JP4811106B2 - Ｑｃｍセンサデバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの水晶振動子の発振周波数やインピーダンス等の電気的特性の変化から試料成分を検知・定量するＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサのデバイス構造に関する。

化学・生化学の分野において、反応量や生成物質量を定量することは重要なことであるが、既存の計測装置では極めて微量の反応量に対して十分な検出感度を得ることは難しかった。

近年、ＡＴカット水晶振動子を用いてマイクロバランス原理を応用したケミカル及びバイオセンサが注目を集めている。ＡＴカット水晶振動子は、その主共振周波数が振動子の板厚と反比例する。この場合、水晶振動子の電極面に試料成分が成膜したり、あるいは物質の吸着が起きると表面に存在する物質の単位平面積当たりの重量に対応した周波数のシフトが起きる。

ＱＣＭセンサは、上記の周波数シフト現象を応用したもので、ＡＴカット水晶振動子は広い温度範囲において周波数が安定しているため、安定した検出感度が期待でき、条件が揃えば１〜１０ｎｇの吸着物質の検出がリアルタイムで可能である。以下に吸着物質量と周波数のシフト量の関係を示す。

まず、ＡＴカット水晶振動子の共振周波数は

ｖ_qはさらに、

で表わされる。ここで、ｆ₀：水晶振動子の主共振周波数、ｖ_q：厚みすべり振動の音響波（横波）の伝播速度、ｔ_q：水晶振動子の厚み、μ_q：水晶の剛性率、ρ_q：水晶の密度である。

この主共振を持つ水晶振動子の厚み変化Δｔによる共振周波数変化Δｆは（１）、（２）式より、

で表わされる。さらに，水晶の厚み変化Δｔは、Δｔ＝Δｍ／ρ_qである。ここで、Δｍは単位表面積当たりの質量変化である。

水溶液中にＱＣＭを浸漬すると、溶液の密度及び粘性率が気相中と比べて高い。したがって、厚みすべり振動の音響波が溶液側に減衰して伝わり、共振周波数が減少する。これは、水晶振動子上に有効厚さの液膜層が形成された状態と等価であるとみなすことができる。この液膜層の有効厚さｄ₁は、水溶液がニュートン流体であるとすると、

で近似される。ここで、ｖ₁：水溶液の動粘性率、η₁：水溶液の粘性率、ρ₁：水溶液の密度、ｆ₁：水溶液中の水晶振動子の共振周波数であり、ｖ₁＝η₁／ρ₁である。

ＱＣＭを水溶液中で使用する場合、両電極間の絶縁を保つため、水晶振動子の片面のみを溶液に浸漬する。水晶振動子の片面のみを浸漬する場合、電極の単位面積当たりの見かけの質量変化Δｍ₁は（４）式より、

ここで、ｆ₁＝ｆ₀として、（５）式を（３）式に代入すれば、溶液に水晶振動子を片面のみ浸漬する場合の共振周波数変化Δｆは、

で表わされる。（６）式から分かるように、全体感度を上げるには主共振周波数ｆ₀を上げることが重要となる。従って、センサとして用いる水晶振動子の主共振周波数を高くするほど、高感度のセンサとすることができる。

上記のように、ＡＴカット水晶振動子は、厚みすべりのモードを使用しているため、主共振周波数ｆ₀はその厚みｔ_qと反比例する。また、水晶振動子は、十分なγ値（水晶振動子の等価回路では並列容量と直列容量の比、通常はＡＴカットで２５０ぐらいで少ない程よい）を得るためには電極有効面積も周波数に比例して小さくする必要がある。以上の理由で高周波用の水晶振動子は電極面積が小さく、しかも水晶厚の薄いものに構成される。一方、ＱＣＭを溶液中で使用する場合、前記のように、水晶振動子の片面のみを溶液に浸漬する。

このような構造を実現させるための従来の構造を図４に、（ａ）に上面図を、（ｂ）に側断面図で示す。この構造は、ＱＣＭセンサ用水晶振動子１を支持基板（または封止基板）２に貼付け、ＱＣＭセンサ用水晶振動子１の支持基板と対向した電極１Ａが水溶液に接しないように封入気体を介して支持基板２に貼付けられている（例えば、特許文献１参照）。３は電極１Ａ、１Ｂを周波数計測器等との接続を得るためのリード電極である。
特開２０００−２５８３２４号公報

上記の貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイスを溶液中に浸漬した場合、その水圧（静水圧）により、支持基板に対して十分に厚みの薄い水晶振動子が１気圧下で封入された圧縮率の高い気体を押すかたちで凹形状に歪んでしまうこととなる。この水晶振動子の歪みは、周波数変動を引き起こすため、測定感度を低下させる原因となる。

例として、図４に示した振動子部直径８ｍｍ、板厚１６４μｍ、共振周波数１０ＭＨｚの水晶振動子を水深５ｍｍ（純水、２０℃）の位置に設置した場合、水圧により歪まされた１０ＭＨｚ水晶振動子の歪みに起因した周波数変動は約９Ｈｚとなる。

この周波数変動は、中心に関して対称な荷重を受ける円板の曲げ定義から概算できる。この均等荷重を受ける円板の最大たわみｗ_Max（Ｘ＝０、中心）は、

で表される。ここで、ｒ：水晶振動子の半径、ｈ：水晶振動子の板厚、Ｅ：水晶の縦弾性係数（ヤング率）、γ：水晶のポアソン比、ｐ：圧力差である。

また、このときの最大応力（σ_x）_Maxは、ｘ＝ｒ、ｚ＝±ｈ／２において

で表される。

この水晶振動子に働く応力による周波数変動は、

で表される。ここで、Ｋ_f：応力−周波数比定数である。

本発明の目的は、水晶基板を薄くした高周波用の水晶振動子が、溶液圧による歪みで感度が低下するのを防止したＱＣＭセンサデバイスを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、水晶振動子を貼付ける支持基板には封入気体導入部分にダイアフラム部を形成し、水晶振動子部分を溶液中に浸漬したときに受ける溶液圧でダイアフラム部を封入気体導入部側に歪ませ、水晶基板が封入気体導入部側に歪むのを少なくし、さらに封入気体導入部側に装着した歪みゲージにより水晶基板の歪み量を検出して水晶振動子の計測値を補正するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）ＱＣＭセンサ用水晶振動子をその支持基板に貼付け、前記水晶振動子の裏面が水溶液に接しないよう支持基板と対向した部分に封入気体導入部を設けたＱＣＭセンサデバイスにおいて、
前記封入気体導入部は、水晶振動子部分を溶液中に浸漬したときに受ける溶液圧で水晶振動子基板が歪むのを緩衝するダイアフラム部を備え、
前記ダイアフラム部は、その表面に歪みゲージを装着し、溶液中での前記水晶振動子基板の歪み量を該歪みゲージにより検出し、該水晶振動子の計測値を補正可能にしたことを特徴とする。

（２）前記ダイアフラム部は、前記支持基板の封入気体導入部分を堀込んで窪みを形成し、窪み部分の板厚を水晶振動子の基板厚よりも薄くした構造としたことを特徴とする。

（３）前記ダイアフラム部は、前記支持基板の封入気体導入部分に貫通孔を設け、該貫通孔の一方の対向面には水晶振動子を貼付け、該貫通孔の他方の対向面はダイアフラム用封止ゴムシートで被覆した構造としたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、水晶振動子を貼付ける支持基板には封入気体導入部分にダイアフラム部を形成し、水晶振動子部分を溶液中に浸漬したときに受ける溶液圧でダイアフラム部を封入気体導入部側に歪ませ、水晶基板が封入気体導入部側に歪むのを少なくし、さらに封入気体導入部側に装着した歪みゲージにより水晶基板の歪み量を検出して水晶振動子の計測値を補正するようにしたため、水晶基板を薄くした高周波用の水晶振動子が、溶液圧による歪みで感度が低下するのを防止できる。具体的には、以下の効果がある。

（１）水晶振動子を貼り付ける支持基板の封入気体導入部に、圧力緩衝用のダイアフラム部を設けることで、溶液中に浸漬した水晶振動子がその水圧により歪まされることを防止することができ、高感度な測定が可能となる。

（２）上記のダイアフラム部に歪みゲージを装着し、その歪み量から予め求めた「歪み量に対する水晶振動子の周波数変動量」で水晶振動子の計測値を補正することが可能となり、高感度な測定が可能となる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイス構造であり、（ａ）に上面図を、（ｂ）に側断面図を示す。

同図が図４と異なる部分は、支持基板２の封入気体導入部分を堀込んで窪みを形成した構造とし、その板厚ｔを水晶振動子１の基板厚よりも十分に薄くしたダイアフラム構造にした点にある。

上記のＱＣＭセンサデバイス構造において、支持基板２は例えば石英ガラスやＡＴカット水晶板が使用され、水晶振動子１の水晶基板と同等の硬度になる。そして、支持基板のダイアフラム部２Ａの板厚ｔが水晶振動子１の板厚に比べて十分に薄い構造とすることで、水晶振動子１部分を溶液中に浸漬したときに受ける溶液圧ではダイアフラム部２Ａが封入気体導入部分側に歪み、水晶基板が封入気体導入部分側に歪むのを十分に少なくした圧力緩衝機能を持たせることができる。

例えば、上記の例で示した水晶振動子（振動子部直径８ｍｍ、板厚１６４μｍ、共振周波数１０ＭＨｚ）に対して、支持基板２に振動子板と同じ水晶を用いた場合には、ダイアフラム部２Ａは直径８ｍｍ、板厚３５μｍの窪みとして形成することで、溶液圧による歪みで水晶振動子１の感度低下を少なくすることができる。

（実施形態２）
図２は、本実施形態の貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイス構造を示し、実施形態１のデバイス構造を安価に提供できるように工夫したものである。

この構造は、支持基板２の封入気体導入部分に貫通孔２Ｂを設けた構造とし、支持基板２の貫通孔２Ｂの一方の対向面には水晶振動子１を貼付け、貫通孔２Ｂの他方の対向面は弾性に優れるシリコーンゴムなどのダイアフラム用封止ゴムシート４で被覆したものである。

この構造により、水晶振動子１部分を溶液中に浸漬したときに受ける溶液圧ではダイアフラム用封止ゴムシート４が内側に歪み、水晶基板が内側に歪むのを十分に少なくした圧力緩衝機能を持たせることができる。

本実施形態では、実施形態１の効果に加えて、支持基板２にダイアフラム部を形成するための堀込み加工を不要にして製造コストを低減でき、さらに水晶基板などの脆性材料を用いたダイアフラム構造に比較し圧力緩衝範囲を大きく設定できる利点がある。

（実施形態３）
図３は、本実施形態の貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイス構造を示し、（ａ）に上面図を、（ｂ）に側断面図を、（ｃ）にＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

この構造は、実施形態１に示したデバイス構造の支持基板２を例えば水晶振動子と同じＡＴカット水晶板とし、この封入気体導入部分となるダイアフラム部２Ａを水晶振動子１と同じ厚さとする。さらのダイアフラム部２Ａの表面に歪みゲージ５を装着することで、溶液中での水晶振動子基板の歪み量を検出し、予め測定しておいた歪みに対する周波数変動量で計測値を補正する。６は歪みゲージ５のリード電極であり、リード電極３と同じ面に形成する。

本実施形態では、溶液圧により水晶振動子１の基板に歪みが発生したときにダイアフラム部２Ａにほぼ同じ量の歪みを発生させ、この歪み量を水晶振動子１の基板歪み量として歪みゲージ５で検出することができる。これにより、水晶振動子１の歪み量に対応する周波数計測値を補正し、水晶振動子１の基板歪みによる感度低下を補償することができる。

なお、本実施形態において、ダイアフラム部２Ａを水晶振動子１と同じ厚さにする構造に限られるものでない。また、実施形態１または２と同様のダイアフラム部を設け、このダイアフラム部の歪みをゲージ５で検出して感度低下を補償する構造とすることもできる。

本発明の実施形態１を示す貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイス構造。 本発明の実施形態２を示す貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイス構造。 本発明の実施形態３を示す貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイス構造。 従来の貼付け構造を用いたＱＣＭセンサデバイス構造。

符号の説明

１ 水晶振動子
１Ａ、１Ｂ 電極
２ 支持基板
２Ａ ダイアフラム部
２Ｂ 貫通孔
３ 水晶振動子のリード電極
４ ダイアフラム用封止ゴムシート
５ 歪みゲージ
６ 歪みゲージのリード電極

Claims (3)

1. ＱＣＭセンサ用水晶振動子をその支持基板に貼付け、前記水晶振動子の裏面が水溶液に接しないよう支持基板と対向した部分に封入気体導入部を設けたＱＣＭセンサデバイスにおいて、
   前記封入気体導入部は、水晶振動子部分を溶液中に浸漬したときに受ける溶液圧で水晶振動子基板が歪むのを緩衝するダイアフラム部を備え、
   前記ダイアフラム部は、その表面に歪みゲージを装着し、溶液中での前記水晶振動子基板の歪み量を該歪みゲージにより検出し、該水晶振動子の計測値を補正可能にしたことを特徴とするＱＣＭセンサデバイス。
2. 前記ダイアフラム部は、前記支持基板の封入気体導入部分を堀込んで窪みを形成し、窪み部分の板厚を水晶振動子の基板厚よりも薄くした構造としたことを特徴とする請求項１に記載のＱＣＭセンサデバイス。
3. 前記ダイアフラム部は、前記支持基板の封入気体導入部分に貫通孔を設け、該貫通孔の一方の対向面には水晶振動子を貼付け、該貫通孔の他方の対向面はダイアフラム用封止ゴムシートで被覆した構造としたことを特徴とする請求項１に記載のＱＣＭセンサデバイス。

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