JPH02227660A

JPH02227660A - 表面弾性波遅延線による化学物質検出装置

Info

Publication number: JPH02227660A
Application number: JP1047908A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hirabayashi; 誠平林; Hikari Ishimoto; 光石本; Michihiro Onishi; 通博大西
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-09-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、表面弾性波遅延線構成を採り、その伝搬路に
設けた有機薄膜に対する特定化学物質の例えば吸着によ
る質量或いは機械的特性変化による表面弾性波の伝搬速
度の変化を測定してこの特定化学物質の検出を行う表面
弾性波遅延線による化学物質検出装置に係わる。

〔発明の概要〕

本発明は、表面弾性波遅延線による化学物質検出装置に
係わり、有機薄膜が被着された圧電体基板に、それぞれ
交差指状電極より成る人力電極と出力電極とを有する複
数の表面弾性波タップ付遅延線を、その各人力電極及び
出力電極が圧電体基板に密着されるようにすると共に、
有機薄膜が各遅延線の表面弾性波の伝搬路に配されるよ
うにし、各遅延線は、互いに並列接続されると共に、そ
のタップの反転による符号系列が互いに異なるように構
成し、その表面弾性波の伝搬路に配された特定の化学物
質の例えば吸着による有機物質の質量の機械的特性の変
化によって変化する伝搬速度の測定によって特定化学物
質の検出、例えば混合された複数種の化学物質のそれぞ
れを同時に検出することができるようにする。

〔従来の技術〕

圧電体基板上に設けた有機物質に対する特定の化学物質
の選択的吸着による質量、或いは機械的特性変化による
圧電体基板の表面弾性波（ＳＡＷ）の伝搬特性の変化を
利用してその特定化学物質を検出するようにした検出装
置の提案がなされている（例えば、雑誌：“ＡＮＡＬＹ
ＴＩＣＡＬ　ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ″”　ＶＯＬ。

５６、　ＮＯ，８Ｊｕｌｙ　ＰＰ　１４１１〜１４１６
参照）。この種の検出装置は、例えば第５図にその平面
図を示し、第６図にその断面図を示すように、圧電体基
板（１）上に、それぞれ交差指状電極（ＩＤＴ＞による
入力電極（２）及び出力電極（３）が配され、画電極（
２）及び（３）間のＳＡＷの伝搬路に特定化学物質の例
えば吸着によって、質量が変化するとか機械的特性が変
化する有機薄膜（４）が被着され、入出力各電極（２）
及び（３）間に増幅器（５）を挿入し発振回路を形成す
るようになされる。このようにして、特定化学物質の存
在による有機薄膜（４）の質量変化等の機械的特性変化
によるＳＡＷの遅延線の５ＡＷＯ伝搬時間の変化による
発振周波数の変化を周波数計（６）によって測定するこ
とによって特定化学物質の検出を行うようになされてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この構成による検出装置は、その発振回路の
遅延が、そのＳＡＷ遅延線の伝搬時間と、増幅器等の外
部回路の遅延の和であるため、外部からの遅延が変化し
ただけで発振周波数が変化し、検出精度が低くなる。

このような不都合を防ぐために、２個のＳＡＷ遅延線を
近くに配置して２個の発振回路を作り、片方のＳＡＷ遅
延線にだけ化学物質の検出のため有機薄膜を被着して検
出素子として両回路の発振周波数の差を測定する方法が
発表されている。しかしながら、この場合、増幅器等の
遅延の吸着前と後とにおける変化量が両発振回路で同じ
になるとは限らないことから、検出精度に課題が残ると
ころである。

また、本出願人は、先にこのような課題の解決をはかる
ようにした表面弾性波遅延線による化学物質検出装置を
特願昭６３−１７３０２３号出願で提供した。

この測定装置は、第７図にその模式的平面図を示すよう
に、それぞれ交差指状電極（ＥＤＴ）より成る入力電極
（１１）と出力電極（１２）とが設けられた表面弾性波
（ＳＡＷ）の伝搬路上に有機薄膜（１４）が被着されて
成る圧電体基板（１３）と、信号源（１５）とにより構
成される。この有機薄膜（１４）は、検出しようとする
特定の化学物質を選択的に例えば吸着し、吸着の前後で
質量が変化する薄膜であり、例えば各種酵素を含んだ高
分子物質による。

人力電極（１１）は、正規型ＩＤＴ構成とされる。

出力電極（１２）は、それぞれの位相が′″０″、“１
“符号によってほぼ口°または１８０°となる複数のタ
ップ（１２，）　（１２２）　（１２，）　　・・・・
配列を有するいわゆるマツチドフィルタ（Ｍ　Ｐ　）型
のＳＡＷ遅延線構成とす菖。信号源（１５）は、タップ
（１２，）　（１２□）・・・・の配列と同一符号、ま
たは１つ置きに“Ｏ”と“１“とを反転させた符号、或
いはこれらに類似する符号によって搬送波を２相位相変
調（ＢＰＳに）した信号源であり、この信号を上記入力
電極（１１）に導入するようになされる。

実際上、上述の出力電極（１２）の各タップ（１２，＞
（１２，）　（１２，）・・・・は、ＳＡＷの位相が例
えば符号理論による最大長周期系列（Ｍ系列）となる例
えば帆０．１．０．１　の配列による位相に選ばれる。

そして、これらタップ（１２，）　（１２，）・・・・
は、一定ピツチ、すなわち一定ビツト周波数ｆｍ　に選
定される。

また、第７図に示される例では、各タップ（１２，）（
１２，）　（ｔ２．）・・・・が、一対の交差電極部に
よって構成される場合が示されているが、これらが複数
対の交差電極部によって構成される場合は、各タップに
おける隣り合う交差電極部対のピッチ（すなわちそのＩ
ＤＴの１周期）のほぼ整数倍または半整数倍に、各タッ
プピッチすなわち例えば各タップの中心距離ｄの選定が
なされ、これが整数倍に選定されるときは、信号源（１
５）からタップ（１２，）（１２，）　（１２，）・・
・・による符号と同一の符号を、また半整数倍の場合は
、１つ置きに各符号を反転させた信号を得て入力電極（
１１）に導入する。

この装置による化学物質の検出は次のようにして行われ
る。出力電極（１２）のタップ（１２，）　（１２２）
（１２３）　　・・・・間に有機薄膜（１４）を被着し
、上述したように信号源（１５）から、搬送波を、出力
電極（１２）のタップ（１２，）　（１２，）　（１２
，）　　・・・・と同一符号でＢＰＳＫ変調した信号、
或いは１つ置きに“０″と“１″とを反転させた符号に
よりＢＰＳに変調した人力信号を正規型ＩＤＴ入力電極
（１１）に導入する。“０″１“１”符号のビット周期
は、タップ間のＳＡＷ伝搬時間の近傍に設定し、搬送波
の周波数ｆｃをＩＤＴの中心周波数近傍で可変とする。

また、ＳＡＷ遅延線の出力は、そのままオシロスコープ
（１６〉等で測定する。

このようにすると、第８図に示す突起部の配列による出
力波形が得られる。そして、この場合、その突起部は、（ここに、ｎは整数または半整数で、上述の伝搬時間の
比にほぼ等しく、ｄはタップの中心間距離、Ｖはタップ
間におけるＳＡＷの実効速度である。）なる（１）式が
成り立つとき、最大となる。そして、ｆｃが式（１）の
値からずれるにしたがって突起部は小さくなり、消滅す
る。式（１）より突起部が最大となる周波数は実効速度
に比例する。したがって、出力電極（１２）のタップ間
に有機薄膜（１４）が被着されたＳＡＷ遅延線構成によ
る本発明装置によれば、有機薄膜（１４）における化学
物質を吸着することによる有機薄膜の質量変化を周波数
測定により検出することができることになる。そして、
この本発明装置によれば、その周波数変化は、全く外部
回路によらないことから外部回路の特性に依存せず、高
精度に特定化学物質の検出を行うことができるものであ
る。

また、この構成において、そのＳＡＷタップ付遅付線延
線数本、同一空間内に配置し、例えば各遅延線に関して
異なった材質の有機薄膜を用いれば、複数種類の特定化
学物質の混合物から、それぞれの物質の検出を行うこと
ができる。

ところが、この場合各ＳＡＷタップ付遅延線毎にスイッ
チを設けて人力信号を切換えたのでは、全体の検出時間
が長くな、てしまうものであり、また、その自動化も難
しい。

本発明は、同一空間内に複数のＳＡＷタップ付遅付線延
線して、複数種類の化学物質の検出を行う場合、或いは
１種類の化学物質をより確実に検出する場合等において
、その検出時間の短縮化と自動化を容易にすることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、第７図及び第８図で説明した表面弾
性波遅延線を基本構成とするものであり、例えば第１図
にその一例の拡大路線的平面図を示し、第２図にそのＡ
−Ａ線上の断面図を示すように、有機薄膜が被着された
圧電体基板（１３）と、複数、図示の例では２本の表面
弾性波タップ付遅延線ＴＤＬＡ　及びＴＤＬｉ　を設け
る。各遅延線ＴＤＬＡ及びＴＤＬｆｉ　は、それぞれ交
差指状電極（ＩＤＴ）より成る入力電極（ＩＩＡ）　（
ＩＩＢ）と出力電極（１２Ａ）　（１２Ｂ）とを有して
成る。各人力電極（ＩＩＡ）　（１１Ｂ）及び出力電極
（１２Ａ）　（１２Ｂ）は圧電体基板（１３）に共通に
密着させ、この状態で有機薄膜（１４＾）（１４Ｂ＞が
各遅延線ＴＤＬＡ、ＴＤＬｍ　の各表面弾性波（ＳＡＷ
）の伝搬路に配されるようにする。

また、これら複数の遅延線ＴＤＬＡ及びＴＤＬＢ　は、
互いに並列接続されると共に、そのタップの反転による
符号系列が互いに異なるように構成される。

遅延線ＴＤＬＡ、ＴＤＬ、の人力電極（ＩＩＡ）　（１
１Ｂ＞は、正規型ＩＤＴ構成とされる。

出力電極（１２Ａ）　（１２Ｂ＞　　は、それぞれその
位相が“０”、“ｌ“符号によってほぼ０°または１８
０゜となる複数のタップ（１２Ａ、）　（１２Ａ２）　
（１２Ａり）　・・・・（１２−１）　（１２ａｚ）　
（１２ｍｓ）　　”　”配列したいわゆるマツチドフィ
ルタ（ＭＦ）型のＳＡＷタップ付遅付線延線構成る。各
遅延線ＴＤＬ、　、ＴＤＬ、の“０”、“ｌ“符号は、
互、いに異ならしめ、かつ符号系統の自己相関特性が良
く系列間の相互相関が小さいものを選ぶ。例えばいわゆ
るゴールド符号と呼ばれるものが使われる。

そして、入力電極（ＩＩＡ）　（ＩＩＢ）の互いに接続
された共通の端子には、高周波のキャリア信号を一定の
“０″、“１”符号で２相位相（ＢＰＳに）変調した人
力信号を導入する。（１５）はこの信号源を示す。この
場合、キャリア周波数は、ＩＤＴの中心周波数に近く、
かつ可変とする。ここにＢＰＳに変調する符号は、各遅
延線ＴＯＬＡ、　ＴＯＩ、、の各タップ符号系列を含む
符号系列、例えば両符号系列を単につないだものとする
。

各有機薄膜（１４＾）（１４Ｂ）は、特定の被検出物質
を有効に例えば吸着によって取り込み得る材料によって
構成され、これが導電性を有する場合は、各入出力電極
（ＩＩＡ）　（ＩＩＢ）、　（１２Ａ＞　（１２Ｂ）　
　と離間して例えばこれら出力電極の各タップ間に対応
するように設けられるが、絶縁性を有する場合は、図示
のように各電極上に跨って配されるようにすることがで
きる。

各有機薄膜（１４Ａ）　（１４Ｂ）は、互いに異なる特
定された化学物質を吸着するような互いに異なる材料に
よって構成することもできるし、同一材料で例えば厚さ
を異にする有機薄膜によって構成することができる。

この有機薄膜（１４＾”）　（１４Ｂ＞としては、ラン
グミュア・プロジェット膜を用いることができ、その例
としては、アルキル基の炭素数が１５〜２４の脂肪酸お
よびそのメチルエステル、エチルエステル等の脂肪酸エ
ステル、アルキル基の炭素数が１５〜２４の脂肪族アミ
ン、アルキル基の炭素数が１５〜２４の脂肪族アルコー
ル、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノール
アミン等のリン脂質、アルキル基の炭素数が１５〜２４
のジメチルジアルキルアンモニウムクロリド等がある。

上記の各膜形成分子のアルキル基には不飽和結合が含ま
れていても良い。

一方、これら有機膜に吸着される化学物質としては、ア
ルコール、アルデヒド、アミド、アミン、エーテル、ケ
トン、カルボン酸等の各種の有機物質、ハロゲンガス等
の単体元素分子等が挙げられる。

図中（３１）は本発明装置を全体として示す。

〔作用〕

本発明装置（３１）によって、化学物質の検出を行うに
は、同一被検出雰囲気中に、各有機薄膜（１４Ａ）（１
４Ｂ）　　がさらされるように、装置（３１）を配置す
る。

その後、或いはこれと同時に互いに接続された信号＃Ｉ
（１５）のキャリア周波数を変えて第１のＴＤＬＡの符
号系列において入力信号との相関が最大となるようにす
る。このとき、共通の出力をオシロスコープ（１６）に
導入して置くと、このオシロスコープ（１６）によって
例えば第３図Ａの出力波形が得られる。続いてキャリア
周波数を変えて第２のＴＤＬａの符号系列において入力
信号との相関が最大となるようにする。このとき例えば
第３図Ｂの出力波形が得られる。そしてこれら最大波形
波の生じる時間領域における位置を調べることにより、
どの遅延線からの出力であるかは判知できるので、各遅
延線に関する出力信号のピークが最大となるキャリア周
波数が測定できる。したがって各遅延線に関する被検出
雰囲気への導入前と導入後、すなわち各特定化学物質の
吸着前と吸着後のピーク周波数の差を測定することによ
り、被検出雰囲気中の特定化学物質の検出を行うことが
できることになる。そして、この場合、有機薄膜（１４
Ａ）　（１４Ｂ）を例えば互いに異なる化学物質を吸着
する材料によって構成すれば、被検出雰囲気中の２種類
以上の化学物質の検出を行うことができる。

そして、この場合、複数の遅延線を設けるものであるに
もかかわらず、共通の入力端子及び出力端子から、連続
的に入力信号の導入と出力導出を行ってその検出を行う
ので、これら検出の自動化を容易に行うことができるこ
とになる。

〔実施例〕

第１図及び第２図に示すように、ＬｉＮｂＱ、、いＴａ
ｎ、、。

ＰｂＺｒ口５等の共通の圧電体基板（１３）上に、例え
ば２組のタップ付遅延線ＴＤＬａ及びＴＤＬＩ　とを設
ける。

これがため基板（１３）上に正規型ＩＤＴによる入力電
極（１１＾）及び（１１Ｂ）　　と、それぞれ複数個の
タップ（１２ｍ＋）　（１２Ａ、）　（１２Ａ３）　”
　・＋、　（１２ｍ＋）　（１２Ｂｇ）　（１２ｍｓ）
・・・・を有し、互いに異なる′″０”、“１”の符号
の組合せによる位相に選ばれたコード化された出力電極
（１２＾）及び（１２Ｂ）　　とを金属膜パターンによ
って形成する。

そして、各遅延線ＴＤＬＡ及びＴＤＬＢ上にそれぞれ特
定化学物質を選択的に例えば吸着する有機薄膜（１４Ａ
）及び（１４Ｂ）　を被着する。

この構成において、前述したように、信号源（１５）よ
りの搬送波をＢＰＳに変調した信号を正規型■ＤＴの人
力電極（ＩＩＡ）　及び（ＩＩＢ）　　に共通に入力し
、コード化された出力電極（１２Ａ）　及び（１２Ｂ）
　の共通の出力端子からの出力オシロスコープ（１６）
によって測定する。

尚、上述した例は、電圧体基板（１３）上に、各遅延線
ＴＤＬＡ　、ＴＤＬＩを構成する各入出力電極（ＩＩＡ
）（１１Ｂ）、　（１２＾）　（１２Ｂ）と、有機物薄
膜（１４Ａ）　（１４Ｂ）とを共に形成した場合である
が、有機薄膜（１４＾）及び（１４Ｂ）　　は、一般に
再使用不能であることから、第４図に示すように、圧電
体基板（１３）側に有機薄膜（１４）　（（１４Ａ）　
（１４Ｂ））のみを所定の位置及びパターンに形成し、
圧電体基板（１３）とは別体の基板（４１）例えば絶縁
性基板を設けてこれに電極（１１）　（（１１＾）（１
１Ｂ）、　（１２）　（（１２＾）（１２Ｂ））を所定
のパターン及び位置関係に形成し、両基板（１３）及び
（４１）の合致によって、両者の共働によって第１図で
説明した複数組例えば２組の遅延線ＴＤＬＡ、　ＴＤＬ
Ｂ　と、これらのＳＡＷ伝搬路にそれぞれ有機薄膜（１
４）が配置される構成とすることができる。そして、こ
の場合、例えば有機薄膜（１４）との対向部に凹部（４
２）を設けるなどして各有機薄膜（１４）に、外気雰囲
気の導入が良好に行われるようにする。

尚、ここに入力信号は、符号化された信号電極（１２＾
）　（１２Ｂ）の符号配列のたし合せと全く同一符号ま
たは完全に１つ置きに反転させる場合に限らず、はぼこ
のような信号であってその一部が異っていても、その出
力波形としては相対的に大きな突起が伝搬速度の変化に
応じて周期的に発生させることができる。

また、上述した例では、２本の遅延線構成とした場合で
あるが３本以上任意の本数の並列構成とすることもでき
る。

〔発明の効果〕

上述したように本発明によれば、遅延線のＳＡＷ伝搬路
に、有機薄膜を設けて、これの特定化学物質の選択的吸
着によって化学物質の分子識別を行うも０であるが、特
に本発明においては、この遅延線を複数設け、それぞれ
について性質の異なった有機薄膜、例えば異なる材料、
或いは異なる厚さの有機薄膜を設けて同時に同一の被検
出物質にさらすようにするので、この被検出物質中の異
なる化学物質の独別の検出、或いは同一化学物質の、よ
り正確な検出を行うことができ、その検出物質の分子識
別の対象となる化学物質を広げる効果、或いは（及び）
識別能力を高めることができる。

そして、このように、化学物質検出のための有機薄膜を
それぞれ有する遅延線を並列に設けるものであるが、本
発明構成によれば、各遅延線としてそれぞれ異なる符号
化によるタップ付遅延線を用いるので、入力信号をこの
符号の順次的ないしは組合せ配列による変調信号とする
ことによって、各遅延線について切換動作させるなどの
構成が不要となり、検出の自動化、回路構成の簡略化が
はかられるなど実用上大きな利益をもたらすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一例の路線的平面図、第２図は
そのＡ−Ａ線の断面図、第３図はその出力波形図、第４
図は他の例の平面図、第５図及び第６図は従来装置の平
面図及び断面図、第７図は比較例の平面図、第８図はそ
の出力波形図である。（ＩＩＡ）　（ＩＩＢ）及び（１２Ａ）　（１２Ｂ）は
入力及び出力電極、（１３）は圧電体基板、（１４＾）
　（１４Ｂ）は有機薄膜である。代　理　　人　　　　　松　　隈　　秀　　盛第５図第３図第４図ｔ−７ＩＥ＆形図第８図手続補正書平成２年５月１６日１、事件の表示」１／成２、発明の名称１年特許願第４７９０８号霧ＩｌＪ１ｍ遅延１°、ｋ１．；ｘ４’ｔ：、学物質３
、　？ｉｌｉ正をする者事件との関係

Claims

【特許請求の範囲】有機薄膜が被着された圧電体基板と、それぞれ交差指状電極より成る入力電極と出力電極とを
有する複数の表面弾性波タップ付遅延線とを有し、上記複数の表面弾性波タップ付遅延線の各入力電極及び
出力電極が上記圧電体基板に共通に密着されると共に、
上記有機薄膜が上記各遅延線の表面弾性波の伝搬路に配
されるようになされ、上記複数の遅延線は互いに並列接
続されると共に、そのタップの反転による符号系列が互
いに異なるように構成されて成ることを特徴とする表面
弾性波遅延線による化学物質検出装置。