JPWO2011030519A1 - 弾性波素子と弾性波素子センサ - Google Patents
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Abstract
弾性波素子は、圧電体と、入力ＩＤＴ電極と、出力する出力ＩＤＴ電極と、これら入力ＩＤＴ電極と出力ＩＤＴ電極との間に設けられた伝搬路と、圧電体上に入力ＩＤＴ電極及び出力ＩＤＴ電極を覆うように設けられた第１誘電体層と、伝搬路の上に設けられて、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反応部とを備え、主要弾性波は、入力ＩＤＴ電極及び出力ＩＤＴ電極において圧電体と第１誘電体層との間を伝搬する弾性境界波となり、伝搬路において伝搬路の上面を伝搬する弾性表面波となる構成である。かかる構成によって、素子特性劣化を抑制する。
Description
本発明は、弾性波素子と弾性波素子センサに関する。
従来の弾性波素子を図１０を用いて説明する。図１０は従来の弾性波素子の断面図である。弾性波素子１は、圧電体２と、この圧電体２上に設けられて波長λの主要弾性波を励振させるＩＤＴ電極３と、圧電体２の上にＩＤＴ電極３を覆うように設けられた誘電体層４と、この誘電体層４の上に設けられた密着層５と、この密着層５の上に設けられて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反応部６からなる。
このような従来の弾性波素子１において、ＩＤＴ電極３で励振される主要弾性波は、誘電体層４の表面を伝搬する弾性表面波であった。しかしながら、誘電体層４の表面にエネルギーが分布する程度に誘電体層４が薄い為、弾性波素子１の使用時、もしくは製造過程において、ＩＤＴ電極３が外的要因により損傷を受け性能が劣化するという問題があった。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
本発明の弾性波素子は、圧電体と、この圧電体の上に設けられて主要弾性波を励振させる入力ＩＤＴ電極と、圧電体の上に設けられて主要弾性波を受け信号を出力する出力ＩＤＴ電極と、これら入力ＩＤＴ電極と出力ＩＤＴ電極との間に設けられた伝搬路と、圧電体上に入力ＩＤＴ電極及び出力ＩＤＴ電極を覆うように設けられた第１誘電体層と、伝搬路の上に設けられて、主要弾性波は、入力ＩＤＴ電極及び出力ＩＤＴ電極において圧電体と第１誘電体層との間を伝搬する弾性境界波となり、伝搬路において伝搬路の上面を伝搬する弾性表面波となる構成である。
かかる構成によって、弾性波素子をセンサとして使用する際、もしくは製造過程において、入力ＩＤＴ電極及び出力ＩＤＴ電極が外的要因により損傷を受け性能が劣化することを抑制することができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における弾性波素子について図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１における弾性波素子の断面図である。
以下、本発明の実施の形態１における弾性波素子について図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１における弾性波素子の断面図である。
図１において、弾性波素子７は、圧電体８と、この圧電体８の上に設けられて波長λの例えばＳＨ（Ｓｈｅａｒ−Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波等の主要弾性波を励振させる入力ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極９と、圧電体８の上に設けられて主要弾性波を受けて信号を出力する出力ＩＤＴ電極１０と、これら入力ＩＤＴ電極９と出力ＩＤＴ電極１０との間に設けられた伝搬路１１とを備えたトランスバーサル型の弾性波素子である。さらに、弾性波素子７は、圧電体８上に入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０を覆うように設けられると共に波長λの０．８倍以上の膜厚を有する第１誘電体層１２を備える。
また、図１には記載していないが、弾性波素子７は、伝搬路の上に設けられて、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反応部（図示せず）を備えていても良い。
圧電体８は、板厚１００μｍ〜３５０μｍ程度の単結晶圧電基板からなり、例えば、ニオブ酸リチウム系、タンタル酸リチウム系、水晶、又はニオブ酸カリウム系の基板である。
入力ＩＤＴ電極９と出力ＩＤＴ電極１０は、規格化膜厚が０．０１λ〜０．１２λ程度の櫛形電極であり、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。特に、これらＩＤＴ電極９、１０の材料として、腐食に強く質量の大きい金を用いるのが望ましい。
第１誘電体層１２は、例えば、酸化ケイ素、ダイアモンド、シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、又は酸化アルミニウムである。また、第１誘電体層１２を伝搬する最も遅いバルク波の速度が、入力ＩＤＴ電極９又は出力ＩＤＴ電極１０によって励振される主要弾性波の速度より速くなるように第１誘電体層１２を選定することにより、第１誘電体層１２と圧電体８の境界部に主要弾性波を閉じ込めることができる。尚、入力ＩＤＴ電極９又は出力ＩＤＴ電極１０における主要弾性波の速度は、主に第１誘電体層１２の材料とＩＤＴ電極９、１０の材料及び膜厚で決定される。
また、第１誘電体層１２の膜厚としては入力ＩＤＴ電極９によって励振される主要弾性波の波長をλとすると、０．８λ以上の膜厚であることが望ましい。これにより、図２に示すように、ＩＤＴ電極９、１０における主要弾性波を、弾性波素子７の中に閉じ込めることができる。ここで、図２の縦軸は、主要弾性波の最大エネルギー値を１とした場合のエネルギー値、図２の横軸は、ＩＤＴ電極９、１０と圧電体８との境界面を０とした場合に圧電体８側の厚さ方向（図１の下方向）を正とした場合の主要弾性波の波長λで規格化した距離を示す。図２中ｕ１、ｕ２、ｕ３はそれぞれ、主要弾性波のエネルギーの縦波成分、横波成分、深さ方向成分を表している。後で説明する図８においても同様である。
望ましくは、第１誘電体層１２の膜厚が主要弾性波であるＳＨ波の波長２λ以上であると、主要弾性波を、弾性波素子７の中にほぼ完全に閉じ込めることができる。尚、第１誘電体層１２として例えば酸化ケイ素等の圧電体８とは逆の周波数温度特性を有する媒質を用いた場合、弾性波素子７の周波数温度特性を向上することができる。なお、第１誘電体層１２の膜厚を、５λ以下にすることで、弾性波素子７を低背化することができる。
このように、入力ＩＤＴ電極９によって励振された主要弾性波は、入力ＩＤＴ電極９においては第１誘電体層１２と圧電体８の境界を境界波として伝搬し、伝搬路１１においては圧電体８の表面に主要弾性波が集中する表面弾性波として伝搬し、出力ＩＤＴ電極１０においては図２に示すように再び第１誘電体層１２と圧電体８の境界を伝搬する境界波となる。
即ち、本実施の形態１の弾性波素子７において、伝搬路１１においては主要弾性波を表面波とすることで、例えば弾性波素子をセンサとして用いた場合、センシング感度を維持することができる。一方、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０は、厚い第１誘電体層１２で覆われる構成である為、弾性波素子７の使用時、もしくは製造過程において、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０が外的要因により損傷を受け性能が劣化することを抑制することができる。
また、図３に示す様に、第１誘電体層１２が、複数の誘電体層から構成されていても良い。この場合、入力ＩＤＴ電極９と出力ＩＤＴ電極１０を覆う一層目の誘電体層Ａとして、圧電体８とは逆の周波数温度特性を有する媒質である例えば酸化ケイ素を用い、その上の二層目の誘電体層Ｂとして、その誘電体層中を伝搬する最も遅いバルク波の速度がＩＤＴ電極９、１０を伝搬する主要弾性波の速度より速い媒質である例えばダイアモンド、窒化シリコン、窒化アルミニウム、又は酸化アルミニウムを用いると、周波数温度特性と主要弾性波の閉じ込めを両立することができる。
さらに、図４に示す様に、入力ＩＤＴ電極９及び／又は出力ＩＤＴ電極１０と伝搬路１１の境界部分において、バルク波伝搬速度の速い媒質である上記二層目の誘電体層Ｂが上記一層目の誘電体層Ａの側面を覆う構成であることが望ましい。これにより、ＩＤＴ電極９、１０と伝搬路１１の境界部分において、主要弾性波のエネルギーが圧電体８の表面から内部に入り込むことで、主要弾性波の反射によるロスを防止することができる。
また、図５に示すように、入力ＩＤＴ電極９及び／又は出力ＩＤＴ電極と伝搬路１１の境界部において、第１誘電体層１２が下方に広がるテーパー部１５を設けることで、音響インピーダンスの不整合を緩和することにより主要弾性波の反射を抑制することが可能となり、弾性波素子７は良好な電気特性を得ることができる。
さらに、図６に示す様に、伝搬路１１上に、主要弾性波の波長λの０．４倍以下の膜厚を有する第２誘電体層１４を設け、反応部（図示せず）を、この第２誘電体層１４の上に設けても良い。この場合も、センシングを行う伝搬路１１においては主要弾性波を表面波とすることで、例えば弾性波素子をセンサとして用いた場合、センシング感度を維持することができる。一方、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０は、厚い第１誘電体層１２で覆われる構成である為、弾性波素子７の使用時、もしくは製造過程において、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０が外的要因により損傷を受け性能が劣化することを抑制することができる。尚、第２誘電体層１４の規格化膜厚を０．４λ以下としたのは、ＩＤＴ電極９、１０と伝搬路１１との境界部において主要弾性波が境界波から表面波、若しくは表面波から境界波に変換する際のエネルギーロスを抑制することができるからである。さらに、第２の誘電体層１４として例えば酸化ケイ素といった圧電体８とは逆の周波数温度特性を有する媒質を用いた場合、弾性波素子７の周波数温度特性を向上することができる。
さらにまた、図７に示すように、入力ＩＤＴ電極９と出力ＩＤＴ電極１０と伝搬路１１の全ての上に同一膜厚の第１誘電体層１２を設けた場合も、主要弾性波が、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０において圧電体８と第１誘電体層１２との間を伝搬する弾性境界波となり、伝搬路１１において伝搬路の上面を伝搬する弾性表面波となっていれば良い。
即ち、ＩＤＴ電極９、１０においては、電極の質量付加効果によって励振される主要弾性波の速度が、第１誘電体層１２中を伝搬する最も遅いバルク波の伝搬速度よりも遅くなり、伝搬路１１においては、ＩＤＴ電極９，１０の質量付加効果が無く主要弾性波の速度が第１誘電体層１２中を伝搬する最も遅いバルク波の伝搬速度よりも速くなるように、第１誘電体層１２の材料と膜厚、およびＩＤＴ電極９、１０の材料と膜厚を定める。
例えば、圧電体８として１５度回転ＹカットＸ伝搬のニオブ酸リチウムを用い、ＩＤＴ電極９、１０として規格化膜厚０．０８λ以上の金を用い、第１誘電体層１２として酸化ケイ素を用いた場合のエネルギー分布図を図８に示す。
図８に示す様に、ＩＤＴ電極９、１０が規格化膜厚０．０８λ以上の金と同等の材料を有する金属であり酸化ケイ素からなる第１誘電体層１２の規格化膜厚が０．８λ以上の場合に、主要弾性波が、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０においてエネルギー分布がＩＤＴ電極９付近に集中する弾性境界波となり、伝搬路においては電極による質量付加効果が無いために、エネルギー分布が第１誘電体層１２表面に集中する弾性表面波となる。
即ち、弾性波素子７において、伝搬路１１においては主要弾性波を表面波とすることで、例えばセンサとして弾性波素子を応用した場合、センシング感度を維持することができる。一方、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０は、厚い第１誘電体層１２で覆われる構成である為、弾性波素子７の使用時、もしくは製造過程において、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０が外的要因により損傷を受け性能が劣化することを抑制することができる。
（実施の形態２）
また、例えば、図９に示すように、伝搬路１１上に特定の物質による反応部１３を設けた場合について詳述する。この場合、本発明による弾性波素子７は弾性波素子センサ１６として利用することができる。
また、例えば、図９に示すように、伝搬路１１上に特定の物質による反応部１３を設けた場合について詳述する。この場合、本発明による弾性波素子７は弾性波素子センサ１６として利用することができる。
反応部１３は、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適宜の人工細胞膜等の有機材料膜や、ニッケル、銅、金、コバルト、亜鉛等の単体金属、若しくは合金からなる金属膜で構成され得る。また、この反応部１３は、膜状でなくとも良く、例えば粒子状のリポソームからなる反応粒子であっても良い。尚、反応部１３は、チタン等からなる接着層（図示せず）を圧電体８との界面に有していても良い。
以下、反応部１３がニッケルからなる場合に、例えばヒスチジンタグ付蛋白質を測定する方法を以下説明する。
まず、予めヒスチジンタグ付蛋白質を含有していないリファレンス用液体を接触させた場合の周波数特性を測定しておく。
その後、ヒスチジンタグ付蛋白質が液体に含有されている検体を反応部１３に接触させ、ヒスチジンタグ付蛋白質を反応部１３に吸着させ、弾性波素子センサ１６の周波数特性を測定する。
このようにして得られたリファレンス用液体を反応部１３に接触させた場合の周波数特性における共振周波数と、ヒスチジンタグ付蛋白質が液体に含有されている検体を反応部１３に接触させた場合の周波数特性における共振周波数との差により、検体中におけるヒスチジンタグ付蛋白質の有無を検出する。
また、予め検量線を以下のようにして作成しておくことにより、ヒスチジンタグ付蛋白質の濃度をも検出することができる。即ち、予め既知の複数種の濃度のヒスチジンタグ付蛋白質含有標準検体を用い、上記と同様にして弾性波素子センサ１６の周波数特性を測定する。この予め既知の複数種の濃度の標準検体が接触された際の周波数特性から得られた複数種の共振周波数と、リファレンス用液体を接触させた場合の共振周波数との差に基づいて、検量線を作成する。そして、ヒスチジンタグ付蛋白質が含有されている未知の検体についての弾性波素子センサ１６の共振周波数を検出し、この検出結果とリファレンス用液体についての弾性波素子センサ１６の共振周波数との差を求め、上記検量線に基づいてヒスチジンタグ付蛋白質の濃度を求めればよい。
本発明の弾性波素子センサ１６において、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０は、厚い誘電体層１２で覆われる構成である為、弾性波素子センサ１６を使用する際、もしくは製造過程において、入力ＩＤＴ電極９及び出力ＩＤＴ電極１０が外的要因により損傷を受け性能が劣化することを抑制することができる。
なお、本実施の形態１において主要弾性波としてＳＨ波を用いたが、主要弾性波はＳＨ波のみならず圧電体８のカット角を変えることにより、変位成分として進行方向成分と深さ方向成分を有するレイリー波を主要弾性波として用いても良い。これにより、伝搬路１１上を伝搬する主要弾性波の表面への閉じ込めがより強化され、センシング感度を向上することができる。
なお、実施の形態１において伝搬路１１は表面開放となっているが、電極（図示せず）により覆われていても良い。電極で覆うことにより、短絡による効果と質量負荷による効果により伝搬路１１上を伝搬する主要弾性波の表面への閉じ込めがより強化され、センシング感度を向上することができる。
また、実施の形態１において、弾性波素子７もしくは弾性波素子センサ１６は、トランスバーサル型の素子を示したが、これに限るものではなく、例えば、弾性波素子７は、共振器型素子、ＤＭＳ（ダブルモード弾性表面波）素子、若しくはラダー型弾性波素子等であっても良い。
本発明にかかる弾性波素子は、例えば、センサ特性劣化を抑制するという特徴を有し、医療機器などの電子機器に適用可能である。
７ 弾性波素子
８ 圧電体
９ 入力ＩＤＴ電極
１０ 出力ＩＤＴ電極
１１ 伝搬路
１２ 第１誘電体層
１３ 反応部
１４ 第２誘電体層
１５ テーパー部
８ 圧電体
９ 入力ＩＤＴ電極
１０ 出力ＩＤＴ電極
１１ 伝搬路
１２ 第１誘電体層
１３ 反応部
１４ 第２誘電体層
１５ テーパー部
Claims (8)
- 圧電体と、
前記圧電体の上に設けられて主要弾性波を励振させる入力ＩＤＴ電極と、
前記圧電体の上に設けられて前記主要弾性波を受け信号を出力する出力ＩＤＴ電極と、
前記入力ＩＤＴ電極と前記出力ＩＤＴ電極との間に設けられた伝搬路と、
前記圧電体上に前記入力ＩＤＴ電極及び前記出力ＩＤＴ電極を覆うように設けられた第１誘電体層を備え、
前記主要弾性波は、前記入力ＩＤＴ電極及び前記出力ＩＤＴ電極において前記圧電体と前記第１誘電体層との間を伝搬する弾性境界波となり、前記伝搬路において前記伝搬路の上面を伝搬する弾性表面波となる弾性波素子。 - 前記第１誘電体層は、前記波長λの０．８倍以上の膜厚を有すると共に、前記第１誘電体層を伝搬する最も遅いバルク波の速度は、前記入力ＩＤＴ電極または前記出力ＩＤＴ電極を伝搬する前記主要弾性波の速度より速い請求項１に記載の弾性波素子。
- 前記第１誘電体層は、前記入力ＩＤＴ電極と前記出力ＩＤＴ電極を覆う酸化ケイ素からなる誘電体層Ａと、
前記誘電体層Ａの上に設けられた誘電体層Ｂとを備え、
前記誘電体層Ｂを伝搬する最も遅いバルク波の速度は前記入力ＩＤＴ電極を伝搬する主要弾性波の速度より速く、かつ、
前記入力ＩＤＴ電極又は前記出力ＩＤＴ電極と前記伝搬路の境界部分において、前記誘電体層Ｂが前記誘電体層Ａの側面を覆う構成である請求項１に記載の弾性波素子。 - 前記第１誘電体層は、前記入力ＩＤＴ電極又は前記出力ＩＤＴ電極と前記伝搬路の境界部において、下方に広がるテーパー部を有する請求項１に記載の弾性波素子。
- 前記第１誘電体層は、前記入力ＩＤＴ電極と前記出力ＩＤＴ電極と前記伝搬路の上に設けられた請求項１に記載の弾性波素子。
- 圧電体と、
前記圧電体の上に設けられて主要弾性波を励振させる入力ＩＤＴ電極と、
前記圧電体の上に設けられて前記主要弾性波を受け信号を出力する出力ＩＤＴ電極と、
前記入力ＩＤＴ電極と前記出力ＩＤＴ電極との間に設けられた伝搬路と、
前記圧電体上に前記入力ＩＤＴ電極及び前記出力ＩＤＴ電極を覆うように設けられた第１誘電体層と、
前記伝搬路の上に設けられて、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反応部とを備え、
前記主要弾性波は、前記入力ＩＤＴ電極及び前記出力ＩＤＴ電極において前記圧電体と前記第１誘電体層との間を伝搬する弾性境界波となり、前記伝搬路において前記伝搬路の上面を伝搬する弾性表面波となる弾性波素子センサ。 - 前記反応部は、前記圧電体の上に直接設けられた請求項６に記載の弾性波素子センサ。
- 前記第１誘電体層を伝搬する最も遅いバルク波の速度は、前記入力ＩＤＴ電極または前記出力ＩＤＴ電極を伝搬する前記主要弾性波の速度より遅いと共に、
前記反応膜は、前記伝搬路に設けられた前記波長の０．４倍以下の第２誘電体層の上に設けられた請求項６に記載の弾性波素子センサ。
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