JPH08178817A - マッピングセンサおよびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 水晶振動子板２と、該水晶振動子板２の片側
に形成された平板電極３と該水晶振動子板２の該平板電
極３が形成された側と反対側に、該水晶振動子板２に対
して、略垂直となるように位置した、少なくとも１本の
可動微小電極５からなるマッピングセンサを用いて、該
可動微小電極５を該水晶振動子板２の表面に沿って可動
させることができる走査装置を備える。 【効果】 可動微小電極を無圧接触にすることで、電極
による圧接や接着による圧力や応力歪みがないので共振
周波数の正確な測定が可能となり、高感度で、被測定物
質の部位を走査できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検査・診断・評価試験
等に用いるセンサに関する。詳しくは、高感度でマッピ
ング可能であり、マルチチャンネル測定も可能なマッピ
ングセンサおよびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マッピング計測するには光学的方
法、電子顕微鏡、触針式測定器などが知られている。

【０００３】一方、微小の質量変化を測定する方法とし
て水晶振動子板マイクロバランス（Quartz Crystal Mic
robalance, ＱＣＭ）原理を利用したガスセンサ、湿度
センサ、メッキ膜厚センサなど水晶振動子板センサが知
られている。

【０００４】しかしながら、微小の質量変化をマッピン
グする簡易の方法は開示がない。センサをマルチチャン
ネルセンサにしようとすると、まず複数個のセンサを並
べるような方法が考えられるが、複数個の特性の揃った
ものが必要となる上に装置が複雑で大がかりなものにな
る問題がある。

【０００５】一方、１個の基板の上に複数個のセンサを
構築すれば、装置全体も小型化できるとともに高感度化
が望めるのでバイオセンサに好ましいものであるが、複
数個の電極リード線の存在が障害になるためマルチチャ
ンネルセンサは困難であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
の通り、従来の水晶振動子板センサでは、電極およびリ
ード線のために微小化、高感度化マルチチャンネル化が
困難であるという問題点に鑑みてなされたものであっ
て、可動微小電極を走査することにより高感度でマルチ
チャンネルのマッピングセンサおよびその装置を提供す
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るものは、水晶振動子板と、該水晶振動子板の片側に形
成された平板電極と、該水晶振動子板の該平板電極が形
成された側と反対側に、該水晶振動子板に対して、略垂
直になるように位置した、少なくとも１本の可動微小電
極とからなるマッピングセンサである。

【０００８】さらに、該平板電極の表面上に被検査物質
層が２次元状に形成されてなることが好ましい。

【０００９】さらに、該可動微小電極を円滑に可動させ
ることと、正確な測定を行うために、該水晶振動子板と
前記可動微小電極の間に疎水性膜を有することが好まし
く、該疎水性膜は、該水晶振動子板の平板電極を形成し
ない面に形成されているか、該可動微小電極に形成され
ているか、該水晶振動子板の平板電極を形成しない面と
可動微小電極との間に介在しているかが好ましく、疎水
性膜の材料としては、テフロン、フッ素系樹脂、シリコ
ン系樹脂、ポリイミド系樹脂等が挙げられる。

【００１０】さらに、該疎水性膜の厚さとしては、５．
０ｎｍ〜２．０ｍｍ程度が好ましく、より好ましくは１
０ｎｍ〜０．２ｍｍ程度であり、５ｎｍ以下では、水晶
振動子板表面の十分な被覆性と、平滑性が得られないた
め、可動微小電極を円滑に可動させることができず、ま
た、２ｍｍ以上であると水晶振動子のインピーダンスが
非常に大きくなり、良好な感度が得ることができない。

【００１１】さらに、該可動微小電極は、２次元状に配
列された電極束であるか、線状に配列された電極帯であ
ることが好ましい。

【００１２】さらに、該可動微小電極と該水晶振動子板
との距離は、１０ｎｍ〜２．０ｍｍ程度が好ましく、よ
り好ましくは該可動微小電極を無圧接触させることで、
電極による圧接や接着による圧力や応力歪みがないので
共振周波数の正確な測定が可能となり、２．０ｍｍ以上
離れていたり、該水晶振動子板に圧力をかけた状態であ
ると、共振周波数の正確な測定ができないと共に、最大
コンダクタンス（Ｇｍａｘ）も小さく、良い測定値が得
られない。

【００１３】さらに、該水晶振動子板の形状は、被測定
物質および被測定部位によって任意に設計することがで
き、例えば、微生物、細胞、抗体、成分等を測定すると
きは、方形あるいは円板の形状をしており、大きさは一
辺あるいは直径が１．０〜１００ｍｍ程度が好ましく、
より好ましくは１．０〜２５ｍｍ程度で、厚さは、共振
周波数と逆数の関係にあり薄膜の方が感度も高くなる
が、好ましくは１０μｍ〜５００μｍ程度であり、１０
μｍ以下では、薄膜で機械強度が悪く、共振周波数が高
くなりすぎて測定が困難となり、５００μｍ以上では、
共振周波数が低くなり、十分な感度が得られない。

【００１４】さらに、平板電極は、金属電極であり、ク
ロム、金、白金、銅、チタン、銀等の金属および導電性
高分子であることが好ましく、該平板電極の厚さは、１
０ｎｍ〜１０μｍ程度が好ましく、より好ましくは、５
０ｎｍ〜１μｍ程度であり、１０ｎｍ以下では、電気抵
抗が大きくなり電極として作用しにくく、１０μｍ以上
では、水晶振動子の発振が困難になる。

【００１５】さらに、可動微小電極の直径は、マッピン
グ精度に影響を与えるが、１．０μｍ〜１０ｍｍ程度が
好ましく、より精密な測定では、１０μｍ〜０．５ｍｍ
程度であり、直径が小さいほどマッピング精度は高くな
るが、１μｍ以下では、十分な感度が得られず測定が困
難である。

【００１６】そして、該マッピングセンサと、該可動微
小電極を該水晶振動子板の表面に沿って可動させること
ができる走査装置と、該マッピングセンサの特性を測定
する手段と、該特性を解析して表示する手段とを備えた
マッピング装置である。

【００１７】さらに、該走査装置は、マニピュレータ、
ＸＹステージ等が挙げられる。

【００１８】さらに、該特性を測定する手段としては、
共振周波数測定器、水晶等価回路パラメータ測定器等が
挙げられる。

【００１９】さらに、該特性を解析して表示する手段と
しては、数値演算機能および表示機能を有するパーソナ
ルコンピュータ等が挙げられる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明のマッピングセンサおよびその
装置を添付図面に示す実施例に基づいて説明するが、本
発明は、上述の趣旨を損なわない範囲であれば、以下の
実施例に何ら限定されるものではない。

【００２１】（実施例１）図１は、本発明のマッピング
センサの一実施例の構成を示す斜視図である。図２は、
本発明のマッピングセンサの一実施例のＡ−Ａ’間の断
面図である。図３は、本発明のマッピング装置の一実施
例の構成を示す斜視図である。図４は、本発明のマッピ
ングセンサの可動微小電極の一実施例を示す斜視図であ
る。図５は、本発明のマッピングセンサの可動微小電極
の一実施例を示す斜視図である。図６は、本発明のマッ
ピングセンサの一実施例の構成を示す断面図である。図
７は、本発明のマッピングセンサの一実施例の可動微小
電極と水晶振動子板とのギャップと共振周波数およびＧ
ｍａｘの関係を説明する図である。図８は、本発明のマ
ッピング装置の一実施例におけるマッピング測定例を示
した図である。

【００２２】図１および図２に示すように、マッピング
センサ１は、両面を鏡面研磨した水晶振動子板２の片側
の表面に、金属マスクを通してクロム（１００Å）、金
（２０００Å）の順番にＲＦスパッタリングすることで
平板電極３を作製し、平板電極３の表面上に被検査物質
４が２次元状に形成され、可動微小電極５を水晶振動子
板２の平板電極３が形成されていない側から水晶振動子
板２に略垂直な位置関係となるように無圧接触させ設置
し、平板電極３の端部に接続されたリード線６と、可動
微小電極５に接続されたリード線６０とは、それぞれイ
ンピーダンスアナライザ（図示しない）に接続され、イ
ンピーダンスアナライザによって、水晶振動子板２の共
振周波数が測定され、可動微小電極５をＸＹ方向に碁盤
目状に走査させマッピングする。

【００２３】可動微小電極５を水晶振動子板２の平板電
極３が構成された側と反対側から５ｍｍの距離から接近
させ、インピーダンスアナライザを用いて水晶振動子板
２の共振周波数および最大コンダクタンス（Ｇｍａｘ）
を測定した。

【００２４】図７に示すような測定結果が得られ、可動
微小電極５を水晶振動子板２に接近させると共振周波数
が下降し、Ｇｍａｘは増大することが分かった。また、
接触したのち、圧力を加えて行くと、共振周波数は上昇
し、Ｇｍａｘが減少した。このことから、圧力ゼロで接
触したときが最も低い共振周波数と最も高いＧｍａｘを
示し、効率よく振動していることが分かった。

【００２５】実際の測定では、まず被検査物質のみを固
定した状態で共振周波数を測定し、次に被検査物質に被
測定物質を作用させたのち、水晶振動子板の共振周波数
を測定する。それらの共振周波数の差を算出すると、Ｓ
ａｕｅｒｂｒｅｙ の（１）式から被測定物質の質量を
求めることができる。より一般的には、基準濃度あるい
は基準質量の試料を用いて検定することによって測定精
度を向上することができる。

【００２６】（実施例２）図５に示すように、マッピン
グ装置１０は、実施例１で用いたマッピングセンサ１の
可動微小電極５をＸＹＺ軸のそれぞれの方向にモーター
駆動で可動可能となるようにＸＹＺθ−マニピュレータ
５０の架台に固定し、平板電極３の端部に接続されたリ
ード線６と、可動微小電極５に接続されたリード線６０
は、それぞれインピーダンスアナライザ（図示しない）
に接続され、インピーダンスアナライザによって、水晶
振動子板２の共振周波数が測定され、可動微小電極５を
ＸＹＺθ−マニピュレータ５０によってＸＹＺ方向に碁
盤目状に走査させマッピングする。

【００２７】ＸＹＺθ−マニピュレータ２６を操作して
可動微小電極５を走査した後、１ｍｍ毎に各位置での共
振周波数およびＧｍａｘ測定を行った。各点で得られた
測定データは、解析用コンピュータ（図示せず）のメモ
リーおよび磁気記憶媒体に位置情報と関係づけて記憶し
た。

【００２８】また、図６に示すように、平板電極３に
２．０（ｐｏｓｉｔｉｏｎ／ｍｍ）のところで段差状に
金膜を付け、その部分の前後をマッピング測定した例を
示した。図８に示すように、共振周波数は膜のある部分
で減少しており、このときのＧｍａｘの変化はほとんど
ないことから、被覆物質の質量変化でのマッピングが可
能であることが分かる。

【００２９】同様にして生体試料や高分子膜などの質量
によるマッピングを行うことができるほか、Ｇｍａｘが
変化する場合、試料の粘性や動粘性によるマッピングが
可能である。また、感応物質を２次元マトリックス状に
配列して固定したのち、可動微小電極を感応物質の固定
位置まで移動するよう操作にするとマルチチャンネルセ
ンサシステムができることは明らかである。

【００３０】（実施例３）図４に示すような線状に配列
された可動微小電極を用い、その他の構成は実施例２と
同様のマッピング装置で測定を行うと、Ｘ、Ｙ軸のどち
らか一方向に走査させるだけでマッピングが可能となり
短時間で走査でき好適である。

【００３１】（実施例４）図３に示すような２次元状に
配列された可動微小電極を用い、その他の構成は実施例
２と同様のマッピング装置で測定を行うと、走査させる
ことなくマッピングが可能となる。

【００３２】このとき可動微小電極は振動子表面から４
ｍｍ程度まで離すことでも測定可能であるが、コンダク
タンスが減少して感度が落ちるので無圧接触させて介在
する媒体の電気伝導性の影響を受け難くするのが最も好
ましい。

【００３３】また、接触圧力をかけても測定は可能であ
るが、コンダクタンスが減少して感度が落ちるのでやは
り無圧接触が最も好ましい。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のマッピング
センサは、水晶振動子板と、水晶振動子板の片側に形成
された平板電極と、水晶振動子板の平板電極が形成され
た側と反対側に、水晶振動子板に対して、略垂直となる
ように位置した、少なくとも１本の可動微小電極から構
成されていることから、高感度で、片側に電極がない単
純な構造であるので容易に作製ができる。

【００３５】そして、本発明のマッピング装置は、水晶
振動子板と、水晶振動子板の片側に形成された平板電極
と、水晶振動子板の平板電極が形成された側と反対側
に、水晶振動子板に対して、略垂直となるように位置し
た、少なくとも１本の可動微小電極とからなるマッピン
グセンサを用いて、可動微小電極を水晶振動子板の表面
に沿って可動させることができる走査装置を備えたこと
により、可動微小電極を無圧接触にすることで、電極に
よる圧接や接着による圧力や応力歪みがないので共振周
波数の正確な測定が可能となり、被測定物質の部位を走
査でき、質量変化によるマッピングセンサシステムが構
築できる。

【００３６】また、平板電極の表面上に被検査物質層を
２次元状に形成したことにより、被検査物質に被測定物
質を作用させて質量変化を測定することが可能である。

【００３７】また、水晶振動子板と可動微小電極との間
に疎水性膜を有したことにより、可動微小電極を水晶振
動子板の表面上に円滑に走査させることができる。

【００３８】また、可動微小電極を線状に配列された電
極帯とすることにより、ＸＹ方向のどちらか１方向のみ
走査させるだけでマッピング可能である。

【００３９】また、可動微小電極を２次元状に配列され
た電極束にすることにより、水晶振動子板の表面を走査
させることなくマッピングが可能である。

【００４０】また、水晶振動子板の被測定物質が作用す
る側を分割することにより、マルチチャンネルのセンサ
にできるので、検査コストが小さくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマッピングセンサの一実施例の構成を
示す斜視図である。

【図２】本発明のマッピングセンサの一実施例のＡ−
Ａ’間の断面図である。

【図３】本発明のマッピング装置の一実施例の構成を示
す斜視図である。

【図４】本発明のマッピングセンサの可動微小電極の一
実施例を示す斜視図である。

【図５】本発明のマッピングセンサの可動微小電極の一
実施例を示す斜視図である。

【図６】本発明のマッピングセンサの一実施例の構成を
示す断面図である。

【図７】本発明のマッピングセンサの一実施例の可動微
小電極と水晶振動子板とのギャップと共振周波数および
Ｇｍａｘの関係を説明する図である。

【図８】本発明のマッピング装置の一実施例におけるマ
ッピング測定例を示した図である。

【符号の説明】

１ マッピングセンサ １０ マッピング装置 ２ 水晶振動子板 ３ 平板電極 ４ 被検査物質 ５ 可動微小電極 ５０ ＸＹＺθ−マニピュレータ ６、６０ リード線

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶振動子板と、 該水晶振動子板の片側に形成された平板電極と、 該水晶振動子板の該平板電極が形成された側と反対側
   に、該水晶振動子板に対して、略垂直に位置した、少な
   くとも１本の可動微小電極とからなることを特徴とする
   マッピングセンサ。
2. 【請求項２】 前記平板電極の表面上に被検査物質層が
   ２次元状に形成されてなることを特徴とする請求項１に
   記載のマッピングセンサ。
3. 【請求項３】 前記水晶振動子板と前記可動微小電極の
   間に疎水性膜を有することを特徴とする請求項１または
   請求項２に記載のマッピングセンサ。
4. 【請求項４】 前記可動微小電極は、２次元状に配列さ
   れた電極束であることを特徴とする請求項１ないし請求
   項４に記載のマッピングセンサ。
5. 【請求項５】 前記可動微小電極は、線状に配列された
   電極帯であることを特徴とする請求項１ないし請求項４
   に記載のマッピングセンサ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかに記
   載のマッピングセンサを用いて、 該可動微小電極を該水晶振動子板の表面に沿って可動さ
   せることができる走査装置と、 該マッピングセンサの特性を測定する手段と、 該特性を解析して表示する手段とを備えたことを特徴と
   するマッピング装置。