JP2007187485A - Detection sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、質量を有した物質の有無の検出、物質の質量の検出等を行うために用いるのに適した検出センサに関する。 The present invention relates to a detection sensor suitable for use in detecting the presence or absence of a substance having mass, detecting the mass of a substance, and the like.
マイクロマシン/MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 技術などの微細加工技術の進展により、機械的な振動子を極めて小さく作ることが可能となっている。これにより振動子そのものの質量を小さく作ることが可能になったことから、分子レベルの極微小な物質(例えば分子やウイルス等)の付着による質量変化によっても、周波数やインピーダンス特性の変動が生ずるほどに高感度な振動子が実現しつつある。このような高感度な振動子を用いれば、極微小な物質の存在や量を検出できるセンサ等を構成することが可能となる。
また、空気の粘性などによる振動エネルギー損失の小さい振動のさせ方(振動モード)を用いることにより、空気中においても極めてQ値(Quality Factor)の高い振動を振動子に起こさせることが可能になり、これにより精度良く周波数の変動を観測することができるようになってきた。
Advances in micromachining technology such as micromachine / MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology have made it possible to make mechanical vibrators extremely small. As a result, the mass of the vibrator itself can be made small, so even if the mass changes due to the adhesion of extremely small substances (such as molecules or viruses) at the molecular level, the frequency and impedance characteristics fluctuate. Highly sensitive vibrators are being realized. By using such a highly sensitive vibrator, it is possible to configure a sensor or the like that can detect the presence or amount of a very small substance.
In addition, by using a method of vibration (vibration mode) that causes a small loss of vibration energy due to the viscosity of the air, it is possible to cause the vibrator to vibrate with extremely high Q (Quality Factor) even in air. As a result, it has become possible to observe frequency fluctuations with high accuracy.
振動子の周波数変化等によって物質の量を検出する装置としては、QCM(Quarts Crystal Micro balance: 水晶天秤)センサが知られている。これは、水晶振動子に物質が付着するとその質量に応じて振動周波数が変動する(下がる)性質を利用したもので、微小な質量変化を計測する質量センサとして優れた性能を有しており、例えば膜厚計(蒸着モニタ)としてもよく用いられている(例えば、非特許文献1参照)。
また、味覚や嗅覚を与える分子を、水晶発振器の表面に形成した脂質二重膜に吸着させ、この質量変化を測定する技術も提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
A QCM (Quarts Crystal Micro balance) sensor is known as a device that detects the amount of a substance by changing the frequency of a vibrator. This uses the property that the vibration frequency fluctuates (decreases) depending on the mass of a substance attached to the crystal unit, and has excellent performance as a mass sensor that measures minute mass changes. For example, it is often used as a film thickness meter (evaporation monitor) (for example, see Non-Patent Document 1).
In addition, a technique has been proposed in which molecules that give taste or olfaction are adsorbed on a lipid bilayer formed on the surface of a crystal oscillator, and this mass change is measured (see, for example, Non-Patent Document 2).
このような方式を採用することで、白金やパラジウムを水素分子の吸着膜として適用した水素ガス検知センサや、PMMAポリマーを用いたアルコール成分検知、また食物の匂い検知等が実現できることが既に報告されている。 It has already been reported that by adopting such a method, it is possible to realize a hydrogen gas detection sensor using platinum or palladium as an adsorption film for hydrogen molecules, alcohol component detection using PMMA polymer, food odor detection, etc. ing.
しかしながら、上記したような、微小質量の付着によって振動特性が変化する振動子を用いたセンサにおいては、さらなる高感度化、小型化、低価格化が常に求められている。
また、非特許文献2に記載の技術においては、分子の吸着能が高い脂質二重膜が使われているが、この膜は水分の存在が必須であり、ドライな雰囲気では利用が制限される。また水晶は自由なマイクロ加工が困難であり、またシリコンとの集積化が困難等の課題がある。これらの理由から感度を上げるには更なる工夫が必要である。
However, in a sensor using a vibrator whose vibration characteristics change as a result of adhesion of a minute mass as described above, further higher sensitivity, smaller size, and lower cost are always required.
In the technique described in Non-Patent
QCMセンサにおいて、振動周波数は、
fo=α/t
で表される。ここで、α:周波数を決める定数、t:水晶振動子の厚さである。このように、QCMセンサの振動周波数はその膜厚と逆比例に関係があるため、膜厚を十分に薄くすることが出来ない。すなわちQCMセンサでは、検出する微小質量と振動子の実効質量の比を向上させるには限界があることを意味している。
また、例えば物質の量を検出するセンサを構成する場合、目的の物質以外の他の物質が振動子に付着すると、検出精度が低下してしまうことになる。したがって、センサを使用する環境に関わらず、高精度な検出が行えるセンサが求められている、という課題もある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、高感度化、小型化、低価格化、高精度化を図ることのできる検出センサを提供することを目的とする。
In the QCM sensor, the vibration frequency is
f o = α / t
It is represented by Here, α is a constant that determines the frequency, and t is the thickness of the crystal resonator. As described above, since the vibration frequency of the QCM sensor is inversely proportional to the film thickness, the film thickness cannot be sufficiently reduced. That is, in the QCM sensor, it means that there is a limit in improving the ratio of the minute mass to be detected and the effective mass of the vibrator.
For example, when a sensor for detecting the amount of a substance is configured, if a substance other than the target substance adheres to the vibrator, the detection accuracy is lowered. Therefore, there is also a problem that a sensor capable of highly accurate detection is required regardless of the environment in which the sensor is used.
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a detection sensor capable of achieving high sensitivity, downsizing, low cost, and high accuracy.
かかる目的のもと、本発明の検出センサは、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子と、振動子を振動させる駆動部と、振動子における振動の変化を検出することで、物質を検出する検出部と、を備える。このような検出センサにおいては、振動子に物質が直接または間接的に付着または吸着したことによって生じる振動子の振動の変化を検出し、これによって物質を検出する。なお、物質の検出は、物質の有無の検出だけでなく、振動子に付着した物質の量を検出することも可能である。
このような振動子としては、ディスク状のものや、基端部が固定された片持ちのカンチレバー状のものを用いることができる。
このような振動子は、振動時において、部位によって振動の振幅が異なる。なお、振動のモードや高調波振動の次数によっても、振動の振幅の分布が異なる。本発明は、これを利用し、振動子の振動を電気的にモニタリングすることで、振動子の表面の一部の領域に付着または吸着した物質による振動子の振動の変化を検出することを特徴とする。すなわち、振動振幅の大きな一部の領域に物質が付着または吸着すると、振動振幅の小さな領域に付着または吸着した場合に比較し、振動は大きく変化する。これにより、高感度な検出が可能となるのである。
For this purpose, the detection sensor of the present invention detects a vibrator whose vibration characteristics change due to the attachment or adsorption of a substance having a mass, a drive unit that vibrates the vibrator, and a change in vibration in the vibrator. And a detection unit for detecting the substance. In such a detection sensor, a change in the vibration of the vibrator caused by the substance directly or indirectly adhering or adsorbing to the vibrator is detected, and thereby the substance is detected. In addition, the detection of the substance can detect not only the presence / absence of the substance but also the amount of the substance attached to the vibrator.
As such a vibrator, a disk-shaped one or a cantilever-shaped one with a base end fixed can be used.
Such vibrators have different vibration amplitudes depending on the site during vibration. Note that the vibration amplitude distribution varies depending on the vibration mode and the order of the harmonic vibration. The present invention utilizes this and electrically monitors the vibration of the vibrator to detect a change in the vibration of the vibrator due to a substance attached or adsorbed to a partial region of the surface of the vibrator. And That is, when a substance adheres or adsorbs to a part of a region with a large vibration amplitude, the vibration changes greatly as compared with a case where it adheres or adsorbs to a region with a small vibration amplitude. Thereby, highly sensitive detection becomes possible.
このような領域としては、例えば、振動子の振動振幅が、この振動子の最大振動振幅の50%以上となる部位とすることができる。このとき、この領域は、必ずしも最大振動振幅の部位を含む必要はない。
また、このような領域を、振動子の振動振幅が最大となる部位を含むように設定することもできる。
さらに、このような領域を複数設定し、これら領域に互いに異なる物質を付着また吸着させることもできる。これにより、複数の物質を同時に検出することができる。
Such a region can be, for example, a portion where the vibration amplitude of the vibrator is 50% or more of the maximum vibration amplitude of the vibrator. At this time, this region does not necessarily include a portion having the maximum vibration amplitude.
Further, such a region can be set so as to include a portion where the vibration amplitude of the vibrator is maximized.
Furthermore, a plurality of such areas can be set, and different substances can be adhered and adsorbed to these areas. Thereby, a plurality of substances can be detected simultaneously.
ところで、駆動部および検出部は、振動子の振動、振動の変化を検出するためにいかなる手段を用いても良いが、振動子との静電結合を用いるのが好ましい。 By the way, the drive unit and the detection unit may use any means for detecting the vibration of the vibrator and a change in the vibration, but it is preferable to use electrostatic coupling with the vibrator.
振動子の一部の領域に物質を付着または吸着させるには、例えば、振動子の表面の一部の領域に、分子の吸着を効率よく行えるような吸着材料を付加しても良い。これには、グローバルな認識材と、選択認識材がある。グローバルな認識材は、選択性は強くないが、ある特定の分子群、例えばアルコールやエーテル等を吸着するポリマーである。これらのポリマーをナノファイバー化したり、またポーラスにして表面積を増やすことも有効である。また選択性の強い認識材としては、抗原−抗体反応を起こすような生物由来の材料や、アクセプター−レセプターの組み合わせや、遺伝子やDNA,RNAとハイブリダイゼーションする特定の塩基配列を持ったプローブ等がある。また、脂質二重膜でも良い。
振動子の表面の一部の領域に、分子の吸着を効率よく行えるような吸着材料を付加するには、以下のような方法が考えられる。
1)ホトレジストを用いて、選択成長する以外の部分にレジストをパターンニングし、分子認識膜の成長の後、そのレジストを酸素プラズマ等で除去する。
2)ホトレジストを用いて、選択成長する以外の部分にレジストをパターンニングし、選択成長部位にシラン化処理等を行って疎水化処理を行った後、分子認識膜を成長させ、成長後、そのレジストを酸素プラズマ等で除去する(この場合、レジストは最初に除去しても良い)。
3)選択的なソフトリソグラフィ法等を用いて、1,2)を行う。
4)分子認識膜を溶剤に溶かして、濃度調整を行い、その後インクジェット法や微細なパターンが可能なスプレー法、印刷法、或いはソフトリソグラフィ法を用いて分子認識膜を選択的に成長させ、その後、溶媒を乾燥させて、所定の有機物、或いは無機物の分子認識膜を得る。
なお、このような吸着素材は、通常は振動子とは別に形成し、振動子の表面に取り付けるのが一般的である。しかし、吸着素材がある程度の密度を持てば、吸着材料と振動子を一体に形成するようにしても良い。さらには、振動子自体を吸着素材で形成するようにしても良い。その場合、物質を付着させない領域にはマスク膜等を設けるのが好ましい。
また、ここでいうポリマーのナノファイバー化とは、様々な分子に対する吸着特性が異なるポリマーの吸着能を飛躍的に挙げるため、ポリマーを数ナノメートル〜数百ミクロンメートルの大きさ(長さ)の繊維状にするものをいう。
In order to attach or adsorb a substance to a partial region of the vibrator, for example, an adsorbing material that can efficiently adsorb molecules may be added to a partial region of the surface of the vibrator. There are global recognition materials and selective recognition materials. A global recognition material is a polymer that adsorbs a specific molecular group, such as alcohol or ether, although the selectivity is not strong. It is also effective to increase the surface area by making these polymers into nanofibers or making them porous. Examples of highly selective recognition materials include biological materials that cause antigen-antibody reactions, acceptor-receptor combinations, probes with specific base sequences that hybridize with genes, DNA, and RNA. is there. A lipid bilayer membrane may also be used.
In order to add an adsorbing material capable of efficiently adsorbing molecules to a part of the surface of the vibrator, the following method can be considered.
1) Using a photoresist, pattern the resist in a portion other than the selective growth, and after the growth of the molecular recognition film, the resist is removed by oxygen plasma or the like.
2) Using a photoresist, pattern the resist in a portion other than the selective growth, perform a hydrophobization treatment by performing a silanization treatment or the like on the selective growth site, and then grow a molecular recognition film. The resist is removed with oxygen plasma or the like (in this case, the resist may be removed first).
3) Perform 1, 2) using a selective soft lithography method or the like.
4) The molecular recognition film is dissolved in a solvent, the concentration is adjusted, and then the molecular recognition film is selectively grown using an inkjet method, a spray method capable of forming a fine pattern, a printing method, or a soft lithography method. Then, the solvent is dried to obtain a predetermined organic or inorganic molecular recognition film.
In general, such an adsorption material is usually formed separately from the vibrator and attached to the surface of the vibrator. However, if the adsorbing material has a certain density, the adsorbing material and the vibrator may be integrally formed. Furthermore, the vibrator itself may be formed of an adsorption material. In that case, a mask film or the like is preferably provided in a region to which no substance is attached.
In addition, the term “polymer nanofiberization” as used herein means that the polymer has a size (length) of several nanometers to several hundreds of micrometers in order to dramatically increase the adsorption ability of polymers with different adsorption characteristics for various molecules. It means what is made fibrous.
また、振動子の一部の領域に物質を付着または吸着させるため、振動子の表面の一部に、凹凸または溝を形成するのが良い。これにより、振動子の表面積が増加するため、振動子の表面に対する物質の付着を効率良く行える。さらに、前述した吸着材料のナノファイバー化との組み合わせによって、更なる高感度化を図ることも可能になる。 Further, in order to attach or adsorb a substance to a partial region of the vibrator, it is preferable to form irregularities or grooves on a part of the surface of the vibrator. Thereby, since the surface area of the vibrator is increased, the substance can be efficiently attached to the surface of the vibrator. Furthermore, it is possible to further increase the sensitivity by combining the adsorbing material with the nanofiber.
このような検出センサにおいては、検出対象となる物質を特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子とすることができる。これにより、例えば、ガス検出センサ、匂いセンサ等に本検出センサを用いることができる。これには、振動子で、特定の分子としてガスや生体由来の分子、生活空間の浮遊分子、揮発性分子等を対象とする場合、特定種の分子のみを高い選択性を持って検出するのが望ましい。また、このように選択性の高い検出センサを複数用い、複数種の分子を認識したり、用途の応用範囲を広げることができる。また、グローバル認識と称される、特定の特徴を持った分子群や、同じ側鎖を持つ分子群等を検出することもできる。この場合、検出センサを複数用い、これら複数の検出センサ間における検出能の差から、信号処理やソフトフェアを用いた処理等によって分子群の認識を行うようにしても良い。また、液中で動作するように構成を変更して、特定のたんぱく質や酵素、糖鎖等を検出しても良い。 In such a detection sensor, the substance to be detected can be a specific molecule or a plurality of types of molecules having specific characteristics or characteristics. Thereby, this detection sensor can be used for a gas detection sensor, an odor sensor, etc., for example. For this purpose, when a specific target molecule is a gas, a biological molecule, a living space floating molecule, a volatile molecule, etc., only a specific type of molecule is detected with high selectivity. Is desirable. In addition, by using a plurality of detection sensors with high selectivity as described above, a plurality of types of molecules can be recognized and the application range of applications can be expanded. It is also possible to detect a group of molecules having specific characteristics or a group of molecules having the same side chain, which is called global recognition. In this case, a plurality of detection sensors may be used, and molecular groups may be recognized by signal processing, processing using software, or the like based on the difference in detection ability between the plurality of detection sensors. In addition, a specific protein, enzyme, sugar chain, or the like may be detected by changing the configuration to operate in a liquid.
微小質量の検出は、薄膜形成の際の膜厚モニタ、抗体抗原反応や蛋白質吸着作用などのバイオ研究にも用いることができる。本発明の検出センサは、このような用途に好適である。
また、小型で安定な高感度な家庭用や個人用のガスセンサや、携帯性に優れる使い捨て型で空気中などに浮遊する有害物質の検出等の用途にも、本発明の検出センサや振動子を用いることも考えられる。更に高感度化が進めばその応用範囲はさらに広がり、「におい」の検出識別が可能となるまで発展することが可能であり、さらにこれ以外の用途に対しても、本発明の検出センサの利用を妨げるものではない。
しかも本発明の検出センサは、いわゆるSi単結晶を構造材料として用いることで、MEMS技術により製造することができることから、Si半導体と同一チップ内への作り込むことも可能となる。その場合、極めて安価でしかも高性能な微小物質の検出装置とすることができる。
The detection of minute mass can also be used for bio-research such as film thickness monitoring during antibody film formation, antibody antigen reaction and protein adsorption. The detection sensor of the present invention is suitable for such applications.
The detection sensor and vibrator of the present invention can also be used for applications such as small and stable high-sensitivity home and personal gas sensors, and portable, disposable types that detect harmful substances floating in the air. It can also be used. If the sensitivity is further increased, the range of application will be further expanded, and it can be developed until “smell” can be detected and identified. It does not prevent.
Moreover, since the detection sensor of the present invention can be manufactured by the MEMS technology by using so-called Si single crystal as a structural material, it can be built in the same chip as the Si semiconductor. In that case, a very inexpensive and high-performance minute substance detection device can be obtained.
本発明によれば、検出センサ、振動子の高感度化、小型化、低価格化、高精度化を図ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to increase the sensitivity, size, price, and accuracy of detection sensors and vibrators.
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図1は、本実施の形態におけるセンサ(検出センサ)10の基本的な構成を説明するための図である。
この図1に示すセンサ10は、ディスク状で、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有し、質量を有した分子等の検出対象物が付着すると振動周波数が変化するディスク型振動子(振動子)20と、ディスク型振動子20を振動させるための駆動源(図示無し)と、ディスク型振動子20における振動特性の変化を検出する検出部30と、を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining a basic configuration of a sensor (detection sensor) 10 according to the present embodiment.
The
上記のようなディスク型振動子20を用いたセンサ10の基本的な原理について説明する。
ディスク型振動子20において、その外周が固定されていない(Free)な状態でのディスク型振動子20の振動数を決める周波数関数と、その振動の形を示すモード関数は、以下のように決められることができ、これらはディスク型振動子20の厚みには無関係である。
すなわち、開放端条件におけるディスク型振動子20の振動周波数(周波数関数)や振動姿態(モード関数)は、円柱座標(r, θ, z)を用いた解析により、以下の通りとなる。なおAはdilatation(拡張・縮小方向)の振幅、Bはrotation(回転方向)の振幅である。
ディスク型振動子20に生じる振動には、(a)ラジアルモード(径方向にのみ振動するモード)、(b)タンジェンシャルモード(Tangential Mode:θ方向にのみ振動するモード)、(c)コンパウンドモード(径方向の振動およびθ方向の振動が複合したモード)、の3通りがある。
ラジアルモードの場合、周波数関数、モード関数は、以下の通りとなる。
The basic principle of the
In the disk-
That is, the vibration frequency (frequency function) and vibration state (mode function) of the disk-
The vibration generated in the disk-
In the radial mode, the frequency function and mode function are as follows.
また、タンジェンシャルモードの場合、周波数関数、モード関数は、以下の通りとなる。 In the tangential mode, the frequency function and mode function are as follows.
コンパウンドモードの場合、周波数関数、モード関数は、以下の通りとなる。 In the case of the compound mode, the frequency function and the mode function are as follows.
なお、任意係数Aは径方向の振動の振幅、Bは軸方向の振動の振幅であり、AとBの比は次式で表される。 The arbitrary coefficient A is the amplitude of vibration in the radial direction, B is the amplitude of vibration in the axial direction, and the ratio of A and B is expressed by the following equation.
また実効質量Mreは、次のように決めることができる。 The effective mass M re can be determined as follows.
また、この実効質量Mreと振動周波数ω0を用いることで、等価剛性Kreは次の様に決まる。 Further, by using the effective mass M re and the vibration frequency ω 0 , the equivalent rigidity K re is determined as follows.
上式は、ディスク型振動子20の振動は、剛性Kreのバネに実効質量Mreの重りをぶら下げた時には振動周波数(角周波数)ω0で振動することと等価であることを示している。
また上式を書き換えることにより、実効質量MreがδMreだけ増えたときの振動周波数は次式で表すことができる。
The above equation shows that the vibration of the disk-
Further, by rewriting the above equation, the vibration frequency when the effective mass M re increases by ΔM re can be expressed by the following equation.
すなわち、実効質量MreがδMreだけ増えたときの振動周波数の変化は、次式で表される。 That is, the change in the vibration frequency when the effective mass M re increases by ΔM re is expressed by the following equation.
このように、ディスク型振動子20では、質量を有した物質が付着すると、振動周波数が変化するので、これを検出することで、微小質量を検出できる。さて上記の式(9)によれば、微小質量に相当するδMreと実効質量Mreとの比が小さいほど周波数の変動量は大きくなり、微小質量検出装置としての感度が高いことがわかる。この場合、ディスク型振動子20の厚みtは振動周波数とは無関係であるので、ディスク型振動子20の厚みtを機械的な強度の許す範囲まで薄くして実効質量Mreを小さくすることで、容易に感度の向上を図ることができる。
As described above, in the disk-
さて、上記のようなディスク型振動子20においては、ディスク型振動子20上の位置により、振動振幅が異なる。振動モード、高調波振動の次数により、ディスク型振動子20の振動のしかたが変わるので、振動振幅が大きい位置は変わるが、その、振動振幅が大きい箇所において、物質の付着を検出することで、より高感度な物質の検出が行える。
In the disk-
図2〜図7は、ディスク型振動子の、4次までの高調波振動を含む各振動モードの振動子表面での振動振幅の大きさの分布を、最大振幅を100%としたときに、10%区分で順に10段階に区分して表示したものである。具体的には場所(r, θ)における振動振幅の大きさDを次式により計算した結果である。このとき、図2〜図7において、10段階に区分した個々の領域を、振動振幅の大きいものから順に、領域A1、A2、・・・、A10とした。ただし、各図においては、最低次の振動についてのみ領域A1〜A10を示し、他の次数の振動については、少なくとも領域A1を示すに留めた。また、nは振動モードのモード数、mは高調波振動の次数を示す。 2 to 7 show the distribution of the magnitude of vibration amplitude on the vibrator surface of each vibration mode including harmonic vibrations up to the fourth order of the disk-type vibrator, when the maximum amplitude is 100%. The 10% classification is displayed in 10 stages. Specifically, the magnitude of vibration amplitude D at the location (r, θ) is calculated by the following equation. At this time, in FIG. 2 to FIG. 7, the individual regions divided into 10 stages are designated as regions A1, A2,..., A10 in descending order of vibration amplitude. In each figure, however, the regions A1 to A10 are shown only for the lowest order vibration, and at least the region A1 is shown for other orders of vibration. Further, n represents the number of vibration modes, and m represents the order of harmonic vibration.
図2〜図7に示したように、ほとんどの振動モードで振動振幅の大きな領域は限られている。
図2に示すように、例えばn=0の振動では、振動子の振動振幅の大きさは、同心円状に区分され、個々の領域はリング状となる。また、図4〜図7に示すようにn≧1の振動では、複数箇所に、最大振動振幅を有する領域A1が存在している。
As shown in FIGS. 2 to 7, the region where the vibration amplitude is large is limited in most vibration modes.
As shown in FIG. 2, for example, in the case of n = 0 vibration, the vibration amplitude of the vibrator is divided into concentric circles, and each region has a ring shape. Further, as shown in FIGS. 4 to 7, in the vibration of n ≧ 1, there are regions A1 having the maximum vibration amplitude at a plurality of locations.
図8〜図13は、10段階に区分した領域において振動振幅の大きな順に、その領域で占める実効質量と全実効質量の質量比と、その領域の面積と全振動子表面との面積比を示したものである。
図8〜図13に示すように、いずれの振動モード、高調波振動の次数においても、振動振幅の大きな領域における実効質量の比の値は、その領域の面積の比の値に較べて大きいことが判る。すなわち振動振幅の大きな領域は、実際においては小さな質量であるにもかかわらず大きな実効質量となっていることになる。このことは言い換えると、この様な振動振幅の大きな領域に測定すべき微小物質を付着させれば、もともとの微小物質の質量より大きな実効質量を感じることができることを意味している。
8 to 13 show the mass ratio of the effective mass to the total effective mass occupied by the region in the descending order of the vibration amplitude in the region divided into 10 stages, and the area ratio between the area of the region and the surface of the entire vibrator. It is a thing.
As shown in FIGS. 8 to 13, the value of the effective mass ratio in the region where the vibration amplitude is large is larger than the value of the area ratio of the region in any vibration mode and harmonic vibration order. I understand. That is, the region where the vibration amplitude is large has a large effective mass in spite of a small mass in practice. In other words, this means that if a minute substance to be measured is attached to such a region having a large vibration amplitude, an effective mass larger than the mass of the original minute substance can be felt.
そこで、振動振幅の大きな領域順にそこに占める実効質量を順次足し合わせた累積実効質量の、ディスク型振動子全体の実効質量に対する割合を縦軸とし、それぞれの領域の面積を順次足し合わせていった累積面積の、ディスク型振動子全体の面積に対する割合(面積比)を横軸としたものを、図14〜図19に示す。この図14〜図19によれば、例えば図14においてm=1のときのラジアルモードの最低次モードでは、累積面積が50%の時、累積実効質量は実効質量の65%程度あることからその比は65%/50%となり、1以上となる。一方、図17に示すn=2、m=2のとき、n=2、m=3のとき、図18に示すn=3、m=2のとき、n=3、m=3のときには、累積面積が50%のときには累積実効質量が90%以上であり、その比は90%/50%となり2に近い値となっている。またこれらのモードにおいて面積比が10%と小さい場合の累積実効質量は、全体の40%程度の値になっている。このことは振動振幅の大きな領域では、小さな質量でも大きな実効質量として感じることができることを示しており、検出すべき微小物質をこの振動振幅の大きな部分に付着させることで、検出感度を向上させることが可能であることを示唆している。 Therefore, the ratio of the cumulative effective mass obtained by sequentially adding the effective masses in the order of the large vibration amplitude to the effective mass of the entire disk type vibrator is taken as the vertical axis, and the area of each region was added sequentially. FIGS. 14 to 19 show the ratio (area ratio) of the accumulated area to the area of the entire disk-type vibrator as a horizontal axis. According to FIGS. 14 to 19, for example, in the lowest order mode of the radial mode when m = 1 in FIG. 14, when the cumulative area is 50%, the cumulative effective mass is about 65% of the effective mass. The ratio is 65% / 50%, which is 1 or more. On the other hand, when n = 2 and m = 2 shown in FIG. 17, when n = 2 and m = 3, when n = 3 and m = 2 shown in FIG. 18, when n = 3 and m = 3, When the cumulative area is 50%, the cumulative effective mass is 90% or more, and the ratio is 90% / 50%, which is close to 2. In these modes, the cumulative effective mass when the area ratio is as small as 10% is about 40% of the total. This indicates that even a small mass can be felt as a large effective mass in a region where the vibration amplitude is large, and the detection sensitivity can be improved by attaching a small substance to be detected to this large vibration amplitude portion. Suggests that it is possible.
これまで述べてきた方法による検出感度向上について詳細に検討する。まず振動子の全質量をM、密度ρ、厚さtおよび面積をSとし、微小物質の質量をδM、密度をδρとすれば、微小物質を振動子の表面に一様に付着したときには、次式で表すことができる。 The detection sensitivity improvement by the method described so far will be examined in detail. First, if the total mass of the vibrator is M, the density ρ, the thickness t and the area is S, and the mass of the minute substance is δM and the density is δρ, when the minute substance is uniformly attached to the surface of the vibrator, It can be expressed by the following formula.
一方、同じ質量δMの微小物質を面積δSに集中させて選択的に付着させた時には式(15)のようになるので、等価的な密度δρ´は式(16)で表すことができる。 On the other hand, when fine substances having the same mass δM are concentrated and selectively adhered to the area δS, the equation (15) is obtained, and therefore the equivalent density δρ ′ can be expressed by the equation (16).
また、振動子の実効質量は、式(17)のように書き直し、これを用いて振動子面上に一様に微小物質を付着させたときの全実効質量を表すと式(18)のようになる。ここで微小物質の実効質量はδMU reである。 Further, the effective mass of the vibrator is rewritten as in Expression (17), and using this, the total effective mass when a minute substance is uniformly deposited on the surface of the vibrator is expressed as in Expression (18). become. Here, the effective mass of the minute substance is ΔM U re .
さらに、微小物質を面積δSに集中させて付着させた場合の実効質量は、次式のようになる。ここにδM S reは微小物質の実効質量である。 Furthermore, the effective mass when the minute substance is concentrated and adhered to the area ΔS is expressed by the following equation. Here, δM S re is the effective mass of the minute substance.
従って、微小物質を一様に付着させた場合の微小物質の実効質量と、選択的に特定の領域に微小物質を付着させた場合の実効質量の比が検出感度の向上度SIR(Sensitivity Improve Ratio)であり、式(18)、式(19)より、次式が得られる。但し分子の積分は、微小物質を選択に付着させた領域について施すものとする。 Therefore, the ratio of the effective mass of the fine substance when the fine substance is uniformly attached to the effective mass when the fine substance is selectively attached to a specific region is the detection sensitivity improvement ratio SIR (Sensitivity Improve Ratio ), And the following equation is obtained from equations (18) and (19). However, the integration of the molecule is performed on the region where the minute substance is selectively attached.
この考察結果に従って、振動子の特定の表面、すなわち振動振幅の大きな領域を選んで選択的に微小物質を付着させることによる感度向上について計算した結果が図20〜図25である。図20〜図25からは、振動振幅の大きな部分を選択的に選んで微小物質を付着させることにより、この計算範囲内では最大11.2倍の感度向上が図れることが読み取れる。 FIGS. 20 to 25 show the results of calculating the sensitivity improvement by selectively attaching a minute substance by selecting a specific surface of the vibrator, that is, a region having a large vibration amplitude, in accordance with this consideration result. From FIG. 20 to FIG. 25, it can be seen that the sensitivity can be improved by a maximum of 11.2 times within this calculation range by selectively selecting a portion having a large vibration amplitude and attaching a minute substance.
具体的な微小物質の付着領域は、それぞれのモードやその高調波振動の次数によって異なるが、ラジアルモードを含めた各振動モードについては、図2〜図7に示す領域A1(最大振動振幅の90%以上)が最も振動振幅の大きな領域であり、この領域を使えば3〜4倍の感度向上を図ることができることが、図20〜図25の横軸(面積比)0.1のときの縦軸:検出感度の向上度SIRを見ることから読み取れる。
さらに最大の高感度化を期待する場合は、振動振幅の大きな領域である領域A1の中でも、最も振動振幅が最も大きな局所的な部位に、集中して微小物質を付着させることで最大10倍以上の感度向上が実現できることもわかる。もちろん、領域A1に限ることなく、その周辺部位を含めて微小物質を付着させてもその効果は十分に高い。
The specific adhesion area of the minute substance varies depending on each mode and the order of the harmonic vibration, but for each vibration mode including the radial mode, the area A1 (maximum vibration amplitude of 90) shown in FIGS. % Or more) is the region with the largest vibration amplitude, and if this region is used, the sensitivity can be improved by 3 to 4 times when the horizontal axis (area ratio) of FIGS. 20 to 25 is 0.1. Vertical axis: Can be read from looking at the detection sensitivity improvement SIR.
Furthermore, when the highest sensitivity is expected, a maximum of 10 times or more can be obtained by concentrating and attaching minute substances to a local part having the largest vibration amplitude in the area A1 where the vibration amplitude is large. It can also be seen that the sensitivity can be improved. Of course, the effect is sufficiently high even if a minute substance including the peripheral part is attached without being limited to the region A1.
また図26〜図31は、横軸に最大振幅を1とした規格化振動振幅を取り、縦軸には式(20)に示した、その振幅における検出感度の向上度(SIR)をとったもので、振動振幅が最大振動振幅のおおよそ50%以上では検出感度の向上度が1以上となり、振動子の表面に一様に微小物質を塗布した場合にくらべて検出感度が向上することがわかる。 26 to 31, the horizontal axis represents the normalized vibration amplitude with the maximum amplitude being 1, and the vertical axis represents the degree of improvement in detection sensitivity (SIR) at the amplitude shown in Equation (20). Therefore, when the vibration amplitude is approximately 50% or more of the maximum vibration amplitude, the degree of improvement in detection sensitivity is 1 or more, and it can be seen that the detection sensitivity is improved compared to the case where a minute substance is uniformly applied to the surface of the vibrator. .
このようにして、物質の検出を行うときには、振動子のうち、振動振幅の大きな特定の領域に物質を付着させることで、高感度な物質の検出を行うことができる。
すなわち、物質の検出を行うには、少なくとも、領域A1〜A10のうち、最大振動振幅の部位を含む領域を一以上選択して特定の領域とし、この特定の領域に物質を付着させて検出を行うのが好ましい。少なくとも、最大振動振幅の部位を含む領域A1のみを特定の領域とし、付着した物質の検出を行うのが好ましい。さらに言えば、確実に感度を上げるには、最大振動振幅の50%以上の領域A1〜A5を特定の領域とし、ここに物質を付着させて検出を行うのが好ましい。
In this way, when detecting a substance, it is possible to detect a highly sensitive substance by attaching the substance to a specific region of the vibrator having a large vibration amplitude.
That is, in order to detect a substance, at least one of the areas A1 to A10 including a region having the maximum vibration amplitude is selected as a specific area, and the substance is attached to the specific area for detection. It is preferred to do so. It is preferable that at least the region A1 including the portion having the maximum vibration amplitude is a specific region, and the attached substance is detected. Furthermore, in order to surely increase the sensitivity, it is preferable to perform the detection by attaching a substance to the region A1 to A5 that is 50% or more of the maximum vibration amplitude.
なお、n=1以上の振動モードすなわちコンパウンドモード(Compound Mode)では、最大振動振幅箇所が複数個存在する。そのため、そのすべてに同じように微小物質を付着させても、その中の特定の1箇所に限定して微小物質を付着させても、振動モードに影響を与えるほどの量の微小物質を付着させない限り効果は同等であると考えられる。
したがって、最大振動振幅となる部位を含む複数の領域A1、あるいは領域A1とその周囲を含む複数の領域を特定の領域とし、これら複数の特定の領域において、互いに異なる微小物質を付着させ、微小物質の拡散状況を振動子の振動周波数の変動からモニタすることにより、多種類の微小物質を一度にしかも高感度で検出することを可能にする構造になり得る。この場合、振動子が(n,m)のコンパウンドモードで振動している場合には最大振幅領域は、
最大振幅領域の数 =2n
で表すことができる。また振動子が(mR)のラジアルモードやタンジェンシャルモードで振動する場合には、最大振動領域はリング状として現れる。このリングを、検出に必要な微小物質の数に合わせて分割し、分割したそれぞれの特定の領域毎に、異なる種類の微小物質を付着させることで、複数の微小物質を一度に検出することが可能になる。
またこれらの検討結果から、高調波振動の次数が高いほど検出感度の向上度が高くなる傾向がみられ、特にラジアルモード(mR)やタンジェンシャルモード(mT)ではその傾向が顕著に見られる。
In the vibration mode where n = 1 or more, that is, the compound mode, there are a plurality of maximum vibration amplitude locations. Therefore, even if a minute substance is attached to all of them in the same way, or even if a minute substance is attached only to one specific place, an amount of the minute substance that affects the vibration mode is not attached. As long as the effect is considered equivalent.
Accordingly, a plurality of regions A1 including a portion having the maximum vibration amplitude, or a plurality of regions including the region A1 and its surroundings are defined as specific regions, and minute substances different from each other are attached to the plurality of specific regions. By monitoring the state of diffusion from the fluctuation of the vibration frequency of the vibrator, it is possible to obtain a structure that enables detection of many kinds of minute substances at once with high sensitivity. In this case, when the vibrator vibrates in the (n, m) compound mode, the maximum amplitude region is
Number of maximum amplitude regions = 2n
It can be expressed as When the vibrator vibrates in the (mR) radial mode or tangential mode, the maximum vibration region appears as a ring. By dividing this ring according to the number of minute substances necessary for detection, and attaching different kinds of minute substances to each of the divided specific areas, a plurality of minute substances can be detected at one time. It becomes possible.
From these examination results, the degree of improvement in detection sensitivity tends to increase as the order of harmonic vibration increases, and this tendency is particularly noticeable in the radial mode (mR) and the tangential mode (mT).
このように、振動子の周波数変化等を検出原理とする検出センサにおいて、「振動振幅の大きな場所に検出物質を選択的に付着または吸着させる」ことにより、検出感度向上を図ることが可能となるのである。 As described above, in the detection sensor based on the detection principle such as a change in the frequency of the vibrator, the detection sensitivity can be improved by “attaching or adsorbing the detection substance selectively to a place where the vibration amplitude is large”. It is.
以下、このようなディスク型振動子20を用いたセンサ10として、複数の実施形態を示す。
Hereinafter, a plurality of embodiments will be shown as the
[第一の実施形態]
本実施の形態におけるディスク型振動子20Aは、例えばSiによって形成され、支持部20aのみが固定された状態で、残る外周部が自由端となるように支持されている。
このディスク型振動子20Aの近傍には、駆動電極(駆動部)21と、検出電極22とが設けられている。
駆動電極21、検出電極22は、ディスク型振動子20Aに対し、所定の電圧を印加したときに、静電結合が生じるよう、微小の間隙を隔てて配置されている。図1に示したような構成においては、ディスク型振動子20Aを半径方向に振動させるラジアルモードとする。ラジアルモードは、空気の粘性による影響が小さく、高いQ値(Quality Factor)が得やすい。
[First embodiment]
The disc-
A drive electrode (drive unit) 21 and a
The
このようなディスク型振動子20Aにおいては、所定の周波数を有した電気的な信号を電源から駆動電極21に印加すると、静電結合により、ディスク型振動子20Aが前記の周波数で振動する。検出電極22では、ディスク型振動子20Aの電気的な振動を、静電結合により検出し、これを検出部30に出力する。このとき、ディスク型振動子20Aに質量を有した物質が付着すると、その質量の影響を受けてディスク型振動子20Aの振動数が変化する。したがって、検出部30では、検出電極22から出力される電気的な振動をモニタリングすることで、ディスク型振動子20Aへの物質の付着の有無、あるいはディスク型振動子20Aへの物質の付着量を検出することが可能となっている。
このようなディスク型振動子20Aを効率良く駆動するためにはディスク型振動子20Aと駆動電極21の間を、例えば100nm以下といった極めて狭い間隙として、結合容量を大きくすることが必要である。
In such a disc-
In order to efficiently drive such a disc-
上記したような構成のセンサ10においては、ディスク型振動子20Aを用いることにより、高感度な質量の物体の検出や、質量の検出を行うことが可能となる。
また、ディスク型振動子20Aは、いわゆるSi単結晶を構造材料として用い、MEMS技術によって製造することができることから、Si半導体と同一チップ内にセンサ10を組み込んで作ることも可能となる。
In the
Further, since the disk-
ところで、ディスク型振動子20Aに対しては、その上面に検出対象となる分子等が落下して付着する。このとき、特定の領域として設定される、最大振動振幅となる部位を含む領域A1、あるいは領域A1とその周辺の領域への検出対象の分子等の付着効率を高めるため、ディスク型振動子20Aの表面の特定の領域に対応した部分に、凹凸、溝等を形成するのが好ましい。これにより、例えば斜め方向に落ちてきた分子等をディスク型振動子20Aの上面で捕捉しやすくなる。
By the way, on the upper surface of the disc-
[第二の実施形態]
さて、上記においては、ディスク型振動子20Aを、外周が固定されていない状態の例を挙げたが、外周を固定する構造とすることもできる。なお、センサ10全体としての構成は、上記第一の実施形態と同様であるので、ディスク型振動子20Bのみを中心として説明を行い、他の構成については説明を省略する。
[Second Embodiment]
In the above description, the disk-
図32、図33は、このような固定端型のディスク型振動子20Bの構成を示す図であり、図33は図32のA−A’断面図である。
図33に示すように、固定端型のディスク型振動子20Bは、絶縁性を有したSiからなる基板23上に、駆動電極(駆動部)24、検出電極25が設けられ、さらにその上に絶縁体26を介し、Si層27が積層された構成を有している。ここで、図32および図23に示すように、絶縁体26には、円形あるいは矩形状の開口部26aが形成されており、これによってSi層27は開口部26aの部分において振動子本体28として振動できるようになっている。この場合も、Si層27の表面には、検出対象の分子等の付着効率を高めるため、凹凸、溝29等を形成するのが好ましい。
32 and 33 are diagrams showing the configuration of such a fixed-end type disk-
As shown in FIG. 33, the fixed-end disk-
また、駆動電極24、検出電極25は、開口部26aの部分において、振動子本体28に対し、所定の間隙を隔てた状態で略平行となるように設けられている。
これら駆動電極24、検出電極25は、n=2のコンパウンドモードの振動を用いる場合、図34に示すように、駆動電極24、検出電極25をそれぞれ略扇状として、二対設けるのが良い。また、n=1のコンパウンドモードの振動を用いる場合には、駆動電極24、検出電極25をそれぞれ半円状とし、これらを一対設けるのが良い。
Further, the
In the case of using compound mode vibration with n = 2, these
このようなディスク型振動子20Bを用いて構成したセンサ10においては、所定の周波数を有した電気的な信号を電源から駆動電極24に印加すると、静電結合により、ディスク型振動子20Bが前記の周波数で振動する。検出電極25では、ディスク型振動子20Bの電気的な振動を静電結合により検出し、これを検出部30に出力する。このとき、ディスク型振動子20Bの振動子本体28に質量を有した物質が付着すると、その質量の影響を受けて振動子本体28の振動数が変化する。
外周が固定された固定端条件の振動の場合にも、振動子本体28の振動には、上記第一の実施形態におけるディスク型振動子20Aと同様、n=0のラジアルモードやタンジェンシャルモード、n≧1のコンパウンドモードが存在するが、外周部を固定したディスク型振動子20Bに対し、駆動電極21、検出電極22を略平行に設けた上記構成においては、コンパウンドモードを使うのが好ましい。この場合、Q値も開放端条件の場合と同等の性能が得られる。
In the
Also in the case of the vibration of the fixed end condition with the outer periphery fixed, the vibration of the vibrator
このような構成においても、検出部30では、検出電極25から出力される電気的な振動をモニタリングすることで、振動子本体28の特定領域への物質の付着の有無、あるいは振動子本体28への物質の付着量を、上記第一の実施形態と同様、高感度で検出することが可能となっている。
しかも、振動子本体28と駆動電極24、検出電極25は、互いに略平行に配置された面を介して静電結合することができる。これにより、結合容量を大きくすることができ、駆動・検出効率をさらに高めることが可能となる。
また、このようなディスク型振動子20Bをユニット化した場合、駆動電極24、検出電極25はSi層27の背面側に隠すことができる。上記第一の実施形態で示した開放端方式のディスク型振動子20Aにおいては、必要な静電結合量を確保するためにディスク型振動子20Aと、駆動電極21、検出電極22との間に、極めて狭い間隙(例えば100nm程度以下)を設けることが必要である。このような構造のため、微小質量を有した物質や埃等がこの狭い間隙に入り込み、測定が不能となる事態が発生する可能性がある。これに対し、ディスク型振動子20Bは、駆動電極24、検出電極25を背面側に配置できるので、このような問題が発生するのを回避できる。また、外部にはSi層27が露出するのみとなり、センサ10を、デザイン性に優れたものとすることが可能となる。
Even in such a configuration, the
In addition, the vibrator
Further, when such a
[第三の実施形態]
次に、本発明のさらに他の実施の形態として、二つのディスク型振動子20C、20Dを静電結合して構成するセンサ10について説明する。
図35に示すように、センサ10は、二つのディスク型振動子20C、20Dを静電結合して備える。ここで、ディスク型振動子20C、20Dとしては、上記第一の実施形態のディスク型振動子20Aと同様のものを例に挙げるが、もちろん第二の実施形態のディスク型振動子20Bを用いることもできる。
このようなセンサ10では、二つのディスク型振動子20C、20Dを用い、ディスク型振動子20C、20Dのそれぞれに固有の振動周波数と、二つのディスク型振動子20C、20D間の静電結合が作用することにより変化した周波数との周波数差が、ディスク型振動子20C、20Dの表面の特定領域に付着した微小質量によって変化する現象を用いる。
[Third embodiment]
Next, as another embodiment of the present invention, a
As shown in FIG. 35, the
In such a
このような構成において、まず、静電結合により結合している二つのディスク型振動子20C、20Dについて検討する。二つのディスク型振動子20C、20Dのうち、一方のディスク型振動子20Cは、互いに静電的な結合が無い場合と同様、その振動周波数は、開放端の条件でn=2とすると、式(6)で決まり、その振動の様子は式(7)で表される。ここでも式(9)、式(10)と同様の関係から、振動周波数ω0は、実効質量Mreと実効剛性Kreにより、次式の通りとなる。
In such a configuration, first, two disk-
他方のディスク型振動子20Dは、二つのディスク型振動子20C、20Dが静電結合しているため、その影響を受ける。二つのディスク型振動子20C、20D間の結合容量による実効剛性をKelecとすると他方のディスク型振動子20Dの振動周波数は、次式の通りとなる。
The other disk-
ここで、Kelecは両端固定梁の振動の場合、次式と通りとなる。 Here, Kelec is as follows in the case of vibration of a beam fixed at both ends.
ここで、ε:振動子間の誘電率、g:振動子間の距離、ΔVp:振動子のポラリゼーション電圧の差、l:振動子の長さ、h:振動子の厚みである。
ところで、二つのディスク型振動子20C、20Dを静電結合させるためには、二つのディスク型振動子20C、20Dを接近させて重ね合わせれば良い。また、二つのディスク型振動子20C、20Dを、静電結合電極を介して結合させるようにしても良い。この場合、上式(23)は、次式となる。
Where ε is the dielectric constant between the vibrators, g is the distance between the vibrators, ΔV p is the difference in the polarization voltage of the vibrator, l is the length of the vibrator, and h is the thickness of the vibrator.
By the way, in order to electrostatically couple the two disk-
ただし、R:ディスク型振動子20C、20Dの半径、α:静電結合端子と結合する部分の角度、である。
さて、式(21)、(22)より、ω0とω1の差:Δωは、次式のようになる。
Where R is the radius of the disk-
Now, from the equations (21) and (22), the difference between ω 0 and ω 1 : Δω is expressed by the following equation.
このディスク型振動子20C、20Dにおいて、質量がδmreだけ増えたとき、振動周波数の差Δωは、次式のようになる。
In the disk-
この式に表されるように、ディスク型振動子20C、20Dにおいては、ディスク型振動子20C、20Dの質量に対し、質量を有した物質が同じように付着すると、同感度で振動周波数の差が変化する。
この時の周波数スペクトラムは、図36に示すように、異なる二つの周波数にピークを持つ周波数スペクトラムとなる。このような静電結合型のディスク型振動子20C、20Dを、差動増幅器40の帰還回路に用いて発信機を構成したとき、二つの振動周波数ω0、ω1で発信する様に増幅器を動作させた場合には、差動増幅器40の発信動作が非線形動作であることから、最も非線形が強い2次の非線形成分だけを考慮しても、ω0、ω1、ω0−ω1、2ω0、2ω1の5つの周波数スペクトラムが観測される。
この周波数スペクトラムの一つとして、振動周波数の差Δω=ω0−ω1を直接観測することができ、この振動周波数の差Δωは、適当な低域フィルタを使えば単独で抽出することが容易に可能である。すなわち、微小質量の付着によって生じる二つの周波数と、その差をダイレクトに観測することが可能であり、簡易に高感度な質量検出を行うことが可能となる。しかも振動周波数の差Δωは、周波数そのものが低くなっており、高周波的回路としての処理が容易になるメリットもある。
As represented by this formula, in the disk-
The frequency spectrum at this time is a frequency spectrum having peaks at two different frequencies as shown in FIG. When such a capacitively coupled disk-
As one of the frequency spectra, the vibration frequency difference Δω = ω 0 −ω 1 can be directly observed, and this vibration frequency difference Δω can be easily extracted by using an appropriate low-pass filter. Is possible. That is, it is possible to directly observe the two frequencies generated by the attachment of a minute mass and the difference between them, and it is possible to easily perform highly sensitive mass detection. Moreover, the vibration frequency difference Δω has a merit that the frequency itself is low and the processing as a high-frequency circuit becomes easy.
このような構成のセンサ10においては、二つのディスク型振動子20C、20Dは、全く同じ環境の中で動作していることから、外乱による影響は同じように受けていると考えることが出来る。すなわち、外乱による周波数の変動は、検出部30で振動周波数の差を求める段階において、ディスク型振動子20C、20D間で相殺されてしまうため、この構成により、センサ10は、外乱に強い、高精度な質量検出を行うことが可能となる。
In the
[第四の実施形態]
次に、本発明のさらに他の実施の形態として、二つのディスク型振動子20E、20Fを用い、片方のディスク型振動子20Fにのみ質量を付着させる構成のセンサ10について説明する。
図37に示すように、センサ10は、二つのディスク型振動子20E、20Fを並列に備えている。ディスク型振動子20E、20Fは、それぞれn=2のコンパウンドモード、いわゆるワイングラスモード(Wine-Glass Mode)で振動するように設けられている。
ワイングラスモードで振動するディスク型振動子20E、20Fにおいては、駆動電極21と検出電極22を合わせて合計4つの結合電極があるが、ディスク型振動子20E、20Fは、互いに隣り合う電極に対応する部位において、互いに逆位相で振動し、向かい合う電極に対応する部位では同相で振動する。したがって、一方のディスク型振動子20Eでは、駆動電極21から入力された信号と同相の信号を取り出し、他方のディスク型振動子20Fからは逆相の信号を取り出せるように、図6に示すように結線する。これにより、検出部30では、一方のディスク型振動子20Eから生じる振動周波数と、他方のディスク型振動子20Fから生ずる振動周波数の、二つの周波数がスペクトラムとして観測される。
[Fourth embodiment]
Next, as still another embodiment of the present invention, a
As shown in FIG. 37, the
In the disk-
このようなセンサ10においては、一方のディスク型振動子20Eは、図示しないカバーで覆う等して、検出対象となる物質を付着しないようにして基準振動子とし、他方のディスク型振動子20Fに検出対象となる物質を付着させるようにする。この場合、ディスク型振動子20Fに物質が付着してディスク型振動子20Fの質量がδMreだけ増えたとき、前記の式(11)のように、片方のディスク型振動子20Fの振動周波数だけが変化する。残るディスク型振動子20Eには、物質が付着しないので、振動周波数は一定である。このディスク型振動子20Fの周波数と、質量の変化していないディスク型振動子20Eの周波数の差は、次式のようになる。
In such a
二つのディスク型振動子20E、20Fを用い、片方のディスク型振動子20Fにのみ質量を有した物質を付着させる構成とすることで、一方のディスク型振動子20Eを基準とし、他方のディスク型振動子20Fにおける振動周波数の変化を検出するようになっている。しかも、一方のディスク型振動子20Eと、他方のディスク型振動子20Fは、二つの振動周波数の位相が互いに同相になるように結線しており、同時に異なる二つの周波数で振動していることになる。この二つの周波数の間は、一方のディスク型振動子20Eでは周波数に対して振幅が減衰する方向にあり、他方のディスク型振動子20Fでは振幅が増大する方向にある。この振幅が増加するときの位相と振幅が減衰するときの位相とでは、互いに逆相の状態になるため、二つの周波数の間に深いスペクトラムの谷を作ることになる。すなわち、二つの周波数の違いを明瞭に示し、高感度な質量の検出が行えることになる。
Two disk-
このように構成された二つのディスク型振動子20E、20Fを、図5と同様に、増幅器の帰還回路に用いて発信機を構成したときの発信スペクトラムは、ここでも2次の非線形まで考慮すると、図6のようなスペクトラムが得られる。しかも、ディスク型振動子20E、20Fは逆相接続のため、極めて小さい周波数の違いが生じても二つの周波数は明瞭に分かれることから、極めて感度の高い微小質量が検出できるセンサ10を構成することが可能となる。
Similarly to FIG. 5, the transmission spectrum when the two disk-
ところで、図37に示すように、ディスク型振動子20E、20Fには、周波数調整質量(Frequency Tuning Mass)31を設けることもできる。これはディスク型振動子20E、20Fの粗い周波数調整を行うためのもので、必ずしも必要なものではない。むしろポラリゼーション電圧(Polarization Voltage) による微妙な周波数調整が現実的である。例えば、はじめに二つの周波数が完全に一致するように、もしくは特定の周波数差になるように調整し、この状態でディスク型振動子20E、20Fに微小質量を付着させて周波数変化を観測する等の方法が最を用いるのが好ましい。
Incidentally, as shown in FIG. 37, a
なお、上記第三、第四の実施形態では、開放端条件のディスク型振動子20C、20D、20E、20Fを用いて説明してあるが、これに限るものではなく、第二の実施形態で示したような固定端条件のディスク型振動子20Bを用いても構成可能である。
In the third and fourth embodiments, the disk-
また、振動子は、ディスク型であれば良く、例えば、中央部に穴のあいた形状等とすることができる。このようなディスク型振動子は、Annular Ring, Hollow-Disk, RBAR(Radial Bulk Annular Resonator)等とも称されている。 Further, the vibrator may be a disk type, and for example, may have a shape with a hole in the center. Such a disk-type vibrator is also called an annular ring, hollow-disk, RBAR (Radial Bulk Annular Resonator) or the like.
ところで、上記では、ディスク型振動子についての説明を行ったが、本発明は、ディスク型振動子に限らず、カンチレバータイプの振動子に対しても同様に適用することができる。
図38は、基端部が固定されて片持ち梁状とされたカンチレバータイプの振動子について同様のシミュレーションを行った場合であり、この振動子では振動が最大となる自由端に集中して微小物質を塗布することにより、表面に一様に塗布した場合に比べ、高調波振動の次数によらず4倍程度の感度向上が見られる。
In the above description, the disk type vibrator has been described. However, the present invention is not limited to the disk type vibrator but can be similarly applied to a cantilever type vibrator.
FIG. 38 shows a case where a similar simulation is performed on a cantilever type vibrator having a base end portion fixed and cantilevered. In this vibrator, the vibration is concentrated on the free end where the vibration is maximized. By applying the substance, a sensitivity improvement of about 4 times can be seen regardless of the order of the harmonic vibration compared to the case where the substance is uniformly applied to the surface.
また、上記では、振動子を、振動振幅の分布に応じ、最大振動振幅を100%としたときに、10%毎に10段階に区分して領域A1〜A10を区分するようにしたが、これに限るものではなく、物質の付着による振動子の振動の変化を検出する領域は、本発明の主旨の範囲内で適宜設定すればよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
In the above description, the vibrator is divided into 10 stages every 10% when the maximum vibration amplitude is 100% according to the distribution of vibration amplitudes. The region for detecting the change in the vibration of the vibrator due to the adhesion of the substance may be appropriately set within the scope of the gist of the present invention.
In addition to this, as long as it does not depart from the gist of the present invention, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
10…センサ(検出センサ)、20、20A、20B、20C、20D、20E、20F…ディスク型振動子(振動子)、21、24…駆動電極(駆動部)、22、25…検出電極、28…振動子本体、29…溝、30…検出部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記振動子を振動させる駆動部と、
前記振動子における振動の変化を検出することで、前記物質を検出する検出部と、を備え、
前記検出部は、前記振動子の表面の一部の領域に直接または間接的に付着または吸着した前記物質による前記振動子の振動の変化を検出することを特徴とする検出センサ。 A vibrator whose vibration characteristics change due to adhesion or adsorption of a substance having a mass;
A drive unit for vibrating the vibrator;
A detection unit for detecting the substance by detecting a change in vibration in the vibrator, and
The detection unit detects a change in vibration of the vibrator due to the substance attached or adsorbed directly or indirectly to a partial region of the surface of the vibrator.
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