マルチチャンネル水晶振動子マイクロバランスの超小型化、高感度化に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14655313
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 江刺 正喜 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (20108468)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安部 隆 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00333857)
• Keywords: 水晶振動子マイクロバランス / 深堀反応性イオンエッチング / 分子認識チップ / マルチチャンネル / マイクロマシニング / ケモメトリック分析

Research Abstract

マイクロ・ナノマシニング技術を用いて、単一水晶基板上に多数の振動子が配列したマルチチャンネル型の水晶振動子マイクロバランス(QCM)を製作した。このマルチチャンネル型QCMは、各々の振動子に異なる感応膜を被覆し周波数応答を比較することでケモメトリック分析等が可能な画期的なセンサである。このQCMセンサの質量検出感度は周波数の自乗に逆比例するために板厚が薄いほど高感度になることが知られている。これまでに、水晶を鏡面のまま微細加工できる反応性イオンエッチング技術を開発し、その微細加工技術を用いて水晶板を部分的に薄くし高感度化を達成しかつ干渉せずに振動する逆メサ構造の振動子を製作してきた。その結果、支持損失を抑えて高いQ値(低損失)となる最適形状条件を実験的に見い出した。このように、高感度な振動子の製作方法が確立した一方、振動子を薄くするあるいは小さくすると粘弾性負荷に対して不安定になるという新たな問題が明らかになった。これを解決するために振動子中央部に振動エネルギーが集中するように水晶板の板厚を変える加工技術を開発した。具体的には、ホトレジストをリフローによりレンズ形状にし鏡面エッチング技術でこの形状を水晶板に転写することでコンベックス形状の大量一括生産を実現した。上記方法で製作した振動子の振動特性を評価し、未加工の場合と比較してQ値が二倍高くかつ溶液中での振動特性が優れていること等を明らかにした。

Research Products

• [Publications] Li Li, Takashi Abe, Masayoshi Esashi: "Smooth surface glass etching by deep reactive ion etching with SF_6 and Xe gases"Journal of Vacuum Science and Technology B. 21. 2545-2549 (2003)
• [Publications] Li Li, Takashi Abe, Masayoshi Esashi: "Fabrication of miniaturized bi-convex quartz crystal microbalance using reactive ion etching and melting photoresist"Sensors and Actuators A. (出版予定). (2004)
• [Publications] Li Li, Takashi Abe, Masayoshi Esashi: "High Sensitive, Miniaturized Plano-convex Quartz Crystal Microbalance Fabricated by Reactive Ion Etching and Melting Photoresist"Transducers'03, Digest of Technical Papers. 1. 508-511 (2003)