JP2005308452A

JP2005308452A - 質量検出素子

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Publication number: JP2005308452A
Application number: JP2004123049A
Authority: JP
Inventors: Naotsuyo Okada; 直剛岡田; Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: JP4222511B2

Abstract

【課題】少なくとも作用極側を溶液に接触させた状態で動作させる質量検出素子において、所定のＱ値を保持しつつ、クリスタルインピーダンス（振動損失：Ｒ）を低減できるような構成を提供する。
【解決手段】質量検出素子１は、表面２ａおよび裏面２ｂを有する圧電材料製の振動板２、振動板２の表面２ａに設けられた第一の電極３Ａ、および振動板２の裏面２ｂに設けられた第二の電極３Ｂを備えており、少なくとも第一の電極３Ａを試料液に接触させた状態で試料液中の試料成分を検出する。振動板２の幅ｂに対する第一の電極３Ａの幅ａの比率（ａ／ｂ）が０．６４以上、０．９６以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、質量検出素子に関するものである。

特許文献１には、水晶振動子の共振周波数の変化から、振動子上に微量な質量変化を測定する水晶振動子マイクロバランス素子が開示されている。特許文献２、３には、水晶振動子の表面に電極および有機吸着膜を設け、振動子に振動を励起し、におい分子が有機吸着膜に吸着されたことによる振動子の周波数変化からにおい分子の質量を測定することが記載されている。
特許第３００３８１１号公報特開平５−３４６３８４号公報特許第３１３９５６２号公報

このような従来技術においては、いわゆるＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動を使用している。例えば図２（ａ）、（ｂ）に模式的に示すように、検出素子１２は、略円板形状の水晶振動子２を備えている。水晶振動子２の表面２ａ、裏面２ｂ上に電極１３Ａ、１３Ｂを形成し、厚みすべり振動を水晶振動子２内に発生させる。この振動子においては、Δｆ（基本周波数の変化）を測定することにより、Δｍ（質量変化）を算出することができる。

また、非特許文献１においては、厚みすべり振動を起こすＡＴカット水晶振動子を粘性溶液内に投入し、粘性溶液が振動子に及ぼす影響が試験されている。躯体的には、以下の諸元を有するＡＴカット振動子を使用している（振動板幅：矩形８×８ｍｍ、振動板厚さ：０．１８２ｍｍ、円形電極の半径：２．５ｍｍ、電極材料：白金（３０００オングストローム）およびチタン（５００オングストローム）、共振周波数８．９ＭＨｚ）。そして以下の結果を得ている。
気相中：Ｑ＝約４．４×１０^４：Ｒ＝１７Ω
片面電極のみが純水と接触：Ｑ＝２０２０：Ｒ＝３４３Ω
両面の電極が純水に接触：Ｑ＝１０４５：Ｒ＝６２２Ω

このように、気相中に比べて、電極面を純水に接触させた場合には、Ｑが約一桁低下し、Ｒが一桁増加、共振周波数の低下を示した。
北海道立工業試験場報告Ｎｏ．２９２（１９９３）、４１〜４９頁「圧電振動子による溶液系センサー」千場敬史他

このように、水晶振動子マイクロバランス素子を用いた質量検出素子においては、水晶振動子の電極表面を液体、例えば純水に接触させると、クリスタルインピーダンス（振動損失（Ｒ））が著しく増加し、Ｑ値が低下し、大気中に比べて共振特性が大きく鈍化する。このため、振動子を発振させるための回路が複雑なものになる。

本発明の課題は、少なくとも作用極側を溶液に接触させた状態で動作させる質量検出素子において、所定のＱ値を保持しつつ、クリスタルインピーダンス（振動損失：Ｒ）を低減できるような構成を提供することである。

本発明は、表面および裏面を有する圧電材料製の振動板、振動板の表面に設けられた第一の電極、および振動板の裏面に設けられた第二の電極を備えており、少なくとも第一の電極を試料液に接触させた状態で試料液中の試料成分を検出する質量検出素子であって、振動板の幅ｂに対する第一の電極の幅ａの比率（ａ／ｂ）が０．６４以上、０．９６以下であることを特徴とする。

本発明者は、例えばＡＴカットの水晶マイクロバランス素子を用いて、液体と接触させたときのＱ値およびクリスタルインピーダンス（Ｒ）の変化を調査した。即ち、大気中では、電極面積（即ち、電極半径ないし電極幅）を大きくすればするほど、クリスタルインピーダンス（Ｒ）は小さくなるが、振動モードの大きさを表す√（Ｃａ／Ｌ）の増加の度合いが大きく、Ｑ値は低下する。ここで、Ｃａは等価キャパシタンス、Ｌは等価インダクタンスを意味する。このため、気相中においては、電極幅を小さくすることによって、Ｑ値をできるだけ高くしている。電極幅を小さくすると、クリスタルインピーダンス（Ｒ）は大きくなるのであるが、この増加の度合いが小さいために、問題にはならず、Ｑ値向上の利点を生かすことができる。

これに対して、電極面を溶液に接触させた場合には、Ｑ値は電極面積にほとんど依存せず、ほぼ一定になることを発見した。これと共に、電極面を溶液に接触させた場合には、電極幅が小さいと、クリスタルインピーダンス（Ｒ）が非常に高くなり、発振回路を複雑にせざるを得ないことが判明した。ここで、電極幅を大きくすることによって、具体的にはａ／ｂを０．６４以上とすることによって、Ｑ値の低下はほとんどなく、かつクリスタルインピーダンス（Ｒ）が大きく低下することを発見し、本発明に到達した。

なお、大気中においても、電極幅を大きくすると、クリスタルインピーダンス（Ｒ）は低下する。しかし、大気中におけるクリスタルインピーダンス（Ｒ）は小さく、電極幅を大きくしたときの低下の度合いはそれほど大きくない。これに対して、作用極を液体に接触させた場合のクリスタルインピーダンス（Ｒ）は一桁増加するため、電極幅を大きくしたときのクリスタルインピーダンス（Ｒ）の低下の度合いが大きくなることを見いだした。

好適な実施形態においては、基本振動が、振動子の厚さ方向のねじれ振動モードである。図１（ａ）は、この実施形態に係る質量検出素子１を概略的に示す平面図であり、図１（ｂ）は同じく断面図である。

素子１は、略円板形状の振動板２を備えている。振動板２の表面２ａ、２ｂ上に第一の電極３Ａ、第二の電極３Ｂが形成されている。３ａ、３ｂは端子部分である。電極３Ａと３Ｂとの間に交流電圧を印加することによって、厚みすべり振動を振動板２内に発生させる。この振動においては、質量変化と周波数変化との間には以下の関係がある。Δｆ（基本周波数の変化）を測定することにより、Δｍ（質量変化）を算出することができる。
Δｆ＝−２Δｍｆ^２／Ａ（μρ）^１／２
Δｆ：基本周波数の変化
ｆ：基本周波数
Δｍ：質量変化
Ａ：電極面積
μ：振動板２の材質のねじれ弾性率（水晶の場合には１０^１１ｄｙｎ／ｃｍ^２）
ρ：振動体２の材質の密度（水晶の場合には２．６５ｇ／ｃｍ^３）

また、振動板２の形状とｆとについては、以下の関係式が成り立つ。
ｆ〜（Ｃｙ／４ρ）^１／２／ｔ
ｆ：基本周波数
Ｃｙ：振動板２の厚さ方向弾性率（水晶の場合には２９．３×１０^１０／ｃｍ^２）
ｔ：振動板２の厚さ

ここで、本発明に従い、振動板の幅ｂに対する第一の電極の幅ａの比率（ａ／ｂ）を０．６４以上、０．９６以下とする。ここで、本発明の作用効果の観点から特に好ましくは、ａ／ｂが０．７以上である。また、ａ／ｂは、電極形成時の限界からは、０．９６以下とするが、電極面を溶液に曝す用途を考慮した場合、気密シールを施すという観点からは、０．８５以下であることが更に好ましい。

好適な実施形態においては、図１に示すように、振動板、電極ともに略真円形である。しかし、振動板の平面形状は真円形には限定されず、矩形等の他の形態であってよい。振動体が矩形等の正多角形である場合には、振動体の幅ｂは、対向する一片間の間隔として定義される。また、第一の電極の平面形状は真円形には限定されず、矩形等の他の形態であってよい。第一の電極が矩形等の正多角形である場合には、第一の電極の幅ａは、対向する一片間の間隔として定義される。

本発明においては、少なくとも第一の電極を溶液に接触させるが、更に反対面側（裏面側）の第二の電極を溶液に接触させることもできる。

振動板の材質は特に限定するものでないが、水晶、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ₃、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。

各電極は、導電性膜によって構成することができる。こうした導電性膜としては、金膜、金とクロムとの多層膜、金とチタンとの多層膜、銀膜、銀とクロムとの多層膜、銀とチタンとの多層膜、鉛膜、白金膜等の金属膜、ＴｉＯ_２等の金属酸化物膜が好ましい。金膜と酸化物単結晶、例えば水晶とは密着性が低いので、金膜と振動アーム、特に水晶アームとの間には、下地層、例えば少なくともクロム層またはチタン層を介在させることが好ましい。

各電極表面には吸着膜を形成することができる。この吸着膜の材質は特に限定されないが、以下を例示できる。
ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリ（１，４−ブチレンアジペート）（ＰＢＡ）、ポリ（エチレンサクシネート）（ＰＥＳ）、ポリ（２，６−ジメチル−ｐ−フェニレンオキシド）（ＰＰＯ）、ポリ（エチレンアジペート）（ＰＥＡ）、ポリ（エチレンアゼレート）（ＰＥＡｚ）、ポリ（２，２−ジメチル−１，３−プロピレンサクシネート）（ＰＰＳ）、ポリ（トリメチレンアジペート）（ＰＴＡ）、ポリ（１，４−シクロヘキサンジメチレンサクシネート）（ＰＣＳ）、ポリ（トリメチレンサクシネート）（ＰＴＳ）

吸着膜を製造する方法としては、浸漬法、スピン塗布法を例示できる。
吸着されるべき物質としては、以下を例示できる。
イソアミルアセテート、フェニルエチルアルコール、ｐ-アニスアルデヒド、シトラール、ゲラニオール、フェニルエチルアルコール、α-テルピネオール等のにおい物質、ダイオキシンなどの環境ホルモン、たんぱく質、DNA、抗原抗体などの生体物質、グリコース、アルコール、尿素、尿酸、乳酸などの化学物質

図１（ａ）（ｂ）に示したような形態の素子１を作製した。具体的には、以下の条件を採用した。
振動板２の材質：水晶振動板２の直径ｂ：８ｍｍ
振動板２の厚さ：０．１６０ｍｍ
第一の電極、第二の電極の材料：
クローム（２００オングストローム）および金（１０００オングストローム）、
共振周波数：１０ＭＨｚ

ここで、第一の電極、第二の電極の直径ａを、表１に示すように変更した。そして、第一の電極３Ａ（作用極）を純水に接触させる（片面曝水）。この状態でインピーダンスアナライザを用い、厚み滑り振動のＱ値およびクリスタルインピーダンス（Ｒ）を測定し、その結果を表１に示す。

表１に示すように、大気中では、電極幅ａを大きくすればするほど、クリスタルインピーダンス（Ｒ）は低くなり、Ｑ値も低下した。

電極面を純水に接触させた場合には、Ｑ値は電極幅ａにほとんど依存せず、ほぼ一定になった。これと共に、電極面を純水に接触させた場合には、電極幅ａが小さいと、クリスタルインピーダンス（Ｒ）が高くなった。電極幅ａを大きくすることによって、具体的にはａ／ｂを０．６４以上とすることによって、Ｑ値の低下はほとんどなく、かつクリスタルインピーダンス（Ｒ）が大きく低下した。

大気中においても、電極幅ａを大きくすると、クリスタルインピーダンス（Ｒ）は低下する。しかし、設計１と設計４とを対比すると、大気中では、設計１におけるクリスタルインピーダンス（Ｒ）は１５Ωであり、設計４におけるクリスタルインピーダンス（Ｒ）は６Ωであり、電極幅ａを大きくすることによるクリスタルインピーダンスの（Ｒ）の低下は９Ωである。これに対して、片面曝水の場合には、設計１におけるクリスタルインピーダンス（Ｒ）は６０Ωであり、設計４におけるクリスタルインピーダンス（Ｒ）は１６Ωであり、電極幅ａを大きくすることによるクリスタルインピーダンス（Ｒ）は４４Ω低下し、大気中における設計１の値に近い。従って、大気中とは異なり、Ｑ値は電極幅ａを大きくしても保持しつつ、クリスタルインピーダンス（Ｒ）を低下させることができる。両面曝水の場合には、さらに電極幅ａを大きくしたときのクリスタルインピーダンス（Ｒ）の低下は大きく、低い値に抑えることができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る質量検出素子１を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は、質量検出素子１の断面図である。（ａ）は、水晶振動子マイクロバランス素子１２を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は、素子１２の断面図である。

符号の説明

１質量検出素子２振動板２ａ振動板２の表面２ｂ振動板２の裏面３Ａ第一の電極３Ｂ第二の電極ａ第一の電極３Ａの幅ｂ振動板２の幅

Claims

表面および裏面を有する圧電材料製の振動板、前記振動板の前記表面に設けられた第一の電極、および前記振動板の前記裏面に設けられた第二の電極を備えており、少なくとも前記第一の電極を試料液に接触させた状態で試料液中の試料成分を検出する質量検出素子であって、
前記振動板の幅ｂに対する前記第一の電極の幅ａの比率（ａ／ｂ）が０．６４以上、０．９６以下であることを特徴とする、質量検出素子。
水晶振動子マイクロバランス素子であることを特徴とする、請求項１記載の素子。