(57)【要約】【課題】感度を向上可能なセンサー素子を提供する。【解決手段】センサー素子は、振動子２を備える。振動子２は、基板２１と、金属薄膜２２とを含む。基板２１は、ガラスからなる。金属薄膜２２は、ＰｔまたはＡｕからなり、１０〜１００ｎｍの膜厚を有する。振動子２は、基板２１側から照射されたレーザ光により共振する。【選択図】図７
2010185772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、
前記振動子を保持し、前記振動子にレーザ光を照射するための開口部を有する保持部材とを備え、
前記振動子は、
基板と、
前記基板上に形成されるとともに、検出対象物を補足するたんぱく質が固定される表面を有し、前記レーザ光の照射により振動する第１の金属薄膜とを含む、センサー素子。
【請求項２】
前記第１の金属薄膜は、前記基板に接して形成されている、請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項３】
前記振動子は、前記第１の金属薄膜が形成された前記基板の面と反対面に形成された第２の金属薄膜をさらに含む、請求項２に記載のセンサー素子。
【請求項４】
前記振動子は、前記第１の金属薄膜が形成された前記基板の面と反対面の一部の領域に形成された第２の金属薄膜をさらに含み、
前記第１の金属薄膜と前記第２の金属薄膜との距離は、前記基板の厚みよりも小さい、請求項２に記載のセンサー素子。
【請求項５】
前記第２の金属薄膜は、前記第１の金属薄膜と異なる金属からなる、請求項４に記載のセンサー素子。
【請求項６】
前記基板は、絶縁物または半導体からなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセンサー素子。
【請求項７】
前記振動子は、
前記基板と前記第１の金属薄膜との間に配置され、前記基板および前記第１の金属薄膜に接して形成された薄膜をさらに含み、
前記基板は、前記基板の厚み方向に形成され、前記薄膜の前記第１の金属薄膜との接触面と反対面の一部を露出させるための開口部をさらに含む、請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項８】
前記薄膜は、絶縁物または半導体からなる、請求項７に記載のセンサー素子。
【請求項９】
前記第１の金属薄膜は、複数の金属薄膜片からなる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のセンサー素子。
【請求項１０】
前記第１の金属薄膜は、酸に対して耐性を有する金属からなる、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のセンサー素子。
【請求項１１】
前記第１の金属薄膜の表面に固定された前記たんぱく質をさらに備える、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のセンサー素子。
【請求項１２】
検出対象物を補足するセンサー素子と、
レーザ光からなる励起光を前記センサー素子に照射する第１の光源と、
レーザ光からなるプローブ光を前記センサー素子に照射する第２の光源と、
前記プローブ光の前記センサー素子からの反射光を受け、その受けた反射光に基づいて前記センサー素子の音響量を検出し、その検出した音響量の変動に基づいて前記検出対象物を検出する検出器とを備え、
前記センサー素子は、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のセンサー素子からなり、
前記第１および第２の光源は、前記第１の金属薄膜と反対側からそれぞれ前記励起光および前記プローブ光を前記センサー素子に照射する、センサー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、センサー素子およびそれを備えたセンサー装置に関し、特に、金属薄膜を用いたセンサー素子およびそれを備えたセンサー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電極を用いずに無線によって圧電振動子の共振周波数等の音響量の変化を検出して検出対象物を検知する共振振動子質量検出装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
この共振振動子質量検出装置は、圧電振動子と、試料供給手段と、電場供給手段と、信号解析部とを備える。電場供給手段は、電圧を入力する入力手段と、圧電振動子の振動を受信する受信手段とを有する。
【０００４】
圧電振動子は、振動電場が付与されると、圧電効果によって振動する。試料供給手段は、圧電振動子の表面に試料物質を供給する。電場供給手段の入力手段は、電圧を入力して振動電場を圧電振動子に印加する。電場供給手段の受信手段は、圧電振動子の振動を受信する。信号解析部は、受信手段によって受信された圧電振動子の振動に基づいて、検出対象物が圧電振動子に付着することによる共振周波数等の音響量の変化を検出して検出対象物を検知する。
【０００５】
そして、共振振動子質量検出装置の感度は、圧電振動子の厚みの２乗に反比例する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２６０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の圧電振動子を用いた共振振動子質量検出装置においては、機械強度を保持するために圧電振動子の厚みを数十μｍよりも薄くことが困難であり、その結果、共振振動子質量検出装置の感度が低いという問題があった。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、感度を向上可能なセンサー素子を提供することである。
【０００９】
また、この発明の別の目的は、感度を向上可能なセンサー素子を備えたセンサー装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明によれば、センサー素子は、振動子と、保持部材とを備える。保持部材は、振動子を保持し、振動子にレーザ光を照射するための開口部を有する。振動子は、第１の金属薄膜、あるいは、基板と、第１の金属薄膜とを含む。第１の金属薄膜は、基板上に形成されるとともに、検出対象物を補足するたんぱく質が固定される表面を有し、レーザ光の照射により振動する。
【００１１】
好ましくは、第１の金属薄膜は、基板に接して形成されている。あるいは、一部の基板が除去され、その部分が振動する状態にある。
【００１２】
好ましくは、振動子は、第２の金属薄膜をさらに含む。第２の金属薄膜は、第１の金属薄膜が形成された基板の面と反対面に形成される。
【００１３】
好ましくは、振動子は、第２の金属薄膜をさらに含む。第２の金属薄膜は、第１の金属薄膜が形成された基板の面と反対面の一部の領域に形成される。そして、第１の金属薄膜と第２の金属薄膜との距離は、基板の厚みよりも小さい。
【００１４】
好ましくは、第２の金属薄膜は、第１の金属薄膜と異なる金属からなる。
【００１５】
好ましくは、基板は、絶縁物または半導体からなる。
【００１６】
好ましくは、振動子は、薄膜をさらに含む。薄膜は、基板と第１の金属薄膜との間に配置され、基板および第１の金属薄膜に接して形成される。基板は、基板の厚み方向に形成され、薄膜の第１の金属薄膜との接触面と反対面の一部を露出させるための開口部をさらに含む。
【００１７】
好ましくは、薄膜は、絶縁物または半導体からなる。
【００１８】
好ましくは、第１の金属薄膜は、複数の金属薄膜片からなる。
【００１９】
好ましくは、第１の金属薄膜は、酸に対して耐性を有する金属からなる。
【００２０】
好ましくは、センサー素子は、第１の金属薄膜の表面に固定されたたんぱく質をさらに備える。
【００２１】
また、この発明によれば、センサー装置は、センサー素子と、第１および第２の光源と、検出器とを備える。センサー素子は、検出対象物を補足する。第１の光源は、レーザ光からなる励起光をセンサー素子に照射する。第２の光源は、レーザ光からなるプローブ光をセンサー素子に照射する。検出器は、プローブ光のセンサー素子からの反射光を受け、その受けた反射光に基づいてセンサー素子の音響量を検出し、その検出した音響量の変動に基づいて検出対象物を検出する。センサー素子は、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のセンサー素子からなる。第１および第２の光源は、第１の金属薄膜と反対側からそれぞれ励起光およびプローブ光をセンサー素子に照射する。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によるセンサー素子は、支持部材によって保持された振動子を備え、振動子は、基板上に形成された第１の金属薄膜を含む。そして、第１の金属薄膜は、レーザ光の照射によって振動し、検出対象物が第１の金属薄膜に付着すれば、共振周波数等の音響応答が変動するので、第１の金属薄膜における共振周波数等の音響応答の変動をレーザ光を用いて検出することによって検出対象物が第１の金属薄膜に付着したことを検知可能である。また、第１の金属薄膜が振動するときの共振周波数等の音響応答の変動は、第１の金属薄膜の膜厚の自乗に反比例し、この発明によるセンサー素子においては、第１の金属薄膜は、基板上に形成されるので、第１の金属薄膜の膜厚を薄くできる。
【００２３】
したがって、この発明によれば、検出対象物を検出するときの感度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態によるセンサー素子の側面図である。
【図２】図１に示すＡ方向から見た支持部材の平面図である。
【図３】図１に示すＢ方向から見た支持部材の平面図である。
【図４】図３に示す線ＩＶ−ＩＶ間における支持部材の断面図である。
【図５】図１に示すＡ方向から見た支持部材の平面図である。
【図６】図５に示す線ＶＩ−ＶＩ間における支持部材の断面図である。
【図７】図１に示す振動子の断面図である。
【図８】パルスエコーの測定結果を示す図である。
【図９】音響フォノン共鳴振動の測定結果を示す図である。
【図１０】図９に示すスペクトルをフーリエ変換したときのスペクトルを示す図である。
【図１１】ブリルアン振動法の概念図である。
【図１２】ブリルアン振動の測定例を示す図である。
【図１３】図１に示すセンサー素子を用いた検出対象物の検出方法を説明するための図である。
【図１４】図１に示すセンサー素子の金属薄膜における振動の実測例を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態によるセンサー装置の概略図である。
【図１６】他の振動子を示す断面図である。
【図１７】図１６の（ｂ）に示す振動子の振動を示す波形図である。
【図１８】さらに他の振動子を示す平面図である。
【図１９】図１５に示すセンサー装置を用いたセンサーシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２６】
図１は、この発明の実施の形態によるセンサー素子の側面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態によるセンサー素子１０は、支持部材１，３と、振動子２とを備える。
【００２７】
支持部材１は、たとえば、テフロン（登録商標）からなり、流路１１，１２と、開口部１３と、保持部１４とを有する。
【００２８】
流路１１，１２の各々は、支持部材１を貫通する。開口部１３は、支持部材１の裏面１Ｂから保持部１４まで支持部材１を貫通する。保持部１４は、支持部材１の表面１Ａ側に設けられる。
【００２９】
振動子２は、略四角形の平面形状を有し、支持部材１の保持部１４によって保持される。
【００３０】
支持部材３は、たとえば、テフロン（登録商標）からなり、液溜部３１を表面３Ａ側に有する。
【００３１】
そして、支持部材１，３は、支持部材１の表面１Ａと支持部材３の表面３Ａとが接するようにネジ（図示せず）によって固定される。
【００３２】
なお、図１には図示されていないが、１ｍｍの厚みを有するシリコンゴムが保持部１４に沿って支持部材１，３間に挿入されている。このシリコンゴムは、溶液が液溜部３１に流入した場合に溶液が外部へ漏れるのを防止する。
【００３３】
図２は、図１に示すＡ方向から見た支持部材１の平面図である。図２を参照して、支持部材１は、略四角形の平面形状を有する。そして、支持部材１に設けられた流路１１，１２および開口部１３の各々は、円形である。流路１１，１２の各々は、約２ｍｍの直径を有し、開口部１３は、約５ｍｍの直径を有する。
【００３４】
図３は、図１に示すＢ方向から見た支持部材１の平面図である。図３を参照して、保持部１４は、略四角形の平面形状を有し、支持部材１の中央部に配置される。そして、保持部１４は、振動子２の大きさと略同じ大きさを有する。
【００３５】
開口部１３は、保持部１４の中央部に配置される。また、流路１１は、保持部１４の一方側に配置され、流路１２は、保持部１４の他方側に配置される。
【００３６】
図４は、図３に示す線ＩＶ−ＩＶ間における支持部材１の断面図である。図４を参照して、保持部１４は、支持部材１の表面１Ａ側に形成された凹部からなる。そして、開口部１３は、保持部１４に連通している。
【００３７】
保持部１４は、振動子２の大きさと略同じ大きさを有するため、振動子２を保持部１４に挿入することによって振動子２は、保持部１４によって保持される。
【００３８】
図５は、図１に示すＡ方向から見た支持部材３の平面図である。また、図６は、図５に示す線ＶＩ−ＶＩ間における支持部材３の断面図である。
【００３９】
図５および図６を参照して、支持部材３は、表面３Ａ側に凹部３２を有する。凹部３２は、支持部材３の中央部に設けられ、保持部１４よりも大きい大きさを有する。
【００４０】
支持部材３は、表面３Ａが支持部材１の表面１Ａに接するように支持部材１と固定されることによって、凹部３２は、振動子２との間で液溜部３１を形成する。
【００４１】
図７は、図１に示す振動子２の断面図である。図２を参照して、振動子２は、基板２１と、金属薄膜２２とからなる。
【００４２】
基板２１は、たとえば、ガラスからなる。そして、基板２１は、約０．５ｍｍの厚みを有する。
【００４３】
金属薄膜２２は、白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）からなり、１０〜１００ｎｍの膜厚を有する。そして、金属薄膜２２は、蒸着によって基板２１の表面に形成される。
【００４４】
このように、振動子２は、透明な基板２１を備えるので、レーザ光を基板２１側から金属薄膜２２に照射可能である。
【００４５】
振動子２を保持部１４に挿入する場合、振動子２の基板２１だけが保持部１４に挿入される。そして、支持部材１の保持部１４は、支持部材１の表面１Ａから基板２１の厚みよりも若干大きい距離だけ窪んでいる。そして、支持部材１と振動子２との間にシリコンゴムを挿入し、ネジで締め付けることで溶液漏れを防ぐ。
【００４６】
したがって、振動子２は、基板２１だけが支持部材１に接し、金属薄膜２２は、支持部材１に接しない。その結果、レーザ光が基板２１側から金属薄膜２２に照射された場合、金属薄膜２２は、振動することができる。
【００４７】
レーザ光の照射によって金属薄膜２２が振動する機構について説明する。ＰｔまたはＡｕからなる金属薄膜２２を振動させるためにレーザ光をピコ秒オーダーの時間だけ金属薄膜２２に照射する。
【００４８】
たとえば、約１００フェムト（１０−１５）秒の時間だけレーザ光を金属薄膜２２に照射すると、金属薄膜２２のうち、照射部分の温度が瞬間的に上昇し、熱応力が金属薄膜２２に発生する。
【００４９】
そうすると、この熱応力が音源となって主に金属薄膜２２の膜厚方向に縦波が伝搬する。そして、縦波は、金属薄膜２２内を多重反射し、定在波（共振）モードが金属薄膜２２内で発生する。その結果、金属薄膜２２は、振動する。
【００５０】
次に、金属薄膜２２内で発生した振動を検出する方法について説明する。この振動を検出する方法としてパルスエコー法、共振法およびブリルアン振動法の３つの方法がある。
【００５１】
（ｉ）パルスエコー法
まず、パルスエコー法について説明する。この方法は、膜厚が５０ｎｍ以上の薄膜に対して適用される。
【００５２】
そして、パルスエコー法は、ポンプ光を薄膜に照射することによって薄膜に発生した弾性パルス波が薄膜内を多重反射するエコーを計測し、エコーの振幅から減衰を評価する方法である。
【００５３】
図８は、パルスエコーの測定結果を示す図である。図８において、縦軸は、反射率を表し、横軸は、時間を表す。なお、図８に示す測定結果は、シリコン（Ｓｉ）上に形成された７０ｎｍの膜厚を有するＰｔにおける測定結果である。
【００５４】
図８を参照して、反射率は、約３３ｐｓごとに大きく変化しており、この時間間隔で弾性波が薄膜内を一往復していることがわかる。
【００５５】
そして、図８に示す反射率において、反射率が低下したときの時刻や反射率を用いて共振周波数や減衰等の音響量を求める。また、図８に示す反射率をフーリエ変換して共振周波数等の音響量を求める。
【００５６】
（ｉｉ）共振法
次に、共振法について説明する。この方法は、第一薄膜の膜厚が５０ｎｍよりも薄い薄膜に対して適用される。また、第一薄膜と基板、さらには、第一薄膜と基板と第二薄膜が振動する場合にも適用される。この場合、全体の膜厚は、２００ｎｍ程度である。
【００５７】
そして、共振法は、パルス幅がピコ秒オーダーである極短パルス光を第一または第二薄い薄膜に照射することによって振動子内に発生した共振モードを反射率の変化から観測するものである。
【００５８】
図９は、音響フォノン共鳴振動の測定結果を示す図である。また、図１０は、図９に示すスペクトルをフーリエ変換したときのスペクトルを示す図である。
【００５９】
図９において、縦軸は、反射率を表し、横軸は、時間を表す。また、図１０において、縦軸は、振幅を表し、横軸は、周波数を表す。
【００６０】
なお、図９および図１０においては、５．６ｎｍ、１３ｎｍおよび３４ｎｍの膜厚を有するＰｔ薄膜内で発生した音響フォノン振動の測定結果を示す。
【００６１】
図９を参照して、ポンプ光（＝励起光）を照射後、Ｐｔ薄膜内で共振が発生していることがわかる。また、図９に示すスペクトルをフーリエ変換すると、図１０に示すスペクトルが得られる。したがって、図１０に示すスペクトルからＰｔ薄膜の共振周波数等の音響量を求めることができる。
【００６２】
なお、Ｐｔ薄膜の共振周波数等の音響量は、図９に示すスペクトルにおいて、ある反射率が得られる１つの時間を用いて求められてもよい。
【００６３】
（ｉｉｉ）ブリルアン振動法
最後に、ブリルアン振動法について説明する。この方法は、弾性波による光の回折現象を利用しており、透明・半透明薄膜（酸化物および半導体）に対して非常に有効な手法である。
【００６４】
図１１は、ブリルアン振動法の概念図である。図１１を参照して、試料表面に１０ｎｍ程度の薄いＡｌ等の薄膜からなる金属薄膜を成膜し、ポンプ光をその金属薄膜に照射する。そうすると、薄膜の熱膨張により膜厚方向に縦波超音波が励起される。
【００６５】
縦波は、粗密波であり、物質内の電荷密度もこれと同じ波長で分布する。つまり、屈折率も、この波長で変化するために、光から見れば超音波は、いわゆる回折格子である。この状態でプローブ光が薄膜内に入射されると、プローブ光の一部は、表面で反射するが、Ａｌ薄膜（＝金属薄膜）が薄いために、プローブ光の大部分は、試料内に透過して超音波によって回折される。
【００６６】
回折条件は、光の物質内での波長（λ０／ｎ）が超音波の波長（λａ）の２倍に等しいときである。ここで、ｎは、プローブ光に対する物質の屈折率を表す。
【００６７】
超音波が薄膜内部へ進行すると、回折光は、金属薄膜の表面で反射された反射光と干渉し、反射率に振動が生じる。この振動をブリルアン振動と言う。ブリルアン振動の周波数ｆＢＯは、次式によって表わされる。
【００６８】
ｆＢＯ＝２ｎｖａ／λ０・・・（１）
なお、ｖａは、物質内における音速である。
【００６９】
図１２は、ブリルアン振動の測定例を示す図である。図１２において、縦軸は、反射率を表し、横軸は、時間を表す。
【００７０】
なお、図１２に示すスペクトルは、Ｓｉ基板上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）からのブリルアン振動を示す。
【００７１】
図１２を参照して、低周波（〜４５ＧＨｚ）の振動の後、高周波（〜４５０ＧＨｚ）の振動が観測されている。前者は、ＳｉＯ２薄膜からのブリルアン振動であり、後者は、Ｓｉ基板からのブリルアン振動である。
【００７２】
Ｓｉは、ＳｉＯ２よりも屈折率および音速が大きいため、高い周波数のブリルアン振動が観測される。
【００７３】
なお、Ｓｉ基板における振動が減衰しているのは、超音波の減衰ではなく、光が急激に減衰するためである。
【００７４】
そして、図１２に示す反射率において、ある反射率が得られる１つの時間を用いて共振周波数等の音響量を求める。また、図１２に示す反射率をフーリエ変換して共振周波数を求める。
【００７５】
この発明の実施の形態においては、上述したパルスエコー法、共振法およびブリルアン振動法のいずれかの方法を用いて試料内で発生した振動の共振周波数等の音響量を検出する。この場合、金属薄膜２２の膜厚が５０ｎｍ以上であるとき、パルスエコー法が用いられ、金属薄膜２２の膜厚が５０ｎｍよりも薄いとき、共振法が用いられ、ブリルアン振動法は、金属薄膜２２の膜厚に無関係に用いられる。
【００７６】
図１３は、図１に示すセンサー素子１０を用いた検出対象物の検出方法を説明するための図である。
【００７７】
図１３を参照して、センサー素子１０の金属薄膜２２の表面に分子Ｂを固定する。そして、センサー素子１０の基板２１側からレーザ光（＝ポンプ光）を金属薄膜２２に照射する。これによって、金属薄膜２２内で振動が発生する。そして、レーザ光（プローブ光）を基板２１側から金属薄膜２２に照射し、上述した３つの方法のいずれかを用いて金属薄膜２２内で発生した振動の共振周波数等の音響量を検出する。
【００７８】
その後、分子Ａを流路１１を介して液溜部３１に注入すると、分子Ａは、分子Ｂと反応し、複合体（ＡＢ）が金属薄膜２２の表面に形成される。そうすると、複合体（ＡＢ）が金属薄膜２２の表面に形成された状態でレーザ光（＝プローブ光）を照射し、上述した３つの方法のいずれかを用いて金属薄膜２２内における振動の共振周波数等の音響量を検出する。
【００７９】
複合体（ＡＢ）は、分子Ｂよりも質量が大きいので、複合体（ＡＢ）が金属薄膜２２の表面に形成されたときの複合体（ＡＢ）および金属薄膜２２の全体の質量は、分子Ｂおよび金属薄膜２２の全体の質量よりも大きい。
【００８０】
その結果、複合体（ＡＢ）が金属薄膜２２の表面に形成されたときの共振周波数等の音響量は、分子Ｂが金属薄膜２２の表面に固定されているときの共振周波数等の音響量から変化する。
【００８１】
したがって、分子Ａをセンサー素子１０に注入することによる共振周波数等の音響量の変動Δｆを検出し、分子Ａを検知する。
【００８２】
この場合、共振周波数等の音響量が変化する速さは、分子Ａと分子Ｂとの反応速度定数を表すことになる。
【００８３】
図１４は、図１に示すセンサー素子１０の金属薄膜２２における振動の実測例を示す図である。
【００８４】
図１４において、縦軸は、振幅を表し、横軸は、時間を表す。図１４に示すスペクトルは、黄色ブドウ球菌プロテインＡを金属薄膜２２に固定し、ヒト免疫グロブリンＧ（ヒトＩｇＧ）を注入したときの金属薄膜２２の振動を示す。
【００８５】
図１４を参照して、金属薄膜２２内における振動は、ヒト免疫グロブリンＧ（ヒトＩｇＧ）を注入した後、大きく変化している。プロテインＡは、比較的高い親和性によりヒト免疫グロブリンＧ（ヒトＩｇＧ）と結合するため、ＩｇＧ分子がセンサー素子１０に結合し、振幅等の音響量変化が生じる。
【００８６】
図１４に示す振動の振幅を周波数変化に換算すると、従来の圧電振動体を用いたときの周波数変化の１万倍を上回ることに相当する。
【００８７】
検出対象物が付着する前後の共振周波数等の音響量の変化Δｆは、振動子（＝金属薄膜２２）の膜厚の自乗に反比例する。また、金属薄膜２２の膜厚は、ナノメートルオーダーであり、従来の圧電振動体の厚みの約１０００分の１である。
【００８８】
したがって、センサー素子１０における共振周波数等の音響量の変化Δｆ（＝感度）は、従来のセンサーに対して百万倍となる。
【００８９】
図１５は、この発明の実施の形態によるセンサー装置の概略図である。図１５を参照して、この発明の実施の形態によるセンサー装置１００は、センサー素子１０と、レーザ光源１１０と、２分の１波長板１１１と、偏光ビームスプリッタ１１２と、反射板１１３，１１５，１１６，１２１〜１２３と、コーナーリフレクタ１１４と、レンズ１１８，１２０と、音響光学結晶１１７と、非線形光学結晶１１９と、ビームスプリッタ１２４と、ハーモニックセパレータ１２５と、対物レンズ１２６と、検出器１２７とを備える。
【００９０】
レーザ光源１１０は、たとえば、チタン・サファイアパルスレーザからなり、波長８００ｎｍのパルス光（パルス幅：ピコ秒オーダー）を生成し、その生成したパルス光を２分の１波長板１１１へ出射する。
【００９１】
２分の１波長板１１１は、レーザ光源１１０から受けたパルス光の偏光面を９０°回転し、その偏光面を回転したパルス光を偏光ビームスプリッタ１１２へ導く。
【００９２】
偏光ビームスプリッタ１１２は、２分の１波長板１１１から受けたパルス光を反射板１１３へ透過するとともにレンズ１１８の方向へ反射する。
【００９３】
反射板１１３は、偏光ビームスプリッタ１１２から受けたパルス光をコーナーリフレクタ１１４へ反射する。
【００９４】
コーナーリフレクタ１１４は、反射板１１３から受けたパルス光の光路を調整してパルス光を反射板１１５へ導く。
【００９５】
反射板１１５は、コーナーリフレクタ１１４から受けたパルス光を反射板１１６の方向へ反射する。
【００９６】
反射板１１６は、反射板１１５から受けたパルス光を音響光学結晶１１７の方向へ反射する。
【００９７】
音響光学結晶１１７は、反射板１１６から受けたパルス光を変調し、その変調したパルス光をハーモニックセパレータ１２５へ出射する。
【００９８】
レンズ１１８は、偏光ビームスプリッタ１１２から受けたパルス光を平行光にして非線形光学結晶１１９へ出射する。
【００９９】
非線形光学結晶１１９は、レンズ１１８から受けたパルス光を倍波（波長＝４００ｎｍ）にしてレンズ１２０へ出射する。
【０１００】
レンズ１２０は、非線形光学結晶１１９から受けたパルス光を反射板１２１に導く。
【０１０１】
反射板１２１は、レンズ１２０から受けたパルス光をビームスプリッタ１２４の方向へ反射する。
【０１０２】
反射板１２２は、反射板１２３から受けた光を検出器１２７の方向へ反射する。
【０１０３】
反射板１２３は、ビームスプリッタ１２４から受けた光を反射板１２２の方向へ反射する。
【０１０４】
ビームスプリッタ１２４は、反射板１２１から受けたパルス光を２つのパルス光に分離し、一方のパルス光をハーモニックセパレータ１２５へ導くとともに、他方のパルス光を参照光として検出器８１２７へ導く。また、ビームスプリッタ１２４は、ハーモニックセパレータ１２５から受けた光を反射板１２３の方向へ反射する。
【０１０５】
ハーモニックセパレータ１２５は、音響光学結晶１１７から受けたパルス光を対物レンズ１２６へ導くとともに、ビームスプリッタ１２４から受けたパルス光を対物レンズ１２６へ導き、センサー素子１０における反射光をビームスプリッタ１２４へ導く。
【０１０６】
対物レンズ１２６は、ハーモニックセパレータ１２５から受けた光を集光し、その集光した光をセンサー素子１０の振動子２に基板２１側から照射する。
【０１０７】
検出器１２７は、ビームスプリッタ１２４から参照光を受け、センサー素子１０による反射光を反射板１２２から受ける。そして、検出器１２７は、反射光から参照光を減算し、その減算後の光をロックインアンプに入力し、変調周波数成分を抽出する。
【０１０８】
レーザ光源１１０は、２分の１波長板１１１、偏光ビームスプリッタ１１２、反射板１１３、コーナーリフレクタ１１４、反射板１１５，１１６、音響光学結晶１１７、ハーモニックセパレータ１２５および対物レンズ１２６を介して、波長８００ｎｍのレーザ光ＬＳ１をセンサー素子１０の振動子２に照射する。これによって、振動子２の金属薄膜２２内で振動が生じる。したがって、レーザ光ＬＳ１は、ポンプ光（＝励起光）と呼ばれる。
【０１０９】
また、レーザ光源１１０は、２分の１波長板１１１、偏光ビームスプリッタ１１２、レンズ１１８、非線形光学結晶１１９、レンズ１２０、反射板１２１、ビームスプリッタ１２４、ハーモニックセパレータ１２５および対物レンズ１２６を介して、波長４００ｎｍのレーザ光ＬＳ２をセンサー素子１０の振動子２に照射する。そして、レーザ光ＬＳ２の反射光は、ビームスプリッタ１２４および反射板１２３，１２２を介して検出器１２７に導かれる。そして、検出器１２７は、レーザ光ＬＳ２の反射光から参照光を減算してセンサー素子１０の振動子２の共振周波数等の音響量を求める。したがって、レーザ光ＬＳ２は、プローブ光と呼ばれる。
【０１１０】
センサー装置１００においては、検出器１２７は、センサー素子１０の流路１１から検出対象物を含む溶液を流入しない状態で上述した方法によって振動子２の共振周波数等の音響量ｆ０を検出する。
【０１１１】
その後、検出対象物を含む溶液が流路１１から液溜部３１に流入される。そして、検出器１２７は、検出対象物を含む溶液が液溜部３１に溜まった状態で上述した方法によって振動子２の共振周波数等の音響量ｆｍを検出し、その検出した共振周波数等の音響量ｆｍが共振周波数等の音響量ｆ０から変動していることを検知することにより、検出対象物を検出する。
【０１１２】
図１６は、他の振動子を示す断面図である。この発明の実施の形態においては、センサー装置１０は、振動子２に代えて図１６に示す振動子２Ａ，２Ｂ，２Ｃのいずれかを備えていてもよい。
【０１１３】
図１６の（ａ）を参照して、振動子２Ａは、図７に示す振動子２に金属薄膜２３を追加したものであり、その他は、振動子２と同じである。金属薄膜２３は、金属薄膜２２が形成された基板２１の一主面と反対の面に形成される。そして、金属薄膜２３は、たとえば、Ａｌからなり、１０〜１００ｎｍの膜厚を有する。すなわち、金属薄膜２３は、金属薄膜２２と異なる金属からなる。
【０１１４】
振動子２Ａがセンサー素子１０に用いられる場合、検出対象物を補足するための抗体等のたんぱく質が金属薄膜２２の表面に固定され、レーザ光ＬＳ１，ＬＳ２は、金属薄膜２３側から振動子２Ａに照射される。
【０１１５】
レーザ光ＬＳ１が照射されると、金属薄膜２３内において、上述した縦波が金属薄膜２３の膜厚方向に発生し、その発生した縦波は、基板２１および金属薄膜２２に伝搬し、基板２１および金属薄膜２２，２３の全体が振動する。
【０１１６】
したがって、振動子２Ａの共振周波数等の音響量の変動Δｆを検出することにより振動子２Ａを用いて検出対象物を検知できる。
【０１１７】
このように、振動子２Ａにおいては、金属薄膜２３は、音響源として機能する。
【０１１８】
なお、振動子２Ａは、ガラスの一方の面に金属薄膜２２を蒸着によって形成し、ガラスの他方の面に金属薄膜２３を蒸着によって形成することによって製造される。
【０１１９】
図１６の（ｂ）を参照して、振動子２Ｂは、金属薄膜２２と、薄膜２４と、基板２５とを含む。
【０１２０】
基板２５は、たとえば、４００μｍ程度の厚みを有するシリコンからなり、開口部２５１を有する。薄膜２４は、たとえば、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）およびシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の絶縁体または半導体からなり、５０〜２００ｎｍの膜厚を有する。そして、薄膜２４は、金属薄膜２２および基板２５に接して金属薄膜２２と基板２５との間に形成される。
【０１２１】
開口部２５１は、両端がテーパ構造になった断面形状を有し、薄膜２４側で約２ｍｍの直径を有し、基板２５の裏面側で約２．５ｍｍの直径あるいは約２．５ｍｍ角の正方形状を有する。
【０１２２】
振動子２Ｂがセンサー素子１０に用いられる場合、検出対象物を補足するための抗体等のたんぱく質が金属薄膜２２の表面に固定され、レーザ光ＬＳ１，ＬＳ２は、基板２５の開口部２５１から薄膜２４に照射される。
【０１２３】
レーザ光ＬＳ１が照射されると、薄膜２２内において、上述した縦波が薄膜２２の膜厚方向に発生し、その発生した縦波は、金属薄膜２４に伝搬し、金属薄膜２２および薄膜２４の全体が振動する。
【０１２４】
したがって、振動子２Ｂの共振周波数等の音響量の変動Δｆを検出することにより振動子２Ｂを用いて検出対象物を検知できる。
【０１２５】
なお、振動子２Ｂは、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法または熱ＣＶＤ法によって薄膜２４をシリコン基板の一主面に形成し、その後、蒸着やスパッタリングによって金属薄膜２２を薄膜２４上に形成し、さらに、その後、シリコン基板の一部を裏面からエッチングによって除去し、開口部２５１を形成することによって製造される。
【０１２６】
図１６の（ｃ）を参照して、振動子２Ｃは、金属薄膜２２，２７と、基板２６とを含む。基板２６は、４００μｍ程度の厚みを有するシリコンからなり、薄膜部２６１を有する。この薄膜部２６１は、約１００ｎｍの厚みを有する。
【０１２７】
金属薄膜２２は、基板２６の一主面に形成される。金属薄膜２７は、金属薄膜２２が形成された基板２６の一主面と反対側において薄膜部２６１に接して形成される。
【０１２８】
そして、金属薄膜２７は、たとえば、Ａｌまたはクロム（Ｃｒ）からなり、約１０ｎｍの膜厚を有する。すなわち、金属薄膜２７は、金属薄膜２２と異なる金属からなる。
【０１２９】
振動子２Ｃがセンサー素子１０に用いられる場合、検出対象物を補足するための抗体等のたんぱく質が金属薄膜２２の表面に固定され、レーザ光ＬＳ１，ＬＳ２は、基板２６側から金属薄膜２７に照射される。
【０１３０】
レーザ光ＬＳ１が照射されると、金属薄膜２７内において、上述した縦波が金属薄膜２７の膜厚方向に発生し、その発生した縦波は、基板２６の薄膜部２６１および金属薄膜２２に伝搬し、薄膜部２６１および金属薄膜２２が振動する。
【０１３１】
したがって、振動子２Ｃの共振周波数等の音響量の変動Δｆを検出することにより振動子２Ｃを用いて検出対象物を検知できる。
【０１３２】
このように、振動子２Ｃにおいては、金属薄膜２７は、音響源として機能する。
【０１３３】
なお、振動子２Ｃは、金属薄膜２２を蒸着によってシリコン基板の一主面に形成し、その後、シリコン基板の一部を裏面からエッチングして薄膜部２６１を形成し、さらに、その後、金属薄膜２７を蒸着によって薄膜部２６１に形成することによって製造される。
【０１３４】
センサー素子１０において、振動子２Ａ，２Ｂ，２Ｃのいずれかが用いられた場合も、上述したパルスエコー法、共振法、およびブリルアン振動法のいずれかの方法を用いて振動子２Ａ，２Ｂ，２Ｃの共振周波数等の音響量が検出される。
【０１３５】
図１７は、図１６の（ｂ）に示す振動子２Ｂの振動を示す波形図である。図１７において、縦軸は、反射率を表し、横軸は、時間を表す。
【０１３６】
図１７を参照して、振動は、ほぼ一定の周期で持続している。したがって、振動子２Ｂのように、４００μｍ程度の厚みを有する基板２５に接した薄膜２４にレーザ光ＬＳ１を照射して薄膜２４を振動させた場合も、その振動は、基板２６によって減衰させられることはなく、持続することが実証された。
【０１３７】
図１８は、さらに他の振動子を示す平面図である。この発明の実施の形態によるセンサー素子１０は、振動子２に代えて図１８に示す振動子２０を備えていてもよい。
【０１３８】
振動子２０は、基板２０１と、複数の振動部材２０２とを含む。基板２０１は、たとえば、ガラスまたはＳｉ基板からなる。
【０１３９】
複数の振動部材２０２は、基板２０１の一主面に碁盤目状に配置される。そして、複数の振動部材２０２の各々は、上述した振動子２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃのいずれかからなり、約１ｍｍの直径を有する円形形状からなる。
【０１４０】
振動子２０を備えたセンサー素子１０においては、複数の振動部材２０２に含まれる複数の金属薄膜２２の表面に、同じ抗体等のたんぱく質が固定されていてもよく、相互に異なる複数種類の抗体等のたんぱく質が固定されていてもよい。
【０１４１】
複数種類の抗体等のたんぱく質が複数の金属薄膜２２の表面に固定されている場合、複数種類の抗原を同時に検知できる。
【０１４２】
なお、振動子２０が用いられる場合、レーザ光ＬＳ１，ＬＳ２は、スキャンされながら複数の振動部材２０２に照射される。
【０１４３】
また、振動子２０においては、複数の振動部材２０２の各々は、円形に限らず、三角形、四角形および五角形等の多角形からなっていてもよい。
【０１４４】
図１９は、図１５に示すセンサー装置１００を用いたセンサーシステムの概略図である。図１９を参照して、センサーシステム１０００は、センサー素子１０と、容器３０１〜３０５，３４０と、送液ポンプ３１０と、配管３２０と、恒温槽３３０と、レーザ計測システム３５０と、パーソナルコンピュータ３６０とを備える。
【０１４５】
センサーシステム１０００においては、センサー素子１０およびレーザ計測システム３５０がセンサー装置１００を構成する。
【０１４６】
容器３０１〜３０５は、送液ポンプ３１０に接続される。送液ポンプ３１０は、配管３２０によってセンサー素子１０の流路１１に接続される。
【０１４７】
センサー素子１０は、恒温槽３３０内に配置される。そして、流路１１は、配管３２０に接続され、流路１２は、容器３４０に接続される。
【０１４８】
レーザ計測システム３５０は、図１５に示すレーザ光源１１０、２分の１波長板１１１、偏光ビームスプリッタ１１２、反射板１１３，１１５，１１６，１２１〜１２３、コーナーリフレクタ１１４、音響光学結晶１１７、レンズ１１８，１２０、非線形光学結晶１１９、ビームスプリッタ１２４、ハーモニックセパレータ１２５、対物レンズ１２６および検出器１２７からなる。
【０１４９】
容器３０１〜３０５の各々は、検出対象物を含む溶液を保持する。この場合、容器３０１〜３０５には、相互に異なる検出対象物が入っている。
【０１５０】
送液ポンプ３１０は、容器３０１〜３０５のいずれかから溶液を吸い上げ、その吸い上げた溶液を配管３２０を介してセンサー素子１０へ流入する。
【０１５１】
センサー素子１０へ流入した溶液は、流路１１から液溜部３１に流れ込み、その後、流路１２から容器３４０へ排出される。
【０１５２】
レーザ計測システム３５０は、レーザ光ＬＳ１をポンプ光（＝励起光）としてセンサー素子１０の振動子２に基板２１側から照射し、レーザ光ＬＳ２をプローブ光としてセンサー素子１０の振動子２に基板２１側から照射して、参照光と振動子２からの反射光とを検出し、その検出した参照光および反射光に基づいて、振動子２の共振周波数等の音響量の変動Δｆを検出して検出対象物を検知する。
【０１５３】
そして、レーザ計測システム３５０は、その検出した検出対象物をパーソナルコンピュータ３６０へ出力する。
【０１５４】
パーソナルコンピュータ３６０は、レーザ計測システム３５０から検出対象物を受け、その受けた検出対象物を表示する。
【０１５５】
また、パーソナルコンピュータ３６０は、レーザ計測システム３５０を制御する。より具体的には、パーソナルコンピュータ３６０は、レーザ計測システム３５０に含まれるレーザ光源１１０を駆動したり、コーナーリフレクタ１１４による光路の調整を制御する。
【０１５６】
なお、上記においては、金属薄膜２２は、ＰｔおよびＡｕ等の貴金属からなると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、金属薄膜２２は、銅（Ｃｕ）からなっていてもよく、一般的には、酸に対して耐性を有する金属からなっていればよい。
【０１５７】
また、上記においては、センサー素子１０は、溶液中の抗原を検知すると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、センサー素子１０は、空気中のガスを検知してもよい。
【０１５８】
この場合、センサー素子１０は、支持部材３がなくてもよい。支持部材３を除去することによって、空気中の検出対象物が振動子２に付着し易くなり、センサー素子１０における検出感度を向上できる。
【０１５９】
上述したように、センサー素子１０は、振動子２を備え、振動子２は、基板２１上に形成された金属薄膜２２を有する。そして、センサー素子１０においては、レーザ光ＬＳ１の照射によって金属薄膜２２内に発生する振動する共振周波数等の音響量の変動を検出して検出対象物を検知する。また、共振周波数等の音響量の変動は、金属薄膜２２の膜厚の自乗に反比例する。
【０１６０】
したがって、金属薄膜２２の膜厚を薄くすることによって、センサー素子１０における検出感度（＝共振周波数等の音響量の変動）を飛躍的に向上できる。
【０１６１】
この発明の実施の形態においては、金属薄膜２２は、「第１の金属薄膜」を構成し、金属薄膜２３，２７の各々は、「第２の金属薄膜」を構成する。
【０１６２】
また、この発明の実施の形態においては、複数の振動部材２０２に含まれる複数の金属薄膜２２は、「複数の金属薄膜片」を構成する。
【０１６３】
さらに、この発明の実施の形態においては、レーザ光ＬＳ１を２分の１波長板１１１、偏光ビームスプリッタ１１２、反射板１１３，１１５，１１６、コーナーリフレクタ１１５、音響光学結晶１１７、ハーモニックセパレータ１２５および対物レンズ１２６を用いてセンサー素子１０に照射するレーザ光源１１０は、「第１の光源」を構成する。
【０１６４】
さらに、この発明の実施の形態においては、レーザ光ＬＳ２を２分の１波長板１１１、偏光ビームスプリッタ１１２、レンズ１１８，１２０、非線形光学結晶１１９、反射板１２１、ビームスプリッタ１２４、ハーモニックセパレータ１２５および対物レンズ１２６を用いてセンサー素子１０に照射するレーザ光源１１０は、「第２の光源」を構成する。
【０１６５】
さらに、この発明の実施の形態においては、音響量とは、振動子２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２０の共振周波数または振幅を言う。
【０１６６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１６７】
この発明は、感度を向上可能なセンサー素子に適用される。また、この発明は、感度を向上可能なセンサー素子を備えたセンサー装置に適用される。
【符号の説明】
【０１６８】
１，３  支持部材、１Ａ，３Ａ  表面、１Ｂ  裏面、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２０  振動子、１０  センサー素子、１１，１２  流路、１３，２５１  開口部、１４  保持部、２１，２５，２６，２０１  基板、２２，２３，２７  金属薄膜、２４  薄膜、３１  液溜部、３２  凹部、１００  センサー装置、１１０  レーザ光源、１１１  ２分の１波長板、１１２  偏光ビームスプリッタ、１１３，１１５，１１６，１２１〜１２３  反射板、１１４  コーナーリフレクタ、１１７  音響光学結晶、１１８，１２０  レンズ、１１９  非線形光学結晶、１２４  ビームスプリッタ、１２５  ハーモニックセパレータ、１２６  対物レンズ、２０２  振動部材、２６１  薄膜部、３０１〜３０５，３４０  容器、３１０  送液ポンプ、３２０  配管、３３０  恒温槽、３５０  レーザ計測システム、３６０  パーソナルコンピュータ、１０００  センサーシステム。
【図１】
2010185772.tif 000003
【図２】
2010185772.tif 000004
【図３】
2010185772.tif 000005
【図４】
2010185772.tif 000006
【図５】
2010185772.tif 000007
【図６】
2010185772.tif 000008
【図７】
2010185772.tif 000009
【図８】
2010185772.tif 000010
【図９】
2010185772.tif 000011
【図１０】
2010185772.tif 000012
【図１１】
2010185772.tif 000013
【図１２】
2010185772.tif 000014
【図１３】
2010185772.tif 000015
【図１４】
2010185772.tif 000016
【図１５】
2010185772.tif 000017
【図１６】
2010185772.tif 000018
【図１７】
2010185772.tif 000019
【図１８】
2010185772.tif 000020
【図１９】
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