JP2007129788A - 弾性波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電極に処理対象である溶液が接触するのを防ぐための側壁を基板上に設けても、この側壁の存在により基板表面上を伝搬する弾性波が減衰するのを抑制する。
【解決手段】センシング用弾性波Ｗｓの伝搬経路上に滴下された液体が励振電極１４および受信電極１６に接触しないように、伝搬経路上の励振電極側および受信電極側に伝搬経路を交差するように側壁２０が配置されている。側壁２０における励振電極および受信電極と対向する箇所には、基板１２の表面との間に、伝搬経路上の液体が電極側に通過しない程度の大きさを有したトンネル部２２ａ，２２ｂが形成されており、基板１２の表面と側壁２０とによって形成されたトンネル部２２ａ，２２ｂ内を、励振電極１４から受信電極１６まで至るセンシング用弾性波Ｗｓの伝搬経路が通過するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板表面上に発生させた弾性波の伝搬を利用し、弾性波の伝搬経路上にある物質によって生じる弾性波の伝搬特性の変化から当該物質のセンシングを行ったり、弾性波の伝搬経路上にある物質を搬送したりする弾性波デバイスに関する。

従来、弾性波センサや弾性波を用いた搬送システムなど、弾性波の伝搬を利用して、弾性波の伝搬経路上にある物質（特に液体）に対して様々な処理を施す弾性波デバイスがある。

弾性波センサとしては、例えば図７のような構成の溶液センサ１００がある。この溶液センサ１００は、圧電基板１０２上に、櫛歯状電極指からなる励振電極１０４及び受信電極１０６が形成された構成となっている。そして、この励振電極１０４に高周波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（センシング用弾性波）Ｗｓが励振される。また、励振電極１０４と受信電極１０６との間にあるセンシング領域１０８は、このセンシング領域１０８に滴下された測定対象の溶液が両電極１０４，１０６に接触しないよう、例えば樹脂製の側壁１１０で囲まれている。そして、このセンシング領域１０８に測定対象の溶液を滴下させると、この溶液の存在により基板１０２の表面を伝搬するセンシング用弾性波Ｗｓの伝搬特性（例えば、伝搬速度）が変化するため、このセンシング用弾性波Ｗｓの伝搬特性の変化を検出して測定対象の溶液の性質をセンシングするようになっている。

また、上記のような溶液センサに、弾性波の伝搬を利用して測定対象の溶液を搬送する搬送システムを備え、弾性波によりセンシング領域まで測定対象の溶液を搬送し、しかる後にセンシングするような構成の弾性波センサもある（図８参照）。

図８の弾性波センサ２００では、励振電極２０４及び受信電極２０６が配置された表面と同一の基板２０２の表面上に、励振電極２０４と受信電極２０６との間にあるセンシング領域２１０に被測定物質（溶液）を搬送するための搬送用弾性波Ｗｃを励振する電極（搬送電極）２０８が、搬送用弾性波Ｗｃがセンシング用弾性波Ｗｓとは異なる方向（図８では、センシング用弾性波Ｗｓの伝搬方向に直交する方向）に伝搬するように設けられている。すなわち、搬送電極２０８からセンシング領域２１０に向かって、搬送用弾性波Ｗｃによって溶液が搬送される搬送経路（搬送用弾性波Ｗｃの伝搬経路）が形成される。そして、この搬送経路上に、溶液を基板上に滴下する滴下エリア２１２が設けられ、搬送電極２０８で励振された搬送用弾性波Ｗｃの伝搬により、溶液を滴下エリア２１２からセンシング領域２１０に向けて搬送するようになっている。そして、センシング領域２１０に溶液が搬送されると、従来の弾性波センサと同様、センシング領域２１０内に存在する溶液によって生じるセンシング用弾性波Ｗｓの伝搬特性の変化を検出して、溶液をセンシングするようになっている。ここで、図８の弾性波センサ２００では、励振電極２０４、受信電極２０６および搬送電極２０８の各電極に被測定物質（溶液）が接触しないよう、センシング領域２１０および滴下エリア２１２を含む搬送経路が、例えば樹脂製の側壁２１４で囲まれている。

なお、弾性波の伝搬を利用して物質を搬送するシステムとしては、例えば下記特許文献１に記載のものがある。この装置は、レイリーモード弾性波を発生する圧電材料及びカット面からなる圧電基板と、圧電基板表面上に、レイリーモード弾性波を励振させる入力用電極と、を含む構成を有している。そして、入力用電極からの弾性表面波が伝搬する伝搬経路上に液体を供給し、電気信号を入力用電極に加えて圧電基板より弾性波（レイリー波）を励振させると、基板上を伝搬して液体中に入った弾性波は、伝搬面と液体の界面を伝搬しながら液体中に縦波を放射するため、この放射を受けた液体が、放射エネルギによって弾性波の進行方向に流動する。このような原理により、下記特許文献１に記載の装置において、被搬送物質として例えば液体を、弾性波を用いて搬送することを可能としている。

特開平１０−３２７５９０号公報

上記のような構成の弾性波センサでは、励振電極から励振されたセンシング用弾性波は、励振電極側の側壁下を伝搬した後にセンシング領域で被測定物質（溶液）下を伝搬し、さらに受信電極側の側壁下を伝搬して受信電極に到達する。しかしながら、この場合、側壁は基板表面上に接触して形成されているため、センシング用弾性波は、側壁下を伝搬する際に減衰してしまう。したがって、溶液が励振電極および受信電極に接触するのを防ぐための側壁の存在は、センシングの高感度化の妨げになっていた。

また、搬送電極から励振された搬送用弾性波は、側壁下を伝搬してから滴下エリア内の被搬送物質である溶液に到達するが、側壁下を通過する際に弾性波のエネルギの一部が減衰してしまう。この側壁下を通過する際における減衰量は、被搬送物質である溶液中にエネルギが放射されることによる弾性波の減衰量よりも大きいため、溶液が搬送電極に接触するのを防ぐための側壁の存在は、この溶液の搬送の妨げになっていた。

本発明の主な目的は、上記従来技術の問題に鑑み、側壁の存在による弾性波の減衰を防止した弾性波デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の弾性波デバイスは、基板表面上に弾性波を励振する電極と、電極からの弾性波の伝搬経路上に滴下された液体が電極に接触しないように、伝搬経路を交差するように配置された側壁と、を基板表面上に備え、側壁は、基板表面との間に、伝搬経路上の液体が電極側に通過しない程度の大きさを有したトンネル部を形成し、このトンネル部内を電極からの弾性波の伝搬経路が通過するように、基板表面上に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の弾性波デバイスは、基板表面に、被測定物質である液体をセンシングするためのセンシング用弾性波を励振する励振電極と、基板表面及び表面近傍を伝搬するセンシング用弾性波を受信する受信電極と、を配置し、励振電極と受信電極とを結ぶセンシング用弾性波の伝搬経路上に存在する液体によって生じるセンシング用弾性波の伝搬特性の変化を利用して、被測定物質である液体のセンシングを行う弾性波デバイスにおいて、センシング用弾性波の伝搬経路上に滴下された液体が励振電極および受信電極に接触しないように、伝搬経路上の励振電極側および受信電極側に伝搬経路を交差するように側壁が配置され、伝搬経路上の励振電極側および受信電極側に配置された各側壁は、基板表面との間に、伝搬経路上の液体が電極側に通過しない程度の大きさを有したトンネル部を形成し、このトンネル部内を励振電極から受信電極まで至るセンシング用弾性波の伝搬経路が通過するように、基板表面上に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の弾性波デバイスは、液体を搬送するための搬送用弾性波を励振する電極と、電極からの搬送用弾性波の伝搬経路上に滴下された液体が電極に接触しないように、搬送用弾性波の伝搬経路を交差するように配置された側壁と、を基板表面上に備え、側壁は、基板表面との間に、伝搬経路上の液体が電極側に通過しない程度の大きさを有したトンネル部を形成し、このトンネル部内を電極からの搬送用弾性波の伝搬経路が通過するように、基板表面上に設けられていることを特徴とする。

ここで、上記の弾性波デバイスにおいて、基板表面における開口部の電極側の領域は、液体に対し非親和性を有する非親和性領域とするのが好適である。

本発明の弾性波デバイスによれば、基板表面に弾性波を励振する電極に処理対象である溶液が接触するのを防ぐための側壁を基板上に設けても、この側壁の存在により基板表面上を伝搬する弾性波が減衰するのを抑制できる。

まず、本発明の実施の形態における弾性波デバイスについて、図１を参照して説明する。図１の弾性波デバイス１０は、図７と同様に、基板１２の表面上に、例えば横波弾性波（ＳＴＷ：surface transverse wave）等のセンシング用弾性波Ｗｓを励振する励振電極１４と、励振電極１４から伝搬されるセンシング用弾性波Ｗｓを受信する受信電極１６とが形成された構成となっている。図１の弾性波デバイス１０における励振電極１４は、高周波信号を発生させる駆動回路（図示せず）に接続され、この駆動回路からの高周波信号の入力によって、センシング用弾性波Ｗｓを励振する。また、励振電極１４と受信電極１６との間にあるセンシング領域１８は、このセンシング領域１８に滴下された測定対象の溶液が両電極１４，１６に接触しないよう、例えば樹脂製の側壁２０で囲まれている。そして、このセンシング領域１８に測定対象の溶液を滴下し、しかる後に励振電極１４から受信電極１６へセンシング用弾性波Ｗｓを伝搬させ、この溶液の存在により生じるセンシング用弾性波Ｗｓの伝搬特性（例えば、伝搬速度）の変化を検出して、測定対象の溶液の性質をセンシングする。なお、基板１２としては、例えば水晶基板や圧電基板（例えばＬｉＮｂＯ_３基板やＬｉＴａＯ_３基板等）、またはガラスやシリコン等の基板表面に圧電薄膜（例えばＺｎＯやＡｌＮ等）を有する基板などを用いている。

また、本実施形態における弾性波デバイス１０の側壁２０において、励振電極１４と受信電極１６とを結ぶセンシング用弾性波Ｗｓの伝搬経路（図１において励振電極１４と受信電極１６とを結ぶ点線間）と交差する２箇所の部分は、それぞれ図２のようにトンネル状に開口したトンネル部２２ａ，２２ｂである。すなわち、側壁２０における励振電極１４および受信電極１６と対向する箇所では、励振電極１４から伝搬経路上を伝搬するセンシング用弾性波Ｗｓが図２のように開口したトンネル部２２ａ，２２ｂを通過して受信電極１６へと到達するようになっている。また、本実施形態では、このトンネル部２２ａ，２２ｂの大きさについて、基板表面（伝搬経路）からの高さＨを約２μｍ程度、幅Ｌを電極の幅（約１０００μｍ程度）と同一程度の長さに設定している。

ここで、このような側壁２０は、例えば次のような手順で作製される。図３及び図４は、本実施形態におけるトンネル部２２ａ，２２ｂを有する弾性波デバイスの側壁２０が作製される過程を示す図である。

まず、基板１２上においてトンネル部２２ａ，２２ｂを形成すべき位置に、犠牲層３０を形成する（図３参照）。本実施形態では、励振電極１４側と受信電極１６側の２箇所にトンネル部２２ａ，２２ｂを形成するため、励振電極１４と受信電極１６とを結ぶ伝搬経路上の２箇所に、伝搬経路と交差するように犠牲層３０を形成する。

次に、例えば樹脂を用いて、所定の形状に側壁２０を形成する。具体的には、ディスペンサ等で樹脂を塗布し、この樹脂を硬化させることで、所定形状に樹脂製の側壁２０を形成する。このとき、励振電極１４および受信電極１６に対向する箇所においては、塗布された樹脂は犠牲層３０の上を跨いだ状態となる（図４参照）。

こうして所定形状の樹脂製の側壁２０が形成された後、犠牲層エッチングを行う。これにより、犠牲層３０のみが除去されるため、側壁２０の箇所において励振電極１４および受信電極１６に対向する箇所には、図２のようなトンネル部２２ａ，２２ｂが形成されることとなる。

なお、本実施形態では、側壁２０を形成するための樹脂には光感光性樹脂（例えば化学増幅型レジストや永久レジスト）を用い、犠牲層３０には、化学増幅型レジストや永久レジストの硬化温度に耐え得る耐熱性を有し、且つ有機溶剤によって除去可能なレジストを用いている。特に、有機溶剤によって除去可能なレジストを犠牲層３０として用いたのは、以下の理由がある。弾性波デバイスではアルミニウム製の電極を用いるのが一般的であるが、エッチング液を酸性やアルカリ性のものにしてしまうと、犠牲層エッチング時にアルミニウム製電極と反応してしまい、これにより、弾性波素子の周波数特性が変化してしまう。そこで、特に基板表面上に電極を形成してから側壁２０を形成する場合には、電極との反応を回避すべく、犠牲層３０には有機溶剤によって除去可能なレジストを用い、有機溶剤を用いてエッチングするのが好適である。

以上のような側壁２０の構造によれば、トンネル部２２ａ，２２ｂの高さＨが約２μｍ程度であるため、弾性波による基板表面の変位（基板表面の法線方向への変位）が数オングストローム程度であることからして、弾性波は側壁２０に触れることなく、トンネル部２２ａ，２２ｂを通過することが可能となる。

また、トンネル部２２ａ，２２ｂの高さＨは約２μｍ程度であるため、溶液は、毛細管現象によりトンネル部２２ａ，２２ｂ内に浸入するものの、センシング領域１８からトンネル部２２ａ，２２ｂを通過して各電極１４，１６側に流出することはなく、溶液が電極１４，１６に接触するのを防ぐ機能は維持される。このとき、トンネル部２２ａ，２２ｂ内は溶液で満たされた状態となっている。

そして、上記の弾性波デバイス１０では、センシング用弾性波Ｗｓは、励振電極１４から励振電極側のトンネル部２２ａ（より詳しくは、励振電極側のトンネル部２２ａ内の溶液下）を通過してセンシング領域１８内に入り、センシング領域１８内の溶液下を伝搬し、さらに受信電極側のトンネル部２２ｂ（より詳しくは、受信電極側のトンネル部２２ｂ内の溶液下）を通過してセンシング領域１８内から出て、受信電極１６に到達する。すなわち、従来では側壁下を通過していたのに代わり、図１の弾性波デバイス１０ではトンネル部２２ａ，２２ｂ内の溶液下を通過することとなる。

ここで、例えばＳＴＷ（surface transverse wave）素子における伝搬損失（伝搬減衰）は、側壁下を通過する際には１波長あたり約０．７５ｄＢであるのに対し、水の下を通過する際には１波長あたり約０．０２６ｄＢであることからも、従来のように側壁下を通過するより、本実施形態のようにトンネル部２２ａ，２２ｂ内の溶液下を通過する方が、はるかに励振電極１４から受信電極１６へ伝搬する弾性波の伝搬損失（伝搬減衰）は小さい。また、図１の弾性波デバイス１０において、励振電極１４から受信電極１６までの弾性波の伝搬経路上に存在する物質は溶液のみとなるため、弾性波の伝搬特性は溶液の性質に依存することとなる。

したがって、本実施形態における弾性波デバイス１０によれば、従来のように弾性波が側壁下を伝搬する際に生じていた大きな伝搬損失（伝搬減衰）がなく、センシングの高感度化を実現できる。

なお、側壁２０におけるトンネル部２２ａ，２２ｂの外側（励振電極側および受信電極側）の領域を、溶液に対し非親和性を有する非親和性領域２４とするようにしても良い（図５参照）。ここで、非親和性領域２４は、溶液に対し非親和性を有する物質からなる膜を利用して形成しても良く、あるいは基板１２の表面を表面処理により非親和性に表面改質することで形成しても良い。

また、上記のようなトンネル部２２ａ，２２ｂを有する側壁２０の構造は、弾性波の伝搬を利用して物質を搬送する搬送システムを備え、弾性波によりセンシング領域まで測定対象の物質（例えば溶液などの液体）を搬送し、しかる後にセンシングするような構成を有する図８のような弾性波センサにおいて、搬送電極に対向する側壁に適用しても良い。

図６は、側壁における搬送電極に対向する箇所について、上記のようなトンネル部を有する構造を適用した弾性波センサの構成を示す図である。図６の弾性波センサ４０では、基板４２上の励振電極４４、受信電極４６および搬送電極４８の各電極に被測定物質（例えば溶液などの液体）が接触しないよう、センシング領域５０および滴下エリア５２を含む搬送経路（搬送用弾性波Ｗｃの伝搬経路）が、例えば樹脂製の側壁５４で囲まれている。ここで、図１及び図２と同様に、側壁５４において励振電極４４と受信電極４６とを結ぶセンシング用弾性波Ｗｓの伝搬経路と交差する２箇所の部分は、それぞれトンネル状に開口したトンネル部５６ａ，５６ｂである。すなわち、励振電極４４および受信電極４６に対向する箇所では、励振電極４４から伝搬経路上を伝搬するセンシング用弾性波Ｗｓがこのトンネル部５６ａ，５６ｂを通過して受信電極４６へと到達するようになっている。

また、図６の弾性波センサ４０では、側壁５４における搬送電極４８と対向する箇所と、搬送電極４８からの搬送用弾性波Ｗｃが伝搬する伝搬経路（図６において搬送電極４８からセンシング領域５０に向かって伸びる点線間）とが交差する部分が、図２と同様にトンネル状に開口している。すなわち、搬送電極４８に対向する側壁は、搬送電極４８から伝搬経路上を伝搬する搬送用弾性波Ｗｃがこのトンネル部５６ｃを通過して滴下エリア５２内の溶液へと到達するような構造となっている。ここで、このトンネル部５６ａ〜５６ｃの大きさについて、基板表面（伝搬経路）からの高さＨを約２μｍ程度、幅Ｌを電極の幅（約１０００μｍ程度）と同一程度の長さに設定している。また、このような側壁５４は、例えば図３及び図４と同様の過程を経て作製される。

以上のような側壁５４の構造によれば、トンネル部５６ａ〜５６ｃの高さＨが約２μｍ程度であるため、弾性波による基板表面の変位（基板表面の法線方向への変位）が数オングストローム程度であることからして、弾性波は側壁に触れることなく、トンネル部５６ａ〜５６ｃを通過することが可能となる。

また、トンネル部５６ａ〜５６ｃの高さＨは約２μｍ程度であるため、溶液は、このトンネル部５６ａ〜５６ｃから各電極側に流出することはなく、溶液が各電極４４，４６，４８に接触するのを防ぐ機能は維持される。

そして、上記の弾性波デバイス４０において、搬送電極４８から励振された搬送用弾性波Ｗｃは、搬送電極４８からトンネル部５６ｃを通過して滴下エリア５２の溶液に到達し、この溶液を搬送する。したがって、従来のように側壁下を通過する際に弾性波のエネルギの一部が減衰してしまうことがなく、溶液が搬送電極４８に接触するのを防ぐための側壁５４の存在が、この被測定物質の搬送の妨げになることがない。

なお、本実施形態においても、側壁５４におけるトンネル部５６ｃの外側（搬送電極側）の領域を、図５と同様に溶液に対し非親和性を有する非親和性領域とするようにしても良い。ここで、非親和性領域は、溶液に対し非親和性を有する物質からなる膜を利用して形成しても良く、あるいは基板表面を表面処理により非親和性に表面改質することで形成しても良い。

また、本発明は、溶液を用いる弾性波デバイスにおいて、処理対象の溶液が電極に接触しないようにするための側壁に適用可能である。したがって、本発明の適用範囲は、上記実施形態のような弾性波センサや、弾性波を用いた搬送システムに限定されるわけではない。

本発明の実施の形態における弾性波デバイス（溶液センサ）の構成を示す図である。 図１の弾性波デバイスにおけるＡ−Ａ線断面図である。 図１の弾性波デバイスの側壁を作製する過程を示す図であり、図３（ａ）は犠牲層を基板上に形成した状態を示す図であり、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。 図１の弾性波デバイスの側壁を作製する過程を示す図であり、図４（ａ）は犠牲層上に樹脂を塗布して側壁を形成した状態を示す図、図４（ｂ）はＣ−Ｃ線断面図、図４（ｃ）はＤ−Ｄ線断面図である。 図１の弾性波デバイスの応用例を示す図である。 本発明の他の実施の形態における弾性波デバイス（搬送システム付き弾性波センサ）の構成を示す図である。 従来の弾性波デバイス（溶液センサ）の構成を示す図である。 従来の弾性波デバイス（搬送システム付き弾性波センサ）の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 弾性波デバイス、１２ 基板、１４ 励振電極、１６ 受信電極、１８ センシング領域、２０ 側壁、２２ａ，２２ｂ トンネル部、２４ 非親和性領域、３０ 犠牲層、４０ 弾性波デバイス（弾性波センサ）、４２ 基板、４４ 励振電極、４６ 受信電極、４８ 搬送電極、５０ センシング領域、５２ 滴下エリア、５４ 側壁、５６ａ〜５６ｃ トンネル部、Ｗｓ センシング用弾性波、Ｗｃ 搬送用弾性波。

Claims (4)

1. 基板表面上に弾性波を励振する電極と、
   電極からの弾性波の伝搬経路上に滴下された液体が電極に接触しないように、伝搬経路を交差するように配置された側壁と、
   を基板表面上に備え、
   側壁は、基板表面との間に、伝搬経路上の液体が電極側に通過しない程度の大きさを有したトンネル部を形成し、このトンネル部内を電極からの弾性波の伝搬経路が通過するように、基板表面上に設けられている、
   ことを特徴とする弾性波デバイス。
2. 基板表面に、被測定物質である液体をセンシングするためのセンシング用弾性波を励振する励振電極と、基板表面及び表面近傍を伝搬するセンシング用弾性波を受信する受信電極と、を配置し、励振電極と受信電極とを結ぶセンシング用弾性波の伝搬経路上に存在する液体によって生じるセンシング用弾性波の伝搬特性の変化を利用して、被測定物質である液体のセンシングを行う弾性波デバイスにおいて、
   センシング用弾性波の伝搬経路上に滴下された液体が励振電極および受信電極に接触しないように、伝搬経路上の励振電極側および受信電極側に伝搬経路を交差するように側壁が配置され、
   伝搬経路上の励振電極側および受信電極側に配置された各側壁は、基板表面との間に、伝搬経路上の液体が電極側に通過しない程度の大きさを有したトンネル部を形成し、このトンネル部内を励振電極から受信電極まで至るセンシング用弾性波の伝搬経路が通過するように、基板表面上に設けられている、
   ことを特徴とする弾性波デバイス。
3. 液体を搬送するための搬送用弾性波を励振する電極と、
   電極からの搬送用弾性波の伝搬経路上に滴下された液体が電極に接触しないように、搬送用弾性波の伝搬経路を交差するように配置された側壁と、
   を基板表面上に備え、
   側壁は、基板表面との間に、伝搬経路上の液体が電極側に通過しない程度の大きさを有したトンネル部を形成し、このトンネル部内を電極からの搬送用弾性波の伝搬経路が通過するように、基板表面上に設けられている、
   ことを特徴とする弾性波デバイス。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の弾性波デバイスにおいて、
   基板表面における開口部の電極側の領域は、液体に対し非親和性を有する非親和性領域とした、
   ことを特徴とする弾性波デバイス。
   
   

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