CN102209890A - 检测传感器、检测传感器的振子 - Google Patents

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Abstract

一种检测传感器(10)，其使用多个悬臂型振子，并且避免振子之间的干扰，高精度且高效地进行检测，该检测传感器(10)具有长度相互不同的振子(30A、30B、…)。这些振子(30A、30B、…)在将任意振子的长度设为L、谐振频率设为f0时，长度L的振子与其他振子的长度差ΔL被设定为2(ΔL/L)＞1/Q。

Description

检测传感器、检测传感器的振子
技术领域
本发明涉及适用于检测有无具有质量的物质、检测物质的质量等的检测传感器、检测传感器的振子。
背景技术
以往，存在用于对有爆炸危险性或有害性的气体等的存在或其定量浓度进行检测的传感器。在该传感器中，通过吸附气体中包含的特定种类的分子并检测该吸附的有无或吸附量，来检测气体等是否存在或其浓度。这种传感器设置在对气体等进行处理的设施、设备、装置等中，用于气体泄漏或气体量的控制。
并且，近年来正在广泛地进行燃料电池的开发。由于燃料电池使用氢，因此在氢站、使用燃料电池的车辆、装置、设备等中，最好对是否存在氢泄漏进行监视。在这样的用途中也可应用上述传感器。
除了上述用途以外，还考虑了通过吸附特定种类的分子来检测其吸附有无或吸附量的传感器对在空气中漂浮的有机分子和气味分子进行检测，由此例如应用于食物新鲜度和成分分析、用于提供/维持舒适空间的环境控制、以及人体等生物体的状态检测等。
根据微小的分子质量对在空气中漂浮的有机分子和气味分子等进行检测的传感器元件在包含这些分子的气体中使振子振动，并将分子附着或吸附在振子表面时的振子的质量变化检测为振子的谐振频率变化。
作为根据振子的谐振频率变化求取附着质量的最基本的方法，可以列举QCM(Quartz Crystal Microbalance：石英晶体微天平)法。在QCM中，将具有压电性的石英的单结晶切割为板状来作为振子，并对该振子施加电压，由此产生被称作“厚度滑动振动”的剪切振动。公知有如下情况：其谐振频率f在表面上附着质量Δm的物体时，从原来的谐振频率f0下降Δf，下降量为
Δf/f0＝-Δm/m0    (1)。
m0是振子的质量。
另一方面，通过摄影技术(光刻)对硅薄膜等进行精密加工的被称作MEMS(Micro Electrical Mechanical Systems：微电子机械系统)的技术发达。能够利用MEMS技术，在μm(微米)单位的区域中制作与至今为止在mm(毫米)单位的区域中制造的QCM同样的振子。通过减小振子的尺寸，式(1)中的振子质量大幅减少，相对于附着质量的检测灵敏度提高。
此外，作为进行质量检测的振子，还主要使用利用悬臂梁的横向振动的悬臂型振子、利用板状振子的面内振动的圆盘型振子(例如，参照专利文献1)。
在任意一种情况下，振子的谐振频率变化都为
Δf/f0＝-Δm/(2m0)                     (2)，
系数与式(1)不同，但对振子质量的依存性不变。
悬臂型振子的谐振频率f0为
f0＝λn 2/((4√3)π)×t/L2×√(E/ρ)    (3)。
此处，t和L是悬臂型振子的厚度和长度，E和ρ是构成悬臂型振子的物质的杨氏模量和密度。在利用硅单结晶沿硅单结晶的结晶方位<110>方向平行制作悬臂型振子的情况下，E＝170GPa且ρ＝2.33×103kg/m3。此外，λn是通过振动次数n确定的常数，λ1＝1.875、λ2＝4.964、λ3＝7.855…。越是高次模态，频率越高。
悬臂型振子的频率响应特性具有由振动的Q值确定的宽度，半值宽度fH＝f0/Q。悬臂型振子的Q值在以气味传感器那样的目的在大气压的空气中动作的情况下，基本通过空气的粘性来确定。该值较大地依存于悬臂型振子的尺寸，在厚度5μm、长度100～1000μm的情况下为100～2000左右的值。
以往技术文献
专利文献1：日本特开2007-240252号公报
发明概要
发明要解决的课题
但是，使用悬臂型振子的质量传感器仅对分子在振子上的附着质量进行检测，其自身不具有对附着物质进行分析/识别的功能。识别附着物质的功能使用涂覆在表面上的检测膜的附着选择性。因此，为了进行更具体的附着分子的分析/识别，将多个种类的检测膜分别涂覆于多个悬臂型振子上，并利用各个检测膜的附着选择性的不同。该方法在QCM中被广泛利用，能够根据多个检测膜的响应不同使用多变量分析等来进行附着物质的估计。在QCM中，进行使用了4～8个左右的多个传感器的研究。
悬臂型振子能够利用半导体制造工艺来同时制成细微结构。因此，能够将多个悬臂型振子简单地收纳在几mm见方的1个芯片内来实现传感器的小型化。能够通过对多个悬臂型振子分别涂覆多个种类的检测膜，实现附着物质的分析/识别功能。在QCM中具有如下问题：需要排列传感器个数的单元，增多排列数时尺寸变大。另一方面，悬臂型振子具有如下优点：即使排列数较多也能够以极小的尺寸构成系统。
但是，此时成为问题的是多个悬臂型振子之间的干扰。干扰存在两个主要原因。
一个是机械的振动干扰。悬臂型振子在1个芯片内被固定于同一基板，因此无论怎样处于附近的另一悬臂型振子的振动都会稍微传递过来。当具有同一谐振频率的多个悬臂型振子之间稍微存在相互作用时，会引起共鸣，从而谐振波峰的形状变化，机械的振动特性改变。例如，如图5(a)所示，在具有谐振频率f0的仅1个悬臂型振子1的情况下，如图5(b)所示，振动模态是具有一个波峰的模态。与此相对，如图6(a)所示，在具有相同的谐振频率f0的2个悬臂型振子1A、1B之间存在机械的相互作用时，2个振子1A、1B已经不独立动作。如图6(b)所示，分裂为2个振子1A、1B以同相运动的振动模态和2个振子1A、1B以反相运动的振动模态。一般同相模态具有比振子1A、1B的谐振频率f0低的频率，反相的模态是比振子1A、1B的谐振频率f0高的频率。在这种状况下难以使两个悬臂型振子1A、1B独立动作。并且，例如仅使1个振子1A动作也会受到另一个振子1B的机械影响而成为复杂的动作模态。其结果，检测各个频率变化的本来目的变得困难。
另一个干扰效应是电干扰。悬臂型振子1A、1B为了检测谐振频率变化，一般以电气方式进行反馈，通过自激振荡来使用。但是，当相同频率的振荡电路存在于同一壳体内时，因来自屏蔽的电磁波的泄露和接地的不完全而产生串扰信号，由于该串扰信号而存在两个电路相互影响而进行不稳定的动作的问题。尤其是在1个芯片上对多个悬臂型振子1A、1B进行集成的状况下，存在芯片内部或封装内部的寄生电容，不能完全防止电干扰。在这种状况下能够单独进行振荡，但是难以同时进行两个以上的振荡，从而检测效率下降。
根据以上理由，难以使谐振频率相同的多个悬臂型振子1A、1B稳定动作。
本发明正是基于这种技术课题而完成的，其目的在于，使用多个悬臂型振子，并且避免振子之间的干扰，高精度且高效地进行检测。
用于解决课题的手段
基于上述目的，本发明的检测传感器的特征在于，该检测传感器具有：多个振子，它们为一端被固定的梁状，并且振动特性根据具有质量的物质的附着或吸附而发生变化；驱动部，其使振子振动；以及检测部，其通过检测振子的振动变化来检测物质，多个振子的长度相互不同，在将任意的振子设为长度L时，长度L的振子与其他振子的长度差ΔL被设定为
2(ΔL/L)＞1/Q  (其中，Q为振子的Q值)。
即使在具有多个振子的情况下，只要任意振子与其他振子的长度之差ΔL满足上述条件，就能够避免在振子之间传递振动而造成的不良影响。
另外，驱动部具有：压电层，其设置于基板的一面侧，该基板设置有多个振子；电极层，其对压电层施加驱动电压；以及振荡控制部，其对电极层依次施加电信号作为驱动电压，该电信号具有与多个振子的任意一个的谐振频率对应的频率。在振荡控制部中，依次施加电信号作为驱动电压，该电信号具有与多个振子的任意一个的谐振频率对应的频率。即，首先，施加与多个振子中的任意一个的第一振子的谐振频率对应的频率的电信号。于是，具有与所施加的电信号的频率对应的谐振频率的振子振动。之后，振荡控制部施加与不同于前述振子的第二振子的谐振频率对应的频率的电信号。于是，第二振子振动。这样，能够通过依次改变振荡控制部所施加的电信号的频率，使多个振子依次振动。
此外，检测部对具有与通过振荡控制部施加到电极层的电信号的频率对应的谐振频率的振子的振动变化进行检测。在此可以使用多路器等。
此外，驱动部具有：压电层，其分别设置于振子的固定端附近；电极层，其分别对压电层施加驱动电压；以及振荡控制部，其分别向电极层施加具有预先确定的频率的电信号作为驱动电压，振荡控制部通过分别对电极层施加电信号，使多个振子同时独立振动，该电信号的频率与对应于该电极层的振子的谐振频率对应。
检测部能够检测物质相对于振子有无附着或吸附，还能够检测附着于振子的物质的量。此处，只要在振子上附着或吸附特定的分子或者具有特定特性或特征的多种分子，就能够在检测传感器中检测所述特定的分子或者具有特定特性或特征的多种分子。
即使在振子表面涂覆了检测膜的情况下，谐振频率也按照检测膜的质量变化，还能够将该变化近似处理为材料常数的变化。例如，在密度ρ、厚度t的振子的整个单面上附着厚度t1、密度ρ1的检测膜的情况下，能够通过将平均密度考虑为(ρ1t1+ρt)/(t1+t)、厚度考虑为(t1+t)来应用式(3)。一般有机类材料与硅相比杨氏模量较小，为聚丁二烯等橡胶类材料时，E＝3Mpa，即使为杨氏模量较高的聚苯乙烯等塑料类材料也是E＝3Mpa左右，与硅的E＝170GPa相比小2位以上。因此，能够忽略给检测膜的杨氏模量带来的影响。Q值根据涂覆材料而被带来不同影响，因此通过实验估计变化，但是在相比振子主体非常薄地涂覆了有机类材料的情况下，通常不会带来大的变化。
通过以上考察在式(3)中应用平均密度和厚度变化时，涂覆了密度ρ1、厚度t1的检测膜后的振子的谐振频率能够设为
f1＝f0×[1+(t1/t)][1+(ρ1/ρ)×(t1/t)]-1/2    (4)
Figure BDA0000059602570000051
其中，在该式中，使用了检测膜的厚度t1与振子的厚度相比足够小这样的近似。如上所述那样，能够用式(4)计算涂覆了检测膜时的谐振频率。
振子在其表面上形成有由包含以下材料的至少一种的材料构成的检测膜：二氧化钛、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。
此外，本发明能够作为一种检测传感器的振子，该振子具有：多个振子主体，它们为一端被固定的梁状；以及检测膜，其分别设置于振子主体的表面，吸附分子。所述振子的特征在于，多个振子主体的长度相互不同，在将任意的振子设为长度L时，长度L的振子与其他振子的长度差ΔL被设定为
2(ΔL/L)＞1/Q  (其中，Q为振子的Q值)。
此外，检测膜优选包含以下材料的至少一种来形成：二氧化钛、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。
多个振子主体优选形成于腔体内，该腔体形成于由硅类材料构成的基板中。
发明效果
根据本发明，能够以相互不同的频率使长度相互不同的多个振子动作，因此能够不彼此干扰地稳定地进行动作。
在使任意振子单独动作的情况下，谐振频率与其他振子不同，因此机械耦合变小，能够减小相互的影响。因此，振子分别为独立的谐振波峰。由此，能够确保振子的稳定振荡，能够计测振子的微小的谐振频移，结果检测灵敏度提高。
在使多个振子同时振荡的情况下，由于驱动频率相互不同，因此难以引起电干扰，能够进行稳定的振荡。由此，能够同时驱动多个振子同时进行计测，因此能够在短时间内取得多个振子的频率变化。此外，如果在恒定时间内进行所有振子的测定，则能够增加每1个的计测时间，其结果频率计测精度提高，分子检测灵敏度上升。
因此，能够用与单独的振子相同的时间进行多个振子的测定，分子检测的分析/识别功能提高。另一方面，不需要严格进行构成检测传感器的芯片内的机械绝缘、电路的电屏蔽，从而能够实现装置的小型化。
附图说明
图1是示出本实施方式中的检测传感器的例子、即在基板的一面上设置了压电层的结构的立体图。
图2是示出本实施方式中的检测传感器的另一例、即在振子的固定端附近设置了压电层的结构的立体图。
图3是示出图1所示的检测传感器中的电路结构的例子的图。
图4是示出图2所示的检测传感器中的电路结构的例子的图。
图5(a)是示出设置了1个振子时的检测传感器的立体图，图5(b)是示出图5(a)的检测传感器中的频率和振子的振动振幅的关系的图。
图6(a)是示出设置了2个长度相同的振子时的检测传感器的立体图，图6(b)是示出图6(a)的检测传感器中的频率和振子的振动振幅的关系的图。
具体实施方式
下面，根据附图所示的实施方式来详细说明本发明。
图1是用于说明本实施方式中的检测传感器10的结构的图。
该图1所示的检测传感器10通过吸附作为检测对象的特定种类的分子(以下简称为分子)，进行气体或气味等是否存在(产生)、或其浓度的检测。检测传感器10由以下部分构成：具有吸附分子的检测膜20的多组振子(振子主体)30A、30B、…、以及检测分子在检测膜20上的吸附的驱动/检测部40。
振子30A、30B、…是一端部被固定的悬臂梁状的悬臂式。在图1的例子中，仅图示了2组振子30A、30B，但是其数量没有任何限定。
振子30A、30B、…通过对基板50使用光刻法等MEMS技术而形成于腔体51的内部，该腔体51形成于由硅类材料、更具体而言由多晶硅或单晶硅构成的基板50中。振子30A、30B、…俯视为长方形状，由构成基板50的硅类材料、尤其优选单晶硅形成。
当列举振子30A、30B、…的尺寸的一例时，优选厚度为2～5μm、长度为30～1000μm、宽度为10～300μm。
在振子30A、30B、…的表面形成有用于使作为检测对象的分子吸附或附着的膜状的检测膜20。
检测膜20可通过由无机类材料或有机类材料构成的膜形成。作为构成检测膜20的无机类材料，代表性材料具有二氧化钛(TiO2)。为了提高吸附效率，优选使二氧化钛成为多孔体状来形成检测膜20。作为构成检测膜20的有机类材料，有聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物等所有高分子等。在该检测膜20中能够仅吸附特定种类的分子或者具有特定特性或特征的多种分子，对于分子具有选择性，该选择性是由形成高分子的官能团、交联状态等各种要素所决定的。
优选以覆盖振子30的上表面的方式来形成这种检测膜20。
为了提高形成检测膜20的材料相对于振子30A、30B、…的表面的附着性，优选在振子30A、30B、…的表面上形成Au(金)/Cr(铬)的基底膜。
如图1所示，驱动/检测部40为了使振子30A、30B、…振动，能够在基板50的一面侧形成压电层43。
此外，如图2所示，驱动/检测部40为了使振子30A、30B、…振动，也可以在振子30的固定端30a一侧的表面上设置由压电材料构成的压电层44。
作为形成压电层43、44的压电材料，由包含Pb、Zr、Ti的原料形成的所谓铁电体材料备受关注。更详细地讲，压电层43、44由包含Pb、Zr、Ti的材料(以下有时将其称为PZT材料)形成，并对该材料进行了结晶化。在压电层43中，PZT材料能够使用薄膜或块状的任意一个。此时，能够将压电层43的厚度设为100μm～2mm左右。另一方面，在压电层44中，PZT材料需要进行薄膜化，形成为例如100nm～5μm左右的厚度。该压电层44例如可通过层叠多层每一层为100～几百nm的薄膜来实现上述厚度。
作为这种材料，例如可以使用Pb钙钛矿双组分/三组分类铁电体陶瓷、非铅类钙钛矿结构铁电体陶瓷、BaTiO3陶瓷、KNbO3-NaNbO3类铁电体陶瓷、(Bi42Na42)TiO3类铁电体陶瓷、钨·青铜型铁电体陶瓷、(Ba1-xSrx)2NaNb5O15[BSNN]、BaNa1-xBix/3Nb5O15[BNBN]、铋层状结构铁电体和粒子取向型铁电体陶瓷、铋层状结构铁电体(BLSF)等。
并且，除了PZT材料以外，压电层43、44也可以使用ZnO(氧化锌)、AlN(氮化铝)等。
通过在这种压电层43、44上层叠来形成电极层。
如图3所示，这种驱动/检测部40利用外部的振荡控制部45，在振荡控制部45中对来自振荡检测电路46的信号进行处理，并施加反馈，由此施加到压电层43的电极层。于是，压电层43产生位移，由此引起振子30A、30B、…的自激振荡。通过频率计数器42测定其振荡频率。
另外，在沿基板50的一面设置压电层43的情况下，如图3所示，振荡控制部45利用与多个振子30A、30B、…中的任意一个的谐振频率对应的频率施加驱动电压，依次进行振荡。即，首先，以与多个振子30A、30B、…中的任意一个(例如振子30A)的谐振频率对应的频率进行振荡。接着，利用多路器49对输入到振荡控制部45的信号进行切换，由此振荡控制部45进行与前述不同的、例如与振子30B的谐振频率对应的频率的振荡。这样，通过用多路器49依次改变施加给振荡控制部45的振动检测信号，使多个振子30A、30B、…依次逐个振动。
另一方面，在振子30A、30B、…的固定端附近设置压电层44的情况下，如图4所示，振荡控制部45在振子30A、30B、…中分别具有振荡电路47、频率计数器42。并且，振荡控制部45同时独立驱动振子30A、30B、…。振荡电路47与组合了图3的振动检测电路46和振荡控制部45的电路相当。
此处，在振荡控制部45中，为了选择使振子30A、30B、…振动时的振动次数，优选设置仅使特定频率通过的带通滤波器。
振子30A、30B、…在表面的检测膜20上附着具有质量的物质时，检测膜20的质量增加，由此振子30A、30B、…的挠曲量变化。此外，在由于分子的吸附而使检测膜20的质量增加时，由振子30A、30B、…和检测膜20构成的系统的谐振频率发生变化。
在驱动/检测部40中，对在检测膜20上附着具有质量的物质所引起的振子30A、30B、…的上述挠曲量或振动频率的变化进行检测。因此，如图1、图2所示，在振子30A、30B、…的固定端附近设置有压电电阻元件48。压电电阻元件48通过在基板50表面掺杂杂质来形成。压电电阻元件48通过对形成在基板50的表面上的金属薄膜进行构图来连接电布线。根据振子30A、30B、…变形时的、振子30A、30B、…根部部分上的应力变化，压电电阻元件48的电阻值变化。通过对该电阻值变化进行计测，对振子30A、30B、…的挠曲量或振动频率的变化进行检测。由此，能够对分子在检测膜20上有无吸附或分子吸附量进行测定。
另外，在采用图1所示的结构的情况下，如图3所示，在振荡控制部45中，在驱动电路中设置有多路器49。通过用该多路器49进行切换，对设置于振子30A、30B、…中的、与在振荡控制部45中施加到压电层43的驱动电压的频率对应的一个振子上的压电电阻元件48的电阻值变化进行检测。
此处，振荡控制部45为了进行振子30A、30B、…的自激振荡，优选对通过各振子30A、30B、…的压电电阻元件48取出的振动输出进行放大、赋予必要的相位差并赋予给压电层43、44，由此构成反馈电路。通过这种电路，产生各振子30A、30B、…的谐振频率处的自激振荡。
此外，在上述那样的结构中，在本发明中，振子30A、30B、…的长度被设定为相互不同。
多个振子30A、30B、…分别形成为自身的长度L与其他振子的长度之差ΔL相互满足以下关系。
一般通过式(3)，在设长度L的振子的谐振频率为f0时，长度L的振子与长度L+ΔL的振子的谐振频率的差Δf0为
Figure BDA0000059602570000091
其中，近似为ΔL＜＜L。如果Δf0相比振动模态的半值宽度fH＝f0/Q足够大，则谐振波峰不重叠。此处，Q为振子的Q值。由于该条件为Δf0＞fH，因此，作为其结果，只要赋予长度之差ΔL使下式成立即可。
2(ΔL/L)＞1/Q  (6)。
这样，对于长度相互不同的振子30A、30B、…，多个振子30A、30B、…以不同的频率动作。因此，即使使多个振子30A、30B、…同时动作也能够不相互干扰地稳定进行动作。即使在使振子30A、30B、…单独动作的情况下，也与其他振子30A、30B、…的频率不同，因此机械耦合变小，能够减小相互的影响。因此，振子30A、30B、…分别为独立的谐振波峰，从而能够确保稳定的振荡。其结果，能够计测振子30A、30B、…各自的微小的谐振频移，结果分子检测灵敏度上升。
此外，在图2所示的结构中，即使在使多个振子30A、30B、…同时振荡的情况下，由于频率不同，因此不容易引起电干扰，能够进行稳定的振荡。由此，能够用多个振子30A、30B、…同时进行分子检测，因此能够在短时间内取得多个振子30A、30B、…的频率变化。此外，如果在恒定时间内进行所有振子30A、30B、…的测定，则能够增加每1个的计测时间，其结果频率计测精度提高，分子检测灵敏度上升。
因此，能够用与单独的振子相同的时间进行多个振子30A、30B、…的测定。根据这种具有多个振子30A、30B、…的检测传感器，能够通过对多个振子30A、30B、…的检测膜20分别涂覆多个种类的检测膜来提高检测膜20所吸附的物质的分析/识别功能。另一方面，不需要严格进行构成检测传感器10的基板50内的机械绝缘、电路的电屏蔽，从而能够实现装置的小型化。
实施例1
针对上述那样长度相互不同的多个悬臂型振子进行了实证实验。
振子由具有厚度为5μm的SOI(Silicon on Insulator：硅绝缘体)层的SOI基板制成。通过光刻技术将SOI层蚀刻为振子形状，从而制作出细微的振子结构。通过从背面蚀刻抵接振子下部的基板层，形成腔体，振子能够在空气中自由振动。
为了检测振子振动引起的变形，在振子根部配置压电电阻元件。压电电阻元件通过在基板表面掺杂杂质来制成。压电电阻元件通过对形成在基板表面上的金属薄膜进行构图来连接电布线。压电电阻元件的电阻值由于感应振子变形引起的根部应力而变化，因此通过对该电阻值进行计测来检测振子的振动。
此外，为了在各振子上涂覆检测膜，形成Au薄膜的涂覆用基底膜。
为了使振子振动，在基板的下表面粘接1块PZT板作为压电层。为了进行振子的自激振荡，通过对从各振子的压电电阻元件取出的振动输出进行放大、赋予必要的相位差并赋予给压电层来构成反馈电路。在这种电路中产生各振子的谐振频率处的自激振荡，用频率计数器测定该频率。此外，为了选择振动次数，在振荡控制部内设置了仅使特定频率通过的带通滤波器。
此外，在该结构例中，在振子的外部设置压电层，因此振动板被所有振子共用。所以，不能使具有不同的谐振频率的振子同时振荡。因此，利用多路器依次进行了测定。
此处，考虑长度为500μm、厚度为5μm的振子。根据如上述那样实际制作的振子的Q值测定，实测出振动的Q值在1次模态的振动时为210、在2次模态时为590、在3次模态时为950。因此，式(6)的条件为1次模态时ΔL＞1.2μm、2次模态时ΔL＞0.4μm、3次模态时ΔL＞0.3μm。还考虑制造误差取长度变化ΔL为3μm，使用式(3)计算8种振子1次～3次的谐振模态的谐振频率的结果如下表。振子的杨氏模量E和密度ρ为E＝170GPa、ρ＝2.33×103kg/m3。
【表1】
Figure BDA0000059602570000111
根据上述计算结果，可知在长度差异为3μm的振子中，谐振频率在1次模态时逐个偏差大约0.3kHz、在2次模态时逐个偏差大约2kHz、在3次模态时逐个偏差大约6kHz。另一方面，根据实际制作的振子(长度500μm)的Q值测定，振动的频率响应时的半值宽度fH在1次模态时为0.13kHz、在2次模态时为0.30kHz、在3次模态时为0.53kHz。因此，长度不同的振子的谐振频率差如设计那样，与振动模态的半值宽度相比始终足够大，振动波峰能够分离。用这种设计制作的8个振子即使被放置在同一芯片内也能够相互不机械干扰/电干扰地进行动作。
实施例2
实施例2与图2所示的结构对应，使用了在各振子上配置压电层的结构。除此以外与实施例1相同。
由此，各个振子能够以相互不同的频率同时振动。因此，还能够同时进行频率测定，能够高速并列检测。
实施例3
实施例3是在2个振子A、B上涂覆不同种类的检测膜的例子。振子A、B两者的厚度均为5μm，振子A的长度L＝500μm，振子B的长度为500μm+ΔL。在振子A上，作为检测膜涂覆厚度t1＝500nm的聚丁二烯(PBD)(密度ρ1＝1.01g/cm3)，在振子B上，作为检测膜涂覆厚度t2＝500nm的聚苯乙烯(PS)(密度ρ2＝1.05g/cm3)。该振子的Q值在1次模态时为210。
此外，为了比较，制作了以下的振子C：长度设为与振子A相同的500μm，检测膜设为与振子B相同的聚苯乙烯。
此时，使用式(5)和式(6)，1次的振动波峰不重叠的条件为
2(ΔL/L)＞1/Q+(t2/t)×[1-(ρ2/ρ)]-(t1/t)×[1-(ρ1/ρ)]    (7)
在式中代入数值时，ΔL＞0.98μm。考虑制造误差，设ΔL＞2μm来利用式(4)计算谐振频率时，如表2所示。
【表2】
Figure BDA0000059602570000121
根据表2，对长度赋予2μm的差的两个振子A、B的谐振频率产生0.28kHz的差。该值比1次模态振动的频率响应时的半值宽度fH＝0.13kHz大，表示式(7)的设计基准妥当。
另一方面，在相对于振子B将长度设为与振子A相同的振子C的情况下，与(检测膜的种类不同的)振子A的谐振频率的差为0.03kHz，比频率响应的半值宽度窄，认为相互进行干扰。
如上所述，即使在涂覆不同种类的检测膜的情况下，也能够通过对长度赋予差来对振子进行集成化，使得谐振波峰不干扰。
另外，在上述实施方式中，还能够将设置压电层43、44的位置、范围等设为上述以外的位置、范围。例如，也可以在30A、30B、…上设置压电层。此外，振子30A、30B、…的驱动方式、振动变化的检测方式还能够采用上述以外的方式。
除此之外，只要不脱离本发明的宗旨，可以对上述实施方式所列举的结构进行取舍选择，或适当变更为其它结构。
标号说明
10：检测传感器；20：检测膜；30：振子(振子主体)；30A、30B：振子；30a：固定端；40：驱动/检测部(驱动部、检测部)；42：频率计数器；43：压电层；44：压电层；45：振荡控制部；46：振动检测电路；47：振荡电路；48：压电电阻元件；49：多路器；50：基板；51：腔体。

Claims (9)

1.一种检测传感器，其特征在于，该检测传感器具有：
多个振子，它们为一端被固定的梁状，并且振动特性根据具有质量的物质的附着或吸附而发生变化；
驱动部，其使所述振子振动；以及
检测部，其通过检测所述振子的振动变化来检测所述物质，
多个所述振子的长度相互不同，在将任意的所述振子设为长度L时，长度L的所述振子与其他所述振子的长度差ΔL被设定为
2(ΔL/L)＞1/Q  (其中，Q为所述振子的Q值)，
所述驱动部以与多个所述振子各自的谐振频率对应的频率使所述振子振动。
2.根据权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，
所述驱动部具有：
压电层，其设置于设有多个所述振子的基板的一面侧；
电极层，其对所述压电层施加驱动电压；以及
振荡控制部，其对所述电极层依次施加电信号作为所述驱动电压，该电信号具有与多个所述振子中的任意一个的谐振频率对应的频率，
所述检测部对具有与通过所述振荡控制部施加到所述电极层的电信号的频率对应的谐振频率的所述振子的振动变化进行检测。
3.根据权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，
所述驱动部具有：
压电层，其设置于所述振子各自的固定端附近；
电极层，其对各个所述压电层施加驱动电压；以及
振荡控制部，其设置于各个所述电极层，对所述压电层施加电信号作为所述驱动电压，
所述振荡控制部通过对各个所述电极层施加电信号，使多个所述振子同时独立振动，该电信号具有与对应于该电极层的所述振子的谐振频率对应的频率。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的检测传感器，其特征在于，所述检测部检测附着在所述振子上的所述物质的量。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的检测传感器，其特征在于，所述物质是特定的分子或者具有特定特性或特征的多种分子。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的检测传感器，其特征在于，所述振子在其表面上形成有由包含以下材料中的至少一种的材料构成的检测膜：二氧化钛、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。
7.一种检测传感器的振子，其特征在于，该振子具有：
多个振子主体，它们为一端被固定的梁状；以及
检测膜，其设置于各个所述振子主体的表面，吸附分子，
多个所述振子主体的长度相互不同，在将任意的所述振子设为长度L时，长度L的所述振子与其他所述振子的长度差ΔL被设定为
2(ΔL/L)＞1/Q  (其中，Q为所述振子的Q值)。
8.根据权利要求7所述的检测传感器的振子，其特征在于，所述检测膜包含以下材料中的至少一种而形成：二氧化钛、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。
9.根据权利要求7或8所述的检测传感器的振子，其特征在于，多个所述振子主体形成于腔体内，该腔体形成于由硅类材料构成的基板中。
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