(57)【要約】【課題】  従来のＱＣＭセンサーの構造では、圧電振動子をＯリングにより圧電振動子に応力をかけながら容器に保持しているので、その応力により圧電振動子に歪みや割れなどの問題が発生させ、圧電振動子の安定した電気的特性を得ることが難しく、リード線の接続やＯリングの配置など行う必要があり生産性が良好なＱＣＭセンサーを得ることが難しかった。【解決手段】  本発明のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造は、圧電振動子と基板の隙間への試料液体の浸入を防止することができ、圧電振動子の外周部分を接着剤で封止する必要がなく、圧電振動子の外周部分を封止することによる圧電振動子への応力が発生しないので、安定した性能を有するＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造を容易に形成することが可能となっている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平板上の圧電振動子に設けた励振用の金属パターンを、基板に設けた金属配線に接続したＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造において、少なくとも前記圧電振動子を実装した側の前記基板の表面には撥水膜を設けたことを特徴とするＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【請求項２】
前記撥水膜は前記基板のほぼ全表面に設けられていることを特徴とする請求項１記載のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【請求項３】
前記撥水膜は、前記圧電振動子の前記金属パターンと対向する部分に開口部を有し、該開口部に露出する前記基板面に前記金属配線を配設したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【請求項４】
前記圧電振動子の外周部と前記基板の間を封止材で封止しており、前記封止材の表面にも前記撥水膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【請求項５】
前記撥水膜は前記励振用の金属パターンを避けて前記圧電振動子の露出面にも設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【請求項６】
前記圧電振動子は、前記基板に対して空隙を保って実装されるとともに、前記空隙が外部と連通していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【請求項７】
前記圧電振動子は前記金属パターン部分のみが前記基板に固定されていることを特徴とする請求項６記載のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【請求項８】
前記圧電振動子が水晶であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子上の金属パターンを試料ガスや試料溶液に晒したときの圧電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金属パターン表面に吸着した試料の成分を検知、定量するＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサー用圧電振動子の実装構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電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バイオセンサーとしてのＱＣＭセンサーが注目を集めている。従来のＱＣＭセンサーの構造を図１５を用いて説明する。図１５において圧電振動子１の一方の面は平坦であり、この面には、一方の励振用の電極パターン２ａが形成されている。圧電振動子１の他方の面には、エッチング等の加工によって複数の窪みを形成しており、この窪みの中には他方の励振用電極パターン２ｂが形成されている。そしてこの電極パターン２ｂ上には、被測定物質を選択的に吸着する受容体１０を設けてあり、さらに電極パターン２ｂ部分だけ露呈するように、開口部を設けたテトラフロロエチレンパターン１１が形成された構造となっている。
【０００３】
上記のＱＣＭセンサーはテトラフロロエチレンパターン１１の開口部に試料液体を滴下した際にテトラフロロエチレンパターン１１の疎水的性質により電極パターン２ｂ上にのみ試料液体を載せることが可能となっているので、試料が受容体１０からはみ出してしまうのを防止できる。
【特許文献１】特開２００３−２２２５８０号公報（５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前述したＱＣＭセンサー用圧電振動子には以下に記載するような問題点がある。
【０００５】
特許文献１に示した従来のＱＣＭセンサーの構造では、振動子の一方の表面に窪みを漬ける必要があったので、平板上の振動子を用いた場合に比較してフォトリソグラフィやエッチングなどの行程が面倒であった。また、特許文献１の構成では、受容体１０で受け入れられる試料の量が少なかったので、試料に含まれる目的物質が極少量の場合は、１つの受容体１０に吸着される量も少なくなるため、検出精度に限界があった。
【０００６】
資料に含まれる目的物質が極少量の場合は、多くの試料を準備してその試料をビーカーに等に入れ、ビーカーの試料中に振動子を直接入れることもできるが、特許文献１の振動子は両面に電極パターンが露呈しているため、電気的に絶縁する必要があるが、それについての具体的対応は提案されていなかった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解決し、ＱＣＭセンサーとしての特性が良好で、生産性に優れ、試料が少ない場合でも多い場合でも使用できるＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明における圧電振動子の実装構造は、下記記載の構成を採用する。
【０００９】
本発明のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造は、略平板上の圧電振動子に設けた励
振用の金属パターンを、基板に設けた金属配線に接続したＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造において、少なくとも前記圧電振動子を実装した側の前記基板の表面には撥水膜を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また前記撥水膜は前記基板のほぼ全表面に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また本発明のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記撥水膜は前記圧電振動子の前記金属パターンと対向する部分に開口部を有し、該開口部に露出する前記基板面に前記金属配線を配設したことを特徴とする。
【００１２】
また本発明のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記圧電振動子の外周部と前記基板の間を封止材で封止しており、前記封止材の表面にも前記撥水膜を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また前記撥水膜は前記励振用の金属パターンを避けて前記圧電振動子の露出面にも設けたことを特徴とする。
【００１４】
また本発明のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記圧電振動子は、前記基板に空隙を保って実装されるとともに、前記空隙が外部と連通していることを特徴としている。
【００１５】
また、前記圧電振動子は前記金属パターン部分のみが前記基板に固定されていることを特徴としている。
【００１６】
また本発明のＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造は、前記圧電振動子が水晶であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＱＣＭセンサー用圧電振動子を実装する基板の表面に撥水膜を設けているので、試料液体が少量の場合は、圧電振動子の上に試料液体を適量だけ供給して分析することができる。また、試料液体がビーカーなどの容器に入っている場合は、圧電振動子が実装された基板ごと容器に浸漬することができる。この場合、基板表面は撥水膜で覆われているので、分析したい成分が基板表面へ吸着してしまうのを防止できる。
【００１８】
また本発明によれば、圧電振動子は基板と空隙を保って実装し、空隙が外部と連通するように構成してもよい。この場合、圧電振動子は金属パターン部分だけが基板に固定され、その周囲は封止材を設けないので、圧電振動子に無用な応力が発生せず、安定した振動特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面を用いて本発明の最適な実施形態におけるＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造について説明する。図１〜図８に第一の実施形態におけるＱＣＭセンサー用圧電振動子と、その実装構造を示す。図１に示すように、圧電振動子１の両面にはそれぞれ励振用の電極パターン２ａ、２ｂを設けている。そしてこの電極パターン２ａ、２ｂのそれぞれの端部が基板３に設けた金属配線４ａ、４ｂに接続されている。また圧電振動子１の外周部１ａと基板３の間を封止材７によって封止したＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造となっている。さらには電極パターン２ａの励振部分以外の圧電振動子１と封止材７と基板３との表面は、撥水膜５が形成されている構造となっている。
【００２０】
基板３上に設けた配線４ａ、４ｂと圧電振動子１に設けた励振用の電極パターン２ａ、
２ｂは導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料９により電気的に接続されている。基板３上に設けた凸部８が圧電振動子１の外周部１ａに塗布した封止材７の圧電振動子１と基板３との隙間に流れ込む領域を制限している。この場合、凸部８は圧電振動子１の電極パターン２ａ、２ｂよりは外周側に設けられているので、封止材７が電極パターン２ａ、２ｂに付着するのを防止できる。
【００２１】
この凸部８があることにより基板３上に設けた金属配線４ａ、４ｂと圧電振動子１上に設けた励振用の電極パターン２ａ、２ｂを導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料９を用いて電気的に接続した際に、圧電振動子１と凸部８との隙間が非常に狭くなるため、封止材７を圧電振動子１外周部に塗布した際に圧電振動子１と基板３との隙間には、毛細管現象により、封止材７が流れ込む。しかし、凸部８がなくなって隙間が広がる段差部分２０では、表面張力により封止材７が流れなくなり、圧電振動子１と凸部８との狭い隙間より中には流れ込まないように制御できる。
【００２２】
また、撥水膜５が片面だけ露出している圧電振動子１の電極パターン２ａの部分以外を覆っていることにより、試料液体を電極パターン２ａ部分に滴下した際に撥水膜５の撥水効果により試料液体が電極パターン２ａ部分に留まることができる。従って、試料液体が少ない場合は、このようにして測定することができる。
【００２３】
さらに試料液体の入った容器にＱＣＭセンサーを浸漬して使用する場合、撥水膜５の撥水効果により試料液体中の成分が基板３や封止材７などの表面に吸着するのを防止し、検出すべき物質が減少し測定精度が低下してしまうことを防止できる。この様に、試料液体がビーカーなどの容器に十分ある場合は、圧電振動子１を実装した基板３ごと容器内の試料液体に浸漬することができる。
【００２４】
次に、第一の実施形態におけるＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装工程について図１から図８を用いて説明する。まず、図２に示すように圧電振動子１をエッチングやダイシングなどの方法により任意の大きさに分割し、メタルマスクを用いてスパッタリング法や真空蒸着法によって水晶板上に金属薄膜を形成することにより、圧電振動子１上に励振用の電極パターン２ａ、２ｂを形成する。
【００２５】
図３は圧電振動子１の斜視図であるが、点線は裏面の状態を表している。励振用の電極パターン２ａ、２ｂは基板３上に設けた金属配線４ａ、４ｂと電気的な接続を行う部分が同一の面になるように形成されている。
【００２６】
本実施形態では圧電振動子１として水晶板を用い、大きさが５ｍｍ角で厚みが５０μｍのものを使用し、励振用の電極パターン２ａ、２ｂ部分が３ｍｍ角となるようなパターンで金を０．２μｍの厚みで形成した。
【００２７】
次に図４の断面図と図５の斜視図に示すように、ガラスやガラス繊維とエポキシ樹脂で形成された基板３上に銅箔を張り合わせ、フォトリソグラフィとエッチングにより金属配線４ａ、４ｂと凸部８を同時に形成する。金属配線４ａ、４ｂと凸部８の表面には銅の腐食防止のためニッケルと金を形成しておく。凸部８を金属配線４ａ、４ｂと同じ部材で構成しているので製造が容易になる。
【００２８】
凸部８については上記方法以外にエポキシやシリコーンなどの接着剤を塗布または印刷し硬化させておくことでも形成することができ、形状は圧電振動子１の励振用電極パターン２ａ、２ｂ部分を囲む様な環状の形状であれば良く、円や四角といった形状は特に限定されない。凸部８は、圧電振動子１の励振用電極パターン２ａ、２ｂの大きさに合わせて、基板３の圧電振動子搭載領域に適宣形成する。
【００２９】
本実施形態では厚みが０．５ｍｍのガラス繊維とエポキシ樹脂でできた基板３を使用し、厚みが１８μｍの銅箔を張り合わせフォトリソグラフィとエッチングにより金属配線４ａ、４ｂと凸部８を形成した。金属配線４ａ、４ｂと凸部８の表面にはニッケルを１μｍ、金を０．３μｍの厚みでメッキ法により形成した。
【００３０】
次に図６に示すように、圧電振動子１上に設けた励振用の電極パターン２ａ、２ｂと基板３上に設けた金属配線４ａ、４ｂは、導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料９を用いて電気的な接続を行う。
【００３１】
本実施形態ではシリコーン接着剤中に銀やパラジウムなどの導電粒子を含有した導電接着剤をディスペンサで基板３の金属配線４ａ、４ｂ上に塗布し、圧電振動子１の励振用の電極パターン２ａ、２ｂと基板３上の配線４ａ、４ｂとの位置あわせを行い、熱処理により導電接着剤を硬化させて、電気的接続を行った。
【００３２】
次に図７に示すようにエポキシ、シリコーン、ポリウレタンなどの封止材７を圧電振動子１の外周部にディスペンサを用いて塗布し、圧電振動子１と基板３との隙間に封止材７を流し込み、封止材７を硬化させることで封止が完了する。
【００３３】
このとき前述の如く圧電振動子１と基板３との隙間に流れ込んだ封止材７は基板３上に設けた凸部８と圧電振動子１との狭い隙間より中には流れ込まないので、圧電振動子１の励振を妨げることなく封止をすることが可能となっている。
【００３４】
本実施形態では硬化後に柔らかく、圧電振動子１を変形させるような応力発生させない常温硬化型のシリコーン接着剤を封止材７として使用した。
【００３５】
次に図８に示すように圧電振動子１上の電極パターン２ａの励振部分にマスキングテープ６を張り付けた後、撥水膜５をスプレーによりＱＣＭセンサー全体に塗布し、乾燥させた後にマスキングテープ６を除去することで図１に示すようなＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造を得ることができる。
【００３６】
上記方法で形成したＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造は、撥水膜５が圧電振動子１の電極パターン２ａの部分以外を覆っているので、試料液体が少ない場合は、試料液体を電極パターン２ａ部分に滴下すれば良く、試料液体は撥水膜５の撥水効果により電極パターン２ａ部分に留まることができる。
【００３７】
さらに試料液体が多い場合は、試料液体の入った容器にＱＣＭセンサーを浸漬して使用する。この場合、撥水膜５の撥水効果により試料液体中の成分が基板３や封止材７などの表面に吸着するのを防止できるので、検出すべき物質が減少し測定精度が低下してしまうことを防止できる。この様に試料液体の量に合わせてその使い方を適宣選択できるので、大変便利である。
【００３８】
次に以下図面を用いて本発明の第二の実施形態におけるＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造について説明する。図９に本発明の第二の実施形態におけるＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造の断面図を示す。図９に示すように、圧電振動子１に設けた励振用の金属パターン２ａ、２ｂを、基板３に設けた金属配線４ａ、４ｂに接続したＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装構造において、前記基板３には、前記圧電振動子１と前記基板３との隙間に試料液体の浸入を防止するための撥水膜５が設けてあり、前記撥水膜５は圧電振動子１に設けた励振用の金属パターン２ａ、２ｂと基板３上の金属配線４ａ、４ｂとの接続部分に開口部を有する構造となっている。
【００３９】
基板３上に設けた金属配線４ａ、４ｂと圧電振動子１に設けた励振用の金属パターン２ａ、２ｂは導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料９により電気的に接続されており、基板３上に設けた撥水膜５の撥水効果により圧電振動子１と基板３の隙間に試料液体が浸入することを防止している。
【００４０】
圧電振動子１と試料液体の濡れ性が良好な場合でも、基板３側に撥水膜５が形成されていれば圧電振動子１と基板３の隙間に試料液体が浸入することはなく、圧電振動子１と基板３の間に空気層を設けることが可能となり、試料液体にＱＣＭセンサーを浸漬した際に、圧電振動子１の一方の面は試料液体に触れ、一方の面は空気層に触れている状態が得られる。
【００４１】
次に、本発明の第二の実施形態におけるＱＣＭセンサー用圧電振動子の実装方法について図２〜図３および図９から図１３を用いて説明する。ここでは第一の実施形態と異なる行程だけを説明する。
【００４２】
図１０に示す如く本実施形態では、基板３には凸部８を設けていない。そして図１１に示すように、圧電振動子１上に設けた励振用の金属パターン２ａ、２ｂと基板３上に設けた金属配線４ａ、４ｂとの接続部分の金属配線４ａ、４ｂ上にマスキングテープ６を貼り、樹脂溶液に撥水粒子を分散させたものをスプレーで基板３上に塗布および乾燥することで撥水膜５を形成する。
【００４３】
撥水膜５は樹脂溶液に撥水粒子を分散させたものをスピンコートまたはスプレーコートにより形成する以外に、電着塗料タイプのものや感光性タイプのものを用いてパターンニングしてもよい。
【００４４】
撥水膜５の開口部は図１２に示すように、圧電振動子１上の金属パターン２ａ、２ｂと基板３上の金属配線４ａ、４ｂとの接続部分を含み、点線で示す圧電振動子１の外形以内の大きさであれば問題なく、斜線部分のようなパターンで撥水膜５を形成してもよい。
【００４５】
その後、マスキングテープ６を剥がすことにより、圧電振動子１に設けた金属パターン２ａ、２ｂと基板３上に設けた金属配線４ａ、４ｂとの接続部分に開口部を設けることができる。
【００４６】
圧電振動子１上に設けた励振用の金属パターン２ａ、２ｂと基板３上に設けた金属配線４ａ、４ｂとを導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料９を用いて電気的な接続を図９に示すように行う。
【００４７】
本実施形態ではシリコーン接着剤中に銀やパラジウムなどの導電粒子を含有した導電接着剤をディスペンサで基板３上に形成した金属配線４ａ、４ｂ上に塗布し、圧電振動子１上に形成した励振用の金属パターン２ａ、２ｂと基板３上の金属配線４ａ、４ｂとの位置あわせを行い、熱処理により導電接着剤を硬化させて、電気的接続を行った。
【００４８】
本実施形態のＱＣＭセンサーの使用方法の一例として図１３に示すような構成が考えられる。図１３は容器１４内に試料液体１８を貯留しておき、マグネチックスターラー１５で攪拌子１６を回転させ試料液体１８を攪拌し、圧電振動子１上に特定の物質を選択的に吸着させるセンサー膜を形成したＱＣＭセンサーを浸漬し、その時の圧電振動子１の周波数の変化を計測装置１７で測定し、センサー膜に吸着した物質の質量を算出する構成となっている。
【００４９】
また、図１４のように第二の実施形態のＱＣＭセンサーを試料液体１８で満たされた容器１４に浸漬した場合、圧電振動子１の外周部は封止されておらず基板３との間に隙間が存在しているが、隙間を１〜２０μｍ程度にしてあれば、基板３上に設けた撥水膜５の撥水効果により試料液体１８が圧電振動子１と基板３の隙間に浸入してくることはなく、ＱＣＭセンサーとして十分な性能を得ることができる。
【００５０】
以上の方法により圧電振動子１を基板３上に実装することで、基板３上に設けた金属配線４と圧電振動子１に設けた励振用の金属パターン２は導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料９により電気的に接続されており、基板３上に設けた撥水膜５が圧電振動子１と基板３の隙間に試料液体が浸入することを防止する構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第一の実施形態における圧電振動子の実装構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態における圧電振動子の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態における圧電振動子の製造方法を示す外観図である。
【図４】本発明の第一の実施形態における基板の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の第一の実施形態における基板の製造方法を示す外観図である。
【図６】本発明の第一の実施形態における圧電振動子の実装構造を示す断面図である。
【図７】本発明の第一の実施形態における圧電振動子の実装構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第一の実施形態における圧電振動子の製造構造を示す断面図である。
【図９】本発明の第二の実施形態における圧電振動子の実装構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第二の実施形態における基板の製造方法を示す断面図である。
【図１１】本発明の第二の実施形態における基板の製造方法を示す断面図である。
【図１２】本発明の第二の実施形態における基板の製造方法を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの使用方法を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの使用方法を示す説明図である。
【図１５】従来例における圧電振動子の実装構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  圧電振動子
２  金属パターン
３  基板
４  金属配線
５  撥水膜
６  マスキングテープ
７  封止材
８  凸部
９  接続材料
１０  受容体
１１  テトラフロロエチレンパターン
１２  空気層
１４  容器
１５  マグネチックスターラー
１６  攪拌子
１７  測定器
１８  試料液体
２０  段差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2006084316.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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