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

多通道晶体振荡器微天平超小型化、高灵敏度研究

• 批准号: 14655313
• 负责人: 江刺 正喜
• 金额: $ 1.86万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14655313/
• 关键词: 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; 深堀り反応性イオンエッチング; ナノマシニング; 鏡面加工

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。

利用微纳加工技术，我们制造了多通道石英晶体微天平（QCM），其中大量振荡器排列在单个石英基板​​上。这种多通道 QCM 是一种创新传感器，通过在每个振动器上涂上不同的敏感薄膜并比较频率响应来实现化学计量分析。众所周知，这种QCM传感器的质量检测灵敏度与频率的平方成反比，因此板越薄，灵敏度越高。迄今为止，我们已经开发出反应离子蚀刻技术，可以对石英晶​​体进行微加工，同时保持其镜面状。利用这种微加工技术，我们成功地对石英晶体板进行了部分减薄，以实现高灵敏度和无干扰地反转振动。制造了台面结构的振动器。结果，我们通过实验找到了抑制支撑损失并提供高 Q 值（低损失）的最佳形状条件。尽管已经以这种方式建立了制造高灵敏度振动器的方法，但是新的问题已经变得明显：如果将振动器做得更薄或更小，则它对于粘弹性载荷变得不稳定。为了解决这个问题，我们开发了一种加工技术，改变晶体板的厚度，使振动能量集中在振动器的中心。具体来说，通过将光刻胶回流成透镜形状，并利用镜面蚀刻技术将该形状转移到水晶板上，实现了凸面形状的量产。对使用上述方法制造的振动器的振动特性进行评价，发现Q值比未加工的振动器高两倍，并且溶液中的振动特性优异。

项目成果

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)

Li Li、Takashi Abe、Masayoshi Esashi：“利用反应离子蚀刻和熔化光致抗蚀剂制造小型化双凸石英晶体微天平”传感器和执行器 A.（即将出版）。

Vu Ngoc Hung, Takashi Abe, Phan Ngoc Minh, Masayoshi Esashi: "Miniatured, highly-sensitive single-chip multichannel quartz-crystal microbalance"APPLIED PHYSICS LETTERS. 81. 5069-5071 (2002)

Vu Ngoc Hung、Takashi Abe、Phan Ngoc Minh、Masayoshi Esashi：“微型、高灵敏度单芯片多通道石英晶体微天平”应用物理学快报。

Li Li, Takashi Abe, Xinghua Li, Masayoshi Esashi: "Smooth Surface Glass Etching by Deep RIE with Sf_6/XeGas"ROCEEDINGS OF THE 19TH SENSOR SYMPOSIUM. 19. 249-252 (2002)

Li Li、Takashi Abe、Xinghua Li、Masayoshi Esashi：“使用 Sf_6/XeGas 进行深 RIE 的平滑表面玻璃蚀刻”第 19 届传感器研讨会的会议记录。

Takashi Abe, Li Li, Vu Ngoc Hung, Masayoshi Esashi: "ENERGY DISSIPATION IN SMALL-DIAMETER QUARTZ CRYSTAL MYROBALAMCE EXPERIMENTALLY STUDIED FOR ULTRA-HIGH SENSITIVE GRAVIMETRY"Proceedings of The 16th Annual International Conference on Micro Electro Mechan

Takashi Abe、Li Li、Vu Ngoc Hung、Masayoshi Esashi：“小直径石英晶体MYROBALAMCE中的能量耗散实验研究用于超高灵敏度重力测量”第16届微型机电国际年会论文集

Vu Ngoc Hung, Takashi Abe, Phan Ngoc Minh, Masayoshi Esashi: "HIGHLY SELECTIVE ONE-CHP MULTI-CHANNEL QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE FABRICATED BY DEEP RIE"PROCEEDINGS OF PACIFIC RIM WORKSHOP TRANSDUCERS AND MICRO/NANO TECHNOLOGIES. 1. 343-346 (2002)

Vu Ngoc Hung、Takashi Abe、Phan Ngoc Minh、Masayoshi Esashi：“由 DEEP RIE 制造的高度选择性单通道石英晶体微天平”太平洋 RIM 车间传感器和微/纳米技术论文集。