JP2008241539A

JP2008241539A - Ｑｃｍセンサー

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Publication number: JP2008241539A
Application number: JP2007084162A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Nozaki; 孝明野崎
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】圧電振動子の共振周波数の変化から当該圧電振動子表面への物質の吸着量を検出するＱＣＭセンサーにおいて、センサーあるいはバッファー溶液の温度変化や、その他さまざまな原因によってもたらされる圧電振動子の変形および、その結果もたらされる周波数ドリフトを低減することにある。
【解決手段】圧電振動子の電極とセンサー基板側接続電極との電気的接続に通常用いる導電性接着剤を用いずに、両電極間に微小な隙間を設けてコンデンサーを形成し、交流的に電気的接続を保った状態で柔らかい接着剤だけを用いて圧電振動子をセンサー基板上に固定および防水する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体、食品、土壌等の分析対象試料に含有される測定対象物を測定するためのＱＣＭセンサーに関する。

近年、検査方法の迅速化、多様化または環境分野、食品分野の検査の流れから、被検者あるいは対象物の近傍で試料の採取から測定結果の出力までを行うポイントオブケアテスティング（ＰＯＣＴ）が盛んになってきており、ＰＯＣＴに対応可能な簡便で高感度なセンサーの開発が望まれている。診断検査の領域では、鳥インフルエンザなどのウイルス感染症の大量発生が危惧されており、医療機関だけではなく、学校や会社の診察室、空港におけるＰＯＣＴ装置を用いた迅速な検査と、素早い初期対応が感染拡大を防ぐと考えられる。

インフルエンザ感染を検査する場合、生体から採取した咽頭ぬぐい液に含まれるインフルエンザウイルスを２００ｐｆｕ（プラーク形成単位）程度の感度で検出する必要がある。この感度はウイルスに含まれる核タンパクの質量感度に換算すると、およそ１００ｐｇ／ｍＬ程度に相当し、非常に高い検出感度が要求される。

従来、ウイルス感染症の検査にはイムノクロマト法が用いられてきた。イムノクロマト法は検査紙上で免疫反応と酵素反応あるいは呈色反応を組み合わせた方法であり、液体試料を添加するだけの簡便な操作で高感度が得られるが、検査結果の判定を目視で行うため、誤診断を生じやすく、定量表示可能な方法が求められている。

定量性があり、しかも高感度な測定法としてはＥＬＩＳＡ法があるが、光源やフィルター、光検出器などの光学系が必要となり、ＰＯＣＴ装置としては大型、高価で操作も複雑である。ＳＭＢＧ（ＳｅｌｆＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆＢｌｏｏｄＧｌｕｃｏｓｅ、自己血糖管理）装置は自己採血した微量血液からグルコース濃度を酵素電極法で測定するもので、ＰＯＣＴ装置として簡便で定量性があるが、感度が不足である。

ＱＣＭ法は、水晶振動子等の圧電振動子を用いて液体試料中の生体分子、例えばタンパク質やウイルス、細菌などを定量的に分析する方法であり、水晶振動子の電極表面に抗原−抗体間の相互作用や相補的核酸間の相互作用を利用して目的物質を特異的に結合させ、結合に伴う質量変化を圧電振動子の振動数の変化として捉える方法である。例えば水晶振動子上に固定化したプロテインＡを用いて試料中のＩｇＧを検出する方法や、水晶振動子上に固定化したプローブＤＮＡを用いて試料中の標的核酸を検出する方法等が報告されている（例えば、特許文献１を参照）。

ＱＣＭセンサーは、水晶振動子を基板等に実装して配線を引き出しただけのシンプルな構造であり、測定回路も、水晶振動子の共振周波数を測定するための電子回路のみで構成することが出来ることから、酵素電極法の簡便さと、イムノクロマト法の高感度と、ＥＬＩＳＡ法の定量性とが同時に得られ、ＰＯＣＴ用の高感度定量検出法としてきわめて有望と考えられる。
特開平７−７２０５９号公報（請求項１）

本発明の課題はＱＣＭを現状より更に高感度化することにある。高感度化により感染初期での検出が可能となり、また、試料採取に関し、従来用いられる鼻腔ぬぐい液や鼻腔吸引液、咽頭ぬぐい液に比較して患者への負担が少ない「うがい液」や「唾液」での測定が可能となる。

最初に、従来のＱＣＭセンサーを説明してから本発明が解決しようとする課題を明らかにする。

図１５は従来の圧電振動子の構造を示す図である。圧電振動子１は圧電基板２の表面（図面上で上面）および裏面（図面上で下面）に１対の駆動用の電極として表電極３と裏電極４を設けてある。それぞれの電極が圧電基板２を挟んで対向する領域が実際に圧電基板が振動する領域であり、電極のこの部分を振動部と呼ぶ。図中では、表電極３の振動部を表電極振動部３Ａで、裏電極４の振動部を裏電極振動部４Ａでそれぞれ示してある。表電極３および裏電極４を外部回路と電気的に接続するための部分が表電極接続部３Ｃおよび裏電極接続部４Ｃである。表電極振動部３Ａは表電極引き出し部３Ｂにより圧電基板１の側面を経由して裏面に配置された表電極接続部３Ｃに接続されている。裏電極振動部４Ａは裏電極引き出し部４Ｂにより同じく裏面に配置された裏面電極接続部４Ｃと接続されている。表電極３および裏電極４は蒸着法あるいはスパッタリング法などで形成される。電極材料には、安定性および機能膜の形成し易さから金が使われることが多い
図１６は従来のＱＣＭセンサーの構造を示す図である。ＱＣＭセンサーは圧電振動子１をセンサー基板７上に固定用の接着剤１４をもちいて固定したものである。接着剤１４は圧電振動子１の固定と同時に、圧電振動子１とセンサー基板７の間に液体が進入して表電極３と裏電極４が電気的にショートするのを防ぐシールの役目を兼ねている。表電極３および表電極４は、それぞれ表電極振動部３Ａおよび裏電極振動部４Ａから表電極引き出し部３Ｂおよび裏電極引き出し部４Ｂを経由して圧電基板２の裏面に設けた表電極接続部３Ｃおよび裏電極接続部４Ｃに導かれ、導電接着剤１０１を介してそれぞれセンサー基板側接続電極８および９と接続されている。裏電極４とセンサー基板７との間隔は、センサー基板側接続電極８および９と導電接着剤１０１の高さで規定されている。センサー基板側接続電極８および９はスルーホール１０および１１を経由して引き出し配線１２および１３へ接続され、外部回路と接続する。基板に設けた穴１５は固定用の接着剤１４と導電接着剤１０１が硬化する時に発生する反応ガスを逃がすためのもので接着剤が硬化した後、防水のためにテープあるいは接着剤等で塞ぐ。

次に、ＱＣＭセンサーを用いた測定方法を説明する。圧電振動子の共振周波数の測定には通常、水晶発振回路に圧電振動子を発振させ、その周波数をカウンターで測定する方法を用いる。圧電振動子の表電極には試料溶液中の目的物質を特異的に吸着させるためのセンサー膜として抗体やタンパク質などの機能膜を予め形成しておく。測定は、バッファー溶液で満たした反応容器内にＱＣＭセンサーを投入し、ＱＣＭセンサーの周波数が安定してから、目的物質を含む試料溶液をピペット等で少量、反応容器内に添加し、その際の周波数変化から、目的物質の反応量を求める。

以上に説明したＱＣＭセンサーおよび測定法において、感度を制限している要因を調べ、それを取り除くことで高感度化を達成すべく、鋭意研究を行った。

ＱＣＭセンサーの検出限界は、水晶振動子の質量感度を単位周波数変化あたりの質量変化と定義すると（１Ｈｚあたりの何ｇ変化）と、質量感度と周波数測定における周波数分解能の積で決まる。周波数分解能を決める要因は３つあり、周波数計測機器の周波数分解能、ＱＣＭセンサーが発生する周波数ノイズ、ＱＣＭセンサーが発生する周波数ドリフトである。質量感度および周波数分解能を決める３つの要因について説明する。
＜周波数感度＞
ＱＣＭセンサーの周波数変化Δｆと質量変化Δｍの関係は式１に示すＳａｕｅｒｂｒｅｙの式として知られている。

Δｆ＝−Ｋ・ｆ²・Δｍ・・・式１
ここで、Ｋは水晶の材料の弾性定数、密度、および電極面積により決まる定数である。したがって周波数感度は式２で表されるように、共振周波数の２乗に比例して感度が高くなる（１Ｈｚの変化でより微小な質量変化を捉えることができる）。

周波数感度＝Δｍ／Δｆ＝−１／（Ｋ・ｆ²）・・・式２
周波数が高い程、周波数感度は高くなるが、高周波化による周波数ノイズや周波数ドリフトの増加も考慮して周波数を決める必要がある。圧電振動子としてＡＴカット水晶振動子を用いた従来例においては、ある周波数を境にノイズが増加する傾向が見られ、実用上は３０〜５０ＭＨｚ程度が適していることがわかった。したがって、検出限界を向上させるには、この周波数帯を用いて、いかに周波数分解能を向上させるかが、ポイントであることが明らかになった。
＜周波数計測機器の周波数分解能＞
周波数計測機器の周波数分解能は電子回路の改良により０．１から０．０１Ｈｚ程度までは容易に実現可能であり、周波数ノイズや、周波数ドリフトに比較して十分小さくすることができるため、周波数分解能向上の際の障害にはならないことがわかった。
＜周波数ノイズ＞
ＱＣＭセンサーが発生する周波数ノイズとは、ランダムに生じる周波数変化であり、外界の電磁ノイズ、機械的な振動や攪拌による溶液の振動など様々な原因が考えられる。しかし、周波数ノイズは比較的ランダムなノイズであるため、平均化処理等で小さくすることが可能で、周波数分解能向上への影響は比較的少ない。
＜周波数ドリフト＞
周波数ドリフトは、共振周波数が時間とともに徐々に変化する現象であり、平均化処理を施しても消す事ができないため、周波数分解能の向上にとって非常に重要である。

ＱＣＭセンサーで周波数ドリフトが実際に問題となるのは、乾燥状態にあるセンサーを試料溶液中に浸漬した直後からの、試料溶液中での周波数ドリフトである。液体に浸漬した直後は、さまざまなドリフト要因が考えられるが、特に重要なのは、温度変化に伴うものである。一般に、環境温度とＱＣＭセンサーの温度と試料溶液温度とは異なり、全く同一に保つことは困難である。手で取り扱ったＱＣＭセンサーの温度は、体温の影響を受けて、試料溶液よりも高くなるだろう。この状態でセンサーを試料溶液に浸漬すれば、両者の間で熱が授受され、やがて平衡状態に到達することになる。このときの温度変化から、様々な周波数ドリフト現象を生じる。

温度変化に伴う周波数変化は例えば、水晶振動子の共振周波数の温度依存性、試料溶液の粘度の周波数依存性、目的物質を特異的に吸着させるための抗体膜（センサー膜と呼ぶ）の特性に係わるものがある。これらは温度変化にともない比較的短時間で変化が収まる傾向にあるため、浸漬直後の数秒から数分間のデータを除外することで、周波数ドリフトの影響を取り除くことが比較的容易である。一方、温度変化により水晶振動子に変形を及ぼす現象がある。水晶基板の熱膨張率と、振動子を実装した基板の熱膨張率は一般に異なるため、センサーの温度が変化すると、水晶振動子を変形させる力が生じ、周波数が変動してしまう。この変形は、振動子と基板を固定するための接着剤の柔らかさと、電気的な接続のための導電接着剤の柔らかさの影響を受ける。特に、固定用接着剤に比べ、導電接着剤は硬い場合が多いので、導電接着剤を介した電気的接合部分が周波数ドリフトの原因となる。この変化は温度変化に比べてゆっくりと生じるために、その影響を取り除くことが非常に難しい。

したがって本発明の課題は、温度変化や、機械的な変形に起因して生じる水晶振動子の共振周波数変化を従来より減少させて、実質的に検出感度を向上させることにある。

本発明は周波数分解能を決めている大きな要因である周波数ドリフトを低減することで検出限界を向上させたものである。

本発明は、圧電振動子の共振周波数の変化から圧電振動子表面への物質の吸着量を検出するＱＣＭセンサーにおいて、圧電振動子はセンサー基板上に配置され、圧電振動子は圧電基板に形成した一対の電極を有し、電極は圧電基板を挟んで対向する振動部と、センサー基板と電気的に接続するための接続部と、振動部と接続部とを電気的に接続するための引き出し部とからなり、センサー基板上には、接続部に対向して設けた一対のセンサー基板側接続電極を有し、接続部と、センサー基板側接続電極とは微小な距離に隔てられていて直接接触していないことを特徴とする。

また本発明は、圧電振動子は、複数対の電極を有し、複数対の電極に対応して複数対の振動部、複数対の接続部および複数対の引出し部とを有し、センサー基板上には、複数対の接続部に対応して、複数対のセンサー基板側接続電極を有することを特徴とする。

また本発明は、圧電振動子は、接着領域でセンサー基板上に接着剤を介して固定され、接着領域は圧電振動子がセンサー基板と対向する面内の外周部にあり、電極の振動部の振動を妨げないように振動部から一定距離以上離れた領域であることが好ましい。

また本発明は、センサー基板上の接着領域に突起部を設けて、電極の接続部とセンサー基板側接続電極との距離をセルフアライメントに制御することが好ましい。

また本発明は、接続電極とセンサー基板側接続電極の間に誘電体を配置することが好ましい。

また本発明は、接着剤と、誘電体は同一材料であることが好ましい。

また本発明は、接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤またはウレタン系接着剤であることが好ましい。

また本発明は、圧電振動子は水晶振動子であることが好ましい。

本発明により、試料溶液の温度変化や、水晶振動子を実装したセンサー基板の機械的な変形に対する水晶振動子の周波数変動、すなわち周波数ドリフトを低減することができ、検出分解能を向上することが可能となる。特に測定対象物質の濃度が低い場合は、長時間、対象物質を吸着させることで周波数変化量を増やす事ができ、高感度化が可能となる。
また、温度変動によるドリフトが減少するので、試料溶液の温度制御を簡易化することが可能である。また、本発明により、圧電振動子の電極の配線を引き出すための導電接着剤が不要となり、実装工程が簡単になり、実装時間が減少し、最終的にはコストの低減につながる。

また、本発明により導電接着剤に係わる不良、たとえば接続抵抗の温度変化や経時変化がなくなるため信頼性を高めることが可能である。

以下図面を用いて本発明を利用したＱＣＭセンサーの最適な実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明のＱＣＭセンサーの構造を示す図である。図１（ａ）に平面図を、図１（ｂ）に図１（ａ）におけるＡ−Ａ'線で切断した断面図を示す。図２は本発明のＱＣＭセンサーで使用する圧電振動子の構造を示した図である。最初に圧電振動子の構造を説明した後、本発明のＱＣＭセンサーの構造を説明する。

図２に示す圧電振動子１は圧電基板２の表面（図面上で上面）および裏面（図面上で下面）に１対の駆動用の電極として表電極３と裏電極４を設けてある。それぞれの電極が圧電基板２を挟んで対向する領域が実際に圧電基板が振動する。表電極振動部３Ａは表電極引き出し部３Ｂにより圧電基板１の側面を経由して裏面に配置された表電極接続部３Ｃに接続されている。裏電極振動部４Ａは裏電極引き出し部４Ｂにより同じく裏面に配置された裏面電極接続部４Ｃと接続されている。

表電極３および裏電極４は蒸着法あるいはスパッタリング法等を用いて形成する。電極材料には、安定性および機能膜の形成し易さから金を使用することが望ましいが、銀や白金など導電性が高いの金属を使用することも可能である。

次ぎに、この圧電振動子を使用したＱＣＭセンサーを図１を用いて説明する。ＱＣＭセンサーは圧電振動子１と、圧電振動子１を実装するためのセンサー基板７から構成されている。従来例と同様に、圧電振動子１はセンサー基板７上に接着剤１４をもちいて固定および防水されている。接着剤１４を塗布する領域、すなわち接着領域１４Ａは、圧電振動子１の外周に沿う枠状になっている。基板に設けた穴１５は固定用の接着剤１４が硬化する時に発生する反応ガスを逃がすためのもので接着剤が硬化した後、防水のためにテープあるいは接着剤等で塞ぐ。

圧電基板２に設けた表電極３および裏電極４は、それぞれ表電極振動部３Ａおよび裏電極振動部４Ａから表電極引き出し部３Ｂおよび裏電極引き出し部４Ｂを経由して表電極接続部３Ｃおよび裏電極接続部４Ｃに接続されている。一方、外部回路と接続するための引き出し配線１２および１３はスルーホール１０および１１を経由してセンサー基板側接続電極８および９に接続されている。表電極接続部３Ｃおよび裏電極接続部４Ｃとセンサー基板側接続電極８および９との接続は、従来例では導電接着剤を用いていたが、本発明のＱＣＭセンサーにおいては導電接着剤を用いず、表電極接続部３Ｃおよび裏電極接続部４Ｃとセンサー基板側接続電極８および９との間に隙間を設けて空気で隔てられているところが特徴である。

導電接着剤を廃止することで、直流的な電気的接続が絶たれるが、交流的に考えると、この部分に空気コンデンサが形成された形になり、交流的には電気的接続が成立していることになる。このように空気コンデンサを用いて電気的に接続していることを以降、「容量接続」と表現する。また、この容量接続を構成する電極の接続部とセンサー基板側接続電極と両者の隙間からなる領域を「容量接続部」（符号３４および３５）と表現する。

図１１にこの様子を回路図で示す。図中、記号Ｘ'ｔａｌが圧電振動子であり、その両端の容量Ｃ_C１、Ｃ_C２が容量接続部に形成される空気コンデンサに相当する部品である。図１２は水晶振動子を等価回路で表現した場合の回路図である。圧電振動子はコイルＬ_X、容量Ｃ_X、抵抗Ｒ_XよりなるLＣＲ直列共振回路と、電極容量に相当する容量Ｃ_Pとの並列回路で表され、さらに接続部の容量Ｃ_Cが直列につながった形で表現できる。このように、本発明のＱＣＭセンサーは、圧電振動子に容量接続部の静電容量を直列接続したものである。

容量接続部に形成される静電容量は、信号の減衰を防ぐためになるべく大きい方がよい。したがって、従来の圧電振動子よりも、接続部の電極パターンおよびセンサー基板側接続電極の電極パターンの面積を増やすことが好ましい。

さらに、容量接続部の静電容量は、電極間距離に反比例するので、水晶振動子の電極の接続部とセンサー基板側接続電極の間隔を接触しない様にしつつ、可能な限り狭くすることが望ましい。具体的には、間隔は０．１ミクロン以上、１００ミクロン以下が好ましい。さらには、容量接続部の静電容量は水晶振動子の並列容量Ｃ_pに比較して１／１０から１０倍程度であることが好ましく、１倍以上にすることがより好ましい。

本実施形態においては導電接着剤が不要となるため、圧電振動子１をセンサー基板７に固定する際に柔らかい接着剤１４のみを用いることが可能となり、センサーあるいはバッファー溶液の温度変化で生じる圧電振動子とセンサー基板の熱膨張の差や、その他、さまざまな原因によってもたらされる圧電振動子の変形を低減でき、その結果、周波数ドリフトを低減することができる。固定およびシール用接着剤としては、シリコーン接着剤、エポキシ接着剤、ウレタン接着剤等を用いることができるが、硬化後に柔らかいシリコーン接着剤がより適している。

圧電振動子には通常、電気−機械変換効率が高く、鋭い共振を生じる、すなわちＱ値（ＱｕａｌｉｔｙＦａｃｔｏｒ）が大きい水晶振動子が用いられるが、ＰＺＴ、ＺｎＯ等の圧電セラミックを用いた振動子でもよい。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、第１の実施形態において一枚の圧電基板上に複数対の電極を形成することで、同時に複数の対象物質を検出できるようにした形態である。電極を複数対化することを多チャンネル化と呼ぶことにする。２チャンネル化した場合のＱＣＭセンサーの構造を図３に、圧電振動子の構造を図４に示す。

最初に圧電振動子の構造を図４を用いて説明する。圧電振動子１の圧電基板２上には２チャンネル化に対応し２対の電極が設けられている。1対は表電極３と裏電極４、もう一対は表電極５と裏電極６からなる。表電極３および５は、それぞれ表電極振動部３Ａおよび５Ａから表電極引き出し出し部３Ｂおよび５Ｂを経由して表電極接続部３Ｃおよび５Ｃに接続されている。同様に裏電極４および６は、それぞれ裏電極振動部４Ａおよび６Ａから裏電極引き出し出し部４Ｂおよび６Ｂを経由して裏電極接続部４Ｃおよび６Ｃに接続されている。

次に２チャンネル圧電振動子を用いたＱＣＭセンサーの構造を図３を用いて説明する。第一の実施形態と同様に、ＱＣＭセンサーは圧電振動子１と、圧電振動子１を実装するためのセンサー基板７から構成されている。圧電振動子１はセンサー基板７上に接着剤１４をもちいて固定および防水されている。基板に設けた穴１５は固定用の接着剤１４が硬化する時に発生する反応ガスを逃がすためのもので接着剤が硬化した後、防水のためにテープあるいは接着剤等で塞ぐ。

圧電基板２に設けた表電極３は表電極振動部３Ａから表電極引き出し部３Ｂを経由して表電極接続部３Ｃに接続され、容量接続部３４でセンサー基板側接続電極８に交流的に接続され、スルーホール１０および引き出し配線１２を経由して外部回路と接続される。裏電極６は裏電極振動部６Ａから裏電極引き出し部６Ｂを経由して裏電極接続部６Ｃに接続され、容量接続部３５でセンサー基板側接続電極９に交流的に接続され、スルーホール１１および引き出し配線１３を経由して外部回路と接続される。

図３に示す断面図は図４に示す圧電振動子１の断面部分に対応して描いたため、表電極３および裏電極６が外部に配線を引き出す様子だけが示されているが、表電極５および裏電極４も同様にして外部に引き出されている。

２チャンネル化した圧電振動子は、一方のチャンネルで目的物質を検出し、もう一方のチャンネルはリファレンスとして用い、両者の共振周波数の差を求めることで周波数ドリフトをキャンセルすることができる。本発明のＱＣＭセンサーと、このリファレンスを用いたドリフトキャンセルを組み合わせることで、更にドリフトを低減させることが可能となる。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、接続部における静電容量を増大させて特性の改善を図ったものである。図５に第３の実施形態のＱＣＭセンサーの構造を示す。図６に使用する圧電振動子１の構造を示す。図５において、ＱＣＭセンサーは圧電振動子１と、圧電振動子１を実装するためのセンサー基板７から構成されている。圧電振動子１はセンサー基板７上に接着剤１４をもちいて固定および防水されている。基板に設けた穴１５は固定用の接着剤１４が硬化する時に発生する反応ガスを逃がすためのもので接着剤が硬化した後、防水のためにテープあるいは接着剤等で塞ぐ。

圧電振動子１の表電極３は第１の実施形態と同様に表電極接続部３Ａから表電極引き出し部３Ｂを経由して表電極接続部３Ｃに接続され、容量接続部３４でセンサー基板側接続電極８に交流的に接続され、スルーホール１０および引き出し配線１２を経由して外部回路と接続される。一方裏電極４は裏電極振動部４Ａのみが配置され接続部および引き出し部を持たない。本実施例では裏電極振動部４Ａに対向する位置にセンサー基板側接続電極９を配置することで、裏電極振動部を容量接続部３５として機能させている。振動部を接続部として利用することで、容量接続部の面積を第１の実施形態より広くすることが可能になる。これにより接続部の静電容量が増加し、信号の減衰を抑えることができる。同時に、圧電振動子の裏電極の接続部および引き出し部も不要となる。

圧電振動子１は図６に示すように表電極３は表電極接続部３Ａと表電極引き出し部３Ｂと表電極接続部３Ｃを持つが、裏電極４は裏電極振動部のみが形成されている。

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態は、第３の実施形態において圧電振動子を一枚の圧電基板上に複数個形成し、同時に複数の対象物を検出できるよう多チャンネル化した形態である。図７に２チャンネル化した場合の圧電振動子１の構造を示す。

圧電振動子１の圧電基板２上には２チャンネル化に対応し２対の電極が設けられている。1対は表電極３と裏電極４、もう一対は表電極５と裏電極６からなる。表電極３および５は、それぞれ表電極振動部３Ａおよび５Ａから表電極引き出し出し部３Ｂおよび５Ｂを経由して表電極接続部３Ｃおよび５Ｃに接続されている。一方、裏電極４および６は、それぞれ裏電極振動部４Ａおよび６Ａを接続部としてもいるため、引き出し出し部と接続部を持たない。

ＱＣＭセンサーの構造を示す図は省略するが、電極を外部回路に引き出す方法は、図５で説明した第３の実施形態と同様に表電極３および５と裏電極４および６は、引き出し部を経由して接続部で容量接続により外部に引き出し、裏電極４および６は振動部を接続部として用いてセンサー基板側接続電極との間の容量接続により外部に引き出すことが出来る。

＜第５の実施形態＞
第５の実施形態では、圧電振動子をセンサー基板に固定する際、センサー基板側に突起部を設けて、両者の間隔がセルフアラインメント的に制御されるように工夫したものである。図８（ａ）に第5の実施形態のセンサー基板の平面図を、図８（ｂ）にＱＣＭセンサーの断面図を示す。ＱＣＭセンサーは圧電振動子１と、圧電振動子１を実装するためのセンサー基板７から構成されている。

センサー基板７上に突起部として支持パターン３６が圧電振動子１の外周に沿って枠状に形成されていて、固定用の接着剤１４を介して圧電振動子１が固定されている。支持パターン３６の高さをセンサー基板側接続電極９の高さと揃えておけば、固定用の接着剤１４の厚さに相当する間隔が接続部３Ｃおよび４Ｃとセンサー基板側接続電極８および９の間に自動的に確保でき、両者の接触を防ぎつつ接近させることができる。

支持パターン３６はセンサー基板側電極接続部と同じ配線パターンを用いてもよいし、配線パターンとは異なる素材で形成してもよい。センサー基板自体を凸形状に加工してもよい。また接着剤の粘度や、塗布量により接着剤の厚さが変わってくるので、それに合わせて支持パターンの高さを調整することもできる。支持パターンの平面形状は、圧電振動子の外形に沿った枠型でもよいし、島状に分離したパターンでもよい。

基板に設けた穴１５は固定用の接着剤１４が硬化する時に発生する反応ガスを逃がすためのもので接着剤が硬化した後、防水のためにテープあるいは接着剤等で塞ぐ。

圧電基板２に設けた表電極３は第1の実施形態と同様、表電極振動部３Ａから表電極引き出し部３Ｂを経由して表電極接続部３Ｃに接続され、容量接続部３４でセンサー基板側接続電極８に交流的に接続され、スルーホール１０および引き出し配線１２を経由して外部回路と接続される。

裏電極６も同様に裏電極振動部６Ａから裏電極引き出し部６Ｂを経由して裏電極接続部６Ｃに接続され、容量接続部３５でセンサー基板側接続電極９に交流的に接続され、スルーホール１１および引き出し配線１３を経由して外部回路と接続される。

＜第６の実施形態＞
第1の実施形態から第５の実施形態においては、圧電振動子をセンサー基板に固定するために接着剤を用いていたが、接着剤を用いない固定方法を用いてもよい。接着剤を塗っていた部分に、シリコーンゴム等、柔軟な素材を配置し、その上に圧電振動子を載せ、さらに圧電振動子の外周を上面から固定用の枠で押さえつけることで振動子の固定と防水を行うことが可能である。

＜第７の実施形態＞
第７の実施形態は、表電極を引き出すための接続部の面積を増やして、信号の減衰を低減するものである。同時に第７の実施形態は、容量接続部に誘電体の材料を配置することで、さらに静電容量を増やしたものである。図９に圧電振動子の構造を、図１０にＱＣＭセンサーの構造を示す。

図９において、圧電振動子１の圧電基板２上に設けた表電極３は、表電極振動部３Ａから表電極引き出し部３Ｂを経由して圧電基板２の裏面に形成した枠状の表電極接続部３Ｃに接続されている。接続部３Ｃを枠状にすることで容量接続部の面積を増やすことが容易になる。裏電極４は第３の実施形態と同様、裏電極振動部４Ａを接続部として用いることで接続部の面積を増やしている。

図１０に示すＱＣＭセンサーは圧電振動子１と、圧電振動子１を実装するためのセンサー基板７から構成されている。圧電振動子１はセンサー基板７上に接着剤１４をもちいて固定および防水されている。基板に設けた穴１５は固定用の接着剤１４が硬化する時に発生する反応ガスを逃がすためのもので接着剤が硬化した後、防水のためにテープあるいは接着剤等で塞ぐ。

圧電基板２に設けた表電極３は表電極振動部３Ａから表電極引き出し部３Ｂを経由して枠状の表電極接続部３Ｃに接続され、容量接続部３４でやはり枠状に形成したセンサー基板側接続電極８に交流的に接続され、スルーホール１０および引き出し配線１２を経由して外部回路と接続される。表電極接続部３Ｃと対向するセンサー基板側接続電極８の間に固定用の接着剤１４を用いて圧電振動子１を固定することで、接着剤１４を誘電体の材料として用い、容量接続部３４の静電容量を増加させることができる。裏電極４は裏電極振動部４Ａを接続部として用い、容量接続部３５でセンサー基板側接続電極９に交流的に接続され、スルーホール１１および引き出し配線１３を経由して外部回路と接続される。

このように、第7の実施例では、表電極と裏電極の両方の容量接続部の静電容量を大きくすることが容易で、信号の減衰を低減することが可能である。また、この例では圧電振動子の固定と、接続容量増加のための誘電材料を兼用しているため、新たな工程の導入が不要である。

反応容器内にＱＣＭセンサーを浸漬させて測定するタイプの実施例を図面を用いて説明する。図１３はＱＣＭセンサー装置全体の構成を示す図である。圧電振動子１を搭載したＱＣＭセンサー３０は温度を一定に制御したガラス製の反応容器２０内に設置されており、圧電振動子１の電極からの配線はアドミッタンス特性を測定するためのネットワークアナライザ３１に接続され、さらにアドミッタンス特性から共振周波数を計算で求めるためにパーソナルコンピュータ３２に接続されている。

ＱＣＭセンサー３０には第５の実施形態に記載した構造のものを用いた。センサー基板７には電子回路に用いる通常のプリント基板を用い、シリコーン接着剤を用いて圧電振動子１を固定し、容量接続された信号は多層プリント基板の中間層を用いて配線することで、反応容器内の液体から電気的に絶縁した。

圧電振動子には共振周波数３８ＭＨｚのＡＴカット水晶振動子を用いた。水晶基板の厚さは約４５ミクロン、外形サイズは４．０ｍｍ×６．０ｍｍの矩形形状である。電極の振動部のサイズは表電極、裏電極共に１．９０ｍｍ×１．４６ｍｍのものを使用した。水晶振動子は水晶基板３７の表面および裏面に電極をスパッタリング法で形成した。電極材料には安定性および機能膜の形成し易さから金を用いた。金電極は一般に密着性が悪いため、下地に膜厚５００Åのクロム層をスパッタリング法で形成し、続いて膜厚１０００Åの金をスパッタリング法で形成して密着性を向上させた。

水晶振動子の固定には熱硬化型シリコーン接着剤をもちいた。支持パターン３６に沿って枠状にシリコーン接着剤を塗布し、水晶振動子の電極の接続部とセンサー基板側接続電極が一致するように位置決めして水晶振動子を載せた。次に水晶振動子を搭載したプリント基板を硬化温度まで加熱し接着した。シリコーン接着剤が硬化する時に発生する反応ガスはプリント基板７に設けた穴１５から逃がすようになっている。この穴は接着剤硬化後、防水性の高い粘着テープ１６を用いて塞いだ。シリコーン接着剤は、塗布時よりも若干広がった状態で硬化した。プリント基板からの信号配線は同軸ケーブル３３を介してネットワークアナライザ３２に接続した。

反応容器２０には外径1８ｍｍのガラス製容器を用いた。この反応容器はアルミ製の恒温ブロック２１内に配置され、ペルチエ素子２３を用いて温度を２５℃一定に制御した。恒温ブロック２１は外部の温度変化の影響を防ぐために断熱素材の発泡スチロール２２で囲んだ。温度制御は恒温ブロック２１内に設けた測温部２４からの温度が一定になるように、ＰＩＤ制御の温度コントローラ２５を用いてペルチエ素子の電流を制御した。ペルチエ素子が発生する熱は、放熱フィン２６と冷却用のファン２７を用いて放熱した。

バッファー溶液を攪拌するためには電磁スターラーを使用した。反応容器内に小型の回転子２８を入れ、容器の底面側にスターラー２９を配置し攪拌した。

水晶振動子の共振周波数の測定にはネットワークアナライザを用いたアドミッタンス法を採用した。アドミッタンス法は、ネットワークアナライザーやインピーダンスアナライザを用いて水晶振動子の周波数に対するアドミッタンス特性を測定し、そのデータから水晶振動子の等価回路定数を最小自乗法等の数学的手法をもちいて計算し、求めた等価回路定数から計算により共振周波数を得る方法である。

本発明のＱＣＭセンサーに使われる水晶振動子の等価回路は図１２で表わされるが、この等価回路のアドミッタンス特性を、図１４に示す。横軸は周波数、縦軸はアドミッタンスを表す。アドミッタンスは複素数なので実数成分のコンダクタンスＧ（実線）と、虚数成分のサセプタンスＢ（点線）を重ねてプロットした。コンダクタンスおよびサセプタンスの添え字０、１、２、３はそれぞれ接続容量Ｃｃの大きさが異なる水晶振動子のアドミッタンス特性を示している。添え字０は接続容量Ｃ_Cが無い場合（従来例の水晶振動子に相当）の特性を示す。接続容量Ｃ_Cがない場合のコンダクタンスＧは、共振周波数３８．０００ＭＨｚでピークを示し、その時のサセプタンスは電極容量Ｃ_pのサセプタンスに相当する。添え字１、２、３は接続容量がそれぞれ大、中、小の場合のアドミッタンス特性を示している。接続容量が小さくなるほど、ピークが高周波側に移動しピークの高さは低くなる。

次にアドミッタンス特性から共振周波数を求める方法を具体的に説明する。最初に、接続容量が無い従来の水晶振動子の場合で説明する。

従来の水晶振動子の等価回路を図１７に示す。水晶振動子は直列インダクタンスＬ_Xと直列容量Ｃ_Xと直列抵抗Ｒ_Xからなる直列ＬＣＲ共振回路と、電極容量に相当する並列容量Ｃ_Pとの並列回路で表され、この等価回路のアドミッタンスＹ₀は式３で表される。

Ｙ₀＝１／（ｊωＬ_X＋１／（ｊωＣ_X）＋Ｒ_X）＋ｊωＣ_P ・・・式３
ここで、ωは角周波数２πｆ、ｊは複素数を表す。

この時、水晶振動子の共振周波数は、この直列ＬＣＲ回路の共振周波数ｆ₀と一致し、式４で求めることができる。

ｆ₀＝１／（２π√（Ｌ_X・Ｃ_X））・・・式４
したがって、共振周波数を中心にピーク全体を含む程度の周波数範囲でアドミッタンス特性Ｙ₀をネットワークアナライザにより測定し、式３で計算されるアドミッタンスＹ₀と一致する回路定数Ｌ_X、Ｃ_X、Ｒ_X、Ｃ_pを計算により求め、式４を用いて共振周波数を計算すればよい。

次に、接続容量Ｃｃが存在する場合を説明する。接続容量が存在する場合のアドミッタンスをＹ_Cは従来の水晶振動子のアドミッタンスＹ₀と接続容量Ｃ_Cを用いて式５のように
表される。

Ｙ_C＝１／（１／Ｙ_O＋１／（ｊωＣ_C））・・・式５
一方、水晶振動子の共振周波数は、接続容量が無い場合と同じく式４を用いて計算することができる。したがって、接続容量が無い場合と同様にアドミッタンス特性を測定してから、今度は式５と一致するように等価回路定数Ｌ_x、Ｃ_x、Ｒ_x、Ｃ_p、Ｃ_Cを求め、式４を用いて共振周波数を計算すればよい。

等価回路の全ての定数を求めることなく、共振周波数を簡易的に求めることも可能である。接続容量がある場合の共振周波数を式６で近似することにより、Ｃ_Cを求めずに共振周波数ｆ₀´を計算することができる。

ｆ₀´＝１／（２π√（Ｌ_X・Ｃ_X´））・・・式６
ここで容量Ｃｘ´は式７に示すように、水晶振動子の直列容量ＣＸと接続容量ＣＰの直列容量である。

Ｃ_X´＝１／（１／Ｃ_X＋１／Ｃ_C）・・・式７
ここで、共振周波数ｆ₀´は、式４の本来の共振周波数ｆ₀とは異なる値になる。つまり、図１４に示すように本来の共振周波数ｆ₀はコンダクタンスＧ０のピーク周波数に相当し、ｆ₀´は接続容量の大きさに応じてコンダクタンスＧ１、Ｇ２、Ｇ３のようにピーク周波数がずれてしまう。しかしＱＣＭセンサーの場合、試料溶液を添加した時の周波数の相対変化から、質量変化を計算するため無視しても影響は少ない。

以上に説明した共振周波数を求める計算は、パーソナルコンピュータ３２にて行った。また必要に応じて校正や周波数から吸着質量への変換を行い、結果をディスプレイ装置にグラフ表示した。グラフは横軸が時間、縦軸には周波数変化の他、吸着量、水晶振動子の等価回路定数などを表示した。

本発明のＱＣＭセンサーの構造を示す図である。本発明のＱＣＭセンサーに用いる圧電振動子の構造を示す図である。本発明のＱＣＭセンサーに用いる水晶振動子の構造を示す図である。本発明のＱＣＭセンサーの実施形態を示す平面図である。本発明のＱＣＭセンサーの実施形態を示す断面図である。本発明のＱＣＭセンサーの実施形態を示す平面図である。本発明のＱＣＭセンサーの実施形態を示す平面図である。本発明のＱＣＭセンサーの実施形態を示す平面図および断面図である。本発明のＱＣＭセンサーの実施形態を示す平面図である。本発明のＱＣＭセンサーの実施形態を示す断面図である。本発明のＱＣＭセンサーの回路図である。本発明のＱＣＭセンサーの等価回路を示す図である。本発明のＱＣＭセンサー装置全体の構成を示す図である。本発明のＱＣＭセンサーのアドミッタンス特性を示す図である。従来のＱＣＭセンサーの構造を示す図である。従来のＱＣＭセンサーに用いる圧電振動子の構造を示す図である。従来の圧電振動子の等価回路を示す図である。

符号の説明

１圧電振動子
２水晶基板
３、５表電極
４、６裏電極
３Ａ、５Ａ表電極振動部
３Ｂ、５Ｂ表電極引き出し部
３Ｃ、５Ｃ表電極接続部
４Ａ、６Ａ裏電極振動部
４Ｂ、６Ｂ裏電極引き出し部
４Ｃ、６Ｃ裏電極接続部
７センサー基板
８、９センサー基板側接続電極
１０、１１スルーホール
１２表電極引き出し配線
１３裏電極引き出し配線
１４接着剤
１５穴
１６粘着テープ
２０反応容器
２１恒温ブロック
２２発泡スチロール
２３ペルチエ素子
２４測温部
２５温度コントローラ
２６放熱フィン
２７ファン
２８回転子
２９スターラ
３０ＱＣＭセンサー
３１ネットワークアナライザ
３２パーソナルコンピュータ
３３同軸ケーブル
３４、３５容量接続部
３６支持パターン
３７水晶基板
１０１導電接着剤

Claims

圧電振動子の共振周波数の変化から該圧電振動子表面への物質の吸着量を検出するＱＣＭセンサーであって、前記圧電振動子はセンサー基板上に配置され、圧電基板に形成した一対の電極を有し、該電極は前記圧電基板を挟んで対向する振動部と、前記センサー基板と電気的に接続するための接続部と、前記振動部と前記接続部とを電気的に接続するための引き出し部とを有し、前記センサー基板上には、前記接続部に対向して設けた一対のセンサー基板側接続電極を有し、前記接続部と、前記センサー基板側接続電極とは隔てられているＱＣＭセンサー。
圧電振動子の共振周波数の変化から該圧電振動子表面への物質の吸着量を検出するＱＣＭセンサーであって、前記圧電振動子はセンサー基板上に配置され、圧電基板に形成した複数対の電極を有し、該複数対の電極に対応して、前記電極は前記圧電基板を挟んで対向する複数対の振動部と、前記センサー基板と電気的に接続するための複数対の接続部と、前記振動部と前記接続部とを電気的に接続するための複数対の引き出し部とを有し、前記センサー基板上には、前記複数対の接続部に対向して設けた前記複数対の接続部に対応する複数対のセンサー基板側接続電極を有し、前記接続部と、前記センサー基板側接続電極とは隔てられているＱＣＭセンサー。
前記圧電振動子は、接着領域で前記センサー基板上に接着剤を介して固定され、前記接着領域は前記圧電振動子が前記センサー基板と対向する面内の外周部にあり、前記振動部の振動を妨げないように前記振動部から離れていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＱＣＭセンサー。
前記センサー基板上の前記接着領域に突起部を設けて、前記接続部と前記センサー基板側接続電極との距離をセルフアライメントに制御することを特徴とする請求項３に記載のＱＣＭセンサー。
前記接続部と前記センサー基板側接続電極との間に誘電体を配置することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のＱＣＭセンサー。
前記誘電体は前記接着剤であることを特徴とする請求項５に記載のＱＣＭセンサー。
前記接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤またはウレタン系接着剤であることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一項に記載のＱＣＭセンサー。
前記圧電振動子は水晶振動子であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のＱＣＭセンサー。