(57)【要約】  検出感度を向上させることができる弾性表面波センサーを提供する。  弾性表面波センサー１０は、（ａ）圧電基板１２と、（ｂ）圧電基板１２上に形成されたＩＤＴ電極１３と、（ｃ）圧電基板１２上に、ＩＤＴ電極１３を覆うように形成された保護膜１４とを備える。弾性表面波センサー１０は、ＩＤＴ電極１３により、保護膜１４の表面１４ｓの面方向の変位が圧電基板１２と保護膜１４との境界付近の面方向の変位とは逆向きになり、かつ保護膜１４の表面１４ｓにおいて面方向の変位量が最大となるＳＨ波の高次モードで励振されるように構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板上に形成されたＩＤＴ電極と、
前記圧電基板上に、前記ＩＤＴ電極を覆うように形成された保護膜と、
を備える弾性表面波センサーであって、
前記ＩＤＴ電極により、前記保護膜の表面の面方向の変位が前記圧電基板と前記保護膜との境界付近の面方向の変位とは逆向きになり、かつ前記保護膜の前記表面において面方向の変位量が最大となるＳＨ波の高次モードで励振されるように構成されたことを特徴とする、弾性表面波センサー。
【請求項２】
前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３基板であり、
前記ＳＨ波の前記高次モードの波の音速は、前記ＬｉＮｂＯ３基板上に前記ＩＤＴ電極のみを備えた弾性表面波素子によってＳＨ波の基本モードで励振される弾性表面波の音速に対して１．１〜１．５倍であることを特徴とする、請求項１に記載の弾性表面波センサー。
【請求項３】
前記保護膜は、ＳｉＯ２膜であり、
前記ＳｉＯ２膜の膜厚が、前記圧電基板上に前記ＩＤＴ電極のみを備えた弾性表面波素子によってＳＨ波の基本モードで励振される弾性表面波の波長に対して２８％以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の弾性表面波センサー。
【請求項４】
前記圧電基板がＬｉＮｂＯ３基板であり、
前記ＬｉＮｂＯ３基板の基板方位が、オイラー角で（０±５°，６０〜１７０°，０±５°）であることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の弾性表面波センサー。
【請求項５】
前記ＩＤＴ電極はＡｕであり、
前記ＩＤＴ電極の膜厚が、前記圧電基板上に前記ＩＤＴ電極のみを備えた弾性表面波素子によってＳＨ波の基本モードで励振される弾性表面波の波長に対して２％以上であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の弾性表面波センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は弾性表面波センサーに関し、詳しくは、弾性表面波素子の周波数特性が変化することを利用した弾性表面波センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、弾性表面波素子の励振部表面の質量負荷の変化に伴い、弾性表面波素子の周波数特性が変化することを利用した弾性表面波センサーが種々提案されている。【０００３】
例えば、特許文献１には、図１０に示す弾性表面波センサー１０１が開示されている。この弾性表面波センサー１０１は、図１０（ａ）及び（ｃ）の断面図に示すように、圧電基板１０２上に、弾性表面波素子を形成するためのすだれ状電極であるＩＤＴ（ｉｎｔｅｒ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極１０３と反応膜１０４とが形成され、ＩＤＴ電極１０３は反応膜１０４で覆われている。【０００４】
図１０（ａ）に示すように反応膜１０４上に液体１０５が接すると、ＩＤＴ電極１０３を含む弾性表面波素子により検出される周波数特性が変化する。例えば、図１０（ｂ）の波形図において符号Ａで示す周波数特性から符号Ｂで示す周波数特性に変化する。【０００５】
一方、図１０（ｃ）に示すように反応膜１０４上に接する液体１０５中に、反応膜１０４と結合する物質１０６が存在すると、反応膜１０４に物質１０６が結合することによりＩＤＴ電極１０３への質量負荷が、液体１０５中に物質１０６が無い場合よりも、増加する。そのため、ＩＤＴ電極１０３を含む弾性表面波素子により検出される周波数特性は、図１０（ｄ）の波形図において符号Ａで示す周波数特性から符号Ｃで示す周波数特性に変化する。【０００６】
このように反応膜１０４と結合する物質１０６の有無によって周波数特性Ｂ，Ｃが異なることに基づいて、物質１０６を検出することができる。【０００７】
また、特許文献２には、図１１に示す弾性表面波センサーが開示されている。図１１（ａ）は模式平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断された模式断面図である。図１１（ｂ）に示すように、基板２１０上に、回路層２１１、絶縁層２１２、圧電薄膜２１３が順に形成され、圧電基板２１０の裏面には薄肉部２１４，２１５が形成されている。図１１（ａ）に示すように、基板２１０の薄肉部２１４，２１５に対応する圧電薄膜２１３の上には、それぞれ、第１の弾性表面波素子２２０のＩＤＴ電極２２２，２２３と、第２の弾性表面波素子２２１のＩＤＴ電極２２４，２２５とが形成されている。【０００８】
この弾性表面波センサーは、圧力や温度の変化による基板２１０の薄肉部２１４，２１５に歪が生じると、発振周波数が変化することを利用して、圧力や温度の変化を検出するものである。弾性表面波素子２２０，２２１を別々の回路を用いて異なる周波数で励振することで、周囲の温度変化の影響を受けないようにすることができ、精度の良い圧力、温度センサーを実現することができる。弾性表面波素子２２０，２２１の励振モードとしては、レイリー波、セザワ波、セザワ波２ｎｄを選択して組み合わせことや、高次の励振モードを選択して組み合わせ実施することも可能であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００５／００３７５２号
【特許文献２】特開２００７−５７７２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の弾性表面波センサーはＳＨ波を用いているが、微量検出対象物に対して十分な感度が得られないことがあり、検出感度の向上が望まれている。【００１１】
特許文献２では、センサーとしての感度については言及がない。また、液体の濃度センサーやバイオセンサーに特許文献２の構成を適用する場合、面垂直方向に変位するＳＶ成分を持つレイリー波やセザワ波で励振すると、励振部に液体や粘性の高い物質が負荷された際に振動エネルギーが試料側に伝搬して大きな特性劣化を起こしてしまい、センサーとして機能しなくなる。【００１２】
本発明は、かかる実情に鑑み、検出感度を向上させることができる弾性表面波センサーを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した弾性表面波センサーを提供する。【００１４】
弾性表面波センサーは、（ａ）圧電基板と、（ｂ）前記圧電基板上に形成されたＩＤＴ電極と、（ｃ）前記圧電基板上に、前記ＩＤＴ電極を覆うように形成された保護膜とを備える。弾性表面波センサーは、前記ＩＤＴ電極により、前記保護膜の表面の面方向の変位が前記圧電基板と前記保護膜との境界付近の面方向の変位とは逆向きになり、かつ前記保護膜の前記表面において面方向の変位量が最大となるＳＨ波の高次モードで励振されるように構成されている。【００１５】
上記構成のように、センサーとして使用される弾性表面波のモードがＳＨ波の高次モードであると、一般的に用いられる基本モードに比べ、センシング部である保護膜表面の変位量を大きくすることができる。そのため、保護膜表面への質量負荷に対する検出感度は、基本モードを用いた場合よりも大きくすることができる。【００１６】
上記構成のようにＳＨ波の高次モードを使用すると、液体センサーやバイオセンサーのように励振部であるＩＤＴ電極の上の保護膜表面に液体や粘性の大きい検出対象物質が付加されても、面方向の振動が伝搬されるのは保護膜表面の近傍領域に限られ、特性劣化が小さいため、センサーとして十分に機能させることが可能となる。これに対し、面に垂直方向に変位するＳＶ波を使用する場合には、振動エネルギーが試料全体に伝搬して特性劣化が大きいため、液体センサーやバイオセンサーにはＳＶ波を使用することができない。【００１７】
具体的には、以下のように種々の態様で構成することができる。【００１８】
好ましい一態様において、前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３基板である。前記ＳＨ波の前記高次モードの波の音速は、前記ＬｉＮｂＯ３基板上に前記ＩＤＴ電極のみを備えた弾性表面波素子によってＳＨ波の基本モードで励振される弾性表面波の音速に対して１．１〜１．５倍である。【００１９】
好ましい他の態様において、前記保護膜は、ＳｉＯ２膜である。前記ＳｉＯ２膜の膜厚が、前記圧電基板上に前記ＩＤＴ電極のみを備えた弾性表面波素子によってＳＨ波の基本モードで励振される弾性表面波の波長に対して２８％以上である。【００２０】
この場合、ＳＨ波の高次モードが励振されたときに、電気機械結合係数Ｋ２が５％以上になるようにすることが、容易である。【００２１】
好ましいさらに別の態様において、前記圧電基板がＬｉＮｂＯ３基板である。前記ＬｉＮｂＯ３基板の基板方位が、オイラー角で（０±５°，６０〜１７０°，０±５°）である。【００２２】
この場合、ＳＨ波の高次モードが励振されたときに、電気機械結合係数Ｋ２が５％以上になるようにすることが、容易である。【００２３】
好ましいさらに別の態様において、前記ＩＤＴ電極はＡｕである。前記ＩＤＴ電極の膜厚が、前記圧電基板上に前記ＩＤＴ電極のみを備えた弾性表面波素子によってＳＨ波の基本モードで励振される弾性表面波の波長に対して２％以上である。【００２４】
この場合、基本モードを用いる場合よりも高感度化することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の弾性表面波センサーは、高次のＳＨ波を用いることにより、検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）弾性表面波センサーの構成を模式的に示す要部断面図、（ｂ）弾性表面波素子の構成を模式的に示す平面図である。（実施例１）
【図２】周波数特性を示すグラフである。（実施例１）
【図３】インピーダンス特性を示すグラフである。（実施例１）
【図４】深さ方向の変位分布を示すグラフである。（実施例１）
【図５】周波数の変化を示すグラフである。（実施例１）
【図６】電気機械結合係数と、（ａ）保護膜の膜厚、（ｂ）基板方位との関係を示すグラフである。（実施例１）
【図７】保護膜の膜厚と共振点の音速との関係を示すグラフである。（実施例１）
【図８】高次モードを用いた時の感度の解析結果を示すグラフである。（実施例２）
【図９】変位量と感度の関係を示すグラフである。（実施例３）
【図１０】弾性表面波センサーの説明図である。（従来例１）
【図１１】弾性表面波センサーの（ａ）模式平面図、（ｂ）模式断面図である。（従来例２）
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図９を参照しながら説明する。
【００２８】
＜実施例１＞  実施例１の弾性表面波センサー１０の構成について、図１〜図７を参照しながら説明する。
【００２９】
図１（ａ）は、弾性表面波センサー１０の構成を模式的に示す要部断面図である。図１（ｂ）は、弾性表面波素子１１の構成を模式的に示す平面図である。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、弾性表面波センサー１０は、圧電基板１２上にＩＤＴ電極１３を含む弾性表面波素子１１（図１（ｂ）参照）が形成され、ＩＤＴ電極１３を覆うように保護膜１４が形成されている。最上層の保護膜１４の表面１４ｓは露出しており、試料２が供給されると試料２に接する。試料２中にＤＮＡ、タンパク質等の質量負荷物質があると、最上層の保護膜１４の表面１４ｓに質量負荷物質が堆積する。
【００３１】
図１（ｂ）に模式的に示すように、弾性表面波素子１１は、弾性表面波の振動伝搬方向（図において左右方向）に配置された２つのＩＤＴ電極１３と、その振動伝搬方向両側に配置された反射器１３ｘとを有する。ＩＤＴ電極１３は、それぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指１３ｓを有する一対の櫛形電極により構成されている。一方のＩＤＴ電極１３の一対の櫛型電極の間に電圧を印加して弾性表面波を励振し、他方のＩＤＴ電極１３の一対の櫛型電極間の電圧変化によって弾性表面波を検出する。弾性表面波は、反射器１３ｘの間に閉じ込められる。保護膜１４（図１（ａ）参照）は、ＩＤＴ電極１３及び反射器１３ｘを覆うように形成されている。
【００３２】
弾性表面波センサー１０は、試料２に含まれている質量負荷物質が最上層の保護膜１４の表面１４ｓに堆積して質量負荷が変化すると、弾性表面波素子１１の周波数特性（例えば共振周波数）が変化することによって、質量負荷物質を検出することができる。
【００３３】
以下において、ＬｉＮｂＯ３の圧電基板１２上に、Ａｕ膜によりＩＤＴ電極１３が形成され、その上に、絶縁膜１４としてＳｉＯ２膜が形成される場合について説明する。
【００３４】
この場合、詳しくは後述するが、絶縁膜１４のＳｉＯ２膜の膜厚ｈ０を波長λで規格化した膜厚ｈ０／λが０．２以上、好ましくは０．２８以上となるように形成する。また、ＩＤＴ電極１３の膜厚ｈ１を波長λで規格化した膜厚ｈ１／λが０．０２以上になるように形成することが好ましい。ここで、規格化に用いた波長λは、圧電基板１２上にＩＤＴ電極１３のみを備え、保護膜１４を備えていない場合において、ＩＤＴ電極１３の電極指のピッチに応じてＳＨ波の基本モードで励振される弾性表面波の波長である。
【００３５】
このように構成することで、図２及び図３に示すように、基本モードの周波数の１．１〜１．５倍の周波数の高次モードと呼ばれるモードが生じるようにすることができる。
【００３６】
すなわち、図２は周波数特性を示すグラフである。横軸は周波数、縦軸は挿入損失及び位相である。図３は、インピーダンス特性を示すグラフである。横軸は周波数、縦軸はインピーダンス及び位相である。横軸の周波数は、基本モードの周波数で規格化されている。符号８２は基本モードの波形部分を示し、符号８４は高次モードの波形部分を示す。
【００３７】
基本モードと高次モードとにおいて、いずれもＳＨ波の面方向の変位が生じるが、図４に示すように、深さ方向の変位分布は異なる。
【００３８】
すなわち、図４は、基本モードと高次モードにおける深さ方向の変位分布を解析した結果を示す。横軸は面方向の変位の大きさ、縦軸は膜厚方向の深さを示す。破線は、ＩＤＴ電極１３の膜厚ｈ１が波長λの２％、すなわちｈ１／λ＝０．０２の場合を示す。鎖線は、ＩＤＴ電極１３の膜厚ｈ１が波長λの３％、すなわちｈ１／λ＝０．０３の場合を示す。実線は、ＩＤＴ電極１３の膜厚ｈ１が波長λの４％、すなわちｈ１／λ＝０．０４の場合を示す。
【００３９】
図４の左側に示すように、基本モードでは、ＩＤＴ電極１３の膜厚ｈ１が波長λの３％以上のとき、圧電基板１２とＩＤＴ電極１３との境界付近において変位が最大となる。
【００４０】
一方、図４の右側に示すように、高次モードでは、圧電基板１２とＩＤＴ電極１３との境界に一節入り、保護膜１４の表面１４ｓの変位は圧電基板１２とＩＤＴ電極１３との境界付近の変位とは逆方向になる。そして、保護膜１４の表面１４ｓにおいて変位が最大となる。
【００４１】
そのため、図５に示すように、高次モードを用いると、同じ質量負荷に対して基本モードを用いる場合より大きな感度（周波数変化）を得ることができる。
【００４２】
すなわち、図５は、基本モードを用いる場合と、高次モードを用いる場合とについて、弾性表面波センサーに同じ試料を供給したときの共振周波数の変化を示すグラフである。横軸は経過時間である。試料は１０分経過後に供給した。縦軸は共振周波数ｆの変化率であり、初期共振周波数ｆ０に対する共振周波数の偏差（ｆ−ｆ０）の割合、すなわち（ｆ−ｆ０）／ｆ０をｐｐｍ（百万分の１）単位で表している。基本モードと高次モードのそれぞれについて、複数のサンプルのデータを示している。
【００４３】
次に、高次モードを用いたときの電気機械結合係数Ｋ２の解析結果を説明する。
【００４４】
図６（ａ）は、ＳｉＯ２の保護膜１４の波長λに対する膜厚ｈ０／λと、電気機械結合係数Ｋ２との関係を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、高次モードは、ＳｉＯ２の保護膜１２の膜厚ｈ０／λが２０％以上で励振され、膜厚ｈ０／λが２８％以上で電気機械結合係数Ｋ２が５％以上の比較的大きな値が得られる。
【００４５】
図６（ｂ）は、ＬｉＮｂＯ３の圧電基板１２の基板方位と電気機械係数Ｋ２との関係を示すグラフである。図６（ｂ）に示すように、Ｙ方向回転角θが６０°以上になると電気機械結合係数Ｋ２が５％以上となる。このことから、ＬｉＮｂＯ３の圧電基板１２の基板方位としては、オイラー角表示で（０±５°、６０〜１７０°、０±５°）であれば、電気機械結合係数Ｋ２が５％以上の比較的大きな値が得られるものと期待でき、好ましい。
【００４６】
図７は、高次モードと基本モードについて、ＳｉＯ２の保護膜１４の膜厚と、弾性表面波の共振点における音速の関係を示す。横軸は、ＳｉＯ２の保護膜１４の波長λに対する膜厚ｈ０／λである。縦軸は共振点における音速である。○記号８０ａは、基本モードを示す。●記号８１は、高次モードを示す。・記号８０ｂは、基本モードの１．１倍の音速を示す。
【００４７】
図８から、共振点の音速は、保護膜１４の膜厚に依存することが分かる。また、高次モードでは、基本モードの音速の１．１倍以上の音速となることが分かる。
【００４８】
前述した図６から、ＳｉＯ２の保護膜１４の波長λに対する膜厚ｈ０／λが２０％で高次モードが現れる。この膜厚ｈ０／λが２０％であるときの高次モードの共振点の音速は、図７から、基本モードの共振点の音速の１．５倍と予測される。また、図８から、ＳｉＯ２の保護膜１４の膜厚が大きくなると、高次モードの共振点の音速は、基本モードの共振点の音速の１．１倍に近づく。したがって、高次モードの共振点の音速は、基本モードの共振点の音速の１．１〜１．５倍となる。
【００４９】
＜実施例２＞  実施例１の図１の構造において、２次元ＦＥＭを用いて、質量負荷に対する感度計算を行なった。
【００５０】
図８に、ＬｉＮｂＯ３の圧電基板１２上に形成されるＡｕのＩＤＴ電極１３の膜厚とＳｉＯ２の保護膜１４の膜厚を変え、高次モードを用いたときの感度の解析結果を示す。横軸は、ＡｕのＩＤＴ電極１３の波長λに対する膜厚ｈ１／λである。縦軸は、ＳｉＯ２の保護膜１４の波長λに対する膜厚ｈ１／λである。
【００５１】
同じ条件で、基本モードを用いた時の感度を解析すると、約３００ｐｐｍであった。このことから、２倍以上の感度（６００ｐｐｍ以上）が得られる条件としては、図６において符号６０を付した実線より右側の範囲となる。
【００５２】
図８から分かるように、ＡｕのＩＤＴ電極１３の波長λに対する膜厚ｈ１／λが２％以上であれば、基本モードの約１．５倍（４５０ｐｐｍ）以上の感度が得られ、好ましい。
【００５３】
ＡｕのＩＤＴ電極１３の波長λに対する膜厚ｈ１／λが３％以上であれば、基本モードの２倍以上の感度（６００ｐｐｍ以上）が得られるため、より好ましい。この場合、図８の縦軸及び横軸の膜厚範囲においては、基本モードの２〜５倍の感度になる。
【００５４】
なお、図４の左側に示したように、ＡｕのＩＤＴ電極１３の波長λに対する膜厚ｈ１／λが３％以上であれば、基本モードにおいて保護膜表面の変位が最大とならないため、保護膜表面の変位が最大となる高次モードを用いる効果が大きくなる。このことからも、ＡｕのＩＤＴ電極１３の波長λに対する膜厚ｈ１／λが３％以上であれば、より好ましい。
【００５５】
＜実施例３＞  実施例１、２に示した２次元ＦＥＭを用いての質量負荷に対する感度解析結果等について、質点負荷箇所である保護膜表面の変位量と感度の関係をまとめたグラフを図９に示す。
【００５６】
図９において、横軸の変位量は、同じ条件（ＬｉＮｂＯ３の圧電基板、ＡｕのＩＤＴ電極、ＳｉＯ２の絶縁膜）で基本モードを用いた場合のある特定の変位量で規格化されている。図９において、規格化された変位量が１以下のときの感度は、基本モードを用いる場合の感度である。規格化された変位量が１を越えるときの感度は、高次モードの用いる場合の感度である。
【００５７】
図９に示すように変位量と感度には相関があることから、高次モードを用いて質量負荷箇所の変位を大きくすることで、感度を向上させることできる。
【００５８】
ただし、変位量と感度の相関は構造や材料に依存しており、構造や材料を大きく変化させた場合には、図９の近似直線に沿うとは限らないことに注意が必要である。
【００５９】
＜まとめ＞  以上に説明したように、保護膜と圧電基板の境界と、保護膜表面とで変位方向が逆になるＳＨ波の高次モードが発生するように構成すると、センシング部分である保護膜表面で最も変位量が大きくなるようにする、すなわちセンシング部分に振動エネルギーを集中させることができる。これによって、センサーとしての感度が、基本モードを用いた場合よりも大きくすることができる。
【００６０】
また、ＳＨ波であるため、液体センサーやバイオセンサーのように励振部の上に液体や粘性の大きな検出対象物質が負荷されても、特性劣化が小さく、センサーとして機能させることが可能である。すなわち、ＳＨ波は、ＳＶ波と比べると、振動エネルギーが試料側に伝達されにくく、エネルギー損失が小さいため、検出対象物質による負荷変動に対して、感度が大きく、センサーとして機能させることが可能である。
【００６１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。
【００６２】
例えば、圧電基板、保護膜、ＩＤＴ電極の材料は、例示したもの以外を用いても構わない。保護膜は、図１０のような反応膜であっても構わない。
【００６３】
また、本発明は、試料が液体である場合に限らず、試料が気体である場合にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
２  試料
４  質量負荷物質
１０，１０ａ  弾性表面波センサー
１１  弾性表面波素子
１２  圧電基板
１３  ＩＤＴ電極
１３ｘ  反射器
１４  保護膜
【図１】
2010150587.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010150587.tif 000009
【図８】
2010150587.tif 000010
【図９】
2010150587.tif 000011
【図１０】
2010150587.tif 000012
【図１１】
2010150587.tif 000013
【国際調査報告】
2010150587.tif 000014
2010150587.tif 000015
2010150587.tif 000016
2010150587.tif 000017