CN100494893C - 质量测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

质量测量的装置1包括振子2，用于激发振子2中的基振的驱动装置3A、3B、3C和3D，用于探测振子2中的振动位移的探测装置4A和4B，和能够吸附探测物质的吸附薄膜5。质量是基于在质量未测时，从探测装置4A和4B获得的振动位移探测值和在该质量测量时从探测装置4A和4B获得的振动位移探测值之间的差值测得的。

Description

质量测量的装置和方法
本申请要求2003年8月19日申请的日本专利申请P2003-295012和2004年7月6日申请的日本专利申请P2004-199214的优先权，它们整体上合并起来作为参考。
背景技术：
1、发明的技术领域
本发明涉及一种测量物质如香气分子的质量的装置和方法。
2、相关技术说明
日本专利No.3003811公开了一种用于测量振子上质量的微小变化的石英振子微量天平装置，其基于石英振子的共振频率的变化。日本专利公开No.5-346384A和日本专利No.3139562公开了一种测量香气分子质量的方法。更确切地说，在石英振子的表面提供一电极和一有机吸附薄膜，其中，以一个特定的频率激发振动。香气物体分子吸附到有机吸附薄膜上，引起振子频率的变化。基于振子频率的变化计算该香气分子的质量。
根据现有技术，利用了所谓的AT切割石英振子的厚度切变振动。例如，如图9(a)和(b)中所示，测量装置12包含一个实质上具有圆盘形状的石英振子2。电极13A和13B分别形成在石英振子2的表面2a和2b上。在石英振子2内激发厚度切片振动。在该振动中，质量变化和频率变化之间满足下述公式。这样就有可能通过测量Δf(基振的频率变化)计算出Δm(质量变化)。
Δf＝-2Δmf2/A(μρ)1/2
Δf：基振的频率变化
f：基振的频率
Δm：质量变化
A：电极面积
μ：石英转矩的弹性模数＝1011dyn/cm2
ρ：石英密度＝2.65g/cm3
发明简介
假设在公知的振子设计中，上述公式中的Δm＝1pg，根据Δf给出下述表1。
表1
 
① ②
f Hz 27000000 1.48E+08
Δm g 1.00E—12 1.00E—12
A cm<sup>2</sup> 0.049 0.049
μ dyn/cm<sup>2</sup> 2.95E+11 2.95E+11
ρ g/cm<sup>2</sup> 2.65 2.65
Δf Hz -0.03365 -1.01117
根据设计1，得到的Δf被证明低至0.03Hz。由于测量精度的限制，使用电路难以探测到如此小的频率变化。另一方面，当应用设计2且将基振频率“f”从27MHz升高到148MHz时，Δf升高到1Hz，这是可测的。
另一方面，石英振子2的形状和“f”满足下列公式。
f～(Cy/4ρ)1/2/t
f：基础频率
Cy：石英层中的弹性模量＝29.3×1010/cm2
T：石英厚度
当应用设计2时，“t”被证明薄至11.2μm。通过加工很难生产出如此超薄的石英晶片。而且，当石英的厚度发生偏差，“f”的偏差会很明显地引起传感器精度的变化。而提供一种达到所需精度的传感器是不可能的。而且，“Δf”的变化依赖于其他的外部环境条件如“μ”和“Cy”以及“Δm”的温度特性。很难区分由于吸附薄膜上物质痕量的吸附和由于其他外界环境条件引起的基振的频率变化。这样，测量值的可能性将不能保证。
本发明的目的是改进质量的探测精度，降低外部环境因素对质量探测精度的不利影响，在质量测量的装置中包含振子，激发振子中基振的驱动装置，探测振子中振动位移的探测装置和能够吸收探测物质的吸附薄膜。
本发明提供了质量测量的装置，包含振子，激发振子中基振的驱动装置，探测振子中振动位移的探测装置和能够吸收探测物质的吸附薄膜。基于在质量未测时从探测装置获得的振动位移探测值和质量测量后从探测装置获得的振动位移探测值之间的差值测量质量。
本发明进一步提供了使用质量测量装置测量质量的方法，该质量测量装置包含振子，激活振子中基振的驱动装置，探测振子中振动位移的探测装置和能够吸收探测物质的吸附薄膜。根据该方法，基于质量未测时从探测装置获得的振动位移探测值和质量测量后从探测装置获得的振动位移探测值之间的差值获得质量。
根据本发明，与测量频率变化的方法相比，可以改进单元质量变化的精度。诸如“μ”和“Cy”之类的环境条件的变化发生在整个振子上。根据本发明，由于振子位移引起的平衡变化发生在整个振子上，因此位移的变化在测量前和测量中不会受到影响。这样就可能精确测量质量的变化。
通过阅读下面的发明说明书并结合附图，理解本领域技术人员可以进行相同的更改、变更和变化，那么就可以了解本发明的这些和其他的目的、特性和优势。
附图简介
图1(a)是表示根据本发明实施例的质量测量的装置1的示意俯视图，图1(b)是表示测量装置1的正视图。
图2(a)是表示振子1中的厚度扭曲振动模式的示意俯视图，图2(b)是图2(a)振动模式的透视图。
图3是表示振子1的驱动电路和信号处理电路的示意电路图。
图4(a)是表示根据另一个实施例的装置21的示意俯视图，图4(b)是表示图4(a)中装置21的示意正视图。
图5是表示根据又一个实施例的装置(在吸附薄膜形成之前)的俯视图。
图6是表示根据又一个实施例的装置(在吸附薄膜形成之后)的俯视图。
图7(a)是表示根据本发明又一实施例的质量测量装置1A的示意俯视图，图7(b)是测量装置1A的俯视图。
图8是表示本发明又一实施例的质量测量装置1B的示意俯视图。
图9(a)是表示现有质量测量装置12的示意俯视图，图9(b)是装置12的正视图。
本发明优选实施例
根据一个优选实施例，在应用的基振模式中振动位移关于振子的中心轴完全对称。此外，在优选实施例中，在非模式中从探测装置获得的探测值被调整在实质上为0的值。在这种情况下，位移在0点基础上探测，因此探测精度能够可以进一步改进，及环境条件的不利影响可以进一步降低。
根据优选实施例，基振模式是在振子厚度方向上的扭转振动模式。图1至4涉及该实施例。图1(a)表示质量测量装置1的示意俯视图，图1(b)是图1(a)中装置的正视图。图2(a)和2(b)分别是说明厚度扭曲振动模式的俯视图和透视图，图3是电路的示例。
如图1(a)和1(b)所示，本例装置包含一个实质上圆盘形状的振子2。驱动电极3A和3B以及探测电极4A形成在振子2的表面2a上。驱动电极3C、3D和探测电极4B形成在振子2的表面2b上。驱动电极3B上覆盖有吸附薄膜5。驱动电路单元14中的驱动电压源8用于在驱动电极3A和3C之间以及驱动电极3B和3D之间的提供反相的交流电压。由此产生厚度切变振动，参见图2(a)和2(b)中的箭头“A”和“B”。“D1”和“D2”分别代表提供交流电压的终端，“D1G”和“D2G”分别代表接地终端。驱动振动模式“A”和“B”相对于振子的中心轴“D”实质上对称。
探测电极4A和4B之间区域内的振子位移导致在信号端“P”和接地端“PG”之间产生电压。电压差通过信号处理部分6的探测放大器9测得，然后由相位探测电路10通过驱动振动进行相位探测。与驱动振动模式同相位的振动提供给低通滤波器并输出。
在质量未测时，中心探测电极4A和4B输出的探测信号调整成实质上为0。驱动振动的位移“A”和“B”相对于振子2的中心轴“D”实质上对称，因此，探测电极4A和4B之间区域的振子振动位移预定实质上为0。
当处于模式中的物质被吸附到吸附薄膜5中时，吸附薄膜5的质量增加使得振子中心轴“D”两侧的质量平衡消失。结果，驱动振动模式“A”和“B”不再相对于中心轴“D”对称，从而在探测电极4A和4B之间产生与驱动振动同相位的信号电压。以该信号电压为基础计算出质量。
图4(a)是根据另一个实施例的质量测量装置21的示意俯视图，图4(b)是装置21的正视图。该装置包含一个具有诸如圆盘形状的振子2。驱动电极3A和3B以及探测电极4A形成在振子2的表面2a上。接地电极14和驱动(接地)电极3C形成在振子2的表面2b上。驱动电极3B覆盖有一吸附薄膜5。驱动电路单元14中的驱动电源8用于在驱动电极3A和3C之间以及驱动电极3B和接地电极14之间提供反相的交流电压。由此产生厚度切变振动，参见附图2(a)和2(b)中的箭头“A”和“B”。“D1”和“D2”分别代表提供交流电压的终端，“D1G”和“G”分别代表接地终端。驱动振动模式“A”和“B”相对于振子的中心轴“D”实质上对称。
探测电极4A和14之间区域内的振子位移导致信号端“P”和接地端“G”之间产生电压。电压差通过信号处理部分6的探测放大器9测得，然后由相位探测电路10通过驱动振动进行相位探测。与驱动振动模式同相位的振动提供给低通滤波器并输出。在质量未测时，中心探测电极4A和14输出的探测信号调整成实质上为0。当处于模式中的物质被吸附到吸附薄膜5中时，吸附薄膜5的质量增加使得振子中心轴“D”两侧的质量平衡消失。结果，驱动振动模式“A”和“B”不再相对于中心轴“D”对称，从而在探测电极4A和14之间产生与驱动振动同相位的信号电压。以该信号电压为基础计算出质量。
根据优选实施例，振子至少有一对弯曲振动臂，基振模式包括弯曲振动臂的弯曲振动。在这样的弯曲模式中可以使位移变大以使得该实施例对于进一步改进精度有效。图5表示根据本实施例的振子(在吸附薄膜在其上形成之前)的示意俯视图，图6表示根据本实施例的振子31(在吸附薄膜在其上形成之后)的示意俯视图。
振子45具有基部34，该基部具有相对于该振子重心GO(当振子没有振动时的重心)四方对称的正方形形状。一对延长支撑部分35实质上相对于中心“D”对称地从基部34的外围部分突出出来。一对弯曲振动臂36A和36B或36C和36D从每个支撑部分35的末端沿着与中心轴“D”实质上平行的方向突出出来。在每个弯曲振动臂36A至36D的每个末端设置一个大重量或锤头部分。在每个重量部分中形成一个通孔。驱动电极32、33A和33B形成在每个弯曲振动臂的侧面和正面。
延长探测振动臂38A和38B从基部34的外围部分沿着中心轴“D”的方向突出出来。在每个探测振动臂38A和38B的每个末端设置一个大重量或锤头部分。在每个重量部分中形成一个通孔。探测电极39和40形成在每个探测振动臂的侧面和正面。
根据本实施例，吸附薄膜41A和41B形成以便它们覆盖图右侧的驱动振动臂上的电极33A。如以上所描述的，驱动电极用于激发驱动振动，在振动中每个驱动振动臂36A、36B、36c和36d以围绕作为支点的支撑部分35的末端作弯曲运动的方式振动，如箭头“E”所示。弯曲振动臂36A和36B的振动位移和弯曲振动臂36C和36D的振动位移相对于中心轴“D”实质上对称。整个驱动振动臂36A、36B、36C和36D的重心“GD”和振子的重心“GO”都实质上位于在中心轴“D”上。
此时，探测振动臂38A和38B上的探测电极39和40的探测电流被实质上调整为0。
在测量时，当物质被吸附到吸附薄膜41A和41B上时，每个吸附薄膜的质量增加从而使得振子中心轴“D”两侧的质量的平衡消失。结果，驱动振动模式“E”不再相对于中心轴“D”对称，从而在探测电极39和40之间产生与驱动振动同相位的信号电压。以该信号电压为基础计算出质量。
振子的材料没有特别限制，可以优选为压电单晶如石英、LiNbO3、LiTaO3、铌酸锂钽酸锂固溶(Li(Nb，Ta)O3)单晶、硼酸锂单晶或langasite单晶。
每个电极可以由导电膜组成。这样的导电膜可以优选为金属膜，如金膜、金铬多层膜、金钛多层膜、银膜、银铬多层膜、银钛多层膜、铅膜或铂膜、或者是金属氧化物膜如TiO2。因为金膜与氧化单晶膜诸如石英膜之间的粘着性很差，因此，最好在诸如由石英制成的振动臂和金膜之间设置底层如铬膜或钛膜。
吸附薄膜的材料没有特别限制，可以是下列中的一种或多种。聚已酸内酯(PLC)、聚(1，4-丁烯己二酸酯)(PBA)、聚(乙烯琥珀酸酯)(PES)、聚(2，6-二甲基对亚苯基氧化物)(PPO)、聚(乙烯己二酸酯)(PEA)、聚(壬二酸酯)(PEAz)、聚(2，2-二甲基-1，3-丙烯琥珀酸酯)(PPS)、聚(三亚甲基己二酸酯)(PTA)、聚(1，4-环己烷二亚甲基琥珀酸酯)(PCS)、聚三亚甲基琥珀酸酯)(PTS)。
吸附薄膜可以通过任何过程如浸渍或旋涂加工而成。
被吸附的物质包括下列物质。
香气，如乙酸异戊酯、苯乙烯醇、P-茴香醛、柠檬酸、香叶醇、苯乙烯醇、α-萜烯醇等；环境激素如二噁烯；生物物质，如蛋白质、DNA、抗原、抗体等；化学物质，如葡萄糖、酒精、尿素、尿酸、乳酸等。
虽然振动位移的探测装置可以优选为上述探测电极，但没有特别地限制。例如，在中心轴和它的相邻部分的振子位移可以使用激光位移表来测量。
根据优选实施例，驱动电极的宽度“L”是探测电极宽度“M”的0.2倍或更多和4倍或更少。可以通过驱动电极来改进驱动振动的Q值，以及通过调整激发基振模式的驱动电极宽度为测量振动位移的探测电极宽度的0.2倍或更多和4.0倍或更少的值的方式来改进探测精度。
依此观点，驱动电极宽度“L”可以更优选地是探测电极宽度“M”的0.3倍或更多。此外，驱动电极宽度“L”也可以更优选地是探测电极宽度“M”的2.0倍或更少。
根据另一个优选实施例，驱动电极的面积“N”可以优选地为探测电极面积“O”的0.1到3.0倍，这样，可以同样地改进驱动电极的Q值和探测精度。
此外，当设置了多个驱动电极时，驱动电极的面积“N”指的是每个驱动电极的面积。当设置了多个探测电极时，探测电极的面积“O”指的是每个探测电极的面积。
根据该实施例，驱动电极的面积“N”可以更优选地是探测电极的面积“O”的0.2倍或更多。此外，驱动电极的面积“N”也可以更优选地是探测电极的面积“O”的1.5倍或更少。
图7(a)是表示根据该实施例的质量测量装置1A的示意俯视图，图7(b)是表示图7(a)装置的横截面图。
该装置包含一个具有实质上圆盘形状的振子2。驱动电极3A和3B以及探测电极4A形成在振子2的表面2a上。驱动电极3C、3D和探测电极4B形成在振子2的表面2b上。驱动电极3B上覆盖有吸附薄膜5。驱动电路单元14中的驱动电源8用于在驱动电极3A和3C之间以及驱动电极3B和3D之间提供反相的交流电压。从而产生厚度切变振动，如图2(a)和2(b)中的箭头“A”和“B”所示。
在探测电极4A和4B之间区域内的振子位移导致在信号端“P”和接地端“PG”之间产生电压。电压差通过信号处理部分6的探测放大器9测得，然后由相位探测电路10通过驱动振动进行相位探测。与驱动振动模式同相位的振动提供给低通滤波器并输出。接下来的步骤与图1到3中所示的装置中所用的步骤相同。
根据该实施例，每一驱动电极3A和3C中的宽度“L”是探测电极4A宽度“M”的02倍或更多和4.0倍或更少。可选择地，每一驱动电极3A和3C的面积“N”是探测电极4A的面积“O”的0.1倍或更多和3.0倍或更少。
而且，质量测量装置的底层或电极的形状都没有特别限制，例如可以是矩形的。例如，图8是表示根据本实施例的质量测量装置1B的示意俯视图。
该实施例的装置包含具有例如圆盘形状的振子2。驱动电极3E和3F以及探测电极4C形成在振子2的表面2a上。每个驱动电极和探测电极具有矩形形状。驱动电极3F上覆盖有一层吸附薄膜5。使用振子2的探测步骤与图2(a)和2(b)以及图7(a)和7(b)中所示的步骤相同。
根据该实施例，每一驱动电极3E和3F中的宽度“L”是探测电极4C的宽度“M”的0.2倍或更多和4.0倍或更少。可选择地，每一驱动电极3E和3F中的面积“N”是探测电极4C的面积“O”的0.1倍或更多和3.0倍或更少。
示例：
(例1)
生产出如图1至3所示的测量装置1。振子2由经过AT切削石英盘形成。振子2的直径为9mm，厚度为0.083mm。电极由铬/金膜(厚500埃)组成。吸附薄膜5通过对浸渍，后的掩膜装饰图案后形成。可以成功探测1pg的质量吸附。
(例2)
生产出如图5和6所示的测量装置。振子具有2mm×2mm的尺寸范围，厚度为0.1mm。驱动振动的特征共振频率是50kHz。在驱动信号电压为10伏特的情况下对于1pg的质量吸附能获得1μV的探测电压变化。该精度对于探测1pg的质量吸附是十分高的。
(例3)
生产出如图7所示的测量装置1A、2和3。振子2由经过AT切削石英盘形成。振子2的直径为9mm，厚度为0.100mm。电极由铬/金膜(厚200/1000埃)形成。通过对浸渍后的掩膜装饰图案后形成吸附薄膜5。
驱动电极的宽度“L”相对于探测电极宽度“M”的比值(L/M)是变化的，如表2所示。测得探测电极的探测值Q，结果示于表2中。
表2
 
驱动电极的宽度“L”/探测电极的宽度“M” 驱动振动的Q值
0.13 11,000
0.17 29,000
0.20 30,000
0.25 42,000
0.30 50,000
0.5 70,000
1.0 78,000
1.1 42,000
2.0 53,000
2.2 28,000
3.0 42,000
4.0 32,000
4.2 16,000
4.7 26,000
6.5 19,000
10.5 9,000
如表2所示，经证明，通过在0.2至4.0的范围内特别是在0.3至2.0范围内调整“L/M”的值，可以显著地改进驱动振动的Q值。因此，可以进一步改进探测精度。
(例4)
生产出如图7所示的测量装置1A、2和3。振子2由经过AT切削石英盘形成。振子2的直径为9mm，厚度为0.160mm。电极由铬/金膜(厚200/1000埃)形成。通过对浸渍后的掩膜装饰图案后形成吸附薄膜5。
如表3所示，驱动电极的面积“N”相对于探测电极的面积“O”的比值(N/O)是变化的。结果示于表3中。
表3
 
驱动电极面积“N”/探测电极面积“O” 驱动值“Q”
0.04 10,000
0.07 20,000
0.1 30,000
0.14 42,000
0.2 51,000
0.3 69,000
0.7 78,000
1.0 41,000
1.5 53,000
2.0 28,000
2.2 42,000
3.0 31,000
3.5 24,000
4.0 14,000
5.0 22,000
8.0 9,000
如表3所示，经证明，通过在0.1至3.0的范围内，特别是在0.2至1.5范围内调整“N/O”的值，可以显著地改进驱动振动的Q值。因此，可以进一步改进探测精度。
参照优选实施例，对本发明进行了解释，但是，本发明并不只限制于通过举例方式给出的举例实施例，在不离开本发明范围的情况下，本发明可以以不同的方式实现。

Claims (14)

1、一种用于测量质量的装置，所述装置包括振子，在所述振子中激发基振的驱动电极，生成响应于所述振子中振动位移的探测信号的探测电极，和能够吸附探测物质的吸附薄膜，
其中，所述质量是基于第一探测信号的值与第二探测信号的值之间的差异所测量的，
其中所述第一探测信号是在所述质量未被测量的情况下，响应于所述振动位移从所述探测电极获得的，
其中所述第二探测信号是在所述质量被测量的情况下，响应于所述振动位移从所述探测电极获得的。
2、如权利要求1所述的装置，其中，所述基振的位移相对于所述振子的中心轴实质上对称。
3、如权利要求1或2所述的装置，其中，在所述质量未测时，从所述探测电极获得的所述第一探测信号的值实质上为0。
4、如权利要求3所述的装置，其中，所述基振是所述振子的厚度扭曲振动模式。
5、如权利要求4所述的装置，其中，所述振子包括至少一对弯曲振动臂，并且所述基振包括所述弯曲振动臂的弯曲振动。
6、如权利要求5所述的装置，其中，所述驱动电极的宽度“L”是所述探测电极的宽度“M”的0.2倍到4.0倍。
7、如权利要求6所述的装置，其中，所述驱动电极的面积“N”是所述探测电极的面积“O”的0.1倍到3.0倍。
8、一种利用测量质量的装置测量质量的方法，所述装置包括振子，在所述振子中激发基振的驱动电极，生成响应于所述振子中振动位移的探测信号的探测电极，和能够吸附探测物质的吸附薄膜，所述方法包括如下步骤：
基于在所述质量未被测量的情况下响应于所述振动位移从所述探测电极获得的第一探测信号的值和在所述质量被测量的情况下响应于所述振动位移从所述探测电极获得的第二探测信号的值之间的差值获得所述质量。
9、如权利要求8所述的方法，其中，所述基振的位移相对于所述振子的中心轴实质上对称。
10、如权利要求8或9所述的方法，其中，在所述质量未测时，从所述探测电极获得的所述第一探测信号的值实质上为0。
11、如权利要求10所述的方法，其中，所述基振是所述振子的厚度扭曲振动模式。
12、如权利要求11所述的方法，其中，所述振子包括至少一对弯曲振动臂，并且所述基振包括所述弯曲振动臂的弯曲振动。
13、如权利要求12所述的方法，其中，所述驱动电极的宽度“L”是所述探测电极的宽度“M”的0.2倍到4.0倍。
14、如权利要求13所述的方法，其中所述驱动电极的面积“N”是所述探测电极的面积“O”的0.1倍到3.0倍。
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