一种检测传感器（１０），其使用多个悬臂型振子，并且避免振子之间的干扰，高精度且高效地进行检测，该检测传感器（１０）具有长度相互不同的振子（３０Ａ、３０Ｂ、…）。这些振子（３０Ａ、３０Ｂ、…）在将任意振子的长度设为Ｌ、谐振频率设为ｆ０时，长度Ｌ的振子与其他振子的长度差ΔＬ被设定为２（ΔＬ／Ｌ）＞１／Ｑ。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及适用于检测有无具有质量的物质、检测物质的质量等的检测传感器、 检测传感器的振子。
技术介绍
以往，存在用于对有爆炸危险性或有害性的气体等的存在或其定量浓度进行检测的传感器。在该传感器中，通过吸附气体中包含的特定种类的分子并检测该吸附的有无或吸附量，来检测气体等是否存在或其浓度。这种传感器设置在对气体等进行处理的设施、设备、装置等中，用于气体泄漏或气体量的控制。并且，近年来正在广泛地进行燃料电池的开发。由于燃料电池使用氢，因此在氢站、使用燃料电池的车辆、装置、设备等中，最好对是否存在氢泄漏进行监视。在这样的用途中也可应用上述传感器。除了上述用途以外，还考虑了通过吸附特定种类的分子来检测其吸附有无或吸附量的传感器对在空气中漂浮的有机分子和气味分子进行检测，由此例如应用于食物新鲜度和成分分析、用于提供/维持舒适空间的环境控制、以及人体等生物体的状态检测等。根据微小的分子质量对在空气中漂浮的有机分子和气味分子等进行检测的传感器元件在包含这些分子的气体中使振子振动，并将分子附着或吸附在振子表面时的振子的质量变化检测为振子的谐振频率变化。作为根据振子的谐振频率变化求取附着质量的最基本的方法，可以列举 QCM(Quartz Crystal Microbalance 石英晶体微天平)法。在QCM中，将具有压电性的石英的单结晶切割为板状来作为振子，并对该振子施加电压，由此产生被称作“厚度滑动振动” 的剪切振动。公知有如下情况其谐振频率f在表面上附着质量Am的物体时，从原来的谐振频率fo下降Δ f，下降量为Δ f/f0 = - Δ m/m0 (1)。mQ是振子的质量。另一方面，通过摄影技术(光刻)对硅薄膜等进行精密加工的被称作MEMS (Micro Electrical Mechanical Systems 微电子机械系统)的技术发达。能够利用MEMS技术，在 ym(微米)单位的区域中制作与至今为止在mm(毫米)单位的区域中制造的QCM同样的振子。通过减小振子的尺寸，式(1)中的振子质量大幅减少，相对于附着质量的检测灵敏度提高。此外，作为进行质量检测的振子，还主要使用利用悬臂梁的横向振动的悬臂型振子、利用板状振子的面内振动的圆盘型振子(例如，参照专利文献1)。 在任意一种情况下，振子的谐振频率变化都为Δ f/f0 = - Am/(2m0)(2)，系数与式(1)不同，但对振子质量的依存性不变。悬臂型振子的谐振频率&为f0 = λη2/((4 V 3) ji) Xt/L2X V (E/P ) (3)。此处，t和L是悬臂型振子的厚度和长度，E和P是构成悬臂型振子的物质的杨氏模量和密度。在利用硅单结晶沿硅单结晶的结晶方位<110>方向平行制作悬臂型振子的情况下，E = 170GPa且P = 2. 33X 103kg/m3。此外，λ n是通过振动次数n确定的常数，X1 =1.875、A 2 = 4.964、A 3 = 7. 855…。越是高次模态，频率越高。悬臂型振子的频率响应特性具有由振动的Q值确定的宽度，半值宽度4 = &/0。悬臂型振子的Q值在以气味传感器那样的目的在大气压的空气中动作的情况下，基本通过空气的粘性来确定。该值较大地依存于悬臂型振子的尺寸，在厚度5 μ m、长度100 1000 μ m 的情况下为100 2000左右的值。以往技术文献专利文献1 日本特开2007-240252号公报专利技术概要专利技术要解决的课题但是，使用悬臂型振子的质量传感器仅对分子在振子上的附着质量进行检测，其自身不具有对附着物质进行分析/识别的功能。识别附着物质的功能使用涂覆在表面上的检测膜的附着选择性。因此，为了进行更具体的附着分子的分析/识别，将多个种类的检测膜分别涂覆于多个悬臂型振子上，并利用各个检测膜的附着选择性的不同。该方法在 QCM中被广泛利用，能够根据多个检测膜的响应不同使用多变量分析等来进行附着物质的估计。在QCM中，进行使用了 4 8个左右的多个传感器的研究。悬臂型振子能够利用半导体制造工艺来同时制成细微结构。因此，能够将多个悬臂型振子简单地收纳在几mm见方的1个芯片内来实现传感器的小型化。能够通过对多个悬臂型振子分别涂覆多个种类的检测膜，实现附着物质的分析/识别功能。在QCM中具有如下问题需要排列传感器个数的单元，增多排列数时尺寸变大。另一方面，悬臂型振子具有如下优点即使排列数较多也能够以极小的尺寸构成系统。但是，此时成为问题的是多个悬臂型振子之间的干扰。干扰存在两个主要原因。一个是机械的振动干扰。悬臂型振子在1个芯片内被固定于同一基板，因此无论怎样处于附近的另一悬臂型振子的振动都会稍微传递过来。当具有同一谐振频率的多个悬臂型振子之间稍微存在相互作用时，会引起共鸣，从而谐振波峰的形状变化，机械的振动特性改变。例如，如图5(a)所示，在具有谐振频率f^的仅1个悬臂型振子1的情况下，如图 5(b)所示，振动模态是具有一个波峰的模态。与此相对，如图6(a)所示，在具有相同的谐振频率fo的2个悬臂型振子1A、1B之间存在机械的相互作用时，2个振子1A、1B已经不独立动作。如图6(b)所示，分裂为2个振子1A、1B以同相运动的振动模态和2个振子1A、1B 以反相运动的振动模态。一般同相模态具有比振子1A、1B的谐振频率&低的频率，反相的模态是比振子1A、1B的谐振频率&高的频率。在这种状况下难以使两个悬臂型振子1A、1B 独立动作。并且，例如仅使1个振子IA动作也会受到另一个振子IB的机械影响而成为复杂的动作模态。其结果，检测各个频率变化的本来目的变得困难。另一个干扰效应是电干扰。悬臂型振子1A、1B为了检测谐振频率变化，一般以电气方式进行反馈，通过自激振荡来使用。但是，当相同频率的振荡电路存在于同一壳体内时，因来自屏蔽的电磁波的泄露和接地的不完全而产生串扰信号，由于该串扰信号而存在两个电路相互影响而进行不稳定的动作的问题。尤其是在1个芯片上对多个悬臂型振子 1A、1B进行集成的状况下，存在芯片内部或封装内部的寄生电容，不能完全防止电干扰。在这种状况下能够单独进行振荡，但是难以同时进行两个以上的振荡，从而检测效率下降。根据以上理由，难以使谐振频率相同的多个悬臂型振子1A、1B稳定动作。本专利技术正是基于这种技术课题而完成的，其目的在于，使用多个悬臂型振子，并且避免振子之间的干扰，高精度且高效地进行检测。用于解决课题的手段基于上述目的，本专利技术的检测传感器的特征在于，该检测传感器具有多个振子， 它们为一端被固定的梁状，并且振动特性根据具有质量的物质的附着或吸附而发生变化； 驱动部，其使振子振动；以及检测部，其通过检测振子的振动变化来检测物质，多个振子的长度相互不同，在将任意的振子设为长度L时，长度L的振子与其他振子的长度差△ L被设定为2 ( Δ L/L) > 1/Q (其中，Q 为振子的 Q 值)。即使在具有多个振子的情况下，只要任意振子与其他振子的长度之差AL满足上述条件，就能够避免在振子之间传递振动而造成的不良影响。另外，驱动部具有压电层，其设置于基板的一面侧，该基板设置有多个振子；电极层，其对压电层施加驱动电压；以及振荡控制部，其对电极层依次施加电信号作为驱本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种检测传感器，其特征在于，该检测传感器具有：多个振子，它们为一端被固定的梁状，并且振动特性根据具有质量的物质的附着或吸附而发生变化；驱动部，其使所述振子振动；以及检测部，其通过检测所述振子的振动变化来检测所述物质，多个所述振子的长度相互不同，在将任意的所述振子设为长度Ｌ时，长度Ｌ的所述振子与其他所述振子的长度差ΔＬ被设定为２（ΔＬ／Ｌ）＞１／Ｑ （其中，Ｑ为所述振子的Ｑ值），所述驱动部以与多个所述振子各自的谐振频率对应的频率使所述振子振动。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：池原毅，
申请(专利权)人：独立行政法人产业技术综合研究所，
类型：发明
国别省市：JP
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