JP4628075B2

JP4628075B2 - センサ

Info

Publication number: JP4628075B2
Application number: JP2004350966A
Authority: JP
Inventors: 博美谷津田; 誠奈良; 英紀高橋; 崇小貝
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: JP2006162318A

Description

本発明は、被測定物質のセンシングに利用されるセンサに係り、特に、揮発性を有する被測定物質などのセンシングに好適なセンサに関する。

従来、環境、医療、食品等の様々な分野において、種々のセンサが、被測定物質の検出や被測定物質の性質のセンシングに利用されている。

被測定物質のセンシングに利用されるセンサとして、例えば図７のような構成の溶液センサがある。この溶液センサは、圧電基板上に、櫛歯状電極指からなる励振電極及び受信電極が形成された構成となっている。そして、この励振電極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が励振される。また、励振電極と受信電極との間にあるセンシング領域は、このセンシング領域に滴下された測定対象の溶液が両電極に接触しないよう、例えば樹脂製の壁で囲まれている。そして、このセンシング領域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表面を伝搬する弾性波の伝搬特性（例えば、周波数）が変化するため、この弾性波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、上記の溶液センサの他に、例えば図８のような構成の、抗原抗体反応を利用したバイオセンサがある。このバイオセンサは、上記の溶液センサと同様、櫛歯状電極指からなる励振電極及び受信電極が圧電基板上に形成され、この励振電極に高周波信号が印加されると、圧電効果により弾性表面波が励振されるようになっている。また、このバイオセンサには、励振電極と受信電極との間に、特定物質と反応する反応膜が形成されている。そして、測定対象の特定物質との反応による反応膜の変化を、基板表面を伝搬する弾性表面波の周波数変化として検出することにより、この特定物質の検出、あるいは特定物質の量や濃度の測定を可能としている。

特開２０００−２１４１４０号公報特開平８−６８７８０号公報

上記のような構成の溶液センサやバイオセンサを用いて複数の被測定物質のセンシングを行う場合、被測定物質を溶液センサのセンシング領域に滴下し、あるいはバイオセンサの反応膜に塗布してセンシングを行った後に、センシング済の被測定物質をセンサから除去し、センシング領域や反応膜を純水等の洗浄液で洗浄してから、新たな被測定物質を滴下あるいは塗布してセンシングを行うという一連の作業を、各被測定物質のセンシングのたびに繰り返し行う必要があった。これにより、複数の被測定物質を全てセンシングし終えるまでには多大な時間を要するといった問題があった。

また、例えば揮発性を有する被測定物質の濃度を測定する場合、測定処理中に被測定物質が蒸発することで被測定物質の体積が変化すると、被測定物質の濃度を精度良く測定することが困難となる。そこで、揮発性を有する被測定物質について上記構成の溶液センサやバイオセンサを用いる場合には、センシング領域や反応膜を覆うカバーを設け、測定処理中にこのカバーをセンシング領域や反応膜に被せることで、測定処理中における被測定物質の蒸発を抑制することができる。しかしながら、上述の溶液センサやバイオセンサを用いて揮発性を有する複数の被測定物質の濃度測定を行う場合、被測定物質のセンシング領域への塗布、センシング、被測定物質のセンシング領域からの除去、洗浄という上述の一連の作業に加え、カバーの開閉も行わねばならない。このように、複数の揮発性を有する被測定物質を全てセンシングし終えるには、さらに多大な時間を要することとなる。尚、揮発性を有する物質のみならず、例えば測定雰囲気のガスと反応し易い物質のセンシングを行う場合にも、被測定物質の体積変化が生じるため、センシング領域や反応膜を覆うカバーを設ける必要がある。従って、この場合にも、揮発性を有する被測定物質と同様の問題が生じることとなる。

本発明の目的は、被測定物質の体積変化を防止しながら、複数の被測定物質のセンシングを迅速に効率良く行うことができるセンサを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のセンサは、圧電基板または表面に圧電薄膜を有する基板によって形成された基台と、圧電基板で形成されたカバー部材であって、金バンプによって基台上に固定され、カバー部材と基台との間に、開口を有する空間を形成するカバー部材と、カバー部材と基台との間の空間内にセンシング領域を形成するセンサ素子と、を備え、また基台は、表面上に、カバー部材を固定するためのプリント配線と、被測定物質を搬送するための弾性波を励振する搬送電極と、搬送電極からの弾性波の伝搬により形成され、被測定物質をセンシング領域に搬送する搬送経路と、を有し、搬送経路上に供給された被測定物質を、カバー部材と基台との間の空間内のセンシング領域に搬送してセンシングするようにした。

ここで、上記構成のセンサにおいて、センサ素子は、カバー部材に設けられていると良く、さらにこのようなセンサにおいて、基台にはプリント配線が設けられ、この基台上にカバー部材のセンサ素子がフリップチップ実装されていると良い。

本発明のセンサによれば、基台上の塗布エリアに被測定物質を塗布する作業を行うだけで、被測定物質の搬送及びセンシングを自動で行うことができる。また、被測定物質の搬送中などに塗布エリアに新たな被測定物質を塗布することで、被測定物質の搬送及びセンシングを繰り返し自動で行うことができる。従って、複数の被測定物質のセンシングを迅速に効率良く行うことができる。さらに、揮発性を有する物質や測定雰囲気のガスと反応し易い物質を被測定物質としてセンシングする場合でも、被測定物質は、基台とカバー部材との間に形成された空間内で搬送されてセンシングされるため、このような被測定物質の搬送中及び測定中に、被測定物質の蒸発や雰囲気ガスとの反応などによる体積変化を防止することができる。従って、揮発性を有する物質や測定雰囲気のガスと反応し易い物質を被測定物質としてセンシングする場合にも、被測定物質の体積変化を防止しながら、このような性質を有する複数の被測定物質を迅速に効率良くセンシングすることができる。

まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。本実施形態に係るセンサ１０は、図１及び図２のように、基台３０の上にカバー部材２０が取り付けられて構成されている。

カバー部材２０は、表面上にセンサ素子として弾性波素子が設けられた基板である。具体的には、図３のように、被測定物質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櫛型電極（励振電極）２１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櫛型電極（受信電極）２２とが基板表面上に配置されている。また、この励振電極２１と受信電極２２との間には、被測定物質がセンシングされるセンシング領域２３が設けられている。そして、センシング領域２３内に存在する被測定物質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検出することにより、被測定物質の検出、あるいは被測定物質の性質のセンシングを行うようになっている。

ところで、弾性波の周波数変化を検出して被測定物質をセンシングする場合、弾性波センサにおけるセンシング用弾性波として、被測定物質による弾性波の伝搬損失を少なくでき、効率良く弾性波を伝搬、検出できるという理由から、基板表面に平行で且つ伝搬方向と直交する方向に基板表面を変位させる横波弾性波（例えば、ＳＴＷ：surface transverse wave）が好適である。

そこで本実施形態のカバー部材２０は、３８°の回転Ｙカットの水晶基板とし、水晶基板のｘ方向と直交する方向に伝搬する横波弾性波を利用するように構成すると良い。あるいは３６°の回転ＹカットのＬｉＴａＯ_３基板とし、ＬｉＴａＯ_３基板のｘ方向に伝搬する横波弾性波を利用するように構成すると良い。

尚、本実施形態では、センサ素子として弾性波素子を用いているが、センサ素子の種類はこれに限定されるものではない。

一方、基台３０は、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）を有する基板である。図４のようにこの基板の表面上には、後述の如くカバー部材２０のセンシング領域２３内に被測定物質を接触させるべく搬送するための搬送用弾性波を励振する櫛型電極（搬送電極）３１が設けられ、搬送電極３１からセンシング領域２３の方に向かって、搬送用弾性波により被測定物質が搬送される搬送経路３２が形成されている。また、この搬送経路３２上には、被測定物質を基板上に塗布する塗布エリア３３が設けられている。そして、搬送電極３１に高周波信号を入力することで、この搬送電極３１で励振された搬送用弾性波の伝搬により、被測定物質を塗布エリア３３からセンシング領域２３の方に向けて搬送するようになっている。

そして、基台３０とカバー部材２０との間に空間（隙間）４０が形成されるようにして、基台３０の搬送経路３２を有する面（搬送面）とカバー部材２０のセンシング領域２３を有する面（センシング面）とを対向させ、上記構成の基台３０上にカバー部材２０が取り付けられて、本実施形態に係るセンサ１０が構成される。また、本実施形態において、基台３０とカバー部材２０との間に形成される空間（隙間）４０は、基台３０上の被測定物質がカバー部材２０のセンシング領域２３に接触しながらカバー部材２０の下を通過して空間４０内を搬送されるように構成される（カバー部材２０のセンシング領域２３と、センシング領域２３直下の基台３０の搬送面との隙間が、例えば数十μｍ）。

また本実施形態に係るセンサ１０では、基台３０上にカバー部材２０がフリップチップ実装されている。具体的には、基台３０上にプリント配線３４が設けられており、このプリント配線３４とカバー部材２０の弾性波素子の励振電極２１及び受信電極２２とを、金バンプ５０を介して電気的に接続させている。これにより、簡単に電気的な接続が実現されると共に、高密度実装が実現される。

次に、上記構成のセンサ１０を利用した被測定物質のセンシングの手順について説明する。

まず、被測定物質を塗布エリア３３に塗布しておき、搬送電極３１に高周波信号を入力して搬送用弾性波を搬送経路３２上に伝搬させると、搬送用弾性波が、塗布エリア３３内の被測定物質を搬送し始める。そして、被測定物質は搬送経路３２上を移動していくが、センシング領域２３直下へ達するまでの間では、基台３０とカバー部材２０との間に形成される空間４０内を移動していく。

こうして基台３０とカバー部材２０との間の空間４０内で搬送される被測定物質が、カバー部材２０のセンシング領域２３直下まで搬送されると、被測定物質の上方が、カバー部材２０のセンシング領域２３に接触した状態となる。このとき、基台３０の搬送電極３１への高周波信号の入力を停止して搬送を停止させ、続いてカバー部材２０の励振電極２１に高周波信号を入力してセンシング用弾性波を基板表面及び表面近傍に伝搬させる。こうして、センシング領域２３内の被測定物質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検出することにより、被測定物質のセンシングを行う。勿論、搬送電極３１で励振された搬送用弾性波により被測定物質を搬送しながら、励振電極２１に高周波信号を入力してセンシングを行うことも可能である。

また、センシング用弾性波によるセンシングが行われた後、カバー部材２０の励振電極２１への高周波信号の入力を停止し、しかる後に、基台３０の搬送電極３１に高周波信号を入力し続けて搬送用弾性波を伝搬させることにより、センシング済の被測定物質を、搬送用弾性波の伝搬方向、すなわちセンシング領域２３外に搬送することができる。そこで、上記のようにセンシング済の被測定物質をセンシング領域２３外に搬送した後、塗布エリア３３に新たに塗布された被測定物質を上述と同様の手順で搬送することにより、新たな被測定物質のセンシングを行うことが可能となる。このように、上記構成のセンサ１０によれば、センサ１０の基台３０上の塗布エリア３３に被測定物質を塗布する作業を行うだけで、被測定物質の搬送及びセンシングを自動で行うことができる。

さらに、被測定物質が揮発性を有する、あるいは測定雰囲気のガスと反応し易い性質を有する場合にも、この被測定物質の搬送及びセンシングは、基台３０とカバー部材２０との間の空間４０内で行われるため、このような被測定物質の搬送中及び測定中に、被測定物質の蒸発や雰囲気ガスとの反応などによる体積変化を防止することができる。従って、このような性質を有する複数の物質を被測定物質としてセンシングする場合には、被測定物質の体積変化を防止しながら迅速に効率良くセンシングすることができるため、特に有効である。また、センシング中での被測定物質への汚染を防止することができるという利点もある。

尚、上述のように体積変化の防止や、被測定物質への汚染の防止をより効果的に行うため、センサ１０ａとして図５及び図６のような構成にしても良い。この場合、カバー部材２０ａは基台３０をほぼ完全に覆う状態となっている。そして、基台３０上の塗布エリア３３の直上には、カバー部材２０ａの開口部２４が位置している。また、カバー部材２０ａと基台３０との間には、図６のように搬送経路３２の両側に沿って側壁３５が設けられている。そして、この側壁３５は、開口部２４を囲んで形成されている。そして、この開口部２４から基台３０上の塗布エリア３３に被測定物質を塗布し、上述と同様に被測定物質の搬送及びセンシングを行うことで、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、カバー部材２０ａが基台３０をほぼ完全に覆う状態であり、しかも側壁３５によって塗布エリア３３からセンシング領域２３までの搬送経路３２が囲まれるため、一層の体積変化の防止、及び被測定物質への汚染の防止を実現できる。また、特に被測定物質が液体の場合、カバー部材２０ａと基台３０との間の隙間が小さいと、毛細管現象により隙間を満たすように液体が隙間全体に拡がってしまう傾向にあるが、上記の如く側壁３５を設けることにより、確実に搬送経路３２上を搬送させることが可能となる、という利点もある。

本発明の第１の実施形態に係るセンサの構成を示す上面図である。図１のセンサの側面図である。図１のセンサにおけるカバー部材の構成を示す図である。図１のセンサにおける基台の構成を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るセンサの構成を示す上面図である。図５のＡ−Ａ線による断面図である。従来の溶液センサの構成の一例を示す図である。従来のバイオセンサの構成の一例を示す図である。

符号の説明

１０センサ、２０カバー部材、２１励振電極、２２受信電極、２３センシング領域、３０基台、３１搬送電極、３２搬送経路、３３塗布エリア、３４プリント配線、４０空間（隙間）、５０金バンプ。

Claims

圧電基板または表面に圧電薄膜を有する基板によって形成された基台と、
圧電基板で形成されたカバー部材であって、金バンプによって基台上に固定され、カバー部材と基台との間に、開口を有する空間を形成するカバー部材と、
カバー部材と基台との間の空間内にセンシング領域を形成するセンサ素子と、
を備え、
基台は、表面上に、カバー部材を固定するためのプリント配線と、被測定物質を搬送するための弾性波を励振する搬送電極と、搬送電極からの弾性波の伝搬により形成され、被測定物質をセンシング領域に搬送する搬送経路と、を有し、
搬送経路上に供給された被測定物質を、カバー部材と基台との間の空間内のセンシング領域に搬送してセンシングすることを特徴とするセンサ。
請求項１に記載のセンサにおいて、
センサ素子は、カバー部材に設けられていることを特徴とするセンサ。
請求項１又は２に記載のセンサにおいて、
基台にはプリント配線が設けられ、この基台上にカバー部材のセンサ素子がフリップチップ実装されていることを特徴とするセンサ。