JP2006084316A - Mounting structure of piezoelectric vibrator for qcm sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電振動子上の金属パターンを試料ガスや試料溶液に晒したときの圧電振動子の発振周波数やインピーダンス等の電気的特性の変化から金属パターン表面に吸着した試料の成分を検知、定量するQCM(Quartz Crystal Microbalance)センサー用圧電振動子の実装構造に関するものである。 The present invention detects the component of the sample adsorbed on the surface of the metal pattern from the change in the electrical characteristics such as the oscillation frequency and impedance of the piezoelectric vibrator when the metal pattern on the piezoelectric vibrator is exposed to the sample gas or sample solution. The present invention relates to a mounting structure of a piezoelectric vibrator for a QCM (Quartz Crystal Microbalance) sensor to be quantified.
近年、圧電振動子を用いてマイクロバランス原理を応用したケミカルバイオセンサーとしてのQCMセンサーが注目を集めている。従来のQCMセンサーの構造を図15を用いて説明する。図15において圧電振動子1の一方の面は平坦であり、この面には、一方の励振用の電極パターン2aが形成されている。圧電振動子1の他方の面には、エッチング等の加工によって複数の窪みを形成しており、この窪みの中には他方の励振用電極パターン2bが形成されている。そしてこの電極パターン2b上には、被測定物質を選択的に吸着する受容体10を設けてあり、さらに電極パターン2b部分だけ露呈するように、開口部を設けたテトラフロロエチレンパターン11が形成された構造となっている。
In recent years, a QCM sensor as a chemical biosensor that applies a microbalance principle using a piezoelectric vibrator has attracted attention. The structure of a conventional QCM sensor will be described with reference to FIG. In FIG. 15, one surface of the
上記のQCMセンサーはテトラフロロエチレンパターン11の開口部に試料液体を滴下した際にテトラフロロエチレンパターン11の疎水的性質により電極パターン2b上にのみ試料液体を載せることが可能となっているので、試料が受容体10からはみ出してしまうのを防止できる。
しかし、前述したQCMセンサー用圧電振動子には以下に記載するような問題点がある。 However, the above-described QCM sensor piezoelectric vibrator has the following problems.
特許文献1に示した従来のQCMセンサーの構造では、振動子の一方の表面に窪みを漬ける必要があったので、平板上の振動子を用いた場合に比較してフォトリソグラフィやエッチングなどの行程が面倒であった。また、特許文献1の構成では、受容体10で受け入れられる試料の量が少なかったので、試料に含まれる目的物質が極少量の場合は、1つの受容体10に吸着される量も少なくなるため、検出精度に限界があった。
In the structure of the conventional QCM sensor shown in
資料に含まれる目的物質が極少量の場合は、多くの試料を準備してその試料をビーカーに等に入れ、ビーカーの試料中に振動子を直接入れることもできるが、特許文献1の振動子は両面に電極パターンが露呈しているため、電気的に絶縁する必要があるが、それについての具体的対応は提案されていなかった。 When the target substance contained in the document is extremely small, it is possible to prepare a large number of samples, put the samples in a beaker or the like, and place the vibrator directly into the sample of the beaker. Since the electrode pattern is exposed on both sides, it is necessary to electrically insulate, but no specific countermeasure has been proposed.
本発明は、上記のような問題点を解決し、QCMセンサーとしての特性が良好で、生産性に優れ、試料が少ない場合でも多い場合でも使用できるQCMセンサー用圧電振動子の実装構造を提供することを目的としている。 The present invention provides a mounting structure for a QCM sensor piezoelectric vibrator that solves the above-described problems, has good characteristics as a QCM sensor, is excellent in productivity, and can be used even when the number of samples is small or large. The purpose is that.
上記の目的を達成するために、本発明における圧電振動子の実装構造は、下記記載の構成を採用する。 In order to achieve the above object, the structure described below is adopted for the mounting structure of the piezoelectric vibrator in the present invention.
本発明のQCMセンサー用圧電振動子の実装構造は、略平板上の圧電振動子に設けた励
振用の金属パターンを、基板に設けた金属配線に接続したQCMセンサー用圧電振動子の実装構造において、少なくとも前記圧電振動子を実装した側の前記基板の表面には撥水膜を設けたことを特徴とする。
The mounting structure of the piezoelectric vibrator for QCM sensors of the present invention is a mounting structure of a piezoelectric vibrator for QCM sensors in which a metal pattern for excitation provided on a substantially flat piezoelectric vibrator is connected to a metal wiring provided on a substrate. A water repellent film is provided on at least the surface of the substrate on the side where the piezoelectric vibrator is mounted.
また前記撥水膜は前記基板のほぼ全表面に設けられていることを特徴とする。 Further, the water repellent film is provided on substantially the entire surface of the substrate.
また本発明のQCMセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記撥水膜は前記圧電振動子の前記金属パターンと対向する部分に開口部を有し、該開口部に露出する前記基板面に前記金属配線を配設したことを特徴とする。 Further, in the QCM sensor piezoelectric vibrator mounting structure of the present invention, the water repellent film has an opening in a portion facing the metal pattern of the piezoelectric vibrator, and the substrate surface exposed to the opening is provided with the opening. A metal wiring is provided.
また本発明のQCMセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記圧電振動子の外周部と前記基板の間を封止材で封止しており、前記封止材の表面にも前記撥水膜を設けたことを特徴とする。 In the QCM sensor piezoelectric vibrator mounting structure of the present invention, a gap between the outer periphery of the piezoelectric vibrator and the substrate is sealed with a sealing material, and the water repellent film is also formed on the surface of the sealing material. Is provided.
また前記撥水膜は前記励振用の金属パターンを避けて前記圧電振動子の露出面にも設けたことを特徴とする。 The water repellent film is also provided on the exposed surface of the piezoelectric vibrator, avoiding the excitation metal pattern.
また本発明のQCMセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記圧電振動子は、前記基板に空隙を保って実装されるとともに、前記空隙が外部と連通していることを特徴としている。 Also, the QCM sensor piezoelectric vibrator mounting structure according to the present invention is characterized in that the piezoelectric vibrator is mounted on the substrate while maintaining a gap, and the gap communicates with the outside.
また、前記圧電振動子は前記金属パターン部分のみが前記基板に固定されていることを特徴としている。 The piezoelectric vibrator is characterized in that only the metal pattern portion is fixed to the substrate.
また本発明のQCMセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記圧電振動子が水晶であることを特徴とする。 The QCM sensor piezoelectric vibrator mounting structure of the present invention is characterized in that the piezoelectric vibrator is a crystal.
本発明によれば、QCMセンサー用圧電振動子を実装する基板の表面に撥水膜を設けているので、試料液体が少量の場合は、圧電振動子の上に試料液体を適量だけ供給して分析することができる。また、試料液体がビーカーなどの容器に入っている場合は、圧電振動子が実装された基板ごと容器に浸漬することができる。この場合、基板表面は撥水膜で覆われているので、分析したい成分が基板表面へ吸着してしまうのを防止できる。 According to the present invention, the water repellent film is provided on the surface of the substrate on which the QCM sensor piezoelectric vibrator is mounted. Therefore, when the amount of the sample liquid is small, an appropriate amount of the sample liquid is supplied onto the piezoelectric vibrator. Can be analyzed. When the sample liquid is contained in a container such as a beaker, the substrate on which the piezoelectric vibrator is mounted can be immersed in the container. In this case, since the substrate surface is covered with the water-repellent film, the component to be analyzed can be prevented from adsorbing to the substrate surface.
また本発明によれば、圧電振動子は基板と空隙を保って実装し、空隙が外部と連通するように構成してもよい。この場合、圧電振動子は金属パターン部分だけが基板に固定され、その周囲は封止材を設けないので、圧電振動子に無用な応力が発生せず、安定した振動特性を得ることができる。 Further, according to the present invention, the piezoelectric vibrator may be mounted while maintaining a gap with the substrate so that the gap communicates with the outside. In this case, since only the metal pattern portion of the piezoelectric vibrator is fixed to the substrate and no sealing material is provided around the piezoelectric vibrator, useless stress is not generated in the piezoelectric vibrator, and stable vibration characteristics can be obtained.
以下図面を用いて本発明の最適な実施形態におけるQCMセンサー用圧電振動子の実装構造について説明する。図1〜図8に第一の実施形態におけるQCMセンサー用圧電振動子と、その実装構造を示す。図1に示すように、圧電振動子1の両面にはそれぞれ励振用の電極パターン2a、2bを設けている。そしてこの電極パターン2a、2bのそれぞれの端部が基板3に設けた金属配線4a、4bに接続されている。また圧電振動子1の外周部1aと基板3の間を封止材7によって封止したQCMセンサー用圧電振動子の実装構造となっている。さらには電極パターン2aの励振部分以外の圧電振動子1と封止材7と基板3との表面は、撥水膜5が形成されている構造となっている。
Hereinafter, a mounting structure of a piezoelectric vibrator for a QCM sensor according to an optimal embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 8 show a QCM sensor piezoelectric vibrator and its mounting structure in the first embodiment. As shown in FIG. 1, excitation electrode patterns 2a and 2b are provided on both surfaces of the
基板3上に設けた配線4a、4bと圧電振動子1に設けた励振用の電極パターン2a、
2bは導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料9により電気的に接続されている。基板3上に設けた凸部8が圧電振動子1の外周部1aに塗布した封止材7の圧電振動子1と基板3との隙間に流れ込む領域を制限している。この場合、凸部8は圧電振動子1の電極パターン2a、2bよりは外周側に設けられているので、封止材7が電極パターン2a、2bに付着するのを防止できる。
Wirings 4a and 4b provided on the
2b is electrically connected by a
この凸部8があることにより基板3上に設けた金属配線4a、4bと圧電振動子1上に設けた励振用の電極パターン2a、2bを導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料9を用いて電気的に接続した際に、圧電振動子1と凸部8との隙間が非常に狭くなるため、封止材7を圧電振動子1外周部に塗布した際に圧電振動子1と基板3との隙間には、毛細管現象により、封止材7が流れ込む。しかし、凸部8がなくなって隙間が広がる段差部分20では、表面張力により封止材7が流れなくなり、圧電振動子1と凸部8との狭い隙間より中には流れ込まないように制御できる。
The metal wiring 4a, 4b provided on the
また、撥水膜5が片面だけ露出している圧電振動子1の電極パターン2aの部分以外を覆っていることにより、試料液体を電極パターン2a部分に滴下した際に撥水膜5の撥水効果により試料液体が電極パターン2a部分に留まることができる。従って、試料液体が少ない場合は、このようにして測定することができる。
In addition, since the
さらに試料液体の入った容器にQCMセンサーを浸漬して使用する場合、撥水膜5の撥水効果により試料液体中の成分が基板3や封止材7などの表面に吸着するのを防止し、検出すべき物質が減少し測定精度が低下してしまうことを防止できる。この様に、試料液体がビーカーなどの容器に十分ある場合は、圧電振動子1を実装した基板3ごと容器内の試料液体に浸漬することができる。
Furthermore, when the QCM sensor is immersed in a container containing sample liquid, the water repellent effect of the
次に、第一の実施形態におけるQCMセンサー用圧電振動子の実装工程について図1から図8を用いて説明する。まず、図2に示すように圧電振動子1をエッチングやダイシングなどの方法により任意の大きさに分割し、メタルマスクを用いてスパッタリング法や真空蒸着法によって水晶板上に金属薄膜を形成することにより、圧電振動子1上に励振用の電極パターン2a、2bを形成する。
Next, the mounting process of the QCM sensor piezoelectric vibrator in the first embodiment will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, the
図3は圧電振動子1の斜視図であるが、点線は裏面の状態を表している。励振用の電極パターン2a、2bは基板3上に設けた金属配線4a、4bと電気的な接続を行う部分が同一の面になるように形成されている。
FIG. 3 is a perspective view of the
本実施形態では圧電振動子1として水晶板を用い、大きさが5mm角で厚みが50μmのものを使用し、励振用の電極パターン2a、2b部分が3mm角となるようなパターンで金を0.2μmの厚みで形成した。
In the present embodiment, a quartz crystal plate is used as the
次に図4の断面図と図5の斜視図に示すように、ガラスやガラス繊維とエポキシ樹脂で形成された基板3上に銅箔を張り合わせ、フォトリソグラフィとエッチングにより金属配線4a、4bと凸部8を同時に形成する。金属配線4a、4bと凸部8の表面には銅の腐食防止のためニッケルと金を形成しておく。凸部8を金属配線4a、4bと同じ部材で構成しているので製造が容易になる。
Next, as shown in the sectional view of FIG. 4 and the perspective view of FIG. 5, a copper foil is laminated on the
凸部8については上記方法以外にエポキシやシリコーンなどの接着剤を塗布または印刷し硬化させておくことでも形成することができ、形状は圧電振動子1の励振用電極パターン2a、2b部分を囲む様な環状の形状であれば良く、円や四角といった形状は特に限定されない。凸部8は、圧電振動子1の励振用電極パターン2a、2bの大きさに合わせて、基板3の圧電振動子搭載領域に適宣形成する。
In addition to the above method, the
本実施形態では厚みが0.5mmのガラス繊維とエポキシ樹脂でできた基板3を使用し、厚みが18μmの銅箔を張り合わせフォトリソグラフィとエッチングにより金属配線4a、4bと凸部8を形成した。金属配線4a、4bと凸部8の表面にはニッケルを1μm、金を0.3μmの厚みでメッキ法により形成した。
In this embodiment, a
次に図6に示すように、圧電振動子1上に設けた励振用の電極パターン2a、2bと基板3上に設けた金属配線4a、4bは、導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料9を用いて電気的な接続を行う。
Next, as shown in FIG. 6, the electrode patterns 2a and 2b for excitation provided on the
本実施形態ではシリコーン接着剤中に銀やパラジウムなどの導電粒子を含有した導電接着剤をディスペンサで基板3の金属配線4a、4b上に塗布し、圧電振動子1の励振用の電極パターン2a、2bと基板3上の配線4a、4bとの位置あわせを行い、熱処理により導電接着剤を硬化させて、電気的接続を行った。
In this embodiment, a conductive adhesive containing conductive particles such as silver and palladium in a silicone adhesive is applied onto the metal wirings 4a and 4b of the
次に図7に示すようにエポキシ、シリコーン、ポリウレタンなどの封止材7を圧電振動子1の外周部にディスペンサを用いて塗布し、圧電振動子1と基板3との隙間に封止材7を流し込み、封止材7を硬化させることで封止が完了する。
Next, as shown in FIG. 7, a sealing
このとき前述の如く圧電振動子1と基板3との隙間に流れ込んだ封止材7は基板3上に設けた凸部8と圧電振動子1との狭い隙間より中には流れ込まないので、圧電振動子1の励振を妨げることなく封止をすることが可能となっている。
At this time, as described above, the sealing
本実施形態では硬化後に柔らかく、圧電振動子1を変形させるような応力発生させない常温硬化型のシリコーン接着剤を封止材7として使用した。
In this embodiment, a room temperature curing type silicone adhesive that is soft after curing and does not generate stress that deforms the
次に図8に示すように圧電振動子1上の電極パターン2aの励振部分にマスキングテープ6を張り付けた後、撥水膜5をスプレーによりQCMセンサー全体に塗布し、乾燥させた後にマスキングテープ6を除去することで図1に示すようなQCMセンサー用圧電振動子の実装構造を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 8, a
上記方法で形成したQCMセンサー用圧電振動子の実装構造は、撥水膜5が圧電振動子1の電極パターン2aの部分以外を覆っているので、試料液体が少ない場合は、試料液体を電極パターン2a部分に滴下すれば良く、試料液体は撥水膜5の撥水効果により電極パターン2a部分に留まることができる。
In the mounting structure of the piezoelectric vibrator for QCM sensor formed by the above method, the water-
さらに試料液体が多い場合は、試料液体の入った容器にQCMセンサーを浸漬して使用する。この場合、撥水膜5の撥水効果により試料液体中の成分が基板3や封止材7などの表面に吸着するのを防止できるので、検出すべき物質が減少し測定精度が低下してしまうことを防止できる。この様に試料液体の量に合わせてその使い方を適宣選択できるので、大変便利である。
If there is more sample liquid, the QCM sensor is immersed in a container containing the sample liquid. In this case, the water repellent effect of the
次に以下図面を用いて本発明の第二の実施形態におけるQCMセンサー用圧電振動子の実装構造について説明する。図9に本発明の第二の実施形態におけるQCMセンサー用圧電振動子の実装構造の断面図を示す。図9に示すように、圧電振動子1に設けた励振用の金属パターン2a、2bを、基板3に設けた金属配線4a、4bに接続したQCMセンサー用圧電振動子の実装構造において、前記基板3には、前記圧電振動子1と前記基板3との隙間に試料液体の浸入を防止するための撥水膜5が設けてあり、前記撥水膜5は圧電振動子1に設けた励振用の金属パターン2a、2bと基板3上の金属配線4a、4bとの接続部分に開口部を有する構造となっている。
Next, the mounting structure of the piezoelectric vibrator for a QCM sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 shows a cross-sectional view of the mounting structure of the QCM sensor piezoelectric vibrator in the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, in the QCM sensor piezoelectric vibrator mounting structure in which the excitation metal patterns 2a and 2b provided on the
基板3上に設けた金属配線4a、4bと圧電振動子1に設けた励振用の金属パターン2a、2bは導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料9により電気的に接続されており、基板3上に設けた撥水膜5の撥水効果により圧電振動子1と基板3の隙間に試料液体が浸入することを防止している。
The metal wirings 4a and 4b provided on the
圧電振動子1と試料液体の濡れ性が良好な場合でも、基板3側に撥水膜5が形成されていれば圧電振動子1と基板3の隙間に試料液体が浸入することはなく、圧電振動子1と基板3の間に空気層を設けることが可能となり、試料液体にQCMセンサーを浸漬した際に、圧電振動子1の一方の面は試料液体に触れ、一方の面は空気層に触れている状態が得られる。
Even when the wettability between the
次に、本発明の第二の実施形態におけるQCMセンサー用圧電振動子の実装方法について図2〜図3および図9から図13を用いて説明する。ここでは第一の実施形態と異なる行程だけを説明する。 Next, a method for mounting the QCM sensor piezoelectric vibrator according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 3 and FIGS. 9 to 13. Here, only the process different from the first embodiment will be described.
図10に示す如く本実施形態では、基板3には凸部8を設けていない。そして図11に示すように、圧電振動子1上に設けた励振用の金属パターン2a、2bと基板3上に設けた金属配線4a、4bとの接続部分の金属配線4a、4b上にマスキングテープ6を貼り、樹脂溶液に撥水粒子を分散させたものをスプレーで基板3上に塗布および乾燥することで撥水膜5を形成する。
As shown in FIG. 10, in this embodiment, the
撥水膜5は樹脂溶液に撥水粒子を分散させたものをスピンコートまたはスプレーコートにより形成する以外に、電着塗料タイプのものや感光性タイプのものを用いてパターンニングしてもよい。
The water-
撥水膜5の開口部は図12に示すように、圧電振動子1上の金属パターン2a、2bと基板3上の金属配線4a、4bとの接続部分を含み、点線で示す圧電振動子1の外形以内の大きさであれば問題なく、斜線部分のようなパターンで撥水膜5を形成してもよい。
As shown in FIG. 12, the opening of the water-
その後、マスキングテープ6を剥がすことにより、圧電振動子1に設けた金属パターン2a、2bと基板3上に設けた金属配線4a、4bとの接続部分に開口部を設けることができる。
Thereafter, the
圧電振動子1上に設けた励振用の金属パターン2a、2bと基板3上に設けた金属配線4a、4bとを導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料9を用いて電気的な接続を図9に示すように行う。
The excitation metal patterns 2a and 2b provided on the
本実施形態ではシリコーン接着剤中に銀やパラジウムなどの導電粒子を含有した導電接着剤をディスペンサで基板3上に形成した金属配線4a、4b上に塗布し、圧電振動子1上に形成した励振用の金属パターン2a、2bと基板3上の金属配線4a、4bとの位置あわせを行い、熱処理により導電接着剤を硬化させて、電気的接続を行った。
In the present embodiment, a conductive adhesive containing conductive particles such as silver and palladium in a silicone adhesive is applied onto the metal wirings 4 a and 4 b formed on the
本実施形態のQCMセンサーの使用方法の一例として図13に示すような構成が考えられる。図13は容器14内に試料液体18を貯留しておき、マグネチックスターラー15で攪拌子16を回転させ試料液体18を攪拌し、圧電振動子1上に特定の物質を選択的に吸着させるセンサー膜を形成したQCMセンサーを浸漬し、その時の圧電振動子1の周波数の変化を計測装置17で測定し、センサー膜に吸着した物質の質量を算出する構成となっている。
A configuration as shown in FIG. 13 is conceivable as an example of a method of using the QCM sensor of this embodiment. In FIG. 13, a sample liquid 18 is stored in a
また、図14のように第二の実施形態のQCMセンサーを試料液体18で満たされた容器14に浸漬した場合、圧電振動子1の外周部は封止されておらず基板3との間に隙間が存在しているが、隙間を1〜20μm程度にしてあれば、基板3上に設けた撥水膜5の撥水効果により試料液体18が圧電振動子1と基板3の隙間に浸入してくることはなく、QCMセンサーとして十分な性能を得ることができる。
Further, when the QCM sensor of the second embodiment is immersed in the
以上の方法により圧電振動子1を基板3上に実装することで、基板3上に設けた金属配線4と圧電振動子1に設けた励振用の金属パターン2は導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料9により電気的に接続されており、基板3上に設けた撥水膜5が圧電振動子1と基板3の隙間に試料液体が浸入することを防止する構造を得ることができる。
By mounting the
1 圧電振動子
2 金属パターン
3 基板
4 金属配線
5 撥水膜
6 マスキングテープ
7 封止材
8 凸部
9 接続材料
10 受容体
11 テトラフロロエチレンパターン
12 空気層
14 容器
15 マグネチックスターラー
16 攪拌子
17 測定器
18 試料液体
20 段差
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JP2011117972A (en) * | 2011-02-14 | 2011-06-16 | Seiko Epson Corp | Vibrator, vibrator array, and electronic apparatus |
JP2013036877A (en) * | 2011-08-09 | 2013-02-21 | Ulvac Japan Ltd | Submerged piezoelectric plate sensor |
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