(57)【要約】【課題】作製工程を簡略化しつつ実装の自由度を向上させることができる圧電振動子及び質量センサを提供する。【解決手段】本発明の圧電振動子及び質量センサは、表面に浮遊電極が配設された圧電基板と、前記圧電基板の裏面と対向する面上に一対の励振電極が配設された絶縁基板と、を備え、前記圧電基板及び前記絶縁基板は所定の間隔で配置されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に浮遊電極が配設された圧電基板と、
前記圧電基板の裏面と対向する面上に一対の励振電極が配設された絶縁基板と、
を備え、
前記圧電基板及び前記絶縁基板は所定の間隔で配置される圧電振動子。
【請求項２】
前記浮遊電極は、前記一対の励振電極の間を通って前記圧電基板の板面に直交する直線上に配置される、請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
前記所定の間隔は５００μｍ以下である、請求項１又は２に記載の圧電振動子。
【請求項４】
前記圧電基板と前記絶縁基板とを隔てる隔壁をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電振動子。
【請求項５】
前記隔壁は、前記圧電基板を含む閉空間を区画する、請求項４に記載の圧電振動子。
【請求項６】
前記浮遊電極は、前記一対の励振電極よりも、前記圧電基板に沿う方向における幅が大きい、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電振動子。
【請求項７】
前記浮遊電極は、前記一対の励振電極よりも、前記圧電基板に沿う方向における幅が小さい、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電振動子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電振動子を備え、
前記圧電基板の共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊電極に付着した物質の質量を検出する質量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子及び質量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶等の圧電体を用いて形成された圧電振動子の表面に何らかの物質が付着すると、その質量に応じて圧電振動子の共振周波数が変化することが知られている。従前より、圧電振動子のこのような性質を利用して極めて微量な質量を検出する質量センサが開発されている。例えば、圧電振動子として水晶振動子を用いたＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサが知られている。
【０００３】
圧電振動子を用いた質量検出は、抗原抗体反応を利用する質量変化を伴うバイオ診断系を中心とした幅広い検出対象系に利用することができる。しかしながら、一般に、圧電振動子は圧電基板に電界発生用の電極を設置した構成をとっており、実装の自由度が制限されていた。そこで、例えばアンテナを用いて誘導電圧を発生させることで、電極を必要とせずに振動を発生させる無線式の圧電振動子が開発されている（例えば、特許文献１参照）。また、本発明者らによって、圧電基板の片面（表面）に励振電極を設け、裏面に導電性膜を設けることで、裏面への配線を不要とした片面励起型の圧電振動子が開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２６０９９号公報
【特許文献２】特開２００８−２１５９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された無線式の圧電振動子によると、圧電振動子に配線を構成することが不要であるので、実装の自由度を高めることができる。しかし、このような無線式の圧電振動子では、アンテナを介して誘導電圧を発生させるために特殊な回路が必要なことが課題だった。また、特許文献２に開示された片面励起型の圧電振動子では、表面の配線は不要であるが裏面への配線は依然として必要であり、実装の自由度に改善の余地があった。
【０００６】
従って、上記のような課題に鑑みてなされた本発明の目的は、両面に電極がある一般的な圧電振動子と比較し作製工程が簡単でかつ特殊な回路を使用せずに実装の自由度を向上させることができる圧電振動子及び質量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の圧電振動子は、表面に浮遊電極が配設された圧電基板と、前記圧電基板の裏面と対向する面上に一対の励振電極が配設された絶縁基板と、を備え、前記圧電基板及び前記絶縁基板は所定の間隔で配置されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の圧電振動子は、前記浮遊電極が前記一対の励振電極の間を通って前記圧電基板の板面に直交する直線上に配置されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の圧電振動子は、前記所定の間隔が５００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の圧電振動子は、前記圧電基板と前記絶縁基板とを隔てる隔壁をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の圧電振動子は、前記隔壁が前記圧電基板を含む閉空間を区画することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の圧電振動子は、前記浮遊電極が前記一対の励振電極よりも前記圧電基板に沿う方向における幅が大きいことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の圧電振動子は、前記浮遊電極が前記一対の励振電極よりも前記圧電基板に沿う方向における幅が小さいことを特徴とする。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明の質量センサは、上記いずれかの圧電振動子を備え、前記圧電基板の共振周波数の変化に基づいて、前記浮遊電極に付着した物質の質量を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧電振動子及び質量センサによれば、作製工程を簡略化しつつ実装の自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電振動子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る圧電振動子の概略構成を示す側面断面図である。
【図３】間隔Ｈを変化させたときの圧電振動子のインピーダンススペクトルの測定結果を示す図である。
【図４】間隔Ｈ＝０μｍ、１００μｍ、３００μｍ及び５００μｍのときの各質量負荷に対する共振周波数変化の理論値と実験値とを示す図である。
【図５】圧電振動子における間隔Ｈと周波数安定性との関係を示す図である。
【図６】圧電振動子の変形例を示す図である。
【図７】圧電振動子の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電振動子１の概略構成を示す斜視図である。また、図２は、圧電振動子１の概略構成を示す側面断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る圧電振動子１は、浮遊電極２と、圧電基板３と、一対の励振電極４ａ，４ｂと、絶縁基板５とを備える。なお、浮遊電極２及び圧電基板３は、他の構成から独立した構成であり、図１は他の構成から離した状態を示し、図２は他の構成と一体とした状態を示している。また、図１及び図２は、各構成の厚みや幅等の関係を正確に縮尺したものではない。
【００１９】
浮遊電極２は、圧電基板３の片面（表面）に配設される。具体的には、浮遊電極２は、圧電基板３の絶縁基板５と対向する面（裏面）と反対側の面上に配設される。また、浮遊電極２は、任意の導電性材料を成膜して形成される。浮遊電極２を形成する導電性材料としては、例えば、金、白金、チタン、クロム、アルミニウム、ニッケル、ニッケル系合金、銀等の金属；シリコン；カーボン；カーボンナノチューブ；ポリピロール、ポリアニリン等の合成有機高分子；ＤＮＡ等の生体由来の有機高分子等が挙げられ、好ましくは金、白金、銀、クロム等が用いられる。
【００２０】
浮遊電極２は、感応膜として機能し得る。この場合、本実施形態に係る圧電振動子１は、検出対象の電荷状態に敏感に反応し得るセンサとして機能する。浮遊電極２は、導電性材料以外の他の成分を含んでもよい。他の成分としては、例えば、検出対象等に応じて、任意の適切な材料が採用できる。具体的には、検出対象が低分子化学物質や金属等のイオン性物質等の場合（すなわち、圧電振動子１が化学センサとして機能する場合）、浮遊電極２は、サイクロデキストリン等の包摂化合物、イオン応答性高分子、キレート化合物等を含んでもよい。また、検出対象が核酸、タンパク質、糖、ホルモン、ペプチド等の生体物質；微生物；ウイルス；細胞等の場合（すなわち、圧電振動子１がバイオセンサとして機能する場合）、浮遊電極２は、核酸；ＤＮＡオリゴマー、ＲＮＡオリゴマー等の合成核酸；抗体；ペプチド；酵素；受容体等を含んでもよい。このような浮遊電極２の構成成分と検出対象との相互作用により、インピーダンス、容量等の電気的特性や、密度、弾性定数等の物理的特性が変化する。その結果、浮遊電極２は感応膜として機能する。なお、浮遊電極２は、任意成分をさらに含んでもよい。任意成分としては、例えば、シリカが挙げられる。シリカは保水性に優れ、生体物質の劣化を抑制することができる。また、浮遊電極２は、導電性材料と他の成分との混合物で形成された単一層であってもよいし、導電性材料で形成された層と他の成分で形成された層との積層体であってもよい。
【００２１】
浮遊電極２の形状は、図示したような略円形状には限定されず、例えば略矩形状等、任意の適切な形状とすることができる。浮遊電極２の圧電基板３に沿う方向における幅は、好ましくは１〜１２ｍｍであり、例えば図２に示したように２．５ｍｍとすることができる。また、浮遊電極２の厚みは、好ましくは０．００１〜１μｍであり、例えば図２に示したように１００ｎｍとすることができる。
【００２２】
圧電基板３は、水晶やセラミックス等の圧電体で形成される。圧電基板３の形状は、図示したような一部が欠けた略円形状には限定されず、任意の適切な形状とすることができる。圧電基板３は、圧電振動子１の使用状態においては、図２に示したようにスペーサー６の上に載置されることで、絶縁基板５の上方に配置される。このとき、浮遊電極２は、一対の励振電極４ａ，４ｂの直上に配置されることが好ましい。換言すると、浮遊電極２は、一対の励振電極４ａ，４ｂの間を通って圧電基板３の板面に直交する直線上に配置されることが好ましい。
【００２３】
圧電基板３の厚みは、好ましくは０．１〜１０００μｍ、さらに好ましくは１〜１０００μｍであり、例えば図２に示したように１００μｍとすることができる。
【００２４】
一対の励振電極４ａ，４ｂは、絶縁基板５の表面であって、圧電基板３と対向する面上に配設される。励振電極４ａ，４ｂは、それぞれ配線を介して外部の発振回路に接続され、それぞれの間で交流電圧を印加する出力端子として機能する。外部の発振回路としては、既存の任意の発振回路を用いることができる。
【００２５】
励振電極４ａ，４ｂは、任意の導電性材料をパターニングして形成される。励振電極４ａ，４ｂを形成する導電性材料としては、浮遊電極２と同様の導電性材料が挙げられ、好ましくは金、白金、銀、クロム等が用いられる。励振電極４ａ，４ｂの間の距離（励振電極間距離）は、好ましくは１００〜６００μｍであり、例えば図２に示したように１００μｍとすることができる。また、励振電極４ａ，４ｂの厚みは、好ましくは０．００１〜１μｍ、さらに好ましくは０．０１〜１μｍである。
【００２６】
絶縁基板５は、ガラス等の絶縁体で形成される。絶縁基板５の厚みは、好ましくは０．６ｍｍ以上であり、例えば図２に示したように１．２ｍｍとすることができる。
【００２７】
スペーサー６は、圧電振動子１の使用状態において、圧電基板３を載置するための部材である。圧電振動子１の使用状態における、圧電基板３と絶縁基板５との間隔Ｈは、スペーサー６によって規定される。換言すると、圧電基板３及び絶縁基板５は、スペーサー６によって所定の間隔Ｈで配置される。このとき、圧電基板３と絶縁基板５とは、互いに略平行に配置されることが好ましい。スペーサー６は、例えばレジスト、フィルム、スライドガラス、カバーガラス又はプラスチック等によって形成される。スペーサー６は、並列配置された２つの略長方形のスペーサーとして図示したが、間隔Ｈを規定し得る限り、このような形状や配置には限定されない。また、スペーサー６以外の、間隔Ｈを規定し得る他の構成で代用してもよい。
【００２８】
本実施形態に係る圧電振動子１によると、励振電極４ａ，４ｂ間に交流電圧を印加すると、浮遊電極２の作用により、圧電基板３の板面に平行な方向だけでなく圧電基板３の板厚方向にも電界が発生する。この電界により圧電基板３が発振するため、励振電極４ａ，４ｂ間でのインピーダンスの周波数依存性（インピーダンススペクトル）を計測することで、インピーダンスが低くなるピークを圧電基板３の共振周波数として計測することができる。また、圧電基板３の表面、特に浮遊電極２上に物質が付着すると、圧電基板３の共振周波数が変化するため、この共振周波数変化から付着物質の質量を計測することができる。すなわち、本実施形態に係る圧電振動子１を備え、圧電基板３の共振周波数に基づいて、浮遊電極２に付着した物質の質量を検出する質量センサが構成される。
【００２９】
図３に、間隔Ｈを０μｍから５００μｍまで段階的に変化させたときの圧電振動子１のインピーダンススペクトルの測定結果を示す。ここで、本測定に用いた圧電振動子１は、浮遊電極２及び励振電極４ａ，４ｂを金、圧電基板３をＡＴカット型の水晶板、絶縁基板５をカバーガラス、スペーサー６をレジストによってそれぞれ形成したＱＣＭセンサとした。また、図２に示したように、浮遊電極２の幅は２．５ｍｍ、浮遊電極２の厚みは１００ｎｍ、圧電基板３の厚みは１００μｍ、励振電極間距離は１００μｍ、絶縁基板５の厚みは１．２ｍｍとした。間隔Ｈは、スペーサー６の高さを変化させることで調整した。
【００３０】
図３に示すように、間隔Ｈが０μｍから５００μｍまでの各測定結果において、インピーダンスは、圧電基板３の厚みから予測される共振周波数１６ＭＨｚ付近でピークを示した。また、間隔Ｈが大きくなると共に、インピーダンスのピーク高さが小さくなることが分かった。この結果から、０≦Ｈ≦５００μｍの範囲で、インピーダンスがピークを示す、すなわち、圧電基板３の共振周波数を計測できることが分かった。
【００３１】
次に、圧電振動子１が質量センサとして機能するか調べるために、浮遊電極２上に質量負荷としてレジストをパターニングし、質量応答を計測した。その後、実験値をSauerbreyの理論式と比較して評価した。レジストの重量は、使用するレジストの粘度及びスピンコーターの回転数により調節した。
【００３２】
図４は、間隔Ｈ＝０μｍ、１００μｍ、３００μｍ及び５００μｍのときの各質量負荷に対する共振周波数変化の理論値と実験値とを示す図である。レジストの密度の誤差を考慮し、理論値と実験値とを比較すると、各間隔Ｈにおいて、質量の増加に伴い共振周波数変化も線形的に増加することが分かった。ただし、特に大きな質量負荷に対しては理論値と実験値との差が見られた。これは、水晶との剛性率の大きく異なるレジストをモデル質量として用いたためであると考えられる。間隔Ｈを０μｍから５００μｍまで１００μｍ毎に同じ実験を行ったが、全ての間隔Ｈで同様の傾向が見られた。よって、圧電振動子１が質量センサとして機能することが分かった。なお、間隔Ｈをどこまで離すことができるかは、励振電極間距離で決まる電界分布と発振回路に使用するトランジスターの増幅率とで調整することができる。
【００３３】
図５は、圧電振動子１における間隔Ｈと圧電基板３の共振周波数の安定性との関係を示す図である。図５に示すように、間隔Ｈ≦５００μｍでは圧電基板３が発振し、質量検出できることが分かった。また、間隔Ｈ≦２００μｍでは０．５Ｈｚ以下の安定性を示した。すなわち、間隔Ｈは、５００μｍ以下が好ましく、２００μｍ以下がより好ましい。
【００３４】
以上のように、本実施形態に係る圧電振動子１によると、圧電基板３には片面に配線不要の浮遊電極２を配設するだけでよい。従って、圧電基板３を容易に取り替えることができるので、実装の自由度を向上させることができる。また、本実施形態に係る圧電振動子１によると、通常の発振回路を用いて質量センサとして機能させることができるので、作製工程を簡略化することができる。よって、作製工程を簡略化しつつ実装の自由度を向上させることができる。
【００３５】
図６及び図７は、圧電振動子１の変形例を示す図である。これらの変形例に係る圧電振動子１’は、いずれも、圧電振動子１に対して圧電基板３と絶縁基板５とを隔てる隔壁７をさらに備える。隔壁７は、例えば、スライドガラス、カバーガラス又はプラスチック等で形成することができる。隔壁７は、例えば圧電基板３と一体に構成される。このような隔壁７を備えることで、計測対象物を励振電極４ａ，４ｂや絶縁基板５に接触させることなく計測を行うことができる。なお、スペーサー６は図示を省略するが、スペーサー６に代えて隔壁７またはその他の構成で間隔Ｈを規定してもよい。
【００３６】
図６（ａ）に示す圧電振動子１’は、隔壁７が圧電基板３を含む閉空間Ｓを区画するように構成したものである。ここで、隔壁７が区画する閉空間Ｓは、流路のように特定方向に延在していてもよいし、ウェルであってもよい。なお、図６（ａ）には、特定の分子を吸着するための感応膜８を概念図として示した。図６（ａ）に示したように、感応膜８を浮遊電極２から延出して閉空間Ｓに露出するように設けてもよい。圧電振動子１’をこのように構成することで、例えば圧電基板３部分を使い捨て可能とした、脱離式のセンサチップとすることができる。
【００３７】
図６（ｂ）に示す圧電振動子１’は、隔壁７を例えばガラス窓やガラス管等の絶縁体で形成し、計測対象物として水素ガス等の可燃性ガスやその他の取り扱いに注意を要するガスを用いることを可能に構成したものである。圧電振動子１’をこのように構成することで、取り扱いに注意を要するガスであっても、断線によるショート等の危険がなく安全に質量計測することができる。
【００３８】
図７（ａ）は、複数の浮遊電極２を圧電基板３の片面に配設し、複数組の励振電極４ａ，４ｂを絶縁基板５の面上に配設したものである。それぞれの浮遊電極２は、各組の励振電極４ａ，４ｂの直上に配置されることが好ましい。圧電振動子１’をこのように構成することで、複数箇所での質量計測を可能としたマルチセンサとして利用することができる。
【００３９】
図７（ｂ）は、浮遊電極２を、一対の励振電極４ａ，４ｂよりも、圧電基板３に沿う方向（水平方向）における幅が大きくなるように構成したものである。圧電振動子１’をこのように構成することで、圧電基板３を絶縁基板５の上に設置する際に水平方向にずれが生じても、このずれが計測結果に与える影響を低減することができる。また、浮遊電極２の水平方向の幅を大きくすることで、液体中での計測時に液体の導電性の影響を受けずに質量計測することができる。
【００４０】
図７（ｃ）は、浮遊電極２を、一対の励振電極４ａ，４ｂよりも、圧電基板３に沿う方向（水平方向）における幅が小さくなるように構成したものである。圧電振動子１’をこのように構成することで、例えば計測対象物が電解質溶液の場合、電解質溶液が仮想的な電極となるため、電解質溶液の導電性及び粘弾性の両者の寄与が周波数応答として得られる。なお、浮遊電極２の水平方向の幅を大きくすることで、溶液の粘弾性による寄与のみが周波数応答として得られるため、この結果と図７（ｃ）に示した構成で得られた結果とを比較することで、粘弾性と導電性の寄与を分離して評価することが可能となる。
【００４１】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各部材に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１，１’  圧電振動子（質量センサ）
２  浮遊電極
３  圧電基板
４ａ，４ｂ  励振電極
５  絶縁基板
６  スペーサー
７  隔壁
８  感応膜
Ｓ  閉空間
【図１】
2017220854.tif 000003
【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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