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JP2016186442A - Sensor, detection system, and detection method - Google Patents

Sensor, detection system, and detection method Download PDF

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JP2016186442A
JP2016186442A JP2015066362A JP2015066362A JP2016186442A JP 2016186442 A JP2016186442 A JP 2016186442A JP 2015066362 A JP2015066362 A JP 2015066362A JP 2015066362 A JP2015066362 A JP 2015066362A JP 2016186442 A JP2016186442 A JP 2016186442A
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JP
Japan
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control voltage
voltage
piezoelectric vibrator
sensor
oscillation
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Application number
JP2015066362A
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Japanese (ja)
Inventor
平野 雅嗣
Masatsugu Hirano
雅嗣 平野
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Daishinku Corp
Original Assignee
Daishinku Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent false oscillation by allowing setting of an appropriate oscillation condition according to an environment in which a sensor is used, and obtain an oscillation state as stable as possible.SOLUTION: The sensor includes: a crystal resonator 2 having a sensing region with a detection target attached; a package 3 containing the crystal resonator 2 so that the sensing region is exposed; and an IC chip 4 oscillating the crystal resonator 2 and forming a voltage-controlling oscillation circuit controlling the oscillation frequency of the crystal resonator 2 based on a control voltage input to a control voltage input terminal 26, the IC chip 4 being contained in the package 3.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、気体や液体に含まれる微量な特定物質を検出対象として検出するのに好適なセンサ、それを備える検出システム及び検出方法に関する。   The present invention relates to a sensor suitable for detecting a trace amount of a specific substance contained in a gas or liquid as a detection target, a detection system including the sensor, and a detection method.

近年、例えば液体中の微量な特定物質を検出するセンサとして、圧電振動子である水晶振動子を液体に浸漬して、水晶振動子の電極表面に物質が付着することによって、共振周波数が変化する性質を利用して微量な物質を検出するQCM(Quartz Crystal Microbalance)センサが利用されている(例えば、特許文献1参照)。このQCMセンサは、1ng/cmオーダーの物質の質量変化を検出することができる。 In recent years, for example, as a sensor for detecting a small amount of a specific substance in a liquid, a resonance frequency is changed by immersing a quartz vibrator, which is a piezoelectric vibrator, in a liquid and attaching the substance to the electrode surface of the quartz vibrator. A QCM (Quartz Crystal Microbalance) sensor that detects a very small amount of substance by using properties is used (for example, see Patent Document 1). This QCM sensor can detect a mass change of a substance of the order of 1 ng / cm 2 .

かかる水晶振動子を液体中に浸漬すると、水晶振動子の実効抵抗が増大するために、発振が不安定となって不発振となる場合がある。このため、発振回路を、複数個の増幅器と液体水晶センサーを含む帰還回路で構成することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。   When such a crystal unit is immersed in a liquid, the effective resistance of the crystal unit increases, so that oscillation may become unstable and non-oscillate. For this reason, it has been proposed to configure the oscillation circuit with a feedback circuit including a plurality of amplifiers and a liquid crystal sensor (see, for example, Patent Document 2).

特開2007−271449号公報JP 2007-271449 A 特開平11−163633号公報JP-A-11-163633

検出対象である特定物質を検出するために、QCMセンサが浸漬される液体には、その粘性や密度等が異なる種々の液体がある。このため、設計された或る発振条件だけでは、液体によっては、不発振となったり、あるいは、発振はするものの、発振周波数が安定しないといった場合がある。   There are various liquids in which the QCM sensor is immersed in order to detect a specific substance to be detected, which have different viscosities and densities. For this reason, under certain designed oscillation conditions, some liquids may not oscillate or may oscillate but the oscillation frequency may not be stable.

したがって、QCMセンサが浸漬される液体、すなわち、QCMセンサが使用される環境に応じて、適切な発振条件を設定できるようにすることが望まれる。   Therefore, it is desired to set an appropriate oscillation condition according to the liquid in which the QCM sensor is immersed, that is, the environment in which the QCM sensor is used.

本発明は、上記のような点に鑑みて為されたものであって、センサが使用される環境に応じて適切な発振条件を設定できるようして、不発振を防止すると共に、可及的に安定した発振状態が得られるようにすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and is capable of setting an appropriate oscillation condition according to the environment in which the sensor is used to prevent non-oscillation and as much as possible. An object of the present invention is to obtain a stable oscillation state.

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

すなわち、本発明のセンサは、検出対象が付着するセンシング領域を有する圧電振動子と、該圧電振動子の前記センシング領域が露出するように前記圧電振動子を収容するパッケージとを備えるセンサであって、
前記圧電振動子を発振させると共に、入力される制御電圧に基づいて前記圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備え、前記電圧制御型発振回路が、前記パッケージに収容されるものである。
That is, the sensor of the present invention is a sensor including a piezoelectric vibrator having a sensing region to which a detection target adheres, and a package that houses the piezoelectric vibrator so that the sensing region of the piezoelectric vibrator is exposed. ,
A voltage-controlled oscillation circuit that oscillates the piezoelectric vibrator and controls the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator based on an input control voltage, the voltage-controlled oscillation circuit being housed in the package It is.

本発明のセンサの好ましい実施態様では、当該センサの前記センシング領域は、液体に浸漬されるものであり、前記制御電圧が、前記液体に応じた一定電圧である。   In a preferred embodiment of the sensor according to the present invention, the sensing region of the sensor is immersed in a liquid, and the control voltage is a constant voltage corresponding to the liquid.

本発明のセンサの他の実施態様では、前記圧電振動子は、水晶振動片の両主面に励振電極がそれぞれ形成された水晶振動子であり、前記センシング領域は、前記水晶振動片の前記両主面の少なくとも一方の主面の前記励振電極上に形成される感応膜を含むものである。   In another embodiment of the sensor of the present invention, the piezoelectric vibrator is a crystal vibrator in which excitation electrodes are respectively formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece, and the sensing region is the both parts of the crystal vibrating piece. It includes a sensitive film formed on the excitation electrode on at least one main surface of the main surface.

本発明のセンサの更に他の実施態様では、前記パッケージは、段部を有する収容凹部を備え、前記収容凹部に、前記電圧制御型発振回路を構成するICチップが収容されると共に、前記水晶振動片が、その周縁部を前記段部に支持された状態で前記ICチップの上方に収容され、前記段部によって支持された前記水晶振動片の周縁部と、前記収容凹部の周壁との間が、封止材によって封止される。   In still another embodiment of the sensor according to the present invention, the package includes an accommodation recess having a step portion, and the accommodation recess accommodates an IC chip constituting the voltage-controlled oscillation circuit, and the crystal oscillation. A piece is accommodated above the IC chip with its peripheral portion supported by the stepped portion, and a gap between the peripheral portion of the quartz crystal vibrating piece supported by the stepped portion and the peripheral wall of the receiving concave portion And sealed with a sealing material.

本発明のセンサの好ましい実施態様では、前記パッケージの長手方向の一方寄りに前記センシング領域が設けられ、前記長手方向の他方側の端部に、前記ICチップに接続された外部端子が設けられる。   In a preferred embodiment of the sensor of the present invention, the sensing region is provided on one side of the package in the longitudinal direction, and an external terminal connected to the IC chip is provided on the other end in the longitudinal direction.

本発明のセンサによれば、センシング領域を構成する圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備えているので、この電圧制御型発振回路に入力する制御電圧を可変することによって、発振回路の発振マージン及び負荷容量といった発振条件を可変することができる。これによってセンサを使用する環境、例えば、センサのセンシング領域を浸漬させる粘性や密度等が異なる種々の液体に応じて適切な制御電圧を入力することによって、センサを使用する環境に応じた適切な発振条件を設定して、不発振を防止すると共に、安定した発振状態を得ることができる。   According to the sensor of the present invention, since the voltage control type oscillation circuit that controls the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator constituting the sensing region is provided, by varying the control voltage input to the voltage control type oscillation circuit, The oscillation conditions such as the oscillation margin and load capacitance of the oscillation circuit can be varied. By inputting an appropriate control voltage in accordance with the environment in which the sensor is used, for example, various liquids having different viscosities and densities that immerse the sensing area of the sensor, an appropriate oscillation corresponding to the environment in which the sensor is used By setting conditions, it is possible to prevent non-oscillation and obtain a stable oscillation state.

また、圧電振動子と電圧制御型発振回路とが、単一のパッケージに収容されるので、圧電振動子と電圧制御型発振回路との間の伝送距離が短くなって、ノイズの混入やゆらぎを抑制することができ、発振の安定性が向上し、計測精度を高めることができる。   In addition, since the piezoelectric vibrator and the voltage control type oscillation circuit are accommodated in a single package, the transmission distance between the piezoelectric vibrator and the voltage control type oscillation circuit is shortened, and noise mixing and fluctuations are reduced. Therefore, the stability of oscillation can be improved and the measurement accuracy can be improved.

また、入力される制御電圧を、当該センサのセンシング領域が浸漬される液体に応じた一定電圧とするので、粘性や密度等が異なる液体の種類に応じた一定電圧を制御電圧として入力することによって、液体に浸漬した状態でも不発振を防止して発振周波数を安定させることができる。   Moreover, since the input control voltage is a constant voltage according to the liquid in which the sensing area of the sensor is immersed, by inputting a constant voltage according to the type of liquid with different viscosity, density, etc. as the control voltage Even when immersed in a liquid, non-oscillation can be prevented and the oscillation frequency can be stabilized.

また、センシング領域は、水晶振動子を構成する水晶振動片の両主面にそれぞれ形成される両励振電極の少なくとも一方の励振電極上に形成される感応膜を含んでおり、この感応膜によって、検出対象を付着させることができる。   Further, the sensing region includes a sensitive film formed on at least one excitation electrode of both excitation electrodes respectively formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece constituting the crystal resonator, and by this sensitive film, A detection target can be attached.

また、水晶振動片は、センシング領域が露出するように、その周縁部が、収容凹部に形成された段部に支持されるのであるが、水晶振動片の周縁部と収容凹部の周壁との間が、封止材によって封止されるので、センシング領域を、液体に浸しても液体が、水晶振動片の他方の主面側に浸入するのを阻止することができる。これにより、水晶振動片の両主面の励振電極間の短絡による不発振を防止することができる。   Further, the periphery of the quartz crystal resonator element is supported by a stepped portion formed in the accommodating recess so that the sensing region is exposed, but between the periphery of the quartz crystal resonator element and the peripheral wall of the accommodating recess. However, since it is sealed by the sealing material, even if the sensing region is immersed in the liquid, the liquid can be prevented from entering the other main surface side of the quartz crystal vibrating piece. Thereby, the non-oscillation by the short circuit between the excitation electrodes of both the main surfaces of the crystal vibrating piece can be prevented.

また、パッケージの長手方向の一方寄りにセンシング領域が設けられ、他方側の端部に、ICチップに内部配線で接続された外部端子が設けられるので、外部端子を液面上に突出させた状態で、センシング領域を液体に浸漬させることができ、外部端子に液体が付着するのを防止することができる。   In addition, a sensing region is provided on one side in the longitudinal direction of the package, and an external terminal connected to the IC chip with an internal wiring is provided at the other end, so that the external terminal protrudes above the liquid level. Thus, the sensing area can be immersed in the liquid, and the liquid can be prevented from adhering to the external terminal.

本発明の検出システムは、検出対象が付着するセンシング領域を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させると共に、入力される制御電圧に基づいて前記圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備えるセンサと、前記センサに出力する前記制御電圧を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記制御電圧を一定電圧に制御した状態で、前記圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、前記検出対象を検出する。   The detection system of the present invention includes a piezoelectric vibrator having a sensing region to which a detection target adheres, and voltage control that oscillates the piezoelectric vibrator and controls the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator based on an input control voltage. And a control device for controlling the control voltage output to the sensor, the control device having a resonance frequency of the piezoelectric vibrator in a state where the control voltage is controlled to a constant voltage. The detection object is detected based on the change.

本発明の検出システムの好ましい実施態様では、前記センサの前記センシング領域は、液体に浸漬されるものであり、前記制御装置は、前記液体に応じた前記一定電圧を前記センサに出力する。   In a preferred embodiment of the detection system of the present invention, the sensing area of the sensor is immersed in a liquid, and the control device outputs the constant voltage corresponding to the liquid to the sensor.

本発明の検出システムの他の実施態様では、前記制御装置は、前記液体に応じた前記一定電圧を決定するために、前記センシング領域が前記液体に浸漬された状態で、前記制御電圧を、前記圧電振動子が発振するのに十分高い電圧から下げていったときの前記圧電振動子の発振出力を計測する。   In another embodiment of the detection system of the present invention, the control device determines the control voltage with the sensing region immersed in the liquid in order to determine the constant voltage according to the liquid. The oscillation output of the piezoelectric vibrator is measured when the voltage is lowered from a voltage high enough for the piezoelectric vibrator to oscillate.

本発明の検出システムの更に他の実施態様では、前記圧電振動子は、水晶振動片の両主面に励振電極がそれぞれ形成された水晶振動子であり、前記センシング領域は、前記水晶振動片の前記両主面の少なくとも一方の主面の前記励振電極上に形成される感応膜を含むものである。   In still another embodiment of the detection system of the present invention, the piezoelectric vibrator is a crystal vibrator in which excitation electrodes are respectively formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece, and the sensing region is the crystal vibrating piece. It includes a sensitive film formed on the excitation electrode on at least one of the main surfaces.

本発明の検出システムによれば、センサの電圧制御型発振回路に入力する制御電圧を可変することによって、発振回路の発振マージン及び負荷容量といった発振条件を可変することができるので、制御装置は、センサが使用される環境、例えば、センサのセンシング領域を浸漬させる粘性や密度等が異なる種々の液体に応じて適切な制御電圧をセンサに出力することによって、液体に応じた適切な発振条件を設定して、不発振を防止すると共に、安定した発振状態を得ることができ、この安定した発振状態で検出対象を検出することができる。   According to the detection system of the present invention, it is possible to vary the oscillation conditions such as the oscillation margin and the load capacitance of the oscillation circuit by varying the control voltage input to the voltage-controlled oscillation circuit of the sensor. Appropriate oscillation conditions according to the liquid are set by outputting an appropriate control voltage to the sensor in accordance with the environment in which the sensor is used, for example, various liquids with different viscosities and densities that immerse the sensing area of the sensor. Thus, non-oscillation can be prevented and a stable oscillation state can be obtained, and the detection target can be detected in this stable oscillation state.

また、制御装置は、液体に応じた一定電圧を決定するために、センシング領域が前記液体に浸漬された状態で、前記制御電圧を、前記圧電振動子が発振するのに十分高い電圧から下げていったときの前記圧電振動子の発振出力を計測するので、計測された圧電振動子の発振出力と制御電圧とに基づいて、制御電圧として適切な一定電圧を決定することができる。   In addition, in order to determine a constant voltage according to the liquid, the control device lowers the control voltage from a voltage that is sufficiently high for the piezoelectric vibrator to oscillate in a state where the sensing region is immersed in the liquid. Since the oscillation output of the piezoelectric vibrator at this time is measured, an appropriate constant voltage can be determined as the control voltage based on the measured oscillation output of the piezoelectric vibrator and the control voltage.

本発明の検出方法は、検出対象が付着するセンシング領域を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させると共に、入力される制御電圧に基づいて前記圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備えるセンサを用いて前記検出対象を検出する方法であって、
前記圧電振動子が発振するのに十分高い前記制御電圧を前記センサに入力して、前記センシング領域が液体に浸漬された状態で発振させる第1の工程と、
前記センシング領域が前記液体に浸漬された状態で、前記制御電圧を、前記十分高い制御電圧から下げていったときの前記圧電振動子の発振出力を計測する第2の工程と、
前記第2の工程で計測した前記発振出力と前記制御電圧とに基づいて、前記液体に応じた一定電圧を制御電圧として決定する第3の工程と、
前記第3の工程で決定された前記一定電圧を、前記センサに制御電圧として入力し、前記圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、前記検出対象を検出する第4の工程とを含んでいる。
The detection method of the present invention includes a piezoelectric vibrator having a sensing region to which a detection target adheres, and voltage control for oscillating the piezoelectric vibrator and controlling the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator based on an input control voltage. A method of detecting the detection object using a sensor including a type oscillation circuit,
A first step of inputting the control voltage high enough for the piezoelectric vibrator to oscillate to the sensor to oscillate the sensing region immersed in a liquid;
A second step of measuring an oscillation output of the piezoelectric vibrator when the control voltage is lowered from the sufficiently high control voltage in a state where the sensing region is immersed in the liquid;
A third step of determining a constant voltage corresponding to the liquid as a control voltage based on the oscillation output measured in the second step and the control voltage;
And a fourth step of inputting the constant voltage determined in the third step as a control voltage to the sensor and detecting the detection target based on a change in a resonance frequency of the piezoelectric vibrator. Yes.

本発明の検出方法によれば、センサの電圧制御型発振回路に入力する制御電圧を可変することによって、発振回路の発振マージン及び負荷容量といった発振条件を可変することができるので、センサが使用される環境、すなわち、センサのセンシング領域が浸漬される粘性や密度等が異なる種々の液体に応じた適切な一定電圧を、制御電圧としてセンサに入力することによって、液体に応じた適切な発振条件を設定して、不発振を防止すると共に、安定した発振状態を得ることができる。   According to the detection method of the present invention, the oscillation condition such as the oscillation margin and load capacitance of the oscillation circuit can be varied by varying the control voltage input to the voltage-controlled oscillation circuit of the sensor. By inputting an appropriate constant voltage as a control voltage to the sensor according to the environment in which the sensing area of the sensor is immersed, such as various liquids with different viscosities and densities, etc., an appropriate oscillation condition according to the liquid can be obtained. By setting, it is possible to prevent non-oscillation and obtain a stable oscillation state.

そして、この一定電圧を、液体にセンシング領域を浸漬させた状態で、制御電圧を、圧電振動子が発振するのに十分高い制御電圧から下げていったときの圧電振動子の発振出力を計測することによって、決定することができる。   Then, with this constant voltage immersed in the sensing area in the liquid, the oscillation output of the piezoelectric vibrator is measured when the control voltage is lowered from a control voltage sufficiently high for the piezoelectric vibrator to oscillate. Can be determined.

本発明によれば、圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備えているので、この電圧制御型発振回路に入力する制御電圧を可変することによって、発振回路の発振マージン及び負荷容量といった発振条件を可変することができる。したがって、センサを使用する環境、例えば、センサのセンシング領域を浸漬させる粘性や密度等が異なる種々の液体に応じた適切な制御電圧を入力することによって、センサを使用する環境に応じた適切な発振条件を設定して、不発振を防止すると共に、安定した発振状態として検出対象を検出することが可能となる。   According to the present invention, since the voltage control type oscillation circuit for controlling the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator is provided, the oscillation margin of the oscillation circuit and the load can be changed by varying the control voltage input to the voltage control type oscillation circuit. Oscillation conditions such as capacitance can be varied. Therefore, by inputting an appropriate control voltage according to the environment in which the sensor is used, for example, various liquids having different viscosities and densities in which the sensing area of the sensor is immersed, an appropriate oscillation according to the environment in which the sensor is used It is possible to set a condition to prevent non-oscillation and to detect a detection target as a stable oscillation state.

図1は本発明の一実施形態に係るQCMセンサを示す図であり、(a)は平面図、(b)は縦断側面図である。1A and 1B are views showing a QCM sensor according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a longitudinal side view. 図2は図1(a)のC−C線に沿う拡大部分断面図である。FIG. 2 is an enlarged partial sectional view taken along the line CC of FIG. 図3は電圧制御型発振回路の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a voltage-controlled oscillation circuit. 図4は制御電圧と発振マージンとの関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the control voltage and the oscillation margin. 図5は制御電圧と負荷容量との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the control voltage and the load capacity. 図6は制御電圧と周波数変化の関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the control voltage and the frequency change. 図7は本発明の一実施形態に係る検出システムの構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of a detection system according to an embodiment of the present invention. 図8は空気中及び液体中における制御電圧と発振電圧との関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the control voltage and the oscillation voltage in air and liquid.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るセンサを示す図であり、同図(a)は平面図であり、同図(b)は縦断側面図である。図2は、図1(a)のC−C線に沿う拡大断面図である。   1A and 1B are diagrams showing a sensor according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a longitudinal side view. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view taken along line CC in FIG.

この実施形態のセンサは、センサ素子として、圧電振動子である水晶振動子2を備えるQCMセンサ1である。このQCMセンサ1は、パッケージ3を備えており、このパッケージ3には、その表面側にATカット水晶振動子2が組込まれている。   The sensor of this embodiment is a QCM sensor 1 including a crystal resonator 2 that is a piezoelectric resonator as a sensor element. The QCM sensor 1 includes a package 3, and an AT-cut crystal resonator 2 is incorporated in the package 3 on the surface side.

パッケージ3は、同図(b)に示すように、下部層5、中間層6及び上部層7の3層の積層構造となっており、セラミック等の絶縁シートを積層し、焼成して形成される。   As shown in FIG. 2B, the package 3 has a three-layer structure of a lower layer 5, an intermediate layer 6, and an upper layer 7, and is formed by laminating and firing insulating sheets such as ceramics. The

基板部を構成する平板状の下部層5の上面に、枠部を構成する中間層6及び上部層7が積層形成される。   An intermediate layer 6 and an upper layer 7 constituting a frame portion are laminated on the upper surface of a flat lower layer 5 constituting the substrate portion.

上部層7には、正八角形の貫通孔7aが形成され、中間層6には、上部層7の貫通孔よりも小さい正八角形の貫通孔6aが形成され、これによって、水晶振動子2等を収容する収容凹部8が形成されると共に、水晶振動子2の円形の水晶片9の周縁部を支持するための段部が形成される。この段部には、水晶片9の周方向に沿う複数個所に、水晶片9を支持する図示しない支持突起が形成されている。   A regular octagonal through hole 7a is formed in the upper layer 7, and a regular octagonal through hole 6a smaller than the through hole of the upper layer 7 is formed in the intermediate layer 6. A housing recess 8 for housing is formed, and a step portion for supporting the peripheral portion of the circular crystal piece 9 of the crystal resonator 2 is formed. On this step portion, support protrusions (not shown) that support the crystal piece 9 are formed at a plurality of locations along the circumferential direction of the crystal piece 9.

水晶振動子2の水晶片9の両主面である表面及び裏面の中央部には、励振電極10a,10bが円形に形成されている。   Excitation electrodes 10a and 10b are formed in a circular shape at the center of both the front and back surfaces of the crystal piece 9 of the crystal resonator 2.

各励振電極10a,10bからは、互いに反対方向となるように、水晶片9の外周方向に向かって引出電極11a,11bが形成されている。水晶片9の表面側の引出電極11aは、裏面側に回り込んでいる。これら電極10a,10b;11a,11bは、例えばクロム(Cr)を下地層とし、当該下地層の上に金(Au)やチタン(Ti)が積層された積層膜により形成される。電極10a,10b;11a,11bは、前記膜構成に限定されるものではなく、3層以上の積層膜であってもよい。例えばクロム(Cr)を下地層とし、当該下地層の上に金(Au)やチタン(Ti)を積層し、その上層に更に金(Au)を積層した3層構成であってもよい。なお、電極材料は、これら金属に限らず、ニッケル(Ni)/銀(Ag)やその他の金属を用いてもよい。   From each excitation electrode 10a, 10b, extraction electrodes 11a, 11b are formed toward the outer peripheral direction of the crystal piece 9 so as to be opposite to each other. The extraction electrode 11a on the front surface side of the crystal piece 9 goes around to the back surface side. These electrodes 10a, 10b; 11a, 11b are formed of a laminated film in which, for example, chromium (Cr) is used as a base layer, and gold (Au) or titanium (Ti) is stacked on the base layer. The electrodes 10a and 10b; 11a and 11b are not limited to the above-described film configuration, and may be a laminated film of three or more layers. For example, a three-layer structure in which chromium (Cr) is used as a base layer, gold (Au) or titanium (Ti) is stacked on the base layer, and gold (Au) is further stacked on the top layer may be used. The electrode material is not limited to these metals, and nickel (Ni) / silver (Ag) or other metals may be used.

水晶片9の表面側の励振電極10a上には、検出対象である特定物質を捕捉吸着する機能を有する感応膜16が形成されて、外部に露出するセンシング領域が構成される。   On the excitation electrode 10a on the surface side of the crystal piece 9, a sensitive film 16 having a function of capturing and adsorbing a specific substance to be detected is formed to constitute a sensing region exposed to the outside.

このQCMセンサ1のセンシング領域は、特定物質を検出するために液体に浸漬されるので、水晶片9の表裏面の励振電極10a,10bが、液体に接触すると、短絡して水晶振動子2を発振させることができなくなる。このため、収容凹部8内への液体の浸入を防止するために、水晶片9の外周縁とパッケージ3の収容凹部8の周壁との間には、絶縁性の封止材15が充填されてシーリングされる。   Since the sensing area of the QCM sensor 1 is immersed in a liquid to detect a specific substance, when the excitation electrodes 10a and 10b on the front and back surfaces of the crystal piece 9 come into contact with the liquid, the crystal oscillator 2 is short-circuited. Cannot oscillate. Therefore, an insulating sealing material 15 is filled between the outer peripheral edge of the crystal piece 9 and the peripheral wall of the housing recess 8 of the package 3 in order to prevent liquid from entering the housing recess 8. Sealed.

QCMセンサ1のセンシング領域が浸漬される液体には、検出対象等に応じて、粘性や密度等が異なる種々の液体が想定される。   As the liquid in which the sensing area of the QCM sensor 1 is immersed, various liquids having different viscosities, densities, and the like are assumed depending on the detection target and the like.

このため、設計された或る発振条件だけでは、液体によっては、不発振となったり、あるいは、発振はするものの、発振周波数が安定しないといった課題がある。   For this reason, under certain designed oscillation conditions, there are problems that some liquids do not oscillate or oscillate, but the oscillation frequency is not stable.

このため、この実施形態のQCMセンサ1では、種々の液体に浸漬されても発振可能であると共に、可及的に安定した発振を可能にするために、浸漬される液体に応じて発振条件を設定できるように構成している。   For this reason, the QCM sensor 1 of this embodiment can oscillate even when immersed in various liquids, and in order to enable as stable oscillation as possible, the oscillation conditions are set according to the liquid to be immersed. It is configured so that it can be set.

すなわち、この実施形態のQCMセンサ1は、水晶振動子2を発振させると共に、入力される制御電圧に応じてその発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を構成するICチップ4を内蔵している。このICチップ4は、パッケージ3の収容凹部8の下部層5上に搭載される。   That is, the QCM sensor 1 of this embodiment incorporates an IC chip 4 that constitutes a voltage-controlled oscillation circuit that oscillates the crystal resonator 2 and controls its oscillation frequency in accordance with an input control voltage. . The IC chip 4 is mounted on the lower layer 5 of the housing recess 8 of the package 3.

ICチップ4によって構成される電圧制御型発振回路には、QCMセンサ1のセンシング領域が浸漬される液体に応じて、後述のようにして決定される一定電圧の制御電圧が入力され、安定な発振が行えるようにしている。   A voltage-controlled oscillation circuit constituted by the IC chip 4 is supplied with a control voltage having a constant voltage determined as described later in accordance with the liquid in which the sensing area of the QCM sensor 1 is immersed, and stable oscillation. Can be done.

パッケージ3の収容凹部8の段部、すなわち、中間層6の上面には、図2に示すように、水晶片9の引出電極11a,11bに対応するように接続電極12,13が形成されており、これら接続電極12,13に、水晶片9の引出電極11a,11bが、エポキシ樹脂等を用いた導電性接着剤14を介して接続される。なお、前記導電性接着剤14として、エポキシ系以外の樹脂を用いてもよい。   As shown in FIG. 2, connection electrodes 12 and 13 are formed on the stepped portion of the housing recess 8 of the package 3, that is, on the upper surface of the intermediate layer 6 so as to correspond to the extraction electrodes 11 a and 11 b of the crystal piece 9. The lead electrodes 11a and 11b of the crystal piece 9 are connected to the connection electrodes 12 and 13 via a conductive adhesive 14 using an epoxy resin or the like. Note that as the conductive adhesive 14, a resin other than an epoxy-based resin may be used.

各接続電極12,13は、図示しない内部配線によって、ICチップ4が搭載される下部層5の上面の電極パッド35,36に接続されると共に、図1(a)に示すように、パッケージ3の一端側の各角部の外部端子である水晶振動子接続端子22,23(XT1,XT2)にそれぞれ接続される。   Each of the connection electrodes 12 and 13 is connected to electrode pads 35 and 36 on the upper surface of the lower layer 5 on which the IC chip 4 is mounted by internal wiring (not shown), and as shown in FIG. Are connected to crystal resonator connection terminals 22 and 23 (XT1, XT2) which are external terminals at respective corners on one end side.

図3は、ICチップ4によって構成される電圧制御型発振回路の構成を示す図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a voltage controlled oscillation circuit configured by the IC chip 4.

この実施形態の電圧制御型発振回路は、定電圧を供給する定電圧電源回路17と、発振回路部18と、レベルシフト回路19と、出力バッファ20とを備えている。   The voltage-controlled oscillation circuit of this embodiment includes a constant voltage power supply circuit 17 that supplies a constant voltage, an oscillation circuit unit 18, a level shift circuit 19, and an output buffer 20.

発振回路部18は、2つのトランジスタTr1,Tr2を有する反転増幅器21と、帰還抵抗Rfと、直流カット用のコンデンサC1,C2と、可変容量ダイオードDV1,DV2と、バイアス抵抗R1,R2と、水晶振動子2と、抵抗Rdを備えている。   The oscillation circuit unit 18 includes an inverting amplifier 21 having two transistors Tr1 and Tr2, a feedback resistor Rf, DC cut capacitors C1 and C2, variable capacitance diodes DV1 and DV2, bias resistors R1 and R2, and a crystal. A vibrator 2 and a resistor Rd are provided.

反転増幅器21の入出力間に、水晶振動子2および帰還抵抗Rfを並列に接続し、更に反転増幅器21の入力および出力と接地電位(基準電位)との間にそれぞれ固定容量のコンデンサC1、C2と可変容量ダイオードDV1、DV2の直列回路をそれぞれ接続している。   A crystal resonator 2 and a feedback resistor Rf are connected in parallel between the input and output of the inverting amplifier 21, and fixed capacitors C1 and C2 are respectively connected between the input and output of the inverting amplifier 21 and the ground potential (reference potential). And series circuits of variable capacitance diodes DV1 and DV2.

発振周波数を可変する制御電圧Vcは、直列に接続されたコンデンサC1、C2と可変容量ダイオードDV1、DV2の中間点にそれぞれバイアス抵抗R1、R2を介して印加される。   The control voltage Vc for changing the oscillation frequency is applied to the midpoint between the capacitors C1 and C2 and the variable capacitance diodes DV1 and DV2 connected in series via the bias resistors R1 and R2, respectively.

この電圧制御型発振回路では、制御電圧Vcを可変して可変容量ダイオードDV1、DV2の容量を可変し、その結果、水晶振動子2の発振周波数を可変する。   In this voltage-controlled oscillation circuit, the control voltage Vc is varied to vary the capacitances of the variable capacitance diodes DV1 and DV2, and as a result, the oscillation frequency of the crystal resonator 2 is varied.

この電圧制御型発振回路は、外部端子として、上記の水晶振動子接続端子22,23(XT1,XT2)と、グランド端子24(GND)と、電源端子25(VCC)と、制御電圧Vcが入力される制御電圧入力端子26(VC)と、出力端子27(OUT)とを備えている。   In this voltage-controlled oscillation circuit, the crystal resonator connection terminals 22 and 23 (XT1, XT2), the ground terminal 24 (GND), the power supply terminal 25 (VCC), and the control voltage Vc are input as external terminals. The control voltage input terminal 26 (VC) and the output terminal 27 (OUT) are provided.

これらの外部端子22〜27は、図1(a)に示すように、パッケージ3の一端側の表面に引出されている。   These external terminals 22 to 27 are drawn out to the surface on one end side of the package 3 as shown in FIG.

なお、電圧制御型発振回路は、上記構成に限らず、制御電圧によって水晶振動子2の発振周波数を制御できるものであればよく、公知の他の電圧制御型発振回路であってもよい。   The voltage control type oscillation circuit is not limited to the above configuration, and any voltage control type oscillation circuit may be used as long as the oscillation frequency of the crystal resonator 2 can be controlled by the control voltage.

この実施形態のQCMセンサ1は、例えば、有機化合物や生体分子を検出対象としたケミカルセンサやバイオセンサなどに好適であり、感応膜16が形成されたセンシング領域が、液体に浸漬されて使用される。   The QCM sensor 1 of this embodiment is suitable for, for example, a chemical sensor or a biosensor that detects an organic compound or a biomolecule, and the sensing region in which the sensitive film 16 is formed is immersed in a liquid and used. The

このQCMセンサ1は、電圧制御型発振回路を構成するICチップ4を内蔵しているので、電圧制御型発振回路に入力する制御電圧によって、発振マージンと負荷容量とを可変することができる。発振マージンは、水晶を発振させられる最大の等価抵抗値であり、負荷容量は発振時の回路側容量を示す。   Since the QCM sensor 1 incorporates an IC chip 4 that constitutes a voltage controlled oscillation circuit, the oscillation margin and the load capacitance can be varied by the control voltage input to the voltage controlled oscillation circuit. The oscillation margin is the maximum equivalent resistance value that allows the crystal to oscillate, and the load capacitance indicates the circuit-side capacitance during oscillation.

この実施形態では、液体に応じた適切な制御電圧を、QCMセンサ1の制御電圧入力端子26に入力することによって、発振周波数が安定する最適な発振条件で発振させるようにしている。   In this embodiment, an appropriate control voltage corresponding to the liquid is input to the control voltage input terminal 26 of the QCM sensor 1 so as to oscillate under an optimal oscillation condition in which the oscillation frequency is stabilized.

図4は、電圧制御型水晶発振回路に対する制御電圧Vcと発振マージンとの関係を示す図であり、発振周波数が、25MHz、30MHz、35MHz、40MHzの各水晶発振回路について示している。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the control voltage Vc and the oscillation margin for the voltage-controlled crystal oscillation circuit, and shows each crystal oscillation circuit with oscillation frequencies of 25 MHz, 30 MHz, 35 MHz, and 40 MHz.

この図4に示されるように、制御電圧Vcを大きくすると、発振する水晶振動子のインピーダンスの限界値である発振マージンが大きくなり、液体中における発振限界は大きくなる、すなわち、発振しやすくなる。   As shown in FIG. 4, when the control voltage Vc is increased, the oscillation margin that is the limit value of the impedance of the oscillating crystal resonator is increased, and the oscillation limit in the liquid is increased, that is, the oscillation is easily performed.

例えば、発振周波数が25MHzのときには、制御電圧Vc=1.0Vで、発振マージンは、−140Ωであるのに対して、制御電圧Vc=4.0Vでは、発振マージンは、−633Ωとなる。   For example, when the oscillation frequency is 25 MHz, the control voltage Vc = 1.0V and the oscillation margin is −140Ω, whereas when the control voltage Vc = 4.0V, the oscillation margin is −633Ω.

図5は、電圧制御型水晶発振回路に対する制御電圧Vcと負荷容量との関係を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the control voltage Vc and the load capacitance for the voltage controlled crystal oscillation circuit.

負荷容量は、発振周波数によらず、上記の制御電圧Vc=1.0Vで、5pFであり、制御電圧Vc=4.0Vで、2.4pFである。   Regardless of the oscillation frequency, the load capacitance is 5 pF at the control voltage Vc = 1.0 V, and 2.4 pF at the control voltage Vc = 4.0 V.

このように、制御電圧Vcを大きくすると、負荷容量は、小さくなり、発振周波数の安定性は低下する。   As described above, when the control voltage Vc is increased, the load capacity is decreased and the stability of the oscillation frequency is decreased.

また、図6は、電圧制御型水晶発振回路に対する制御電圧Vcと周波数の変化(ΔF)との関係を示す図である。この図6では、制御電圧Vcに対する発振周波数の変動を、意図した負荷容量CL±0pFに対して、±0.5pFの意図しない負荷容量の変動、すなわち、負荷容量CL±0.5pFの変動を想定したときの発振周波数の変化を示している。   FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the control voltage Vc and the change in frequency (ΔF) for the voltage controlled crystal oscillation circuit. In FIG. 6, the fluctuation of the oscillation frequency with respect to the control voltage Vc is the fluctuation of the unintended load capacity of ± 0.5 pF with respect to the intended load capacity CL ± 0 pF, that is, the fluctuation of the load capacity CL ± 0.5 pF. It shows the change in oscillation frequency when assumed.

制御電圧Vcが大きく、例えば、Vc=4.0Vの状態では、負荷容量CLが±0.5pF変動すると、発振周波数は、151ppm変化する。これに対して、制御電圧Vcが小さく、例えば、Vc=0.5Vの状態では、負荷容量CLが±0.5pF変動すると、発振周波数は32ppm変化する。   When the control voltage Vc is large, for example, when Vc = 4.0V, the oscillation frequency changes by 151 ppm when the load capacitance CL fluctuates by ± 0.5 pF. On the other hand, when the control voltage Vc is small, for example, when Vc = 0.5V, the oscillation frequency changes by 32 ppm when the load capacitance CL fluctuates by ± 0.5 pF.

このように水晶発振周波数は、負荷容量で決まる、つまり周波数安定性は意図しない負荷容量(CL)の変動である。   Thus, the crystal oscillation frequency is determined by the load capacity, that is, the frequency stability is an unintended fluctuation of the load capacity (CL).

制御電圧Vcを小さくすると、図4に示すように、発振マージンが小さくなり、液体中の発振限界が小さくなって発振しにくくなる。   When the control voltage Vc is reduced, as shown in FIG. 4, the oscillation margin is reduced, the oscillation limit in the liquid is reduced, and oscillation is difficult.

一方、制御電圧Vcを小さくすると、図5に示すように、負荷容量は大きくなり、水晶発振の周波数安定性は高くなる。   On the other hand, when the control voltage Vc is reduced, as shown in FIG. 5, the load capacity is increased and the frequency stability of crystal oscillation is increased.

図6において、制御電圧Vc=0.5Vの状態では、負荷容量CLが±0.5pF変動すると、発振周波数は32ppmの変化であり、Vc=4.0Vの時の変動である151ppmに対して21%の変動に収まる。すなわち、制御電圧Vcが低い方が、周波数安定性が高くなる。   In FIG. 6, in the state of the control voltage Vc = 0.5V, when the load capacitance CL fluctuates by ± 0.5 pF, the oscillation frequency changes by 32 ppm, with respect to 151 ppm which is the fluctuation when Vc = 4.0V. It will be within 21% fluctuation. That is, the lower the control voltage Vc, the higher the frequency stability.

この特性を考慮すると、粘性や密度等が異なる種々の液体中で発振する条件の中から、可能な限り低い制御電圧Vcが、その液体における最も周波数安定性の高い状態で発振できる制御電圧Vcとなる。   In consideration of this characteristic, the control voltage Vc that can be oscillated in the state with the highest frequency stability in the liquid among the conditions that oscillate in various liquids having different viscosities and densities, etc. Become.

上記のように、QCMセンサ1のセンシング領域を浸漬させる液体としては、粘性や比重等が異なる種々の液体が想定され、かかる液体中でQCMセンサ1の発振を確実に行わせるためには、設計された1通りの発振条件では、不十分である。   As described above, various liquids having different viscosities, specific gravity, and the like are assumed as the liquid in which the sensing region of the QCM sensor 1 is immersed, and in order to ensure that the QCM sensor 1 oscillates in the liquid, the design is performed. One set of oscillation conditions is not sufficient.

この実施形態では、発振を確実に行わせるために、電圧制御型発振回路の制御電圧Vcの値によって発振マージンが大きく変化する上記図4の特性を利用する。   In this embodiment, in order to surely oscillate, the characteristic of FIG. 4 in which the oscillation margin changes greatly depending on the value of the control voltage Vc of the voltage controlled oscillation circuit is used.

また、最適な発振条件で発振させるために、発振の2つのパラメータである、「ドライブレベル」と「負荷容量値」を適切に選択することが必要となる。負荷容量値と発振周波数安定性については、上記図5,図6の通りである。   Further, in order to oscillate under optimum oscillation conditions, it is necessary to appropriately select two parameters of oscillation, “drive level” and “load capacitance value”. The load capacitance value and the oscillation frequency stability are as shown in FIGS.

「ドライブレベル」は、QCMセンサの発振時にかかる電圧と電流の積(電力)であり、発振が持続できる限り小さな値に設定する。制御電圧Vcの値が小さくなると、「ドライブレベル」も小さくなるので、「ドライブレベル」についても、制御電圧Vcの値を小さな値に設定する、すなわち、制御電圧Vcを低くすることが重要となる。   The “drive level” is a product (power) of voltage and current applied when the QCM sensor oscillates, and is set to a value as small as possible so that oscillation can be sustained. When the value of the control voltage Vc decreases, the “drive level” also decreases. Therefore, it is important to set the value of the control voltage Vc to a small value for the “drive level”, that is, to lower the control voltage Vc. .

この実施形態では、液体に応じて、発振可能であって、かつ、出来るだけ低い制御電圧を予め決定するために、次のようにしている。   In this embodiment, in order to predetermine a control voltage that can oscillate and is as low as possible in accordance with the liquid, the following is performed.

すなわち、液体に浸漬しても発振できる十分高い制御電圧、この実施形態では、4.0Vの制御電圧をQCMセンサ1に入力して発振させ、この発振した状態で、QCMセンサ1のセンシング領域を液体に浸漬する。次に、制御電圧を、十分に高い制御電圧である4.0Vから徐々に下げながら、発振が停止するまで、QCMセンサ1の発振出力、具体的には、QCMセンサ1の発振振幅に対応する発振電圧を計測する。   That is, a sufficiently high control voltage that can oscillate even when immersed in a liquid, in this embodiment, a control voltage of 4.0 V is input to the QCM sensor 1 to oscillate, and in this oscillated state, the sensing region of the QCM sensor 1 is set. Immerse in liquid. Next, the oscillation voltage of the QCM sensor 1, specifically, the oscillation amplitude of the QCM sensor 1 is handled until the oscillation stops while the control voltage is gradually lowered from the sufficiently high control voltage of 4.0 V. Measure the oscillation voltage.

そして、計測した制御電圧と発振電圧との関係に基づいて、その液体に応じた適切な制御電圧を決定する。なお、十分高い制御電圧は、4.0Vに限らず、QCMセンサ1のセンシング領域を液体に浸漬させた状態で発振可能な制御電圧であればよい。また、この十分高い制御電圧は、必ずしも、QCMセンサ1のセンシング領域を液体に浸漬する前に印加する必要はなく、QCMセンサ1のセンシング領域を液体に浸漬した状態で印加し、QCMセンサ1を発振させるようにしてもよい。   Based on the relationship between the measured control voltage and the oscillation voltage, an appropriate control voltage corresponding to the liquid is determined. The sufficiently high control voltage is not limited to 4.0 V, and may be any control voltage that can oscillate while the sensing region of the QCM sensor 1 is immersed in a liquid. The sufficiently high control voltage is not necessarily applied before the sensing region of the QCM sensor 1 is immersed in the liquid, and is applied in a state where the sensing region of the QCM sensor 1 is immersed in the liquid. You may make it oscillate.

この実施形態では、後述のように、制御電圧に対する発振電圧の変化を示す曲線において、発振が停止したポイントの直前における曲線の接線の傾きに対して、その50%程度の傾きとなる接線に対応する制御電圧を、その液体に応じた適切な制御電圧として決定する。   In this embodiment, as will be described later, in the curve indicating the change in the oscillation voltage with respect to the control voltage, it corresponds to a tangent that has an inclination of about 50% with respect to the slope of the tangent of the curve immediately before the point where the oscillation stops. The control voltage to be determined is determined as an appropriate control voltage according to the liquid.

このようにして予め決定した適切な制御電圧を、QCMセンサ1に対する制御電圧として入力し、検出対象である特定物質を検出し、特定物質の質量等を計測する。   An appropriate control voltage determined in advance in this way is input as a control voltage for the QCM sensor 1 to detect a specific substance to be detected, and measure the mass of the specific substance.

次に、このQCMセンサ1を備える検出システムについて、説明する。   Next, a detection system including the QCM sensor 1 will be described.

図7は、この実施形態の検出システムの概略構成を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of the detection system of this embodiment.

この実施形態の検出システム28は、上記QCMセンサ1と、周波数カウンタ29と、交流電圧計30と、パソコン等からなる制御装置31と、電圧可変の第1,第2直流電源32,33とを備えている。   The detection system 28 of this embodiment includes the QCM sensor 1, the frequency counter 29, an AC voltmeter 30, a control device 31 composed of a personal computer or the like, and variable voltage first and second DC power sources 32 and 33. I have.

QCMセンサ1のセンシング領域は、攪拌機能付の恒温槽37の液体38に浸漬される。   The sensing area of the QCM sensor 1 is immersed in the liquid 38 of the constant temperature bath 37 with a stirring function.

周波数カウンタ29は、QCMセンサ1からの発振出力信号の発振周波数を計測し、周波数データを制御装置31に入力する。   The frequency counter 29 measures the oscillation frequency of the oscillation output signal from the QCM sensor 1 and inputs frequency data to the control device 31.

交流電圧計30は、QCMセンサ1の水晶振動子接続端子22,23(XT1,XT2)の交流電圧(実効値)を測定し、発振電圧データとして制御装置31に入力する。   The AC voltmeter 30 measures the AC voltage (effective value) of the crystal resonator connection terminals 22 and 23 (XT 1 and XT 2) of the QCM sensor 1 and inputs it to the control device 31 as oscillation voltage data.

制御装置31は、第2直流電源33を介してQCMセンサ1に適切な電源電圧Vccを設定し、電源電圧Vccのオンオフを制御する。また、制御装置31は、第1直流電源32を介して制御電圧VcをQCMセンサ1に印加する。   The control device 31 sets an appropriate power supply voltage Vcc to the QCM sensor 1 via the second DC power supply 33, and controls on / off of the power supply voltage Vcc. Further, the control device 31 applies the control voltage Vc to the QCM sensor 1 via the first DC power supply 32.

この実施形態では、検出対象である特定物質を溶解した被試験液を混合する前の溶媒液、例えば、被試験液を混合する前の電解質溶液について、QCMセンサ1のセンシング領域を浸漬したときに、確実に発振させると共に、安定した発振状態が得られる適切な制御電圧を予め決定し、決定した適切な制御電圧をQCMセンサ1に入力して、安定した発振状態となった後に、溶媒液に被試験液を混合し、検出対象である特定物質を、周波数カウンタ29からの周波数変化に基づいて検出し、予め決められたパラメータにより、その質量等を計測する。   In this embodiment, when the sensing region of the QCM sensor 1 is immersed in the solvent solution before mixing the test solution in which the specific substance to be detected is mixed, for example, the electrolyte solution before mixing the test solution. An appropriate control voltage that oscillates reliably and obtains a stable oscillation state is determined in advance, and the determined appropriate control voltage is input to the QCM sensor 1 to obtain a stable oscillation state. A liquid to be tested is mixed, a specific substance to be detected is detected based on a frequency change from the frequency counter 29, and its mass or the like is measured by a predetermined parameter.

次に、この検出システムによる検出方法の手順を、更に詳細に説明する。   Next, the procedure of the detection method by this detection system will be described in more detail.

先ず、空気中で、電源電圧Vccを設定して電源スイッチ34をオンにしてQCMセンサ1を動作させる、すなわち、発振させる。制御電圧Vcは、QCMセンサ1のセンシング領域を液体に浸漬した状態で発振させることができる十分に高い電圧、この実施形態では、最大値である4.0Vに設定する。   First, in the air, the power supply voltage Vcc is set and the power switch 34 is turned on to operate the QCM sensor 1, that is, oscillate. The control voltage Vc is set to a sufficiently high voltage that can oscillate while the sensing region of the QCM sensor 1 is immersed in a liquid, and is set to a maximum value of 4.0 V in this embodiment.

次に、被試験液を混合する前の溶媒液に、QCMセンサ1のセンシング領域を浸漬する。   Next, the sensing area of the QCM sensor 1 is immersed in the solvent liquid before mixing the test liquid.

次に、発振電圧Vqと発振周波数をモニタしながら、制御電圧Vcを、上記4.0Vから徐々に下げていく。この時、制御電圧Vcと発振電圧Vqは、図8のような曲線となる。   Next, while monitoring the oscillation voltage Vq and the oscillation frequency, the control voltage Vc is gradually lowered from 4.0V. At this time, the control voltage Vc and the oscillation voltage Vq are curves as shown in FIG.

図8は、制御電圧Vcを、4.0Vから徐々に下げていったときの発振電圧Vqの変化を示すものであって、空気中と、2種類の液体A,B中における例を示している。   FIG. 8 shows changes in the oscillation voltage Vq when the control voltage Vc is gradually lowered from 4.0 V, and shows examples in the air and in the two types of liquids A and B. Yes.

この図8に示すように、液体A,BにQCMセンサ1のセンシング領域を浸漬させて、制御電圧Vcを4.0Vから徐々に下げていくと、発振電圧Vqが徐々に低下し、発振停止ポイントPA,PBで発振がそれぞれ停止する。このように発振停止ポイントまで制御電圧Vcを下げて、制御電圧Vcの下限値を把握する。   As shown in FIG. 8, when the sensing area of the QCM sensor 1 is immersed in the liquids A and B, and the control voltage Vc is gradually lowered from 4.0 V, the oscillation voltage Vq is gradually lowered to stop the oscillation. Oscillation stops at points PA and PB. In this way, the control voltage Vc is lowered to the oscillation stop point to grasp the lower limit value of the control voltage Vc.

図8の液体A,Bに示すように、成分、比重や粘性等が相違する液体の種類によって、発振停止ポイントPA,PBは異なる。   As shown in liquids A and B in FIG. 8, the oscillation stop points PA and PB differ depending on the types of liquids having different components, specific gravity, viscosity, and the like.

この実施形態では、液体に応じた適切な制御電圧Vcを、次のようにして決定する。すなわち、制御電圧Vcの値は、上記のように発振する下限値が望ましいが、特定物質の質量等を計測する場合には、QCMセンサ1の感応膜16に特定物質が結合付着するので、質量付加による発振条件の悪化を見込んで、予め制御電圧Vcの高いほうにマージンを取る必要がある。   In this embodiment, an appropriate control voltage Vc corresponding to the liquid is determined as follows. That is, the value of the control voltage Vc is preferably the lower limit value that oscillates as described above. However, when measuring the mass or the like of the specific substance, the specific substance is bonded and attached to the sensitive film 16 of the QCM sensor 1. In consideration of the deterioration of the oscillation condition due to the addition, it is necessary to take a margin in advance for the higher control voltage Vc.

このマージンは、概ね制御電圧Vcに対する発振電圧Vqの変動の傾きが、発振停止時の50%程度まで緩くなるポイントが望ましい。なお、50%程度に限らず、50%程度より大きくてもよいし、小さくてもよい。   The margin is desirably a point where the slope of the fluctuation of the oscillation voltage Vq with respect to the control voltage Vc becomes gentle to about 50% when the oscillation is stopped. It is not limited to about 50% but may be larger or smaller than about 50%.

例えば、液体Aの例では、発振停止ポイントPAの直前の接線SAの傾きの50%の傾きとなる接線SA´に対応する制御電圧VcAが好ましく、液体Bの例では、発振停止ポイントPBの直前の接線SBの傾きの50%の傾きとなる接線SB´に対応する制御電圧VcBが好ましい。この場合、各液体A,Bについての下限値までのマージンは、それぞれVcMA,VcMBで示される。   For example, in the case of the liquid A, the control voltage VcA corresponding to the tangent line SA ′ having an inclination of 50% of the inclination of the tangent line SA immediately before the oscillation stop point PA is preferable, and in the example of the liquid B, immediately before the oscillation stop point PB. The control voltage VcB corresponding to the tangent line SB ′ having an inclination of 50% of the inclination of the tangent line SB is preferable. In this case, the margins up to the lower limit values for the liquids A and B are indicated by VcMA and VcMB, respectively.

液体に応じた適切な制御電圧Vcの決定は、制御装置31が、制御電圧Vcと、入力される発振電圧Vqとに基づいて、上記のように図8の曲線によって算出する。なお、図8のような曲線を、制御装置31の表示部に表示し、オペレータが、その表示に基づいて、適切な制御電圧Vcを決定し、制御装置31の操作部を操作して適切な制御電圧を設定するようにしてもよい。   Determination of the appropriate control voltage Vc according to the liquid is calculated by the control device 31 based on the control voltage Vc and the input oscillation voltage Vq using the curve of FIG. 8 as described above. A curve as shown in FIG. 8 is displayed on the display unit of the control device 31, and the operator determines an appropriate control voltage Vc based on the display, and operates the operation unit of the control device 31 to perform an appropriate operation. A control voltage may be set.

図8の例では、液体Bの制御電圧VcBの値は、液体Aの制御電圧VcAの値には適さない。その理由は、制御電圧VcBは、制御電圧VcAに比べて高く、負荷容量CLが小さいので、発振周波数の不安定さが大きいためである。   In the example of FIG. 8, the value of the control voltage VcB of the liquid B is not suitable for the value of the control voltage VcA of the liquid A. This is because the control voltage VcB is higher than the control voltage VcA and the load capacitance CL is small, so that the oscillation frequency is unstable.

次に、制御装置31は、制御電圧Vcとして、上記のようにして決定された適切な一定電圧をQCMセンサ1に入力する。   Next, the control device 31 inputs an appropriate constant voltage determined as described above to the QCM sensor 1 as the control voltage Vc.

そして、発振周波数が安定するのを待って、検出対象である特定物質を溶解した被試験液を、溶媒液に混合し、制御装置31による計測を開始し、発振周波数の変化を逐次モニタする。この発振周波数の変化に基づいて、特定物質の濃度を測定する。   Then, after the oscillation frequency is stabilized, the test solution in which the specific substance to be detected is dissolved is mixed with the solvent solution, measurement by the control device 31 is started, and changes in the oscillation frequency are sequentially monitored. Based on the change in the oscillation frequency, the concentration of the specific substance is measured.

すなわち、溶媒液に被試験液が混合された混合液中の特定物質が、QCMセンサ1の感応膜16と結合付着し、励振電極10aの質量が増加する。励振電極10aの質量が増加すると、水晶振動子2の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等を、周波数カウンタ29を介して制御装置31によって解析することによって、混合液中の特定物質の質量等を算出する。   That is, the specific substance in the mixed liquid in which the test liquid is mixed with the solvent liquid bonds and adheres to the sensitive film 16 of the QCM sensor 1, and the mass of the excitation electrode 10a increases. As the mass of the excitation electrode 10a increases, the resonance frequency of the crystal unit 2 decreases. By analyzing the decrease amount of the resonance frequency by the control device 31 via the frequency counter 29, the mass of the specific substance in the mixed liquid is calculated.

なお、適切な制御電圧Vcを、液体の種類に応じて上記のようにして決定した後に、同じ液体を使用して特定物質を検出する場合には、既に決定した適切な制御電圧Vcを、制御装置31の操作部を操作して設定できるようにしてもよい。   In addition, after determining the appropriate control voltage Vc according to the kind of liquid as described above, when detecting a specific substance using the same liquid, the appropriate control voltage Vc already determined is controlled. You may enable it to set by operating the operation part of the apparatus 31. FIG.

[他の実施形態]
上記実施形態では、液体中の特定物質の検出に適用したけれども、気体中の特定物質の検出に適用してもよい。
[Other Embodiments]
Although the above embodiment is applied to detection of a specific substance in a liquid, it may be applied to detection of a specific substance in a gas.

上記実施形態では、QCMセンサ1のセンシング領域を液体に浸漬した時点で、QCMセンサ1は発振状態であったけれども、必ずしも発振状態である必要はなく、QCMセンサ1のセンシング領域を液体に浸漬した時点で発振していない場合には、制御電圧Vcを十分高くしてQCMセンサ1を発振させた後に、上記実施形態と同様に、制御電圧を徐々に低くして適切な制御電圧を決定すればよい。   In the above embodiment, when the sensing area of the QCM sensor 1 is immersed in the liquid, the QCM sensor 1 is in an oscillating state, but is not necessarily in the oscillating state, and the sensing area of the QCM sensor 1 is immersed in the liquid. If it is not oscillating at the time, after the control voltage Vc is sufficiently increased and the QCM sensor 1 is oscillated, the control voltage is gradually decreased and an appropriate control voltage is determined as in the above embodiment. Good.

QCMセンサのパッケージの材料は、セラミックに限らず、ガラス、水晶、シリコンなどであってもよい。   The material of the QCM sensor package is not limited to ceramic, but may be glass, crystal, silicon, or the like.

圧電振動子は、平板状に限らず、一方の面または/および他方の面の中央部に窪みを形成して中央部の周囲の厚みを厚くした逆メサ構造や、一方の面または/および他方の面の外周部の厚みを、中央部の厚みよりも薄くしたメサ構造等の圧電振動子であってもよい。   The piezoelectric vibrator is not limited to a flat plate shape, but an inverted mesa structure in which a recess is formed in the central portion of one surface or / and the other surface to increase the thickness around the central portion, or one surface or / and the other surface A piezoelectric vibrator having a mesa structure or the like in which the thickness of the outer peripheral portion of the surface is thinner than the thickness of the central portion may be used.

水晶振動子のセンシング領域に試料溶液を流入、流出させる流路を形成したフローセル型のQCMセンサに適用してもよい。   The present invention may be applied to a flow cell type QCM sensor in which a flow path for allowing a sample solution to flow into and out of a sensing region of a crystal resonator is formed.

1 QCMセンサ
2 水晶振動子
3 パッケージ
4 ICチップ
8 収容凹部
9 水晶片
10a,10b 励振電極
16 感応膜
28 検出システム
29 周波数カウンタ
30 交流電圧計
31 制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 QCM sensor 2 Crystal oscillator 3 Package 4 IC chip 8 Receiving recessed part 9 Crystal piece 10a, 10b Excitation electrode 16 Sensing film | membrane 28 Detection system 29 Frequency counter 30 AC voltmeter 31 Control apparatus

Claims (10)

検出対象が付着するセンシング領域を有する圧電振動子と、該圧電振動子の前記センシング領域が露出するように前記圧電振動子を収容するパッケージとを備えるセンサであって、
前記圧電振動子を発振させると共に、入力される制御電圧に基づいて前記圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備え、
前記電圧制御型発振回路が、前記パッケージに収容される、
ことを特徴とするセンサ。
A sensor comprising: a piezoelectric vibrator having a sensing region to which a detection target is attached; and a package containing the piezoelectric vibrator so that the sensing region of the piezoelectric vibrator is exposed,
A voltage-controlled oscillation circuit that oscillates the piezoelectric vibrator and controls the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator based on an input control voltage;
The voltage controlled oscillation circuit is housed in the package;
A sensor characterized by that.
当該センサの前記センシング領域は、液体に浸漬されるものであり、
前記制御電圧が、前記液体に応じた一定電圧である、
請求項1に記載のセンサ。
The sensing area of the sensor is immersed in a liquid,
The control voltage is a constant voltage according to the liquid;
The sensor according to claim 1.
前記圧電振動子は、水晶振動片の両主面に励振電極がそれぞれ形成された水晶振動子であり、
前記センシング領域は、前記水晶振動片の前記両主面の少なくとも一方の主面の前記励振電極上に形成される感応膜を含む、
請求項1または2に記載のセンサ。
The piezoelectric vibrator is a crystal vibrator in which excitation electrodes are formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece,
The sensing region includes a sensitive film formed on the excitation electrode on at least one main surface of the two main surfaces of the quartz crystal resonator element,
The sensor according to claim 1 or 2.
前記パッケージは、段部を有する収容凹部を備え、
前記収容凹部に、前記電圧制御型発振回路を構成するICチップが収容されると共に、前記水晶振動片が、その周縁部を前記段部に支持された状態で前記ICチップの上方に収容され、
前記段部によって支持された前記水晶振動片の周縁部と、前記収容凹部の周壁との間が、封止材によって封止される、
請求項3に記載のセンサ。
The package includes an accommodation recess having a stepped portion,
An IC chip that constitutes the voltage-controlled oscillation circuit is accommodated in the accommodating recess, and the quartz crystal resonator element is accommodated above the IC chip in a state where a peripheral portion thereof is supported by the stepped portion,
The gap between the peripheral part of the quartz crystal vibrating piece supported by the step part and the peripheral wall of the housing recess is sealed with a sealing material,
The sensor according to claim 3.
前記パッケージの長手方向の一方寄りに前記センシング領域が設けられ、前記長手方向の他方側の端部に、前記ICチップに接続された外部端子が設けられる、
請求項4に記載のセンサ。
The sensing region is provided near one side of the package in the longitudinal direction, and an external terminal connected to the IC chip is provided at the other end in the longitudinal direction.
The sensor according to claim 4.
検出対象が付着するセンシング領域を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させると共に、入力される制御電圧に基づいて前記圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備えるセンサと、
前記センサに出力する前記制御電圧を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記制御電圧を一定電圧に制御した状態で、前記圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、前記検出対象を検出する、
ことを特徴とする検出システム。
A piezoelectric vibrator having a sensing region to which a detection target is attached; a sensor including a voltage-controlled oscillation circuit that oscillates the piezoelectric vibrator and controls an oscillation frequency of the piezoelectric vibrator based on an input control voltage; ,
A control device for controlling the control voltage output to the sensor,
The control device detects the detection target based on a change in a resonance frequency of the piezoelectric vibrator in a state where the control voltage is controlled to a constant voltage.
A detection system characterized by that.
前記センサの前記センシング領域は、液体に浸漬されるものであり、
前記制御装置は、前記液体に応じた前記一定電圧を前記センサに出力する、
請求項6に記載の検出システム。
The sensing area of the sensor is immersed in a liquid,
The control device outputs the constant voltage corresponding to the liquid to the sensor;
The detection system according to claim 6.
前記制御装置は、前記液体に応じた前記一定電圧を決定するために、前記センシング領域が前記液体に浸漬された状態で、前記制御電圧を、前記圧電振動子が発振するのに十分高い電圧から下げていったときの前記圧電振動子の発振出力を計測する、
請求項7に記載の検出システム。
The control device determines the control voltage from a voltage high enough for the piezoelectric vibrator to oscillate in a state where the sensing region is immersed in the liquid in order to determine the constant voltage according to the liquid. Measure the oscillation output of the piezoelectric vibrator when lowered,
The detection system according to claim 7.
前記圧電振動子は、水晶振動片の両主面に励振電極がそれぞれ形成された水晶振動子であり、
前記センシング領域は、前記水晶振動片の前記両主面の少なくとも一方の主面の前記励振電極上に形成される感応膜を含む、
請求項6ないし8のいずれかに記載の検出システム。
The piezoelectric vibrator is a crystal vibrator in which excitation electrodes are formed on both main surfaces of the crystal vibrating piece,
The sensing region includes a sensitive film formed on the excitation electrode on at least one main surface of the two main surfaces of the quartz crystal resonator element,
The detection system according to claim 6.
検出対象が付着するセンシング領域を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させると共に、入力される制御電圧に基づいて前記圧電振動子の発振周波数を制御する電圧制御型発振回路を備えるセンサを用いて前記検出対象を検出する方法であって、
前記圧電振動子が発振するのに十分高い前記制御電圧を前記センサに入力して、前記センシング領域が液体に浸漬された状態で発振させる第1の工程と、
前記センシング領域が前記液体に浸漬された状態で、前記制御電圧を、前記十分高い制御電圧から下げていったときの前記圧電振動子の発振出力を計測する第2の工程と、
前記第2の工程で計測した前記発振出力と前記制御電圧とに基づいて、前記液体に応じた一定電圧を制御電圧として決定する第3の工程と、
前記第3の工程で決定された前記一定電圧を、前記センサに制御電圧として入力し、前記圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、前記検出対象を検出する第4の工程と、
を含むことを特徴とする検出方法。
A sensor including a piezoelectric vibrator having a sensing region to which a detection target is attached, and a voltage-controlled oscillation circuit that oscillates the piezoelectric vibrator and controls the oscillation frequency of the piezoelectric vibrator based on an input control voltage. A method for detecting the detection object using:
A first step of inputting the control voltage high enough for the piezoelectric vibrator to oscillate to the sensor to oscillate the sensing region immersed in a liquid;
A second step of measuring an oscillation output of the piezoelectric vibrator when the control voltage is lowered from the sufficiently high control voltage in a state where the sensing region is immersed in the liquid;
A third step of determining a constant voltage corresponding to the liquid as a control voltage based on the oscillation output measured in the second step and the control voltage;
A fourth step of inputting the constant voltage determined in the third step as a control voltage to the sensor and detecting the detection object based on a change in a resonance frequency of the piezoelectric vibrator;
A detection method comprising:
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