JP4796825B2 - Sensor for measuring minute mass - Google Patents
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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。 The present invention relates to a highly reliable sensor for measuring a small mass suitable for measurement in a liquid phase sample.
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。 Conventionally, a sensor element for measuring a minute mass (QCM Quartz Crystal Microbalance sensor element) using an AT-cut quartz crystal resonator uses a thickness-shear vibration mode of quartz. For the metal film material formed on the surface of the quartz substrate, considering adhesion to the quartz substrate, the base material is, for example, chromium (Cr), nickel chromium (NiCr), titanium (Ti), etc. As the ground material, gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), or the like is used. When such a sensor element for measuring a minute mass is immersed in a solution, the previous vibration mode is suppressed by the resistance force of the solution and cannot be used as a sensor element for measuring a minute mass. Therefore, by setting the metal film of the quartz substrate on the side where the reaction of the solution is not detected to be in a gas phase state, it is possible to detect the vibration mode of the sensor element for measuring the minute mass even when immersed in the solution.
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。 In order to keep the metal film on one side of the quartz substrate in a gas phase, the entire periphery of the sensor element for measuring a minute mass (hereinafter referred to as a QCM sensor element) is fixed with an adhesive or the like to prevent the solution from entering. There must be. In general, in order to make the influence on the vibration mode of the QCM sensor element as small as possible, a silicon-based insulating adhesive material having a low adhesive stress is often used. When used, depending on the skill level of an operator who assembles a sensor for measuring a minute mass (hereinafter referred to as a QCM sensor), the amount of adhesive applied varies greatly between the individual QCM sensor elements. It is difficult to fix the sensor to the QCM sensor container accurately and horizontally, and in each case, the sensitivity of the detection of the QCM sensor element is made different due to variations in the amount of adhesive applied. As for the QCM sensor element, there is a risk that the sensitivity of detection of the QCM sensor element may be lowered as a result of a slight stress strain of the adhesive.
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。 Furthermore, when the adhesive is cured, by-products such as organic substances are generated from the adhesive, and there is a risk that the by-products may adhere to the surface of the QCM sensor element for detecting an extremely fine reaction. is there. As a specific example, particularly when a silicon-based adhesive is used, low molecular siloxane may be generated as a by-product and may adhere to the surface of the metal film. Once this low molecular weight siloxane adheres to the surface of the metal film, there is a risk that the detection sensitivity of the QCM sensor element will be significantly reduced.
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。 Further, when the QCM sensor is immersed in a sample solution of an organic solvent as a QCM sensor for use in a liquid phase measurement, if the QCM sensor element is fixed to the sensor container with a silicon adhesive, the silicon adhesive The material swells about 3 to 4 times in both mass and volume from the point of contact with the organic solvent, and stress is applied to the QCM sensor element. As a result, the detection sensitivity of the QCM sensor element may be significantly reduced here as well. was there.
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。 In addition, in a conventional QCM sensor using a type of quartz crystal that is immersed in a solution, a lead wire is drawn from the QCM sensor element inside the QCM sensor housing and connected to instruments that measure the detection value. In this case, the detection sensitivity may be reduced due to the occurrence of a contact accident of the lead wire in the casing or the influence of external noise.
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。 In addition, the applicant did not find any prior art documents related to the present invention by the time of filing of the present application other than the prior art documents specified by the above prior art document information.
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。 By using an adhesive to fix the QCM sensor element to a sensor container for measuring a small mass (hereinafter referred to as a QCM sensor container), the adhesive by-product adheres to the surface of the QCM sensor element. However, there is a problem that the detection sensitivity may be non-uniform and the detection sensitivity may be significantly reduced.
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。 Further, when immersed in a sample solution of an organic solvent as a QCM sensor for use in liquid phase measurement, particularly when the QCM sensor element is fixed to the sensor container with a silicon-based adhesive, the adhesive Swells in both mass and volume from the point of contact with the organic solvent, the QCM sensor element oscillates in an inclined state with non-uniform stress applied, and the adhesive swells and corresponds to the increased mass As a result, there is a possibility that the detection sensitivity of the QCM sensor element is significantly reduced.
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。 The present invention has been made based on the technical background as described above. Therefore, the object of the present invention is to provide a highly reliable sensor for measuring a small mass suitable for measurement in a liquid phase sample. Is to provide.
前記課題を解決するために、本発明は、水晶基板の表裏面に電極として用いられる金属膜を形成して成る微少質量測定センサ素子を備えた微少質量測定用QCMセンサにおいて、該微少質量測定用センサ素子が嵌合あれて搭載される凹部と容器内部配線を有する微少質量測定用センサ容器を備えており、該凹部内側の水平面の内縁側には、枠状の接合面を有しており、接合材料からなる金属膜が、該接合面の外縁側の縁部及び該接合面側を向く該水晶基板の面の縁部に沿って環状に設けられており、該電極として用いられる金属膜は、該水晶基板に設けられている該接合材料からなる金属膜と接触しない位置に設けられており、該容器内部配線は、一方の端部が前記接合面の前記接合材料からなる金属膜より内側に位置しつつ該電極となる金属膜と接触し、
他方の端部が前記微少質量測定用センサ容器の外面側に位置しており信号出力端子となっており、該微少質量測定用センサ素子は、該接合面に該微少質量測定用センサ素子の片面の周辺を合わせて、該凹部に嵌合し搭載されており、該接合材料からなる金属膜が陽極接合により接合されていることで、該凹部における該微少質量測定用センサ素子と該微少質量測定用センサ容器とで囲われている空間が気密となっていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides a micromass measuring QCM sensor having a micro mass measuring sensor element formed by forming a metal film used as an electrode on the front and back surfaces of a quartz substrate. A sensor container for measuring a minute mass having a recess and a wiring inside the container in which the sensor element is fitted and mounted, and on the inner edge side of the horizontal surface inside the recess, has a frame-shaped joint surface, A metal film made of a bonding material is provided in an annular shape along an edge on the outer edge side of the bonding surface and an edge of the surface of the crystal substrate facing the bonding surface, and the metal film used as the electrode is The container internal wiring is provided at a position where one end is inside the metal film made of the bonding material on the bonding surface. The gold which becomes the electrode while being located In contact with the membrane,
The other end is located on the outer surface side of the sensor container for measuring the minute mass and serves as a signal output terminal, and the sensor element for measuring the minute mass is provided on one side of the sensor element for measuring the minute mass. The sensor element for measuring the minute mass and the minute mass measurement in the recess are formed by fitting the metal film made of the bonding material by anodic bonding. The space surrounded by the sensor container is airtight.
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。 According to the QCM sensor of the present invention, since no adhesive is used for fixing the QCM sensor element, there is no possibility that the by-product of the adhesive adheres to the QCM sensor element and decreases the detection sensitivity, and the handling is easy. In addition, a QCM sensor with extremely high reliability can be obtained.
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。 In addition, according to the QCM sensor of the present invention, the signal output end of the sensor element is extended to the outer surface of the QCM sensor container without using a lead wire, which is easy to handle and extremely reliable. A QCM sensor can be obtained.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol in each figure shall show the same object.
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を有し、この接合面おいてQCMセンサ素子が気密的に接合され搭載されている。QCMセンサ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とは枠状の接合部において陽極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。
FIG. 1 is a schematic top view of a
The
The
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。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
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。
FIG. 3 is a schematic side cross-sectional view of the
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。
FIG. 4 is a schematic top view of the
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。
FIG. 5 is a schematic top perspective view of a conventional
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 接合材料からなる金属膜
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
1 Surface of
4 Sensor element for measuring minute mass (QCM sensor element)
5
7 Metal film made of
Claims (1)
該微少質量測定用センサ素子が嵌合あれて搭載される凹部と容器内部配線を有する微少質量測定用センサ容器を備えており、
該凹部内側の水平面の内縁側には、枠状の接合面を有しており、
接合材料からなる金属膜が、該接合面の外縁側の縁部及び該接合面側を向く該水晶基板の面の縁部に沿って環状に設けられており、
該電極として用いられる金属膜は、該水晶基板に設けられている該接合材料からなる金属膜と接触しない位置に設けられており、
該容器内部配線は、一方の端部が前記接合面の前記接合材料からなる金属膜より内側に位置しつつ該電極となる金属膜と接触し、他方の端部が前記微少質量測定用センサ容器の外面側に位置しており、
該微少質量測定用センサ素子は、該接合面に該微少質量測定用センサ素子の片面の周辺を合わせて、該凹部に嵌合し搭載されており、
該接合材料からなる金属膜が陽極接合により接合されていることで、該凹部における該微少質量測定用センサ素子と該微少質量測定用センサ容器とで囲われている空間が気密となっている
ことを特徴とする微少質量測定用センサ。 In a sensor for measuring a minute mass comprising a sensor element for measuring a minute mass formed by forming a metal film used as an electrode on the front and back surfaces of a quartz substrate,
A sensor container for measuring a minute mass having a recess and a wiring inside the container in which the sensor element for measuring the minute mass is fitted and mounted;
On the inner edge side of the horizontal surface inside the recess, it has a frame-shaped joint surface,
A metal film made of a bonding material is provided in an annular shape along an edge on the outer edge side of the bonding surface and an edge of the surface of the quartz substrate facing the bonding surface side,
The metal film used as the electrode is provided at a position not in contact with the metal film made of the bonding material provided on the quartz substrate,
The container internal wiring is in contact with the metal film serving as the electrode while one end is positioned on the inner side of the metal film made of the bonding material on the bonding surface, and the other end is the sensor container for measuring micro mass. Located on the outer surface side of
The sensor element for measuring a minute mass is mounted by being fitted to the concave portion so that the periphery of one surface of the sensor element for measuring the minute mass is aligned with the joint surface,
Since the metal film made of the bonding material is bonded by anodic bonding, the space surrounded by the sensor element for measuring the minute mass and the sensor container for measuring the minute mass in the recess is airtight. A sensor for measuring minute mass.
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