(57)【要約】【課題】感度のばらつきを低減することができる弾性表面波センサを提供することを目的とする。【解決手段】弾性表面波センサは、弾性表面波を伝搬する圧電素子基板と、電気信号と弾性表面波との変換を行う電極と、圧電素子基板上及び弾性表面波の伝搬路に配置される反応領域薄膜と、を備え、反応領域薄膜の膜厚は、弾性表面波センサの感度に基づく厚みである。【選択図】図２
2015138016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波を伝搬する圧電素子基板と、
電気信号と前記弾性表面波との変換を行う電極と、
前記圧電素子基板上及び前記弾性表面波の伝搬路に配置される反応領域薄膜と、
を備え、
前記反応領域薄膜の膜厚は、
自弾性表面波センサの感度に基づく厚みである弾性表面波センサ。
【請求項２】
弾性表面波を伝搬する圧電素子基板と、
電気信号と前記弾性表面波との変換を行う電極と、
前記圧電素子基板上及び前記弾性表面波の伝搬路に配置される反応領域薄膜と、
を備え、
前記反応領域薄膜の膜厚は、
前記膜厚が所定の公差において、自弾性表面波センサの感度が所定の範囲内である厚みである弾性表面波センサ。
【請求項３】
前記弾性表面波センサの感度は、
前記電極によって受信される信号の位相に基づく値及び前記信号の振幅に基づく値、前記反応領域薄膜に導入される溶液に基づく値のうち少なくとも１つであり、
前記反応領域薄膜の膜厚は、
前記信号の位相に基づく値及び振幅に基づく値のうち少なくとも１つが所定の範囲である膜厚である請求項１または請求項２に記載の弾性表面波センサ。
【請求項４】
前記信号の位相に基づく値は、
前記信号の位相または速度であり、
前記信号の振幅に基づく値は、
前記信号の振幅値または減衰率であり、
前記反応領域薄膜に導入される溶液に基づく値は、
前記溶液の濃度または密度である請求項３に記載の弾性表面波センサ。
【請求項５】
前記圧電素子基板は、
カット角方向伝搬が（０°、１１０°以上１５０°以下、８８°以上９２°以下）の水晶基板であり、
前記弾性表面波は、
ＳＨ成分（横波）であり、
前記反応領域薄膜は、
Ａｕを主成分とし、膜厚が伝搬される前記弾性表面波の波長λによって規格化された膜厚［ｈ／λ］が、０．０１５〜０．０５［ｈ／λ］である請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子回路に用いられるバンドパスフィルタの一つとしてＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ；弾性表面波）フィルタが知られている。ＳＡＷフィルタは、小型かつ良好な減衰特性を持つため、携帯電話を始めとして様々な電子機器に利用されている。ＳＡＷフィルタは、例えば、圧電素子基板上に弾性表面波を発生させ、また弾性表面波を検出するための櫛型電極（Ｉｎｔｅｒ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ＩＤＴ）を有する。
【０００３】
ＳＡＷフィルタに関する技術として、例えば、特許文献１には、圧電性基板上に、送信電極部を構成するＩＤＴと受信電極部を構成するＩＤＴとの間に形成され、検体である液体が導入される検出領域（センサ表面となる領域）を備えた弾性表面波センサが開示されている。この弾性表面波センサにおいて、検出領域は、圧電性基板上に形成され、金属層と抗体層とを有している。金属層は、例えば、Ａｕ（金）を主成分として形成される。
【０００４】
また、特許文献２には、弾性表面波センサの圧電性基板に、３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ３（Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｔａｎｔａｌａｔｅ；タンタル酸リチウム単結晶）またはＳＴカット９０°伝搬水晶板を用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８６６０６号公報
【特許文献２】特開２００６−１８４０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載されている技術では、弾性表面波センサの検出領域における金属層の膜厚のバラツキによって感度にばらつきが発生するという課題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、感度のばらつきを低減することができる弾性表面波センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る弾性表面波センサは、弾性表面波を伝搬する圧電素子基板と、電気信号と前記弾性表面波との変換を行う電極と、前記圧電素子基板上及び前記弾性表面波の伝搬路に配置される反応領域薄膜と、を備え、前記反応領域薄膜の膜厚は、自弾性表面波センサの感度に基づく厚みである。
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る弾性表面波センサは、弾性表面波を伝搬する圧電素子基板と、電気信号と前記弾性表面波との変換を行う電極と、前記圧電素子基板上及び前記弾性表面波の伝搬路に配置される反応領域薄膜と、を備え、前記反応領域薄膜の膜厚は、前記膜厚が所定の公差において、自弾性表面波センサの感度が所定の範囲内である厚みである。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る弾性表面波センサにおいて、前記弾性表面波センサの感度は、前記電極によって受信される信号の位相に基づく値及び前記信号の振幅に基づく値、前記反応領域薄膜に導入される溶液に基づく値のうち少なくとも１つであり、前記反応領域薄膜の膜厚は、前記信号の位相に基づく値及び振幅に基づく値のうち少なくとも１つが所定の範囲である膜厚である。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る弾性表面波センサにおいて、前記信号の位相に基づく値は、前記信号の位相または速度であり、前記信号の振幅に基づく値は、前記信号の振幅値または減衰率であり、前記反応領域薄膜に導入される溶液に基づく値は、前記溶液の濃度または密度である。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る弾性表面波センサにおいて、前記圧電素子基板は、カット角方向伝搬が（０°、１１０°以上１５０°以下、８８°以上９２°以下）の水晶基板であり、前記弾性表面波は、ＳＨ成分（横波）であり、前記反応領域薄膜は、Ａｕを主成分とし、膜厚が伝搬される前記弾性表面波の波長λによって規格化された膜厚［ｈ／λ］が、０．０１５〜０．０５［ｈ／λ］である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、弾性表面波センサにおける感度のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係るＳＡＷセンサの概略的な上面図である。
【図２】本実施形態に係るＳＡＷセンサを図１のＣ断面から見た概略的な断面図である。
【図３】本実施形態に係るＳＡＷセンサを用いた溶液測定に使用するセンス回路を示す概略ブロック図である。
【図４】本実施形態に係るＳＡＷセンサの解析モデルを説明する図である。
【図５】解析モデルを用いて解析した、グリセリン水溶液の濃度変化に伴う粘性変化に対するＳＡＷセンサの速度と減衰の変化を説明する図である。
【図６】グリセリン水溶液の濃度変化に伴う粘性変化に対するＳＡＷセンサの位相と振幅の変化の実験結果を示す図である。
【図７】粘性を変化させたときの、金膜厚に対する速度変化と減衰変化の関係を説明する図である。
【図８】周波数を変えた場合、金膜厚と粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化及び減衰変化の正規化前の解析結果を示す図である。
【図９】図８に示した解析結果を周波数の平方根で正規化した解析結果の図である。
【図１０】金膜厚を変化させた場合、水を基準とした１０ｗｔ％濃度グリセリン水溶液の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化と減衰変化を説明する図である。
【図１１】水を基準とした１０［ｗｔ％］濃度グリセリン水溶液の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの位相変化と振幅変化を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明はかかる実施形態に限定されず、種々の変更が可能であり、それらの変更は全て本願の特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【００１６】
＜ＳＡＷセンサの構造＞
図１は、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１の概略的な上面図である。図２は、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１を図１のＣ断面から見た概略的な断面図である。
図１及び図２に示すように、ＳＡＷセンサ１は、圧電素子基板１０、送信電極１１−１ａ、送信電極１１−１ｂ、受信電極１１−２ａ、受信電極１１−２ｂ、反応領域薄膜１２、封止構造１４−１、及び封止構造１４−２を含んで構成される。
【００１７】
圧電素子基板１０は、ＳＡＷを伝搬する基板である。圧電素子基板１０は、オイラー角（０°、１２６°、９０°）である、３６°回転Ｙ板カットの９０度Ｘ方向伝搬の水晶基板（３６Ｙ−９０ＸＱｚ）である。なお、カット角伝搬方向は、例えば（０°、１１０〜１５０°、８８〜９２°）の範囲であってもよい。例えば、圧電素子基板１０に３６度ＹカットのＸ方向伝搬のタンタル酸リチウム基板（３６ＹＸ−ＬＴ）を用いた場合、３６ＹＸ−ＬＴ上の疑似弾性表面波は、溶液中の縦波放射により伝搬ロスが生じることが知られている。一方、圧電素子基板１０に３６Ｙ−９０ＸＱｚを用いた場合、疑似弾性表面波は、ＳＨ成分（横波）のみであるため、溶液中の縦波放射による伝搬ロスの影響が無い特徴が得られる。
【００１８】
送信電極１１−１ａ及び送信電極１１−１ｂは、送信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。以下、送信電極１１−１ａ、及び送信電極１１−１ｂを総称してＩＤＴ１１−１と呼ぶものとする。
また、受信電極１１−２ａ及び受信電極１１−２ｂは、受信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。以下、受信電極１１−２ａ、及び受信電極１１−２ｂを総称してＩＤＴ１１−２と呼ぶものとする。
ＩＤＴ１１−１及びＩＤＴ１１−２（総称してＩＤＴ１１と呼ぶ）は、圧電素子基板１０上に構成される電極である。ＩＤＴ１１は、対向した電極である。ＩＤＴ１１は、例えばアルミニウム薄膜によって構成される。
【００１９】
反応領域薄膜１２は、金を蒸着して生成した薄膜である。反応領域薄膜１２は、表面に抗体１３を担持した薄膜である。反応領域薄膜１２は、圧電素子基板１０上であって、圧電素子基板１０上に対向して設けられたＩＤＴ１１の間の領域に形成される。
なお、圧電素子基板１０と反応領域薄膜１２との重なる部分が、検体である溶液１８が導入される検出領域（センサ表面となる領域）である。
【００２０】
ＳＡＷセンサ１では、滴下された溶液が、反応領域薄膜１２を濡らす。溶液１８中に含まれる抗原は、反応領域薄膜１２上に担持された抗体１３と反応し、反応領域薄膜１２上に抗原抗体結合物を生成する。
すなわち、反応領域薄膜１２では、その表面に抗原を含んだ液体試料である溶液１８を滴下することにより、反応領域薄膜１２上に担持された抗体１３と、液体試料中の抗原との間で抗原抗体反応が起こる。その結果、反応領域薄膜１２上には、反応領域薄膜１２上に担持した抗体１３と抗原が結合した抗原抗体結合物が生成する。
抗体１３は、ＳＡＷセンサ１を用いて検出する抗原と反応して抗原抗体結合物を生成する物質である。
【００２１】
送信電極部側の封止構造１４−１は、封止壁１５−１、封止天井１６−１、及び樹脂モールド１７−１を備えている。
封止壁１５−１は、ＩＤＴ１１−１を覆う壁であり、圧電素子基板１０上に矩形状に形成される。封止壁１５−１は、例えば感光性樹脂により構成される。
【００２２】
また、封止天井１６−１は、封止壁１５−１の上側を塞ぎ、ＩＤＴ１１−１を外部から密閉するための天井である。封止天井１６−１は、封止天井１６−１の平面領域内に封止壁１５−１が収まるように封止壁１５−１の上側に配置される。封止天井１６−１は、例えばガラス基板で構成される。なお、封止壁１５−１と封止天井１６−１との間には、不図示の接着層が設けられ、封止壁１５−１と封止天井１６−１との間を密封して接着する。
樹脂モールド１７−１は、封止壁１５−１と封止天井１６−１との表面に形成され、例えばエポキシ樹脂により形成されている。
封止構造１４−１は、ＩＤＴ１１−１を外部から密閉してＩＤＴ１１−１上に空間を形成するように覆い、ＩＤＴ１１−１が液体と接触することを防ぐ封止構造である。
【００２３】
受信電極部側の封止構造１４−２は、封止構造１４−１と同様に、封止壁１５−２、封止天井１６−２、及び樹脂モールド１７−２とを備え、ＩＤＴ１１−２を外部から密閉してＩＤＴ１１−２上に空間を形成するように覆い、ＩＤＴ１１−２が液体と接触することを防ぐ封止構造である。
これら封止構造１４−１及び封止構造１４−２により、検出領域における雰囲気（例えば湿度）の変化があったとしても、ＩＤＴ１１−１、及びＩＤＴ１１−２は、その影響を受けにくくなる。
【００２４】
＜センス回路＞
図３は、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１を用いた溶液測定に使用するセンス回路２０を示す概略ブロック図である。図示する例では、センス回路２０は、ＳＡＷセンサ１、交流信号源２１、バースト回路２２、位相・振幅検出回路２３、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）２４を含んで構成される。
【００２５】
交流信号源２１は、例えば、２５０ＭＨｚの正弦波交流信号を発生する。交流信号源２１は、生成した交流信号をバースト回路２２に出力する。
バースト回路２２は、交流信号源２１から入力された交流信号を、周期的なバースト信号に変換する。ここで、バースト信号の周期は、ＳＡＷが圧電素子基板１０の表面のＩＤＴ１１−１からＩＤＴ１１−２までの間を進行するのに要する時間より大きくなるようにする。バースト回路２２は、生成したバースト信号をＳＡＷセンサ１のＩＤＴ１１−１及び位相・振幅検出回路２３に出力する。なお、バースト回路２２はＳＡＷセンサ１から出力される信号に含まれる主とする信号以外の直達波や他のバルク波などを含むノイズ等の妨害信号が十分に小さい場合には必要なく、連続波を用いてよい。
【００２６】
位相・振幅検出回路２３は、ＳＡＷセンサ１のＩＤＴ１１−２から入力された検出信号、及びバースト回路２２から入力されたバースト信号に基づいて、ＳＡＷが圧電素子基板１０を伝搬するのに要した時間である伝搬時間による位相変化と振幅変化を算出する。具体的には、位相・振幅検出回路２３は、バースト信号の入力から、検出信号の入力までに要した伝搬時間による位相変化と振幅の減衰量を検出する。位相・振幅検出回路２３は、検出した位相変化と振幅の減衰量をＰＣ２４に出力する。
ＰＣ２４は、位相・振幅検出回路２３から入力された位相変化と振幅の減衰量に基づいて、表面の抗体と特異的に反応した溶液中の抗原の量と種類を判定し、判定結果を表示する。
【００２７】
＜解析モデル＞
次に、ＳＡＷセンサ１の解析モデルについて説明する。
なお、本実施形態では、ＣａｍｐｂｅｌｌとＪｏｎｅｓの数値解析法（参考文献１参照）を層状構造に拡張させ、それを溶液の粘性を考慮したもの（参考文献２参照）に改良して、水晶基板に適応させた。
【００２８】
参考文献１  J. J. Campbell and W. R. Jones,“Propagation of surface wave at the boundary between a piezoelectric crystal and a fluid medium”, IEEE Trans. Sonics Ulatrason. 17 (1970) 71.
参考文献２  T. Moriizumi, Y. Unno, and S. Shiokawa,“NEW SENSOR IN LIQUID USING LEALY SAW”, Proc. IEEE Ultrasonics Symp., 1987, p. 579.
【００２９】
図４は、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１の解析モデル１００を説明する図である。解析モデル１００は、図２に示したＳＷＡセンサ１の図１のＤ断面から見たモデルである。
図４に示すように、解析モデル１００は、圧電素子基板１０に対応する圧電結晶基板１０１のＩ層、反応領域薄膜１２に対応するメタル層１０２のＩＩ層、溶液１８に対応する溶液（グリセリン）層１０３のＩＩＩ層の３層から成り立っている。解析において、圧電結晶基板１０１のＩ層には、３６Ｙ−９０ＸＱｚ、メタル層１０２のＩＩ層は金を用いるとし、溶液（グリセリン）層１０３のＩＩＩ層は、いくつかの媒体で材料定数を変化させた。なお、本実施形態における解析では、溶液の粘性変化をバイオの膜の変化と見なして解析を行った。
なお、圧電結晶以外の層は、等方性媒体であるとして解析を行った。また、図４において、ＳＨ−ＳＡＷ（ｓｈｅａｒ  ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｓｕｒｆａｃｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ；横波型弾性表面波）はｘ３＝０のｘ１−ｘ２平面上をｘ１方向に伝搬する平面波であり、圧電結晶と溶液は半無限媒体であると仮定している。また、図４において、ｈはＩＩ層の金の厚みである。
【００３０】
Ｉ層の粒子変位ｕＩ２は次式（１）で示され、Ｉ層のポテンシャルφＩは次式（２）で表される。
【００３１】
【数１】
2015138016.tif 000003
【００３２】
【数２】
2015138016.tif 000004
【００３３】
また、ＩＩ層の粒子変位ｕＩＩ２は次式（３）で表される。
【００３４】
【数３】
2015138016.tif 000005
【００３５】
また、ＩＩＩ層の粒子変位ｕＩＩＩ２は次式（４）で表される。
【００３６】
【数４】
2015138016.tif 000006
【００３７】
式（１）〜式（４）において、Ａは振幅係数、γは重み係数、Ωはｘ３方向の減衰係数、ωは角周波数、ＶはＳＨ−ＳＡＷの伝搬速度、ｎは、振幅係数Ａ、重み係数γ、及び減衰係数Ωに対する選択された解を示している。また、圧電基板の表面がメタルである為、Ｉ層以外の層のポテンシャルは０である。
【００３８】
なお、３６Ｙ−９０Ｘ水晶基板は、純粋なＳＨ−ＳＡＷのみを励振するため、本実施形態では、他方向の粒子変位であるｕ１とｕ３について計算上、無視した。
また、Ｉ層とＩＩ層との境界条件は、変位ｕと応力Ｔが連続し、境界面を短絡しているため、ポテンシャルφは０である。このため、次式（５）の関係が成り立つ。
【００３９】
【数５】
2015138016.tif 000007
【００４０】
また、ＩＩ層とＩＩＩ層との境界条件は、変位ｕと応力Ｔが連続している。このため、次式（６）の関係が成り立つ。
【００４１】
【数６】
2015138016.tif 000008
【００４２】
（手順１）まず、弾性波動論の波動方程式を用いて、重み係数γ、ｘ３方向の減衰係数Ωを計算する。等方性媒体（ＩＩ層、ＩＩＩ層）の場合、機械的な動作のみのため、弾性波動論の波動方程式は、次式（７）のようになる。
【００４３】
【数７】
2015138016.tif 000009
【００４４】
また、異方性媒体（Ｉ層）の場合、振動によって電位が発生するため、弾性波動論の波動方程式は、次式（８）のようになる。
【００４５】
【数８】
2015138016.tif 000010
【００４６】
なお、式（７）及び式（８）において、ｃは弾性定数、Ｓは歪み、ρは密度、ｅは圧電定数、Ｄは電気変位、Ｅは電場、εは誘電率である。
【００４７】
（手順２）次に減衰係数Ωの解は、以下になる解を選択する。
（ｉ）Ｉ層は厚みが無限大である為、ｘ３＝−∞で変位が０になる解を選択
（ｉｉ）ＩＩ層は有限長である為、全ての解を選択
（ｉｉｉ）ＩＩＩ層は溶液で縦波成分が放射される為、進行波を選択
【００４８】
（手順３）次に、得られた解（重み係数γ、ｘ３方向の減衰係数Ω）を各層の波動方程式に境界条件と伴に代入し、次式（９）の境界条件を表す波動方程式を求める。
【００４９】
【数９】
2015138016.tif 000011
【００５０】
なお、式（９）において、行列の要素ａ１１、ａ１２、ａ４３、ａ５３、ａ４４、ａ５４、ａ５４、及びａ５５は、次式（１０）〜次式（１７）である。
【００５１】
【数１０】
2015138016.tif 000012
【００５２】
【数１１】
2015138016.tif 000013
【００５３】
【数１２】
2015138016.tif 000014
【００５４】
【数１３】
2015138016.tif 000015
【００５５】
【数１４】
2015138016.tif 000016
【００５６】
【数１５】
2015138016.tif 000017
【００５７】
【数１６】
2015138016.tif 000018
【００５８】
【数１７】
2015138016.tif 000019
【００５９】
（手順４）得られた波動方程式が、有意解を持てば計算を完了する。有意解が得られなければ、音速を変更して再度はじめから計算を行い、有意解を持つまで繰り返えす。
【００６０】
なお、溶液層であるＩＩＩ層の弾性定数ｃは、ラメ定数λとμが液体モデルに適応させて用いている。なお、弾性定数ｃは、次式（１８）である。
【００６１】
【数１８】
2015138016.tif 000020
【００６２】
また、溶液粘性がラメ定数λとμに反映される。ただし、本実施形態では、水晶のため、μのみを用いている。また、ラメ定数λとμは、次式（１９）である。
【００６３】
【数１９】
2015138016.tif 000021
【００６４】
なお、Ｉ層において−は、ｘ３方向が無限であることから、ΩＩがＲｅ（ΩＩ／Ｖ）＜０となる解を選択し、ＩＩ層においては、厚みが有限であるためΩに対する全ての解を選択している。
【００６５】
次に、解析で得られた伝搬速度Ｖの実部をＳＨ−ＳＡＷの速度（ｍ／ｓ）、虚部Ｒｅ（Ｖ）を減衰Ｌ（ｄＢ／λ）として評価した。なお、減衰率Ｌは、次式（２０）のように表される。
【００６６】
【数２０】
2015138016.tif 000022
【００６７】
＜粘性変化の解析モデル１００による解析＞
次に、濃度の異なるグリセリン水溶液の粘性変化を利用して、ＳＡＷセンサ１の粘性評価を行った。また、溶液層であるＩＩＩ層の粘性を変化させることで、バイオの反応を溶液の粘性変化とみなして解析を行った。また、解析は、弾性波動論の波動方程式を用いて行った。
粘性変化の解析では、バイオの抗原抗体反応により溶液の粘性が変化すると仮定した評価を行なった。
【００６８】
図５は、解析モデル１００を用いて解析した、グリセリン水溶液の濃度変化に伴う粘性変化に対するＳＡＷセンサ１の速度と減衰の変化を説明する図である。図５において、左の縦軸は速度変化［ｐｐｍ］、右の縦軸は減衰変化［ｐｐｍ］、横軸は濃度変化［ｗｔ％］である。図５において、符号ｇ１０は、溶液層の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化、符号ｇ２０は、溶液層の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの減衰変化である。
図５に示すように、０％の濃度を基準としたとき、速度変化は濃度に応じて減少し、減衰変化は濃度に応じて増加する。すなわち、図５に示す図は、摂動理論に従って速度と減衰が同じ変化をしていることを表している。
【００６９】
＜粘性変化の実験による解析＞
実験では、図２に示したＳＡＷセンサ１に対し、水を基準とした１０［ｗｔ％］、２０［ｗｔ％］、３０［ｗｔ％］濃度のグリセリン水溶液に対するそれぞれのＳＨ−ＳＡＷの変化を測定した。測定温度は、２３℃一定、試作サンプル数は、３６０個である。解析に必要なグリセリン水溶液の物性値は、参考文献３に記載の値を用いて、スプライン補間によって２３℃におけるそれぞれの濃度の密度と粘度を求め使用した。また、実験において、中心周波数は２５０［ＭＨｚ］（λ＝２０［μｍ］）を用い、伝搬路長（センシング領域）の長さは９［ｍｍ］（＝４５０λ）とした。
【００７０】
参考文献３  日本機械学会, ”流体の物性値集”, 1983.
【００７１】
図６は、グリセリン水溶液の濃度変化に伴う粘性変化に対するＳＡＷセンサの位相と振幅の変化の実験結果を示す図である。図６（ａ）は、グリセリン水溶液の濃度変化に伴う粘性変化に対するＳＡＷセンサ１の位相の変化であり、図６（ｂ）は、グリセリン水溶液の濃度変化に伴う粘性変化に対するＳＡＷセンサ１の振幅の変化である。図６（ａ）において、縦軸は位相変化［ｄｅｇ］、横軸は濃度変化［ｗｔ％］、図６（ｂ）において、縦軸は振幅変化［ｄｅｇ］、横軸は濃度変化［ｗｔ％］である。
【００７２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）において、実線は解析モデル１００を用いて理論解析により得られた結果、点は実験で得られた結果であり、エラーバーは±２σを示している。反応領域薄膜１２に溶液が滴下されていない場合に対して滴下されている場合では、伝搬路を伝搬する速度が遅くなるため、波長換算すると、伝搬路の長さが長くなったことに相当する。このため、実験では、ＳＡＷセンサ１の反応領域の長さも考慮されたＳＨ−ＳＡＷの位相と振幅の変化を測定するため、解析結果も、後述する式（２３）及び式（２４）を用いてＳＡＷセンサ１の振幅と位相の変化として求めた。
図６に示した実験結果より、粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの振幅変化と位相変化は、どちらも同じように変化し、摂動法の理論（参考文献４）に基づいていることが確認できた。また、計算結果と実験結果が一致するため、本発明による解析方法は妥当性があることを図６が示している。以上のように、グリセリン水溶液の粘性変化に伴う実験を行った結果、理論と実験が一致している事が確認できた。また、得られた変化量はバイオの実験で得られている値に近い事が確認できた。
【００７３】
参考文献４  B. A. Auld : Acoustic Fields and Waves in Solid (Krieger, Malabar, FL, 1990) 2nd ed.,Chap. 12.
【００７４】
＜金膜厚に対する粘性感度の解析モデル１００を用いた解析＞
次に、粘性変化の解析を使って、金膜厚に対する粘性変化の計算を行った。
図７は、粘性を変化させたときの、金膜厚に対する速度変化（Δν／ν）と減衰変化（Δα／ｋ）の関係を説明する図である。図７において、縦軸は速度変化（Δν／ν）と減衰変化（Δα／ｋ）、横軸は伝搬される弾性表面波の波長λによって規格化された膜厚である金膜厚［ｈ／λ］である。また、符号ｇ４１及びｇ５１はグリセリン水溶液の濃度が１０％、符号ｇ４２及びｇ５２はグリセリン水溶液の濃度が２０％、符号ｇ４３及びｇ５３はグリセリン水溶液の濃度が３０％のときの各特性を示している。図７は、図４に示した解析モデル１００を用いて解析した結果である。
図７に示すように、粘性感度は、金膜厚に依存する。また、金膜厚が厚くなる程、ＳＨ−ＳＡＷの速度及び減衰が大きくなる。このように、解析結果から粘性変化量が大きくかつ膜厚に依存しにくくなる最適金膜厚があることが確認できた。
【００７５】
＜金膜厚に対する粘性感度の実験結果と解析結果との比較＞
上述したように、ＳＡＷセンサ１の粘性変化に対する解析を行った結果から、粘性感度は、ＳＡＷセンサ１のメタル部分の金膜厚に依存する結果が得られた。そこで、最適な金膜厚感度を決定するための実験を行い、解析結果と比較した。試作したサンプルは３６Ｙ−９０Ｘ  水晶基板上に電極周期２０［μｍ］、１５［μｍ］、１０［μｍ］のダブル入出力電極を設け、入出力電極間の伝搬路長（センシング領域）は２ｍｍ、金膜厚は１００［ｎｍ］、２１０［ｎｍ］、３２０［ｎｍ］、４３０［ｎｍ］、６４０［ｎｍ］である。なお、ダブル入出力電極とは、入出力電極をダブル電極（スプリット電極）構造にした電極である。なお、実験ではダブル入出力電極を用いたが、電極はこれに限られない。
【００７６】
ここで、水晶と金の間にチタンが１２［ｎｍ］存在するが、計算上は無視している。また、電極の対数は８０対で、開口長は０．４ｍｍである。電極の対数とは、電極部分の伝搬路方向に対する波長数であり、開口長は、くし型電極が重なる長さである。
実験は、水を基準とした１０［ｗｔ％］濃度のグリセリン水溶液に対する粘性変化を、ＳＡＷセンサ１の位相と振幅の変化としてネットワークアナライザで位相と振幅の変化を測定した。サンプル毎に電極膜厚と周期が異なるため、１７７［ＭＨｚ］から４８０［ＭＨｚ］までの間で、１５種類の中心周波数である。なお、グリセリン水溶液の温度は２３℃の一定である。また、テストサンプル数は、各６個である。
【００７７】
図８は、周波数を変えた場合、金膜厚と粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化及び減衰変化の正規化前の解析結果を示す図である。図８（ａ）は、金膜厚と速度変化の解析結果を示す図であり、図８（ｂ）は、金膜厚と減衰変換の正規化前の解析結果を示す図である。
図８（ａ）において、縦軸は速度変化［ｐｐｍ］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］であり、図８（ｂ）において、縦軸は減衰変化［ｐｐｍ］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］である。また、図８（ａ）において、符号ｇ２１〜ｇ２６それぞれは、中心周波数が１７７［ＭＨｚ］、２５１［ＭＨｚ］、３０３［ＭＨｚ］、３５２［ＭＨｚ］、４０８［ＭＨｚ］、４８０［ＭＨｚ］の解析結果である。図８（ｂ）において、符号ｇ３１〜ｇ３６それぞれは、中心周波数が１７７［ＭＨｚ］、２５１［ＭＨｚ］、３０３［ＭＨｚ］、３５２［ＭＨｚ］、４０８［ＭＨｚ］、４８０［ＭＨｚ］の解析結果である。
【００７８】
図８に示したように、金膜厚を変化させているため、中心周波数も変化している。このため、解析結果を周波数の平方根で正規化した。
図９は、図８に示した解析結果を周波数の平方根で正規化した解析結果の図である。図９（ａ）は、金膜厚と速度変化の正規化後の解析結果を示す図であり、図９（ｂ）は、金膜厚と粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの減衰変化の正規化後の解析結果を示す図である。図９（ａ）において、縦軸は正規化された速度変化×１０−９［／Ｈｚ０．５］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］であり、図９（ｂ）において、縦軸は粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの正規化された減衰変化×１０−９［／Ｈｚ０．５］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］である。
図９（ａ）の符号ｇ２７に示すように、粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化は、実験結果も周波数に依存している。また、図９（ｂ）の符号ｇ３７に示すように、粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの減衰変化は、実験結果も周波数に依存している。
【００７９】
＜金膜厚における粘性変化に対する速度と減衰の変化＞
図１０は、金膜厚を変化させた場合、水を基準とした１０ｗｔ％濃度グリセリン水溶液の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化と減衰変化を説明する図である。図１０（ａ）は、粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化を説明する図であり、図１０（ｂ）は、粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの減衰変化を説明する図である。図１０（ａ）において、縦軸は粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの速度変化×１０−９［／Ｈｚ０．５］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］であり、図１０（ｂ）において、縦軸は粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの減衰変化×１０−９［／Ｈｚ０．５］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］である。また、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、点は実験値、実線は計算値である。
【００８０】
摂動理論より、ＳＨ−ＳＡＷの粘性変化は周波数の平方根に比例するため、今回の周波数の異なる結果を比較する為に、周波数の平方根で正規化した。また、実験結果では、ＳＨ−ＳＡＷの位相変化と振幅変化が測定されるが、次式（２１）及び次式（２２）を用いて、速度変化と減衰変化に変換した。
【００８１】
【数２１】
2015138016.tif 000023
【００８２】
【数２２】
2015138016.tif 000024
【００８３】
式（２１）及び式（２２）において、Δν／νは速度変化、Δα／ｋは減衰変化、Ｖ１はグリセリン付加時の音速［ｍ／ｓ］、ａ０は水付加時の伝搬損失［ｄＢ／λ］である。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示した実験結果のように、実験結果と理論計算結果は一致することが確認できた。また、図１０に示した結果より、速度変化と減衰変化が最大になる金膜厚は、波長換算で約０．０１５［ｈ／λ］である。
【００８４】
＜金膜厚における粘性変化に対する位相と振幅の変化＞
実際に、ＳＡＷセンサ１を用いたセンス回路２０で測定される値は、位相と振幅であるため、解析モデル１００を用いた解析結果を、次式（２３）及び次式（２４）を用いて、位相変化と振幅変化に変換した。
【００８５】
【数２３】
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【００８６】
【数２４】
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【００８７】
式（２３）及び式（２４）において、Δθは位相変化［°］、ΔＡは振幅変化［ｄＢ］、ｆは周波数［Ｈｚ］、ｌはＳＨ−ＳＡＷと液体との相互作用長［ｍ］、Ｖ０は質量負荷前の音速［ｍ／ｓ］、Ｖ１は質量負荷後の音速［ｍ／ｓ］、ａ０は質量負荷前の伝搬減衰［ｄＢ／λ］、ａ１は質量負荷後の伝搬減衰［ｄＢ／λ］である。
【００８８】
図１１は、水を基準とした１０［ｗｔ％］濃度グリセリン水溶液の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの位相変化と振幅変化を説明する図である。図１１（ａ）は、粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの位相変化を説明する図であり、図１１（ｂ）は、粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの振幅変化を説明する図である。図１１（ａ）において、縦軸は水を基準とした１０［ｗｔ％］濃度グリセリン水溶液の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの位相変化×１０−１２［ｄｅｇ／Ｈｚ１．５］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］であり、図１１（ｂ）において、縦軸は水を基準とした１０［ｗｔ％］濃度グリセリン水溶液の粘性変化に対するＳＨ−ＳＡＷの減衰変化×１０−１２［ｄｅｇ／Ｈｚ１．５］、横軸は金膜厚［ｈ／λ］である。また、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）において、点は実験値、実線は計算値である。なお、図１１は、正規化後のものである。また、位相及び振幅を正規化する場合は、周波数ｆ×√（ｆ）で正規化を行う。
【００８９】
また、図１１において、位相と振幅の変化の場合、ＳＡＷセンサ１の反応領域の長さも特性に考慮されるため、理論値は式（２３）、式（２４）を使って反応領域の長さも含めた値に変換した。また、周波数成分も含まれるため、正規化は周波数ｆの１．５乗で行った。
図１１に示したように、実験結果と理論計算結果は一致することを確認できた。図１１に示したように、波長換算金膜厚が約０．０２［ｈ／λ］以上で位相変化と振幅変化が最大になる。
【００９０】
すなわち、本実施形態のＳＡＷセンサ１では、位相変化による感度のばらつき、または振幅変化による感度のばらつきが所定の範囲になる反応領域薄膜１２である金膜厚が選択される。または、本実施形態のＳＡＷセンサ１は、速度変化による感度のばらつき、または減衰変化による感度のばらつきが所定の範囲になる反応領域薄膜１２である金膜厚を選択する。
このため、本実施形態のＳＡＷセンサ１の反応領域薄膜１２は、位相変化による感度のばらつき、または振幅変化による感度のばらつきが所定の範囲になる厚みである。あるいは、本実施形態のＳＡＷセンサ１の反応領域薄膜１２は、膜厚が所定の公差において、弾性表面波センサの感度が所定の範囲内である厚みである。なお、所定の公差とは、例えば、金膜厚が０．０３２５±０．０１７５［ｈ／λ］の場合、±０．０１７５［ｈ／λ］である。
【００９１】
以上のように、本実施形態の弾性表面波センサ（ＳＡＷセンサ１）は、弾性表面波（ＳＨ−ＳＡＷ）を伝搬する圧電素子基板１０と、電気信号と弾性表面波との変換を行う電極（送信電極１１−１ａ、送信電極１１−１ｂ、受信電極１１−２ａ、受信電極１１−２ｂ、ＩＤＴ１１、ＩＤＴ１１−１、ＩＤＴ１１−２）と、圧電素子基板上及び弾性表面波の伝搬路に配置される反応領域薄膜１２と、を備え、反応領域薄膜の膜厚は、弾性表面波センサの感度に基づく厚みである。
また、本実施形態の弾性表面波センサ（ＳＡＷセンサ１）は、弾性表面波（ＳＨ−ＳＡＷ）を伝搬する圧電素子基板１０と、電気信号と弾性表面波との変換を行う電極（送信電極１１−１ａ、送信電極１１−１ｂ、受信電極１１−２ａ、受信電極１１−２ｂ、ＩＤＴ１１、ＩＤＴ１１−１、ＩＤＴ１１−２）と、圧電素子基板上及び弾性表面波の伝搬路に配置される反応領域薄膜と、を備え、反応領域薄膜の膜厚は、膜厚が所定の公差において、弾性表面波センサの感度が所定の範囲内である厚みである。
【００９２】
この構成によって、本実施形態のＳＡＷセンサ１は、粘性変化に対する位相振幅変化を粘性感度と仮定すると、図１０に示すように金膜厚が約０．０２［ｈ／λ］〜約０．０５［ｈ／λ］のとき、膜厚偏差に伴う粘性感度の変化が最小になる。また、図８及び図１０に示したように、速度変化と減衰変化が最大になる金膜厚は、波長換算で約０．０１５［ｈ／λ］である。この結果、本実施形態のＳＡＷセンサ１は、約０．０１５［ｈ／λ］〜約０．０５［ｈ／λ］の範囲の金膜厚にすることで、製造における成膜ばらつきによる粘性感度のばらつきを抑えられる効果が得られる。換言すると、本実施形態のＳＡＷセンサ１は、ＳＡＷセンサ１を製造するとき、反応領域薄膜１２である金膜厚が、例えば、約０．０１５［ｈ／λ］〜約０．０５［ｈ／λ］の範囲でばらついても、粘性感度のばらつきを抑えることができる。
【００９３】
また、本実施形態の弾性表面波センサ（ＳＡＷセンサ１）において、弾性表面波センサの感度は、電極（送信電極１１−１ａ、送信電極１１−１ｂ、受信電極１１−２ａ、受信電極１１−２ｂ、ＩＤＴ１１、ＩＤＴ１１−１、ＩＤＴ１１−２）によって受信される信号の位相に基づく値及び信号の振幅に基づく値、反応領域薄膜１２に導入される溶液１８に基づく値のうち少なくとも１つであり、反応領域薄膜の膜厚は、信号の位相に基づく値及び振幅に基づく値のうち少なくとも１つが所定の範囲である膜厚である。
また、本実施形態の弾性表面波センサ（ＳＡＷセンサ１）において、信号の位相に基づく値は、信号の位相または速度であり、信号の振幅に基づく値は、信号の振幅値または減衰率であり、反応領域薄膜に導入される溶液に基づく値は、溶液の濃度または密度である。
【００９４】
この構成によって、本実施形態のＳＡＷセンサ１の反応領域薄膜１２は、弾性表面波センサの感度に基づく厚みであって、信号の位相に基づく値は（信号の位相または速度）、信号の振幅に基づく値（信号の振幅値または減衰率）、反応領域薄膜に導入される溶液に基づく値（溶液の濃度または密度）のうち、いずれか少なくとも１つに基づくものである。このため、本実施形態のＳＡＷセンサ１の反応領域薄膜１２は、例えば音速、電極間の結合係数、電極の１本あたりの反射率等を用いることなく、厚みを決定することができる。
【００９５】
なお、本実施形態の解析、実験に用いた値は一例であり、これに限られない。各値は、ＳＡＷセンサ１に応じた値であってよい。
【符号の説明】
【００９６】
１…ＳＡＷセンサ、１０…圧電素子基板、１１−１ａ、１１−１ｂ…送信電極、１１−２ａ、１１−２ｂ…受信電極、１１、１１−１、１１−２…ＩＤＴ、１２…反応領域薄膜、１３…抗体、１４−１、１４−２…封止構造、１５−１、１５−２…封止壁１５−１、１６−１、１６−２…封止天井、１７−１、１７−２…樹脂モールド、１８…溶液、２０…センス回路、２１…交流信号源、２２…バースト回路、２３…位相・振幅検出回路２３、２４…ＰＣ、１００…解析モデル、１０１…圧電結晶基板（Ｉ層）、１０２…メタル層（ＩＩ層）、１０３…溶液層（グリセリン；ＩＩＩ層）
【図１】
2015138016.tif 000027
【図２】
2015138016.tif 000028
【図３】
2015138016.tif 000029
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015138016.tif 000033
【図８】
2015138016.tif 000034
【図９】
2015138016.tif 000035
【図１０】
2015138016.tif 000036
【図１１】
2015138016.tif 000037