JP2004264255A - 質量測定チップ、質量測定装置および質量測定チップの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高感度化、小型化およびマルチセンサ化が可能な、質量測定チップを提供する。
【解決手段】貫通孔１２を有する平板１０と、平板１０の下面側に配置された圧電振動片２０とを有し、貫通孔１２を通して圧電振動片２０の励振電極２２ａを平板１０の上面側に露出させつつ、貫通孔１２が密閉封止されるように圧電振動片２０を平板１０に接合し、さらに発振回路を構成するＩＣ４０を平板１０の下面側に接合して、圧電振動片２０とＩＣ４０とを電気的に接続した。
【選択図】 図１
【解決手段】貫通孔１２を有する平板１０と、平板１０の下面側に配置された圧電振動片２０とを有し、貫通孔１２を通して圧電振動片２０の励振電極２２ａを平板１０の上面側に露出させつつ、貫通孔１２が密閉封止されるように圧電振動片２０を平板１０に接合し、さらに発振回路を構成するＩＣ４０を平板１０の下面側に接合して、圧電振動片２０とＩＣ４０とを電気的に接続した。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は質量測定チップ、質量測定装置および質量測定チップの製造方法に係り、特に圧電振動片を用いて検体溶液における特定物質の濃度等を測定する質量測定チップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食品や生化学、環境などの分野で、特定物質の有無や濃度等を測定するため、水晶振動子マイクロバランス法が利用されている。その具体的な方法は、まず圧電振動片における一方の励振電極の表面に、検出すべき特定物質の感応膜を塗布する。そして、検出物質を含む検体溶液中にその圧電振動片を浸漬する。すると、検体溶液中の検出物質が感応膜と結合し、励振電極の質量が増加する。この励振電極の質量増加にともなって、圧電振動片の共振周波数が低下する。これにより、検体溶液中における検出物質の有無を判断することができる。
【０００３】
ところで、圧電振動片を検体溶液中に浸漬する際に、その両面に形成した励振電極が相互に短絡すると、圧電振動片を発振させることができなくなる。そこで、感応膜を塗布しない他方の励振電極を被覆部材等で覆うことにより、当該励振電極を検体溶液から封止して、電極間の短絡を防止する必要がある。
【０００４】
図７に、特許文献１に記載された質量測定チップの説明図を示す。なお、図７（１）は平面図であり、図７（２）は図７（１）のＧ−Ｇ線における側面断面図である。この質量測定チップ５０３は、矩形状の圧電平板の両面に円形状の励振電極５２２ａ，５２２ｂを形成した圧電振動片５２０を備えている。また、圧電振動片５２０の一方面側には、絶縁性薄板からなる被覆部材５５０が接着剤５５８によって接着されている。これにより、一方面側の励振電極５２２ｂが検体溶液から封止され、電極間の短絡が防止されている。さらに、各励振電極にはリード線５２４が取り付けられ、リード線５２４の検体溶液に浸漬する部分は接着剤５５８によって被覆されている。
【０００５】
図８に、従来の質量測定装置の説明図を示す。質量測定装置５０１において、上述した質量測定チップ５０３は外部の発振回路５４０に接続されている。質量の測定は、励振電極５２２ａの表面に上述した感応膜（不図示）を塗布した上で、質量測定チップ５０３を検体溶液７中に浸漬して行う。まず、発振回路５４０により質量測定チップ５０３の圧電振動片を発振させ、周波数カウンタ５により圧電振動片の共振周波数を測定する。上述したように、検体溶液中の検出物質が感応膜と結合し励振電極の質量が増加すると、圧電振動片の共振周波数が低下する。そこで、コンピュータ６によりこの共振周波数の低下量等を解析して、検体溶液中の特定物質の有無および濃度等を算出する。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１３８１２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近時、質量測定チップには、高感度化、小型化およびマルチセンサ化が要求されている。
質量測定チップを高感度化するには、圧電振動片を高周波化する必要がある。そして圧電振動片を高周波化するには、振動部の肉厚を薄くする必要がある。しかし、図７に示す従来の質量測定チップ５０３において、肉厚の薄い圧電振動片５２０を実装すると、接着時の加圧や接着剤５５８の固化により圧電振動片５２０に応力が作用し、圧電振動片５２０が破損する場合がある。一方、図８に示す従来の質量測定装置５０１では、質量測定チップ５０３の圧電振動片と発振回路５４０との電気長が長いため、伝送経路の損失が大きくなる。そして、この状態で高周波の圧電振動片を検体溶液中に浸漬して使用すると、圧電振動片の発振が不安定になる。以上の理由から、質量測定チップの高感度化に対応できないという問題がある。
また、質量測定チップを小型化するには、圧電振動片を小型化する必要がある。しかし圧電振動片を小型化すると、製造工程における取り扱いが困難になるという問題がある。
【０００８】
一方、質量測定チップのマルチセンサ化とは、同時に多種類の検出物質の測定を可能にすることをいう。質量測定チップをマルチセンサ化するには、多数の圧電振動片を同時に使用する必要がある。しかし、図７に示す質量測定チップ５０３では、圧電振動片５２０の個片と被覆部材５５０の個片とを接合して質量測定チップ５０３を製造するため、多数の圧電振動片を備えた質量測定チップを効率的に製造することができない。その結果、質量測定チップのマルチセンサ化に対応できないという問題がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に着目し、高感度化、小型化およびマルチセンサ化に対応することが可能な、質量測定チップ、質量測定装置および質量測定チップの製造方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る質量測定チップは、貫通孔を有する平板と、前記平板の一方面側に配置された圧電振動片とを有し、前記貫通孔を通して前記圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記貫通孔が密閉封止されるように、前記圧電振動片を前記平板に接合した構成とした。圧電振動片を平板に接合するので、肉厚の薄い圧電振動片の場合でも、実装時の加圧や接着剤の固化により圧電振動片に大きな応力が作用することはなく、圧電振動片の破損を防止することができる。したがって、肉厚の薄い高周波の圧電振動片を使用することが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００１１】
また、複数の貫通孔を有する平板と、前記平板の一方面側に配置された複数の圧電振動片とを有し、前記各貫通孔を通して前記各圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記各貫通孔が密閉封止されるように、前記各圧電振動片を前記平板に接合した構成とした。これにより、低コストで質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００１２】
また、前記圧電振動片は逆メサ型圧電振動片であって、前記圧電振動片の厚肉の周縁部を前記平板に接合する構成としてもよい。逆メサ型圧電振動片では、厚肉の周縁部により薄肉の振動部が保護されて、振動部の破壊が防止される。これにより、高周波の圧電振動片を使用することが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００１３】
また前記平板は、前記圧電振動片を構成する圧電材料と熱膨張係数が同等のガラス材料によって構成してもよい。これにより、平板および圧電振動片の熱膨張率および熱収縮率が同等となるので、両者の接合部における破壊を防止することができる。
【００１４】
また、前記平板の一方面側に発振回路を形成して、前記発振回路と前記圧電振動片とを電気的に接続する構成としてもよい。これにより、発振回路と圧電振動片との電気長が短くなって、伝送経路の損失が小さくなる。よって、高周波の圧電振動片を検体溶液中で安定して発振させることが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００１５】
また、接着剤または低融点ガラスを介して、前記圧電振動片を前記平板に接合する構成としてもよい。これにより、貫通孔を良好に密閉封止することができる。また、前記圧電振動片を前記平板に陽極接合する構成としてもよい。この場合、接合部からガスが発生しないので、ガス分子の付着による圧電振動片の周波数変化を防止することができる。
【００１６】
また、前記平板の一方面側に筐体を設けて、前記平板の一方面側を外部から封止する構成としてもよい。この場合、圧電振動片の上下面に形成した電極相互の短絡がないので、質量測定チップを検体溶液に浸漬して使用することができる。
【００１７】
一方、本発明に係る質量測定装置は、上記のいずれかに記載の質量測定チップを使用して製造した構成とした。これにより、上記効果をともなった質量測定装置を提供することができる。
一方、本発明に係る質量測定チップの製造方法は、平板に複数の貫通孔を形成する工程と、前記平板の一方面側に複数の圧電振動片を接合することにより、前記各貫通孔を通して前記各圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記各貫通孔を密閉封止する工程と、を有する構成とした。また、前記各圧電振動片を接合する工程の後に、前記平板を個片に分離する工程を有する構成とした。この場合、平板を製造トレイとして使用することが可能になり、圧電振動片を小型化した場合でも、製造工程における取り扱いが容易になる。したがって、質量測定チップを小型化することができる。また、平板を個片に分離すれば通常の質量測定チップが完成し、平板を個片に分離しなければマルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。したがって、特段の製造コストを要することなく、質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る質量測定チップ、質量測定装置および質量測定チップの製造方法の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお、本実施形態では圧電振動片として逆メサ型圧電振動片を使用するが、平板状のＡＴカット圧電振動片など他の圧電振動片を使用することも可能である。
【００１９】
図１に、本実施形態に係る質量測定チップの説明図を示す。なお、図１（１）は平面図であり、図１（２）は図１（１）のＡ−Ａ線における側面断面図であり、図１（３）は底面図である。本実施形態に係る質量測定チップ２は、貫通孔１２を有する平板１０と、平板１０の下面側に配置された圧電振動片２０とを有し、貫通孔１２を通して圧電振動片２０の励振電極２２ａを平板１０の上面側に露出させつつ、貫通孔１２が密閉封止されるように圧電振動片２０を平板１０に接合し、さらに発振回路を構成するＩＣ４０を平板１０の下面側に接合して、圧電振動片２０とＩＣ４０とを電気的に接続したものである。
【００２０】
本実施形態に係る質量測定チップは、従来の質量測定チップを高感度化したものである。質量測定チップの感度は、次式で表すことができる。
【数１】
ただし、ｄｆは圧電振動片の共振周波数の変化量、ｆ０は圧電振動片の共振周波数の初期値、ρは圧電材料の密度、μは圧電材料のせん断応力、ｄｍは励振電極に結合した検出物質の質量、Ａは励振電極の面積である。上式からわかるように、圧電振動片の共振周波数の初期値ｆ０が高いほど、その変化量ｄｆが大きくなり、質量測定チップが高感度化する。例えば、ｆ０を従来の２７ＭＨｚから１５０ＭＨｚまで高周波化すれば、感度を３０倍にすることができる。そして圧電振動片を高周波化するには、圧電振動片の振動部における肉厚を薄くすればよい。
【００２１】
そこで本実施形態では、圧電振動片２０としていわゆる逆メサ型圧電振動片を使用する。逆メサ型圧電振動片は、水晶等の圧電材料を平板状に切り出し、その中央に凹部を形成して薄肉化し、その薄肉部の両面に励振電極２２ａ，２２ｂを形成したものである。また、圧電振動片２０の周縁の厚肉部には、励振電極２２ａ，２２ｂと導通する接続電極２４ａ，２４ｂを形成する。なお、各電極はＡｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層によって構成する。このような逆メサ型圧電振動片では、周縁の厚肉部により中央の薄肉振動部が保護されるので、外力による振動部の破壊を防止することができる。これにより、高周波の圧電振動片が利用可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。一方、本実施形態で使用するＩＣ４０は、発振回路を構成する集積回路素子である。
【００２２】
また、圧電振動片２０およびＩＣ４０を実装する平板１０を形成する。平板１０は、圧電材料と同等の熱膨張係数を有する材料で構成するのが好ましい。なお、代表的な圧電材料である水晶の熱膨張係数は、Ｘ方向（長手方向）が１３．８×１０−６／℃程度であり、Ｙ方向（厚さ方向）が９．６１×１０−６／℃程度である。そこで、熱膨張係数が１１．０×１０−６／℃程度のソーダガラスにより平板１０を構成する。これにより、平板１０および圧電振動片２０の熱膨張率および熱収縮率が同等となるので、両者の接合部における破壊を防止することができる。一方、平板１０の中央部には貫通孔１２を形成する。貫通孔１２は、矩形や円形など任意の形状に形成すればよいが、少なくとも圧電振動片２０の上面側における励振電極２２ａの全体が貫通孔１２を通して平板１０の上面側に露出する大きさに形成する。また、平板１０の下面上に配線パターン１４を形成する。配線パターン１４は、Ａｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層により、貫通孔１２の周辺部からＩＣ４０の実装位置付近にかけて形成する。
【００２３】
そして、平板１０の下面側に圧電振動片２０を配置する。圧電振動片２０は、励振電極２２ａの全体が貫通孔１２を通して平板１０の上面側に露出するように配置する。また、接続電極２４ａが配線パターン１４と対面するように圧電振動片２０を配置する。そして、圧電振動片の周縁厚肉部を、平板１０の貫通孔１２の周辺部に対して、接着剤１８により接合する。なお、貫通孔１２を密閉封止すべく、貫通孔１２の周辺部の全周を接着剤１８により接合する。ここで、Ａｇペースト等の導電性接着剤を使用することにより、圧電振動片２０の上面側の接続電極２４ａと配線パターン１４とを電気的に接続することができる。
【００２４】
一方、平板１０の下面側に接着剤３８を介してＩＣ４０を接合する。そして、圧電振動片２０とＩＣ４０とを電気的に接続する。具体的には、配線パターン１４とＩＣ４０とをワイヤボンディングで接続することにより、ＩＣ４０から圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに対して通電可能とする。また、圧電振動片２０の下面側の接続電極２４ｂとＩＣ４０とをワイヤボンディングで接続することにより、ＩＣ４０から圧電振動片２０の下面側の励振電極２２ｂに対して通電可能とする。
【００２５】
図２に、質量測定チップの変形例の説明図を示す。なお、図２（１）は図２（２）のＢ−Ｂ線における側面断面図であり、図２（２）は底面図である。質量測定チップの具体的な構成は、上記以外の様々な構成とすることができる。図２に示す質量測定チップ１０２では、圧電振動片１２０の上面側の接続電極１２４ａを、圧電振動片１２０の側面および下面に延長形成する。なお、圧電振動片１２０の下面には、上面側の接続電極１２４ａと下面側の接続電極１２４ｂとを並べて配置する。一方、平板１１０の下面上には配線パターンを形成しない。そして、平板１１０と圧電振動片１２０とを、Ｓｉ系等の絶縁性接着剤１１８により接合する。なお、平板１１０の下面に低融点ガラスを介して圧電振動片１２０を接合してもよい。さらに、圧電振動片１２０の下面上に形成した接続電極１２４ａ，１２４ｂとＩＣ１４０とを、ワイヤボンディングにより接続する。この質量測定チップ１０２では、平板１１０の下面に配線パターンを形成しないので、製造コストを削減することができる。
【００２６】
図３に、陽極接合の説明図を示す。なお、図３（１）は図３（２）のＣ−Ｃ線における側面断面図であり、図３（２）は底面図である。平板２１０と圧電振動片２２０との接合は、陽極接合によって行うことも可能である。陽極接合する圧電振動片２２０には、図２の圧電振動片１２０と同様に、Ａｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層により励振電極および接続電極を形成する。これと同時に、圧電振動片２２０の上面側の周縁部全周に、Ａｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層により下層側接合電極２２６ｒを形成する。さらにその下層側接合電極２２６ｒの上層に、Ａｌ材料により上層側接合電極２２６ｓを形成する。一方、陽極接合する平板２１０は、ＮａやＬｉなどのアルカリ金属を含むガラス材料によって構成する。そして、平板２１０の下面に圧電振動片２２０を密着させてプラス電極を接続し、平板２１０の上面にダミー電極２１９を密着させてマイナス電極を接続し、数百から千Ｖの電圧を印加する。この状態で、３００℃〜３５０℃の雰囲気中に所定時間保持すれば、圧電振動片２２０の上層側接続電極２２６ｓと平板２１０との間が陽極接合される。このように、平板２１０と圧電振動片２２０とを陽極接合すれば、接合部からガスが発生しないので、ガス分子の付着による圧電振動片の周波数変化を防止することができる。
【００２７】
図１に示す質量測定チップ２は、貫通孔１２に検体溶液を滴下して使用すれば、検出物質の濃度等を測定することが可能である。しかし、質量測定チップ２を検体溶液に浸漬して使用する場合には、圧電振動片２０の上下面に形成した電極が検体溶液により短絡するのを防止する必要がある。この場合には、図４に示すように、質量測定チップ２の平板１０の下面に筐体５０を設けて、新たな質量測定チップ３を形成すればよい。筐体５０は、プラスチック材料等によって構成し、平板１０の下面全体を被覆できる大きさに形成する。この筐体５０は接着剤５８等を介して平板１０に接合する。なお、ＩＣ４０から周波数カウンタ５（図６参照）への配線は、ビニルチューブ５２等で被覆する。この質量測定チップ３では圧電振動片２０の上下面に形成した電極相互の短絡がないので、質量測定チップ３を検体溶液に浸漬して使用することができる。
【００２８】
次に、上述した本実施形態に係る質量測定チップの製造方法について説明する。本実施形態に係る質量測定チップは、平板の個片と圧電振動片の個片とを形成した上で、両者を接合して製造することも可能である。しかし以下の方法によれば、複数の質量測定チップを同時に製造することができる。
【００２９】
図５に、本実施形態に係る質量測定チップの製造方法の説明図を示す。なお、図５（１）は図５（２）のＥ−Ｅ線における側面断面図であり、図５（２）は底面図である。本実施形態では、複数の平板を形成可能な大きさの平板材料ウエハ８において、複数の質量測定チップを形成する。まず、平板材料ウエハ８における各質量測定チップ形成領域に、エッチング等により貫通孔１２を形成する。これと並行して、複数の圧電振動片２０を形成しておく。次に、ウエハ８の下面における各貫通孔１２の周辺部全周に接着剤（不図示）を塗布する。なお、各圧電振動片２０の上面における周縁部全周に接着剤（不図示）を塗布してもよい。次に、各貫通孔１２をふさぐように各圧電振動片２０を接合する。そして、切断線９に沿ってウエハ８を切断し、個片に分離する。その後、各個片にＩＣを実装して、ＩＣと圧電振動片２０とを電気的に接続すれば、質量測定チップが完成する。
【００３０】
なお、ウエハ８の各質量測定チップの形成領域にＩＣを実装し、これらと各圧電振動片２０とを電気的に接続した後に、ウエハ８を個片に分離してもよい。この場合、複数の質量測定チップをほぼ同時に製造することが可能となり、製造時間の短縮化、製造工程の簡略化および製造コストの削減を図ることができる。なお、あらかじめウエハ８の切断線９に溝を形成しておくとよい。これにより、ウエハ８の切断時における不規則な割れの発生を回避することが可能になり、高価なＩＣを無駄に廃棄することがなくなる。
【００３１】
なお、ウエハ８の各質量測定チップの形成領域にＩＣを実装し、これらと各圧電振動片２０とを電気的に接続した段階で、マルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。このマルチセンサ化された質量測定チップは、各圧電振動片の励振電極に異なる感応膜を塗布した上で検体溶液に浸漬する。これにより、１回で多種類の検出物質を測定することができる。このように本実施形態では、質量測定チップの製造工程において、ウエハ８を個片に分離すれば通常の質量測定チップが完成し、ウエハ８を個片に分離しなければマルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。したがって、特段の製造コストを要することなく、質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００３２】
また、平板状のＡＴカット圧電振動片を実装する場合には、各圧電振動片の上面のみに電極を形成してウエハに接合し、各圧電振動片の下面を研磨した後に、その下面に電極を形成することも可能である。この場合、研磨により各圧電振動片の厚さが均一化され、共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００３３】
また、貫通孔を形成した平板材料ウエハに対して、複数の圧電振動片を形成した圧電材料ウエハを接合してもよい。この場合には、平板材料ウエハと圧電材料ウエハとを同時に切断して個片に分離すればよい。これにより、さらなる製造時間の短縮化、製造工程の簡略化および製造コストの削減が可能となる。
【００３４】
次に、上述した本実施形態に係る質量測定チップの使用方法について説明する。
図６に、本実施形態に係る質量測定装置の説明図を示す。本実施形態に係る質量測定チップ３は、周波数カウンタ５に接続する。周波数カウンタ５は、質量測定チップ３における圧電振動片の共振周波数を測定するものである。また、周波数カウンタ５はコンピュータ６に接続する。コンピュータ６は、周波数カウンタ５が測定した圧電振動片の共振周波数から、励振電極に付着した検出物質の質量を算出するものである。加えて、検出物質の付着量の経時変化から、検体溶液７中における検出物質の濃度等を解析し得るようにコンピュータ６を構成するのが好ましい。
【００３５】
質量測定の具体的手順は以下の通りである。まず、図４に示す質量測定チップ３において、圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに検出物質の感応膜を塗布する。次に、発振回路を構成するＩＣ４０により圧電振動片２０を発振させる。なお、図６に示す周波数カウンタ５により、圧電振動片の共振周波数を連続的に計測しておく。そして、図６に示すように、検体溶液７中に質量測定チップ３を浸漬する。検体溶液７中では、圧電振動片の励振電極上の感応膜に対して検出物質が結合する。これにより励振電極の質量が増加して、圧電振動片の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等をコンピュータ６で解析することにより、検出物質の有無および濃度等を算出することができる。
【００３６】
なお、質量測定チップを検体溶液に浸漬して使用するだけでなく、質量測定チップに検体溶液を滴下して使用することも可能である。具体的には、図４に示す質量測定チップ３において、圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに検出物質の感応膜を塗布した後、貫通孔１２を通して検体溶液を滴下すればよい。なお、検体溶液を滴下して使用する場合には、筐体５０により圧電振動片２０の下面側の励振電極２２ｂを被覆する必要がない。したがって、図１に示す質量測定チップ２を使用することも可能である。また、質量測定チップを検体ガスに暴露して使用することにより、検体ガス中の特定物質の質量を測定することも可能である。
【００３７】
また、励振電極に感応膜を塗布した状態で商品化する場合など、感応膜の塗布から測定までの時間が長い場合には、感応膜の性能が劣化するおそれがある。ところが本実施形態では、平板の上面にシールを貼り付けて、貫通孔を閉塞することができる。これにより、励振電極の周囲を気密封止することが可能となり、感応膜の性能の劣化を防止することができる。なお測定時には、平板の上面に貼り付けたシールをはがして使用すればよい。
【００３８】
以上に詳述した本実施形態に係る質量測定チップにより、高感度化、小型化およびマルチセンサ化に対応することが可能となる。
すなわち本実施形態では、貫通孔を有する平板と、平板の下面側に配置された圧電振動片とを有し、貫通孔を通して圧電振動片の励振電極を平板の上面側に露出させつつ、貫通孔が密閉封止されるように、圧電振動片を平板に接合した構成とした。圧電振動片を平板に接合するので、肉厚の薄い圧電振動片の場合でも、実装時の加圧や接着剤の固化により圧電振動片に大きな応力が作用することはなく、圧電振動片の破損を防止することができる。したがって、肉厚の薄い高周波の圧電振動片を使用することが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００３９】
また本実施形態では、発振回路を構成するＩＣを平板の下面側に接合して、そのＩＣと圧電振動片とを電気的に接続した構成とした。これにより、圧電振動片とＩＣとの電気長が短くなって、伝送経路の損失が小さくなる。よって、高周波の圧電振動片を検体溶液中で安定して発振させることが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００４０】
また本実施形態では、平板に複数の貫通孔を形成する工程と、平板の一方面側に複数の圧電振動片を接合することにより、各貫通孔を通して各圧電振動片の励振電極を平板の他方面側に露出させつつ、各貫通孔を密閉封止する工程と、平板を個片に分離する工程とを有する構成とした。この場合、平板材料ウエハを製造トレイとして使用することが可能になり、圧電振動片を小型化した場合でも、製造工程における取り扱いが容易になる。したがって、質量測定チップを小型化することができる。また、平板を個片に分離すれば通常の質量測定チップが完成し、平板を個片に分離しなければマルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。したがって、特段の製造コストを要することなく、質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置をバイオセンサとして使用する方法について説明したが、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置は、例えば、においセンサや水分センサ、メッキ膜厚モニタ、イオンセンサ、粘度／密度計などとして使用することも可能である。まず、においセンサとして使用する場合には、におい物質を選択的に吸着する感応膜を励振電極の表面に塗布すればよい。また、水分センサとして使用する場合には吸水膜を塗布すればよい（特開平７−２０９１６５号公報参照）。
【００４２】
一方、メッキ膜厚モニタとして使用する場合には、メッキ対象物とともに質量測定チップをメッキ液中に浸漬する。この場合、励振電極の表面に付着したメッキ膜厚の増加とともに、圧電振動片の共振周波数が低下する。したがって、メッキ対象物のメッキ膜厚を検知することができる。また、イオンセンサとして使用する場合には、圧電振動片の一方の電極を検体溶液に接触させて作用電極とし、銀−塩化銀電極または白金線を対極とする電解セルを用いて、ある電解電圧で一定時間電着させる。そして、圧電振動片の周波数変化量を測定することにより、検体溶液中のイオンの定量分析を行うことができる。
【００４３】
一方、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置により、質量以外の微小量を測定することも可能である。以下に、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置を、粘度／密度計として使用する場合の測定原理を説明する。ＡＴカット圧電振動子は、その表面に沿って厚み滑り振動する。このＡＴカット圧電振動子を液体中に浸漬して発振させると、液体との間にせん断応力を生じる。そこで、ニュートンの粘性の式と水晶振動子の振動の式とから、液体の粘性による周波数変化量を表す次式が導かれる。
【数２】
ただし、ｄｆは圧電振動片の共振周波数の変化量、ｆ０は圧電振動片の共振周波数の初期値、ηは液体の粘度、ρＬは液体の密度、μは圧電材料の弾性率である。上式において、液体の粘度ηまたは液体の密度ρＬのいずれか一方を一定とすれば、いずれか他方と共振周波数の変化量とが一対一に対応する。したがって、共振周波数の変化量を測定することにより、液体の粘度変化または液体の密度変化を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る質量測定チップの説明図である。
【図２】質量測定チップの変形例の説明図である。
【図３】陽極接合の説明図である。
【図４】筐体を設けた質量測定チップの側面断面図である。
【図５】本実施形態に係る質量測定チップの製造方法の説明図である。
【図６】本実施形態に係る質量測定装置の説明図である。
【図７】従来の質量測定チップの説明図である。
【図８】従来の質量測定装置の説明図である。
【符号の説明】
２………質量測定チップ、１０………平板、１２………貫通孔、１４………配線パターン、１８………接着剤、２０………圧電振動片、２２ａ，２２ｂ………励振電極、２４ａ，２４ｂ………接続電極、３８………接着剤、４０………ＩＣ。
【発明の属する技術分野】
本発明は質量測定チップ、質量測定装置および質量測定チップの製造方法に係り、特に圧電振動片を用いて検体溶液における特定物質の濃度等を測定する質量測定チップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食品や生化学、環境などの分野で、特定物質の有無や濃度等を測定するため、水晶振動子マイクロバランス法が利用されている。その具体的な方法は、まず圧電振動片における一方の励振電極の表面に、検出すべき特定物質の感応膜を塗布する。そして、検出物質を含む検体溶液中にその圧電振動片を浸漬する。すると、検体溶液中の検出物質が感応膜と結合し、励振電極の質量が増加する。この励振電極の質量増加にともなって、圧電振動片の共振周波数が低下する。これにより、検体溶液中における検出物質の有無を判断することができる。
【０００３】
ところで、圧電振動片を検体溶液中に浸漬する際に、その両面に形成した励振電極が相互に短絡すると、圧電振動片を発振させることができなくなる。そこで、感応膜を塗布しない他方の励振電極を被覆部材等で覆うことにより、当該励振電極を検体溶液から封止して、電極間の短絡を防止する必要がある。
【０００４】
図７に、特許文献１に記載された質量測定チップの説明図を示す。なお、図７（１）は平面図であり、図７（２）は図７（１）のＧ−Ｇ線における側面断面図である。この質量測定チップ５０３は、矩形状の圧電平板の両面に円形状の励振電極５２２ａ，５２２ｂを形成した圧電振動片５２０を備えている。また、圧電振動片５２０の一方面側には、絶縁性薄板からなる被覆部材５５０が接着剤５５８によって接着されている。これにより、一方面側の励振電極５２２ｂが検体溶液から封止され、電極間の短絡が防止されている。さらに、各励振電極にはリード線５２４が取り付けられ、リード線５２４の検体溶液に浸漬する部分は接着剤５５８によって被覆されている。
【０００５】
図８に、従来の質量測定装置の説明図を示す。質量測定装置５０１において、上述した質量測定チップ５０３は外部の発振回路５４０に接続されている。質量の測定は、励振電極５２２ａの表面に上述した感応膜（不図示）を塗布した上で、質量測定チップ５０３を検体溶液７中に浸漬して行う。まず、発振回路５４０により質量測定チップ５０３の圧電振動片を発振させ、周波数カウンタ５により圧電振動片の共振周波数を測定する。上述したように、検体溶液中の検出物質が感応膜と結合し励振電極の質量が増加すると、圧電振動片の共振周波数が低下する。そこで、コンピュータ６によりこの共振周波数の低下量等を解析して、検体溶液中の特定物質の有無および濃度等を算出する。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１３８１２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近時、質量測定チップには、高感度化、小型化およびマルチセンサ化が要求されている。
質量測定チップを高感度化するには、圧電振動片を高周波化する必要がある。そして圧電振動片を高周波化するには、振動部の肉厚を薄くする必要がある。しかし、図７に示す従来の質量測定チップ５０３において、肉厚の薄い圧電振動片５２０を実装すると、接着時の加圧や接着剤５５８の固化により圧電振動片５２０に応力が作用し、圧電振動片５２０が破損する場合がある。一方、図８に示す従来の質量測定装置５０１では、質量測定チップ５０３の圧電振動片と発振回路５４０との電気長が長いため、伝送経路の損失が大きくなる。そして、この状態で高周波の圧電振動片を検体溶液中に浸漬して使用すると、圧電振動片の発振が不安定になる。以上の理由から、質量測定チップの高感度化に対応できないという問題がある。
また、質量測定チップを小型化するには、圧電振動片を小型化する必要がある。しかし圧電振動片を小型化すると、製造工程における取り扱いが困難になるという問題がある。
【０００８】
一方、質量測定チップのマルチセンサ化とは、同時に多種類の検出物質の測定を可能にすることをいう。質量測定チップをマルチセンサ化するには、多数の圧電振動片を同時に使用する必要がある。しかし、図７に示す質量測定チップ５０３では、圧電振動片５２０の個片と被覆部材５５０の個片とを接合して質量測定チップ５０３を製造するため、多数の圧電振動片を備えた質量測定チップを効率的に製造することができない。その結果、質量測定チップのマルチセンサ化に対応できないという問題がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に着目し、高感度化、小型化およびマルチセンサ化に対応することが可能な、質量測定チップ、質量測定装置および質量測定チップの製造方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る質量測定チップは、貫通孔を有する平板と、前記平板の一方面側に配置された圧電振動片とを有し、前記貫通孔を通して前記圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記貫通孔が密閉封止されるように、前記圧電振動片を前記平板に接合した構成とした。圧電振動片を平板に接合するので、肉厚の薄い圧電振動片の場合でも、実装時の加圧や接着剤の固化により圧電振動片に大きな応力が作用することはなく、圧電振動片の破損を防止することができる。したがって、肉厚の薄い高周波の圧電振動片を使用することが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００１１】
また、複数の貫通孔を有する平板と、前記平板の一方面側に配置された複数の圧電振動片とを有し、前記各貫通孔を通して前記各圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記各貫通孔が密閉封止されるように、前記各圧電振動片を前記平板に接合した構成とした。これにより、低コストで質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００１２】
また、前記圧電振動片は逆メサ型圧電振動片であって、前記圧電振動片の厚肉の周縁部を前記平板に接合する構成としてもよい。逆メサ型圧電振動片では、厚肉の周縁部により薄肉の振動部が保護されて、振動部の破壊が防止される。これにより、高周波の圧電振動片を使用することが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００１３】
また前記平板は、前記圧電振動片を構成する圧電材料と熱膨張係数が同等のガラス材料によって構成してもよい。これにより、平板および圧電振動片の熱膨張率および熱収縮率が同等となるので、両者の接合部における破壊を防止することができる。
【００１４】
また、前記平板の一方面側に発振回路を形成して、前記発振回路と前記圧電振動片とを電気的に接続する構成としてもよい。これにより、発振回路と圧電振動片との電気長が短くなって、伝送経路の損失が小さくなる。よって、高周波の圧電振動片を検体溶液中で安定して発振させることが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００１５】
また、接着剤または低融点ガラスを介して、前記圧電振動片を前記平板に接合する構成としてもよい。これにより、貫通孔を良好に密閉封止することができる。また、前記圧電振動片を前記平板に陽極接合する構成としてもよい。この場合、接合部からガスが発生しないので、ガス分子の付着による圧電振動片の周波数変化を防止することができる。
【００１６】
また、前記平板の一方面側に筐体を設けて、前記平板の一方面側を外部から封止する構成としてもよい。この場合、圧電振動片の上下面に形成した電極相互の短絡がないので、質量測定チップを検体溶液に浸漬して使用することができる。
【００１７】
一方、本発明に係る質量測定装置は、上記のいずれかに記載の質量測定チップを使用して製造した構成とした。これにより、上記効果をともなった質量測定装置を提供することができる。
一方、本発明に係る質量測定チップの製造方法は、平板に複数の貫通孔を形成する工程と、前記平板の一方面側に複数の圧電振動片を接合することにより、前記各貫通孔を通して前記各圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記各貫通孔を密閉封止する工程と、を有する構成とした。また、前記各圧電振動片を接合する工程の後に、前記平板を個片に分離する工程を有する構成とした。この場合、平板を製造トレイとして使用することが可能になり、圧電振動片を小型化した場合でも、製造工程における取り扱いが容易になる。したがって、質量測定チップを小型化することができる。また、平板を個片に分離すれば通常の質量測定チップが完成し、平板を個片に分離しなければマルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。したがって、特段の製造コストを要することなく、質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る質量測定チップ、質量測定装置および質量測定チップの製造方法の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお、本実施形態では圧電振動片として逆メサ型圧電振動片を使用するが、平板状のＡＴカット圧電振動片など他の圧電振動片を使用することも可能である。
【００１９】
図１に、本実施形態に係る質量測定チップの説明図を示す。なお、図１（１）は平面図であり、図１（２）は図１（１）のＡ−Ａ線における側面断面図であり、図１（３）は底面図である。本実施形態に係る質量測定チップ２は、貫通孔１２を有する平板１０と、平板１０の下面側に配置された圧電振動片２０とを有し、貫通孔１２を通して圧電振動片２０の励振電極２２ａを平板１０の上面側に露出させつつ、貫通孔１２が密閉封止されるように圧電振動片２０を平板１０に接合し、さらに発振回路を構成するＩＣ４０を平板１０の下面側に接合して、圧電振動片２０とＩＣ４０とを電気的に接続したものである。
【００２０】
本実施形態に係る質量測定チップは、従来の質量測定チップを高感度化したものである。質量測定チップの感度は、次式で表すことができる。
【数１】
【００２１】
そこで本実施形態では、圧電振動片２０としていわゆる逆メサ型圧電振動片を使用する。逆メサ型圧電振動片は、水晶等の圧電材料を平板状に切り出し、その中央に凹部を形成して薄肉化し、その薄肉部の両面に励振電極２２ａ，２２ｂを形成したものである。また、圧電振動片２０の周縁の厚肉部には、励振電極２２ａ，２２ｂと導通する接続電極２４ａ，２４ｂを形成する。なお、各電極はＡｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層によって構成する。このような逆メサ型圧電振動片では、周縁の厚肉部により中央の薄肉振動部が保護されるので、外力による振動部の破壊を防止することができる。これにより、高周波の圧電振動片が利用可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。一方、本実施形態で使用するＩＣ４０は、発振回路を構成する集積回路素子である。
【００２２】
また、圧電振動片２０およびＩＣ４０を実装する平板１０を形成する。平板１０は、圧電材料と同等の熱膨張係数を有する材料で構成するのが好ましい。なお、代表的な圧電材料である水晶の熱膨張係数は、Ｘ方向（長手方向）が１３．８×１０−６／℃程度であり、Ｙ方向（厚さ方向）が９．６１×１０−６／℃程度である。そこで、熱膨張係数が１１．０×１０−６／℃程度のソーダガラスにより平板１０を構成する。これにより、平板１０および圧電振動片２０の熱膨張率および熱収縮率が同等となるので、両者の接合部における破壊を防止することができる。一方、平板１０の中央部には貫通孔１２を形成する。貫通孔１２は、矩形や円形など任意の形状に形成すればよいが、少なくとも圧電振動片２０の上面側における励振電極２２ａの全体が貫通孔１２を通して平板１０の上面側に露出する大きさに形成する。また、平板１０の下面上に配線パターン１４を形成する。配線パターン１４は、Ａｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層により、貫通孔１２の周辺部からＩＣ４０の実装位置付近にかけて形成する。
【００２３】
そして、平板１０の下面側に圧電振動片２０を配置する。圧電振動片２０は、励振電極２２ａの全体が貫通孔１２を通して平板１０の上面側に露出するように配置する。また、接続電極２４ａが配線パターン１４と対面するように圧電振動片２０を配置する。そして、圧電振動片の周縁厚肉部を、平板１０の貫通孔１２の周辺部に対して、接着剤１８により接合する。なお、貫通孔１２を密閉封止すべく、貫通孔１２の周辺部の全周を接着剤１８により接合する。ここで、Ａｇペースト等の導電性接着剤を使用することにより、圧電振動片２０の上面側の接続電極２４ａと配線パターン１４とを電気的に接続することができる。
【００２４】
一方、平板１０の下面側に接着剤３８を介してＩＣ４０を接合する。そして、圧電振動片２０とＩＣ４０とを電気的に接続する。具体的には、配線パターン１４とＩＣ４０とをワイヤボンディングで接続することにより、ＩＣ４０から圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに対して通電可能とする。また、圧電振動片２０の下面側の接続電極２４ｂとＩＣ４０とをワイヤボンディングで接続することにより、ＩＣ４０から圧電振動片２０の下面側の励振電極２２ｂに対して通電可能とする。
【００２５】
図２に、質量測定チップの変形例の説明図を示す。なお、図２（１）は図２（２）のＢ−Ｂ線における側面断面図であり、図２（２）は底面図である。質量測定チップの具体的な構成は、上記以外の様々な構成とすることができる。図２に示す質量測定チップ１０２では、圧電振動片１２０の上面側の接続電極１２４ａを、圧電振動片１２０の側面および下面に延長形成する。なお、圧電振動片１２０の下面には、上面側の接続電極１２４ａと下面側の接続電極１２４ｂとを並べて配置する。一方、平板１１０の下面上には配線パターンを形成しない。そして、平板１１０と圧電振動片１２０とを、Ｓｉ系等の絶縁性接着剤１１８により接合する。なお、平板１１０の下面に低融点ガラスを介して圧電振動片１２０を接合してもよい。さらに、圧電振動片１２０の下面上に形成した接続電極１２４ａ，１２４ｂとＩＣ１４０とを、ワイヤボンディングにより接続する。この質量測定チップ１０２では、平板１１０の下面に配線パターンを形成しないので、製造コストを削減することができる。
【００２６】
図３に、陽極接合の説明図を示す。なお、図３（１）は図３（２）のＣ−Ｃ線における側面断面図であり、図３（２）は底面図である。平板２１０と圧電振動片２２０との接合は、陽極接合によって行うことも可能である。陽極接合する圧電振動片２２０には、図２の圧電振動片１２０と同様に、Ａｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層により励振電極および接続電極を形成する。これと同時に、圧電振動片２２０の上面側の周縁部全周に、Ａｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層により下層側接合電極２２６ｒを形成する。さらにその下層側接合電極２２６ｒの上層に、Ａｌ材料により上層側接合電極２２６ｓを形成する。一方、陽極接合する平板２１０は、ＮａやＬｉなどのアルカリ金属を含むガラス材料によって構成する。そして、平板２１０の下面に圧電振動片２２０を密着させてプラス電極を接続し、平板２１０の上面にダミー電極２１９を密着させてマイナス電極を接続し、数百から千Ｖの電圧を印加する。この状態で、３００℃〜３５０℃の雰囲気中に所定時間保持すれば、圧電振動片２２０の上層側接続電極２２６ｓと平板２１０との間が陽極接合される。このように、平板２１０と圧電振動片２２０とを陽極接合すれば、接合部からガスが発生しないので、ガス分子の付着による圧電振動片の周波数変化を防止することができる。
【００２７】
図１に示す質量測定チップ２は、貫通孔１２に検体溶液を滴下して使用すれば、検出物質の濃度等を測定することが可能である。しかし、質量測定チップ２を検体溶液に浸漬して使用する場合には、圧電振動片２０の上下面に形成した電極が検体溶液により短絡するのを防止する必要がある。この場合には、図４に示すように、質量測定チップ２の平板１０の下面に筐体５０を設けて、新たな質量測定チップ３を形成すればよい。筐体５０は、プラスチック材料等によって構成し、平板１０の下面全体を被覆できる大きさに形成する。この筐体５０は接着剤５８等を介して平板１０に接合する。なお、ＩＣ４０から周波数カウンタ５（図６参照）への配線は、ビニルチューブ５２等で被覆する。この質量測定チップ３では圧電振動片２０の上下面に形成した電極相互の短絡がないので、質量測定チップ３を検体溶液に浸漬して使用することができる。
【００２８】
次に、上述した本実施形態に係る質量測定チップの製造方法について説明する。本実施形態に係る質量測定チップは、平板の個片と圧電振動片の個片とを形成した上で、両者を接合して製造することも可能である。しかし以下の方法によれば、複数の質量測定チップを同時に製造することができる。
【００２９】
図５に、本実施形態に係る質量測定チップの製造方法の説明図を示す。なお、図５（１）は図５（２）のＥ−Ｅ線における側面断面図であり、図５（２）は底面図である。本実施形態では、複数の平板を形成可能な大きさの平板材料ウエハ８において、複数の質量測定チップを形成する。まず、平板材料ウエハ８における各質量測定チップ形成領域に、エッチング等により貫通孔１２を形成する。これと並行して、複数の圧電振動片２０を形成しておく。次に、ウエハ８の下面における各貫通孔１２の周辺部全周に接着剤（不図示）を塗布する。なお、各圧電振動片２０の上面における周縁部全周に接着剤（不図示）を塗布してもよい。次に、各貫通孔１２をふさぐように各圧電振動片２０を接合する。そして、切断線９に沿ってウエハ８を切断し、個片に分離する。その後、各個片にＩＣを実装して、ＩＣと圧電振動片２０とを電気的に接続すれば、質量測定チップが完成する。
【００３０】
なお、ウエハ８の各質量測定チップの形成領域にＩＣを実装し、これらと各圧電振動片２０とを電気的に接続した後に、ウエハ８を個片に分離してもよい。この場合、複数の質量測定チップをほぼ同時に製造することが可能となり、製造時間の短縮化、製造工程の簡略化および製造コストの削減を図ることができる。なお、あらかじめウエハ８の切断線９に溝を形成しておくとよい。これにより、ウエハ８の切断時における不規則な割れの発生を回避することが可能になり、高価なＩＣを無駄に廃棄することがなくなる。
【００３１】
なお、ウエハ８の各質量測定チップの形成領域にＩＣを実装し、これらと各圧電振動片２０とを電気的に接続した段階で、マルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。このマルチセンサ化された質量測定チップは、各圧電振動片の励振電極に異なる感応膜を塗布した上で検体溶液に浸漬する。これにより、１回で多種類の検出物質を測定することができる。このように本実施形態では、質量測定チップの製造工程において、ウエハ８を個片に分離すれば通常の質量測定チップが完成し、ウエハ８を個片に分離しなければマルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。したがって、特段の製造コストを要することなく、質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００３２】
また、平板状のＡＴカット圧電振動片を実装する場合には、各圧電振動片の上面のみに電極を形成してウエハに接合し、各圧電振動片の下面を研磨した後に、その下面に電極を形成することも可能である。この場合、研磨により各圧電振動片の厚さが均一化され、共振周波数のばらつきを低減することができる。
【００３３】
また、貫通孔を形成した平板材料ウエハに対して、複数の圧電振動片を形成した圧電材料ウエハを接合してもよい。この場合には、平板材料ウエハと圧電材料ウエハとを同時に切断して個片に分離すればよい。これにより、さらなる製造時間の短縮化、製造工程の簡略化および製造コストの削減が可能となる。
【００３４】
次に、上述した本実施形態に係る質量測定チップの使用方法について説明する。
図６に、本実施形態に係る質量測定装置の説明図を示す。本実施形態に係る質量測定チップ３は、周波数カウンタ５に接続する。周波数カウンタ５は、質量測定チップ３における圧電振動片の共振周波数を測定するものである。また、周波数カウンタ５はコンピュータ６に接続する。コンピュータ６は、周波数カウンタ５が測定した圧電振動片の共振周波数から、励振電極に付着した検出物質の質量を算出するものである。加えて、検出物質の付着量の経時変化から、検体溶液７中における検出物質の濃度等を解析し得るようにコンピュータ６を構成するのが好ましい。
【００３５】
質量測定の具体的手順は以下の通りである。まず、図４に示す質量測定チップ３において、圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに検出物質の感応膜を塗布する。次に、発振回路を構成するＩＣ４０により圧電振動片２０を発振させる。なお、図６に示す周波数カウンタ５により、圧電振動片の共振周波数を連続的に計測しておく。そして、図６に示すように、検体溶液７中に質量測定チップ３を浸漬する。検体溶液７中では、圧電振動片の励振電極上の感応膜に対して検出物質が結合する。これにより励振電極の質量が増加して、圧電振動片の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等をコンピュータ６で解析することにより、検出物質の有無および濃度等を算出することができる。
【００３６】
なお、質量測定チップを検体溶液に浸漬して使用するだけでなく、質量測定チップに検体溶液を滴下して使用することも可能である。具体的には、図４に示す質量測定チップ３において、圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに検出物質の感応膜を塗布した後、貫通孔１２を通して検体溶液を滴下すればよい。なお、検体溶液を滴下して使用する場合には、筐体５０により圧電振動片２０の下面側の励振電極２２ｂを被覆する必要がない。したがって、図１に示す質量測定チップ２を使用することも可能である。また、質量測定チップを検体ガスに暴露して使用することにより、検体ガス中の特定物質の質量を測定することも可能である。
【００３７】
また、励振電極に感応膜を塗布した状態で商品化する場合など、感応膜の塗布から測定までの時間が長い場合には、感応膜の性能が劣化するおそれがある。ところが本実施形態では、平板の上面にシールを貼り付けて、貫通孔を閉塞することができる。これにより、励振電極の周囲を気密封止することが可能となり、感応膜の性能の劣化を防止することができる。なお測定時には、平板の上面に貼り付けたシールをはがして使用すればよい。
【００３８】
以上に詳述した本実施形態に係る質量測定チップにより、高感度化、小型化およびマルチセンサ化に対応することが可能となる。
すなわち本実施形態では、貫通孔を有する平板と、平板の下面側に配置された圧電振動片とを有し、貫通孔を通して圧電振動片の励振電極を平板の上面側に露出させつつ、貫通孔が密閉封止されるように、圧電振動片を平板に接合した構成とした。圧電振動片を平板に接合するので、肉厚の薄い圧電振動片の場合でも、実装時の加圧や接着剤の固化により圧電振動片に大きな応力が作用することはなく、圧電振動片の破損を防止することができる。したがって、肉厚の薄い高周波の圧電振動片を使用することが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００３９】
また本実施形態では、発振回路を構成するＩＣを平板の下面側に接合して、そのＩＣと圧電振動片とを電気的に接続した構成とした。これにより、圧電振動片とＩＣとの電気長が短くなって、伝送経路の損失が小さくなる。よって、高周波の圧電振動片を検体溶液中で安定して発振させることが可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００４０】
また本実施形態では、平板に複数の貫通孔を形成する工程と、平板の一方面側に複数の圧電振動片を接合することにより、各貫通孔を通して各圧電振動片の励振電極を平板の他方面側に露出させつつ、各貫通孔を密閉封止する工程と、平板を個片に分離する工程とを有する構成とした。この場合、平板材料ウエハを製造トレイとして使用することが可能になり、圧電振動片を小型化した場合でも、製造工程における取り扱いが容易になる。したがって、質量測定チップを小型化することができる。また、平板を個片に分離すれば通常の質量測定チップが完成し、平板を個片に分離しなければマルチセンサ化された質量測定チップを得ることができる。したがって、特段の製造コストを要することなく、質量測定チップをマルチセンサ化することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置をバイオセンサとして使用する方法について説明したが、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置は、例えば、においセンサや水分センサ、メッキ膜厚モニタ、イオンセンサ、粘度／密度計などとして使用することも可能である。まず、においセンサとして使用する場合には、におい物質を選択的に吸着する感応膜を励振電極の表面に塗布すればよい。また、水分センサとして使用する場合には吸水膜を塗布すればよい（特開平７−２０９１６５号公報参照）。
【００４２】
一方、メッキ膜厚モニタとして使用する場合には、メッキ対象物とともに質量測定チップをメッキ液中に浸漬する。この場合、励振電極の表面に付着したメッキ膜厚の増加とともに、圧電振動片の共振周波数が低下する。したがって、メッキ対象物のメッキ膜厚を検知することができる。また、イオンセンサとして使用する場合には、圧電振動片の一方の電極を検体溶液に接触させて作用電極とし、銀−塩化銀電極または白金線を対極とする電解セルを用いて、ある電解電圧で一定時間電着させる。そして、圧電振動片の周波数変化量を測定することにより、検体溶液中のイオンの定量分析を行うことができる。
【００４３】
一方、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置により、質量以外の微小量を測定することも可能である。以下に、本発明に係る質量測定チップないし質量測定装置を、粘度／密度計として使用する場合の測定原理を説明する。ＡＴカット圧電振動子は、その表面に沿って厚み滑り振動する。このＡＴカット圧電振動子を液体中に浸漬して発振させると、液体との間にせん断応力を生じる。そこで、ニュートンの粘性の式と水晶振動子の振動の式とから、液体の粘性による周波数変化量を表す次式が導かれる。
【数２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る質量測定チップの説明図である。
【図２】質量測定チップの変形例の説明図である。
【図３】陽極接合の説明図である。
【図４】筐体を設けた質量測定チップの側面断面図である。
【図５】本実施形態に係る質量測定チップの製造方法の説明図である。
【図６】本実施形態に係る質量測定装置の説明図である。
【図７】従来の質量測定チップの説明図である。
【図８】従来の質量測定装置の説明図である。
【符号の説明】
２………質量測定チップ、１０………平板、１２………貫通孔、１４………配線パターン、１８………接着剤、２０………圧電振動片、２２ａ，２２ｂ………励振電極、２４ａ，２４ｂ………接続電極、３８………接着剤、４０………ＩＣ。
Claims (11)
- 貫通孔を有する平板と、
前記平板の一方面側に配置された圧電振動片とを有し、
前記貫通孔を通して前記圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記貫通孔が密閉封止されるように、前記圧電振動片を前記平板に接合したことを特徴とする質量測定チップ。 - 複数の貫通孔を有する平板と、
前記平板の一方面側に配置された複数の圧電振動片とを有し、
前記各貫通孔を通して前記各圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記各貫通孔が密閉封止されるように、前記各圧電振動片を前記平板に接合したことを特徴とする質量測定チップ。 - 請求項１または２に記載の質量測定チップにおいて、
前記圧電振動片は、逆メサ型圧電振動片であって、
前記圧電振動片の周縁の厚肉部を前記平板に接合したことを特徴とする質量測定チップ。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
前記平板は、前記圧電振動片を構成する圧電材料と熱膨張係数が同等のガラス材料によって構成したことを特徴とする質量測定チップ。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
前記平板の一方面側に発振回路を形成して、前記発振回路と前記圧電振動片とを電気的に接続したことを特徴とする質量測定チップ。 - 請求項１ないし５のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
接着剤または低融点ガラスを介して、前記圧電振動片を前記平板に接合したことを特徴とする質量測定チップ。 - 請求項１ないし５のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
前記圧電振動片を前記平板に陽極接合したことを特徴とする質量測定チップ。 - 請求項１ないし７のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
前記平板の一方面側に筐体を設けて、前記平板の一方面側を外部から封止したことを特徴とする質量測定チップ。 - 請求項１ないし８のいずれかに記載の質量測定チップを使用して製造したことを特徴とする質量測定装置。
- 平板に複数の貫通孔を形成する工程と、
前記平板の一方面側に複数の圧電振動片を接合することにより、前記各貫通孔を通して前記各圧電振動片の励振電極を前記平板の他方面側に露出させつつ、前記各貫通孔を密閉封止する工程と、
を有することを特徴とする質量測定チップの製造方法。 - 請求項１０に記載の質量測定チップの製造方法において、
前記各圧電振動片を接合する工程の後に、前記平板を個片に分離する工程を有することを特徴とする質量測定チップの製造方法。
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