(57)【要約】【課題】  保護膜が不要であって被検知体やその設置場所の自由度があり、無線によりバッテリレスのセンサシステムを構成する場合にも検出感度や感知距離の劣化が従来よりも少ない化学的または物理的センサを提供すること。【解決手段】  圧電体基板３と、圧電体基板３上に形成された一対の入出力端子４、５と、入出力端子４、５に接続された表面弾性波を励振するための一対の櫛歯電極１と、一対の櫛歯電極１に電気配線１２により並列に接続された被検知体２とを有し、入出力端子４、５に電気信号を入力し、入出力端子４、５から反射して出力する前記電気信号の変化を検出することにより、被検知体２の化学的変化または物理的変化により生ずる入出力端子４、５のインピーダンスの変化を検出し、被検知体２の変化を検出する。【選択図】図１
2012002685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体基板と、前記圧電体基板上に形成された一対の入出力端子と、前記一対の入出力端子に接続された表面弾性波を励振するための一対の櫛歯電極と、前記一対の櫛歯電極に電気配線により並列に接続された被検知体とを有し、前記入出力端子に電気信号を入力し、前記入出力端子から反射して出力する前記電気信号の変化を検出することにより、前記被検知体の化学的変化または物理的変化により生ずる前記入出力端子のインピーダンスの変化を検出し、前記被検知体の変化を検出することを特徴とする化学的または物理的センサ。
【請求項２】
圧電体基板と、前記圧電体基板上に形成された一対の入出力端子と、前記一対の入出力端子に接続された表面弾性波を励振するための一対の櫛歯電極と、前記櫛歯電極により励振された表面弾性波の進行方向または前記進行方向とは反対方向の少なくとも一方に前記櫛歯電極に近接して配置された前記櫛歯電極の電極周期と同一の電極周期を有し前記櫛歯電極とは電気的に分離された検知用櫛歯電極と、前記検知用櫛歯電極に電気配線により並列に接続された被検知体とを有し、前記入出力端子に電気信号を入力し、前記入出力端子から反射して出力する前記電気信号の変化を検出することにより、前記被検知体の化学的変化または物理的変化により生ずる前記入出力端子のインピーダンスの変化を検出し、前記被検知体の変化を検出することを特徴とする化学的または物理的センサ。
【請求項３】
前記櫛歯電極により励振された表面弾性波の進行方向または前記進行方向とは反対方向の少なくとも一方に、前記櫛歯電極または前記検知用櫛歯電極に近接して反射器を設置し、表面弾性波共振器を構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の化学的または物理的センサ。
【請求項４】
前記被検知体は前記圧電体基板上に設置された膜状の物質であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学的または物理的センサ。
【請求項５】
前記圧電体基板上に、一対の基準用入出力端子と、前記一対の基準用入出力端子に接続された前記櫛歯電極と同一形状の基準用櫛歯電極、または前記一対の基準用入出力端子に接続された前記櫛歯電極と同一形状の基準用櫛歯電極および前記検知用櫛歯電極と同一形状の基準用検知用櫛歯電極とを有し、前記基準用入出力端子にも前記電気信号と同一の電気信号を入力し、前記櫛歯電極の入出力端子から反射して出力する電気信号と前記基準用入出力端子から反射して出力する電気信号との差を検出することにより、前記被検知体の変化を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の化学的または物理的センサ。
【請求項６】
前記入出力端子に接続されたアンテナを有し、前記アンテナに電波信号を入力することにより前記電気信号を入力し、前記電気信号が反射して前記アンテナから出力する電波信号の変化を検出することにより、前記被検知体の化学的変化または物理的変化により生ずる前記インピーダンスの変化を検出し、前記被検知体の変化を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の化学的または物理的センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学物質や物質の化学的変化または物理的変化を検出する化学的または物理的センサに関し、特に、表面弾性波変換素子の櫛歯電極のインピーダンス変化を利用した化学的または物理的センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、化学的センサの一種として、表面弾性波の伝搬特性の変化を利用した化学的センサが知られており、特許文献１にその一例が記載されている。図６は特許文献１に記載された従来の化学的センサの構成図である。表面弾性波の伝搬路に被検知体である膜状物質を設置し、その膜の化学的変化による表面弾性波の伝搬特性の変化を検出するものである。図６において、この化学的センサ２１は、圧電体基板２２上に送受の櫛歯電極２３を形成し、その上に電極を保護する二酸化ケイ素薄膜２６を設置し、櫛歯電極２３に外部から高周波電圧を印加させることによって、圧電体基板２２上に表面弾性波を生じさせる。この送受の櫛歯電極２３間の表面弾性波の伝搬経路２４上に被検知体である培養細胞２８を配置して培養し、培養細胞２８と圧電体基板２２との間には接着性を高める役割を果たすような処理領域２７を設けている。これにより、培養細胞２８の薬物、環境化学物質などによる生化学的変化や機械的損傷による傷害とその修復過程における圧電体基板２２に及ぼす応力の変化など、複数の外部要因による影響の検知を行うものである。また、検出用の送受の櫛歯電極に隣接して、参照用にさらに１チャンネルの送受の櫛歯電極を設置することで、培養中の微小な温度変化による測定誤差を減少させている。
【０００３】
一方、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術を応用し、質問器から出力する送信波の電磁エネルギーを利用してバッテリレスとした表面弾性波共振器を利用した振動センサが特許文献２に記載されている。アンテナを備えた振動センサに対して表面弾性波共振器の共振周波数付近の高周波の搬送波からなる電波信号を送出する一方で、振動センサの表面弾性波共振器に接続されたアンテナを介して放射される反射波を監視し、振動センサに与えられる機械振動に応じて表面弾性波共振器の共振特性の変化により生ずる反射波の変化に基づいて振動現象を検知するものである。このように無線技術によりセンサを無電源化することにより、センサの小型化が可能となり、また、遠隔ネットワークを介したセンサシステムの構築が容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２６７７号公報
【特許文献２】特開２００７−２３２７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の化学的センサは、図６のように、表面弾性波の伝搬状態の変化を検出する２つの櫛歯電極間に検知対象となる膜を配置しているので、この場合、櫛歯電極を保護する二酸化ケイ素薄膜などの保護膜が必要である。また、検知対象となる膜やその設置場所が制約されること、その設置にもフォトリソグラフィなどの微細な工程が必要となることなどの問題がある。また、２つの櫛歯電極間を伝搬させて検出信号を取り出すため、その伝搬経路において信号レベルの減衰が生じ、検出感度の低下が生じやすいという問題もある。
【０００６】
また、この送受の櫛歯電極を用いた化学的センサを上記の特許文献２のように無線技術によりバッテリレスとする場合、検知対象の膜を通過した信号を受け側の櫛歯電極で受けてから別のアンテナで送信することが考えられるが、この場合には構成が複雑となるという問題がある。また、受け側の櫛歯電極で表面弾性波を再び反射させて入射側の櫛歯電極に戻すことも考えられるが、この場合には、櫛歯電極間の表面弾性波の往復によりさらに検出信号が減衰するため、検出感度の劣化や無線による感知距離の劣化が生じ、長距離のデータ伝送が不可能であるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、保護膜が不要であって被検知体やその設置場所の自由度があり、無線によりバッテリレスのセンサシステムを構成する場合にも検出感度や感知距離の劣化が従来よりも少ない化学的または物理的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】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明による化学的または物理的センサは、圧電体基板と、前記圧電体基板上に形成された一対の入出力端子と、前記一対の入出力端子に接続された表面弾性波を励振するための一対の櫛歯電極と、前記一対の櫛歯電極に電気配線により並列に接続された被検知体とを有し、前記入出力端子に電気信号を入力し、前記入出力端子から反射して出力する前記電気信号の変化を検出することにより、前記被検知体の化学的変化または物理的変化により生ずる前記入出力端子のインピーダンスの変化を検出し、前記被検知体の変化を検出することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による化学的または物理的センサは、圧電体基板と、前記圧電体基板上に形成された一対の入出力端子と、前記一対の入出力端子に接続された表面弾性波を励振するための一対の櫛歯電極と、前記櫛歯電極により励振された表面弾性波の進行方向または前記進行方向とは反対方向の少なくとも一方に前記櫛歯電極に近接して配置された前記櫛歯電極の電極周期と同一の電極周期を有し前記櫛歯電極とは電気的に分離された検知用櫛歯電極と、前記検知用櫛歯電極に電気配線により並列に接続された被検知体とを有し、前記入出力端子に電気信号を入力し、前記入出力端子から反射して出力する前記電気信号の変化を検出することにより、前記被検知体の化学的変化または物理的変化により生ずる前記入出力端子のインピーダンスの変化を検出し、前記被検知体の変化を検出することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記櫛歯電極により励振された表面弾性波の進行方向または前記進行方向とは反対方向の少なくとも一方に、前記櫛歯電極または前記検知用櫛歯電極に近接して反射器を設置し、表面弾性波共振器を構成してもよい。
【００１１】
また、前記被検知体は前記圧電体基板上に設置された膜状の物質であってもよい。
【００１２】
また、前記圧電体基板上に、一対の基準用入出力端子と、前記一対の基準用入出力端子に接続された前記櫛歯電極と同一形状の基準用櫛歯電極、または前記一対の基準用入出力端子に接続された前記櫛歯電極と同一形状の基準用櫛歯電極および前記検知用櫛歯電極と同一形状の基準用検知用櫛歯電極とを有し、前記基準用入出力端子にも前記電気信号と同一の電気信号を入力し、前記櫛歯電極の入出力端子から反射して出力する電気信号と前記基準用入出力端子から反射して出力する電気信号との差を検出することにより、前記被検知体の変化を検出してもよい。
【００１３】
さらに、前記入出力端子に接続されたアンテナを有し、前記アンテナに電波信号を入力することにより前記電気信号を入力し、前記電気信号が反射して前記アンテナから出力する電波信号の変化を検出することにより、前記被検知体の化学的変化または物理的変化により生ずる前記インピーダンスの変化を検出し、前記被検知体の変化を検出してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように、本発明による化学的または物理的センサは、表面弾性波を励振する櫛歯電極に並列に被検知体を接続して電気信号を入力し、被検知体の化学的または物理的変化の結果により生ずる電気的特性の変化により発生する櫛歯電極のインピーダンス変化を上記電気信号の反射波より検知するものであるので、一対の櫛歯電極だけで構成できること、被検知体を櫛歯電極から離して設置できるので櫛歯電極の保護膜が不要であること、被検知体に対する制約が少なく、被検知体の化学的変化だけでなく物理的変化による電気的特性の変化であっても検出可能であること、表面弾性波の伝搬による減衰の影響を受けないことなどの利点がある。
【００１５】
また、本発明による化学的または物理的センサを無線技術によりバッテリレスのセンサとする場合、上記のように表面弾性波の伝搬による減衰の影響を受けないため検出感度の劣化や無線による感知距離の劣化が少なく、長距離のデータ伝送が可能なセンサネットワークを構築することができる。
【００１６】
以上のように、本発明により、保護膜が不要であって被検知体やその設置場所の自由度があり、無線によりバッテリレスのセンサシステムを構成する場合にも検出感度や感知距離の劣化が従来よりも少ない化学的または物理的センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による化学的または物理的センサの第１の実施の形態を模式的に示す平面図。
【図２】本発明による化学的または物理的センサの第２の実施の形態を模式的に示す平面図。
【図３】本発明による実施例２のセンサの評価系を示すブロック図。
【図４】本発明による化学的または物理的センサの第３の実施の形態を模式的に示す平面図。
【図５】本発明による実施例１のセンサの硫化水素との反応前、反応中、および反応後のＳ１１特性の測定結果を示す図。
【図６】従来の化学的センサの一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明による化学的または物理的センサの第１の実施の形態を模式的に示す平面図である。図１に示すように、本実施の形態のセンサは、圧電体基板３と、圧電体基板３上に形成された一対の入出力端子４、５と、入出力端子４、５に接続された表面弾性波を励振するための一対の櫛歯電極１と、一対の櫛歯電極１に電気配線１２により並列に接続された被検知体２とを有し、入出力端子４、５に電気信号を入力し、入出力端子４、５から反射して出力する前記電気信号の変化を検出することにより、被検知体２の化学的変化または物理的変化により生ずる入出力端子４、５のインピーダンスの変化を検出し、被検知体２の変化を検出するものである。
【００２０】
図２は、本発明による化学的または物理的センサの第２の実施の形態を模式的に示す平面図である。図２に示すように、本実施の形態のセンサは、第１の実施の形態のセンサの構成に加えて、圧電体基板３上に、一対の基準用入出力端子６、７と、基準用入出力端子６、７に接続された櫛歯電極１と同一形状の基準用櫛歯電極１４とを有し、基準用入出力端子６、７にも入出力端子４、５に入力される電気信号と同一の電気信号を入力し、櫛歯電極１の入出力端子４、５から反射して出力する電気信号と基準用入出力端子６、７から反射して出力する電気信号との差を検出することにより、被検知体の変化を検出するものである。
【００２１】
図４は、本発明による化学的または物理的センサの第３の実施の形態を模式的に示す平面図である。図４に示すように、圧電体基板３と、圧電体基板３上に形成された一対の入出力端子４、５と、入出力端子４、５に接続された表面弾性波を励振するための一対の櫛歯電極８と、櫛歯電極８により励振された表面弾性波の進行方向に櫛歯電極８に近接して配置された櫛歯電極８の電極周期と同一の電極周期を有し櫛歯電極８とは電気的に分離された検知用櫛歯電極９と、検知用櫛歯電極９に電気配線１９により並列に接続された被検知体２とを有し、入出力端子４、５に電気信号を入力し、入出力端子４、５から反射して出力する電気信号の変化を検出することにより、被検知体２の化学的変化または物理的変化により生ずる入出力端子４、５のインピーダンスの変化を検出し、被検知体２の変化を検出するものである。
【実施例】
【００２２】
次に本発明のセンサの具体的な実施例を説明する。
【００２３】
（実施例１）
図１に示すように、圧電体基板３としては、３６度回転Ｙ板のニオブ酸タンタル結晶基板を用い、この圧電体基板３上に公知のスパッタリング技術、フォトリソグラフィ技術により、Ｔｉ層とＡｌ層の２層構造からなる櫛歯電極１を形成した。励振される表面弾性波の周波数が２．４５ＧＨｚ帯となるように櫛歯電極１の電極指間隔は０．４μｍとした。なお、Ａｌ層の厚みは、適度な電気機械結合係数を得るために７０ｎｍ程度とすることが望ましい。次に、被検知体２として圧電体基板３上に銀の膜を成膜し、電気配線１２により櫛歯電極１に並列に接続した。
【００２４】
本実施例では、硫化水素を検出するための被検知体として銀の膜を用い、この銀の膜部分を硫化水素と反応させた時の銀の膜の劣化を検出した。入出力端子４、５に２．４５ＧＨｚ付近を中心として周波数を掃引した電気信号を入力し、銀の膜が硫化水素と反応する前、反応中、および反応後の反射信号の周波数特性、すなわちＳ１１特性を測定した。その測定結果を図５に示す。図５は本発明による実施例１のセンサの硫化水素との反応前、反応中、および反応後のＳ１１特性の測定結果を示す図である。反応が進むにつれてＳ１１が最小となる周波数がシフトし、反応前後でその周波数が１００ｋＨｚ程度シフトしているのがわかる。これにより、本実施例のセンサは硫化水素量のセンサとして使用できる。
【００２５】
次に、本実施例のセンサの入出力端子４、５にアンテナを接続した無線応答可能なセンサを作製した。ここで、そのアンテナは、特許文献２に記載されている導電性膜からなるアンテナと同様なアンテナである。上記と同様に２．４５ＧＨｚ付近を中心として周波数を掃引した電気信号を電波信号として送信し、アンテナからの反射電波信号を受信し、スペクトラムアナライザで測定した。この結果、上記の測定結果と同様に、銀の膜の硫化水素との反応劣化量に応じて、反射波が最小となる周波数が１００ｋＨｚ程度変化することが観測できた。以上より、本実施例のセンサは、入出力端子にアンテナを接続することにより、無線により動作するバッテリレスの硫化水素センサとして使用できることが確認できた。
【００２６】
また、本実施例のセンサにおいて、櫛歯電極により励振された表面弾性波の進行方向およびその反対方向の櫛歯電極に近接した部分に櫛歯電極の電極指の先端を短絡した構造の反射器を設置して表面弾性波共振器を構成することにより、検出感度が向上することが確認できた。
【００２７】
ここで、上記の銀の膜の部分、すなわち被検知体は櫛歯電極が形成された圧電体基板と同じ表面上にある必要はなく、他の場所でも電気配線により接続されていればよい。被検知体は櫛歯電極とは別の工程で作成することも可能であり、電気配線としてワイヤーボンディングなどを用いて接続すればよい。また、被検知体の部分だけ反応後に新たに取り替えることも可能である。
【００２８】
（実施例２）
図２に示すように、実施例１と同様に、３６度回転Ｙ板のニオブ酸タンタル結晶基板を圧電体基板３として用い、その上に同様な形状の入出力端子４、５、櫛歯電極１、電気配線１２、被検知体２を形成し、それに並置して、入出力端子４、５、および櫛歯電極１とそれぞれ同一構造、同一形状の基準用入出力端子６、７および基準用櫛歯電極１４を形成した。被検知体２は実施例１と同様に銀の膜を用い、反応物質は硫化水素を使用した。
【００２９】
図３は本発明による実施例３のセンサの評価系を示すブロック図である。上記の実施例と同様な２．４５ＧＨｚの電気信号を発生させ、その電気信号をスプリッタ１５で分波し、それぞれを入出力端子４と入出力端子６に入力した。その後、入出力端子５および７からの出力信号をミキサー１６でミキシングし、ローパスフィルタ１７を通した後にオシロスコープ１８でその出力信号をモニターする。実施例１と同様に、硫化水素による銀の膜の劣化を検出した。二つの櫛歯電極からの反射波の同じ周波数成分をミキサー１６を通して打ち消すことにより、硫化水素との反応による櫛歯電極１のインピーダンスの変化の影響のみが差として検出されるため、ミキサー１６、ローパスフィルタ１７を通った後のＤＣ成分の変化として検出することができた。この方法では、二つの櫛歯電極の反射波の差動を利用しているため、より正確に検出することが可能である。
【００３０】
（実施例３）
図４に示すように、実施例１と同様に、３６度回転Ｙ板のニオブ酸タンタル結晶基板を圧電体基板３として用い、その上に同様な形状の入出力端子４、５、実施例１と同様な電極周期を有する櫛歯電極８、検知用櫛歯電極９、および、電気配線１９、実施例１と同様な被検知体２を形成した。ここでは、櫛歯電極８および検知用櫛歯電極９は、櫛歯電極１を２分割した形状および配置となっている。被検知体２は、実施例１と同様に銀の膜を用い、硫化水素と反応させたときの劣化を検出した。本実施例により得られた電気信号の反射特性は実施例１と同様に変化し、本実施の形態を用いても、センサとして機能することが確認された。なお、本実施例のセンサにさらに実施例２の場合と同様な基準用の櫛歯電極を設ける場合には、基準用櫛歯電極と基準用の検知用櫛歯電極を組み合わせた電極、すなわち、図４の構成より電気配線１９と被検知体２を除いた部分を基準用として並置する必要がある。
【００３１】
以上の実施例１、２、３は全て圧電体基板として３６度回転Ｙ板のニオブ酸タンタル結晶基板を用いたが、ニオブ酸リチウム結晶基板、ランガサイト結晶基板、水晶基板上に、同様に櫛歯電極などのパターンを形成してセンサを構成しても同等の効果が得られることが確認できた。また、表面弾性波の励振周波数は櫛歯電極の電極周期を調整することにより３００ＭＨｚから２．４５ＧＨｚまでの周波数に対応することでき、無線で通信する際はその周波数に合わせて設計することが可能である。
【００３２】
また、上記の実施例では被検知体として銀の膜を用いたが、化学反応の検出用のセンサの被検知体としては、反応前後でインピーダンス特性が変化することにより櫛歯電極のインピーダンスが変化し反射特性が変化するもの、すなわち櫛歯電極のインピーダンスに変化を与えるものであればよい。すなわち、本発明では、被検知体として既存のセンサで用いられる様々な物質を用いることも可能であり、多くの化学物質を検知し、さらに、無線通信により検出することができる。また、物理的変化によりインピーダンス特性が変化するものを被検知体として用いれば、物理的センサも構成可能である。さらに、１種類のセンサのみでは、誤報が懸念される事象に対しても、複数のセンサを組み合わせることにより、より正確な検知手段を提供することができる。例えば、ガスセンサと温度センサとを組み合わせた火災センサ、振動センサ、ガラス破壊センサと温度センサとを組み合わせた防犯センサなどが構成でき、さらにこれら全てを組み込んだセキュリティシステムのセンサネットワークを構築することが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１、８、２３    櫛歯電極
２    被検知体
３、２２  圧電体基板
４、５    入出力端子
６、７    （基準用）入出力端子
９    検知用櫛歯電極
１２、１９    電気配線
１４    基準用櫛歯電極
１５    スプリッタ
１６    ミキサー
１７    ローパスフィルタ
１８    オシロスコープ
２１    化学的センサ
２４  伝搬経路
２６    二酸化ケイ素薄膜
２７    処理領域
２８    培養細胞
【図１】
2012002685.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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