JP2007121188A - 振動素子および物質検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、振動子を支持基板に対して接合するタイプの物質検出素子において、振動のＱ値を向上させ、Ｑ値のバラツキを低減できるようにすることである。
【解決手段】物質検出素子１Ａは、振動子３Ａ、振動子に設けられ、目的物質と相互作用させるための検出膜４Ａ、および振動子と接合されており、振動子を支持する支持基板２を備えている。振動子が、支持基板２に接合されている基部３ａ、検出膜が設けられており、基部よりも薄い振動部３ｃ、および基部と振動部との間に設けられており、基部よりも薄い中間部３ｂを備えている。振動部の厚さと中間部の厚さとが異なっている。目的物質と検出膜との相互作用に基づく振動子の振動状態の変化に基づいて目的物質を検出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は振動素子および物質検出素子に関するものである。

高周波でフィルタや発振器に使用される振動子や、溶液中や粘性の高いガス中でセンサとして用いる振動子は、数ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波で動作させるために振動子を薄くする必要がある。しかし、エッチングによって部分的に薄くする構造では、構造強度が弱く割れやすくなりこれを回避するために貼り合わせ構造が用いられている。

例えば、特許文献１においては、高周波用の薄い水晶基板を用いて電極の形成部を周辺部の厚みよりも薄くした構造のセンサデバイス本体を使用する。そして、このセンサデバイス本体よりも厚みの大きい水晶基板製または石英基板製の基板ホルダを用意し、この基板ホルダにセンサデバイス本体を貼り付ける。この構造により、センサデバイスを高周波化するために電極部を薄くするためのエッチング量を少なくし、しかも水晶基板を割れ等から保護する（請求項５、図５等）。
ＷＯ００／２６６３６

また、特許文献２においては、水晶基板の電極形成部をエッチングによって掘り下げて振動子を形成し、この振動子を基板に接着することが開示されている（図５、図６）。
特開2000−258324

なお、本出願人は、振動子の振動変位の変化によって物質の吸着量を測定する素子を提案している（特許文献３）。
特開２００５−９８９８６

しかしながら、エッチングによって振動子を部分的に薄くし、この振動子を支持基板に貼り合わせると、振動のＱ値が悪化していた。その上、各振動子ごとに振動のＱ値にバラツキが発生し、生産時の歩留りが低下することが判明してきた。

本発明の課題は、振動子を支持基板に対して接合するタイプの振動子において、振動のＱ値を向上させ、Ｑ値のバラツキを低減できるようにすることである。
さらに、本発明の課題は、振動子を支持基板に対して接合するタイプの振動子を利用した物質検出素子において、振動のＱ値を向上させ、Ｑ値のバラツキを低減できるようにすることでセンサ特性のばらつきを低減できるようにすることである。

本発明は、振動子、およびこの振動子と接合されており、振動子を支持する支持基板を備えている振動素子であって、
振動子が、支持基板に接合されている基部、基部よりも薄い振動部、および基部と振動部との間に設けられており、基部よりも薄い中間部を備えており、振動部の厚さと中間部の厚さとが異なっていることを特徴とする。

また、本発明は、目的物質の検出に使用する物質検出素子であって、
振動子、振動子に設けられ、目的物質と相互作用させるための検出膜、および振動子と接合されており、振動子を支持する支持基板を備えており、
振動子が、支持基板に接合されている基部、検出膜が設けられており、基部よりも薄い振動部、および基部と振動部との間に設けられており、基部よりも薄い中間部を備えており、振動部の厚さと中間部の厚さとが異なっており、目的物質と検出膜との相互作用に基づく平板状振動子の振動状態の変化に基づいて目的物質を検出することを特徴とする。

本発明者は、振動のＱ値の低下やＱ値のバラツキが生ずる原因について検討し、以下の知見を得た。図１を参照しつつ説明する。図１の物質検出素子１１は、振動子１３と支持基板１２とからなる。支持基板１２上に振動子１３の基部１３ａが支持されており、基部１３ａの内側に、相対的に厚さの小さい振動部１３ｂが形成されている。振動部１３ｂと基部１３ａとの間には、振動子の両面において段差３０ａ、３０ｂがある。振動部１３ｂの両面にそれぞれ電極１４が形成されており、外側の電極１４は吸着膜としても機能する。

このような素子１１においては、振動子１３の段差３０Ａ、３０Ｂにおいて振動波の反射が起こるので、この点ではＱ値に有利なはずであった。しかし、実際には、振動子から支持基板１２への振動伝搬が発生するために、振動子１３のインピーダンスの上昇（Ｑ値の低下）や発振安定性の悪化を招くことが分かった。更に、振動子と支持基板との接合部端面は、現実には接合材料のはみ出し、組成変動、形状誤差等が発生しており、これによって、製造される素子の振動のＱ値のばらつきを招くことが判明した。

このような知見に立ち、本発明者は、振動子の基部１３ａと振動部１３ｂとの間に、いずれとも厚さの異なる中間部を更に形成することを想到した。例えば、図２の物質検出素子１Ａは、振動子３Ａと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ａの基部３ａが支持されており、基部３ａの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｂが形成されており、その内側に更に厚さの小さい振動部３ｃが形成されている。中間部３ｂと基部３ａとの間には段差３１ａが形成されており、中間部３ｂと振動部３ｃとの間には段差３０ａ、３０ｂが形成されている。

こうした素子であると、振動漏れを低減し、振動子のＱ値を高めることができ、またＱ値のバラツキを減らすことができる。この理由は明かではないが、中間部と振動部との境界にある段差３０ａ、３０ｂでは支持基板への接合を行っていない構造である。このため、段差３０ａ、３０ｂで振動波が反射することによって、振動漏れが低減するものと考えられる。また、段差３０ａ、３０ｂ周辺に接合部分がないので、接合部分の形状や組成のバラツキが、振動部３ｃの振動に影響しにくいものと考えられる。

振動子の厚さは特に限定されないが、振動子が薄い方が、検出膜と目的物質との相互作用による振動状態への影響が大きく、従って検出感度が高くなる。この観点からは、振動子の厚さのバラツキは、厚さの平均値の±１％以内であることが好ましい。

振動子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できる。あるいは、振動子をセラミックスによって形成できる。このセラミックスの種類は特に限定されず，アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、コージェライトなどのアルミノ珪酸塩、あるいはそれらに添加物を加えたものを例示できる。

支持基板の材質も特に限定されないが、以下を例示できる。
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できる。振動子に用いる圧電単結晶と同一の基板を支持基板として使用すると熱膨張が一致して温度変化によって反りが生じにくい。また、シリコン、ＧａＡｓなどの半導体基板、パイレックス（登録商標）、ＢＫ７、合成石英、もしくは、強度の高い結晶化ガラスなどのガラス基板、サファイア、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、コージェライトなどのセラミック基板などを例示できる。

振動子に基本振動を励起するための駆動手段は特に限定されない。一実施形態においては、圧電性材料によって形成された振動子の表面に駆動電極を設け、この駆動電極を駆動手段とする。また、他の実施形態においては、振動子の表面に圧電性材料を取り付け、この圧電性材料を伸縮させることによって振動子に基本振動を励振することができる。

また、振動子の振動状態を測定する検出手段の種類も特に限定されない。一実施形態では、圧電材料からなる振動子上に形成された検出電極であり、また他の実施形態では、振動子上の圧電材料に設けられた検出電極である。検出手段は、このような検出電極が好ましいが、これには限定されない。さらに、検出電極がなくても、駆動電極のインピーダンスやＱ値の変化、あるいは振動の共振周波数の変化によって振動状態を測定してもよい。

前述した駆動電極、検出電極は、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、金膜と振動子、特に水晶振動子との間には、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。

目的物質の検出膜は、前記した検出電極および／または駆動電極と兼用であってよく，また駆動電極および検出電極とは別体であってよい。また、検出膜は、目的物質の吸着膜であってよいが、目的物質と化学反応して重量変化する反応性膜であってもよい。

検出膜の材質は、検出膜が前述した検出電極および／または駆動電極と兼用である場合には、電極材料、例えば導電性材料であってよい。例えば、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、金膜と振動子、特に水晶振動子との間には、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。

また、検出膜が電極と別体である場合には、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）、

また、検出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。
検出膜によって検出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

また、検出膜と目的物質とが化学反応する場合の検出膜および目的物質の材質の組み合わせとしては、以下を例示できる。
下に示す各対は、目的物質と検出膜材質との組み合わせを示す対である。従って、各対から、一方を目的物質として選択すると、他方が検出膜の材質となる。
抗体−抗原、ホルモン−ホルモンレセプター、アビジン/ストレプトアビジン−ビオチン、酵素−酵素基質または酵素インヒビター、レクチン−カルボキシハイドレート、脂質−脂質結合タンパク質または膜会合タンパク質、レセプター−伝達物質、タンパク質−タンパク質、タンパク質−ポリヌクレオチド、ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−ＲＮＡ、ＲＮＡ−ＲＮＡ

本発明において、被測定系を構成する液の主成分は以下を例示できる。
リン酸緩衝液（ＰＢＳ）：リン酸２水素ナトリウム・２水（リン酸１ナトリウム）、リン酸水素２ナトリウム・12水（リン酸２ナトリウム）、蒸留水、塩化ナトリウム

本発明において、振動子の振動状態の変化は、数値化可能であれば特に限定されない。以下を例示できる。
（１） 振動周波数を測定し、目的物質と検出膜との相互作用による検出膜の質量変化に基づく振動周波数変化から、物質の存在を検出し、また物質の濃度を計測する。
（２） 振動のＱ値を測定し、目的物質と検出膜との相互作用による検出膜の質量変化に基づくＱ値の変化から、物質の存在を検出し、また物質の濃度を計測する。
（３） 振動子の振動変位を測定し、目的物質と検出膜との相互作用による検出膜の質量変化に基づく振動変位の変化から、目的物質の存在を検出し、また物質の濃度を計測する。この方法によれば、周波数の変化を測定する場合に比べて、単位質量変化当たりの感度を向上させることが可能である。しかも、ねじれ弾性率μ、厚さ方向弾性率Ｃｙなどの温度特性等の環境変化は、振動子の全体にわたって生ずる。この際、本例においては、振動子の変位のバランス変化は、振動子の全体にわたって生ずるので、測定前後における振動変位の変化には影響しない。従って、質量変化のみを正確に測定することができる。

（３）の好適な実施形態においては、基本振動において、振動変位が振動子の中心軸に対して略対称である。また、好適な実施形態においては、非測定時において、検出手段からの検出値が略０となるようにする。この場合には、略０からの変位を検出するので、一層測定感度が向上する上、環境変化の影響を低減できる。

振動の種類は特に限定されず、振動励起手段の厚み振動であってよく、振動アームの伸縮振動であってよく、振動アームの屈曲振動であってよい。

本発明において、検出手段から得られる物理量の種類は限定されないが、感度の点から振動変位が特に好ましい。他の物理量としては電気抵抗、応力、加速度を例示できる。また、例えば、レーザ変位計で振動子の中心軸およびその付近の変位を計測することができる。この場合には、検出膜は不要であり、振動素子に検出膜を設けることなしに、上記したような物理量を計測することができる。

平板状振動子と支持基板とを接合する接合手段は特に限定されず、通常の接合剤であってよい。

接合剤の種類は限定されず、シリコーンＲＴＶゴム、シリコーンゲルなどの脱アルコール型、脱アセトン型、脱オキシム型、脱酢酸型、付加反応型などの種々のシリコーン系の接合剤、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴムなどの合成ゴム、テフロン（登録商標）、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素樹脂、エポキシ系やアクリル系やビニル系の接合剤を例示できる。また、セメントのような無機系の接合剤でもよい。あるいは、金属を介した陽極接合も利用できる。さらに基板によっては、ウエハ直接接合も利用でき、この場合には接合剤を必要としない。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図２〜図４は、いわゆるＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動や厚み縦振動を使用する実施形態に係るものである。図２は、素子１Ａを概略的に示す断面図であり、図３は、素子１Ａの斜視図であり、図４は、素子１Ａの上面図である。最初に厚みすべり振動を採用した例を中心として説明し、厚み縦振動を採用した例については後述する。

図２の物質検出素子１Ａは、振動子３Ａと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ａの基部３ａが支持されており、基部３ａの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｂが形成されており、その内側に更に厚さの小さい振動部３ｃが形成されている。中間部３ｂと基部３ａとの間には段差３１ａが形成されており、中間部３ｂと振動部３ｃとの間には段差３０ａ、３０ｂが形成されている。支持基板２と振動子３Ａとの間には好ましくは密閉された空間５が形成されており、空間５に対して対向電極４Ｂが露出している。空間５の高さは段差３１ａによって制御する。空間５内は真空、減圧状態であってよく、あるいは窒素ガスなどの不活性ガスが充填されていてよく、あるいは大気であってよい。８Ａ、８Ｂはリードであり、９Ａ、９Ｂはリード端子である。

この素子の動作は、いわゆるＱＣＭ素子の動作と同様である。即ち、電極３Ａと対向電極３Ｂとの間に交流信号電圧を印加し、厚みすべり振動を振動子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。電極３Ａに目的物質が吸着すると、振動子の振動周波数が変化する。従って、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： 水晶のねじれ弾性率＝１０^１１ｄｙｎ／ｃｍ^２
ρ： 水晶の密度＝２．６５ｇ／ｃｍ^３

好適な実施形態においては、振動子の全体が同じ材料からなる。しかし、振動子の一部、例えば基部の一部が、振動部の材料と異なる材料であってもよい。例えば図５の物質検出素子１Ｂは、振動子３Ｂと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ｂの基部３ｄが支持されており、基部３ｄの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｂが形成されており、その内側に更に厚さの小さい振動部３ｃが形成されている。中間部３ｂと基部３ｄとの間には段差３１ａが形成されており、中間部３ｂと振動部３ｃとの間には段差３０ａ、３０ｂが形成されている。基部３ｄの少なくとも一部が、振動部３ｃの構成材料とは異種の材料５からなる。

このような振動部の材料とは異種の材料としては、以下を例示できる。
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できる。また、シリコン、ＧａＡｓなどの半導体基板、パイレックス（登録商標）、ＢＫ７、合成石英、もしくは、強度の高い結晶化ガラスなどのガラス基板、サファイア、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、コージェライトなどのセラミック基板、ＳｉＯ_２、酸化タンタル、ＤＬＣ、樹脂材料などが挙げられる。

好適な実施形態においては、振動子の両面において振動部と中間部との間に段差が形成されている。例えば図２の例では、振動子３Ａの両面において、振動部３ｃと中間部３ｂとの間に段差３０ａ、３０ｂがそれぞれ形成されている。

しかし、振動子の両面において振動部と中間部との間に段差が形成されている必要はない。即ち、振動子の一方の主面において振動部と中間部との間に段差を形成せず、他方の主面において振動部と中間部との間に段差を形成することができる。例えば図６の素子１Ｃでは、振動子３Ｃの一方の主面は平坦であり、他方の主面において振動部３ｃと中間部３ｂとの間に段差３０ｂが形成されている。

また、好適な実施形態においては、振動部と中間部との間に、厚さが変化するテーパ部を備えている。これによってＱ値が更に向上することが分かった。これは段差における振動波の反射に伴う振動波の干渉を抑制できるためと考えられる。

例えば、図７の物質検出素子１Ｄは、振動子３Ｄと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ｄの基部３ａが支持されており、基部３ａの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｆが形成されており、その内側に更に厚さの小さい振動部３ｃが形成されている。中間部３ｆと振動部３ｃとの間にはテーパ部３ｇが形成されており、即ちテーパ面５Ａが形成されている。

また、上述の各例においては、振動部の厚さが中間部の厚さよりも小さくなっている。しかし、これには限定されず、振動部の厚さを中間部の厚さよりも大きくすることによって、両者の間に段差を形成することもできる。

例えば図８の物質検出素子１Ｅは、振動子３Ｅと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ｅの基部３ａが支持されており、基部３ａの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｈが形成されており、その内側に、中間部３ｈよりも厚さの大きい振動部３ｃが形成されている。中間部３ｈと振動部３ｃとの間にはテーパ部３ｊが形成されており、即ちテーパ面５Ｂが形成されている。むろんテーパ部３ｊの厚さは、振動部３ｃに近づくのにつれて徐々に増大する。

また、例えば複数のテーパ部を設けことができ、および／または、複数の中間部を設けることができる。例えば、図９の物質検出素子１Ｆは、振動子３Ｆと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ｆの基部３ａが支持されており、基部３ａの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｆが形成されており、その内側に、中間部３ｆよりも薄い振動部３ｃが形成されている。中間部３ｆと振動部３ｃとの間にはテーパ部３ｇが形成されており、即ちテーパ面５Ｄが形成されている。中間部３ｆと基部３ａとの間にはテーパ部３ｋが形成されており、即ちテーパ面５Ｃが形成されている。テーパ部３ｋ、３ｇの厚さは、振動部３ｃに近づくのにつれて徐々に減少する。

また、好適な実施形態においては、振動部から見て両側にテーパ部がある場合に、両方のテーパ部の傾斜角度を相違させる。左右のテーパ部のテーパ角が等しい場合には、反射した振動波同士が干渉しやすくなり、不要なスプリアス振動を発生させるので、Ｑ値の低下とバラツキの原因となる。これにたいして左右のテーパ部のテーパ角を相違させると、それぞれの段差で反射した振動波の干渉が生じにくくなる。

例えば、図１０の物質検出素子１Ｇは、振動子３Ｇと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ｇの基部３ａが支持されており、基部３ａの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｆが形成されており、その内側に、中間部３ｆよりも薄い振動部３ｃが形成されている。中間部３ｆと振動部３ｃとの間にはテーパ部３ｍ、３ｎが形成されており、即ちテーパ面５Ｅ、５Ｆが形成されている。ここで、テーパ部３ｍのテーパ角θｍとテーパ部３ｎのテーパ角θｎとは相違している。

振動部と中間部との段差の大きさは特に限定されないが、本発明の観点からは、０．３ミクロン以上であることが好ましく、０．５ミクロン以上であることが更に好ましい。しかし振動部と中間部との段差が大きくなりすぎると、Ｑ値低下や破損などの原因となるので、この観点からは、１ミクロン以下が好ましく、０．８ミクロン以下が更に好ましい。

振動部と中間部との段差の大きさは特に限定されないが、本発明の観点からは、振動部と中間部の比率が（振動部／中間部）、９５％以下であることが好ましく、７５％以下であることが更に好ましい。しかし振動部と中間部との段差が大きくなりすぎると、Ｑ値低下や破損などの原因となるので、この観点からは、５％以上であることが好ましく、２５％以上であることが更に好ましい。

中間部と振動部との間にテーパ部を設ける場合には、テーパ部のテーパ角θ、θｍ、θｎは、それぞれ10 °以上とすることが好ましく、30°以上とすることが更に好ましい。しかし、テーパ角θ、θｍ、θｎが大きくなり過ぎると、中間部と振動部との段差を充分大きくすることが寸法上難しいことから、テーパ角は85 °以下とすることが好ましい。

振動部の両側でテーパ角θｍ、θｎが異なる場合には、θｍとθｎとの差は、30°以上が好ましく、60°以上が更に好ましい。

振動部の厚さｃは特に限定されないが、振動効率の点からは5ミクロン以下が好ましく、２ミクロン以下が更に好ましい。しかし振動部の破損やＱ値のバラツキを抑制するという観点からは、ｃは０．３ミクロン以上が好ましく、０．５ミクロン以上が更に好ましい。

振動部の厚さｃと振動部の径ａの比率（ａ／ｃ）は特に限定されないが、振動効率の点からは５倍以上が好ましく、１０倍以上が更に好ましい。しかし振動部の破損やＱ値のバラツキを抑制するという観点からは、ｃは１００倍以下が好ましく、９０倍以下が更に好ましい。

段差を形成する方法は特に限定されない。例えば、圧電基板材料に、機械的加工、化学的加工、あるいは両者の組み合わせを施すことによって、段差を形成できる。機械的加工方法としては、サンドブラスト、マシニングセンタ、レーザー加工、ドライエッチングなどを例示できる。化学加工方法としては、硝酸、過酸化水素水、硫酸、塩酸、フッ酸あるいはその混合溶液によるエッチングなどが挙げられる。更に，異種材料を圧電性基板に接合することによって段差を形成できる。

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１１〜図１４は、この実施形態に係るものである。

図１１は、検出素子１Ｈを模式的に示す斜視図であり、図１２は、検出素子１Ｈを模式的に示す断面図である。図１３（ａ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための平面図であり、図１３（ｂ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための斜視図であり、図１４は回路例を示す。

図１１の物質検出素子１Ｈは、振動子３Ｈと支持基板２とからなる。支持基板２上に振動子３Ｈの基部３ａが支持されており、基部３ａの内側に、相対的に厚さの小さい中間部３ｂが形成されており、その内側に更に厚さの小さい振動部３ｃが形成されている。中間部３ｂと基部３ａとの間には段差３１ａが形成されており、中間物質検出素子３ｂと振動部３ｃとの間には段差３０ａ、３０ｂが形成されている。

振動部３ｃの一方の主面上には、駆動電極１６Ａ、１６Ｂおよび検出電極１７Ａが形成されており、他方の主面上には、駆動電極１６Ｃ、１６Ｄおよび検出電極１７Ｂが形成されている。８Ａ、８Ｂ、８Ｃはリードであり、９Ａ、９Ｂ、９Ｃはリード端子である。

本例の素子では、駆動電極１６Ａと１６Ｂの一方に測定対象物質が付着すると、振動部３ｃの中心軸Ｄの左右における質量のバランスが崩れる。この結果、中心軸Ｄに対する駆動振動Ａ、Ｂの線対称性が崩れ、検出電極１７Ａと１７Ｂとの間に、駆動振動と同相の信号電圧が発生する。この信号電圧に基づいて質量を算出する。

即ち、検出電極１７Ａ、１７Ｂの間で振動子に変位が生ずると、端子Ｐと接地端子ＰＧとの間で電圧が生ずる。この電圧差を信号処理部分２６の検出増幅器２９で検出し、駆動振動によって位相検波回路２０で位相検波する。そして、駆動振動と同相の振動をローパスフィルター３１に通し、出力する。なお、２４は駆動回路であり、２８は自励振回路である。

ここで、中心の検出電極１７Ａ、１７Ｂにおける検出信号は、非測定時においては略ゼロとなるようにする。これは、駆動振動の変位Ａ、Ｂが、振動部３ｃの中心軸Ｄに対して略線対称となっているために、検出電極１７Ａ、１７Ｂの間の領域における振動子の振動変位はほぼゼロとなるからである。
上の例では、電極に対して目的物質を吸着させたが、電極と別体の吸着膜を設けることができる。

また、本発明の振動素子（および物質吸着素子）は、振動子の厚み縦振動を利用することもできる。この実施形態について述べる。

図２〜図１０（特に図２〜図４）に示したような例を参照しつつ説明する。振動部３ｃをはさむ一対の電極間に所定の交流電圧を印加することによって、図１５に示すように厚み縦振動を生じさせる。この際には自励振回路を用いる。すなわち、図１５（ａ）に示すような矢印Ｅ方向へと伸長する変位と、図１５（ｂ）に示すような矢印Ｆ方向に収縮する変位とが交互に生ずるようにする。たとえば図１５（ａ）に示す伸長時には、図１６の格子図面に示すＥのようになる。また、図１７にも格子図面を示す（伸長時）。

このような厚み縦振動が発生した状態で、検出膜４Ａ上に物質が吸着すると、振動部の周波数が低くなる。この周波数の変動に基づいて、前述のように検出膜上の吸着物質重量を検量線に基づいて検出する。

図１〜図１０の各例の物質検出素子を作成した。具体的には、各振動子はニオブ酸リチウムウエハによって形成した。各振動子用のウエハには、あらかじめ、加工によって段差を設けた。加工は、硫酸水溶液を用いたエッチング加工を用いた。各ウエハにはクロム（厚さ２００オングストローム）、金（厚さ１０００オングストローム）の金属膜をフォトリソグラフィ工程によってパターン加工が施されており、この金属膜が除去された部分がエッチング加工される。溶液は４５℃に保たれており、所定時間溶液中に暴露することで、１ないし２μｍ程度の段差が生じる。この工程を適当に繰り返すことよって，各例の形状の振動子を形成した。

このウエハと支持基板２（１２）を接着した。接着面は、段差をつけた面であり、この段差があることによって、ウエハと支持基板の間に空間を形成できる。支持基板の材質はニオブ酸リチウムウエハであり、厚さは０．３ｍｍであった。支持基板と振動子を含むウエハとの接着は、シリコーン接合剤によって行った。このように支持基板と接着した加工前のウエハの厚さは０．３ｍｍとし、このウエハ全体にマイクログラインダーによる研削加工を行って全体を薄板加工した。加工後の振動子を含むウエハの厚さは５μｍとした。このようにして、厚み１．２μｍの振動子を製造した。各電極は、モリブデン膜（厚さ５００オングストローム）を使用した。底面の電極は支持基板との接着前に形成した。

得られた各例の振動子の特性をネットワークアナライザによって測定し、共振周波数とＱ値を算出した。結果を各表に示す。振動部の厚み縦振動を利用した。

ただし、各図面の各素子の寸法は以下のとおりである。
図１（比較例） ａ：３０μｍ ｂ：３μｍ 振動部の厚さ１．２μｍ
図２： ａ：３０μｍ ｂ ５μｍ ｃ： １．２μｍ
ｄ：３．５μｍ ｅ：１００μｍ
図５： ａ：３０μｍ ｂ ５μｍ ｃ： １．２μｍ
ｄ：３．５μｍ ｅ：１００μｍ
図６： ａ：３０μｍ ｂ ５μｍ ｃ： １．２μｍ
ｄ：３．５μｍ ｅ：１００μｍ
図７： ａ：３０μｍ ｂ ５μｍ ｃ： １．２μｍ
ｄ：３．５μｍ ｅ：１００μｍ ｆ：６０μｍ
図８： ａ：３０μｍ ｂ ５μｍ ｃ： １．２μｍ
ｄ：０．８μｍ ｅ：１００μｍ ｆ：６０μｍ
図９： ａ：３０μｍ ｂ ５μｍ ｃ： １．２μｍ
ｄ：２．０μｍ ｅ：１００μｍ ｆ：８０μｍ ｇ：５０μｍ
図１０：ａ：３０μｍ ｂ ５μｍ ｃ： １．２μｍ ｄ：３．５μｍ ｅ：１００μｍ ｆ：６０μｍ ｍ：１０μｍ ｎ：２０μｍ

これらの例から分かるように、本発明例においては、Ｑ値の値が比較例に比べて大きくなっており、かつＱ値のバラツキも著しく低減されている。

（物質の検出例）
図１１〜図１４に示す素子１Ｈを製造した。振動子３ＨはＡＴカット水晶板によって形成した。加工前の平板の厚さは０．１ｍｍとし、加工後の振動子３Ｈの厚さは０．００１ｍｍ、縦２ｍｍ、横２ｍｍとした。各電極は、クロム／金膜（厚さ５００オングストローム）を使用した。本例では電極上に別体の吸着膜を、マスクを用いたパターニングによるディッピングによって形成した。吸着膜の材質は抗ヒトＩｇＧ抗体（ＳＩＧＭＡ社、Ｉ３３８２）である。支持基板２の材質はＡＴカット水晶板であり、厚さは０．３ｍｍであった。支持基板２と振動子３Ｈとの接着は、シリコーン接合剤によって行った。

この素子１Ｈを、ヒトＩｇＧ（ＳＩＧＭＡ社、Ｉ４５０６）を含むリン酸緩衝液（ＰＢＳ）中に浸漬し、抗体抗原反応による抗原の抗体への結合を測定した。この結果、１ｎｇの質量の吸着を検出することが可能であった。

１０個のサンプルを作製し、前記測定を行った。この結果、反応が安定した状態における測定値のバラツキは０．１ｎｇであった。また、振動のＱ値のバラツキは± １１％以内であった。

物質検出素子１１を概略的に示す断面図である。 本発明の物質検出素子１Ａを概略的に示す断面図である。 本発明の物質検出素子１Ａを概略的に示す斜視図である。 本発明の物質検出素子１Ａを概略的に示す平面図である。 本発明の他の物質検出素子１Ｂを概略的に示す断面図である。 本発明の他の物質検出素子１Ｃを概略的に示す断面図である。 本発明の他の物質検出素子１Ｄを概略的に示す断面図である。 本発明の他の物質検出素子１Ｅを概略的に示す断面図である。 本発明の他の物質検出素子１Ｆを概略的に示す断面図である。 本発明の他の物質検出素子１Ｇを概略的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る物質検出素子１Ｈを概略的に示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る物質検出素子１Ｈを概略的に示す断面図である。 （ａ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための平面図であり、（ｂ）は、厚みねじれ振動モードを説明するための斜視図である。 素子の回路例を示す。 （ａ）、（ｂ）は、厚み縦振動を示す模式図である。 厚み縦振動の変位分布を示す格子図面である。 厚み縦振動の変位分布を示す格子図面である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ 物質検出素子 ２ 支持基板 ３ 振動子 ３ａ、３ｄ 基部 ３ｂ、３ｅ、３ｆ、３ｈ 中間部 ３ｃ 振動部 ３ｄ、３ｇ、３ｊ、３ｋ テーパ部 ４Ａ 電極（相互作用膜） ４Ｂ 電極 ５ 異種材料部 ５Ａ、５Ｂ テーパ面 ３０ａ、３０ｂ 段差 ３１ａ 段差

Claims (15)

1. 振動子、およびこの振動子と接合されており、前記振動子を支持する支持基板を備えている振動素子であって、
   前記振動子が、前記支持基板に接合されている基部、前記基部よりも薄い振動部、および前記基部と前記振動部との間に設けられており、前記基部よりも薄い中間部を備えており、前記振動部の厚さと前記中間部の厚さとが異なっていることを特徴とする、振動素子。
2. 前記振動子が厚みねじれ振動モードで振動することを特徴とする、請求項１記載の振動素子。
3. 前記振動子が厚みすべり振動モードで振動することを特徴とする、請求項１記載の振動素子。
4. 前記振動子が厚み縦振動モードで振動することを特徴とする、請求項１記載の振動素子。
5. 前記振動子の一方の主面および他方の主面において前記振動部と前記中間部との間にそれぞれ段差が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の振動素子。
6. 前記振動子の一方の主面において前記振動部と前記中間部との間に段差が形成されておらず、前記振動子の他方の主面において前記振動部と前記中間部との間に段差が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の振動素子。
7. 前記振動部の厚さが前記中間部の厚さよりも小さいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の振動素子。
8. 前記振動部の厚さが前記中間部の厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の振動素子。
9. 前記振動部と前記中間部との間に、厚さが変化するテーパ部を備えていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の振動素子。
10. 目的物質の検出に使用する物質検出素子であって、
    請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の振動素子、および前記振動部に設けられ、目的物質と相互作用させるための検出膜を備えており、
    前記目的物質と前記検出膜との相互作用に基づく前記振動子の振動状態の変化に基づいて前記目的物質を検出することを特徴とする、物質検出素子。
11. 前記振動子の第一の主面側に、前記検出膜とは別に設けられた、基本振動を励振するための電極を備えていることを特徴とする、請求項１０記載の物質検出素子。
12. 前記検出膜が前記目的物質の吸着能を有する吸着膜であることを特徴とする、請求項１０または１１記載の物質検出素子。
13. 前記検出膜が、前記振動子に基本振動を励振するための電極として機能することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一つの請求項に記載の物質検出素子。
14. 前記振動状態の変化が振動周波数の変化であることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一つの請求項に記載の振動素子。
15. 前記振動状態の変化が振動変位であることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一つの請求項に記載の振動素子。

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