弾性表面波センサー内蔵発振回路及びバイオセンサー装置
液体が付着した場合であっても、バイアス電圧の印加による電極膜の剥離が生じ難く、かつ安定に動作させ得る弾性表面波センサー内蔵発振回路を提供する。 圧電基板上にインターデジタル電極３３，３４と、インターデジタル電極３３，３４を覆うように、検出対象物質または検出対象物質を結合する結合物質を結合する反応膜が設けられており、微小な質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサー３２が共振子として接続されている弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、弾性表面波センサー３２に対して、直列に直流カット用コンデンサ３６，４２が接続されており、該直流カット用コンデンサ３６，４２が、それぞれ、インピーダンス整合回路を構成している、弾性表面波センサー内蔵発振回路３１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、バイオセンサーやガスセンサーなどとして用いられる弾性表面波センサーを共振子として有する弾性表面波センサー内蔵発振回路に関し、より詳細には、質量負荷による周波数変化に基づいて検出対象物質が検出される弾性表面波センサーを内蔵した弾性表面波センサー内蔵発振回路及び該弾性表面波センサー内蔵発振回路を備えるバイオセンサー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な物質を検出するために、弾性表面波素子を用いた種々の弾性表面波センサーが提案されている。例えば、ＤＮＡや抗体などの生体物質を検出する弾性表面波センサーでは、弾性表面波素子上に特定のＤＮＡや抗体などの生体物質とのみ反応する反応膜が設けられている。上記ＤＮＡや抗体が反応膜と反応し、反応膜に結合され、それによって弾性表面波素子上に質量が負荷される。この質量負荷に起因する周波数変化により、ＤＮＡや抗体の有無や濃度が検出される。
【０００３】
他方、下記の特許文献１には、この種の弾性表面波センサーの一例が開示されている。この先行技術に記載の弾性表面波センサーは、水中に含まれるカビ臭物質である２−ＭＩＢ（２−メチルイソボルネオール）の検出を可能とするものである。図１１に示すように、弾性表面波センサー１０１では、圧電基板１０２上にインターデジタル電極１０３，１０４及び金属薄膜１０５が形成されている。一方のインターデジタル電極１０３と他方のインターデジタル電極１０４との間に増幅器１０６，１０７が接続されており、出力側のインターデジタル電極１０４及び増幅器１０６，１０７の後段に混合器１０８が接続されている。混合器１０８から弾性表面波センサー１０１の出力が取り出されるように構成されている。
【０００４】
この先行技術に記載の弾性表面波センサー１０１では、上記圧電基板１０２の上面において、カンファー・Ｏｖａ複合体が固定化される。このカンファー・Ｏｖａ複合体が反応膜として機能し、カンファー・Ｏｖａ複合体との反応により２−ＭＩＢが検出される。
【０００５】
すなわち、カビ臭原因物質である２−ＭＩＢに類似の構造を有するカンファー及び蛋白質の複合体抗原が、弾性表面波センサー１０１において固定化されている。そして、弾性表面波センサー１０１が、２−ＭＩＢを特異的に結合する抗２−ＭＩＢ抗体を一定濃度で含む被測定溶液中に浸漬され、溶液中に存在している未知濃度の２−ＭＩＢと、上記カンファー・蛋白質複合体抗原とが競合的に反応する。そして、弾性表面波センサー１０１上に固定化されているカンファー・蛋白質複合体抗原に結合した抗２−ＭＩＢ抗体量が、弾性表面波センサーに対する質量負荷による出力変化により求められる。そして、カンファー・蛋白質複合体抗原に結合された抗２−ＭＩＢ抗体量と、２−ＭＩＢが存在しない場合の結合抗体量の差により、被測定溶液中の２−ＭＩＢ濃度が定量される。
【０００６】
上記のように、この種の弾性表面波センサーでは、質量変化が周波数変化として検出される。より詳細には、該弾性表面波センサーが共振子として発振回路に組み込まれ、該発振回路の発振周波数の変化により質量変化が検出されることになる。
【０００７】
他方、弾性表面波素子を共振子として用いた発振回路は、例えば、特許文献２及び特許文献３にそれぞれ開示されている。特許文献２，３に記載の発振回路は、電圧制御発振回路やリモートコントローラなどの無線装置などに用いられているものである。図１２は、この種の発振回路の一例を示す回路図である。
【０００８】
発振回路１２１では、弾性表面波素子１２２が共振子として用いられている。ここでは、弾性表面波素子１２２は、２ポート型の弾性表面波共振子により構成されている。２ポート型弾性表面波共振子１２２の第１のポートが、ＦＥＴ１２３のゲート端子に接続されている。そして、第２のポートがＦＥＴ１２３のドレイン端子に接続されている。
【０００９】
ここでは、ＦＥＴ１２３のゲート端子に接続された出力端子１２４から発振出力が取出される。
【特許文献１】特開平１０−９０２７０号公報
【特許文献２】特開平２−６０２１１号公報
【特許文献３】特開平２−１６４１２１号公報
【発明の開示】
【００１０】
図１２に示した発振回路１２１は、特許文献２，３に記載のように、弾性表面波素子を共振子として用いた発振回路である。しかしながら、このような発振回路は、いずれも、電圧制御発振回路やリモートコントローラなどの無線装置に用いられるものであり、検出対象物質の検出のために用いられる発振回路ではなかった。
【００１１】
また、図１２に示した発振回路１２１では、ＦＥＴ１２３に接続される弾性表面波素子１２２のくし型電極部に、通常、ＦＥＴ１２３のバイアス電圧に相当する数Ｖの直流電圧が印加される。
【００１２】
上記特許文献１に記載のような弾性表面波センサーを、図１２に示した発振回路１２１に用いた場合、以下のような問題が生じる。すなわち、弾性表面波センサーによる検出対象物質を検出する場合、通常、弾性表面波センサーは、体液や血液などの液体に浸漬される。そのため、弾性表面波センサーの表面に液体の一部が付着する。他方、図１２に示した発振回路１２１における弾性表面波素子１２２に代えて、上記弾性表面波センサーを用いると、前述したように、弾性表面波センサーのくし型電極部に、直流バイアス電圧が印加される。従って、上記直流バイアス電圧が印加されると、弾性表面波センサーの表面に付着している液体を介しての絶縁破壊が生じ、くし型電極部において、電極が剥離したりするという問題が生じる。
【００１３】
すなわち、発振回路１２１などは、液体に浸漬される弾性表面波センサーを組み合わせて用いることを考慮されているものではないため、このような発振回路１２１において弾性表面波センサーを得ることはできなかった。
【００１４】
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、質量負荷の変化により周波数変化として検出対象物質を検出することを可能とする弾性表面波センサーを共振子として用いた発振回路であって、直流バイアス電圧の印加による電極剥離などの不具合が生じ難く、安定に動作し得る弾性表面波センサー内蔵発振回路並びに該弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いたバイオセンサー装置を提供することにある。
【００１５】
本発明は、圧電基板と、圧電基板上に形成されている表面波励振用電極と、表面波励振用電極を覆うように、前記圧電基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを有し、微小な質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として接続されている弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、前記弾性表面波センサーに対して直列に接続された直流カット用コンデンサを備え、該直流カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のある特定の局面では、前記インピーダンス整合回路が、前記直流カット用コンデンサに直列に接続されたインダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端とグラウンド電位との間にそれぞれ接続された第１，第２のコンデンサとを有する。
【００１７】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに他の特定の局面では、前記弾性表面波センサーと、前記直流カット用コンデンサとの間の接続点と、グラウンド電位との間に接続されている抵抗がさらに備えられる。
【００１８】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに別の特定の局面では、前記弾性表面波センサーが、２ポート型表面波共振子を用いて構成されている。
【００１９】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに他の特定の局面では、前記２ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第１，第２のポートを有し、前記直流カット用コンデンサとして第１，第２の直流カット用コンデンサを有し、前記インピーダンス整合回路として、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第１のポートに接続されており、かつ前記第１の直流カット用コンデンサを含む第１のインピーダンス整合回路と、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第２のポートに接続されており、かつ前記第２の直流カット用コンデンサを含む第２のインピーダンス整合回路とを有し、前記第１のインピーダンス整合回路の第２の端子及び前記第２のインピーダンス整合回路の第２の端子に接続されているトランジスタをさらに備える。
【００２０】
本発明に係る弾性表面波内蔵発振回路のさらに別の特定の局面では、前記トランジスタとして、電界効果型トランジスタが用いられる。
【００２１】
本発明に係るバイオセンサー装置は、本発明に従って構成された弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて構成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路では、質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として用いられており、該弾性表面波センサーに対して、直列カット用コンデンサが接続されており、該直流カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されているため、弾性表面波センサーが水溶液などの液体中に浸漬されたとしても、上記直流カット用コンデンサにより直流バイアス電圧の電極部への印加が抑制される。従って、直流バイアス電圧による電極剥離等を抑制することが可能となる。
【００２３】
また、単に直流カット用コンデンサを接続した場合には、回路のインピーダンス整合がずれ、発振の振幅条件である正帰還量が１を超えないため、発振しなくなる。しかしながら、本発明では、上記直流カット用コンデンサがインピーダンス整合回路をも構成しているため、発振停止を避けることができる。すなわち、微小な質量負荷が弾性表面波センサーに与えられたしても、質量負荷に応じて変化した周波数の発振出力を確実に得ることができ、弾性表面波センサーによる質量負荷の検出を安定にかつ高精度に行うことができる。
【００２４】
本発明において、インピーダンス整合回路が、直流カット用コンデンサに直列に接続されたインダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端と、グラウンド電位との間にそれぞれ接続された、第１，第２のコンデンサとを有する場合、スミスチャート等でＺ＝Ｒ＋ｊＸ等のように複素数で表現されるインピーダンス平面上を任意に移動させることができるため、弾性表面波センサーのインピーダンスに関わらずインピーダンス整合を容易に図ることができる。このため、広帯域の発振出力を得ることができる。
【００２５】
本発明において、弾性表面波センサーと直流カット用コンデンサとの間の接続点とグラウンド電位との間に接続されている抵抗がさらに備えられている場合には、焦電作用によるくし型電極の電極指間の短絡を効果的に抑制することができる。
【００２６】
本発明において、弾性表面波センサーが、２ポート型表面波共振子を用いて構成されている場合には、０次、１次（または１次、２次）と呼ばれるそれぞれ逆相で励振強度が強い２つのＳＡＷのモード間隔を広くとることで通過域を広帯域化させることができ、弾性表面波センサーとしての検出感度を高めることができる。
【００２７】
本発明において、２ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第１，第２のポートを有し、直流カット用コンデンサとして第１，第２の直流カット用コンデンサを有し、インピーダンス整合回路として、第１，第２のインピーダンス整合回路を有し、第１のインピーダンス整合回路の第１の端子が、第１のポートに、第２の端子がトラジスタに、第２のインピーダンス整合回路の第１の端子が第２のポートに、第２の端子がトランジスタに接続されている場合には、２ポート弾性表面波共振子の第１，第２のポートに、それぞれ、第１，第２のインピーダンス整合回路が接続されるため、トランジスタとのインピーダンス整合を良好に図ることができ、発振条件を確実に満足させることができる。従って、２ポート型弾性表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーを有する弾性表面波センサー内蔵発振回路の動作をより一層安定とすることができる。
【００２８】
トランジスタとして電界効果型トランジスタが用いられている場合には、比較的高いインピーダンスの弾性表面波センサーに向いている。
【００２９】
本発明に係るバイオセンサー装置では、本発明に従って構成された弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて構成されているため、発振周波数の変化により微小な検出物質を安定に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路を示す回路図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図であり、（ａ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の状態を模式的に示す正面断面図、（ｂ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の周波数変化を示す図、（ｃ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の模式的正面断面図、（ｄ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の周波数変化を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態で用いられる２ポート型弾性表面波共振子の電極構造を模式的に示す平面図である。
【図４】図４は、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件を説明するための変形例の回路図である。
【図５】図５は、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件を説明するための他の変形例の回路図である。
【図６】図６は、図５に示した回路において、図８に示した特性のＳＡＷフィルタを用い、かつ共振系回路部の設定を表１に示すように設定した際のポート３及びポート３Ａの反射係数を説明するための図である。
【図７】図７は、ポート２Ａ及びポート３Ａを接続し、図４に示した回路を構成した際のＳ３２の振幅特性及び位相特性を示す図である。
【図８】図８は、ＳＡＷフィルタの特性の一例を示す図である。
【図９】図９は、本実施形態及び比較のために用意した弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて弾性表面波センサーの表面に液体を付着させた場合の発振周波数の変化を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施形態及び比較のために用意した弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて弾性表面波センサーの表面に液体を付着させた場合の出力レベルの変化を示す図である。
【図１１】図１１は、従来の弾性表面波センサーの一例を示す模式的平面図である。
【図１２】図１２は、従来の弾性表面波共振子を用いて構成された発振回路の回路図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…弾性表面波センサー
２…ＬｉＴａＯ３基板
３…インターデジタル電極
４…反応膜
５…液体
６…検出対象物質
１３，２３…インターデジタル電極
１４，１５…反射器
３１…弾性表面波センサー内蔵発振回路
３２…弾性表面波センサー
３２ａ，３２ｂ…第１，第２のポート
３３，３４…第１，第２のインターデジタル電極
３５…トランジスタ
３５ａ…ベース端子
３５ｂ…コレクタ端子
３５ｃ…リミッター端子
３６…第１の直流カット用コンデンサ
３７…インダクタンス素子
３８，３９…コンデンサ素子
４０…接続点
４１…抵抗
４２…第２の直流カット用コンデンサ
４３…インダクタンス素子
４４，４５…コンデンサ素子
４６…抵抗
４７…接続点
４８…接続点
４９…出力端子
５０〜５２…接続点
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ素子
Ｒ１〜Ｒ５…抵抗素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３３】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路で用いられている弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図である。
【００３４】
本実施形態の弾性表面波センサー１は、ＳＨタイプの表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板２を有する。このＬｉＴａＯ３基板２上に表面波励振用電極としてインターデジタル電極３が形成されている。インターデジタル電極３はＡｕにより構成されている。また、インターデジタル電極３の弾性表面波の波長で規格化された膜厚は０．８〜９．５％の範囲とされている。また、Ａｕ電極上には、ＳｉＯ２誘電膜が形成されている。
【００３５】
上記ＬｉＴａＯ３基板上に反応膜４が形成されている。反応膜４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を結合する適宜の材料で構成され得る。
【００３６】
弾性表面波センサー１では、例えば、検出対象物質を含まない液体５に浸漬されると、図２（ａ）に示すように、液体５が反応膜４に接触する。この場合、液体５内に検出対象物質が存在しないが、液体５が反応膜４に接触し、ひいてはＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に質量が負荷されることになる。従って、図２（ｂ）に示すように、液体５に浸漬される前の周波数特性Ａから、液体に浸漬した後の周波数特性Ｂとなるように、周波数が低下する。しかしながら、この場合には、この周波数の変化量は比較的小さい。
【００３７】
これに対して、図２（ｃ）に示すように、検出対象物質６を含有している液体５に弾性表面波センサー１が浸漬された場合には、検出対象物質６が反応膜４に結合される。そのため、ＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に、反応膜４の表面に結合された検出対象物質６による質量が、単に液体５による増加作用に追加されることになる。
【００３８】
液体５中に検出対象物質６が存在した場合には、検出対象物質６が反応膜４と反応し、反応膜４の表面に結合される。そのため、該検出対象物質６による質量負荷作用により、ＬｉＴａＯ３基板２の表面で励振されたＳＨタイプの表面波への影響が大きくなり、上記のように周波数変化により検出対象物質の有無を検出することができる。
【００３９】
なお、本発明においては、上述した原理の弾性表面波センサー１が、効果的に用いられるが、この弾性表面波センサー１におけるインターデジタル電極の形状については限定されず、１つのインターデジタル電極の表面波伝搬方向両側に反射器が構成された１ポート型弾性表面波共振子でもよく、図３に示す２ポート型弾性表面波共振子であってもよい。
【００４０】
図３は、２ポート型弾性表面波共振子の電極構造を示す模式的平面図である。ここでは、インターデジタル電極１３，２３が表面波伝搬方向に配置されており、インターデジタル電極１３，２３の設けられている領域の表面波伝搬方向両側に反射器１４，１５が配置されている。
【００４１】
次に、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路を説明する。
【００４２】
図１に示すように、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１では、上記原理で測定する弾性表面波センサー３２が用いられている。弾性表面波センサー３２は、図１に略図的に示されているように、第１，第２のインターデジタル電極３３，３４を有する２ポート型弾性表面波共振子を用いて構成されている。従って、弾性表面波センサー３２は、第１，第２のポート３２ａ，３２ｂを有する。
【００４３】
なお、図１では、略図的に弾性表面波センサー３２が示されているが、弾性表面波センサー３２は、上記弾性表面波センサー１と同様に構成されている。すなわち、上記インターデジタル電極３３，３４を覆うように、反応膜が形成されている構成を有する。
【００４４】
また、図１に示すように、第１のポート３２ａは、トランジスタ３５のベース端子３５ａに接続されている。ここで、第１のポート３２ａと、ベース端子３５ａとの間には、第１の直流カット用コンデンサ３６及びインダクタンス素子３７が直列に接続されている。インダクタンス素子３７は、直流カット用コンデンサ３６よりもベース端子３５ａ側に接続されている。そして、インダクタンス素子３７の両端の接続点３７ａ，３７ｂとグラウンド電位との間に、コンデンサ素子３８，３９が接続されている。本実施形態では、上記インダクタンス素子３７と、コンデンサ素子３８，３９とで構成されるπ型のフィルタ部分と、直流カット用コンデンサ３６とにより、第１のインピーダンス整合回路が構成されている。第１のインピーダンス整合回路は、第１のポート３２ａの出力インピーダンスをトランジスタ３５のベース端子３５ａの入力インピーダンスと整合させるために構成されている。
【００４５】
また、第１のポート３２ａと直流カット用コンデンサ３６との間の接続点４０とグラウンド電位との間に、抵抗４１が接続されている。抵抗４１は、焦電効果によるインターデジタル電極３２，３３の短絡を防止するために設けられている。従って、抵抗４１の抵抗値は、このような効果を発現するように選ばれる。
【００４６】
他方、弾性表面波センサー３２の第２のポート３２ｂは、直列に接続された第２の直流カット用コンデンサ４２及びインダクタンス素子４３を介してトランジスタ３５のコレクタ端子３５ｂに接続されている。第２の直流カット用コンデンサ４２は、直流バイアス電圧がインターデジタル電極３４に印加されるのを防止するために設けられている。インダクタンス素子４３は、直流カット用コンデンサ４２よりもトランジスタ３５のコレクタ端子３５ｂ側に設けられている。また、インダクタンス素子４３の両側の接続点４３ａ，４３ｂとグラウンド電位との間に、コンデンサ素子４４，４５が接続されている。上記インダクタンス素子４３及びコンデンサ素子４４，４５と、第２の直流カット用コンデンサ４２とが、第２のインピーダンス整合回路を構成している。
【００４７】
従って、弾性表面波センサー３２では、第１，第２のポート３２ａ，３２ｂが、それぞれ、第１，第２のインピーダンス整合回路を介してトランジスタ３５に接続されている。
【００４８】
また、第２のポート３２ｂ側においても、焦電作用によるインターデジタル電極３４の短絡を防止するために、抵抗４６が、第２のポート３２ｂと直流カット用コンデンサ４２との間の接続点４７とグラウンド電位との間に接続されている。
【００４９】
また、第２のインピーダンス整合回路とトランジスタ３５のコレクタ端子３５ｂとの間の接続点４８が、コンデンサＣ１を介して出力端子４９に接続されている。また、接続点４８と電源電圧Ｖｃｃとの間に、互いに直列に抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２間の接続点５０が、コンデンサＣ２を介してグラウンド電位に接続されている。さらに、電源電圧Ｖｃｃと抵抗Ｒ１との間の接続点５１がコンデンサＣ３を介してグラウンド電位に接続されている。
【００５０】
また、上記接続点５０とグラウンド電位との間に、互いに、直列に、抵抗Ｒ３，Ｒ４が接続されており、抵抗Ｒ３，Ｒ４間の接続点５２は、第１のインピーダンス整合回路の出力端に接続されている。さらに、トランジスタ３５のエミッタ端子３５ｃとグラウンド電位との間に、抵抗Ｒ５が接続されており、該抵抗Ｒ５に並列にコンデンサＣ４が接続されている。
【００５１】
図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路において、発振条件を考察するために、図４に示す変形例の回路について検討した。図４に示す回路では、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路において、ポートＰ１〜ポートＰ３が設けられて、オープンループ回路が構成されている。この回路では、弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件は、下記の式（１）及び（２）を満たす必要がある。
｜Ｓ３２｜≧０（ｄＢ）・・・（１）
∠Ｓ３２＝３６０×ｎ（ｄｅｇ）ｎは整数・・・（２）
【００５２】
上記式（１）が振幅条件であり、式（２）が位相条件である。従って、発振させるには、ループゲインが０ｄＢ以上であること、並びにループ位相差が３６０ｄｅｇの整数倍であることがわかる。ここで、ポートＰ１は、発振周波数を測定するための５０Ω系の周波数カウンターに接続されている。従って、弾性表面波センサー内蔵発振回路の出力インピーダンスは５０Ωに設定されている。
【００５３】
次に、図１に示した回路を、共振系回路部と増幅系回路部とに分離した回路を図５に示す。ポートＰ２及びポートＰ２Ａから増幅回路側を見たときのインピーダンスを５０Ωとする。このとき、ポートＰ３及びポートＰ３Ａから共振系回路部を見たときのインピーダンスは５０Ωに近い程、各ポートの反射が小さく、ループゲインは大きいと見なすことができる。
【００５４】
図５に示した回路において、図８に示す特性のＳＡＷフィルタを用い、かつ共振系回路部の各素子の値を下記の表１に示す値とした場合、ポートＰ３及びポートＰ３Ａの対応する反射係数を図６に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
図６に示されているＳ３３及びＳ３Ａ３Ａの特性から明らかなように、Ｓ３Ａ３Ａは、５０Ωに近い特性であるが、Ｓ３３は５０Ωからかなりずれていることがわかる。
【００５７】
図６に示した特性を与えるように表１に示すように各素子の値が設定されているとき、ポートＰ２Ａ及びポートＰ３Ａを接続し、図４に示す回路を構成したときのＳ３２の振幅特性及び位相特性を図７に示す。図７から明らかなように、位相特性が０のとき、振幅特性が０より大きいゲインを得られると、発振条件を満たすことがわかる。なお、発振系回路部におけるインピーダンス整合をさらに改善するには、発振系回路部のコンデンサＣ７，Ｃ８，Ｃ９及びＣ１０を挿入すればよい。これにより、Ｓ３２における位相特性が０の場合の振幅特性が０より大きくなり、発振条件を余裕を持って満足させることができる。
【００５８】
従って、上記のような手段により、発振系回路部のインピーダンスと増幅系回路部のインピーダンスができるだけ整合するように、インダクタンスＬ１、コンデンサＣ２、Ｃ７及びＣ８で構成されるインピーダンス整合回路と、インダクタンスＬ２、並びにコンデンサＣ３、Ｃ９及びＣ１０で構成されるインピーダンス整合回路の各素子の値を決定すればよい。
【００５９】
本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１では、上記弾性表面波センサー３２に検出対象物質の存在により微小な質量負荷が与えられた際に、弾性表面波センサー３２の共振周波数が変化する。そのため、弾性表面波センサー内蔵発振回路３１の出力端子４９から取出される発振周波数が変化し、それによって検出対象物質の検出を行うことが可能とされている。この場合、第１，第２の直流カット用コンデンサ３６，４２により、前述した直流バイアス電圧が、インターデジタル電極３３，３４に印加されるのを確実に防止することができる。従って、直流バイアス電圧の印加によるインターデジタル電極３３，３４における短絡等が生じ難く、かつ電極膜の基板からの剥離も生じ難い。
【００６０】
のみならず、単に直流カット用コンデンサを直列に接続しただけでは、インピーダンス整合状態が崩れ、発振条件を満足しないおそれがあるが、本実施形態では、第１，第２の直流カット用コンデンサ３６，４２は、前述した第１，第２のインピーダンス整合回路を構成するように接続されている。すなわち、第１，第２の直流カット用コンデンサ３６，４２の静電容量は、上記第１，第２のインピーダンス整合回路を構成するように選択されているため、発振条件が確実に満足され、発振停止が生じ難い。
【００６１】
よって、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１では、直流バイアス電圧の印加による電極膜の剥離等が生じ難く、かつ蛋白質等の検出対象物質が弾性表面波センサー表面に付着することにより、発振周波数が変化したとしても、発振条件が確実に満足されるため、検出対象物質を確実に検出することができる。
【００６２】
従って、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１は、例えば、体液中の蛋白質などの検出対象物質を検出するためのバイオセンサー装置に好適に用いられる。
【００６３】
なお、上記実施形態では、トランジスタ３５が用いられたが、トランジスタ３５の代わりに、電界効果型トランジスタを用いてもよく、その場合には、比較的高いインピーダンスの弾性表面波センサーに向いている。
【００６４】
次に、具体的な実験例につき説明する。
【００６５】
２ポート型弾性表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサー３２を用い、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路３１を構成した。比較のために、同じ弾性表面波センサーを用い、但し、図１２に示した発振回路１２１を構成した。
【００６６】
また、使用した弾性表面波センサーの第１，第２のインターデジタル電極の電極指の対数は、それぞれ１２、１２とし、波長は５．８μｍとした。また、インターデジタル電極上には、反応膜としてアルカンシラン膜上に抗アルブミンを付着させた。
【００６７】
上記実施形態及び比較のために用意した発振回路を用い、それぞれの弾性表面波センサー表面に検出対象物質含有水溶液として生理食塩水を付着させた場合の出力周波数変化及び出力レベル変化を図９及び図１０にそれぞれ示す。なお、図９及び図１０において、破線が比較のために用意した発振回路による結果を示し、実線は、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路による結果を示す。
【００６８】
図９及び図１０から明らかなように、比較のために用意した発振回路を用いた場合には、液体の付着により短時間で発振周波数や出力レベルが大きく変化し、早期に発振が停止したため、弾性表面波センサーを用いて検出対象物質を検出することができないことがわかる。これに対して、上記実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路では、安定な周波数及び出力レベルを得ることができ、検出対象物質含有液体の付着による周波数変化をより確実にかつ安定に測定し得ることがわかる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、バイオセンサーやガスセンサーなどとして用いられる弾性表面波センサーを共振子として有する弾性表面波センサー内蔵発振回路に関し、より詳細には、質量負荷による周波数変化に基づいて検出対象物質が検出される弾性表面波センサーを内蔵した弾性表面波センサー内蔵発振回路及び該弾性表面波センサー内蔵発振回路を備えるバイオセンサー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な物質を検出するために、弾性表面波素子を用いた種々の弾性表面波センサーが提案されている。例えば、ＤＮＡや抗体などの生体物質を検出する弾性表面波センサーでは、弾性表面波素子上に特定のＤＮＡや抗体などの生体物質とのみ反応する反応膜が設けられている。上記ＤＮＡや抗体が反応膜と反応し、反応膜に結合され、それによって弾性表面波素子上に質量が負荷される。この質量負荷に起因する周波数変化により、ＤＮＡや抗体の有無や濃度が検出される。
【０００３】
他方、下記の特許文献１には、この種の弾性表面波センサーの一例が開示されている。この先行技術に記載の弾性表面波センサーは、水中に含まれるカビ臭物質である２−ＭＩＢ（２−メチルイソボルネオール）の検出を可能とするものである。図１１に示すように、弾性表面波センサー１０１では、圧電基板１０２上にインターデジタル電極１０３，１０４及び金属薄膜１０５が形成されている。一方のインターデジタル電極１０３と他方のインターデジタル電極１０４との間に増幅器１０６，１０７が接続されており、出力側のインターデジタル電極１０４及び増幅器１０６，１０７の後段に混合器１０８が接続されている。混合器１０８から弾性表面波センサー１０１の出力が取り出されるように構成されている。
【０００４】
この先行技術に記載の弾性表面波センサー１０１では、上記圧電基板１０２の上面において、カンファー・Ｏｖａ複合体が固定化される。このカンファー・Ｏｖａ複合体が反応膜として機能し、カンファー・Ｏｖａ複合体との反応により２−ＭＩＢが検出される。
【０００５】
すなわち、カビ臭原因物質である２−ＭＩＢに類似の構造を有するカンファー及び蛋白質の複合体抗原が、弾性表面波センサー１０１において固定化されている。そして、弾性表面波センサー１０１が、２−ＭＩＢを特異的に結合する抗２−ＭＩＢ抗体を一定濃度で含む被測定溶液中に浸漬され、溶液中に存在している未知濃度の２−ＭＩＢと、上記カンファー・蛋白質複合体抗原とが競合的に反応する。そして、弾性表面波センサー１０１上に固定化されているカンファー・蛋白質複合体抗原に結合した抗２−ＭＩＢ抗体量が、弾性表面波センサーに対する質量負荷による出力変化により求められる。そして、カンファー・蛋白質複合体抗原に結合された抗２−ＭＩＢ抗体量と、２−ＭＩＢが存在しない場合の結合抗体量の差により、被測定溶液中の２−ＭＩＢ濃度が定量される。
【０００６】
上記のように、この種の弾性表面波センサーでは、質量変化が周波数変化として検出される。より詳細には、該弾性表面波センサーが共振子として発振回路に組み込まれ、該発振回路の発振周波数の変化により質量変化が検出されることになる。
【０００７】
他方、弾性表面波素子を共振子として用いた発振回路は、例えば、特許文献２及び特許文献３にそれぞれ開示されている。特許文献２，３に記載の発振回路は、電圧制御発振回路やリモートコントローラなどの無線装置などに用いられているものである。図１２は、この種の発振回路の一例を示す回路図である。
【０００８】
発振回路１２１では、弾性表面波素子１２２が共振子として用いられている。ここでは、弾性表面波素子１２２は、２ポート型の弾性表面波共振子により構成されている。２ポート型弾性表面波共振子１２２の第１のポートが、ＦＥＴ１２３のゲート端子に接続されている。そして、第２のポートがＦＥＴ１２３のドレイン端子に接続されている。
【０００９】
ここでは、ＦＥＴ１２３のゲート端子に接続された出力端子１２４から発振出力が取出される。
【特許文献１】特開平１０−９０２７０号公報
【特許文献２】特開平２−６０２１１号公報
【特許文献３】特開平２−１６４１２１号公報
【発明の開示】
【００１０】
図１２に示した発振回路１２１は、特許文献２，３に記載のように、弾性表面波素子を共振子として用いた発振回路である。しかしながら、このような発振回路は、いずれも、電圧制御発振回路やリモートコントローラなどの無線装置に用いられるものであり、検出対象物質の検出のために用いられる発振回路ではなかった。
【００１１】
また、図１２に示した発振回路１２１では、ＦＥＴ１２３に接続される弾性表面波素子１２２のくし型電極部に、通常、ＦＥＴ１２３のバイアス電圧に相当する数Ｖの直流電圧が印加される。
【００１２】
上記特許文献１に記載のような弾性表面波センサーを、図１２に示した発振回路１２１に用いた場合、以下のような問題が生じる。すなわち、弾性表面波センサーによる検出対象物質を検出する場合、通常、弾性表面波センサーは、体液や血液などの液体に浸漬される。そのため、弾性表面波センサーの表面に液体の一部が付着する。他方、図１２に示した発振回路１２１における弾性表面波素子１２２に代えて、上記弾性表面波センサーを用いると、前述したように、弾性表面波センサーのくし型電極部に、直流バイアス電圧が印加される。従って、上記直流バイアス電圧が印加されると、弾性表面波センサーの表面に付着している液体を介しての絶縁破壊が生じ、くし型電極部において、電極が剥離したりするという問題が生じる。
【００１３】
すなわち、発振回路１２１などは、液体に浸漬される弾性表面波センサーを組み合わせて用いることを考慮されているものではないため、このような発振回路１２１において弾性表面波センサーを得ることはできなかった。
【００１４】
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、質量負荷の変化により周波数変化として検出対象物質を検出することを可能とする弾性表面波センサーを共振子として用いた発振回路であって、直流バイアス電圧の印加による電極剥離などの不具合が生じ難く、安定に動作し得る弾性表面波センサー内蔵発振回路並びに該弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いたバイオセンサー装置を提供することにある。
【００１５】
本発明は、圧電基板と、圧電基板上に形成されている表面波励振用電極と、表面波励振用電極を覆うように、前記圧電基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを有し、微小な質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として接続されている弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、前記弾性表面波センサーに対して直列に接続された直流カット用コンデンサを備え、該直流カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のある特定の局面では、前記インピーダンス整合回路が、前記直流カット用コンデンサに直列に接続されたインダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端とグラウンド電位との間にそれぞれ接続された第１，第２のコンデンサとを有する。
【００１７】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに他の特定の局面では、前記弾性表面波センサーと、前記直流カット用コンデンサとの間の接続点と、グラウンド電位との間に接続されている抵抗がさらに備えられる。
【００１８】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに別の特定の局面では、前記弾性表面波センサーが、２ポート型表面波共振子を用いて構成されている。
【００１９】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路のさらに他の特定の局面では、前記２ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第１，第２のポートを有し、前記直流カット用コンデンサとして第１，第２の直流カット用コンデンサを有し、前記インピーダンス整合回路として、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第１のポートに接続されており、かつ前記第１の直流カット用コンデンサを含む第１のインピーダンス整合回路と、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第２のポートに接続されており、かつ前記第２の直流カット用コンデンサを含む第２のインピーダンス整合回路とを有し、前記第１のインピーダンス整合回路の第２の端子及び前記第２のインピーダンス整合回路の第２の端子に接続されているトランジスタをさらに備える。
【００２０】
本発明に係る弾性表面波内蔵発振回路のさらに別の特定の局面では、前記トランジスタとして、電界効果型トランジスタが用いられる。
【００２１】
本発明に係るバイオセンサー装置は、本発明に従って構成された弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて構成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路では、質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として用いられており、該弾性表面波センサーに対して、直列カット用コンデンサが接続されており、該直流カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されているため、弾性表面波センサーが水溶液などの液体中に浸漬されたとしても、上記直流カット用コンデンサにより直流バイアス電圧の電極部への印加が抑制される。従って、直流バイアス電圧による電極剥離等を抑制することが可能となる。
【００２３】
また、単に直流カット用コンデンサを接続した場合には、回路のインピーダンス整合がずれ、発振の振幅条件である正帰還量が１を超えないため、発振しなくなる。しかしながら、本発明では、上記直流カット用コンデンサがインピーダンス整合回路をも構成しているため、発振停止を避けることができる。すなわち、微小な質量負荷が弾性表面波センサーに与えられたしても、質量負荷に応じて変化した周波数の発振出力を確実に得ることができ、弾性表面波センサーによる質量負荷の検出を安定にかつ高精度に行うことができる。
【００２４】
本発明において、インピーダンス整合回路が、直流カット用コンデンサに直列に接続されたインダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端と、グラウンド電位との間にそれぞれ接続された、第１，第２のコンデンサとを有する場合、スミスチャート等でＺ＝Ｒ＋ｊＸ等のように複素数で表現されるインピーダンス平面上を任意に移動させることができるため、弾性表面波センサーのインピーダンスに関わらずインピーダンス整合を容易に図ることができる。このため、広帯域の発振出力を得ることができる。
【００２５】
本発明において、弾性表面波センサーと直流カット用コンデンサとの間の接続点とグラウンド電位との間に接続されている抵抗がさらに備えられている場合には、焦電作用によるくし型電極の電極指間の短絡を効果的に抑制することができる。
【００２６】
本発明において、弾性表面波センサーが、２ポート型表面波共振子を用いて構成されている場合には、０次、１次（または１次、２次）と呼ばれるそれぞれ逆相で励振強度が強い２つのＳＡＷのモード間隔を広くとることで通過域を広帯域化させることができ、弾性表面波センサーとしての検出感度を高めることができる。
【００２７】
本発明において、２ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第１，第２のポートを有し、直流カット用コンデンサとして第１，第２の直流カット用コンデンサを有し、インピーダンス整合回路として、第１，第２のインピーダンス整合回路を有し、第１のインピーダンス整合回路の第１の端子が、第１のポートに、第２の端子がトラジスタに、第２のインピーダンス整合回路の第１の端子が第２のポートに、第２の端子がトランジスタに接続されている場合には、２ポート弾性表面波共振子の第１，第２のポートに、それぞれ、第１，第２のインピーダンス整合回路が接続されるため、トランジスタとのインピーダンス整合を良好に図ることができ、発振条件を確実に満足させることができる。従って、２ポート型弾性表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーを有する弾性表面波センサー内蔵発振回路の動作をより一層安定とすることができる。
【００２８】
トランジスタとして電界効果型トランジスタが用いられている場合には、比較的高いインピーダンスの弾性表面波センサーに向いている。
【００２９】
本発明に係るバイオセンサー装置では、本発明に従って構成された弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて構成されているため、発振周波数の変化により微小な検出物質を安定に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路を示す回路図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図であり、（ａ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の状態を模式的に示す正面断面図、（ｂ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の周波数変化を示す図、（ｃ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の模式的正面断面図、（ｄ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の周波数変化を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態で用いられる２ポート型弾性表面波共振子の電極構造を模式的に示す平面図である。
【図４】図４は、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件を説明するための変形例の回路図である。
【図５】図５は、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件を説明するための他の変形例の回路図である。
【図６】図６は、図５に示した回路において、図８に示した特性のＳＡＷフィルタを用い、かつ共振系回路部の設定を表１に示すように設定した際のポート３及びポート３Ａの反射係数を説明するための図である。
【図７】図７は、ポート２Ａ及びポート３Ａを接続し、図４に示した回路を構成した際のＳ３２の振幅特性及び位相特性を示す図である。
【図８】図８は、ＳＡＷフィルタの特性の一例を示す図である。
【図９】図９は、本実施形態及び比較のために用意した弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて弾性表面波センサーの表面に液体を付着させた場合の発振周波数の変化を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施形態及び比較のために用意した弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて弾性表面波センサーの表面に液体を付着させた場合の出力レベルの変化を示す図である。
【図１１】図１１は、従来の弾性表面波センサーの一例を示す模式的平面図である。
【図１２】図１２は、従来の弾性表面波共振子を用いて構成された発振回路の回路図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…弾性表面波センサー
２…ＬｉＴａＯ３基板
３…インターデジタル電極
４…反応膜
５…液体
６…検出対象物質
１３，２３…インターデジタル電極
１４，１５…反射器
３１…弾性表面波センサー内蔵発振回路
３２…弾性表面波センサー
３２ａ，３２ｂ…第１，第２のポート
３３，３４…第１，第２のインターデジタル電極
３５…トランジスタ
３５ａ…ベース端子
３５ｂ…コレクタ端子
３５ｃ…リミッター端子
３６…第１の直流カット用コンデンサ
３７…インダクタンス素子
３８，３９…コンデンサ素子
４０…接続点
４１…抵抗
４２…第２の直流カット用コンデンサ
４３…インダクタンス素子
４４，４５…コンデンサ素子
４６…抵抗
４７…接続点
４８…接続点
４９…出力端子
５０〜５２…接続点
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ素子
Ｒ１〜Ｒ５…抵抗素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３３】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路で用いられている弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図である。
【００３４】
本実施形態の弾性表面波センサー１は、ＳＨタイプの表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板２を有する。このＬｉＴａＯ３基板２上に表面波励振用電極としてインターデジタル電極３が形成されている。インターデジタル電極３はＡｕにより構成されている。また、インターデジタル電極３の弾性表面波の波長で規格化された膜厚は０．８〜９．５％の範囲とされている。また、Ａｕ電極上には、ＳｉＯ２誘電膜が形成されている。
【００３５】
上記ＬｉＴａＯ３基板上に反応膜４が形成されている。反応膜４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を結合する適宜の材料で構成され得る。
【００３６】
弾性表面波センサー１では、例えば、検出対象物質を含まない液体５に浸漬されると、図２（ａ）に示すように、液体５が反応膜４に接触する。この場合、液体５内に検出対象物質が存在しないが、液体５が反応膜４に接触し、ひいてはＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に質量が負荷されることになる。従って、図２（ｂ）に示すように、液体５に浸漬される前の周波数特性Ａから、液体に浸漬した後の周波数特性Ｂとなるように、周波数が低下する。しかしながら、この場合には、この周波数の変化量は比較的小さい。
【００３７】
これに対して、図２（ｃ）に示すように、検出対象物質６を含有している液体５に弾性表面波センサー１が浸漬された場合には、検出対象物質６が反応膜４に結合される。そのため、ＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に、反応膜４の表面に結合された検出対象物質６による質量が、単に液体５による増加作用に追加されることになる。
【００３８】
液体５中に検出対象物質６が存在した場合には、検出対象物質６が反応膜４と反応し、反応膜４の表面に結合される。そのため、該検出対象物質６による質量負荷作用により、ＬｉＴａＯ３基板２の表面で励振されたＳＨタイプの表面波への影響が大きくなり、上記のように周波数変化により検出対象物質の有無を検出することができる。
【００３９】
なお、本発明においては、上述した原理の弾性表面波センサー１が、効果的に用いられるが、この弾性表面波センサー１におけるインターデジタル電極の形状については限定されず、１つのインターデジタル電極の表面波伝搬方向両側に反射器が構成された１ポート型弾性表面波共振子でもよく、図３に示す２ポート型弾性表面波共振子であってもよい。
【００４０】
図３は、２ポート型弾性表面波共振子の電極構造を示す模式的平面図である。ここでは、インターデジタル電極１３，２３が表面波伝搬方向に配置されており、インターデジタル電極１３，２３の設けられている領域の表面波伝搬方向両側に反射器１４，１５が配置されている。
【００４１】
次に、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサー内蔵発振回路を説明する。
【００４２】
図１に示すように、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１では、上記原理で測定する弾性表面波センサー３２が用いられている。弾性表面波センサー３２は、図１に略図的に示されているように、第１，第２のインターデジタル電極３３，３４を有する２ポート型弾性表面波共振子を用いて構成されている。従って、弾性表面波センサー３２は、第１，第２のポート３２ａ，３２ｂを有する。
【００４３】
なお、図１では、略図的に弾性表面波センサー３２が示されているが、弾性表面波センサー３２は、上記弾性表面波センサー１と同様に構成されている。すなわち、上記インターデジタル電極３３，３４を覆うように、反応膜が形成されている構成を有する。
【００４４】
また、図１に示すように、第１のポート３２ａは、トランジスタ３５のベース端子３５ａに接続されている。ここで、第１のポート３２ａと、ベース端子３５ａとの間には、第１の直流カット用コンデンサ３６及びインダクタンス素子３７が直列に接続されている。インダクタンス素子３７は、直流カット用コンデンサ３６よりもベース端子３５ａ側に接続されている。そして、インダクタンス素子３７の両端の接続点３７ａ，３７ｂとグラウンド電位との間に、コンデンサ素子３８，３９が接続されている。本実施形態では、上記インダクタンス素子３７と、コンデンサ素子３８，３９とで構成されるπ型のフィルタ部分と、直流カット用コンデンサ３６とにより、第１のインピーダンス整合回路が構成されている。第１のインピーダンス整合回路は、第１のポート３２ａの出力インピーダンスをトランジスタ３５のベース端子３５ａの入力インピーダンスと整合させるために構成されている。
【００４５】
また、第１のポート３２ａと直流カット用コンデンサ３６との間の接続点４０とグラウンド電位との間に、抵抗４１が接続されている。抵抗４１は、焦電効果によるインターデジタル電極３２，３３の短絡を防止するために設けられている。従って、抵抗４１の抵抗値は、このような効果を発現するように選ばれる。
【００４６】
他方、弾性表面波センサー３２の第２のポート３２ｂは、直列に接続された第２の直流カット用コンデンサ４２及びインダクタンス素子４３を介してトランジスタ３５のコレクタ端子３５ｂに接続されている。第２の直流カット用コンデンサ４２は、直流バイアス電圧がインターデジタル電極３４に印加されるのを防止するために設けられている。インダクタンス素子４３は、直流カット用コンデンサ４２よりもトランジスタ３５のコレクタ端子３５ｂ側に設けられている。また、インダクタンス素子４３の両側の接続点４３ａ，４３ｂとグラウンド電位との間に、コンデンサ素子４４，４５が接続されている。上記インダクタンス素子４３及びコンデンサ素子４４，４５と、第２の直流カット用コンデンサ４２とが、第２のインピーダンス整合回路を構成している。
【００４７】
従って、弾性表面波センサー３２では、第１，第２のポート３２ａ，３２ｂが、それぞれ、第１，第２のインピーダンス整合回路を介してトランジスタ３５に接続されている。
【００４８】
また、第２のポート３２ｂ側においても、焦電作用によるインターデジタル電極３４の短絡を防止するために、抵抗４６が、第２のポート３２ｂと直流カット用コンデンサ４２との間の接続点４７とグラウンド電位との間に接続されている。
【００４９】
また、第２のインピーダンス整合回路とトランジスタ３５のコレクタ端子３５ｂとの間の接続点４８が、コンデンサＣ１を介して出力端子４９に接続されている。また、接続点４８と電源電圧Ｖｃｃとの間に、互いに直列に抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２間の接続点５０が、コンデンサＣ２を介してグラウンド電位に接続されている。さらに、電源電圧Ｖｃｃと抵抗Ｒ１との間の接続点５１がコンデンサＣ３を介してグラウンド電位に接続されている。
【００５０】
また、上記接続点５０とグラウンド電位との間に、互いに、直列に、抵抗Ｒ３，Ｒ４が接続されており、抵抗Ｒ３，Ｒ４間の接続点５２は、第１のインピーダンス整合回路の出力端に接続されている。さらに、トランジスタ３５のエミッタ端子３５ｃとグラウンド電位との間に、抵抗Ｒ５が接続されており、該抵抗Ｒ５に並列にコンデンサＣ４が接続されている。
【００５１】
図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路において、発振条件を考察するために、図４に示す変形例の回路について検討した。図４に示す回路では、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路において、ポートＰ１〜ポートＰ３が設けられて、オープンループ回路が構成されている。この回路では、弾性表面波センサー内蔵発振回路の発振条件は、下記の式（１）及び（２）を満たす必要がある。
｜Ｓ３２｜≧０（ｄＢ）・・・（１）
∠Ｓ３２＝３６０×ｎ（ｄｅｇ）ｎは整数・・・（２）
【００５２】
上記式（１）が振幅条件であり、式（２）が位相条件である。従って、発振させるには、ループゲインが０ｄＢ以上であること、並びにループ位相差が３６０ｄｅｇの整数倍であることがわかる。ここで、ポートＰ１は、発振周波数を測定するための５０Ω系の周波数カウンターに接続されている。従って、弾性表面波センサー内蔵発振回路の出力インピーダンスは５０Ωに設定されている。
【００５３】
次に、図１に示した回路を、共振系回路部と増幅系回路部とに分離した回路を図５に示す。ポートＰ２及びポートＰ２Ａから増幅回路側を見たときのインピーダンスを５０Ωとする。このとき、ポートＰ３及びポートＰ３Ａから共振系回路部を見たときのインピーダンスは５０Ωに近い程、各ポートの反射が小さく、ループゲインは大きいと見なすことができる。
【００５４】
図５に示した回路において、図８に示す特性のＳＡＷフィルタを用い、かつ共振系回路部の各素子の値を下記の表１に示す値とした場合、ポートＰ３及びポートＰ３Ａの対応する反射係数を図６に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
図６に示されているＳ３３及びＳ３Ａ３Ａの特性から明らかなように、Ｓ３Ａ３Ａは、５０Ωに近い特性であるが、Ｓ３３は５０Ωからかなりずれていることがわかる。
【００５７】
図６に示した特性を与えるように表１に示すように各素子の値が設定されているとき、ポートＰ２Ａ及びポートＰ３Ａを接続し、図４に示す回路を構成したときのＳ３２の振幅特性及び位相特性を図７に示す。図７から明らかなように、位相特性が０のとき、振幅特性が０より大きいゲインを得られると、発振条件を満たすことがわかる。なお、発振系回路部におけるインピーダンス整合をさらに改善するには、発振系回路部のコンデンサＣ７，Ｃ８，Ｃ９及びＣ１０を挿入すればよい。これにより、Ｓ３２における位相特性が０の場合の振幅特性が０より大きくなり、発振条件を余裕を持って満足させることができる。
【００５８】
従って、上記のような手段により、発振系回路部のインピーダンスと増幅系回路部のインピーダンスができるだけ整合するように、インダクタンスＬ１、コンデンサＣ２、Ｃ７及びＣ８で構成されるインピーダンス整合回路と、インダクタンスＬ２、並びにコンデンサＣ３、Ｃ９及びＣ１０で構成されるインピーダンス整合回路の各素子の値を決定すればよい。
【００５９】
本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１では、上記弾性表面波センサー３２に検出対象物質の存在により微小な質量負荷が与えられた際に、弾性表面波センサー３２の共振周波数が変化する。そのため、弾性表面波センサー内蔵発振回路３１の出力端子４９から取出される発振周波数が変化し、それによって検出対象物質の検出を行うことが可能とされている。この場合、第１，第２の直流カット用コンデンサ３６，４２により、前述した直流バイアス電圧が、インターデジタル電極３３，３４に印加されるのを確実に防止することができる。従って、直流バイアス電圧の印加によるインターデジタル電極３３，３４における短絡等が生じ難く、かつ電極膜の基板からの剥離も生じ難い。
【００６０】
のみならず、単に直流カット用コンデンサを直列に接続しただけでは、インピーダンス整合状態が崩れ、発振条件を満足しないおそれがあるが、本実施形態では、第１，第２の直流カット用コンデンサ３６，４２は、前述した第１，第２のインピーダンス整合回路を構成するように接続されている。すなわち、第１，第２の直流カット用コンデンサ３６，４２の静電容量は、上記第１，第２のインピーダンス整合回路を構成するように選択されているため、発振条件が確実に満足され、発振停止が生じ難い。
【００６１】
よって、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１では、直流バイアス電圧の印加による電極膜の剥離等が生じ難く、かつ蛋白質等の検出対象物質が弾性表面波センサー表面に付着することにより、発振周波数が変化したとしても、発振条件が確実に満足されるため、検出対象物質を確実に検出することができる。
【００６２】
従って、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路３１は、例えば、体液中の蛋白質などの検出対象物質を検出するためのバイオセンサー装置に好適に用いられる。
【００６３】
なお、上記実施形態では、トランジスタ３５が用いられたが、トランジスタ３５の代わりに、電界効果型トランジスタを用いてもよく、その場合には、比較的高いインピーダンスの弾性表面波センサーに向いている。
【００６４】
次に、具体的な実験例につき説明する。
【００６５】
２ポート型弾性表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサー３２を用い、図１に示した弾性表面波センサー内蔵発振回路３１を構成した。比較のために、同じ弾性表面波センサーを用い、但し、図１２に示した発振回路１２１を構成した。
【００６６】
また、使用した弾性表面波センサーの第１，第２のインターデジタル電極の電極指の対数は、それぞれ１２、１２とし、波長は５．８μｍとした。また、インターデジタル電極上には、反応膜としてアルカンシラン膜上に抗アルブミンを付着させた。
【００６７】
上記実施形態及び比較のために用意した発振回路を用い、それぞれの弾性表面波センサー表面に検出対象物質含有水溶液として生理食塩水を付着させた場合の出力周波数変化及び出力レベル変化を図９及び図１０にそれぞれ示す。なお、図９及び図１０において、破線が比較のために用意した発振回路による結果を示し、実線は、本実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路による結果を示す。
【００６８】
図９及び図１０から明らかなように、比較のために用意した発振回路を用いた場合には、液体の付着により短時間で発振周波数や出力レベルが大きく変化し、早期に発振が停止したため、弾性表面波センサーを用いて検出対象物質を検出することができないことがわかる。これに対して、上記実施形態の弾性表面波センサー内蔵発振回路では、安定な周波数及び出力レベルを得ることができ、検出対象物質含有液体の付着による周波数変化をより確実にかつ安定に測定し得ることがわかる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、圧電基板上に形成されている表面波励振用電極と、表面波励振用電極を覆うように、前記圧電基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを有し、微小な質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として接続されている弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、
前記弾性表面波センサーに対して直列に接続された直流カット用コンデンサを備え、該直流カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されていることを特徴とする、弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項２】
前記インピーダンス整合回路が、前記直流カット用コンデンサに直列に接続されたインダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端とグラウンド電位との間にそれぞれ接続された第１，第２のコンデンサとを有する、請求項１に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項３】
前記弾性表面波センサーと、前記直流カット用コンデンサとの間の接続点と、グラウンド電位との間に接続されている抵抗をさらに備える、請求項１または２に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項４】
前記弾性表面波センサーが、２ポート型表面波共振子を用いて構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項５】
前記２ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第１，第２のポートを有し、
前記直流カット用コンデンサとして第１，第２の直流カット用コンデンサを有し、
前記インピーダンス整合回路として、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第１のポートに接続されており、かつ前記第１の直流カット用コンデンサを含む第１のインピーダンス整合回路と、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第２のポートに接続されており、かつ前記第２の直流カット用コンデンサを含む第２のインピーダンス整合回路とを有し、
前記第１のインピーダンス整合回路の第２の端子及び前記第２のインピーダンス整合回路の第２の端子に接続されているトランジスタをさらに備える、請求項４に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項６】
前記トランジスタとして、電界効果型トランジスタが用いられている、請求項５に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて構成されていることを特徴とするバイオセンサー装置。
【請求項１】
圧電基板と、圧電基板上に形成されている表面波励振用電極と、表面波励振用電極を覆うように、前記圧電基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを有し、微小な質量負荷を周波数変化により検出することを可能とする弾性表面波センサーが共振子として接続されている弾性表面波センサー内蔵発振回路であって、
前記弾性表面波センサーに対して直列に接続された直流カット用コンデンサを備え、該直流カット用コンデンサを有するインピーダンス整合回路が構成されていることを特徴とする、弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項２】
前記インピーダンス整合回路が、前記直流カット用コンデンサに直列に接続されたインダクタンス素子と、該インダクタンス素子の両端とグラウンド電位との間にそれぞれ接続された第１，第２のコンデンサとを有する、請求項１に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項３】
前記弾性表面波センサーと、前記直流カット用コンデンサとの間の接続点と、グラウンド電位との間に接続されている抵抗をさらに備える、請求項１または２に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項４】
前記弾性表面波センサーが、２ポート型表面波共振子を用いて構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項５】
前記２ポート型表面波共振子を用いて構成された弾性表面波センサーが、第１，第２のポートを有し、
前記直流カット用コンデンサとして第１，第２の直流カット用コンデンサを有し、
前記インピーダンス整合回路として、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第１のポートに接続されており、かつ前記第１の直流カット用コンデンサを含む第１のインピーダンス整合回路と、第１，第２の端子を有し、第１の端子が前記第２のポートに接続されており、かつ前記第２の直流カット用コンデンサを含む第２のインピーダンス整合回路とを有し、
前記第１のインピーダンス整合回路の第２の端子及び前記第２のインピーダンス整合回路の第２の端子に接続されているトランジスタをさらに備える、請求項４に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項６】
前記トランジスタとして、電界効果型トランジスタが用いられている、請求項５に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性表面波センサー内蔵発振回路を用いて構成されていることを特徴とするバイオセンサー装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４３１５０
【国際公開日】平成１７年５月１２日（２００５．５．１２）
【発行日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１５０９２（Ｐ２００５−５１５０９２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１３０７２
【国際出願日】平成１６年９月８日（２００４．９．８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年５月１２日（２００５．５．１２）
【発行日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１３０７２
【国際出願日】平成１６年９月８日（２００４．９．８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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