JP5229220B2

JP5229220B2 - 液中物質検出センサー

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Publication number: JP5229220B2
Application number: JP2009507432A
Authority: JP
Inventors: 一山田; 直子相澤; 義弘越戸; 耕治藤本; 徹家邉; 道雄門田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: EP2131192A1; WO2008120511A1; US8256275B2; JPWO2008120511A1; US20090320574A1

Description

本発明は、液中物質検出センサーに関し、詳しくは、ＳＡＷ素子（表面波素子）を用いた液中物質検出センサーに関する。

液中の物質を検出する液中物質検出センサーとして、ＳＡＷ素子を利用したものが提案されている。

例えば図８の斜視図及び図９の分解斜視図に示す液中物質検出センサー１３１は、ベース基板１３２の両面に、密着層１３３，１３５を介して保護部材１３４，１３６が接合されており、センシング部を備えるＳＡＷ素子チップ１３７，１３８がベース基板１３２の上面にフリップチップボンディィグ工法により実装されている。その際、図１０の断面図に示すように、バンプ電極１１６ａ，１１６ｂは樹脂層１１７により封止されている。また、一方のＳＡＷ素子チップ１３７には、圧電基板１０８上に形成されたセンシング部であるＩＤＴ電極（櫛型電極）１０９，１１０を覆うように反応膜１１３が設けられている。

液体は、保護部材１３６の貫通孔１３６ａに供給され、貫通孔１３５ａを通り、第１の流路１３３ａを流れる際にＳＡＷ素子チップ１３７のセンシング部に接触する。さらに、液体は、貫通孔１３５ｅを通り、第２の流路１３３ｂを流れる際にＳＡＷ素子チップ１３８のセンシング部に接触し、さらに、流路１３３ｂの端部から貫通孔１３５ｂを通り、保護部材１３６の貫通孔１３６ｂから排出される。
ＷＯ２００６／０２７９４５号公報

上記のように構成された液中物質検出センサーは、ベース基板の上面にＳＡＷ素子チップがフリップチップ実装されているため、小型化には限界がある。また、ＳＡＷ素子チップを実装するためのバンプ電極を封止する樹脂層が、液体を吸収したり、液体に接することにより溶け出し、バンプ電極が液体に接することになると、液中物質検出センサーの信頼性が低下する。また、２つのＳＡＷ素子チップの実装精度が悪いと、高精度な流路を形成することが困難である。また、２つのＳＡＷ素子チップを使用するため、素子間の特性差が大きいと検出精度が悪くなる。

本発明は、かかる実情に鑑み、小型化と検出精度の向上が容易である、液中物質検出センサーを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した液中物質検出センサーを提供する。

液中物質検出センサーは、（ａ）１つの圧電基板と、（ｂ−１）前記圧電基板の一方主面に形成されており、少なくとも１つのＩＤＴ電極を有する、第１のＳＡＷ素子と、（ｂ−２）前記圧電基板の一方主面に形成されており、少なくとも１つのＩＤＴ電極を有し、反応膜で覆われている、第２のＳＡＷ素子と、（ｃ）前記圧電基板の他方主面に形成されており、前記圧電基板を貫通したビアを介して前記第１及び第２のＳＡＷ素子に電気的に接続されている、外部電極と、（ｄ）前記圧電基板の前記一方主面において、前記第１及び第２のＳＡＷ素子のまわりと前記第１及び第２のＳＡＷ素子間を接続する部分のまわりとに配置され、流路の側壁を形成する、流路形成用部材と、（ｅ）前記圧電基板の前記一方主面側に前記流路形成用部材を介して接合されて前記流路を塞ぎ、前記流路に連通する少なくとも２つの貫通孔を有する、保護部材と、を備える。

上記構成において、保護部材の一方の貫通孔から、液体や気体などの流体が供給される。流体は、流路を通るときに、第１及び第２のＳＡＷ素子に接触する。流体中の物質によるＳＡＷ素子の振動伝搬特性の変化を、外部電極からの電気信号により検出する。

上記構成によれば、液中物質検出センサーは、流路面にＳＡＷ素子が直接形成されているため、ＳＡＷ素子チップをベース基板に実装する場合と比べると、小型化することが容易である。また、ＳＡＷ素子チップの実装が不要であるので、ＳＡＷ素子チップを実装するためのバンプ電極を封止する樹脂層が溶け出して液中物質検出センサーの信頼性が低下することはない。また、ＳＡＷ素子チップをベース基板に実装する場合と比べると、流路に対するＳＡＷ素子の位置精度を高め、高精度な流路を形成することが容易である。また、圧電基板上に複数のＳＡＷ素子を同時に形成することにより、ＳＡＷ素子間の特性差を小さくして検出精度を向上することが容易である。

好ましくは、前記流路形成用部材は、樹脂である。

この場合、低コストで、流路形成用部材を介して圧電基板と保護部材とを接合することができる。

好ましくは、前記流路形成用部材は、感光性樹脂である。

この場合、例えばフォトリソグラフ技術を用いて、簡便に、かつ、高精度に、流路の側壁を形状することができる。

好ましくは、前記保護部材は、樹脂フィルムである。

この場合、低コストで、流路形成用部材を介して圧電基板に保護部材を接合することができる。

好ましくは、前記保護部材は、感光性樹脂フィルムである。

この場合、保護部材の貫通孔を、例えばフォトリソグラフ技術を用いて、簡便に、かつ、高精度に形成することができる。

好ましくは、前記保護部材は、無機材料からなる基板である。

この場合、保護部材の剛性を高くして、液中物質検出センサーを堅牢な構造とすることができる。

好ましくは、前記保護部材と前記圧電基板との線膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下である。

この場合、液中物質検出センサーは熱ストレスに強い構造であり、反りが小さくなるため、複数個分をウェハ（集合基板）の状態で一括して製造プロセスに通すことが容易である。

好ましくは、前記保護部材と前記圧電基板とが同一材料である。

この場合、より熱ストレスに強い構造であり、反りがより小さくなるため、複数個分をウェハ（集合基板）の状態で一括して製造プロセスに通すことがより容易である。

本発明によれば、液中物質検出センサーの小型化と検出精度の向上が容易である。

液中物質検出センサーの断面図である。（実施例１）図１の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。（実施例１）液中物質検出センサーの製造方法を示す断面図である。（実施例１）液中物質検出センサーの製造方法を示す断面図である。（実施例１）液中物質検出センサーの断面図である。（実施例２）液中物質検出センサーの製造方法を示す断面図である。（実施例２）液中物質検出センサーの製造方法を示す断面図である。（実施例２）液中物質検出センサーの斜視図である。（従来例）液中物質検出センサーの分解斜視図である。（従来例）液中物質検出センサーの要部拡大断面図である。（従来例）

符号の説明

１０，１０ｘ液中物質検出センサー
１２圧電基板
１２ａ表面（一方主面）
１２ｂ裏面（他方主面）
１３ビア
１４，１４ａビア内部電極
１５はんだバンプ（外部電極）
１６，１７ＳＡＷ素子
１６ａ，１７ａＩＤＴ電極
１６ｂ，１７ｂ反射器
１８電極バンプ（外部電極）
１９支持層（流路形成用部材）
２０，２０ｘ蓋部材（保護部材）
２２，２２ｘ，２４，２４ｘ貫通孔
３０流路
３２側壁

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図７を参照しながら説明する。

＜実施例１＞実施例１の液中物質検出センサー１０について、図１〜図４を参照しながら説明する。

図１の断面図、及び図１の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である図２に示すように、液中物質検出センサー１０は、圧電基板１２と蓋部材２０とが支持層１９を介して接合され、圧電基板１２の蓋部材２０とは反対側の裏面１２ｂに、外部電極であるはんだバンプ１５が形成されている。例えば、圧電基板１２にはＬｉＴａＯ_３を用い、蓋部材２０に樹脂フィルムを用い、支持層１９に接着樹脂を用いる。

蓋部材２０に対向する圧電基板１２の上面１２０ａには、蒸着等により形成された金属膜の導電パターンにより、２つのＳＡＷ素子１６，１７と、電極パッド１８と、ＳＡＷ素子１６，１７と電極パッド１８との間を接続する接続パターン（図示せず）とが形成されている。

ＳＡＷ素子１６，１７は、図２に模式的に示したように、弾性表面波（ＳＡＷ）の振動伝搬方向に沿って、ＩＤＴ電極１６ａ，１６ａ；１７ａ，１７ｂの両側に反射器１６ｓ，１６ｔ；１７ｓ，１７ｔが配置されている。

圧電基板１２には、貫通孔（ビア）１３が形成され、貫通孔（ビア）１３に充填されたビア内部電極１４により、圧電基板１２の表面１２ａの電極パッド１８と圧電基板１２の裏面１２ｂのはんだバンプ１５との間が電気的に接続されている。

蓋部材２０には、２つのＳＡＷ素子１６，１７にそれぞれ対向する部分に、貫通孔２２，２４が形成されている。なお、構成が多少大きくなるが、蓋部材２０の貫通孔２２，２４を、ＳＡＷ素子１６，１７の直上に設けずに、ＳＡＷ素子１６，１７から離れた位置に設けてもよい。

支持層１９は、図２に示すように、２つのＳＡＷ素子１６，１７及び２つのＳＡＷ素子１６，１７を接続する部分のまわりに配置され、流路３０の側壁３２を形成している。

液中物質検出センサー１０は、蓋部材２０の一方の貫通孔２２から液体や気体などの流体が供給される。供給された流体は、流路３０を、一方のＳＡＷ素子１６側から他方のＳＡＷ素子１７側に、蓋部材２０の他方の貫通孔２４に向かって流れる。

図２に示すように、一方のＳＡＷ素子１６は、反応膜１６ｘで覆われている。すなわち、反応膜１６ｘは、ＩＤＴ電極１６ａ，１６ｂ及び反射器１６ｓ，１６ｔを全体的に覆っている。反応膜１６ｘは、流体中の検出対象物質と結合する材料を含有している。流体が反応膜１６ｘに接触し、流体中の検出対象物質が反応膜１６ｘに結合されると、反応膜１６ｘの特性変化等によって、弾性表面波の振動伝搬特性が変わり、ＳＡＷ素子１６から出力される電気信号に変化が現れる。これを利用して、流体中の検出対象物質を検出することができる。なお、図２以外では、反応膜の図示を省略している。

反応膜で覆われていない他方のＳＡＷ素子１７は、流体中の検出対象物質の有無によって振動伝搬特性が影響されないため、両方のＳＡＷ素子１６，１７の電気信号出力を比較することにより、流体中の検出対象物質の検出精度を高めることができる。

次に、液中物質検出センサー１０も製造方法の一例について、図３及び図４の断面図を参照しながら説明する。

液中物質検出センサー１０は、複数個分を含むウェハ状態（親基板）で作製し、子基板に分割する。

まず、図３（ａ)に示すように、ＳＡＷ素子１６，１７を形成した圧電基板１２に、サンドブラスト、レーザー、ウェットエッチング、イオンミリング等の手法でビア１３を形成する。加工レートの点から、サンドブラストが最もビア加工に適している。

サンドブラストを用いる場合には、電極パッド１８の下に、エッチストップ層１８ｓとして、Ｃｕなどの電極を、圧電基板１２の厚みの２％以上の厚みで形成する。例えば、厚みが３５０μｍのＬｉＴａＯ_３基板に対しては、厚み１０μｍ程度のエッチストップ層１８ｓを形成する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、電解めっき、導電性ペースト等で、圧電基板１２の表面１２ａから裏面１２ｂへ電気信号を取り出すビア内部電極１４を形成する。ビア内部電極１４の形成には、ビア内壁への電極被覆性、充填性の点から、電解めっき、特にＣｕ電解めっきが適している。図３（ｂ）'のように、ビア内部電極１４を、裏面１２ｂから１０μｍ程度突出させることで、外部電極とすることができる。

次いで、図３（ｃ）に示すように、圧電基板１２の表面１２ａに、接着樹脂により支持層１９を形成する。例えば、エポキシ系、ポリイミド系の感光性樹脂を用いて、フォトリソグラフィーでパターニングを行う。支持層１９の厚みは、検体が流れるのに十分な厚み、例えば血液等を検体とする場合には１００μｍ以上となるようにする。

次いで、図４（ｄ）に示すように、エポキシ系、ポリイミド系の樹脂フィルムによって蓋部材２０を形成する。樹脂フィルムはラミネートで支持層１９に貼り付け、図４（ｅ）に示すように、検体の導入用・排出用の貫通孔２２，２４を形成する。例えば、ＴＨＧレーザーで貫通孔２２，２４を加工する。蓋部材２０が感光性の樹脂フィルムの場合には、フォトリソグラフィーで貫通孔２２，２４を加工できるので、レーザー加工で発生するスミアや素子への熱ダメージを低減できる。

次いで、図４（ｆ）に示すように、はんだペースト印刷とリフローによって、はんだバンプ１５を形成する。ビア１３の内部が電解めっき、導電性ペースト等で充填されている場合には、はんだバンプ１５をビア直上に形成できる。ビア１３の内部が充填されていない場合には、後述する実施例２のように、ビア１３の横にはんだバンプ１５を形成する。

次いで、図４（ｇ）に示すように、ダイシング、レーザー等の手法で親基板を分割し、液中物質検出センサー１０のチップ（子基板）を取り出す。

なお、上記以外のプロセスフローで液中物質検出センサー１０を製造してもよい。

以上に説明したように、液中物質検出センサー１０は、ウェハレベルで流路、ビアを形成するので、プロセスが簡便である。また、液中物質検出センサー１０の小型化・低背化・低コスト化を実現できる。

蓋部材２０に樹脂フィルムを用いているので、簡便でかつ低コストな流路形成が可能となる。

流路３０の底面にＳＡＷ素子１６，１７が形成されているため、ベース基板にＳＡＷ素子チップを実装する場合と比べると、ＳＡＷ素子のセンシング部分に効率よく検体を流すことができる。そのため、検体量が少量ですみ、かつ精度よくセンシング可能となる。

また、液体等の検体に接する面に端子がないため、液中物質検出センサーの特性が劣化せず、液中物質検出センサーの信頼性が向上する。また、端子を樹脂層などで覆う必要がなく、製造が簡単である。

２つのＳＡＷ素子が同一基板に同一の形成方法で同時に形成できるため、素子間の特性差がほとんどなく、良好な検出精度が得られる。

液中物質検出センサーの上面が平坦なため、液体を供給する装置などを容易に取り付けることができる。

ウェハレベルで流路を形成するため、高精度な流路形成が可能となり、検出精度が向上する。

ビアを介して下面からの外部電極（はんだバンプやＣｕ、Ａｕ、Ｎｉバンプ）による信号取り出しのため、寄生インダクタの変動がなく、安定した素子特性が得られるとともに、安定したデバイス形成が可能となる。

＜実施例２＞実施例２の液中物質検出センサーについて、図５〜図７を参照しながら説明する。

実施例２の液中物質検出センサー１０ｘは、実施例１の液中物質検出センサーと略同様に構成されており、以下では相違点を中心に説明し、同じ構成部分には同じ符号を用いる。

図５の断面図に示すように、液中物質検出センサー１０ｘは、実施例１と略同様に、表面１２ａに２つのＳＡＷ素子１６，１７が形成された圧電基板１２と、蓋部材２０ｘとが、支持層１９を介して接合されている。

実施例１とは異なり、蓋部材２０ｘには、ＬｉＴａＯ_３基板などの圧電基板を用いる。蓋部材２０ｘには、実施例１と略同様に、貫通孔２２ｘ，２４ｘが形成されている。

圧電基板１２には、実施例１と同様にビア（貫通孔）１３が形成されているが、実施例１と異なり、ビア内部電極１４ａはビア１３の内面に沿って配置され、ビア１３から延長され、圧電基板１２の裏面１２ｂに沿って延在している。外部電極となるはんだバンプ１５は、ビア内部電極１４ａの延長部１４ｘの上に、すなわち、ビア１３の横に形成されている。外部との電気的信号の取り出し、導通が十分な場合、バンプ１５を形成せず、ビア内部電極１４ｘを外部端子としてもよい。

次に、液中物質検出センサー１０ｘの製造方法の一例について、図６及び図７の断面図を参照しながら説明する。

図６(ａ)に示すように、蓋部材２０ｘに検体の導入用・排出用のビア（貫通孔）２２ｘ，２４ｘを形成する。ビア形成手法としては、サンドブラスト、レーザー、ウェットエッチング、イオンミリング等の手法を用いる。

次いで、図６（ｂ）に示すように、ＳＡＷ素子１６，１７が形成された圧電基板１２の表面１２ａに、接着樹脂を用いて支持層１９を形成する。例えば、エポキシ系、ポリイミド系の感光性樹脂を用いて、フォトリソグラフィーでパターニングを行い、流路３０の側壁３２を形成する。支持層１９の厚みは、検体が流れるのに十分な厚み、例えば血液等を検体とする場合には１００μｍ以上となるようにする。

次いで、図６（ｃ）に示すように、圧電基板１２と蓋部材２０ｘとを加熱、加圧によって、支持層１９を介して貼り合せて、流路３０を塞ぐ。

次いで、図７（ｄ)に示すように、圧電基板１２に、サンドブラスト、レーザー、ウェットエッチング、イオンミリング等の手法でビア１３を形成する。加工レートの点から、サンドブラストが最もビア加工に適している。

サンドブラストを用いる場合には、予め、電極パッド１８の下に、エッチストップ層１８ｓとしてＣｕなどの電極を圧電基板１２の厚みの２％以上の厚みで形成する。例えば、圧電基板１２が厚み３５０μｍのＬｉＴａＯ_３基板である場合には、厚み１０μｍ程度のエッチストップ層１８ｓを形成する。

次いで、図７（ｅ）に示すように、電解めっき、導電性ペースト等で、圧電基板１２の表面１２ａから圧電基板１２の裏面１２ｂへ電気信号を取り出すためのビア内部電極１４ａ及び延長部１４ｘを形成する。ビア１３の内壁への電極被覆性、充填性の点から、電解めっき、特にＣｕ電解めっきが適している。

次いで、図７（ｆ）に示すように、はんだペースト印刷とリフローによって、はんだバンプ１５を形成する。はんだバンプ１５は、ビア１３の内部が充填されていない場合には、延長部１４ｘの上に、すなわちビア１３の横に形成する。ビア１３内部が電解めっき、導電性ペースト等で充填されている場合には、実施例１のように、はんだバンプ１５は、ビア１３の直上に形成できる。

次いで、図７（ｇ）に示すように、ウェハ状態の親基板を、ダイシング、レーザー等の手法で、液中物質検出センサーのチップ（子基板）に分割する。

圧電基板１２と蓋部材２０ｘの接着は加熱しながら行うため、それぞれの線膨張係数差は２ｐｐｍ／℃以下であることが望ましい。圧電基板１２と蓋部材２０ｘの線膨張係数差を小さくすることで、熱ストレスに強く、かつ接着後の基板のそりが小さくなるため、プロセスを通しやすい。

さらに、圧電基板１２と蓋部材２０ｘとが同一材料であることがより望ましい。この場合には、圧電基板１２と蓋部材２０ｘとの線膨張係数差がないため、熱ストレスにより強く、かつ接着後の基板のそりがより小さくなる。例えば、圧電基板１２としてＬｉＴａＯ_３基板、蓋部材２０ｘとしてＬｉＴａＯ_３基板を用いる。

液中物質検出センサー１０ｘは、蓋部材２０ｘとして基板を用いることで、堅牢な構造を実現することができる。

＜まとめ＞以上に説明した液中物質検出センサー１０，１０ｘは、流路面にＳＡＷ素子が直接形成されているため、ベース基板にＳＡＷ素子チップを実装する場合と比べると、小型化と検出精度の向上が容易である。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加え得て実施することが可能である。

Claims

１つの圧電基板と、
前記圧電基板の一方主面に形成されており、少なくとも１つのＩＤＴ電極を有する、第１のＳＡＷ素子と、
前記圧電基板の一方主面に形成されており、少なくとも１つのＩＤＴ電極を有し、反応膜で覆われている、第２のＳＡＷ素子と、
前記圧電基板の他方主面に形成されており、前記圧電基板を貫通したビアを介して前記第１及び第２のＳＡＷ素子に電気的に接続されている、外部電極と、
前記圧電基板の前記一方主面において、前記第１及び第２のＳＡＷ素子のまわりと前記第１及び第２のＳＡＷ素子間を接続する部分のまわりとに配置され、流路の側壁を形成する、流路形成用部材と、
前記圧電基板の前記一方主面側に前記流路形成用部材を介して接合されて前記流路を塞ぎ、前記流路に連通する少なくとも２つの貫通孔を有する、保護部材と、
を備えたことを特徴とする液中物質検出センサー。
前記流路形成用部材は、樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載の液中物質検出センサー。
前記流路形成用部材は、感光性樹脂であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の液中物質検出センサー。
前記保護部材は、樹脂フィルムであることを特徴とする、請求項１、２、又は３に記載の液中物質検出センサー。
前記保護部材は、感光性樹脂フィルムであることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の液中物質検出センサー。
前記保護部材は、無機材料からなる基板であることを特徴とする、請求項１、２、又は３に記載の液中物質検出センサー。
前記保護部材と前記圧電基板との線膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする、請求項１ないし３、６のいずれか一項に記載の液中物質検出センサー。
前記保護部材と前記圧電基板とが同一材料であることを特徴とする、請求項１ないし３、６のいずれか一項に記載の液中物質検出センサー。