WO2005043150A1 - 弾性表面波センサー内蔵発振回路及びバイオセンサー装置 - Google Patents

弾性表面波センサー内蔵発振回路及びバイオセンサー装置 Download PDF

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Koji Fujimoto
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Abstract

　液体が付着した場合であっても、バイアス電圧の印加による電極膜の剥離が生じ難く、かつ安定に動作させ得る弾性表面波センサー内蔵発振回路を提供する。 　圧電基板上にインターデジタル電極３３，３４と、インターデジタル電極３３，３４を覆うように、検出対象物質または検出対象物質を結合する結合物質を結合する反応膜が設けられており、微小な質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサー３２が共振子として接続されている弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、弾性表面波センサー３２に対して、直列に直流カット用コンデンサ３６，４２が接続されており、該直流カット用コンデンサ３６，４２が、それぞれ、インピーダンス整合回路を構成している、弾性表面波センサー内蔵発振回路３１。

Description

明 細 書
弾性表面波センサー内蔵発振回路及びバイオセンサー装置
技術分野
[0001] 本発明は、例えば、バイオセンサーやガスセンサーなどとして用いられる弾性表面 波センサーを共振子として有する弾性表面波センサー内蔵発振回路に関し、より詳 細には、質量負荷による周波数変化に基づいて検出対象物質が検出される弾性表 面波センサーを内蔵した弾性表面波センサー内蔵発振回路及び該弾性表面波セン サー内蔵発振回路を備えるバイオセンサー装置に関する。
背景技術
[0002] 従来、様々な物質を検出するために、弾性表面波素子を用いた種々の弾性表面 波センサーが提案されている。例えば、 DNAや抗体などの生体物質を検出する弹 性表面波センサーでは、弾性表面波素子上に特定の DNAや抗体などの生体物質 とのみ反応する反応膜が設けられている。上記 DNAや抗体が反応膜と反応し、反応 膜に結合され、それによつて弾性表面波素子上に質量が負荷される。この質量負荷 に起因する周波数変化により、 DNAや抗体の有無や濃度が検出される。
[0003] 他方、下記の特許文献 1には、この種の弾性表面波センサーの一例が開示されて いる。この先行技術に記載の弾性表面波センサーは、水中に含まれるカビ臭物質で ある 2— MIB ( 2—メチルイソボルネオール）の検出を可能とするものである。図 11に示 すように、弾性表面波センサー 101では、圧電基板 102上にインターデジタル電極 1 03, 104及び金属薄膜 105が形成されている。一方のインターデジタル電極 103と 他方のインターデジタル電極 104との間に増幅器 106, 107が接続されており、出力 側のインターデジタル電極 104及び増幅器 106, 107の後段に混合器 108が接続さ れて 、る。混合器 108から弾性表面波センサー 101の出力が取り出されるように構成 されている。
[0004] この先行技術に記載の弾性表面波センサー 101では、上記圧電基板 102の上面 において、カンファー 'Ova複合体が固定ィ匕される。このカンファー 'Ova複合体が反 応膜として機能し、カンファー 'Ova複合体との反応により 2— MIBが検出される。 [0005] すなわち、カビ臭原因物質である 2— MIBに類似の構造を有するカンファー及び蛋 白質の複合体抗原が、弾性表面波センサー 101において固定ィ匕されている。そして 、弾性表面波センサー 101が、 2— MIBを特異的に結合する抗 2— MIB抗体を一定 濃度で含む被測定溶液中に浸漬され、溶液中に存在して ヽる未知濃度の 2— MIBと 、上記カンファー '蛋白質複合体抗原とが競合的に反応する。そして、弾性表面波セ ンサー 101上に固定ィ匕されているカンファー '蛋白質複合体抗原に結合した抗 2— M IB抗体量が、弾性表面波センサーに対する質量負荷による出力変化により求められ る。そして、カンファー ·蛋白質複合体抗原に結合された抗 2— MIB抗体量と、 2— Ml Bが存在しない場合の結合抗体量の差により、被測定溶液中の 2— MIB濃度が定量 される。
[0006] 上記のように、この種の弾性表面波センサーでは、質量変化が周波数変化として検 出される。より詳細には、該弾性表面波センサーが共振子として発振回路に組み込 まれ、該発振回路の発振周波数の変化により質量変化が検出されることになる。
[0007] 他方、弾性表面波素子を共振子として用いた発振回路は、例えば、特許文献 2及 び特許文献 3にそれぞれ開示されている。特許文献 2, 3に記載の発振回路は、電圧 制御発振回路やリモートコントローラなどの無線装置などに用いられているものであ る。図 12は、この種の発振回路の一例を示す回路図である。
[0008] 発振回路 121では、弾性表面波素子 122が共振子として用いられている。ここでは 、弾性表面波素子 122は、 2ポート型の弾性表面波共振子により構成されている。 2 ポート型弾性表面波共振子 122の第 1のポートが、 FET123のゲート端子に接続さ れている。そして、第 2のポートが FET123のドレイン端子に接続されている。
[0009] ここでは、 FET123のゲート端子に接続された出力端子 124から発振出力が取出 される。
特許文献 1：特開平 10— 90270号公報
特許文献 2：特開平 2 - 60211号公報
特許文献 3：特開平 2 - 164121号公報
発明の開示
[0010] 図 12に示した発振回路 121は、特許文献 2, 3に記載のように、弾性表面波素子を 共振子として用いた発振回路である。しかしながら、このような発振回路は、いずれも 、電圧制御発振回路やリモートコントローラなどの無線装置に用いられるものであり、 検出対象物質の検出のために用いられる発振回路ではな力つた。
[0011] また、図 12に示した発振回路 121では、 FET123に接続される弾性表面波素子 1 22のくし型電極部に、通常、 FET123のバイアス電圧に相当する数 Vの直流電圧が 印加される。
[0012] 上記特許文献 1に記載のような弾性表面波センサーを、図 12に示した発振回路 12 1に用いた場合、以下のような問題が生じる。すなわち、弾性表面波センサーによる 検出対象物質を検出する場合、通常、弾性表面波センサーは、体液や血液などの 液体に浸漬される。そのため、弾性表面波センサーの表面に液体の一部が付着する 。他方、図 12に示した発振回路 121における弾性表面波素子 122に代えて、上記 弾性表面波センサーを用いると、前述したように、弾性表面波センサーのくし型電極 部に、直流バイアス電圧が印加される。従って、上記直流バイアス電圧が印加される と、弾性表面波センサーの表面に付着している液体を介しての絶縁破壊が生じ、くし 型電極部にお！、て、電極が剥離したりすると!/ヽぅ問題が生じる。
[0013] すなわち、発振回路 121などは、液体に浸漬される弾性表面波センサーを組み合 わせて用いることを考慮されて 、るものではな 、ため、このような発振回路 121にお いて弾性表面波センサーを得ることはできな力つた。
[0014] 本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、質量負荷の変化により周波数 変化として検出対象物質を検出することを可能とする弾性表面波センサーを共振子 として用いた発振回路であって、直流バイアス電圧の印加による電極剥離などの不 具合が生じ 1 、安定に動作し得る弾性表面波センサー内蔵発振回路並びに該弹 性表面波センサー内蔵発振回路を用いたバイオセンサー装置を提供することにある
[0015] 本発明は、圧電基板と、圧電基板上に形成されている表面波励振用電極と、表面 波励振用電極を覆うように、前記圧電基板上に形成されており、かつ検出対象物質 または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを有し、微小な質量負 荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として 接続されている弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、前記弾性表面波セン サーに対して直列に接続された直流カット用コンデンサを備え、該直流カット用コン デンサを有するインピーダンス整合回路が構成されていることを特徴とする。
[0016] 本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のある特定の局面では、前記イン ピーダンス整合回路力 前記直流カット用コンデンサに直列に接続されたインダクタ ンス素子と、該インダクタンス素子の両端とグラウンド電位との間にそれぞれ接続され た第 1,第 2のコンデンサとを有する。
[0017] 本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに他の特定の局面では、 前記弾性表面波センサーと、前記直流カット用コンデンサとの間の接続点と、グラウ ンド電位との間に接続されている抵抗がさらに備えられる。
[0018] 本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに別の特定の局面では、 前記弾性表面波センサーが、 2ポート型表面波共振子を用いて構成されて 、る。
[0019] 本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに他の特定の局面では、 前記 2ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第 1,第 2 のポートを有し、前記直流カット用コンデンサとして第 1,第 2の直流カット用コンデン サを有し、前記インピーダンス整合回路として、第 1,第 2の端子を有し、第 1の端子 が前記第 1のポートに接続されており、かつ前記第 1の直流カット用コンデンサを含 む第 1のインピーダンス整合回路と、第 1,第 2の端子を有し、第 1の端子が前記第 2 のポートに接続されており、かつ前記第 2の直流カット用コンデンサを含む第 2のイン ピーダンス整合回路とを有し、前記第 1のインピーダンス整合回路の第 2の端子及び 前記第 2のインピーダンス整合回路の第 2の端子に接続されているトランジスタをさら に備える。
[0020] 本発明に係る弾性表面波内蔵発振回路のさらに別の特定の局面では、前記トラン ジスタとして、電界効果型トランジスタが用いられる。
[0021] 本発明に係るバイオセンサー装置は、本発明に従って構成された弾性表面波セン サー内蔵発振回路を用いて構成されていることを特徴とする。
[0022] 本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路では、質量負荷を周波数変化に より検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として用いられており、 該弾性表面波センサーに対して、直列カット用コンデンサが接続されており、該直流 カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されているため、弾性表 面波センサーが水溶液などの液体中に浸漬されたとしても、上記直流カット用コンデ ンサにより直流バイアス電圧の電極部への印加が抑制される。従って、直流バイアス 電圧による電極剥離等を抑制することが可能となる。
[0023] また、単に直流カット用コンデンサを接続した場合には、回路のインピーダンス整合 がずれ、発振の振幅条件である正帰還量力 ^を超えないため、発振しなくなる。しか しながら、本発明では、上記直流カット用コンデンサ力 Sインピーダンス整合回路をも構 成しているため、発振停止を避けることができる。すなわち、微小な質量負荷が弾性 表面波センサーに与えられたしても、質量負荷に応じて変化した周波数の発振出力 を確実に得ることができ、弾性表面波センサーによる質量負荷の検出を安定にかつ 高精度に行うことができる。
[0024] 本発明において、インピーダンス整合回路が、直流カット用コンデンサに直列に接 続されたインダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端と、グラウンド電位との間 にそれぞれ接続された、第 1,第 2のコンデンサとを有する場合、スミスチャート等で Z =R+jX等のように複素数で表現されるインピーダンス平面上を任意に移動させるこ とができるため、弾性表面波センサーのインピーダンスに関わらずインピーダンス整 合を容易に図ることができる。このため、広帯域の発振出力を得ることができる。
[0025] 本発明において、弾性表面波センサーと直流カット用コンデンサとの間の接続点と グラウンド電位との間に接続されている抵抗がさらに備えられている場合には、焦電 作用によるくし型電極の電極指間の短絡を効果的に抑制することができる。
[0026] 本発明において、弾性表面波センサーが、 2ポート型表面波共振子を用いて構成 されている場合には、 0次、 1次 (または 1次、 2次）と呼ばれるそれぞれ逆相で励振強 度が強い 2つの SAWのモード間隔を広くとることで通過域を広帯域ィ匕させることがで き、弾性表面波センサーとしての検出感度を高めることができる。
[0027] 本発明にお ヽて、 2ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサ 一が、第 1,第 2のポートを有し、直流カット用コンデンサとして第 1,第 2の直流カット 用コンデンサを有し、インピーダンス整合回路として、第 1,第 2のインピーダンス整合 回路を有し、第 1のインピーダンス整合回路の第 1の端子が、第 1のポートに、第 2の 端子がトラジスタに、第 2のインピーダンス整合回路の第 1の端子が第 2のポートに、 第 2の端子がトランジスタに接続されている場合には、 2ポート弾性表面波共振子の 第 1,第 2のポートに、それぞれ、第 1,第 2のインピーダンス整合回路が接続されるた め、トランジスタとのインピーダンス整合を良好に図ることができ、発振条件を確実に 満足させることができる。従って、 2ポート型弾性表面波共振子を用いて構成された 弾性表面波センサーを有する弾性表面波センサー内蔵発振回路の動作をより一層 安定とすることができる。
[0028] トランジスタとして電界効果型トランジスタが用いられて 、る場合には、比較的高 ヽ インピーダンスの弾性表面波センサーに向いている。
[0029] 本発明に係るバイオセンサー装置では、本発明に従って構成された弾性表面波セ ンサー内蔵発振回路を用いて構成されているため、発振周波数の変化により微小な 検出物質を安定に検出することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0030] [図 1]図 1は、本発明の一実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路を示す回路 図である。
[図 2]図 2 (a)— (d)は、本発明の弾性表面波センサーの測定原理を説明するための 図であり、 (a)は液体中に検出対象物質が存在しない場合の状態を模式的に示す正 面断面図、（b)は液体中に検出対象物質が存在しない場合の周波数変化を示す図 、（c)は液体中に検出対象物質が存在する場合の模式的正面断面図、（d)は液体 中に検出対象物質が存在する場合の周波数変化を説明するための図である。
[図 3]図 3は、本発明の一実施形態で用いられる 2ポート型弾性表面波共振子の電極 構造を模式的に示す平面図である。
[図 4]図 4は、図 1に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件を説明す るための変形例の回路図である。
[図 5]図 5は、図 1に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件を説明す るための他の変形例の回路図である。
[図 6]図 6は、図 5に示した回路において、図 8に示した特性の SAWフィルタを用い、 かつ共振系回路部の設定を表 1に示すように設定した際のポート 3及びポート 3Aの 反射係数を説明するための図である。
[図 7]図 7は、ポート 2A及びポート 3Aを接続し、図 4に示した回路を構成した際の S3
2の振幅特性及び位相特性を示す図である。
[図 8]図 8は、 SAWフィルタの特性の一例を示す図である。
[図 9]図 9は、本実施形態及び比較のために用意した弾性表面波センサー内蔵発振 回路を用いて弾性表面波センサーの表面に液体を付着させた場合の発振周波数の 変化を示す図である。
[図 10]図 10は、本実施形態及び比較のために用意した弾性表面波センサー内蔵発 振回路を用いて弾性表面波センサーの表面に液体を付着させた場合の出力レベル の変化を示す図である。
[図 11]図 11は、従来の弾性表面波センサーの一例を示す模式的平面図である。
[図 12]図 12は、従来の弾性表面波共振子を用いて構成された発振回路の回路図で ある。
符号の説明
1…弾性表面波センサー
2- --LiTaO基板
3
3 · · 'インターデジタル電極
4…反応膜
5…液体
6…検出対象物質
13, 23· ··インターデジタル電極
14, 15…反射器
31· ··弾性表面波センサー内蔵発振回路
32' "弹¾表面波センサー
32a, 32b…第 1,第 2のポー卜
33, 34· ··第 1,第 2のインターデジタル電極
35· ··トランジスタ 35a…ベース端子
35b …コレクタ端子
35c …リミッター端子
36·· '第 1の直流カット用コンデンサ
37·· -インダクタンス素子
38, 39…コンデンサ素子
40·· .接 点
41·· '抵抗
42·· '第 2の直流カット用コンデンサ
43·· -インダクタンス素子
44, 45…コンデンサ素子
46·· '抵抗
47·· .接 点
48·· .接 点
49·· -出力端子
50 - 52…接続点
CI- C4'"コンデンサ素子
Rl R5…抵抗素子
発明を実施するための最良の形態
[0032] 以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発 明を明らかにする。
[0033] 図 2 (a) (d)は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路 で用いられている弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図である。
[0034] 本実施形態の弾性表面波センサー 1は、 SHタイプの表面波を利用しており、ォイラ 一角が（0° , 0° — 18° , 0° ±5° )または（0° , 58° — 180° , 0° ±5° )であ る回転 Yカット LiTaO基板 2を有する。この LiTaO基板 2上に表面波励振用電極と
3 3
してインターデジタル電極 3が形成されて!、る。インターデジタル電極 3は Auにより構 成されている。また、インターデジタル電極 3の弾性表面波の波長で規格ィ匕された膜 厚は 0. 8-9. 5%の範囲とされている。また、 Au電極上には、 SiO誘電膜が形成さ
2
れている。
[0035] 上記 LiTaO基板上に反応膜 4が形成されて 、る。反応膜 4は、検出対象物質また
3
は検出対象物質と結合する結合物質を結合する適宜の材料で構成され得る。
[0036] 弾性表面波センサー 1では、例えば、検出対象物質を含まな!/、液体 5に浸漬される と、図 2 (a)に示すように、液体 5が反応膜 4に接触する。この場合、液体 5内に検出 対象物質が存在しないが、液体 5が反応膜 4に接触し、ひいては LiTaO基板 2のィ
3 ンターデジタル電極 3が形成されている面に質量が負荷されることになる。従って、図 2 (b)に示すように、液体 5に浸漬される前の周波数特性 Aから、液体に浸漬した後 の周波数特性 Bとなるように、周波数が低下する。し力しながら、この場合には、この 周波数の変化量は比較的小さ 、。
[0037] これに対して、図 2 (c)に示すように、検出対象物質 6を含有している液体 5に弾性 表面波センサー 1が浸漬された場合には、検出対象物質 6が反応膜 4に結合される。 そのため、 LiTaO基板 2のインターデジタル電極 3が形成されている面に、反応膜 4
3
の表面に結合された検出対象物質 6による質量が、単に液体 5による増加作用に追 カロされること〖こなる。
[0038] 液体 5中に検出対象物質 6が存在した場合には、検出対象物質 6が反応膜 4と反 応し、反応膜 4の表面に結合される。そのため、該検出対象物質 6による質量負荷作 用により、 LiTaO基板 2の表面で励振された SHタイプの表面波への影響が大きくな
3
り、上記のように周波数変化により検出対象物質の有無を検出することができる。
[0039] なお、本発明においては、上述した原理の弾性表面波センサー 1が、効果的に用 V、られるが、この弾性表面波センサー 1におけるインターデジタル電極の形状につ!ヽ ては限定されず、 1つのインターデジタル電極の表面波伝搬方向両側に反射器が構 成された 1ポート型弾性表面波共振子でもよぐ図 3に示す 2ポート型弾性表面波共 振子であってもよい。
[0040] 図 3は、 2ポート型弾性表面波共振子の電極構造を示す模式的平面図である。ここ では、インターデジタル電極 13, 23が表面波伝搬方向に配置されており、インター デジタル電極 13, 23の設けられている領域の表面波伝搬方向両側に反射器 14, 1 5が配置されている。
[0041] 次に、図 1を参照して、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサー内蔵発振 回路を説明する。
[0042] 図 1に示すように、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路 31では、上記 原理で測定する弾性表面波センサー 32が用いられている。弾性表面波センサー 32 は、図 1に略図的に示されているように、第 1,第 2のインターデジタル電極 33, 34を 有する 2ポート型弾性表面波共振子を用いて構成されている。従って、弾性表面波 センサー 32は、第 1 ,第 2のポー卜 32a, 32bを有する。
[0043] なお、図 1では、略図的に弾性表面波センサー 32が示されている力 弾性表面波 センサー 32は、上記弾性表面波センサー 1と同様に構成されている。すなわち、上 記インターデジタル電極 33, 34を覆うように、反応膜が形成されている構成を有する
[0044] また、図 1に示すように、第 1のポート 32aは、トランジスタ 35のベース端子 35aに接 続されている。ここで、第 1のポート 32aと、ベース端子 35aとの間には、第 1の直流力 ット用コンデンサ 36及びインダクタンス素子 37が直列に接続されている。インダクタン ス素子 37は、直流カット用コンデンサ 36よりもベース端子 35a側に接続されている。 そして、インダクタンス素子 37の両端の接続点 37a, 37bとグラウンド電位との間に、 コンデンサ素子 38, 39が接続されている。本実施形態では、上記インダクタンス素子 37と、コンデンサ素子 38, 39とで構成される π型のフィルタ部分と、直流カット用コン デンサ 36とにより、第 1のインピーダンス整合回路が構成されている。第 1のインピー ダンス整合回路は、第 1のポート 32aの出力インピーダンスをトランジスタ 35のベース 端子 35aの入力インピーダンスと整合させるために構成されて 、る。
[0045] また、第 1のポート 32aと直流カット用コンデンサ 36との間の接続点 40とグラウンド 電位との間に、抵抗 41が接続されている。抵抗 41は、焦電効果によるインターデジ タル電極 32, 33の短絡を防止するために設けられている。従って、抵抗 41の抵抗値 は、このような効果を発現するように選ばれる。
[0046] 他方、弾性表面波センサー 32の第 2のポート 32bは、直列に接続された第 2の直流 カット用コンデンサ 42及びインダクタンス素子 43を介してトランジスタ 35のコレクタ端 子 35bに接続されている。第 2の直流カット用コンデンサ 42は、直流バイアス電圧が インターデジタル電極 34に印加されるのを防止するために設けられている。インダク タンス素子 43は、直流カット用コンデンサ 42よりもトランジスタ 35のコレクタ端子 35b 側に設けられている。また、インダクタンス素子 43の両側の接続点 43a, 43bとグラウ ンド電位との間に、コンデンサ素子 44, 45が接続されている。上記インダクタンス素 子 43及びコンデンサ素子 44, 45と、第 2の直流カット用コンデンサ 42と力 第 2のィ ンピーダンス整合回路を構成して 、る。
[0047] 従って、弾性表面波センサー 32では、第 1,第 2のポート 32a, 32b力 それぞれ、 第 1,第 2のインピーダンス整合回路を介してトランジスタ 35に接続されている。
[0048] また、第 2のポート 32b側にぉ 、ても、焦電作用によるインターデジタル電極 34の 短絡を防止するために、抵抗 46が、第 2のポート 32bと直流カット用コンデンサ 42と の間の接続点 47とグラウンド電位との間に接続されている。
[0049] また、第 2のインピーダンス整合回路とトランジスタ 35のコレクタ端子 35bとの間の接 続点 48が、コンデンサ C1を介して出力端子 49に接続されている。また、接続点 48と 電源電圧 Vccとの間に、互いに直列に抵抗 Rl, R2が接続されている。抵抗 Rl, R2 間の接続点 50が、コンデンサ C2を介してグラウンド電位に接続されている。さらに、 電源電圧 Vccと抵抗 R1との間の接続点 51がコンデンサ C3を介してグラウンド電位 に接続されている。
[0050] また、上記接続点 50とグラウンド電位との間に、互いに、直列に、抵抗 R3, R4が接 続されており、抵抗 R3, R4間の接続点 52は、第 1のインピーダンス整合回路の出力 端に接続されている。さらに、トランジスタ 35のェミッタ端子 35cとグラウンド電位との 間に、抵抗 R5が接続されており、該抵抗 R5に並列にコンデンサ C4が接続されてい る。
[0051] 図 1に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路において、発振条件を考察するた めに、図 4に示す変形例の回路について検討した。図 4に示す回路では、図 1に示し た弾性表面波センサー内蔵発振回路において、ポート P1—ポート P3が設けられて、 オープンループ回路が構成されている。この回路では、弾性表面波センサー内蔵発 振回路の発振条件は、下記の式（ 1)及び (2)を満たす必要がある。 I S32 I ≥0 (dB) · · · (1)
Z S32 = 360 X n (deg) nは整数 · · · (2)
[0052] 上記式（1)が振幅条件であり、式 (2)が位相条件である。従って、発振させるには、 ループゲインが OdB以上であること、並びにループ位相差が 360degの整数倍であ ることがわ力る。ここで、ポート P1は、発振周波数を測定するための 50 Ω系の周波数 カウンターに接続されている。従って、弾性表面波センサー内蔵発振回路の出カイ ンピーダンスは 50 Ωに設定されて!、る。
[0053] 次に、図 1に示した回路を、共振系回路部と増幅系回路部とに分離した回路を図 5 に示す。ポート P2及びポート P2Aから増幅回路側を見たときのインピーダンスを 50 Ωとする。このとき、ポート P3及びポート P3Aから共振系回路部を見たときのインピー ダンスは 50 Ωに近い程、各ポートの反射が小さぐループゲインは大きいと見なすこ とがでさる。
[0054] 図 5に示した回路において、図 8に示す特性の SAWフィルタを用い、かつ共振系 回路部の各素子の値を下記の表 1に示す値とした場合、ポート P3及びポート P3Aの 対応する反射係数を図 6に示す。
[0055] [表 1]
図 6の特性の場合の素子の値
L 1 1 5 n H
L 2 1 5 n H
C 2 1 8 p F
C 3 1 8 p F
C 7 N. C
C 8 N. C
C 9 N. C
C I O N. C
R 6 1 0 0 k Q
R 7 1 0 0 k Q
N. C は非接続
[0056] 図 6に示されている S33及び S3A3Aの特性から明らかなように、 S3A3Aは、 50 Ω に近 、特性であるが、 S33は 50 Ωからかなりずれて 、ることがわ力る。
[0057] 図 6に示した特性を与えるように表 1に示すように各素子の値が設定されて 、るとき 、ポート P2A及びポート P3Aを接続し、図 4に示す回路を構成したときの S32の振幅 特性及び位相特性を図 7に示す。図 7から明らかなように、位相特性力^のとき、振幅 特性が 0より大きいゲインを得られると、発振条件を満たすことがわかる。なお、発振 系回路部におけるインピーダンス整合をさらに改善するには、発振系回路部のコン デンサ C7, C8, C9及び C10を挿入すればよい。これにより、 S32における位相特性 力 ¾の場合の振幅特性力^より大きくなり、発振条件を余裕を持って満足させることが できる。
[0058] 従って、上記のような手段により、発振系回路部のインピーダンスと増幅系回路部 のインピーダンスができるだけ整合するように、インダクタンス Ll、コンデンサ C2、 C7 及び C8で構成されるインピーダンス整合回路と、インダクタンス L2、並びにコンデン サ C3、C9及び CIOで構成されるインピーダンス整合回路の各素子の値を決定すれ ばよい。
[0059] 本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路 31では、上記弾性表面波センサ 一 32に検出対象物質の存在により微小な質量負荷が与えられた際に、弾性表面波 センサー 32の共振周波数が変化する。そのため、弾性表面波センサー内蔵発振回 路 31の出力端子 49から取出される発振周波数が変化し、それによつて検出対象物 質の検出を行うことが可能とされている。この場合、第 1,第 2の直流カット用コンデン サ 36, 42〖こより、前述した直流バイアス電圧が、インターデジタル電極 33, 34に印 カロされるのを確実に防止することができる。従って、直流バイアス電圧の印加によるィ ンターデジタル電極 33, 34における短絡等が生じ難ぐかつ電極膜の基板からの剥 離も生じ難い。
[0060] のみならず、単に直流カット用コンデンサを直列に接続しただけでは、インピーダン ス整合状態が崩れ、発振条件を満足しないおそれがあるが、本実施形態では、第 1, 第 2の直流カット用コンデンサ 36, 42は、前述した第 1,第 2のインピーダンス整合回 路を構成するように接続されている。すなわち、第 1,第 2の直流カット用コンデンサ 3 6, 42の静電容量は、上記第 1,第 2のインピーダンス整合回路を構成するように選 択されているため、発振条件が確実に満足され、発振停止が生じ難い。
[0061] よって、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路 31では、直流バイアス電 圧の印加による電極膜の剥離等が生じ 1 、かつ蛋白質等の検出対象物質が弾性 表面波センサー表面に付着することにより、発振周波数が変化したとしても、発振条 件が確実に満足されるため、検出対象物質を確実に検出することができる。
[0062] 従って、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路 31は、例えば、体液中 の蛋白質などの検出対象物質を検出するためのノィォセンサー装置に好適に用い られる。
[0063] なお、上記実施形態では、トランジスタ 35が用いられた力 トランジスタ 35の代わり に、電界効果型トランジスタを用いてもよぐその場合には、比較的高いインピーダン スの弹性表面波センサーに向いている。
[0064] 次に、具体的な実験例につき説明する。 [0065] 2ポート型弾性表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサー 32を用い、 図 1に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路 31を構成した。比較のために、同じ 弾性表面波センサーを用い、但し、図 12に示した発振回路 121を構成した。
[0066] また、使用した弾性表面波センサーの第 1,第 2のインターデジタル電極の電極指 の対数は、それぞれ 12、 12とし、波長は 5. 8 mとした。また、インターデジタル電 極上には、反応膜としてアルカンシラン膜上に抗アルブミンを付着させた。
[0067] 上記実施形態及び比較のために用意した発振回路を用い、それぞれの弾性表面 波センサー表面に検出対象物質含有水溶液として生理食塩水を付着させた場合の 出力周波数変化及び出力レベル変化を図 9及び図 10にそれぞれ示す。なお、図 9 及び図 10において、破線が比較のために用意した発振回路による結果を示し、実線 は、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路による結果を示す。
[0068] 図 9及び図 10から明らかなように、比較のために用意した発振回路を用いた場合 には、液体の付着により短時間で発振周波数や出力レベルが大きく変化し、早期に 発振が停止したため、弾性表面波センサーを用いて検出対象物質を検出することが できないことがわかる。これに対して、上記実施形態の弾性表面波センサー内蔵発 振回路では、安定な周波数及び出力レベルを得ることができ、検出対象物質含有液 体の付着による周波数変化をより確実にかつ安定に測定し得ることがわかる。

Claims

請求の範囲
[1] 圧電基板と、圧電基板上に形成されている表面波励振用電極と、表面波励振用電 極を覆うように、前記圧電基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出 対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを有し、微小な質量負荷を周波数 変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として接続されて いる弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、
前記弾性表面波センサーに対して直列に接続された直流カット用コンデンサを備 え、該直流カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されて 、ること を特徴とする、弾性表面波センサー内蔵発振回路。
[2] 前記インピーダンス整合回路が、前記直流カット用コンデンサに直列に接続された インダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端とグラウンド電位との間にそれぞ れ接続された第 1,第 2のコンデンサとを有する、請求項 1に記載の弾性表面波セン サー内蔵発振回路。
[3] 前記弾性表面波センサーと、前記直流カット用コンデンサとの間の接続点と、グラウ ンド電位との間に接続されている抵抗をさらに備える、請求項 1または 2に記載の弹 性表面波センサー内蔵発振回路。
[4] 前記弾性表面波センサーが、 2ポート型表面波共振子を用いて構成されている、請 求項 1一 3のいずれか 1項に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
[5] 前記 2ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第 1,第
2のポートを有し、
前記直流カット用コンデンサとして第 1,第 2の直流カット用コンデンサを有し、 前記インピーダンス整合回路として、第 1,第 2の端子を有し、第 1の端子が前記第 1のポートに接続されており、かつ前記第 1の直流カット用コンデンサを含む第 1のィ ンピーダンス整合回路と、第 1,第 2の端子を有し、第 1の端子が前記第 2のポートに 接続されており、かつ前記第 2の直流カット用コンデンサを含む第 2のインピーダンス 整合回路とを有し、
前記第 1のインピーダンス整合回路の第 2の端子及び前記第 2のインピーダンス整 合回路の第 2の端子に接続されているトランジスタをさらに備える、請求項 4に記載の 弾性表面波センサー内蔵発振回路。
[6] 前記トランジスタとして、電界効果型トランジスタが用いられている、請求項 5に記載 の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
[7] 請求項 1一 6のいずれか 1項に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて 構成されて ヽることを特徴とするバイオセンサー装置。
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