送受信電極１６は、一対の櫛形電極２４－１および２４－２から構成されている。櫛形電極２４－１は、ｘ軸方向に延びる導線部３０－１と、導線部３０－１からｙ軸負方向に延びる複数の歯状部３２－１から構成されている。図２には、櫛形電極２４－１に４本の歯状部３２－１が設けられた例が示されている。櫛形電極２４－２は、ｘ軸方向に延びる導線部３０－２と、導線部３０－２からｙ軸正方向に延びる複数の歯状部３２－２から構成されている。図２には、櫛形電極２４－２に４本の歯状部３２－２が設けられた例が示されている。櫛形電極２４－１および２４－２は、一方の隣り合う２本の歯状部の間に、他方の１本の歯状部が入り込むように圧電性基板１４上に配置されている。櫛形電極２４－１の導線部３０－１のｘ軸負方向に向かった先にある先端部と、櫛形電極２４－２の導線部３０－２のｘ軸負方向に向かった先にある先端部は、弾性表面波センサ１０の一対の測定端子３４－１および３４－２となる。図２には、４本の歯状部３２－１が設けられた櫛形電極２４－１および２４－２が示されているが、各櫛形電極に設けられる歯状部の本数は任意である。

グレーティング領域２２は、ｙ軸方向を長手方向とし、ｘ軸方向に並べて配置された複数本のストライプ状金属３６を備えている。図２には、４本のストライプ状金属３６が用いられた例が示されているが、グレーティング領域２２が備えるストライプ状金属３６の本数は任意である。グレーティング領域２２は、送受信電極１６に対してｘ軸正方向側に配置されている。

検出領域１８は、金属によって構成されている。図２には、矩形の検出領域１８が設けられた例が示されているが、検出領域１８の形状は設計に応じて変形してもよい。抗原を測定する弾性表面波センサ１０を構成する場合、検出領域１８の表面には抗体層が形成される。検出領域１８は、グレーティング領域２２のｘ軸正方向側に、長辺方向をｘ軸方向に合わせ、短辺方向をｙ軸方向に合わせて配置されている。

反射器２０は、ｙ軸方向を長手方向とし、ｘ軸方向に並べて配置された複数本のストライプ状反射金属３８を備えている。図２には、４本のストライプ状反射金属３８が用いられた例が示されているが、ストライプ状反射金属３８の本数は任意である。反射器２０は、検出領域１８に対してｘ軸正方向側に配置されている。

弾性表面波センサ１０の動作について説明する。送受信電極１６の測定端子３４－１および３４－２には、交流の送信信号を印加する信号発生源が接続される。測定端子３４－１および３４－２に送信信号が印加されることで、送受信電極１６から圧電性基板１４に弾性表面波が送信される。弾性表面波は、圧電性基板１４をｘ軸正方向に伝搬し、反射器２０で反射する。反射器２０で反射した弾性表面波は、ｘ軸負方向に伝搬して送受信電極１６に至る。送受信電極１６は、反射器２０で反射した弾性表面波によって測定端子３４－１および３４－２に受信信号を出力する。なお、グレーティング領域２２は、送受信電極１６と検出領域１８との間の弾性表面波の伝搬状態を調整するマッチング機能を有している。

検出領域１８上に抗原を含む液体試料が提供されると、免疫反応により検出領域１８の基板表面を伝搬する弾性表面波の伝搬特性が変化する。液体試料の提供は、例えば、液体試料を検出領域１８の表面に滴下することで行われてよい。また、液体試料の提供は、弾性表面波センサ１０を液体試料に浸すことで行われてもよい。液体試料が提供される前後で受信信号を比較することで、検出領域１８の抗体と検出領域１８に提供された液体試料に含まれる抗原の結合量を測定することが可能となる。送受信電極１６の測定端子３４－１および３４－２には、上記の信号発生源と、受信信号を測定する測定装置が予めスイッチで切り替え可能に接続され、測定装置による受信信号の測定値に基づいて、液体試料に含まれる抗原の結合量が間接的に測定される。

ここでは、図２を参照して、圧電性基板１４、送受信電極１６、検出領域１８、反射器２０、およびグレーティング領域２２を備える弾性表面波センサ１０について説明した。圧電性基板１４、送受信電極１６、検出領域１８、反射器２０、およびグレーティング領域２２のそれぞれの構造は、同様の機能を有する周知の構造に置き換えられてもよい。

弾性表面波センサ１０では、周辺の湿度の変化等、弾性表面波センサ１０を取り巻く環境の変化によって測定精度が低下することがある。また液体試料の付着による短絡を防ぐ必要がある。そこで、本実施形態に係る電極保護構造付きセンサ１では、送受信電極１６を覆う保護構造１２が設けられている。図３には、図１に示されたＡＢ線断面が示されている。図３に示されているように、保護構造１２は、保護枠４０および天井板４２を備えている。保護枠４０は、弾性表面波センサ１０の上面において送受信電極１６を囲んでいる。天井板４２は保護枠４０上に設けられ、保護枠４０で囲まれた領域の上方を覆っている。保護構造１２に含まれる保護枠４０および天井板４２のうちの少なくとも一方は、透明な材料等、光透過性のある材料で形成されてもよい。また、保護枠４０および天井板４２は、異なる厚み（高さ）を持っていてよい。

保護構造１２の具体的な構造について、電極保護構造付きセンサ１の製造工程と共に説明する。図４には、保護構造１２のうち保護枠４０のみが弾性表面波センサ１０の上面に設けられたときの上面図が示されている。保護枠４０は、弾性表面波センサ１０から上側に突出した堤状構造を有しており、この堤状構造が送受信電極１６を囲んでいる。図４に示されている例では、保護枠４０は矩形である。

保護枠４０のうち、送受信電極１６と検出領域１８との間を横切る横切り区間４４は、グレーティング領域２２の上に設けられている。図４には一点鎖線によって横切り区間４４の境界が示されている。横切り区間４４は、保護枠４０の右側の縁から左側の端に至る区間として定義される。グレーティング領域２２では、複数のストライプ状金属３６の隙間から圧電性基板１４の上面が露出しているため、横切り区間４４が確実に弾性表面波センサ１０に密着する。

また、弾性表面波の伝搬特性に与える影響を抑えつつ、保護枠４０の弾性表面波センサ１０への密着性を高めるため、図４に示されている例では、横切り区間４４の幅は、保護枠４０の他の区間の幅よりも狭くなっている。すなわち、横切り区間４４の幅（ｘ軸方向の長さ）は、ｘ軸方向に延びる対向する一対の区間のそれぞれの幅（ｙ軸方向の長さ）よりも狭い。また、横切り区間４４の幅は、ｙ軸方向に延び、横切り区間４４に対向する区間の幅（ｘ軸方向の長さ）よりも狭い。

保護枠４０は、弾性表面波センサ１０の表面にフォトリソグラフィによって形成されてよい。フォトリソグラフィでは、光が照射されることで溶解性から非溶解性に性質が変化する感光材料によって弾性表面波センサ１０の上面が覆われた上で、保護枠４０となる領域でない領域が遮光材料によってマスクされる。保護枠４０となる領域に光が照射され、光が照射されていない領域が薬品等によって溶解される。なお、感光材料には、光が照射されることで非溶解性から溶解性に性質が変化する感光材料が用いられてもよい。この場合、感光材料によって弾性表面波センサ１０の上面が覆われた上で、保護枠４０となる領域が遮光材料によってマスクされる。保護枠４０とならない領域に光が照射され、光が照射された領域が薬品等によって溶解される。

図５には、保護枠４０に続いて天井板４２が形成されたときの上面図が示されている。天井板４２の周辺は保護枠４０の上面に重なっている。ただし、保護枠４０の横切り区間４４の上面では、そのｘ軸正方向側の一部の領域を残して天井板４２が重ねられている。すなわち、保護枠４０における横切り区間４４では、横切り区間４４の上面のうちのｘ軸負方向側の一部が天井板４２と重なっている。天井板４２が横切り区間４４と重なる面積は、横切り区間４４の面積の半分以下であってよい。また、天井板４２の領域のうちの横切り区間４４に重なる領域の縁は、横切り区間４４の長手方向に延びる中心線よりも送受信電極１６側に位置してよい。天井板４２も、保護枠４０と同様、フォトリソグラフィによって形成されてよい。

このように、本発明の実施形態に係る電極保護構造付きセンサ１は、圧電性材料で形成された圧電性基板１４と、圧電性基板１４に弾性表面波を送信し、または圧電性基板１４から弾性表面波を受信する送受信電極１６（電極）と、弾性表面波が伝搬する領域に設けられ、液体試料が提供される検出領域１８と、圧電性基板１４上で送受信電極１６を囲む保護枠４０と、保護枠４０によって囲まれた空間を上側から覆う天井板４２とを備えている。保護枠４０のうち、送受信電極１６と検出領域１８との間を通る横切り区間４４の上面の一部は、天井板４２と重なっている。

このような電極保護構造付きセンサ１によれば、以下に説明する原理によって、横切り区間４４が弾性表面波センサ１０に確実に密着する。図６には、図１におけるＡＢ線断面を拡大した図面が示されている。温度の変化等によって天井板４２がｘ軸負方向に収縮すると、天井板４２の領域のうち、横切り区間４４に接触している領域の端面の最下にある力点Ｐにはｘ軸負方向に力Ｆが加えられる。

横切り区間４４の内壁面の最下にある支点Ｑと力点Ｐとの間の距離が短い程、支点Ｑと力点Ｐとを結ぶ区間に作用するモーメント力が小さくなり、横切り区間４４を弾性表面波センサ１０から剥がす力が小さくなる。また、横切り区間４４の上面と天井板４２とが重なる面積が小さいほど、力Ｆは小さくなる。したがって、横切り区間４４の上面のうちのｘ軸負方向側の一部が天井板４２と重なっている方が、図６の二点鎖線で示されているように、横切り区間４４の上面の全体が天井板４２に重なっている場合に比べて、横切り区間４４の弾性表面波センサ１０への密着性が向上する。

また、保護枠４０の高さを低くするほど、すなわち厚みを薄くするほど、支点Ｑと力点Ｐとを結ぶ区間に作用するモーメント力が小さくなり、横切り区間４４を弾性表面波センサ１０から剥がす力が小さくなる。そこで、保護枠４０の厚みは、天井板４２の厚みよりも薄くしてもよい。

感光材料等によって形成された保護枠４０は、特に、圧電性基板１４上に配置された金属上で密着性が低下することがある。本実施形態によれば、ストライプ状金属３６を含むグレーティング領域２２上に配置された横切り区間４４の密着性が高められる。

上記では、弾性表面波を送信および受信する送受信電極１６を保護構造１２が保護する実施形態が示された。上記の保護構造１２は、特許文献１に示されているような送信電極と、受信電極と、送信電極および受信電極との間に設けられた検出領域とを備える弾性表面波センサに用いられてもよい。この場合、送信電極および受信電極のそれぞれを覆う保護構造が弾性表面波センサ上に配置される。また、上記では、横切り区間４４の上面の一部に天井板４２が重なる構造について説明した。保護構造付きセンサでは、保護枠４０のうち、横切り区間４４に加えて横切り区間４４でない区間の一部が天井板４２と重なっていてもよい。

また、複数系統の弾性表面波センサが共通の圧電性基板に構成されてもよい。この場合、複数の電極（複数の送受信電極、複数の送信電極、あるいは複数の受信電極）が１つの保護構造に覆われてもよい。また、複数の電極のそれぞれを個別に保護構造が覆い、複数の電極を覆う複数の保護構造が並列に配置されてもよい。

図７（ａ）～（ｃ）には保護構造のその他の例が示されている。図７（ａ）に示されている保護構造では、ｙ軸正方向に向かうと共に、天井板４２の縁がｘ軸正負方向に矩形波状に波打っている。図７（ｂ）に示されている保護構造では、ｙ軸正方向に向かうと共に、天井板４２の縁がｘ軸正負方向に三角波状に波打っている。図７（ｃ）に示されている保護構造では、天井板４２において横切り区間４４と重なる領域に、横切り区間４４の長手方向に沿って延びる欠損領域５０が設けられている。欠損領域５０では、横切り区間４４が上方に露出している。図７（ａ）～（ｃ）のいずれの保護構造によっても、横切り区間４４の弾性表面波センサ１０への密着性が高まるという効果が得られる。

１電極保護構造付き弾性表面波センサ（電極保護構造付きセンサ）、１０弾性表面波センサ、１２保護構造、１４圧電性基板、１６送受信電極（電極）、１８検出領域、２０反射器、２２グレーティング領域、２４－１，２４－２櫛形電極、３０－１，３０－２導線部、３２－１，３２－２歯状部、３４－１，３４－２測定端子、３６ストライプ状金属、３８ストライプ状反射金属、４０保護枠、４２天井板、４４横切り区間、５０欠損領域。

Claims

圧電性基板と、
前記圧電性基板に弾性表面波を送信し、または前記圧電性基板から弾性表面波を受信する電極と、
前記弾性表面波が伝搬する領域に設けられ、液体試料が提供される検出領域と、
前記圧電性基板上で前記電極を囲む保護枠と、
前記保護枠によって囲まれた空間を上側から覆う天井板と、を備え、
前記保護枠のうち、前記電極と前記検出領域との間を通る横切り区間の上面の一部が、前記天井板と重なっており、
前記天井板の領域のうちの前記横切り区間に重なる領域の縁が、前記横切り区間の長手方向に延びる中心線よりも前記電極側に位置することを特徴とする弾性表面波センサ。
圧電性基板と、
前記圧電性基板に弾性表面波を送信し、または前記圧電性基板から弾性表面波を受信する電極と、
前記弾性表面波が伝搬する領域に設けられ、液体試料が提供される検出領域と、
前記圧電性基板上で前記電極を囲む保護枠と、
前記保護枠によって囲まれた空間を上側から覆う天井板と、を備え、
前記保護枠のうち、前記電極と前記検出領域との間を通る横切り区間の上面の一部が、前記天井板と重なっており、
前記天井板の領域のうちの前記横切り区間に重なる領域の縁が、前記横切り区間の長手方向に沿って波打った形状を有していることを特徴とする弾性表面波センサ。
圧電性基板と、
前記圧電性基板に弾性表面波を送信し、または前記圧電性基板から弾性表面波を受信する電極と、
前記弾性表面波が伝搬する領域に設けられ、液体試料が提供される検出領域と、
前記圧電性基板上で前記電極を囲む保護枠と、
前記保護枠によって囲まれた空間を上側から覆う天井板と、を備え、
前記保護枠のうち、前記電極と前記検出領域との間を通る横切り区間の上面の一部が、前記天井板と重なっており、
前記天井板の領域のうちの前記横切り区間に重なる領域が、前記横切り区間の長手方向に沿って延びる欠損領域を有することを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の弾性表面波センサにおいて、
前記電極と前記検出領域との間に、前記弾性表面波の伝搬状態を調整するグレーティング領域を有し、
前記横切り区間は、前記グレーティング領域の上に設けられていることを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の弾性表面波センサにおいて、
前記保護枠の厚みは、前記天井板の厚みよりも薄いことを特徴とする弾性表面波センサ。