JP4403078B2 - チップ型圧電共振器及び液相センサ - Google Patents

Description

本発明は、チップ型圧電共振器センサと複数の圧電共振器センサを有するシステムとに関し、並びに、こうしたシステムにおいて圧電共振器センサ間の電磁放射結合を防止する配置と方法とに関する。

従来技術
水晶共振器のような圧電音波装置は、電極面で吸収される物質は被吸着物質の質量に比例して発振器の基本発振周波数を変化させるという原理に基づいて、質量センサとして利用され得る。この変化はソーブレイ（Ｇ．Ｚ．ソーブレイ、ｐｈｙｓ． １５５（１９５９）、ｐ．２０６−２２２）によって提案された理論式と一致することが実験的に判明している。該理論式によって予言された高い検出感度により、こうしたセンサを用いる微少測定方法は機械式のはかりを用いる一般的な質量測定方法よりも遙かに優れているので、当該方法は例えば匂い分子や気相エアロゾルの定量的測定に実用化されている。

圧電共振器は、結晶（例えば水晶結晶）の固有特性振動に対する特定の結晶面に沿ってカットすることによって整形された一般的には円形又は矩形の結晶構造板であり、蒸着された金属の薄い層からなる電極が設けられる。カット角度に依存して、各結晶板はＡＴカット、ＢＴカット，ＣＴカット、Ｘカット又はＹカットとして設計される。水晶板は対称的に且つ平行に置かれた一対の薄い金属電極間に置かれる。電極間の誘導電界は水晶結晶に歪みを生じ、歪みによって電荷が生まれる。いわゆる圧電現象は可逆的で安定な発振を生じる。

通常、水晶板の表面積は電極面のそれよりも広い。水晶板に対する圧電効果のない非電極領域は、電極領域で発生された弾性波を適度に減衰させながら伝搬させるのに役立つ。つまり、非電極領域はいわゆる「閉じこめ効果」を担当する領域である。したがって、圧電共振器を設計する際、結晶板の端面反射のような悪影響によって引き起こされるスプリアス発振等の好ましくない副発振を低減するには、圧電板の形状及び大きさの選択が最も重要である。

こうした圧電共振器をセンサとして使用するために取り付けるには、機械的固定手段が必要である。通常、気相で用いられる電子コンポーネントとして利用される圧電共振器素子は、圧電板の径方向及び厚さ方向において応力をできるだけ小さくするために、支持金属板を用いることによって、圧電板の端面の微少接触領域によって支持されるよう設計される。換言すると、弾性波は端面の近傍で減衰され、取り付け力の影響は小さい。接触領域は、取り付け力を圧電板に及ぼさないよう、できるだけ小さくするよう考慮される。

最初の液相弾性波素子センサは１９８０年にバスティアンと彼の同僚によって報告された（Ｐ．Ｌ．コラシュ、Ｇ．Ｊ．バスティアン、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、５２（１９８０）、ｐ．１９２９−１９３１）。この最初の報告以来、液相で動作する弾性波素子センサについて多くの研究が報告されてきた。この技術は、被検査対象としての物質、例えば、液相に通常は溶解される薬剤、農薬や食品添加物等の化学物質、ＤＮＡやＲＮＡのような核酸によって表されるバイオ機能分子、液相でしか機能しない抗体、ホルモン受容体、レクチン等のタンパク質、バクテリヤその他の細胞を検出するために適用可能である。

しかしながら、気相で用いるという仮定で元々は設計されている電気素子である圧電共振器を導電性溶液内でセンサとして用いるとき、問題が生じる。すなわち、溶液内で電極間に電気的短絡が生じる。これまでの全部の研究においては、例外なく、この短絡を防止する手段を講じることが必要であった。具体的には、液相圧電共振器センサにおいては、一対の電極のうち検出面として動作する電極は液相にさらされ、他方の電極は溶液と接触しないよう何らかの方法で保護される。言うまでもなく、圧電共振器は一定の安定な弾性発振という原理に基づく素子であるから、電極の溶液との接触を防止するための、圧電共振器の発振を妨害する何らかの機械的構造は絶対に回避されるべきである。

弾性波素子としての圧電共振器の高品質な周波数安定性は、高いＱ（クォリティ・ファクタ）によって表される。Ｑは圧電共振器の発振に対する妨害度が増すにつれて著しく低くなる。さらに、液相センサにおいては、圧電板は気体に比較して高い粘度を持つ液体にさらされるので、液体との接触自体が妨害的な影響を持ち、その結果、Ｑは大幅に低下し得る。また、Ｑは不適切な機械的構造に起因して最小値まで低下することがある。換言すると、最悪の場合、発振が停止する。

圧電共振器が基板上に平らに配置され、該共振器の周囲に塗られた弾性接着剤によって基板に固着されているチップ型圧電共振器が開発された（これについてはＷＯ０２／４７２４６を参照）。この弾性接着により結晶の面における振動が可能になる。基板はフローセルのフロアを形成することができ、圧電共振器の基板とは反対の面はフローセルにおいて流体にさらされる。電気的接続は、圧電共振器の基板に対向する面に設けることができ、リード線は発振回路との接続のために基板の１つ以上のスルーホールを通過することができる。２つ以上のチップ型圧電結晶共振器フローセルが並列に又は直列に配置されたセンサ・システムを作ることができる。

２つ以上の圧電共振器センサがシステムに使用されると、結合が生じる危険性がある。換言すると、或るセンサからの出力信号が別のセンサからの信号によって影響される危険性がある。これが生じる４つの主な様式がある。これらは、
ａ）センサを接続する液体充填管のようなウェーブガイドを介しての音波の伝達、
ｂ）空気を介しての音波の伝達、
ｃ）ウェーブガイドを介しての電磁波の伝達、及び
ｄ）空気を介しての電磁波の伝達
である。

主な結合モードが実験によって見出された。第１の実験においては、２つのチップ型圧電共振器センサを金属製チャンバ内に５ｍｍ離して配置し、その間にバッファ液体を流した（図２参照）。これらの圧電共振器センサを励振し、その信号を記録した。第１のセンサの励振が変更されると、第２のセンサの出力信号の変化が記録され（図３参照）、２つのセンサ間の結合の存在を示した。

第２の実験においては、２つのセンサを１ｍ離して別個の金属製チャンバに配置した。この場合には、第１のセンサの励振の変化によって第２のセンサの出力信号に変化が生じることはなく、この例ではセンサ間に結合はなく、結合は電磁遮蔽の機能であることを示した。

発明が解決すべき課題
複数の圧電共振器センサを備えるシステムにおける圧電共振器センサ間の信号結合が問題である。特に、空気を介しての電磁波伝達は、こうしたシステムの信号結合の主な原因であることが判明している。本発明の目的は、空気を介しての電磁波の伝達によって生じる信号結合の問題を、圧電共振器を大きな距離（例えば１メートル）離すことを要さずに克服する圧電共振器システムを提供することである。

発明の開示
本発明の現在の応用分野において、従来技術によっては未解決の上記問題を克服するための新たな設計が提示される。

本発明の目的は、複数の圧電共振器センサを備える圧電共振器センサ・システムであって、空気を介しての電磁波の伝達による圧電共振器センサ間の結合を低減又は防止するシステムを提供することである。これは、空気を介しての電磁波の伝達を防止するために遮蔽を使用する請求項１に係る方法又は請求項５に係る装置によって達成される。

本発明の記述
以下、本発明の実施の形態を例として用い、また図面によって、本発明を説明する。
図１ａは、従来の圧電共振器フローセル・センサＦの第１の実施態様を示す図１ｂの線ＩＩ−ＩＩに沿う平面断面図であり、図１ｂは、図１ａに示す線Ｉ−Ｉに沿う断面図である。これらの図において、矩形の圧電共振器３が基板１の上面１′に配置される。基板１は、非導電性であり又は非導電性被覆を保持することができ、検査されている液体に溶解せず、堅固で、好ましくは安価で加工し易い任意の材料から作成される。この利用に対しに対しては、多くのエンジニアリング・プラスティック、金属及びセラミックスが適しており、特に、回路基板を作るために使用される種類のものが適している。圧電共振器３は第１の面７′に検出電極５′を、それに対向する第２の面７″、即ち、この場合には基板１の上面１′に面する側に非検出電極５″を有する。例えば、圧電共振器３は長さ４ｍｍ、幅１．６ｍｍ、厚さ６０μｍのオーダーであり、他の大きさ及び形状も可能であることは言うまでもない。つまり、第１の面と第２の面は６．４ｍｍ²の面積を持ち、圧電共振器の側壁１５の奥行きは６０μｍである。

基板１の対応する部分との電気的接続を行うために、薄い金属層からなる電極９′が検出電極５と′接続され、薄い金属層からなる電極９″が非検出電極５″と接続される。電極９′は圧電共振器の面を横切って端部まで延び、端部を越えて圧電共振器３の側面を下降し、側壁の下端部を回って圧電共振器の裏面まで延び、そこで、それぞれの電極９′、９″は、基板の上面の一対の第１の端子１１′、１１″のうちの一方と、少量の導電性接着剤（図示せず）を好ましくは用いることによって接続可能である。これらの第１の端子１１′、１１″は薄い金属層により基板の上面に形成されることが好ましい。これらの第１の端子１１′、１１″のそれぞれは、基板を通るビア１２′、１２″のような電気的接続手段によって、基板の反対側の面に位置する一対の第２の端子１４′、１４″のうちの１つと接続可能である。これらの第２の端子のそれぞれは、発振回路２９（後述する）と電気的に接続された一対の接続ピン１６′、１６″のうちの１つと接続されている。

圧電共振器３の裏側に配置された非検出電極と接触する導電性流体によって引き起こされる、検出電極５′と非検出電極５″との間の短絡を防止するために、圧電共振器３の側壁１５は、弾力性のある接着剤１７を用いることによって、基板に柔軟に固定され且つ全周に沿ってシールされる。この接着剤は非検査液体に溶けないものが好ましく、例えばシリコン樹脂接着剤であり得る。硬化された接着剤は十分に柔軟なので、共振器の安定化された動作を許容するが、同時に、十分堅いので共振器がふらつくのを防止する。

基板１は、圧電共振器３をキャビティ２３の内容物と接触させるよう、フローセル・センサ本体Ｂにおいてキャビティ２３のフロア２１に取り付けられる。ガスケット２４がキャビティをシールするとともに基板１を適所に保持する。キャビティ２３には、流入チャンネル２５と流出チャンネル２７とが設けられる。流入チャンネル２５は流体源（図示せず）と接続され得、流出チャンネル２７は流体受け容器２８（図示せず）と接続され得る。フローセル・センサＦには、圧電共振器３を駆動するための発振回路２９が設けられる。圧電共振器３は、フロア２１においてビア３１′、３１″を通って発振回路チャンバ３０内の発振回路２９まで延びる接続ピン又はリード線１６′、１６″との接触により、端子１１′、１１″と接続される。発振回路２９は電源３５、例えば電池と接続され得、圧電共振器３の出力信号Ｓはコネクタ３７によってフローセル・センサＦから出力される。信号Ｓは、電気的妨害を防ぐよう、フォトカプラ（図示せず）によって制御装置（図示せず）へ送信され得る。

図２は、複数の直列に接続されたチップ型圧電共振器フローセル・センサ（図の場合には第１と第２のフローセル・センサＦ′、Ｆ″）を用いるフロー式の液相圧電共振器センサ・システムの一例を示す断面図である。第１のフローセル・センサＦ′の流出チャンネル２７′は第２のフローセル・センサＦ″の流入チャンネル２５″と接続される。

フローセル・センサＦ″の流出チャンネル２７″は廃棄物又は収集容器３９に導かれる。使用期間に、分析されるべき液体は貯液槽２０（又は、シリンジ或いはポンプのような入力装置）によって第１のフローセル・センサＦ′の流入チャンネル２５′へ供給される。次いで、該液体はキャビティ２３′、２３″を通って流れて圧電共振器３′、３″と接触し、その後、第２のフローセル・センサＦ″の流出チャンネル２７″を介してシステムから出て廃棄物又は収集容器３９へ向かう。

図３は、パルス型の周波数変化がフローセル・センサＦ′に課されたときにフローセル・センサＦ″がパルス型の周波数変化を示したことを表している。これは、流路が電解質で満たされていないときでさえ生じたので、結合はフローセル・センサ間で空気を介して伝達される電磁的放射の結果であったとの結論が導き出される。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係るフロースルー式センサ・システムを示している。このシステムの素子は図２のシステムの素子と同様であり、同じ参照数字が付されている。センサＧ′、Ｇ″間の空気を介しての電磁波の伝達を低減するために、各センサＧ′、Ｇ″はそれ自体の導電性遮蔽４４′、４４″によって個別に遮蔽されている。遮蔽４４′、４４″は金属テープで作ることができ、それぞれのセンサＧ′、Ｇ″を実質的に完全に包囲する。遮蔽４４′は導体４６′によってセンサＧ′の電池３５′の負極と接続され、遮蔽４４″は導体４６″によってセンサＧ″の電池３５″の負極と接続される。それぞれの遮蔽４４′、４４″は電磁波が各センサＧ′、Ｇ″から発せられ又は各センサＧ′、Ｇ″に入るのを防止し、これによって、空気を介してのセンサ間の電磁波の伝達を防止する。

図５は、パルス型の周波数変化がフローセル・センサＧ′に課されたときにも、フローセル・センサＧ″がパルス型の周波数変化を示さなかったことを表している。これは、フローセル・センサ間で空気を介して伝達される電磁的放射の結果であった結合が本発明に従って遮蔽手段によって防止されることを示している。

遮蔽４４′、４４″は任意の適切な導電性材料で作ることができる。本発明の１つの実施の形態においては、それぞれのセンサ・ハウジングは、金属等の導電性材料によって被覆されたプラスチック等の絶縁材料で作られる。プラスチックと金属の複合ハウジングは、センサにおいて液体にさらされる面がプラスチックで作られていて非導電性であり、ハウジングの外面が金属であるよう構成される。この構成においては、プラスチック材料により、センサにおいて液体を介してセンサの表面と発振回路との間が短絡されるのが防止される。

本発明の更なる実施の形態においては、遮蔽は、各センサ・ハウジングの外面に金属等の導電性材料をスプレイすることによって設けられる。
本発明の更に別の実施の形態においては、フローセルの発振回路キャビティのみが、好ましくは該キャビティの内壁に遮蔽材料を設けることによって遮蔽される。

本発明の更なる実施の形態においては、発振回路キャビティとフローセル全体とが遮蔽される。
上記の実施の形態は本発明を説明することを意図したものであって、特許請求の範囲によって請求される保護の範囲を限定することを意図したものではない。

従来のフロー式のチップ型圧電共振器センサの、図１ｂにおける線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図１ａの線Ｉ−Ｉに沿う断面図である。 直列に接続された２個の従来のチップ型圧電共振器センサ・フローセルを示す概略図である。 図２のフローセル間の結合を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る、直列に接続された２個の圧電共振器センサ・フローセルを示す概略図である。 図４のフローセル間に結合がないことを示す図である。

Claims (5)

1. 電気導電性の液体で使用される２以上の通液式圧電共振器センサ間の信号結合を防止する方法であって、それぞれの前記センサが、それ自体の発振回路とそれ自体の電源とに接続されたそれ自体の共振器が設けられたフローセル本体を有する方法において、
   それぞれの前記センサに、前記フローセル本体を実質的に包囲するそれ自体の個別の導電性遮蔽を設け、
   それぞれの隣接する前記センサ間を相互接続する流路管と、それぞれの前記共振器を収容するキャビティの内壁を非導電性材料で作り、
   異なる前記センサ間の前記導電性遮蔽を相互接続せず、
   前記流路管を導電性遮蔽しない
   ことを特徴とする方法。
2. 前記導電性遮蔽が前記電源の一方の極に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記フローセル本体が非導電性材料で作られていることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記センサの前記個々の導電性遮蔽へ接続する極性が同じであることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 圧電共振器センサであって、
   単一の発振器と単一の電源とに接続された共振器を有し、導電性遮蔽によって実質的に包囲された非導電性材料のフローセル本体と、
   隣接する圧電共振器センサとの間に流路を作るための非導電性材料の流路管と、
   を備え、前記電源の一方の極が前記導電性遮蔽と接続され、前記導電性遮蔽が、隣接する圧電共振器センサの導電性遮蔽と接続されず、前記流路管が導電性遮蔽されないことを特徴とする圧電共振器センサ。