專利名稱：檢測(cè)傳感器、檢測(cè)傳感器的振子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于檢測(cè)有無具有質(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。
背景技術(shù)：
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)該吸附的有無或吸附量，來檢測(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，還考慮了通過吸附特定種類的分子來檢測(cè)其吸附有無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，基本通過空氣的粘性來確定。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)發(fā)明概要發(fā)明要解決的課題但是，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)來實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化。能夠通過對(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)稍微傳遞過來。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，通過自激振蕩來使用。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。本發(fā)明正是基于這種技術(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，本發(fā)明的檢測(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?，并且振?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，其通過檢測(cè)振子的振動(dòng)變化來檢測(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)?，該基板設(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)動(dòng)電壓，該電信號(hào)具有與多個(gè)振子的任意一個(gè)的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率。在振蕩控制部中，依次施加電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電壓，該電信號(hào)具有與多個(gè)振子的任意一個(gè)的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率。即， 首先，施加與多個(gè)振子中的任意一個(gè)的第一振子的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率的電信號(hào)。于是，具有與所施加的電信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的諧振頻率的振子振動(dòng)。之后，振蕩控制部施加與不同于前述振子的第二振子的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率的電信號(hào)。于是，第二振子振動(dòng)。這樣，能夠通過依次改變振蕩控制部所施加的電信號(hào)的頻率，使多個(gè)振子依次振動(dòng)。此外，檢測(cè)部對(duì)具有與通過振蕩控制部施加到電極層的電信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的諧振頻率的振子的振動(dòng)變化進(jìn)行檢測(cè)。在此可以使用多路器等。此外，驅(qū)動(dòng)部具有壓電層，其分別設(shè)置于振子的固定端附近；電極層，其分別對(duì)壓電層施加驅(qū)動(dòng)電壓；以及振蕩控制部，其分別向電極層施加具有預(yù)先確定的頻率的電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電壓，振蕩控制部通過分別對(duì)電極層施加電信號(hào)，使多個(gè)振子同時(shí)獨(dú)立振動(dòng)，該電信號(hào)的頻率與對(duì)應(yīng)于該電極層的振子的諧振頻率對(duì)應(yīng)。檢測(cè)部能夠檢測(cè)物質(zhì)相對(duì)于振子有無附著或吸附，還能夠檢測(cè)附著于振子的物質(zhì)的量。此處，只要在振子上附著或吸附特定的分子或者具有特定特性或特征的多種分子，就能夠在檢測(cè)傳感器中檢測(cè)所述特定的分子或者具有特定特性或特征的多種分子。即使在振子表面涂覆了檢測(cè)膜的情況下，諧振頻率也按照檢測(cè)膜的質(zhì)量變化，還能夠?qū)⒃撟兓铺幚頌椴牧铣?shù)的變化。例如，在密度P、厚度t的振子的整個(gè)單面上附著厚度、、密度P1的檢測(cè)膜的情況下，能夠通過將平均密度考慮為(PA+ptv^+t)、 厚度考慮為(ti+t)來應(yīng)用式(3)。一般有機(jī)類材料與硅相比楊氏模量較小，為聚丁二烯等橡膠類材料時(shí)，E = 3Mpa，即使為楊氏模量較高的聚苯乙烯等塑料類材料也是E = 3Mpa左右，與硅的E = 170GI^相比小2位以上。因此，能夠忽略給檢測(cè)膜的楊氏模量帶來的影響。Q值根據(jù)涂覆材料而被帶來不同影響，因此通過實(shí)驗(yàn)估計(jì)變化，但是在相比振子主體非常薄地涂覆了有機(jī)類材料的情況下，通常不會(huì)帶來大的變化。通過以上考察在式(3)中應(yīng)用平均密度和厚度變化時(shí)，涂覆了密度P工、厚度tl的檢測(cè)膜后的振子的諧振頻率能夠設(shè)為fl = fQX [1+(Vt)] [1+( P / P ) X (Vt)]-172 (4)
Nf0x [1— (1/2) χ (pi / ρ))](5)其中，在該式中，使用了檢測(cè)膜的厚度、與振子的厚度相比足夠小這樣的近似。如上所述那樣，能夠用式(4)計(jì)算涂覆了檢測(cè)膜時(shí)的諧振頻率。振子在其表面上形成有由包含以下材料的至少一種的材料構(gòu)成的檢測(cè)膜二氧化鈦、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。此外，本發(fā)明能夠作為一種檢測(cè)傳感器的振子，該振子具有多個(gè)振子主體，它們?yōu)橐欢吮还潭ǖ牧籂睿灰约皺z測(cè)膜，其分別設(shè)置于振子主體的表面，吸附分子。所述振子的特征在于，多個(gè)振子主體的長(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ΔL被設(shè)定為2 ( Δ L/L) > 1/Q (其中，Q 為振子的 Q 值)。此外，檢測(cè)膜優(yōu)選包含以下材料的至少一種來形成二氧化鈦、聚丙烯酸、聚苯乙
烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。多個(gè)振子主體優(yōu)選形成于腔體內(nèi)，該腔體形成于由硅類材料構(gòu)成的基板中。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠以相互不同的頻率使長(zhǎng)度相互不同的多個(gè)振子動(dòng)作，因此能夠不彼此干擾地穩(wěn)定地進(jìn)行動(dòng)作。在使任意振子單獨(dú)動(dòng)作的情況下，諧振頻率與其他振子不同，因此機(jī)械耦合變小， 能夠減小相互的影響。因此，振子分別為獨(dú)立的諧振波峰。由此，能夠確保振子的穩(wěn)定振蕩， 能夠計(jì)測(cè)振子的微小的諧振頻移，結(jié)果檢測(cè)靈敏度提高。在使多個(gè)振子同時(shí)振蕩的情況下，由于驅(qū)動(dòng)頻率相互不同，因此難以引起電干擾， 能夠進(jìn)行穩(wěn)定的振蕩。由此，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)振子同時(shí)進(jìn)行計(jì)測(cè)，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)取得多個(gè)振子的頻率變化。此外，如果在恒定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行所有振子的測(cè)定，則能夠增加每1個(gè)的計(jì)測(cè)時(shí)間，其結(jié)果頻率計(jì)測(cè)精度提高，分子檢測(cè)靈敏度上升。因此，能夠用與單獨(dú)的振子相同的時(shí)間進(jìn)行多個(gè)振子的測(cè)定，分子檢測(cè)的分析/ 識(shí)別功能提高。另一方面，不需要嚴(yán)格進(jìn)行構(gòu)成檢測(cè)傳感器的芯片內(nèi)的機(jī)械絕緣、電路的電屏蔽，從而能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的小型化。


圖1是示出本實(shí)施方式中的檢測(cè)傳感器的例子、即在基板的一面上設(shè)置了壓電層的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2是示出本實(shí)施方式中的檢測(cè)傳感器的另一例、即在振子的固定端附近設(shè)置了壓電層的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖3是示出圖1所示的檢測(cè)傳感器中的電路結(jié)構(gòu)的例子的圖。圖4是示出圖2所示的檢測(cè)傳感器中的電路結(jié)構(gòu)的例子的圖。圖5(a)是示出設(shè)置了 1個(gè)振子時(shí)的檢測(cè)傳感器的立體圖，圖5 (b)是示出圖5(a) 的檢測(cè)傳感器中的頻率和振子的振動(dòng)振幅的關(guān)系的圖。圖6(a)是示出設(shè)置了 2個(gè)長(zhǎng)度相同的振子時(shí)的檢測(cè)傳感器的立體圖，圖6 (b)是示出圖6(a)的檢測(cè)傳感器中的頻率和振子的振動(dòng)振幅的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式下面，根據(jù)附圖所示的實(shí)施方式來詳細(xì)說明本發(fā)明。圖1是用于說明本實(shí)施方式中的檢測(cè)傳感器10的結(jié)構(gòu)的圖。該圖1所示的檢測(cè)傳感器10通過吸附作為檢測(cè)對(duì)象的特定種類的分子(以下簡(jiǎn)稱為分子)，進(jìn)行氣體或氣味等是否存在(產(chǎn)生)、或其濃度的檢測(cè)。檢測(cè)傳感器10由以下部分構(gòu)成具有吸附分子的檢測(cè)膜20的多組振子(振子主體)30A、30B、…、以及檢測(cè)分子在檢測(cè)膜20上的吸附的驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)部40。振子30A、30B、…是一端部被固定的懸臂梁狀的懸臂式。在圖1的例子中，僅圖示了 2組振子30A、30B，但是其數(shù)量沒有任何限定。振子30A、30B、…通過對(duì)基板50使用光刻法等MEMS技術(shù)而形成于腔體51的內(nèi)部， 該腔體51形成于由硅類材料、更具體而言由多晶硅或單晶硅構(gòu)成的基板50中。振子30A、 30B、…俯視為長(zhǎng)方形狀，由構(gòu)成基板50的硅類材料、尤其優(yōu)選單晶硅形成。當(dāng)列舉振子30A、30B、…的尺寸的一例時(shí)，優(yōu)選厚度為2 5 μ m、長(zhǎng)度為30 1000 μ m、寬度為 10 300 μ m。在振子30A、30B、…的表面形成有用于使作為檢測(cè)對(duì)象的分子吸附或附著的膜狀的檢測(cè)膜20。檢測(cè)膜20可通過由無機(jī)類材料或有機(jī)類材料構(gòu)成的膜形成。作為構(gòu)成檢測(cè)膜20 的無機(jī)類材料，代表性材料具有二氧化鈦(TiO2)。為了提高吸附效率，優(yōu)選使二氧化鈦成為多孔體狀來形成檢測(cè)膜20。作為構(gòu)成檢測(cè)膜20的有機(jī)類材料，有聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物等所有高分子等。在該檢測(cè)膜20中能夠僅吸附特定種類的分子或者具有特定特性或特征的多種分子，對(duì)于分子具有選擇性，該選擇性是由形成高分子的官能團(tuán)、交聯(lián)狀態(tài)等各種要素所決定的。優(yōu)選以覆蓋振子30的上表面的方式來形成這種檢測(cè)膜20。為了提高形成檢測(cè)膜20的材料相對(duì)于振子30A、30B、…的表面的附著性，優(yōu)選在振子30A、30B、…的表面上形成Au(金)/Cr (鉻)的基底膜。如圖1所示，驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)部40為了使振子30A、30B、…振動(dòng)，能夠在基板50的一面?zhèn)刃纬蓧弘妼?3。此外，如圖2所示，驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)部40為了使振子30A、30B、…振動(dòng)，也可以在振子 30的固定端30a —側(cè)的表面上設(shè)置由壓電材料構(gòu)成的壓電層44。作為形成壓電層43、44的壓電材料，由包含 ηκΖΓ、 的原料形成的所謂鐵電體材料備受關(guān)注。更詳細(xì)地講，壓電層43、44由包含 ηκΖΓ、 的材料(以下有時(shí)將其稱為PZT 材料)形成，并對(duì)該材料進(jìn)行了結(jié)晶化。在壓電層43中，PZT材料能夠使用薄膜或塊狀的任意一個(gè)。此時(shí)，能夠?qū)弘妼?3的厚度設(shè)為IOOym 2mm左右。另一方面，在壓電層44 中，PZT材料需要進(jìn)行薄膜化，形成為例如IOOnm 5 μ m左右的厚度。該壓電層44例如可通過層疊多層每一層為100 幾百nm的薄膜來實(shí)現(xiàn)上述厚度。作為這種材料，例如可以使用1 鈣鈦礦雙組分/三組分類鐵電體陶瓷、非鉛類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體陶瓷、BaTiO3陶瓷、KNbO3-NaNbO3類鐵電體陶瓷、(Bi42Na42)TiO3類鐵電體陶瓷、鎢 青銅型鐵電體陶瓷、(Ba1^xSrx)2NaNb5015[BSNN] ,BaNa1^xBix73Nb5O15[BNBN]、鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體和粒子取向型鐵電體陶瓷、鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體(BLSF)等。并且，除了 PZT材料以夕卜，壓電層43、44也可以使用&ι0(氧化鋅)、Α1Ν(氮化鋁)寸。通過在這種壓電層43、44上層疊來形成電極層。如圖3所示，這種驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)部40利用外部的振蕩控制部45，在振蕩控制部45中對(duì)來自振蕩檢測(cè)電路46的信號(hào)進(jìn)行處理，并施加反饋，由此施加到壓電層43的電極層。于是，壓電層43產(chǎn)生位移，由此引起振子30Α、30Β、…的自激振蕩。通過頻率計(jì)數(shù)器42測(cè)定其振蕩頻率。另外，在沿基板50的一面設(shè)置壓電層43的情況下，如圖3所示，振蕩控制部45利用與多個(gè)振子30Α、30Β、…中的任意一個(gè)的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率施加驅(qū)動(dòng)電壓，依次進(jìn)行振蕩。即，首先，以與多個(gè)振子30Α、30Β、…中的任意一個(gè)(例如振子30Α)的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行振蕩。接著，利用多路器49對(duì)輸入到振蕩控制部45的信號(hào)進(jìn)行切換，由此振蕩控制部45進(jìn)行與前述不同的、例如與振子30Β的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率的振蕩。這樣，通過用多路器49依次改變施加給振蕩控制部45的振動(dòng)檢測(cè)信號(hào)，使多個(gè)振子30Α、30Β、…依次逐個(gè)振動(dòng)。另一方面，在振子30Α、30Β、…的固定端附近設(shè)置壓電層44的情況下，如圖4所示，振蕩控制部45在振子30Α、30Β、…中分別具有振蕩電路47、頻率計(jì)數(shù)器42。并且，振蕩控制部45同時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)振子30Α、30Β、…。振蕩電路47與組合了圖3的振動(dòng)檢測(cè)電路46 和振蕩控制部45的電路相當(dāng)。此處，在振蕩控制部45中，為了選擇使振子30Α、30Β、…振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)次數(shù)，優(yōu)選設(shè)置僅使特定頻率通過的帶通濾波器。振子30Α、30Β、…在表面的檢測(cè)膜20上附著具有質(zhì)量的物質(zhì)時(shí)，檢測(cè)膜20的質(zhì)量增加，由此振子30Α、30Β、…的撓曲量變化。此外，在由于分子的吸附而使檢測(cè)膜20的質(zhì)量增加時(shí)，由振子30Α、30Β、…和檢測(cè)膜20構(gòu)成的系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生變化。在驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)部40中，對(duì)在檢測(cè)膜20上附著具有質(zhì)量的物質(zhì)所引起的振子30Α、 30Β、…的上述撓曲量或振動(dòng)頻率的變化進(jìn)行檢測(cè)。因此，如圖1、圖2所示，在振子30Α、 30Β、…的固定端附近設(shè)置有壓電電阻元件48。壓電電阻元件48通過在基板50表面摻雜雜質(zhì)來形成。壓電電阻元件48通過對(duì)形成在基板50的表面上的金屬薄膜進(jìn)行構(gòu)圖來連接電布線。根據(jù)振子30Α、30Β、…變形時(shí)的、振子30Α、30Β、…根部部分上的應(yīng)力變化，壓電電阻元件48的電阻值變化。通過對(duì)該電阻值變化進(jìn)行計(jì)測(cè)，對(duì)振子30Α、30Β、…的撓曲量或振動(dòng)頻率的變化進(jìn)行檢測(cè)。由此，能夠?qū)Ψ肿釉跈z測(cè)膜20上有無吸附或分子吸附量進(jìn)行測(cè)定。另外，在采用圖1所示的結(jié)構(gòu)的情況下，如圖3所示，在振蕩控制部45中，在驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置有多路器49。通過用該多路器49進(jìn)行切換，對(duì)設(shè)置于振子30A、30B、…中的、 與在振蕩控制部45中施加到壓電層43的驅(qū)動(dòng)電壓的頻率對(duì)應(yīng)的一個(gè)振子上的壓電電阻元件48的電阻值變化進(jìn)行檢測(cè)。此處，振蕩控制部45為了進(jìn)行振子30A、30B、…的自激振蕩，優(yōu)選對(duì)通過各振子 30A、30B、…的壓電電阻元件48取出的振動(dòng)輸出進(jìn)行放大、賦予必要的相位差并賦予給壓電層43、44，由此構(gòu)成反饋電路。通過這種電路，產(chǎn)生各振子30A、30B、…的諧振頻率處的自激振蕩。此外，在上述那樣的結(jié)構(gòu)中，在本發(fā)明中，振子30A、30B、…的長(zhǎng)度被設(shè)定為相互不同。多個(gè)振子30A、30B、…分別形成為自身的長(zhǎng)度L與其他振子的長(zhǎng)度之差A(yù)L相互滿足以下關(guān)系。一般通過式C3)，在設(shè)長(zhǎng)度L的振子的諧振頻率為f^時(shí)，長(zhǎng)度L的振子與長(zhǎng)度 L+ Δ L的振子的諧振頻率的差Δ &為
Af。≒f0x2AL/L。其中，近似為AL << L。如果Δ &相比振動(dòng)模態(tài)的半值寬度fH = f/Q足夠大， 則諧振波峰不重疊。此處，Q為振子的Q值。由于該條件為Δ & >fH，因此，作為其結(jié)果，只要賦予長(zhǎng)度之差ΔL使下式成立即可。2 ( Δ L/L) > 1/Q (6)。這樣，對(duì)于長(zhǎng)度相互不同的振子30Α、30Β、…，多個(gè)振子30Α、30Β、…以不同的頻率動(dòng)作。因此，即使使多個(gè)振子30Α、30Β、…同時(shí)動(dòng)作也能夠不相互干擾地穩(wěn)定進(jìn)行動(dòng)作。 即使在使振子30Α、30Β、…單獨(dú)動(dòng)作的情況下，也與其他振子30Α、30Β、…的頻率不同，因此機(jī)械耦合變小，能夠減小相互的影響。因此，振子30Α、30Β、…分別為獨(dú)立的諧振波峰，從而能夠確保穩(wěn)定的振蕩。其結(jié)果，能夠計(jì)測(cè)振子30Α、30Β、…各自的微小的諧振頻移，結(jié)果分子檢測(cè)靈敏度上升。此外，在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，即使在使多個(gè)振子30Α、30Β、…同時(shí)振蕩的情況下， 由于頻率不同，因此不容易引起電干擾，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的振蕩。由此，能夠用多個(gè)振子30Α、 30Β、…同時(shí)進(jìn)行分子檢測(cè)，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)取得多個(gè)振子30Α、30Β、…的頻率變化。 此外，如果在恒定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行所有振子30Α、30Β、…的測(cè)定，則能夠增加每1個(gè)的計(jì)測(cè)時(shí)間， 其結(jié)果頻率計(jì)測(cè)精度提高，分子檢測(cè)靈敏度上升。因此，能夠用與單獨(dú)的振子相同的時(shí)間進(jìn)行多個(gè)振子30Α、30Β、…的測(cè)定。根據(jù)這種具有多個(gè)振子30Α、30Β、…的檢測(cè)傳感器，能夠通過對(duì)多個(gè)振子30Α、30Β、…的檢測(cè)膜 20分別涂覆多個(gè)種類的檢測(cè)膜來提高檢測(cè)膜20所吸附的物質(zhì)的分析/識(shí)別功能。另一方面，不需要嚴(yán)格進(jìn)行構(gòu)成檢測(cè)傳感器10的基板50內(nèi)的機(jī)械絕緣、電路的電屏蔽，從而能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的小型化。實(shí)施例1 針對(duì)上述那樣長(zhǎng)度相互不同的多個(gè)懸臂型振子進(jìn)行了實(shí)證實(shí)驗(yàn)。
振子由具有厚度為5 μ m的SOI (Silicon on Insulator 硅絕緣體)層的SOI基板制成。通過光刻技術(shù)將SOI層蝕刻為振子形狀，從而制作出細(xì)微的振子結(jié)構(gòu)。通過從背面蝕刻抵接振子下部的基板層，形成腔體，振子能夠在空氣中自由振動(dòng)。為了檢測(cè)振子振動(dòng)引起的變形，在振子根部配置壓電電阻元件。壓電電阻元件通過在基板表面摻雜雜質(zhì)來制成。壓電電阻元件通過對(duì)形成在基板表面上的金屬薄膜進(jìn)行構(gòu)圖來連接電布線。壓電電阻元件的電阻值由于感應(yīng)振子變形引起的根部應(yīng)力而變化，因此通過對(duì)該電阻值進(jìn)行計(jì)測(cè)來檢測(cè)振子的振動(dòng)。此外，為了在各振子上涂覆檢測(cè)膜，形成Au薄膜的涂覆用基底膜。為了使振子振動(dòng)，在基板的下表面粘接1塊PZT板作為壓電層。為了進(jìn)行振子的自激振蕩，通過對(duì)從各振子的壓電電阻元件取出的振動(dòng)輸出進(jìn)行放大、賦予必要的相位差并賦予給壓電層來構(gòu)成反饋電路。在這種電路中產(chǎn)生各振子的諧振頻率處的自激振蕩，用頻率計(jì)數(shù)器測(cè)定該頻率。此外，為了選擇振動(dòng)次數(shù)，在振蕩控制部?jī)?nèi)設(shè)置了僅使特定頻率通過的帶通濾波器。此外，在該結(jié)構(gòu)例中，在振子的外部設(shè)置壓電層，因此振動(dòng)板被所有振子共用。所以，不能使具有不同的諧振頻率的振子同時(shí)振蕩。因此，利用多路器依次進(jìn)行了測(cè)定。此處，考慮長(zhǎng)度為500 μ m、厚度為5 μ m的振子。根據(jù)如上述那樣實(shí)際制作的振子的Q值測(cè)定，實(shí)測(cè)出振動(dòng)的Q值在1次模態(tài)的振動(dòng)時(shí)為210、在2次模態(tài)時(shí)為590、在3次模態(tài)時(shí)為950。因此，式(6)的條件為1次模態(tài)時(shí)AL > 1. 2 μ m、2次模態(tài)時(shí)AL>0. 4μπι、3 次模態(tài)時(shí)Δ L > 0. 3 μ m。還考慮制造誤差取長(zhǎng)度變化Δ L為3 μ m，使用式( 計(jì)算8種振子1次 3次的諧振模態(tài)的諧振頻率的結(jié)果如下表。振子的楊氏模量E和密度P為E = 170GPa, P = 2. 33X 103kg/m3。表1
權(quán)利要求
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?，并且振?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，其通過檢測(cè)所述振子的振動(dòng)變化來檢測(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A(yù)L被設(shè)定為2(AL/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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)傳感器，其特征在于， 所述驅(qū)動(dòng)部具有壓電層，其設(shè)置于設(shè)有多個(gè)所述振子的基板的一面?zhèn)龋?電極層，其對(duì)所述壓電層施加驅(qū)動(dòng)電壓；以及振蕩控制部，其對(duì)所述電極層依次施加電信號(hào)作為所述驅(qū)動(dòng)電壓，該電信號(hào)具有與多個(gè)所述振子中的任意一個(gè)的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率，所述檢測(cè)部對(duì)具有與通過所述振蕩控制部施加到所述電極層的電信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的諧振頻率的所述振子的振動(dòng)變化進(jìn)行檢測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)傳感器，其特征在于， 所述驅(qū)動(dòng)部具有壓電層，其設(shè)置于所述振子各自的固定端附近； 電極層，其對(duì)各個(gè)所述壓電層施加驅(qū)動(dòng)電壓；以及振蕩控制部，其設(shè)置于各個(gè)所述電極層，對(duì)所述壓電層施加電信號(hào)作為所述驅(qū)動(dòng)電壓， 所述振蕩控制部通過對(duì)各個(gè)所述電極層施加電信號(hào)，使多個(gè)所述振子同時(shí)獨(dú)立振動(dòng)， 該電信號(hào)具有與對(duì)應(yīng)于該電極層的所述振子的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項(xiàng)所述的檢測(cè)傳感器，其特征在于，所述檢測(cè)部檢測(cè)附著在所述振子上的所述物質(zhì)的量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中的任意一項(xiàng)所述的檢測(cè)傳感器，其特征在于，所述物質(zhì)是特定的分子或者具有特定特性或特征的多種分子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任意一項(xiàng)所述的檢測(cè)傳感器，其特征在于，所述振子在其表面上形成有由包含以下材料中的至少一種的材料構(gòu)成的檢測(cè)膜二氧化鈦、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。
7.—種檢測(cè)傳感器的振子，其特征在于，該振子具有 多個(gè)振子主體，它們?yōu)橐欢吮还潭ǖ牧籂?；以及檢測(cè)膜，其設(shè)置于各個(gè)所述振子主體的表面，吸附分子，多個(gè)所述振子主體的長(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A(yù)L被設(shè)定為2(AL/L) > 1/Q (其中，Q為所述振子的Q值)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的檢測(cè)傳感器的振子，其特征在于，所述檢測(cè)膜包含以下材料中的至少一種而形成二氧化鈦、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚苯乙烯聚合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的檢測(cè)傳感器的振子，其特征在于，多個(gè)所述振子主體形成于腔體內(nèi)，該腔體形成于由硅類材料構(gòu)成的基板中。
全文摘要
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(zhǎng)、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。
文檔編號(hào)G01N5/02GK102209890SQ20098014435
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者三原孝士, 昆野舜夫, 池原毅 申請(qǐng)人:奧林巴斯株式會(huì)社, 獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所