CN101238361A - 浓度传感器和浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种浓度传感器，目的在于对于使用因检测对象物的吸附而导致固有振动频率改变的压电片例如水晶片的浓度传感器，使其抑制因电极间容量而对振荡能量的消耗，并且能够应用于粘性不同的各种被测量流体，另外虽然使用共同的振荡电路却能够应用于多种浓度传感器。作为具体的解决方法，将该电感器相对于压电片并列连接，其电感值根据在压电片的共振频率消除电极间容量的电感值Lmax和在将压电片浸渍于被测量流体中的状态下评价为能够振荡的最小电感值的电感值Lmin之间的、电感值与振荡环路增益的关系而决定。
Description
技术领域
本发明涉及使用在表面形成有用于吸附检测对象物的吸附层的、因检测对象物的吸附而导致固有振动频率改变的压电片例如水晶片，通过对该压电片的固有振动频率的变化量进行检测而对检测对象物的浓度进行检测的装置的技术领域。
背景技术
作为微量物质的检测方法，已知有使用水晶振子的浓度检测装置。该浓度检测装置是在水晶振子的表面形成用于吸附检测对象物的吸附层而构成水晶传感器(浓度传感器)，利用检测对象物被吸附层吸附时其固有振动频率随其吸附量而变化的现象，对检测对象物的浓度进行测量的装置，更具体而言，将振荡电路连接在水晶传感器上，同时设置测量振荡电路的振荡频率的测量部，由此构成主要部分。根据该方法，具有以下优点，即，应用范围宽，作为装置其结构简易，此外，由于灵敏度高所以即使是极微量的物质也能够进行测量。
例如在专利文献1中，记载有：在对血液、小便等中包含的疫病标志物质进行分析时，如果使用水晶传感器，则是取代需要昂贵且大型的自动分析装置的免疫胶乳配件(latex kit)的有效方法。这样，在使用水晶传感器作为生体传感器的情况下，在水晶振子上形成由对检测对象物质发生抗体抗原反应的抗体构成的吸附层。
然而，当将传感器浸渍于液体中时，水晶片的等价串联电阻值例如会以数百Ω的水准增加，例如如果是纯水则增加150Ω左右。因此，虽然以向水晶片供给大能量的方式进行设计，但是水晶振子的电极间容量C0会消耗该能量，成为能量损失。因此，在振荡电路一侧有必要消除电极间容量，但是对于某些水晶传感器，即使在振荡电路一侧利用电感器消除电极间容量C0，在更换为电极间容量C0不同的水晶传感器的情况下，也必须每次根据情况对振荡电路一侧的电感器的电感值进行调整。该操作需要在用户侧根据水晶传感器的种类利用LCR仪表等对电极间容量C0进行测量，根据该测量值进行计算，然后与具有相当的电感值的电感器进行交换，因此繁杂且需要耗时的操作。另外，为了取代更换电感器，也考虑预先准备与使用的水晶传感器的种类相对应的振荡电路，但是在这种情况下，系统的成本提高。
还有，在专利文献2中，记载有必须通过在水晶振子上并联连接电感而消除电极间容量的情况，但是技术领域完全不同，且不能解决本发明的问题。
专利文献1：日本专利2001-83154号公报：段落0002、0004
专利文献2：日本专利实用新型昭和61-85920号公报：图1
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种在使用因检测对象物的吸附导致固有振动频率改变的压电片的浓度传感器及使用该浓度传感器的浓度检测装置中，能够使用共同的振荡电路，同时能够应对多种浓度传感器的技术。
本发明的浓度传感器是能够自由装卸地连接于设置有振荡电路的测量装置本体的、用于对检测对象物的浓度进行检测的浓度传感器，其特征在于，包括：压电振子，该压电振子包含形成有用于吸附检测对象物的吸附层的、因检测对象物的吸附导致固有振动频率改变的压电片，和在该压电片的两面分别设置的电极；和与上述压电振子并列地连接的电感器(inductor)。
另一发明的浓度传感器是能够自由装卸地连接于设置有振荡电路的测量装置本体的、用于对检测对象物的浓度进行检测的浓度传感器，其特征在于，包括：配线基板，该配线基板能够自由装卸地与上述测量装置本体连接，设置有其一端一侧成为与测量装置本体一侧的端子相连接的端子的一对导电通路；压电振子，该压电振子设置在上述配线基板上，包含形成有用于吸附检测对象物的吸附层的、因检测对象物的吸附导致固有振动频率改变的压电片，和在该压电片的两面分别设置的电极；上盖壳体，该上盖壳体与该压电振子之间形成有流体的收容空间，具有与该收容空间连通的流体注入口；和电感器，该电感器与上述压电振子并列地连接，且设置在上述配线基板的一对导电通路之间。
上述电感器的电感(inductance)值优选为，以在上述压电振子的共振频率下消除压电振子的电极容量的电感值和在将压电振子浸渍在被测量流体中的状态下能够振荡的电感值的最小值的平均值为中心值，相对该中心值设定为±20％的值。另外，优选下述结构，即，在上述配线基板上设置有开口部，上述压电振子的下面侧面对在上述开口部一侧形成的凹部。
另外，本发明的浓度检测装置的特征在于，包括：上述浓度传感器；该浓度传感器的装卸端子；用于使上述压电片振荡的振荡电路；以及根据来自振荡电路的振荡输出而对检测对象物的浓度进行检测的检测部。
根据本发明，因为相对于构成浓度传感器的压电片并列连接有电感器，所以通过将共电感值决定为适当的值，能够抑制电极间容量对振荡能量的消耗，并且在粘性不同的各种被检测液体(试样流体)中振荡不会停止。而且，因为在浓度传感器中设置有电感器，对于各种浓度传感器能够不调整振荡电路侧，即，虽然作为共同的振荡电路同时还能够适用于各种浓度传感器，所以在用户侧不需要调整振荡电路侧这样繁杂且耗时的操作。
附图说明
图1是表示包含本发明的浓度传感器的浓度检测装置的实施方式的外观的立体图。
图2是表示上述实施方式中使用的浓度传感器的纵截面图。
图3是表示上述实施方式中使用的水晶振子及周边的配线的说明图。
图4是表示上述实施方式中使用的浓度传感器基板及配线的平面图。
图5是表示用于决定在上述实施方式中使用的浓度传感器中设置的电感器的电感值的数据的说明图。
图6是表示上述实施方式的浓度检测装置的电路框图。
具体实施方式
下面使用附图详细说明本发明的实施方式。首先对浓度检测装置的全体结构进行简单的说明。该浓度检测装置如图1所示，设置有多个、例如8个浓度传感器(水晶传感器)1，以及以能够自由装卸的方式安装该浓度传感器1的测量装置本体100。如图1和图2所示，浓度传感器1设置有配线基板例如印刷基板21，在该印刷基板21上，形成有开口部23a。在上述印刷基板21的表面侧重叠有橡胶片22，在该橡胶片22上设置有凹部23。在橡胶片22的下面侧，与该凹部23对应的部位突出，该突出部位与上述开口部23嵌合。另外，以堵塞上述凹部23的方式设置有作为压电振子的水晶振子24。即，水晶振子24的一面侧(下面侧)向着上述开口部23一侧，水晶振子24的下面侧通过上述凹部23成为密闭空间，由此则构成郎之万(Langevin)型的浓度传感器。
进一步，在橡胶片22的上面安装有上盖壳体25。在上盖壳体25上形成有用于注入被测量液体的试样溶液的注入口25a和试样溶液的观察口25b，从注入口25a注入试样溶液，于是在水晶振子24的上面侧的空间内充满试样溶液(成为水晶片浸渍于试样溶液中的状态)。
另外，作为浓度传感器1的结构，也可以是以下结构，即，以堵塞上述开口部23a的方式将水晶振子24装载于印刷基板21的表面而设置，利用橡胶片22压住水晶振子24的周边部。
如图3所示，水晶振子24例如在圆形水晶片20的两面分别设置有电极24a、24b(背面侧的电极24b与正面侧的周边部连续而形成)，这些电极24a、24b通过导电性粘结剂26分别与作为设置在基板21上的一对导电通路的印刷配线27a、27b电连接。另外，在水晶振子24的一面例如电极24a的表面，形成有用于吸附检测对象物的吸附层(未图示)。
进一步如图2～图4所示，在印刷配线27a、27b之间，例如连接有由个别部件构成的电感器3，该电感器3安装在印刷基板21上，被上盖壳体25覆盖。另外，电感器3也可以通过印刷图形而形成。
下面，对该电感器3的电感值的决定方法进行说明。由于浓度传感器，是基于与特殊吸附膜中吸附的检测物质的质量相对应的振荡频率的变化量，而对被测量流体例如被测量溶液中的检测物质的浓度进行检测的传感器，所以在被测量溶液中振荡不会停止。但是根据实验，如果将水晶片20浸渍于液体试样中，水晶片20的等价串联电阻R1会飞跃地增大，例如以在31MHz驱动水晶片20的情况为例，水晶片20在气体中放置时为10Ω，与此相对，浸渍于液体中时变为500Ω，成为非常难以振荡的状态。
为了解决这一问题，在本发明中，对于水晶片20并联连接电感器3，控制水晶片20的相位，达到防止振荡停止的目的。但是当将电感器3的电感值设定为消除电极间容量C0的值时，会产生以下不好的情况。
图5是通过计算而求得的电感器3的电感值与环路增益的关系的关系图。这里将水晶片3的等价串联电阻R1设定为6.8Ω、100Ω和500Ω这3种。这样设置为3种的理由在于，为了调查电感值与环路增益的关系以等价串联电阻为参数是如何变化的，另外假定浓度传感器的被测量溶液为粘性最大的溶液，估计当将水晶片3浸渍在该溶液中时的等价串联电阻R1为500Ω，从而把握苛刻条件下的上述关系。在该示例中，因为水晶片20的共振频率Fr为31MHz，电极容量C0为7.05pF，所以在水晶片20的串联共振点Fr消除电极间容量C0的电感值约为3.8μH。如果令上述共振频率Fr的角速度为ω，则该电感值以1/(C0·ω2)表示。
但是，在等价串联电阻R1为500Ω的情况下，因为振荡环路增益接近1，所以3.8μH这个值不是适当的值。由于在设定电感值时不可能超越该电感值，所以在此将该电感值称为Lmax(设定界限的最大值)。
另一方面，关于任意的等价串联电阻R1，当减小电感值时，会变得不能消除电极间容量C0的影响而不能振荡，其极限值约为2.0μH。在此对求得极限值约为2.0μH的方法进行说明。振荡电路的振荡条件为，当信号将考虑的振荡环形电路循环一周时增益为1以上、且相位成为360度的整数倍。满足作为后者的条件的相位条件的电感值的最小值为2.0μH。
关于求得这些条件的方法列举具体示例，将考虑的振荡环路的一处切断，形成接点A与接点B。然后将电路进行线性动作程度的小信号的信号源连接于接点A，进行驱动。此时观察接点B的信号，取得接点A与接点B的信号比，调查在振荡环路中循环一周时的增益和相位。因此，当改变电感器的电感值时，能够得到不满足相位条件的电感值的最小值。然后，将与水晶振子并列连接的电感器的电感值作为参数对增益进行作图，能够得到图5所示的结果。
上述电感值2.0μH，成为评价为在将水晶片20浸渍于被测量流体中的状态下能够振荡的最小电感值的电感值Lmin。由图5可知，关于浓度传感器，上述电感的值，不宜设定为消除电极容量C0的电感值Lmax，根据在将水晶片20浸渍于被测量流体中的状态下的电感值Lmin与Lmax之间的电感值与振荡环路增益的关系，宜于决定为不过分接近振荡停止区域且能够得到足够的振荡环路增益的值。在该示例中，将电感值Lmin和Lmax的平均值2.9μH作为中心，以±20％的2.3μH～3.5μH的范围为电感器3的电感值的最佳范围而对待。如果这样设定电感值，则在批量生产浓度传感器的情况下，批量生产的制品的特性稳定。
这里，等价串联电阻R1变得越大，伴随电感器3的电感值的增大振荡环路增益下降的程度越大，因此，如果在使用浓度传感器的被测量流体中为粘度最大的流体的、例如气液两用的浓度传感器，则对于被测量流体中粘度最大时的等价串联电阻R1求得电感值Lmin与Lmax，然后，根据其间的电感值与振荡环路增益的关系决定电感器3的电感的最佳值即可。
接着使用图6对测量装置本体100的内部电路简单地进行说明。在图6中，4是用于使浓度传感器1的水晶振子24振荡的振荡电路，在该振荡电路4的后段，通过缓冲放大器5与测量部6连接。振荡电路4构成为考毕兹(Colpitts)型振荡电路，Tr是作为振荡放大元件的晶体管，40、41是成为分割容量成分的电容器，Vc是电源。关于其它部位，42～44是电容器，45～48的电阻。另外，49是浓度传感器1能够自由装卸地连接的端子部，设置于图1所示的测量装置本体100上。
测量部6具有对与振荡电路4的振荡输出的频率相关的信号进行测量的、例如对频率计数及该计数的变化量进行计算的计算部等。
另外，在该示例中，采用安装有8个浓度传感器1的8路(channel)结构，即，准备8路图6所示的电路，各路的输出被切换而与测量部6连接。
接着对该实施方式的作用加以说明。首先，将浓度传感器1(参照图1)插入测量装置本体100，例如为了求得初(blank)值，将不含检测对象物的溶液充满浓度传感器1内，使水晶振子24振荡。该液体可以是纯水，或者也可以是其它溶液。振荡电路3的振荡输出通过缓冲放大器5被输入到测量部6，例如测量振荡输出的频率。接着，为了对检测对象物进行检测，将作为被检测体的被测量溶液注入浓度传感器1，利用测量部6求出因被测量溶液的注入所引起的振荡频率的变化量，例如利用预先制作的检测测量线根据该变化量对检测对象物的浓度进行检测。
根据上述实施方式，相对水晶片20并列地连接电感器3，求出在将水晶片20浸渍于被测量溶液中的状态下的、评价为能够振荡的电感值的最小值的值Lmin和消除电极间容量C0的值Lmax，在这之间，在弄清电感值与振荡环路增益的关系的基础上将该电感值决定为适当的值，因此能够抑制因电极间容量C0的振荡导致的能量的消耗，而且，即使使用于粘性不同的各种被测量液体中振荡也不会停止。另外，因为在能够在测量装置本体上装卸的浓度传感器1上设置有电感器3，所以通过使用设置有与试样流体的粘度相一致的电感器3的浓度传感器1，能够进行适当的测量。因此，对于各种浓度传感器，即使不调整振荡电路4侧也可，即，虽然是共同的振荡电路4却能够适用于各种浓度传感器，所以不需要用户调整振荡电路4侧这样繁杂且耗时的操作。
进一步，根据上述浓度传感器1，因为通过使印刷基板21相对测量装置本体100能够装卸从而能够交换浓度传感器1，所以交换操作简单。另外，因为利用在印刷基板21上形成的开口部23a在水晶振子24的下面侧形成密闭空间而构成郎之万型的浓度传感器，所以形成上述密闭空间的结构简单。
另外，本发明的浓度传感器并不限于求取检测对象物的浓度，也包含对检测对象物的有无进行检测的传感器。
Claims (5)
1.一种浓度传感器，其是一种能够自由装卸地连接于设置有振荡电路的测量装置本体的、用于对检测对象物的浓度进行检测的浓度传感器，其特征在于，包括：
压电振子，该压电振子包含形成有用于吸附检测对象物的吸附层的、因检测对象物的吸附导致固有振动频率改变的压电片，和在该压电片的两面分别设置的电极；和
与所述压电振子并列地连接的电感器。
2.一种浓度传感器，其是一种能够自由装卸地连接于设置有振荡电路的测量装置本体的、用于对检测对象物的浓度进行检测的浓度传感器，其特征在于，包括：
配线基板，该配线基板能够自由装卸地与所述测量装置本体连接，设置有其一端一侧成为与测量装置本体一侧的端子相连接的端子的一对导电通路；
压电振子，该压电振子设置在所述配线基板上，包含形成有用于吸附检测对象物的吸附层的、因检测对象物的吸附导致固有振动频率改变的压电片，和在该压电片的两面分别设置的电极；
上盖壳体，该上盖壳体与该压电振子之间形成有流体的收容空间，具有与该收容空间连通的流体注入口；和
电感器，该电感器与所述压电振子并列地连接，且设置在所述配线基板的一对导电通路之间。
3.如权利要求1所述的浓度传感器，其特征在于：
所述电感器的电感值，以在所述压电振子的共振频率下消除该压电振子的电极间容量的电感值和在将压电振子浸渍在被测量流体中的状态下能够振荡的电感值的最小值的平均值为中心值，相对该中心值设定为±20％的值。
4.如权利要求1所述的浓度传感器，其特征在于：
在所述配线基板上设置有开口部，所述压电振子的下面一侧面对在所述开口部一侧形成的凹部。
5.一种浓度检测装置，其特征在于，包括：
权利要求1～4中任意一项所述的浓度传感器；该浓度传感器能够自由装卸地连接的端子部；用于使所述压电振子振荡的振荡电路；以及根据来自振荡电路的振荡输出而对检测对象物的浓度进行检测的检测部。
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