JP2007271284A - Qcm sensor element and method of manufacturing same - Google Patents
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本発明は、微少な量の質量変化を共振周波数の減少量によって検出するQCMセンサ素子に関する。 The present invention relates to a QCM sensor element that detects a minute amount of mass change by a decrease amount of a resonance frequency.
従来より、QCM(Quartz Crystal Microbalance)センサ素子は、ラッピング加工された水晶板(図2(a)参照)において、平面視円板形状となる水晶板の外周部分を乾式ベベリング加工により外周部分を傾斜させた形状となっている。つまり、従来のQCMセンサ素子は、厚さが一定となる平坦部と外側に向かうにつれて厚さが薄くなる傾斜部とを備え(図2(b)参照)、この平端部表面の内部側には励振電極(図示せず)が形成されている。これにより、QCMセンサ素子は、この励振電極表面に付着した微少な量の質量変化を素子の共振周波数の減少量によって検出することができるようになっている。
このようなQCMセンサ素子において、例えば、従来から用いられている液相系QCMセンサ素子は、試料液体との摩擦抵抗によりCI(クリスタル・インピーダンス)が大きくなってしまうため、これを防ぐためにその励振部分となる平坦部の表面が鏡面加工されているものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
In such a QCM sensor element, for example, a conventionally used liquid phase QCM sensor element has a large CI (Crystal Impedance) due to frictional resistance with the sample liquid. A surface in which the surface of a flat portion serving as a portion is mirror-finished has been proposed (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、乾式ベベリング加工によって水晶板の外周部分に外側に向かうにつれて厚みが薄くなるようにテーパ(傾斜部)を付けることができるが、この乾式ベベリング加工によって厚さが一定となる平坦部が水晶板同士の衝突により局部的に加工キズを生じさせてしまうことがある。このため、平坦部を鏡面にするためには、ポリッシュ加工を行う際の加工量を多くするか、若しくは、ラッピング加工をした後にポリッシュ加工を行うなど、加工量を多くした研磨処理が必要となる。このとき、両面加工機での上下面の研磨処理で、上面と下面とでアンバランスな加工量となり、QCMセンサ素子全体の対称性が悪くなってしまう(図2(c)参照)。また、QCMセンサ素子全体の対称性が悪くなると、不要な寄生振動が発生してしまう。
また、ベベリング加工された傾斜部は、その後の両面加工機による研磨処理が行われないために粗面となっており、試料液体中で使用する場合に汚れが付着しやすい状態となる。
また、QCMセンサ素子の側面と傾斜部との交わるエッジ部分が立っているので、製造段階でチッピングが生じやすく、長期的に温度サイクルがかかる環境で破損する恐れがある。
However, a taper (inclined part) can be attached to the outer peripheral portion of the quartz plate by the dry beveling process so that the thickness decreases toward the outside. A processing flaw may be caused locally by the collision of each other. For this reason, in order to make the flat portion into a mirror surface, a polishing process with a large processing amount is required, such as increasing the processing amount when performing the polishing process, or performing the polishing process after lapping. . At this time, the polishing process of the upper and lower surfaces by the double-side processing machine results in an unbalanced processing amount between the upper surface and the lower surface, and the symmetry of the entire QCM sensor element is deteriorated (see FIG. 2C). Further, if the symmetry of the entire QCM sensor element is deteriorated, unnecessary parasitic vibration is generated.
In addition, the beveled inclined portion is rough because no subsequent polishing process is performed by the double-sided processing machine, and when used in the sample liquid, the dirt is likely to adhere.
In addition, since the edge portion where the side surface of the QCM sensor element intersects with the inclined portion stands, chipping is likely to occur in the manufacturing stage, and there is a risk of breakage in an environment where a temperature cycle is applied for a long time.
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、裏表の形状の対称性を向上させ、不要な寄生振動の発生を防ぎ、汚れの付着を軽減させ、破損に対する信頼性を向上させるQCMセンサ素子及びQCMセンサ素子の製造方法を提供することを課題とする。 Therefore, in the present invention, a QCM sensor element that solves the above-described problems, improves the symmetry of the shape of the front and back, prevents the occurrence of unnecessary parasitic vibration, reduces the adhesion of dirt, and improves the reliability against breakage, and It is an object to provide a method for manufacturing a QCM sensor element.
前記課題を解決するため、本発明は、QCMセンサ素子であって、乾式ベベリング加工された水晶板の表面が湿式ベベリング加工され、前記水晶板の中央部に励振電極が形成されたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a QCM sensor element, characterized in that a dry beveled quartz plate surface is wet beveled and an excitation electrode is formed at a central portion of the quartz plate. To do.
また、本発明は、QCMセンサ素子の製造方法であって、所定の厚さにラッピング加工された水晶板に乾式ベベリング加工を行う工程と、前記乾式ベベリング後に乾式ベベリング加工された部分を含む前記水晶板の表面を湿式ベベリング加工により鏡面処理を行う工程と、前記水晶板の中央部に励振電極を設ける工程と、を備えて構成されることを特徴とする。 The present invention is also a method for manufacturing a QCM sensor element, wherein the quartz plate includes a step of dry-beveling a quartz plate lapped to a predetermined thickness, and a portion that is dry-beveled after the dry beveling. It is characterized by comprising a step of performing a mirror surface treatment on the surface of the plate by wet beveling and a step of providing an excitation electrode at the center of the quartz plate.
このようなQCMセンサ素子によれば、QCMセンサ素子全体の裏表の形状の対称性を向上させることができるので、不要な寄生振動の発生を防ぐとともに汚れの付着を軽減させることができ、さらに、破損に対する信頼性を向上させることができる。
また、QCMセンサ素子の製造方法によれば、QCMセンサ素子全体の裏表の形状の対称性を向上させることができるので、不要な寄生振動の発生を防ぐとともに汚れの付着を軽減させ、破損に対する信頼性を向上させることができるQCMセンサ素子を製造することができる。
According to such a QCM sensor element, the symmetry of the shape of the back and front of the entire QCM sensor element can be improved, so that unnecessary parasitic vibration can be prevented and the adhesion of dirt can be reduced. Reliability against breakage can be improved.
Further, according to the manufacturing method of the QCM sensor element, the symmetry of the front and back shapes of the entire QCM sensor element can be improved, so that unnecessary parasitic vibration is prevented and the adhesion of dirt is reduced, and the reliability against damage is reduced. A QCM sensor element capable of improving the performance can be manufactured.
次に、本発明を実施するための最良の形態(以下、「実施形態」という。)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図1(a)はラッピング加工後の水晶板の形状の一例を示す断面図であり、(b)は乾式ベベリング加工後の水晶板の形状の一例を示す断面図であり、(c)は湿式ベベリング加工後の水晶板の形状の一例を示す断面図であり、(d)は本発明の実施形態に係るQCMセンサ素子の一例を示す断面図である。
Next, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
1A is a cross-sectional view showing an example of the shape of a quartz plate after lapping, FIG. 1B is a cross-sectional view showing an example of the shape of a quartz plate after dry beveling, and FIG. It is sectional drawing which shows an example of the shape of the quartz plate after a beveling process, (d) is sectional drawing which shows an example of the QCM sensor element which concerns on embodiment of this invention.
図1(d)に示すように、本発明の実施形態に係るQCMセンサ素子10は、水晶板2とこの水晶板2を挟む2つ一対の励振電極3と、から構成されている。
As shown in FIG. 1 (d), the QCM sensor element 10 according to the embodiment of the present invention includes a
水晶板2は、外側に向かうにつれて厚さが薄くなる傾斜部21(図1(b)参照)と厚さが一定となる平坦部22とから構成される。
この水晶板2は、まず、所定のカットアングルでカットされた後に所定の厚さとなるようにラッピング加工が施されたウェハから円盤状(図1(a)参照)に形成される。
そして、この水晶板2は、外周部分に対して乾式ベベリング加工が行われて、外側に向かうにつれて厚さが薄くなる傾斜部21が形成される(図1(b)参照)。
この傾斜部21は、裏表の傾斜の形状が対称となるように形成されるので、QCMセンサ素子10の裏表の形状の対称性が良好になる。
The
The
The
Since the
また、乾式ベベリング加工とは、金属製ベベリング容器内に研磨材(例えば、GC(GreenSilicon Carbide)#800)と圧電素板(水晶板2)とを入れて、金属製ベベリング容器を回転させることで研磨剤により圧電素板の端部(外周部分)を削り、傾斜部21を形成する加工をいう。この乾式ベベリング加工では、形成される傾斜部21の表面が所定の研磨剤等により粗面(透明の部材が曇る程度)となる。
The dry beveling process is performed by putting an abrasive (for example, GC (Green Silicon Carbide) # 800) and a piezoelectric element plate (crystal plate 2) in a metal beveling container and rotating the metal beveling container. This refers to a process in which the end (outer peripheral portion) of the piezoelectric element plate is cut with an abrasive to form the
さらに、傾斜部21の裏表の表面と平坦部22の裏表の表面とに対して湿式ベベリング加工が行われ、傾斜部21の裏表の表面と平坦部22の裏表の表面とが鏡面となる。これにより、傾斜部21とQCMセンサ素子10の側面とのエッジ部が曲面となるように丸く削られる(図1(c)参照)。
Further, wet beveling is performed on the front and back surfaces of the
湿式ベベリング加工とは、水などの溶液中に加工対象となる圧電素板(水晶板2)、研磨材(例えば、粒径が0.9μmの酸化セリウム)、メディア(例えば、水晶板2より小さい不定形のも)などを加工容器に入れて行う加工をいう。 The wet beveling process is a piezoelectric element plate (crystal plate 2) to be processed in a solution such as water, an abrasive (for example, cerium oxide having a particle size of 0.9 μm), a medium (for example, smaller than the crystal plate 2). This refers to processing performed by placing an irregular shape) in a processing container.
例えば、前記条件(研磨材(例えば、粒径が0.9μmの酸化セリウム)、メディア(例えば、水晶板2より小さい不定形のも)において、水晶板2に対して湿式ベベリング加工を行うと、水の中に含まれるメディアと研磨剤とが水晶板2に接触しつつも水の中を動くので、水晶板2の傾斜部21の裏表の表面と平坦部22の裏表の表面とに均一に接触し、水晶板2の傾斜部21の裏表の表面と平坦部22の裏表の表面とを鏡面とすることができる。
For example, when wet beveling is performed on the
このように、水晶板2は、平面視円形状であって、外側に向かうにつれて薄くなる傾斜部21と一定の厚さとなる平坦部22とからなり、傾斜部21の裏表の表面と平坦部22の裏表の表面とが鏡面となっている。
Thus, the
励振電極3は、従来周知の蒸着法により表面が鏡面となった平坦部22表面の内部側に設けられる(図1(d)参照)。つまり、平坦部22の直径より小さい直径で励振電極3が形成される。この励振電極3は、裏表対称となるようにずれることなく平坦部22に設けられる。
The excitation electrode 3 is provided on the inner side of the surface of the
なお、平坦部22に励振電極3を設ける前に、この平坦部22の裏表の表面をポリッシュ加工してもよい。これにより、振動する部分である平坦部22の平坦精度が向上されて、周波数のばらつきを改善することができる。
Note that the front and back surfaces of the
このように本発明のQCMセンサ素子を構成したことにより、乾式ベベリング加工をした後に湿式ベベリング加工をしたので、平坦部22の裏表の表面の加工量が均一となることによりQCMセンサ素子10全体の対称性を向上させることができる。また、QCMセンサ素子10全体の対称性が向上するので、不要な寄生振動の発生を防ぐことができるので、安定した振動特性を得ることができる。また、乾式ベベリング加工した傾斜部21が鏡面となることにより汚れの付着を軽減させることができる。
Since the QCM sensor element of the present invention is configured as described above, the wet beveling process is performed after the dry beveling process. Therefore, the processing amount of the front and back surfaces of the
さらに、湿式ベベリング加工では、水が緩衝材として機能するため、水晶板2どうしが接触する際の勢いが緩和されるため、水晶板2の表面にキズやチッピングが発生しにくく、破損に対する信頼性を向上させることができる。
Further, in the wet beveling process, since water functions as a cushioning material, the momentum when the
次に、本発明の実施形態に係るQCMセンサ素子の製造方法について説明する。
初めの工程として、所定の厚さにラッピング加工された水晶板2(図1(a)参照)の外周部分に対して乾式ベベリング加工を行う。この乾式ベベリング加工の後の水晶板2の状態は、乾式ベベリング加工によって形成された傾斜部21(図1(b)参照)の裏表の表面は粗面となっている。そして、次の工程として、この粗面となる傾斜部21の裏表の表面と平坦部22の裏表の表面とに対して湿式ベベリング加工を行う。つまり、乾式ベベリング後に乾式ベベリング加工された部分(傾斜部21)を含む水晶板2の裏表の表面に対して湿式ベベリング加工を行う。これにより水晶板2の裏表の表面が鏡面処理された状態となり、また、水晶板2のエッジ部が丸く形成される(図1(c)参照)。この状態において、次の工程として、水晶板2の中央部(平坦部22)に励振電極3を設ける(図1(d)参照)。
Next, a method for manufacturing the QCM sensor element according to the embodiment of the present invention will be described.
As an initial step, dry beveling is performed on the outer peripheral portion of the quartz plate 2 (see FIG. 1A) lapped to a predetermined thickness. In the state of the
このようにしてQCMセンサ素子10を製造するので、湿式ベベリング加工の際に、水に含まれた研磨剤とメディアとにより水晶板2の平坦部22と傾斜部21とに均一に接触するので、平坦部22の裏表の表面と傾斜部21の裏表の表面とが同時に研磨されることとなり、いずれも良好な鏡面とすることができ、また、裏表の形状の対称性が良い水晶板2とすることができる。
また、湿式ベベリング加工の際に、水が緩衝材となって水晶板2どうしの接触の勢いを緩和することができるので、接触時にキズやチッピングを起こしにくくすることができる。
Since the QCM sensor element 10 is manufactured in this manner, the
In addition, during the wet beveling process, water becomes a buffer material and the momentum of contact between the
10 QCMセンサ素子
2 水晶板
21 傾斜部
22 平坦部
3 励振電極
10
Claims (2)
前記乾式ベベリング後に乾式ベベリング加工された部分を含む前記水晶板の表面を湿式ベベリング加工により鏡面処理を行う工程と、
前記水晶板の中央部に励振電極を設ける工程と、
を備えて構成されることを特徴とするQCMセンサ素子の製造方法。 A process of dry beveling a quartz plate lapped to a predetermined thickness;
Performing a mirror surface treatment by wet beveling on the surface of the quartz plate including the dry beveled portion after the dry beveling; and
Providing an excitation electrode in the center of the quartz plate;
A method of manufacturing a QCM sensor element, comprising:
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