(57)【要約】【課題】弾性波センサにおける構造の簡略化及び高感度化を実現する。【解決手段】  例えば、基板２の上に弾性波を励振する入力用電極３と、該入力用電極３にて励振され伝搬した弾性波を受信する出力用電極４との間（弾性波の伝搬経路上）に、検出対象の特定物質と反応する反応膜５を配置した構成とし、前記特定物質との反応による反応膜５の質量変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、特定物質の検出を可能とする弾性波センサ１において、弾性波を、基板２の表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性波を励振し、該弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる弾性波伝搬手段と、前記弾性波の伝搬経路上に配置された、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記特定物質との反応による前記反応膜の変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、前記特定物質の検出を可能とする弾性波センサであって、
前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波とすることを特徴とする弾性波センサ。
【請求項２】
前記弾性波伝搬手段は、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、を有し、前記入力用電極と出力用電極との間に前記反応膜が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性波センサ。
【請求項３】
前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に、前記反応膜と同種の膜がさらに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の弾性波センサ。
【請求項４】
前記反応膜は、格子状の形状としていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の弾性波センサ。
【請求項５】
基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、
前記反応膜を、前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波とすることを特徴とする弾性波センサ。
【請求項６】
基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、前記入力用電極及び出力用電極を挟むように当該弾性波の伝搬方向に沿って配置される２個の反射器と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、
前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極及び両反射器の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波とすることを特徴とする弾性波センサ。
【請求項７】
前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極、及び各反射器の上に形成することを特徴とする請求項６に記載の弾性波センサ。
【請求項８】
前記反応膜を、前記各反射器の上にのみ形成することを特徴とする請求項６に記載の弾性波センサ。
【請求項９】
前記基板は、水晶基板であることを特徴とする請求項１から８の何れか一つに記載の弾性波センサ。
【請求項１０】
前記水晶基板は、３０度回転Ｙカットから６０度回転Ｙカットのカット角とし、且つ前記入力用電極は、前記弾性波の伝搬方向をＸ方向に垂直な方向となるように形成されていることを特徴とする請求項９に記載の弾性波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の検出対象物質を検出するセンサに係り、特に、弾性波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境、食品、医療等の様々な分野において、構造が簡単で且つ小型化が期待できる水晶振動子を用いたセンサが、各種物質の検出や、該物質の量や濃度の測定を行うために使用されている。
【０００３】
水晶振動子を用いたセンサは、例えば、図６のように水晶基板の表側と裏側にそれぞれ金電極が配設され、且つ一方の金電極の表面に、検出対象の物質と反応する性質の膜（以下、反応膜という）が被覆された構成となっている。例えば、このセンサをガスセンサとして使用する場合には、検出対象たるガスを吸着するような膜を被覆し、免疫センサとして使用する場合には、検出対象たる抗原と抗原抗体反応する抗体膜を被覆する。
【０００４】
そして、図６のような水晶振動子を用いたセンサによれば、前記反応膜と検出対象物質とが反応すると、水晶振動子の電極上の質量が増加し、それに伴い水晶振動子の共振周波数が低下するため、この検出対象物質の質量を水晶振動子の周波数変化として定量的に測定することが可能となる。また、検出対象物質の質量測定のみならず濃度測定等にも応用することが可能となる。尚、測定用センサあるいは検出用センサに通常使用されている水晶振動子の周波数は９ＭＨｚ程度であり、このような水晶振動子を用いたセンサによれば、１０−６〜１０−９ｇの質量変化を周波数変化として検出可能である。
【０００５】
また、他の種類の検出センサとして、水晶振動子に替えて弾性表面波デバイスを用いることにより、圧電基板上を伝搬する弾性表面波（レイリー波）を利用して検出対象物質の質量等の検出を行うセンサがある。
【０００６】
弾性表面波デバイスは、圧電基板上に、櫛歯状電極指からなる入力用電極及び出力用電極が形成された構成となっている。そして、櫛歯状入力用電極に電気信号が印加されると、電極指間に電界が発生し、圧電効果により弾性表面波が励振される。そして、この弾性表面波を用いたセンサは、例えば図７のように、入力用電極と出力用電極との間の領域に反応膜が形成されており、検出対象物質との反応による反応膜の質量変化を、基板表面を伝搬するレイリー波の周波数変化として検出するようになっている。尚、このレイリー波を利用したセンサについては、下記先行技術文献に開示されている。
【０００７】
【非特許文献１】ハスケル（R. B. Haskell）他４名、“Effects of Film Thickness on Sensitivity of SAW Mercury Sensors”、1999 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings、（米国）、IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Society、１９９９年１１月３０日、ｐｐ．４２９−４３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、各利用分野において、より高精度な測定を実現するため、センサの高感度化が求められている。例えば、環境や食品の分野においては、人体に有害なダイオキシンや環境ホルモンの量を分析するにあたり、極めて微少な量（１０−９〜１０−１２ｇ）を精度良く測定することが要求されている。また、医療分野においては、例えば、炎症マーカーであるＣＲＰ（Ｃ−反応性蛋白）等の疾病マーカーの検出や菌の感染検出を行うにあたり、高精度の測定を可能にすることで病気の早期発見を実現でき、しかも被験者から採取する血液を微量とすることができるために被験者への負担を軽減できることから、センサの高感度化が望まれている。
【０００９】
また、現在、地雷等の火薬物センシング方法として、磁気センサによる探知方式、電波センサによる探知方式、バイオセンサによる探知方式が検討されているが、この中でもバイオセンサによる探知方式が、センサの構造が簡単で且つ携帯化が期待されているため、注目されている。そして、バイオセンサとして、水晶振動子の金電極上にＴＮＴ（トリニトロトルエン）の微量蒸気に反応する反応膜を被覆したセンサが検討されている。しかし、このような構成のバイオセンサを用いたガスセンシングでは、センサの感度が不足しているのが現状であり、やはりセンサの高感度化が実用化に向けての課題となっている。
【００１０】
ここで、水晶振動子を用いたセンサにおけるセンサの感度向上には、水晶振動子の共振周波数を高くすることが効果的であるが、水晶振動子の共振周波数ｆ０は基板の厚さｄで決定されることから（ｆ０＝ｖ／０．５ｄ：ｖは弾性波の音速）、水晶基板の厚さを薄くすることで共振周波数を高くすることができ、ひいてはセンサの感度を向上させることができる。しかし、水晶基板の厚さを薄くすることは機械的な加工困難性から限界があるため、高周波化は困難であり、よって、水晶振動子を用いたセンサの感度を向上させることは非常に困難であった。
【００１１】
一方、弾性表面波デバイスを用いたセンサでは、通常、反応膜は金膜の上に自己組織化単分子膜を介して形成されるが、このように反応膜が形成されることで、レイリー波の伝搬損失が大きくなってしまうという欠点があった。また、センサ感度向上のために周波数を高めるとしても、弾性波の波長が短くなることから金膜による上記の伝搬損失は顕著になってしまい、結局のところ従来のレイリー波を用いた手法では高周波化は困難であり、センサの感度向上は望めなかった。
【００１２】
本発明の目的は、構造が簡単であり、且つ高感度の弾性波センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の弾性波センサは、弾性波を励振し、該弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる弾性波伝搬手段と、前記弾性波の伝搬経路上に配置された、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記特定物質との反応による前記反応膜の変化に伴って生じる前記弾性波の伝搬特性の変化により、前記特定物質の検出を可能とする弾性波センサであって、前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向の変位が主となる横波弾性波としたものである。
【００１４】
ここで、上記の弾性波センサにおいて、前記弾性波伝搬手段が、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、を有し、前記入力用電極と出力用電極との間に前記反応膜が配置されているようにしても良い。また、前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に、前記反応膜と同種の膜をさらに形成しても良く、さらに、前記反応膜を格子状の形状としても良い。
【００１５】
また、本発明の弾性波センサは、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記反応膜を、前記入力用電極及び出力用電極の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波としたものである。
【００１６】
また、本発明の弾性波センサは、基板上に弾性波を励振する入力用電極と、該入力用電極に隣接して配置され、該入力用電極にて励振され基板上を伝搬する弾性波を受信する出力用電極と、前記入力用電極及び出力用電極を挟むように当該弾性波の伝搬方向に沿って配置される２個の反射器と、検出対象の特定物質と反応する反応膜と、を有し、前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極及び両反射器の少なくとも一つの上に形成し、且つ前記弾性波を、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波としたものである。
【００１７】
ここで、前記反応膜を、前記入力用電極、出力用電極、及び各反射器の上に形成しても良く、あるいは、前記各反射器の上にのみ形成しても良い。
【００１８】
また、本発明の弾性波センサにおいて、前記基板を水晶基板とすることが好ましく、さらに、前記水晶基板は、３０度回転Ｙカットから６０度回転Ｙカットのカット角とし、且つ前記入力用電極は、前記弾性波の伝搬方向をＸ方向に垂直な方向となるように形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の弾性波センサでは、横波弾性波を利用しているため、形成された反応膜による伝搬損失が少なく、効率良く表面波を伝搬、検出することができる。また、横波弾性波は周波数温度特性に優れ且つ伝搬速度が速いため、高周波化に適している。従って、従来の水晶振動子や弾性表面波デバイスを用いたセンサでは実現が困難であったセンサの高感度化を達成することができる。
【００２０】
また、励振電極の表面に反応膜を配置することにより、この反応膜と特定検出物質とが反応した際に生じる反応膜の質量変化（質量増加）に伴う弾性波の周波数変化率が向上する（大きくなる）ため、センサの一層の高感度化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
【００２２】
本実施形態に係る弾性波センサ１は、図１及び図２に示すように、基板２と、入力用電極３と、出力用電極４と、反応膜５と、金膜６と、を有する構成となっている。
【００２３】
前記基板２は、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に変位を持つ横波弾性波（例えば、ＳＴＷ：surface transverse wave、等）を伝搬させることができる材料であれば良く、例えば水晶やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等があるが、本実施形態では、伝搬する弾性波の周波数温度特性が優れているという点から、基板材料として水晶を選定した。また、水晶基板には、横波弾性波が効率良く励振されて伝搬することができるカット角及び伝搬方向が存在し、例えば、カット角が３０度回転Ｙカットから６０度回転Ｙカットであり、弾性波の伝搬方向がＸ方向に垂直な方向である、等のような横波弾性波を伝搬させるのに好適な条件があるが、本実施形態で使用する水晶基板２においては、カット角を３８度回転Ｙカットとし、弾性波の伝搬方向をＸ方向に垂直な方向としている。
【００２４】
また、前記入力用電極３は、弾性波を励振させる電極として櫛型電極を用いており、弾性波の伝搬方向がＸ方向に垂直な方向となるように基板２の表面に配置されている。また、前記出力用電極４は、前記入力用電極３にて励振され伝搬してきた弾性波を受信する櫛型電極である。尚、本実施形態では、センサの軽量化という点から、各電極はアルミニウムで作製されている。
【００２５】
そして、以上のように基板２の条件を設定し、且つ、この基板２の条件に合致するように前記各電極３，４を配置しているため、基板２の表面に平行で且つ伝搬方向に対し垂直な変位を持つ横波弾性波が、入力用電極３から出力用電極４に向けて伝搬することとなる。
【００２６】
また、前記反応膜５は、検出対象の特定物質と反応する性質を有するものであり、前記入力用電極３と前記出力用電極４との間の横波弾性波の伝搬路上に配置される。また、この反応膜５は、図２のように金膜６の上に自己組織化単分子膜（図示せず）を介して形成されている。尚、この伝搬路上の反応膜５は、一層の膜としても良く、あるいは図１のような格子状の形状（グレーティング構造）としても良いが、グレーティング構造とすることにより、横波弾性波は、波動エネルギが基板２の表面にトラップされた状態で伝搬するため、伝搬損失を抑制できるという利点がある。そこで本実施形態では、伝搬路上の反応膜５をグレーティング構造としている。
【００２７】
また、金膜６と基板２との密着強化のために、金膜６と基板２との間にチタン膜やクロム膜を形成すると良い。また、金の質量は大きいため、金膜６に替えて質量の軽いアルミニウム等の材料と金との二層あるいは多層構造の膜としても良く、この場合には最表面が金の層であれば良い。
【００２８】
そして、例えば図３のように、上記構成の弾性波センサ１と増幅器７と移相器８とを接続して、伝搬波の周波数を測定する周波数カウンタ（図示せず）への出力を行う帰還型の発振回路を構成し、特定物質の検出を行うと、検出対象の特定物質との反応による反応膜５の質量変化（質量増加）に伴って基板表面を伝搬する横波弾性波の伝搬速度が低下することから、上記反応による質量変化が、横波弾性波の伝搬速度変化に基づく周波数変化として出力される。従って、この弾性波センサ１によれば、質量変化を周波数変化として測定することが可能となるため、この測定結果に基づいて、検出対象の特定物質の有無、質量、あるいは濃度等の検出を行うことも可能となる。
【００２９】
また、本実施形態に係る弾性波センサ１では横波弾性波を利用しているため、基板２の表面に抗体膜等が存在していても伝搬損失が少なくなり、効率良く表面波を伝搬、検出することができる。さらに、横波弾性波は周波数温度特性に優れ且つ伝搬速度が速いことから高周波化に適しているため、センサの高感度化を達成することができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態について、図４及び図５を参照して以下説明する。
【００３１】
本実施形態に係る弾性波センサ１１は、水晶の基板１２と、入力用電極１３と、出力用電極１４と、反応膜１５と、２個の反射器１６と、を有する構成となっている。本実施形態において用いられる基板１２は、第１の実施形態と同様に、横波弾性波が効率良く励振されて伝搬することができるカット角及び伝搬方向の条件を満たす水晶基板である。
【００３２】
前記入力用電極１３は、弾性波を励振させる電極として櫛型電極を用いており、弾性波の伝搬方向が上記条件を満たすように基板１２の表面に配置されている。また、前記出力用電極１４は、前記入力用電極１３にて励振され伝搬してきた弾性波を受信する櫛型電極であり、前記入力用電極１３に隣接して配置されている。さらに、これら入力用電極１３及び出力用電極１４を挟むように、当該弾性波の伝搬方向に沿って、２個の反射器１６が配置されている。
【００３３】
また本実施形態では、入力用電極１３、出力用電極１４、及び各反射器１６の表面が金で形成されており、入力用電極１３、出力用電極１４、及び各反射器１６の上に、反応膜１５が自己組織化単分子膜（図示せず）を介して形成されている。尚、これら入力用電極１３、出力用電極１４、及び各反射器１６は、金で作製されていても良く、あるいは、質量の軽いアルミニウム等の材料と金との二層あるいは多層構造の膜とし、且つ最表面を金の層としても良い。
【００３４】
そして、以上のような構成の弾性波センサ１１を用い、発振回路を構成する等して特定物質の検出を行う場合、特定物質との反応による反応膜１５の質量変化（質量増加）に伴って、電極指の見かけ上の厚さが大きくなることによる伝搬速度の低下が生じるだけでなく、質量増加に伴う電極指一本あたりの反射率が増大することによる中心周波数の低下が生じる。よって、質量変化に伴う伝搬速度の低下に起因する中心周波数変化以上に、横波弾性波の中心周波数が変化する。また、各反射器１６においても、同様に質量変化に伴う横波弾性波の中心周波数変化率が大きくなる。従って、質量変化に伴う横波弾性波の周波数変化率は、第１の実施形態に係る弾性波センサ１に比べて大きくなるため、本実施形態に係る弾性波センサ１１によれば、より高感度の測定を行うことができるようになる。
【００３５】
また、第２の実施形態では、入力用電極１３、出力用電極１４、及び各反射器１６の上に反応膜１５が配置されているが、入力用電極１３及び出力用電極１４には反応膜１５を配置せず、各反射器１６の上にのみ反応膜１５を配置し、反射器１６における横波弾性波の周波数変化を測定するような構成としても良い。この構成の場合には、反応膜１５を電極上に配置しないために、入力用電極１３における入力インピーダンスが変化しないという利点がある。
【００３６】
また、第２の実施形態において、２個の反射器１６を設けず、隣接した入力用電極１３及び出力用電極１４の上に反応膜１５を配置し、横波弾性波の周波数変化を測定するように構成しても良い。これにより、センサの一層の小型化を実現できる。
【００３７】
また、第２の実施形態における周波数変化率の向上を踏まえ、第１の実施形態に係る弾性波センサ１において、入力用電極３及び出力用電極４の少なくとも一方に反応膜５を配置する構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る弾性波センサの概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る弾性波センサを用いた発振回路の一例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る弾性波センサの概略構成図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】従来の水晶振動子を用いたセンサの概略構成図である。
【図７】従来の弾性波デバイスを用いたセンサの概略構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，１１  弾性波センサ、２，１２  基板、３，１３  入力用電極、４，１４  出力用電極、５，１５  反応膜、６  金膜、７  増幅器、８  移相器、１６  反射器。
【図１】
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【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】
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