JP2006322887A - Sensing device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out sensing while keeping high stability, by using sealingly an oscillator in a case, and to attain high sensing feeling. <P>SOLUTION: This sensing device is provided with an oscillation circuit having the piezoelectric oscillator having a characteristic oscillation frequency and an external connection terminal with one portion of an oscillation loop formed in an outside of the circuit, and for conducting electric oscillation by the piezoelectric oscillator, and a detecting external unit having a pair of conductive plates, connected to the oscillation circuit by the external connection terminal, and for detecting a change of capacity between the conductive plates, a change of an electric impedance or an admittance of the detecting external unit is read into the oscillation loop to measure a change of a phase or a frequency output from the oscillation circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、物理量のセンシングを行うセンシング装置に関する。   The present invention relates to a sensing device that performs physical quantity sensing.

化学・医学情報のセンシング装置には、QCM(=Quartz Crystal Microbalance)、即ち水晶振動子の電極面上に特定の物質の吸着膜を構成、発振回路と接続し発振させ発振周波数を測定、同吸着膜に吸着する物質量を周波数の変化量で予測する方法を用いたものがある。   The chemical / medical information sensing device has a QCM (= Quartz Crystal Microbalance), that is, an adsorption film of a specific substance on the electrode surface of a crystal resonator, and is connected to an oscillation circuit to oscillate and measure the oscillation frequency. There is a method using a method of predicting the amount of a substance adsorbed on a film by the amount of change in frequency.

同方法は1959年Sauerberyにより提案された。水晶振動子の厚みに対し十分に薄く均一な被膜によって質量変化:Δm[g]が生じた場合、共振周波数の変化:ΔF[Hz]は(1)式で与えられるとしている。   The method was proposed by Sauerbery in 1959. When mass change: Δm [g] occurs due to a thin film that is sufficiently thin and uniform with respect to the thickness of the crystal resonator, the change in resonance frequency: ΔF [Hz] is given by equation (1).

Figure 2006322887

ここで、F0[MHz]は基本周波数、N[Hz・cm]は振動数定数、A[cm2]は電極面積、ρ[g・cm-3]は水晶の密度を表す。
Figure 2006322887

Here, F 0 [MHz] represents a fundamental frequency, N [Hz · cm] represents a frequency constant, A [cm 2 ] represents an electrode area, and ρ [g · cm −3 ] represents a crystal density.

このようなセンシング装置の中には、水晶振動子の共振周波数の変化から水晶振動子上の被着物の微量な質量変化を測定する水晶振動子マイクロバランス装置がある(たとえば特許文献1参照)。図18は、特許文献1に記載されている水晶振動子マイクロバランス装置100である。水晶振動子マイクロバランス装置100は、オーバートーン発振器112、オーバートーンAt-Cut水晶振動子113、圧膜モニタ本体114、拡散真空ポンプ115、蒸着ボード116、ベルジャー117を備えている。   Among such sensing devices, there is a crystal resonator microbalance device that measures a minute mass change of an adherend on the crystal resonator from a change in the resonance frequency of the crystal resonator (see, for example, Patent Document 1). FIG. 18 shows a crystal resonator microbalance device 100 described in Patent Document 1. The crystal resonator microbalance device 100 includes an overtone oscillator 112, an overtone At-Cut crystal resonator 113, a pressure film monitor main body 114, a diffusion vacuum pump 115, a vapor deposition board 116, and a bell jar 117.

水晶振動子マイクロバランス装置100は、真空装置での蒸着膜厚の実時間モニタを示すもので、高感度QCM法として、水晶振動子113をオーバートーン発振させ、検出周波数を高くすることにより感度を上げている。   The crystal resonator microbalance device 100 shows a real-time monitor of the deposited film thickness in a vacuum device. As a high sensitivity QCM method, the quartz resonator 113 is overtone oscillated and the sensitivity is increased by increasing the detection frequency. Raised.

水晶振動子113は、直径9mm、厚み0.083mmのAT-Cut水晶板の両面にクロム/金(厚さ500Å)の電極を蒸着したものである。このような水晶振動子13においては、(1)式で示されるように、基本周波数:F0が高いほどその周波数変化が大きくなる、即ち検出感度が高くなる。基本周波数と振動子の厚みの関係は(2)式で示される。 The quartz crystal resonator 113 is formed by depositing chromium / gold (thickness: 500 mm) electrodes on both surfaces of an AT-Cut quartz plate having a diameter of 9 mm and a thickness of 0.083 mm. In such a crystal oscillator 13, as shown by equation (1), the fundamental frequency: the frequency change as the F 0 higher increases, i.e. the detection sensitivity is increased. The relationship between the fundamental frequency and the thickness of the vibrator is given by equation (2).

Figure 2006322887

ここで、nはオーバートーン次数、K[MHz・mm]は振動子のカットアングルによって決まる定数、t[mm]は振動子板の厚みを表す。
Figure 2006322887

Here, n is the overtone order, K [MHz · mm] is a constant determined by the cut angle of the vibrator, and t [mm] is the thickness of the vibrator plate.

ここでオーバートーン次数nは1・3・5・・の奇数をとることが可能であり、一般には5次までであれば、振動子は容易に発振可能である。なお、周波数によっては9次まで発振可能な場合もある。一般に良く使用されるAT-CutのK定数は(3)式で示される。   Here, the overtone order n can be an odd number of 1, 3, 5,... In general, the vibrator can easily oscillate up to the fifth order. Depending on the frequency, oscillation up to the 9th order may be possible. A commonly used AT-Cut K constant is given by equation (3).

Figure 2006322887

(3)式より10MHzの周波数でオーバートーン次数nを1として原発振で発振させた場合の厚みはt=0.166mmとなる。5次オーバートーン発振(n=5)では同一の厚みで約50MHzを得ることができる。このとき、質量変化に対する周波数変化量は(1)式より25倍となり、同検出感度も25倍となることを示している。
Figure 2006322887

From the equation (3), the thickness when the overtone order n is set to 1 at the frequency of 10 MHz and the original oscillation is performed is t = 0.166 mm. In the fifth overtone oscillation (n = 5), about 50 MHz can be obtained with the same thickness. At this time, the frequency change amount with respect to the mass change is 25 times from the equation (1), and the detection sensitivity is also 25 times.

特許文献1では、At-Cut振動子を用いてオーバートーン発振を行い検出感度=0.023ng/cm2・Hzを得たことを示している。
特許第3003811号公報
Patent Document 1 shows that detection sensitivity = 0.023 ng / cm 2 · Hz is obtained by performing overtone oscillation using an At-Cut vibrator.
Japanese Patent No. 3003811

しかしながら、上記のようなセンシング装置は、振動子の振動を促す電極面に測定物質を吸着させ、振動子を発振回路で発振させその周波数を測定することで微少物質量を測定し、気相中、液相中に振動子を裸のまま放置するため、振動子をケース内に密閉して使用する通信用振動子に比べ、極端にセンシングの安定度が低下する。   However, the sensing device as described above adsorbs a measurement substance on the electrode surface that promotes vibration of the vibrator, oscillates the vibrator with an oscillation circuit, and measures its frequency to measure the amount of minute substance. Since the vibrator is left bare in the liquid phase, the stability of sensing is extremely reduced as compared with a communication vibrator that is used by sealing the vibrator in a case.

また、上記のようなセンシング装置では、振動子を消耗品として使用することになり、高コストとなってしまう。   Further, in the sensing device as described above, the vibrator is used as a consumable, resulting in high cost.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動子をケース内に密閉して使用し、高い安定度を維持してセンシングを行うことができ、しかも高いセンシング感度を得るセンシング装置を提供する。   The present invention has been made in view of such circumstances, and can be used for sensing while maintaining high stability by using a vibrator sealed in a case and obtaining high sensing sensitivity. Providing equipment.

上記の目的を達成するため、本発明のセンシング装置は、固有の発振周波数を有する圧電振動子と発振ループの一部を回路の外に形成する外部接続端子とを有し、前記圧電振動子により電気的な発振を行う発振回路と、一対の導体板を有し、前記外部接続端子により前記発振回路に接続され、前記導体板間の容量の変化を検出する検出用外部ユニットと、を備え、前記検出用外部ユニットの電気的インピーダンスまたはアドミタンスの変化を発振ループ内に取り込み、前記発振回路から出力される位相または周波数の変化を測定することを特徴としている。   In order to achieve the above object, a sensing device of the present invention includes a piezoelectric vibrator having a specific oscillation frequency and an external connection terminal that forms part of an oscillation loop outside the circuit. An oscillation circuit that oscillates electrically, and a pair of conductor plates, connected to the oscillation circuit by the external connection terminals, and an external unit for detection that detects a change in capacitance between the conductor plates, A change in electrical impedance or admittance of the detection external unit is taken into an oscillation loop, and a change in phase or frequency output from the oscillation circuit is measured.

また、本発明のセンシング装置において、前記圧電振動子は、水晶振動子であることが好適である。   In the sensing device of the present invention, it is preferable that the piezoelectric vibrator is a crystal vibrator.

また、本発明のセンシング装置において、前記圧電振動子は、SAW振動子であることが好適である。   In the sensing device of the present invention, it is preferable that the piezoelectric vibrator is a SAW vibrator.

また、本発明のセンシング装置において、前記圧電振動子は、マイクロストリップラインまたはマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム技術により構成される振動子であることが好適である。   In the sensing device of the present invention, it is preferable that the piezoelectric vibrator is a vibrator configured by a microstrip line or a micro electro mechanical system technology.

また、本発明のセンシング装置は、前記検出用外部ユニットに並列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることが好適である。   Moreover, it is preferable that the sensing device of the present invention further includes a capacitance element or an inductance element connected in parallel to the detection external unit.

また、本発明のセンシング装置は、前記検出用外部ユニットに直列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることが好適である。   Moreover, it is preferable that the sensing device of the present invention further includes a capacitance element or an inductance element connected in series to the detection external unit.

また、本発明のセンシング装置において、前記検出用外部ユニットは、前記導体板の一方が接地されていることが好適である。   In the sensing device of the present invention, it is preferable that one of the conductor plates of the detection external unit is grounded.

本発明のセンシング装置によれば、振動子をケース内に密閉して使用することにより、高い安定度を維持してセンシングを行うことができ、化学物質の分類及び質量また物理量を高い感度で検出することができる。   According to the sensing device of the present invention, by using the vibrator sealed in a case, sensing can be performed while maintaining high stability, and the classification, mass, and physical quantity of chemical substances can be detected with high sensitivity. can do.

従来のセンシング装置では振動子そのものを裸のまま、測定する気体・液体中に置き、発振させ測定するため、振動子に与えるストレスも大きく測定の信頼性が落ちる。これに対し、本発明のセンシング装置は振動子を高い密封度でケース内に収納でき、インピーダンス測定用の金属等による外部ユニットを設け、同ユニットを発振ループと結合し、インピーダンスの変化を周波数変化とし測定する。このため、測定における振動子の信頼性を非常に高くすることができる。   In the conventional sensing device, the vibrator itself is placed in a gas or liquid to be measured while being bare, and is oscillated for measurement. Therefore, the stress applied to the vibrator is large and the measurement reliability is lowered. On the other hand, the sensing device of the present invention can store the vibrator in a case with a high degree of sealing, and is provided with an external unit made of metal for impedance measurement, etc., and the unit is coupled to an oscillation loop to change the impedance change in frequency. And measure. For this reason, the reliability of the vibrator in measurement can be made very high.

外部ユニットを信頼性の高い金属等で構成することにより、センシング装置の信頼性を高めることができる。   By configuring the external unit with a highly reliable metal or the like, the reliability of the sensing device can be increased.

また、外部ユニットは測定対象により自由に最適の構造を選択できる。これにより、従来のQCM測定方法に比べ測定対象を拡張できると共に高い精度で測定可能であり、これからの化学的・物理的測定分野に大きな発展を与えることができる。   Further, the external unit can freely select an optimal structure depending on the measurement target. As a result, the measurement object can be expanded as compared with the conventional QCM measurement method, and the measurement can be performed with high accuracy. This can greatly develop the chemical and physical measurement fields in the future.

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are assigned to the same components in the drawings, and duplicate descriptions are omitted.

図1は、本発明のセンシング装置1aのブロック図である。センシング装置1aは、発振器1および外部ユニット3から構成されている。発振器1の内部には、発振回路2が設けられている。発振回路2には、外部より電源(VCC)、接地(GND)、と発振器出力(OUT)が接続されている。   FIG. 1 is a block diagram of a sensing device 1a of the present invention. The sensing device 1a includes an oscillator 1 and an external unit 3. An oscillation circuit 2 is provided inside the oscillator 1. A power supply (VCC), ground (GND), and oscillator output (OUT) are connected to the oscillation circuit 2 from the outside.

発振回路2は、所定の発振周波数で発振が行われるように、圧電振動子(図示せず)を備えている。圧電振動子とは、水晶を代表とする結晶材料の特定の結晶軸方向に圧力を加えると、特定の軸方向に電荷が発生する現象を持つ振動子である。圧電振動子としては、水晶振動子、SAW振動子、またはマイクロストリップラインもしくはマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム技術(MEMS= Micro Electro Mechanical Systems)により構成される振動子を用いるのが好適である。   The oscillation circuit 2 includes a piezoelectric vibrator (not shown) so that oscillation is performed at a predetermined oscillation frequency. A piezoelectric vibrator is a vibrator having a phenomenon in which, when pressure is applied in a specific crystal axis direction of a crystal material typified by quartz, electric charges are generated in the specific axis direction. As the piezoelectric vibrator, it is preferable to use a crystal vibrator, a SAW vibrator, or a vibrator constituted by a microstrip line or micro electro mechanical system technology (MEMS = Micro Electro Mechanical Systems).

水晶振動子とは、上記圧電振動子の一つで、水晶の圧電素子を専用容器に組み込んだものである。SAW振動子とは圧電体の表面に電極が正負交互に並べられた構造を持ち、表面が波状の振動をする(表面弾性波)振動子である。マイクロストリップラインとはマイクロ波を用いたユニット内の、回路、部品の接続に用いられるもので、プリント基板上の片面がグラウンド、上面が信号ラインとなっているものである。MEMSとはマイクロ(マイクロは100万分の1)メートルサイズまで微細化する技術によって加工された電気系、機械系の部品や機構である。   The quartz crystal vibrator is one of the above-described piezoelectric vibrators, in which a quartz piezoelectric element is incorporated in a dedicated container. The SAW vibrator has a structure in which electrodes are alternately arranged on the surface of a piezoelectric body, and the surface vibrates in a wavy manner (surface acoustic wave). The microstrip line is used to connect circuits and components in a unit using microwaves, and one side on the printed circuit board is a ground and the upper side is a signal line. MEMS are electrical and mechanical parts and mechanisms that have been processed using a technology that reduces the size to the micro (micro is 1 / 1,000,000) metric size.

圧電振動子の周辺には、ケースが設けられ、外部の影響を受け難いように保護されている。このように、圧電振動子をケース内に密閉して使用することにより、高い安定度を維持してセンシングを行うことができ、化学物質の分類及び質量また物理量を高い感度で検出することができる。   A case is provided around the piezoelectric vibrator to protect it from being hardly affected by the outside. Thus, by using the piezoelectric vibrator sealed in the case, sensing can be performed while maintaining high stability, and the classification, mass, and physical quantity of chemical substances can be detected with high sensitivity. .

発振回路2には発振ループより2つの出力が設けられ、発振器1の外部接続端子4に接続されている。外部接続端子4により、発振器1は、インピーダンスまたはアドミタンス測定用の外部ユニット3(検出用外部ユニット)に接続されている。   The oscillation circuit 2 is provided with two outputs from the oscillation loop, and is connected to the external connection terminal 4 of the oscillator 1. The oscillator 1 is connected to the external unit 3 for measuring impedance or admittance (external unit for detection) through the external connection terminal 4.

図2は、外部ユニット3の構造を示す概念図である。外部ユニット3は、各外部接続端子4に接続され、容量を形成する一対の導体板により構成されている。外部ユニット3は、その内部の気体あるいは液体の誘電率および導伝率によるインピーダンスまたはアドミタンスによる周波数の変化を測定し、物質の種類、同物質の質量、また物理量を検出する。   FIG. 2 is a conceptual diagram showing the structure of the external unit 3. The external unit 3 is connected to each external connection terminal 4 and is composed of a pair of conductor plates that form a capacitance. The external unit 3 measures the change in frequency due to the impedance or admittance due to the dielectric constant and conductivity of the gas or liquid therein, and detects the type of substance, the mass of the substance, and the physical quantity.

このように外部ユニット3により検出を行うため、発振の機能を有する圧電振動子そのものを裸のまま、測定対象の気体または液体中に置いて測定する必要がなくなるため、ケース等を設けて圧電振動子に与えるストレスを小さくし、測定の信頼性を向上することができる。具体的には、圧電振動子を高い密封度でケース内に収納でき、インピーダンス測定用の金属等による外部ユニットを設け、同ユニットを発振ループと結合し、インピーダンスの変化を周波数変化として測定する。このため、測定における振動子の信頼性を非常に高くすることができる。   Since detection is performed by the external unit 3 in this way, there is no need to place the piezoelectric vibrator itself having an oscillation function in the gas or liquid to be measured while it is bare. The stress applied to the child can be reduced and the measurement reliability can be improved. Specifically, the piezoelectric vibrator can be housed in the case with a high degree of sealing, and an external unit made of a metal or the like for impedance measurement is provided. The unit is coupled to an oscillation loop, and the change in impedance is measured as a change in frequency. For this reason, the reliability of the vibrator in measurement can be made very high.

なお、外部ユニット3を信頼性の高い金属等で構成することにより、センシング装置1aの信頼性を高めることができる。また、外部ユニット3は測定対象により自由に最適の構造を選択できる。これにより、従来のQCM測定方法に比べ測定対象を拡張できると共に高い精度で測定可能であり、これからの化学的・物理的測定分野に大きな発展を与えることができる。   In addition, the reliability of the sensing apparatus 1a can be improved by configuring the external unit 3 with a highly reliable metal or the like. Further, the external unit 3 can freely select an optimal structure depending on the measurement target. As a result, the measurement object can be expanded as compared with the conventional QCM measurement method, and the measurement can be performed with high accuracy. This can greatly develop the chemical and physical measurement fields in the future.

図3は、外部接続端子4の一端を接地(アース)とするセンシング装置1bのブロック図である。センシング装置1bは、接地と端子間のインピーダンスまたはアドミタンスによる周波数の変化を測定し、物質の分類、同物質の質量、また物理量を検出する。   FIG. 3 is a block diagram of the sensing device 1b in which one end of the external connection terminal 4 is grounded. The sensing device 1b measures the change in frequency due to the impedance or admittance between the ground and the terminal, and detects the classification of the substance, the mass of the substance, and the physical quantity.

図1および図2のブロック図の等価回路として、図4に、センシング装置の等価回路を示す。   As an equivalent circuit of the block diagrams of FIGS. 1 and 2, FIG. 4 shows an equivalent circuit of the sensing device.

(4)式は、インダクタンスL1を有する振動子直列インダクタンス要素7および容量C1を有する振動子直列容量要素6からなる回路の共振周波数である。(4)式は、直列共振周波数からの発振周波数偏差DLを示し、(5)式は単位容量当りの変化量dDL/dCxを示す。 Equation (4) is a resonance frequency of a circuit including the vibrator series inductance element 7 having the inductance L 1 and the vibrator series capacitance element 6 having the capacitance C 1 . Equation (4) shows the oscillation frequency deviation D L from the series resonance frequency, and equation (5) shows the amount of change dD L / dC x per unit capacity.

Figure 2006322887
Figure 2006322887

Figure 2006322887

(5)式のC0は振動子並列容量要素8の容量、Caは付加容量要素10の容量、Ccは発振回路容量要素の容量要素9の容量、Cxは外部ユニット3の電極間容量要素5の容量である。
Figure 2006322887

In Equation (5), C 0 is the capacitance of the resonator parallel capacitive element 8, Ca is the capacitance of the additional capacitive element 10, Cc is the capacitance of the capacitive element 9 of the oscillation circuit capacitive element, and Cx is the capacitive element 5 between the electrodes of the external unit 3. Capacity.

図5に(5)式のシミュレーション結果を示す。図5より、外部ユニット3の静電容量を小さくすることによって、周波数変化が大きくなり、センシング感度が高まることがわかる。   Figure 5 shows the simulation result of equation (5). From FIG. 5, it can be seen that by decreasing the capacitance of the external unit 3, the frequency change increases and the sensing sensitivity increases.

即ち、周波数を26MHzとし、At-Cut振動子:γ容量比(=196)、C0=3.15pF、を用いた発振回路2で、回路容量をCc=30pFとすると、外部ユニット容量が10pFの場合に素子感度=‐20ppm/pF、1pFで素子感度=‐110ppm/pFを得ることができる。 That is, assuming that the frequency is 26 MHz, the oscillation circuit 2 using the At-Cut resonator: γ capacitance ratio (= 196), C 0 = 3.15 pF, and the circuit capacitance is Cc = 30 pF, the external unit capacitance is 10 pF. In this case, the device sensitivity = −110 ppm / pF can be obtained with the device sensitivity = −20 ppm / pF and 1 pF.

次に、外部ユニット3の電極を2枚の金属板で構成するとき、電極板5aと電極板5bとの間の容量は(6)式で示される。   Next, when the electrode of the external unit 3 is composed of two metal plates, the capacitance between the electrode plate 5a and the electrode plate 5b is expressed by equation (6).

Figure 2006322887

ここで、ε0は真空の誘電率、εsは比誘電率、dは極板間距離、Sは極板面積をあらわす。
Figure 2006322887

Here, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, ε s is the relative dielectric constant, d is the distance between the electrode plates, and S is the electrode plate area.

たとえば、図6に示すように、外部ユニット3を、電極板の一辺の長さW=0.1m電極板面積S=W×W=0.1×0.1=0.01m2、極版間距離d=0.05m、ε0=8.85pF/mである構造とすると、電極間容量Cxは(7)式で与えられる。 For example, as shown in FIG. 6, the external unit 3 is composed of an electrode plate having a side length W = 0.1 m, an electrode plate area S = W × W = 0.1 × 0.1 = 0.01 m 2 , and a distance between electrode plates d = 0.05 m. , Ε 0 = 8.85 pF / m, the interelectrode capacitance Cx is given by equation (7).

Figure 2006322887

また、比誘電率に対する周波数変化は(5)式及び(7)式より(8)式で示される。
Figure 2006322887

Further, the frequency change with respect to the relative permittivity is expressed by the equation (8) from the equations (5) and (7).

Figure 2006322887

(8)式のシミュレーション結果を図7に示す。
Figure 2006322887

The simulation result of the equation (8) is shown in FIG.

図8は、主要な物質の比誘電率を示す表である。図8の比誘電率表より、比誘電率εs=1近傍ではdDL/dεs≒130ppmとなる。即ち気体を対象とした場合、気体の分類による変化量はΔεs≒0.0001となり、その変化量はΔDL≒0.013ppmであり、周波数換算で約0.3Hzである。この周波数の変化量は、測定可能範囲であることがわかる。 FIG. 8 is a table showing the relative permittivity of main substances. From the relative permittivity table of FIG. 8, in the vicinity of the relative permittivity εs = 1, dD L / dεs≈130 ppm. That is, when gas is targeted, the amount of change due to gas classification is Δεs≈0.0001, the amount of change is ΔD L ≈0.013 ppm, and is about 0.3 Hz in terms of frequency. It can be seen that the amount of change in frequency is within the measurable range.

また、液体では比誘電率が2より大きく、その分類による変化量はΔεs≒0.1程度である。その変化量はΔDL≒13ppmであり、周波数換算≒340Hzである。したがって、この周波数の変化量であれば、測定が容易であることがわかる。 In addition, the relative permittivity of the liquid is larger than 2, and the amount of change due to the classification is about Δεs≈0.1. The amount of change is ΔD L ≈13 ppm, and the frequency conversion is ≈340 Hz. Therefore, it can be seen that measurement is easy if the amount of change in frequency is this.

次に、外部ユニット3の変化に素子感度を上げる方法として、図9に示す様に外部接続端子と並列にインダクタLaのインダクタ要素11を挿入する手段がある。   Next, as a method of increasing the element sensitivity to the change of the external unit 3, there is means for inserting the inductor element 11 of the inductor La in parallel with the external connection terminal as shown in FIG.

周波数偏差は(9)式で与えられ、外部ユニット3の容量変化に対する素子感度:dDL/dCxは(11)式で与えられる。 The frequency deviation is given by equation (9), and the element sensitivity: dD L / dCx to the capacitance change of the external unit 3 is given by equation (11).

Figure 2006322887

ωaは(10)式で与えられる。また、ω0は共振角周波数である。
Figure 2006322887

ωa is given by equation (10). Further, ω 0 is a resonance angular frequency.

Figure 2006322887
Figure 2006322887

Figure 2006322887

また、外部ユニット3内の比誘電率対周波数偏差の関係は(12)式に示される。
Figure 2006322887

Further, the relationship between the relative dielectric constant and the frequency deviation in the external unit 3 is expressed by equation (12).

Figure 2006322887

図11に、(12)式のシミュレーション結果を示す。
Figure 2006322887

FIG. 11 shows the simulation result of the equation (12).

外部接続端子に接続するインダクタ要素のインダクタLaが7μHで比誘電率がεs=1近傍ではdDL/dεs≒50000ppmとなり、インダクタ要素を挿入することにより素子感度を非常に大きくすることができる。 When the inductor La of the inductor element connected to the external connection terminal is 7 μH and the relative dielectric constant is around εs = 1, dD L / dεs≈50000 ppm, and the element sensitivity can be greatly increased by inserting the inductor element.

例えば、気体を対象とした場合、気体の分類による変化量はΔεs≒0.0001となり、その変化量がΔDL≒5ppm、周波数換算が約130Hzで容易に測定可能となることがわかる。   For example, in the case of gas, the amount of change due to gas classification is Δεs≈0.0001, and the amount of change is ΔDL≈5 ppm, and the frequency conversion can be easily measured at about 130 Hz.

図12に、外部ユニットに容量Caの付加容量要素10を並列接続し、回路にインダクタLcのインダクタ要素11aを接続したセンシング装置の等価回路を示す。   FIG. 12 shows an equivalent circuit of the sensing device in which the additional capacitance element 10 having the capacitance Ca is connected in parallel to the external unit, and the inductor element 11a of the inductor Lc is connected to the circuit.

(13)式は直列共振周波数からの発振周波数偏差を示し、(14)式は単位容量当りの変化量を示す。   Equation (13) shows the oscillation frequency deviation from the series resonance frequency, and Equation (14) shows the amount of change per unit capacity.

Figure 2006322887
Figure 2006322887

Figure 2006322887

図13に、(14)式のシミュレーション結果を示す。外部ユニット3の容量が1pFの場合に、素子感度‐200ppm/pFを得ることができることが示されている。
Figure 2006322887

FIG. 13 shows the simulation result of the equation (14). It is shown that device sensitivity of -200 ppm / pF can be obtained when the capacity of the external unit 3 is 1 pF.

また、外部ユニット3内の比誘電率対周波数偏差の関係は(15)式に示される。   Further, the relationship between the relative dielectric constant and the frequency deviation in the external unit 3 is expressed by equation (15).

Figure 2006322887

図14に、(15)式のシミュレーション結果を示す。
Figure 2006322887

FIG. 14 shows the simulation result of equation (15).

外部接続端子4に接続するインダクタ要素11aのインダクタLaが8μHで比誘電率がεs=1近傍では、dDL/dεs≒550ppmとなり、インダクタ要素を挿入することにより素子感度を大きくすることができるのがわかる。 When the inductor La of the inductor element 11a connected to the external connection terminal 4 is 8 μH and the relative dielectric constant is in the vicinity of εs = 1, dD L / dεs≈550 ppm, and the element sensitivity can be increased by inserting the inductor element. I understand.

例えば、気体を対象とした場合、気体の分類による変化量はΔεs≒0.0001となり、その変化量がΔDL≒0.055ppmで、周波数換算が約1.43Hzとなり、容易に測定可能であることがわかる。 For example, in the case of gas, the amount of change due to gas classification is Δεs≈0.0001, the amount of change is ΔD L ≈0.055 ppm, and the frequency conversion is about 1.43 Hz, which can be easily measured.

図1の外部ユニット3を電極間容量の値があらかじめ分かっているセラミックコンデンサに置き換え、容量変化に伴う水晶振動子の発振周波数を測定した。図15は、実験装置の概略図である。   The external unit 3 in FIG. 1 was replaced with a ceramic capacitor whose interelectrode capacitance value was known in advance, and the oscillation frequency of the crystal resonator accompanying the capacitance change was measured. FIG. 15 is a schematic diagram of an experimental apparatus.

測定手順を以下に示す。   The measurement procedure is shown below.

(a)金属等を使用した、二枚の電極板19を平行にし、外部ユニット3を作製する。(b)電極板19と外部接続端子4を配線する。(c)図16のように、周波数測定装置21、電極板19、発振器1を配線する。(d)液体20を入れた容器18に(a)で配置した電極板19を挿入する。(e)周波数測定装置21で、周波数変化を測定する。   (A) Two electrode plates 19 using metal or the like are made parallel to produce the external unit 3. (B) The electrode plate 19 and the external connection terminal 4 are wired. (C) As shown in FIG. 16, the frequency measuring device 21, the electrode plate 19, and the oscillator 1 are wired. (D) The electrode plate 19 arranged in (a) is inserted into the container 18 containing the liquid 20. (E) The frequency change is measured by the frequency measuring device 21.

周波数測定装置21、発振器1についての詳しい説明を記述する。周波数測定装置21とは周波数カウンタ、インピーダンスアナライザーのことである。   Detailed descriptions of the frequency measuring device 21 and the oscillator 1 will be described. The frequency measuring device 21 is a frequency counter or an impedance analyzer.

図16に上記の測定結果を示す。図16より静電容量が小さいほど、発振周波数が指数関数的に増加していることが分かる。したがって、より静電容量が小さい状態を達成できる外部ユニット3を作製すれば、より高分解能・高感度の測定が可能になる。   FIG. 16 shows the above measurement results. It can be seen from FIG. 16 that the oscillation frequency increases exponentially as the capacitance decreases. Therefore, if the external unit 3 capable of achieving a state with a smaller electrostatic capacity is produced, measurement with higher resolution and higher sensitivity can be performed.

これらの結果を元に、実験を行い作製した電極板19を用いて液体20の種類を判別可能であること示した。   Based on these results, it was shown that the type of the liquid 20 can be discriminated using the electrode plate 19 produced by experiment.

実験手順を以下に示す。   The experimental procedure is shown below.

図15の実験系を用いて、液体20に蒸留水、メタノールの二種類をそれぞれ用いて、電極板19を液体20に浸したときの発振周波数を測定し、物質による発振周波数の違いがあるか検討した。   Using the experimental system of FIG. 15, the oscillation frequency when the electrode plate 19 is immersed in the liquid 20 is measured using two kinds of liquid 20 such as distilled water and methanol, and whether there is a difference in the oscillation frequency depending on the substance. investigated.

実験結果を図17に示す。図17より明らかに液体20の違いにより発振周波数が異なることが分かる。   The experimental results are shown in FIG. FIG. 17 clearly shows that the oscillation frequency varies depending on the liquid 20.

本発明に係るセンシング装置のブロック図である。1 is a block diagram of a sensing device according to the present invention. 外部ユニットの構造図である。It is a structural diagram of an external unit. 本発明に係るセンシング装置のブロック図である。1 is a block diagram of a sensing device according to the present invention. 本発明に係るセンシング装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the sensing device according to the present invention. 本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the equivalent circuit of the sensing apparatus which concerns on this invention. 外部ユニットの構造例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of an external unit. 比誘電率対周波数変化量の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result about the relationship between a dielectric constant versus frequency variation. 各物質の誘電率表である。It is a dielectric constant table | surface of each substance. 本発明に係るセンシング装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the sensing device according to the present invention. 本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the equivalent circuit of the sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the equivalent circuit of the sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るセンシング装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the sensing device according to the present invention. 本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the equivalent circuit of the sensing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るセンシング装置の等価回路のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the equivalent circuit of the sensing apparatus which concerns on this invention. 実験装置の概略図である。It is the schematic of an experimental apparatus. 外部ユニットの容量変化に対する周波数を測定した測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result which measured the frequency with respect to the capacity | capacitance change of an external unit. メタノールおよび蒸留水の周波数降下測定結果を示す図である。It is a figure which shows the frequency drop measurement result of methanol and distilled water. 従来のセンシング装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the conventional sensing apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1a、1b センシング装置
1 発振器
2 発振回路
3 外部ユニット
4 外部接続端子
5 電極間容量要素
5a 電極板
5b 電極板
6 振動子直列容量要素
7 振動子直列インダクタンス要素
8 振動子並列容量要素
9 発振回路容量要素
10 付加容量要素
11 インダクタ要素
11a インダクタ要素
18 容器
19 電極板
20 液体
21 周波数測定装置
C1 振動子直列容量要素の容量
Ca 付加容量要素の容量
Cx 電極間容量
dDL/dCx 単位容量当りの発振周波数偏差の変化量
DL 発振周波数偏差
L1 振動子直列インダクタンス要素のインダクタンス
La 外部接続端子に接続するインダクタ要素のインダクタ
Lc インダクタ要素のインダクタ
εs 比誘電率
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b Sensing apparatus 1 Oscillator 2 Oscillation circuit 3 External unit 4 External connection terminal 5 Electrode capacitive element 5a Electrode plate 5b Electrode plate 6 Vibrator series capacitive element 7 Vibrator series inductance element 8 Vibrator parallel capacitive element
9 Oscillating circuit capacitive element 10 Additional capacitive element 11 Inductor element 11a Inductor element 18 Container 19 Electrode plate 20 Liquid 21 Frequency measuring device
C 1 element series capacitance
Ca additional capacitance element capacitance Cx interelectrode capacitance dD L / dC x variation in oscillation frequency deviation per unit capacitance
D L Oscillation frequency deviation
L 1 Inductance of series inductance element
La Inductor element inductor connected to external connection terminal
Inductor εs relative permittivity of Lc inductor element

Claims (7)

固有の発振周波数を有する圧電振動子と発振ループの一部を回路の外に形成する外部接続端子とを有し、前記圧電振動子により電気的な発振を行う発振回路と、
一対の導体板を有し、前記外部接続端子により前記発振回路に接続され、前記導体板間の容量の変化を検出する検出用外部ユニットと、を備え、
前記検出用外部ユニットの電気的インピーダンスまたはアドミタンスの変化を発振ループ内に取り込み、前記発振回路から出力される位相または周波数の変化を測定することを特徴とするセンシング装置。
An oscillation circuit having a piezoelectric vibrator having a specific oscillation frequency and an external connection terminal for forming a part of the oscillation loop outside the circuit, and performing electrical oscillation by the piezoelectric vibrator;
A detection external unit that has a pair of conductor plates and is connected to the oscillation circuit by the external connection terminals and detects a change in capacitance between the conductor plates;
A sensing device characterized in that a change in electrical impedance or admittance of the detection external unit is taken into an oscillation loop and a change in phase or frequency output from the oscillation circuit is measured.
前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。   The sensing device according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a crystal vibrator. 前記圧電振動子は、SAW振動子であることを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。   The sensing device according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a SAW vibrator. 前記圧電振動子は、マイクロストリップラインまたはマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム技術により構成される振動子であることを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。   The sensing device according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a vibrator configured by a microstrip line or a micro electro mechanical system technology. 前記検出用外部ユニットに並列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のセンシング装置。   The sensing device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a capacitance element or an inductance element connected in parallel to the detection external unit. 前記検出用外部ユニットに直列接続される、キャパシタンス要素またはインダクタンス要素をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のセンシング装置。   The sensing device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a capacitance element or an inductance element connected in series to the detection external unit. 前記検出用外部ユニットは、前記導体板の一方が接地されていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載のセンシング装置。   The sensing device according to any one of claims 1 to 6, wherein one of the conductor plates of the external unit for detection is grounded.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008275504A (en) * 2007-05-01 2008-11-13 Hirokazu Tanaka Sensing device
JP2012255669A (en) * 2011-06-07 2012-12-27 Nippon Dempa Kogyo Co Ltd Acceleration measuring apparatus
JP2013024648A (en) * 2011-07-19 2013-02-04 Nippon Dempa Kogyo Co Ltd Detection device and detection method

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