JP2009174930A - Viscosity measuring device and viscosity measurement method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a deviation amount of impedance at a high sensitivity, even for such a material as water, and the like, that intrinsically has low viscosity. <P>SOLUTION: A viscosity measuring device includes a reaction tank 12 which is communicated with a liquid introducing passage 18 and a liquid discharge passage 19 and a sensor in which a crystal resonator is resonated by ac signal supplied from a pair of electrodes on both surfaces of the crystal resonator set at the bottom part of the reaction tank. When a liquid of a measurement object is introduced into the reaction tank from the liquid introducing passage, the viscosity of the liquid is measured from the deviation amount of the impedance, at the resonance of the sensor then. The depth D of the reaction tank is set shallower than the degree of liquid infiltration, indicating the depth averaging the distances for the vibration of the crystal resonator at the liquid interface to infiltrate the liquid. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、測定対象の液体が微量であってもリアルタイムでその粘度を測定することができる、粘度測定装置及び粘度測定方法に関するものである。   The present invention relates to a viscosity measuring apparatus and a viscosity measuring method capable of measuring the viscosity in real time even if the amount of liquid to be measured is very small.

従来、液体の粘度を測定する方法として、粘度細管法や水晶振動子を用いた測定方法が知られている。粘度細管法は、液体が細管を落下する速度から粘度を求める方法である。また、水晶振動子を用いた測定方法は、水晶振動子のインピーダンスを測定し、これから液体の粘度を計測する方法である。
水晶振動子を用いた測定方法は、微量な試料でも測定可能であり、しかも、水晶振動子の電極表面に付着する質量の変化も同時にリアルタイムで計測することができる利点がある。
水晶振動子を用いた測定方法の中でインピーダンスを測定するものとして、インピーダンスアナライザと、コンピュータを用いた測定方法(特許文献1参照)や、発振回路、V−Fコンバータ、電流電圧変換回路、ピークホールド回路から構成される装置による測定方法(特許文献2参照)が知られている。
特開平4−151538号公報 特開平6−109676号公報
Conventionally, as a method for measuring the viscosity of a liquid, a measuring method using a viscosity capillary method or a quartz resonator is known. The viscosity capillary method is a method for obtaining the viscosity from the speed at which the liquid falls through the capillary. In addition, the measurement method using a crystal resonator is a method of measuring the impedance of the crystal resonator and then measuring the viscosity of the liquid.
The measurement method using a crystal resonator is capable of measuring even a very small amount of sample, and has an advantage that a change in mass adhering to the electrode surface of the crystal resonator can be simultaneously measured in real time.
Among the measurement methods using a crystal resonator, impedance measurement is performed using an impedance analyzer and a computer (see Patent Document 1), an oscillation circuit, a VF converter, a current-voltage conversion circuit, a peak. A measurement method using a device composed of a hold circuit (see Patent Document 2) is known.
Japanese Patent Laid-Open No. 4-151538 JP-A-6-109676

ところで、インピーダンスを測定する従来の水晶振動子を用いた測定方法にあっては、粘度の高い液体は比較的容易に測定できるものの、粘度が低い液体の測定は非常に難しいという問題があった。
これは、粘度変化に伴い水晶振動子のインピーダンスが変化するとき、粘度が低い液体では、インピーダンスの変化量があまりに小さすぎて粘度が測定できないことが原因と考えられる。
By the way, in the measuring method using the conventional crystal unit for measuring impedance, there is a problem that although a liquid having a high viscosity can be measured relatively easily, it is very difficult to measure a liquid having a low viscosity.
This is considered to be because when the impedance of the crystal resonator changes with a change in viscosity, the amount of change in impedance is too small for the liquid with low viscosity to measure the viscosity.

発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、インピーダンスの変化量が周波数測定用のセンサが収容される反応槽の深さに依存すること、言い換えれば、インピーダンスの変化量が、反応槽の深さが浅ければ浅いほど、大きく現れることを見出した。
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、水等のように粘度が低い液体であっても、インピーダンスの変化量を高感度で測定できる、粘度測定装置及び粘度測定方法を提供することである。
As a result of extensive research, the inventors have determined that the amount of change in impedance depends on the depth of the reaction vessel in which the frequency measurement sensor is accommodated, in other words, the amount of change in impedance is the depth of the reaction vessel. It has been found that the shallower the is, the larger it appears.
The present invention has been made in consideration of such circumstances, and its purpose is to provide a viscosity measuring device capable of measuring the amount of change in impedance with high sensitivity even with a liquid having a low viscosity such as water. It is to provide a viscosity measurement method.

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係る粘度測定装置は、液体導入路及び液体排出路に連通される反応槽と、該反応槽の底部または天板部に設けられ圧電素子の表裏面の一対の電極から供給される交流信号により該圧電素子が共振されるセンサとを備え、測定対象となる液体が前記液体導入路から前記反応槽内に導入され、そのときの前記センサの基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量から前記液体の粘性を測定する粘度測定装置であって、前記反応槽の深さが、液体界面で前記圧電素子が振動する際その振動が液体中に侵入する平均距離を表す液体侵入度よりも浅く設定されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The viscosity measuring apparatus according to the present invention includes a reaction tank communicated with a liquid introduction path and a liquid discharge path, and an alternating current provided from a pair of electrodes on the front and back surfaces of the piezoelectric element provided at the bottom or top plate of the reaction tank. A sensor in which the piezoelectric element is resonated by a signal, and a liquid to be measured is introduced into the reaction tank from the liquid introduction path, and the impedance of the reference solution of the sensor at that time and the liquid to be measured A viscosity measuring device that measures the viscosity of the liquid from the amount of change from the impedance of the reactor, wherein the depth of the reaction tank is the average distance that the vibration penetrates into the liquid when the piezoelectric element vibrates at the liquid interface. It is characterized by being set shallower than the degree of liquid penetration.

本願発明に係る粘度測定装置によれば、圧電素子は、共振点付近の周波数の交流信号を印加されることによって機械的な振動を起こす。この圧電素子の振動は反応槽内を流れる液体から剪断抵抗を受ける。このときの共振抵抗値つまりインピーダンスは、液体の粘度によって異なる。したがって、インピーダンスの変化量を測定すれば、液体の粘度を知ることができる。   According to the viscosity measuring apparatus according to the present invention, the piezoelectric element causes mechanical vibration when an AC signal having a frequency near the resonance point is applied. This vibration of the piezoelectric element receives a shear resistance from the liquid flowing in the reaction tank. The resonance resistance value, that is, the impedance at this time varies depending on the viscosity of the liquid. Therefore, the viscosity of the liquid can be known by measuring the amount of change in impedance.

ここで、圧電素子の振動が反応槽内の液体から剪断方向の抵抗を受けるとき、その共振抵抗値は反応槽の深さによって大きく異なる。
つまり、反応槽の深さが、液体界面で前記圧電素子が振動する際その振動が液体中に侵入する平均距離を表す液体侵入度より深いと、圧電素子の振動が反応槽内の液体から受ける共振抵抗値はごく小さな値に止まるが、反応槽の深さが粘性侵入度より浅いと、圧電素子の振動が反応槽内の液体から受ける共振抵抗値は急激に増大する。
Here, when the vibration of the piezoelectric element receives shear resistance from the liquid in the reaction tank, the resonance resistance value varies greatly depending on the depth of the reaction tank.
In other words, when the depth of the reaction tank is deeper than the liquid penetration degree representing the average distance that the piezoelectric element vibrates at the liquid interface, the vibration of the piezoelectric element is received from the liquid in the reaction tank. Although the resonance resistance value is very small, if the depth of the reaction tank is shallower than the viscosity penetration, the resonance resistance value that the vibration of the piezoelectric element receives from the liquid in the reaction tank increases rapidly.

本願発明では、予め、反応槽の深さを粘性侵入度より浅く設定しているため、圧電素子の振動の共振抵抗値つまりインピーダンス自体が大きな値として測定される。したがって、反応槽内に流す液体の粘度の影響を受けてインピーダンスが変化する際、インピーダンス変化の割合が小さい場合でも、その変化量を測定することができる。言い換えれば、インピーダンスの変化量を高感度で測定することができる。   In the present invention, since the depth of the reaction tank is set to be shallower than the viscosity penetration degree, the resonance resistance value of the vibration of the piezoelectric element, that is, the impedance itself is measured as a large value. Therefore, when the impedance changes under the influence of the viscosity of the liquid flowing in the reaction tank, the amount of change can be measured even when the impedance change rate is small. In other words, the amount of change in impedance can be measured with high sensitivity.

本願の請求項2に係る発明は、液体導入路及び液体排出路に連通される反応槽と、該反応槽の底部または天板部に設けられ圧電素子の表裏面の一対の電極から供給される交流信号により該圧電素子が共振されるセンサとを備え、測定対象となる液体が前記液体導入路から前記反応槽内に導入され、そのときの前記センサの基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量から前記液体の粘性を測定する粘度測定装置であって、前記反応槽の深さが20μm〜200μmに設定されていることを特徴としている。   The invention according to claim 2 of the present application is supplied from a reaction tank communicating with the liquid introduction path and the liquid discharge path, and a pair of electrodes on the front and back surfaces of the piezoelectric element provided at the bottom or top plate of the reaction tank. A sensor in which the piezoelectric element is resonated by an AC signal, and a liquid to be measured is introduced into the reaction tank from the liquid introduction path, and the impedance of the reference solution of the sensor at that time and the measurement target A viscosity measuring apparatus for measuring the viscosity of the liquid from the amount of change from the impedance of the liquid, wherein the depth of the reaction vessel is set to 20 μm to 200 μm.

本願発明によれば、反応槽の深さを20μm〜200μmに設定しているので、測定対象の液体が水等のように粘度が比較的低い液体であっても、反応槽の深さを粘性侵入度よりも浅く設定されていることとなり、結果的に、反応槽内に流す液体の粘度の影響を受けてインピーダンスが変化する際、その変化量を高感度で測定することができる。   According to the present invention, since the depth of the reaction tank is set to 20 μm to 200 μm, even if the liquid to be measured is a liquid having a relatively low viscosity such as water, the depth of the reaction tank is set to be viscous. As a result, when the impedance changes under the influence of the viscosity of the liquid flowing in the reaction tank, the amount of change can be measured with high sensitivity.

本願の請求項3に係る発明は、前記反応槽の深さが40μm〜165μmに設定されていることを特徴としている。
この場合、反応槽の深さをより狭い範囲で浅く設定しているので、インピーダンスが変化する際のインピーダンスの変化量を、より高感度で測定することができる。
The invention according to claim 3 of the present application is characterized in that a depth of the reaction vessel is set to 40 μm to 165 μm.
In this case, since the depth of the reaction tank is set shallower in a narrower range, the amount of change in impedance when the impedance changes can be measured with higher sensitivity.

本願の請求項4に係る発明は、前記測定対象となる液体が前記液体導入路から前記反応槽内に導入される際に、前記センサの基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量の他に共振周波数の変化量も測定して、前記液体の粘性を評価することを特徴としている。
この場合、基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量の他に共振周波数の変化量も加えて粘性を評価しているので、液体の粘度測定の他に、液体に含まれる物質がセンサに付着することに伴う微小な重量変化も測定することができる。この結果、比較的粘度が低い液体の性状をより詳しく評価することができる。
In the invention according to claim 4 of the present application, when the liquid to be measured is introduced into the reaction tank from the liquid introduction path, the impedance of the reference solution of the sensor and the impedance of the liquid to be measured In addition to the amount of change, the amount of change in resonance frequency is also measured, and the viscosity of the liquid is evaluated.
In this case, the viscosity is evaluated by adding the amount of change in the resonance frequency in addition to the amount of change in the impedance of the reference solution and the impedance of the liquid to be measured. It is also possible to measure a minute change in weight due to the substance attached to the sensor. As a result, the properties of the liquid having a relatively low viscosity can be evaluated in more detail.

本願の請求項5に係る発明は、前記液体導入路及び前記液体排出路がそれぞれ屈曲して形成されていることを特徴としている。
この場合、液体導入路及び液体排出路をそれぞれ屈曲して形成したため、それら流路には大きな流路抵抗が付加されることとなる。この結果、反応槽内には、偏流が少ない均一な流れが確保されることとなり、液体の粘度の高精度の測定が可能になる。
The invention according to claim 5 of the present application is characterized in that the liquid introduction path and the liquid discharge path are each formed by bending.
In this case, since the liquid introduction path and the liquid discharge path are formed by being bent, a large flow path resistance is added to these flow paths. As a result, a uniform flow with less drift is ensured in the reaction tank, and the viscosity of the liquid can be measured with high accuracy.

本願の請求項6に係る発明は、測定対象となる液体を、深さ20μm〜200μmに設定した反応槽内に液体導入路及び液体排出路によって流通させた状態とし、このときに前記反応槽の底部または天板部に設けた圧電素子に、その表裏面に設けた一対の電極に交流信号を印加して、該圧電素子の基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量から前記液体の粘性を測定することを特徴としている
本発明によれば、請求項2に係る発明と同様な効果を奏する。
In the invention according to claim 6 of the present application, the liquid to be measured is circulated by the liquid introduction path and the liquid discharge path in the reaction tank set to a depth of 20 μm to 200 μm. The amount of change between the impedance of the reference solution of the piezoelectric element and the impedance of the liquid to be measured by applying an AC signal to a pair of electrodes provided on the front and back surfaces of the piezoelectric element provided on the bottom or top plate According to the present invention, the same effect as that of the invention according to claim 2 is obtained.

本発明によれば、反応槽の深さを粘性侵入度よりも浅く設定しており、共振抵抗値つまりインピーダンス自体が大きな値として測定されるため、反応槽内に流す液体の粘度の影響を受けて、インピーダンスが変化する際、インピーダンス変化の割合が小さい場合でも、その変化量を測定することができる。つまり、インピーダンスの変化量を高感度で測定することができる。   According to the present invention, the depth of the reaction tank is set to be shallower than the degree of viscous penetration, and the resonance resistance value, that is, the impedance itself is measured as a large value. Therefore, the reaction tank is affected by the viscosity of the liquid flowing in the reaction tank. Thus, when the impedance changes, even if the impedance change rate is small, the change amount can be measured. That is, the amount of change in impedance can be measured with high sensitivity.

以下、本発明に係る粘度測定装置の実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。図1は粘度測定装置の全体構成を示す概略図、図2は粘度測定装置の中で用いられるマイクロフローセルの平面図、図3は同マイクロフローセルの断面図、図4は粘度測定装置のブロック図である。   Hereinafter, an embodiment of a viscosity measuring device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the viscosity measuring device, FIG. 2 is a plan view of a microflow cell used in the viscosity measuring device, FIG. 3 is a sectional view of the microflow cell, and FIG. 4 is a block diagram of the viscosity measuring device. It is.

本実施形態の粘度測定装置100は、図1に示すように、測定対象となるサンプル液が貯留された試料容器1と、試料容器1にチューブ2を介して接続されたマイクロフローセル3と、該マイクロフローセル3にチューブ4を介して吸引側が接続されたポンプ5と、該ポンプ5の吐出側にチューブ6を介して接続された廃液容器7と、前記マイクロフローセル3に電気的に接続され、このマイクロフローセル3内にセットされた水晶振動子を有するセンサ8からの出力信号を基に、該センサ8の共振時の周波数の変化量とインピーダンスの変化量をそれぞれ測定する制御部9とを備える。   As shown in FIG. 1, the viscosity measuring apparatus 100 of the present embodiment includes a sample container 1 in which a sample liquid to be measured is stored, a microflow cell 3 connected to the sample container 1 via a tube 2, A pump 5 having a suction side connected to the microflow cell 3 via a tube 4, a waste liquid container 7 connected to the discharge side of the pump 5 via a tube 6, and the microflow cell 3 being electrically connected to the microflow cell 3. On the basis of an output signal from a sensor 8 having a crystal resonator set in the microflow cell 3, a control unit 9 is provided for measuring a change in frequency and a change in impedance at the time of resonance of the sensor 8.

マイクロフローセル3は、図2及び図3に示すように、中央のホールド基板10と、このホールド基板10の図3において上側に配置される樹脂プレート11と、ホールド基板10の下側に配置される前記センサ8とを備え、それらが3層に積層されることで構成されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the micro flow cell 3 is disposed at the center hold substrate 10, the resin plate 11 disposed above the hold substrate 10 in FIG. 3, and the hold substrate 10. The sensor 8 is provided and is configured by laminating them in three layers.

ホールド基板10は、アクリル樹脂等から形成された透明な基板であり、外形がSDメモリカードの如く形成されている。このホールド基板10には、サンプル液を図3における上面側から下面側に流して反応槽12に導入するための液体導入口10aとなる貫通孔と、サンプル液を下面側から上面側に流すための液体排出口10bとなる貫通孔と、がそれぞれ形成されている。   The hold substrate 10 is a transparent substrate formed from an acrylic resin or the like, and has an outer shape formed like an SD memory card. In the hold substrate 10, a sample liquid is flowed from the upper surface side to the lower surface side in FIG. And a through hole to be a liquid discharge port 10b.

また、ホールド基板10の下面には、センサ8の検出電極8aと対向電極8bとにそれぞれ電気接続される配線パターン部13a、13bが形成されている。この配線パターン部13a、13bは、外部接続端子として機能する。なお、この配線パターン部13a、13bは、1種類の金属或いは異なる金属を積層(例えば、チタン又はクロムと、金とを2層に積層)して形成される。   Further, on the lower surface of the hold substrate 10, wiring pattern portions 13a and 13b are formed which are electrically connected to the detection electrode 8a and the counter electrode 8b of the sensor 8, respectively. The wiring pattern portions 13a and 13b function as external connection terminals. The wiring pattern portions 13a and 13b are formed by laminating one type of metal or different metals (for example, laminating titanium or chromium and gold in two layers).

樹脂プレート11は、透明なシリコン樹脂により板状に形成されている。この樹脂プレート11には、ホールド基板10に対向する面上において、導入溝14及び排出溝15がそれぞれ形成されている。これら導入溝14及び排出溝15は、それぞれ一端側が直径1.5mm程度に形成された導入貫通孔16,排出貫通孔17に連通し、他端側が液体導入口10a及び液体排出口10bと同じサイズである直径0.5mm程度の凹部14a、15aとなっている。そして、樹脂プレート11は、凹部14a、15aと、液体導入口10a及び液体排出口10bと、がそれぞれ連通するように、ホールド基板10の表面に接着されている。   The resin plate 11 is formed in a plate shape with a transparent silicon resin. In the resin plate 11, an introduction groove 14 and a discharge groove 15 are respectively formed on the surface facing the hold substrate 10. Each of the introduction groove 14 and the discharge groove 15 communicates with the introduction through hole 16 and the discharge through hole 17 each having a diameter of about 1.5 mm, and the other end side has the same size as the liquid introduction port 10a and the liquid discharge port 10b. The recesses 14a and 15a have a diameter of about 0.5 mm. The resin plate 11 is bonded to the surface of the hold substrate 10 so that the recesses 14a and 15a communicate with the liquid inlet 10a and the liquid outlet 10b, respectively.

そして、本実施形態のマイクロフローセル3では、導入貫通孔16、導入溝14及び液体導入口10aからなる液体導入路18を介して反応槽12内にサンプル液が導入され、反応槽12内を通過したサンプル液が、液体排出口10b、排出溝15及び排出貫通孔17からなる液体排出路19を介して排出されるようになっている。
ここで、前記液体導入路18及び液体排出路19は、液体導入口10aと液体排出口10bが導入貫通孔16と排出貫通孔17に対して同軸上にならないように、つまり、それぞれ、流路が全体として屈曲するように形成されている。
In the microflow cell 3 of this embodiment, the sample liquid is introduced into the reaction tank 12 through the liquid introduction path 18 including the introduction through hole 16, the introduction groove 14, and the liquid introduction port 10 a, and passes through the reaction tank 12. The sample liquid is discharged through a liquid discharge path 19 including the liquid discharge port 10 b, the discharge groove 15, and the discharge through hole 17.
Here, the liquid introduction path 18 and the liquid discharge path 19 are arranged so that the liquid introduction port 10a and the liquid discharge port 10b are not coaxial with the introduction through-hole 16 and the discharge through-hole 17, that is, respectively. Is bent as a whole.

上記センサ8は、水晶振動子40と、該水晶振動子40の両面に設けられて水晶振動子40を所定の周波数で共振させる一対の電極、即ち、検出電極8a及び対向電極8bと、から構成されたQCMセンサである(図4参照)。
水晶振動子40は、例えばATカット水晶板であり、8mm角ウエハから正方形状に形成された透明な基板である。検出電極8a及び対向電極8bは、それぞれ水晶振動子40の略中心に位置するように、蒸着やスパッタリングによって形成されている。つまり、検出電極8a及び対向電極8bは、水晶振動子40を間に挟んで対向した状態となっている。
The sensor 8 includes a crystal resonator 40 and a pair of electrodes provided on both surfaces of the crystal resonator 40 to resonate the crystal resonator 40 at a predetermined frequency, that is, a detection electrode 8a and a counter electrode 8b. QCM sensor (see FIG. 4).
The quartz oscillator 40 is, for example, an AT cut quartz plate, and is a transparent substrate formed in a square shape from an 8 mm square wafer. The detection electrode 8a and the counter electrode 8b are each formed by vapor deposition or sputtering so as to be positioned substantially at the center of the crystal resonator 40. That is, the detection electrode 8a and the counter electrode 8b are in a state of facing each other with the crystal resonator 40 interposed therebetween.

また、水晶振動子40の両面には、検出電極8a及び対向電極8bにそれぞれ電気接続されるリード電極20a、20bが形成されている。これら検出電極8a、対向電極8b及びリード電極20a、20bは、配線パターン部13a、13bと同様に、1種類の金属或いは異なる金属を積層(例えば、チタン又はクロムと、金とを2層に積層)して形成されている。
なお、検出電極8aは、インピーダンスが1KΩ以下で、液中で安定に発振する直径3mmに形成されている。また、対向電極8bも同様のサイズとされている。
Further, on both surfaces of the crystal unit 40, lead electrodes 20a and 20b that are electrically connected to the detection electrode 8a and the counter electrode 8b, respectively, are formed. The detection electrode 8a, the counter electrode 8b, and the lead electrodes 20a and 20b are formed by laminating one kind of metal or different metals (for example, laminating titanium or chromium and gold in two layers) similarly to the wiring pattern portions 13a and 13b. ).
The detection electrode 8a has an impedance of 1 KΩ or less and a diameter of 3 mm that oscillates stably in the liquid. The counter electrode 8b has the same size.

このように構成されたセンサ8は、図3に示すように、リング状のパッキン21を間に挟んだ状態でホールド基板10の裏面側に接合されている。この際、センサ8は、検出電極8aがホールド基板10に対向するように接合されている。   As shown in FIG. 3, the sensor 8 configured as described above is bonded to the back surface side of the hold substrate 10 with the ring-shaped packing 21 interposed therebetween. At this time, the sensor 8 is bonded so that the detection electrode 8 a faces the hold substrate 10.

反応槽12は、検出電極8aの周囲を囲ってサンプル液を貯留させ、サンプル液に含有される特定物質を検出電極8aに吸着或いは結合させる空間である。この反応槽12の深さDは、図3に示すように、液体界面で前記圧電素子が振動する際その振動が液体中に侵入する平均距離を表す液体侵入度よりも浅く設定されている。液体侵入度については、後に詳しく説明する。反応槽12の深さDは、水のように比較的低い粘度のものを測定する場合には20μm〜200μmに設定され、好ましくは、40μm〜165μmに設定される。   The reaction tank 12 is a space that surrounds the periphery of the detection electrode 8a, stores the sample liquid, and adsorbs or binds the specific substance contained in the sample liquid to the detection electrode 8a. As shown in FIG. 3, the depth D of the reaction tank 12 is set to be shallower than the liquid penetration degree representing the average distance that the vibration penetrates into the liquid when the piezoelectric element vibrates at the liquid interface. The liquid penetration degree will be described in detail later. The depth D of the reaction tank 12 is set to 20 μm to 200 μm, preferably 40 μm to 165 μm, when measuring a relatively low viscosity such as water.

制御部9は2つに大きく分かれる。一つは図4中9Aで示される共振時のインピーダンスの変化量を測定する部分であり、他の一つは同図中9Bで示される共振周波数の変化量を測定する部分である。
センサ8の構成要素である水晶振動子40には発振回路41が接続されている。発振回路41にはミキサ42が接続され、このミキサ42には参照クロック43から測定時の基準となる信号が導入される。ミキサ42には不用なノイズを除去するローパスフィルタ44が接続される。ローパスフィルタ44には周波数カウンタ45が接続され、ここで、周波数がカウントされる。ここでカウントされた周波数は、周波数測定部46へ送られる。周波数測定部46は参照クロック43からも基準となる信号が導入されて、発振回路41から導入される信号の周波数が例えば100分の1ヘルツの精度をもって測定される。
The controller 9 is largely divided into two. One is a part for measuring the amount of change in impedance at the time of resonance indicated by 9A in FIG. 4, and the other part is a part for measuring the amount of change in resonance frequency indicated by 9B in FIG.
An oscillation circuit 41 is connected to the crystal resonator 40 that is a component of the sensor 8. A mixer 42 is connected to the oscillation circuit 41, and a signal serving as a reference for measurement is introduced from the reference clock 43 to the mixer 42. The mixer 42 is connected to a low-pass filter 44 that removes unnecessary noise. A frequency counter 45 is connected to the low-pass filter 44, and the frequency is counted here. The frequency counted here is sent to the frequency measuring unit 46. The frequency measurement unit 46 receives a reference signal also from the reference clock 43, and measures the frequency of the signal introduced from the oscillation circuit 41 with an accuracy of, for example, 1/100 hertz.

一方、前記発振回路41には、RMS/DCコンバータ47、ADコンバータ48及びインピーダンス測定部49が順に接続される。RMS/DCコンバータ47では、交流信号の平均化した信号が直流の信号へ変換され、さらにADコンバータ48では、アナログの直流信号からデジタル信号へ変換される。そして、インピーダンス測定部49にて、水晶振動子40が共振する際の抵抗値、すなわちインピーダンスが測定される。   On the other hand, an RMS / DC converter 47, an AD converter 48, and an impedance measuring unit 49 are sequentially connected to the oscillation circuit 41. The RMS / DC converter 47 converts the averaged AC signal into a DC signal, and the AD converter 48 converts the analog DC signal into a digital signal. Then, the impedance measurement unit 49 measures the resistance value when the crystal resonator 40 resonates, that is, the impedance.

次に、このように構成された粘度測定装置によって液体の粘度を測定する方法について説明する。
始めに測定を開始する前に、予めセンサ8を作動させ、図示せぬ交流電源により検出電極8aと対向電極8bとの間に交流電圧を印加して水晶振動子40を共振させる。そして、そのときの共振周波数とインピーダンスをそれぞれ制御部9により測定しておく。
Next, a method for measuring the viscosity of the liquid with the viscosity measuring apparatus configured as described above will be described.
Before starting the measurement, the sensor 8 is activated in advance, and an AC voltage is applied between the detection electrode 8a and the counter electrode 8b by an AC power source (not shown) to resonate the crystal unit 40. Then, the resonance frequency and impedance at that time are measured by the control unit 9 in advance.

すなわち、交流電源により検出電極8aと対向電極8bとの間に交流電圧を、所定の範囲で周波数を周期的に変動させながら印加する。水晶振動子40に流れる電流は共振点で最大になる。このときの値を共振周波数として求める。また、共振点での検出電極8aと対向電極8bとの間を流れる電流変化を電圧に変換すると、水晶振動子40の共振抵抗に依存値した信号が得られる。このときの信号をRMS/コンバータ47で直流信号に変換し、さらにADコンバータ48で、アナログの直流信号からデジタル信号へ変換し、最終的に、共振点における抵抗値であるインピーダンスを求める。   That is, an AC voltage is applied between the detection electrode 8a and the counter electrode 8b by an AC power source while periodically changing the frequency within a predetermined range. The current flowing through the crystal unit 40 becomes maximum at the resonance point. The value at this time is obtained as the resonance frequency. When a change in current flowing between the detection electrode 8a and the counter electrode 8b at the resonance point is converted into a voltage, a signal dependent on the resonance resistance of the crystal resonator 40 is obtained. The signal at this time is converted into a DC signal by the RMS / converter 47, and further converted from an analog DC signal to a digital signal by the AD converter 48, and finally an impedance which is a resistance value at the resonance point is obtained.

次に、ポンプ5を作動させて、試料容器1内のサンプル液(測定対象となる液体)をチューブ2を介してマイクロフローセル3内に導入する。そして、このときの、水晶振動子40が振動する際の、基準溶液のインピーダンスと前記サンプル液のインピーダンスとの変化量と共振周波数の変化量をそれぞれ制御部9によって測定する。   Next, the pump 5 is operated to introduce the sample liquid (liquid to be measured) in the sample container 1 into the microflow cell 3 through the tube 2. At this time, the control unit 9 measures the amount of change in the impedance of the reference solution and the impedance of the sample solution and the amount of change in the resonance frequency when the crystal unit 40 vibrates.

サンプル液が反応槽12内に流入するとき、このサンプル液によって水晶振動子40の振動は剪断抵抗を受ける。このときの共振抵抗値つまりインピーダンスは、液体の粘度によって異なる。したがって、インピーダンスの変化量を測定すれば、液体の粘度を知ることができる。
ここで、基準溶液のインピーダンスは、予め測定しておきデータとして内蔵しておく。また、基準溶液としては、例えば、水や緩衝液を用いる。緩衝液はpHを変化させないように塩の入ったものを用いる。具体的にはPBS(生理食塩水)やトリス緩衝液を用いる。
When the sample liquid flows into the reaction vessel 12, the vibration of the crystal resonator 40 is subjected to shear resistance by the sample liquid. The resonance resistance value, that is, the impedance at this time varies depending on the viscosity of the liquid. Therefore, the viscosity of the liquid can be known by measuring the amount of change in impedance.
Here, the impedance of the reference solution is measured in advance and stored as data. As the reference solution, for example, water or a buffer solution is used. A buffer containing a salt is used so as not to change the pH. Specifically, PBS (physiological saline) or Tris buffer is used.

このとき、水晶振動子40の振動が反応槽12内を流れる液体から受ける共振抵抗値は、反応槽12の深さによって大きく異なる。
つまり、液体(流体)界面での圧電素子を振動させたとき、その振動が液体(流体)中にどの程度の深さまで侵入するかを平均深さ(平均距離)として表したものが粘性侵入度Lである。この粘性侵入度Lは、以下の(1)式で表される。
At this time, the resonance resistance value that the vibration of the crystal unit 40 receives from the liquid flowing in the reaction tank 12 varies greatly depending on the depth of the reaction tank 12.
In other words, when the piezoelectric element at the liquid (fluid) interface is vibrated, the degree of viscous penetration is expressed as the average depth (average distance) to which depth the vibration penetrates into the liquid (fluid). L. This degree of viscous penetration L is expressed by the following equation (1).

Figure 2009174930
Figure 2009174930

例えば、液体(流体)が水の場合、粘性侵入度Lは165.6μmであり、流体が空気の場合、粘性侵入度Lは22.3μmである。
反応槽12の深さDが、粘性侵入度Lより深いと、水晶振動子40の振動が反応槽12内の液体から受ける共振抵抗値はごく小さな値に止まるが、反応槽12の深さDが粘性侵入度Lより浅いと、水晶振動子40の振動が反応槽12内の液体から受ける共振抵抗値は急激に増大する。
For example, when the liquid (fluid) is water, the viscosity penetration L is 165.6 μm, and when the fluid is air, the viscosity penetration L is 22.3 μm.
When the depth D of the reaction tank 12 is deeper than the viscosity penetration degree L, the resonance resistance value that the vibration of the crystal unit 40 receives from the liquid in the reaction tank 12 is very small, but the depth D of the reaction tank 12 Is less than the viscosity penetration L, the resonance resistance value that the vibration of the crystal unit 40 receives from the liquid in the reaction tank 12 increases rapidly.

ここで、本実施形態では、反応槽12の深さDを粘性侵入度Lより浅い値に設定している。このため、圧電素子の振動が反応槽12内の液体から受ける共振抵抗値、つまりインピーダンスは非常に大きな値になっている。したがって、反応槽12内に流す液体の粘度の影響を受けてインピーダンスが変化するとき、インピーダンスの変化の割合がごく小さい場合でも、インピーダンス自体が大きな値として測定できるので、そのごく小さな変化量を測定することができる。言い換えれば、本実施形態では、インピーダンスの変化量を高感度で測定することができる。   Here, in this embodiment, the depth D of the reaction tank 12 is set to a value shallower than the viscosity penetration degree L. For this reason, the resonance resistance value that the vibration of the piezoelectric element receives from the liquid in the reaction tank 12, that is, the impedance is a very large value. Therefore, when the impedance changes under the influence of the viscosity of the liquid flowing in the reaction vessel 12, even if the impedance change rate is very small, the impedance itself can be measured as a large value. can do. In other words, in this embodiment, the amount of change in impedance can be measured with high sensitivity.

図5は、反応槽内に導入される液体が粘度として比較的低い水の場合の反応槽の深さと共振抵抗値との関係を表したものである。
このように、水の場合には、反応槽12の深さDが、粘性侵入度Lの値である165μmより浅くなると、共振抵抗値は急激にあがる。このため、反応槽12の深さDが165μmより浅ければ浅いほど、共振抵抗値は大きくなり、測定し易くなる。しかしながら、共振抵抗値があまりに大きくなりすぎると、信号の強度がその分弱くなり、これが原因で逆に測定しづらくなる減少が生じる。共振抵抗値、つまりインピーダンスの変化量を測定するにあたっては、共振抵抗値自体の大きさと信号の強度との双方を考慮する必要がある。これら双方を考慮した場合、反応槽12の深さDは20μm〜200μmに設定するのが好ましく、さらにDの最低値の2倍程度である40μm〜165μmに設定するのがより好ましい。
このように反応槽12の深さを設定した場合には、測定対象物の液体の粘度が水のように低いときに、インピーダンスの変化量を高感度で測定することができ、しかも、信号の強さも測定に支障ないほど十分に強いものが得られる。
FIG. 5 shows the relationship between the depth of the reaction tank and the resonance resistance value when the liquid introduced into the reaction tank is water having a relatively low viscosity.
Thus, in the case of water, when the depth D of the reaction vessel 12 becomes shallower than 165 μm, which is the value of the viscosity penetration L, the resonance resistance value increases rapidly. For this reason, as the depth D of the reaction vessel 12 is shallower than 165 μm, the resonance resistance value becomes larger and measurement becomes easier. However, if the resonance resistance value becomes too large, the signal intensity becomes weak accordingly, and this causes a decrease that makes measurement difficult. In measuring the resonance resistance value, that is, the amount of change in impedance, it is necessary to consider both the magnitude of the resonance resistance value itself and the signal strength. Considering both of these, the depth D of the reaction vessel 12 is preferably set to 20 μm to 200 μm, and more preferably set to 40 μm to 165 μm, which is about twice the minimum value of D.
Thus, when the depth of the reaction tank 12 is set, when the viscosity of the liquid of the measurement object is as low as water, the amount of change in impedance can be measured with high sensitivity, and the signal The strength is strong enough not to interfere with the measurement.

なお、以上述べた反応槽12の深さの設定は、測定対象が水のように粘度の低い液体の場合の例であり、測定対象の液体の粘度が異なる場合には、それに応じて反応槽12の深さを適宜変えればよい。即ち、粘度が高い液体の場合には反応槽12の深さDをより深く設定し、また、粘度が低い液体の場合には反応槽12の深さをより浅く設定すればよい。要は、信号の強度を考慮しつつ、反応槽12の深Dさを粘性侵入度Lよりも浅く設定すれば足りる。   The setting of the depth of the reaction tank 12 described above is an example in the case where the measurement target is a liquid having a low viscosity such as water, and when the viscosity of the liquid to be measured is different, the reaction tank is accordingly changed. What is necessary is just to change the depth of 12 suitably. That is, the depth D of the reaction tank 12 may be set deeper in the case of a liquid having a high viscosity, and the depth of the reaction tank 12 may be set shallower in the case of a liquid having a low viscosity. In short, it is sufficient to set the depth D of the reaction vessel 12 to be shallower than the viscosity penetration L while considering the signal strength.

また、上記インピーダンスの変化量の測定と並行して、共振周波数の変化量も測定する。反応槽12内に導入されるサンプル液に含まれる物質が水晶振動子40に付着することがあるが、この場合、共振周波数が変化する。したがって、この共振周波数の変化量を測定することによって、サンプル液中に含まれる物質の情報が得られる。つまり、サンプル液自体の性状をより詳しく評価することができる。   In parallel with the measurement of the change amount of the impedance, the change amount of the resonance frequency is also measured. A substance contained in the sample liquid introduced into the reaction vessel 12 may adhere to the crystal resonator 40. In this case, the resonance frequency changes. Therefore, by measuring the amount of change in the resonance frequency, information on the substance contained in the sample liquid can be obtained. That is, the properties of the sample liquid itself can be evaluated in more detail.

加えて、本実施形態では、反応槽12に液体を導入する液体導入路18及び反応槽12から液体を排出する液体排出路19をそれぞれ屈曲して形成し、これにより、これら流路18,19に大きな流路抵抗を与えている。したがって、反応槽12内には偏流が少ない均一な流れが確保され易くなり、この結果、液体の粘度の高精度の測定が可能になる。   In addition, in the present embodiment, the liquid introduction path 18 for introducing the liquid into the reaction tank 12 and the liquid discharge path 19 for discharging the liquid from the reaction tank 12 are formed by bending, whereby the flow paths 18, 19 are formed. Is given a large flow resistance. Therefore, a uniform flow with less drift is easily secured in the reaction tank 12, and as a result, the viscosity of the liquid can be measured with high accuracy.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
上記実施形態では、センサ8に組み込まれる圧電素子の例として水晶振動子40を用いているが、これに限られることなく、他の圧電素子を用いても良い。
また、上記実施形態では、反応槽12の底部にセンサ8を設けたが、これに代わり反応槽12の天板部(樹脂プレート11の下面)にセンサ8を設けても良い。
また、ホールド基板10とセンサ8との間に反応槽12を形成しているが、反応槽12は、これらホールド基板10とセンサ8の間に形成されることに限定されることなく、2枚のホールド基板の間に形成されてもよい。この場合、何れかのホールド基板には、センサが組みつけられることになる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of invention.
In the above embodiment, the crystal resonator 40 is used as an example of the piezoelectric element incorporated in the sensor 8, but the present invention is not limited to this, and other piezoelectric elements may be used.
Moreover, in the said embodiment, although the sensor 8 was provided in the bottom part of the reaction tank 12, you may provide the sensor 8 in the top-plate part (lower surface of the resin plate 11) of the reaction tank 12 instead.
Further, the reaction tank 12 is formed between the hold substrate 10 and the sensor 8, but the reaction tank 12 is not limited to be formed between the hold substrate 10 and the sensor 8, and two sheets are provided. It may be formed between the hold substrates. In this case, a sensor is assembled to any one of the hold substrates.

本発明の一実施形態を示す粘度測定装置の簡略構成図である。It is a simplified lineblock diagram of a viscosity measuring device showing one embodiment of the present invention. 粘度測定装置の中で用いられるマイクロフローセルの平面図である。It is a top view of the micro flow cell used in a viscosity measuring apparatus. 同マイクロフローセルの断面図である。It is sectional drawing of the micro flow cell. 本発明の一実施形態の粘度測定装置のブロック図である。It is a block diagram of the viscosity measuring apparatus of one Embodiment of this invention. 図1に示す粘度測定装置の反応槽において、反応槽の深さと共振抵抗値との関係を表す図である。In the reaction tank of the viscosity measuring apparatus shown in FIG. 1, it is a figure showing the relationship between the depth of a reaction tank, and a resonance resistance value.

符号の説明Explanation of symbols

1試料容器 3マイクロフローセル 5ポンプ 7廃液容器 8センサ 9制御部 10ホールド基板 11樹脂プレート 12 反応槽 18液体導入路 19液体排出路 100粘度測定装置。   1 Sample container 3 Micro flow cell 5 Pump 7 Waste liquid container 8 Sensor 9 Control unit 10 Hold substrate 11 Resin plate 12 Reaction tank 18 Liquid introduction path 19 Liquid discharge path 100 Viscosity measuring device.

Claims (6)

液体導入路及び液体排出路に連通される反応槽と、該反応槽の底部または天板部に設けられ圧電素子の表裏面の一対の電極から供給される交流信号により該圧電素子が共振されるセンサとを備え、測定対象となる液体が前記液体導入路から前記反応槽内に導入され、そのときの前記センサの基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量から前記液体の粘度を測定する粘度測定装置であって、
前記反応槽の深さが、液体界面で前記圧電素子が振動する際その振動が液体中に侵入する平均距離を表す液体侵入度よりも浅く設定されていることを特徴とする粘度測定装置。
The piezoelectric element is resonated by an AC signal supplied from a reaction tank communicated with the liquid introduction path and the liquid discharge path and a pair of electrodes on the front and back surfaces of the piezoelectric element provided at the bottom or top plate of the reaction tank. A liquid to be measured is introduced into the reaction tank from the liquid introduction path, and the liquid is calculated based on the amount of change between the impedance of the reference solution of the sensor and the impedance of the liquid to be measured at that time. A viscosity measuring device for measuring the viscosity of
The viscosity measuring apparatus is characterized in that the depth of the reaction tank is set to be shallower than a liquid penetration degree representing an average distance that the vibration penetrates into the liquid when the piezoelectric element vibrates at the liquid interface.
液体導入路及び液体排出路に連通される反応槽と、該反応槽の底部または天板部に設けられ圧電素子の表裏面の一対の電極から供給される交流信号により該圧電素子が共振されるセンサとを備え、測定対象となる液体が前記液体導入路から前記反応槽内に導入され、そのときの前記センサの基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量から前記液体の粘性を測定する粘度測定装置であって、
前記反応槽の深さが20μm〜200μmに設定されていることを特徴とする粘度測定装置。
The piezoelectric element is resonated by an AC signal supplied from a reaction tank communicated with the liquid introduction path and the liquid discharge path and a pair of electrodes on the front and back surfaces of the piezoelectric element provided at the bottom or top plate of the reaction tank. A liquid to be measured is introduced into the reaction tank from the liquid introduction path, and the liquid is calculated based on the amount of change between the impedance of the reference solution of the sensor and the impedance of the liquid to be measured at that time. A viscosity measuring device for measuring the viscosity of
A viscosity measuring apparatus, wherein the depth of the reaction vessel is set to 20 μm to 200 μm.
前記反応槽の深さが20μm〜200μmに代わって40μm〜165μmに設定されていることを特徴とする請求項2に記載の粘度測定装置。   The depth of the said reaction tank is set to 40 micrometers-165 micrometers instead of 20 micrometers-200 micrometers, The viscosity measuring apparatus of Claim 2 characterized by the above-mentioned. 前記測定対象となる液体が前記液体導入路から前記反応槽内に導入される際に、前記センサの基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量の他に共振周波数の変化量も測定して、前記液体の粘性を評価することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の粘度測定装置。   When the liquid to be measured is introduced from the liquid introduction path into the reaction tank, the resonance frequency changes in addition to the amount of change between the impedance of the reference solution of the sensor and the impedance of the liquid to be measured. The viscosity measuring apparatus according to claim 1, wherein the viscosity of the liquid is evaluated by measuring the amount. 前記液体導入路及び前記液体排出路がそれぞれ屈曲して形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の粘度測定装置。   The viscosity measuring apparatus according to claim 1, wherein the liquid introduction path and the liquid discharge path are formed to be bent. 測定対象となる液体を、深さ20μm〜200μmに設定した反応槽内に液体導入路及び液体排出路によって流通させ、この状態で前記反応槽の底部または天板部に設けた圧電素子に、その表裏面に設けた一対の電極に交流信号を印加して、該圧電素子の基準溶液のインピーダンスと前記測定対象となる液体のインピーダンスとの変化量から前記液体の粘度を測定することを特徴とする粘度測定方法。   The liquid to be measured is circulated in the reaction tank set to a depth of 20 μm to 200 μm by the liquid introduction path and the liquid discharge path, and in this state, the piezoelectric element provided on the bottom or top plate of the reaction tank An AC signal is applied to a pair of electrodes provided on the front and back surfaces, and the viscosity of the liquid is measured from the amount of change between the impedance of the reference solution of the piezoelectric element and the impedance of the liquid to be measured. Viscosity measurement method.
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