JP4358048B2

JP4358048B2 - 校正ユニット及び分析装置

Info

Publication number: JP4358048B2
Application number: JP2004192154A
Authority: JP
Inventors: 敦伊藤; 素子市橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: JP2006010650A

Description

本発明は、化学、生化学、医療又は食品分野において、検出対象物の質量や粘性等の物性を水晶振動子又は表面弾性波素子により測定するための系において使用する校正ユニット及び分析装置に関するものである。

従来、圧電素子や表面弾性波素子に信号を印加して、インピーダンスアナライザやネットワークアナライザ等の測定装置により測定を行う測定系では、実際の測定の前に校正を行うようにしている。この校正には、例えば、インピーダンスアナライザの信号出力端子に、複数種の校正ユニットを交換して、基準信号に対する応答信号を測定するようにしていた。
しかしながら、この校正作業は、煩雑で、操作ミス等を引き起こすことがあった。

そこで、本発明は、校正作業を極めて容易にするための校正ユニット及びこの校正ユニットを使用する分析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、下記の通り解決手段を見出した。
請求項１に記載の分析装置は、基板上に電極が設けられた圧電素子又は表面弾性波素子に交流信号を印加して、前記素子上の検出対象物の物性を測定するようにした測定系を構成する分析装置であって、前記測定系における前記素子を通過する信号路長と、前記校正ユニットを通過する信号路長とが等しくなるようにして、前記分析装置に、基板上に校正用電極を備えた校正ユニットを設け、前記校正ユニットと、前記素子とへの信号を切換自在となるように構成したことを特徴とする。
また、請求項２に記載の分析装置は、請求項１に記載の分析装置において、前記校正ユニットは、複数の種類の校正用電極が設けられていることを特徴とする。
また、請求項３に記載の分析装置は、請求項１又は２に記載の分析装置において、前記圧電素子は、水晶振動子であることを特徴とする。
また、請求項４に記載の分析装置は、請求項１又は２に記載の分析装置において、前記表面弾性波素子は、ラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷデバイス、ＳＴＷデバイス又はＳＨ−ＡＰＭデバイスであることを特徴とする。

本発明の校正ユニットによれば、インピーダンスアナライザやネットワークアナライザ等と、圧電素子又は表面弾性波素子とを接続する複数のケーブルを校正の際に取り外す必要がないため、校正作業を簡単に行うことができる。更に、校正ユニットに、OPEN、SHORT及びLOAD等の複数の種類の校正用電極を設けるようにした場合には、校正作業を１度で完了することができる。
また、本発明の分析装置によれば、圧電素子又は表面弾性波素子を取り付ける位置に、校正ユニットを取り付けることができるため、簡単に校正作業を行うことができる。
また、校正ユニットを内蔵した分析装置とすることにより、信号を切り換えるだけで校正することができる。

上記の通り、本発明の校正ユニットは、基板上に電極が設けられた圧電素子又は表面弾性波素子に交流信号を印加して、前記素子上の検出対象物の物性を測定する測定系を校正するために使用する校正ユニットであって、前記校正ユニットは、校正用電極を基板上に備え、前記素子と交換自在となるように構成したものである。

前記校正ユニットとしては、校正用電極を基板上に備え、測定系において前記素子が接続される端子に交換自在となるように接続できるものであれば特に制限はない。
前記基板の形状は、前記素子に使用される基板と同形状の基板とすることが好ましい。これにより、校正ユニットのために新たな形状の基板を用意する必要がなくなり、製造コストを抑えることができる。また、測定系において前記素子を固定するための構造をそのまま利用することができる。前記基板は、例えば、アクリル、ポリカーボネート、石英等により構成することができる。
また、校正用電極としては、OPEN電極、SHORT電極又はLOAD電極等を設けることができる。好ましくは、前記OPEN電極等の複数の種類の電極を設ける。これにより、校正作業の回数を減らすことができるからである。

次に、校正ユニットの具体的な構造例について説明する。
まず、圧電素子を用いた測定系に使用することができる校正ユニットの構造例について説明する。この校正ユニットの構造は、前記圧電素子の基本的な構造を利用するものであるため、この圧電素子の構造を予め説明する。
図１に示す圧電素子１は、長方形状の基板２上に３つの円形状の水晶板３を載置することにより構成される。１つの水晶板３の両面には、信号を印加するための電極４，４が設けられており、この電極４，４に、外部から信号を伝えるために、基板２上にはリード部５，５が設けられている。
そして、校正ユニット７には、図２に示すように、前記圧電素子１のリード部５，５を利用して校正用電極６（６ａ，６ｂ，６ｃ）が形成される。
即ち、OPEN電極６ａは、リード部５，５の先端部を開放端部とすることにより構成され、SHORT電極６ｂは、リード部５，５の先端部間を導通することにより構成され、LOAD電極６ｃは、リード部５，５の先端部間に所定の負荷（抵抗）１４を設けることにより構成される。
尚、上記校正用電極６のリード部５，５の長さは特に制限はないが、圧電素子１のリード部５，５の長さと等しくすることが好ましい。

次に、表面弾性波素子を用いた測定系に使用することができる校正ユニットの構造例について説明する。この校正ユニットについても、前記圧電素子と同様の理由から、先に、図３に示す表面弾性波素子８の構造を予め説明する。
図示される表面弾性波素子８は、一組の櫛形電極からなる励振部９と、同様に一組の櫛形電極からなる受信部１０とを対向配置したものを、それぞれ３組設けたものである。
そして、校正ユニット１１には、図４に示すように、前記表面弾性波素子８の励振部９及び受信部１０を構成する櫛形電極の櫛部９ａ，１０ａを除いたリード部９ｂ，９ｂ，１０ｂ，１０ｂを利用して校正用電極１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が形成される。
即ち、OPEN電極１２ａは、リード部９ｂ等の先端部を開放端部とすることにより構成され、THROUGH電極１２ｂは、対向するリード部９ｂとリード部１０ｂをそれぞれ導通させることにより構成され、LOAD電極４は、対向する一方のリード部９ｂとリード部１０ｂ間を導通させ、残りのリード部９ｂとリード部１０ｂ間に所定の負荷（抵抗）を設けることにより構成される。
尚、上記OPEN電極及びLOAD電極を構成するリード部９ｂ等の長さは特に制限はないが、表面弾性波素子８の櫛形電極の長さと等しくすることが好ましい。

また、校正ユニット１１の代わりに、図５に示す校正ユニット１３の校正用電極１２'（１２'ａ，１２'ｂ，１２'ｃ）を使用することもできる。図示されるように、OPEN電極１２'ａは、リード部９ｂ等の先端部を開放端部とすることにより構成され、SHORT電極１２'ｂは、リード部９ｂ，９ｂの先端部間及びリード部１０ｂ，１０ｂの先端部間を導通することにより構成され、LOAD電極１２'ｃは、リード部９ｂ，９ｂの先端部間と、リード部１０ｂ，１０ｂの先端部間に抵抗（５０Ω）を設けることにより構成される。

本発明の構成電極を構成する材料については、特に制限はないが、一例を挙げると、Ａｕ等の金属薄膜により形成することができる。また、LOAD電極の負荷（抵抗）部は、銀ペースト等により抵抗を固定することで形成することができる。

上記校正ユニットとすることにより、測定系の圧電素子又は表面弾性波素子と交換するだけで、容易に校正作業を行うことができる。
また、分析装置に、前記素子が取り付け可能な場合には、この分析装置に、上記校正ユニットを取り付けるだけで、容易に校正作業を行うことができる。

また、本発明の分析装置は、圧電素子又は表面弾性波素子と、校正ユニットとを交換自在にでき、前記素子又は校正ユニットに信号を印加して、前記信号の特性を測定するためのインピーダンスアナライザやネットワークアナライザ等を備えるものであれば特に制限はなく、従来のこの種の分析装置を改良することにより製造することができる。

また、上記説明した分析装置は、前記素子と交換自在とするためのものであるが、上記校正ユニットを、分析装置に予め搭載しておいて、前記素子と並列に設けるようにすることも可能である。この場合には、前記素子までの信号路長と、前記校正ユニットまでの信号路長とが等しくなるようにする必要がある。
この分析装置によれば、校正をする場合は、校正ユニットに信号を印加し、測定する場合は、前記素子に信号を切り換えることができるように構成すれば、測定中であっても校正が可能となる。また、更に、測定開始前に、自動的に校正ユニット側へ切り換えを行うようにすれば作業効率を高めることができる。

前記圧電素子としては、水晶振動子を使用することが好ましい。
また、表面弾性波素子としては、ラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷデバイス、ＳＴＷデバイス又はＳＨ−ＡＰＭデバイスを使用することが好ましい。
ラブ波デバイスは、圧電材料であるＳＴカット水晶、ＬｉＴａＯ₃等からなる基板上にＡｕ，Ａｌ，Ｃｒ等の金属膜から構成される櫛形電極を設け、これらの上から、前記基板の横波の伝播速度より遅い速度を有する材質（ＳｉＯ₂、ポリマー等）を層状に設け、波の伝播方向に垂直で、基板表面に平行な横波の成分の表面波（ラブ波）を励起するものである。
また、ＳＨ−ＳＡＷデバイスは、圧電材料であるＬｉＴａＯ₃（３６°回転Ｙ板Ｘ伝播、Ｘカット１５０°伝播）、ＬｉＮｂＯ₃等からなる基板上にＡｕ，Ａｌ，Ｃｒ等の金属膜から構成される櫛形電極を設け、波の伝播方向に垂直で、基板表面に平行な横波成分の表面波（圧電表面すべり波等）を励起するものである。
また、ＳＴＷデバイスは、圧電材料であるＡＴカット水晶基板等にグレーティング（溝）を設けたものであり、基板を伝播するＳＳＢＷ（surface skimming bulkwave）をグレーティングにより基板表面にトラップし、表面横波（surface transverse wave）を励起するものである。
また、ＳＨ−ＡＰＭデバイスは、圧電材料であるＳＴカット水晶基板上に櫛形電極を設けたものであり、基板表面に沿って基板に平行伝播する板波を励起するものである。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図６は、本実施例の分析装置１５の全体構成を示す図である。分析装置１５は、ネットワークアナライザ１６を、ＪＩＳ−６７０１に準拠したπ回路１７、リレー１８を介して、校正ユニット７に接続した測定系として構成される。
図示されるものでは、校正ユニット７が接続されている状態を示しているが、校正ユニット７の校正用電極６の外部との接続端部と、図１に示す圧電素子１のリード部の外部との接続端部とは、同じ配置がされているので、圧電素子１と交換自在となる。尚、π回路１７の使用は任意である。
上記構成において、リレー１８のチャンネル（ＣＨ１〜ＣＨ３）を切り換えることにより、それぞれの校正用電極６ａ〜６ｃに信号を印加し、OPEN、SHORT及びLOAD（５０Ω）のそれぞれについてデータを取得し、これらのデータを基準にネットワークアナライザ１６の校正を行い、その後、校正ユニット７を、圧電素子１に交換して実際の測定を行うようにする。
本実施例の校正ユニット７は、アクリル基板上に、厚み５０ｎｍのクロム膜と、厚み１５０ｎｍのＡｕ膜とを順にスパッタリング法により積層した後、フォトリソグラフィにより校正用電極６ａ〜６ｃの各リード部５，５をドライエッチングにより除去して形成した。
尚、LOAD電極６ｃを構成する抵抗器１４は、前記金属膜により形成されたリード部５，５の先端部に銀ペーストにより固定した。

（実施例２）
図７は、他の実施例の分析装置１５の全体構成を示す図である。分析装置１５は、ネットワークアナライザ１６を、リレー１８とリレー１９を介して、校正ユニット１１に接続した測定系として構成される。図示されるものでは、校正ユニット１１が接続されている状態を示しているが、校正ユニット１１の校正用電極１２の外部との接続端部と、表面弾性波素子８のリード部９ｂ，１０ｂ等の外部との接続端部とは、同じ配置がされているので、表面弾性波素子８と交換自在となる。
上記構成により、リレー１８のチャンネル（ＣＨ１〜ＣＨ３）に切り換え、それぞれの校正用電極１２ａ〜１２ｃに信号を印加し、OPEN、THROUGH及びLOAD（５０Ω）のそれぞれについてデータを取得し、これらのデータを基準にネットワークアナライザ１６の校正（TRANS FULL CALIBRATION）を行う。その後、校正ユニット１１を、図３に示す表面弾性波素子８に交換して実際の測定を行う。
尚、本実施例の校正用電極１２ａ〜１２ｃは、実施例１と同様にして形成した。

（実施例３）
図７は、実施例２の校正ユニット１１に代えて、校正ユニット１３を使用したものである。
図示される校正ユニット１３も、図３で示される表面弾性波素子８と交換自在である。
上記構成により、ポート１側から信号を印加し、リレー１８によりチャンネル（ＣＨ１〜ＣＨ３）を切り換え、それぞれの校正用電極１２'ａ〜１２'ｃに信号を印加し、ポート１側のOPEN、SHORT及びLOAD（５０Ω）のそれぞれについてデータを取得し、同様にして、ポート２側についてもそれぞれデータを取得し、これらのデータを基準にネットワークアナライザ１６の校正（2PORT FULL CALIBRATION）を行う。その後、校正ユニット１３を、表面弾性波素子８に交換して実際の測定を行う。
尚、本実施例の校正用電極１２'ａ〜１２'ｃは、実施例１と同様にして形成した。

圧電素子の電極構造を示す説明図本発明の校正ユニットを示す説明図表面弾性波素子の電極構造を示す説明図本発明の校正ユニットを示す説明図同校正ユニットの変形例を示す説明図本発明の実施例の分析装置を示す説明図本発明の他の実施例の分析装置を示す説明図本発明の他の実施例の分析装置を示す説明図

符号の説明

１圧電素子
２基板
３水晶板
４電極
５リード部
６校正用電極
７校正ユニット
８表面弾性波素子
９励振部
１０受信部
１１校正ユニット
１２校正用電極
１３校正ユニット
１４抵抗（器）
１５分析装置
１６ネットワークアナライザ
１７ π回路
１８リレー
１９リレー

Claims

基板上に電極が設けられた圧電素子又は表面弾性波素子に交流信号を印加して、前記素子上の検出対象物の物性を測定するようにした測定系を構成する分析装置であって、前記分析装置に、前記測定系を校正するために、校正用電極を基板上に備えた校正ユニットを設け、且つ、前記測定系における前記素子を通過する信号路長と、前記校正ユニットを通過する信号路長とが等しくなるようにして、前記校正ユニットと、前記素子とへの信号を切換自在となるように構成したことを特徴とする分析装置。
前記校正ユニットは、複数の種類の校正用電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
前記圧電素子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の分析装置。
前記表面弾性波素子は、ラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷデバイス、ＳＴＷデバイス又はＳＨ−ＡＰＭデバイスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の分析装置。