JPS63250560A - 弾性波による液体中物質検出センサ - Google Patents

弾性波による液体中物質検出センサ

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JPS63250560A
JPS63250560A JP8613687A JP8613687A JPS63250560A JP S63250560 A JPS63250560 A JP S63250560A JP 8613687 A JP8613687 A JP 8613687A JP 8613687 A JP8613687 A JP 8613687A JP S63250560 A JPS63250560 A JP S63250560A
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JP
Japan
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electrodes
surface acoustic
substrate
liquid
acoustic waves
Prior art date
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Pending
Application number
JP8613687A
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English (en)
Inventor
Toyoe Moriizumi
森泉 豊栄
Yoshihiro Unno
海野 義博
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Japan Radio Co Ltd
Original Assignee
Japan Radio Co Ltd
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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〕 本発明は漏れ弾性表面波を利用して液体中に椿花する物
質を検出するセンサに関する。
〔従来の技術〕
従来、弾性波を利用した液体中物質検出センサは、例え
ば水晶振動子により励起され、固体中を伝搬するバルク
波(Bulk wave)を利用したセンサであった。
その−例を第4図により説明する。同図においてlはA
Tカット水晶振動子、2は周波数カウンタ、3は特定の
物質を吸着する材料の薄膜であるレセプタ、4は発振回
路、51と52は水晶振動子lの表面と裏面の入力電極
(不図示)に夫々接続された入力リード、6!と62は
同じ〈水晶振動子1の表面と裏面の出力電極(不図示)
に夫々接続された出力リードである。7は被検液体、8
はビー力である。この構成で発振回路4から入力リード
51・52を通じて水晶振動子1の厚み方向に交流が印
加されると水晶振動子1が振動する。
そのバルク波が水晶振動子lを伝搬すると、水晶振動子
lの厚み方向に電位差が生じ、出カリードロ1・62を
通じて交流が発振回路4に出力される。共振周波数によ
りこの閉ループが繰り返される。
ここで、被検液体7中に含まれる特定物質が水晶振動子
lの表面上のレセプタ3により吸着されると、レセプタ
3の質量が増加する。そのため水晶振動子lの表面部分
の質量増加により共振同波数は下がる。もとの共振周波
数をfo、賀14に増加後の共振同波数低下量をΔf、
レセプタ3の質量増加量をΔM、その面積をA、単位面
積当りの質量増加量をΔmとすると、 なる関係が成り立つ、aは比例定数である。
したがって周波数カウンタ2に共振周波数の変化が現わ
れると、レセプタ3に特定物質が吸着されたことが分り
、被検液体7中にその特定物質が存在することを確認で
きる。また周波数カウンタ2にて共振周波数低下量Δf
をカウントすれば、上記(1)式により特定物質の量を
算出できる。
例えば被検液体7中の検出すべき物質が有機物の場合、
該有機物と特異的に結合する物質を薄膜状に固定化して
レセプタ3とする0例えば免疫センサとして抗原を検出
するためには抗体を固定化し、抗体を検出する場合は抗
原を固定化する。一般にレセプタ3はタンパク質を使う
場合が多い。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記した従来のバルク波を利用した液体中物質検出セン
サでは、検出感度を高める方法として、(1)式から以
下の方法が考えられる。その方法は、aの値が大きな振
動子材料を選択する、共振周波数Δfを高くする。単位
面積当りの質量増加量Δmを高くする、の3通りである
しかし、温度安定性をはじめとする諸々の要素を考える
と、aの値が大きな振動子材料は選択し難く、比較的小
ざな値の材料が採用されているのが実状である6次に共
振周波数Δfは、振動子の圧電材料である水晶の機械的
な加工により決るため、あまり高くできず1通常100
MH2以下である。
また単位面積当りの質量増加量Δmを高くしようとして
も、特定物質を吸着する材料の種類はあまり多くなく、
レセプタとして選択できる材料は限られているため、単
位面積当りの質量増加量6口を高くすることは困難であ
る。これらの条件により、従来のバルク波を利用した液
体中物質検出センサは、検出感度に限界があり、実用上
十分とは言えないという欠点があった。
本発明は、上記欠点を除去するためになされたもので、
弾性波を利用し液体中の特定物質を極めて感度良く検出
するセンサを提供するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点を解決するためになされた本発明の弾性波に
よる液体中物質検出センサを、実施例に対応する第1図
により説明する。同図に示すように本発明の弾性波によ
る液体中物質検出センサは、漏れ弾性表面波が発生する
圧電体材料およびカット面からなる基板10の同一表面
上に、交流電圧を印加する対電極111 ・112 と
交流電圧を発生する対電極1214122 とを設けで
ある。そして、その両方の対電極Ill  ・112 
と対電極12.  ・122 との中間部分に特定物質
を吸着する層3を設けである。
対電極1116112は基板10同一表面に形成される
もので、例えばくし型電極である。対電極12.  ・
122も同一表面に形成され、対電極11、  ・11
2 と同一形状であることが好ましい、基板lOは、対
電極11.  ・112により交流電圧が印加されて漏
れ弾性表面波が励振され、かつ、少ない伝搬ロスで伝搬
される圧電体材料およびカット面が選ばれる。このよう
な圧電体材料として、例えばL 1Nb03基板、Li
TaO3基板、水晶が好ましい、カット面角度は1例え
ば36°回転Y板LiTaO3基板でX方向伝搬するよ
うにする。
〔作用〕
本発明の検出センサは、対電極111 ・112から基
板10に交流電圧を印加すると、基板10により伝搬損
失の少ない漏れ弾性表面波が励振され、基板lOの表面
を伝搬する。
漏れ弾性表面波は、圧電体材料中にそのエネルギのいく
らかを放射しながら伝搬する波である。
しかし、その圧電体中へのエネルギー放射量が著しく少
ない場谷が存在する0例えば気体もしくは真空に接する
38°回転Y板LiTa0:+基板のX方向伝搬では、
1波長当りり、S X 1O−4dB (電気的に短絡
時) 、3.8 X 1O−5dB (電気的に開放時
)である。
このように漏れ弾性表面波は、基板表面垂直方向の振動
変位が充分小さい、上記36°回転Y板L 1Ta03
基板の場合、基板表面垂直方向の振動変位は、水平方向
に比べ1110以下である。基板表面垂直方向の振動は
、その基板を液体に接した場合液体中へのエネルギ放射
に寄与するため、少ない方が好ましい、上記により励振
され伝搬する漏れ弾性表面波は、基板表面垂直方向の振
動変位が小さいため、液体中へのエネルギ放射が少なく
、液体中での伝搬ロスが少ない。
L 1Nb03基板、 LiTaO3基板、水晶等の圧
電体材料に、くシ型電極等により交流電圧が印加される
弾性表面波には、上記の漏れ弾性表面波の他に、レイリ
イ波モードの表面波が存在する。レイリイ波モードの表
面波とは、伝搬方向の変位と表面直交方向の変位との合
成波であり1弾性表面波フィルタや弾性表面波共振子と
して広く一般的に利用されている。レイリイ波モードの
表面波は、気体中もしくは真空中で利用され、液体中で
は伝搬に伴ないそのエネルギの大部分を液体中に放射し
、著しい伝搬ロスがある0例えば弾性表面波フィルタや
弾性表面波共振子としてよく利用される 128゜回転
Y板LiNbO3基板のX方向伝搬では、1波長当り0
.99dB (表面を電気的に短絡した場合) 、 0
.84dB(表面を電気的に開放した場合)という大き
な値となる。
上記の比較により液体中では、漏れ弾性表面波の方がレ
イリイ波モードの表面波より伝搬損失の面で優れている
ことが分る。
対電極fiz  ・112の入力交流により励振された
漏れ弾性表面波は、特定物質が吸着される層3上を伝搬
し、対電極121 ・122により出力交流になる。入
力交流と出力交流の位相差は、基板lOの表面を漏れ弾
性表面波が伝搬することによる遅延である。したがって
伝搬時間が変化すれば、位相差も変化する0層3上に特
定物質が吸着されると、2S;板lOの表面部の質量が
変化し、漏れ弾性表面波の伝搬速度が変化する。この位
相変化量を測定することにより、特定物質の検出が可能
となる。
位相変化量をΔφ、入力交流の周波数をfl、漏れ弾性
表面波の伝搬速度をV、伝搬速度の変化量をΔVとする
と、 (bは定数) の関係が成立つ、また、伝搬速度の変化量ΔVは、漏れ
弾性表面波伝搬速度に関する摂動法による計算により、 ΔV 。
□〒cfビΔm・・・・・ (4) (Cは定数) の関係が成り立つ、ゆえに、 Δφ=bcf+2*Δm=−−−  (2)となる。
この(2)式は、従来の構成による場合の算出式(1)
と比較し、同型の式となっている。aとbcの値は、基
板10を構成する圧電材料の種類によって特有の値とな
るが、はぼ同程度である。
入力交流の周波数f1は、対電極1111el12と1
2+  ・122の形状により適宜決定される。
対電極111  ・112 と121@122の形状が
、例えばくし型電極の場合、現在、周波数f1が数GH
I まで実施可能である。この周波数f1は従来の構成
の場合の共振周波数をfOと比べ、十分高く出来る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。
第1図は本発明を適用する弾性波による液体中物質検出
センサを使用した検出装置の実施例である。
同図の構成中10は圧電基板、1116112は交流電
圧入力用くし型電極、1210122は交流電圧出力用
くし型電極、3は特定物質を吸着する材料薄膜からなる
レセプタで、以上により本発明の検出ヤンサが構成され
る。15は発振器。
16は位相比較、器である。
発振器15で作られた入力信号は、入力用くし型電極1
11  @112により圧電基板10上に漏れ弾性表面
波を励振する。漏れ弾性表面波は、基板lO、レセプタ
3を伝搬し、出力用くし型電極121  ・122によ
り電気信号に変換される。この出力信号は、位相比較器
16にて発振器15で作られた入力信号と比較される。
これら2信号の位相差は、入力用くし型電極111”l
12 と出力用くし型電極1216122の間の漏れ弾
性表面波の伝搬遅延時間である。被検液体7中の特定物
質がレセプタ3に吸着されると、漏れ弾性表面波の伝搬
速度が変化し、位相比較器16で位相変化量が測定でき
、特定物質の検出が可能となる。
第2図は本発明を適用する弾性波による液体中物質検出
センサを使用した検出装置の別な実施例である。
レセプタ3、圧電基板10、交流電圧入力用くし型電極
11+”l12.交流電圧出力用くし型電極121 ・
122からなる本発明の検出センサは第1図に示す実施
例と同一であり、検出のための回路部分が相違する0回
路部分は19が増幅器、20が移相器、21が周波数カ
ウンタである。入力用くし型電極111 ・112 に
加えられる電気信号は、漏れ弾性表面波に変換され、レ
セプタ3上を伝搬し、出力用くし型電極121  ・1
22にて再び電気信号に変換される。この電気信号は、
移相器20を経て増幅器19にて増幅され、入力用くし
型電極Ill  ・112 に加えられる。このループ
で一周分の位相差φa11 と増幅器19の増幅率Gお
よびループ内における他の損失Iとの間に次の関係が成
り立つ時、漏れ弾性表面波発振として発振する。
φa++=2nπ  (nは整数) G>I この発振周波数は、周波数カウンタ21によりカウント
される。被検液体7中の特定物質がレセプタ3に吸着さ
れると質量が増加し、漏れ弾性表面波の伝搬速度が変化
する。この位相差Δφは、第1図の実施例の場合と同様
、 Δ V Δφ=b’f2− ■ となり、ΔV/Vは次式により表現される。
Δ V −= c ’ f 2Δm b“およびCoは定数、f2は発振周波数、である、ま
た、入力用くし型電極1116112 と出力用くし型
電極121 ・122との間の位相は。
周波数に対してほぼ直線位相となるため、Δf、Δφ f2 °φ Δf:b’c’f2Δm、、、、、(5)と表現出来る
6発振周波数f2は数GH2まで発振可能であり、液体
中の特定物質を高感度で検出できる。
第3図は本発明を適用する弾性波による液体中物質検出
センサを使用した検出装置の別な実施例である。同図の
221・222は入力用くし型電極、231・232は
出力用くし型電極、24は増幅器、25は移相器である
。入力用電極221・222、出力用電極231・23
2、増幅器24、移相器25により閉ループを構成し、
発振器とする。
この信号を参照信号として周波数カウンタ21に入力す
る。入力用電極11+・112、出力用電極12+・1
22、増幅器19、移相器20により構成される閉ルー
プ差は、レセプタ3の有無のみとなる。したがって基板
10の温度変化等による周波数変化は、参照信号の周波
数も変化させ、特定物質のレセプタ3への吸着のみを検
出できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の弾性波による液体中物質
検出センサは、漏れ弾性表面波を利用したもので、被検
液体中の特定物質を検出する感度を著しく向上させると
いう利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を適用する検出センサを使用した装置の
実施例のブロック回路図、第2図は同じく本発明を適用
する検出センサを使用した装置の別な実施例のブロック
回路図、第3図は同じく別な実施例のブロック回路図、
第4図は従来の検出センサを使用した装置の実施例のブ
ロック回路図である。 136.水晶振動子

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、漏れ弾性表面波が発生する圧電体材料およびカット
    面からなる基板の同一表面上に、交流電圧を印加する対
    電極と交流電圧を発生する対電極とを設け、その両方の
    対電極の中間部分に特定物質を吸着する層を設けたこと
    を特徴とする弾性波による液体中物質検出センサ。
JP8613687A 1987-04-08 1987-04-08 弾性波による液体中物質検出センサ Pending JPS63250560A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7389673B2 (en) 2004-09-10 2008-06-24 Murata Manufacturing Co., Ltd. Sensor for detecting analyte in liquid and device for detecting analyte in liquid using the same
US7437907B2 (en) 2004-09-10 2008-10-21 Murata Manufacturing Co., Ltd. Sensor for detecting substance in liquid and apparatus for detecting substance in liquid using the same
US7656070B2 (en) 2005-04-06 2010-02-02 Murata Manufacturing Co., Ltd. Surface wave sensor apparatus
JP2010114880A (ja) * 2008-11-04 2010-05-20 Samsung Electronics Co Ltd 表面弾性波素子、表面弾性波装置、及びこれらの製造方法

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