JP2004518959A - 共振センサ - Google Patents

Abstract

構造の特性変化を決定するための、特には化学的又は生物学的な種子の存在を検知するための、共振センサは、共振可能に設置された構造（２）を具備しており、更に前記構造（２）は、共通の自然周波数（ｆ）の振動の２つの独立した縮退モードを有する周期的に対称な形態、及び前記２つの縮退するモードに従い共振するように前記構造（２）を刺激するための手段（２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８）を有しており、前記構造（２）の領域（８，１２，１６，２０）は修正されて、それにより、例えば質量の付加又は削減により、前記修正された領域（８，１２，１６，２０）の構造特性における変化において、振動の前記２つのモードの自然周波数（ｆ１、ｆ２）が相違するようになり、周波数の相違（Δｆ）は構造特性の変化に比例する。

Description

【０００１】
・技術分野
本発明は、構造的特性の変化を決定するための共振センサに係わり、化学的又は生物学的な種（ｓｐｅｃｉｅｓ）の存在を検知するためのその様なセンサに対する排他的ではないが特定の用途を有する。
【０００２】
・発明の背景
共振質量センサを提供することは十分に確立されたものであり、その共振質量センサにおいては、前記センサへの質量の適用において発生する共振周波数における変化が、適用された質量の値の計算に使用される。
【０００３】
しかしその様なデバイス（装置）は、付加された質量を決定するために、周波数における絶対的な変化に依存しており、前記デバイスは通常、１０から１００ＭＨｚ程度の範囲の周波数において稼動する。１０００Ｈｚより小さな変化を計測することがしばしば必要であるので、発振器（オシレータ）の安定性は非常に重要であり、精密な熱的特性及び環境の別の関連するパラメータは、意味のある質量の計測を実施するために認識される必要がある。
【０００４】
・発明の概要
センサに質量を付加すること又はそれから質量を削減すること等の、構造的特性の変化を計測することの今までに比べて、より迅速で直接的な能力のある共振センサを提供可能にすることが所望されており、計測は環境条件に依存しない。
【０００５】
本発明に従い、構造の特性変化を決定するための共振センサが提供されており、前記センサは、共振可能に搭載された構造を具備しており、前記構造は共通の自然周波数の振動の２つの独立した縮退（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ）モードを有する周期的に対称な形態及び該２つの縮退するモードに従い共振するように前記構造を刺激するための手段を有しており、前記構造の領域は修正されて、それにより前記修正された領域の構造的特性における変化において、振動の前記２つのモードの自然周波数は相違するようになり、周波数の相違は構造的特性の変化に比例している。
【０００６】
従って、例えば化学的な又は生物学的な種が、該領域の質量を変化するための表面の修正された領域に付帯する（ｉｎｃｉｄｅｎｔ）場合に、前記センサの周期的な対称性は破壊されて、前に縮退したモードの周波数の割れ（スプリット）が生成される。周波数の相違値は付加された質量を計算可能にする。
【０００７】
好適な実施の形態の説明
本発明は、振動の数対の独立モードを有する周期的に対称な構造に基づいており、それ（構造）は振動の共通の自然周波数を分け合う（ｓｈａｒｅ）。
【０００８】
その様な構造の背景にある理論は、添付図の内図１から３を参照して詳述される。
【０００９】
周期的に対称な構造は、要素から形成されており、それら要素は、固定された軸の周りで特定の角度を介しての連続的な回転により、ベース（基本）要素から派生される。もしベース要素が、３６０度／ｎの角度の幅を有する場合に、ここでｎは接続される構造を形成するために整数でなければならないが、前記回転から形成されて生じる構造はｎ次（オーダー）の回転対称である。
【００１０】
例えば、図１に示される等辺三角形を考えてこれをベース要素とする。もし構造が、紙面の平面に垂直であってＡにおける頂点を通過する、軸線の周りの６０度の連続的な回転により、この三角形により形成される場合に、図２に示されるように六角形が形成される。この結果の構造は６次の周期的な対称性を有する。
【００１１】
周期的に対称な構造は、振動の共通の自然周波数を分け合う、振動の数対の独立モードを有することが既知である。この形態はモードの（ｍｏｄａｌ）縮退（ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ）と呼ばれている。自然周波数ｆで振動する場合、完全な構造の変位された形状ｕは常に、各要素の変位、即ちｕ＝（ｕ１，ｕ２，．．．ｕｎ）、により形成されるベクトルとして考えられる。六角形の場合、ｎ＝６である。もしモードの（ｍｏｄａｌ）変位は、ｕがｕ＝ｕ１（１，１，．．．１）及びｕ＝ｕ１（１，−１，１，−１．．．１，−１）を満たさないようなものであると、モードは縮退する。もしｕ＝（ｕ１，ｕ２，．．．ｕｎ）が縮退するモードの一つである場合には、一つの要素を介しての変位された形状の回転により得られる、ｕ＝（ｕｎ，ｕ１，ｕ２，．．．ｕｎ−１）は別のモードである。
【００１２】
もしこの対称性が、例えば質量の追加又は除去により、壊される場合には、前記かつて縮退したモードに関連する自然周波数は、各モードに対して固有に（ｕｎｉｇｕｅ）なり、図３に示されるように、ｆからｆ１に及びｆからｆ２に変化して、それにより値Δｆの周波数のスプリット（割れ）が前記２つのモードの間に存在する。周波数のこのスプリットは、周期的な対称性における「破壊部」の計測として使用可能であり、質量センサの場合においては質量の変化の関数である。
【００１３】
この考えの実用的用途は図４から６に示される。これらの図面において、比較的薄い導電性材料の円形膜２の形の構造が示されており、それの周囲はより厚い支持基部６に４において固定される。
【００１４】
膜２の上表面には、例えば金製の８つの等間隔の領域８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２が設置されており、それにより膜２は８次の周期的な対称性を有する。
【００１５】
領域８から２２の材料は、監視されるべき特定の化学的又は生物学的な種（ｓｐｅｃｉｅｓ）による接着を促進するように、それ（前記材料）が化学的に処理可能であるように選択される。質量センサの場合において、領域８，１２，１６と２０は、修正される一方で、領域１０，１４，１８と２２は修正されない状態で留まる。
【００１６】
膜２の下表面の直ぐ下には、８つの作動及び検知電極２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８が配置されており、１つは領域８から２２の各々に関係する。
【００１７】
電極２４，２８，３２と３６は、静電的手段により膜２における共振曲げ応答（ｒｏｓｏｎａｎｔ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を生成するように使用されており、前記膜のそれに続くモードの（ｍｏｄａｌ）運動は、８重（ｆｏｌｄ）の対称性（図５参照）を有する構造に関して、ｃｏｓ２θとして円周方向に変化する形で実施可能である。角度θは、データの線ＯＡから計測される膜の平面において線ＯＢを規定し、それ（線ＯＡ）は領域８を２等分するように選択される。このケースにおいて、線ＯＢ上の全ての点はｃｏｓ２θに比例する変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を有する。
【００１８】
同様な方法で、電極２６，３０，３４と３８は、作動された時に、膜における共振曲げ応答を刺激しており、それのモードの運動はｓｉｎ２θとして円周方向で変化する。
【００１９】
これらのモードの運動は、縮退し、従って共通の自然周波数を分け合う。
【００２０】
化学的又は生物学的な種が、修正された領域８，１２，１６と２０に設置された場合に、これらの領域の質量は変化し、膜２の周期的な対称性は壊される。
【００２１】
上記で詳述されたように、かつて縮退したモードの周波数のスプリットの計測は、修正された領域に付加された質量を計算可能にする。膜２内の内部応力（ｓｔｒｅｓｓ）、温度及び圧力における変化により生じる周波数変化は、各モードにおいて同じものであり、従って周波数のスプリットの値に貢献せず、従って配置はこれらの影響に関して自己吸収（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ）する。
【００２２】
記述され図示されたセンサからの修正形態及び変形形態は、記載される請求項の範囲から逸脱しないで実施可能である。特別には、センサは、質量の減少を含む、種々の構造特性の変化を決定するために使用可能であり、電極２４から３８は、例えば作動（オペレーション）において静電式、磁力式、又は圧電式であっても良い別の刺激手段により置換されても良く、領域８から２２は金以外の任意の適当な材料であっても良く、更に膜の周期的な対称性は、領域８から２２の数及び刺激手段２４から３８の数と同様に、８以外であっても良い。
【００２３】
図７を参照すると、３重（ｆｏｌｄ）の周期的な対称性を有するように設計された膜２が図示される。その対称性は、膜２の上表面に設置された３つの同一の等間隔の「電極の」領域８，１０，１２を有することにより実現可能である。この膜２はやはり、２つの同一の自然周波数を有するｃｏｓ２θとｓｉｎ２θの形の縮退するモードを有する。
【００２４】
ｃｏｓ２θにより特徴づけられるモードは、点線Ｎ１により図示される節（ｎｏｄａｌ）線を有する一方で、ｓｉｎ２θにより特徴づけられるモードは、実線Ｎ２により図示される節線を有する。
【００２５】
領域８、１０，１２は、化学処理されて、前記節線Ｎ１のいずれかの側に対称にそこに配設された４つの副領域４０，４２，４４と４６を形成しており、これらの副領域は、化学的又は生物学的な種が膜２の表面に結合可能にして、それにより副領域４０から４６の膜２の質量を変化させるようなものである。
【００２６】
付加された質量は、ｃｏｓ２θモードの節線周りに等しく配設されるので、このモードの自然周波数におけるその効果は小さい。しかし、ｓｉｎ２θモードのケースは同じではなく、それ（ｓｉｎ２θモード）の周波数は、かつて縮退したモードの自然周波数におけるスプリットが発生する結果と共に、より大きな程度で変化させられる。
【００２７】
別の修正形態及び変形形態は当業者にとって明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明に従うセンサの膜の形における構造のベース要素を図示する。
【図２】
図２は、本発明に従うセンサの膜を図示する。
【図３ａ】
図３ａは、周期的に対称な構造の振動の２つの独立モードの共通の共振周波数を示す。
【図３ｂ】
図３ｂは、周期的な対称性の修正における該モードの周波数のスプリットを示す。
【図４】
図４は、本発明に従う第１のセンサの一部を通る横（側）断面である。
【図５】
図５は、図４のセンサの膜の下からの平面図である。
【図６】
図６は、図４のセンサの膜の上からの平面図である。
【図７】
図７は、本発明に従う別のセンサの膜の上からの平面図である。

Claims (7)

1. 構造の特性変化を決定するための共振センサにおいて、このセンサは、
   構造（２）が共振可能に設置されることと、
   前記構造（２）は、共通の自然周波数の振動の２つの独立した縮退するモードを有する周期的に対称な形態、及び該２つの縮退するモードに従い共振するように前記構造（２）を刺激するための手段（２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８）を有することと、
   前記構造（２）の領域（８，１２，１６，２０）は修正されて、それにより前記修正された領域（８，１２，１６，２０）の構造特性における変化において、振動の前記２つのモードの自然周波数（ｆ１、ｆ２）が相違するようになり、周波数の相違（Δｆ）は構造特性の変化に比例することと、
   を特徴とする共振センサ。
2. 前記構造は、膜（２）を具備しており、その膜（２）の周囲は支持基部（６）に固定されており、前記膜（２）の修正された領域（８，１２，１６，２０）はそれの上表面上にあり、前記膜（２）を刺激するための手段（２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８）は、前記膜の該修正された領域（８，１２，１６，２０）に対して対称に配設されると共に前記膜（２）の下に設置される、
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記膜（２）を刺激するための手段（２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８）は、作動において静電式、磁力式又は圧電式である請求項２に記載のセンサ。
4. 前記膜（２）は導電材料により形成されており、前記膜（２）を刺激するための手段（２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８）は電極を具備する請求項２又は３のいずれかに記載のセンサ。
5. 前記膜（２）の上表面に、そこの周りに等間隔で形成された複数の領域（８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２）が存在しており、
   一つ置きの領域（８，１２，１６，２０）が修正されていて、残りの領域（１０，１４，１８，２２）は修正されず、
   関連する電極（２４，２８，３２，３６）は、前記修正された領域（８，１２，１６，２０）の下に配置されて、前記膜（２）における第１の共振曲げ応答をそれの刺激において生成しており、更に
   関連する電極（２６，３０，３４，３８）は、前記修正されない領域（１０，１４，１８，２２）の下に配置されて、前記膜（２）における第２の共振曲げ応答をそれの刺激において生成する、
   請求項２から４のいずれか一項に記載のセンサ。
6. 一つ置きの領域は、化学的処理により修正されて、監視されるべき種との結合を促進する請求項１に記載のセンサ。
7. 前記領域は金により形成される請求項６に記載のセンサ。