JP2005077232A

JP2005077232A - 質量センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2005077232A
Application number: JP2003307476A
Authority: JP
Inventors: Motoyasu Hanji; 元康判治
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】質量センサにおいて、計測時は被測定物以外の物質の付着によるセンサ素子表面の汚染や、環境温度変化などの外部擾乱による影響を極力排除することができる構造を得ることを目的とする。
【解決手段】課題を解決するために、質量センサの対抗する一方の主面は励振振動を容易にする目的と、溶液浸漬により対抗して配置される相互の電極間のショートなどを防ぐ目的とを供え、気相環境を作るため凹断面構造を持つセラミックスやプラスティックス材料を使用したパッケージの外周部に、センサ素子の外周部を合わせ、その全周囲をエポキシ接着剤などで固着することで、気相（空洞）部を形成し溶液が気相部に漏洩しないようにすることにより課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電単結晶基板上に介在する、種々の微少質量（物）を脱着させた時、質量変化を周波数変化の大きさで計測する「Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの理論」を用いた、ＱＣＭ式の質量センサに関する。

近年では、地球環境汚染問題や、ヒトの遺伝子解明などの研究が進められており、例えば、環境ホルモン種の同定、抗原−抗体反応、高分子蛋白同士（ＤＮＡ-ＤＮＡ、ＤＮＡ-ＲＮＡ）の結合反応、酵素反応の解析、プロテオーム解析などが盛んに行われている。そして、これら分析手法として、ガスクロマトグラフィ質量分析器（ＧＣ-ＭＳ）、高速液体クロマトグラフ（HPLC）や、表面プラズモン共鳴計測装置（ＳＰＲ）の様な装置が使用されている。これら装置は、大型で高価な設備であると同時に分析感度はかなり高いが、試料の前処理にはかなりの手間と時間が必要なことや、更に、多成分の同時解析が困難であるなどの問題がある。また、常々反応の過程をリアルタイムで観測したいという要求もあるが、上記のような設備ではこのようなことは不可能である。

抗原−抗体反応、ＤＮＡ-ＲＮＡ結合など、相補的結合反応が生じた時、重量変化や、誘電率変化が発生する。ＱＣＭ式質量センサでは、このような微少な変化を捉えることが可能である。
圧電単結晶をセンサ素子として使用した質量センサでは、ｎｇレベルの重量測定が可能であることから、抗体（あるいは、抗原）をデバイス表面に固定化することで抗原（あるいは、抗体）の検知が可能となる。また、ＰＨや導電率についても、導電率変化を音響電気相互作用により検出することが可能となる。そして、反応の過程を周波数変化として捉えられることから、周波数変化の様子をリアルタイム計測、記録することでリアルタイム定量解析が可能となる。
(1) N.Miura,H.Higabashi,G.Sakai 他: Piezoelectric crystal immunosensor for sensitive detection of methamphetamine(stimulant drug) in human urine Proc. Fourth Int. Meeting on Chemical Sensors, Technical Digest, Tokyo. pp.13-17(1992)

ＱＣＭ（Quartz Crystal Micro-Balance）式質量センサは、特定の振動モードで固有振動をしている有限寸法の圧電単結晶基板上の質量変化が発生すると、それに応じて周波数が変動する現象（Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの理論）を用いたものである。今、圧電単結晶を水晶として述べると、水晶素子の質量変化に対する感度が非常に高いことから、近年では、微少質量変化を計測する手段として環境ホルモンの含有量計測、抗原−抗体反応、ＤＮＡ-ＲＮＡ、ＤＮＡ-ＤＮＡ結合などによる質量変化を周波数変化として観測できるセンサとして使用されている。従って、ＱＣＭ式質量センサは、測定対象物により気相、液相の環境下で露出して使用されるが、どのような場合でも質量の変化のみが正確に、周波数の変化に反映される必要があり、計測時は被測定物以外の物質の付着によるセンサ素子表面の汚染や、環境温度変化などの外部擾乱による影響を極力排除することが重要となる。

反応や結合をさせる媒体として溶液が使用される場合、すなわち、液相環境での計測では、圧電単結晶基板（質量センサ素子）の片主面は溶液中に露出されるが、対抗する一方の主面は励振振動を容易にする目的と、溶液浸漬により対抗して配置される相互の電極間のショートなどを防ぐ目的で、気相中に露出させる必要がある。従来のＱＣＭ式質量センサでは、気相環境を作るため凹断面構造を持つセラミックスやプラスティックス材料を使用したパッケージの外周部に、センサ素子の外周部を合わせ、その全周囲をエポキシ接着剤などで固着することで、気相（空洞）部を形成し溶液が気相部に漏洩しないようにしている。

しかし、ＱＣＭ式質量センサ素子は「厚みすべり振動」を利用するものが多く、上記のようにセンサ素子を保持したとき、センサ素子基板面方向の結晶に起因する熱膨張係数の異方性と、等方性材料であるパッケージとの間は、温度変動に伴う相互間の熱膨張変化量の不一致から、その接合部を介して複雑な物理歪が発生し、振動姿態の異常変化が発振周波数や、共振抵抗値を不安定にさせ、高精度計測をすることが出来ない。また、歪が大きい場合は、センサ素子の破壊に至ることにもなる。

本発明では、支持による物理的歪を最小限にする手段として、センサ素子の少なくとも一方の主面上に、熱膨張係数が近似し、密閉した空間部を含み、センサ素子と一体化して構築された覆い構造体を設けることで、溶液が他の主面に付着すること無くしたことを特徴とし、気相・液相雰囲気を分離することが可能、また、異なる溶液同士を分離して計測することも可能となる。すなわち、
気相-気相、気相-液相環境を組み合わせ、複数、多様の試料の計測も可能となる。そして、この様な構造にすることで、センサ素子の周辺を点で保持することが可能となるので、対角線上の２点での支持が可能となり、この結晶軸方向に熱膨張係数が一致する保持材料を選定することで、温度に起因する変動（歪）を排除できる支持構造となり、従って、高安定・高精度計測を可能とすることになる。

特定の振動モードで固有振動をしている有限寸法の圧電単結晶基板上の質量変化が発生すると、それに応じて周波数が変動する現象（Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの理論）を用いるＱＣＭ式質量センサは、近年では、微少質量変化を計測する手段として環境ホルモンの含有量計測、抗原−抗体反応、ＤＮＡ-ＲＮＡ、ＤＮＡ-ＤＮＡ結合などによる質量変化を周波数変化として計測、また、リアルタイム観測できるセンサとして使用されている。そのため、ＱＣＭ式質量センサは、測定対象物に応じて気相、液相の環境下で露出して使用されるが、どのような場合でも質量の変化のみが正確に、周波数の変化に反映される必要があり、計測時は被測定物以外の物質の付着によるセンサ素子表面の汚染や、環境温度変化などの外部擾乱による周波数への影響を極力排除することが重要となる。

まず、この構造体の構築プロセスについて、説明簡略化のため、片主面に空間部を設けるように、一体化して構築する覆い構造体の作製方法の一例について図１を用いて説明する。
図１（ａ）は、表面を清浄化した水晶基板であり、その両表面上にスパッタなどでチタン-金、あるいはクロム-金の電極用金属薄膜を構築し、図１（ｂ）を得る。更に、図１（ｃ）は、フォトリソ法を用いて電極形状にエッチング加工したものを表す。図１（ｄ）は、構造体構築面の対抗面にはレジストでカバーしておき、構築面上にスパッタ・メッキなどによりＺｎＯ、または、Ａｌの厚膜５〜１０ミクロンを構築後、図１（ｅ）のように、フォトリソ法を用いてセンサ素子周辺部の電極薄膜、及び水晶基板が露出するまでにエッチングを行い、ＺｎＯあるいはＡｌ厚膜を除去した後に、図１（ｆ）の如く、スパッタなどでＳｉＯ_２の厚膜を構築した後、図１(ｇ)の如く、ＳｉＯ_２厚膜の周辺数箇所（支持体固定部位に合わせて）に、フォトリソ法を用いてエッチング加工により数十ミクロン程度の子穴を加工し、ＺｎＯ、または、Ａｌの厚膜を露出する。

この状態で、ＺｎＯ、または、Ａｌのエッチャント中に浸漬・遥動すると、これらの金属が溶融排斥され空洞部を形成することが出来、更に、電極用金属薄膜を露出させる。そしてエッチングに使用された子穴は、電極用金属薄膜と支持リードへの接続用ビアホールとなり、導電性金属でシールされると図１（ｈ）のようになり、水晶基板のレジストを剥離すると本発明の質量センサ素子の基本構築例図２となる。図２は片面空洞を形成した本発明の一実施例を示した断面図で、電極相互間短絡が起きないよう絶縁処理加工して外部端子に接続される。この様に、独立した空間を確保しながら２点でセンサ素子を保持することが可能となる（図１（ｉ））ので、センサ素子とパッケージなど支持構造体とは、結晶の異方性に捕らわれることなく、この結晶軸方向のみに熱膨張係数を一致させることで、精度高い安定な計測が可能となる。

また、図３のように支持部と別に小穴を追加加工し、気体導入口を接続すれば空洞部の圧力調整が可能となり、液相環境測定における液圧の影響を軽減することが可能となる。更に、図４は、空洞部を両方の主面上に構築した場合の基本構造であり、保持側と反対面の空洞加工処理後は、スパッタなどでＳｉＯ_２を堆積させて封じると良い。また、図５、図６は、今まで述べた方法を組み合わせたのもので、表裏の主面上に空洞部をひとつ、あるいは複数個設け、それぞれ反応・結合媒体の導入・導出口や、圧力調整口として用いることも可能となる。図６では、複数のセル（図の場合、２セル）に分割されており、それに対応して３電極で構成されており、種類の異なる被測定媒体を導入することが可能となっており、従って、電極数に合わせ３点支持構造となっている。なお、これら導入口などは、作製直後閉じられ空洞部は使用直前まで、気密状態で保たれる。

この様な方法で形成されたセンサ素子は、計測直前まで導入口などの開放口が密閉されており、センサ素子表面は計測直前まで清浄な環境を維持出来ることから、従来型のセンサ素子と異なり測定前にセンサ素子の洗浄・アニーリング処理などの前処理を省略することが出来ると同時に、高安定・高精度・高分解能な計測が可能となる効果がある。

このセンサ素子を利用した質量センサの構築例を図７に示す。この図は両主面上に空洞部をそれぞれ１室設けた事例で、２点により支持系に固定され、この部分から電気的導通を得て近接する発振回路に接続される。更に、発振周波数は、周波数標準機で制御された周波数カウンタにより正確に計測され、コンピュータでデータ処理がおこなわれる。なお、下側の空洞部には、気圧がコントロールされた不活性ガスが導入され、センサ素子の温度制御、対圧力制御を実施、そして、上側の空洞部には、温度制御された被測定媒体を導入・導出して、反応、あるいは、結合による質量変化の状態を周波数変化としてリアルタイム観測、及び、計測している実施例である。図中では下側の空洞部で容器が見掛け上密閉容器ょ成していないが、気圧を制御することで気密環境を実現するものである。（図３と図５も同様の構成となる）

本センサは、溶液内での反応、結合に対する質量変化を計測する例について述べてきたが、例えば、ダイオキシンなどの環境汚染物質の含有量計測のような気相中の計測に関しても有効であり、非常に安定した周波数が得られるため、計測環境が気相・液相を問わず、正確な測定が可能となる。

本発明の実施の形態における質量センサ素子の構築プロセスの一例である。片面空洞を形成した本発明の質量センサ素子の基本構築例を示す断面図である。図２の素子上に気体導入口を形成した本発明の質量センサ素子の構築例を示す断面図である。両面空洞を形成した本発明の質量センサ素子の基本構築例を示す断面図である。それぞれの面上に導入口・導出口を形成した本発明の質量センサ素子の構築例を示す断面図である。主面上に複数個の空洞部を形成した本発明の質量センサ素子の構築例を示す断面図である。微少質量計測装置の構成例を示す概念図である。

Claims

圧電単結晶基板を使用した質量センサにおいて、
少なくとも一方の基板主面上に気密部を設け、その気密部はセンサ素子上に一体化して構築された構造物により密閉され、外部環境と遮断されたことを特徴とする質量センサ。
請求項１の質量センサにおいて、
気密部に少なくとも一箇所の開放接続口を有し、この接続口を介して気密部内の圧力調整、あるいは、気密部内を満たす物質の種類を変更することが可能なことを特徴とする質量センサ。
請求項１の質量センサ素子において、
少なくとも一方の基板主面上に独立した複数個の気密部が設けられたことを特徴とする質量センサ。
請求項３の質量センサにおいて、
構築された任意の気密部に少なくとも一箇所の開放接続口を有し、この接続口を介して気密部内の圧力調整、あるいは、気密部内を満たす物質の種類を変更することが可能なことを特徴とする質量センサ。
圧電単結晶基板に電極膜を形成し、該電極の一方の圧電基板に単層膜を他方の電極にフォトレジストを施し、該単層膜側の電極部および基板面を露出させ、該単層膜上にＳｉＯ_２膜を被せ、該電極部まで延びるビアホールを形成し、エッチングにより該単層膜を除去し、該ビアホールに金属でシールすることにより構造物を形成することを特徴とする質量センサの製造方法。