【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水晶振動子等の圧電振動子への微量な質量の付着により生じる圧電振動子の共振周波数の変化を検出することにより、直接には付着した物質の質量を検出する質量測定装置、特にＡＴカット水晶振動子を利用した質量測定装置あるいはＱｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅセンサー（以下ＱＣＭセンサー装置という。）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のＱＣＭセンサー装置の測定原理に関しては、共振周波数をｆ、付着質量による共振周波数変化をΔｆ、質量変化をΔｍとすると、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの式（非特許文献２参照）に基づき
Δｆ＝−Ｋ・ｆ２・Δｍ・・・（１）
（ただし、Ｋは水晶の材料の弾性定数、密度、および電極面積により決まる定数である。）で表される。
（１）式の関係を用いれば、質量付着の前後のＡＴカット水晶振動子の共振周波数の差Δｆを測定することにより、逆に、付着した質量Δｍを求めることができる。（１）式に示すように、測定される共振周波数の差Δｆは共振周波数ｆの２乗に比例するので、共振周波数の高い圧電振動子を用いれば、単位質量当たりの周波数変化（Δｆ／Δｍ）すなわち、検出感度の高い質量検出が原理的には可能となる。例えば、共振周波数９ＭＨｚ程度のＡＴカット水晶振動子を用いると、１ｎｇの質量変化に対し１Ｈｚ程度の周波数変化を生じることから、ＡＴカット水晶振動子を発振回路で発振させ、その出力を周波数カウンターで計測することで手軽にしかも高感度に質量変化が測定でき、応用例として、大気中で微量有毒成分を検出するガスセンサーや匂いセンサー、また近年は特に水中で振動子を発振させる技術が進んだことにより、有機化合物や生体分子を対象物としたケミカルセンサーあるいはバイオセンサーとして注目を集めている（たとえば非特許文献１、２参照）。
【０００３】
しかしながら、ＡＴカット水晶振動子の共振周波数は、一般的には温度変化に対して３次式で表現される依存性をもって変化する。図５は周波数が１４．３１４ＭＨｚ付近に基本波の共振点をもつＡＴカット水晶振動子の直列共振周波数の温度による変化の一例を示す。図５において、縦軸は周波数を示し、横軸は温度を示している。実線で示す３次カーブは、質量付加前の当該ＡＴカット水晶振動子の共振周波数ｆを示しており、点線で示す３次カーブは、質量Δｍが付着した後の当該ＡＴカット水晶振動子の共振周波数ｆｍを示している。これによれば、ｔ＝２５℃付近で共振周波数ｆは略−３．８Ｈｚ／℃の温度依存性を示す。よってこのままでは、ＡＴカット水晶振動子に対する質量の付着以外に、ＡＴカット水晶振動子の温度変化によっても共振周波数が変化するので、前述の（１）式に示すような質量の付着のみに依存する共振周波数変化の検出ができず、正確な質量検出が困難となる。すなわち、質量付加前に当該ＡＴカット水晶振動子の共振周波数ｆが実線で示すカーブである場合、質量Δｍの付着後の共振周波数のカーブは実線のカーブを下方に平行移動した点線で示すカーブとなり、その移動量は（１）式に示すΔｆとなる。
【０００４】
この場合、質量付着前に温度ｔ１で共振周波数を測定し、質量付着語も同じ温度ｔ１で共振周波数を測定したとすれば、共振周波数の差は平行移動の量Δｆと等しくなり、（１）式から付着質量を正確に求めることができる。しかし、被測定物質をＡＴカット水晶振動子に付着させるためには、被測定試料を溶液またはガスに混入して振動子の表面に流す必要があり、このため、質量付着後のＡＴカット水晶振動子の温度は、ｔ１からずれる場合が多い。今この付着後の温度がｔ２となったとすると、図５に示すように、実際に測定される共振周波数の変化量ΔｆｒはΔｆｒ＝Δｆ＋Δｆｔとなり、Δｆに対してΔｆｔだけ誤差を生じる。ここでΔｆｔは温度差による共振周波数変化である。Δｆｒに基づいて（１）式により、Δｍを求めれば、Δｆｔの割合に応じた分だけΔｍの検出値に誤差を生じる。Δｆｔによる誤差の割合は、付着質量Δｍが小さい場合に影響が大きくなる。よって、微量の質量変化の検出は極めて困難となる。
【０００５】
これに対し、恒温槽を用いてＡＴカット水晶振動子の温度を一定にする方法も考えられるが、この場合でも、ＡＴカット水晶振動子の温度の安定化を図ろうとすれば装置が大型になり、温度が安定するまでの時間がかかる。また、槽内の温度分布が、被測定試料を含む気体または液体の性質に依存して微妙に異なるという問題もあり、質量検出に対し、時間的または精度上の不利を招く。従来は温度変化の影響を軽減するため、室温付近での温度係数を小さくするよう、ＡＴカット水晶振動子のカット角を調整していたが、カット角は加工工程においてどうしてもバラツキが生じてしまうため、室温付近での温度係数を完全にゼロにすることは極めて困難であった。また、このようにカット角を調整したＡＴカット水晶振動子の場合、温度係数をゼロに設定した温度領域から外れて測定した場合は、温度変化の影響を強く受けることになってしまう。
【０００６】
このような問題を改善するため、水晶振動子等よりなる温度センサーを質量検出用のＡＴカット水晶振動子とは別にＱＣＭセンサー装置内に設ける試みが従来なされている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＷＡＶＥ ＳＥＮＳＯＲＳ、ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＰＲＥＳＳ（ＩＳＢＮ ０−１２−０７７４６０−７）ｐ３０７−３０８、Ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ
【非特許文献２】
ＢＵＮＳＥＫＩ ＫＡＧＡＫＵ Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．１２、ｐｐ．９１７−９３０（１９９７）：臨床検査のためのラテックス圧電素子イムノアッセイと圧電素子バイオセンサーの開発（９１８頁−９２９頁）
【特許文献１】
特開平６−２６５４５９号公報（第２頁−３頁、図１）
【特許文献２】
特開平９−２２９８４１号公報（第２頁−３頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これら改良されたＱＣＭセンサー装置においては、温度センサーの出力に応じて、質量検出用ＡＴカット水晶振動子の出力が補正され、温度変化が質量検出用ＡＴカット水晶振動子の共振周波数に与える変動をキャンセルするという原理により、質量変化の検出量が温度の影響を受けない温度補償が図られている。しかし、これらの装置においては、温度の検出は質量検出用ＡＴカット水晶振動子とは別体である温度検出用の振動子等の温度センサーにより行なうものであるから、質量検出用ＡＴカット水晶振動子自体の温度を直接に検出するものではなく、温度センサーにより間接に検出するものである。そのため、検出温度と質量検出用ＡＴカット水晶振動子自体の温度には多かれ少なかれ差があり、しかもその差は時間により、または測定試料により、変動する性質がある。このために、質量検出用ＡＴカット水晶振動子自体の温度を正確に知ることは困難であった。
【０００９】
これを具体的に説明する。図５を用いてすでに説明したように、質量がＡＴカット水晶振動子に付着する前の温度がｔ１、質量付着後の温度をｔ２とすると、この温度差のみによって、共振周波数ｆはΔｆｔだけ変化する。よって、実際の共振周波数の変化Δｆｒは（１）式で表される付着質量による共振周波数変化Δｆに、温度差による共振周波数変化Δｆｔを加えたものとなる。すなわち、
Δｆｒ＝Δｆ＋Δｆｔ＝−Ｋ・ｆ２・Δｍ＋Δｆｔ・・・・（２）
となる。（２）式より、付着質量Δｍを正確に求めるには共振周波数の実際の変化Δｆｒおよび温度差による共振周波数変化Δｆｔを正確に求めることが必要とされる。ところがΔｆｒを正確に求めることは、ネットワークアナライザーやインピーダンスアナライザーまたは適切な発振回路とカウンターを用いることにより可能であるが、一方で温度差による共振周波数変化Δｆｔを正確に求めることは、図５に示すように周波数の温度特性が既知であっても、質量検出用ＡＴカット水晶振動子自体の質量付着前の温度ｔ１、質量付着後の温度ｔ２を正確に把握できないかぎり不可能である。改良されたセンサー装置においては、温度センサーがあっても、上記したように、質量検出用ＡＴカット水晶振動子自体の温度を直接測定せず、間接的に測定するため、温度ｔ１、ｔ２を正確に測定することができなかった。よって、従来は温度センサーを備えたＱＣＭセンサー装置においても、温度変化に起因する質量変化測定の誤差を正確にキャンセルすることができず、質量変化の測定精度を上げることができない場合が少なくなかった。
【００１０】
また、ＡＴカット水晶振動子のカット角の調整により、共振周波数の温度依存性を使用温度付近でゼロに近づけて温度の影響を減少させる場合においては、カット角のバラツキによりどうしても温度依存性が生じてしまうという欠点があった。さらに、温度依存性をゼロに設定した温度範囲以外でＱＣＭセンサーを使用すると、当然温度依存性の影響が出てしまうため、使用する温度が異なる場合は、その温度に適したカット角の振動子を複数用意する必要がある。
【００１１】
本発明は、上記した従来のＱＣＭセンサー装置において生じることのある問題点すなわち、質量検出用ＡＴカット水晶振動子自体の温度変化によって質量検出の精度が低下するという問題点、特にその温度変化が正確に求めることができないために、質量検出の精度が低下するという問題を改善し、さらに質量変化と温度変化の情報を同時に取得することで、水晶振動子に物質が吸着する際に生じている物理反応過程あるいは化学反応過程に関する熱的な情報が得ることで、ＱＣＭセンサーに熱分析能力を持たせ、さらに広い温度範囲に渡って同一の圧電振動子の使用を可能とすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためにその第１の手段として本発明は、センサーとなる圧電振動子を有し、圧電振動子の共振周波数の変化量に基づいて、圧電振動子の表面に吸着した物質の質量を測定するＱＣＭセンサー装置において、圧電振動子には駆動電極と、圧電振動子の温度を計測するための測温素子とが配設されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するためにその第２の手段として本発明は、測温素子は、圧電振動子上に設けた導電体であり、導電体の抵抗値又は導電率を計測することにより圧電振動子の温度を計測することを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するためにその第３の手段として本発明は、導電体は、圧電振動子を駆動する少なくとも一方の駆動電極を兼ねることを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決するためにその第４の手段として本発明は、導電体は、一対の電流印加端子と一対の電圧測定端子を有し、電流印加端子に所定の電流を印加したときに一対の電圧測定端子に生じた電圧を測定して導電体の抵抗値を求めることによって、圧電振動子の温度を計測することを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決するためにその第５の手段として本発明は、一対の電流印加端子と一対の電圧測定端子の中のいずれか一つの端子を接地端子とし、接地端子と駆動電極を発振回路に接続して圧電振動子を発振させることにより、圧電振動子の発振周波数を共振周波数として求めることを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決するためにその第６の手段として本発明は、一対の電流印加端子と一対の電圧測定端子の中のいずれか一つの端子と駆動電極との間のインピーダンスあるいはアドミッタンスを測定することにより圧電振動子の共振周波数を求めることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。図１は第１実施形態の係わるＱＣＭセンサー装置の構成を示すブロック図である。図１（ａ）においてＱＣＭセンサー装置は、圧電振動子としてＡＴカットの水晶振動子１を用いる。図１（ｂ）は水晶振動子１を裏面から見た図である。水晶振動子１の表面には後述する測温素子を構成する金属薄膜パターン２が設けられており、金属薄膜パターン２には、その抵抗値を４端子法で計測するための電流源９と電圧計１０が接続されている。さらに水晶振動子１には、共振周波数を計測するための共振周波数計測手段１１が接続されている。
【００１９】
金属薄膜パターン２は、水晶振動子１の表面に形成されており、裏面に形成された振動子駆動用の駆動電極３に対向して形成されることで、もう一つの駆動電極を兼ねている。本実施形態ではこの金属薄膜パターン２の抵抗値を計測して温度を求めるが、４端子法を上手く適用することで、水晶振動子１のうち、実際に振動している領域の温度を計測する測温素子として機能させている。すなわち、水晶振動子１の振動領域２ａは点線で示すように、金属薄膜パターン２のうち、駆動電極３と対向している領域であり、この領域の温度を可能な限り正確に計測するために、振動領域２ａに設けた導電体である金属配線パターン２の導電率又は抵抗値を４端子法で計測できるようにしている。そのために、振動領域２ａ部分の金属薄膜パターン２に所定の電流を印加するための引き出し配線４と配線５とが、それぞれ電流印加端子Ｉ＋、Ｉ−に接続するよう配設され、さらに金属薄膜パターン２への電流印加時に生じる同部分での電圧降下を測定するための引き出し配線６と配線７とがそれぞれ電圧測定端子Ｖ＋とＶ−とに接続するよう配設されている。
【００２０】
図１（ｃ）は以上説明した４端子法による抵抗測定の様子を等価回路で示したものである。抵抗Ｒ２ａは、金属薄膜パターン２のうち、振動領域２ａに含まれる部分の抵抗であり、抵抗Ｒ４、Ｒ５はそれぞれ電流印加端子Ｉ＋、Ｉ−への引き出し配線４と配線５に含まれる部分の抵抗、抵抗Ｒ６、Ｒ７はそれぞれ電圧測定端子Ｖ＋、Ｖ−への引き出し配線６、配線７に含まれる部分の抵抗である。抵抗Ｒ２ａの測定は、電流印加端子Ｉ−を接地し、電流印加端子Ｉ＋に接続された電流源９から抵抗Ｒ４、Ｒ２ａ、Ｒ５に一定電流Ｉを印加し、抵抗Ｒ２ａの両端に生じた電圧降下Ｖを電圧測定端子Ｖ＋とＶ−に接続された電圧計１０で測定する。電圧計１０の入力抵抗は一般に１０６Ω以上あり、金属薄膜パターン２の抵抗値（１Ω以下）に比べると充分高いので、電圧測定用の引き出し配線６と配線７に基づく抵抗Ｒ６とＲ７の影響を受けずに、抵抗Ｒ２ａの両端の電圧Ｖが測定でき、測定電圧Ｖ／印加電流Ｉより抵抗Ｒ２ａを誤差なく求めることが出来る。金属薄膜パターン２の温度は、その抵抗Ｒ２ａの温度依存性を予め調べておくことで、抵抗値から温度に換算することが出来きるので、水晶振動子１の温度のうち、実際に振動している振動領域２ａの温度を正確に計測することが可能である。
【００２１】
本実施形態では、金属薄膜パターン２の配線経路を蛇行させて配線長さを長く取っているので、温度変化に対する抵抗値の変化量が大きくなり、温度計測の感度を高めている。なお金属薄膜パターン２は、その外形を裏面側の駆動電極３と略一致させることによって、もう一つの駆動電極を兼用させることができる。また、蛇行させた配線間隔を水晶基板の厚さより狭くすることで駆動電極が作る電界分布に与える影響を無視できる程度まで低減することが可能であり、その結果として、水晶振動子１の共振特性に影響を与えることなく高い感度の測温素子を形成することが出来る。
【００２２】
この実施形態において、水晶振動子１の共振周波数は、接地した電流印加端子Ｉ−と、裏面の駆動電極３に接続した端子８の間に接続された共振周波数計測手段１１により計測する。共振周波数計測手段１１としては、水晶発振回路を用いて発振周波数から共振周波数を求める方法と、インピーダンスあるいはアドミッタンス計測器をもちいて駆動周波数に対するインピーダンスあるいはアドミッタンス特性より共振周波数を計算により求める方法とがあり、どちらを用いてもよい。
【００２３】
以上説明した測温素子による水晶振動子１の温度計測と、共振周波数計測手段１１による水晶振動子１の共振周波数計測は、図１に示す制御装置３０により制御される。制御装置３０としては、パーソナルコンピュータや、専用ハードウエアを用いることができる。測温素子である金属薄膜パターン２による温度計測は、制御装置３０の指示により、定電流源９に数ｍＡ〜数１００ｍＡ程度の一定電流を発生させ、金属薄膜パターン２に電流印加後、金属薄膜パターン２で生じた電圧降下を電圧計１０で計測し、その計測データを制御装置３０に読み込み、抵抗値を計算した後、予め調べておいた金属薄膜パターン２の抵抗値の温度依存性から、温度に換算して出力、あるいは表示する。一方、水晶振動子１の共振周波数は、制御装置３０の指示により、共振周波数計測手段１１により共振周波数を含む一定周波数領域をスイープ（掃引）し、その時のアドミッタンス特性を計測し、その計測データを制御装置３０に読み込む。さらに制御装置３０は、読み込んだ周波数に対するアドミッタンスの変化から、水晶振動子１の等価回路定数を最小二乗法等の数学的手法により求め、さらに等価回路から、共振周波数やＱ値等を演算し出力、あるいは表示する。また、制御装置３０は、以上の手順で得られた共振周波数と温度から、予め調べておいた水晶振動子１の共振周波数の温度依存性を用いて、温度変化に基づく共振周波数の変化分を補正することで温度補償を行い、補償後の共振周波数変化を出力、あるいは表示する。ここで用いる共振周波数計測手段１１としては、ネットワークアナライザーやインピーダンスアナライザーを用いることができる。インピーダンスアナライザーを用いる場合は、駆動電極３の端子８と、接地した電流印加端子Ｉ−との間のインピーダンスを計測する。ネットワークアナライザーを用いる場合は、電流印加端子Ｉ−を直接接地せずに、５０Ω程度の抵抗素子を介して接地し、ネットワークアナライザーからの駆動信号を駆動電極３の端子８に印加し、電流印加端子Ｉ−からの信号をネットワークアナライザーの入力に接続すればよい。
【００２４】
次に本発明の第２実施形態として、水晶振動子１の共振周波数計測手段１１に水晶発振回路を用いた場合を図２に基づいて説明する。なお、図１と同一の構成には同じ番号をつけてその説明を省略する。水晶発振回路１２はＭＯＳトランジスターＭ１、ゲートバイアス抵抗Ｒ１、動作電流設定抵抗Ｒ２、並列共振容量Ｃ１、Ｃ２から構成されるコルピッツ発振回路である。この水晶発振回路１２は水晶振動子１の一方の端子を接地して用いるため、電流印加端子５を接地して金属薄膜パターン２の抵抗値を計測する４端子法との併用に好都合である。水晶発振回路１２の出力１３は、波形整形インバータ１４を通してその発振出力１５を周波数カウンター１６で計測することで発振周波数を計測する。水晶振動子１への質量付着による共振周波数の変化は、ほぼ発振出力１５の変化に比例するので、発振出力１５の変化から、付着質量の変化を求めることが出来る。
【００２５】
本実施形態においても水晶振動子１の温度計測、および水晶発振回路１２による水晶振動子１の共振周波数計測は、制御装置３０により制御される。金属薄膜パターン２による温度計測は、第１実施形態と同様に行い、水晶振動子１の温度を出力、あるいは表示する。水晶振動子１の共振周波数計測値は、水晶発振回路１２の出力を周波数カウンター１６で計測した結果を制御装置３０に読み込み、共振周波数変化として出力し、あるいは表示する。
【００２６】
次に、上記の実施形態を実際の測定に適用した場合のセンサー部の構成を図３に基づいて説明する。図３は、液体試料中の微量物質を計測する場合のＱＣＭセンサー装置のセンサー部を示している。水晶振動子１は、片面のみが試料溶液に接触するように、空気室１９を有した基板１８に防水を兼ねた接着剤２０で実装され、液体容器２１に保持された溶液２２中に浸されている。液体容器２１は調温ブロック２３に熱的に接触して温度が一定に保たれている。水晶振動子１の溶液に接触する側にある駆動電極３の表面には、溶液中の目的物質を特異的に吸着するセンサー膜１７が形成してある。空気室１９は接着剤２０で防水されており、水晶振動子１の空気室１９側には、駆動電極を兼ねた金属薄膜パターン２が形成されている。水晶振動子１には、４端子法による抵抗測定用の電流印加端子Ｉ＋とＩ−、電圧測定端子Ｖ＋とＶ−が配設されており、それぞれは基板１８上の配線を介して、実施形態１で説明したように電流源および電圧計に接続されている。電流印加端子Ｉ−と、駆動電極３に接続した端子８は、図示しない共振周波数測定手段１１に接続されている。
【００２７】
次に、このＱＣＭセンサー装置による試料の測定手順を説明する。最初に、調温ブロック２３により一定温度に保たれた溶液２２中に、基板実装された水晶振動子１を浸す。この時、基板実装された水晶振動子１の温度は調温ブロック２３の温度とは異なるので、温度が安定するまでしばらく待つ。前に説明した通り、水晶振動子１の共振周波数は温度によっても変化するので、共振周波数が一定になるまで待つことになる。周波数が一定になったところで、ピペット２４を用いて被測定試料を溶液２２中に滴下して、被測定試料中に含まれる目的物質を、水晶振動子１表面に形成したセンサー膜１７に吸着させ、そのときの質量変化に伴う共振周波数変化を測定する。
【００２８】
図４には、一連の測定操作に伴う水晶振動子１の共振周波数変化の様子を示す。ここで用いている水晶振動子１は図５に示す温度特性を有し、調温ブロック２３の温度は温度ｔ２付近に設定してある。図４（ａ）は、経過時間に対する共振周波数変化の様子を示している。時刻Ｔ１で被測定試料を滴下すると、この場合直後に周波数が上昇し、しばらくして下降を始めて時刻Ｔ２でほぼ一定周波数に達する。水晶振動子１の温度変化が調温ブロック２３によって一定に保たれていると仮定すると、この周波数変化の様子を見るかぎり、センサー膜１７から一旦、吸着物質が離れて周波数が増加し、再び吸着して時間Ｔ２で定常状態に達したように見えてしまう。
【００２９】
図４（ｂ）は水晶振動子１表面に形成された金属薄膜パターン２による温度測定結果を示す。時刻Ｔ１で被測定試料を滴下直後に一度、温度が低下したのち、再び一定に回復していることがわかる。つまり、これは調温ブロック２３の温度より被測定試料の温度が低くかったために、溶液２２の温度が一度低下した後、再び調温ブロック２３の温度に戻る過程をしめしている。使用した水晶振動子１の共振周波数の温度依存性を示す図５によれば、実験した温度ｔ２付近では温度が負の温度依存性を持っているため、溶液温度の低下に伴い、水晶振動子１の温度も低下し、共振周波数が上昇していたことが判る。従って、図４（ａ）に見られた最初の周波数上昇は、吸着物質の解離等によるものではなく、単に溶液温度の変化に起因するものと推測することが可能である。
【００３０】
図４（ｃ）は、水晶振動子１の温度変化による周波数変化分を補正した後の、共振周波数の変化を示したもので、時刻Ｔ１でセンサー膜１７への吸着が開始し、時刻Ｔ２より早い、時刻Ｔ２’で平衡状態に達しており、試料滴下直後にセンサー膜１７上で解離等が生じていなかったと判断できる。もし、温度変化分を補正をしていなければ、測定時間がＴ２より短い場合は、温度変化による周波数変化分は測定誤差となってしまう。このように、水晶振動子１の温度変化による周波数変化分を補正することで、センサーである水晶振動子１の表面で生じている反応の真の姿が明らかになることが判る。さらに本発明のＱＣＭセンサー装置によれば、センサー膜１７に目的物質が吸着する際に発熱反応あるいは吸熱反応を伴うような場合は、その反応に関する熱的な情報を得ることが可能である。
【００３１】
温度変化による共振周波数の補正で重要な点は、試料滴下による溶液温度の変化を検出するのでは無く、それに伴い水晶振動子１自体の温度が変化したことを正確に検出する必要があるという事である。なぜなら、温度変化による周波数変化は水晶振動子１自体の温度変化によるからである。ここで、調温ブロック２３により溶液２２の温度が一定に制御されて、時刻Ｔ２より長い時間かけて測定すれば、いずれ正しい周波数変化が得られる思われるが、より高い精度で周波数変化を計測しようとすると、実はそうではない。つまり調温ブロック２３は、ブロック内に設けた温度センサーの温度が一定になるように温度制御されており、溶液２２の温度自体を一定に保っている訳ではない点に注意すると、溶液２２自体の温度は、常に外部環境の温度変化の影響を受けて、たとえば０．１℃から０．０１℃という温度範囲で変動している。このような温度変動による周波数の短期、長期的変動により周波数が平衡状態に達したかどうかの判断が難しくなるのである。従来、水晶振動子１とは別体の温度センサーを設置した例があるが、その場合、計測した温度はあくまでも水晶振動子１とは別体の物の温度であり、正確に温度補償を行ったことにはならない。
【００３２】
以上の説明において、測温素子としては金属薄膜パターン２を用いていたが、測温素子は、水晶振動子１の空気室側に配置したので、溶液２２との電気化学的反応の影響は無く、素材として白金、金、ニッケル、パラジウム等を様々な導電体材料を用いることが可能である。とくに、駆動電極３と同じ材料を用い、駆動電極３をパターニングするときに合わせて測温素子である金属薄膜パターン２もパターニングすれば、測温素子を形成するための特別な製造工程が不要であり、製造コストの増加を招くこともない。また、測温素子が駆動電極を兼ねることにより、測温素子のための配置場所も不要であり、水晶振動子１を従来通りのサイズで作成することが可能である。また以上の説明においては、測温素子である金属薄膜パターン２の導電率あるいは抵抗値を測定するのに４端子法を用いたが、高精度を要しない場合は、電流印加端子Ｉ＋、Ｉ−と、電圧測定端子Ｖ＋、Ｖ−の一方を共用することも可能であり、あるいは両方を共用して２端子法で計測することも可能である。電流印加端子Ｉ＋、Ｉ−と、電圧測定端子Ｖ＋、Ｖ−を共用する場合は、各端子への引き出し配線の幅を広くして抵抗を下げることにより、精度の低下を軽減することが可能である。
また、以上の説明においては、測温素子となる金属薄膜パターン２を駆動電極と兼ねていたが、駆動電極とは別に測温素子を設ける場合は、金属薄膜以外に抵抗値の高いカーボンや、ポリシリコン等の半導体材料を用いることも可能である。さらに、水晶振動子１表面上に薄膜半導体等の能動素子を形成して温度センサー回路を搭載することも、半導体技術の進歩により可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、質量検出用の圧電振動子の周波数変化から検出質量を測定するＱＣＭセンサー装置において、圧電振動子自体の温度変化を直接的に測定することにより、種種の要因に基づく温度変化の質量検出値への影響を補償でき、従来よりも質量の検出精度を向上させることができる。同時に、圧電振動子上に形成したセンサー膜上での物理的、あるいは化学的吸着、脱離反応に伴う熱的な情報を取得することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＱＣＭセンサー装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るＱＣＭセンサー装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係るＱＣＭセンサー装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係るＱＣＭセンサー装置による測定結果を示す図である。
【図５】従来のＱＣＭセンサー装置に用いる質量検出用のＡＴ水晶振動子の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 水晶振動子
２ 測温素子用の金属薄膜パターン
３ 駆動電極
４、５ 引き出し配線
６、７ 引き出し配線
８ 駆動電極端子
９ 電流源
１０ 電圧計
１１ 共振周波数計測手段
１２ 発振回路
１３ 発振回路の出力
１４ 波形整形インバーター
１５ 発振出力
１６ 周波数カウンター
１７ センサー膜
１８ 基板
１９ 空気室
２０ 接着剤
２１ 液体容器
２２ 溶液
２３ 調温ブロック
２４ ピペット
Ｉ＋、Ｉ− 電流印加端子
Ｖ＋、Ｖ− 電圧測定端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is a mass measuring device that directly detects the mass of a substance that has adhered by detecting a change in the resonance frequency of a piezoelectric vibrator caused by the attachment of a small amount of mass to a piezoelectric vibrator such as a quartz oscillator. In particular, the present invention relates to a mass measuring device or a Quartz Crystal Microbalance sensor (hereinafter referred to as a QCM sensor device) using an AT-cut quartz resonator.
[0002]
[Prior art]
Regarding the measurement principle of the above-described QCM sensor device, if the resonance frequency is f, the resonance frequency change due to the attached mass is Δf, and the mass change is Δm, based on Sauerbrey's formula (see Non-Patent Document 2).
Δf = −K · f 2 .DELTA.m (1)
(Where K is a constant determined by the elastic constant, density, and electrode area of the quartz material).
By using the relationship of the expression (1), by measuring the difference Δf between the resonance frequencies of the AT-cut quartz resonator before and after mass attachment, the attached mass Δm can be determined conversely. As shown in equation (1), the difference Δf in the measured resonance frequency is proportional to the square of the resonance frequency f. Therefore, if a piezoelectric vibrator having a high resonance frequency is used, the frequency change per unit mass (Δf / Δm) That is, mass detection with high detection sensitivity is possible in principle. For example, when an AT-cut quartz resonator having a resonance frequency of about 9 MHz is used, a frequency change of about 1 Hz occurs for a change in mass of 1 ng. Therefore, the AT-cut quartz resonator is oscillated by an oscillation circuit, and the output is output by a frequency counter. By measuring, mass changes can be measured easily and with high sensitivity.Application examples include gas sensors and odor sensors that detect trace toxic components in the atmosphere, and in recent years, in particular, technology for oscillating oscillators in water has advanced. For this reason, it has attracted attention as a chemical sensor or a biosensor using an organic compound or a biomolecule as an object (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
[0003]
However, the resonance frequency of an AT-cut quartz resonator generally changes with a dependency expressed by a cubic equation with respect to a temperature change. FIG. 5 shows an example of a change in the series resonance frequency of an AT-cut quartz resonator having a fundamental wave resonance point at a frequency around 14.314 MHz with temperature. In FIG. 5, the vertical axis indicates frequency, and the horizontal axis indicates temperature. A tertiary curve indicated by a solid line indicates the resonance frequency f of the AT-cut quartz resonator before adding the mass, and a tertiary curve indicated by a dotted line indicates the resonance frequency of the AT-cut quartz resonator after the mass Δm is attached. The frequency fm is shown. According to this, around t = 25 ° C., the resonance frequency f shows a temperature dependence of approximately −3.8 Hz / ° C. Therefore, in this state, in addition to the attachment of the mass to the AT-cut quartz resonator, the resonance frequency also changes due to the temperature change of the AT-cut quartz resonator, so that it depends only on the attachment of the mass as shown in the above equation (1). A change in resonance frequency cannot be detected, and accurate mass detection becomes difficult. That is, when the resonance frequency f of the AT-cut quartz resonator is a curve shown by a solid line before mass addition, the resonance frequency curve after the mass Δm is attached is a curve shown by a dotted line obtained by translating the solid curve downward. , The amount of movement is Δf shown in equation (1).
[0004]
In this case, if the resonance frequency is measured at the temperature t1 before the mass attachment and the resonance frequency is measured at the same temperature t1 as the mass attachment word, the difference between the resonance frequencies becomes equal to the amount of translation Δf, and (1) The attached mass can be accurately obtained from the equation. However, in order to attach the substance to be measured to the AT-cut quartz resonator, it is necessary to mix the sample to be measured into a solution or a gas and to flow over the surface of the resonator. The temperature of the child often deviates from t1. Assuming that the temperature after the attachment is t2, as shown in FIG. 5, the actually measured change amount Δfr of the resonance frequency becomes Δfr = Δf + Δft, and an error occurs by Δft with respect to Δf. Here, Δft is a change in resonance frequency due to a temperature difference. If Δm is obtained from Expression (1) based on Δfr, an error occurs in the detected value of Δm by an amount corresponding to the ratio of Δft. The error rate due to Δft has a greater effect when the attached mass Δm is small. Therefore, it is extremely difficult to detect a minute change in mass.
[0005]
On the other hand, a method of using an oven to keep the temperature of the AT-cut quartz crystal resonator constant is also conceivable. However, even in this case, if the temperature of the AT-cut quartz crystal resonator is to be stabilized, the apparatus becomes large. It takes time for the temperature to stabilize. In addition, there is a problem that the temperature distribution in the tank is slightly different depending on the properties of the gas or liquid containing the sample to be measured, which causes a disadvantage in time or accuracy with respect to mass detection. Conventionally, in order to reduce the effect of temperature change, the cut angle of the AT-cut quartz resonator was adjusted so as to reduce the temperature coefficient near room temperature. However, the cut angle would inevitably vary in the machining process. It was extremely difficult to completely reduce the temperature coefficient near room temperature to zero. In addition, in the case of the AT-cut crystal resonator whose cut angle is adjusted as described above, if the measurement is performed outside the temperature range where the temperature coefficient is set to zero, the influence of the temperature change will be strong.
[0006]
In order to solve such a problem, attempts have been made to provide a temperature sensor including a quartz oscillator or the like in a QCM sensor device separately from an AT-cut quartz oscillator for mass detection (for example, Patent Documents 1 and 2). 2).
[0007]
[Non-patent document 1]
ACOUSTIC WAVE SENSORS, ACADEMIC PRESS (ISBN 0-12-077460-7) p307-308, Examples of Biochemical Acoustic Wave Sensors
[Non-patent document 2]
BUNSEKI KAGAKU Vol. 46, no. 12, pp. 917-930 (1997): Development of latex piezo-element immunoassay and piezo-element biosensor for clinical examination (pp. 918-929)
[Patent Document 1]
JP-A-6-265559 (Page 2-3, FIG. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-229841 (page 2-3, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In these improved QCM sensor devices, the output of the AT-cut quartz resonator for mass detection is corrected in accordance with the output of the temperature sensor, and the change in temperature that affects the resonance frequency of the AT-cut quartz resonator for mass detection is corrected. By the principle of cancellation, temperature compensation is achieved so that the detected amount of mass change is not affected by temperature. However, in these devices, the temperature is detected by a temperature sensor such as a temperature detecting vibrator which is separate from the mass detecting AT-cut quartz vibrator. The temperature of the child itself is not directly detected, but is detected indirectly by a temperature sensor. For this reason, there is a more or less difference between the detection temperature and the temperature of the AT-cut quartz resonator for mass detection itself, and the difference has the property of varying with time or with the measurement sample. For this reason, it has been difficult to accurately know the temperature of the AT-cut quartz resonator for mass detection itself.
[0009]
This will be specifically described. As already described with reference to FIG. 5, assuming that the temperature before the mass is attached to the AT-cut quartz resonator is t1 and the temperature after the mass is attached is t2, the resonance frequency f changes by Δft only by this temperature difference. I do. Therefore, the actual resonance frequency change Δfr is obtained by adding the resonance frequency change Δft due to the temperature difference to the resonance frequency change Δf due to the attached mass expressed by the equation (1). That is,
Δfr = Δf + Δft = −K · f 2 .DELTA.m + .DELTA.ft (2)
It becomes. From the equation (2), it is necessary to accurately obtain the actual change in the resonance frequency Δfr and the resonance frequency change Δft due to the temperature difference in order to accurately obtain the attached mass Δm. However, it is possible to accurately determine Δfr by using a network analyzer, an impedance analyzer, or an appropriate oscillation circuit and a counter. On the other hand, to accurately determine the resonance frequency change Δft due to a temperature difference is shown in FIG. Even if the temperature characteristic of the frequency is known, it is impossible unless the temperature t1 before mass attachment and the temperature t2 after mass attachment of the mass detection AT-cut quartz resonator itself are accurately grasped. In the improved sensor device, even if there is a temperature sensor, as described above, the temperature of the AT-cut quartz resonator for mass detection itself is not directly measured but is measured indirectly, so that the temperatures t1 and t2 can be accurately measured. Could not be measured. Therefore, in the related art, even in a QCM sensor device including a temperature sensor, an error in mass change measurement due to a temperature change cannot be accurately canceled, and in many cases, measurement accuracy of the mass change cannot be increased. .
[0010]
In addition, in the case where the temperature dependence of the resonance frequency is reduced to near zero in the vicinity of the operating temperature by adjusting the cut angle of the AT-cut quartz resonator to reduce the influence of the temperature, the temperature dependence necessarily occurs due to the variation of the cut angle. There was a disadvantage that it would. Furthermore, if the QCM sensor is used outside the temperature range where the temperature dependency is set to zero, the temperature dependency will naturally be affected. Therefore, if the temperature to be used is different, a resonator having a cut angle suitable for that temperature is used. It is necessary to prepare more than one.
[0011]
The present invention has a problem that may occur in the above-described conventional QCM sensor device, that is, a problem that the accuracy of mass detection is reduced due to a temperature change of an AT-cut quartz resonator for mass detection itself, The problem that the accuracy of mass detection decreases due to the inability to obtain the mass change and temperature change information at the same time improves the physical It is an object of the present invention to obtain thermal information on a reaction process or a chemical reaction process so that a QCM sensor has thermal analysis capability and enables the same piezoelectric vibrator to be used over a wider temperature range.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention as a first means has a piezoelectric vibrator serving as a sensor, and a substance adsorbed on the surface of the piezoelectric vibrator based on a change in a resonance frequency of the piezoelectric vibrator. In the QCM sensor device for measuring the mass of the piezoelectric vibrator, the piezoelectric vibrator is provided with a drive electrode and a temperature measuring element for measuring the temperature of the piezoelectric vibrator.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, a temperature measuring element is a conductor provided on a piezoelectric vibrator, and a piezoelectric vibrator is provided by measuring a resistance value or a conductivity of the conductor. It is characterized by measuring the temperature of the child.
[0014]
As a third means for solving the above-mentioned problems, the present invention is characterized in that the conductor also serves as at least one drive electrode for driving the piezoelectric vibrator.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention to solve the above-described problem, the present invention provides a conductor, which has a pair of current application terminals and a pair of voltage measurement terminals, and a pair is provided when a predetermined current is applied to the current application terminals. The temperature of the piezoelectric vibrator is measured by measuring the voltage generated at the voltage measurement terminal of (1) and determining the resistance value of the conductor.
[0016]
As a fifth means for solving the above problems, the present invention provides a method in which one of a pair of current application terminals and a pair of voltage measurement terminals is used as a ground terminal, and the ground terminal and the drive electrode are connected to an oscillation circuit. And oscillating the piezoelectric vibrator to obtain an oscillation frequency of the piezoelectric vibrator as a resonance frequency.
[0017]
As a sixth means for solving the above-mentioned problems, the present invention measures an impedance or admittance between any one of a pair of current application terminals and a pair of voltage measurement terminals and a drive electrode. Thus, the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is obtained.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a QCM sensor device according to the first embodiment. In FIG. 1A, the QCM sensor device uses an AT-cut crystal resonator 1 as a piezoelectric resonator. FIG. 1B is a view of the crystal unit 1 as viewed from the back. A metal thin film pattern 2 that constitutes a temperature measuring element described later is provided on the surface of the quartz oscillator 1. The metal thin film pattern 2 has a current source 9 and a voltage for measuring the resistance value by a four-terminal method. A total of 10 are connected. Further, a resonance frequency measuring means 11 for measuring a resonance frequency is connected to the crystal unit 1.
[0019]
The metal thin film pattern 2 is formed on the front surface of the crystal unit 1 and is formed opposite to the driving electrode 3 for driving the oscillator formed on the back surface, so that it also serves as another driving electrode. . In the present embodiment, the temperature is obtained by measuring the resistance value of the metal thin film pattern 2. By applying the four-terminal method successfully, the temperature of the area of the crystal unit 1 that is actually vibrating is measured. It functions as a temperature measuring element. That is, as shown by the dotted line, the vibrating region 2a of the crystal unit 1 is a region of the metal thin film pattern 2 facing the drive electrode 3, and in order to measure the temperature of this region as accurately as possible. The conductivity or resistance of the metal wiring pattern 2 as a conductor provided in the vibration region 2a can be measured by a four-terminal method. For this purpose, a lead wire 4 and a wire 5 for applying a predetermined current to the metal thin film pattern 2 in the vibrating region 2a are provided so as to be connected to the current application terminals I + and I-, respectively. A lead wiring 6 and a wiring 7 for measuring a voltage drop in the same portion generated when a current is applied to 2 are arranged to be connected to voltage measuring terminals V + and V-, respectively.
[0020]
FIG. 1C shows an equivalent circuit of the resistance measurement by the four-terminal method described above. The resistor R2a is a resistor of a portion included in the vibration region 2a of the metal thin film pattern 2, and the resistors R4 and R5 are resistors of a portion included in the lead wire 4 and the wire 5 to the current application terminals I + and I−, respectively. , Resistors R6 and R7 are the resistances of the portions included in the lead-out lines 6 and 7 to the voltage measurement terminals V + and V-, respectively. The resistance R2a is measured by applying a constant current I to the resistors R4, R2a, and R5 from the current source 9 connected to the current application terminal I + and grounding the current application terminal I−, and generating a voltage drop across the resistor R2a. V is measured by a voltmeter 10 connected to voltage measurement terminals V + and V−. The input resistance of the voltmeter 10 is generally 10 6 Ω or more, which is sufficiently higher than the resistance value (1 Ω or less) of the metal thin film pattern 2, and is not affected by the resistances R 6 and R 7 based on the lead wiring 6 and the wiring 7 for voltage measurement. The voltage V can be measured, and the resistance R2a can be obtained without error from the measured voltage V / applied current I. Since the temperature of the metal thin film pattern 2 can be converted from the resistance value to the temperature by checking the temperature dependency of the resistance R2a in advance, of the temperature of the crystal unit 1, It is possible to accurately measure the temperature of the vibrating region 2a.
[0021]
In the present embodiment, since the wiring path of the metal thin film pattern 2 is meandering to increase the wiring length, the amount of change in the resistance value with respect to the temperature change is increased, and the sensitivity of temperature measurement is increased. The metal thin film pattern 2 can also be used as another drive electrode by making its outer shape substantially coincide with the drive electrode 3 on the rear surface side. Further, by making the meandering wiring interval narrower than the thickness of the quartz substrate, it is possible to reduce the influence on the electric field distribution created by the driving electrodes to a negligible extent. As a result, the resonance characteristics of the quartz oscillator 1 can be reduced. Temperature sensor with high sensitivity can be formed without affecting the temperature.
[0022]
In this embodiment, the resonance frequency of the crystal unit 1 is measured by a resonance frequency measuring unit 11 connected between the grounded current application terminal I− and the terminal 8 connected to the drive electrode 3 on the back surface. As the resonance frequency measuring means 11, there are a method of obtaining a resonance frequency from an oscillation frequency using a crystal oscillation circuit, and a method of calculating a resonance frequency from impedance or admittance characteristics with respect to a driving frequency using an impedance or admittance measuring device. , May be used.
[0023]
The temperature measurement of the quartz oscillator 1 by the temperature measuring element described above and the resonance frequency measurement of the quartz oscillator 1 by the resonance frequency measuring means 11 are controlled by the control device 30 shown in FIG. As the control device 30, a personal computer or dedicated hardware can be used. The temperature measurement by the metal thin film pattern 2 which is a temperature measuring element is performed by generating a constant current of several mA to several 100 mA in the constant current source 9 according to an instruction of the control device 30 and applying a current to the metal thin film pattern 2. The voltage drop generated in the pattern 2 is measured by the voltmeter 10, the measured data is read into the control device 30, the resistance value is calculated, and then, from the temperature dependence of the resistance value of the metal thin film pattern 2 checked in advance, Output or display by converting to temperature. On the other hand, the resonance frequency of the crystal unit 1 is swept (swept) by a resonance frequency measurement unit 11 in accordance with an instruction from the control device 30, and the admittance characteristic at that time is measured. It is read into the control device 30. Further, the control device 30 obtains an equivalent circuit constant of the crystal unit 1 by a mathematical method such as a least square method from a change in admittance with respect to the read frequency, and further calculates and outputs a resonance frequency and a Q value from the equivalent circuit. Or display. Further, the control device 30 uses the temperature dependence of the resonance frequency of the crystal unit 1 previously determined from the resonance frequency and the temperature obtained in the above procedure to calculate the change in the resonance frequency based on the temperature change. The temperature compensation is performed by the correction, and the resonance frequency change after the compensation is output or displayed. As the resonance frequency measuring means 11 used here, a network analyzer or an impedance analyzer can be used. When an impedance analyzer is used, the impedance between the terminal 8 of the drive electrode 3 and the grounded current application terminal I− is measured. When a network analyzer is used, the current application terminal I− is not directly grounded, but is grounded via a resistance element of about 50Ω, and a drive signal from the network analyzer is applied to the terminal 8 of the drive electrode 3. The signal from I- can be connected to the input of the network analyzer.
[0024]
Next, as a second embodiment of the present invention, a case where a crystal oscillation circuit is used as the resonance frequency measuring means 11 of the crystal resonator 1 will be described with reference to FIG. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted. The crystal oscillation circuit 12 is a Colpitts oscillation circuit including a MOS transistor M1, a gate bias resistor R1, an operating current setting resistor R2, and parallel resonance capacitors C1 and C2. Since this crystal oscillation circuit 12 is used with one terminal of the crystal resonator 1 grounded, it is convenient to use together with the four-terminal method of measuring the resistance value of the metal thin film pattern 2 by grounding the current application terminal 5. The output 13 of the crystal oscillation circuit 12 measures the oscillation frequency by measuring the oscillation output 15 thereof through a waveform shaping inverter 14 with a frequency counter 16. Since the change in the resonance frequency due to the mass attachment to the crystal unit 1 is almost proportional to the change in the oscillation output 15, the change in the mass attached can be obtained from the change in the oscillation output 15.
[0025]
Also in the present embodiment, the temperature measurement of the crystal resonator 1 and the measurement of the resonance frequency of the crystal resonator 1 by the crystal oscillation circuit 12 are controlled by the control device 30. The temperature measurement using the metal thin film pattern 2 is performed in the same manner as in the first embodiment, and the temperature of the crystal unit 1 is output or displayed. As a measured value of the resonance frequency of the crystal unit 1, the result of measuring the output of the crystal oscillation circuit 12 with the frequency counter 16 is read into the control device 30, and is output as a change in the resonance frequency or displayed.
[0026]
Next, a configuration of the sensor unit when the above embodiment is applied to actual measurement will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a sensor unit of a QCM sensor device when measuring a trace substance in a liquid sample. The crystal unit 1 is mounted on a substrate 18 having an air chamber 19 with a waterproof adhesive 20 so that only one surface is in contact with the sample solution, and is immersed in a solution 22 held in a liquid container 21. ing. The liquid container 21 is in thermal contact with the temperature control block 23 to keep the temperature constant. A sensor film 17 that specifically adsorbs a target substance in the solution is formed on the surface of the drive electrode 3 on the side of the crystal unit 1 that contacts the solution. The air chamber 19 is waterproofed with an adhesive 20, and a metal thin film pattern 2 serving also as a drive electrode is formed on the air chamber 19 side of the crystal unit 1. The crystal resonator 1 is provided with current application terminals I + and I− and a voltage measurement terminal V + and V− for resistance measurement by a four-terminal method. It is connected to a current source and a voltmeter as described in 1. The current application terminal I− and the terminal 8 connected to the drive electrode 3 are connected to a resonance frequency measuring means 11 (not shown).
[0027]
Next, a procedure for measuring a sample by the QCM sensor device will be described. First, the crystal resonator 1 mounted on the substrate is immersed in the solution 22 maintained at a constant temperature by the temperature control block 23. At this time, since the temperature of the crystal resonator 1 mounted on the board is different from the temperature of the temperature control block 23, it waits for a while until the temperature is stabilized. As described above, since the resonance frequency of the crystal unit 1 changes depending on the temperature, it is necessary to wait until the resonance frequency becomes constant. When the frequency becomes constant, the sample to be measured is dropped into the solution 22 using the pipette 24, and the target substance contained in the sample to be measured is adsorbed on the sensor film 17 formed on the surface of the crystal unit 1. , And a change in resonance frequency caused by a change in mass at that time.
[0028]
FIG. 4 shows how the resonance frequency of the crystal unit 1 changes with a series of measurement operations. The crystal resonator 1 used here has a temperature characteristic shown in FIG. 5, and the temperature of the temperature control block 23 is set near the temperature t2. FIG. 4A shows how the resonance frequency changes with elapsed time. When the sample to be measured is dropped at the time T1, the frequency rises immediately after this, and starts falling after a while, reaching a substantially constant frequency at the time T2. Assuming that the temperature change of the crystal unit 1 is kept constant by the temperature control block 23, as can be seen from this frequency change, the adsorbed material once separates from the sensor film 17, the frequency increases, and the adsorbed material is again adsorbed. Then, it looks as if the steady state has been reached at time T2.
[0029]
FIG. 4B shows a result of temperature measurement using the metal thin film pattern 2 formed on the surface of the crystal unit 1. It can be seen that once the temperature of the sample to be measured has dropped once at the time T1 immediately after the drop of the sample to be measured, the temperature has recovered to a constant value again. That is, since the temperature of the sample to be measured is lower than the temperature of the temperature control block 23, the temperature of the solution 22 once drops and then returns to the temperature of the temperature control block 23 again. According to FIG. 5, which shows the temperature dependence of the resonance frequency of the quartz resonator 1 used, the temperature has a negative temperature dependence near the temperature t2 that was tested, and thus the quartz It can be seen that the temperature of No. 1 also decreased and the resonance frequency increased. Therefore, it is possible to presume that the first frequency rise shown in FIG. 4A is not due to the dissociation of the adsorbed substance or the like, but merely to the change in the solution temperature.
[0030]
FIG. 4C shows the change in the resonance frequency after the frequency change due to the temperature change of the crystal unit 1 is corrected. At time T1, the adsorption to the sensor film 17 starts, and from time T2. It is early, the equilibrium state is reached at time T2 ', and it can be determined that dissociation or the like has not occurred on the sensor film 17 immediately after the sample is dropped. If the temperature change is not corrected, if the measurement time is shorter than T2, the frequency change due to the temperature change becomes a measurement error. In this way, it can be understood that the true appearance of the reaction occurring on the surface of the quartz oscillator 1 as a sensor is clarified by correcting the frequency change due to the temperature change of the quartz oscillator 1. Further, according to the QCM sensor device of the present invention, when an exothermic reaction or an endothermic reaction occurs when the target substance is adsorbed on the sensor film 17, thermal information on the reaction can be obtained.
[0031]
The important point in correcting the resonance frequency due to temperature changes is that it is not necessary to detect the change in the solution temperature due to the dropping of the sample, but to accurately detect the change in the temperature of the crystal unit 1 itself. It is. This is because the frequency change due to the temperature change is due to the temperature change of the crystal resonator 1 itself. Here, if the temperature of the solution 22 is controlled to be constant by the temperature control block 23 and the measurement is performed over a period longer than the time T2, a correct frequency change may be obtained eventually, but the frequency change will be measured with higher accuracy. Well, that's not the case. That is, the temperature of the temperature control block 23 is controlled so that the temperature of the temperature sensor provided in the block is constant, and the temperature of the solution 22 is not always kept constant. Is constantly affected by changes in the temperature of the external environment, and fluctuates within a temperature range of, for example, 0.1 ° C. to 0.01 ° C. It is difficult to determine whether the frequency has reached an equilibrium state due to the short-term and long-term fluctuations in the frequency due to such temperature fluctuations. Conventionally, there is an example in which a temperature sensor separate from the crystal unit 1 is installed. In this case, the measured temperature is the temperature of an object separate from the crystal unit 1, and accurate temperature compensation is performed. It does not mean that.
[0032]
In the above description, the metal thin film pattern 2 was used as the temperature measuring element. However, since the temperature measuring element was arranged on the air chamber side of the crystal unit 1, there was no influence of the electrochemical reaction with the solution 22. Various conductive materials such as platinum, gold, nickel, and palladium can be used as the material. In particular, by using the same material as the drive electrode 3 and also patterning the metal thin film pattern 2 which is a temperature measuring element when patterning the drive electrode 3, a special manufacturing process for forming the temperature measuring element is unnecessary. There is no increase in manufacturing cost. In addition, since the temperature measuring element also serves as the drive electrode, an arrangement place for the temperature measuring element is not required, and the crystal resonator 1 can be formed in a conventional size. In the above description, the four-terminal method is used to measure the conductivity or the resistance value of the metal thin film pattern 2 as the temperature measuring element. However, when high accuracy is not required, the current application terminals I + and I- , And one of the voltage measuring terminals V + and V− can be shared, or both can be shared and measurement can be performed by a two-terminal method. When the current application terminals I + and I- and the voltage measurement terminals V + and V- are shared, the reduction in accuracy can be reduced by increasing the width of the lead-out line to each terminal and reducing the resistance. is there.
In the above description, the metal thin film pattern 2 serving as a temperature measuring element also serves as a driving electrode. However, when a temperature measuring element is provided separately from the driving electrode, carbon having a high resistance value other than the metal thin film, It is also possible to use a semiconductor material such as polysilicon. Further, it is also possible to form an active element such as a thin film semiconductor on the surface of the crystal unit 1 and mount a temperature sensor circuit thereon with the progress of semiconductor technology.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a QCM sensor device for measuring a detected mass from a frequency change of a piezoelectric vibrator for mass detection, by directly measuring a temperature change of the piezoelectric vibrator itself, various types can be obtained. The effect of the temperature change on the mass detection value based on the above factor can be compensated, and the detection accuracy of the mass can be improved as compared with the related art. At the same time, it is possible to acquire thermal information associated with physical or chemical adsorption and desorption reactions on the sensor film formed on the piezoelectric vibrator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a QCM sensor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a QCM sensor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a QCM sensor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result by the QCM sensor device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing frequency characteristics of an AT crystal unit for mass detection used in a conventional QCM sensor device.
[Explanation of symbols]
1 Crystal oscillator
2 Metal thin film pattern for temperature measuring element
3 Drive electrode
4, 5 wiring
6, 7 Lead wiring
8 Drive electrode terminals
9 Current source
10 Voltmeter
11 Resonance frequency measurement means
12 Oscillation circuit
13 Output of oscillation circuit
14 Waveform shaping inverter
15 Oscillation output
16 frequency counter
17 Sensor membrane
18 Substrate
19 air chamber
20 adhesive
21 Liquid container
22 Solution
23 Temperature control block
24 pipettes
I +, I- Current application terminal
V +, V- Voltage measurement terminals
