KR100706520B1 - 탄성 표면파 센서 내장 발진회로 및 바이오센서 장치 - Google Patents

탄성 표면파 센서 내장 발진회로 및 바이오센서 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체가 부착한 경우라도, 바이어스 전압의 인가에 의한 전극막의 박리가 발생하기 어려우며, 또한 안정적으로 동작시킬 수 있는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로(31)는 압전기판상에 인터디지탈 전극(33, 34)과, 인터디지탈 전극(33, 34)을 덮도록, 검출 대상물질 또는 검출 대상물질을 결합하는 결합물질을 결합하는 반응막이 형성되어 있고, 미소한 질량부하를 주파수 변화에 의해 검출하는 것을 가능하게 하는 탄성 표면파 센서(32)가 공진자로서 접속되어 있는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로로서, 탄성 표면파 센서(32)에 대해서, 직렬로 직류 커트용 커패시터(36, 42)가 접속되어 있으며, 상기 직류 커트용 커패시터(36, 42)가 각각 임피던스 정합회로를 구성하고 있다.
탄성 표면파 센서, 인터디지탈 전극, 직류 커트용 커패시터

Description

탄성 표면파 센서 내장 발진회로 및 바이오센서 장치{OSCILLATOR CIRCUIT INCLUDING SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR, AND BIOSENSOR APPARATUS}
본 발명은 예를 들면 바이오센서나 가스센서 등으로서 사용되는 탄성 표면파 센서를 공진자로서 갖는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질량부하에 의한 주파수 변화에 기초해서 검출 대상물질이 검출되는 탄성 표면파 센서를 내장한 탄성 표면파 센서 내장 발진회로 및 상기 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 구비하는 바이오센서 장치에 관한 것이다.
종래, 다양한 물질을 검출하기 위해서, 탄성 표면파 소자를 사용한 여러 가지 탄성 표면파 센서가 제안되어 있다. 예를 들면, DNA나 항체 등의 생체물질을 검출하는 탄성 표면파 센서에서는, 탄성 표면파 소자상에 특정의 DNA나 항체 등의 생체물질과만 반응하는 반응막이 형성되어 있다. 상기 DNA나 항체가 반응막과 반응하여, 반응막에 결합되고, 그것에 의해 탄성 표면파 소자상에 질량이 부하된다. 이 질량부하에 기인하는 주파수 변화에 의해, DNA나 항체의 유무나 농도가 검출된다.
한편, 하기의 특허문헌 1에는, 이러한 종류의 탄성 표면파 센서의 일례가 개시되어 있다. 이 선행기술에 기재된 탄성 표면파 센서는 물 중에 포함되는 곰팡내 나는 물질인 2-MIB(2-메틸이소보르네올(methylisoborneol))의 검출을 가능하게 하 는 것이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 탄성 표면파 센서(101)에서는, 압전기판(102)상에 인터디지탈 전극(103, 104) 및 금속 박막(105)이 형성되어 있다. 한쪽의 인터디지탈 전극(103)과 다른쪽의 인터디지탈 전극(104) 사이에 증폭기(106, 107)가 접속되어 있으며, 출력측의 인터디지탈 전극(104) 및 증폭기(106, 107)의 후단에 혼합기(108)가 접속되어 있다. 혼합기(108)로부터 탄성 표면파 센서(101)의 출력이 꺼내지도록 구성되어 있다.
이 선행기술에 기재된 탄성 표면파 센서(101)에서는, 상기 압전기판(102)의 상면에 있어서, 캄퍼(camphor)·Ova 복합체가 고정화된다. 이 캄퍼·Ova 복합체가 반응막으로서 기능하고, 캄퍼·Ova 복합체와의 반응에 의해 2-MIB가 검출된다.
즉, 곰팡내 나는 원인 물질인 2-MIB와 유사한 구조를 갖는 캄퍼 및 단백질의 복합체 항원이 탄성 표면파 센서(101)에 있어서 고정화되어 있다. 그리고, 탄성 표면파 센서(101)가 2-MIB를 특이적으로 결합하는 항(抗) 2-MIB 항체를 일정 농도로 포함하는 피측정 용액 중에 침지되고, 용액 중에 존재하고 있는 미지 농도의 2-MIB와, 상기 캄퍼·단백질 복합체 항원이 경합적으로 반응한다. 그리고, 탄성 표면파 센서(101)상에 고정화되어 있는 캄퍼·단백질 복합체 항원에 결합한 항 2-MIB 항체량이 탄성 표면파 센서에 대한 질량부하에 의한 출력변화에 의해 구해진다. 그리고, 캄퍼·단백질 복합체 항원에 결합된 항 2-MIB 항체량과, 2-MIB가 존재하지 않는 경우의 결합 항체량의 차이에 의해, 피측정 용액 중의 2-MIB 농도가 정량된다.
상기와 같이, 이러한 종류의 탄성 표면파 센서에서는, 질량변화가 주파수 변화로서 검출된다. 보다 상세하게는, 상기 탄성 표면파 센서가 공진자로서 발진회로 에 편입되고, 상기 발진회로의 발진주파수의 변화에 의해 질량변화가 검출되게 된다.
한편, 탄성 표면파 소자를 공진자로서 사용한 발진회로는, 예를 들면, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에 각각 개시되어 있다. 특허문헌 2, 3에 기재된 발진회로는 전압제어 발진회로나 리모트컨트롤러 등의 무선장치 등에 사용되고 있는 것이다. 도 12는 이러한 종류의 발진회로의 일례를 나타내는 회로도이다.
발진회로(121)에서는, 탄성 표면파 소자(122)가 공진자로서 사용되고 있다. 여기에서는, 탄성 표면파 소자(122)는 2포트형의 탄성 표면파 공진자에 의해 구성되어 있다. 2포트형 탄성 표면파 공진자(122)의 제1의 포트가 FET(123)의 게이트 단자에 접속되어 있다. 그리고, 제2의 포트가 FET(123)의 드레인 단자에 접속되어 있다.
여기에서는, FET(123)의 게이트 단자에 접속된 출력단자(124)로부터 발진출력이 꺼내진다.
특허문헌 1: 일본국 특허공개 평10-90270호 공보
특허문헌 2: 일본국 특허공개 평2-60211호 공보
특허문헌 3: 일본국 특허공개 평2-164121호 공보
도 12에 나타낸 발진회로(121)는 특허문헌 2, 3에 기재된 바와 같이, 탄성 표면파 소자를 공진자로서 사용한 발진회로이다. 그러나, 이와 같은 발진회로는 모두 전압제어 발진회로나 리모트컨트롤러 등의 무선장치에 사용되는 것이며, 검출 대상물질의 검출을 위해서 사용되는 발진회로가 아니었다.
또한, 도 12에 나타낸 발진회로(121)에서는, FET(123)에 접속되는 탄성 표면파 소자(122)의 빗형 전극부에, 통상, FET(123)의 바이어스 전압에 상당하는 수V의 직류전압이 인가된다.
상기 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 탄성 표면파 센서를, 도 12에 나타낸 발진회로(121)에 사용한 경우, 이하와 같은 문제가 발생한다. 즉, 탄성 표면파 센서에 의한 검출 대상물질을 검출하는 경우, 통상, 탄성 표면파 센서는 체액이나 혈액 등의 액체에 침지된다. 그 때문에, 탄성 표면파 센서의 표면에 액체의 일부가 부착한다. 한편, 도 12에 나타낸 발진회로(121)에 있어서의 탄성 표면파 소자(122)를 대신해서, 상기 탄성 표면파 센서를 사용하면, 전술한 바와 같이, 탄성 표면파 센서의 빗형 전극부에, 직류 바이어스 전압이 인가된다. 따라서, 상기 직류 바이어스 전압이 인가되면, 탄성 표면파 센서의 표면에 부착하고 있는 액체를 통한 절연 파괴가 발생하고, 빗형 전극부에 있어서, 전극이 박리하거나 한다는 문제가 발생한다.
즉, 발진회로(121) 등은 액체에 침지되는 탄성 표면파 센서를 조합해서 사용하는 것이 고려되어 있는 것이 아니기 때문에, 이와 같은 발진회로(121)에 있어서 탄성 표면파 센서를 얻을 수 없었다.
본 발명의 목적은 상술한 종래기술의 현상을 감안하여, 질량부하의 변화에 의해 주파수 변화로서 검출 대상물질을 검출하는 것을 가능하게 하는 탄성 표면파 센서를 공진자로서 사용한 발진회로로서, 직류 바이어스 전압의 인가에 의한 전극 박리 등의 문제가 발생하기 어려우며, 안정되게 동작할 수 있는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로 및 상기 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 사용한 바이오센서 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 압전기판과, 압전기판상에 형성되어 있는 표면파 여진용 전극과, 표면파 여진용 전극을 덮도록, 상기 압전기판상에 형성되어 있으며, 또한 검출 대상물질 또는 검출 대상물질과 결합하는 결합물질을 결합하는 반응막을 갖고, 미소한 질량부하를 주파수 변화에 의해 검출하는 것을 가능하게 하는 탄성 표면파 센서가 공진자로서 접속되어 있는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로로서, 상기 탄성 표면파 센서에 대해서 직렬로 접속된 직류 커트용 커패시터를 구비하고, 상기 직류 커트용 커패시터를 갖는 임피던스 정합회로가 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 어느 특정의 국면에서는, 상기 임피던스 정합회로가 상기 직류 커트용 커패시터에 직렬로 접속된 인덕턴스 소자와, 상기 인덕턴스 소자의 양단과 그라운드 전위 사이에 각각 접속된 제1, 제2의 커패시터를 갖는다.
본 발명에 따른 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 또 다른 특정의 국면에서는, 상기 탄성 표면파 센서와, 상기 직류 커트용 커패시터 사이의 접속점과, 그라운드 전위 사이에 접속되어 있는 저항이 더 구비된다.
본 발명에 따른 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 또 다른 특정의 국면에서는, 상기 탄성 표면파 센서가 2포트형 표면파 공진자를 사용해서 구성되어 있다.
본 발명에 따른 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 또 다른 특정의 국면에서는, 상기 2포트형 표면파 공진자를 사용해서 구성된 탄성 표면파 센서가 제1, 제2의 포트를 가지며, 상기 직류 커트용 커패시터로서 제1, 제2의 직류 커트용 커패시터를 갖고, 상기 임피던스 정합회로로서, 제1, 제2의 단자를 가지며, 제1의 단자가 상기 제1의 포트에 접속되어 있고, 또한 상기 제1의 직류 커트용 커패시터를 포함하는 제1의 임피던스 정합회로와, 제1, 제2의 단자를 가지며, 제1의 단자가 상기 제2의 포트에 접속되어 있고, 또한 상기 제2의 직류 커트용 커패시터를 포함하는 제2의 임피던스 정합회로를 가지며, 상기 제1의 임피던스 정합회로의 제2의 단자 및 상기 제2의 임피던스 정합회로의 제2의 단자에 접속되어 있는 트랜지스터를 더 구비한다.
본 발명에 따른 탄성 표면파 내장 발진회로의 또 다른 특정의 국면에서는, 상기 트랜지스터로서, 전계 효과형 트랜지스터가 사용된다.
본 발명에 따른 바이오센서 장치는 본 발명에 따라 구성된 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 사용해서 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄성 표면파 센서 내장 발진회로에서는, 질량부하를 주파수 변화에 의해 검출하는 것을 가능하게 하는 탄성 표면파 센서가 공진자로서 사용되고 있으며, 상기 탄성 표면파 센서에 대해서, 직류 커트용 커패시터가 접속되어 있고, 상기 직류 커트용 커패시터를 갖는 임피던스 정합회로가 구성되어 있기 때문에, 탄성 표면파 센서가 수용액 등의 액체 중에 침지되었다고 하더라도, 상기 직류 커트용 커패시터에 의해 직류 바이어스 전압의 전극부에의 인가가 억제된다. 따라서, 직류 바이어스 전압에 의한 전극 박리 등을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 단지 직류 커트용 커패시터를 접속한 경우에는, 회로의 임피던스 정합이 어긋나고, 발진의 진폭조건인 정귀환량이 1을 넘지 않기 때문에, 발진하지 않게 된다. 그러나, 본 발명에서는, 상기 직류 커트용 커패시터가 임피던스 정합회로도 구성하고 있기 때문에, 발진정지를 피할 수 있다. 즉, 미소한 질량부하가 탄성 표면파 센서에 주어졌다고 하더라도, 질량부하에 따라 변화한 주파수의 발진출력을 확실하게 얻을 수 있으며, 탄성 표면파 센서에 의한 질량부하의 검출을 안정되게 또한 고정밀도로 행할 수 있다.
본 발명에 있어서, 임피던스 정합회로가 직류 커트용 커패시터에 직렬로 접속된 인덕턴스 소자와, 상기 인덕턴스 소자의 양단과, 그라운드 전위 사이에 각각 접속된, 제1, 제2의 커패시터를 갖는 경우, 스미스차트 등에서 Z＝R＋jX 등과 같이 복소수로 표현되는 임피던스 평면상을 임의로 이동시킬 수 있기 때문에, 탄성 표면파 센서의 임피던스에 관계없이 임피던스 정합을 용이하게 도모할 수 있다. 이 때문에, 광대역의 발진출력을 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 탄성 표면파 센서와 직류 커트용 커패시터 사이의 접속점과 그라운드 전위 사이에 접속되어 있는 저항이 더 구비되어 있는 경우에는, 초전작용에 의한 빗형 전극의 전극지간의 단락을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 탄성 표면파 센서가 2포트형 표면파 공진자를 사용해서 구성되어 있는 경우에는, 0차, 1차(또는 1차, 2차)라 불리는 각각 역상(逆相)이며 여진강도가 강한 2개의 SAW의 모드 간격을 넓게 취함으로써 통과역(通過域)을 광대역화시킬 수 있으며, 탄성 표면파 센서로서의 검출감도를 높일 수 있다.
본 발명에 있어서, 2포트형 표면파 공진자를 사용해서 구성된 탄성 표면파 센서가 제1, 제2의 포트를 가지며, 직류 커트용 커패시터로서 제1, 제2의 직류 커트용 커패시터를 갖고, 임피던스 정합회로로서, 제1, 제2의 임피던스 정합회로를 가지며, 제1의 임피던스 정합회로의 제1의 단자가 제1의 포트에, 제2의 단자가 트랜지스터에, 제2의 임피던스 정합회로의 제1의 단자가 제2의 포트에, 제2의 단자가 트랜지스터에 접속되어 있는 경우에는, 2포트 탄성 표면파 공진자의 제1, 제2의 포트에, 각각, 제1, 제2의 임피던스 정합회로가 접속되기 때문에, 트랜지스터와의 임피던스 정합을 양호하게 도모할 수 있으며, 발진조건을 확실하게 만족시킬 수 있다. 따라서, 2포트형 탄성 표면파 공진자를 사용해서 구성된 탄성 표면파 센서를 갖는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 동작을 보다 한층 안정되게 할 수 있다.
트랜지스터로서 전계 효과형 트랜지스터가 사용되고 있는 경우에는, 비교적 높은 임피던스의 탄성 표면파 센서에 적합하다.
본 발명에 따른 바이오센서 장치에서는, 본 발명에 따라 구성된 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 사용해서 구성되어 있기 때문에, 발진주파수의 변화에 의해 미소한 검출물질을 안정되게 검출하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 나타내는 회로도이다.
도 2a∼도 2d는 본 발명의 탄성 표면파 센서의 측정원리를 설명하기 위한 도면으로, 도 2a는 액체 중에 검출 대상물질이 존재하지 않는 경우의 상태를 모식적 으로 나타내는 정면 단면도, 도 2b는 액체 중에 검출 대상물질이 존재하지 않는 경우의 주파수 변화를 나타내는 도면, 도 2c는 액체 중에 검출 대상물질이 존재하는 경우의 모식적 정면 단면도, 도 2d는 액체 중에 검출 대상물질이 존재하는 경우의 주파수 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시형태에서 사용되는 2포트형 탄성 표면파 공진자의 전극구조를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 발진조건을 설명하기 위한 변형예의 회로도이다.
도 5는 도 1에 나타낸 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 발진조건을 설명하기 위한 다른 변형예의 회로도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 회로에 있어서, 도 8에 나타낸 특성의 SAW 필터를 사용하고, 또한 공진계 회로부의 설정을 표 1에 나타내는 바와 같이 설정했을 때의 포트 3 및 포트 3A의 반사계수를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 포트 2A 및 포트 3A를 접속하고, 도 4에 나타낸 회로를 구성했을 때의 S32의 진폭특성 및 위상특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 SAW 필터의 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 실시형태 및 비교를 위해서 준비한 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 사용해서 탄성 표면파 센서의 표면에 액체를 부착시킨 경우의 발진주파수의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 실시형태 및 비교를 위해서 준비한 탄성 표면파 센서 내장 발진 회로를 사용해서 탄성 표면파 센서의 표면에 액체를 부착시킨 경우의 출력레벨의 변화를 나타내는 도면이다.
도 11은 종래의 탄성 표면파 센서의 일례를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 12는 종래의 탄성 표면파 공진자를 사용해서 구성된 발진회로의 회로도이다.
<부호의 설명>
1 : 탄성 표면파 센서 2 : LiTaO3기판
3 : 인터디지탈 전극 4 : 반응막
5 : 액체 6 : 검출 대상물질
13, 23 : 인터디지탈 전극 14, 15 : 반사기
31 : 탄성 표면파 센서 내장 발진회로
32 : 탄성 표면파 센서 32a, 32b : 제1, 제2의 포트
33, 34 : 제1, 제2의 인터디지탈 전극
35 : 트랜지스터 35a : 베이스 단자
35b : 컬렉터 단자 35c : 이미터 단자
36 : 제1의 직류 커트용 커패시터 37 : 인덕턴스 소자
38, 39 : 커패시터 소자 40 : 접속점
41 : 저항 42 : 제2의 직류 커트용 커패시터
43 : 인덕턴스 소자 44, 45 : 커패시터 소자
46 : 저항 47 : 접속점
48 : 접속점 49 : 출력단자
50∼52 : 접속점 C1∼C4 : 커패시터 소자
R1∼R5 : 저항소자
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써, 본 발명을 명백하게 한다.
도 2a∼도 2d는 본 발명의 한 실시형태에 따른 탄성 표면파 센서 내장 발진회로에서 사용되고 있는 탄성 표면파 센서의 측정원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시형태의 탄성 표면파 센서(1)는 SH타입의 표면파를 이용하고 있으며, 오일러각이 (0°, 0°∼18°, 0°±5°) 또는 (0°, 58°∼180°, 0°±5°)인 회전 Y커트 LiTaO3기판(2)을 갖는다. 이 LiTaO3기판(2)상에 표면파 여진용 전극으로서 인터디지탈 전극(3)이 형성되어 있다. 인터디지탈 전극(3)은 Au에 의해 구성되어 있다. 또한, 인터디지탈 전극(3)의 탄성 표면파의 파장으로 규격화된 막두께는 0.8∼9.5%의 범위로 되어 있다. 또한, Au전극상에는, SiO2 유전막이 형성되어 있다.
상기 LiTaO3기판상에 반응막(4)이 형성되어 있다. 반응막(4)은 검출 대상물질 또는 검출 대상물질과 결합하는 결합물질을 결합하는 적절한 재료로 구성될 수 있다.
탄성 표면파 센서(1)에서는, 예를 들면, 검출 대상물질을 포함하지 않는 액 체(5)에 침지되면, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 액체(5)가 반응막(4)에 접촉한다. 이 경우, 액체(5) 내에 검출 대상물질이 존재하지 않으나, 액체(5)가 반응막(4)에 접촉하고, 나아가서는 LiTaO3기판(2)의 인터디지탈 전극(3)이 형성되어 있는 면에 질량이 부하되게 된다. 따라서, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 액체(5)에 침지되기 전의 주파수 특성(A)으로부터, 액체에 침지한 후의 주파수 특성(B)이 되도록, 주파수가 저하한다. 그러나, 이 경우에는, 이 주파수의 변화량은 비교적 작다.
이에 비해서, 도 2c에 나타내는 바와 같이, 검출 대상물질(6)을 함유하고 있는 액체(5)에 탄성 표면파 센서(1)가 침지된 경우에는, 검출 대상물질(6)이 반응막(4)에 결합된다. 그 때문에, LiTaO3기판(2)의 인터디지탈 전극(3)이 형성되어 있는 면에, 반응막(4)의 표면에 결합된 검출 대상물질(6)에 의한 질량이 단지 액체(5)에 의한 증가작용에 추가되게 된다.
액체(5) 중에 검출 대상물질(6)이 존재한 경우에는, 검출 대상물질(6)이 반응막(4)과 반응하여, 반응막(4)의 표면에 결합된다. 그 때문에, 상기 검출 대상물질(6)에 의한 질량부하 작용에 의해, LiTaO3기판(2)의 표면에서 여진된 SH타입의 표면파에의 영향이 커지고, 상기와 같이 주파수 변화에 의해 검출 대상물질의 유무를 검출할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서는, 상술한 원리의 탄성 표면파 센서(1)가 효과적으로 사용되지만, 이 탄성 표면파 센서(1)에 있어서의 인터디지탈 전극의 형상에 대해서는 한정되지 않으며, 1개의 인터디지탈 전극의 표면파 전파방향 양측에 반사기 가 구성된 1포트형 탄성 표면파 공진자여도 좋고, 도 3에 나타내는 2포트형 탄성 표면파 공진자여도 좋다.
도 3은 2포트형 탄성 표면파 공진자의 전극구조를 나타내는 모식적 평면도이다. 여기에서는, 인터디지탈 전극(13, 23)이 표면파 전파방향에 배치되어 있으며, 인터디지탈 전극(13, 23)이 형성되어 있는 영역의 표면파 전파방향 양측에 반사기(14, 15)가 배치되어 있다.
다음으로, 도 1을 참조해서, 본 발명의 한 실시형태에 따른 탄성 표면파 센서 내장 발진회로를 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로(31)에서는, 상기 원리로 측정하는 탄성 표면파 센서(32)가 사용되고 있다. 탄성 표면파 센서(32)는 도 1에 약도적으로 나타나 있는 바와 같이, 제1, 제2의 인터디지탈 전극(33, 34)을 갖는 2포트형 탄성 표면파 공진자를 사용해서 구성되어 있다. 따라서, 탄성 표면파 센서(32)는 제1, 제2의 포트(32a, 32b)를 갖는다.
한편, 도 1에서는, 약도적으로 탄성 표면파 센서(32)가 나타나 있으나, 탄성 표면파 센서(32)는 상기 탄성 표면파 센서(1)와 동일하게 구성되어 있다. 즉, 상기 인터디지탈 전극(33, 34)을 덮도록, 반응막이 형성되어 있는 구성을 갖는다.
또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1의 포트(32a)는 트랜지스터(35)의 베이스 단자(35a)에 접속되어 있다. 여기에서, 제1의 포트(32a)와, 베이스 단자(35a) 사이에는, 제1의 직류 커트용 커패시터(36) 및 인덕턴스 소자(37)가 직렬로 접속되어 있다. 인덕턴스 소자(37)는 직류 커트용 커패시터(36)보다도 베이스 단자(35a) 측에 접속되어 있다. 그리고, 인덕턴스 소자(37)의 양단의 접속점(37a, 37b)과 그라운드 전위 사이에, 커패시터 소자(38, 39)가 접속되어 있다. 본 실시형태에서는, 상기 인덕턴스 소자(37)와, 커패시터 소자(38, 39)로 구성되는 π형의 필터부분과, 직류 커트용 커패시터(36)에 의해, 제1의 임피던스 정합회로가 구성되어 있다. 제1의 임피던스 정합회로는 제1의 포트(32a)의 출력 임피던스를 트랜지스터(35)의 베이스 단자(35a)의 입력 임피던스와 정합시키기 위해서 구성되어 있다.
또한, 제1의 포트(32a)와 직류 커트용 커패시터(36) 사이의 접속점(40)과 그라운드 전위 사이에, 저항(41)이 접속되어 있다. 저항(41)은 초전 효과에 의한 인터디지탈 전극(32, 33)의 단락을 방지하기 위해서 형성되어 있다. 따라서, 저항(41)의 저항값은 이와 같은 효과를 발현하도록 선택된다.
한편, 탄성 표면파 센서(32)의 제2의 포트(32b)는 직렬로 접속된 제2의 직류 커트용 커패시터(42) 및 인덕턴스 소자(43)를 통해서 트랜지스터(35)의 컬렉터 단자(35b)에 접속되어 있다. 제2의 직류 커트용 커패시터(42)는 직류 바이어스 전압이 인터디지탈 전극(34)에 인가되는 것을 방지하기 위해서 형성되어 있다. 인덕턴스 소자(43)는 직류 커트용 커패시터(42)보다도 트랜지스터(35)의 컬렉터 단자(35b)측에 형성되어 있다. 또한, 인덕턴스 소자(43)의 양측의 접속점(43a, 43b)과 그라운드 전위 사이에, 커패시터 소자(44, 45)가 접속되어 있다. 상기 인덕턴스 소자(43) 및 커패시터 소자(44, 45)와, 제2의 직류 커트용 커패시터(42)가 제2의 임피던스 정합회로를 구성하고 있다.
따라서, 탄성 표면파 센서(32)에서는, 제1, 제2의 포트(32a, 32b)가 각각 제 1, 제2의 임피던스 정합회로를 통해서 트랜지스터(35)에 접속되어 있다.
또한, 제2의 포트(32b)측에 있어서도, 초전 작용에 의한 인터디지탈 전극(34)의 단락을 방지하기 위해서, 저항(46)이 제2의 포트(32b)와 직류 커트용 커패시터(42) 사이의 접속점(47)과 그라운드 전위 사이에 접속되어 있다.
또한, 제2의 임피던스 정합회로와 트랜지스터(35)의 컬렉터 단자(35b) 사이의 접속점(48)이 커패시터(C1)를 통해서 출력단자(49)에 접속되어 있다. 또한, 접속점(48)과 전원전압(Vcc) 사이에, 서로 직렬로 저항(R1, R2)이 접속되어 있다. 저항(R1, R2)간의 접속점(50)이 커패시터(C2)를 통해서 그라운드 전위에 접속되어 있다. 또한, 전원전압(Vcc)과 저항(R1) 사이의 접속점(51)이 커패시터(C3)를 통해서 그라운드 전위에 접속되어 있다.
또한, 상기 접속점(50)과 그라운드 전위 사이에, 서로, 직렬로, 저항(R3, R4)이 접속되어 있으며, 저항(R3, R4)간의 접속점(52)은 제1의 임피던스 정합회로의 출력단에 접속되어 있다. 또한, 트랜지스터(35)의 이미터 단자(35c)와 그라운드 전위 사이에, 저항(R5)이 접속되어 있으며, 상기 저항(R5)에 병렬로 커패시터(C4)가 접속되어 있다.
도 1에 나타낸 탄성 표면파 센서 내장 발진회로에 있어서, 발진조건을 고찰하기 위해서, 도 4에 나타내는 변형예의 회로에 대해서 검토하였다. 도 4에 나타내는 회로에서는, 도 1에 나타낸 탄성 표면파 센서 내장 발진회로에 있어서, 포트 P1∼포트 P3가 형성되고, 오픈 루프회로가 구성되어 있다. 이 회로에서는, 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 발진조건은 하기의 식 (1) 및 (2)를 만족할 필요가 있다.
│S32│≥0(dB) …(1)
∠S32＝360×n(deg) n은 정수 …(2)
상기 식 (1)이 진폭조건이고, 식 (2)가 위상조건이다. 따라서, 발진시키기 위해서는, 루프 게인이 0dB 이상인 것, 및 루프 위상차가 360deg의 정수배인 것을 알 수 있다. 여기에서, 포트 P1은 발진주파수를 측정하기 위한 50Ω계의 주파수 카운터에 접속되어 있다. 따라서, 탄성 표면파 센서 내장 발진회로의 출력 임피던스는 50Ω으로 설정되어 있다.
다음으로, 도 1에 나타낸 회로를, 공진계 회로부와 증폭계 회로부로 분리한 회로를 도 5에 나타낸다. 포트 P2 및 포트 P2A로부터 증폭회로측을 봤을 때의 임피던스를 50Ω으로 한다. 이때, 포트 P3 및 포트 P3A로부터 공진계 회로부를 봤을 때의 임피던스는 50Ω에 가까울수록, 각 포트의 반사가 작고, 루프 게인은 크다고 간주할 수 있다.
도 5에 나타낸 회로에 있어서, 도 8에 나타내는 특성의 SAW 필터를 사용하고, 또한 공진계 회로부의 각 소자의 값을 하기의 표 1에 나타내는 값으로 한 경우, 포트 P3 및 포트 P3A의 대응하는 반사계수를 도 6에 나타낸다.
도 6의 특성의 경우의 소자의 값
L1 15nH
L2 15nH
C2 18pF
C3 18pF
C7 N.C
C8 N.C
C9 N.C
C10 N.C
R6 100㏀
R7 100㏀
N.C는 비접속
도 6에 나타나 있는 S33 및 S3A3A의 특성으로부터 명백하듯이, S3A3A는 50Ω에 가까운 특성이지만, S33은 50Ω에서 상당히 어긋나 있음을 알 수 있다.
도 6에 나타낸 특성을 주도록 표 1에 나타내는 바와 같이 각 소자의 값이 설정되어 있을 때, 포트 P2A 및 포트 P3A를 접속하고, 도 4에 나타내는 회로를 구성했을 때의 S32의 진폭특성 및 위상특성을 도 7에 나타낸다. 도 7로부터 명백하듯이, 위상특성이 0일 때, 진폭특성이 0보다 큰 게인이 얻어지면, 발진조건을 만족함을 알 수 있다. 한편, 발진계 회로부에 있어서의 임피던스 정합을 더욱 개선하기 위해서는, 발진계 회로부의 커패시터(C7, C8, C9 및 C10)를 삽입하면 된다. 이것에 의해, S32에 있어서의 위상특성이 0인 경우의 진폭특성이 0보다 커지고, 발진조건을 여유를 가지고 만족시킬 수 있다.
따라서, 상기와 같은 수단에 의해, 발진계 회로부의 임피던스와 증폭계 회로부의 임피던스가 가능한 한 정합하도록, 인덕턴스(L1), 커패시터(C2, C7 및 C8)로 구성되는 임피던스 정합회로와, 인덕턴스(L2), 및 커패시터(C3, C9 및 C10)로 구성되는 임피던스 정합회로의 각 소자의 값을 결정하면 된다.
본 실시형태의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로(31)에서는, 상기 탄성 표면파 센서(32)에 검출 대상물질의 존재에 의해 미소한 질량부하가 주어졌을 때에, 탄성 표면파 센서(32)의 공진주파수가 변화한다. 그 때문에, 탄성 표면파 센서 내장 발진회로(31)의 출력단자(49)로부터 꺼내지는 발진주파수가 변화하고, 그것에 의해 검출 대상물질의 검출을 행하는 것이 가능하게 되어 있다. 이 경우, 제1, 제2의 직류 커트용 커패시터(36, 42)에 의해, 전술한 직류 바이어스 전압이 인터디지탈 전극(33, 34)에 인가되는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 따라서, 직류 바이어스 전압의 인가에 의한 인터디지탈 전극(33, 34)에 있어서의 단락 등이 발생하기 어려우며, 또한 전극막의 기판으로부터의 박리도 발생하기 어렵다.
그뿐만 아니라, 단지 직류 커트용 커패시터를 직렬로 접속한 것만으로는, 임피던스 정합 상태가 붕괴되어, 발진조건을 만족하지 않을 우려가 있으나, 본 실시형태에서는, 제1, 제2의 직류 커트용 커패시터(36, 42)는 전술한 제1, 제2의 임피던스 정합회로를 구성하도록 접속되어 있다. 즉, 제1, 제2의 직류 커트용 커패시터(36, 42)의 정전용량은 상기 제1, 제2의 임피던스 정합회로를 구성하도록 선택되어 있기 때문에, 발진조건이 확실하게 만족되고, 발진정지가 발생하기 어렵다.
따라서, 본 실시형태의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로(31)에서는, 직류 바이어스 전압의 인가에 의한 전극막의 박리 등이 발생하기 어려우며, 또한 단백질 등의 검출 대상물질이 탄성 표면파 센서 표면에 부착함으로써, 발진주파수가 변화했다고 하더라도, 발진조건이 확실하게 만족되기 때문에, 검출 대상물질을 확실하게 검출할 수 있다.
따라서, 본 실시형태의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로(31)는 예를 들면 체액 중의 단백질 등의 검출 대상물질을 검출하기 위한 바이오센서 장치에 매우 적합하게 사용된다.
한편, 상기 실시형태에서는, 트랜지스터(35)가 사용되었으나, 트랜지스터(35) 대신에, 전계 효과형 트랜지스터를 사용해도 좋으며, 그 경우에는, 비교적 높은 임피던스의 탄성 표면파 센서에 적합하다.
다음으로, 구체적인 실험예에 대해서 설명한다.
2포트형 탄성 표면파 공진자를 사용해서 구성된 탄성 표면파 센서(32)를 사용해서, 도 1에 나타낸 탄성 표면파 센서 내장 발진회로(31)를 구성하였다. 비교를 위해서, 동일한 탄성 표면파 센서를 사용하고, 단, 도 12에 나타낸 발진회로(121)를 구성하였다.
또한, 사용한 탄성 표면파 센서의 제1, 제2의 인터디지탈 전극의 전극지의 쌍수는 각각 12, 12로 하고, 파장은 5.8㎛로 하였다. 또한, 인터디지탈 전극상에는, 반응막으로서 시아노알칸막(cyano-alkane film)상에 항(抗) 알부민을 부착시켰다.
상기 실시형태 및 비교를 위해서 준비한 발진회로를 사용해서, 각각의 탄성 표면파 센서 표면에 검출 대상물질 함유 수용액으로서 생리식염수를 부착시킨 경우의 출력 주파수 변화 및 출력레벨 변화를 도 9 및 도 10에 각각 나타낸다. 한편, 도 9 및 도 10에 있어서, 파선이 비교를 위해서 준비한 발진회로에 의한 결과를 나타내고, 실선은 본 실시형태의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로에 의한 결과를 나타낸다.
도 9 및 도 10으로부터 명백하듯이, 비교를 위해서 준비한 발진회로를 사용한 경우에는, 액체의 부착에 의해 단시간에 발진주파수나 출력레벨이 크게 변화하여, 조기에 발진이 정지하였기 때문에, 탄성 표면파 센서를 사용해서 검출 대상물질을 검출할 수 없음을 알 수 있다. 이에 비해서, 상기 실시형태의 탄성 표면파 센서 내장 발진회로에서는, 안정된 주파수 및 출력레벨을 얻을 수 있으며, 검출 대상물질 함유 액체의 부착에 의한 주파수 변화를 보다 확실하게 또한 안정적으로 측정할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 압전기판과, 압전기판상에 형성되어 있는 표면파 여진용 전극과, 표면파 여진용 전극을 덮도록, 상기 압전기판상에 형성되어 있으며, 또한 검출 대상물질 또는 검출 대상물질과 결합하는 결합물질을 결합하는 반응막을 갖고, 미소한 질량부하를 주파수 변화에 의해 검출하는 것을 가능하게 하는 탄성 표면파 센서가 공진자로서 접속되어 있는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로로서,
    상기 탄성 표면파 센서에 대해서 직렬로 접속된 직류 커트용 커패시터를 구비하고, 상기 직류 커트용 커패시터를 갖는 임피던스 정합회로가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 정합회로가 상기 직류 커트용 커패시터에 직렬로 접속된 인덕턴스 소자와, 상기 인덕턴스 소자의 양단과 그라운드 전위 사이에 각각 접속된 제1, 제2의 커패시터를 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄성 표면파 센서와, 상기 직류 커트용 커패시터 사이의 접속점과, 그라운드 전위 사이에 접속되어 있는 저항을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄성 표면파 센서가 2포트형 표면파 공진자를 사용해서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 2포트형 표면파 공진자를 사용해서 구성된 탄성 표면파 센서가 제1, 제2의 포트를 가지며,
    상기 직류 커트용 커패시터로서 제1, 제2의 직류 커트용 커패시터를 갖고,
    상기 임피던스 정합회로로서, 제1, 제2의 단자를 가지며, 제1의 단자가 상기 제1의 포트에 접속되어 있고, 또한 상기 제1의 직류 커트용 커패시터를 포함하는 제1의 임피던스 정합회로와, 제1, 제2의 단자를 가지며, 제1의 단자가 상기 제2의 포트에 접속되어 있고, 또한 상기 제2의 직류 커트용 커패시터를 포함하는 제2의 임피던스 정합회로를 가지며,
    상기 제1의 임피던스 정합회로의 제2의 단자 및 상기 제2의 임피던스 정합회로의 제2의 단자에 접속되어 있는 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 트랜지스터로서, 전계 효과형 트랜지스터가 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 센서 내장 발진회로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 탄성 표면파 센서 내장 발진회로 를 사용해서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오센서 장치.
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