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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Massensensor zum Bestimmen
einer winzig kleinen Masse in der Größenordnung eines Nanogramms
(10–9 g),
so z. B. einen Massensensor zum Abfühlen von Mikroorganismen wie
Bakterien, Viren und Protozoen (Immunsensor), sowie einen Massensensor
zum Abfühlen
von Feuchtigkeit, toxischen Substanzen oder spezifischen chemischen
Substanzen wie Geschmackskomponenten (Feuchtigkeitsmessgerät, Gassensor
und Geschmackssensor), sowie auf ein Verfahren zum Abfühlen einer
Masse. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen
Massensensor und auf ein Verfahren zum Abfühlen einer Masse, das praktischerweise
zur Bestimmung der Masse eines abzufühlenden Körpers durch Messung der Änderung
der Resonanzfrequenzen verwendet wird, die durch die Änderung
der Masse der Membran hervorgerufen wird, auf welcher eine Fängersubstanz
zum Einfangen eines abzufühlenden
Körpers,
indem nur der abzufühlende
Körper
zur Reaktion gebracht wird, aufgetragen ist.
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Da
der Massensensor der vorliegenden Erfindung nicht auf das Messen
der Änderung
der auf einer Membran aufgebrachten Fängersubstanz, wie dies oben
beschrieben ist, beschränkt
ist, d. h. er ist nicht auf die indirekte Messung der Änderung
der Masse einer Membran beschränkt,
sondern es vielmehr möglich
ist, die Änderung
der Resonanzfrequenz aufgrund der Änderung der Masse der Membran
selbst abzufühlen,
kann der Massensensor auch zur Dickenmessung für aufgedampfte Filme oder zur Messung
eines Taupunkts verwendet werden.
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Selbst
wenn die Masse der Membran weder direkt noch indirekt geändert wird,
kann der Massensensor der vorliegenden Erfindung weiters auch als ein
Vakuummeter, ein Viskositätsmeter
oder ein Temperatursensor verwendet werden, indem er in einer Umgebung
angeordnet wird, um eine Änderung
der Resonanzfrequenz zu bewirken, d. h. er wird in eine Umgebung
von Mediumgasen oder -flüssigkeiten
mit unterschiedlichem Vakuum-, Viskositäts- oder Temperaturgrad eingebracht.
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Somit
wird dasselbe Grundprinzip, obwohl der Massensensor der vorliegenden
Erfindung in verschiedenen Anwendungen abhängig von seinen Ausführungsformen
verwendet werden kann, auch für
die Messung der Änderung
der Resonanzfrequenzen der Membran und des Resonanzabschnitts, der
die Membran umfasst, verwendet.
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Hintergrundwissen
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Durch
die in der letzten Zeit erzielten Fortschritte im Bereich von wissenschaftlichen
und medizinischen Technologien sowie aufgrund neu entwickelter Medikamente
wie Antibiotika und Chemikalien wurde die Behandlung verschiedener
Erkrankungen, die bis dato als schwierig zu behandeln galten, ermöglicht.
Andererseits verringerte sich insbesondere in Industrieländern, in
welchen Menschen an eine solche medizinische Zivilisation gewöhnt sind, die
immunologische Widerstandsfähigkeit
der Menschen, und viele Menschen leiden an verschiedenen Krankheiten,
die durch Substanzen oder Mikroorganismen ausgelöst werden, die bis dato Menschen keinen
Schaden zugefügt
haben.
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Bei
diesen Erkrankungen sind Untersuchungen der Mikroorganismen für die Behandlung
von durch Mikroorganismen wie Bakterien, Viren oder Protozoen ausgelösten Krankheiten
wesentlich, um deren Pathogene zu finden, ihre Arten zu bestimmen und
festzulegen, auf welche sie empfindlich reagieren.
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Da
die Ursache einer Erkrankung und die Art des Pathogens aus den Symptomen
bestimmt werden können,
werden im ersten Stadium der Untersuchungen von Mikroorganismen
zur Zeit verschiedene Proben, so z. B. Blut, abhängig von der Art der Erkrankung
ausgewählt,
die in den Proben vorhandenen Mikroorganismen morphologisch identifiziert, oder
es werden Antigene oder spezifische Metaboliten der Pathogene (so
z. B. Toxine oder Enzyme etc.), die in den Proben vorhanden sind,
immunchemisch identifiziert. Die Verfahren dafür sind Abstrich, Tinktur und
Mikroskopie, die bei bakteriellen Untersuchungen verwendet werden,
und in den letzten Jahre wurde eine unmittelbare Identifizierung
in diesem Stadium mittels fluoreszierender Antikörper-Tinktur oder enyzmatischer
Antikörper-Tinktur
möglich.
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Weiters
ist der serologische Virustest, der in der letzten Zeit zur Detektion
von Viren verwendet wurde, ein Verfahren, um das Vorhandensein von spezifischen
Immunitätsantikörpern, die
im Serum eines Patienten auftreten, zu prüfen. Beispiele für das Verfahren
umfassen die Komplementfixierungsreaktion, in welcher das Vorhandensein
von Antikörpern oder
Antigenen durch die Zugabe von Komplementen zum Testblut bestimmt
wird, und durch die Beobachtung, ob die Komplemente mit den Antigenen oder
Antikörpern
im Blut reagieren und ob sie sich an die Zellmembranen der Antigene
oder Antikörper
anlegen, oder ob sie die Zellmembranen zerstören.
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Mit
der Ausnahme von extrem speziellen Fällen, in welchen bis dato noch
keine Symptome erkennbar sind, und wenn die Erkrankung durch ein neues
Pathogen hervorgerufen wird, das noch nicht entdeckt wurde, kann
bei der Behandlung von durch Mikroorganismen und dergleichen verursachten Krankheiten
eine adäquate
Behandlung durchgeführt werden,
indem in einem frühen
Stadium durch den oben beschriebenen Mikroorganismus-Test Pathogene
entdeckt werden und indem somit der Patient einer Verbesserung zugeführt werden
kann, ohne dass sich die Symptome dabei verschlimmern.
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Mit
Verfahren wie Abstrich, Tinktur und Mikroskopie ist abhängig von
ihren Quantitäten
die Detektion von Mikroorganismen manchmal aber schwierig, und bei
Bedarf ist eine zeitintensive Behandlung wie die Kultivierung von
Proben auf einem Agar erforderlich. Auch bei serologischen Virentests ergibt
sich, da Messungen in der Regel sowohl im Akut- als auch im Konvaleszenzstadium
zur Bestimmung der Bewegung der Quantitäten von Antikörpern durchgeführt werden
müssen,
das Problem des Zeitbedarfs in Hinblick auf eine prompte Diagnose.
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Wie
bei der obig beschriebenen Komplementfixierung ersichtlich ist,
erhöht
sich, wenn eine abzufühlende
Substanz mit einer Fängersubstanz
reagiert, welche die abzufühlende
Substanz einfängt, indem
sie nur mit der spezifischen abzufühlenden Substanz, den Mikroorganismen,
reagiert, die Masse der Fängersubstanz
um die Masse der abzufühlenden
Substanz, wenn auch nur geringfügig.
Eine solche Massensteigerung tritt auch in der Beziehung zwischen
einer Fängersubstanz
und einer chemischen Substanz wie einer spezifischen gasförmigen Substanz
und einer Geruchskomponente auf, und sie gilt auch in dem Fall,
in welchem ein Substrat selbst ohne Massenänderung eine Fängersubstanz
ist, auf welcher eine spezifische Substanz abgelagert oder zu dieser
zugegeben wird. Im Gegensatz dazu nimmt die Masse der Fängersubstanz
oder dergleichen geringfügig
ab, wenn eine Reaktion erfolgt, in welcher eine abzufühlende Substanz,
die von einer Fängersubstanz
oder dergleichen eingefangen wird, freigesetzt wird.
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Als
Beispiel für
ein Verfahren zum Abfühlen einer Änderung
in einer so kleinen Masse offenbart das US-Patent Nr. 4789804 in 27 einen
Massensensor 80, der einen Quarz-Oszillator 81 und
Elektroden 82, 83 umfasst, die dem Quarz-Oszillator
gegenüberliegen.
Haftet eine beliebige Substanz außen auf diesen Elektroden 82, 83 an,
so fühlt
der Massensensor 80 eine Änderung in ihrer Masse in der
Resonanzfrequenz der Dicken-Gleitschwingung des Quarz-Oszillators 81 in
die Richtung der Oberfläche der
Elektroden ab. Da ein solcher Massensensor 80 die Änderung
der Resonanzfrequenz, die im Grunde genommen durch die Änderung
der Massenbelastung auf den Quarz-Oszillator 81 hervorgerufen
wird, misst, geht man davon aus, dass ein solcher Massensensor 80 auch
als Dickenmesser zum Messen der Dicke oder des Aufbaus eines dampfabgelagerten
Films oder als ein Feuchtigkeitsmesser verwendet werden kann.
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Wird
aber ein solcher Quarz-Oszillator 81 verwendet, wird, da
sich der Teil, an welchem eine äußere Substanz
anhaftet, und der Teil zur Detektion der Resonanzfrequenz an derselben
Stelle befinden, z. B. die Resonanzfrequenz instabil, wenn die piezoelektrischen
Eigenschaften des Massensensors 80 selbst aufgrund der
Temperatur der Proben oder einer Temperaturänderung variieren. Auch wenn
die Probe eine leitfähige
Lösung
ist und wenn der Massensensor 80 ungeschützt in die
Probe eingetaucht wird, kann ein Kurzschluss zwischen den Elektroden auftreten.
Somit muss der Massensensor 80 isoliert werden, so z. B.
durch eine Harzbeschichtung.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die obigen Probleme eines
Mikro-Massensensors zu lösen.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ein Massensensor bereitgestellt,
wie er in Anspruch 1 dargelegt ist.
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In
diesen zweiten bis sechsten Massensensoren wird bevorzugt, dass
die Membran, die Anschlussplatte und die Sensorplatte eine gemeinsame Ebene
bilden, wenn sie miteinander verbunden werden, d. h. diese Elemente
weisen beinahe dieselbe Dicke auf. Es wird auch bevorzugt, dass
die Sensorplatte in die Vertiefung, die durch die Anschlussplatte und
das Sensorsubstrat gebildet wird, eingepasst und mit dieser verbunden
wird. Auch wird bevorzugt, dass die Membran, die Anschlussplatte
und die Sensorplatte einstückig
aus einer Membran gebildet werden, und dass das Sensorsubstrat einstückig mit
der Membran und der Basisplatte laminiert ist.
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Auch
wird bevorzugt, dass eine Federplatte an einer oder jeder der Plattenoberflächen der
Anschlussplatte befestigt ist, und dass diese Federplatte mit dem
Sensorsubstrat oder der Federplattenverstärkung verbunden ist. Zu diesem
Zeitpunkt wird, anders als bei der Struktur, die mittels Klebstoff
befestigt ist, bevorzugt, dass die Federplatte einstückig mit
einer Zwischenplatte ausgebildet ist, die einstückig zwischen die Membran und
die Basisplatte eingeschoben ist, oder einstückig mit der Federplattenverstärkung, die
einstückig
mit der Membran ausgebildet ist, und auch einstückig mit der Anschlussplatte ausgebildet
ist. Wird eine Vielzahl von Anschlussplatten verwendet, so wird
bevorzugt, dass die Anordnungen der Anschlussplatte und der Federplatte
dieselbe Form aufweisen. Auch weist der Massensensor vorzugsweise
eine Verstärkungsplatte
auf, die an der Seite des Sensorsubstrats angebracht ist, und in diesem
Fall wird bevorzugt, dass die Verstärkungsplatte einstückig mit
der Federplatte und dem Sensorsubstrat ausgebildet ist.
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Wird
eine Fängersubstanz,
die nur mit einer abzufühlenden
Substanz reagiert und nur die abzufühlende Substanz einfängt, auf
die Membran aufgetragen, so misst das piezoelektrische Element die Änderung
der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts in dem Zustand, in welchem
die abzufühlende
Substanz nicht durch die Fängersubstanz
eingefangen wurde, und in dem Zustand, nachdem die abzufühlende Substanz
durch die Fängersubstanz
eingefangen wurde, wobei der Massensensor gemäß der vorliegenden Erfindung
geeigneterweise in Anwendungen verwendet wird, um die Masse der
abzufühlenden
Substanz zu messen, die durch die Fängersubstanz eingefangen wurde.
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Vorzugsweise
werden zumindest zwei Resonanzabschnitte auf dem Sensorsubstrat
angeordnet, und die Fängersubstanz
wird nicht auf eine der Membranen der Resonanzabschnitte aufgetragen,
um diese Membran als Referenzmembran zu verwenden. Andererseits
wird auch bevorzugt, dass die verschiedenen Fängersubstanzen auf jedem Resonanzabschnitt
aufgetragen werden, d. h. auf eine Vielzahl von Resonanzabschnitten,
auf welche mehr als eine verschiedene Fängersubstanz getrennt aufgetragen wird,
ist in einem Sensor bereitgestellt. Hier können mehr als ein Resonanzabschnitt
auf dem Sensorsubstrat angeordnet werden, so dass der dynamische Bereich
durch die Aufnahme der Signale von den jeweiligen Resonanzabschnitten
ausgedehnt wird. Auch kann ein Durchgangsloch mit einer beliebigen Form
innerhalb des Sensorsubstrats ausgebildet sein, und der Resonanzabschnitt
kann auf der inneren Umfangsfläche
des Durchgangslochs ausgebildet sein.
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Auch
wird bevorzugt, die Empfindlichkeit zu verbessern, indem eines der
piezoelektrischen Elemente in zwei Abschnitte unterteilt wird; ein
Abschnitt wird zum Ansteuern und der andere zum Abfühlen verwendet.
Weiters wird bevorzugt, die Empfindlichkeit zu verbessern, indem
zwei piezoelektrische Elemente auf einem Resonanzabschnitt angeordnet werden,
wobei eines der piezoelektrischen Elemente zum Ansteuern und das
andere zum Abfühlen
verwendet wird. Somit kann jedes der zwei piezoelektrischen Elemente,
die auf einem Resonanzabschnitt angeordnet werden, weiter in zwei
Abschnitte unterteilt werden, und in diesem Fall weist jedes der zwei piezoelektrischen
Elemente sowohl eine Ansteuerungs- als auch eine Abfühlfunktion
auf.
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Weiters
wird, wenn die Probe eine leitfähige Lösung ist,
bevorzugt, einen Positionssensor bereitzustellen, der aus einem
Paar Elektroden in der Mitte zwischen der Membran und dem piezoelektrischen Element
auf dem Sensorsubstrat besteht, so dass die Membran in die Lösung getaucht
wird, aber dass das piezoelektrische Element nicht in die Lösung getaucht
wird, selbst wenn der Massensensor getaucht wird, um auf diese Weise
den Massensensor auf einer geeigneten Position zu installieren.
Selbst wenn die Probe eine leitfähige
Lösung
ist, kann ein Kurzschluss der Elektroden oder anderer Teile verhindert werden,
wenn das piezoelektrische Element, die Elektroden des piezoelektrischen
Elements und die Elektrodenleitungen, die mit der Elektrode verbunden sind,
mit einer Harz- oder Glas-Isolierbeschichtungsschicht
beschichtet werden. Weiters wird bevorzugt, dass eine Schutzschicht
aus einem leitfähigen
Material auf der Oberfläche
der Isolierbeschichtungsschicht ausgebildet wird, um so auf diese
Weise Störungen
wie z. B. externe elektromagnetische Wellen zu reduzieren.
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Es
wird bevorzugt, dass das Sensorsubstrat, die Membran, die Anschlussplatte,
die Sensorplatte und die Federplatte, die einen Massensensor der
vorliegenden Erfindung darstellen, einstückig aus stabilisiertem Zirconiumoxid
oder teilstabilisiertem Zirconiumoxid zusammengesetzt sind. Als
Material für
den piezoelektrischen Film im piezoelektrischen Element wird geeigneterweise
ein Material, das eine Komponente umfasst, die hauptsächlich aus
Bleizirconat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat besteht, verwendet,
wobei die Schwingungsmode, das Einstellen der Resonanzfrequenzen
und die Empfindlichkeit gesteuert werden können, wenn die Formen der Membran,
der Anschlussplatte, der Sensorplatte oder der Federplatte in ihren
Dimensionen dadurch eingestellt werden, dass sie mittels Laserbehandlung
oder -bearbeitung geschnitten werden. Weiters wird bevorzugt, dass
die Elektrode des piezoelektrischen Elements laserbehandelt oder
-bearbeitet wird, um den effektiven Elektrodenbereich des piezoelektrischen Elements
einzustellen.
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Der
hierin verwendete Ausdruck "piezoelektrisch" umfasst Piezoelektrizität und elektrische
Verformung, und was hierin als piezoelektrisches Element bezeichnet
wird, umfasst elektrische Verformungselemente, und piezoelektrische
Keramikmaterialien umfassen elektrische Verformungskeramikmaterialien.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind Verfahren zum Abfühlen
einer Masse gemäß der Struktur
der verschiedenen oben beschriebenen Massensensoren bereitgestellt,
wie dies in den Ansprüchen 33
und 34 dargelegt ist.
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Mithilfe
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung kann, wie dies oben
beschrieben wurde, eine Änderung
in einer winzig kleinen Masse, wie sie in einer Membran auftritt,
genau in einer kurzen Zeitspanne aus einem spezifischen Wert der Änderung
der Resonanzfrequenz des im Massensensor bereitgestellten Resonanzabschnitts
abgeleitet werden, und der Massensensor weist den Vorteil eines einfachen
Messvorgangs auf. Somit können
verschiedenen physikalische und chemische Quantitäten gemessen
werden, indem der Massensensor in einer Umgebung angeordnet wird,
welche die Resonanzfrequenzen des Resonanzabschnitts ändert. So kann
der Massensensor der vorliegenden Erfindung z. B. geeignet als Dickenmesser
für dampfabgelagerte
Filme und als Taupunktmesser verwendet werden, welcher die direkte Änderung
der Masse der Membran verwendet; als Vakuum- und Viskositätsmesser und
als Temperatursensor, welche die Umgebung nützen, in welcher die Membran
angeordnet wird, so z. B. Vakuum, Viskosität und Temperatur; und insbesondere
zur Identifizierung einer abzufühlenden
Substanz und zur Messung ihrer Masse, indem auf die Membran eine
Fängersubstanz
aufgetragen wird, welche selektiv mit der abzufühlenden Substanz, so etwa einem
Mikroorganismus oder einer chemischen Substanz in einer Probe, reagiert,
und indem die Änderung
der Masse einer solchen Fängersubstanz verwendet
wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist eine Perspektive eines Massensensors,
der zur vergleichenden Veranschaulichung dargestellt ist, und (a) bis (d) sind
perspektivische Ansichten der Konstruktionen, in welchen die Positionen
und Anzahl der Membranen geändert
sind;
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2 ist
eine Perspektive einer Ausführungsform
eines piezoelektrischen Elements, das dafür geeignet ist, in einem Massensensor
der vorliegenden Erfindung eingebaut zu sein;
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3 ist
eine Perspektive einer Ausführungsform
eines weiteren piezoelektrischen Elements, das dafür geeignet
ist, in einem Massensensor der vorliegenden Erfindung eingebaut
zu sein;
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4 ist
eine Perspektive einer Ausführungsform
eines anderen piezoelektrischen Elements, das dafür geeignet
ist, in einem Massensensor der vorliegenden Erfindung eingebaut
zu sein;
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5 ist eine Darstellung einer Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist
ein Grundriss; (b) ist eine Darstellung
einer θ-Schwingungsmode;
und (c) ist eine Darstellung einer Φ-Schwingungsmode.
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6 ist
ein Grundriss einer anderen Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
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7 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist
ein Grundriss; und (b) bis (e) sind Schnittansichten;
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8 ist eine Darstellung, welche die Ansteuerung
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) und (b) sind Grundrisse; und (c) ist
eine Schnittansicht;
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10 ist ein Grundriss einer anderen Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
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11 ist
ein Grundriss des Aussehens einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der
vorliegenden Erfindung;
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12 ist
ein Grundriss der Struktur des Sensorabschnitts im in 11 dargestellten
Massensensor;
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13 ist
eine Perspektive der Struktur des Sensorabschnitts im in 12 dargestellten
Massensensor;
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14 ist
eine weitere Perspektive der Struktur des Sensorabschnitts im in 12 dargestellten
Massensensor;
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15 ist
ein Grundriss einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors
der vorliegenden Erfindung;
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16 ist ein Grundriss einer anderen Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
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17 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist
ein Grundriss; und (b) ist eine Schnittansicht;
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18 ist
ein Grundriss noch einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors
der vorliegenden Erfindung
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19 ist eine Darstellung noch einer anderen
Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist
ein Grundriss; und (b) bis (d) sind Schnittansichten;
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20 ist ein Grundriss einer weiteren Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
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21 ist ein Grundriss einer weiteren Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
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22 ist eine Darstellung noch einer anderen
Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) bis (d) und (f) sind
Grundrisse verschiedener Strukturen, in welchen eine Sensorplatte
mit den Anschlussplatten verbunden ist; und (e) ist
ein Grundriss einer Struktur, in welcher eine Sensorplatte mit einer
Membran verbunden ist;
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23 ist
ein Grundriss eines Beispiels für die
Verarbeitung einer grünen
Lage für
ein Sensorsubstrat, das in der Herstellung eines Massensensors der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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24 ist
eine Darstellung der Größe und Form,
welche in der Herstellung eines Massensensors der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise eingestellt werden;
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25 ist
eine Darstellung eines Beispiels für die Verarbeitung eines piezoelektrischen
Elements eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
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26 ist
eine Darstellung der Betriebseigenschaften eines Massensensors der
vorliegenden Erfindung;
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27 ist
eine Schnittansicht der Basisstruktur eines herkömmlichen Mikro-Massensensors;
und
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28 ist
eine Perspektive der Struktur eines Quarz-Oszillators eines herkömmlichen Quarz-Reibungsvakuummeters.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend in Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf einem Massensensor
liegt, der verwendet wird, indem eine Fängersubstanz, die nur mit einer
spezifischen abzufühlenden
Substanz reagiert und die abzufühlende
Substanz auf der Membran einfängt,
aufgetragen wird.
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1(a) ist eine Perspektive eines Massensensors 50A,
der zur vergleichenden Veranschaulichung beschrieben ist. Auf der
Plattenoberfläche
zumindest einer Sensorplatte 51 ist ein piezoelektrisches
Element 55 bereitgestellt, das aus einer ersten Elektrode 52,
einem piezoelektrischen Film 53 und einer zweiten Elektrode 54 besteht.
Das piezoelektrische Element 55 kann auf beiden Oberflächen der Sensorplatte 51 bereitgestellt
sein, und die erste und die zweite Elektrode 52, 54 sind
mit einer (nicht dargestellten) Elektrodenleitung verbunden, die
dazu verwendet wird, sie mit einem Frequenzmesser oder dergleichen
zu verbinden.
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Eine
schichtähnliche
Membran 56 ist mit einer Seite der Sensorplatte 51 verbunden,
so dass die Plattenoberfläche
der Membran 56 und die Plattenoberfläche der Sensorplatte 51 senkrecht
aufeinander liegen. Hier bezeichnet "die Seiten der Sensorplatte 51" eine Ebene, die
normal auf die Plattenoberfläche der
Sensorplatte 51 liegt, auf welcher das piezoelektrische
Element 55 installiert ist, d. h. eine Ebene in die Dickenrichtung,
und "eine Seite" bezeichnet eine der
Seiten. Weiters ist hier die andere Seite der Sensorplatte 51,
die gegenüberliegende
Seite zu jener Seite, an welcher die Membran 56 befestigt
ist, mit einem Sensorsubstrat 49 verbunden, und ein Resonanzabschnitt
ist auf der Membran 56, der Sensorplatte 51 und
dem piezo elektrischen Element 55 ausgebildet, um dadurch
den Massensensor 50A auszubilden.
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Hier
bezeichnet eine Membran hauptsächlich
den Ort, um eine Massenänderung
hervorzurufen oder einer unterzogen zu werden, und sie ist ein Element,
das in verschiedenen Moden schwingt, wie dies später ausgeführt wird; eine Anschlussplatte
bezeichnet ein Element, um die Membran, das Sensorsubstrat und die
Sensorplatte zu verbinden; und eine Sensorplatte bezeichnet ein
Element, das durch die Bewegung der Membran verformt wird und die
Belastung auf das Sensorelement überträgt, so etwa
ein piezoelektrisches Element, das auf der Oberfläche angebracht
ist, oder das im Gegensatz dazu die Dehnung oder Schwingung, die
durch ein Ansteuerungselement wie etwa ein piezoelektrisches Element
erzeugt wird, auf die Membran überträgt. Das
Sensorsubstrat bezeichnet ein Element, um den Resonanzabschnitt
zu halten und die verschiedenen Elektrodenenden zur Verbindung mit
den Messinstrumenten zu tragen, und es dient im tatsächlichen
Gebrauch zur Bedienung.
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Verfahren
zur Verwendung eines solchen Massensensors 50A umfassen
z. B. ein Verfahren, in welchem eine Fängersubstanz, die nur mit einer
abzufühlenden
Substanz reagiert und diese einfängt, auf
die Membran 56 aufgetragen wird, die Membran 56 in
eine flüssige
Probe eingetaucht oder einer gasförmigen Umgebung wie einem spezifischen
Gas ausgesetzt wird, um eine Änderung
der Resonanzfrequenzen des Massensensors 50A mit dem piezoelektrischen
Element 55 zu messen, oder ein Verfahren, in welchem die
Resonanzfrequenz gemessen wird, nachdem die Membran 56 in
eine flüssige
Probe getaucht und in einem Gas getrocknet wurde. Ein Beispiel für eine solche
abzufühlende
Substanz ist ein Antigen, das eine Krankheit hervorruft, und ein Beispiel
für die
Fängersubstanz
ist ein Antikörper
für ein
solches Antigen.
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Hier
variiert die Resonanzfrequenz des Massensensors 50A abhängig von
der Masse des Resonanzabschnitts, insbesondere der Masse der Membran 56,
d. h. die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts in dem Zustand,
in welchem die abzufühlende
Substanz nicht von der Membran 56 eingefangen wurde, unterscheidet
sich von der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts in dem Zustand,
in welchem die abzufühlende
Substanz eingefangen wurde, abhängig
von der Masse des abzufühlenden Substrats,
das eingefangen wurde. Somit kann durch die Messung der Änderung
der Resonanzfrequenzen unter Verwendung des piezoelektrischen Elements 55 die
Masse der abzufühlenden
Substanz, die durch die auf der Membran 56 aufgetragene
Fängersubstanz
eingefangen wird, gemessen werden.
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Nach
dem gleichen Prinzip kann der Massensensor 50A verwendet
werden, um eine Massenabnahme zu messen, wenn die Masse der Membran 56 sich
ausgehend von der Masse im Ausgangszustand verringert. So kann z.
B. der Massensensor 50A geeignet verwendet werden, wenn
die aufgetragene Fängersubstanz
sich aus irgendwelchen Gründen
ablöst,
wenn die außerordentlich
geringe Korrosion oder eine außerordentlich
kleine Menge der Auflösung
in einer bestimmten Lösung
des Materials selbst der Membran 56 überprüft werden soll, oder wenn die
Massenänderung
einer bestimmten chemischen Substanz, die nicht die Fängersubstanz
und auf die Membran 56 aufgetragen ist, aufgrund der Verdampfung
oder Auflösung
einer solchen chemischen Substanz gemessen werden soll.
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Die
Struktur eines solchen Massensensors 50A kann zusammenfassend
eine solche Struktur sein, in welcher eine Seite zumindest einer
schichtenähnlichen
Membran 56 mit einer Seite einer Sensorplatte 51 verbunden
ist, so dass die Plattenoberfläche
der Membran 56 normal auf die Plattenoberfläche liegt,
auf welcher das piezoelektrische Element 55 der Sensorplatte 51 angebracht
ist, und so dass die andere Seite der Sensorplatte 51 mit
dem Sensorsubstrat 49 verbunden ist. Hier wird als Schwingungsmode
der zur Messung der Resonanzfrequenz im Massensensor 50A verwendeten
Membran vorzugsweise die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts
auf der Grundlage zumindest eines der folgenden Schwingungsmoden
gemessen: die θ-Schwingungsmode
(nachfolgend hierin als "θ-Mode" bezeichnet), in welcher
die Membran 56 eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum
auf der Normalachse (Y-Achse), die orthogonal durch die Mitte der
feststehenden Ebene verläuft,
durchführt, wobei
die feststehende Ebene eine Ebene ist, in welcher die Membran 56 mit
der Sensorplatte 51 in 1(a) verbunden
ist, in die Richtung orthogonal auf die Seite der Membran 56 und
auch in die Richtung orthogonal auf die Y-Achse, d. h. in die Richtung der
X-Achse; oder die Φ-Schwingungsmode
(hierin nachfolgend als "Φ-Mode" bezeichnet), in
welcher die Membran 56 eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum
auf der Y-Achse in die Richtung senkrecht auf die Seite der Membran 56 und
auch in die Richtung normal auf die Y-Achse, d. h. in die Richtung
der X-Achse durchführt,
begleitet von der Schwingungsbewegung in die parallel zur Seite
der Membran 56 (Z-Achse) verlaufende Richtung, wenn die
Membran 56 sich von der Y-Achse weg bewegt; und die Schwingung
in die Richtung der Y-Achse.
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Diese
Verschiebungsmoden bezeichnen, dass die Richtung der Verschiebung
der Membran 56 in die obig beschriebenen Richtungen dominiert, dass
aber die anderen Richtungskomponenten als die obigen Richtungen
nicht zur Gänze
ausgeschlossen sind. Dies gilt auch für die Anführung der Verschiebungsmoden
in den nachfolgenden beschreibenden verschiedenen Ausführungsformen.
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Da
die θ-Mode
und die Φ-Mode
dieselben sind wie im später
beschriebenen Massensensor 30, werden sie detailliert in
der Beschreibung des Massensensors 30 beschrieben; da die
Schwingungsmoden die Starrkörper-Moden
sind, welche die Seite der Membran 56 verwenden, werden
sie geeignet insbesondere dann verwendet, wenn die Membran 56 oder der
gesamte Massensensor 50A in eine Flüssigkeit getaucht ist.
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Wird
der Massensensor 50A in einem Gas verwendet, kann die Biegemode,
in welcher die Biegung in die Richtung der Z-Achse in 1(a) vorherrscht, auch wirksam zusätzlich zu
den obigen Schwingungsmoden verwendet werden. Wird die Biegemode
in einer Flüssigkeit
verwendet, obwohl die Wirkung der Viskosität oder Dichte der Flüssigkeit größer ist
als im obigen θ-
oder Φ-Mode,
so kann die Massen änderung
aus der Messung der Resonanzfrequenz erhalten werden. Somit kann
durch die Detektion der auf dem piezoelektrischen Film 53 durch die
Schwingung der Membran 56, wie dies oben beschrieben ist,
induzierten Spannung die Änderung der
Resonanzfrequenz oder die Änderung
der Masse der Membran 56 erhalten werden.
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Unter
Verwendung des Betriebsprinzips des obig beschriebenen Massensensors 50A können die in
den 1(b) bis 1(d) gezeigten
Konstruktionen als Beispiel für
Massensensoren mit einer ähnlichen
Funktion wie jener in 1(a) dargestellte
Massensensor verwendet werden. Der Massensensor 50B in 1(b) zeigt zwei parallele Membranen 56, die
der Membran 56 in der Ausführungsform der 1(a) auf einer Seite der Sensorplatte 51 ähnlich sind.
Die Verwendung einer Vielzahl von Membranen 56 kann den
dynamischen Bereich des Massensensors verbessern.
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Die
Stelle, an welcher eine Vielzahl von Membranen 56 mit der
Sensorplatte 51 verbunden ist, ist nicht beschränkt, sofern
es eine andere Seite als jene ist, an welcher die Sensorplatte 51 mit
dem Sensorsubstrat 49 verbunden ist. Da zumindest eine Membran 56 erforderlich
ist, kann die Membran 56 auch mit der Seite verbunden sein,
die orthogonal auf die Seite, an welcher die Sensorplatte 51 mit
dem Sensorsubstrat 49 verbunden ist, von den Seiten der Sensorplatte 51 liegt,
wie im in 1(c) dargestellten Massensensor 50C.
Weiters kann jede der zwei Membranen 56 mit einem Paar
Seiten verbunden sein, die einander gegenüber liegen, wie dies im in 1(d) dargestellten Massensensor 50D der
Fall ist, um den dynamischen Bereich wie im Massensensor 50B zu
verbessern.
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Zu
diesem Zeitpunkt wird bevorzugt, dass die Stelle, an welcher die
Membran 56 mit der Sensorplatte 51 verbunden ist,
in der Nähe
des Endes der Sensorplatte 51 so weit wie möglich vom
Sensorsubstrat 49 entfernt liegt, da der Q-Wert (Peak-Wert, nachfolgend
als "Q-Wert" bezeichnet) der θ- und der Φ-Mode erhöht werden
können,
d. h. die Amplitude der Membran 56 wird vergrößert und
die Empfindlichkeit verbessert.
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Obwohl
das auf den obig beschriebenen Massensensoren 50A–50D angebrachte
piezoelektrische Element 55 gewöhnlich eine Laminationsart ist,
in welcher eine erste Elektrode 52, ein piezoelektrischer
Film 53 und eine zweite Elektrode 54, wie in 2 dargestellt,
laminiert sind, können
auch ein piezoelektrisches Element 62A mit einer Wabenstruktur,
in welcher ein piezoelektrischer Film 58 auf einer in 3 dargestellten
Sensorplatte 57 angeordnet ist, und in welcher eine erste
Elektrode 59 und eine zweite Elektrode 60 Zwischenräume 61 mit
einer konstanten Breite auf der Oberseite des piezoelektrischen
Film 58 ausbilden, verwendet werden. Die erste Elektrode 59 und
die zweite Elektrode 60 in 3 können in
der Oberfläche
zwischen der Sensorplatte 57 und dem piezoelektrischen
Film 58 ausgebildet sein. Weiters wird auch, wie in 4 dargestellt
ist, ein piezoelektrisches Element 62B, in welchem ein piezoelektrischer
Film 58 zwischen den wabenförmigen ersten und zweiten Elektroden 59, 60 eingebettet ist,
geeignet verwendet.
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Wird
eine wabenförmige
Elektrode, wie sie in den 3 oder 4 dargestellt
ist, hier verwendet, so kann die Messempfindlichkeit erhöht werden,
indem die Teilung 63 verringert wird. Solche piezoelektrischen
Elemente, wie sie in den 2 bis 4 dargestellt
sind, werden in allen später
beschriebenen Massensensoren der vorliegenden Erfindung verwendet.
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Obwohl
die Messung der Masse wie zuvor beschrieben unter Verwendung der
Massensensoren 50A bis 50D durchgeführt werden
kann, ist eine Vergrößerung der
Empfindlichkeit begrenzt, da die Fläche der Membranen 56 unvermeidbar
klein ist, wodurch die Fläche,
auf welche eine Fängersubstanz aufgetragen
ist, klein und das Ausführen
von Änderungen
in der Masse klein gemacht werden, wenn die Dicke des aufgedampften
Films gemessen wird. Weiters können
Verwertungen und Biegungen auf der Membran 56 auftreten
und zusätzlich
kann die Mode, in der nur die Membran 56 schwingt, stark
in Erscheinung treten. Daher wird die Struktur bevorzugt modifiziert,
so wie in 5(a) gezeigt, um solche Probleme
zu lösen. 5(a) zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Massensensors.
In Massensensor 30 sind eine Membran 31 und eine
Verbindungsplatte 33 an ihren entsprechenden Seiten miteinander
verbunden und eine Sensorplatte 32 ist mit der Verbindungs platte 33 an
ihren entsprechenden Seiten in Richtung normal zur Y-Achsen-Richtung verbunden,
welche jene Richtung ist, wo die Membran 31 und die Verbindungsplatte 33 verbunden
sind, das ist die X-Richtung. Eine piezoelektrisches Element ist
an zumindest einem Teil von zumindest einer der Plattenoberflächen der
Sensorplatte 32 angebracht, um einen Sensorabschnitt auszubilden,
und ist an zumindest einem Teil der Seiten der Verbindungsplatten 33 und
der Sensorplatte 32 mit der Seite des Sensorsubstrats 34 verbunden,
ohne daß die Membran 31 unmittelbar
mit dem Sensorsubstrat 34 verbunden ist. Daher ist eine
Resonanzabschnitt auf der Membran 31, der Verbindungsplatte 33,
der Sensorplatte 32 und dem piezoelektrischen Element 35 ausgebildet,
um einen Massensensor 30 auszubilden.
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Hier
sind die Membran 31, die Verbindungsplatte 33 und
die Sensorplatte 32 nicht notwendigerweise von gleicher
Dicke, vorzugsweise haben sie die gleiche Dicke, um die gleiche
Oberfläche
auszubilden, und mehr bevorzugt sind die einstückig ausgebildet. Die Bedingungen,
die sich auf die Dicke beziehen sowie auf eine Verbindung für die Membran 31,
die Anschlussplatte 33 und die Sensorplatte 32 werden
ebenfalls auf alle nachfolgend beschriebenen Massensensoren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet. Weiters werden die Seiten der Anschlussplatte 33 und
der Sensorplatte 32 vorzugsweise einstückig mit dem Sensorsubstrat 34 ausgebildet.
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Die
Struktur eines solchen Massensensor 30 kann als ein Massensensor
mit zumindest einem piezoelektrischen Element zusammengefasst werden, in
welchem eine Anschlussplatte 33 und eine Membran 31 an
ihren jeweiligen Seiten miteinander verbunden sind; zumindest eine
Sensorplatte 32 ist mit der Anschlussplatte 33 an
ihrer jeweiligen Seite in die Richtung normal auf die Richtung,
in welcher die Membran 31 mit der Anschlussplatte 33 verbunden ist,
verbunden; und zumindest ein Teil der Seiten der Anschlussplatte 33 und
der Sensorplatte 32 ist mit einem Teil der Seiten des Sensorsubstrats 34 verbunden.
Im Massensensor 30 kann zumindest einer der Schwingungsmoden
von den Biegemoden verwendet werden, in welchem die Membran 31 schwingt, wenn
sie sich in die Richtung der (nicht dargestellten) Z-Achse normal auf
die beiden X- und Y-Achsen biegt; den axialen Rotationsmodus, in
welcher sie schwingt, wenn sie um die Y-Achse rotiert; die θ-Mode, in
welcher die Membran 31 eine pendelähnliche Schwindung im Zentrum
auf der Y-Achse innerhalb der Plattenoberfläche der Membran 31 in
die X-Achsen-Richtung durchführt,
um so einen konstanten Winkel θ zur
Y-Achse zu erzeugen; und die Φ-Mode, die
eine pendelähnliche
Schwindung im Zentrum auf der Y-Achse in die X-Achsen-Richtung ist,
und in welchem die Schwingungskomponente in die Richtung der (nicht
dargestellten) Z-Achse parallel zur Seite der Membran 31 gesteigert
wird, wenn sie sich von der Y-Achse weg bewegt.
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Nun
werden die obige θ-Mode
und die Φ-Mode
noch detaillierter beschrieben. 5(b) ist
eine Darstellung der θ-Mode
und zeigt die Änderung
der Position der Membran 31, wenn der Massensensor 30 der 5(a) aus der A-A-Richtung in 5(a) betrachtet wird, d. h. auf der X-Achse von
der Y-Achsen-Richtung. Hierin liegt die obere Stirnfläche 31F der
Membran 31 auf der Position P1, wenn sie nicht schwingt,
aber in der θ-Mode
führt die
Membran 31 mit Zentrum auf der Y-Achse innerhalb der Plattenoberfläche der
Membran 31 eine pendelähnliche Schwingungsbewegung
durch, d. h. in die X-Y-Achsenebene in die X-Achsen-Richtung, um
somit einen konstanten Winkel θ zur
Y-Achse zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt kann in die A-A-Richtung
die Bewegung der oberen Stirnfläche 31F der
Membran 31 als die reziproke Bewegung zwischen den Positionen
P2 und P3 auf der X-Achse beschrieben werden, und diese Schwingbewegung
wird als θ-Mode
definiert.
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Als
nächstes
ist 5(c) eine Darstellung der Φ-Mode, und ähnlich wie 5(b) zeigt 5(c) die Änderung
der Position der Membran 31 von der in 5(a) dargestellten A-A-Richtung aus gesehen. Hierin
ist auch die obere Stirnfläche 31F der
Membran 31 die Position P1, wenn sie nicht schwingt. Wie bereits
zuvor beschrieben wurde, führt
die Membran in der Φ-Mode
eine pendelähnliche
Schwingung mit Zentrum auf der Y-Achse innerhalb der Oberfläche der
Membran 31 in die X-Achsen-Richtung
durch, und die Schwingungskomponente in die Richtung der Z-Achse parallel zur
Seite der Membran 31 wird gesteigert, wenn sie sich von
der Y-Achse weg
bewegt. D. h. die Bewegung der oberen Stirnfläche 31F der Membran 31 in
die A-A-Richtung kann als die reziproke Bewegung zwischen den Positionen
P4 und P5 auf dem Bogenorbit S mit dem Mittelpunkt O an einem Punkt
der Z-Achse und durch die Position P1 hindurchgehend beschrieben
werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Winkel aus der Z-Achse und der
geraden Linie, welche die Membran 31 und den Mittelpunkt
O verbindet, Φ,
und eine solche Schwingungsmode wird als Φ-Mode definiert.
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Aufgrund
dieser verschiedenen Schwingungsmoden wird der piezoelektrische
Film des piezoelektrischen Elements 35 einer Dehn- oder
Biegebelastung unterzogen, und es wird eine Spannung erzeugt, die
der Größe der mechanischen
Spannung entspricht. Die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts,
der die Membran 31, die Anschlussplatte 33 und
den Sensorabschnitt 36 umfasst, wird zu diesem Zeitpunkt
durch das piezoelektrische Element 35 gemessen. Da die
Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts hautsächlich in Begleitung der Massenänderung
der Membran 31 variiert, wenn sich eine Substanz an der
Membran 31 anhaftet oder sich von dieser löst, wodurch
die Masse der Membran 31 eine Änderung erfährt, kann die Massenänderung
im selben Prinzip wie bei den Massensensoren 50A bis 50D erhalten
werden. Der dynamische Bereich kann vergrößert werden, indem zwei piezoelektrische
Elemente 35 auf beiden Oberflächen der Sensorplatte 32 installiert
und durch Betätigung
der von diesen piezoelektrischen Elementen 35 abgefühlten Signale verglichen
werden. Weiters kann in diesem Fall die Empfindlichkeit verbessert
werden, indem eines der piezoelektrischen Elemente 35 für das Ansteuern (Anregen)
der Membran 31 und das andere für das Abfühlen (Schwingungsempfang) verwendet
wird.
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Weiter
wird in 5(a) bevorzugt, die Empfindlichkeit
zu verbessern, indem ein piezoelektrisches Element 35 in
die Y-Achsen-Richtung installiert wird, dieses in zwei piezoelektrische
Elementteile 35A und 35B geteilt wird und diese
zum Ansteuern bzw. Abfühlen
verwendet werden. Die Verfahren zum Teilen des piezoelektrischen
Elements 35 umfasst ein Verfahren, in welchem nach der
Installation eines piezoelektrischen Elements 35 dieses
mittels Laserbehandlung geteilt wird, sowie ein Verfahren, um zwei
piezoelektrische Elementteile 35A bzw. 35B gleichzeitig
zu installieren. Diese Verfahren zum Installieren einer Vielzahl
von piezoelektrischen Elementen und zum Teilen und Verwenden der
jeweiligen piezoelektrischen Ele mente 35 können auf
alle Massensensoren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet werden.
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Wenn
eine Resonanzfrequenz durch Eintauchen der Membran 31 in
eine Flüssigkeit
unter Verwendung der obig beschriebenen Biegemode gemessen wird,
weist die Membran 31 den Vorteil auf, dass die Membran 31 von
der Flüssigkeit
Widerstand empfängt,
welcher der Fläche
der Membran 31 entspricht, und es somit schwierig wird,
eine Änderung in
der winzig kleinen Masse der Membran 31 abzufühlen. Ist
die Probe ein Gas, so kann aber die Biegemode verwendet werden,
weil der Widerstandswert nur klein ist. In diesem Fall wird es aber
bevorzugt, die Länge
der Membran 31 in die Y-Achsen- und X-Achsen-Richtung zu
verkürzen.
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Da
die Massenänderung
der Membran 31, wo sich die Breite der Anschlussplatte 33 (Breite
in die Richtung der X-Achse) zur Membran 31 hin ausdehnt,
in den Rotationsmode um die Y-Achse die Rotationsschwingung der
Membran 31 nur gering beeinträchtigt wird und weniger zur
Rotationsschwingung beiträgt
als dieselbe Massenänderung
an den linken und rechten Enden der Membran 31, ergibt sich
in der Empfindlichkeit abhängig
von der Position, wo die Massenänderung
der Membran 31 auftritt, ein Problem. In diesem Fall kann
ein Messfehler dadurch minimiert werden, dass die Form der Membran 31 konkav
gemacht wird und dass der Bereich in der Nähe der Y-Achse klein wie im
Massensensor 30A der 6 ausgeführt wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird bevorzugt, die Dimension H1 zu
verringern, um den Messfehler an der Position des Auftragens der
Probe zu minimieren, wenn die Massenänderung dieselbe ist; und um
den dynamischen Bereich zu vergrößern, wird
die Dimension H2 vorzugsweise erhöht.
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Wird
die θ-
oder Φ-Mode
verändert,
ungeachtet dessen was die Probe ist, ob nun flüssig oder gasförmig, so
kann der Effekt der Position, an welcher die Fängersubstanz auf die Membran 31 aufgetragen
wird, dadurch minimiert werden, dass die Dimensionen H3 und
H4 in 5 verringert
werden. Zusätzlich
dazu ist der Effekt von Dichte oder Viskosität gering, da die Membran 31 dünn ist,
und da die Membran 31 in einer Starrkörper-Mode betrieben wird, wird
dies auch nur sehr wenig durch eine Temperaturänderung beeinflusst, wodurch
dem Massensensor exzellente Empfindlichkeit und Umgebungsbeständigkeit
verliehen wird. Somit wird bevorzugt, den Massensensor der vorliegenden
Erfindung in der θ-Mode
oder in der Φ-Mode
zu betreiben.
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In
der vorliegenden Erfindung kann als nächster Schritt eine Struktur,
in welcher eine Federplatte in einer Plattenfläche oder jeder Fläche der
Anschlussplatte befestigt ist, und in welcher die Federplatte mit
einem Sensorsubstrat oder einer Federplattenverstärkung verbunden
ist, vorteilhaft angenommen werden. 7(a) ist
ein Grundriss des Massensensors 40A, der eine Ausführungsform
ist, in welcher eine Federplatte 38 und eine Federplattenverstärkung 39 auf
dem obig beschriebenen Massensensor 30 installiert sind.
Die 7(b) bis (e) sind verschiedene
Schnittansichten auf der Y-Achse aus der X-Achsen-Richtung gesehen,
die Beispiele für die
Anbringung der Federplatte 38 und der Federplattenverstärkung 39 veranschaulichen.
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Die
Federplatte 38 ist mit zumindest einer Plattenoberfläche der
Anschlussplatte 33 verbunden. Obwohl die Breite der Federplatte 38 geringer
als die Breite der Anschlussplatte 33 sein kann, wie dies 7(a) veranschaulicht, ist die Breite der Federplatte 38 vorzugsweise
dieselbe wie die Breite der Anschlussplatte 33. Auch wenn
die Federplatten 38 aus demselben Material an beiden Plattenflächen der Anschlussplatte 33 befestigt
sind, wird bevorzugt, dass die Formen dieser Federplatten 38 dieselben sind.
Werden die Materialien der Federplatten 38 aber auf verschiedene
Materialien der Anschlussplatte 33 geändert, so ist es nicht erforderlich,
dass die Formen dieser Federplatten 38 dieselben sind,
wobei aber geeignete Formen unter Berücksichtigung des E-Moduls und
anderer physikalischer Eigenschaften jeder Federplatte 38 angenommen
werden können.
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Solche
Federplatten 38 werden also in der Regel mit dem Sensorsubstrat 34 verbunden.
In diesem Fall ist die Notwendigkeit der Federplattenverstärkung 39 abhängig von
der Position, an welcher die Anschlussplatte 33 mit dem
Sensorsubstrat 34 verbunden wird; bestimmt, d. h. wenn
die Anschlussplatte 33 mit der Position verbunden ist,
an welcher die Federplatte 38 direkt mit dem Sensorsubstrat 34 verbun den
ist, wie dies in den 7(b) und (c) dargestellt ist, so ist keine Federplattenverstärkung 39 erforderlich,
da das Sensorsubstrat 34 auch als Federplattenverstärkung 39 dient.
Dann kann die Federplatte 38 nur auf einer Plattenfläche der
Anschlussplatte 33 befestigt werden.
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Wenn
die Anschlussplatte 33 aber mit dem Sensorsubstrat 34 an
ihrem Ende verbunden ist, wie dies in 7(d) dargestellt
ist, so wirkt für
die Federplatte 38A das Sensorsubstrat 34 auch
als Federplattenverstärkung 39;
für die
Federplatte 38B wird aber bevorzugt, eine Federplattenverstärkung 39 zum Halten
der Federplatte 38B bereitzustellen. Selbst wenn die Anschlussplatte 33 mit
dem Sensorsubstrat 12 an ihrem Ende verbunden ist, wie
dies 7(e) zeigt, ist keine Federplattenverstärkung 39 erforderlich,
wenn nur die Federplatte 38A, die mit dem Sensorsubstrat 12 verbunden
werden kann, befestigt wird, und wenn keine Federplatte 38B verwendet wird.
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Somit
wird durch das Befestigen der Federplatte 38 die mechanische
Festigkeit des Resonanzabschnitts verbessert. Auch kann dadurch
die Dicke der Anschlussplatte 33 und der Membran 31 verringert
werden, und auch die Dämpfung
des Resonanz-Peaks
bei Messung in einer Flüssigkeit
wird vorteilhaft verringert. Weiters werden Federplatten 38 vorzugsweise
an beiden Plattenflächen
der Anschlussplatte 33 befestigt, da der Schwerpunkt des Federabschnitts,
der aus der Anschlussplatte 33 und den Federplatten 38 besteht,
dadurch angeregt werden kann, und die Membran 31 leicht
im θ-Mode schwingt,
wenn die Membran 31 mit dem piezoelektrischen Element 35 angeregt
wird.
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Hierin
sind Schnittansichten auf der X-Achse von der Richtung der Y-Achse
der in den 7(c) und (d) dargestellten
Ausführungsformen
in den 8(a) bzw. (b) gezeigt.
In 8(a) schwingen die Membran 31 und
der gesamte Resonanzabschnitt leicht in der θ-Mode in die Richtung der X-Achse,
da das piezoelektrische Element 35 den Mittelpunkt O der
Federplatte 38A, der Federplatte 38B und der Anschlussplatte 33 in
die X-Achsen-Richtung ansteuern kann, während im Fall der 8(b) die Antriebskraft in die Richtung der X-Achse
(Pfeil S1) durch das piezoelektrische Element 35 als
Rotationskraft um den Mittelpunkt O (Pfeil S2) herum angetrieben
wird und der Rotationsmodus leicht zu sein scheint, selbst wenn
der Rotationsmodus durch die Festigkeit der Federplatte 38A selbst
beschränkt
ist, da der Mittelpunkt O der Federplatte 38A, der Federplatte 38B und
der Anschlussplatte 33 nicht auf der Anschlussplatte 33 liegt.
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Wird
die Federplatte 38 wie zuvor beschrieben verwendet, so
wird auch bevorzugt, dass eine Verstärkungsplatte 41 an
der Federplatte 38 befestigt und mit der Seite des Sensorsubstrats 34 verbunden wird,
wie dies am Beispiel des Massensensors 40B in 9 dargestellt ist. Die 9(a) und (b) sind Grundrisse
des Massensensors 40B aus der Sicht von oben bzw. unten;
und 9(c) ist eine Schnittansicht
entlang der X-Achse aus der Sicht von der Richtung der Y-Achse in 9(b). Hierin ist die Verstärkungsplatte 41 an
der auf der Anschlussplatte 33 installierten Federplatte 38A befestigt
und mit dem Sensorsubstrat 34 an der senkrecht darauf geschnittenen
Seite verbunden. Vorzugsweise ist die Verstärkungsplatte 41 einstückig mit
der Federplatte 38 und dem Sensorsubstrat 34 ausgebildet.
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Da
eine solche Struktur es erleichtert, dass die Membran 31 in
der θ-Mode
und in der Φ-Mode
in Resonanz gerät,
wird die Dämpfung
des Q-Werts reduziert, und die Empfindlichkeit wird vorteilhaft
verbessert. Somit ist die Struktur insbesondere für die Messung
in einer Flüssigkeit
geeignet.
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Offensichtlich
kann die oben beschriebene Federplatte auf alle Massensensoren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet werden, in welchen eine Anschlussplatte als
Komponente verwendet wird, und es wird bevorzugt, dass die Federplatte
einstückig
mit einer Zwischenplatte ausgebildet ist, die einstückig zwischen
der Membranplatte und der Basisplatte eingeschoben ist, oder dass
sie einstückig mit
einer Federplattenverstärkung
ausgebildet ist, die einstückig
mit der Membran ausgeführt
wurde, und dass sie auch einstückig
mit den jeweiligen Anschlussplatten ausgebildet ist, wie dies später im Verfahren
zur Herstellung des Massensensors der vorliegenden Erfindung beschrieben
ist.
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Die
Form der Plattenfläche
der Membran 31 im obigen Massensensor 30 ist nicht
auf die rechteckige Form beschränkt,
wie dies in den 5(a), 7(a) und 9 dargestellt ist, sondern es können verschiedene
beliebige Formen, so z. B. rund, dreieckig, umgekehrte U-Form, polygonal,
elliptisch und oval, verwendet werden, wie dies in den Massensensoren 30B bis 30D in
den 10(a) bis (c) gezeigt
ist. Die Membran 31 kann mit der Anschlussplatte 33 nicht
symmetrisch um die Y-Achse verbunden sein, wie dies im Massensensor 30E der 10(d) dargestellt ist. Eine solche beliebige Auswahl
der Form der Membran 31 kann auf alle Massensensoren der
vorliegenden Erfindung angewendet werden.
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Als
nächstes
ist eine Ausführungsform
eines Massensensors, in welcher nur eine Federplatte mit dem Massensensor 30 verbunden
ist, wie dies oben beschrieben wurde, und in welcher sie im Sensorsubstrat
angeordnet ist, in 11 dargestellt. Im Massensensor 1 ist
es offensichtlich möglich,
die Federplatte, die Federplattenverstärkung und die Verstärkungsplatte,
die zuvor beschrieben wurden, auszubilden, oder gegebenenfalls die
Form der Membran zu ändern.
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11 ist
ein Grundriss eines Massensensors 2 aus der Richtung der
Membran 3. Der Massensensor 1 ist symmetrisch
konstruiert. Die Schwingungsplatte 3 bildet gemeinsam mit
der Basisplatte 15 und der Zwischenplatte 17 das
Sensorsubstrat 2, wie dies später beschrieben wird. Löcher 8,
die im Sensorsubstrat 2 ausgebildet sind, werden als Ausrichtungsmarkierungen
verwendet, die bei den Verpackungs- und Herstellungsprozessen des Massensensors 1 zur
Anwendung kommen, und zwei Resonanzabschnitte 26, wobei
einer dieser als Referenz dient, die aus einer Membran 19,
einer Anschlussplatte 20, einer Sensorplatte 21,
einem piezoelektrischen Element 25 und einer Federplatte 18 bestehen,
wie dies in einem späteren
Abschnitt beschrieben ist. Indem zwei oder mehr Resonanzabschnitte 26 in
einem Massensensor 1 ausgebildet werden, umfassend dabei
einen Resonanzabschnitt 26 als Referenz, können die
Signale von den jeweiligen Resonanzabschnitten 26 kumuliert
werden, um den dynamischen Bereich auszudehnen.
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Die
Positionssensorelektroden 4, 5 werden zum Abfühlen der
Position des Massensensors 1 verwendet, wenn der Massensensor 1 in
eine leitfähige Probe
wie eine wässrige
Lösung
eingetaucht ist, indem ein elektrischer Strom durch die Probe geleitet wird.
ist die Probe leitfähig,
so verhindern diese Positionssensorelektroden 4, 5 einen
Kurzschluss der zweiten Elektrode 24 und der ersten Elektrode 22 auf dem
(in 11 nicht dargestellten) piezoelektrischen Element 25 sowie
der Elektrodenleitungen 9, 10 von diesen Elektroden,
indem sie den Teil oberhalb des Musters, der in die horizontale
Richtung der Positionssensorelektroden 4, 5 ausgebildet
ist, in die Probe eintauchen und den Teil des Massensensors 1, der
tiefer als die Position der Positionssensorelektroden 4, 5 liegt,
nicht in die Probe eintauchen. An ein Ende jeder der Positionssensorelektroden 4, 5 ist
ein Anschluss 6 bzw. 7 ausgebildet; und an ein
Ende jede der Elektrodenleitungen 9, 10 ist ein
Anschluss 11 bzw. 12 ausgebildet. Diese Anschlüsse werden mit
den Sonden oder anderen Verbindungselementen auf den jeweiligen
Sensorinstrumenten verbunden.
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Werden
das piezoelektrische Element 25 und die Elektrodenleitungen 9, 10 aber
mit einem Isolierharz oder dergleichen beschichtet, so sind keine Positionssensoren 4, 5 und
Anschlüsse 6, 7 erforderlich,
da das piezoelektrische Element 25 und die Elektrodenleitungen 9, 10 keinen
Kurzschluss haben, selbst wenn der Massensensor 1 in die
leitfähige
Probe getaucht wird.
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12 ist
ein vergrößerter Grundriss
des Sensorabschnitts 13 in 11, gesehen
von der Basisplatte 15 aus, d. h. von der Rückseite
der Schwingungsplatte 3 in 11. 13 ist
eine Perspektive der unmittelbaren Umgebung des in 12 dargestellten
geschnittenen Abschnitts. Der Sensorabschnitt 13 bezeichnet
einen Abschnitt des Massensensors 1, der den Resonanzabschnitt 26 und
das Sensorsubstrat 2 in der unmittelbaren Nähe des Resonanzabschnitts 26 im
Massensensor 1 umfasst.
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Wie
die 12 und 13 zeigen,
ist eine Öffnung 14 mit
einem U-förmigen
geschnittenen Abschnitt 16 in der Basisplatte 15 ausgebildet.
Dieselbe Form des geschnittenen Abschnitts 16 ist auch
auf der Zwischenplatte 17, welche die Basisplatte 15 überlappt,
ausgebildet, und in der Zwischenplatte 17 ist eine beinahe
prismatische Federplatte 18 ausgebildet, die sich zur Mitte
der Öffnung 14 von
der Mitte der Unterseite des geschnittenen Abschnitts 16 aus erstreckt.
Diese Zwischenplatte 17 und die Federplatte 18 sind
aber nicht immer erforderlich, aber sie werden als Elemente verwendet,
aus denen sich der Massensensor 1 zusammensetzt, wenn dies
für die Einstellung
der mechanischen Festigkeit des Resonanzabschnitts 26 oder
der Empfindlichkeit des Massensensors 1 erforderlich ist.
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Im
geschnittenen Abschnitt 16 der Schwingungsplatte 3 sind
eine Anschlussplatte 20, die mit der Federplatte 18 verbunden
ist, und eine Membran 19, die mit dem oberen Ende der Anschlussplatte 20, aber
nicht mit der Federplatte 18 verbunden ist, ausgebildet.
Weiters ist im geschnittenen Abschnitt 16 der Schwingungsplatte 3 eine
Sensorplatte 21 über eine
Seite der Schwingungsplatte 20 und die gegenüberliegende
Seite des geschnittenen Abschnitts 16 ausgebildet.
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14 zeigt
eine Perspektive der unmittelbaren Nähe des geschnittenen Abschnitts 16,
der in 12 aus der Sicht der Seite der
Schwingungsplatte 3 dargestellt ist. Auf der Oberfläche der
Seite der Schwingungsplatte 3 der Sensorplatte 21 ist
ein piezoelektrisches Element 25 durch Laminierung einer ersten
Elektrode 22, eines piezoelektrischen Films 23 und
einer zweiten Elektrode 24 in dieser Reihenfolge ausgebildet.
Weiters ist die zweite Elektrode 24 mit der Elektrodenleitung 9 verbunden,
und die erste Elektrode 22 ist mit der Elektrodenleitung 10 verbunden.
Somit besteht ein Sensorabschnitt 29 aus der Sensorplatte 21 und
dem piezoelektrischen Element 25, und der Resonanzabschnitt 26 besteht
aus der Federplatte 18, der Membran 19, der Anschlussplatte 20 und
dem Sensorabschnitt 29.
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Obwohl
nur ein piezoelektrisches Element auf einer Plattenoberfläche der
Sensorplatte 21 im Massensensor 1 angeordnet ist,
können
piezoelektrische Elemente 25 auf beiden Plattenoberflächen der Sensorplatte 21 installiert
werden. In diesem Fall kann die Steifigkeit der Sensorplatten 21 ausgeglichen
werden, indem die Struktur des Sensorabschnitts 29 symmetrisch
wird.
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Obwohl
ein Schlitz 27 auf der Unterkante des geschnittenen Abschnitts 16 in
der Sensorplatte 21 und der Schwingungsplatte 3 ausgebildet
wird, wie dies 13 zeigt, wird auch im Massensensor 1 eine Struktur
bevorzugt, in welcher die Sensorplatte 21 mit der Unterkante
des geschnittenen Abschnitts 16. in der Schwingungsplatte 3 ohne
Ausbildung des Schlitzes 27 verbunden wird, d. h. die Sensorplatte 21 wird in
die durch die Anschlussplatte 20 und das Sensorsubstrat 2 ausgebildete
Vertiefung eingepasst und mit dieser verbunden, wie dies beim Massensensor 42 in 15 dargestellt
ist, um die Biegung des Federabschnitts, der aus einer Anschlussplatte 20 und/oder
einer Federplatte 18 besteht, zu verhindern und um die
auf das piezoelektrische Element 25 angelegte mechanische
Spannung zu steigern.
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Im
obig beschriebenen Massensensor 1 kann der Sensorabschnitt 13 auf
dem Umfang des Sensorsubstrats 2, z. B. auf der Oberkante
in 11, installiert werden, obwohl ein Sensorabschnitt 13 angeordnet
ist, der den Umfang der im Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Öffnung 14 verwendet.
Da die schichtähnliche
Membran 19 oftmals auf der vom geschnittenen Abschnitt 16 hervorragende
Position installiert wird, wie dies aus der Struktur des Sensorabschnitts 13,
der in den 11 bis 14 dargestellt ist,
ersichtlich ist, wird bevorzugt, die Struktur anzupassen, in welcher
der Sensorabschnitt 13 innerhalb des Sensorsubstrats 2 installiert
ist, wie dies 11 zeigt, und zwar in Hinblick
auf den Schutz des Resonanzabschnitts 26 vor äußeren Einflüssen, um
so z. B. die Membran 19 bei Bedienung des Massensensors 1 nicht
zu beschädigen.
Eine solche Struktur wird auch bevorzugt, um den Herstellungsvorgang des
Massensensors 1 zu erleichtern, wie dies nachfolgend beschrieben
ist.
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Als
nächstes
sind verschiedene Ausführungsformen
des Massensensors beschrieben, die den Sensorabschnitt 13 im
obig beschriebenen Massensensor 1 ersetzen können. 16(a) ist ein Grundriss eines Massensensors 43A,
der eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Massensensor 43A weist
eine Struktur auf, in welcher eine Anschlussplatte 20 und
eine Membran 19 miteinander an den jeweiligen Seiten verbunden
sind, zwei Sensorplatten 21A, 21B sind mit der Anschlussplatte 20 verbunden,
so dass die Anschlussplatte 20 in die Richtung normal auf
die Richtung, in welcher die Membran 19 und die Anschlussplatte 20 verbunden
sind, in einer Sandwich-Anordnung eingefügt ist, und die jeweiligen
Sensorplatten 21A, 21B sind ebenfalls mit dem
Sensorsubstrat 2 in derselben Weise wie die Sensorplatte 21 im
in 15 dargestellten Massensensor 42 verbunden, gehalten
und an drei Seiten befestigt. Diese dreiseitige Halterung dient
einer erhöhten
Empfindlichkeit. Die Sensorplatten 21A, 21B müssen aber
nicht notwendigerweise mit der Unterkante der durch die Anschlussplatte 20 und
das Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Vertiefung verbunden
sein.
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Piezoelektrische
Elemente, die jeweils aus einer ersten Elektrode, einem piezoelektrischen
Film und einer zweiten Elektrode bestehen, sind auf zumindest einem
Teil an zumindest einer der Plattenflächen der zumindest einen Sensorplatte
installiert. In den in 16 dargestellten
Ausführungsformen
sind piezoelektrische Elemente 25A bis 25D auf
beiden Plattenoberflächen
der Sensorplatten 21A, 21B angeordnet, und der
Resonanzabschnitt besteht aus einer Membran 19, einer Anschlussplatte 20,
den Sensorplatten 21A, 21B sowie den piezoelektrischen Elementen 25A bis 25D.
Alle piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D sind
nicht unbedingt notwendig, wenngleich die optimale Anzahl an piezoelektrischen Elementen
an fakultativen Positionen der Sensorplatte 21A oder 21B installiert
werden kann.
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Wird
eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 25A bis 25D wie
in diesem Massensensor 43A verwendet, können, da die Steifigkeit der
Sensorplatten 21A und 21B ausgeglichen werden
kann und zusätzlich
dazu die Q-Werte in der θ-Mode
und in der Φ-Mode
gesteigert werden können
und der Q-Wert des Rotationsmode durch Kumulierung oder Verarbeitung
der Signale von den jeweiligen piezoelektrischen Elementen 25A bis 25D verringert
werden kann, die Resonanzfrequenzen noch genauer gemessen werden.
Weiters kann, wenn zumindest zwei der piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D angeordnet
sind, und dabei eines zum Ansteuern und eines zum Abfühlen verwendet
wird, die Empfindlichkeit verbessert werden. Hierin werden zur Verbesserung
der Empfindlichkeit vorzugsweise diese piezoelektrischen Elemen te 25A bis 25D auf ähnliche
Weise geteilt, wie das piezoelektrische Element 35 in die piezoelektrischen
Elemente 35A und 35B im Massensensor 30 geteilt
wird.
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Auch
wird zur Verbesserung der Ausgangsladung bevorzugt, die Struktur
anzupassen, in welcher z. B. die piezoelektrischen Elemente 25A und 25C auf
den Plattenflächen
in dieselbe Richtung der Sensorplatten 21A bzw. 21B angeordnet
werden, und die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Filme
in diesen piezoelektrischen Elementen 25A und 25C zueinander
umgedreht ist. Auch wird vorzugsweise eine Struktur auf den jeweiligen
Plattenoberflächen
der Sensorplatten 21A und 21B angenommen. Weiters
wird zur Verbesserung der Empfindlichkeit auch bevorzugt, die Struktur
anzunehmen, in welcher zumindest eine der Richtungen von zumindest
einem der piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D eine
Seite oder zwei Seiten der dreiseitigen Halterung ist, wie dies
im in 16(b) dargestellten Massensensor 43B der
Fall ist. Selbst in diesem Fall ist aber erforderlich, dass die
piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D nicht die
Federplatte überlappen,
wenn die Anschlussplatte 20 und die Federplatte verwendet
werden.
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Sind
die Federplatten an den Massensensoren 43A, 43B befestigt,
so können
Federplattenverstärkungen
oder Verstärkungsplatten
wie im Massensensor 40B verwendet werden. So wird z. B.
eine Verstärkungsplatte
ausgebildet, so dass sie an einer Federplatte befestigt ist, und
die Seite der Verstärkungsplatte
ist mit den drei Seiten verbunden, d. h. den Seiten des Sensorsubstrats 2,
wo die Sensorplatten 21A, 21B mit dem Sensorsubstrat 2 verbunden
sind (die seitliche Seite des abgeschnittenen Abschnitts 16),
und der Seite des Sensorsubstrats 2, wo die Anschlussplatte 20 mit
dem Sensorsubstrat 2 verbunden ist (die Unterseite des
abgeschnittenen Abschnitts 16). Zur Verbesserung der Empfindlichkeit kann,
da der Q-Wert im θ-Mode
verbessert werden kann, die Resonanzfrequenz in der Biegemode (die Mode,
in welcher zwischen dem Sensorsubstrat und der Anschlussplatte gebogen
wird) des piezoelektrischen Elements erhöht werden, und die Frequenz
in der θ-Mode
kann gesteigert werden.
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Der
in 16(c) dargestellte Massensensor 43C ist
eine Ausführungsform,
in welcher ein Schlitz 48 auf der Mitte in die Längsrichtung
der Anschlussplatte 20 im Massensensor 43A ausgebildet
ist. Der Schlitz 48 ist hohl und dient dazu, das Auftreten
von Schwingungen in der θ-Mode
und in der Φ-Mode
der Membran 19 zu erleichtern und die Resonanzfrequenz
zu identifizieren. Auch dient, wie dies später beschrieben ist, der Schlitz 48 dazu,
die Masse der Anschlussplatte 20 zu verringern und die
Empfindlichkeit zu verbessern. Wird eine Federplatte verwendet,
so kann die Federplatte in dieser hohlen Form einstückig mit
der Anschlussplatte ausgebildet werden.
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Werden
zwei Sensorplatten auf einem Resonanzabschnitt angeordnet, wie dies
in 16(a) dargestellt ist, so kann
die Antriebskraft der Membran 19 gesteigert werden, indem
der Bereich jeder der Sensorplatten 21A und 21B dadurch
erweitert wird, dass die Längen
N1 und N2 und die
Breiten M1 und M2 der Sensorplatten 21A und 21B geändert werden,
und die Q-Werte in der θ-Mode
und in der Φ-Mode
können
dadurch erhöht
werden, dass der Bereich der anderen Sensorplatte verengt wird,
wie dies in 17(a) dargestellt ist. 17(b) ist eine Schnittansicht entlang der X-Achse
der 17(a) aus der Sicht der Y-Achse.
Die Q-Werte in der θ-Mode
und in der Φ-Mode
können
erhöht
und die Empfindlichkeit verbessert werden, indem die Eigenfrequenz
der biegenden Verschiebungsschwingung der Sensorplatten 21A, 21B,
die durch die piezoelektrischen Elemente 25A, 25B und
die Sensorplatten 21A, 21B (Pfeil G in 17(b)) bestimmt sind, auf f1 bzw.
f2 geändert
wird, indem die Breiten M1 und M2 der Sensorplatten 21A, 21B z.
B. unter Verwendung eines der piezoelektrischen Elemente 25A, 25B für die Ansteuerung
und des anderen für
das Abfühlen
geändert
werden. Auch kann das piezoelektrische Element mit den kleineren
Eigenfrequenzen f1 und f2 zur Ansteuerung
und das andere zur Fehlerdiagnose verwendet werden.
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Werden
zwei Sensorplatten in einem Resonanzabschnitt verwendet, wie dies
in 16 oder 17 dargestellt
ist, so wird auch vorzugsweise eine Struktur angenommen, in welcher
zumindest eines der piezoelektrischen Elemente 25C, 25D auf
einer Sensorplatte angeordnet ist, so z. B. auf der Sensorplatte 21B,
und ein Schlitz 28 ist auf der anderen Sensorplatte 21A in
die Richtung orthogonal auf die Richtung ausgebildet, in welche
die Sensorplatte 21A mit der Anschlussplatte 20 verbunden
ist, wie dies 18 veranschaulicht. Durch eine
solche Struktur kann die Schwingung in der Rotationsmode beschränkt werden,
die Q-Werte in der θ-Mode
und in der Φ-Mode
können
erhöht
und die Abweichung vom Resonanzpunkt kann vergrößert werden, um somit den Absolutwert
der Variation der Resonanzfrequenzen zu erhöhen. Obwohl die Anzahl der
Schlitze 28 eins sein kann, wird eine Vielzahl von Schlitzen
bevorzugt, um die oben erwähnten
Effekte zu verstärken.
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Nunmehr
zeigt 19(a) einen Grundriss eines
Massensensors 43D, eine Ausführungsform, in welcher der
in 16(a) dargestellte Massensensor 43A in
der im Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Öffnung 14 ausgebildet
ist; 19(b) zeigt eine Schnittansicht
dieser entlang der unterbrochenen Linie A-A in 19(a). Im Massensensor 43D sind zwei
piezoelektrische Elemente 25A, 25C installiert,
und die Elektrodenleitungen 9, 10 sind mit den
piezoelektrischen Elementen 25A bzw. 25C verbunden.
Eine Isolierbeschichtungsschicht 65 ist ausgebildet, um
die piezoelektrischen Elemente 25A, 25C und die
Elektrodenleitungen 9, 10 zu bedecken. Diese Isolierbeschichtungsschicht 65 schützt die
piezoelektrischen Elemente 25A, 25C sowie die
Elektrodenleitungen 9, 10 vor einem Kurzschluss,
selbst wenn der Resonanzabschnitt des Massensensors 43D in
eine leitfähige
Probe getaucht wird.
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Der
Massensensor 43D ist auch mit Schutzschichten 66 ausgestattet,
die ein leitfähiges
Material umfassen, um so die Isolierbeschichtungsschicht 65 zu
bedecken. Die Schutzschicht 66 ist auf beiden Oberflächen des
Sensorsubstrats 2 ausgebildet und mit jeder dieser durch
ein Durchgangsloch 67 verbunden. Wird eine extrem kleine
Masse in der Größenordnung
von 0,1 ng abgefühlt,
so wird bevorzugt, auch die Drahtelemente (piezoelektrische Elemente 25A, 25C und
Elektrodenleitungen 9, 10) auf dem Sensorsubstrat 2 als
auch die Verdrahtung vom Sensorsubstrat 2 zum Instrument
zu schützen,
um so den Massensensor vor externen elektromagnetischen Wellen zu
schützen
und den Bestimmungsfehler der Resonanzfrequenzen zu minieren. Zusätzlich zum Aspekt
der Ausbildung der Schutzschicht 66, um so das in 19(b) dargestellte Sensorsubstrat 2 in
einer Sandwich-Anordnung anzubringen, kann auch die Ausführungsform
verwendet werden, in welcher die Schutzschicht nur die Drahtelemente
auf dem Sensorsubstrat 2 umgibt, wie dies in der Schnittansicht
der 19(c) dargestellt ist, und auch
die Ausführungsform,
in welcher eine Schutzschicht nur die Oberseite der Drahtelemente
bedeckt, wie dies in 19(d) dargestellt
ist. Insbesondere Ausführungsformen
zum Schutz der gesamten Drahtelemente sind bevorzugt, wie in den 19(b) und (c) dargestellt.
In der Ausführungsform
der 19(a) können diese Schichten unter
Verwendung der Seite des Sensorsubstrats 2 verbunden werden,
obwohl die Schutzschichten 66, die auf beiden Oberflächen des Sensorsubstrats 2 ausgebildet
sind, elektrisch miteinander durch das Durchgangsloch 67 verbunden sind.
Die Details der vorzugsweise zur Ausbildung der Isolierschutzschicht 65 und
der Schutzschicht 66 verwendeten Materialien werden zu
einem späteren Zeitpunkt
in Verbindung mit der Beschreibung der in den Massensensoren verwendeten
Materialien beschrieben.
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20 ist ein Grundriss einer anderen Ausführungsform
eines Massensensors der vorliegenden Erfindung. Im in 20(a) dargestellten Massensensor 44A ist
eine Anschlussplatte 20 nicht direkt mit einer Sensorplatte 21 verbunden,
sondern die Anschlussplatte 20 und die Sensorplatte 21 sind mit
der Membran 19 an den jeweiligen Seiten verbunden, so dass
die Verbindungsrichtungen mit der Membran 19 parallel zueinander
liegen, und die Membran 19 ist nicht mit dem Sensorsubstrat 2 verbunden,
sondern die Anschlussplatte 20 und die Sensorplatte 21 sind
mit der Seite des Sensorsubstrats 2 verbunden, d. h. die
Sensorplatte 21 dient auch als Anschlussplatte 20.
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Ein
piezoelektrisches Element 25 ist auf zumindest einem Teil
zumindest einer der Plattenflächen
der Sensorplatte 21 installiert, und der Resonanzabschnitt
ist aus der Membran 19, der Anschlussplatte 20,
der Sensorplatte 21 und dem piezoelektrischen Element 25 gebildet.
Während
im in 20(b) gezeigten Massensensor 44B die
zwei Sensorplatten 21A, 21B auf beiden Seiten
einer Anschlussplatte 20 ausgebildet sind, sind die piezoelektrischen
Elemente 25A, 25B auf den Sensorplatten 21A bzw. 21B ausgebildet.
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Solche
Massensensoren 44A, 44B sind für die Messung in der θ-Mode geeignet,
da die Schwingung der Membran 19 leicht in der Ebene der
Membran 19 auftritt, und weil die Schwingung der Membran 19 in
der Rotationsmode eingeschränkt
ist. Da die Schwingung der Membran 19 direkt durch die
Sensorplatten auf das piezoelektrische Element 25 übertragen
wird, kann die Empfindlichkeit der Massensensoren vorteilhaft verbessert
werden.
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Als
nächstes
zeigen die 21(a) bis (c) im Grundriss
eine weitere Ausführungsform
des Massensensors der vorliegenden Erfindung. Zuerst ist im in 21(a) dargestellten Massensensor 45A eine Membran 72 mit
zwei Anschlussplatten 74A, 74B an der jeweiligen
Seite verbunden, so dass die Anschlussplatten 74A, 74B die
Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, und die
Anschlussplatten 74A, 74B überbrücken die Seitenwände der
Vertiefung 76 des Sensorsubstrats 70 an den jeweiligen
Seiten. Hier hat die Vertiefung 76 eine ähnliche
Funktion wie der geschnittene Abschnitt 16, der im Massensensor 1 ausgebildet
ist, und kann somit auf der Seite oder auf anderen Abschnitten des
Sensorsubstrats 70 ähnlich
zum Umfang des in 11 dargestellten Sensorsubstrats 2 oder
der im Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Öffnung 14 ausgebildet sein.
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Die
Sensorplatten 73A, 73B sind über die Anschlussplatten 74A, 74B und
die Unterseite der Vertiefung 76 in die Richtung vorgesehen,
in welche die Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in
einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, d. h. in die Richtung senkrecht
auf die Y-Achse. Weiters sind die piezoelektrische Elemente 75A, 75B auf
zumindest einer der Plattenflächen
der Sensorplatten 73A bzw. 73B angeordnet. Somit
wird ein Resonanzabschnitt aus der Membran 72, den Anschlussplatten 74a, 74B,
den Sensorplatten 73A, 73B und den piezoelektrischen
Elementen 75A, 75B gebildet.
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Die
Struktur des Massensensors 45A kann zusammenfassend als
ein Massensensor mit zumindest einem piezoelektrischen Element erklärt werden,
in welchem eine Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung
mit zwei Anschlussplatten an den jeweiligen Seiten aufgenommen ist,
die Anschlussplatten 74A, 74B über die Seitenwände der Öffnung oder
des Zwischenraum, die/der im Sensorsubstrat 70 ausgebildet
ist, überbrücken, und
zumindest eine Vielzahl von Sensorplatten 73A, 73B über die
Anschlussplatten 74A, 74B und die Seiten der Öffnung oder
des Zwischenraums in die Richtung normal auf die Richtung, in welche
die jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in
einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, vorgesehen ist.
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In
einem solchen Massensensor 45A kann die Resonanzfrequenz
des Resonanzabschnitts auf der Grundlage von zumindest einer der
Folgenden durch die auf den Sensorplatten 73A, 73B installierten
piezoelektrischen Elemente 75A, 75B gemessen werden:
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Die θ-Schwingungsmode,
in welcher die Membran eine pendelähnliche Schwingung auf der feststehenden
Fläche,
auf welcher die jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B mit
dem Sensorsubstrat 70 verbunden sind, um das Zentrum auf
der senkrechten Achse, so dass die Membran 72 senkrecht
durch die feststehende Fläche
verläuft,
d. h. die Y-Achse, und in die Richtung senkrecht auf die Seite der
Membran 72 und normal auf die Y-Achse, d. h. die X-Achse,
ausführt;
die Φ-Schwingungsmode,
in welchem die Membran 72 eine pendelähnliche Schwingung um das Zentrum
auf der Y-Achse in die X-Achsen-Richtung ausführt, begleitet von der Schwingbewegung
in die Richtung parallel zur Seite der Membran 72, d. h.
die (nicht dargestellte) Z-Achse; die Schwingungsbewegung, in welcher
die Membran 72 eine Schwingung mit dem Zentrum um die Y-Achse
in die X-Achsen-Richtung ausführt;
oder die Rotationsschwingung in der Plattenfläche der Membran 72.
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Die
Strukturen der Massensensoren 46A bis 46F, die
später
beschrieben sind, können
auch als ähnlich
den Massensensoren 45A bis 45C zusammengefasst
werden, und das Verfahren zum Abfühlen der Masse mit den Massensensoren 46A bis 46F ist
dasselbe wie jenes der Massensensoren 45a bis 45C.
In den Massensensoren 46A bis 46F ist aber die
Anzahl der Sensorplatten auf vier erhöht, und in diesen Ausführungsformen
ist zusätzlich
die Struktur zugefügt,
in welcher zumindest eine Vielzahl der Sensorplatten 73A bis 73D zwischen
der Membran 72 und der Seite der Öffnung oder dem Zwischenraum
in die Richtung normal auf die Richtung, in welcher die jeweiligen
Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in
einer Sandwich-Anordnung
aufnehmen, überbrücken.
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Somit
schwingt, da die Membran 72 und die Sensorplatten 73A, 73B in
die Richtung des Pfeils K in 21 geschwungen
werden, d. h. die Y-Achse wird zum Zentrum der Schwingung, und in
die Richtung normal auf die Plattenfläche der Membran 72 und
auch normal auf die Y-Achse, d. h. in die Richtung der X-Achse,
die Membran 72 schwingt in die Richtung des Pfeils K stabil
im Starrkörpermodus
als θ-Mode
der Membran 72. Es ist auch von Vorteil, dass die Biegemode
der Membran 72 eingeschränkt ist. Die Form der Membran 72 ist
nicht wie in den 21(a) bis (c) dargestellt
auf die rechteckige Form beschränkt,
sondern es können
beliebige Formen, wie in 10 gezeigt,
angepasst werden, und wie im in 21(b) dargestellten
Massensensor 45B gezeigt ist, kann die Membran 72 mit
den jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B an beliebigen
Positionen verbunden werden. Weiters können, wie dies im in 21(c) dargestellten Massensensor 45C dargestellt
ist, die jeweiligen Sensorplatten 73A, 73B an drei
Seiten der jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B und
des Sensorsubstrats 70 auf dieselbe Weise wie die Sensorplatte 21 im
in 15 dargestellten Massensensor 42 gehalten
und befestigt werden. Im Massensensor 45B ist ein Positionssensor 77 ähnlich den
Positionssensoren 4, 5 des Massensensors 1 angeordnet.
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Nun
ist in den Massensensoren 46A bis 46F, weiteren
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die im Grundriss der 22(a) bis (f) dargestellt
sind, eine Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung von den
zwei Anschlussplatten 74A, 74B aufgenommen und
an den jeweiligen Seiten mit diesen verbunden, die jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B überbrücken die
Seitenwände
der Öffnung 71 des
Sensorsubstrats 70 und zumindest eine Vielzahl von Sensorplatten,
hier die Sensor platten 73A bis 73D, ist zwischen
den jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B und der
Seitenwand der Öffnung 71 oder zwischen
der Membran 72 und der Seitenwand der Öffnung 71 in die Richtung
senkrecht auf die Richtung, in welche die Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in
einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, vorgesehen.
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Weiters
sind piezoelektrische Elemente 75A bis 75D auf
zumindest einer der Plattenoberflächen zumindest einer der Sensorplatten 73A bis 73D angeordnet,
und somit wird ein Resonanzabschnitt aus einer Membran 72,
den Anschlussplatten 74A, 74B, den Sensorplatten 73A bis 73D und
den piezoelektrischen Elementen 75A bis 75D gebildet.
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Bei
Betrachtung von in den 22(a) bis (f) dargestellten Massensensoren 46A bis 46F erkennt man,
dass im in 22(a) dargestellten Massensensor 46A die
Rotation der Membran 72 um die Y-Achse durch die Sensorplatten 73A, 73B im
Vergleich zu den in 21 dargestellten
Massensensoren 45A bis 45C eingeschränkt wird.
Vorzugsweise werden Schlitze 28 auf den Sensorplatten 73A, 73B ausgebildet,
wie dies in 17 dargestellt ist, weil
die Membran 72 leicht in die Richtung des Pfeils K schwingt.
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Im
Massensensor 46B der 22(b) sind die
piezoelektrischen Elemente 75A bis 75D auf den Oberflächen der
Sensorplatten 73A bis 73D, die in 22(a) dargestellt sind, in dieselbe Richtung ausgerichtet.
Dadurch wird die Höhe
der in die K-Richtung schwingenden Membran vergrößert, und der Massensensor
kann geeignet zur Messung in hochviskosen Substanzen sowie auch
in Substanzen mit niedriger Viskosität verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt
sollten die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Filme
der piezoelektrischen Elemente 75A und 75D sowie 75B und 75D einander
gegenüberliegen.
Weiters können
die piezoelektrischen Elemente 75A bis 75D auf
beiden Seiten der Sensorplatten 73A bis 73D angeordnet
werden.
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22(c) zeigt einen Massensensor 46C, in welchem
eine Seite der Sensorplatten 73A bis 73D in den
in den 22(a) und (b) gezeigten
Ausführungsformen,
die dem Sensorsubstrat 70 gegenüberliegen, mit dem Sensorsubstrat 70 verbunden
ist. Durch eine solche Struktur können die durch die Struktur des
in 15 dargestellten Massensensors 42 erzielten
Effekte zu den Effekten der in den 22(a) und (b) gezeigten Ausführungsformen addiert werden.
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Im
Massensensor 46D der 22(d) sind die
piezoelektrischen Elemente 75B, 75C auf den Sensorplatten 73B, 73C installiert,
die punktsymmetrisch um den Schnittpunkt der X-Achse und der Y-Achse,
der die Mitte der Membran 72 darstellt, positioniert sind.
Da die Resonanzfrequenz unter Verwendung der Starrkörper-Mode,
in welcher die Schwingung in die η-Richtung um den Schnittpunkt der
X-Achse und der Y-Achse (Richtung des Pfeils in 22(d)) vorherrscht, abgefühlt wird, sind die Sensorplatten 73A, 73D nicht
unbedingt erforderlich. Sind die Sensorplatten 73A, 73D ausgebildet,
so können
Schlitze oder piezoelektrische Elemente 75A, 75D auf
den Sensorplatten 73A, 73D bereitgestellt werden.
In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Polarisationsrichtungen
der jeweiligen piezoelektrischen Filme in jedem Satz der piezoelektrischen
Elemente 75A und 75D sowie 75B und 75C dieselben sind.
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Im
Massensensor 46E der 22(e) sind
die Sensorplatten 73A bis 73D mit der Membran 72 verbunden,
und die Positionen der piezoelektrischen Elemente 75A bis 75D sind
dieselben wie jene im Fall der 22(b).
Die Schwingung der Membran 72 in die Richtung des Pfeils
K kann ebenfalls durch eine solche Struktur abgefühlt werden.
Weiters weist der in 22(f) dargestellte
Massensensor 46F die Struktur auf, in welcher er leicht
in der θ-
und in der Φ-Mode
schwingt, indem die Breite einer der Anschlussplatten 74A, 74B vergrößert und
die Breite der anderen verkleinert wird.
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Obwohl
verschiedene Formen für
die Massensensoren der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden
können,
werden somit die für
die Herstellung dieser Massensensoren verwendeten Materialien abhängig von
den jeweiligen Massensensoren nicht geändert. Nachfolgend sind Elemente,
aus denen ein Massensensor der vorliegenden Erfindung besteht, und
ihre Formen unter Verwendung des obig beschriebenen Massensensors 1 beschrieben.
Erstens bestehen das Sensorsubstrat 2, die Membran 19,
die Anschlussplatte 20, die Sensorplatte 21 sowie
die Federplatte 18 vorzugsweise aus Keramikmaterialien,
z. B. stabilisiertem oder teilstabilisiertem Zirconiumoxid, Aluminiumoxid,
Magnesiumoxid sowie Siliziumnitrid. Davon werden stabilisiertes
oder teilstabilisiertes Zirconiumoxid am meisten bevorzugt verwendet,
weil diese eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, selbst im
Fall einer dünnen
Platte, eine hohe Zähigkeit
sowie eine geringe Reaktivität
mit den Materialien der piezoelektrischen Filme oder Elektroden.
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Wird
das zuvor erwähnte
stabilisierte oder teilstabilisierte Zirconiumoxid als Material
für das Sensorsubstrat 2 verwendet,
so wird vorzugsweise ein Additiv wie Aluminiumoxid oder Titanoxid
zumindest zur Sensorplatte zugegeben.
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Obwohl
die Schwingungsplatte 3, die Zwischenplatte 17 und
die Basisplatte 15 im Sensorsubstrat 2 und die
Membran 19, die Anschlussplatte 20, die Federplatte 20 und
die Sensorplatte 21 nicht notwendigerweise aus demselben
Material bestehen müssen,
und obwohl verschiedene Keramikmaterialen in Kombination abhängig vom
Design verwendet werden können,
bestehen diese Elemente in Hinblick auf die Zuverlässigkeit
der Teile, an welchen die Elemente verbunden sind, und auf die Vereinfachung des
Herstellungsvorgangs vorzugsweise einstückig aus demselben Material.
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Werden
die Federplatten 18 aber auf beiden Plattenoberflächen einer
Anschlussplatte 20 ausgebildet, so kann die auf der Oberfläche, auf
welcher ein piezoelektrisches Element 25 installiert ist,
ausgebildete Federplatte so hergestellt werden, dass sie dieselbe
Struktur wie das piezoelektrische Elemente 25 aufweist.
Dies wird in Hinblick auf den Herstellungsvorgang bevorzugt, da
die Federplatte gleichzeitig mit dem piezoelektrischen Element 25 ausgebildet
werden kann. Für
das als eine Federplatte ausgebildete piezoelektrische Element wird
die Elektrode nicht als Elektrode verwendet.
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Obwohl
die Hauptaufgabe des Massensensors 1 darin liegt, eine
Masse in der Größenordnung von
0,1 Nanogramm (ng) abzufühlen,
beträgt
die Dicke der Membran 19 vorzugsweise etwa 3 bis 20 μm, noch mehr
bevorzugt etwa 5 bis 15 μm,
und die Dicke der Basisplatte 15 wird hinsichtlich der
leichten Bedienbarkeit geeignet festgelegt.
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Wird
eine Federplatte 18 ausgebildet, beträgt in jedem Fall, ob die Federplatte
nun auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Anschlussplatte 20 befestigt
ist, die Dicke vorzugsweise 10 bis 220 μm, die Breite vorzugsweise 100
bis 500 μm,
und das Seitenverhältnis
(Breite/Dicke) der Federplatte 18 liegt vorzugsweise in
einem Bereich zwischen 0,4 und 50. Unter Berücksichtigung der Dämpfung der
Schwingungshöhe
durch die Verwendung des Massensensors 1 in einer Flüssigkeit
beträgt
die Dicke vorzugsweise 10 bis 70 μm,
die Breite vorzugsweise 100 bis 500 μm, und das Seitenverhältnis liegt
vorzugsweise zwischen 1,4 und 50. Noch bevorzugter beträgt die Dicke
10 bis 70 μm,
die Breite 100 bis 300 μm
und das Seitenverhältnis
1,4 bis 30. Die Dicke der Federplattenverstärkung ist, wenn eine solche
Federplattenverstärkung
erforderlich ist, vorzugsweise dieselbe wie die Dicke der Federplatte,
die mit der Federplattenverstärkung
verbunden ist.
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Dennoch
kann auch die Anschlussplatte 20 als Federplatte verwendet
werden, ohne dass dabei die Federplatte 18 ausgebildet
wird. In diesem Fall kann keine Zwischenplatte 17 ausgebildet
werden, aber es wird bevorzugt, die Dicke der Basisplatte 15 um
die Dicke der Zwischenplatte 17 zu vergrößern, um
die mechanische Festigkeit des Sensorsubstrats 2 zu erhalten.
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Für den piezoelektrischen
Film 23 im piezoelektrischen Element 25 können auch
Elektrostriktionskeramikmaterialien oder ferroelektrische Keramikmaterialien
verwendet werden, obwohl filmähnliche
piezoelektrische Keramikmaterialien geeignet verwendet werden können. Solche
Materialien können
entweder Polarisation erfordern oder nicht.
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Keramikmaterialien,
die im piezoelektrischen Film 23 verwendet werden können, umfassen
z. B. Bleizirkonat, Bleittitanat, Bleimagnesiumniobat, Bleinickelniobat,
Bleizinkniobat, Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleimanganwolfram,
Bleikobaltniobat und Bariumtitanat. Diese können allein oder als Keramikmaterialien,
die aus einer Kombination einiger dieser bestehen, verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein Material, das
die Komponente enthält,
die vorrangig aus Bleizirkonat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat
als Hauptkomponente besteht, verwendet, weil ein solches Material
nicht nur einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten
und eine piezoelektrische Konstante aufweist, sondern auch nur geringe Reaktivität mit dem
Sensorsubstratelement beim Sintern des piezoelektrischen Films zeigt
und stabil die gewünschte
Zusammensetzung ausbilden kann.
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Weiters
können
Keramikmaterialien, die Oxide von Lanthan, Kalzium, Strontium, Molybdän, Wolfram,
Barium, Niobium, Zink, Nickel, Mangan, Cerium, Kadmium, Chrom, Kobalt,
Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Lithium, Bismut und Zinn allein
enthalten, oder eine Kombination einiger dieser Oxide, oder Keramikmaterialien,
in welchen Verbindungen dieser Elemente zugegeben sind, für die obigen
piezoelektrischen Elemente verwendet werden. So wird z. B. ein Keramikmaterial,
das Bleizirkonat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat als Hauptkomponenten
enthält,
zu welchem Lanthan oder Strontium zugegeben wird, bevorzugt, und
ein solches Material, zu welchem weiter noch Mangan zugegeben wird,
wird insofern bevorzugt, als der mechanische Qualitätsfaktor
groß ist
und der Q-Wert nicht nur aufgrund der Struktur des Sensors sondern
auch aufgrund des Materials erhöht
werden kann.
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Andererseits
sind die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 im
piezoelektrischen Element 25 hauptsächlich aus einem Metall gebildet,
das bei Raumtemperatur fest und leitfähig ist. So kann z. B. ein
Metall wie Aluminium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer,
Zink, Niobium, Molybdän,
Ruthenium, Palladium, Rhodium, Silber, Zinn, Tantal, Wolfram, Iridium,
Platin, Gold oder Blei allein oder eine Legierung aus einigen dieser
Elemente verwendet werden. Weiters kann ein Cermet- Material, in welchem
dasselbe im piezoelektrischen Film 23 oder der Sensorplatte 21 verwendete
Material in diesen Materialien dispergiert ist, verwendet werden.
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Die
Auswahl des Materials für
die tatsächliche
erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 wird
abhängig
vom Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Films 23 bestimmt.
Wird z. B. die erste Elektrode 22 auf der Sensorplatte 21 ausgebildet,
so wird der piezoelektrische Film 23 auf der ersten Elektrode 22 durch
Sintern ausgebildet, und die erste Elektrode 22 muss aus
einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt bestehen, so etwa Platin,
worauf die Temperatur für
den Sintervorgang des piezoelektrischen Films 23 keine
Auswirkung hat. Da die auf dem piezoelektrischen Film 23 nach
der Ausbildung des piezoelektrischen Films 23 ausgebildete zweite
Elektrode bei einer niedrigen Temperatur ausgebildet werden kann,
kann ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, so z. B. Aluminium,
verwendet werden.
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Obwohl
das piezoelektrische Element 25 einstückig durch Sintern ausgebildet
werden kann, müssen
in diesem Fall sowohl die erste Elektrode 22 als auch die
zweite Elektrode 24 aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt
bestehen, das der Temperatur zum Sintern des piezoelektrischen Films 23 widersteht.
Andererseits können,
wenn die erste und die zweite Elektrode 59, 60 auf
dem piezoelektrischen Film 58 nach Ausbildung des piezoelektrischen
Films 58 ausgebildet werden, wie dies im in 3 dargestellten
piezoelektrischen Element 62A der Fall ist, beide Elektroden
aus demselben Material mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen, aber
wenn das piezoelektrische Element 62A gleichzeitig gesintert
wird, dann müssen
sowohl die erste Elektrode 22 als auch die zweite Elektrode 24 aus
einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt bestehen. Somit können die
Materialien für
die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 geeignet
abhängig
von der Temperatur zur Ausbildung des piezoelektrischen Elements 23,
die durch die Sintertemperatur des piezoelektrischen Films 23 dargestellt
ist, und von der Struktur des piezoelektrischen Elements 25 ausgewählt werden.
Die Materialien und Verfahren zur Ausbildung der Elektrodenleitungen 9, 10 sind
dieselben wie jene für
die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 des
piezoelektrischen Elements 25.
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Da
ein Problem entsteht, wenn der Bereich des piezoelektrischen Films 23 ausgedehnt
wird, insofern, als die Größe des Sensors
zunimmt, obwohl die Empfindlichkeit sich erhöht, wenn die Ausgangsladung
ansteigt, sollte der Bereich des piezoelektrischen Films 23 mit
einer adäquaten
Größe konfiguriert
werden. Auch da sich ein Problem ergibt, wenn die Dicke des piezoelektrischen
Films 23 verringert wird, als insofern die Festigkeit des
piezoelektrischen Films 23 gesenkt wird, obwohl die Empfindlichkeit
zunimmt, beträgt
die Gesamtdicke der Sensorplatte 21 und des piezoelektrischen
Films 23 vorzugsweise 15 bis 50 μm.
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Wird
eine Isolierbeschichtungsschicht 65 auf dem piezoelektrischen
Element 26 und den Elektrodenleitungen 9, 10 ausgebildet,
wie dies im Massensensor 43D in 19 dargestellt
ist, so wird ein Isolierglas oder -harz als Material dafür verwendet.
Um die Leistung des Massensensors 1 zu erhöhen, wird noch
mehr die Verwendung eines Harzes als Material für die Isolierbeschichtungsschicht
als von Glas bevorzugt, und vorzugsweise werden dabei chemisch stabile
Fluorharze, z. B. Teflon auf Tetrafluorethylen-Basis (Teflon PTFE
von DuPont), Teflon auf Basis von Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (Teflon
FEP), Teflon auf Basis von Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymer
(Teflon PFA) und Teflon aus einem PTFE/PFA-Verbund, verwendet. Obwohl
die Korrosionsbeständigkeit
und Wetterfestigkeit geringer ist als bei Fluorharzen, können Silikonharze
(insbesondere hitzehärtende
Silikonharze) geeignet verwendet werden, und es können auch Epoxyharze
oder Acrylatharze abhängig
von den Anwendungen verwendet werden. Vorzugsweise wird die Isolierbeschichtungsschicht 65 unter
Verwendung verschiedener Materialien für das piezoelektrische Element 25 und
seine Umgebung sowie für
die Elektrodenleitungen 9, 10 und ihre Umgebung
ausgebildet. Weiters werden vorzugsweise auch organische oder anorganische
Füllstoffe
zum Isolierharz zugegeben, um die Steifigkeit des Resonanzabschnitts
einzustellen.
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Wird
die Isolierbeschichtungsschicht 65 ausgebildet, so sind
die Materialien für
eine auf der Isolierbeschichtungsschicht 65 ausgebildete
Schutzschicht 66 vorzugsweise Metalle wie Gold, Silber, Kupfer,
Nickel und Aluminium; es können
aber auch beliebige metallische Materialien, die in der obig beschriebenen
ersten Elektrode 22 des piezoelektrischen Elements 25 oder
dergleichen verwendet werden, zum Einsatz kommen. Es kann auch eine
leitfähige
Paste, die aus einem in einem Harz gemischten Metallpulver besteht,
verwendet werden.
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Als
nächstes
ist das Verfahren zur Verwendung eines Massensensors der vorliegenden
Erfindung beschrieben, wenn der Massensensor 1 als Immunsensor
verwendet wird. Eine der zwei Sensorabschnitte 13 wird
als Detektionssensorabschnitt 13D verwendet. Auf die Membran
des Detektionssensorabschnitts 13D wird eine Fängersubstanz
aufgetragen, die nur mit einer abzufühlenden Substanz wie etwa einem
pathogenen Virus reagiert und diese einfängt. So kann z. B. die Kombination
eines Antigens als abzufühlende
Substanz und eines Antikörpers
als Fängersubstanz
verwendet werden. Beispiele für
solche Kombinationen umfassen Humanserum Albumin/Anti-Humanserum-Albumin-Antikörper und
Humanimmunoglobulin/Anti-Humanimmunoglobulin-Antikörper. Währenddessen
wird der andere Sensorabschnitt 13 als Referenzsensorabschnitt 13R verwendet,
auf dessen Membran keine Fängersubstanz
aufgebracht wird.
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Die
beiden Sensorabschnitte 13D und 13R werden in
dieselbe Probe getaucht oder auf dieser angeordnet. In vielen Fällen können, da
die Proben Fluide wie Flüssigkeiten
oder Gase sind, die Proben getestet werden, indem die Signale von
den Sensorabschnitten 13D und 13R verglichen werden,
ohne dabei von den physikalischen Eigenschaften der Proben wie Art,
Fluss und Temperatur des Fluids oder von der Testumgebung beeinflusst
zu werden.
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Wird
dieser Massensensor 1 z. B. in eine leitfähige flüssige Probe
getaucht, wenn der Massensensor 1 in die Probe bis zu einer
Höhe eingetaucht wird,
an welcher die Positionssensorelektroden 4, 5 einen
Kurzschluss haben, werden die Membranen 19 der Sensorabschnitte 13D und 13R in
die Probe eingetaucht, aber der Sensorab schnitt 28 erfährt durch die
Probe keinen Kurzschluss. Werden aber das piezoelektrische Element 25 und
die Elektrodenleitungen 9, 10 mit Isolierglas
oder -Harz beschichtet, so können
andere Bereiche des Massensensors 1 als die Enden 11, 12 oder
andere Anschlussstücke
in die Probe getaucht werden.
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Somit
wird, wenn die abzufühlende
Substanz in der Probe mit der Fängersubstanz
reagiert und durch diese eingefangen wird, die Masse der Membran 19 im
Detektionssensorabschnitt 13D vergrößert, und die Resonanzfrequenz
des Resonanzabschnitts 26 variiert in Begleitung zu diesem
Anstieg der Masse der Membran 19. Somit kann im Gegensatz
dazu durch Beobachtung der Änderung
der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts 26 bestimmt
werden, ob die abzufühlende
Substanz auf der Membran 19 eingefangen wurde oder nicht,
d. h. ob die abzufühlende
Substanz in der Probe vorhanden war oder nicht, und es kann der
Massenanstieg gemessen werden.
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Im
Verfahren zur Verwendung der zwei Sensorabschnitte 13 als
einen Detektionssensorabschnitt 13D und einen Referenzsensorabschnitt 13R kann,
wenn der Resonanzabschnitt im Referenzsensorabschnitt 13R,
d. h. in der Membran, die Anschlussplatte, die Sensorplatte, das
piezoelektrische Element und die Federplatte mit Teflon beschichtet sind,
die Haftung der abzufühlenden
Substanz am Referenzsensorabschnitt 13R verhindert werden, und
es kann eine genauere Messung durchgeführt werden. Wird anders als
die Membran 19 der Detektionssensorabschnitt 13D mit
Teflon beschichtet, so kann die abzufühlende Substanz nur auf der
Membran eingefangen werden, und es wird die Empfindlichkeit erhöht. Weiters
wird aus wirtschaftlicher Sicht bevorzugt, das gesamte Sensorsubstrat 2 und
nicht nur die Membran 19 mit Teflon zu beschichten, um somit
eine teure Fängersubstanz
wie einen Antikörper
nur auf einer erforderlichen Stelle aufzubringen.
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Wird
der Massensensor 1 in eine Probe wie eine Flüssigkeit
getaucht, oder wenn eine Membran 10 in eine Fängersubstanz
eingetaucht wird, um die Fängersubstanz
auf der Membran 19 aufzutragen, so wird die Struktur angenommen,
in welcher zwei Sensorabschnitte 13 in die seitliche Richtung
des Sensorsubstrats 2 (horizontale Richtung) in 11 angeordnet
sind, so dass die zwei Sensorabschnitte 13 gleichzeitig
in die Probe getaucht werden.
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Sind
die zwei Sensorabschnitte 13 aber in die senkrechte Richtung
des Sensorsubstrats 2 (nach oben und nach unten) angeordnet,
d. h. auf der Position, an welcher der Detektionssensorabschnitt 13D zuerst
in die Flüssigkeit
getaucht wird und der Referenzsensorabschnitt 13R nicht
in die Flüssigkeit getaucht
wird, so kann der Vorgang leicht durchgeführt werden, wobei nur der Bereich
des Detektionssensorabschnitts 13D in die Fängersubstanz
getaucht wird, um diese aufzutragen, und der Referenzsensorabschnitt 13R wird
als Sensor verwendet, so z. B. als temperaturkompensierender Sensor
ohne Teflon-Beschichtung, und nicht in die Fängersubstanz getaucht, um die
Fängersubstanz
somit nicht aufzutragen.
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Selbst
wenn aber der Massensensor 1 verwendet wird, in welchem
die Fängersubstanz
nur auf den Detektionssensorabschnitt 13D aufgetragen wird,
müssen
der Detektionssensorabschnitt 13D und der Referenzsensorabschnitt 13R bei
der tatsächlichen
Massenabfühlung
in derselben Umgebung angeordnet werden. Auch wenn der gesamte Massensensor 1 in
eine leitfähige
Flüssigkeit
getaucht wird, müssen
die piezoelektrischen Elemente 25 und die Elektrodenleitungen 9, 10 in
den Sensorabschnitten 13R, 13D offensichtlich
einer Isolierbeschichtung unterzogen werden.
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Das
Verfahren der Verwendung, in welchem dieselbe Fängersubstanz auf die Membranen
beider Sensorabschnitte 13D und 13R aufgebracht
wird, um den dynamischen Bereich durch Addition der Signale von
den Sensorabschnitten 13D und 13R auszudehnen,
kann ebenfalls angewendet werden. Weiters ist es möglich, den
Referenzsensorabschnitt 13R nicht als Referenz zu verwenden,
und es wird eine andere Fängersubstanz
als jene, die auf dem Detektionssensorabschnitt 13D aufgetragen
ist, auf den Referenzsensorabschnitt 13R aufgetragen.
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Bei
der Messung der Änderung
der Resonanzfrequenz im Massensensor 1 unter Verwendung dieser
Verfahren wird bevorzugt, die Resonanzfrequenzen in der θ- Mode und in der Φ-Mode, die
oben beschrieben wurden, abzufühlen.
Wie z. B. 14 zeigt, wird, wenn die Membran 19 eine
Schwingung in der θ-Mode
um die Federplatte 18 und die Anschlussplatte 20 in
der Plattenfläche
der Membran 19 erzeugt, die Bewegung zur Sensorplatte 21 übertragen,
um die Biegeschwingung der Sensorplatte 21 und die Dehnschwingung
des planaren piezoelektrischen Films 23 im piezoelektrischen
Element 25 auf der Oberfläche der Sensorplatte 21 auszulösen, und es
wird eine konstante Spannung auf der Grundlage des elektromechanischen
Kopplungskoeffizienten k31 (piezoelektrischer
Faktor d31) des piezoelektrischen Films 23 erzeugt.
Weist das piezoelektrische Element 25 eine wabenförmige Elektrodenstruktur
auf, so wird eine konstante Spannung auf der Grundlage von k33 (d33) erzeugt.
Dasselbe gilt bei Verwendung der Φ-Mode.
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Im
Gegensatz dazu wird, wenn ein Wechselstrom an den piezoelektrischen
Film 23 durch die zweite Elektrode 24 und die
erste Elektrode 22 angelegt wird, eine Dehnschwingung im
piezoelektrischen Film 23 durch d31 oder
d33 erzeugt, wodurch die Sensorplatte 21 dazu
gebracht wird, eine Biegeschwingung zu erzeugen, und der Schwingungswinkel θ der Membran 19 variiert
entsprechend der Masse der Membran 19, und die Resonanzschwingung
wird bei einer gewissen Frequenz erzeugt. Somit ist die Beobachtung
der Änderung
der Resonanzfrequenz die Beobachtung der Änderung der Masse der Membran 19,
und es kann bestimmt werden, ob eine abzufühlende Substanz auf der Membran 19 eingefangen wird
oder nicht. Indem zwei piezoelektrische Elemente 25 auf
beiden Plattenoberflächen
der Sensorplatte 21 installiert werden und indem die erhaltenen
Signale verglichen werden, kann die Störung verringert, die Wirkung
der anderen Schwingungsmoden eliminiert und die Empfindlichkeit
verbessert werden.
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Um
die Empfindlichkeit des Massensensors 1 weiter zu verbessern,
muss hierin die Änderung
der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts 26 gesteigert
werden. Dafür
kann ein Verfahren zum Einstellen des Verhältnisse der Massen der Membran 19 und
der Federplatte 18 verwendet werden. Wird die Federplatte 18 dünner gemacht,
um die Masse zu verringern, und wird das Massenverhältnis mit
der Mem bran (Masse der Membran 19/Masse der Federplatte 18)
erhöht,
so wird die Empfindlichkeit verbessert.
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Da
die Steifigkeit der Federplatte 18 aber mit der Verringerung
der Dicke und der Masse der Federplatte 18 herabgesetzt
wird, beträgt
das Massenverhältnis
(Masse der Membran 19/(Masse der Federplatte 18 +
Masse der Anschlussplatte 20)) vorzugsweise 0,1 oder mehr
innerhalb eines Bereichs, in welchem die Steifigkeit der Federplatte 18 und
der Anschlussplatte 20 sichergestellt ist, in Hinblick
auf die Dicke und Fläche
der Membran 19 wird aber bevorzugt, das geeignete Verhältnis unter
Berücksichtigung
der Fläche
der Membran 19 zu bestimmen. Diese Massenverhältnisse
werden aber vorzugsweise innerhalb des Bereichs festgelegt, in welchem
die Bedingungen von Dicke, Breite und Seitenverhältnis der obig beschriebenen
Federplatte 18 erfüllt
werden. Der in 16(c) dargestellte Massensensor 43C ist
ein Beispiel dafür.
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Ein
weiteres Mittel zur Verbesserung der Empfindlichkeit ist ein Verfahren,
um die Dicke der Membran 19 zu verringern, um dadurch das
Massenverhältnis
mit einer abzufühlenden
Substanz (Masse der abzufühlenden
Substanz/Masse der Membran 19) zu erhöhen, d. h. es kann die Proportion
der Änderung
der Masse der Membran 19 verwendet werden. Wird die Dicke
der Membran 19 verringert, wenn die Oberfläche der
Membran 10 vergrößert wird, ohne
die Masse zu verkleinern, so kann weiters der Bereich, auf welchen
die Fängersubstanz
aufgetragen wird, vergrößert werden,
und es kann mehr abzufühlende
Substanz eingefangen werden, wodurch eine Verbesserung der Empfindlichkeit
erzielt werden kann.
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Im
nächsten
Schritt sind andere Anwendungen des Massensensors 1 beschrieben.
Erstens kann der Massensensor 1 als Feuchtigkeitsmesser verwendet
werden, wenn die auf die Membran 19 aufgebrachte Fängersubstanz
ein feuchtigkeitabsorbierendes Material ist. Wird auf die Membran 19 ein feuchtigkeitabsorbierendes
Material aufgetragen, das eine spezifische gasförmige Komponente absorbiert,
oder eine organische oder anorganische Substanz als Fängersubstanz,
so kann der Massensensor 1 als Gassensor, Geruchssensor
oder Geschmackssensor verwendet wer den. Wird die Temperatur der
Membran 19 so eingestellt, dass sie Feuchtigkeit kondensiert,
kann der Massensensor 1 weiters als Taupunktmesser verwendet
werden, der den Taupunkt aus der Temperatur misst, bei welcher die
Masse der Membran 19 ansteigt.
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Der
Massensensor 1 kann auch als Filmdickenmesser verwendet
werden. Die Filme, die gemessen werden können, umfassen Sputter-Filme oder
CVD-Filme, die in Vakuum ausgebildet werden, in Gasen ausgebildete
LB-Filme oder in Flüssigkeiten
ausgebildete elektroabgelagerte Filme. Werden diese Filme ausgebildet,
wenn die Membran 19 oder der Resonanzabschnitt 26 des
Massensensors 1 in derselben Filmausbildungsumgebung angeordnet sind,
so wird ein Film auf der Membran 19 oder dem Resonanzabschnitt 26 ausgebildet,
wodurch eine Änderung
der Masse ausgelöst
wird, und es kann die Änderung
der Resonanzfrequenz, der Dicke oder der Aufbaugeschwindigkeit des
ausgebildeten Films gemessen werden.
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Obwohl
man weiß,
dass ein Messinstrument für
die quarzdampfabgelagerte Filmdicke die Änderung der Resonanzfrequenz
eines Quarz-Oszillators 80, der jenen in 21 dargestellten ähnlich ist,
in die Gleitrichtung detektiert, wenn sich die Filmdicke ändert, weist
dieser insofern Probleme auf, als er durch Temperaturänderung,
Störungen
aufgrund der Kollision von Verunreinigungen und Änderung des Vakuumdrucks beeinflusst
werden kann, da der Oszillator selbst in einer Dampfabscheidungs-Umgebung
verwendet wird.
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Wird
der Massensensor 1 in der θ-Mode als Messinstrument für die dampfabgelagerte
Filmdicke verwendet, so widersteht der Sensorabschnitt 29 der Temperaturänderung
aufgrund des Starrkörper-Modus
aufgrund dessen, dass die Wahrscheinlichkeit der Kollision von Verunreinigungen
gering ist, weil die Membran 19 nur 3 bis 20 μm dünn ist,
und aufgrund der Struktur, in welcher der Sensorabschnitt 29,
die Federplatte 19 und die Anschlussplatte 20 leicht
in einer konstanten Umgebung gehalten werden, wodurch die Messgenauigkeit
im Vergleich zur Verwendung eines Quarz-Oszillator 80 verbessert
werden kann.
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Weiters
kann der Massensensor 1 als Viskositätsmeter verwendet werden, um
das Auftreten von Scherwellen der Transversalwellen in einem Fluid
zu bewirken, wenn die Membran 19 in ein Flüssigkeit getaucht
wird, und um die Massenbelastung des Abschnitts, an welchem das
viskose Wasser eintritt, aufzunehmen.
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Obwohl
ein Quarz-Viskositätsmeter
zur Detektion der Änderung
der Resonanzfrequenz eines Quarz-Oszillators 80 in die
Gleitrichtung ebenfalls verwendet wird, zeigt dieser insofern Probleme,
als er durch die Temperaturänderung
und Störungen aufgrund
der Kollision von Verunreinigungen in der Flüssigkeit beeinflusst wird,
da der Quarz-Oszillator 80 selbst in die Flüssigkeit
eingetaucht wird.
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Andererseits
widersteht, wenn der Massensensor 1 in der θ-Mode als
Viskositätsmeter
verwendet wird, da der Sensorabschnitt 29, die Federplatte 18 und
die Anschlussplatte 20 nicht in die Flüssigkeit eintauchen müssen, der
Sensorabschnitt 29 der Temperaturänderung aufgrund der Starrkörper-Mode,
und die Membran 19 ist nur 3 bis 20 μm dünn, die Wahrscheinlichkeit
der Kollision von Verunreinigungen ist gering und die Empfindlichkeit
wird verbessert.
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Weiters
wird ein Quarz-Oszillator als Reibungsvakuummeter verwendet, da
sein elektrischer Widerstand aufgrund der Reibung der Gasmoleküle und aufgrund
der viskosen Reibung des Gases in einem Vakuum variiert. Da diese
Art eines Vakuummeters aber zur Messung von Frequenzänderungen aufgrund
des Effekts der Massenbelastung des Quarz-Oszillators verwendet
wird, kann der Massensensor 1 der vorliegenden Erfindung,
der im Grunde genommen dieselben Messprinzipien anwendet, auch als
Vakuummeter verwendet werden.
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Obwohl
ein Reibungsvakuummeter unter Verwendung eines Quarz-Oszillators
eine Änderung des
Widerstands detektiert, wenn der abstimmende gabelförmige Oszillator 90 in
die X-Achsen-Richtung, wie in 28 dargestellt,
schwingt, ist es schwierig, die Dicke d1 des
Oszillators 90 zu verringern und somit stellt auch die
Verbesserung der Empfindlichkeit eine Schwierigkeit dar. Aber im
Massensensor 1 kann die Dicke der Membran 19 auf
3 bis 20 μm
verringert und der θ-Mode
verwendet werden, und so kann die Empfindlichkeit verbessert werden.
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Zusätzlich dazu
kann der Massensensor 1 als Temperatursensor verwendet
werden, indem der Biegemodus der Membran 19 verwendet wird,
d. h. indem die Änderung
des E-Moduls als Änderung
der Resonanzfrequenz in der Biegemode abgefühlt wird.
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Obwohl
der Massensensor 1 als verschiedene Sensoren verwendet
werden kann, besteht das Grundprinzip der Messung darin, die Änderung
der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts 26 auf Grundlage
der Massenbelastung auf die Membran 19 zu messen. Somit
kann eine Vielzahl von Sensorabschnitten 13 mit verschiedenen
Funktionen leicht in einem Massensensor 1 ausgebildet werden.
So können
z. B. die Funktionen eines Temperatursensors, eines Vakuummeters
oder eines Viskositätssensors
zur Funktion als Massensensor 1 hinzugezählt werden,
d. h., ein Sensor zur Referenz für
den Ausgleich von Temperatur, Vakuum oder Viskosität kann leicht
im Massensensor 1 aufgenommen werden. Da es nicht erforderlich
ist, eine Vielzahl von Sensoren mit verschiedenen Formen für verschiedene
Anwendungen zu verwenden, ist dies in solchen Fällen aus Kostengründen hinsichtlich
der Aufnahme von Sensoren für
die Messung und ihrem Betrieb sowie hinsichtlich auf die Messinstrumente
von Vorteil.
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Als
nächstes
ist ein Verfahren zur Herstellung eines Massensensors der vorliegenden
Erfindung beschrieben, wobei der Massensensor 1 als Beispiel
angeführt
wird. Als Materialien für
das Sensorsubstrat werden geeigneterweise Keramikmaterialien wie
Zirconiumoxid verwendet. Eine Aufschlämmung wird hergestellt, indem
Bindemittel, Lösungsmittel,
Dispersionsmittel und andere Additive in einem Keramikpulver vermischt
werden, und nach der Entfernung von Schäumen aus der Aufschlämmung wird
eine grüne
Lage oder ein grünes
Band für
die Schwingungsplatte, die Zwischenplatten und Basisplatten mit
der gewünschten
Dicke unter Verwendung eines Verfahrens wie dem umgekehrten Walzenbeschichtungsverfahren
und dem Rakelverfahren ausgebildet.
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Danach
werden diese grünen
Schichten unter Verwendung einer Form oder eines Lasers in die gewünschten
Formen, z. B., wie dies in 23 dargestellt
ist, gestanzt, in die Form einer Zwischenplatte 17 mit
einer Öffnung 14 und
einer Federplatte 18, und die Form einer Basisplatte 15 mit
einer Öffnung 14,
und die grüne
Lage wird, zumindest für
jede der Schwingungsplatte, Zwischenplatte 17 und Basisplatte 15 in
dieser Reihenfolge laminiert und gesintert und einstückig ausgebildet
wird, um das Sensorsubstrat auszubilden. Nach der Laminierung dieser
grünen
Lagen werden Löcher 8 in
jeder grünen
Schicht für
die Laminierungsausrichtung ausgebildet. Die Formen der in 23 dargestellten
grünen
Schichten wurden zur besseren Verständlichkeit der Ausbildung des
Sensorabschnitts 13 des in 11 dargestellten
Massensensors 1 vereinfacht.
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Obwohl
auch eine Öffnung 14 oder
eine Membran 19 in der Schwingungsplatte 3 im
grünen Zustand
ausgebildet werden kann, da die Schwingungsplatte nur 20 μm oder weniger
dünn ist,
wird bevorzugt, die Öffnung 14 oder
die Membran 19 in einer vorbestimmten Form auszubilden,
nachdem das Sensorsubstrat 2 ausgebildet und das piezoelektrische
Element 25 mittels nachfolgend beschriebener Laserbehandlung
installiert wurde, um die Ebenheit und dimensionale Genauigkeit
nach dem Sintern der Membran 19, der Anschlussplatte 20 und
der Sensorplatte 21, die in der Schwingungsplatte 3 ausgebildet sind,
sicherzustellen.
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Verfahren
zur Installierung des piezoelektrischen Elements 25, das
aus einer ersten Elektrode 22, einem piezoelektrischen
Film 23 und einer zweiten Elektrode 24 besteht,
auf dem Bereich der Schwingungsplatte 3, wo die Sensorplatte 21 ausgebildet
wird, umfassen ein Verfahren, in welchem ein piezoelektrischer Film 23 durch
Pressausbildung unter Verwendung einer Form oder durch Bandausbildung
unter Verwendung eines Schlämmmaterials ausgebildet
wird, wobei der piezoelektrische Film 23 vor dem Sintern
durch Hitze und Druck auf dem Bereich der Schwingungsplatte 3,
wo die Sensorplatte 21 ausgebildet ist, überlagert
wird, und sie gleichzeitig gesintert werden, um das Sensorsubstrat 2 und den
piezoelektrischen Film 23 gleichzeitig auszubilden. In
diesem Fall müssen
aber die Elektroden 22, 24 auf dem Sensorsubstrat 2 oder
dem piezoelektrischen Film 23 zuvor im nachfolgend beschriebenen Filmausbildungsverfahren
ausgebildet werden.
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Obwohl
die Temperatur zum Sintern des piezoelektrischen Films 23 abhängig vom
Material bestimmt wird, liegt sie im Allgemeinen bei 800 bis 1.400°C und vorzugsweise
bei 1.000 bis 1.400°C.
In diesem Fall wird für
die Steuerung der Zusammensetzung des piezoelektrischen Films 23 bevorzugt, dass
der Sintervorgang in Gegenwart der Verdampfungsquelle des Materials
für den
piezoelektrischen Film 23 durchgeführt wird. Werden der piezoelektrische
Film 23 und das Sensorsubstrat 2 gleichzeitig gesintert,
so müssen
die Sinterbedingungen zueinander passen.
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Andererseits
kann, wenn das Filmausbildungsverfahren verwendet wird, das piezoelektrische
Element 25 in verschiedenen Dickfilmausbildungsverfahren
wie dem Siebdruck, dem Eintauchen und dem Aufmalen; oder in verschiedenen
Dünnfilmausbildungsverfahren
wie dem Ionenstrahlverfahren, dem Sputter-Verfahren, der Dampfablagerung,
Ionenplattierung, chemischen Dampfablagerung (CVD) oder mittels
Elektroplattierung auf dem Bereich des gesinterten Sensorsubstrats 2 installiert werden,
wo die Sensorplatte 21 ausgebildet ist. Davon werden vorzugsweise
die Dickfilmausbildungsverfahren wie der Siebdruck, das Eintauchen
und das Aufmalen für
die Ausbildung des piezoelektrischen Films 23 verwendet.
Dies liegt darin, dass der piezoelektrische Film 23 unter
Verwendung einer Paste oder einer Aufschlämmung ausgebildet werden kann,
die hauptsächlich
aus Teilchen der piezoelektrischen Keramikmaterialien mit einem
mittleren Teilchendurchmesser von 0,01 bis 5 μm, vorzugsweise 0,05 bis 3 μm besteht,
und es werden dadurch günstige
piezoelektrische Eigenschaften erhalten.
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Nachdem
das Sensorsubstrat 2 unter vorbestimmten Bedingungen gesintert
wurde, wird z. B. die erste Elektrode 22 auf dem vorbestimmten
Oberflächenbereich
der Schwingungsplatte 3 gedruckt und gesintert, und danach
wird der piezoelektrische Film 23 gedruckt und gesintert,
und danach wird die zweite Elektrode 24 gedruckt und gesintert,
um das piezoelektrische Element 25 auszubilden. Danach
werden die Elektrodenleitungen 9, 10 gedruckt
und gesintert, um die Elektroden 22, 24 mit der Messvorrichtung
zu verbinden. Wird z. B. Platin (Pt) für die erste Elektrode 22 verwendet,
und Bleizirkonattitanat (PZT) wird für den piezoelektrischen Film 23 verwendet,
so werden Gold (Au) für
die zweite Elektrode 24 und Silber (Ag) für die Elektrodenleitungen 9, 10 verwendet,
wobei die Sintertemperaturen im Sintervorgang schrittweise verringert
werden können.
Somit werden die zuvor gesinterten Materialien nicht noch einmal
in einem gewissen Sinterschritt gesintert, und es kann vermieden
werden, dass Probleme beim Material für die Elektroden oder dergleichen,
so z. B. Ablösung und
Aggregation, auftreten.
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Indem
die geeigneten Materialien ausgewählt werden, können die
jeweiligen Elemente des piezoelektrischen Elements 25 und
der Elektroden 9, 10 eines nach dem anderen gedruckt
und auf einmal einstückig
gesintert werden, oder nachdem der piezoelektrische Film 23 ausgebildet
ist, können
die jeweiligen Elektroden oder dergleichen bei einer niedrigen Temperatur
ausgebildet werden. Auch können die
jeweiligen Elemente des piezoelektrischen Elements 25 und
der Elektroden 9, 10 im Dünnfilmausbildungsverfahren
wie etwa dem Sputter-Verfahren oder der Dampfablagerung ausgebildet
werden. In diesem Fall ist eine Wärmebehandlung nicht erforderlich.
-
Somit
wird insbesondere bevorzugt, das piezoelektrische Element 25 unter
Verwendung des Filmausbildungsverfahrens auszubilden, da das piezoelektrische
Element 25 und die Sensorplatte 21 einstückig verbunden
und ohne Verwendung von Klebstoffen installiert werden können, und
weiters zeigt auch der Massensensor exzellente Zuverlässigkeit und
Reproduzierbarkeit und wird leicht aufgenommen. Hierin kann der
piezoelektrische Film 23 ein passendes Muster aufweisen,
und die Verfahren für die
Musterung umfassen z. B. Siebdruck, Lichtlithografie, Laserbehandlung
oder mechanische Verarbeitung wie in Scheiben Schneiden und mit
Ultraschall Behandeln.
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Als
nächstes
wird eine Membran 19 auf dem vorbestimmten Bereich des
auf diese Weise ausgebildeten Sensorsubstrats ausgebildet. Hier
wird vorzugsweise der unnotwendige Teil der Schwingungsplatte 3 durch
die Behandlung mit der vierten Harmonischen des YAG-Lasers entfernt.
Somit kann z. B. eine Öffnung 14 ausgebildet
werden, wobei sich mit dem Sensorsubstrat 2 einstückig verbundene
Elemente wie z. B. die Membran 19 und die Sensorplatte 21,
wie in 11 oder 12 ersichtlich,
ergeben, und zu diesem Zeitpunkt kann durch Einstellung der Form
der Membran 19 oder dergleichen die Resonanzfrequenz auf
einen vorbestimmten Wert eingestellt werden, und es kann der Massenbereich
der abzufühlenden
Substanzen bestimmt werden.
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Wie
in 24 dargestellt ist, kann, wenn ein Teil der Membran 19 geschnitten
und entfernt worden ist, so dass die Länge der Membran 19 von
L0 auf L1 verkürzt wurde,
der Resonanzpunkt erhöht
werden, und andererseits kann, wenn die Breite der Federplatte 18 und
der Anschlussplatte 20 von t0 auf
t1 verengt wird, der Resonanzpunkt gesenkt
werden. Somit kann durch die Kombination dieser Werte der Resonanzpunkt
eingestellt werden. Weiters kann durch das Verringern der Breite
der Membran 19 von W0 auf W1 der Rotationsmodus eingeschränkt werden,
es kann der Q-Wert in der θ-Mode
erhöht
und der Unterschied der Änderung
der Resonanzfrequenzen abhängig
von der Haftstelle verkleinert werden, selbst wenn die Masse der
angehafteten Substanz dieselbe ist.
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Weiters
kann, wie 25 zeigt, nachdem ein piezoelektrisches
Element 25, das eine erste Elektrode 22 als obere
Elektrode, eine zweite Elektrode 24 als untere Elektrode
und einen dazwischen ausgebildeten piezoelektrischen Film 23 umfasst,
ausgebildet wurde, die obere Elektrode durch die vierte Harmonische
des YAG-Lasers entfernt werden, oder durch eine solche Bearbeitung,
dass der wirksame Elektrodenbereich des piezoelektrischen Elements
eingestellt und die Empfindlichkeit angepasst wird. Ist die Struktur
des piezoelektrischen Elements 25 eine Wabenstruktur, wie
sie in den 3 oder 4 gezeigt ist,
so kann ein Teil der einen oder beiden Elektroden entfernt werden.
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Durch
die Verarbeitung eines solchen Resonanzabschnitts sind verschiedene
Behandlungsverfahren für
die Größe und Form
des Resonanzabschnitts geeignet, so z. B. so etwa die Laserbehandlung
mit einem YAG-Laser, die zweite oder dritte Harmonische des YAG-Lasers,
Excimer-Laser oder CO2-Laser; Elektronenstrahlverarbeitung;
und Würfeln
(maschinelle Bearbeitung) zusätzlich
zur oben beschriebenen vierten Harmonischen des YAG-Lasers.
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Zusätzlich zum
oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung von grünen Lagen
kann das Sensorsubstrat 2 durch Pressformen hergestellt
werden, wobei Formteile, der Schlickerguss und die Spritzgusstechnik
dabei zur Anwendung kommen. In diesen Fällen wird auch eine Bearbeitung
wie Schneiden, Mahlen, Laserbehandlung, Pressstanzen und Ultraschallbehandlung
vor und nach dem Sintern durchgeführt, und der Massensensor 1 einer
vorbestimmten Form wird erhalten.
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Wird
eine Isolierbeschichtungsschicht 65 auf dem piezoelektrischen
Element 25 und den Elektrodenleitungen 9, 10 in
auf diese Weise hergestellten Massensensor 1 ausgebildet,
wie dies beim in 19 dargestellten
Massensensor 43D der Fall ist, so kann diese unter Verwendung
eines Glases oder eines Harzes mittels Siebdruck, Bemalung oder
Aufsprühen
ausgebildet werden. Wird hierin Glas als Material verwendet, so
muss der Massensensor 1 selbst bis zum Erweichungspunkt
des Glases erhitzt werden, und da Glas über eine große Härte verfügt, kann
die Schwingung verhindert werden. Da das Harz weich ist, und nachdem
nur eine Bearbeitung wie das Trockenen erforderlich ist, ist die
Verwendung eines Harzes bevorzugt. Obwohl bereits beschrieben wurde,
dass Fluor- oder Silikonharze als Harze, die in der Isolierbeschichtungsschicht 65 verwendet
werden können,
geeignet sind, wird bevorzugt, dass bei Verwendung dieser Harze
eine Primer-Schicht, die für
die Arten der verwendeten Harze und Keramikmaterialien geeignet
ist, ausgebildet wird, um z. B. die Haftung mit den unterliegenden
Keramikmaterialien zu verbessern und um die Isolierbeschichtungsschicht 65 auf
der Primer-Schicht auszubilden.
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Als
nächstes
wird, wenn eine Schutzschicht 66, die auf der Isolierbeschichtungsschicht 65 ausgebildet
ist, aus einem Harz besteht, da das Sintern schwierig ist, ein Verfahren,
für das
keine Hitze erforderlich ist, so z. B. das Sputtern, verwendet,
wenn verschiedene metallische Materialien als leitfähige Elemente
verwendet werden; wird aber eine leitfähige Paste verwendet, die ein
Metallpulver und ein Harz umfasst, so kann vorzugsweise der Siebdruck oder
das Malverfahren verwendet werden. Besteht die Isolierbeschichtungsschicht 65 aus
Glas, so kann eine metallhältige
Platte siebgedruckt und unter einer Temperatur gesintert werden,
bei welcher Glas fließt.
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Schließlich wird
eine Fängersubstanz
oder dergleichen auf die gesamte Membran 19 oder den Resonanzabschnitt 26 aufgetragen,
um den Massensensor zu vervollständigen.
Die Messung der Resonanzfrequenzen wird unter Verwendung eines Impedanzanalysators
oder eines Netzwerkanalysators oder mittels des SINSWEEP-Systems, oder durch die
Messung der Transferfunktionen durch Schwingen um externe Ultraschallwellen.
Weiters kann eine Änderung
der Masse der Membran 19 aus der Messung der Änderung
der Resonanzfrequenzen gemessen werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nunmehr nachfolgend in Bezug auf das
Beispiel beschrieben; dieses Beispiel dient aber keineswegs dazu,
die vorliegende Erfindung einzuschränken.
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Bei
der Herstellung des Massensensors mit der in 11 dargestellten
Struktur wurden grüne Lagen
mit unterschiedlicher Dicke für
die Schwingungsplatte, die Zwischenplatte und die Basisplatte aus
Zirconiumoxid, welche durch Yttriumoxid teilstabilisiert, in vorbestimmte
Formen verarbeitet, in dieser Reihenfolge laminiert, erhitzt und
komprimiert und einstückig
bei 1.450°C
gesintert wurden, hergestellt. Danach wurden ein piezoelektrisches
Element, das aus einer ersten Elektrode, einem piezoelektrischen
Film und einer zweiten Elektrode besteht, und an diesen Elektroden
befestigte Elektrodenleitungen auf dem vorbestimmten Bereich der
Schwingungsplatte, auf welchem die Sensorplatte im Siebdruckverfahren
ausgebildet wird, ausgebildet. Die erste Elektrode war aus Platin;
der piezoelektrische Film bestand aus einem Material, das Bleizirconat,
Bleittitanat und Bleimagnesiumniobat als Hauptkomponenten enthält; die
zweite Elektrode war aus Gold; und die Elektrodenleitungen wurden
aus Silber hergestellt.
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Danach
wurde eine Behandlung mit einem YAG-Laser (vierte Harmonische, Wellenlänge: 266 nm)
durchgeführt,
so dass eine Öffnung,
eine Membran und eine Sensorplatte im in 12 dargestellten Sensorabschnitt 13 ausgebildet
wurden, um den Massensensor 1 zu vervollständigen.
Hier betrug die Dicke der Membran 7 μm, die Dicke der Zwischenplatte
65 μm, die
Dicke der Basisplatte 150 μm
und die Dimension der Membran war 0,5 mm × 0,3 mm.
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Die
Masse auf der Membran wurde geändert,
indem eine Vielzahl von Punktmustern mit einem Durchmesser von 10 μmΦ in einer
Goldschicht mit einer Dicke von 0,3 μm, die auf einer gesamten Oberfläche der
Membran mit dem YAG-Laser ausgebildet wurde, wie dies oben beschrieben
ist, um die Masse zu verkleinern. Die Resonanzfrequenzen vor und
nach der Behandlung wurden beobachtet, und es wurden die in 26 dargestellten
Ergebnisse erzielt. Aus diesen Ergebnissen lässt sich bestätigen, dass
der Massensensor der vorliegenden Erfindung eine Änderung
der Resonanzfrequenzen entsprechend der Änderung der Masse in der Größenordnung
im Nanometerbereich zeigte.
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Der
Massensensor der vorliegenden Erfindung wurde mit Schwerpunkt auf
einer piezoelektrischen Umwandlungsvorrichtung unter Verwendung eines
piezoelektrischen Films, der den piezoelektrischen Effekt als Vorrichtung
zum Abfühlen
der Schwingung eines Resonanzabschnitts und zum Umwandeln der Schwingung
in elektrische Signale einsetzt. Eine solche Schwingungssignale
umwandelnde Vorrichtung ist aber nicht auf jene beschränkt, die
den piezoelektrischen Effekt nutzen, sondern sie kann eine solche
sein, in welcher die elektromagnetische Induktion, die Änderung
der elektrostatischen Kapazität, Änderung
des Einfalllichts, Änderung
des elektrischen Widerstands oder Pyroelektrizität angewendet werden.
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So
umfassen z. B. jene, die sich der elektromagnetischen Induktion
bedienen, solche, die auf der Sensorplatte eine Spule installiert
haben, die einen Stromkreis zum Detektieren der in der Spule fließenden elektrischen
Signale und einen Magneten (kann ein Elektromagnet sein) zur Erzeugung
eines Magnetfelds in der Spule um fasst. In diesem Fall fließt, wenn
die Spule gemeinsam mit dem Resonanzabschnitt schwingt, aufgrund
der elektromagnetischen Induktion ein elektrischer Strom durch die Spule,
und der elektrische Strom wird durch den elektrischen Stromkreis
detektiert. Jene Vorrichtungen, welche die Änderung der elektrostatischen
Kapazität verwenden,
umfassen jene mit einem Paar auf der Oberfläche der Sensorplatte installierter
Elektroden, mit einer zwischen diesen Elektroden in Sandwich-Anordnung aufgenommenen
dielektrischen Schicht sowie einen mit diesen Elektroden verbundenen
Stromkreis, und jene zur Detektion der in diesem bestimmten Raum
mit dem elektrischen Stromkreis beladenen elektrostatischen Kapazität.
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Die
Vorrichtungen, welche die Änderung
des Einfalllichts verwenden, umfassen jene mit einer Vorrichtung
zum Erleuchten des Resonanzabschnitts, z. B. eine Leuchtdiode, und
eine Vorrichtung zum Messen der Menge an Licht, die durch den Resonanzabschnitt
reflektiert wird (Lichtempfänger).
Der Lichtempfänger
kann ein Lichtsensor sein. Wenn der Resonanzabschnitt schwingt,
so ändert
sich die Menge an Licht, die vom Resonanzabschnitt reflektiert wird, und
die Änderung
der Menge an Einfallslicht wird durch den Lichtempfänger gemessen.
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Jene
Vorrichtungen, die eine Änderung
des elektrischen Widerstands verwenden, werden grob gesprochen in
jene unterteilt, die einen Leiter verwenden, und jene, die einen
Halbleiter verwenden. Die einen Leiter verwendende Vorrichtung verfügt über einen
auf der Oberfläche
des Resonanzabschnitts bereitgestellten Leiter und einen mit dem
Leiter verbundenen elektrischen Stromkreis. Da der Leiter durch
die Schwingung gestört
wird, wenn der Leiter gemeinsam mit dem Resonanzabschnitt schwingt und
wenn sich der Widerstand ändert,
wird diese Widerstandsänderung
durch den elektrischen Stromkreis detektiert. Die Vorrichtung, die
einen Halbleiter verwendet, verwendet anstatt des Leiters einen
Halbleiter.
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Jene
Vorrichtungen, die Pyroelektrizität verwenden, umfassen ein Paar
auf der Oberfläche
der Sensorplatte bereitgestellte Elektroden, ein zwischen diesen
Elektroden ausgebildetes piezoelektrisches Element sowie eine Wärmequelle,
und detek tieren einen durch die Schwingung mit dem elektronischen Schaltkreis
erzeugten pyroelektrischen Strom.
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Diese
Arten von Schwingungssignalwandlern können anstelle der obig beschriebenen
piezoelektrischen Elemente verwendet werden, und zusätzlich dazu
können
verschiedene Signalwandler für
die Anregung des Resonanzabschnitts und getrennt davon für das Aufnehmen
der Schwingung aus dem Resonanzabschnitt verwendet werden. So kann
z. B. ein piezoelektrischer Wandler zum Anregen und ein elektrostatischer
Wandler vom Kapazitätstyp
zum Empfangen verwendet werden. Die Anordnung der anregenden und
empfangenden Vorrichtungen kann geeignet und passend abhängig von
der Anzahl der Sensorplatten ausgewählt werden. Wenn z. B. nur eine
Sensorplatte verwendet wird, können
sie auf der Oberfläche
der Sensorplatte angeordnet werden; wenn zwei Sensorplatten verwendet
werden, können sie
auf beiden Oberflächen
der zwei oder auf jeder Oberfläche
angeordnet werden.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Wie
bereits oben beschrieben wurde, zeigen ein Massensensor und ein
Verfahren zum Abfühlen einer
Masse gemäß der vorliegenden
Erfindung insofern exzellente Wirkungen, als die verschiedenen extrem
kleinen Massenänderungen,
die auf einer Membran auftreten, d. h. Änderung der Massenbelastung auf
der Membran, leicht und genau innerhalb eines kurzen Zeitraums abgefühlt werden
können.
Somit kann, wenn eine Fängersubstanz
zum Einfangen verschiedener abzufühlender Substanzen auf der Membran
auftragen wird, der Massensensor als Gassensor, Geschmacks- oder
Geruchssensor, Immunsensor oder ein Feuchtigkeitsmessgerät verwendet werden,
das verschiedene chemischen Substanzen oder Mikroorganismen wie
Bakterien und Viren leicht und schnell abfühlen kann. Wird eine solche
Fängersubstanz
nicht auf die Membran aufgetragen, so kann der Massensensor als
Filmdickenmeter, Viskositätsmeter,
Vakuummeter oder Thermometer verwendet werden. Zusätzlich dazu
kann, wenn der Sensor als das Trockenverfahren ersetzender Immunsensor,
als Geruchs- oder Geschmackssensor verwendet wird, die Zuverlässigkeit
der Tests verbessert werden, da die Bestimmung sich nicht nur auf den
menschlichen Sinn verlässt.
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Auch
da der Massensensor der vorliegenden Erfindung nur in sehr geringem
Ausmaß durch
die Temperatur der Probe oder durch eine Änderung der Eigenschaften der
Materialien für
den Massensensor selbst aufgrund der Temperatur der Probe nach dem Abfühlen von
Resonanzfrequenzen beeinflusst wird und eine extrem geringe Menge
in der Größenordnung
von 0,1 Nanogramm als die Natur der Struktur messen kann, zeigt
der Massensensor die Wirkung des Abfühlens einer extrem kleinen
Menge der Substanz.
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Obwohl
der Massensensor der vorliegenden Erfindung für verschiedene, oben beschriebene
Anwendungen verwendet werden kann, da die Messung auf der Basis
eines grundlegenden Messprinzips durchgeführt wird, in welchem die Änderung
der Resonanzfrequenzen des Resonanzabschnitts, umfassend dabei die
einer Massenbelastung ausgesetzte Membran, gemessen wird, kann weiters
eine Vielzahl von Resonanzabschnitten mit verschiedenen Funktionen
leicht in einem Massensensor bereitgestellt werden. Somit zeigt,
da die Verwendung einer Vielzahl verschiedener diskreter Sensoren
nicht erforderlich ist, der Massensensor der vorliegenden Erfindung
auch eine exzellente wirtschaftliche Wirkung hinsichtlich der Kostenreduzierung
für die
Aufnahme des Sensors an der Messstelle, für die Einrichtungen zur Handhabung
oder Messung solcher Messinstrumente sowie auch in Hinblick auf
die Kostenverringerung durch die Aufnahme und geteilte Verwendung
der Herstellungsausrüstung.