石英晶体微量天平传感器制造技术

一种ＱＣＭ传感器，在晶体前面和背面上相对地配置电极的传感器装置的电极浸没在试料气体或试料溶液时，根据主谐振频率或阻抗的变化检测和定量分析试料成分的。传感器装置作成在晶体基片１０的前面、背面上设置４个对置电极（１１Ａ－１４Ａ，１２Ｂ－１４Ｂ）的多通道构造，并且作成在各电极上能够固定对要检测和定量分析的各试料成分不同的接收器的构造，用一个样品一次检测和定量分析各电极上的各种成分。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及晶体振子的电极表面浸没在试料气体或试料溶液时根据晶体振子的振荡频率变化或阻抗变化来检测和定量分析试料成分的QCM传感器，尤其是涉及适合于同时检测和定量分析上述同一试料的多个成分的多通道QCM传感器。在化学和生物化学领域，定量分析反应量和生成物质量是重要的，然而，对极微量的反应量获得足够的检测灵敏度是很困难的。近年来，使用AT切割晶体振子并用微量天秤原理的化学和生物化学传感器得到很大发展并受到广泛注意。AT切割晶体振子的主谐振频率与振子片的厚度成反比。在这种情况下，当试料成分在晶体振子的电极表面形成膜时或者在电极表面发生物质的吸附时，则对应于表面存在的单位面积的物质重量发生频率偏移现象。QCM传感器是上述频率偏移现象的一种应用。因为AT切割晶体振子在广泛的温度范围内其频率特性是稳定的，所以可以期望稳定的检测灵敏度。如果条件齐备，用QCM传感器实时检测1-10ng的吸附物质是可能的。以下将描述吸附物质量与频率偏移量之间的关系。首先，AT切割晶体振子的谐振频率用附图说明图12所示的式(1)和式(2)表示。其中，f0表示晶体振子的主谐振频率，υ表示晶体内的声速，tq表示晶体的厚度，μg表示剪切弹性模量，以及ρq表示晶体的密度。在具有主谐振频率f0的晶体振子表面产生的质量变化Δm，通过展开主谐振频率和晶体厚度之间的关系式用图13示出的式(3)表示。在式(3)中，Δf表示由于质量附加量引起的频率变化，Apiezo表示电气的有效面积，Cf表示整体灵敏度。当晶体振子在液体中使用时，因为Δf也受液体粘度和密度影响，所以式(3)改写成图14所示的式(4)。必须注意η表示溶液的粘度，ρL表示溶液的密度，并且ω0＝2πf0。此外整体灵敏度Cf用图15的式(5)表示。正如从上式(5)所看到的那样，为了提高整体灵敏度，提高主谐振频率f0是重要的。此外，因为整体灵敏变度Cf本身也是频率的函数，所以实际上频率的偏移量Δf是与主谐振频率f0的3/2次方有关。因此，当用作传感器的晶体振子的主谐振频率上升时，则可以使用高灵敏度传感器。例如，图16示出浸在15重量％葡萄糖溶液内的晶体振子的频率偏移量Δf对主谐振频率f0的变化所作出的图。如果主谐振频率f0上升，可以看到对相同的电极表面吸附量，谐振频率的偏移增大。如上所述，因为AT切割的晶体振子使用了厚度滑移模式，所以主谐振频率f0与其厚度tg成反比。此外，为了获得足够的γ值(γ表示在晶体振子的等效电路内并联电容和串联电容之比，通常在AT切割晶体振子的情况下约为250，γ越小越好)。根据以上的理由，高频用晶体振子必须用电极面积小而且晶体厚度薄的晶体振子。另一方面，为了实现QCM传感器，把QCM传感器安排如下如图17所示，把晶体振子保持在容器2内，只露出浸没在试料中的振子表面，用O型密封环3等对其表面的周边密封，而且晶体振子1的电极1A和1B经导线连接到振荡电路或阻抗测量电路。因为上述安排的QCM传感器具有晶体基片，高频用晶体振子要求该晶体基片较薄，由于加在其密封部分的应力使基片常常变形(有应变)或裂纹，因此很难使高频传感器装置投入实用化。然而，LinZuxuan等提出用蚀刻技术只使单个单元上的基片中央变薄的制作QCM传感器装置的方法。在这种情况下，相当于晶体振子框的晶体振子部分具有相当于传统方式应用的5-6MHz(0.3mm程度)的厚度并且不会发生因密封引起的大变形。此外，因为变薄部分有足够小的电极面积以便产生能量阱，不易受框的影响。虽然用上述方法能够实现提高其灵敏度的QCM传感器，但是任何的传统的QCM传感器都以下述方式安排，即在1个单元内只配置一个传感器。因此，任何传统的QCM传感器一次只能测量一个样品的一种成分。例如为了检测和定量分析包含多个成分的试料溶液的各成分，要准备好能对各种成分分别检测和定量的单元，这种测量为受所谓1单元1样品制约的测量。因此，测量多个成分要花费较长时间，而且测量开销也较大。为了缩短测量时间，提出了多通道型QCM传感器。这种多通道型QCM传感器安排如下多个石英晶体振子安装在基板托上，在各晶体振子上移动操作探头，每一晶体振子得到样品的每一成分的数据。然而，在上述多通道型QCM传感器内加电场是由于探头移动引起的。探头对每一晶体振子的相对位置的偏移引起振荡频率和阻抗变化。因此，传统的多通道QCM传感器很难实际地安排以正确地维持晶体振子的谐振频率等的测量条件。其结果不能指望通过传统的QCM传感器实现稳定的测量。因此本专利技术的目的是提供一种QCM传感器，该QCM传感器通过把传感器多通道化能够稳定测量样品的每一成分，而且通过把传感器部分的主谐振频率高频化能够实现高精度测量。本专利技术的传感器装置作成使电极相邻并且设置在多个位置上的多通道结构，而且作成能够把要检测、定量分析样品每种成分的不同接收器固定在各电极上的结构。通过这种结构用1个样品对每一电极能够一次检测和定量分析不同的成分。此外，因为不要传统的多通道型QCM传感器的探头移动操作，所以能够作稳定测量而不变动测量条件。本专利技术的传感器装置具有如下构造如果多通道结构的电极是圆形的，则晶体基片的厚度t和相邻电极的间距L之间的比率L/t等于或大于20。根据上述结构，为了用一个样品一次检测和定量分析电极的各种成分，能够没有相邻电极间的相互干涉而进行高精度测量，并且可以把传感器装置的整体尺寸减少到最小。本专利技术的传感器装置的晶体基片设置一分离沟，用于降低相邻电极间振动能的耦合。通过这种构造，在分离沟内衰减掉电极间振动能的漏泄，并且允许进行稳定的测量，同时缩短电极间距离。本专利技术的传感器装置的晶体基片具有电极形成部分比周边部分还薄的结构。通过这种构造，提高了基片的机械强度以确保其支撑，而且通过减小电极部分的厚度能够把它用在高频范围。本专利技术的传感器装置包括传感器主体(其中应用高频薄晶体基片的电极形成部分比周边部分的厚度还薄)，和由晶体基片或石英基片制成的基片支撑(其厚度小于传感器装置主体，并且其上粘结了传感器装置主体)。在本专利技术的传感器装置内可以用具有大机械耦合系数的Langasite(镧镓硅系)晶体取代晶体基片。图1a和1b分别表示本专利技术第1实施例的传感器装置的俯视图和侧视图。图2是表示对谐振频率f0(该f0与从电极一端到相邻电极一端的距离L对晶体厚度t之比L/t有关)可得到足够机械振动衰减的距离所列出的表。图3是本专利技术第3实施例的传感器装置的侧视图。图4是在设置分离沟情况下测量的频率偏离特性图。图5是本专利技术第4实施例的传感器装置的侧视图。图6是用于电极间相互干涉实验的传感器装置的俯视图。图7是在电极间相互干涉实验中使用的银沉淀的装置。图8是表示在电极间相互干涉实验中每一通道的频率变化ΔF的特性图。图9是表示在电极间相互干涉实验中的每一通道的串联谐振电阻的特性图。图10是表示在电极间相互干涉实验中水滴放置在每一通道上时对频率和串联谐振电阻变化所列出的表。图11是本专利技术第5实施例的传感器装置的侧视图。图12是有关AT切割的晶体振子的谐振频率的式(1)和式(2)。图13是表示借助晶体所产生的频率变化的数字式(3)。图14是表示晶体振子在液体中使用情况下频率变化的数字式。图15是表示整体灵敏度的数字式。图16是表示传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＱＣＭ传感器，其中包含在其晶体基片的前面和背面上相对地配置有一对电极的传感器装置，该ＱＣＭ传感器根据在该传感器装置的电极表面浸没在试料气体或试料溶液中时，主谐振频率的变化或阻抗的变化来检测和定量分析试料的成分，其特征在于：前述传感器装置作成多通道构造，其中分别成对地设置在晶体基片的前面和背面上的电极对被设置为使彼此相邻，并且前述各电极设置为可以固定因符检测和定量分析的各试料成分不同而不同的接收器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：小山升，立间彻，渡边能仁，波户崎修，北寄崎薰，羽场方纪，野口卓孝，
申请(专利权)人：株式会社明电舍，小山升，
类型：发明
国别省市：JP[日本]