JPH02227661A

JPH02227661A - 化学物質検出装置

Info

Publication number: JPH02227661A
Application number: JP1047909A
Authority: JP
Inventors: Hikari Ishimoto; 光石本; Michihiro Onishi; 通博大西; Makoto Hirabayashi; 誠平林
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吸着による質景
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、表面弾性波遅延線を構成することによる化学
物質検出装置に係わり、被検出化学物質を吸着する有機
薄膜が被着された圧電体基板と、この圧電体基板との合
致によって表面弾性波遅延線を構成する交差指状電極を
有する基板とを有して成り、上記有機薄膜に対して上記
被検出化学物質を導入するに供する間隙部が設けられた
構成として、上記圧電体基板と上記電極を有する基板と
を重ね合せて合致することによって構成される表面弾性
波遅延線における特定化学物質の有機薄膜への吸着によ
る質量変化、機械的特性変化によって変化する伝ｍ速度
の測定によって特定化学物質の検出を行うようにし、検
出後、すなわち使用後には、を機薄膜を有する基板のみ
を交換し、高精度配置を必要として作製が面倒な電極は
そのまま繰返し使用を可能にする。

〔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″ＶＯｔ。

５６、　Ｎ００８　Ｊｕｌｙ　ＧＡＰ　１４１１〜１４
１６参照）。コの種の検出装置は、例えば第９図にその
平面図を示し、第１０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ＳＡＷの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、このように有機薄膜を有する検出装置におい
ては、一般にその検出後の被検出化学物質が吸着された
有機薄膜は、これを繰返し使用することができないこと
から、この装置を再度使用するには有機薄膜を圧電体基
板から排除して新しい薄膜に交換する作業を必要として
、この交換作業に際して微細パターンの電極を損傷させ
るなど、その作業の煩雑さと信頼性に問題がある。

特に複数の遅延線構成をとってそれぞれ若しくは一部の
遅延線に異なる材料、厚さ等の特性を異にする有機薄膜
を設ける場合においては、各有機薄膜を異なる工程で設
けることが必要となり、全体の作業工数が増大し、これ
に伴って量産性の低下と、信頼性の低下がより著しくな
る。

本発明は、このような煩雑な作業、信頼性の低下の解決
をはかることを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、例えば第１図或いｌ裏第２図に示すように、
被検出化学物質を吸着するを機薄膜（１４）が被着され
た圧電体基板（１３）と、この圧電体基板との合致によ
って表面弾性波遅延線を構成する交差指状電極（Ｉ　Ｄ
　Ｔ）　（１１）　（１２＞を有する基板（４１）とを
有して成る。そしてこの交差指状電極を有する基板（４
１）と圧電体基板（１３）とを合致させた状態で有機薄
膜（１４）に対して被検出化学物質を導入するに供する
間隙部（４２）を形成する。

ここに、電極（１１）　（１２）を有する基板（４１）
は、何らこれに圧電性を必要としていうものである。

〔作用〕

上述の本発明構成によれば、有機薄膜（１４）が、圧電
体基板（１３）側に設けられ、電極（１１）　（１２）
が他の基板（４１）上に配されていることによって、有
機薄膜（１４）の交換は、高精度微細パターンの電極（
１１）　（１２＞とは関係なくこれを損傷させることな
く交換できる。

〔実施例〕

本発明による化学物質検出装置を説明する。

本発明は、例えば第１図及び第２図にそれぞれ各−例の
断面図を示すように、被検出化学物質を吸着する有機薄
膜（１４）が被着された圧電体基板（１３）と、それぞ
れ交差指状電極ＩＤＴより成る人力電極（１１）と出力
電極（１２）とを有する基板（４１）例えば絶縁基板を
有して成る。両基板（１３）とく４１）とはそれぞれ有
機薄膜（１４）を有する側と、電極（１１）及び（１２
）を有する側を内側にして密着重ね合せるものであるが
、この場合、両基板（１３）及び（４１）間に、有機薄
膜〈１４）の少なくとも一部に外囲の雰囲気、つまり、
被検出化学物質を導入するに供する間隙部（４２）を形
成する。

この間隙部（４２）は、第１図に示すように、基板（４
１）の、基板（１３）と対向する所定部に凹部（４３）
を設けるとか更に必要に応じてその底部に透孔（４４）
を穿設することによって形成し得る。また或ｔ、１Ｔ；
１例えば第２図に示すように基板（４１）を電極（１１
）及び（１２）が形成される基板（４１＾）　と補強基
板（４１Ｂ）　　との積層構造とし、基板（４１＾）に
透孔（４５）を穿設することによって形成することもで
きる。この場合、図示しないが必要に応じて補強基板（
４１Ｂ）　　に、基板（４１＾）　の透孔（４５）に連
通ずる細孔を穿設することもできる。

第３図は本発明を適用した検出装置の一例の平面図で、
この検出装置は、本出願人が先に特願昭６３−１７３０
２３号出願で提供したものである。この場合においても
圧電体基板（１３）上に被検出化学物質を吸着する有機
薄膜（１４）が被着される。

そして、他の圧電性を有しない基板、例えば絶縁基板（
４１）上にそれぞれ金属薄膜より成りＩＤＴ構成による
入力電極（１１）と出力電極（１２）とが設けられる。

入力電極（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０＠または１８０＠となる複数のタ
ップ（１２＋）　（１２２）　（１２３）　　・・・・
配列を有するいわゆるマツチドフィルタ（ＭＦ）型のＳ
ＡＷ遅延線構成とする。

そして、両層板（Ｉ３）と（１４）とを、それぞれ有機
酵ｌ１ｊＩＩ（１４）と出力電極（１１）　（１２）の
各被着面を内側にして重ね合せて密着する。このように
して画き基板（１３）と（１４）の共働によって、すな
わち入出力電極（１１）及び（１２）とこれら間に差し
渡って５ＡＷＯ伝搬路となる圧電体基板（１３）が配さ
れて遅延線が構成されるようにすると共に、このＳＡＷ
の伝搬路に有機薄膜（１４）が配置されるようにする。

図示の例では、出力電極（１２）の各タップ（１２，）
　（１２２）（１２２）　　・・・・間に有機薄膜（１
４）が位置するように島状に配置した場合である。

（１５）は人力電極（１１）に接続される信号源で、こ
の信号源（１５）は、タップ（ｔ２．）　（１２２）・
・・・の配列と同一符号、または１つ置きに′０′″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ａ（ＢＰＳＫ）　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，”
）（１２２）　（１２３）・・・・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０、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，）　（１２２）・・・
・は、一定ピツチ、すなわち一定ビツト周波数ｆ、に選
定される。

また、第３図に示される例では、各タップ（１２，）＜
１２２）　（１２，）・・・・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（
１５）からタップ（１２，）（１２２）　（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人力電極
（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。すなわち、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，）（１２２
＞　（１２，）・・・・と同一符号でａｐｓｘ変調した
信号、或いは１つ贋きに“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。“Ｏ”、“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４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、■はタップ
間におけるＳＡＷの実効速度である。）が成り立つとき
、最大となる。そして、ｆｃが式（Ｉ）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、例えばこの出力電極（１２）のタップ間に
有機薄膜（１４）が配されたＳＡＷ遅延線構成によれば
、化学物質の存在を有機薄膜〈１４）における化学物質
の吸着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。因みに、この検出装置
では、その周波数変化は、第９図で示した構成の検出装
置、二おけるような外部回路に全く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
異なった性質、例えば異なった材料、厚さ等を有する有
機薄膜（１４）を用い、これらに同時に被検出物質を導
入することによって例えば複数種類の特定化学物質、或
いは、同一化学物質の分子識別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
チを設けて入力信号を切換えたのでは、全体の検出時間
が長くなってしまうものであり、また、その自動化も難
しい。

これに対し、第５図及・び第６図で示す例は、このよう
な不都合を回避できる。すなわち、この例においても第
３図及び第４図で説明した表面弾性波遅延線を基本構成
とする。第５図にその拡大路線的平面図を示し、第６図
はそのＡ−Ａ線上の断面図を示す。第５図及び第６図に
おいて第１図〜第３図と対応する部分には同一符号を付
して重複説明を省略するが、この場合、基板（４１）に
は複数、図示の例では２本の表面弾性波タップ付遅延線
ＴＤＬＡ及びＴＤＬａを設ける。各遅延線ＴＤＬＡ及び
ＴＤＬ＠は、それぞれ交差指状電極（ＩＤＴ）より成る
人力電極（１１＾）（１１Ｂ）と出力電極（１２＾）　
（１２Ｂ）とを有して成る。一方、圧電体基板（１３）
には、各組の電極（ＩＩＡ）及び（ＩＩＢ）、（１２＾
）及び（１２Ｂ＞　　に対応する有機薄膜（１４＾）及
び（１４Ｂ）　が被着形成される。基板（４１）と（１
３）とは互に重ね合せて各入力電極（ＩＩＡ）（１１Ｂ
）及び出力電極（１２＾）　（１２Ｂ）が圧電体基板（
１３）に共通に密着され、かつこの状態で有機薄膜（１
４＾）（１４Ｂ）　が各遅延線ＴＤＬＡ　、ＴＤＬａ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ＴＤＬＩ　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、ＴＤＬＩの入力電極（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“Ｏ”、”ｌ”符号によってほぼＯｏまたは１８
０゜となる複数のタップ（１２ＡＩ）　（１２Ａ２）　
（１２Ａ３）　　・・・・（１２１、）　（１２゜）（
１２ｍ、）　　・・・・配列したいわゆるＭＦ型のＳＡ
Ｗタップ付遅付線延線構成る。各遅延線ＴＤＬ、　、Ｔ
ＤＬＩの“ＱＺＩ″１１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（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）　（１１Ｂ）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
“θ″、“ｌ”符号で２相位相（ＢＰＳに）変調した入
力信号を信号源（１５）から導入する。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ＢＰＳＫ変調する符号は、各遅延線’ｒｏ
ｔ、Ａ、ＴＤＬＩ　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。

そして、この装置によって、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）　（
１４Ｂ）が同時にさらされるように配置する。

その後、或いはこれと同時に互いに接続された信号源（
１５）のキャリア周波数を変えて第１のＴＤＬＡの符号
系列において人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７図へ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ＴＤＬｉ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
７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ふ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（１４Ａ
）　（１４Ｂ）を前述したように例えば互いに性質の異
なる有機薄膜によって構成すれば、共通の被検出雰囲気
中の２種類以上の化学物質の検出、分子識別等を行うこ
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。

尚、ここに入力信号は、符号化された信号電極（１２Ａ
）　（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。

尚、上述の各側においては、圧電体基板（１３）は、Ｌ
ｉＮｂ０．、　ＬｉＴａＯ３，ＰｂＺｒ０．等を用いる
ことができる。

また各有機薄膜（１４）　（１４Ａ）　（１４Ｂ）は、
特定の被検出物質を有効に吸着す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（ＩＩ
Ａ）（ｌｉＢ）、　（１２Ａ）　（１２Ｂ）と離間して
、例えばこれら入出力電極間、或いは出力電極の各タッ
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、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（１４）　（１４＾）（１４Ｂ）は、例えば
ラングミコア・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。

また、本発明装置において、複数の遅延線ＴＤＬ（ＴＤ
ＬＡ、　ＴＤＬ、・・・・）を配列する構成をとり、し
かもそれぞれ性質の異なる有機薄膜を設ける場合は、例
えば第８図にその配置例を示すように、各遅延線に関す
る有機薄膜（１４）　（（１４＾）　（１４Ｂ）　　・
・・・）は、各遅延線ＴＬＤ（ＴＤＬＡ、丁ＤＬ、・・
・・）に対応して個々に設けられる圧電体基板（１３）
　（（１３Ａ）　（１３Ｂ＞　　・・・・）に対し、個
々に被着形成することもできる。

〔発明の効果〕

上述したように本発明においては、圧電体基板（１３）
側に有機薄膜（１４）を形成し、これとは別の基板（４
１）に入出力電極（１１）　（１２）を配置したので、
化学物質検出後、つまり装置の使用後には、有機薄膜の
みを交換すれば良く、微細で複雑なパターンを有する入
出力電極（１１）及び（１２）については繰返し使用が
可能であることから経済性にすぐれ、また、有機薄膜（
１４）については、これを電極（１１）及び（１２）を
損なうことなく形成できるので信頼性の向上をはかるこ
とができる。特に例えば複数の遅延線を設ける場合、こ
れらに対して性質の異なる有機薄膜を適宜組合せ選定し
て対応させることができることから、その装置の製造が
簡便となるなど実用上人くの利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明装置の各側の路線的
断面図、第３図は本発明装置の他の例の路線的平面図、
第４図はその出力波形図、第５図は他の例の平面図、第
６図は第５図のＡ−Ａ線上の断面図、第７図は出力波形
図、第８図は本発明装置の他の例の平面図、第９図及び
第１０図は従来装置の平面図及び断面図である。（１１）　（ＩＩＡＮＩＩＢ）（１１Ｂ）・・・・及び
（１２＞　（１２＾）（１２Ｂ）・・・・は入力及び出
力電橋、（１４）は基板、（１３）　（１３＾）　（１
３Ｂ）・・・・は圧電体基板、（１４）　（１４Ａ）　
（１４Ｂ＞・・・・（ま有機薄膜である。代理人松隈秀盛化”Ｊ’＃１１ｆ検ｔＳ［置ｎ−（ｆｌｎ乎面ｅｌ第３
図占方”ｌｉｔ　＊　Ｘ第４図化蕾物簀検七躾！の断面図第１図化学！ｗＩｗ検出表！の断面図第２図第８図化学ｗ＋’ｉｕ検わ装！の平面図第５図第７図鱈冑ｖ＊’１ｘｘ−セ一例−鱈面口

Claims

【特許請求の範囲】被検出化学物質を吸着する有機薄膜が被着された圧電体
基板と、該圧電体基板との合致によって表面弾性波遅延線を構成
する交差指状電極を有する基板とを有して成り、上記圧電体基板と上記交差指状電極を有する基板とを合
致させた状態で、上記有機薄膜に対して上記被検出化学
物質を導入するに供する間隙部が設けられた化学物質検
出装置。