JP2008215993A

JP2008215993A - 圧電振動子

Info

Publication number: JP2008215993A
Application number: JP2007052700A
Authority: JP
Inventors: Takashi Abe; 隆安部; Yasuhisa Fujii; 泰久藤井; Naoya Ichimura; 直也市村
Original assignee: Tohoku University NUC; Kansai Research Institute KRI Inc
Current assignee: Tohoku University NUC; Kansai Research Institute KRI Inc
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: JP5065709B2

Abstract

【課題】優れたＱ値およびコンダクタンス値を有する圧電振動子を提供すること。
【解決手段】本発明の圧電振動子は、圧電基板と、該圧電基板の表面に設けられた少なくとも一対の励振電極と、該圧電基板の裏面に設けられた導電性膜とを備え、該圧電基板が表面側に凸な厚肉部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子に関する。より詳細には、本発明は、エネルギー閉じ込め圧電振動子に関する。

圧電基板の厚み方向に分極し、圧電基板の表面に振動用電極を有するエネルギー閉じ込め圧電振動子は、圧電基板の表面付近に電界が集中する。そこで、電界を厚み方向にも発生させて電界分布を調整制御することを目的として、当該圧電基板の裏面に浮遊電極が設けられた圧電振動子が提案されている（特許文献１参照）。

しかし、上記圧電振動子は、圧電振動子に要求される特性であるＱ値、コンダクタンス値が不十分であるという問題がある。
特開２０００−６５５７８号公報

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、優れたＱ値およびコンダクタンス値を有する圧電振動子を提供することである。

本発明の圧電振動子は、圧電基板と、該圧電基板の表面に設けられた少なくとも一対の励振電極と、該圧電基板の裏面に設けられた導電性膜とを備え、該導電性膜が感応膜として機能する。

好ましい実施形態においては、上記圧電基板が表面側に凸な厚肉部を有する。

本発明の別の実施形態における圧電振動子は、圧電基板と、該圧電基板の表面に設けられた少なくとも一対の励振電極と、該圧電基板の裏面に設けられた導電性膜とを備え、該圧電基板が表面側に凸な厚肉部を有する。

好ましい実施形態においては、上記励振電極が、上記厚肉部の少なくとも一部を覆うように設けられている。

好ましい実施形態においては、上記厚肉部がレンズ形状を有する。

好ましい実施形態においては、上記圧電基板が形状の異なる厚肉部を同時に有する。

好ましい実施形態においては、上記導電性膜が、上記励振電極と対向する位置に設けられている。

好ましい実施形態においては、形状の異なる導電性膜を同時に有する。

好ましい実施形態においては、上記励振電極の間隔が上記圧電基板の厚みの１〜３倍である。

本発明の別の局面においては、センサが提供される。このセンサは上記圧電振動子を備える。

本発明によれば、優れたＱ値およびコンダクタンス値を有する圧電振動子を提供し得る。このような効果は、小型化（具体的には励振電極の間隔が圧電基板の厚みの１〜３倍）することで、顕著となり得る。その結果、特に、本発明の圧電振動子は、微量での検知が要求されるバイオセンサ、バイオチップ等に好適に利用され得る。具体的には、微量の液体の流れを検知し得、微量の液中のバイオ物質や細胞を検出し得る。
プラズモンや蛍光など光を利用する公知のバイオ物質の検出法は、装置の小型化が難しく、高価であるが、本発明の圧電振動子の導電性膜を適切な構成とすることにより、電気特性や共振振動特性を指標としたバイオセンサを低廉、簡便に提供し得る。本発明の圧電振動子をセンサとして用いた場合、複数の対象を同時に検知し得る。その結果、検出時間を短縮し得、検出コストを低廉し得る。また、個人の健康・体調や療養経過のモニタリングを容易に行い得る。さらに、小型化が可能であることから、装着、埋め込みまたは内服型の検知装置やセンサデバイスを容易に構築し得る。その結果、検査負担の少ない治療・看護・健康ケア・介護ケアが実現し得る。また、携帯性に優れ得、環境中の種々の物質の計測を、現場で簡便、連続的に行い得る。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。

図１（ａ）は、本発明の好ましい実施形態による圧電振動子１００の平面図であり、（ｂ）は圧電振動子１００の底面図であり、（ｃ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。圧電振動子１００は、圧電基板１０と、圧電基板１０の表面に並設された励振電極２０，２０と、圧電基板１０の裏面に設けられた導電性膜３０，３０とを備える。圧電基板１０は表面側に凸な厚肉部１０ａ，１０ａを有している。このように、厚肉部を設けることにより、高いＱ値およびコンダクタンス値を有する圧電振動子が得られ得る。励振電極２０は電極２０ａと電極２０ｂとで対をなしている。励振電極２０は、厚肉部１０ａの少なくとも一部を覆うようにして設けられている。このような構成とすることにより、さらに高いＱ値およびコンダクタンス値が得られ得る。導電性膜３０は、励振電極２０と対向する位置に設けられている。このような構成とすることにより、振動エネルギーが増大し得る。その結果、当該圧電振動子をセンサとして用いた場合、高感度化を実現し得る。

圧電基板１０の厚みは、好ましくは０．１〜１０００μｍ、さらに好ましくは１〜１０００μｍである。本発明の圧電振動子は、このような範囲において、顕著にＱ値およびコンダクタンス値が向上し得る。厚肉部１０ａは、任意の適切な形状に設計され得る。図示例では、厚肉部１０ａはレンズ形状を有している。すなわち、厚肉部１０ａの断面は半円状もしくは円弧状である。このような形状とすることにより、さらに高いＱ値およびコンダクタンス値が得られ得る。他の具体例としては、図２（ａ）に示すような断面が台形状、図２（ｂ）および（ｃ）に示すような矩形状（いわゆる、メサ型、逆メサ型）等が挙げられる。別の好ましい実施形態は、図２（ｃ）において、励振電極２０の電極２０ａを一方の厚肉部１０ａの少なくとも一部を覆うようにして設け、他方の電極２０ｂを他方の厚肉部１０ａの少なくとも一部を覆うようにして設けられる。すなわち、一対の励振電極が隣接する厚肉部に並設される。このような構成とすることにより、共振周波数が向上し得、センサとして用いた場合、感度が向上し得る。また、後述のクロストークを低減し得る。厚肉部１０ａの厚みは、好ましくは０．００３〜３０μｍ、さらに好ましくは０．０３〜３０μｍである。

図示例では、圧電基板１０は励振電極２０を複数有している。この場合、圧電基板内に振動部が複数存在し得る。その結果、例えば、当該圧電振動子をセンサとして用いた場合、同時に複数の対象（化合物、分子）を検知し得る。また、導電性膜の構成を適宜選択することにより、当該導電性膜との親和性の違い（例えば、非特異吸着）を評価し得る。また、好ましくは、圧電基板は、形状の異なる厚肉部を同時に有する。具体例としては、各厚肉部の厚みが異なる態様、レンズ形状の厚肉部と断面が矩形状の厚肉部とが混在している態様等が挙げられる。このような構成とすることにより、各振動部の共振周波数が異なり、共存する他の振動部から受ける影響を低減し得る（いわゆる、クロストークを低減し得る）。また、当該圧電振動子をセンサとして用いた場合、各振動部（厚肉部）が異なる感度を示し得る。

圧電基板１０は、任意の適切な圧電材料で形成され得る。例えば、水晶等や、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、チタン酸バリウム、ランガサイト等のセラミックス等が挙げられる。

励振電極２０の間隔（電極２０ａと電極２０ｂとの間隔）は、好ましくは上記圧電基板の厚みの１〜３倍であり、さらに好ましくは１．２〜２．５倍である。具体的には、励振電極２０の間隔は、好ましくは０．１〜３０００μｍ、さらに好ましくは１〜３０００μｍである。励振電極の間隔をこのような範囲にすることにより、顕著にＱ値およびコンダクタンス値が向上し得る。その結果、小型化、集積化を達成し得る。また、圧電基板の水平方向だけでなく垂直方向においても優れたコンダクタンス値が得られ得る。励振電極２０の厚みは、好ましくは０．００１〜１μｍ、さらに好ましくは０．０１〜１μｍである。励振電極２０は、任意の適切な導電性材料で形成され得る。導電性材料としては、例えば、金、白金、チタン、クロム、アルミニウム、ニッケル、ニッケル系合金、銀等の金属；シリコン；カーボン；カーボンナノチューブ；ポリピロール、ポリアニリン等の合成有機高分子等が挙げられる。

図示例では、略円形状の導電性膜３０が設けられているが、導電性膜３０は任意の適切な形状に設計され得る。例えば、略矩形状等である。導電性膜３０の厚みは、好ましくは０．００１〜１μｍである。

図示例では、励振電極２０（振動部）各々に対応して、導電性膜３０が複数設けられている。好ましくは、圧電基板は、形状の異なる導電性膜を同時に有する。具体例としては、各導電性膜の形状が異なる態様、各導電性膜の厚みが異なる態様等が挙げられる。このような構成とすることにより、各振動部の共振周波数が異なり、共存する他の振動部から受ける影響を低減し得る（いわゆる、クロストークを低減し得る）。また、例えば、当該圧電振動子をセンサとして用いた場合、各振動部が異なる感度を示し得る。なお、このような効果は、各励振電極２０の形状や励起電極２０の間隔等を変化させることによっても得られ得る。

導電性膜３０は、任意の適切な導電性材料で形成され得る。導電性膜３０を形成する導電性材料としては、例えば、上記励振電極と同様の導電性材料、導電性高分子等を採用し得る。導電性高分子としては、上記の合成有機高分子以外に、ＤＮＡ等の生体由来の有機高分子等を採用し得る。導電性膜３０は感応膜として機能し得る。この場合、本発明の圧電振動子は、検出対象の電荷状態に敏感に反応し得るセンサとなり得る。導電性膜３０は、導電性材料と他の成分を含み得る。他の成分は、例えば、検出対象等に応じて、任意の適切な材料を採用し得る。具体的には、検出対象が低分子化学物質や金属等のイオン性物質等の場合（化学センサの場合）、導電性膜３０は、サイクロデキストリン等の包摂化合物、イオン応答性高分子、キレート化合物等を含み得る。また、検出対象が核酸、タンパク質、糖、ホルモン、ペプチド等の生体物質；微生物；ウィルス；細胞等の場合（バイオセンサの場合）、導電性膜３０は、核酸；ＤＮＡオリゴマー、ＲＮＡオリゴマー等の合成核酸；抗体；ペプチド；酵素；受容体等を含み得る。このような導電性膜３０の構成成分と検出対象との相互作用により、インピーダンス、容量等の電気的特性や、密度、弾性定数等の物理的特性が変化し得る。その結果、導電性膜は感応膜として機能し得る。なお、導電性膜３０は、任意成分をさらに含み得る。当該成分としては、例えば、シリカが挙げられる。シリカは保水性に優れ得、前記生体物質の劣化を抑制し得る。また、導電性膜３０は、導電性材料と他の成分との混合物で形成された単一層であってもよいし、導電性材料で形成された層と他の成分で形成された層との積層体であってもよい。

導電性膜３０を形成する導電性材料としては、好ましくは金、白金、銀、クロム等が用いられる。検出対象の電荷状態にさらに敏感に反応可能なセンサを提供し得るからである。また、これらは、分子修飾が容易あり、上記他の成分と良好に吸着または結合し得るからである。導電性膜が導電性材料で形成された層と他の成分で形成された層との積層体である場合、導電性膜が導電性材料で形成された層（金属膜）の厚みは、好ましくは０．００１〜１μｍ、さらに好ましくは０．０１〜１μｍである。

本発明の圧電振動子の作製方法は、任意の適切な方法を採用し得る。代表的には、圧電基板１０に（厚肉部を有する場合、予め厚肉部１０ａを形成した後に）、励振電極２０および導電性膜３０（必要に応じて金属膜）を形成することにより作製される。

厚肉部１０ａの形成方法は、任意の適切な方法を採用し得る。例えば、圧電基板に、エッチング、機械研磨等の加工を施す方法（例えば、特開２００３−１６８９４１号公報）、圧電基板表面にホトレジストを塗布し、露光・現像または加熱して所望の形状を形成（パターニング）した後、エッチングを行う方法等が挙げられる（例えば、特開２００４−３４９３６５号公報）。

上記ホトレジストとしては、任意の適切なホトレジストを採用し得る。代表的には、ナフトキノンアジドを含む。また、市販品を用い得る。市販品としては、好ましくは、ＡＺＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ製のＡＺ、東京応化工業株式会社製のＯＦＰＲ等が挙げられる。ホトレジストのパターニング方法としては、任意の適切な方法を採用し得る。例えば、上記レンズ形状の厚肉部を形成する場合、圧電基板上に円形状にホトレジストを塗布した後、当該ホトレジストの粘度を低下させる方法が採用される。ホトレジストの粘度を低下させる方法としては、加熱、窒素等の気体でホトレジストの溶剤蒸気を希釈してリフローさせる方法等を用い得る。リフローさせる場合、好ましくは、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）等の撥油材をホトレジストの周辺部を被覆する。オーバーフローを避けるためである。また、好ましくは、ホトレジストを下方に向けた状態でリフローを行う。重力による変形を避けるためである。エッチングによる加工条件としては、任意の適切な条件を採用し得る。加工ガスとしては、例えば、ＳＦ_６、Ｃ_４Ｆ_８、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガスが用いられる。これらは単独で、または二種以上組み合わせて用い得る。Ｃ_４Ｆ_８とＳＦ_６の混合ガスを用いた場合、エッチング後において、パターニング形状がほぼそのまま反映され得る。

励振電極２０は、好ましくは、導電パターンである。導電パターンの形成方法としては、パターン印刷法、レジスト法、スパッタ法や真空蒸着法などの物理蒸着法（ＰＶＤ法）、スクリーン印刷法、エレクトロスプレー法、インクジェット法、キャスト法、吸着法、無電解めっき法、イオンプレーティング法等を採用し得る。導電性膜３０の形成方法としては、上記導電パターンの形成方法と同様の方法を採用し得る。導電性膜３０が感応膜として機能し得る場合、上記導電性材料および他の成分との混合物をキャストする方法、予め導電性材料で層を形成した後に他の成分を堆積させる方法（交互吸着堆積法）等が挙げられる。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
（圧電基板の作製）
厚み１００μｍのＡＴカット水晶板に、ポジ型ホトレジスト（商品名：ＡＺＰ４６２０、ＡＺＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ製）を、後述の電極サイズ（直径１ｍｍ）よりも少し広い範囲に、厚み７μｍで円形状にパターニングした。その後、ホトレジストの溶剤蒸気を窒素で希釈してレジストパターンにさらすことでリフローさせて、表面張力によりレンズ形状とした。その際、重力の影響を受けないように、レジストパターンを下方に向けた状態でリフローを行った。また、オーバーフローを避けるため、撥油材（商品名ＯＡＰ、東京応化工業株式会社製）で、レジストパターンの周辺部を被覆した。その後、２００℃まで段階的に加熱してレジストパターンを硬化させて、反応性イオンエッチングを行った。その際、加工ガスにはＳＦ_６とＸｅとの混合ガスを用い、加工時の圧力は０．２Ｐａであり、バイアス圧力は３９０Ｖであった。このようにして、直径２ｍｍ、厚み５μｍのレンズ形状の厚肉部を形成した。

（励振電極の形成）
上記で得られた圧電基板の表面に、スパッタ法で金を蒸着させた。その後、レンズ形状の厚肉部の中央部に、図１に示すような励振電極が得られるように、アライメントを行い湿式エッチングによりパターニングした。このようにして、電極の間隔２００μｍ、直径１ｍｍ、厚み０．１μｍの励振電極を形成した。

（導電性膜の形成）
図１に示すように、圧電基板の裏面の励振電極と対向する部分に、スパッタ法で金を蒸着させた（直径１ｍｍ、厚み０．１μｍ）。次に、当該金の薄膜表面をピラニア液で洗浄した後に、さらに蒸留水で洗浄した。その後、末端にＳＨ基を有するＤＮＡオリゴマーの水溶液（濃度１０μＭ）を金の薄膜表面に滴下した。その後、末端にＳＨ基を有するリンカーを有するＤＮＡオリゴマーの水溶液（濃度５ｍＭ）に浸漬して、室温で５時間インキュベートした。その後、蒸留水で金の薄膜表面を洗浄して、金の薄膜の表面にＤＮＡ層を形成した（金と硫黄が結合）。このようにして圧電振動子を得た。

［比較例１］
圧電基板に厚肉部を設けなかったこと以外は実施例１と同様にして、圧電振動子を得た。

上記で得られた圧電振動子について、コンダクタンススペクトル（水平方向）およびＱ値を測定した。測定条件は、以下の通りである。実施例１の結果を図３（ａ）に、比較例１の結果を図３（ｂ）に示す。
（測定条件）
室温下で、インピーダンスアナライザー（インピーダンスアナライザーＥ４９９１Ａ、アジレント製）で測定を行った。なお、バイアスは０．５Ｖとし、図３は積算なしのデータである。

図３から、厚肉部を設けることにより、Ｑ値およびコンダクタンス値が向上した。励振電極の間隔が２００μｍである小型の圧電振動子において、このような顕著な効果が確認された。したがって、本発明の圧電振動子は、小型化、集積化が望まれる携帯電話、モバイルゲーム機、医療機器等に特に好適に利用され得る。

［実施例２］
厚肉部の直径２．５ｍｍとし、厚肉部の厚みを４μｍとし、励振電極の直径２．５ｍｍとし、電極の間隔を１００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして圧電振動子を得た。

［実施例３］
厚肉部の直径２．５ｍｍとし、厚肉部の厚みを４μｍとし、励振電極の直径２．５ｍｍとし、電極の間隔を１５０μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして圧電振動子を得た。

［実施例４］
厚肉部の直径２．５ｍｍとし、厚肉部の厚みを４μｍとし、励振電極の直径２．５ｍｍとし、電極の間隔を２００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして圧電振動子を得た。

［実施例５］
厚肉部の直径２．５ｍｍとし、厚肉部の厚みを４μｍとし、励振電極の直径２．５ｍｍとし、電極の間隔を３００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして圧電振動子を得た。

実施例２〜５で得られた圧電振動子の水平方向および垂直方向におけるコンダクタンス値を測定した。測定条件は、以下の通りである。測定結果を図４に示す。
（測定条件）
室温下で、インピーダンスアナライザー（インピーダンスアナライザーＥ４９９１Ａ、アジレント製）で測定を行った。なお、バイアスは０．５Ｖとした。

図４から、水平方向だけでなく垂直方向にも優れたコンダクタンス値が得られた。振動モードの駆動が生じていることがわかる。特に実施例３および実施例４では両方向において優れたコンダクタンス値を示した。

本発明の圧電振動子は、センサ、アクチュエータ等に好適に利用され得る。特に、本発明の圧電振動子は、小型化、集積化が可能であることから、微量での検知が要求されるバイオセンサ、バイオチップ等に好適に利用され得る。また、機械装置、ロボット等の力、磁力や薄膜の応力等のカンチレバー型の力を検知するセンサとしても利用され得る。

（ａ）は本発明の好ましい実施形態による圧電振動子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す圧電振動子の底面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。本発明の別の好ましい実施形態による圧電基板の断面図である。（ａ）は本発明の実施例１のコンダクタンススペクトルの測定結果であり、（ｂ）は比較例１のコンダクタンススペクトルの測定結果である。本発明の実施例２〜５のコンダクタンス値の測定結果である。

符号の説明

１０圧電基板
２０励振電極
３０導電性膜
１００圧電振動子

Claims

圧電基板と、
該圧電基板の表面に設けられた少なくとも一対の励振電極と、
該圧電基板の裏面に設けられた導電性膜とを備え、
該導電性膜が感応膜として機能する、圧電振動子。
前記圧電基板が表面側に凸な厚肉部を有する、請求項１に記載の圧電振動子。
圧電基板と、
該圧電基板の表面に設けられた少なくとも一対の励振電極と、
該圧電基板の裏面に設けられた導電性膜とを備え、
該圧電基板が表面側に凸な厚肉部を有する、圧電振動子。
前記励振電極が、前記厚肉部の少なくとも一部を覆うように設けられている、請求項２または３に記載の圧電振動子。
前記厚肉部がレンズ形状を有する、請求項２から４のいずれかに記載の圧電振動子。
前記圧電基板が形状の異なる厚肉部を同時に有する、請求項２から５のいずれかに記載の圧電振動子。
前記導電性膜が、前記励振電極と対向する位置に設けられている、請求項１から６のいずれかに記載の圧電振動子。
形状の異なる導電性膜を同時に有する、請求項１から７のいずれかに記載の圧電振動子。
前記励振電極の間隔が前記圧電基板の厚みの１〜３倍である、請求項１から８のいずれかに記載の圧電振動子。
請求項１から９のいずれかに記載の圧電振動子を備える、センサ。