デジタル式マイクロ流体システムのための弾性表面波を用いた液滴の微小位置検出とその応用

静岡大学創造科学技術大学院
近藤 淳

Surface Wave Electronics Laboratory, Shizuoka University弾性表面波（SAW）とは


弾性表面波（surface acoustic wave: SAW）とは弾性体表面にエネルギを集中して伝搬する波である．
弾性体として圧電結晶（水晶，LiNbO3，LiTaO3など）を利用すると，電気的にSAWの発生，検出を行うことができる．
このとき，圧電結晶表面に作成される電極をすだれ状電極（interdigital transducer: IDT）と呼ぶ．
IDTに電気信号を入力すると，逆圧電効果によりSAWが発生する．また，反作用（圧電効果）によりIDTでSAWから電気信号に変換される．

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信号処理用としてのSAWデバイス
SAWを発生させるには，IDTの電極幅，電極間隔などにより決まる周波数信号を，IDTに入力すれば良い．
 言い換えると，IDT構造により決定される周波数以外の信号を入力しても，SAWを励振できない．


IDTにより決まる特定の電気信号のみを通過させるフィルタが実現できる．

SAWフィルタの研究・開発では，日本の研究者・企業は世界をリードしている．

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SAWデバイスの基礎特性

1 mm

0.5 mm

SAW遅延線
中心周波数: 500 MHz
波長: 8 μm

Insertion loss (dB)020406080
400

450

500

550

Frequency(MHz)
損失が小さい周波数の信号のみ通過させることができる（＝フィルタ）

Surface Wave Electronics Laboratory, Shizuoka University600

信号処理以外のSAWデバイスの応用

SAWおよびSAWデバイスの特徴
IDTを用いることにより電気的に制御可能⚫ 圧電結晶表面にエネルギを集中して伝搬⚫



SAW伝搬面ならびに伝搬面に接する媒質が物理的・化学的に変化すると，その影響によりSAW速度や振幅が摂動を受ける．
→SAWセンサ応用

SAW伝搬面に液滴を付加すると，液体中に縦波を放射し，SAWは減衰する．放射した縦波のエネルギを利用すると非線形現象が生じる．その結果，例えば液滴搬送が可能となる．
→SAWアクチュエータ応用

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SAWによる液体中への縦波放射
LiquidLongitudinal waveSAW

縦波

IDT

縦波

Leaky SAW

SAW

SAW

Piezoelectric substrate
IDT上に液体がある場合の縦波放射観察結果．

SAWは固液界面で液体中に縦波を放射しながら減衰する
leaky-SAWとなる．放射角はレイリー角と呼ばれる．

SAWの振幅は入力する電力に依存する．電力を増加すると，様々な非線形現象が生じる．

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SAWによる非線形現象
SAWによる液滴搬送SAWSAWによる微小液滴飛翔
SAW

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SAWによる液滴搬送＋計測
SAW液滴搬送面にセンサを集積化すれば，「液滴搬送＋計測」が実現できる．
 マイクロ流路を連続的に液体を流して計測する技術は，「マイクロ流体システム」，「μTAS (micro total analyzing system)」などと呼ばれている．
 SAWの場合，液滴を利用するので，「デジタル式マイクロ流体システム（digital micro fluidic system)」と呼ばれる．
IDT

搬送

電気化学センサ

IDT

搬送混合計測圧電結晶

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圧電結晶表面に作成したDMFS

圧電結晶表面を利用したDMFSの問題点
抗体，抗原などのバイオ系材料を扱うと，表面への付着が避けられない．
 同じデバイスを用いて複数回実験を行うには，実験ごとに表面洗浄は必要となる．またはデバイスの使い捨てが必要となる．
 表面洗浄には手間がかかる．また，使い捨てするにはデバイスサイズが大きいため経済的ではない．


解決策：センサプレート/液体層/圧電結晶から構成されるDMFS

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使い捨て可能なDMFSの提案
Cover glass
IDE

Cover glass
IDTIDTIDE

Water droplet

128YX-LiNbO3Thin water layer
128YX-LiNbO3

センサプレート：カバーガラス，液体層：水，圧電結晶：128YXLiNbO3を用いた場合の作成方法．

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使い捨て可能なDMFSを用いた測定例

カバーガラス上の液滴の温度制御と血液凝固測定への応用


血液凝固測定の最適温度は37度である．通常はヒータなどを利用して加熱する．しかし，SAWデバイスを基盤技術とするDMFSでは，温度制御と同時に撹拌ができる．
よって，バイオなど様々な分野へ適用が可能である．

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DMFSを用いた温度制御
50 MHzDMFS
1 Hz

40363634

y = 6.18x+26.5
R2 = 0.9941

3230

Temperature ( oC)

Temperature ( oC)383432
y = 0.087 x+27.8
R2 = 0.9928

302828

260.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Power (W)デューティー比 50%
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020

4060

Duty ratio (%)

入力電力 1 W

8037度に保ったときの凝固測定
入力電力: 1W
デューティー比: 80 %LCR meter

IDE

IDT

332

400

330

380

Impedance ()Impedance ()128YX-LiNbO3328326
324340320322320

360

0100200300400500Time (s)

温度制御ありSurface Wave Electronics Laboratory, Shizuoka University

6003000100200300

400Time (s)

温度制御なし500600DMFSの自動化に向けた課題


液滴を適切に制御するには，液滴位置の把握が必要．
カメラなどの画像情報を用いれば容易にできる．
しかし，装置構成要素は増やしたくない．
→ 従来の測定系で可能な方法があるのでは？
過去の文献で測定例はある．
しかし，複数の液滴を用いる必要がある．
→ 一つの液滴のみでその位置を把握することは可能か？

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エコー信号の測定
入力電気信号：50 MHz ×パルス波（1 kHz, Duty 1 %）IDT

IDTWater droplet
128YX-LiNbO3

伝搬面上に水滴がない場合

128YX-LiNbO3

伝搬面上に水滴がある場合

矢印の応答について詳しく調べよう！
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エコー信号の測定（液滴量を変えた場合）1412Time (s)108Experiment 1Experiment 264

エコー信号が最大となる時間は液滴量に依存する．このことより，エコーは液滴端面から生じているのではない．

2005101520Volume (L)

このモデルは適用できない
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エコー信号の生じる原因の検討1


液滴への縦波放射角（レイリー角）はSAWの伝搬速度と液体の縦波音速で決まる．しかし，レイリー角に基づいた液滴内部の音波伝搬経路ではエコー信号は確認できない．
下図のように液滴内を縦波が伝わると仮定し定式化．

𝑙+𝑖
𝑡=2+𝑉𝑆𝐴𝑊
Surface Wave Electronics Laboratory, Shizuoka University𝑑 1+𝑉𝐿1𝜋2

𝑉𝑆𝐴𝑊 : SAWの位相速度VL:液体の縦波音速

エコー信号の生じる原因の検討21412Time (s)108Experiment 1Experiment 2Theory6420051015ℓ = 5mmとした時，実験値と仮定した式の結果は良く一致する．
このことは，仮定した式が有効であることを示す．

20Volume (L)

仮定した式をより，液滴位置を検知することが可能．

他にも応用できないだろうか？

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微小液滴を用いた音波物性測定への応用
𝐼+𝑖𝑡=2+𝑉𝑆𝐴𝑊

𝑑 1+1𝜋2𝑉𝐿

液滴サイズが既知の場合，エコー信号が最大値となる時間を測定することにより，液滴内を伝わる縦波音速を測定することが可能！
 数μlの液滴より，縦波音速測定が可能であることは，液滴物性評価，化学反応やバイオ反応の測定などにも応用することが可能である．
 このような報告例はまだない！
Surface Wave Electronics Laboratory, Shizuoka University

（DMFS）従来技術とその問題点液滴を搬送させる方法として以下の方法が提案されている
１．静電気力を利用する方法
２．エレクトロウェッティング法
しかし，複数の電極を搬送面に全体に配置する必要があり，また，電極への入力信号制御が困難である．
搬送だけであり，撹拌などを行うことはできない．
温度制御にはヒーターが必要である．

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（DMFS）新技術の特徴・従来技術との比較

電極構造はシンプルである．また．搬送面全体に電極を配置する必要はない．
液体中への縦波放射により，均一撹拌だけでなく温度制御も可能 → ヒーターを別途必要としない．
使い捨て可能なDMFSも簡単に構成できる．

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微小液滴を用いた音波物性計測

従来法では，バルクタイプの超音波送受信装置を必要とする．このため，数μlの試料量での計測は困難．
SAWデバイスを伝わるSAWを利用した方法である，数μlの試料量で音波物性を測定できるので，コスト削減につながる．

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実用化に向けた課題
DMFS
電気化学センサ以外のセンサの集積化（例えば局在表面プラズモンを利用した光センサ）と多機能化⚫ 実際に必要とされる用途の探索⚫ 複数の液滴の位置検出ならびに制御⚫ DMFSの最適設計論の確立⚫ 自動液滴滴下装置（改良）⚫



微小液滴を用いた計測
仮定の妥当性の検証⚫ 縦波発生メカニズムの検証⚫ 水以外の液体を用いた測定⚫ 減衰が大きい液滴での測定法の検証⚫

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企業への期待

DMFS
少ない試料量で混合，計測などの応用に有効→バイオセンサ
関連企業，製薬関連企業などとの共同研究を希望．
⚫ （光センサの集積化により）電気化学的計測や光学的計測など
一つのサンプルに対して様々な方法での計測をいたい場合に有効な手段．→μTAS関連の企業との連携⚫



微小液滴の計測
新しい液体計測装置なり得るので，計測機器関連の企業との共同研究を行いたい．
⚫ 僅かな液滴量で計測が可能なので，例えば同じサンプル容器から異なる位置（深さ）から抽出した試料の比較により，均一性の評価ができる．溶液を取り扱っている企業全般に有効な技術になる可能性が高いと考えている．
⚫

Surface Wave Electronics Laboratory, Shizuoka University

本技術に関する知的財産権
DMFS
発明の名称
⚫ 出願番号⚫ 特許番号
⚫ 出願人
⚫ 発明者
⚫



：弾性波デバイス：特願2009-531109：特許第5283232号：国立大学法人静岡大学：近藤淳

微小液滴の計測発明の名称⚫ 出願番号
⚫ 出願人
⚫ 発明者
⚫

:液滴検知装置及び液滴検出方法：特願2015-136967：国立大学法人静岡大学：近藤淳，杉浦健

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お問い合わせ先◎共同研究および関連する特許については、静岡大学イノベーション社会連携推進機構にお問い合わせください。
TEL : 053-478-1702
Email ： sangakucd@cjr.shizuoka.ac.jp

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