KR100336084B1 - 큐씨엠 센서 - Google Patents

Abstract

수정기판의 전후면에 전극을 대향 배치시킨 센서디바이스의 전극 표면을 시료가스 또는 시료용액에 담갔을 때 주 공진주파수의 변화 또는 임피던스의 변화로부터 시료의 성분을 검출하고 정량하는 QCM 센서이다.

센서디바이스는 수정기판(10)의 전후면에 4개의 대향전극(11A 내지 14A, 12B 내지 14B)를 설치한 멀티-채널 구조로서 각 전극에는 검출하고 정량하려는 샘플의 성분마다 상이한 리셉터를 고정하는 것이 가능한 구조로서 1샘플에서 전극별로 상이한 성분을 한번에 검출하고 정량한다.

Description

큐씨엠 센서{QCM Sensor}

화학 및 생화학 분야에서 반응량 또는 생성물질을 정량하는 것은 중요한 것이다. 그러나, 극미량의 반응량에 대해서 충분한 검출감도를 얻는 것은 어렵다.

AT-커트의 수정진동자를 이용하는 마이크로플라즈마 원리를 응용한 케미칼 및 바이오 케미칼 센서가 개발되어 주목을 받고 있다.

AT-커트의 수정진동자는 주 공진주파수가 진동자의 판 두께와 반비례한다. 상기 경우, 수정진동자의 전극면에 시료성분이 성막되거나 혹은 물질의 흡착이 전극면 강에서 일어날 때 단위 평면적당 표면에 존재하는 물질의 중량에 대응하는 주파수 시프트가 일어난다.

QCM 센서는 상기 주파수 시프트 현상을 응용한 것이다. AT-커트의 수정진동자는 넓은 넓은 온도 범위에 있어서 주파수 특성이 안정하기 때문에 안정한 검출감도를 기대할 수 있다. 조건이 설정되면, 실시간으로 1 내지 10 ng 의 흡착물질의 검출이 가능하다.

흡수물질량과 주파수 시프트량 사이의 관계는 이하 기술된다.

우선, AT-커트 수정진동자의 진동주파수는 도12에 도시된 식(1)과 식(2)에 나타나 있다.

각각의 식(1)과 (2)에서, f_o: 수정진동자의 주 공진주파수, ν: 수정 내의 소리 속도, t_q: 수정의 두께, μ_q: 전단 탄성 상수, ρ_q: 수정의 밀도이다.

상기 주 공진주파수 f_o를 가지는 수정진동자의 표면에 생기는 질량변화 Δm 은 주 공진주파수와 수정의 두께 간의 관계식을 전개하여 도13에 도시한 (3)식과 같이 된다.

상기 (3) 식에서, Δf는 질량부가에 의한 주파수 변화를 나타내고 A_piezo는 전기적인 유효면적을 나타내고 C_f는 전체감도를 나타낸다.

식(3)의 주 공진주파수 f_o를 갖는 수정진동자는 Δf가 액체의 점성과 밀도에 의해 영향을 받으므로 도14에 도시된 (4)식과 같이 고쳐 쓸 수 있다.

η_L은 용액의 점성을 나타내고 ρ_L은 용액의 밀도를 나타내며 ω_o= 2πf_o이다.

또한, 전체 감도C_f는 도15의 식(5)에 표현되어 있다.

상기 식(5)에서 알 수 있는 바와 같이, 전체감도 C_f를 증가시키기 위해서는 주 공진주파수 f_o를 증가시키는 것이 중요하다. 전체 감도 C_f자체는 주파수의 함수이고, 주파수의 이탈 Δf는 실제로 주 공진주파수 f_o의 3/2제곱에 의존한다.

따라서, 센서로 사용된 수정 진동자의 주 공진주파수가 높아지면 고감도 센서가 사용될 수 있다. 예를들면, 도16은 15wt% (중량%)의 글루코스 용액에 담긴 수정진동자의 주파수 시프트량 Δf를 도시한 특성 그래프이다. 주 공진주파수 f_o가 높아지면, 동일한 전극 표면의 흡착량에 대해서 공진주파수의 이탈이 커지게 됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, AT-커트 수정진동자는 두께-미끄러짐 모드를 사용하고 있으므로, 주 공진주파수 f_o는 그 두께 t_q에 반비례한다. 또한, 충분한 값 γ (γ은 수정진동자의 등가회로에는 병렬용량과 직렬용량의 비를 나타내며, 통상 AT-커트의 수정진동자의 경우에 약 250정도이다)를 얻기 위하여 전극 유효면적도 주파수에 비례하여 작게 할 필요가 있다.

상술한 이유로 고주파용으로 사용되는 수정진동자는 전극면적이 작고 수정 두께가 얇은 수정진동자를 제공할 필요가 있다.

한편, QCM 센서를 실현하기 위해서는, 도17에 도시한 바와 같이, 수정진동자(1)을 용기(2)에 유지시키고 진동자 표면만 시료에 잠기도록 노출시켜서 그 주변부를 O링(3)등으로 밀폐시키고 수정진동자 전극(1A, 1B)에서부터 리드선을 사용하여 발진회로 또는 임피던스 측정회로(4)에 접속되는 장치로 구성된다.

상술한 구성을 한 QCM 센서는 고주파수용 수정진동자에 따라서 얇은 수정기판을 가지므로, 기판을 종종 밀폐부분에 가해진 응력에 의해 왜곡(인장을 가짐)되거나 깨지는 경우가 종종 있다.

따라서, 센서디바이스를 고주파에 적용하기는 어렵다. 그러나, 주촨 린(Zuxuan Lin)등에 의해 단일 셀에 에칭하여 기판의 중앙부분만을 얇게 하는 방법을 통하여 QCM 센서디바이스를 제조하는 방법이 제안되었다.

이 경우, 수정진동자의 틀에 해당하는 부분은 종래 사용되고 있던 5~6 MHz (0.3mm상당)의 두께를 가지며 밀폐에 따른 그 부분의 큰 왜곡은 일어나지 않는다. 또한, 얇게 된 부분은 에너지 트랩을 제공하기 위하여 충분하게 작게 하여서 틀의 영향을 받기 어렵도록 한다.

감도를 높이기 위한 QCM 센서는 상기의 방법으로 이룰 수 있지만, 종래의 QCM 센서는 어떤 것도 단지 하나의 센서가 한 셀 내에 있도록 구성되어 있다. 따라서, 종래의 센서는 1개의 샘플에서 한번에 하나의 성분측정을 행한다.

이러한 것은 예를들면, 복수의 성분을 포함하는 시료용액에서 각 성분을검출하고 정량하기 위해서는 각각의 셀을 검출하고 측정할 수 있는 1-셀-1-샘플이라는 제한된 샘플의 각 성분을 측정하는 것이다. 결과적으로 종래의 QCM 센서는 개개의 성분을 측정하는데 시간이 오래 걸리고 측정비용이 많이 든다.

측정시간을 단축하기 위해서 멀티-채널형 QCM 센서가 제안되었다. 상기 멀티-채널형 QCM 센서는 다음과 같이 구성되어 있다. 다수의 진동수정자가 기판 홀더상에 부착되고 탐침은 각 수정진동자 위에서 움직이고 샘플의 각 성분에 대한 데이터는 각 수정진동자에 대해서 얻어진다.

그러나, 상기 멀티-채널형 QCM 센서에는, 전기장의 인가가 탐침의 이동에 의해서 일어난다.

각 수정 진동자에 대한 탐침의 상대위치의 이탈은 진동주파수와 임피던스를 변화시킨다.

종래의 멀티-채널 QCM 센서는 수정진동자의 공명주파수와 같은 측정 조건을 정확히 유지하도록 실제로 구성하기는 어렵다.

또한, 종래의 QCM 센서는 결과적으로 안정한 측정을 얻을 수가 없다.

따라서 본발명은 센서부를 멀티-채널 구조로 하고 샘플의 각각의 성분을 안정적으로 측정 가능하고 센서부의 주 공진주파수를 고주파화 하여 고정밀도의 측정이 가능한 QCM 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 수정진동자의 전극 표면을 시료가스 또는 시료용액에 담갔을 때 수정진동자의 발진주파수의 변화 또는 임피던스의 변화로부터 시료의 성분을 검출하고 정량(정량 분석)하는 QCM (Quartz Crystal Microbalance) 센서에 관한 것으로서 특히 동일 시료로부터 복수의 성분을 검출하고 정량하는 데 적절한 멀티-채널 QCM 센서에 관한 것이다.

도1a 및 도1b는 제 1 실시예에 의한 센서디바이스의 평면도 및 측면도이다.

도2는 공진주파수 f_o에 대한 수정두께 t와 전극의 단부에서 인접 전극의 단부까지의 거리 L의 비 L/t 에 있어서 충분한 기계진동의 감쇠를 얻을 수 있는 거리를 나타내는 표이다.

도3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 센서디바이스의 측면도이다.

도4는 분리홈이 설치된 경우의 측정된 주파수의 이탈 특성 그래프이다.

도5는 본 발명에 따른 제 4 실시예의 센서디바이스의 측면도이다.

도6은 전극간의 상호간섭 실험에 사용되는 센서디바이스의 평변도이다.

도7은 전극간의 상호간섭 실험에 사용된 은석출 장치이다.

도8은 전극간의 상호간섭 실험에서 각 채널에 대한 주파수 변화 ΔF를 나타내는 특성도이다.

도9는 전극간의 상호간섭 실험에서 채널별 직렬 공진 저항을 나타내는 특성도이다.

도10은 전극간의 상호간섭 실험에서 채널 위에 물방울을 떨어뜨렸을 때 주파수와 직렬 공진 저항의 변화를 나타내는 도표이다.

도11은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 센서디바이스의 측면도이다.

도12는 AT-커트 수정진동자의 공진주파수에 대한 식(1)과 (2)이다.

도13은 수정에 의한 주파수 변화를 나타내는 수식이다.

도14는 수정 진동자가 액체 중에 사용될 경우 주파수 변화를 나타내는 수식이다.

도15는 전체 감도를 나타내는 수식이다.

도16은 센서디바이스 감도의 주파수 의존성을 나타내는 특성도이다.

도17은 종래의 QCM 센서의 장치 구성예이다.

본 발명에 따른 센서디바이스는 수정 기판 두께 t와 인접 전극간의 거리L 사이의 비 L/t 는 멀티-채널 구조의 전극이 원형이라면, 20이상이 되는 구조를 가지고 있다.

상기 구조에 따르면, 인접 전극간에 상호간섭이 없이 고정밀도의 측정이 가능하여 하나의 샘플로 한번에 전극별로 상이한 성분을 검출하고 정량하는 것이 가능하며 센서디바이스 전체 크기를 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 센서디바이스는 전극을 인접시켜 여러 부분에 설치시킨 멀티-채널 구조로서 각 전극에는 검출되고 정량될 샘플의 성분마다 상이한 리셉터(Receptor)가 고정되는 구조로 되어있다. 종래의 멀티-채널형 QCM 센서에는 탐침이 이동이 불필요하므로 측정조건의 변동이 없이 안정한 측정이 가능하다.

또한 장치 구조는 센서디바이스와 측정장치 뿐이므로 구조가 단순하다.

본 발명에 따른 센서디바이스의 수정기판은 인접한 전극간의 진동에너지를 낮추기 위한 분리홈이 설치되어 있다. 상기 구조는 전극간의 진동에너지의 누설을 분리홈으로 감쇠시켜서 전극간의 거리를 짧게하여 안정한 측정 측정주파수를 얻는다.

본 발명에 따른 센서디바이스의 수정기판은 전극 형성 부분의 두께가 주변부의 두께보다 얇게된 구조를 가지고 있다.

본 발명에 따른 센서디바이스의 수정 기판은 기판의 기계강도를 향상시켜 그 유지를 확실하게 하고 전극부의 두께를 얇게 하여 고주파수 범위에서 사용할 수가 있다.

본 발명에 따른 센서디바이스는 고주파용 얇은 수정 기판을 사용하는 전극 형성부가 주변부의 두께보다도 얇게 되어 있는 센서디바이스와 센서디바이스 본체보다도 두꺼워서 센서디바이스 본체가 부착되어 있는 수정기판제 또는 석영 기판제의 기판홀더로 구성된다.

상기 구성에 의하면 수정 기판이 깨지는 것을 막기 위해서는 센서디바이스를 고주파화 하기 위해서 전극부를 얇게 만들기 위한 에칭량을 줄여야한다.

본 발명에 따른 센서디바이스는 수정기판 대신에 기계적 결합계수가 큰 랭가사이트(Langasite) 수정을 사용할 수가 있다.

(제 1 실시예)

도1a 및 도1b는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 멀티-채널 QCM 센서의 평면도와 측면도를 나타낸다.

수정 기판(10)은 사각형태로 균일한 두께를 갖는 AT-커트의 수정으로 구성되어 있다. 원형 전극 11A, 12A, 13A, 14A 및 11B, 12B, 13B, 14B(각각 금 또는 백금으로 만들어짐)은 스퍼터링 방법에 의하여 수정 기판(10)의 전면 혹은 후면에 상호 형성된다. 각 전극 11A에서 14A 및 11B에서 14B는 각각 리드선 15A에서 18A 및 15B에서 18B에 의해 수정 기판 주위의 단자에서 인출된다.

수정 기판(10)의 두께는 식(1)과 식(2)에 주 공진주파수 f_o(5MHz 혹은 10MHz)에 따라 결정된다. 또한, 각 전극의 면적은 식(3)에서 식(5)의 감도를 결정하는 요소로서 결정된다.

상술한 센서디바이스를 사용하여 QCM 센서를 구성하기 위해서는 도17에 도시된 바와 같이, 전면 혹은 후면중의 한면이 시료에 잠긴다. 검출되고 정량(정량분석)될 성분에 따라 서로 다른 리셉터가 전극 11A 내지 14A의 전면 또는 후면 중의 하나에 형성되어 있다.

예를들면, 홍역 바이러스를 검출하고 정량하기 위한 항홍역 바이러스는 전극 11A에 고정되어 있고 유행성 감기 항체를 검출하고 정량하기 위한 유행성 감기 항원은 대향 전극 11B에 고정되어 있다.

또한, 각 전극 11A 내지 14A 및 11B 내지 14B는 개개의 발진회로 혹은 임피던스 측정회로에 연결되거나 시분할 모드에서 단일 발진 회로에 스위칭식으로 연결된다.

따라서, 전극 11A에서 14A가 시료에 담길 때에 진동주파수 혹은 임피던스변화는 개별적으로 측정된다.

상술한 구성의 센서디바이스와 상기 센서디바이스가 사용되는 QCM 센서에서 각 전극 11A에서 14A까지는 같은 샘플에 연결되어 있다. 그러나, 1 개의 샘플에서 전극별로 상이한 성분을 한번에 검출하고 정량하는 것이 가능하다. 도1a 및 도1b에 도시된 구성의 경우에 1 개의 샘플에서 4 개의 성분을 한번에 검출하고 정량할 수 있다.

또한, 종래의 멀티-채널형 QCM 센서에서 탐침 이동 조작이 불필요하므로 측정조건의 변동없이 안정한 측정이 가능하다. 더욱이, 장치구성으로서는 센서디바이스가 하나 혹은 각각의 측정장치에 연결되기만 하면 되는 간단한 구성이 된다.

(제 2 실시예)

상기 도1a 및 도1b에 도시된 멀티-채널 구조의 센서디바이스에서는 인접하는 전극 사이에서 진동에너지 결합(Coupling)이 일어나므로 각 전극사이에 간격을 충분히 둘 필요는 없다. 수정진동자상에 형성된 전극에 의한 에너지 제한 조건에 대한 상세한 분석이 윌리엄 쇼클리(William Shokley)등에 의해서 이루어졌다.

제 2 실시예에서, 인접전극간의 상호간섭이 생기지 않도록 전극막 두께를 충분하게 하고, 주 공진을 전극상에 충분하게 제한하는 인접전극간의 거리가 도2에 표시한 수치값 이상으로 한정한 구조를 갖고 있다.

도2에서, 전극단부에서 인접전극의 단부까지의 거리 L 과 수정 두께 t에대한 비 L/t 에 있어서, 충분한 기계적 진동 감쇠가 얻어지는 거리가 규정되어 있다.

제 2 실시예에서는, 상기 비율 L/t 는 원형 전극의 경우에 20 이상이 된다.

상기 조건하의 센서디바이스를 사용하는 QCM 센서에 따르면, 인접전극간의 상호간섭이 없이 고정빌도 측정이 가능하고 전체 센서디바이스의 크기가 줄어들 수 있다.

(제 3 실시예)

상술한 바와 같이, 제 1 실싱예에 도시된 멀티-채널 QCM 센서의 경우에 상호간섭을 제거하기 위해서 각 전극사이에 전극간 거리를 충분하게 취할 필요가 있다. 따라서, 센서디바이스의 전체 크기가 커지게 된다. 다음에, 크기가 작아지지만 크기 제한은 제 2 실시예에 기술된 범위 내에서 이루어 진다.

도3은 본 발명에 따른 제 3 실시예에서 센서디바이스의 측면도를 나타낸다.

제 3 실시예에서, 각 분리홈(20)은 진동에너지를 포함하도록 각 전극과 인접전극 사이에 설치된다. 결국, 각 채널간 기계적 진동 누설이 감소된다.

상기 분리홈(20)을 설치함으로써 피측정 주파수의 안정화를 이룰 수 있다. 도4는 분리홈이 없는 구조와 분리홈(20)이 형성된 구조의 센서디바이스에대한 측정주파수의 반복에 의한 측정이탈을 도시한다. 분리홈이 설치된 센서디바이스의 경우에 이탈이 감소하였음을 알 수 있다.

따라서, 각 분리홈(20)은 기계적 진동을 강제적으로 감쇠시키는데 도움이 되므로, 제 1 실시예 혹은 제 2 실시예의 센서디바이스와 비교하면 전극간 거리를 단축시키는 것이 가능하다. 센서디바이스의 소형화가 가능하다.

더욱이, QCM 센서를 용액계에 사용하는 경우에, 도17에 도시한 바와 같이, O링을 사용하여 방수처리를 하는 방법을 수정기판에 대해 수행한다. 분리홈이 설치되지 않은 센서디바이스의 수정 기판을 누르는 O링의 힘에 의해서 수정 기판이 왜곡되어 진동주파수가 이동하게(고주파쪽으로) 될 가능성이 있다. 그러나, 제 3 실시예에서 상기 현상에 대해서 주파수 이동이 일어나지 않도록 분리홈이 유효하게 작용될 수 있다.

또한, 제 3 실시예는 제 1 실시예의 멀티-채널 구조에 적용될 수 있지만 제 2 실시예의 조건과 조합하여 제 3 실시예의 구조에 의해 상호간섭을 확실하게 줄일 수 있다.

(제 4 실시예)

상기 제 1 실시예 및 제 3 실시예는 센서디바이스가 대략 5MHz의 주 공진주파수를 가진다. 제 3 실시예에 기술된 경우에 있어서, 실드(shield)는 측정회로 부분에서 시료분위기를 분리하기 위해서 수행되기 때문이다. 상기 경우에, 최소 0.25mm 이상의 기판 두께가 크랙을 줄이고 수정기판의 변형(왜곡)을 줄이기 위하여 요구된다.

다른 한편, 배경기술에서 기술된 바와 같이, 고감도 센서를 얻기 위해서 얇은 두께를 가지는 고주파 진동자를 사용하는 것이 필요하다.

제 4 실시예에 있어서, 도5에 도시된 바와 같이, 멀티-채널용 센서로 수정 기판(10)의 주변부를 두껍게 해서 기계강도를 확보하고 전극21A, 21B, 21C, 21D가 형성된 진동자 부분을 얇게하여 고주파 적용을 가능하게 한다.

예를들면, 1평방인치 기판부분에 형성된 각 전극막은 주 공진주파수가 10MHz 이상이 되는 두께까지 에칭된다.

상기 예에서 전극 부분의 두께는 얇게 만들어져 있으므로 전극간 거리는 센서디바이스의 소형화를 위해 더욱 줄일 수가 있고 전극간의 상호간섭을 더 감소시킬 수 있다.

제 4 실시예의 QCM 센서디바이스는 10에서 150MHz 범위의 진동자 부분의 주파수를 갖는 원형으로 제조되었다.

전극간의 거리는 제 2 실시예에 도시된 값으로 단축되거나 제 2 실시예에 도시된 값 이상으로 단축된다.

예를들면, 전극단부에서 인접전극 단부까지의 거리 L과 수정기판의 두께 t의 비가 16이하로 설정되더라도 10MHz 의 진동주파수의 센서디바이스에서 어떤 상호주파수 간섭이 관찰되지 않았다.

상기 실시예의 센서디바이스에서 채널간의 상호간섭이 없이 주파수 변화 및 직렬 공진 저항을 측정하기 위하여 사용됨을 검증하기 위하여 실험을행하였다.

상기 실험에 사용된 센서디바이스는 도6에 도시된 바와 같이 CH1에서 CH4까지 4개의 채널이 형성되었다.

상기 센서디바이스는 수정기판을 2매의 금전극에 끼워넣은 것이다. 기판 크기는 200 평방mm 이고 그 두께는 267 μm이다. 전면 혹은 후면 위의 금전극 주변부는 습식 에칭에 의해서 8.0mm 직경과 50 μm의 깊이로 파여 있다. 각 전극 부분의 두께는 167 μm 이고 주 공진주파수 f_o는 10MHz 이다.

각각의 금전극에는, 수정 기판과 금을 접착시키기 위해서 수정기판에 크롬을 입히고 1000 옹스트롬, 직경 4.5mm 로 금을 증착시켰고 각 금 리드선의 폭은 0.5mm 이다.

이런 형태의 센서디바이스는, 도7에 도시된 바와 같이, 용기 A의 저부에 센서디바이스가 부착되고 용기 내에는 지지염으로서 0.2몰의 과염소산(HClO₄)을 포함하는 1×10^-3몰의 초산은 (AgNO₃) 수용액을 집어넣고 센서디바이스를 작용전극으로 하고 백금선의 반대전극을 가지며 금선을 기준전극으로 갖는 멀티-채널 수정 진동 전해셀을 구성하고 있다.

상기 전해셀을 사용함에 있어서, 센서디바이스의 각 전극별로 1μA의 정전류 전해를 행한다. 그 다음, 은이 석출된다. 각 전극에서 은이 석출될때 채널 CH1 의 주파수변화 ΔF(Hz)와 직렬 공진저항 R₁(Ω)이 측정되었다. 상기 실험에서 도8에 도시된 바와 같이 주파수 변화ΔF(Hz)는 은이 채널 CH1에서 석출될 때는 크게 발생하고 은이 채널 CH2에서 석출될 때는 극히 작았다.

도9에는 직렬 공진 저항 변화가 도시되어 있다. 상기 경우에, 은이 채널 CH1에서 석출될 때 저항변화 R₁이 컸다.

그러나, 은이 다른 채널 CH2 내지 CH4에서 석출될 때는 저항변화가 극히 작았다.

상기 사실에서, 4-채널 센서디바이스의 각 채널은 서로 독립적이며 상호간섭을 일으키지 않고 채널별로 검출 및 정량 측정이 가능함을 알 수 있다.

각 채널 간의 상호 간섭이 제거됨을 증명하기 위한 다른 실험으로서, 70μl(마이크로리터)의 물방울을 도6에 도시된 4-채널 센서디바이스의 각 채널에 올려놓았을 때 주파수 변화 ΔF와 직렬공진 저항 R₁을 측정하였다.

상기 결과는 도10의 표에 나타내는 것과 같이 얻어진다.

상기 표에서 알 수 있듯이, 주파수 변화 및 공진 저항 변화는 물방울이 채널CH1 에만 놓인 경우에 현저하다.

물방울이 CH2에서 CH4까지 놓인 경우에는 CH1의 주파수 변화가 1%이하이고 저항은 2%이하가 되어 거의 주파수 및 저항변화가 일어나지 않는다.

상기 결과에 의하면 각 채널은 각각 독립적이고 상호간섭을 일으키지 않고 검출 및 정량측정이 가능하다.

또한, 제 4 실시예의 센서디바이스는 제 1 실시예의 멀티-채널 구조에 적용 가능하며 제 3 실시예의 각 분리홈의 조합을 얻을 수 있다.

(제 5 실시예)

제 5 실시예의 QCM 센서에서, 대략 6MHz의 수정 기판의 에칭과정은 고주파적용을 위해서 얇게 만들어 졌다.

주파수가 50MHz이상이 되면 에칭량은 244μm 에 달한다.

따라서, 에칭을 수행하는 시간이 오래 걸리는 때에는 동시에 각 채널간 또는 개개의 센서디바이스간의 주파수 오차가 발생될 것으로 예측할 수 있다.

도11에 도시된 상기 실시예에서 80μm 정도의 고주파용의 얇은 수정 기판(30A)를 에칭하고 소량의 에칭에 의해서 소정의 두께로 파여진 부분에 전극(30B)이 형성된다. 센서디바이스 본체(30)는 기판홀더로 수정 기판(31)을 형성하기 위해 대략 250μm가 되는 수정 기판(31)(혹은 석영 기판)에 부착되어 있다.

전극부 및 그 주변부에 응력을 가능한 한 최소로 하기 위해서 센서디바이스 본체(30)를 수정 기판 위에 접착시키는 접착제로서 탄성률이 낮은 유연한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

제 5 실시예에서는, 비교적 얇은 수정기판의 에칭이 고주파용 센서디바이스 제조에 수행되고, 에칭 시간을 단축할 수 있고 에칭량의 편차를 제거할 수 있다.

제 5 실시예는 제 4 실시예에 적용될 수 있고 센서디바이스 본체는 제 3 실시예의 분리홈을 가지는 구조가 될 수 있다.

각 실시예에서 각 전극의 재료는 금으로 되어 있다. 그러나, 전극재료로 수정 기판과 금 전극 사이에 놓인 50옹스트롬에서 500옹스트롬 두께의 크롬층을 가지는 금-크롬 전극을 사용할 수 있다.

또한, 크롬 대신에 티탄 또는 니켈을 사용할 수도 있다.

또한, 각각의 실시예에서 전극의 수는 4개이고 채널의 수도 4개이다.

그러나, 최근 특수강으로 만들어진 가늘고 긴 오토그레이브(Autograve)에서 고온, 고압 하에 수열합성법에 의한 종수정을 키워서 직경 100mm 의 인공수정을 키우고 있다. 따라서, 각 실시예의 QCM 센서디바이스에 있어서, 예를들면 직경 100mm인 대형 수정 기판은 다수의 전극을 배열할 수 있는 다수의 전극과 함께 사용될 수 있다.

더구나, 후면에 형성된 전극과 꼭 같은 전면에 형성된 전극 면적을 가질 필요도 없다.

각 실시예에서, 수정 기판은 기판으로 사용된다. 기계적 결합계수가 큰 랭가사이트(Langasite) 수정이 사용될 수도 있다.

이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 QCM 센서는 센서디바이스를 시료가스 혹은 시료 용액에 담가서 시료의 성분을 검출하고 정량하고 1 샘플로 한번에 성분을 검출하고 정량하는 멀티-채널 센서디바이스를 얻기 위한 안정적인 측정 및 고주파용 측정에 사용되는 센서로서 적절하다.

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7. 수정기판의 전후면에 전극을 대향 배치된 센서디바이스를 갖고 상기 센서디바이스의 전극표면을 시료가스 또는 시료용액에 담갔을 때 주 공진 주파수의 변화 또는 임피던스의 변화로부터 시료의 성분을 검출하고 정량 분석하는 QCM 센서의 있어서,

   상기 센서디바이스는, 거의 원형으로 되어 있고 동일한 표면상에 있는 각 전극과 인접한 전극간의 거리(L)와 수정기판의 두께(t)에 대한 비L/t가 20 이상으로 설정된 각 전극이 수정기판의 전후면에 인접되게 설치되어 복수개의 멀티-채널의 구조를 하고, 상기 각 전극에는 검출되고 정량되는 샘플의 성분마다 상이한 리셉터를 고정할 수 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 QCM 센서.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 센서디바이스의 수정기판이 상기 전극 형성부의 두께를 주변부의 두께보다 얇게 되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 센서디바이스는 상기 수정기판을 대신하여 기계적 결합계수가 큰 랭가사이트(Langasite) 결정을 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
10. 수정기판의 전후면에 전극을 대향 배치된 센서디바이스를 갖고 상기 센서디바이스의 전극표면을 시료가스 또는 시료용액에 담갔을 때 주 공진 주파수의 변화 또는 임피던스의 변화로부터 시료의 성분을 검출하고 정량 분석하는 QCM 센서의 있어서,

    상기 센서디바이스는, 수정기판의 전후면에 각각 상기 전극을 인접시켜 복수개 설치한 멀티-채널구조로 하고 상기 각 전극에는 검출되고 정량되는 샘플의 성분마다 상이한 리셉터를 고정할 수 있는 구조를 하고, 상기 수정기판과 동일한 표면상에 있는 각 전극과 인접한 전극 사이에 진동 에너지 결합을 낮추기 위해 분리홈을 설치하는 것을 특징으로 하는 QCM 센서.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 센서디바이스의 수정기판이 상기 전극 형성부의 두께를 주변부의 두께보다 얇게 되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 센서디바이스는 고주파용의 얇은 수정기판을 사용하여 각 전극 형성부의 두께를 주변부의 두께보다도 얇게 한 구조의 센서 디바이스본체와, 상기 센서디바이스본체보다 두꺼운 두께를 가지고 상기 센서디바이스본체가 부착되어 있는 수정기판 또는 석영기판으로 이루어진 기판홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
13. 제 10항에 있어서,

    상기 센서디바이스는 상기 수정기판을 대신하여 기계적 결합계수가 큰 랭가사이트(Langasite) 결정을 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
14. 수정기판의 전후면에 전극을 대향 배치된 센서디바이스를 갖고 상기 센서디바이스의 전극표면을 시료가스 또는 시료용액에 담갔을 때 주 공진주파수의 변화 또는 임피던스의 변화로부터 시료의 성분을 검출하고 정량 분석하는 QCM 센서의 있어서,

    상기 센서디바이스는, 수정기판의 전후면에 각각 상기 전극을 인접시켜 복수개 설치한 멀티-채널구조로 하고 상기 각 전극에는 검출되고 정량되는 샘플의 성분마다 상이한 리셉터를 고정할 수 있는 구조를 하고, 상기 수정기판의 전극 형성부의 두께가 주변부의 두께보다 얇게 되어 있는 구조를 하는 것을 특징으로 하는 QCM 센서.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 센서디바이스는 고주파용의 얇은 수정기판을 사용하여 각 전극 형성부의 두께를 주변부의 두께보다도 얇게 한 구조의 센서 디바이스본체와, 상기 센서디바이스본체보다 두꺼운 두께를 가지고 상기 센서디바이스본체가 부착되어 있는 수정기판 또는 석영기판으로 이루어진 기판홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
16. 제 14항에 있어서,

    상기 센서디바이스는 상기 수정기판을 대신하여 기계적 결합계수가 큰 랭가사이트(Langasite) 결정을 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
17. 수정기판의 전후면에 전극을 대향 배치된 센서디바이스를 갖고 상기 센서디바이스의 전극표면을 시료가스 또는 시료용액에 담갔을 때 주 공진주파수의 변화 또는 임피던스의 변화로부터 시료의 성분을 검출하고 정량 분석하는 QCM 센서의 있어서,

    상기 센서디바이스는, 거의 원형으로 되어 있고 동일한 표면상에 있는 각 전극과 인접한 전극간의 거리(L)와 수정기판의 두께(t)에 대한 비L/t가 20 이상으로 설정된 각 전극이 수정기판의 전후면에 인접되게 설치되어 복수개의 멀티-채널의 구조를 하고, 상기 각 전극에는 검출되고 정량되는 샘플의 성분마다 상이한 리셉터를 고정할 수 있는 구조를 하고, 상기 수정기판과 동일한 표면상에 있는 각 전극과 인접한 전극 사이에 진동 에너지 결합을 낮추기 위해 분리홈을 설치하는 것을 특징으로 하는 QCM 센서.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 센서디바이스의 수정기판이 상기 전극 형성부의 두께를 주변부의 두께보다 얇게 되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
19. 제 17항에 있어서,

    상기 센서디바이스는, 고주파용의 얇은 수정기판을 사용하여 각 전극 형성부의 두께를 주변부의 두께보다도 얇게 한 구조의 센서 디바이스본체와, 상기 센서디바이스본체보다 두꺼운 두께를 가지고 상기 센서디바이스본체가 부착되어 있는 수정기판 또는 석영기판으로 이루어진 기판홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.
20. 제 17항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 센서디바이스는 상기 수정기판을 대신하여 기계적 결합계수가 큰 랭가사이트(Langasite) 결정을 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 QCM 센서.