KR101290262B1 - 구획홈을 구비한 다채널 수정 결정 미소 저울. - Google Patents

Abstract

본 발명은 다채널 수정 결정 미소 저울에 관한 것으로서, 수정 결정의 공진 특성을 이용하여 미소 질량을 측정할 수 있는 수정 결정 미소 저울에 있어서, 상기 수정 결정으로 이루어진 수정 기판; 상기 수정 기판의 앞면에 배치된 제1 전극과, 상기 수정 기판의 뒷면에 상기 제1 전극과 대향하도록 배치된 제2 전극이 쌍을 이루는 복수 쌍의 전극;을 구비하며, 상기 수정 기판은, 상기 수정 기판의 표면에 오목하게 형성된 구획홈에 의하여 복수 개의 센싱 영역으로 분리되며, 상기 각 쌍의 전극은, 상기 구획홈에 의하여 분리된 복수 개의 센싱 영역에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수정 기판의 표면에 오목하게 형성된 구획홈에 의하여 각 쌍의 전극이 서로 분리된 상태로 배치됨으로써, 각 전극에서 발생하는 진동이 주변의 다른 전극에 미치는 간섭을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

구획홈을 구비한 다채널 수정 결정 미소 저울.{Multichannel monolithic quartz crystal microbalance with ditch stopper.}

본 발명은 다채널 수정 결정 미소 저울에 관한 것으로서, 특히 각 전극에서 발생하는 진동이 주변의 다른 전극에 미치는 간섭을 감소시킬 수 있는 다채널 수정 결정 미소 저울에 관한 것이다.

본 발명은 교육과학기술부 및 국민대학교 산학협력단의 기초연구사업-일반연구자지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제고유번호: 2010-0002949, 과제명: 다종 폭발물 분석 및 실시간 감지용 나노동공 금속층을 갖는 수정중량 센서 어레이 플랫폼]

수정 결정 미소 저울(QCM; Quartz Crystal Microbalance)은, 수정의 압전 특성에 의하여 발생하는 공진 현상(Resonance)을 이용함으로써, 미소 질량을 측정할 수 있는 장치로서, 도 1에는 이러한 수정 결정 미소 저울(1a)의 일례가 도시되어 있다. 이 수정 결정 미소 저울(1a)은, 한 쌍의 전극(2)과, 상기 전극(2)들 사이에 배치된 수정 기판(3)을 구비한다. 따라서, 상기 전극(2)에 전압이 가해지면 상기 수정 기판(3)과 상기 전극(2)들로 이루어진 구조물의 공진점에서 일정한 공진 주파수로 공진이 생긴다. 이때, 상기 한 쌍의 전극(2) 중 하나가 공기 중에 노출되어 있고, 이 전극(2)에 미소 질량(M)이 접촉되면 그 미소 질량(M)에 의하여 공진 주파수의 값이 변화한다. 그러므로, 상기 공진 주파수의 변화량을 측정함으로써, 상기 미소 질량(M) 값이 측정될 수 있다.

이러한 수정 결정 미소 저울은, 나노그램의 질량 변화도 측정할 수 있는 센서이므로, 기체의 농도변화 측정, 단백질 검출, 점탄성 계수의 측정 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다.

한편, 최근에는 수정 기판의 양 표면에 한 쌍의 전극만을 위치시킨 기존의 수정 결정 미소 저울(1a)과 달리, 수정 기판의 양 표면에 복수 쌍의 전극을 위치시키는 다채널 수정 결정 미소 저울(MQCM; Multichannel Monolithic Quartz Crystal Microbalance)이 주목받고 있다. 도 2에는 다채널 수정 결정 미소 저울(1b)의 일례가 도시되어 있다. 이 다채널 수정 결정 미소 저울(1b)은, 복수 개의 센싱 영역에 각각 배치되어 있는 복수 쌍의 전극(2a, 2b)과, 상기 전극(2a, 2b)들 사이에 배치된 수정 기판(3)을 구비한다. 따라서, 다채널 수정 결정 미소 저울(1b)을 사용할 경우 복수 쌍의 전극(2a, 2b)을 이용하여 여러 물질(M1, M2)을 동시에 각각 검출하는 것이 가능하다.

그러나, 종래의 다채널 수정 결정 미소 저울(1b)은, 공진주파수 발생시 서로 다른 센싱 영역에 각각 배치된 전극(2a)과 전극(2b) 사이에 진동 간섭이 발생하는데, 이러한 간섭이 발생하게 되면, 수정 기판(3)의 표면에 부착된 전극(2a, 2b)들 중에 질량 변화가 발생하는 전극의 공진이 주변 전극의 공진 주파수에도 영향을 미치게 됨으로써, 질량 변화가 없는 이웃한 전극에서도 마치 질량 변화가 발생한 것처럼 오작동하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 각 전극에서 발생하는 진동이 주변의 다른 전극에 미치는 간섭을 감소시킬 수 있도록 구조가 개선된 다채널 수정 결정 미소 저울을 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다채널 수정 결정 미소 저울은, 수정 결정의 공진 특성을 이용하여 미소 질량을 측정할 수 있는 수정 결정 미소 저울에 있어서, 상기 수정 결정으로 이루어진 수정 기판; 상기 수정 기판의 앞면에 배치된 제1 전극과, 상기 수정 기판의 뒷면에 상기 제1 전극과 대향하도록 배치된 제2 전극이 쌍을 이루는 복수 쌍의 전극;을 구비하며, 상기 수정 기판은, 상기 수정 기판의 표면에 오목하게 형성된 구획홈에 의하여 복수 개의 센싱 영역으로 분리되며, 상기 각 쌍의 전극은, 상기 구획홈에 의하여 분리된 복수 개의 센싱 영역에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 구획홈은, 하나의 교차점을 중심으로 방사상으로 연장되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 구획홈은, 길이 방향에 수직한 단면이 사각형인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 구획홈은, 길이 방향에 수직한 단면의 폭과 깊이가 모든 단면에서 동일한 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 수정 기판의 표면에 오목하게 형성된 구획홈에 의하여 각 쌍의 전극이 서로 분리된 상태로 배치됨으로써, 각 전극에서 발생하는 진동이 주변의 다른 전극에 미치는 간섭을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 수정 결정 미소 저울을 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 다채널 수정 결정 미소 저울을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 다채널 수정 결정 미소 저울의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 다채널 수정 결정 미소 저울의 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 다채널 수정 결정 미소 저울의 배면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 다채널 수정 결정 미소 저울의 VI-VI선 단면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 구획홈의 깊이가 변할 때, 수정 기판의 진동 모드 중의 하나를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 3에 도시된 구획홈의 깊이가 변할 때, 간섭에 의한 공진주파수 변화량이 도시된 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예인 다채널 수정 결정 미소 저울의 사시도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예인 다채널 수정 결정 미소 저울의 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 다채널 수정 결정 미소 저울의 평면도이다. 도 5는 도 3에 도시된 다채널 수정 결정 미소 저울의 배면도이며, 도 6은 도 3에 도시된 다채널 수정 결정 미소 저울의 VI-VI선 단면도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다채널 수정 결정 미소 저울(100)은, 수정 결정의 공진 특성을 이용하여 미소 질량을 측정할 수 있는 장치로서, 수정 기판(10)과, 제1 전극(20)과, 제2 전극(30)과, 구획홈(40)을 포함하여 구성된다.

상기 수정 기판(10)은, 수정 결정으로 이루어진 원형 평판으로서, AT-cut으로 커팅된 수정으로 제조된다. 본 실시예에서 상기 수정 기판(10)의 직경은 25.4mm이며 두께는 0.331mm이다.

상기 제1 전극(20)은, 상기 수정 기판(10)의 앞면에 배치된 전극으로서, 4개가 마련되며 서로 7mm의 간격으로 이격되어 배치되어 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 전극(20)의 직경은 6mm이며 두께는 200nm이다.

상기 제2 전극(30)은, 상기 수정 기판(10)의 뒷면에 배치된 전극으로서, 4개가 마련되어 서로 7mm의 간격으로 이격되어 있다. 본 실시예에서, 상기 제2 전극(30)의 직경은 6mm이며 두께는 200nm이다. 상기 제2 전극(30)들 각각은, 상기 제1 전극(20)들 각각과 대향되는 위치에 하나씩 배치되며, 대향되는 위치에 배치된 상기 제1 전극(20)들과 각각의 쌍을 이룬다. 여기서, 서로 대향되는 위치에 배치된 각 쌍의 전극(20)과 전극(30)은, 전기적으로 서로 연결됨으로써 상기 수정 기판(10)에 전압을 가할 수 있다.

상기 전극(20, 30)들은, 상기 구획홈(40)에 의하여 분리된 복수 개의 센싱 영역에 각각 한 쌍씩 배치됨으로써, 상기 수정 기판(10)의 표면상에서 서로 이격된 상태로 분리되어 있다.

상기 구획홈(40)은, 상기 수정 기판(10)의 앞면을 복수 개의 센싱 영역으로 분리하기 위하여, 상기 전극(20, 30)들 사이에 위치한 상기 수정 기판(10)의 표면에 오목하게 형성된 홈이다.

상기 구획홈(40)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 교차점을 중심으로 방사상으로 연장되는 형상으로 마련되는데, 본 실시예에서는, 십자형으로 마련된다.
본 실시예에서 상기 각 쌍의 전극(20, 30)들은, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 구획홈(40)의 중심인 상기 교차점을 원의 중심으로 하는 가상의 원 위에 미리 정한 간격만큼 서로 이격된 상태로 배열되어 있다.

상기 구획홈(40)은, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 길이 방향에 수직한 단면이 사각형이며, 길이 방향에 수직한 단면의 형상 및 면적이 모든 단면에서 동일하다. 본 실시예에서는 상기 구획홈(40)의 길이 방향에 수직한 사각형 단면의 폭과 깊이가 모든 단면에서 동일하다.

상기 다채널 수정 결정 미소 저울(100)의 전극(20, 30)에 전압이 가해지면 상기 수정 기판(10)과 상기 전극(20, 30)들로 이루어진 구조물의 공진점에서 일정한 공진 주파수로 공진이 생긴다. 이 때, 상기 각 쌍의 전극(20, 30) 중 앞면의 전극(20)이 공기 중에 노출되어 있고, 이 앞면 전극(20)들에 미소 질량(M1, M2)이 접촉되면 그 미소 질량(M1, M2)에 의하여 각 쌍의 전극(20, 30)의 공진 주파수의 값이 변화하고, 상기 각 쌍의 전극(20, 30)의 공진 주파수의 변화량을 각각 측정함으로써, 상기 각 쌍의 전극(20, 30)에 각각 접촉한 미소 질량(M1)의 값과 미소 질량(M2)의 값이 별개로 측정된다.

도 7에는 상기 구획홈(Ditch Stopper)(40)의 깊이가 0㎛, 1㎛, 2㎛, 3㎛로 변할 때, 상기 수정 기판(10)의 진동 모드 중의 하나인 1st 두께 방향 전단 모드(TSM; Thickness Shear Mode)를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 도 7에서 알 수 있듯이, 상기 구획홈(40)의 깊이가 깊어질수록, 특정 센싱 영역에 배치된 전극(20, 30)의 진동 변형이 다른 센싱 영역에 배치된 전극(20, 30)으로 전파되는 양이 감소한다.

한편, 도 8에는 상기 구획홈(Ditch Stopper)(40)의 깊이가 변하는 경우 간섭에 의한 공진주파수 변화량이 도시되어 있다. 도 8에서 알 수 있듯이, 상기 구획홈(40)의 깊이가 깊어질수록 상기 간섭에 의한 공진주파수 변화량이 점점 감소함을 알 수 있다. 특히, 상기 구획홈(40)의 깊이가 3㎛인 때에는, 상기 간섭에 의한 공진주파수 변화량이, 상기 구획홈(40)이 없는 경우의 값인 11Hz에서 1Hz로 감소되어, 91%나 감소한다.
본 실시예에서, 상기 구획홈(40)의 깊이는 2.5㎛ 내지 4.5㎛로 형성되어 있다. 상기 구획홈(40)의 깊이가 2.5㎛ 미만이거나 4.5㎛ 초과인 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이 특정 센싱 영역에 배치된 전극(20, 30)의 진동 변형이 다른 센싱 영역에 배치된 전극(20, 30)으로 전파되는 양이 상대적으로 크며, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 간섭에 의한 공진주파수 변화량이 2Hz 이상으로 증가하는 문제점이 있다.

상기 다채널 수정 결정 미소 저울(100)은, 상기 수정 기판(10)의 표면에 오목하게 형성된 구획홈(40)에 의하여 각 쌍의 전극(20, 30)이 서로 분리된 상태로 배치되어 있으므로, 특정 센싱 영역에 배치된 전극(20, 30)의 공진이 다른 센싱 영역에 배치된 전극(20, 30)으로 전파되는 것이 차단됨으로써, 공진주파수 발생시 서로 다른 센싱 영역에 각각 배치된 전극(20, 30) 사이에 발생하는 진동 간섭이 감소될 수 있는 장점이 있다.

따라서, 상기 다채널 수정 결정 미소 저울(100)은, 종래의 다채널 수정 결정 미소 저울(1b)와는 달리, 수정 기판(10)의 표면에 부착된 전극(20, 30)들 중에 질량 변화가 발생하는 전극(20, 30)의 공진이 주변 전극(20, 30)의 공진 주파수에 거의 영향을 미치지 않게 되므로, 질량 변화가 없는 이웃한 전극(20, 30)에서도 마치 질량 변화가 발생한 것처럼 잘못 감지하는 현상이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

본 실시예에서는, 상기 구획홈(40)이 십자형으로 마련되어 있으나, 도 9에 도시된 다른 실시예인 다채널 수정 결정 미소 저울(200)에서와 같이, 하나의 교차점을 중심으로 8방향으로 연장되는 형상의 구획홈(140)으로 마련될 수 있음은 물론이다. 이때, 전극(20, 30)은 8쌍 마련되어 각각의 센싱 영역에 배치된다.

상술한 실시예들에서는, 상기 구획홈(40, 140)이, 길이 방향에 수직한 단면이 사각형이며 길이 방향에 수직한 단면의 폭과 깊이가 모든 단면에서 동일하게 형성되어 있으나, 상기 길이 방향에 수직한 단면이 반원형으로 형성될 수도 있으며, 상기 길이 방향에 수직한 단면의 폭과 깊이가 길이 방향을 따라 연속적으로 변하도록 형성할 수 있음은 물론이다.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 다채널 수정 결정 미소 저울 10 : 수정 기판
20 : 제1 전극 30 : 제2 전극
40 : 구획홈 M, M1, M2 : 미소 질량

Claims (4)

1. 수정 결정의 공진 특성을 이용하여 미소 질량을 측정할 수 있는 수정 결정 미소 저울에 있어서,
   상기 수정 결정으로 이루어진 수정 기판;
   상기 수정 기판의 앞면에 배치된 제1 전극과, 상기 수정 기판의 뒷면에 상기 제1 전극과 대향하도록 배치된 제2 전극이 쌍을 이루는 복수 쌍의 전극;
   을 구비하며,
   상기 수정 기판은, 상기 수정 기판의 표면에 오목하게 형성된 구획홈에 의하여 복수 개의 센싱 영역으로 분리되며,
   상기 구획홈은, 하나의 교차점을 중심으로 방사상으로 연장되어 있으며, 깊이가 2.5㎛ 내지 4.5㎛이며, 길이 방향에 수직한 단면의 형상 및 면적이 모든 단면에서 동일하며,
   상기 각 쌍의 전극은, 상기 교차점을 원의 중심으로 하는 가상의 원 위에 배열된 상태로, 상기 구획홈에 의하여 분리된 복수 개의 센싱 영역에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 다채널 수정 결정 미소 저울.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 구획홈은, 길이 방향에 수직한 단면이 사각형인 것을 특징으로 하는 다채널 수정 결정 미소 저울.
4. 삭제

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