JP2007155340A - 微少質量測定用センサ - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、液相試料中での測定に適した、信頼性の高い微少質量測定用センサを提供することである。
【解決手段】
上記の目的を達成する為に本発明は、水晶基板の表面に金属膜を形成して成る水晶振動子を用いた微少質量測定用センサにおいて、ＱＣＭセンサ素子が嵌合されて搭載される凹部をＱＣＭセンサ容器に有し、凹部内側の水平面の内縁部に枠状の接合面を有し、先述の接合面でＱＣＭセンサ素子が気密的に接合され搭載されていることを特徴とし、また、ＱＣＭセンサに搭載されたＱＣＭセンサ素子の露出した電極の端部で、ＱＣＭセンサ素子の裏面に導通する貫通路を有することを特徴とし、また、ＱＣＭセンサ素子の信号出力端が、ＱＣＭセンサ容器の外面に延在されていることを特徴として課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液相試料中での測定に適した、信頼性の高い微少質量測定用センサに関する。

従来からＡＴカットの水晶振動子を使用した微少質量測定用センサ素子（ＱＣＭ Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ センサ素子）は水晶の厚みすべり振動モードを利用している。水晶基板の表面に形成される金属膜材料には、水晶基板との密着性を考慮して、下地材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、チタン（Ｔｉ）など、上地材料としては金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）などが使用されている。このような微少質量測定用センサ素子を溶液中に浸漬させた場合、溶液の抵抗力により先の振動モードが抑制されて微少質量測定用センサ素子として使用することが出来なくなる。そこで溶液の反応を検出しない側の水晶基板の金属膜を気相状態とすることにより溶液中に浸漬しても微少質量測定用センサ素子の振動モードを検出することが可能となる。

水晶基板の片面の金属膜を気相状態に保つには、溶液の進入を防ぐために微少質量測定用センサ素子（以下ＱＣＭセンサ素子と呼ぶ）の全周縁部を接着材などで固定して塞がなければならない。一般的にはＱＣＭセンサ素子の振動モードへの影響を出来うるだけ小さなものとするために、接着応力の小さいシリコン系の絶縁接着材が使用されることが多いが、このシリコン系の接着材を使用する場合において、微少質量測定用センサ（以下ＱＣＭセンサと呼ぶ）を組み立てる作業者の技術の熟練度によっては接着材の塗布量が個々のＱＣＭセンサ素子で大きく異なってしまい、また、ＱＣＭセンサ素子をＱＣＭセンサ容器に正確に水平に固定することも困難であり、いずれの場合も、接着材の塗布量のばらつきのためにＱＣＭセンサ素子の検出の感度を個々に異なったものとし、また、個々のＱＣＭセンサ素子についても僅かな接着材の応力歪によって、結果的にＱＣＭセンサ素子の検出の感度を低下するおそれがあった。

更に、接着材を硬化させる際に接着材から有機物などの副生成物が発生し、極めて微細な反応を検出するためのＱＣＭセンサ素子の表面に、先の副生成物を付着させてしまうおそれもある。具体例をあげれば、特にシリコン系の接着材を使用する場合、副生成物として低分子シロキサンが発生して金属膜表面に付着するおそれがある。一度この低分子シロキサンが金属膜表面に付着すると、ＱＣＭセンサ素子の検出感度を著しく減少させる結果となるおそれがあった。

また、液相での測定に使用するためにＱＣＭセンサとして有機系溶媒の試料溶液中へ浸漬させた場合、シリコン系接着材でＱＣＭセンサ素子がセンサ容器に固定されていると、そのシリコン系接着材が有機系溶媒に触れた箇所から質量、体積ともに約３〜４倍と膨潤し、ＱＣＭセンサ素子に応力が加わり、その結果、ここでもＱＣＭセンサ素子の検出感度を著しく減少させる結果となるおそれがあった。

また、従来の溶液中に浸漬させるタイプの水晶振動子を用いたＱＣＭセンサでは、ＱＣＭセンサ筐体内部でＱＣＭセンサ素子からリード線を引き出し、検出値を計測する計器類に接続しているが、この場合、筐体内でのリード線の接触事故の発生や外来ノイズの影響を受け検出感度を減少させるおそれがあった。

特開１９９４−１８３９４号公報 特開平１１−１４５２５号公報 特開２００１−１５３７７７号公報

なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件出願時までに発見するに至らなかった。

ＱＣＭセンサ素子を、微少質量測定用センサ容器（以下ＱＣＭセンサ容器と呼ぶ）に固定するのに接着材を使用することにより、接着材の副生成物のＱＣＭセンサ素子表面への付着によってＱＣＭセンサ素子の検出感度を個々で不均一なものとし、またその検出感度を著しく減少させてしまうおそれがあるといった問題があった。

また、液相での測定に使用するためにＱＣＭセンサとして有機系溶媒の試料溶液中へ浸漬させた場合、特にシリコン系接着材でＱＣＭセンサ素子がセンサ容器に固定されていると、その接着材が有機系溶媒に触れた箇所から質量、体積ともに膨潤し、ＱＣＭセンサ素子が斜めとなって不均一な応力が加えられた状態で振動し、また、接着材が膨潤して増加した質量に相当する周波数だけ変化して検出され、その結果、ＱＣＭセンサ素子の検出感度を著しく減少させる結果となるおそれがあった。

本発明は、以上のような技術的背景のもとで成されたものであり、従がってその目的は、液相試料中での測定に適した、信頼性の高い微少質量測定用センサを提供することである。

水晶基板の表面に金属膜を形成して成る水晶振動子を用いた微少質量測定用センサにおいて、ＱＣＭセンサ素子が嵌合されて搭載される凹部をＱＣＭセンサ容器に有し、凹部内側の水平面の内縁部に枠状の接合面を有し、先述の接合面でＱＣＭセンサ素子が気密的に接合され搭載されていることを特徴とする。

また、ＱＣＭセンサに搭載されたＱＣＭセンサ素子の露出した電極の端部で、ＱＣＭセンサ素子の裏面に導通する貫通路を有することを特徴とする。

また、ＱＣＭセンサ素子の信号出力端が、ＱＣＭセンサ容器の外面に延在されていることを特徴とする。

本発明のＱＣＭセンサによれば、ＱＣＭセンサ素子の固定に接着材を用いないために、接着材の副生成物がＱＣＭセンサ素子に付着して検出感度を減少させるおそれを全く無くし、取り扱いの容易な、著しく信頼性の高いＱＣＭセンサを得ることが出来る。

また、本発明のＱＣＭセンサによれば、センサ素子の信号出力端が、リード線を用いること無く、ＱＣＭセンサ容器の外面に延在されており、ここでも取り扱いの容易な、著しく信頼性の高いＱＣＭセンサを得ることが出来る。

以下に図面を参照しながら本発明の実施の一形態について説明する。なお、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。

図１は本発明のＱＣＭセンサ３を上面方向からみた概略の上面模式図である。即ち、本発明のＱＣＭセンサ３は、水晶基板の表面１に金属膜２を形成して出来た水晶振動子を用いた微少質量測定用センサ３（ＱＣＭセンサ）であり、微少質量測定用センサ素子４（ＱＣＭセンサ素子）が嵌め込まれて搭載される凹部５をＱＣＭセンサ容器６に有し、この凹部内側の水平面の内縁部に枠状の接合面７を有し、この接合面７においてＱＣＭセンサ素子４が気密的に接合され搭載されている。ＱＣＭセンサ３の内部に載置されるＱＣＭセンサ素子４は、例えば図４にあるような矩形の形状をしており、これは水晶基板に金属膜材料を蒸着法や、スパッタリング装置を用いて金属膜２を水晶基板上に堆積させて製作される。ＱＣＭセンサ容器６とＱＣＭセンサ素子４とは枠状の接合部７において陽極接合、若しくは、直接接合を用いることにより、接着材を使用すること無くＱＣＭセンサ素子４をＱＣＭセンサ容器の凹部５内に固定することが出来る。図４に示されるような枠状の接合面７は、陽極接合に用いられるアルミ二ウムといった金属の接合材料をＱＣＭセンサ素子４の片面の周辺に切れ目なく蒸着などにより堆積させ、このＱＣＭセンサ素子４をＱＣＭセンサ容器６の内部に配置して押さえ付けながら直流電流を流して接合する。図１に示された本発明のＱＣＭセンサ３の構造は、接合に用いられる金属膜と水晶基板上に形成された電極として用いられる金属膜２が互いに電気的に接触することが無い配置構造と成っている。また、ＱＣＭセンサ３に搭載されたＱＣＭセンサ素子４の露出した電極の端部８で、ＱＣＭセンサ素子の裏面９に導通する貫通路１０を有しており、ＱＣＭセンサ素子４の露出した電極の在る面の裏面側において接続端子と導通する構造によって、前述の接合に用いられる金属膜と水晶基板上に形成された電極として用いられる金属膜２が互いに電気的に接触することの無い配置の構造を実現している。なお、ＱＣＭセンサ３に搭載されたＱＣＭセンサ素子４の露出した電極の端部８で、ＱＣＭセンサ素子の裏面９に導通する貫通路１０は、極めて小さな直径を有する貫通孔（ピンホール）に金（Ａｕ）などの導電性の金属を流し込み塞いで形成され、液相中での本発明のＱＣＭセンサ３の使用において、ＱＣＭセンサ素子４の気密される裏面側に液相の試料が入ることは無い。

図２は図１の本発明のＱＣＭセンサ３を、センサ素子４の短片側面方向Ｂ−Ｂ‘位置からみた概略の断面図である。なお、水晶基板の形状や、大きさは多種多様の任意形状のものがあり、この図１はその一例である。したがって、水晶基板が矩形状板では無く方形状板や円形状の場合や、ＱＣＭセンサ容器６の外形形状が多角形形状であっても構わず、これらの場合においても本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでも無い。また、本発明のＱＣＭセンサ３は、センサ素子４の露出した片面を液相状態とし、他の一面を気相状態として使用するのに非常に適した構造を有するが、液相試料中に浸漬して使用せずに両側とも気相状態として使用するＱＣＭセンサ３としても使用に供することが出来る。

図３は図１の本発明のＱＣＭセンサ３を、センサ素子４の長辺側面方向Ａ−Ａ‘位置からみた概略の側面断面図である。この図３にあるように、露出した電極面に触れること無く取り扱える形状となっており、本発明のＱＣＭセンサ３を用いた微少質量測定の作業を非常に容易とするものに成っている。

図４は本発明のＱＣＭセンサ容器６を上面方向からみた概略の上面模式図である。このＱＣＭセンサ容器６に設けられた凹部５にこの図４に書き込まれたＱＣＭセンサ素子４が嵌合して搭載され、ＱＣＭセンサ素子４の信号出力端１１がＱＣＭセンサ容器の内部メタライズ層などで出来た配線を経てＱＣＭセンサ容器の外面１２に延在されている。

図５は従来のＱＣＭセンサ素子４単体を斜め上方向からみた概略の上面斜視図である。なお、水晶基板の形状や、大きさは多種多様の任意形状のものがあり、この図５はその一例である。

本発明のＱＣＭセンサを上面方向からみた概略の上面模式図である。 図１の本発明のＱＣＭセンサを、センサ素子の短片側面方向Ｂ−Ｂ‘位置からみた概略の断面図である。 図１の本発明のＱＣＭセンサを、センサ素子の長辺側面方向Ａ−Ａ‘位置からみた概略の側面断面図である。 図４は本発明のＱＣＭセンサ容器を上面方向からみた概略の上面模式図である。 従来のＱＣＭセンサ素子単体を斜め上方向からみた概略の上面斜視図である。

符号の説明

１ 水晶基板の表面
２ 金属膜
３ 微少質量測定用センサ（ＱＣＭセンサ）
４ 微少質量測定用センサ素子（ＱＣＭセンサ素子）
５ 凹部
６ 微少質量測定用センサ容器（ＱＣＭセンサ容器）
７ 枠状の接合面
８ 露出した電極の端部
９ 微少質量測定用センサ素子の裏面
１０ 貫通路
１１ 信号出力端
１２ 微少質量測定用センサ容器の外面

Claims (3)

1. 水晶基板の表面に金属膜を形成して成る水晶振動子を用いた微少質量測定用センサにおいて、微少質量測定用センサ素子が嵌合されて搭載される凹部を微少質量測定用センサ容器に有し、該凹部内側の水平面の内縁部に枠状の接合面を有し、該接合面で該微少質量測定用センサ素子が気密的に接合され搭載されていることを特徴とする微少質量測定用センサ。
2. 該微少質量測定用センサに搭載された該微少質量測定用センサ素子の露出した電極の端部で、該微少質量測定用センサ素子の裏面に導通する貫通路を有することを特徴とする請求項１に記載の微少質量測定用センサ。
3. 該微少質量測定用センサ素子の信号出力端が、該微少質量測定用センサ容器の外面に延在されていることを特徴とする請求項１に記載の微少質量測定用センサ。

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