TWI436063B - Concentration sensor and concentration detection device - Google Patents

Description

濃度感測器及濃度檢測裝置 發明領域

本發明係有關於一種於表面形成用以吸附感測對象物之吸附層，並利用如水晶片(crystal blank)等可藉由感測對象物之吸附改變固有頻率之壓電片，測知該壓電片之固有頻率變化部分，藉以檢測感測對象物濃度之裝置之技術領域。

發明背景

習知感測微量物質之方法，係使用一種以晶體振動器進行感測之濃度檢測裝置。該濃度檢測裝置係於晶體振動器表面形成用以吸附感測對象物之吸附層而構成晶體感測器(濃度感測器)，利用感測對象物附著於吸附層上，使晶體感測器之固有頻率隨吸附層之附著量產生變化，以測定感測對象物之濃度者，更具體而言，乃將振盪電路連接晶體感測器並設置用以測量振盪電路之振盪頻率之測定部而構成主要部。該方法不僅應用範圍廣，就裝置而言構造亦簡易，且因靈敏度高，連極微量之物質皆可測定。

以專利文獻1為例，其中記載了一種於分析血液、尿液等所含之疫病標誌物質時，若使用晶體感測器，可取代需要價格高昂之大型自動分析裝置之免疫乳膠凝集法的有效方法。如前述將晶體感測器用作生物感測器者，係於晶體振動器形成由對感測對象物會引起抗體抗原反應之抗體所組成之吸附層。

然而晶體感測器若浸於液體中，則水晶片之等效串聯電阻值將以例如數百Ω之位準增加，以純水為例，將增加約150 Ω。為此在設計上，賦予水晶片極大之能量，但晶體振動器之電極間電容C0會耗費該能量而造成能量損失。因此須於振盪電路端消除電極間電容C0，但即使就某一晶體感測器於振盪電路端以電感器消除電極間電容C0，但每換至不同電極間電容C0之晶體感測器時，即須於振盪電路端調整電感器之電感值。該操作迫使使用者方面須就每種晶體感測器以LCR meter等測定電極間電容C0，並依據該測定值計算後與具有相符電感值之電感器交換，作業繁瑣又耗時。電感器之交換亦可考慮改採依據使用之晶體感測器類別準備振盪電路之方式，但將成為一價格高昂之系統。

此外專利文獻2中記載，須與晶體振動器並列連接電感器以消除電極間電容，但因技術領域全然不同，亦非可解決本發明之問題者。

專利文獻1

日本專利公開公報特開第2001－83154號：段落0002、0004

專利文獻2

日本專利公開公報實開昭第61－85920號：第1圖

發明概要

本發明即為此產生者，在於提供一種採用可藉由感測對象物之吸附改變固有頻率之壓電片的濃度感測器及一種使用該濃度感測器之濃度檢測裝置，係一種可利用共通之振盪電路並可對應多種濃度感測器之技術。

本發明係一種可裝卸自如地連接於設有振盪電路之測定器本體，且用以檢測感測對象物濃度之濃度感測器，其特徵在於包含有：壓電振動器，係包含一於表面形成用以吸附感測對象物之吸附層且藉吸附感測對象物來改變固有頻率之壓電片，及分別設於該壓電片兩面之電極者；及電感器，係並聯前述壓電振動器者。

另一發明係一種可裝卸自如地連接於設有振盪電路之測定器本體，且用以檢測感測對象物濃度之濃度感測器，其特徵在於包含有：電路板，係可裝卸自如地連接於前述測定器本體，並具有其一端側形成可連接測定器本體側之端子之一對導電路者；壓電振動器，係設於前述電路板上，包含一於表面形成用以吸附感測對象物之吸附層並藉吸附感測對象物來改變固有頻率之壓電片，及分別設於該壓電片兩面之電極者；上蓋殼體，係在其與該壓電振動器間形成一流體之收容空間，並具有一可連通該收容空間之流體注入口者；及電感器，係並聯前述壓電振動器，且設於前述電路板之一對導電路間者。

前述電感器之電感值，宜設定為相對一中心值±20%之值，且該中心值係藉前述壓電振動器之共振頻率消除該壓電振動器之電極間電容之電感值與在將該壓電振動器浸於被測流體中之狀態下可產生振盪之電感值之最小值的平均值。另，前述電路板上宜設置開口部，且前述壓電振動器宜採用使下面側面向形成於前述開口部側之凹部之構造。

此外，本發明之濃度檢測裝置特徵在於包含有一上述濃度感測器；及一依據該濃度感測器之裝卸端子、用以使前述壓電片產生振盪之振盪電路及該振盪電路產生之振盪輸出，檢測感測對象物濃度之測定部。

依據本發明，係將電感器並聯用以構成濃度感測器之壓電片，因此藉由將其電感值設定成適當值，可防止電極間電容造成振盪能消耗，且不會在各種不同黏性之被測流體(試樣流體)中停止振盪。此外由於濃度感測器中設有電感器，故可不需對應各種濃度感測器調整振盪電路側，即，此乃共通之振盪電路且可對應各種濃度感測器，因此使用者方面無須進行有關振盪電路之調整等繁雜且耗時之作業。

圖式簡單說明

第1圖係顯示本發明之含有濃度感測器之濃度檢測裝置之實施型態外觀之透視圖。

第2圖係顯示上述實施型態所用之濃度感測器之縱截面圖。

第3圖係顯示上述實施型態所用之晶體振動器及周邊佈線之說明圖。

第4圖係顯示上述實施型態所用之濃度感測器基板及佈線之平面圖。

第5圖係一說明圖，顯示用以決定設於上述實施型態所用濃度感測器上之電感器之電感值的數據。

第6圖係顯示上述實施型態之濃度檢測裝置之電路方塊圖。

較佳實施例之詳細說明

本發明之濃度檢測裝置之實施型態說明如下。首先就濃度檢測裝置之全體構造簡單說明之。該濃度檢測裝置係如第1圖所示，具有多數例如8個濃度感測器(水晶感測器)1，與可供該等濃度感測器1裝卸自如地裝設之測定器本體100。濃度感測器1係如第1圖及第2圖所示具有電路板，例如印刷電路板21，該印刷電路板21上則形成有開口部23a。前述印刷電路板21表面側疊合有一橡膠片22，該橡膠片22上設有一凹部23。橡膠片22下面側有一與該凹部23對應突出之部位，該突出部位係嵌合於前述開口部23a。此外設有壓電振動器之水晶振動器24，以閉塞前述凹部23。即，水晶振動器24之一面側(下面側)係面向前述開口部23側，水晶振動器24之下面側則因前述凹部23形成氣密空間，如此一來就構成一朗之萬(Langevin)型濃度感測器。

繼之由橡膠片22上裝有一上蓋殼體25。上蓋殼體25上形成有一用以注入被測流體之試樣溶液之注入口25a、及一試樣溶液之觀察口25b，可由注入口25a注入試樣溶液，將試樣溶液填滿水晶振動器24上面側之空間(使水晶片浸於試樣溶液中)。

另，濃度感測器1之構造，亦可做成將水晶振動器24以閉塞前述開口部23a之狀態載置於印刷電路板21表面，並以橡膠片22壓住水晶振動器24周緣部之構造。

水晶振動器24係如第3圖所示，於例如圓形之水晶片20兩面分別設有電極24a、24b(裏面側之電極24b係連續形成於表面側之周緣部)，該等電極24a、24b係藉由導電性接著劑26分別與設於印刷電路板21之一對導電路之印刷線路27a、27b電性連接。且於水晶振動器24之一面，例如電極24a之表面上，形成有用以吸附感測對象物之吸附層(未圖示)。

再如第2圖~第4圖所示，印刷線路27a、27b間，連接有比如由個別零件組成之電感器3，該電感器3係安裝於印刷電路板21上，再以上蓋殼體25覆蓋之。此外，電感器3亦可由印刷圖案形成。

繼之說明該電感器3之電感值決定方法。濃度感測器係依據振盪頻率因附著在特殊吸附膜上之感測物質的質量所產生之變化量，檢測被測流體，例如被測溶液中之感測物質濃度，因此於被測流體中不得停止振盪。然而經實驗證明，若將水晶片20浸於液體試樣中，則水晶片20之等效串聯電阻R1將急速增大，以用31MHz驅動水晶片20者為例，將水晶片20置於氣體中時為10 Ω，相對地驅動後則達到500 Ω，變成極難產生振動之狀態。

為解決此一問題，本發明乃將電感器3與水晶片20並聯，以控制水晶片之相位從而防止振動。但若將電感器3之電感值設定為可消除電極間電容C0之值，則有下列不良之情形產生。

第5圖係利用計算求取電感器3之電感值與迴路增益之關係的關係圖。此處將水晶片20之等效串聯電阻R1設定為6.8 Ω、10 Ω及500 Ω三組。設定三組的理由係為調查以等效串聯電阻R1為參數時電感值與振盪迴路增益之關係會如何變化，又假設為濃度感測器之被測溶液中黏性最大之溶液，估計水晶片20浸於該溶液中時之等效串聯電阻R1為500 Ω，從而掌握於嚴格條件下之上述關係。此例中，水晶片20之共振頻率Fr為31MHz，電極間電容C0為7.05pF，故於水晶片20之串聯共振點Fr消除電極間電容C0之電感值約為3.8 μ H。若前述共振頻率Fr之角速度設為ω，則該電感值應表為1/(C0．ω² )。

但，等效串聯電阻R1為500 Ω時，前述3.8 μ H之電感值因振盪迴路增益接近1而為一不適當值。設定電感值時不得超過該電感值，故在此稱該電感值為Lmax(設定界線之最大值)。

此外，無論任一等效串聯電阻R1，若將電感值降低，則無法消除電極間電容C0之影響而不能產生振盪，其界線值約2.0 μ H。現就求取該界線值2.0 μ H之方法進行說明。振盪電路之振盪條件係訊號繞達到所期望之振盪波腹之電路一周時，增益為1以上，且相位為360度之整數倍。滿足後者之相位條件之電感值最小值為2.0 μ H。

該等條件之求法具體舉例而言，係切斷所期望之振盪波腹之一處，形成接點A與接點B。並將可使電路以線形動作之小訊號之訊號源連接接點A進行驅動。此時觀測接點B之訊號，計算接點與接點B之訊號比，調查繞行振盪波腹一周後之增益與相位。因此改變電感器之電感值時，可求得不符合相位條件之電感值最小值。且若以並聯水晶振動器之電感器的電感值為參數將增益作成圖示，則可得如第5圖所示之結果。

上述電感值2.0 μ H，係經評定為將水晶片20浸於被測流體中之狀態下可產生振盪之電感值最小值的電感值Lmin。由第5圖可知，濃度感測器中，前述電感值不宜設定為可消除電極間電容C0之電感值Lmax，且由將水晶片20浸於被測液體中之狀態下之電感值Lmin與Lmax間之電感值與振盪迴路增益之關係看來，應決定為不過於接近振盪停止區域，並可得到充分振盪迴路增益之值。此例係以電感值Lmin與Lmax之平均值2.9 μ H為中心±20%後之範圍2.3 μ H~3.5 μ H作為電感器3之電感值最佳範圍。如此只要設定電感值，則於量產濃度感測器時可使量產品之特性穩定。

其中等效串聯電阻R1越大，將使隨著電感器3之電感值增大而降低之振盪迴路增益降低程度越大，因此若為濃度感測器所用之被測流體中黏度最大之流體，例如氣液兩用之濃度感測器，則就被測定液體中黏度最大時之等效串聯電阻R1求取電感值Lmin與Lmax，再依據其間之電感值與振盪迴路增益之關係，決定電感器3之電感值的適當值。

繼之以第6圖簡單說明測定器本體100之內部電路。第6圖中，4為用以使濃度感測器1之水晶振動器24產生振盪之振盪電路，該振盪電路4後段藉由緩衝放大器5與測定部6連接。振盪電路4係構造成柯匹子(Colpitts)型振盪電路，Tr係作為振盪放大元件之電晶體，40、41係形成分割容量成分之電容器，Vc係電源。其他部位，42~44為電容器，45~48為電阻。此外49係可供濃度感測器1裝卸自如地連接之端子部，並設於第1圖所示之測定器本體100上。

測定部6具有用以檢測有關檢測振盪電路4之振盪輸出頻率之訊號者，例如計頻器，及用以演算該計頻器之計頻數變化部分之演算部等。

另外此例中係作成裝設8個濃度感測器1之8通道構造，而形成第6圖所示之電路備有8通道，且各通道之輸出可切換連接測定部6之構造。

次之說明該實施型態之作用。首先將濃度感測器1(參照第1圖)插入測定器本體100，為求空白值而將不含感測對象物之溶液注滿濃度感測器1內，並使水晶振動器24產生振盪。該溶液可為純水或其他溶液。振盪電路3之振盪輸出係藉由緩衝放大器5輸入測定部6，並檢測振盪輸出之頻率。其次為對感測對象物進行感測而將作為檢體之被測溶液注入濃度感測器1，並藉由測定部6求出振盪頻率因被測溶液之注入所產生之變化部分，例如藉由預先作成之校準曲線並依據該變化部分檢測感測對象物之濃度。

根據上述實施型態，將電感器3並聯水晶片20，求出經評定為將水晶片20浸於被測流體中之狀態下可產生振盪之電感值最小值的值Lmin、與可消除電極間電容C0之值Lmax，於其等之間，觀察電感值與振盪迴路增益之關係後將該電感值決定為一適當值，故可防止電極間電容C0造成振盪能之消耗，且即使用於各種黏性不同之被測流體亦不會停止振盪。又於可於測定器本體裝卸之濃度感測器1上設有電感器3，因此藉由使用具有可與試樣流體黏度相抵之電感器3之濃度感測器1，可進行適當之檢測。故可不需對應各種濃度感測器調整振盪電路4側，即，此乃共通之振盪電路且可對應各種濃度感測器，因此使用者方面無須進行有關振盪電路之調整等繁雜且耗時之作業。

進而根據上述濃度感測器1，藉由在測定器本體上100裝卸印刷電路板21可交換濃度感測器1，故交換作業容易。此外利用形成於印刷電路板21上之開口部23a於水晶振動器24下面側形成氣密空間，而構成朗之萬型之濃度感測器，因此形成前述氣密空間之構造十分簡單。

另外本發明之濃度感測器並非限定在求取感測對象物之濃度，亦包含檢測有無感測對象物之功能。

1．．．濃度感測器(水晶感測器)

3．．．電感器

4．．．振盪電路

5．．．緩衝放大器

6．．．測定部

20．．．水晶片

21．．．印刷電路板

22．．．橡膠片

23．．．凹部

23a．．．開口部

24．．．水晶振動器

24a、b．．．電極

25．．．上蓋殼體

25a．．．注入口

25b．．．觀察口

26．．．導電性接著劑

27a、b．．．印刷線路

40~44．．．電容器

45~48．．．電阻

49．．．端子部

100．．．測定器本體

第1圖係顯示本發明之含有濃度感測器之濃度檢測裝置之實施型態外觀之透視圖。

第2圖係顯示上述實施型態所用之濃度感測器之縱截面圖。

第3圖係顯示上述實施型態所用之晶體振動器及周邊佈線之說明圖。

第4圖係顯示上述實施型態所用之濃度感測器基板及佈線之平面圖。

第5圖係一說明圖，顯示用以決定設於上述實施型態所用濃度感測器上之電感器之電感值的數據。

第6圖係顯示上述實施型態之濃度檢測裝置之電路方塊圖。

3．．．電感器

20．．．水晶片

24．．．水晶振動器

24a、b．．．電極

27a、b．．．印刷線路

Claims (5)

1. 一種濃度感測器，可裝卸自如地連接於設有振盪電路且置於試樣溶液之外的測定器本體，用以檢測感測對象物之濃度，其特徵在於包含有：電路板，形成有配線；壓電振動器，是藉由吸附感測對象物來改變固有振動數，包含有壓電片、分別設於該壓電片之一面側與另一面側且與前述配線連接的電極、及設於前述一面側之電極之表面而用以吸附試樣液體中之感測對象物的吸附層，前述壓電片於前述電路板上與該基板並排設置，且前述另一面側之電極設置成面向由試樣液體所位於之區域區劃出之空間；電感器，以並聯連接前述壓電振動器之方式設置於前述電路板上之配線間，用以抑制當壓電振動器置於試樣液體中時前述電極間之電容所造成振盪能量之消耗；及端子部，設於前述電路板，透過前述配線電性連接於前述壓電振動器之電極，且構成為藉由對測定器本體插入前述電路板來連接測定器本體側之端子。
2. 如申請專利範圍第1項之濃度感測器，其包含有上蓋殼體，該上蓋殼體在與前述壓電振動子之間形成流體之收容空間，且具有連通該收容空間之液體注入口。
3. 如申請專利範圍第1項之濃度感測器，其中前述電感器 之電感值係設定為相對一中心值±20%之值，且該中心值係藉前述壓電振動器之共振頻率消除該壓電振動器之電極間電容之電感值與在將該壓電振動器浸於試樣液體中之狀態下可產生振盪之電感值之最小值的平均值。
4. 如申請專利範圍第1項之濃度感測器，其中前述電路板上設有開口部，且前述壓電振動器之下面側面向形成於前述開口部側之凹部。
5. 一種濃度檢測裝置，包含有：如申請專利範圍第1至4項中任一項之濃度感測器；及測定器本體，具有可供該濃度感測器裝卸自如地連接之端子部、及用以使前述壓電振動器產生振盪之振盪電路。