(57)【要約】【課題】高感度化および低コスト化を両立することが可能な質量測定チップを提供する。【解決手段】圧電振動片２０を備え、圧電振動片２０を発振回路素子４１に接続するためのセンサ側接続電極２４ａ，２４ｂが形成されたセンサ部１０と、発振回路素子４１を搭載し、発振回路素子４１を圧電振動片２０に接続するためのベース側接続電極４４ａ，４４ｂを形成したベース部３０とを有し、センサ側接続電極２４ａ，２４ｂをベース側接続電極４４ａ，４４ｂに着脱自在に当接させて、圧電振動片２０と発振回路素子４１とを電気的に接続した。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動片を備え、前記圧電振動片を発振回路に接続するためのセンサ側接続電極が形成されたセンサ部と、
発振回路を搭載し、前記発振回路を前記圧電振動片に接続するためのベース側接続電極を形成したベース部とを有し、
前記センサ側接続電極を前記ベース側接続電極に着脱自在に当接させて、前記圧電振動片と前記発振回路とを電気的に接続したことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項２】
請求項１に記載の質量測定チップにおいて、
前記圧電振動片は、逆メサ型圧電振動片であることを特徴とする質量測定チップ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の質量測定チップにおいて、
前記圧電振動片における一方の励振電極を露出させつつ、前記圧電振動片における他方の励振電極および前記他方の励振電極に導通する配線を密閉封止するキャップ部材を設けたことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
貫通孔を有する平板部材および前記平板部材の一方面側に配置した前記圧電振動片によって前記センサ部を構成し、
前記貫通孔を通して前記圧電振動片の励振電極を前記平板部材の他方面側に露出させ、前記圧電振動片を前記平板部材に接合して前記貫通孔を密閉封止するとともに、前記圧電振動片における前記平板部材とは反対側の表面に前記センサ側接続電極を形成したことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
平板部材および前記平板部材の一方面側に配置した前記圧電振動片によって前記センサ部を構成し、
前記平板部材に前記圧電振動片を接合して前記圧電振動片における前記平板部材側の電極を密閉封止するとともに、前記平板部材の他方面上に前記センサ側接続電極を形成したことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
台座および前記台座の表面に配置した発振回路基板によって前記ベース部を構成し、
前記発振回路基板における台座側の表面に発振回路を搭載するとともに、前記発振回路基板における前記台座とは反対側の表面に前記ベース側接続電極を形成したことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
前記圧電振動片は、前記ベース部とは反対側の表面のみに励振電極を有し、
前記ベース部における前記圧電振動片との対面位置に、前記圧電振動片における前記ベース部側の励振電極を形成したことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
前記ベース部に、前記センサ部の位置決め用突起を形成したことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項９】
請求項８に記載の質量測定チップにおいて、
前記位置決め用突起における前記センサ部との当接面に、前記ベース側接続電極を配置したことを特徴とする質量測定チップ。
【請求項１０】
請求項４ないし９のいずれかに記載の質量測定チップにおいて、
前記台座の表面に、前記発振回路基板の位置決め用突起を形成したことを特徴とする質量測定チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は質量測定チップおよび質量測定装置に係り、特に圧電振動片を用いて検体溶液における特定物質の濃度等を測定する質量測定チップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食品や生化学、環境などの分野で、特定物質の有無や濃度等を測定するため、水晶振動子マイクロバランス法が利用されている。その具体的な方法は、まず圧電振動片における一方面側の励振電極の表面に、検出すべき特定物質の感応膜を塗布する。そして、検出物質を含む検体溶液中にその圧電振動片を浸漬する。すると、検体溶液中の検出物質が感応膜と結合し、励振電極の質量が増加する。この励振電極の質量増加にともなって、圧電振動片の共振周波数が低下する。これにより、検体溶液中の特定物質の有無を判断することができる。
【０００３】
ところで、圧電振動片を検体溶液中に浸漬する際に、その両面に形成した励振電極が相互に短絡すると、圧電振動片を発振させることができなくなる。そこで、感応膜を塗布しない他方の励振電極を被覆部材等で覆うことにより、当該励振電極を検体溶液から封止して、電極間の短絡を防止する必要がある。
【０００４】
図１２に、特許文献１に記載された質量測定チップの説明図を示す。なお、図１２（１）は平面図であり、図１２（２）は図１２（１）のＧ−Ｇ線における側面断面図である。この質量測定チップ８０３は、矩形状の圧電平板の両面に円形状の励振電極８２２ａ，８２２ｂを形成した圧電振動片８２０を備えている。また、圧電振動片５２０の一方面側には、絶縁性薄板からなる被覆部材８５０が接着剤８５８によって接着されている。これにより、一方面側の励振電極８２２ｂが検体溶液から封止され、電極間の短絡が防止されている。さらに、各励振電極にはリード線８２４が取り付けられ、リード線８２４の検体溶液に浸漬する部分は接着剤８５８によって被覆されている。
【０００５】
図１３に、従来の質量測定装置の説明図を示す。質量測定装置８０１において、上述した質量測定チップ８０３は外部の発振回路８４０に接続されている。質量の測定は、励振電極８２２ａの表面に上述した感応膜（不図示）を塗布した上で、質量測定チップ８０３を検体溶液７中に浸漬して行う。まず、発振回路８４０から質量測定チップ８０３における圧電振動片に通電して圧電振動片を発振させ、周波数カウンタ５によって圧電振動片の共振周波数を測定する。上述したように、検体溶液中の特定物質が感応膜と結合し、励振電極の質量が増加すると、圧電振動片の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等をコンピュータ６によって解析することにより、検体溶液中の特定物質の濃度等を算出する。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１３８１２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近時、質量測定チップには高感度化が要求されている。質量測定チップを高感度化するには、圧電振動片を高周波化する必要がある。しかし、高周波の圧電振動片を検体溶液に浸漬した状態で使用すると発振が不安定になる。特に、図１３に示すように、高周波の圧電振動片と発振回路８４０との電気長が長い場合には、伝送経路の損失が増加するので圧電振動片の発振が不安定になる。そのため、質量測定チップの高感度化に対応することができないという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するには、質量測定チップに発振回路素子を搭載して、圧電振動片との電気長を短くすればよい。ところが、質量測定チップは微少質量を測定するものであり、一度測定に使用した質量測定チップを洗浄したとしても、再利用することはできない。そのため、高価な発振回路素子を使用済みの質量測定チップとともに廃棄することになり、質量測定に多大なコストを要するという問題がある。
本発明は上記問題点に着目し、高感度化および低コスト化を両立することが可能な、質量測定チップおよび質量測定装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る質量測定チップは、圧電振動片を備え、前記圧電振動片を発振回路に接続するためのセンサ側接続電極が形成されたセンサ部と、発振回路を搭載し、前記発振回路を前記圧電振動片に接続するためのベース側接続電極を形成したベース部とを有し、前記センサ側接続電極を前記ベース側接続電極に着脱自在に当接させて、前記圧電振動片と前記発振回路とを電気的に接続した構成とした。
【００１０】
質量測定チップに発振回路を搭載することにより、圧電振動片と発振回路との電気長が短くなって伝送回路の損失が低下する。これにより、高周波の圧電振動片を検体溶液中で使用した場合でも、発振の不安定を解消することができる。したがって、質量測定チップの高感度化に対応することができる。しかも、質量測定センサをセンサ部とベース部に分離し、センサ部をベース部に着脱可能に当接させる構成としたので、使用済みのセンサ部だけを廃棄して、高価な発振回路を再利用することができる。したがって、高感度化および低コスト化を両立することができる。
【００１１】
なお、前記圧電振動片は、逆メサ型圧電振動片であってもよい。逆メサ型圧電振動片では、周縁の厚肉部により中央の薄肉振動部が保護されるので、外力による振動部の破壊を防止することができる。これにより、高周波の圧電振動片が利用可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００１２】
また、前記圧電振動片における一方の励振電極を露出させつつ、前記圧電振動片における他方の励振電極および前記他方の励振電極に導通する配線を密閉封止するキャップ部材を設けてもよい。これにより、質量測定を可能としつつ、検体溶液の流入による配線間の短絡を防止することができる。したがって、質量測定チップを検体溶液に浸漬して使用することができる。
【００１３】
また、貫通孔を有する平板部材および前記平板部材の一方面側に配置した前記圧電振動片によって前記センサ部を構成し、前記貫通孔を通して前記圧電振動片の励振電極を前記平板部材の他方面側に露出させ、前記圧電振動片を前記平板部材に接合して前記貫通孔を密閉封止するとともに、前記圧電振動片における前記平板部材とは反対側の表面に前記センサ側接続電極を形成してもよい。また、平板部材および前記平板部材の一方面側に配置した前記圧電振動片によって前記センサ部を構成し、前記平板部材に前記圧電振動片を接合して前記圧電振動片における前記平板部材側の電極を密閉封止するとともに、前記平板部材の他方面上に前記センサ側接続電極を形成してもよい。
【００１４】
圧電振動片を平板部材に接合してセンサ部を構成するので、肉厚の薄い圧電振動片の場合でも、実装時の加圧や接着剤の固化により圧電振動片に大きな応力が作用することはなく、圧電振動片の破損を防止することができる。したがって、肉厚の薄い高周波の圧電振動片が利用可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。また、圧電振動片を平板部材に接合してセンサ部を構成するので、圧電振動片を小型化した場合でも、製造工程における取り扱いが容易になる。したがって、質量測定チップを小型化することができる。
【００１５】
また、台座および前記台座の表面に配置した発振回路基板によって前記ベース部を構成し、前記発振回路基板における台座側の表面に発振回路を搭載するとともに、前記発振回路基板における前記台座とは反対側の表面に前記ベース側接続電極を形成してもよい。これにより、機能の異なる発振回路を搭載した発振回路基板を、必要に応じて交換して使用することができる。
【００１６】
また前記圧電振動片は、前記ベース部とは反対側の表面のみに励振電極を有し、前記ベース部における前記圧電振動片との対面位置に、前記圧電振動片における前記ベース部側の励振電極を形成してもよい。これにより、ベース部側の励振電極と発振回路との電気長が最短となり、伝送回路の損失を最小化することができる。これにより、高周波の圧電振動片を検体溶液中で使用した場合でも、発振の不安定を解消することが可能となる。したがって、質量測定チップの高感度化に対応することができる。
【００１７】
また前記ベース部に、前記センサ部の位置決め用突起を形成してもよい。これにより、ベース部の上面にセンサ部を載置する際に、ベース側接続電極とセンサ側接続電極との位置が相互にずれることがなくなり、両者の導通を確保することができる。
【００１８】
また、前記位置決め用突起における前記センサ部との当接面に、前記ベース側接続電極を配置してもよい。これにより、ベース側接続電極とセンサ側接続電極との導通を確実に取ることができる。
【００１９】
また前記台座の表面に、前記発振回路基板の位置決め用突起を形成してもよい。これにより、台座の表面に発振回路基板を載置する際に、両者の導通を確保することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る質量測定チップおよび質量測定装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお、以下に記載するのは本発明の実施形態の一態様にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
最初に、第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態に係る質量測定チップの説明図であって、図２のＡ−Ａ線における側面断面図である。また、図２は第１実施形態に係る質量測定チップの平面図である。第１実施形態に係る質量測定チップは、圧電振動片２０を発振回路素子４１に接続するためのセンサ側接続電極２４ａ，２４ｂが形成されたセンサ部１０と、発振回路素子４１を圧電振動片２０に接続するためのベース側接続電極４４ａ，４４ｂを形成したベース部３０とを有し、センサ側接続電極２４ａ，２４ｂをベース側接続電極４４ａ，４４ｂに着脱自在に当接させたものである。加えて、圧電振動片２０における一方の励振電極２２ａを露出させつつ、他方の励振電極２２ｂおよびこれに導通する配線を密閉封止するキャップ部材５０を設けたものである。
【００２２】
第１実施形態に係る質量測定チップは、従来の質量測定チップを高感度化したものである。質量測定チップの感度は、次式で表すことができる。
【数１】
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ただし、ｄｆは圧電振動片の共振周波数の変化量、ｆ０は圧電振動片の共振周波数の初期値、ρは圧電材料の密度、μは圧電材料のせん断応力、ｄｍは励振電極に結合した検出物質の質量、Ａは励振電極の面積である。上式からわかるように、圧電振動片の共振周波数の初期値ｆ０が高いほど、その変化量ｄｆが大きくなり、質量測定チップが高感度化する。例えば、ｆ０を従来の２７ＭＨｚから１５０ＭＨｚまで高周波化すれば、感度を３０倍にすることができる。そして圧電振動片を高周波化するには、圧電振動片の振動部における肉厚を薄くすればよい。
【００２３】
図３に、センサ部の説明図を示す。なお、図３（１）は図３（２）のＣ−Ｃ線における側面断面図であり、図３（２）は底面図である。センサ部１０は、主に圧電振動片２０および平板部材１１によって構成する。第１実施形態では、圧電振動片２０としていわゆる逆メサ型圧電振動片を使用する。逆メサ型圧電振動片は、水晶等の圧電材料を平板状に切り出し、その中央に凹部を形成して薄肉化し、その薄肉部の両面に励振電極２２ａ，２２ｂを形成したものである。また、圧電振動片２０の周縁の厚肉部には、励振電極２２ａ，２２ｂと導通する接続電極２４ａ，２４ｂを形成する。さらに、圧電振動片２０の上面側の接続電極２４ａを側面および下面に延長して、圧電振動片２０の下面にセンサ部側接続電極２４ａ，２４ｂを形成する。なお、各電極はＡｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層によって構成する。このような逆メサ型圧電振動片では、周縁の厚肉部により中央の薄肉振動部が保護されるので、外力による振動部の破壊を防止することができる。これにより、高周波の圧電振動片が利用可能となり、質量測定チップを高感度化することができる。
【００２４】
また、圧電振動片２０を接合する平板部材１１を形成する。平板部材１１は、圧電材料と同等の熱膨張係数を有するガラス材料やセラミック材料等で構成するのが好ましい。これにより、平板部材１１および圧電振動片２０の熱膨張率および熱収縮率が同等となるので、両者の接合部における破壊を防止することができる。また、振動片への応力の影響も最小限に押さえることができる。一方、平板部材１１の中央部には貫通孔１２を形成する。貫通孔１２は、図２に示す矩形や円形など任意の形状に形成すればよいが、少なくとも圧電振動片２０の上面側における励振電極２２ａの全体が貫通孔１２を通して平板部材１１の上面側に露出する大きさに形成する。そして、平板部材１１の下面側に圧電振動片２０を配置し、圧電振動片２０の周縁厚肉部を平板部材１１の貫通孔１２の周辺部に対して接着剤１８等により接合する。接着剤１８として、電気絶縁性を有するシリコン系の接着剤等を使用する。なお、貫通孔１２を密閉封止すべく、貫通孔１２の周辺部の全周を接着剤１８等により接合する。
【００２５】
図４に、センサ部の変形例の説明図を示す。図３に示すセンサ部１０に代えて、図４に示すセンサ部１１０を使用することも可能である。この変形例に係るセンサ部１１０の圧電振動片１２０は、図３のセンサ部１０の圧電振動片２０と同様に形成する。一方、平板部材１１１の下面には、センサ側接続電極１１４ａ，１１４ｂを形成する。なお、平板部材１１１の上面には圧電振動片の接続電極１２４ａ，１２４ｂに対応する電極パッドを形成し、スルーホールを通じてセンサ側接続電極１１４ａ，１１４ｂとの導通を確保する。ここで、変形例に係るセンサ部１１０では、平板部材１１１の上面側に圧電振動片１２０を配置する。そして、圧電振動片の接続電極１２４ａ，１２４ｂと、平板部材１１１の電極パッドとを、Ａｇペースト等の導電性接着剤１１８を介して接合する。さらに、圧電振動片１２０の全周にわたって、圧電振動片１２０の側面と平板部材の上面との角部に、電気絶縁性を有するシリコン系の封止剤１１９等を塗布する。これにより、圧電振動片１２０における下面側の各電極が密閉封止され、上面側の各電極との短絡が防止される。なお、平板部材１１１の代わりに、リードフレームを樹脂モールドしたものを使用してもよい。
【００２６】
図５に、ベース部の説明図を示す。ベース部３０は、主に発振回路基板４０と台座３２とによって構成する。発振回路基板４０は、主に発振回路素子４１と基板４３とによって構成する。基板４３は、セラミックやエポキシ等の電気絶縁性を有する材料によって構成する。基板４３の上面には、センサ側接続電極２４ａ，２４ｂ（図３参照）に対応して、ベース側接続電極４４ａ，４４ｂを形成する。なお、基板４３の下面には発振回路素子４１を実装する電極パッドを形成し、スルーホールを通じてベース側接続電極４４ａ，４４ｂとの導通を確保する。また基板４３の下面には、発振回路素子４１と周波数カウンタ５（図７参照）との導通を図るため、配線パターン４６を形成する。
【００２７】
一方、発振回路素子４１は、発振回路を構成する集積回路素子（ＩＣ）である。この発振回路素子４１の電極パッド部（不図示）に、金属ワイヤを用いたスタッドバンプ形成装置を使用して、バンプ４２を形成する。そして、基板４３の下面に形成された電極パッドおよび配線パターン４６に対して、フリップチップボンディングを行うことにより、発振回路素子４１を電気的および機械的に接続する。なおフリップチップボンディングには、加熱加圧による圧着および超音波印加による圧着のいずれを採用してもよい。
【００２８】
一方、台座３２はプラスチック材料等により成形する。台座３２の上面には、発振回路基板４０の配線パターン４６に対応する電極パッド３６を設ける。この電極パッド３６から信号入出力部３７にかけて、台座３２の内部に配線を埋設する。なお、信号入出力部３７から周波数カウンタ５（図７参照）への配線は、ビニルチューブ３８等で被覆する。また、台座３２上面の中央部には、発振回路素子４１を挿入可能な大きさの凹部３４を形成する。そして、その凹部３４に発振回路素子４１を挿入しつつ、発振回路基板４０を台座３２の上面に載置する。その際、発振回路基板４０の配線パターン４６を台座３２の電極パッド３６に当接させ、導電性接着剤等により両者を接続する。これにより、発振回路素子４１と周波数カウンタ５（図７参照）との導通が確保される。
【００２９】
ところで、発振回路素子４１として、通常の発振回路に温度補償回路等を付加したものを使用する場合がある。第１実施形態に係る質量測定チップでは、通常の発振回路素子を搭載した発振回路基板と、温度補償回路等を付加した発振回路素子を搭載した発振回路基板とを、必要に応じて交換して使用することも可能である。この場合には、台座３２の電極パッド３６に対して、発振回路基板４０の配線パターン４６を着脱自在に当接させた状態で使用する。
【００３０】
そして、図１に示すように、ベース部３０の上面にセンサ部１０を載置する。その際、ベース部３０における基板４３の上面に形成したベース側接続電極４４ａ，４４ｂに対して、センサ部１０における圧電振動片２０の下面に形成したセンサ側接続電極２４ａ，２４ｂを、着脱自在に当接させる。これにより、発振回路素子４１から圧電振動片２０の励振電極２２ａ，２２ｂに対して通電可能となる。
【００３１】
さらに、センサ部１０における平板部材１１の上面周縁部に、リング状のゴムパッキン５８を装着する。そして、センサ部１０の上方からキャップ部材５０をかぶせて、ベース部３０における台座３２の側面に螺合させる。キャップ部材５０はプラスチック材料等で構成する。その上面中央部には貫通孔５２を形成し、図２に示すように圧電振動片２０の上方の励振電極２２ａを露出させる。また、キャップ部材５０の上面周縁部によりゴムパッキン５８を平板部材１１に押し付けて、貫通孔５２を密閉封止する。これと同時に、センサ部１０をベース部３０に押し付け、また発振回路基板４０を台座３２に押し付けて、それぞれの導通を確保する。さらに、キャップ部材５０を台座３２に螺合させることにより、キャップ部材５０の下部を密閉封止する。以上により、圧電振動片２０の下方の励振電極２２ｂおよびこれに導通する各配線がキャップ部材５０の内部に密閉封止され、検体溶液７（図７参照）の流入による配線間の短絡が防止される。
以上により、本実施形態に係る質量測定チップ３が完成する。
【００３２】
図６に、キャップ部材の変形例の説明図を示す。変形例に係るキャップ部材１５０は、ゴム材料等により中空円筒状に形成する。なお、上下両端面の中央部には貫通孔１５２を形成する。そして、下端面の貫通孔を拡径し、センサ部１１０の上方からベース部１３０の中段にかけて、キャップ部材１５０をかぶせる。キャップ部材１５０の上端面は、センサ部１１０における平板部材１１１の上面に当接させる。またキャップ部材１５０の下端面は、台座１３２の側面全周に形成した溝部１３３に係合させる。これにより、キャップ部材１５０の内部が密閉封止され、検体溶液７（図７参照）の流入による配線間の短絡が防止される。
【００３３】
次に、上述した本実施形態に係る質量測定チップの使用方法について説明する。
図７に、第１実施形態に係る質量測定装置の説明図を示す。第１実施形態に係る質量測定チップ３は、周波数カウンタ５に接続する。周波数カウンタ５は、質量測定チップ３における圧電振動片の共振周波数を測定する。また、周波数カウンタ５はコンピュータ６に接続する。コンピュータ６は、周波数カウンタ５が測定した圧電振動片の共振周波数から、励振電極に付着した検出物質の質量を算出する。加えて、検出物質の付着量の経時変化から、検体溶液７中における検出物質の濃度等を解析し得るようにコンピュータ６を構成するのが好ましい。
【００３４】
質量測定の具体的手順は以下の通りである。まず、図１に示す質量測定チップ３において、圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに検出物質の感応膜を塗布する。次に、発振回路素子４１から圧電振動片２０に通電して圧電振動片２０を発振させる。なお、図７に示す周波数カウンタ５により、圧電振動片の共振周波数を連続的に計測しておく。そして、図７に示すように、検体溶液７中に質量測定チップ３を浸漬する。検体溶液７中では、圧電振動片の励振電極上の感応膜に対して検出物質が結合する。これにより励振電極の質量が増加して、圧電振動片の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等をコンピュータ６で解析することにより、検出物質の有無および濃度等を算出する。
【００３５】
なお、質量測定チップを検体溶液に浸漬して使用するだけでなく、質量測定チップに検体溶液を滴下して使用することも可能である。具体的には、図１に示す質量測定チップ３において、圧電振動片２０の上面側の励振電極２２ａに検出物質の感応膜を塗布した後、貫通孔１２を通して検体溶液を滴下すればよい。なお、検体溶液を滴下して使用する場合には、キャップ部材５０により質量測定チップ３の内部を密閉封止する必要がない。したがって、キャップ部材５０を装着することなく質量測定チップを使用することも可能である。一方、質量測定チップを検体ガスに暴露して使用することにより、検体ガス中の検出物質の質量を測定することも可能である。
【００３６】
ところで、質量測定チップは微少質量を測定するものであるから、一度測定に使用した圧電振動片を洗浄したとしても、これを再利用することはできない。そこで、質量測定チップによる再測定を行う前に、センサ部の交換を行う。図１に示す質量測定チップ３において、センサ部１０を交換するには、まずキャップ部材５０を取り外す。次に、ベース部３０からセンサ部１０およびゴムパッキン５８を分離する。なお、使用済みのセンサ部１０は廃棄する。そして、新しいセンサ部１０をベース部３０の上面に載置する。その後、ゴムパッキン５８を装着し、キャップ部材５０を装着すれば、質量測定チップ３におけるセンサ部１０の交換が完了する。
以上に詳述した第１実施形態に係る質量測定チップにより、高感度化および低コスト化を両立することができる。
【００３７】
すなわち、第１実施形態に係る質量測定チップでは、圧電振動片を発振回路素子に接続するためのセンサ側接続電極が形成されたセンサ部と、発振回路素子を圧電振動片に接続するためのベース側接続電極を形成したベース部とを有し、センサ側接続電極をベース側接続電極に着脱自在に当接させる構成とした。質量測定チップに発振回路を搭載することにより、圧電振動片と発振回路との電気長が短くなって伝送回路の損失が低下する。これにより、高周波の圧電振動片を検体溶液中で使用した場合でも、発振の不安定を解消することができる。したがって、質量測定チップの高感度化に対応することができる。
【００３８】
しかも、質量測定センサをセンサ部とベース部に分離し、センサ部をベース部に着脱可能に当接させる構成としたので、使用済みのセンサ部だけを廃棄して、高価な発振回路を再利用することができる。したがって、高感度化および低コスト化を両立することができる。
【００３９】
なお、第１実施形態に係る質量測定チップでは、図１に示すように、センサ部１０における平板部材１１、ならびにベース部３０における発振回路基板４０および台座３２を、平面視円形状に形成した。これは、図１および図２に示すように、円筒状のキャップ部材５０を使用して質量測定チップを密閉封止するためである。したがって、円筒状のキャップ部材５０以外の手段により質量測定チップを密閉封止する場合には、上記各部材を平面視矩形状に形成することも可能である。
【００４０】
また、第１実施形態に係る質量測定チップでは、１個の圧電振動片および１個の発振回路素子のみを搭載した。この場合、１回の測定により１種類の物質のみを検出することができる。近時では、１回の測定により多種類の物質を検出可能とするため、質量測定チップのマルチセンサ化が求められている。この点、第１実施形態と同様の構成により、複数の圧電振動片および複数の発振回路素子を搭載した質量測定チップを形成することも可能である。具体的には、平板部材に複数の貫通孔を形成し、これに複数の圧電振動片を接合してセンサ部を形成する。また、発振回路基板にも複数の発振回路素子を搭載してベース部を形成する。そして、このベース部およびセンサ部を組み合わせればよい。これにより、質量測定チップのマルチセンサ化に対応することができる。
【００４１】
次に、第２実施形態について説明する。
図８に、第２実施形態に係る質量測定チップの説明図を示す。なお図８では、ベース部２３０における台座の記載を省略している。第２実施形態に係る質量測定チップ２０３は、圧電振動片２２０におけるベース部２３０とは反対側の表面のみに励振電極２２２ａを形成し、ベース部２３０における圧電振動片２２０との対面位置に、圧電振動片２２０におけるベース部側の励振電極２２２ｂを形成したものである。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その説明を省略する。
【００４２】
第２実施形態に係る質量測定チップ２０３の圧電振動片２２０は、薄肉振動部の上面のみに励振電極２２２ａを形成する。なお、励振電極２２２ａと導通する接続電極２２４ａを周縁の厚肉部に形成し、これを圧電振動片２２０の側面および下面に延長して、センサ側接続電極２２４ａを形成する。そして、圧電振動片２２０の下面側の励振電極２２２ｂを、ベース部２３０における発振回路基板２４０の上面に形成する。なお、圧電振動片２２０の表面から励振電極２２２ｂが離れていても、圧電振動片２２０を駆動することは可能である。
【００４３】
第２実施形態に係る質量測定チップでは、圧電振動片の下面側の励振電極を発振回路基板の上面に形成したので、励振電極と発振回路との電気長が最短となり、伝送回路の損失を最小化することができる。これにより、高周波の圧電振動片を検体溶液中で使用した場合でも、発振の不安定を解消することが可能となる。したがって、質量測定チップの高感度化に対応することができる。
【００４４】
なお、水晶振動子マイクロバランス法は、所定の雰囲気温度で行う必要がある。ここで、逆メサ型圧電振動片は、雰囲気温度のわずかな変化により共振周波数が変化し、測定精度が低下するおそれがある。その原因として、逆メサ型圧電振動片は振動部の厚さに対する励振電極の厚さの比率が大きく、励振電極の影響を強く受けることが考えられる。この点、第２実施形態では、逆メサ型圧電振動片の振動部表面から一定距離をおいて励振電極を配置したので、励振電極の影響を受けることがない。これにより、温度変化に対する共振周波数の変化が小さくなり、逆メサ型圧電振動片の周波数温度特性を改善することができる。したがって、質量測定の精度を向上させることができる。
【００４５】
次に、第３実施形態について説明する。
図９に、第３実施形態に係る質量測定チップの説明図を示す。なお図９では、ベース部３３０における台座の記載を省略している。第３実施形態に係る質量測定チップは、センサ部３１０の位置決め用突起３４８を、ベース部３３０に形成したものである。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その説明を省略する。
【００４６】
第３実施形態では、ベース部３３０における発振回路基板３４０の上面に、圧電振動片の位置決め用突起３４８を形成する。例えば、基板３４３のパターンを形成したセラミックシートに、突起３４８のパターンを形成したセラミックシートを積層・焼成して、基板３４３とともに位置決め用突起３４８を形成する。突起３４８は、矩形の圧電振動片３２０における対向する側面を支持できる位置に形成する。なお、圧電振動片３２０を位置決めすることにより、センサ部全体を位置決めすることができる。
【００４７】
第３実施形態では、ベース部の位置決め用突起を設けたので、ベース部の上面にセンサ部を載置する際に、ベース側接続電極とセンサ側接続電極との位置が相互にずれることがなくなり、両者の導通を確保することができる。
【００４８】
なお、図１に示す質量測定チップでは、キャップ部材５０を台座３２に締め込む際に、ベース部３０に対してセンサ部１０が回転するおそれがある。しかし第３実施形態では、圧電振動片の位置決め用突起を設けたので、センサ部の回転を防止することが可能となる。したがって、ベース側接続電極とセンサ側接続電極との位置が相互にずれることがなくなり、両者の導通を確保することができる。
【００４９】
次に、第４実施形態について説明する。
図１０に、第４実施形態に係る質量測定チップの説明図を示す。なお図１０では、ベース部における台座の記載を省略している。第４実施形態に係る質量測定チップは、位置決め用突起４４８における圧電振動片４２０との当接面に、ベース側接続電極４４４ａ，４４４ｂを配置したものである。なお、第１および第３実施形態と同様の構成となる部分については、その説明を省略する。
【００５０】
第４実施形態では、第３実施形態と同様に位置決め用突起４４８を形成する。これに加えて第４実施形態では、位置決め用突起４４８における圧電振動片４２０との当接面に、ベース側接続電極４４４ａ，４４４ｂを配置する。具体的には、突起４４８の上面または基板４４３の上面に形成した電極を、位置決め用突起４４８の内側面に延長して、ベース側接続電極４４４ａ，４４４ｂを形成する。一方、圧電振動片４２０の接続電極４２４ａ，４２４ｂも、それぞれ圧電振動片４２０の側面に延長して、センサ側接続電極４２４ａ，４２４ｂを形成する。そして、圧電振動片４２０を一対の位置決め用突起４４８の間に挿入することにより、センサ側接続電極４２４ａ，４２４ｂをベース側接続電極４４４ａ，４４４ｂに当接させる。これにより、発振回路素子４４１から圧電振動片４２０に対して通電可能となる。
【００５１】
第４実施形態では、位置決め用突起における圧電振動片との当接面にベース側接続電極を配置したので、ベース側接続電極とセンサ側接続電極との導通を確実に取ることができる。また、センサ側接続電極を圧電振動片の側面に形成したので、圧電振動片は上下に対称となる。これにより、平板部材に対する圧電振動片の誤組み付けを防止することができる。
【００５２】
次に、第５実施形態について説明する。
図１１に、第５実施形態に係る質量測定チップの説明図を示す。第５実施形態に係る質量測定チップは、発振回路基板５４０の位置決め用突起５３９を台座５３２に設けたものである。なお、第１および第３実施形態と同様の構成となる部分については、その説明を省略する。
【００５３】
第５実施形態では、台座５３２の上面に、基板５４３の位置決め用突起５３９を設ける。突起５３９は、台座５３２と一体成形してもよいし、別部材を付加して形成してもよい。また突起５３９の形状は、図９における一対の突起３４８と同様に、対向する平行面を形成しうる形状とする。この場合、基板５４３には突起５３９に対応する平行な側面を形成する。なお、突起５３９をピン形状とし、基板５４３に係合穴を設けてもよい。上記に加えて、第３実施形態と同様に、センサ部の位置決め用突起５４８を発振回路基板５４０に形成してもよい。
【００５４】
第５実施形態では、発振回路基板の位置決め用突起を台座に設けたので、台座の上面に発振回路基板を載置する際に、台座の電極パッドと発振回路基板の配線パターンとの位置が相互にずれることがなくなり、両者の導通を確保することができる。なお、第１実施形態で述べたように、台座に載置した通常の発振回路基板を、温度補償回路等を付加した発振回路基板に交換して使用する場合がある。第５実施形態に係る質量測定チップでは、このように発振回路基板を交換して使用する際に、台座の電極パッドと発振回路基板の配線パターンとの位置を簡単に合わせることが可能となる。
【００５５】
なお、上述した各実施形態では、本発明に係る質量測定装置を検体溶液中の特定物質の質量を測定する装置として使用する方法について説明したが、本発明に係る質量測定装置は、例えばメッキ膜厚モニタや粘度計、密度計、イオンセンサ、においセンサなどにも使用することが可能である。まず、メッキ膜厚モニタとして使用する場合には、メッキ対象物とともに質量測定チップをメッキ液中に浸漬する。この場合、励振電極の表面に付着したメッキ膜厚の増加とともに、圧電振動片の共振周波数が低下する。したがって、メッキ対象物のメッキ膜厚を検知することができる。また、イオンセンサとして使用する場合には、感応膜としてイオン吸着物質を塗布すればよい。また、においセンサとして使用する場合には、感応膜としてにおい成分の吸着物質を塗布すればよい。
【００５６】
一方、粘度計として使用する場合には、質量測定チップを被測定流体中に浸漬する。この場合、被測定流体の粘度の増加とともに、圧電振動片の共振周波数が変化する。したがって、被測定流体の粘度を検知することができる。なお、質量測定チップの感度は、液体の粘度による周波数変化として次式が導かれている。
【数２】
2004264254.tif 000004
ただし、ｄｆは圧電振動片の共振周波数の変化量、ｆ０は圧電振動片の共振周波数の初期値、ηは液体の粘度、ρＬは液体の密度、μは圧電材料の弾性率、ρは圧電材料の密度である。数２によれば液体の粘度または密度のどちらか一方を一定とすれば、液体の密度変化または粘度変化を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る質量測定チップの側面断面図である。
【図２】第１実施形態に係る質量測定チップの平面図である。
【図３】センサ部の説明図である。
【図４】センサ部の変形例の説明図である。
【図５】ベース部の説明図である。
【図６】キャップ部材の変形例の説明図である。
【図７】第１実施形態に係る質量測定装置の説明図である。
【図８】第２実施形態に係る質量測定チップの説明図である。
【図９】第３実施形態に係る質量測定チップの説明図である。
【図１０】第４実施形態に係る質量測定チップの説明図である。
【図１１】第５実施形態に係る質量測定チップの説明図である。
【図１２】従来技術に係る質量測定チップの説明図である。
【図１３】従来技術に係る質量測定装置の説明図である。
【符号の説明】
３………質量測定チップ、１０………センサ部、１１………平板部材、２０………圧電振動片、２２ａ，２２ｂ………励振電極、２４ａ，２４ｂ………センサ側接続電極、３０………ベース部、３２………台座、４０………発振回路基板、４１………発振回路素子、４３………基板、４４ａ，４４ｂ………ベース側接続電極、５０………キャップ部材、５８………ゴムパッキン。
【図１】
2004264254.tif 000005
【図２】
2004264254.tif 000006
【図３】
2004264254.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004264254.tif 000011
【図８】
2004264254.tif 000012
【図９】
2004264254.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
2004264254.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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