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JP2015175622A - Sensor - Google Patents

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JP2015175622A
JP2015175622A JP2014049912A JP2014049912A JP2015175622A JP 2015175622 A JP2015175622 A JP 2015175622A JP 2014049912 A JP2014049912 A JP 2014049912A JP 2014049912 A JP2014049912 A JP 2014049912A JP 2015175622 A JP2015175622 A JP 2015175622A
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JP
Japan
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storage recess
package
piezoelectric vibrator
chip
crystal
Prior art date
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Pending
Application number
JP2014049912A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
村上 達也
Tatsuya Murakami
達也 村上
大空 川島
Ozora Kawashima
大空 川島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daishinku Corp
Original Assignee
Daishinku Corp
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Publication date
Application filed by Daishinku Corp filed Critical Daishinku Corp
Priority to JP2014049912A priority Critical patent/JP2015175622A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor capable of stably performing oscillation by shortening the transmission distance between a piezoelectric vibrator and an oscillation circuit as much as possible.SOLUTION: The sensor includes: a quartz oscillator 5 that has a sensing region to which a detection object in a liquid adheres and whose resonance frequency is changed by the adhesion of the detection object; and a package 4 including first and second storage recesses 6 that are disposed on both sides of a substrate unit 4a and surrounded with frame parts 4b and 4c; and 4d. The quartz oscillator 5 is stored in the first storage recess 6 so that the sensing region faces the outside of the package 4. An IC chip 24 including an oscillation circuit for oscillating the piezoelectric vibrator 5 is stored in the second storage recess, and encapsulation resin 25 is filled into it.

Description

本発明は、液中に含まれる物質を検出するセンサに関する。   The present invention relates to a sensor that detects a substance contained in a liquid.

近年、液中の微量な物質を検出するセンサとして、圧電振動子である水晶振動子を液に浸して、水晶振動子の電極表面に物質が付着することによって、共振周波数が変化する性質を利用して微量な物質を検出するQCM(Quartz Crystal Microbalance)センサが利用されている(例えば、特許文献1参照)。このQCMセンサは、1ng/cm2オーダーの物質の質量変化を検出することができる。 In recent years, as a sensor for detecting a very small amount of substance in liquid, the resonance frequency is changed by immersing a quartz vibrator, which is a piezoelectric vibrator, in the liquid and attaching the substance to the electrode surface of the crystal vibrator. Thus, a QCM (Quartz Crystal Microbalance) sensor that detects a very small amount of substance is used (see, for example, Patent Document 1). This QCM sensor can detect a change in mass of a substance on the order of 1 ng / cm 2 .

特開2007−271449号公報JP 2007-271449 A

かかるQCMセンサを用いた計測システムでは、例えば、上記特許文献1の図4に示すように、液中に入れたQCMセンサに接続した発振回路によって、QCMセンサの水晶振動子を発振させて、その周波数の変化を、周波数カウンタを介してコンピュータで解析するのであるが、QCMセンサと発振回路との間の伝送距離が長い場合には、ノイズの混入や伝送損失が増加し、QCMセンサの発振が不安定になり、高い精度で計測するのが困難となる。   In a measurement system using such a QCM sensor, for example, as shown in FIG. 4 of the above-mentioned Patent Document 1, the crystal oscillator of the QCM sensor is oscillated by an oscillation circuit connected to the QCM sensor placed in the liquid, The change in frequency is analyzed by a computer via a frequency counter. If the transmission distance between the QCM sensor and the oscillation circuit is long, noise mixing and transmission loss increase, and the QCM sensor oscillates. It becomes unstable and it becomes difficult to measure with high accuracy.

本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、圧電振動子と発振回路との間の伝送距離を可及的に短くして発振を安定して行えるセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and provides a sensor that can stably oscillate by shortening the transmission distance between a piezoelectric vibrator and an oscillation circuit as much as possible. With the goal.

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

すなわち、本発明は、液体中の検出対象が付着するセンシング領域を有すると共に、前記検出対象の前記付着によって共振周波数が変化する圧電振動子を備えるセンサであって、
基板部と枠部とを有し、前記基板部を挟んでその両側に前記枠部によって囲まれた第1,第2収納凹部が形成されたパッケージを備え、
前記第1収納凹部に、前記圧電振動子が、前記センシング領域を前記パッケージ外に臨むように収納され、
前記第2収納凹部に、前記圧電振動子を発振させる発振回路を含むICチップが収納されるものである。
That is, the present invention is a sensor including a sensing region to which a detection target in a liquid adheres, and including a piezoelectric vibrator whose resonance frequency changes due to the attachment of the detection target,
A package having a substrate part and a frame part, wherein first and second storage recesses are formed on both sides of the substrate part and surrounded by the frame part;
The piezoelectric vibrator is housed in the first housing recess so that the sensing area faces the outside of the package,
An IC chip including an oscillation circuit for oscillating the piezoelectric vibrator is housed in the second housing recess.

本発明の好ましい実施態様では、前記第1収納凹部は、その周壁の厚さが、前記第2収納凹部の周壁の厚さに比べて、厚肉となる部分を有する。   In a preferred embodiment of the present invention, the first storage recess has a portion where the thickness of the peripheral wall is thicker than the thickness of the peripheral wall of the second storage recess.

本発明の他の実施態様では、前記圧電振動子は、水晶振動片の両主面に励振電極がそれぞれ形成される水晶振動子であり、前記センシング領域は、前記両主面の少なくとも一方の主面の前記励振電極上に形成される感応膜を含む。   In another embodiment of the present invention, the piezoelectric vibrator is a crystal vibrator in which excitation electrodes are respectively formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece, and the sensing region is at least one main surface of the two main surfaces. A sensitive film formed on the excitation electrode of the surface.

本発明の更に他の実施態様では、前記第1収納凹部には、前記水晶振動片の周縁部を支持する段部が形成され、前記段部に支持された前記水晶振動片の周縁部と前記第1収納凹部の周壁との間が、封止材によって封止される。   In still another embodiment of the present invention, a step portion that supports a peripheral portion of the crystal vibrating piece is formed in the first storage recess, and the peripheral portion of the crystal vibrating piece supported by the step portion and the The space between the peripheral wall of the first storage recess is sealed with a sealing material.

本発明の好ましい実施態様では、前記ICチップが収納された前記第2収納凹部に、封止用樹脂が充填される。   In a preferred embodiment of the present invention, a sealing resin is filled in the second storage recess in which the IC chip is stored.

本発明によれば、センシング領域に、液中の検出対象が付着することによって、共振周波数が変化する圧電振動子と、この圧電振動子を発振させる発振回路を含むICチップとを、パッケージの基板部を挟んでその両側の第1,第2収納凹部にそれぞれ収納するので、当該センサは、発振回路を内蔵したセンサとなり、圧電振動子と発振回路との間の伝送距離が短くなって、ノイズの混入やゆらぎを抑制することができ、発振の安定性が向上し、計測精度を高めることができる。   According to the present invention, a piezoelectric vibrator whose resonance frequency changes when a detection target in a liquid adheres to a sensing region, and an IC chip including an oscillation circuit that oscillates the piezoelectric vibrator are provided on a package substrate. The sensor is housed in the first and second housing recesses on both sides of the part, so that the sensor becomes a sensor with a built-in oscillation circuit, and the transmission distance between the piezoelectric vibrator and the oscillation circuit is shortened. Mixing and fluctuations, oscillation stability can be improved, and measurement accuracy can be improved.

しかも、基板部を挟んでその両側に、枠部によって囲まれた第1,第2収納凹部が形成される、いわゆる断面H型のパッケージ構造であるので、基板部の一方側のみに収納凹部が形成される、いわゆるシングルパッケージ構造に比べて、剛性バランスに優れる。   In addition, since the first and second storage recesses surrounded by the frame portion are formed on both sides of the substrate portion, the so-called H-shaped package structure is formed. Therefore, the storage recess is formed only on one side of the substrate portion. Compared to the so-called single package structure formed, the rigidity balance is excellent.

更に、圧電振動子を第1収納凹部に、発振回路を含むICチップを第2収納凹部にそれぞれ収納する、すなわち、圧電振動子と発振回路を含むICチップとを、それぞれ個別の収納空間に収納するので、ICチップの発熱による圧電振動子への影響を抑制することができる。   Further, the piezoelectric vibrator is housed in the first housing recess, and the IC chip including the oscillation circuit is housed in the second housing recess, that is, the piezoelectric vibrator and the IC chip including the oscillation circuit are housed in separate housing spaces. Therefore, the influence on the piezoelectric vibrator due to the heat generated by the IC chip can be suppressed.

また、液中に含まれる検出対象の質量等の計測の際には、当該センサを、液中に浸漬して計測を行うために、攪拌等に伴う応力を受けることになるが、センシング領域を有する圧電振動子が収納される第1収納凹部の周壁は、ICチップが収納される第2収納凹部の周壁に比べて、厚肉部分を有しているので、圧電振動子に加わる応力を低減して計測精度を高めることができる一方、ICチップが収納される第2収納凹部は、薄肉としてICチップの収納空間を十分に確保することができる。   In addition, when measuring the mass of the detection target contained in the liquid, the sensor is subjected to stress accompanying stirring, etc. in order to perform measurement by immersing the sensor in the liquid. Since the peripheral wall of the first storage recess in which the piezoelectric vibrator has is thicker than the peripheral wall of the second storage recess in which the IC chip is stored, stress applied to the piezoelectric vibrator is reduced. While the measurement accuracy can be improved, the second storage recess in which the IC chip is stored can be sufficiently thin to secure a sufficient space for storing the IC chip.

また、センシング領域は、水晶振動子を構成する水晶振動片の両主面にそれぞれ形成される両励振電極の少なくとも一方の励振電極上に形成される感応膜を含んでおり、この感応膜によって、試料液中の検出対象を付着させることができる。   Further, the sensing region includes a sensitive film formed on at least one excitation electrode of both excitation electrodes respectively formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece constituting the crystal resonator, and by this sensitive film, The detection target in the sample liquid can be attached.

また、水晶振動片は、一方の主面のセンシング領域がパッケージ外に臨むように、その周縁部が、前記第1収納凹部に形成された段部に支持されるのであるが、水晶振動片の周縁部と第1収納凹部の周壁との間が、封止材によって封止されるので、センシング領域を、液体に浸しても液体が、水晶振動片の他方の主面側に浸入して両主面の励振電極が短絡するのを防止することができる。   In addition, the crystal vibrating piece is supported by the step formed in the first housing recess so that the sensing region of one main surface faces the outside of the package. Since the gap between the peripheral edge portion and the peripheral wall of the first storage recess is sealed with the sealing material, even if the sensing region is immersed in the liquid, the liquid will enter the other main surface side of the crystal vibrating piece and both It is possible to prevent the excitation electrode on the main surface from being short-circuited.

また、ICチップが収納された第2収納凹部に、封止用樹脂を充填するので、ICチップの接続部分を、外力や腐食から保護することができる。   Further, since the sealing resin is filled in the second storage recess in which the IC chip is stored, the connection portion of the IC chip can be protected from external force and corrosion.

本発明によれば、センシング領域に、液中の検出対象が付着することによって、共振周波数が変化する圧電振動子と、この圧電振動子を発振させる発振回路を含むICチップとを、パッケージの基板部を挟んでその両側の第1,第2収納凹部にそれぞれ収納するので、当該センサは、発振回路を内蔵したセンサとなり、圧電振動子と発振回路との間の伝送距離が短くなって、ノイズの混入やゆらぎを抑制することができ、発振の安定性が向上し、計測精度を高めることができる。   According to the present invention, a piezoelectric vibrator whose resonance frequency changes when a detection target in a liquid adheres to a sensing region, and an IC chip including an oscillation circuit that oscillates the piezoelectric vibrator are provided on a package substrate. The sensor is housed in the first and second housing recesses on both sides of the part, so that the sensor becomes a sensor with a built-in oscillation circuit, and the transmission distance between the piezoelectric vibrator and the oscillation circuit is shortened. Mixing and fluctuations, oscillation stability can be improved, and measurement accuracy can be improved.

しかも、基板部を挟んでその両側に、第1,第2収納凹部が形成されるので、剛性バランスに優れる。更に、圧電振動子と発振回路を含むICチップとを、個別の収納空間に収納するので、ICチップの発熱による圧電振動子への影響を抑制することができる。   Moreover, since the first and second storage recesses are formed on both sides of the substrate portion, the rigidity balance is excellent. Furthermore, since the piezoelectric vibrator and the IC chip including the oscillation circuit are housed in separate housing spaces, the influence on the piezoelectric vibrator due to the heat generated by the IC chip can be suppressed.

図1は本発明の一実施形態に係るQCMセンサを示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)におけるA−A線断面図、(c)は下面図である。1A and 1B are diagrams showing a QCM sensor according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 図2は図1のQCMセンサを用いた計測システムの概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a measurement system using the QCM sensor of FIG. 図3は本発明の他の実施形態に係るQCMセンサを示す図であり、(a)は平面図、(b)は縦断側面図、(c)は下面図である。3A and 3B are views showing a QCM sensor according to another embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is a plan view, FIG. 3B is a longitudinal side view, and FIG. 3C is a bottom view. 図4は本発明の更に他の実施形態に係るQCMセンサを示す図であり、(a)は平面図、(b)は縦断側面図である。4A and 4B are views showing a QCM sensor according to still another embodiment of the present invention. FIG. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a longitudinal side view.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るセンサを示すものであり、同図(a)は平面図であり、同図(b)は同図(a)におけるA−A線断面図であり、同図(c)は下面図である。   1A and 1B show a sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 10C is a bottom view.

この実施形態のセンサは、センサ素子として、圧電振動子である水晶振動子5を備えるQCMセンサ1である。このQCMセンサ1は、胴部2及び一対の脚部3を有するパッケージ4を備えており、このパッケージ4の前記胴部2には、その表面側にATカット水晶振動子5が組込まれ、裏面側に水晶振動子5を発振させる少なくとも発振回路を含むICチップ24が搭載される。   The sensor of this embodiment is a QCM sensor 1 including a crystal resonator 5 that is a piezoelectric resonator as a sensor element. The QCM sensor 1 includes a package 4 having a body 2 and a pair of legs 3. The body 2 of the package 4 has an AT-cut crystal resonator 5 incorporated on the front side thereof, and a back surface. On the side, an IC chip 24 including at least an oscillation circuit for oscillating the crystal resonator 5 is mounted.

パッケージ4は、同図(b)に示すように、基板部を構成する平板状の基材層4aを備えると共に、この基材層4aの上面に、枠部を構成する第1,第2上部層4b,4cが形成され、基材層4aの下面に、枠部を構成する下部層4dが形成される。このパッケージ4は、積層したセラミック等の絶縁シートを焼成して形成される。   As shown in FIG. 4B, the package 4 includes a flat base material layer 4a that constitutes the substrate portion, and first and second upper portions that constitute a frame portion on the upper surface of the base material layer 4a. Layers 4b and 4c are formed, and a lower layer 4d constituting a frame portion is formed on the lower surface of the base material layer 4a. The package 4 is formed by firing laminated insulating sheets such as ceramics.

基板部としての基材層4a上面の第1,第2上部層4b,4cには、円形の貫通孔がそれぞれ形成されて、水晶振動子5の水晶片7を嵌め込むための第1収納凹部6が形成される。第1,第2上部層4b,4cは、第1収納凹部6を囲む枠部を構成する。   A circular through hole is formed in each of the first and second upper layers 4b and 4c on the upper surface of the base material layer 4a as the substrate portion, and a first storage recess for fitting the crystal piece 7 of the crystal resonator 5 therein. 6 is formed. The first and second upper layers 4 b and 4 c constitute a frame portion surrounding the first storage recess 6.

第1収納凹部6の第2上部層4c部分の開口径は、第1上部層4b部分の開口径に比べて大きく、第1収納凹部6には、水晶片7の周縁部を支持する段部が形成される。   The opening diameter of the second upper layer 4c portion of the first storage recess 6 is larger than the opening diameter of the first upper layer 4b portion, and the first storage recess 6 has a stepped portion that supports the peripheral portion of the crystal piece 7. Is formed.

基板部としての基材層4a下面の下部層4dには、第1,第2上部層4b,4cの第1収納凹部6に対応するように、矩形の貫通孔が形成されて、ICチップ24を収納すると共に、封止用樹脂25で封止される第2収納凹部が形成される。下部層4dは、第2収納凹部を囲む枠部を構成する。   A rectangular through hole is formed in the lower layer 4d on the lower surface of the base material layer 4a as the substrate portion so as to correspond to the first housing recesses 6 of the first and second upper layers 4b and 4c. And a second storage recess that is sealed with the sealing resin 25 is formed. The lower layer 4d constitutes a frame portion surrounding the second storage recess.

水晶振動子5の水晶片7は、円形に形成され、この水晶片7の両主面である表面及び裏面の中央部には、励振電極8a,9aが円形に形成されている。   The crystal piece 7 of the crystal unit 5 is formed in a circular shape, and excitation electrodes 8 a and 9 a are formed in a circular shape at the center of both the front and back surfaces of the crystal piece 7.

各励振電極8a,9aからは、互いに反対方向となるように、水晶片7の外周方向に向かって引出電極8b,9bが形成されている。水晶片7の表面側の引出電極8bは、裏面側に回り込んでいる。これら電極8a,9a;8b,9bは、例えばクロム(Cr)/金(Au)やTi(チタン)/Au(金)の積層膜により形成される。なお、電極材料は、これら金属に限らず、ニッケル(Ni)/銀(Ag)やその他の金属を用いてもよい。   Extraction electrodes 8b and 9b are formed from the excitation electrodes 8a and 9a toward the outer peripheral direction of the crystal piece 7 so as to be opposite to each other. The extraction electrode 8b on the front surface side of the crystal piece 7 goes around to the back surface side. These electrodes 8a, 9a; 8b, 9b are formed of, for example, a laminated film of chromium (Cr) / gold (Au) or Ti (titanium) / Au (gold). The electrode material is not limited to these metals, and nickel (Ni) / silver (Ag) or other metals may be used.

水晶片7の表面側の励振電極8a上には、検出対象である特定物質が吸着等によって付着する感応膜10が形成される。   On the excitation electrode 8a on the surface side of the crystal piece 7, a sensitive film 10 to which a specific substance to be detected adheres by adsorption or the like is formed.

パッケージ4の第1収納凹部6の段部の上面には、水晶片7の引出電極8b,9bに対応するように接続電極11,12が形成されており、これら接続電極11,12に、水晶片7の引出電極8b,9bが、エポキシ樹脂等を用いた導電性接着剤13を介して接続される。なお前記導電性接着剤として、エポキシ系以外の樹脂を用いてもよい。   On the upper surface of the step portion of the first housing recess 6 of the package 4, connection electrodes 11 and 12 are formed so as to correspond to the extraction electrodes 8 b and 9 b of the crystal piece 7. The lead electrodes 8b and 9b of the piece 7 are connected via a conductive adhesive 13 using an epoxy resin or the like. A resin other than an epoxy resin may be used as the conductive adhesive.

各接続電極11,12は、図示しない内部配線によって基材層4aの下面の電極パッド14,15に接続され、ICチップ24が、該ICチップ24の金属バンプにより電極パッド14,15に接続され、封止用樹脂25が充填される。   The connection electrodes 11 and 12 are connected to the electrode pads 14 and 15 on the lower surface of the base material layer 4 a by internal wiring (not shown), and the IC chip 24 is connected to the electrode pads 14 and 15 by the metal bumps of the IC chip 24. The sealing resin 25 is filled.

各電極パッド14,15は、図示しない内部配線によって、パッケージ4の各脚部3,3の表面の外部端子16,17にそれぞれ接続される。   The electrode pads 14 and 15 are connected to external terminals 16 and 17 on the surfaces of the leg portions 3 and 3 of the package 4 by internal wiring (not shown).

この実施形態のQCMセンサ1は、液体に浸されるので、水晶片7の表裏面の励振電極8a,9aが、液体に接触すると、短絡して水晶振動子5を発振させることができなくなる。このため、第1収納凹部6内への液体の浸入を防止するために、水晶片7の外周縁とパッケージ4の第1収納凹部6の周壁との間には、絶縁性の封止材18が充填されてシーリングされる。   Since the QCM sensor 1 of this embodiment is immersed in a liquid, when the excitation electrodes 8a and 9a on the front and back surfaces of the crystal piece 7 come into contact with the liquid, the crystal oscillator 5 cannot be oscillated. Therefore, in order to prevent liquid from entering the first storage recess 6, an insulating sealing material 18 is provided between the outer peripheral edge of the crystal piece 7 and the peripheral wall of the first storage recess 6 of the package 4. Is filled and sealed.

このようにQCMセンサ1の胴部2は、パッケージ4の基材層4aの上面側の第1収納凹部6と下面側の第2収納凹部とに、水晶振動子5とICチップ24とがそれぞれ収納されるので、上記の従来例に比べて、水晶振動子5とICチップ24の発振回路との間の伝送距離を短くできることになり、ノイズの混入やゆらぎを抑制することができ、発振の安定性が向上し、計測精度が向上する。   As described above, the body 2 of the QCM sensor 1 includes the crystal resonator 5 and the IC chip 24 in the first storage recess 6 on the upper surface side and the second storage recess on the lower surface side of the base material layer 4a of the package 4, respectively. Since it is housed, the transmission distance between the crystal unit 5 and the oscillation circuit of the IC chip 24 can be shortened as compared with the above-described conventional example, noise mixing and fluctuation can be suppressed, and oscillation can be suppressed. Stability is improved and measurement accuracy is improved.

更に、基材層4a上面の第1上部層4bは、水晶振動子5を収納する第1収納凹部6の周壁を構成するが、この第1上部層4bによる周壁の厚さt1は、同図(b)に示すように、ICチップ24を収納する第2収納凹部の周壁を構成する下部層4dの厚さt2に比べて厚くなっている。   Further, the first upper layer 4b on the upper surface of the base material layer 4a constitutes the peripheral wall of the first storage recess 6 for storing the crystal resonator 5, and the thickness t1 of the peripheral wall by the first upper layer 4b is shown in FIG. As shown in (b), it is thicker than the thickness t2 of the lower layer 4d constituting the peripheral wall of the second storage recess for storing the IC chip 24.

このようにパッケージ4の上部の水晶振動子5を収納する第1収納凹部6の周壁は、ICチップ24が収納される第2収納凹部の周壁に比べて厚肉の部分を有するので、パッケージ4の上部が変形しにくく、水晶振動子5にかかる応力を低減できる一方、パッケージ4の下部は、ICチップ24を収納するための空間を十分に確保することができる。   As described above, the peripheral wall of the first storage recess 6 that stores the crystal resonator 5 at the top of the package 4 has a thicker portion than the peripheral wall of the second storage recess in which the IC chip 24 is stored. The upper portion of the package 4 is not easily deformed, and the stress applied to the crystal resonator 5 can be reduced. On the other hand, the lower portion of the package 4 can secure a sufficient space for accommodating the IC chip 24.

なお、第1収納凹部6の周壁を構成する第2上部層4cの厚さも、下部層4dの厚さに比べて相対的に厚くしてもよい。   Note that the thickness of the second upper layer 4c constituting the peripheral wall of the first storage recess 6 may also be relatively thicker than the thickness of the lower layer 4d.

このQCMセンサ1では、水晶振動子5の水晶片7の表面側が、液体に浸されるセンシング領域となり、このセンシング領域には、検出対象である特定物質が付着する感応膜10を含んでいる。   In the QCM sensor 1, the surface side of the crystal piece 7 of the crystal unit 5 is a sensing region immersed in a liquid, and the sensing region includes a sensitive film 10 to which a specific substance to be detected adheres.

この実施形態のQCMセンサ1は、例えば、有機化合物や生体分子を検出対象としたケミカルセンサやバイオセンサなどに好適であり、次に、この実施形態のQCMセンサ1を用いた計測システムについて説明する。   The QCM sensor 1 of this embodiment is suitable for, for example, a chemical sensor or a biosensor that detects an organic compound or a biomolecule. Next, a measurement system using the QCM sensor 1 of this embodiment will be described. .

図2は、図1のQCMセンサ1を用いた計測システムの概略構成図である。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a measurement system using the QCM sensor 1 of FIG.

この計測システムは、緩衝液等の液体19に注入装置(図示せず)によって検出対象である特定物質が注入されて試料液が調製され、この試料液中の特定物質の質量等を計測するものである。   In this measurement system, a specific substance to be detected is injected into a liquid 19 such as a buffer solution by an injection device (not shown) to prepare a sample liquid, and the mass of the specific substance in the sample liquid is measured. It is.

発振回路を含むICチップ24を内蔵したQCMセンサ1は、外部の周波数カウンタ21に接続される。QCMセンサ1の励振電極8aの表面には、特定物質が付着する感応膜10が形成されており、このQCMセンサ1を、緩衝液等の液体19に浸漬し、検出対象である特定物質を、液体19に注入して計測を行う。液体19は、図示しない攪拌機能付の恒温槽によって一定温度に維持されると共に、攪拌される。   The QCM sensor 1 including the IC chip 24 including the oscillation circuit is connected to an external frequency counter 21. A sensitive film 10 to which a specific substance adheres is formed on the surface of the excitation electrode 8a of the QCM sensor 1. The QCM sensor 1 is immersed in a liquid 19 such as a buffer solution, and the specific substance to be detected is Measurement is performed by injecting the liquid 19. The liquid 19 is maintained at a constant temperature and stirred by a thermostat with a stirring function (not shown).

先ず、QCMセンサ1のICチップ24によって水晶振動子5を発振させ、周波数カウンタ21によって水晶振動子5の共振周波数を計測する。次に図示しない注入装置によって検出対象である特定物質を液体19に注入する。特定物質が注入された液体19、すなわち、試料液中の特定物質が、QCMセンサ1の感応膜10と結合付着し、励振電極8aの質量が増加する。励振電極8aの質量が増加すると、水晶振動子5の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等を、周波数カウンタ21を介してコンピュータ22によって解析することによって、試料液中の特定物質の質量等を算出する。   First, the crystal resonator 5 is oscillated by the IC chip 24 of the QCM sensor 1, and the resonance frequency of the crystal resonator 5 is measured by the frequency counter 21. Next, a specific substance to be detected is injected into the liquid 19 by an injection device (not shown). The liquid 19 into which the specific substance is injected, that is, the specific substance in the sample liquid is bonded and attached to the sensitive film 10 of the QCM sensor 1, and the mass of the excitation electrode 8a is increased. As the mass of the excitation electrode 8a increases, the resonance frequency of the crystal unit 5 decreases. By analyzing the amount of decrease in the resonance frequency by the computer 22 via the frequency counter 21, the mass of the specific substance in the sample liquid is calculated.

このようにQCMセンサ1は、液中に浸漬されて使用されるので、攪拌等による液体の圧力を受けることになるが、パッケージ4は、上記のように、水晶振動子5が収納された第1収納凹部6の周壁の厚みを厚くして剛性を高めているので、水晶振動子5に加わる応力を低減することができる。   Since the QCM sensor 1 is used by being immersed in the liquid as described above, the package 4 receives the pressure of the liquid by stirring or the like. However, the package 4 is the first in which the crystal resonator 5 is accommodated as described above. Since the thickness of the peripheral wall of the one storage recess 6 is increased to increase the rigidity, the stress applied to the crystal unit 5 can be reduced.

図3は、本発明の他の実施形態に係るQCMセンサ31を示すものであり、同図(a)は平面図であり、同図(b)は縦断側面図であり、同図(c)は下面図である。   FIG. 3 shows a QCM sensor 31 according to another embodiment of the present invention, where FIG. 3 (a) is a plan view, FIG. 3 (b) is a longitudinal side view, and FIG. 3 (c). Is a bottom view.

上記実施形態のQCMセンサ1が一対の脚部3の表面に外部端子16,17を有する、いわゆるリードタイプであるのに対して、この実施形態のQCMセンサ31は、表面実装型である。   Whereas the QCM sensor 1 of the above embodiment is a so-called lead type having the external terminals 16 and 17 on the surfaces of the pair of legs 3, the QCM sensor 31 of this embodiment is a surface mount type.

パッケージ32は、同図(b)に示すように、基板部を構成する矩形平板状の基材層32aを備えると共に、この基材層32aの上面に、枠部を構成する第1,第2上部層32b,32cが形成され、基材層32aの下面に、枠部を構成する下部層32dが形成される。このパッケージ32は、積層したセラミック等の絶縁シートを焼成して形成される。   As shown in FIG. 2B, the package 32 includes a rectangular flat plate-like base material layer 32a constituting the substrate portion, and first and second frames constituting the frame portion on the upper surface of the base material layer 32a. Upper layers 32b and 32c are formed, and a lower layer 32d constituting a frame portion is formed on the lower surface of the base material layer 32a. The package 32 is formed by firing laminated insulating sheets such as ceramics.

基板部としての基材層32a上面の第1,第2上部層32b,32cには、円形の貫通孔がそれぞれ形成されて、水晶振動子37の水晶片40を嵌め込むための第1収納凹部38が形成される。第1,第2上部層32b,32cは、第1収納凹部38を囲む枠部を構成する。第1収納凹部38の第2上部層32c部分の開口径は、第1上部層32b部分の開口径に比べて大きく、第1収納凹部38には、水晶片40の周縁部を支持する段部が形成される。   A circular through hole is formed in each of the first and second upper layers 32b and 32c on the upper surface of the base material layer 32a as the substrate portion, and a first storage recess for fitting the crystal piece 40 of the crystal resonator 37 therein. 38 is formed. The first and second upper layers 32 b and 32 c constitute a frame portion surrounding the first storage recess 38. The opening diameter of the second upper layer 32c portion of the first storage recess 38 is larger than the opening diameter of the first upper layer 32b portion, and the first storage recess 38 has a stepped portion that supports the peripheral portion of the crystal piece 40. Is formed.

基板部としての基材層32a下面の下部層32dには、第1,第2上部層32b,32cの第1収納凹部38に対応するように、矩形の貫通孔が形成されて、ICチップ51を収納すると共に、封止用樹脂39で封止される第2収納凹部が形成される。下部層32dは、第2収納凹部を囲む枠部を構成する。   A rectangular through hole is formed in the lower layer 32d on the lower surface of the base material layer 32a as the substrate portion so as to correspond to the first storage recesses 38 of the first and second upper layers 32b and 32c, and the IC chip 51 is formed. And a second storage recess that is sealed with the sealing resin 39 is formed. The lower layer 32d constitutes a frame portion surrounding the second storage recess.

水晶振動子37の水晶片40は、円形に形成され、この水晶片40の表面及び裏面の中央部には、励振電極41a,42aが円形に形成されている。各励振電極41a,42aからは、互いに反対方向となるように、水晶片40の外周方向に向かって引出電極41b,42bが形成されている。水晶片40の表面側の引出電極41bは、裏面側に回り込んでいる。   The crystal piece 40 of the crystal unit 37 is formed in a circular shape, and excitation electrodes 41 a and 42 a are formed in a circular shape at the center of the front and back surfaces of the crystal piece 40. From each excitation electrode 41a, 42a, extraction electrodes 41b, 42b are formed toward the outer peripheral direction of the crystal piece 40 so as to be opposite to each other. The lead electrode 41b on the front surface side of the crystal piece 40 goes around to the back surface side.

水晶片40の表面側の励振電極41a上には、検出対象である特定物質が吸着等によって付着する感応膜43が形成される。   On the excitation electrode 41a on the surface side of the crystal piece 40, a sensitive film 43 to which a specific substance to be detected adheres by adsorption or the like is formed.

パッケージ32の第1収納凹部38の段部の上面には、水晶片40の引出電極41b,42bに対応するように接続電極44,45が形成されており、これら接続電極44,45に、水晶片40の引出電極41b,42bが、エポキシ樹脂等を用いた導電性接着剤46を介して接続される。なお前記導電性接着剤として、エポキシ系以外の樹脂を用いてもよい。   Connection electrodes 44 and 45 are formed on the upper surface of the stepped portion of the first housing recess 38 of the package 32 so as to correspond to the extraction electrodes 41 b and 42 b of the crystal piece 40. The lead electrodes 41b and 42b of the piece 40 are connected via a conductive adhesive 46 using an epoxy resin or the like. A resin other than an epoxy resin may be used as the conductive adhesive.

基材層32aの下面には、複数の電極パッド47が設けられて、これら電極パッド47には、ICチップ51が、該ICチップ51の金属バンプにより接続される。この基材層32の下面の複数の電極パッド47は、図示しない内部配線を介して第1収納凹部38の接続電極44,45、あるいは、下部層32dの底面角部の4つの実装用の外部端子49に接続される。   A plurality of electrode pads 47 are provided on the lower surface of the base material layer 32 a, and the IC chip 51 is connected to the electrode pads 47 by metal bumps of the IC chip 51. The plurality of electrode pads 47 on the lower surface of the base material layer 32 are connected to the connection electrodes 44 and 45 of the first housing recess 38 or four mounting externals at the corners of the bottom surface of the lower layer 32d through internal wiring (not shown). Connected to terminal 49.

基材層32aの下面側のICチップ51が収納された第2収納凹部には、封止用樹脂39が充填される。   A sealing resin 39 is filled in the second storage recess in which the IC chip 51 on the lower surface side of the base material layer 32a is stored.

QCMセンサ31は、第1収納凹部38内への液体の浸入を防止するために、水晶片40の外周縁とパッケージ32の収納凹部38の内壁との間に、絶縁性の封止材50が充填されてシーリングされる。   In the QCM sensor 31, an insulating sealing material 50 is provided between the outer peripheral edge of the crystal piece 40 and the inner wall of the storage recess 38 of the package 32 in order to prevent liquid from entering the first storage recess 38. Filled and sealed.

このようにQCMセンサ31は、パッケージ32の基材層32aの上面側の第1収納凹部38と下面側の第2収納凹部とに、水晶振動子37とICチップ51とがそれぞれ収納された断面H型の構造となっているので、剛性を高めることができると共に、水晶振動子37とICチップ51の発振回路との間の伝送距離を短くできることになり、ノイズの混入やゆらぎを抑制することができ、発振の安定性が向上する。   As described above, the QCM sensor 31 has a cross section in which the crystal resonator 37 and the IC chip 51 are respectively stored in the first storage recess 38 on the upper surface side and the second storage recess on the lower surface side of the base material layer 32a of the package 32. Since it has an H-type structure, the rigidity can be increased and the transmission distance between the crystal unit 37 and the oscillation circuit of the IC chip 51 can be shortened, thereby suppressing noise mixing and fluctuation. And stability of oscillation is improved.

この断面H型のパッケージ構造は、基材層32aの上下両側に、収納凹部がそれぞれ形成されるので、上下の一方側のみに収納凹部が形成される、シングルパッケージ構造に比べて、剛性バランスに優れている。   This package structure with an H-shaped cross section has storage recesses formed on both the upper and lower sides of the base material layer 32a, and therefore has a rigidity balance compared to a single package structure in which the storage recesses are formed only on one of the upper and lower sides. Are better.

水晶振動子37とICチップ51とは、第1収納凹部38と第2収納凹部との個別の収納空間にそれぞれ収納されるので、ICチップ51の発熱による水晶振動子37の周波数温度特性等への影響を低減することができる。   Since the crystal resonator 37 and the IC chip 51 are stored in separate storage spaces of the first storage recess 38 and the second storage recess, respectively, the frequency temperature characteristics of the crystal resonator 37 due to the heat generation of the IC chip 51 and the like. Can be reduced.

更に、基材層32a上面の第1上部層32bは、水晶振動子37を収納する第1収納凹部38の周壁を構成するが、この第1上部層32bによる周壁の厚さt1は、同図(b)に示すように、ICチップ51を収納する第2収納凹部の周壁を構成する下部層32dの厚さt2に比べて厚くなっている。   Further, the first upper layer 32b on the upper surface of the base material layer 32a constitutes the peripheral wall of the first storage recess 38 for storing the crystal resonator 37. The thickness t1 of the peripheral wall by the first upper layer 32b is shown in FIG. As shown in (b), it is thicker than the thickness t2 of the lower layer 32d constituting the peripheral wall of the second storage recess for storing the IC chip 51.

これによって、パッケージ32の上部が変形しにくく、水晶振動子37にかかる応力を低減できる一方、パッケージ32の下部は、ICチップ51を収納するための空間を十分に確保することができる。   Accordingly, the upper portion of the package 32 is not easily deformed, and stress applied to the crystal resonator 37 can be reduced. On the other hand, the lower portion of the package 32 can sufficiently secure a space for housing the IC chip 51.

図4は、本発明の更に他の実施形態に係るQCMセンサ61を示すものであり、同図(a)は平面図であり、同図(b)は縦断側面図である。   FIG. 4 shows a QCM sensor 61 according to still another embodiment of the present invention, where FIG. 4 (a) is a plan view and FIG. 4 (b) is a longitudinal side view.

上記各実施形態のQCMセンサ1,31は、いずれも円形の水晶片7,40に円形の励振電極8a,9a;41a,42a及び円形の感応膜10,43を形成するのに対して、この実施形態のQCMセンサ61は、矩形の水晶片64に、矩形の励振電極68a,69aを形成すると共に、矩形の感応膜70を形成するものである。   In the QCM sensors 1 and 31 of the above embodiments, the circular excitation electrodes 8a and 9a; 41a and 42a and the circular sensitive films 10 and 43 are formed on the circular crystal pieces 7 and 40, respectively. In the QCM sensor 61 of the embodiment, rectangular excitation electrodes 68a and 69a are formed on a rectangular crystal piece 64, and a rectangular sensitive film 70 is formed.

この実施形態のQCMセンサ61も図3のQCMセンサ31と同様に表面実装型のQCMセンサである。   The QCM sensor 61 of this embodiment is also a surface-mount type QCM sensor like the QCM sensor 31 of FIG.

パッケージ62は、基材層62aを備えると共に、この基材層62aの上面に、第1,第2上部層62b,62cが形成され、基材層62aの下面に、下部層62dが形成される。   The package 62 includes a base material layer 62a, and first and second upper layers 62b and 62c are formed on the upper surface of the base material layer 62a, and a lower layer 62d is formed on the lower surface of the base material layer 62a. .

基材層62a上面には、水晶振動子63の水晶片64を嵌め込むための第1収納凹部65が形成される。基材層62a下面の下部層62dには、ICチップ66を収納すると共に、封止用樹脂67で封止される第2収納凹部が形成される。   A first housing recess 65 for fitting the crystal piece 64 of the crystal resonator 63 is formed on the upper surface of the base material layer 62a. The lower layer 62d on the lower surface of the base material layer 62a is formed with a second storage recess that stores the IC chip 66 and is sealed with the sealing resin 67.

水晶振動子63の水晶片64は、矩形に形成され、この水晶片64の表面及び裏面の中央部には、励振電極68a,69aが矩形に形成されている。各励振電極68a,69aからは、互いに反対方向となるように、水晶片64の外周方向に向かって引出電極68b,69bが形成され、表面側の引出電極68bは、裏面側に回り込んでいる。   The crystal piece 64 of the crystal unit 63 is formed in a rectangular shape, and excitation electrodes 68a and 69a are formed in a rectangular shape at the center of the front and back surfaces of the crystal piece 64. From each excitation electrode 68a, 69a, extraction electrodes 68b, 69b are formed toward the outer peripheral direction of the crystal piece 64 so as to be opposite to each other, and the extraction electrode 68b on the front surface side wraps around the back surface side. .

水晶片64の表面側の励振電極68a上には、検出対象である特定物質が吸着等によって付着する感応膜70が矩形に形成される。   On the excitation electrode 68a on the surface side of the crystal piece 64, a sensitive film 70 to which a specific substance to be detected adheres by adsorption or the like is formed in a rectangular shape.

パッケージ62の第1収納凹部65の段部の上面には、水晶片64の引出電極68b,69bに対応するように接続電極71,72が形成されており、これら接続電極71,72に、水晶片64の引出電極68b,69bが、エポキシ樹脂等を用いた導電性接着剤73を介して接続される。   Connection electrodes 71 and 72 are formed on the upper surface of the stepped portion of the first housing recess 65 of the package 62 so as to correspond to the extraction electrodes 68 b and 69 b of the crystal piece 64. The lead electrodes 68b and 69b of the piece 64 are connected via a conductive adhesive 73 using an epoxy resin or the like.

基材層62aの下面には、複数の電極パッド74が設けられて、これら電極パッド74には、ICチップ66が、該ICチップ66の金属バンプにより接続される。この基材層62aの下面の複数の電極パッド67は、図示しない内部配線を介して第1収納凹部65の接続電極71,72、及び、下部層32dの底面の実装用の外部端子75に接続される。   A plurality of electrode pads 74 are provided on the lower surface of the base material layer 62a, and an IC chip 66 is connected to the electrode pads 74 by metal bumps of the IC chip 66. The plurality of electrode pads 67 on the lower surface of the base material layer 62a are connected to the connection electrodes 71 and 72 of the first housing recess 65 and the mounting external terminals 75 on the bottom surface of the lower layer 32d through internal wiring (not shown). Is done.

QCMセンサ61は、第1収納凹部65内への液体の浸入を防止するために、水晶片64の外周縁とパッケージ62の収納凹部65の内壁との間に、絶縁性の封止材76が充填されてシーリングされる。   In the QCM sensor 61, an insulating sealing material 76 is provided between the outer peripheral edge of the crystal piece 64 and the inner wall of the storage recess 65 of the package 62 in order to prevent liquid from entering the first storage recess 65. Filled and sealed.

この実施形態のQCMセンサ61も上記QCMセンサ31と同様に、パッケージ62の基材層62aの上面側の第1収納凹部65と下面側の第2収納凹部とに、水晶振動子63とICチップ66とがそれぞれ搭載された断面H型の構造となっているので、剛性を高めることができると共に、水晶振動子63とICチップ66の発振回路との間の伝送距離を短くできることになり、ノイズの混入やゆらぎを抑制することができ、発振の安定性が向上する。   Similarly to the QCM sensor 31, the QCM sensor 61 of this embodiment has a crystal resonator 63 and an IC chip in the first storage recess 65 on the upper surface side and the second storage recess on the lower surface side of the base material layer 62 a of the package 62. 66 has an H-shaped cross section on which each is mounted, the rigidity can be increased and the transmission distance between the crystal unit 63 and the oscillation circuit of the IC chip 66 can be shortened. Mixing and fluctuations can be suppressed, and the oscillation stability is improved.

(他の実施形態)
QCMセンサのパッケージの材料は、セラミックに限らず、ガラス、水晶、シリコンなどであってもよい。
(Other embodiments)
The material of the QCM sensor package is not limited to ceramic, but may be glass, crystal, silicon, or the like.

圧電振動子は、平板状に限らず、一方の面または/および他方の面の中央部に窪みを形成して中央部の周囲の厚みを厚くした逆メサ構造や、一方の面または/および他方の面の外周部の厚みを、中央部の厚みよりも薄くしたメサ構造等の圧電振動子であってもよい。   The piezoelectric vibrator is not limited to a flat plate shape, but an inverted mesa structure in which a recess is formed in the central portion of one surface or / and the other surface to increase the thickness around the central portion, or one surface or / and the other surface. A piezoelectric vibrator having a mesa structure or the like in which the thickness of the outer peripheral portion of the surface is thinner than the thickness of the central portion may be used.

水晶振動子のセンシング領域に試料溶液を流入、流出させる流路を形成したフローセル型のQCMセンサに適用してもよい。   The present invention may be applied to a flow cell type QCM sensor in which a flow path for allowing a sample solution to flow into and out of a sensing region of a crystal resonator is formed.

1,31,61 QCMセンサ
2,32,62 パッケージ
5,37,63 水晶振動子
7,40,64 水晶片
8a,9a;41a,42a;68a,69a 励振電極
10,43,70 感応膜
24,51,66 ICチップ
1,31,61 QCM sensor 2,32,62 package 5,37,63 crystal resonator 7,40,64 crystal piece 8a, 9a; 41a, 42a; 68a, 69a excitation electrode 10,43,70 sensitive film 24, 51, 66 IC chip

Claims (5)

液体中の検出対象が付着するセンシング領域を有すると共に、前記検出対象の前記付着によって共振周波数が変化する圧電振動子を備えるセンサであって、
基板部と枠部とを有し、前記基板部を挟んでその両側に前記枠部によって囲まれた第1,第2収納凹部が形成されたパッケージを備え、
前記第1収納凹部に、前記圧電振動子が、前記センシング領域を前記パッケージ外に臨むように収納され、
前記第2収納凹部に、前記圧電振動子を発振させる発振回路を含むICチップが収納される、
ことを特徴とするセンサ。
A sensor having a sensing region to which a detection target in a liquid adheres, and a piezoelectric vibrator whose resonance frequency changes due to the adhesion of the detection target;
A package having a substrate part and a frame part, wherein first and second storage recesses are formed on both sides of the substrate part and surrounded by the frame part;
The piezoelectric vibrator is housed in the first housing recess so that the sensing area faces the outside of the package,
An IC chip including an oscillation circuit that oscillates the piezoelectric vibrator is housed in the second housing recess.
A sensor characterized by that.
前記第1収納凹部は、その周壁の厚さが、前記第2収納凹部の周壁の厚さに比べて、厚肉となる部分を有する、
請求項1に記載のセンサ。
The first storage recess has a portion where the thickness of the peripheral wall is thicker than the thickness of the peripheral wall of the second storage recess.
The sensor according to claim 1.
前記圧電振動子は、水晶振動片の両主面に励振電極がそれぞれ形成される水晶振動子であり、
前記センシング領域は、前記両主面の少なくとも一方の主面の前記励振電極上に形成される感応膜を含む、
請求項1または2に記載のセンサ。
The piezoelectric vibrator is a crystal vibrator in which excitation electrodes are formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece,
The sensing region includes a sensitive film formed on the excitation electrode of at least one of the principal surfaces.
The sensor according to claim 1 or 2.
前記第1収納凹部には、前記水晶振動片の周縁部を支持する段部が形成され、
前記段部に支持された前記水晶振動片の周縁部と前記第1収納凹部の周壁との間が、封止材によって封止される、
請求項3に記載のセンサ。
In the first storage recess, a stepped portion that supports a peripheral portion of the crystal vibrating piece is formed,
The gap between the peripheral part of the quartz crystal vibrating piece supported by the step part and the peripheral wall of the first storage recess is sealed with a sealing material,
The sensor according to claim 3.
前記ICチップが収納された前記第2収納凹部に、封止用樹脂が充填される、
請求項1ないし4のいずれかに記載のセンサ。
A sealing resin is filled in the second storage recess in which the IC chip is stored.
The sensor according to claim 1.
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