JP2014021018A - Sensing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、感知対象物が圧電振動子に形成された吸着膜に吸着することにより変化する周波数を検出して前記感知対象物を感知する感知装置に関する。 The present invention relates to a sensing device that senses the sensing object by detecting a frequency that changes when the sensing object is adsorbed on an adsorption film formed on a piezoelectric vibrator.
QCM(Quarts Crystal Microbalance)による微量な感知対象物の感知が行われている。この技術は、圧電振動子である水晶振動子の電極に感知対象物と吸着反応する吸着膜を設けて当該感知対象物のセンサとして構成する。そして、前記吸着膜への感知対象物の吸着反応により起こる質量付加効果により、当該水晶振動子の発振周波数が低下する。この発振周波数の変化を利用して水晶振動子表面に供給した試料液中の感知対象物の感知が行われる。 A very small amount of a sensing object is detected by a QCM (Quarts Crystal Microbalance). In this technique, an adsorption film that adsorbs and reacts with a sensing object is provided on an electrode of a crystal oscillator that is a piezoelectric vibrator, and is configured as a sensor for the sensing object. Then, the oscillation frequency of the crystal resonator decreases due to the mass addition effect caused by the adsorption reaction of the sensing object on the adsorption film. Using this change in oscillation frequency, the sensing object in the sample liquid supplied to the surface of the crystal unit is sensed.
このQCMでは、単一の電極対を設けた水晶片からなる水晶振動子をセンサとして上記の感知を行う場合があるが、測定精度を高くするために1枚の水晶片に2つの電極対を設け、前記水晶片から2つの水晶振動子を構成してセンサとする場合もある。その場合、一方の水晶振動子の電極対を構成する電極には前記吸着膜が形成され、当該一方の水晶振動子は前記感知対象物の検出用として構成される。他方の水晶振動子の電極対を構成する電極には、前記吸着膜が設けられず、当該水晶振動子は参照用の水晶振動子として構成される。そして、前記各水晶振動子の電極を共に試料液に曝して各水晶振動子の周波数差を検出し、この周波数差を、温度などの影響がキャンセルされた感知対象物の吸着分だけからなる水晶振動子の周波数変化量として取り扱うように感知装置を構成する。この感知装置によって、感知対象物の高感度な感知が行われている。 In this QCM, there is a case where the above-mentioned sensing is performed by using a crystal resonator formed of a crystal piece provided with a single electrode pair as a sensor, but in order to increase measurement accuracy, two electrode pairs are provided on one crystal piece. In some cases, a sensor is formed by forming two crystal resonators from the crystal piece. In that case, the adsorption film is formed on the electrodes constituting the electrode pair of one crystal resonator, and the one crystal resonator is configured to detect the sensing object. The electrode constituting the electrode pair of the other crystal unit is not provided with the adsorption film, and the crystal unit is configured as a reference crystal unit. Then, both the electrodes of each crystal resonator are exposed to the sample solution to detect the frequency difference of each crystal resonator, and this frequency difference is a crystal composed of only the adsorbed portion of the sensing object whose influence such as temperature has been canceled. The sensing device is configured to handle the frequency change amount of the vibrator. This sensing device senses a sensing object with high sensitivity.
ところが、このように共通の水晶片に2つの水晶振動子を形成する場合、各水晶振動子の弾性的な結合を防ぐ必要がある。そのために、前記電極対間の距離を十分に離す、前記水晶片の電極対同士の間に溝などの境界層を形成して水晶振動子間における振動の伝搬を抑える、各水晶振動子を構成する水晶片の厚みや各電極対の膜厚を変えて各水晶振動子からの出力周波数の差を大きくするなどの対処がなされている。しかし、電極対間の距離を大きくすれば水晶振動子が大型化してしまう。また、前記境界層を設けたり、水晶片及び電極対の膜厚を水晶振動子間で変える場合は、水晶振動子の加工に多くの工数が掛かる。 However, when two crystal resonators are formed on a common crystal piece as described above, it is necessary to prevent elastic coupling between the crystal resonators. For this purpose, each crystal resonator is configured so that the distance between the electrode pairs is sufficiently separated and a boundary layer such as a groove is formed between the electrode pairs of the crystal piece to suppress vibration propagation between the crystal resonators. Countermeasures are taken such as increasing the difference in output frequency from each crystal resonator by changing the thickness of the crystal piece or the film thickness of each electrode pair. However, if the distance between the electrode pairs is increased, the crystal resonator becomes larger. Further, when the boundary layer is provided or the thickness of the crystal piece and the electrode pair is changed between the crystal resonators, it takes a lot of man-hours to process the crystal resonator.
特許文献1には水晶振動子において主振動の共振周波数とインハーモニックモードの共振周波数とを離す技術について記載されている。また、特許文献2には圧電フィルタにおいて複数の振動モードが励振されることについて記載されているが、これらの特許文献の技術は上記の問題を解決できるものではない。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、高精度で感知対象物の感知を行うことができ、圧電振動子の製造工程の簡素化を図ることができる感知装置を提供することである。 The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to provide a sensing device capable of sensing a sensing object with high accuracy and simplifying the manufacturing process of a piezoelectric vibrator. Is to provide.
本発明の感知装置は、その一面側及び他面側に励振電極が形成される圧電片を備え、前記一面側に試料流体が供給される圧電振動子と、
前記圧電振動子に第1の振動変位分布が形成されるように第1の振動モードで前記圧電振動子を振動させて第1の発振周波数を出力するための第1の発振回路と、
前記圧電片の一面側の前記第1の振動モードで振動される領域が振動変位の節となる第2の振動変位分布が形成されるように、前記圧電振動子を第2の振動モードで振動させて第2の発振周波数を出力するための第2の発振回路と、
前記第1の発振周波数と、前記第2の発振周波数とを互いに切り替えて取り出すために、前記励振電極を前記第1の発振回路または第2の発振回路に切り替えて接続する切り替え部と、
前記振動変位の節に設けられ、前記試料流体に含まれる第1の感知対象物を吸着して前記第1の発振周波数を変化させるための第1の吸着膜と、
前記第1の発振回路の発振周波数及び第2の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第1の感知対象物を検出するために測定データを処理する計測手段と、を備え、
前記第2の発振回路の発振周波数は、第1の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする。
The sensing device of the present invention includes a piezoelectric piece having excitation electrodes formed on one side and the other side thereof, and a piezoelectric vibrator to which a sample fluid is supplied to the one side,
A first oscillation circuit for outputting the first oscillation frequency by vibrating the piezoelectric vibrator in a first vibration mode so that a first vibration displacement distribution is formed in the piezoelectric vibrator;
The piezoelectric vibrator is vibrated in the second vibration mode so that a second vibration displacement distribution is formed in which a region vibrated in the first vibration mode on one surface side of the piezoelectric piece becomes a node of vibration displacement. A second oscillation circuit for outputting a second oscillation frequency,
A switching unit that switches and connects the excitation electrode to the first oscillation circuit or the second oscillation circuit in order to switch and extract the first oscillation frequency and the second oscillation frequency.
A first adsorption film provided in the node of the vibration displacement for adsorbing a first sensing object contained in the sample fluid and changing the first oscillation frequency;
Measuring means for measuring the oscillation frequency of the first oscillation circuit and the oscillation frequency of the second oscillation circuit, and processing measurement data to detect the first sensing object based on the measurement result; Prepared,
The oscillating frequency of the second oscillating circuit is used for canceling a temperature variation included in the oscillating frequency of the first oscillating circuit.
本発明の具体的な態様は例えば下記の通りである。
(a)第1の振動モードは厚みすべり振動の主振動であり、第2の振動モードはインハーモニックオーバトーンである。
(b)第1の振動モード及び第2の振動モードは厚みすべり振動のインハーモニックオーバトーンである。
(c)前記第1の吸着膜は第1の振動モードの振動変位が最大となる位置を含む位置に設けられている。
(d)前記圧電片において、前記第1の振動モード及び第2の振動モードで振動される領域の外側に第3の振動モードで振動される圧電振動子が形成され、
当該圧電振動子を前記第3の振動モードで振動させて第3の発振周波数を出力するための第3の発振回路と、
前記試料流体に含まれる第2の感知対象物を吸着して前記第3の発振周波数を変化させるための第2の吸着膜と、を備え、
前記計測手段は、更に第3の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第2の感知対象物を検出するために測定データを処理する手段を含み
前記第2の発振回路の発振周波数は、更に第2の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする。
(e)前記圧電片はATカットされた水晶片である。
Specific embodiments of the present invention are as follows, for example.
(A) The first vibration mode is the main vibration of the thickness shear vibration, and the second vibration mode is an inharmonic overtone.
(B) The first vibration mode and the second vibration mode are in-harmonic overtones of thickness shear vibration.
(C) The first adsorption film is provided at a position including a position where the vibration displacement in the first vibration mode is maximized.
(D) In the piezoelectric piece, a piezoelectric vibrator that is vibrated in a third vibration mode is formed outside a region that is vibrated in the first vibration mode and the second vibration mode.
A third oscillation circuit for outputting the third oscillation frequency by vibrating the piezoelectric vibrator in the third vibration mode;
A second adsorption film for adsorbing a second sensing object contained in the sample fluid and changing the third oscillation frequency,
The measurement means further includes means for measuring an oscillation frequency of a third oscillation circuit and processing measurement data to detect the second sensing object based on the measurement result. The second oscillation circuit This oscillation frequency is further used to cancel out a temperature fluctuation included in the oscillation frequency of the second oscillation circuit.
(E) The piezoelectric piece is an AT-cut crystal piece.
本発明の感知装置は、圧電振動子を第1及び第2の発振回路に切り替えて接続して互いに振動分布が異なる第1及び第2の振動モードで発振させている。そして第2の振動モードで振動され且つ第1の振動モードで振動される領域に感知対象物の吸着膜を設け、第1の振動モードの周波数変化に基づいて感知対象物を感知すると共に、第1の振動モードの周波数の温度変化による感知対象物の測定誤差を少なくするために第2の振動モードの周波数を利用している。従って温度変動に対して高い精度で感知対象物の測定を行なうことができる。また共通の圧電片に複数の圧電振動子を構成する必要がなくなるので、圧電振動子に溝などの境界層を設けたり、圧電振動子の励振電極を互いに大きく離したり、前記各圧電振動子を構成する圧電片や励振電極の厚さの調整を行う必要がなくなる。従って、圧電振動子の大型化を防ぐと共に当該圧電振動子の加工に要する工数の増加を防ぐことができる。 In the sensing device of the present invention, the piezoelectric vibrator is switched to and connected to the first and second oscillation circuits to oscillate in the first and second vibration modes having different vibration distributions. An adsorption film for a sensing object is provided in a region that is vibrated in the second vibration mode and vibrated in the first vibration mode, and senses the sensing object based on a frequency change in the first vibration mode. The frequency of the second vibration mode is used to reduce the measurement error of the sensing object due to the temperature change of the frequency of the first vibration mode. Therefore, it is possible to measure a sensing object with high accuracy against temperature fluctuations. In addition, since there is no need to configure a plurality of piezoelectric vibrators on a common piezoelectric piece, a boundary layer such as a groove is provided on the piezoelectric vibrator, excitation electrodes of the piezoelectric vibrator are separated from each other, There is no need to adjust the thickness of the piezoelectric piece and the excitation electrode. Accordingly, it is possible to prevent the piezoelectric vibrator from being enlarged and to prevent an increase in man-hours required for processing the piezoelectric vibrator.
(第1の実施形態)
本実施の形態に係る感知装置1について説明する。この感知装置1には試料液が供給され、当該感知装置1は、この試料液中に含まれる感知対象物の有無を例えば10−6〜10−9g程度まで検出することを目的とする。前記感知対象物としては、後述の反応膜の種類に応じて決定されるが、ここでは一例としてインフルエンザウイルスの検出を行うように構成されるものとする。図1は感知装置1の概略説明図であり、この図1に示すように感知装置1はセンサーユニット2と発振制御部4とデータ処理部6とを備えている。
(First embodiment)
The
センサーユニット2は水晶振動子3を備え、前記試料液が供給されるユニットである。発振制御部4は前記水晶振動子3の発振を制御し、後述するS0モードでの発振を後段に出力するユニットである。データ処理部6は、発振制御部4から出力された発振周波数を表示して、感知装置1のユーザが前記ウイルスの検出を行うことができるようにするためのユニットである。
The
センサーユニット2について詳しく説明する。センサーユニット2は、平面視長方形状の前記水晶振動子3と、水晶振動子3を支持する基板22と、これら基板22及び水晶振動子3を囲うユニット本体23とを備えている。ユニット本体23は、ユニット上部23A及びユニット下部23Bからなる。ユニット下部23Bには凹部24が設けられ、この凹部24には段部25が形成されており、この段部25により凹部24は上方側に比べて下方側が狭く形成されている。段部25に前記基板22の周縁部が支持される。基板22には貫通孔22Aが設けられ、この貫通孔22Aを塞ぐように基板22上に水晶振動子3の周縁部が支持される。
The
前記凹部24内には水晶振動子3の上方を覆うように板状の弾性部材からなる流路形成部材26が設けられる。流路形成部材26はその下側に凹部をなす液体の流通空間27を備えている。ユニット上部23Aは、凹部24を塞ぐようにユニット下部23B上に設けられ、前記流路形成部材26を介して水晶振動子3の周縁部を前記段部25に押圧して固定する。またユニット上部23Aには試料液の供給路形成部材28と廃液路形成部材29とが設けられる。これら形成部材28、29は前記流通空間27に連通する試料液の流路を備えている。
A flow
このセンサーユニット2には前記試料液を供給する前に、当該試料液供給時の液圧による水晶振動子3の発振周波数の変動を防ぐために参照液が供給される。前記参照液には感知対象物が含まれない。前記供給路形成部材28の上流側には図示しないポンプやバルブが設けられており、前記参照液及び前記試料液が互いに切り替えられて供給路形成部材28の流路を介して流通空間27に供給され、水晶振動子3の表面をその長さ方向に流通させることができるように構成される。流通空間27に供給された液体は、後から当該流通空間27に供給される液体により廃液路形成部材29の流路に押し出されて廃液される。
Before supplying the sample liquid, the
圧電振動子である前記水晶振動子3に前記発振制御部4が接続される。発振制御部4は、水晶振動子3を後述のS0モード及びA0モードで互いに切り替えて発振させることができるように、第1の発振回路401及び第2の発振回路402を含んでいる。第1の発振回路401がS0モードで発振できるように構成された回路であり、第2の発振回路402がA0モードで発振できるように構成された回路である。
The oscillation control unit 4 is connected to the
図2は水晶振動子3の側面図である。水晶振動子3はATカットされた水晶片31を備えている。ATカットされた水晶片31は、主面(YZ面)が水晶の結晶軸であるY軸に対して、X軸を中心としてZ軸からY軸方向に35度15分傾斜されている。各図ではこのようにカットされた水晶片31の幅方向、厚さ方向、長さ方向を夫々X軸方向、Y’軸方向、Z’軸方向として示している。つまり、Y’軸、Z’軸はY軸、Z軸に対して夫々35度程度傾いた軸である。水晶片31の表面(上面)には、その長さ方向に互いに離れて励振用の電極301、303が設けられ、水晶片31の裏面(下面)には励振用の電極302、304が互いに離れて設けられる。電極301、302は互いに重なるように形成され、電極303、304は互いに重なるように形成されている。なお、実際には電極301〜304から水晶片31の周縁に向けて接続用の電極が形成され、当該接続用の電極が基板21に設けられた導電路に接続される。この導電路を介して、電極301〜304は発振制御部4に電気的に接続される。
FIG. 2 is a side view of the
水晶片31の表面の長さ方向の中央部において、前記電極301、303間には反応膜311が形成されている。反応膜311は感知対象物である前記インフルエンザウイルスを抗原とする抗体を備え、抗原抗体反応により当該ウイルスを特異的に吸着する吸着膜をなす。電極302、304及び反応膜311が前記流通空間27に面するように水晶振動子3はセンサーユニット2に設けられる。電極302、304は、前記基板22の貫通孔22Aに面するように構成される。
A
水晶振動子3の各電極301〜304と発振回路401、402との間の配線を切り替えることにより、水晶振動子3は上記のS0モードまたはA0モードで発振することができる。S0モードは厚みすべり振動の主振動であり、感知対象物の感知に利用する。図2は水晶振動子3における振動変位の分布を示している。この変位分布のグラフは、上下方向に見て水晶振動子3の横方向(Z’軸方向)の中心部から離れるほど振動変位が小さく、水晶振動子の横方向(Z’軸方向)の中心に近づくほど振動変位が大きくなる(振動の腹になる)ことを示している。後に他の各モードの振動分布を示すときもこのS0モードと同様に示す。
By switching the wiring between the
このS0モードの振動分布について説明すると、水晶片31を横方向から見て電極間の中央部が比較的振動が大きく、その中央部から各電極側に向かうにつれて振動が小さくなる。つまり、水晶片31において反応膜311は、振動変位が極大となる部分、いわゆる振動の腹に設けられている。これによってS0モードによる発振周波数は、反応膜311への感知対象物の吸着による質量付加効果により、比較的大きく変化することになるので、高い検出感度が得られる。
The vibration distribution in the S0 mode will be described. When the
図3は前記S0モードで水晶振動子3を発振させるための配線を示したものである。この図3に示すように水晶片31の上部側の電極301、303が互いに接続されており、これら電極301及び303が第1の発振回路401の入力側及び出力側のうちの一方に直列に接続されている。また、水晶片31の下部側の電極302、304が互いに接続されており、これら電極302及び304が第1の発振回路401の入力側及び出力側のうちの他方に直列に接続されている。
FIG. 3 shows wiring for oscillating the
続いてA0モードについて説明する。このA0モードは厚みすべり振動のインハーモニックオーバトーンであり、水晶振動子3の温度を検出するために用いられる。図4は水晶振動子3における前記A0モードの振動変位の分布を示している。この図4に示すようにこの振動変位は水晶片31を横方向から見て、電極301、302間の中央部が振動変位の節であり、水晶片31を電極301側、303側に向かうにつれて、振動変位が次第に大きくなる。電極301側と303側とで、水晶片31のX軸方向(図4では紙面に垂直な方向)の互いに反対向きに振動する。その振動変位は、電極301、303上で最大となり、さらに水晶片31を外側に向かうと次第に小さくなる。つまり、前記反応膜311が設けられる水晶片31の中央部は振動変位の節となり、振動が起こらない。このような振動変位分布であるため水晶振動子3は、A0モードでは反応膜311と感知対象物との吸着に影響されずに発振する。
Next, the A0 mode will be described. This A0 mode is an inharmonic overtone of thickness-shear vibration and is used to detect the temperature of the
図5または図6に示すように水晶振動子3を第2の発振回路402に接続することで、水晶振動子3を前記A0モードで発振させることができる。図5に示す例では電極301、304が互いに接続され、これら電極301、304が第2の発振回路402の入力側及び出力側のうちの一方に直列に接続されている。また、電極303、302が互いに接続され、これら電極303、302が第2の発振回路402の入力側及び出力側のうちの他方に直列に接続されている。図6に示す例では電極302、304が互いに接続されており、電極301、303が第2の発振回路402の入力側、出力側に夫々直列に接続されている。また、図示していないが各図において例えば水晶片31の上側の電極301、303は接地される。
By connecting the
S0モード、A0モードについて、図7を参照しながらさらに説明する。この図7は、横軸に周波数、縦軸にアドミッタンスを夫々設定した各モードのグラフである。A0モードはS0モードの近傍の周波数で励振され、A0モードの共振周波数及び反共振周波数は、S0モードの共振周波数及び反共振周波数よりも高い。なお、この第1の実施形態では使用しないS1モードについても図7に示しているが、このS1モードについては後述する。 The S0 mode and the A0 mode will be further described with reference to FIG. FIG. 7 is a graph of each mode in which frequency is set on the horizontal axis and admittance is set on the vertical axis. The A0 mode is excited at a frequency near the S0 mode, and the resonance frequency and antiresonance frequency of the A0 mode are higher than the resonance frequency and antiresonance frequency of the S0 mode. Note that the S1 mode not used in the first embodiment is also shown in FIG. 7, but this S1 mode will be described later.
続いて、発振制御部4及びデータ処理部6の構成を詳しく示した図8についても参照しながら感知装置1の説明を続ける。発振制御部4は、上記の発振回路401、402と、接続切り替え部41と、周波数測定部411、412と、温度推定部43と、温度補償電圧演算部44と、加算部45とを備えている。前記接続切り替え部41の後段に前記第1の発振回路401及び第2の発振回路402が設けられている。温度推定部43、温度補償電圧演算部44及び加算部45は温度補償部を構成する。
Subsequently, the description of the
この発振制御部4の役割を説明するために、ATカットの水晶振動子の周波数温度特性について一例として図9を参照しながら説明する。この図9において、グラフの縦軸は、反応膜311に感知対象物が吸着されていない場合に目標とする(発振させたい)設定周波数f0と、温度Tにおいて実際に得られる周波数fと、の間における周波数偏差(Δf/f0、Δf=f−f0)を示しており、横軸は水晶振動子3の温度Tを示している。T0は基準温度例えば29℃であり、この温度T0で設定周波数f0が得られるように第1の発振回路401の制御電圧が設定される。ATカットの水晶片31を用いて発振させる場合には、周波数偏差Δf/f0は、温度Tの3次関数である(1)式で近似される。
Δf/f0=α(T−T0)3+β(T−T0)+γ・・・(1)
この(1)式において、α、β、γは夫々水晶振動子毎に個別に求められる定数である。
In order to explain the role of the oscillation control unit 4, the frequency temperature characteristics of an AT-cut crystal resonator will be described as an example with reference to FIG. In FIG. 9, the vertical axis of the graph represents a target frequency (f 0 ) to be set when the sensing object is not adsorbed on the reaction film 311 (desired to oscillate), a frequency f actually obtained at the temperature T, (Δf / f 0 , Δf = f−f 0 ), and the horizontal axis represents the temperature T of the
Δf / f 0 = α (T−T 0 ) 3 + β (T−T 0 ) + γ (1)
In the equation (1), α, β, and γ are constants obtained individually for each crystal resonator.
このように上記のS0モードの発振周波数は水晶片31の温度によって変化するのでS0モードによる周波数は反応膜311への吸着と、水晶振動子3の温度の変化との両方の要因によって変化する。そして、図示していないがA0モードについても発振周波数が水晶振動子3の温度に応じて変化する。そこで、前記発振制御部4は、A0モードの発振周波数から前記温度を検出し、その検出温度に応じて、基準温度T0と前記温度とのずれによる設定周波数f0からの周波数のずれΔfが補償されるように、第1の発振回路401に供給する制御電圧Vcを制御する。第1の発振回路401における発振周波数fは、図10に示すように制御電圧Vcに比例する。つまり、A0モードの発振周波数を温度に対するリファレンス用、S0モードの発振周波数をA0モードの発振周波数を利用した感知対象物の検出用として使用する。
As described above, since the oscillation frequency of the S0 mode changes depending on the temperature of the
図8の説明に戻る。前記接続切り替え部41は図3で示したように各電極301〜304と第1の発振回路401が接続された状態と、図5で示したように電極301〜304と第2の発振回路402が接続された状態とを互いに切り替える。それによって第1の発振回路401、第2の発振回路402からは夫々S0モード、A0モードの発振周波数が時分割で交互に取り出されるようになっている。各接続状態の切り替えは高速に行われ、それによってこれらの発振周波数は実質同時に出力される。なお、A0モードの発振出力を取り出すために、図5のように配線が形成されるようにする代わりに図6のように配線が形成されるように接続切り替え部41を構成してもよい。
Returning to the description of FIG. In the
ところで、図8中51は第1の発振回路401の基準電圧供給用の端子である。図中基準電圧をV0として表している。基準電圧V0は加算部45に入力され、この基準電圧V0に基づいて制御電圧Vcが演算される。第1の発振回路401には接地されたバリキャップダイオード52が接続され、このバリキャップダイオード52を介して前記制御電圧Vcが第1の発振回路401に印加され、発振周波数が制御される。前記加算部45について更に述べると、下記の(2)式に示すように基準電圧V0から第2の発振回路402の出力に基づいて演算された温度補償電圧ΔVを減算(ΔVの符号の取り方によっては加算と言える)することにより、上記の制御電圧Vcが生成されるように構成されている。
Vc=V0−ΔV ・・・(2)
Incidentally, 51 in FIG. 8 is a reference voltage supply terminal of the
V c = V 0 −ΔV (2)
この基準電圧V0とは、基準温度T0例えば29℃において第1の発振回路401から設定周波数f0が出力される時の制御電圧である。ところで、上記のように第1の発振回路401の発振周波数fは、制御電圧Vcに比例する。そのように比例関係にあることから、温度補償電圧ΔVは(3)式のように表され、(4)式が成り立つことから、ΔVは(5)式として表される。尚、Tは温度推定部43において検出された温度、Δf=f−f0である。
ΔV=V0(Δf/f0)・・・(3)
Δf/f0=α1(T−T0)3+β1(T−T0)+γ1・・・(4)
ΔV=V0{α1(T−T0)3+β1(T−T0)+γ1}・・・(5)
α1、β1及びγ1は第1の発振回路401に固有の定数である。第1の発振回路401の後段には、前記周波数測定部411が設けられている。この周波数測定部411は周波数カウンタからなり、第1の発振回路401の発振周波数fを計測し、その計測値のデータがデータ処理部6に出力される。
The reference voltage V 0 is a control voltage when the set frequency f 0 is output from the
ΔV = V 0 (Δf / f 0 ) (3)
Δf / f 0 = α 1 (T−T 0 ) 3 + β 1 (T−T 0 ) + γ 1 (4)
ΔV = V 0 {α 1 (T−T 0 ) 3 + β 1 (T−T 0 ) + γ 1 } (5)
α 1 , β 1 and γ 1 are constants inherent to the
図中53は第2の発振回路402に制御電圧V10を供給するための端子である。第2の発振回路402には接地されたバリキャップダイオード54が接続されており、このバリキャップダイオード54を介して前記電圧供給端子53から制御電圧V10が第2の発振回路402へ供給される。また、第2の発振回路402には、前記周波数測定部412、温度推定部43、温度補償電圧演算部44がこの順に接続されている。
In the figure,
周波数測定部412は例えば周波数カウンタにより構成され、測定された周波数を前記温度推定部43に出力する。温度推定部43には、予め周波数測定部412で測定される周波数と水晶振動子3の温度との対応関係(温度特性)が記憶されている。この温度特性と周波数測定部412から出力された発振周波数とに基づいて、温度推定部43において水晶振動子3の温度Tが推定され、前記温度Tに対応する信号が後段に出力される。また、補償電圧演算部44は、既述の(5)式及び温度Tに基づいて温度補償電圧ΔVを求め、このΔVが既述の加算部45に出力される。
The
第1の発振回路401の発振周波数fは、上記のように制御電圧Vcに比例する。従って、温度がT0からT1になったときに温度補償電圧演算部44において、周波数f1と設定周波数f0との差分であるΔfを補償するために、Δfに相当する補償電圧ΔVだけ制御電圧Vcを高くするようにコントロールされる。温度補償電圧ΔVは、上記の(5)式の温度Tに温度T1を代入することにより求められる。これにより温度の影響により第1の発振回路401の発振周波数fがΔfだけ高くなろうとし、温度T1になっていることにより発振周波数fがΔfだけ低くなろうとする作用を打ち消す。それによって反応膜311に感知対象物が吸着されないときには、発振周波数fが設定周波数f0に維持されることになる。
The oscillation frequency f of the
続いてコンピュータであるデータ処理部6について説明する。図8中61はバスであり、前記周波数測定部411が接続される。また、バス61にはCPU62と、周波数記憶部63と、表示部64とが接続されている。周波数記憶部63は周波数測定部411から出力される周波数データを時系列で記憶する。表示部64は、周波数記憶部63に記憶されたデータに基づいて周波数の時間による変化を表示する。表示例については後述する。図中65はプログラムであり、このプログラム65及びCPU62は、上記の記憶動作、表示動作などのデータ処理部6の動作を制御する。
Next, the data processing unit 6 that is a computer will be described. In FIG. 8,
次に、上述の感知装置1の作用について説明する。図11は、第1の発振回路401から出力される周波数fが変化する様子を示したグラフであり、このグラフも参照しながら説明する。このグラフの縦軸は周波数を、横軸は時間を示している。このようなグラフが前記表示部64に表示され、装置のユーザが周波数の変化を把握できるようになっている。装置の不図示の電源がオンになり、切り替え部41により水晶振動子3が第1の発振回路401及び第2の発振回路402に交互に接続され、S0モード、A0モードが互いに切り替えられて後段に出力される。
Next, the operation of the above-described
A0モードの発振周波数から温度推定部43により水晶振動子3の温度が推定され、基準温度T0の発振周波数f0になるように温度補償電圧演算部44が補償電圧ΔVを出力し、制御電圧Vc=V0−ΔVが第1の発振回路401に出力されて、S0モードの発振周波数がf0に維持される。続いて、センサーユニット2の供給路形成部材28から流通空間27に例えば純水からなる参照液を供給する。上記のように参照液は感知対象物であるインフルエンザウイルスを含まない。参照液の質量不可効果により第1の発振回路401の発振周波数は低下する(図11中時刻t1)。このように低下した発振周波数をグラフ中f0’としている。前記参照液は流通空間27から廃液路形成部材29に流れ込んで排液される。
The
続いて、供給路形成部材28の上流側で流路を切り替えて、供給路形成部材28に試料液を供給し(図11中時刻t2)、当該試料液が参照液に続いて流通空間27に供給され、流通空間27内が参照液から試料液に置換される。この試料液に前記ウイルスが含まれているとした場合について説明すると、試料液が流通空間27を通過するときにウイルスが反応膜311に吸着され、質量付加効果によりS0モードの発振周波数が低下する。上記したように、反応膜311は振動が大きい電極301、303間の中央部に設けられているため、この吸着によってf0’から比較的大きく発振周波数が低下する。
Subsequently, the flow path is switched on the upstream side of the supply path forming member 28 to supply the sample liquid to the supply path forming member 28 (time t2 in FIG. 11), and the sample liquid enters the
そして、上記のように反応膜311が設けられている前記中央部はA0モードによる振動が起こらず、前記吸着によりA0モードの発振周波数は変化しない。従って、水晶振動子3の温度に高い精度で対応したA0モードの発振周波数が出力され続けることにより、水晶振動子3の基準温度からの温度変化に応じて、高い精度で第1の発振回路401からの発振周波数の前記温度変化分のずれが補償される。それによって、ウイルスの吸着量と発振周波数f0’からの低下量が高い精度で対応する。グラフ中、前記時刻t2以降にf0’から低下して、安定した周波数をf1として示している。
The central portion where the
試料液中にインフルエンザウイルスが含まれていない場合は時刻t2以降、周波数はf0’ほとんど変化しない。つまり時刻t2以降の周波数f1はf0’と略等しい。ユーザは、グラフから周波数f0’とf1との差分を読み取り、その差分が予め設定した基準値以上であれば試料液中にインフルエンザウイルスが含まれ、基準値より小さければ試料液中にインフルエンザウイルスが含まれていないと判定する。ところで、予め実験により前記周波数f0’とf1との差分値と、前記ウイルスの質量との対応関係を求めておき、上記のようにグラフから読み取った差分値からウイルスの質量を求めてもよい。つまり、この感知装置1は感知対象物の感知及び定量を行うことができる。
When the influenza virus is not contained in the sample solution, the frequency f0 'hardly changes after time t2. That is, the frequency f1 after time t2 is substantially equal to f0 '. The user reads the difference between the frequencies f0 ′ and f1 from the graph, and if the difference is greater than or equal to a preset reference value, influenza virus is contained in the sample solution, and if the difference is smaller than the reference value, influenza virus is contained in the sample solution. It is determined that it is not included. By the way, a correspondence relationship between the difference value between the frequencies f0 'and f1 and the mass of the virus may be obtained in advance by experiments, and the mass of the virus may be obtained from the difference value read from the graph as described above. That is, the
この感知装置1によれば、共通の水晶振動子3を、接続切り替え部41により第1の発振回路401、第2の発振回路402に交互に接続して水晶振動子3をS0モード、A0モードで夫々発振させ、反応膜311を前記A0モードの振動の節に配置し、前記S0モードによる発振を水晶振動子3の反応膜311への感知対象物の検出に利用し、前記A0モードによる発振を水晶振動子3の温度の変化の検出及びS0モードによる出力周波数の補正に利用している。これによって、S0モードは前記温度の影響を受けないように発振するため、感知対象物の吸着量に応じてその発振周波数の低下量が高い精度で対応するため、感知対象物の検出を高い感度で行うことができる。また、背景技術の項目で説明した水晶片31の異なる領域に各々水晶振動子を形成し、各水晶振動子のうち一つだけに吸着膜を設けて各水晶振動子の発振周波数の差分に基づいて感知対象物の検出を行う場合に比べて、各水晶振動子の弾性的な結合を防ぐ必要が無い。従って水晶片31に溝などの境界層を形成したり、電極対を大きく離したりする必要が無くなるので、水晶振動子3の小型化を図ることができるため、感知装置1が大型化することを防ぐことができる。また、そのように水晶片31に境界層を形成したり、水晶振動子ごとに水晶片の厚さや電極の厚さが異なるように加工する必要が無い。従って、感知装置1の製造コストを抑えることができる。
上述の例では、発振回路401、402に対して夫々周波数測定部411、412を用いているが、周波数測定部を共通化し(周波数測定部を1個用い)、スイッチにより発振回路401、402の発振周波数を交互に周波数測定部に取り込むようにしてもよい。
以上において、前記第2の発振回路402の発振周波数は、第1の発振回路401の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであり、その一態様として、上述の実施形態では、A0モードの発振周波数(第2の発振回路402の発振周波数)を温度検出値として取り扱い、この温度検出値に基づいて第1の発振回路401の制御電圧の設定値の補償値を求めている。
しかしながらA0モードの発振周波数は、S0モードの発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するための使い方としてこの手法に限らない。例えばS0モードの発振周波数とA0モードの発振周波数との差分を求め、この差分周波数に基づいて感知対象物を感知するようにしてもよい。この場合、感知対象物が吸着膜に吸着されることでS0モードの発振周波数が低下するが、A0モードの発振周波数は低下しない。このため差分周波数は、感知対象物が吸着膜に吸着されることにより変化し、その変化分に基づいて感知対象物の吸着量を求めることができる。そしてS0モードの発振周波数が温度変化により変化したときに、A0モードの発振周波数も同様の傾向で変動することから、両者の差分をとることにより、測定結果に対する温度変化の影響が抑えられる。この場合のように、両発振周波数の差分を測定し、差分周波数に基づいて感知対象物を感知する場合であっても、この明細書では「第1の発振回路401の発振周波数及び第2の発振回路402の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて」というステップに相当するものとする。
According to this
In the above example, the
In the above description, the oscillation frequency of the
However, the oscillation frequency of the A0 mode is not limited to this method as a usage for canceling the temperature variation included in the oscillation frequency of the S0 mode. For example, a difference between the oscillation frequency of the S0 mode and the oscillation frequency of the A0 mode may be obtained, and the sensing object may be sensed based on the difference frequency. In this case, the sensing object is adsorbed by the adsorption film, so that the oscillation frequency of the S0 mode is lowered, but the oscillation frequency of the A0 mode is not lowered. Therefore, the difference frequency changes when the sensing object is adsorbed on the adsorption film, and the amount of adsorption of the sensing object can be obtained based on the change. When the oscillation frequency of the S0 mode changes due to a temperature change, the oscillation frequency of the A0 mode also fluctuates with the same tendency. Therefore, by taking the difference between the two, the influence of the temperature change on the measurement result can be suppressed. Even in the case where the difference between the two oscillation frequencies is measured and the sensing object is sensed based on the difference frequency as in this case, in this specification, “the oscillation frequency of the
(第2の実施形態)
続いて、図12を参照しながら第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態では、第1の実施形態と比べて水晶振動子3から各発振回路401、402に至るまでの配線が異なっている。発振回路401、402の間での接続の切り替えは接続切り替え部をなすスイッチ71、72により行われる。さらにこの配線について説明すると、電極302及び304が互いに接続され、また電極301が接地されずにこれら電極302、304にショートされるように構成される。そして、これら電極301、302、304がスイッチ71の切り替えにより発振回路401、402のうちいずれか一方に直列に接続される。また、電極303がスイッチ72の切り替えにより発振回路401、402のうちいずれか一方に直列に接続される。スイッチ71、72は同期して切り替わり、電極301〜304が同時に発振回路401または402に接続される。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In the second embodiment, the wiring from the
第1の実施形態と同様に、各電極が第1の発振回路401に接続されたときにはS0モードで発振し、各電極が第2の発振回路402に接続されたときにはA0モードで発振する。つまり、スイッチ71、72から電極に至るまでの配線は各S0モードの発振時及びA0モードの発振時に共用される。この第2の実施形態においては、第1の実施形態と同様の効果を得られる他に、配線の簡素化を図り、装置の製造コストをより低下させることができる。
As in the first embodiment, when each electrode is connected to the
(第3の実施形態)
図13には、前記第2の実施形態と略同様に構成された第3の実施形態について示している。この第3の実施形態は、電極301、303の代わりに、電極302、304に対向するように1枚の分割されていない電極305が設けられている。前記電極305は接地される。そして、この電極305上において、電極302、304間の中央部に前記反応膜311が設けられている。発振制御部4は図中一部の構成要素を省略して示しているが第2の実施形態と同様に構成されており、スイッチ71、72を介して水晶振動子3が発振回路401または402に接続される。
(Third embodiment)
FIG. 13 shows a third embodiment configured substantially the same as the second embodiment. In the third embodiment, one
このように水晶振動子を構成しても、S0モード及びA0モードの振動分布は第1及び第2の実施形態と同様になる。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、第2の実施形態と同様にS0モード及びA0モードで、各電極305、302、304からスイッチ71、72までの配線が共用されるので、装置の構成が簡略化される利点もある。また、水晶振動子3において、互いに電気的に分離されれば水晶片31の上側に互いに分割された電極301、303を配置し、下側にこれら電極に対向するように電極305を設けて、電極301、303を接地せず、前記電極305を接地した構成としてもよい。反応膜は第1の実施形態と同様に電極301、303間に設ける。
Even if the crystal resonator is configured as described above, the vibration distributions in the S0 mode and the A0 mode are the same as those in the first and second embodiments. Therefore, the same effect as the first embodiment can be obtained. In addition, as in the second embodiment, the wiring from the
(第4の実施形態)
第4の実施形態においては、水晶振動子3に代わり水晶振動子300を用いる。水晶振動子300は、図14に示すように水晶片31の長さ方向に互いに離れて形成された3つの励振用の電極対を備える。各電極対を構成する電極は水晶片31の表裏で対向しており、水晶片31の表面側において前記長さ方向に順に3つの電極を321、323、325とする。そして、裏面側の電極を同じ長さ方向に沿って322、324、326として示している。電極321、325間の中央部に電極323が設けられ、電極322、326間の中央部に電極324が設けられている。表面側の電極321、323、325は各々接地される。このように3つの電極対を水晶片31に形成した場合にも既述の各実施形態のようにS0モードまたはA0モードで発振を行うことができる。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a
図14には水晶振動子300におけるS0モードの振動分布を示している。この振動分布は水晶振動子3の振動分布と同様であり、反応膜321はS0モードの振動が最大となる電極323上に設けられている。図15には、S0モードで振動させるための水晶振動子300と第1の発振回路401との配線を示している。この図に示すように電極321、323、325が互いに接続されると共にこれら電極が第1の発振回路401に対して直列に接続される。また、電極322、324、326が互いに接続されると共にこれら電極が第1の発振回路401に対して直列に接続される。図16にはS0モードで発振させるための図15に示した例とは異なる配線を示している。この図16に示す例では電極323、324だけが第1の発振回路401の入力側、出力側に夫々接続される。
FIG. 14 shows the vibration distribution of the S0 mode in the
図17にはA0モードでの振動変位分布を示している。この振動変位分布は水晶振動子3の振動変位分布と同様であり、前記反応膜311が設けられる電極321、325間中央部において振動変位の節となる。図18及び図19には、A0モードで振動させるための水晶振動子300と第2の発振回路402との間の配線を示している。図18に示す例では電極321、326が互いに接続され、これら電極321、326が第2の発振回路402に直列に接続されている。また、電極322、325が互いに接続され、これら電極322、325が第2の発振回路402に直列に接続されている。図19に示す例では電極322、326が互いに接続されており、電極321、325が各々第2の発振回路402に直列に接続されている。
FIG. 17 shows the vibration displacement distribution in the A0 mode. This vibration displacement distribution is the same as the vibration displacement distribution of the
この水晶振動子300を第1の実施形態の感知装置1に適用することができる。その場合、水晶振動子300をS0モード及びA0モードで交互に発振できるようにするために、図15、図16のうちのいずれか一方の接続状態と、図18、図19のうちのいずれか一方の接続状態とが互いに切り替わるように接続切り替え部41が構成される。それによって第1の実施形態と同様に測定を行うことができる。
This
図20には水晶振動子300の感知装置1への適用例を示している。この例では第1の発振回路401と電極323、324との間にスイッチ73、73が介在すると共に、電極321、325との間にスイッチ74、74が介在する。各スイッチ73、74により図16に示した状態と図19に示した状態とで接続が切り替わる。つまり、各スイッチ73、74が接続切り替え部41に相当する。水晶振動子300において発振回路401、402に接続される電極が互いに異なるので、必要なスイッチの数が抑えられ、装置構成の簡素化を図ることができる。
FIG. 20 shows an application example of the
(第5の実施形態)
前記水晶振動子300は、S1モードによる発振を行うことができる。このS1モードは、厚みすべり振動のインハーモニックオーバトーンであり、図7のグラフに示したようにその共振周波数及び反共振周波数は、S0モード及びA0モードの各共振周波数及び反共振周波数よりも大きい。図21にはS1モードの振動分布を示している。図21に示すようにS1モードの振動分布は電極323上で極大となるため、当該電極323に設けた反応膜311への感知対象物の吸着により大きく周波数が変化する。つまりS0モードと同様に、反応膜311が設けられる電極321、325間の中央部が振動の腹となっている。また、水晶片31を電極323上から電極321、325に向かう従ってその振動変位が低下し、電極321、325に差し掛かると振動変位の節になり、さらに水晶片31を外方へ向かうと振動方向が電極323上とは逆になる。この第5の実施形態では、水晶振動子300をS0モードの代わりに、S1モードで発振させる点で第4の実施形態と異なる。
(Fifth embodiment)
The
図22には水晶振動子300をS1モードで発振させるための配線を示している。S1モードでの発振を行うために、水晶振動子300は第3の発振回路403に接続される。この接続について説明すると、電極321、325、324が互いに接続され、これらの電極が第3の発振回路403の入力側及び出力側のうちの一方に直列に接続される。また、電極322、323、326が互いに接続され、これらの電極が第3の発振回路403の入力側及び出力側のうちの他方に直列に接続される。この第5の実施形態の水晶振動子300を第1の実施形態の感知装置1に適用する場合、水晶振動子300を発振回路401または403に切り替えて接続するように接続切り替え部41が構成される。つまり、図15の接続状態と、図18または図19の接続状態とが互いに切り替わるように構成される。
これまで述べた実施の形態においても、第1の実施の形態の最後の部分で記載したように、S0モードの発振周波数とA0モードの発振周波数との差分を求め、この差分周波数に基づいて感知対象物を感知するようにしてもよい。
FIG. 22 shows wiring for causing the
Also in the embodiments described so far, as described in the last part of the first embodiment, the difference between the oscillation frequency of the S0 mode and the oscillation frequency of the A0 mode is obtained and sensing is performed based on the difference frequency. An object may be detected.
(第6の実施形態)
この第6の実施形態においては、上記の水晶振動子3と水晶振動子300とが組み合わされて、共通の水晶片31に形成された振動子を用いる。この水晶振動子3、300をまとめて複合水晶振動子7と記載する。図23は複合水晶振動子7の表面(上面)を示している。図中のXは水晶片31の結晶のX軸方向を示しており、水晶振動子3、300は前記X軸方向に配列されている。なお図中のZ’は結晶のZ軸から35度程度傾いた方位を示している。図中の水晶振動子3、300が個別に発振する。
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, the
この第6の実施形態では、水晶振動子300を上記のようにS0モード、A0モード及びS1モードで発振させ、水晶振動子3を上記のようにS0モード及びA0モードで発振させる。共通の水晶片31に形成されているので、水晶振動子3、300は互いに同じ温度になる。そこで、この複合水晶振動子7を適用した感知装置1では、水晶振動子3の前記A0モードに基づいて第1の実施形態で説明したように水晶振動子3、300の温度を推定し、その温度に基づいて水晶振動子3のA0モードの発振周波数及び水晶振動子300の前記3つの各発振モードの発振周波数を、基準温度からの温度変化によるずれが補償されるように制御する。そして、これら温度変化による変動が補償された発振周波数の変化をモニタすることで試料液における4種類の感知対象物の検出を行う。つまり、水晶片31において水晶振動子3が形成される領域の外側に水晶振動子300が形成されており、水晶振動子3のA0モードの出力を水晶振動子3のS0モードの発振制御の他に水晶振動子300の各モードの発振制御にも用いる。この水晶振動子300を各モードで発振させる各発振回路が第3の発振回路に相当する。
In the sixth embodiment, the
上記のように検出を行うために、複合水晶振動子7の表面には互いに異なる感知対象物を吸着する4種類の反応膜311、312、313、314が設けられている。図24は、複合水晶振動子7を水晶振動子300側から見た側面図である。反応膜311は既述の実施形態で説明した電極323上に設けられる。反応膜312は、電極間321、323間及び電極323、325間に設けられている。反応膜313は、電極323、325上に設けられている。反応膜314は、水晶振動子3において、第1の実施形態で反応膜311が設けられている電極301、303間に当該反応膜311の代わりに設けられている。
In order to perform detection as described above, four types of
反応膜311〜313に対応する各感知対象物の検出手法について図25〜図27を用いて説明する。これらの図は、感知対象物が吸着された反応膜と当該吸着により大きくその周波数が変化する振動モードとを対応付けて示したものである。図25に示すように感知対象物が反応膜311に吸着されると、各実施形態で説明したようにS0モード及びS1モードの振動の腹がこの反応膜311が設けられている電極321、325間であるため、S0モード及びS1モードの発振周波数が大きく低下する。しかし、この反応膜311が設けられている箇所は水晶振動子300のA0モードの振動の節であるため、A0モードの発振周波数は低下しない。
A method for detecting each sensing object corresponding to the
図26に示すように反応膜312に感知対象物が吸着されると、反応膜312はS0モードの振動の腹の近くに設けられているので、当該S0モードの発振周波数は比較的大きく低下する。しかし、この反応膜312は、A0モード及びS1モードの振動の節の近くに設けられていることから、これらA0モード、S1モードの発振周波数は若干の低下に留まる。
As shown in FIG. 26, when the sensing object is adsorbed to the
図27に示すように反応膜313に感知対象物が吸着されると、反応膜313はA0モード及びS1モードの振動の腹の近くに設けられていることから、A0モード及びS1モードの発振周波数は比較的大きく低下する。しかし、この反応膜313は、S0モードの振動の腹からは離れた位置に設けられるので、S0モードの発振周波数は若干の低下に留まる。
As shown in FIG. 27, when the sensing object is adsorbed to the
このように水晶振動子300において、どの反応膜に感知対象物が吸着するかによって各振動モードは異なる周波数変化を示すので、この周波数変化に基づいて試料液中の感知対象物の検出を行うことができる。また、水晶振動子3の反応膜314に感知対象物が吸着された場合は、第1の実施形態などで説明したように、同じ水晶振動子3のA0モードの発振周波数は変動せずにS0モードの発振周波数が低下する。
As described above, in the
ところで、試料液中において反応膜311〜313のうちどれか一つとだけ反応する物質が含まれる場合は、上記のように各モードの周波数変化に基づいて検出を行うことができる。反応膜311、312に対して夫々に感知対象物が吸着される場合を考えると、S0モード及びS1モードの周波数が共に低下し、A0モードはほとんど周波数が変化しない。上記のように反応膜311だけに感知対象物が吸着された場合もS0モード及びS1モードの周波数が低下するが、反応膜311、312の両方に感知対象物が吸着される場合はS0モードの周波数は、反応膜311、312の両方の吸着の影響を受けるので、当該S0モードの周波数の低下が、反応膜311だけに感知対象物が吸着される場合に比べて大きくなる。これによって、反応膜311に吸着される感知対象物だけが含まれるか、反応膜311、312の夫々に吸着される複数の感知対象物が含まれるかを識別することができる。しかし、反応膜311、313に夫々に感知対象物が吸着された場合及び反応膜312、313に共に感知対象物が吸着された場合は、S0モード、A0モード、S1モードの各発振周波数が全て低下するので、試料液中に含まれる感知対象物の検出は困難となる。そのことを踏まえて水晶振動子300における各反応膜の選択を行う。
By the way, when a substance that reacts with only one of the
図28は、上記の複合水晶振動子7を用いた感知装置1の概略構成を示している。この図28では便宜上水晶振動子3、300が離れて示されているが、これら水晶振動子は上記のように1枚の水晶片によって構成されている。水晶振動子300は、スイッチ82、83により第1の発振回路401、第2の発振回路402及び第3の発振回路403のいずれかに切り替えて接続される。それによって、水晶振動子300は上記のようにS0、A0、S1の各振動モードにより時分割で発振されるように構成されている。水晶振動子3は、スイッチ84、85により第4の発振回路404、第5の発振回路405のいずれかに接続されるようにその接続が切り替えられる。それによって上記のようにS0、A0の各振動モードにより時分割で発振されるように構成されている。第4の発振回路404、第5の発振回路405は、第1の実施形態における第1の発振回路401、第2の発振回路402に相当する。
FIG. 28 shows a schematic configuration of the
図28に示した水晶振動子300と各発振回路401〜403との間の配線を説明すると、水晶片31の下側の3つの電極322、324、326と図中水晶片31の上側中央の電極323と、図中水晶片31の上側左の電極321とを互いに接続し、これら互いに接続された電極が、前記スイッチ83により発振回路401〜403の入力側及び出力側の一方に接続される。そして、電極325が、前記スイッチ82により発振回路401〜403の入力側及び出力側の他方に接続される。なお、この配線は3pole MCFの周波数調整の結線と同様である。また、各スイッチ82、83の前段で電極321の代わりに電極325が他の電極と接続され、電極325の代わりに電極321がスイッチ82を介して各発振回路に接続される構成であってもよい。水晶振動子3は第2の実施形態として説明した図12と同様に、スイッチ84、85を介して発振回路404、405のうち一方に切り接続される。スイッチ84、85は第2の実施形態のスイッチ71、72に相当する。
The wiring between the
上記のようにこの実施形態では第5の発振回路405から出力された水晶振動子3のA0モードの発振により水晶振動子3、300の温度を推定する。そして、その温度に基づいて、発振回路401〜404の制御電圧を制御し、各発振回路から出力される周波数の温度による変化を補償する。各発振回路401〜404の出力は夫々の発振回路401〜404に接続された図示しない周波数測定部に送信され、各周波数測定部で測定された周波数がデータ処理部6に取り込まれる。温度を推定するための構成及び発振回路の前記制御電圧を制御するための構成の詳細は既述の実施形態で説明しているため、ここでは詳細な説明を省略するが第1の実施形態で説明したように各発振回路には、夫々個別の加算部45、温度補償電圧演算部44、基準電圧制御端子51が接続され、温度推定部43で推定された温度に基づいて制御電圧が供給されるものとする。発振回路401〜403に接続されるこれら加算部45及び温度補償電圧演算部44は、第3の発振回路用の温度補償部を構成する。
As described above, in this embodiment, the temperatures of the
そして、データ処理部6は、各発振回路401〜404からの発振周波数を個別に周波数記憶部63に記憶し、第1の実施形態で説明したように表示部64にグラフ表示する。ユーザは表示されたグラフから、各発振回路401〜404の発振周波数を読み取り、試料液中における反応膜311〜314と反応する各物質の検出を行うことができる。
Then, the data processing unit 6 individually stores the oscillation frequencies from the
この第6の実施形態は上記の各実施形態と同様の効果を有し、1つの水晶振動子300で複数の感知対象物の感知を行うことができるので、装置の運用コストを低下させることができる。ところで、この第6の実施形態及び他の実施形態において、感知対象物の感知は、このように表示部64の表示に基づいてユーザが行ってもよいし、記憶部に記憶される周波数の時系列データに基づいてプログラム65が自動で行い、前記表示部64において反応膜への感知対象物の吸着の有無を表示させてもよい。
なお、第6の実施形態のように、3つの振動モードあるいはそれ以上の数の振動モードの周波数の変化を組み合わせて感知対象物を判断する場合には、A0モードを温度補償用の周波数として活用しなくともよい。
更にまたA0モードの発振周波数を、S0モードやS1モードの発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために用いる手法としては、第1の実施形態の最後に記載したと同様の考え方により、S0モードの発振周波数とA0モードの発振周波数との差分周波数、及びS1モードの発振周波数とA0モードの発振周波数との差分周波数を求めるようにしてもよい。感知対象物が吸着膜に吸着されることでS0モードやS1モードの発振周波数が低下するが、A0モードの発振周波数は低下しない。このため差分周波数は、感知対象物が吸着膜に吸着されることにより変化し、その変化分に基づいて感知対象物の吸着量を求めることができる。
The sixth embodiment has the same effect as each of the embodiments described above, and can detect a plurality of sensing objects with one
As in the sixth embodiment, when a sensing object is determined by combining changes in the frequency of three vibration modes or more vibration modes, the A0 mode is used as a temperature compensation frequency. You don't have to.
Further, as a method of using the oscillation frequency of the A0 mode to cancel out the temperature variation included in the oscillation frequency of the S0 mode or the S1 mode, the same concept as described at the end of the first embodiment is used. The difference frequency between the oscillation frequency of the mode and the oscillation frequency of the A0 mode, and the difference frequency between the oscillation frequency of the S1 mode and the oscillation frequency of the A0 mode may be obtained. When the sensing object is adsorbed on the adsorption film, the oscillation frequency in the S0 mode or the S1 mode is lowered, but the oscillation frequency in the A0 mode is not lowered. Therefore, the difference frequency changes when the sensing object is adsorbed on the adsorption film, and the amount of adsorption of the sensing object can be obtained based on the change.
この第6の実施形態の水晶振動子300において、接地される側の電極321、322、325の代わりに図29に示すように接地される1枚の電極327を電極322、323、326に対向するように設けてもよい。この電極327上に各反応膜311、312、313が設けられる。反応膜311は電極324に対向する位置に設けられ、反応膜312は電極322、324間と、電極324、326間とに夫々対向する位置に設けられ、反応膜313は電極322、325に夫々対向する位置に設けられる。なお、互いに電気的に分離されれば、水晶片31の上側に互いに分割された電極321、323、325を配置し、下側にこれらの上側の電極に対向するように前記電極327を設けて、当該電極327を接地してもよい。また、水晶振動子3においても第3の実施形態として説明したように、水晶片31の上側または下側の電極を互いに分割されていない1枚の電極として構成してもよい。また、このように複合水晶振動子8における水晶振動子3、300を各振動モードで振動させるためには、図28、29に示したような配線とする以外に、既述の各図で示した配線とすることができる。
In the
(第7の実施形態)
この第7の実施形態は、第6の実施形態と同様に1枚の水晶片31に複数の水晶振動子が形成された複合水晶振動子8を用いて、複数の感知対象物の検出を行う。図30はこの複合水晶振動子8の上面図であり、水晶振動子3が前記X軸方向に2つ配列されている。説明の便宜上、一方の水晶振動子3を331、他方の水晶振動子3を332とする。水晶振動子331に反応膜311、312を設け、水晶振動子332に反応膜313を設ける。図31はこの複合水晶振動子8を適用した感知装置1の概略図であり、水晶振動子331、332の側面を示している。この図31に示すように水晶振動子331において、反応膜311は第1の実施形態と同様に電極301、303間に設けられ、反応膜312は電極301、303上に設けられる。水晶振動子332において、反応膜313は前記反応膜311と同様に電極301、303間に設けられる。
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, similar to the sixth embodiment, a plurality of sensing objects are detected using the composite crystal resonator 8 in which a plurality of crystal resonators are formed on one
この第7の実施形態の感知装置1においては、水晶振動子331に対応する第1の発振回路401、第2の発振回路402(便宜上図中で421、422としている)が設けられており、第2の実施形態と同様にスイッチ71、72により、水晶振動子331は、第1の発振回路421と、第2の発振回路422との間でその接続が切り替えられる。また、水晶振動子332に対応する第1の発振回路401、第2の発振回路402(便宜上図中で423、424としている)が設けられている。第2の実施形態と同様にスイッチ71、72により、水晶振動子332は、第1の発振回路423と、第2の発振回路424との間でその接続が切り替えられる。それによって、水晶振動子331、332は、上記の各実施形態で説明したように、夫々S0モード及びA0モードで発振する。このような差異点を除いて第7の実施形態の感知装置1は、第6の実施形態の感知装置1と同様に構成される。
In the
水晶振動子332のA0モードの発振周波数に基づいて水晶振動子331、332の温度が検出され、検出温度に基づいて水晶振動子332のS0モードの発振出力、水晶振動子331の各A0モード、S0モードの発振出力が制御される。反応膜311に感知対象物が吸着された場合、上記のように水晶振動子331のA0モードの発振周波数は変化せずに、水晶振動子331のS0モードの発振周波数が低下する。反応膜313に感知対象物が吸着した場合、上記のように水晶振動子332のA0モードの発振周波数は変化せずに、水晶振動子332のS0モードの発振周波数が低下する。
Based on the oscillation frequency of the
ところで、図32には水晶振動子331の反応膜311、312の位置と振動モードとの関係とを示している。反応膜312はA0モードにおける振動の腹に近い位置に設けられ、且つS0モードの振動の腹から比較的離れた位置に設けられている。反応膜312に感知対象物が吸着した場合、水晶振動子331のA0モードの発振周波数が比較的大きく低下するが、水晶振動子331のS0モードの発振周波数の低下は若干量に留まる。これらのように水晶振動子331のS0モード及びA0モードの周波数と、水晶振動子331のS0モードの周波数とが変化することから、試料液中に反応膜311、312、313に吸着される各感知対象物が含まれているか否かを判定することができる。
FIG. 32 shows the relationship between the positions of the
また、水晶振動子331、332の構成や発振回路までの配線としては、S0モード及びA0モードの出力が取り出せればよいので、図31に示した例の他に既述の各例を用いることができる。例えば第3の実施形態で説明したように、水晶片31の上側及び下側のいずれか一方を1枚の電極305として構成することができる。上側を前記電極305とする場合、水晶振動子331においては、図33に示すように電極302、304に対向する位置に夫々反応膜312を設ける。
Further, as the configuration of the
ところで、上記の各実施形態の水晶片31としてはATカットされたものに限られず、他の形式でカットされた水晶片についても用いることができる。なお、上記した29℃は基準温度の一例であり、水晶振動子に応じて個別にその値を設定することができる。例えば水晶振動子3、300について個別に設定された基準温度からの温度のずれ量に基づいて各水晶振動子3、300に接続される制御電圧の制御を行うことができる。
By the way, the
水晶片31の各モードでの振動と、上記の反応膜311、312を設ける位置との関係をより明確に説明するために図34〜図37を示す。図34〜図37は水晶片31を模式的に示した斜視図である。図34の水晶片31は、振動していない静止状態を示している。図35の水晶片31はS0モードで振動している状態を示す。また、図36の水晶片31はA0モードで振動している状態を示し、図37の水晶片31はS1モードで振動している状態を示す。水晶片31は厚みすべり振動モードで振動するため、図示したようにX軸方向に振動する。
FIGS. 34 to 37 are shown in order to more clearly explain the relationship between the vibration in each mode of the
図35〜37の水晶片31中の矢印は、図34の前記静止状態に対する水晶片31の上面側の変位方向を示している。この上面側の変位について、S0モードにおいては上記したように水晶片31のZ’軸方向の中心部の振動変位が、前記Z’軸方向の周縁部の振動変位に対して大きい。A0モードでは、上記のようにZ’軸方向に向かうにつれて振動変位の方向が逆になる。S1モードでは、A0モードと同様にZ’軸方向の中心部の振動変位が、Z’軸方向の周縁部の振動変位に対して大きく、周縁部に向かうに従って前記中心部とは振動変位が逆方向になる。
The arrows in the
また、図38、39は、図37のS1モードの振動時における水晶片31の矢視断面図である。図38が前記水晶片31のZ’方向における両端部側のA−A矢視断面及びC−C矢視断面を示し、図39が水晶片31の前記水晶片31のZ’方向における中央部のB−B矢視断面を示している。各断面図はZ’方向から見て水晶片31をX方向に切断した断面図である。これらの断面図に示すように水晶片31の厚さ方向の中心(厚さ方向についての振動の節)を境にして上面側と下面側とで水晶片31は逆方向に変位する。図示は省略しているが、A0モード、S0モードの各振動時でも同様である。上面側、下面側について夫々水晶片31のX軸についての変位方向が繰り返し逆になるように変化して水晶片31が振動する。図36中の点Pは、水晶片31の上面において前記A0モードでの振動時に変位しない振動変位の節であり、当該点P上に図2などに示した上記の反応膜311が設けられる。図37中の点Qは、水晶片31の上面においてS1モードで振動する時に変位しない振動変位の節であり、当該点Q付近に図24などに示した上記の反応膜312が上記の検出を行えるように設けられる。
FIGS. 38 and 39 are cross-sectional views of the
1 感知装置
2 センサーユニット
27 流通空間
3、300 水晶振動子
31 水晶片
301〜304、321〜326 電極
311 反応膜
401、402 発振回路
4 発振制御部
6 データ処理部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記圧電振動子に第1の振動変位分布が形成されるように第1の振動モードで前記圧電振動子を振動させて第1の発振周波数を出力するための第1の発振回路と、
前記圧電片の一面側の前記第1の振動モードで振動される領域が振動変位の節となる第2の振動変位分布が形成されるように、前記圧電振動子を第2の振動モードで振動させて第2の発振周波数を出力するための第2の発振回路と、
前記第1の発振周波数と、前記第2の発振周波数とを互いに切り替えて取り出すために、前記励振電極を前記第1の発振回路または第2の発振回路に切り替えて接続する切り替え部と、
前記振動変位の節に設けられ、前記試料流体に含まれる第1の感知対象物を吸着して前記第1の発振周波数を変化させるための第1の吸着膜と、
前記第1の発振回路の発振周波数及び第2の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第1の感知対象物を検出するために測定データを処理する計測手段と、を備え、
前記第2の発振回路の発振周波数は、第1の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする感知装置。 A piezoelectric vibrator having a piezoelectric piece on which excitation electrodes are formed on the one surface side and the other surface side, and a sample fluid supplied to the one surface side;
A first oscillation circuit for outputting the first oscillation frequency by vibrating the piezoelectric vibrator in a first vibration mode so that a first vibration displacement distribution is formed in the piezoelectric vibrator;
The piezoelectric vibrator is vibrated in the second vibration mode so that a second vibration displacement distribution is formed in which a region vibrated in the first vibration mode on one surface side of the piezoelectric piece becomes a node of vibration displacement. A second oscillation circuit for outputting a second oscillation frequency,
A switching unit that switches and connects the excitation electrode to the first oscillation circuit or the second oscillation circuit in order to switch and extract the first oscillation frequency and the second oscillation frequency.
A first adsorption film provided in the node of the vibration displacement for adsorbing a first sensing object contained in the sample fluid and changing the first oscillation frequency;
Measuring means for measuring the oscillation frequency of the first oscillation circuit and the oscillation frequency of the second oscillation circuit, and processing measurement data to detect the first sensing object based on the measurement result; Prepared,
The sensing device according to claim 1, wherein the oscillation frequency of the second oscillation circuit is used to cancel out a temperature variation included in the oscillation frequency of the first oscillation circuit.
当該圧電振動子を前記第3の振動モードで振動させて第3の発振周波数を出力するための第3の発振回路と、
前記試料流体に含まれる第2の感知対象物を吸着して前記第3の発振周波数を変化させるための第2の吸着膜と、を備え、
前記計測手段は、更に第3の発振回路の発振周波数を測定し、その測定結果に基づいて前記第2の感知対象物を検出するために測定データを処理する手段を含み
前記第2の発振回路の発振周波数は、更に第2の発振回路の発振周波数に含まれる温度変動分を相殺するために使用されるものであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の感知装置。 In the piezoelectric piece, a piezoelectric vibrator that is vibrated in a third vibration mode is formed outside a region that is vibrated in the first vibration mode and the second vibration mode,
A third oscillation circuit for outputting the third oscillation frequency by vibrating the piezoelectric vibrator in the third vibration mode;
A second adsorption film for adsorbing a second sensing object contained in the sample fluid and changing the third oscillation frequency,
The measurement means further includes means for measuring an oscillation frequency of a third oscillation circuit and processing measurement data to detect the second sensing object based on the measurement result. The second oscillation circuit 5. The sensing according to claim 1, wherein the oscillation frequency is used for canceling out a temperature fluctuation included in the oscillation frequency of the second oscillation circuit. 6. apparatus.
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KR20180046307A (en) * | 2016-10-27 | 2018-05-08 | 현대자동차주식회사 | Joining quality diagnosis device of panel element |
WO2018087957A1 (en) * | 2016-11-14 | 2018-05-17 | 日本電波工業株式会社 | Substance detection system and substance detection method |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180046307A (en) * | 2016-10-27 | 2018-05-08 | 현대자동차주식회사 | Joining quality diagnosis device of panel element |
KR101865745B1 (en) * | 2016-10-27 | 2018-06-08 | 현대자동차 주식회사 | Joining quality diagnosis device of panel element |
US10254251B2 (en) | 2016-10-27 | 2019-04-09 | Hyundai Motor Company | Joining quality diagnosis device of panel element |
WO2018087957A1 (en) * | 2016-11-14 | 2018-05-17 | 日本電波工業株式会社 | Substance detection system and substance detection method |
US11156571B2 (en) | 2016-11-14 | 2021-10-26 | Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. | Substance detection system and substance detection method |
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