(57)【要約】【課題】  小型化可能で高いＱ値及び優れた周波数温度特性を発揮し、特に液相系に適した高感度なＳＡＷセンサを提供する。【解決手段】  ＳＡＷセンサ１は、回転Ｙカット水晶板であり、そのカット面及びＳＡＷの伝搬方向をオイラー角表示で（０°，−６４〜−４９．３°＋９０°，９０±５°）＝（０°，２６〜４０．７°，９０±５°）とした水晶平板からなる圧電基板１を用いる。圧電基板の表面には、ＩＤＴ２，３が、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなる電極膜で形成され、該電極膜の膜厚ＨをＳＡＷの波長をλとして、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定する。ＳＡＷの伝搬面には、目的の物質を認識するための受容体５が設けられる。ＩＤＴの両側には、更に１対の反射器１５，１５を設けることができる。【選択図】  図１
2007078428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、前記圧電基板の表面に形成したＩＤＴと、前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬面に固定され、目的の物質を認識するための受容体とを備え、前記圧電基板が回転Ｙカット水晶板であり、そのカット面及び前記弾性表面波の伝搬方向をオイラー角表示で（０°，２６〜４０．７°，９０±５°）とした水晶平板からなり、前記ＩＤＴが、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなる電極膜で形成され、かつ、前記電極膜の膜厚Ｈが、前記弾性表面波の波長をλとして、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２であることを特徴とする弾性表面波センサ。
【請求項２】
前記弾性表面波の伝搬方向に沿って前記ＩＤＴ及び前記受容体を挟むようにそれらの両側に配置される１対の反射器を更に備え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。
【請求項３】
前記ＩＤＴが励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとからなり、前記受容体が前記励振用ＩＤＴと前記受信用ＩＤＴとの間に配置されてい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。
【請求項４】
前記ＩＤＴが１組の交差指電極を有する１つのＩＤＴからなり、前記受容体が前記交差指電極の電極指と電極指との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波センサ。
【請求項５】
前記ＩＤＴが１つのＩＤＴからなり、前記受容体が前記ＩＤＴと一方の前記反射器との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載される複数の弾性表面波センサを有し、前記複数の弾性表面波センサが前記弾性表面波の伝搬方向に関して直列にかつ／又は並列に配置されると共に、前記各弾性表面波センサが単一の共通の圧電基板に設けられていることを特徴とする弾性表面波センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の化学物質を検出しかつ／又はその物性を測定するために、トランスデューサとして弾性表面波（ＳＡＷ：surface acoustic wave）素子を利用した弾性表面波センサ、及び弾性表面波センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、特にバイオテクノロジや医療などの技術分野において、測定対象の化学物質を認識する受容体の化学的又は物理的変化を検出するために、ＳＡＷ素子をトランスデューサとして利用したＳＡＷセンサが開発されている（例えば、非特許文献１，２を参照）。一般にＳＡＷセンサは、圧電基板のＳＡＷ伝搬面に検出物質反応膜などの受容体を有する。受容体に目的の化学物質が結合してその重量が変化すると、ＳＡＷの伝搬速度が変化するので、これを発振周波数の変化として測定することにより、目的物質及び／又はその物性を高精度に検出することができる。
【０００３】
例えば、圧電基板上に受容体としてガス吸着体をＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）からなる励振電極と受信電極との間に配置したＳＡＷデバイスが知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、圧電基板のＳＨ−ＳＡＷ（横波型弾性表面波）伝搬面に電気的短絡と電気的開放及び試料セルとを設け、同一液体を負荷した場合に電気的短絡と電気的開放間に生じるＳＡＷ伝搬速度の変化からｐＨ、導電性などの物性を検出する弾性表面波バイオセンサが知られている（特許文献２を参照）。更に、単一の圧電基板に、それぞれＩＤＴからなる送信電極と受信電極間にセンサセルを有する３つのＳＡＷセンサを並設し、測定液の力学量と電気量とを同時に計測できるようにしたマルチチャネル型の溶液センサシステムが知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００４】
他方、通信・情報機器などの電子機器に広く使用されているＳＡＷデバイスは、一般に小型化、高いＱ値（共振尖鋭度）、及び優れた周波数安定性が要求されている。これらの要求を満足するＳＡＷデバイスとして、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスがある。ＳＴカット水晶基板は、結晶Ｘ軸を回転軸としてＸＺ面を結晶Ｚ軸より反時計方向に４２．７５°回転した平面（ＸＺ’面）を主面として切り出した水晶板であり、結晶Ｘ軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（Ｐ＋ＳＶ）波であるＳＡＷを利用する。
【０００５】
ところが、レイリー波は、ＳＡＷ伝搬面上に液体を負荷すると、縦波が液体中に放射されて減衰するため、特に液相系のＳＡＷセンサには使用できない。そこで、液相系のＳＡＷセンサには、３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ３ を圧電基板に用いたＳＨ−ＳＡＷが広く採用されている（例えば、非特許文献２を参照）。この圧電基板は、目的とするＳＡＷ以外の不要ＳＡＷ（縦波等のスプリアス振動）が発生せず、電気機械結合係数が大きいので、高感度のセンサを実現できる（例えば、特許文献３を参照）。
【０００６】
また、回転Ｙカット水晶板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−５０°回転させた付近に設定し、かつ弾性波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して垂直方向にした、オイラー角（０°，θ＋９０°，９０°）＝（０°，４０°，９０°）の水晶平板を圧電基板とする弾性波素子が知られている（例えば、非特許文献３、特許文献４を参照）。この弾性波素子は、変位の主成分が基板面に平行（ＳＨ成分）な表面進行体積波（ＳＳＢＷ）をＩＤＴにより励起し、その振動エネルギを電極直下に閉じ込めることを特徴とする。
【０００７】
更に、この回転Ｙカット水晶板からなる圧電基板上に８００±２００対もの多数対のＩＤＴを形成し、かつ該ＩＤＴにより励振される弾性波の波長をλとしたとき、ＩＤＴの電極膜厚を２％λ以上、好ましくは４％λ以下にした多対ＩＤＴ型の弾性波共振器が知られている（例えば、特許文献５を参照）。これにより、グレーティング反射器を利用せずに、ＩＤＴ自体の反射だけでＳＡＷエネルギを閉じ込め、Ｑ値を高めることができる。
【０００８】
【非特許文献１】工業所有権総合情報館編，「特許流通支援チャート・化学２・バイオセンサ」，社団法人発明協会，２００２年６月２９日，ｐ．３〜５及び１６〜１８
【非特許文献２】日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編，「弾性波デバイス技術」，オーム社，２００４年８月２０日，ｐ．４０５〜４１２
【非特許文献３】Meirion Lewis，"Surface Skimming Bulk Wave, SSBW"，IEEE Ultrasonics Symp. Proc.，１９７７，ｐ．７４４〜７５２
【特許文献１】特開平８−６８７８１号公報
【特許文献２】特開平６−１３３７５９号公報
【特許文献３】特開平９−８００３５号公報
【特許文献４】特公昭６２−０１６０５０号
【特許文献５】特公平０１−０３４４１１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ３ には、次のような問題がある。第一に、図１０に破線で示すように、温度に対する周波数変動が−２０ｐｐｍ／℃で、非常に大きいという問題がある。そのため、温度変化によるノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比が低下する虞がある。これを解消するためには、例えば使用温度に関して発振周波数を調節する特別な回路を付加しなければならないなど、難しい温度管理が必要になる。
【００１０】
また、図１１に示すように、中心周波数ｆ０ に関して或る程度の帯域幅をもった周波数特性を有し、伝送特性がブロードでＱ値が小さい、という問題がある。そのため、これを用いたＳＡＷセンサは、測定周波数の所謂ゆらぎが大きく、測定精度を低下させる虞がある。従って、測定精度を確保するためには、このゆらぎ成分を除去するなどの余分な信号処理やデータ処理が必要になる。
【００１１】
これに対し、水晶は、図１０に実線で示すように、温度に対する周波数安定性が優れており、温度管理が容易である。しかしながら、ＳＴカット水晶基板は、小型で高いＱ値、優れた周波数安定性を実現できる反面、上述したように、使用するＳＡＷがレイリー波であるため、液相系のセンサには使用できないという問題がある。
【００１２】
また、上述した特許文献５，６に記載の回転Ｙカット水晶板は、ＳＳＢＷ波が基本的に基板内部に潜って進んでいく波であるため、効率的なエネルギ閉じ込め効果が得られず、ＳＡＷの反射効率が悪い、という問題がある。従って、小型で高いＱ値のＳＡＷデバイスを実現することは困難である。特に特許文献６に記載の多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子は、高いＱ値を得るのに必要なＩＤＴ対数が非常に多いので、それだけデバイスサイズが大きくなり、小型化の要求を満足できない、という問題がある。
【００１３】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化可能で高いＱ値及び優れた周波数温度特性を発揮し、特に液相系に適した高感度なＳＡＷセンサ、及びかかるＳＡＷセンサからなる複数のチャネルを単一の圧電基板上に有するマルチチャネル型のＳＡＷセンサシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明者らは、図１に示すように、回転Ｙカット水晶板からなりかつＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に関して９０±５°とした圧電基板と、該圧電基板の表面に形成したＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、該ＩＤＴにより励振されるＳＡＷをＳＨ波としたＳＡＷデバイスについて、様々な実験を行い、そのカット角θ、励振するＳＡＷの波長λで基準化したＩＤＴの電極膜厚Ｈ／λ、Ｑ値、及び周波数温度特性の関係を詳細に検討した。その結果、前記回転Ｙカット水晶板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、かつ電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することにより、励振波を基板表面に集中させてＳＡＷの反射効率を向上させ、小型でＱ値が高くかつ周波数安定性が優れたＳＡＷデバイスを提供し得ることを見い出した。
【００１５】
本発明は、本願発明者らのかかる知見に基づいてなされたものである。
本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電基板と、該圧電基板の表面に形成したＩＤＴと、該ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの伝搬面に固定され、目的の物質を認識するための受容体とを備え、圧電基板が回転Ｙカット水晶板であり、そのカット面及びＳＡＷの伝搬方向をオイラー角表示で（０°，−６４〜−４９．３°＋９０°，９０±５°）＝（０°，２６〜４０．７°，９０±５°）とした水晶平板からなり、ＩＤＴが、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなる電極膜で形成され、かつ、該電極膜の膜厚Ｈが、ＳＡＷの波長をλとして、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２であるＳＡＷセンサが提供される。
【００１６】
このように圧電基板及びＩＤＴを構成することにより、本発明のＳＡＷセンサは、ＳＨ波が励振されるので、液相系のセンサにも使用することができ、かつ、良好な温度特性及び高いＱ値が得られるので、ＣＩ値を低く抑制でき、高感度かつ高い測定精度のセンサを実現することができる。
【００１７】
或る実施例では、ＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ及び受容体を挟むようにそれらの両側に配置される１対の反射器を更に備えることにより、それらの間にＳＡＷエネルギを閉じ込める効果を高め、圧電基板端面からの反射波を少なくしかつ損失を少なくしてＱ値を高め、ＣＩ値を小さくし、より優れた共振特性が得られるので、ＳＡＷセンサの感度を向上させることができる。
【００１８】
別の実施例では、ＳＡＷセンサのＩＤＴが励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとからなり、かつ受容体が励振用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとの間に配置された２ポート共振子型である。
【００１９】
また、或る実施例では、ＳＡＷセンサのＩＤＴが１組の交差指電極を有する１つのＩＤＴからなる１ポート共振子型であり、トランスバーサル型に比して１個のＩＤＴを省略できるので、小型化及び製造コストの低減を図ることができる。この場合、受容体は、交差指電極の電極指と電極指との間に配置することができ、またはＩＤＴと一方の反射器との間に配置することができる。
【００２０】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明のＳＡＷセンサを複数個有し、それらＳＡＷセンサがＳＡＷの伝搬方向に関して直列にかつ／又は並列に配置されると共に、各ＳＡＷセンサを単一の共通の圧電基板に設けることにより、各チャネルの感度及び測定精度を向上させたマルチチャネル型のＳＡＷセンサシステムが提供される。特に、各チャネルのＳＡＷセンサが１対の反射器を有する場合には、それらを同時に発振させても、隣接するチャネルから励振されたＳＡＷの影響及び圧電基板端面によるＳＡＷ反射波の影響を有効に排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
先ず、本発明のＳＡＷセンサを構成するＳＡＷ共振子について説明する。このＳＡＷ共振子は、図１に示すように、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４〜−４９．３°回転した付近に設定し、かつＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して略垂直方向（９０±５°）にした水晶平板である。この圧電基板において励振されるＳＡＷは、ＳＨ波である。圧電基板の表面に形成するＩＤＴの電極材料は、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金である。尚、本実施例において、ＩＤＴの電極膜厚Ｈは、それにより励振されるＳＡＷの波長λで基準化した値Ｈ／λで表わすこととする。
【００２２】
図１に示す圧電基板にカット角θ＝−５１°の回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板（オイラー角表示で（０°,３９°,９０°））を用い、共振周波数を３１５ＭＨｚ、電極膜厚Ｈ／λを０．０６、ＩＤＴの対数を１００とし、更に本数１００のグレーティング反射器を設けたＳＡＷ共振子を試作し、その特性を測定した。また、ＳＡＷの伝搬方向に沿って、ＩＤＴを構成する電極指のピッチ（＝電極指の幅＋電極指間のスペース）に対する電極指の幅をライン占有率ｍｒとし、ｍｒ＝０．６０に設定した。比較例として、ＳＴカット水晶板を圧電基板としかつ同じ設計条件で従来のＳＡＷ共振子を製作し、その諸特性を測定した。
【００２３】
図２は、それらの周波数温度特性を示している。同図から分かるように、本発明のＳＡＷ共振子は、頂点温度Ｔｐが約２５℃であり、温度による周波数変動量が、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子に比してその約０．６倍程度に小さくなった。このように、本発明においては、優れた周波数安定性が得られる。
【００２４】
また、一般にＳＡＷ共振子の最適設計において重要なことは、周波数温度特性が優れ、Ｑが高くかつ容量比γが小さい、即ち良感度（figure of merit＝Ｑ／γ）が大きいことである。本発明のＳＡＷ共振子は、Ｑ値が２７５００、良感度（Ｑ／γ）が２１．２、２次温度係数が−０．０２０（ｐｐｍ／℃２ ）であった。これに対し、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子は、Ｑ値が１５０００、良感度（Ｑ／γ）が１０．７、２次温度係数が−０．０３４（ｐｐｍ／℃２ ）であった。これらを比較すると、本発明のＳＡＷ共振子は、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子に比して、Ｑ値が１．８倍強、良感度（Ｑ／γ）が約２倍も大きい値を得られていることが分かる。
【００２５】
更に、本発明のＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λとＱ値の関係を図３に示す。同図から、本発明のＳＡＷ共振子は、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲において、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも高いＱ値を得られることが分かる。更に、本発明のＳＡＷ共振子における電極膜厚を０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定することにより、２００００以上のより高いＱ値を得ることができる。
【００２６】
このように、本発明においては、電極膜厚Ｈ／λを大きく設定することにより、ＳＡＷを圧電基板表面に集中させてＳＡＷの反射効率を良くし、ＳＡＷエネルギの閉じ込め効果を高めることができる。従って、従来よりも高いＱ値を実現しつつ、圧電基板を小型化することができる。
【００２７】
更に、実用的な使用温度範囲（−５０℃〜＋１２５℃）において優れた周波数安定性を実現するために、２次温度係数だけでなく、頂点温度Ｔｐについても詳細に検討した。その結果、本発明のＳＡＷ共振子において、カット角θを−５０．５°としたとき、電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐとの関係は、次の近似式で表わされる。
Ｔｐ(H/λ)＝−41825×(H/λ)２＋2855.4×(H/λ)−26.42  …（１）
これから、電極膜厚Ｈ／λを大きくすると、頂点温度Ｔｐは下がることが分かる。
【００２８】
また、本発明のＳＡＷ共振子において、電極膜厚Ｈ／λを０．０６としたとき、カット角θと頂点温度Ｔｐとの関係は、次の近似式で表わされる。
Ｔｐ(θ)＝−43.5372×θ−2197.14  …（２）
これから、カット角θの絶対値を小さくすると、頂点温度Ｔｐは下がることが分かる。
【００２９】
上記式（１）及び式（２）から、電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２としたとき、頂点温度Ｔｐを実用的な使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するには、カット角θを−５９．９°≦θ≦−４８．９°の範囲に設定すれば良いことが分かる。
【００３０】
また、電極膜厚Ｈ／λ及びカット角θの双方を考慮したとき、頂点温度Ｔｐは、上記式（１）及び式（２）から次の近似式で表わされる。
Ｔｐ(H/λ,θ)＝Ｔｐ(H/λ)＋Ｔｐ(θ)＝−41825×(H/λ)２＋2855.4×(H/λ)−43.5372×θ−2223.56  …（３）
この式（３）から、頂点温度Ｔｐを使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するためには、次式（４）で表される範囲に電極膜厚Ｈ／λ及びカット角θを設定すれば良いことが分かる。
0.9613≦−18.498×(H/λ)２+1.2629×(H/λ)−0.019255×θ≦1.0387  …（４）
【００３１】
このようにカット角θを−５９．９゜≦θ≦−４８．９゜の範囲に、かつＩＤＴの電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とすることにより、実用的な使用温度範囲（−５０℃〜＋１２５℃）において、従来より小型で、高いＱ値及び優れた周波数安定性のＳＡＷセンサを実現できる。
【００３２】
更に、より最適な設計条件について検討すると、電極膜厚Ｈ／λは図３から、２００００以上のＱ値が得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定するのが好ましい。また、頂点温度Ｔｐをより実用的な使用温度範囲（０°〜７０℃）に設定するためには、カット角θは、−５５．７°≦θ≦−５０．２°の範囲に設定するのが好ましく、更に、上記式（３）から得られる次式（５）の範囲に、カット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定するのが好ましい。
0.9845≦−18.518×(H/λ)２＋1.2643×(H/λ)−0.019277×θ≦1.0155  …（５）
【００３３】
更に、広い範囲のカット角θについて実験を行ったところ、以下に説明するように、より詳細な条件を見い出すことができた。上述した本発明のＳＡＷ共振子において、頂点温度Ｔｐが−５０℃，０℃，７０℃，１２５℃であるとき、水晶基板のカット角θと電極膜厚Ｈ／λとの関係は、Ｔｐ特性を示す次の近似式で表される。
Ｔｐ＝−５０（℃）の場合：
Ｈ／λ≒−1.02586×10−４×θ３ −1.73238×10−２×θ２−0.977607×θ−18.3420
Ｔｐ＝０（℃）の場合：
Ｈ／λ≒−9.87591×10−５×θ３−1.70304×10−２×θ２−0.981173×θ−18.7946
Ｔｐ＝＋７０（℃）の場合：
Ｈ／λ≒−1.44605×10−４×θ３−2.50690×10−２×θ２−1.45086×θ−27.9464
Ｔｐ＝＋１２５（℃）の場合：
Ｈ／λ≒−1.34082×10−４×θ３−2.34969×10−２×θ２−1.37506×θ−26.7895
【００３４】
これらのＴｐ特性を示す近似式から、頂点温度Ｔｐを実用的使用温度範囲−５０≦Ｔｐ≦１２５に設定するためには、Ｔｐ＝−５０℃及びＴｐ＝１２５℃における近似式の曲線に囲まれた領域、即ち、
−1.34082×10−４×θ３−2.34969×10−２×θ２−1.37506×θ−26.7895＜Ｈ／λ＜−1.02586×10−４×θ３−1.73238×10−２×θ２−0.977607×θ−18.3420
となるように、カット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良いことが分かる。また、このときの電極膜厚Ｈ／λの範囲を、上述したように従来よりも優れた特性が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、その範囲に対応して、カット角θの範囲を−６４．０＜θ＜−４９．３とすることが好ましい。
【００３５】
更に、より最適な条件について検討すると、頂点温度Ｔｐ（℃）は、より実用的な使用温度範囲０≦Ｔｐ≦７０に設定することが望ましい。そのためには、Ｔｐ特性を示す上記近似式から、Ｔｐ＝０℃及びＴｐ＝７０℃における近似式の曲線に囲まれた領域、即ち、
−1.44605×10−４×θ３−2.50690×10−２×θ２−1.45086×θ−27.9464＜Ｈ／λ＜−9.87591×10−５×θ３−1.70304×10−２×θ２−0.981173×θ−18.7946
となるように、カット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良い。このとき、電極膜厚Ｈ／λは、上述したように２００００以上のＱ値が得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲にするのが望ましく、その電極膜厚の範囲に対応して、カット角θを−６１．４＜θ＜−５１．１に設定することが好ましい。
【００３６】
以上の詳細な検討結果から、本発明のＳＡＷ共振子は、カット角θが−６４．０゜＜θ＜−４９．３゜、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を圧電基板として、ＳＡＷの伝搬方向がＸ軸に対して略垂直方向に励振されるＳＨ波を用い、ＩＤＴをＡｌまたはＡｌを主とした合金の電極材料で形成し、その電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることが好ましい。これにより、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも高いＱ値及び優れた温度特性が得られると共に、頂点温度Ｔpを上述した実用的な使用温度範囲内に設定することができる。
【００３７】
更に、ＩＤＴのライン占有率ｍｒを上述した値０．６０に固定せず、変化させた場合のＴｐ特性について検討した。その結果、電極膜厚とライン占有率との積Ｈ／λ×ｍｒは、その値を大きくする程、頂点温度Ｔｐは下がることが分かった。
【００３８】
次に、頂点温度Ｔｐが−５０℃，０℃，７０℃，１２５℃であるとき、電極膜厚とライン占有率との積Ｈ／λ×ｍｒと水晶基板のカット角θとの関係は、Ｔｐ特性を示す次の近似式で表される。
Ｔｐ＝−５０（℃）の場合：
Ｈ／λ×ｍｒ≒−6.15517×10−５×θ３−1.03943×10−２×θ２−0.586564×θ−11.0052
Ｔｐ＝０（℃）の場合：
Ｈ／λ×ｍｒ≒−5.92554×10−５×θ３−1.02183×10−２×θ２−0.588704×θ−11.2768
Ｔｐ＝７０（℃）の場合：
Ｈ／λ×ｍｒ≒−8.67632×10−５×θ３−1.50414×10−２×θ２−0.870514×θ−16.7678
Ｔｐ＝１２５（℃）の場合：
Ｈ／λ×ｍｒ≒−8.04489×10−５×θ３−1.40981×10−２×θ２−0.825038×θ−16.0737
【００３９】
これらのＴｐ特性を示す近似式から、頂点温度Ｔｐを実用的使用温度範囲−５０≦Ｔｐ≦１２５に設定するためには、Ｔｐ＝−５０℃及びＴｐ＝１２５℃における近似式の曲線に囲まれた領域、即ち、
−8.04489×10−５×θ３−1.40981×10−２×θ２−0.825038×θ−16.0737＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−6.15517×10−５×θ３−1.03943×10−２×θ２−0.586564×θ−11.0052
となるように、カット角θ及び電極膜厚とライン占有率との積Ｈ／λ×ｍｒを設定すれば良いことが分かる。また、このときの電極膜厚Ｈ／λの範囲を、上述したように従来よりも優れた特性が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、その範囲に対応して、カット角θの範囲を−６４．０＜θ＜−４９．３とすることが好ましい。
【００４０】
更に、より最適な条件について検討すると、頂点温度Ｔｐ（℃）は、より実用的な使用温度範囲０≦Ｔｐ≦７０に設定することが望ましい。そのためには、Ｔｐ特性を示す上記近似式から、Ｔｐ＝０℃及びＴｐ＝７０℃における近似式の曲線に囲まれた領域、即ち、
−8.67632×10−５×θ３−1.50414×10−２×θ２−0.870514×θ−16.7678＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−5.92554×10−５×θ３−1.02183×10−２×θ２−0.588704×θ−11.2768
となるように、カット角θ及び電極膜厚とライン占有率との積Ｈ／λ×ｍｒを設定すれば良い。このとき、電極膜厚Ｈ／λは、上述したように２００００以上のＱ値が得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とするのが望ましく、その電極膜厚の範囲に対応して、カット角θを−６１．４＜θ＜−５１．１に設定することが好ましい。
【００４１】
図４は、本発明によるＳＡＷセンサの第１実施例を示している。このＳＡＷセンサは、所謂トランスバーサル型構造で、圧電基板１の表面には、励振用ＩＤＴ２と受信用ＩＤＴ３とそれらの間のＳＡＷ伝搬面に配置した検出物質反応膜などの受容体４とを有する。受容体４は、検出対象となる化学物質の性状・特質などに対応して、例えばガス吸着体、酵素、微生物、抗体、ＤＮＡなど従来公知の様々なものを用いることができ、それらを固定した膜、セルなど従来公知の様々な形態で使用される。前記受容体に目的の化学物質が化学的に結合してその重量が変化すると、励振用ＩＤＴ２により励振されたＳＡＷ５の伝搬速度が変化し、これを受信用ＩＤＴ３が発振周波数の変化として測定することにより、目的物質及び／又はその物性を高精度に検出することができる。
【００４２】
圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４〜−４９．３°回転した付近に設定し、かつＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して略垂直方向（９０±５°）にした水晶平板である。この回転Ｙカット水晶基板は、カット面及びＳＡＷの伝搬方向を（０°，２６〜４０．７°，９０±５°）のオイラー角で表示することができる。各ＩＤＴ２，３は、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金の電極材料で、フォトリソグラフィ、蒸着、スパッタリングなどの従来方法を用いて形成されている。各ＩＤＴ２，３の電極膜厚Ｈは、該ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの波長をλとして、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定される。
【００４３】
本実施例のＳＡＷセンサは、このように設定した回転Ｙカット水晶基板を圧電基板１に用いかつＩＤＴ２，３を形成することによって、ＳＨ波を励振する。そのため、優れた表面波エネルギの閉じ込め効果が得られ、それにより伝搬損失を少なくしてＱ値を高くし、ＣＩ値を小さくして、図５に示すように優れた共振特性を得ることかできる。また、ＳＨ波を励振するので、本実施例のＳＡＷセンサは、液相系のセンサにも使用することができる。更に、良好な温度特性及び高いＱ値が得られるので、ＣＩ値を低く抑制でき、高感度かつ高い測定精度のセンサを実現することができる。
【００４４】
図６は、本発明によるＳＡＷセンサの第２実施例を示している。このＳＡＷセンサ１０は、同様に回転Ｙカット水晶板のカット面及びＳＡＷの伝搬方向をオイラー角表示で（０°，２６〜４０．７°，９０±５°）とした水晶平板からなる圧電基板１１の表面略中央に、１組の交差指電極１２ａ、１２ｂからなるＩＤＴ１３が形成されている。ＩＤＴ１３の略中央には、前記交差指電極を構成する電極指と電極指間のＳＡＷ伝搬面に受容体１４が配置されている。ＩＤＴ１３は、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金の電極材料で形成され、かつその電極膜厚Ｈは、励振されるＳＡＷの波長をλとして、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定されている。
【００４５】
ＩＤＴ１３及び受容体１４の左右両側には、それぞれ格子構造の反射器１５、１５が配置されている。前記反射器は、ＩＤＴ１３と同様に、かつそれと同時にＡｌ又はＡｌを主成分とする合金で形成することができる。この１ポート共振子型のＳＡＷセンサ１０において、入力側交差指電極１２ａと出力側交差指電極１２ｂ間に所定の高周波信号電圧を印加すると、圧電基板１１の表面に入力信号と同じ周波数のＳＡＷが励振される。ＳＡＷはＩＤＴ１３の左右両側に伝搬し、左右の反射器１５、１５に反射されてＩＤＴ１３の中心に向けて戻る結果、前記両反射器間にＳＡＷの定在波が発生する。このように両反射器１５、１５間に表面波エネルギが閉じ込められることによって、ＳＡＷの圧電基板１１の端面による反射波の影響を有効に排除することができる。
【００４６】
受容体１４が検出対象の化学物質を吸着するなどしてその重量が増加すると、ＳＡＷの伝搬速度が変化し、その周波数が変化する。この周波数変化を測定することによって、目的の化学物質を検出しかつ／又はその濃度、ｐＨなど物性を測定することができる。前記反射器による表面波エネルギの閉じ込め効果により、圧電基板１１端面によるＳＡＷ反射波の影響を排除できるだけでなく、伝搬損失を少なくしてＱ値を高くし、ＣＩ値を小さくして、より優れた共振特性が得られるので、ＳＡＷセンサの感度が向上し、高精度な検出・測定が可能になる。
【００４７】
図７は、図６に示す第２実施例のＳＡＷセンサの変形例を示している。この変形例のＳＡＷセンサ２０は、第２実施例と同じ１ポート共振子型の構成を有するが、圧電基板２１表面に、入力側及び出力側交差指電極２２ａ，２２ｂからなるＩＤＴ２３と受容体２４とをＳＡＷの伝搬方向に沿って並置し、それらの両側に反射器２５、２５を配置した点において、第１実施例と異なる。
【００４８】
この変形例においても、ＩＤＴ２３の前記両交差指電極間に所定の高周波信号電圧を印加すると、それと同じ周波数のＳＡＷが圧電基板２１表面に励振され、ＩＤＴ２３の左右両側に伝搬しかつ左右の反射器２５、２５に反射され、前記両反射器間にＳＡＷの定在波が発生する。この表面波エネルギの閉じ込め効果によって、ＳＡＷの圧電基板２１端面による反射波の影響を有効に排除できる。
【００４９】
ＩＤＴ２３と一方の反射器２５間のＳＡＷ伝搬面に配置された受容体２４が検出対象の化学物質を吸着すると、それによる重量の変化がＳＡＷ伝搬速度の変化となり、周波数変化として検出する。これにより、同様に目的の化学物質の検出及び／又は物性の測定を高精度に行うことができる。
【００５０】
図８は、本発明によるＳＡＷセンサの第３実施例を示している。このＳＡＷセンサ３０は２ポート共振子型で、同様に回転Ｙカット水晶板のカット面及びＳＡＷの伝搬方向をオイラー角表示で（０°，２６〜４０．７°，９０±５°）とした水晶平板からなる圧電基板３１を有する。圧電基板３１表面には、第１実施例と同様に励振用ＩＤＴ３２及び受信用ＩＤＴ３３と、前記両ＩＤＴ間のＳＡＷ伝搬面に配置された受容体３４とを備え、更にそれらを挟むように左右両側にそれぞれ配置された格子構造の反射器３５、３５が設けられている。励振用ＩＤＴ３２及び受信用ＩＤＴ３３は、それぞれＡｌ又はＡｌを主成分とする合金の電極材料で形成され、かつその電極膜厚Ｈは、励振されるＳＡＷの波長をλとして、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定されている。
【００５１】
励振用ＩＤＴ３２に所定の高周波信号電圧を印加すると、それと同じ周波数のＳＡＷが圧電基板３１表面に励振され、第２実施例の場合と同様にＩＤＴ３２の左右両側に伝搬しかつ左右の反射器３５、３５に反射されるので、前記両反射器間にＳＡＷの定在波が発生する。この表面波エネルギの閉じ込め効果によって、同様にＳＡＷの圧電基板３１端面による反射波の影響を有効に排除できる。
【００５２】
励振用ＩＤＴ３２により励振されたＳＡＷは受信用ＩＤＴ３３により受信され、その周波数が測定される。このとき、受容体３４が検出対象の化学物質を吸着することによりその重量が変化していると、ＳＡＷ伝搬速度の変化が周波数変化として検出されるので、同様に目的の化学物質の検出及び／又は物性の測定を高精度に行うことができる。
【００５３】
_  図９は、本発明によるマルチチャネル型ＳＡＷセンサシステムの実施例を示している。このＳＡＷセンサシステム４０は、単一かつ共通の圧電基板４１の表面に多数のＳＡＷセンサ４２がＳＡＷの伝搬方向に関して直列かつ並列に、本実施例では４×４のマトリクス状に配列されている。本実施例の各ＳＡＷセンサ４２は、図６に示す第２実施例のＳＡＷセンサと同じ構成を有し、圧電基板４１表面に１組の交差指電極からなるＩＤＴ４３と、その略中央に前記交差指電極間のＳＡＷ伝搬面に配置された受容体４４と、それらの左右両側にそれぞれ配置された格子構造の反射器４５、４５とを備える。
【００５４】
圧電基板４１は、同様に回転Ｙカット水晶板のカット面及びＳＡＷの伝搬方向をオイラー角表示で（０°，２６〜４０．７°，９０±５°）とした水晶平板である。また、各ＳＡＷセンサ４２のＩＤＴ４３は、それぞれＡｌ又はＡｌを主成分とする合金の電極材料で形成され、かつその電極膜厚Ｈは、励振されるＳＡＷの波長をλとして、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定されている。
【００５５】
各ＳＡＷセンサ４２において、ＩＤＴ４３に所定の高周波信号電圧を印加すると、それと同じ周波数のＳＡＷが圧電基板４１表面に励振され、該ＩＤＴの左右両側に伝搬しかつ左右の反射器４５、４５に反射される。これにより、各チャネル毎にそれぞれ左右の反射器間でＳＡＷの定在波が発生する。このように各ＳＡＷセンサ４２においてそれぞれ両反射器４５、４５間に表面波エネルギが閉じ込められる結果、各チャネルの感度が向上することに加えて、各チャネルのＳＡＷセンサを同時に発振させた場合でも、ＳＡＷがその伝搬方向に隣接する別のチャネルのＳＡＷセンサまで伝搬するのを有効に防止することができる。また、上述した第１及び第２実施例のＳＡＷセンサと同様に、圧電基板４１端面による反射波の影響も有効に排除することができる。
【００５６】
_  以上、本発明についてその好適な実施例を用いて説明したが、本発明はその技術的範囲内において上記実施例に様々な変形・変更を加えることができる。例えば、図９のＳＡＷセンサシステムにおいて、各ＳＡＷセンサ４２を図６乃至図８のＳＡＷセンサで置き換えることができ、また複数のＳＡＷセンサ４２をＳＡＷの伝搬方向に関して直列又は並列に１列に配置したり、様々な形に配列することができる。また、図４のＳＡＷセンサは、これをＳＡＷの伝搬方向に関して複数個並列に配置することによって、同様にマルチチャネル型のＳＡＷセンサシステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に使用する回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶板を示す説明図。
【図２】本発明のＳＡＷセンサを構成するＳＡＷ共振子の周波数温度特性を、従来のＳＴカット水晶板を用いた場合と比較して示す線図。
【図３】本発明によるＳＡＷセンサの電極膜厚Ｈ／λとＱ値との関係を示す。
【図４】本発明によるＳＡＷセンサの第１実施例を示す平面図。
【図５】図４に示すＳＡＷセンサの伝送特性を示す波形図。
【図６】本発明によるＳＡＷセンサの第２実施例を示す平面図。
【図７】図５の第１実施例の変形例を示す平面図。
【図８】本発明によるＳＡＷセンサの第３実施例を示す平面図。
【図９】本発明によるマルチチャネル型のＳＡＷセンサシステムの実施例を示す平面図。
【図１０】ＬｉＴａＯ３ 及び水晶の周波数温度特性を示す線図。
【図１１】ＬｉＴａＯ３ の伝送特性を示す線図。
【符号の説明】
【００５８】
１，１１，２１，３１，４１…圧電基板、２，３２…励振用ＩＤＴ、３，３３…受信用ＩＤＴ、４，１４，２４，３４，４４…受容体、５…ＳＡＷ、１０，２０，３０，４２…ＳＡＷセンサ、１２ａ、１２ｂ，２２ａ，２２ｂ…交差指電極、１３，２３，４３…ＩＤＴ、１５，２５，３５，４５…反射器、４０…ＳＡＷセンサシステム。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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