(57)【要約】【課題】弾性波センサのセンシングの正確性を向上させる。【解決手段】弾性波センサ１は、圧電体２と、圧電体２の上に形成された複数の電極３、４と、圧電体２の上であって複数の電極３、４の間の伝搬路の上に形成された反応部５と、電極３によって励振される弾性波の特性を検出する検出部（図示せず）とを備え、反応部５は、繊維状であることを特徴とする。この特徴により、反応部５の表面積が大きくなり、反応部５に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサ１のセンシング精度が向上する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、
前記圧電体の上に形成された複数の電極と、
前記圧電体の上であって前記複数の電極の間の伝搬路の上に形成された反応部と、
前記電極によって励振される弾性波の特性を検出する検出部とを備え、
前記反応部は、繊維状である弾性波センサ。
【請求項２】
圧電体と、
前記圧電体の上に形成された電極と、
前記電極の上方に直接的又は誘電膜を介して間接的に形成された反応部と、
前記電極によって励振される弾性波の特性を検出する検出部とを備え、
前記反応部は、繊維状である弾性波センサ。
【請求項３】
前記圧電体は、ランガサイト系の圧電基板である請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。
【請求項４】
前記電極は、タングステン又はモリブデンを主成分とする電極層を含む請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。
【請求項５】
前記反応部は、繊維状の絶縁繊維と、前記絶縁繊維の先端部分に前記絶縁繊維に覆われた金属触媒の粒子と、前記絶縁繊維に付着すると共に検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する抗体を有する請求項１又は請求項２に記載の弾性波センサ。
【請求項６】
前記圧電体は、前記反応部の前記絶縁繊維を構成する材料と同じ材料を含む請求項５に記載の弾性波センサ。
【請求項７】
前記絶縁繊維は酸化シリコンからなり、
前記金属触媒とシリコンとの混合物の融点の最低温度は前記電極を構成する金属の融点より低い請求項５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、特定物質に反応する反応部を備えた弾性波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の弾性波センサを図７を用いて説明する。図７は、従来の弾性波センサの断面模式図である。
【０００３】
図７において、従来の弾性波センサ１０１は、圧電体１０２と、圧電体１０２の上に形成された入力電極１０３及び出力電極１０４と、圧電体１０２の上であって入力電極１０３及び出力電極１０４の間の伝搬路の上に形成された反応部１０５と、入力電極１０３によって励振される弾性波の特性を検出する検出部（図示せず）とを備える。
【０００４】
この弾性波センサ１０１の反応部１０５に対し検出対象物質を含む可能性のある物質（呼気、検査液等）を接触させることで、検出対象物質の付着に起因する弾性波の周波数変化を検出部が検出し、検出対象物質の有無、或はその濃度などを検知することができる。
【０００５】
なお、この出願に関連する先行技術文献として特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０３０５１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、弾性波センサが小型になると、反応部１０５の占有面積が小さくなり、反応部１０５に吸着される検出対象物質量が低下する。このため、弾性波センサ１０１のセンシング精度が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、弾性波センサのセンシング精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の弾性波センサは、圧電体と、圧電体の上に形成された複数の電極と、圧電体の上であって複数の電極の間の伝搬路の上に形成された反応部と、電極によって励振される弾性波の特性を検出する検出部とを備え、反応部は、繊維状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の弾性波センサにおいて、反応部が繊維状であるので、反応部の表面積が大きくなり、反応部に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における弾性波センサの上面模式図
【図２】本発明の実施の形態１における弾性波センサの断面模式図
【図３】本発明の実施の形態１における弾性波センサの反応部の拡大模式図
【図４】本発明の実施の形態２における弾性波センサの上面模式図
【図５】本発明の実施の形態２における弾性波センサの断面模式図
【図６】本発明の実施の形態２における他の弾性波センサの断面模式図
【図７】従来の弾性波センサの断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１の弾性波センサについて、図面を用いて説明する。図１は、実施の形態１における弾性波センサの上面模式図であり、図２は、実施の形態１における弾性波センサのＡＢ断面における断面模式図である。
【００１３】
図１、図２において、弾性波センサ１は、トランスバーサル型の弾性波素子を用いたバイオセンサであって、生態の分子認識機構に基づいてタンパク質、遺伝子、シグナル分子などの検出対象物質をセンシングするものである。
【００１４】
この弾性波センサ１は、圧電体２と、圧電体２の上に形成された入力電極３及び出力電極４と、圧電体２の上であって入力電極３及び出力電極４の間の伝搬路の上に形成された繊維状の反応部５と、入力電極３によって励振される弾性波の特性（周波数特性など）を検出する検出部（図示せず）とを備える。この弾性波センサ１は、各種医療機器に内蔵されるマザーボードに搭載されるが、このマザーボードに圧電体２の電極３、４の形成面が対向するようにフェースダウン実装されていても良いし、マザーボードに電極３、４の形成面の裏面が接着されることでフェースアップ実装されていても良い。前者の場合は、電極３、４が金属バンプ等を介して検出部（図示せず）に電気的に接続され、後者の場合は、電極３、４が金属ワイヤ等を介して検出部（図示せず）に電気的に接続される。
【００１５】
尚、この検出部（図示せず）は、電極３によって励振される弾性波の周波数変化を検出するものが一般的であるが、弾性波の速度、振幅、波長等の他の特性の変化を検出しても良い。
【００１６】
上記の反応部５に対し検出対象物質を含む可能性のある物質（呼気、検査液等）を接触させることで、検出対象物質の付着による反応部５の質量変化に起因する弾性波の特性変化を検出部が検出し、検出対象物質の有無、或はその濃度などを検知することができる。
【００１７】
この反応部５が繊維状であることにより、反応部５の表面積が大きくなり、反応部５に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
【００１８】
以下、弾性波センサ１の各構成について詳述する。
【００１９】
圧電体２は、圧電単結晶基板からなり、例えば、水晶、ランガサイト系、ニオブ酸リチウム系、タンタル酸リチウム系、又はニオブ酸カリウム系の圧電基板である。尚、反応部５が繊維状の酸化シリコンからなる場合は、圧電体２として酸化シリコンとの熱膨張係数差の小さいランガサイト系の圧電基板を用いると、圧電体２と反応部５との密着性を高めることができるので好ましい。
【００２０】
電極（入力電極３、出力電極４）は、夫々一対の櫛形電極の電極指同士が互いに噛み合う様に配置されたＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極であり、例えばＳＨ（Ｓｈｅａｒ−Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波やレイリー波等の弾性波を励振させる。これら電極３、４は、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、モリブデン又はクロムからなる単体金属、若しくはこれらを主成分とする合金、又はこれらの金属が積層された構成である。尚、電極３、４として、タングステン又はモリブデンを主成分とする層を含むと、これらの融点が高く反応部５の成長過程での電極溶解を防止でき、また、これらの密度が高いため、弾性波のバルク波変換によるロスも低減できる。
【００２１】
反応部５は、呼気等に含まれる可能性のある検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する抗体が表面に付着した繊維状の材料が密集し形成される。例えば、反応部５は、図３に示す様に、繊維状の酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる太さ０．０１μｍ〜１μｍで長さ１μｍ〜５００μｍの絶縁繊維９と、この絶縁繊維９の先端部分に絶縁繊維９に覆われるように配置された金属触媒の粒子８と、絶縁繊維９に付着した抗体１０を有する。抗体１０は、有機物等からなる接着層で絶縁繊維９に付着されていても良い。このように絶縁繊維９で金属触媒の粒子８は覆われているので、繊維状の反応部５は、複数の絶縁繊維９同士が絡み合っても互いに絶縁を保つこととなる。
【００２２】
また、この反応部５は、圧電体２上に電極３、４を覆うように設けられた誘電体膜上における伝搬路の上方に設けられていても良い。このとき、反応部５の絶縁繊維９と誘電体膜とが同じ酸化シリコンからなる場合は、反応部５の絶縁繊維と誘電体膜との熱膨張係数差は極めて小さいので、反応部５と誘電体膜との密着性を向上させることができる。
【００２３】
圧電体２が反応部５の絶縁繊維９を構成する材料と同じ材料を含む場合（圧電体が水晶（ＳｉＯ2）、絶縁繊維９が酸化シリコン（ＳｉＯ2）など）は、圧電体２と反応部５は直接接合される。ここで、「直接接合」とは、圧電体２上に反応部５が直接形成され、圧電体２と反応部５を構成する分子同士が共有結合している状態を指す。このように、圧電体２と反応部５が直接接合されることで、反応部５が圧電体２に対し強固に固定される。
【００２４】
次に本実施の形態１の弾性波センサ１における反応部５の形成方法の一例を説明する。以下、酸化シリコンからなる繊維状の反応部５の形成方法として、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いたＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）成長法で反応部５となるファイバを成長させる方法について説明するが、これに限るものではない。ただ、この成長法は他の成長法と比較して低い温度で繊維状の反応部５を成長させることができるので好ましい。
【００２５】
まず、ウエハ状の圧電体２の上に電極３、４を蒸着若しくはスパッタリング等で形成した後に、伝搬路を除いて電極３、４を覆うようにレジストマスクを形成する。
【００２６】
その後、伝搬路における圧電体２の表面や上記レジストマスク上に、ＣＶＤ法、スパッタリング、ＣＳＤ法、又はＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の任意の方法で層厚１０ｎｍ未満の金属触媒の層（図示せず）を形成する。このように、金属触媒の層を数ｎｍのオーダーに薄くする事で、後のファイバの成長工程における加熱温度が金属触媒の融点に達していない低温（電極３、４の融点未満）でも金属触媒の層は金属触媒の粒子群となり得る。この金属触媒としては、例えば、白金の他に、鉄、アルミニウム、ニッケル、銀、クロム、モリブデン、チタン、銅または金等の金属を用いることができるが、電極３、４の融点よりも低い温度で酸化シリコンからなるファイバが成長可能な金属を選択すればよい。
【００２７】
次に、レジストマスクをレジストマスク上の金属触媒の層と共に除去することで、伝搬路における圧電体２の表面のみに金属触媒の層が存在する状態とする。
【００２８】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いたＶＬＳ成長法にてファイバを成長させる。まず、加熱することで金属触媒の層を金属触媒の粒子群とし、金属触媒の粒子群に、酸素に加えてシリコン（Ｓｉ）を含むガス（ＳｉＨ4等）を吹き付ける。このとき、金属触媒はシリコンとの混合物となることで融点は下がり、金属触媒が純物質であるときの融点未満でファイバの成長が開始する。例えば、金属触媒が金を主成分とする場合は最低約３５０℃の低温で酸化シリコンからなるファイバを成長させることが可能であるので、この温度よりも融点の高い金属を電極３、４の材料として選択すればよい。また、金は生体適合性が高いので、医療機器に適用する弾性波センサ１の電極３、４や金属触媒として金は有用である。
【００２９】
金属触媒とシリコンとの混合物の融点の最低温度は、金属触媒が白金の場合には約７００℃、金属触媒が銀の場合には約８４０℃、金属触媒がアルミニウムの場合は約５８０℃、金属触媒がクロムの場合には約１３２０℃、金属触媒が銅の場合には約５６０℃、金属触媒がモリブデンの場合は約２０００℃、金属触媒がチタンの場合は約１３３０℃、金属触媒がニッケルの場合は約９７０℃、金属触媒が鉄の場合は約１２１０℃である。即ち、電極３、４を構成する金属の融点より低い温度をシリコンとの混合物の融点とする金属触媒を適宜選択すれば良い。
【００３０】
このように、プラズマＣＶＤ法を用いたＶＬＳ成長法にてファイバを成長させる際の雰囲気温度を、電極３、４の温度より低く、金属触媒とシリコンとの混合物の融点の最低温度より高くすれば、電極３、４を融解することを抑制しつつ、ファイバを成長させることができる。
【００３１】
その後、ウエハ状の圧電体２をダイシングにより個片に分割し、検出部等を接続し、弾性波センサ１を得る。
【００３２】
このように、反応部５を繊維状とすることにより、反応部５の表面積が大きくなり、反応部５に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
【００３３】
尚、上記弾性波センサ１の反応部５は、圧電体２の上面上であって、入力電極３と出力電極４との間の伝搬路上に形成されている場合について説明したが、入力電極３や出力電極の上に直接、若しくはこれら電極３、４を覆う酸化シリコン等の誘電膜を介して間接的に形成されていても良い。特に、反応部５の絶縁繊維が酸化シリコンからなる場合に、酸化シリコンからなる誘電体膜上に反応部５が設けられているときは、反応部５の絶縁繊維と誘電体膜との熱膨張係数差は極めて小さいので、反応部５と誘電体膜との密着性を向上させることができる。
【００３４】
尚、上記弾性波センサ１は、櫛形電極の電極指同士が互いに噛み合う様に配置されたＩＤＴ電極を有する弾性表面波素子を用いたセンサについて説明したが、例えば、圧電体２の上下に電極を有するＦＢＡＲ（ＦｉｌｍＢｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）等のバルク波素子を用いたセンサであっても良い。
【００３５】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２の弾性波センサについて、図面を用いて説明する。図４は、実施の形態２における弾性波センサの上面模式図であり、図５は、実施の形態２における弾性波センサのＣＤ断面における断面模式図である。尚、特に説明しない限りにおいて、実施の形態２の構成は実施の形態１の構成と同様であり、同一の符号をつけてその説明を省略する。
【００３６】
図４、図５において、弾性波センサ１は、共振器型の弾性波素子を用いたバイオセンサである。この弾性波センサ１における電極３は、一対の櫛形電極がその電極指同士が噛み合う様に配置されたＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極からなる共振器を構成しており、この共振器は弾性波の伝搬方向におけるその両端に反射器７を備えていても良い。
【００３７】
また、この弾性波センサ１は、圧電体の上に前記電極を覆うように形成された誘電膜６を備え、反応部５は誘電膜６の上に形成された構成である。
【００３８】
誘電膜６は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、ダイアモンド（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、若しくは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の単層構造又はこれらの積層構造である。尚、誘電膜６として圧電体２とは逆の周波数温度特性を有する媒質（酸化シリコン等）を用いた場合、弾性波センサ１の周波数温度特性を向上することができる。
【００３９】
この実施の形態２においても、反応部５が繊維状であることにより、反応部５の表面積が大きくなり、反応部５に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
【００４０】
反応部５は、呼気等に含まれる可能性のある検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質に反応する繊維状の材料である。誘電膜６が反応部５の絶縁繊維と同じ材料を含む場合（誘電膜６、絶縁繊維共に酸化シリコンなど）は、圧電体２と反応部５は直接接合される。このように、誘電膜６と反応部５が直接接合されることで、反応部５が圧電体２に対し強固に固定される。特に、反応部５の絶縁繊維が酸化シリコンからなる場合に、酸化シリコンからなる誘電体膜上に反応部５が設けられているときは、反応部５の絶縁繊維と誘電体膜との熱膨張係数差は極めて小さいので、反応部５と誘電体膜との密着性を向上させることができる。
【００４１】
次に本実施の形態２の弾性波センサ１における反応部５の形成方法の一例を説明する。以下、実施の形態１と同様に、プラズマＣＶＤ法を用いたＶＬＳ成長法で反応部５となるファイバを成長させる方法について述べる。
【００４２】
まず、圧電体２の上に電極３を蒸着若しくはスパッタリング等で形成した後に、誘電膜６を蒸着若しくはスパッタリング等で圧電体２の上に電極３、４を覆うように形成する。誘電膜６の上面は研磨等で平坦化されていても良いが、凹凸を有していても良い。
【００４３】
その後、誘電膜６の上面において反応部５を形成する部分（電極３の上方の誘電膜６の上面）以外にレジストマスクを形成し、実施の形態１と同様に、金属触媒層を形成した後に、レジストマスクを除去し、繊維状の反応部５を電極３の上方の誘電膜６の上面に形成することで弾性波センサ１を得る。
【００４４】
このように、反応部５を繊維状とすることにより、反応部５の表面積が大きくなり、反応部５に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
【００４５】
また、図６に示す様に、電極３に直接的に反応部５が形成されていても良い。この場合の反応部５の形成方法は、電極３の最上層に層厚１０ｎｍ未満の金属触媒の層を形成した後に、実施の形態１と同様に、加熱しながらプラズマＣＶＤ法を用いたＶＬＳ成長法で反応部５となるファイバを成長させる方法が挙げられる。
【００４６】
この場合も、繊維状の反応部５は、図３に示す様に、絶縁繊維９と、この絶縁繊維９の先端部分に絶縁繊維９に覆われるように配置された金属触媒の粒子８を有することで、複数の絶縁繊維９同士は絡み合っても互いに絶縁を保つこととなり、電極３の電極指同士が短絡することを防止することができるのである。
【００４７】
この場合も、反応部５を繊維状とすることにより、反応部５の表面積が大きくなり、反応部５に吸着される検出対象物質量が増加する。このため、弾性波センサのセンシング精度が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明にかかる弾性波センサは、センシングの正確性を向上させるとの効果を有し、各種医療機器等の電子機器に適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  弾性波センサ
２  圧電体
３  入力電極（電極）
４  出力電極（電極）
５  反応部
６  誘電膜
７  反射器
８  金属触媒の粒子
９  絶縁繊維
【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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