一種檢測(cè)傳感器（１０），其使用多個(gè)懸臂型振子，并且避免振子之間的干擾，高精度且高效地進(jìn)行檢測(cè)，該檢測(cè)傳感器（１０）具有長(zhǎng)度相互不同的振子（３０Ａ、３０Ｂ、…）。這些振子（３０Ａ、３０Ｂ、…）在將任意振子的長(zhǎng)度設(shè)為Ｌ、諧振頻率設(shè)為ｆ０時(shí)，長(zhǎng)度Ｌ的振子與其他振子的長(zhǎng)度差ΔＬ被設(shè)定為２（ΔＬ／Ｌ）＞１／Ｑ。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及適用于檢測(cè)有無(wú)具有質(zhì)量的物質(zhì)、檢測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量等的檢測(cè)傳感器、 檢測(cè)傳感器的振子。
技術(shù)介紹
以往，存在用于對(duì)有爆炸危險(xiǎn)性或有害性的氣體等的存在或其定量濃度進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。在該傳感器中，通過(guò)吸附氣體中包含的特定種類的分子并檢測(cè)該吸附的有無(wú)或吸附量，來(lái)檢測(cè)氣體等是否存在或其濃度。這種傳感器設(shè)置在對(duì)氣體等進(jìn)行處理的設(shè)施、設(shè)備、裝置等中，用于氣體泄漏或氣體量的控制。并且，近年來(lái)正在廣泛地進(jìn)行燃料電池的開發(fā)。由于燃料電池使用氫，因此在氫站、使用燃料電池的車輛、裝置、設(shè)備等中，最好對(duì)是否存在氫泄漏進(jìn)行監(jiān)視。在這樣的用途中也可應(yīng)用上述傳感器。除了上述用途以外，還考慮了通過(guò)吸附特定種類的分子來(lái)檢測(cè)其吸附有無(wú)或吸附量的傳感器對(duì)在空氣中漂浮的有機(jī)分子和氣味分子進(jìn)行檢測(cè)，由此例如應(yīng)用于食物新鮮度和成分分析、用于提供/維持舒適空間的環(huán)境控制、以及人體等生物體的狀態(tài)檢測(cè)等。根據(jù)微小的分子質(zhì)量對(duì)在空氣中漂浮的有機(jī)分子和氣味分子等進(jìn)行檢測(cè)的傳感器元件在包含這些分子的氣體中使振子振動(dòng)，并將分子附著或吸附在振子表面時(shí)的振子的質(zhì)量變化檢測(cè)為振子的諧振頻率變化。作為根據(jù)振子的諧振頻率變化求取附著質(zhì)量的最基本的方法，可以列舉 QCM(Quartz Crystal Microbalance 石英晶體微天平)法。在QCM中，將具有壓電性的石英的單結(jié)晶切割為板狀來(lái)作為振子，并對(duì)該振子施加電壓，由此產(chǎn)生被稱作“厚度滑動(dòng)振動(dòng)” 的剪切振動(dòng)。公知有如下情況其諧振頻率f在表面上附著質(zhì)量Am的物體時(shí)，從原來(lái)的諧振頻率fo下降Δ f，下降量為Δ f/f0 = - Δ m/m0 (1)。mQ是振子的質(zhì)量。另一方面，通過(guò)攝影技術(shù)(光刻)對(duì)硅薄膜等進(jìn)行精密加工的被稱作MEMS (Micro Electrical Mechanical Systems 微電子機(jī)械系統(tǒng))的技術(shù)發(fā)達(dá)。能夠利用MEMS技術(shù)，在 ym(微米)單位的區(qū)域中制作與至今為止在mm(毫米)單位的區(qū)域中制造的QCM同樣的振子。通過(guò)減小振子的尺寸，式(1)中的振子質(zhì)量大幅減少，相對(duì)于附著質(zhì)量的檢測(cè)靈敏度提高。此外，作為進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的振子，還主要使用利用懸臂梁的橫向振動(dòng)的懸臂型振子、利用板狀振子的面內(nèi)振動(dòng)的圓盤型振子(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。 在任意一種情況下，振子的諧振頻率變化都為Δ f/f0 = - Am/(2m0)(2)，系數(shù)與式(1)不同，但對(duì)振子質(zhì)量的依存性不變。懸臂型振子的諧振頻率&為f0 = λη2/((4 V 3) ji) Xt/L2X V (E/P ) (3)。此處，t和L是懸臂型振子的厚度和長(zhǎng)度，E和P是構(gòu)成懸臂型振子的物質(zhì)的楊氏模量和密度。在利用硅單結(jié)晶沿硅單結(jié)晶的結(jié)晶方位<110>方向平行制作懸臂型振子的情況下，E = 170GPa且P = 2. 33X 103kg/m3。此外，λ n是通過(guò)振動(dòng)次數(shù)n確定的常數(shù)，X1 =1.875、A 2 = 4.964、A 3 = 7. 855…。越是高次模態(tài)，頻率越高。懸臂型振子的頻率響應(yīng)特性具有由振動(dòng)的Q值確定的寬度，半值寬度4 = &/0。懸臂型振子的Q值在以氣味傳感器那樣的目的在大氣壓的空氣中動(dòng)作的情況下，基本通過(guò)空氣的粘性來(lái)確定。該值較大地依存于懸臂型振子的尺寸，在厚度5 μ m、長(zhǎng)度100 1000 μ m 的情況下為100 2000左右的值。以往技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開2007-240252號(hào)公報(bào)專利技術(shù)概要專利技術(shù)要解決的課題但是，使用懸臂型振子的質(zhì)量傳感器僅對(duì)分子在振子上的附著質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，其自身不具有對(duì)附著物質(zhì)進(jìn)行分析/識(shí)別的功能。識(shí)別附著物質(zhì)的功能使用涂覆在表面上的檢測(cè)膜的附著選擇性。因此，為了進(jìn)行更具體的附著分子的分析/識(shí)別，將多個(gè)種類的檢測(cè)膜分別涂覆于多個(gè)懸臂型振子上，并利用各個(gè)檢測(cè)膜的附著選擇性的不同。該方法在 QCM中被廣泛利用，能夠根據(jù)多個(gè)檢測(cè)膜的響應(yīng)不同使用多變量分析等來(lái)進(jìn)行附著物質(zhì)的估計(jì)。在QCM中，進(jìn)行使用了 4 8個(gè)左右的多個(gè)傳感器的研究。懸臂型振子能夠利用半導(dǎo)體制造工藝來(lái)同時(shí)制成細(xì)微結(jié)構(gòu)。因此，能夠?qū)⒍鄠€(gè)懸臂型振子簡(jiǎn)單地收納在幾mm見方的1個(gè)芯片內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化。能夠通過(guò)對(duì)多個(gè)懸臂型振子分別涂覆多個(gè)種類的檢測(cè)膜，實(shí)現(xiàn)附著物質(zhì)的分析/識(shí)別功能。在QCM中具有如下問(wèn)題需要排列傳感器個(gè)數(shù)的單元，增多排列數(shù)時(shí)尺寸變大。另一方面，懸臂型振子具有如下優(yōu)點(diǎn)即使排列數(shù)較多也能夠以極小的尺寸構(gòu)成系統(tǒng)。但是，此時(shí)成為問(wèn)題的是多個(gè)懸臂型振子之間的干擾。干擾存在兩個(gè)主要原因。一個(gè)是機(jī)械的振動(dòng)干擾。懸臂型振子在1個(gè)芯片內(nèi)被固定于同一基板，因此無(wú)論怎樣處于附近的另一懸臂型振子的振動(dòng)都會(huì)稍微傳遞過(guò)來(lái)。當(dāng)具有同一諧振頻率的多個(gè)懸臂型振子之間稍微存在相互作用時(shí)，會(huì)引起共鳴，從而諧振波峰的形狀變化，機(jī)械的振動(dòng)特性改變。例如，如圖5(a)所示，在具有諧振頻率f^的僅1個(gè)懸臂型振子1的情況下，如圖 5(b)所示，振動(dòng)模態(tài)是具有一個(gè)波峰的模態(tài)。與此相對(duì)，如圖6(a)所示，在具有相同的諧振頻率fo的2個(gè)懸臂型振子1A、1B之間存在機(jī)械的相互作用時(shí)，2個(gè)振子1A、1B已經(jīng)不獨(dú)立動(dòng)作。如圖6(b)所示，分裂為2個(gè)振子1A、1B以同相運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)模態(tài)和2個(gè)振子1A、1B 以反相運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)模態(tài)。一般同相模態(tài)具有比振子1A、1B的諧振頻率&低的頻率，反相的模態(tài)是比振子1A、1B的諧振頻率&高的頻率。在這種狀況下難以使兩個(gè)懸臂型振子1A、1B 獨(dú)立動(dòng)作。并且，例如僅使1個(gè)振子IA動(dòng)作也會(huì)受到另一個(gè)振子IB的機(jī)械影響而成為復(fù)雜的動(dòng)作模態(tài)。其結(jié)果，檢測(cè)各個(gè)頻率變化的本來(lái)目的變得困難。另一個(gè)干擾效應(yīng)是電干擾。懸臂型振子1A、1B為了檢測(cè)諧振頻率變化，一般以電氣方式進(jìn)行反饋，通過(guò)自激振蕩來(lái)使用。但是，當(dāng)相同頻率的振蕩電路存在于同一殼體內(nèi)時(shí)，因來(lái)自屏蔽的電磁波的泄露和接地的不完全而產(chǎn)生串?dāng)_信號(hào)，由于該串?dāng)_信號(hào)而存在兩個(gè)電路相互影響而進(jìn)行不穩(wěn)定的動(dòng)作的問(wèn)題。尤其是在1個(gè)芯片上對(duì)多個(gè)懸臂型振子 1A、1B進(jìn)行集成的狀況下，存在芯片內(nèi)部或封裝內(nèi)部的寄生電容，不能完全防止電干擾。在這種狀況下能夠單獨(dú)進(jìn)行振蕩，但是難以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)以上的振蕩，從而檢測(cè)效率下降。根據(jù)以上理由，難以使諧振頻率相同的多個(gè)懸臂型振子1A、1B穩(wěn)定動(dòng)作。本專利技術(shù)正是基于這種技術(shù)課題而完成的，其目的在于，使用多個(gè)懸臂型振子，并且避免振子之間的干擾，高精度且高效地進(jìn)行檢測(cè)。用于解決課題的手段基于上述目的，本專利技術(shù)的檢測(cè)傳感器的特征在于，該檢測(cè)傳感器具有多個(gè)振子， 它們?yōu)橐欢吮还潭ǖ牧籂睿⑶艺駝?dòng)特性根據(jù)具有質(zhì)量的物質(zhì)的附著或吸附而發(fā)生變化； 驅(qū)動(dòng)部，其使振子振動(dòng)；以及檢測(cè)部，其通過(guò)檢測(cè)振子的振動(dòng)變化來(lái)檢測(cè)物質(zhì)，多個(gè)振子的長(zhǎng)度相互不同，在將任意的振子設(shè)為長(zhǎng)度L時(shí)，長(zhǎng)度L的振子與其他振子的長(zhǎng)度差△ L被設(shè)定為2 ( Δ L/L) > 1/Q (其中，Q 為振子的 Q 值)。即使在具有多個(gè)振子的情況下，只要任意振子與其他振子的長(zhǎng)度之差A(yù)L滿足上述條件，就能夠避免在振子之間傳遞振動(dòng)而造成的不良影響。另外，驅(qū)動(dòng)部具有壓電層，其設(shè)置于基板的一面?zhèn)龋摶逶O(shè)置有多個(gè)振子；電極層，其對(duì)壓電層施加驅(qū)動(dòng)電壓；以及振蕩控制部，其對(duì)電極層依次施加電信號(hào)作為驅(qū)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．一種檢測(cè)傳感器，其特征在于，該檢測(cè)傳感器具有：多個(gè)振子，它們?yōu)橐欢吮还潭ǖ牧籂睿⑶艺駝?dòng)特性根據(jù)具有質(zhì)量的物質(zhì)的附著或吸附而發(fā)生變化；驅(qū)動(dòng)部，其使所述振子振動(dòng)；以及檢測(cè)部，其通過(guò)檢測(cè)所述振子的振動(dòng)變化來(lái)檢測(cè)所述物質(zhì)，多個(gè)所述振子的長(zhǎng)度相互不同，在將任意的所述振子設(shè)為長(zhǎng)度Ｌ時(shí)，長(zhǎng)度Ｌ的所述振子與其他所述振子的長(zhǎng)度差ΔＬ被設(shè)定為２（ΔＬ／Ｌ）＞１／Ｑ （其中，Ｑ為所述振子的Ｑ值），所述驅(qū)動(dòng)部以與多個(gè)所述振子各自的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率使所述振子振動(dòng)。
【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：池原毅，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：JP
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