(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中の検体の濃度を測定する方法であって、
前記流体中の検体の濃度に基づいた共振周波数を有し、前記検体に晒される前に初期共振周波数を有する水晶微量天秤センサ装置を、前記検体を含む流体中に配し、
前記センサ装置よりも厚い層の電極を有し、前記センサ装置の初期共振周波数と所定の差分を有する共振周波数を有する水晶微量天秤基準装置を設け、
前記センサ装置及び前記基準装置の共振周波数間の差を表わす差分信号周波数を与えるために、該センサ装置及び前記基準装置の共振周波数を加算し、
第２のカウンタにおいて差分信号を受け取り、サンプリング期間を特定するために、前記差分信号周波数の所定のサイクル数をカウントし、
第１のカウンタを設け、前記差分信号周波数を表わすカウントを導き出すために、前記サンプリング期間中のクロック信号周波数のサイクルをカウントし、
一対のＤ型フリップフロップを設け、前記サンプリング期間の終わりに前記カウンタの進行を停止し、
デジタル再構成回路を設け、クロック周波数と前記所定のサイクル数との積を、前記差分信号周波数を表わす前記カウントで除することによって前記サンプリング期間に亘る平均差分周波数を得て、
前記差分信号周波数を表す一連のカウントを反復的に検出する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
差分信号のサイクルとクロック信号のサイクルとのカウントを同時に開始することを更に含み、クロック信号のサイクルのカウントは、前記差分信号の所定のサイクル数がカウントされる間に確立される前記サンプリング期間中に生じることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
水晶微量天秤センサ装置及び水晶微量天秤基準装置を製造することを更に含み、当該装置を製造することが、
実質的に等しい所定の厚さを規定する第１及び第２の離反する面をそれぞれ有する第１及び第２の水晶基板を設け、
前記第１の基板の第１の面上に、該第１の面の少なくとも一部を晒すように構成された第１の電極を形成し、また、前記第２の基板の第１の面上に、該第１の面の少なくとも一部を晒すように構成され、前記第１の電極と実質的に等しい厚さを有する第２の電極を形成し、
少なくとも前記第１の電極の一部及び前記第１の基板の第１の面上に、前記検体と親和性のある選択された材料からなる第１の層を形成し、また、少なくとも前記第２の電極の一部及び前記第２の基板の第１の面上に、前記選択された材料からなる第２の層を形成し、
前記第１の基板の第２の面上に第３の電極を形成し、また、前記第２の基板の第２の面上に第４の電極を形成することを含み、
選択された材料からなる前記第１及び第２の層、並びに前記第３及び第４の電極は、前記対応する第１及び第２の水晶基板が異なる所期共振周波数で共振するように配され、前記初期共振周波数は、設計量だけ互いに異なることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記第１、第２、第３、及び第４の電極は、電極材料を、前記対応する基板の対応する面上に蒸着することによって形成され、
前記第４の電極は、前記第２の水晶基板が前記設計量だけ前記第１の水晶基板の初期共振周波数よりも低い初期共振周波数を有するように、前記第３の電極の厚さよりも大きい厚さで蒸着される
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記選択された材料からなる第１の層を形成することは、少なくとも前記第３の電極の一部及び前記第１の基板の第２の面上に、前記選択された材料からなる第３の層を形成することを含み、
前記選択された材料からなる第２の層を形成することは、少なくとも前記第２の電極の一部及び前記第２の基板の第１の面上に、前記選択された材料からなる第４の層を形成することを含み、
前記選択された材料からなる第４の層は、前記第２の水晶基板が前記設計量だけ前記第１の水晶基板の初期共振周波数よりも低い初期周波数を有するように、前記選択された材料からなる第３の層の厚さよりも大きい厚さを有する
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
流体中の検体の濃度を測定する回路であって、
第１の共振回路に接続され、前記流体中の検体の濃度を表わす共振周波数を与えるために、前記検体の濃度を含む流体に晒される水晶微量天秤センサ装置と、
該センサ装置が前記検体に晒される前の該センサ装置の初期共振周波数と所定の差分を有する共振周波数を与えるために、第２の共振回路に接続された水晶微量天秤基準装置と、
前記センサ装置の共振周波数と前記基準装置の共振周波数との間の差を表わすサンプリング期間を与えるために、前記第１及び第２の共振回路に接続されたタイマと、
クロック信号源と、
該クロック信号源と前記タイマとに接続され、前記サンプリング期間中のクロック信号に基づいてカウンタを進め、前記サンプリング期間の終わりのカウントが、前記センサ装置の共振周波数と前記基準装置の共振周波数との間の差を表わす第１のカウンタと、
デジタル再構成回路と
を備え、
前記タイマは、
前記センサ装置の共振周波数と前記基準装置の共振周波数との間の差を表わす周波数を有する差分信号を与えるために、前記第１及び第２の共振回路に接続された加算回路と、
前記加算回路に接続され、前記差分信号周波数に基づいた割合でカウントを進め、前記サンプリング期間を表わす信号を与えるために、所定のカウントまでそのカウントを進める第２のカウンタと
を備え、
前記デジタル再構成回路は、前記クロック周波数と前記所定のサイクル数との積を前記差分信号周波数のカウント表示によって除することによって前記サンプリング期間に亘る平均差分周波数の表示をなす
ことを特徴とする回路。
【請求項７】
前記第１及び第２のカウンタを、それらのそれぞれのカウントを進めるために、同時にイネーブルするイネーブル手段を更に備え、
前記第１のカウンタは、該第１のカウンタのカウントの進行を停止するために、前記第２のカウンタからの信号に応答する
ことを特徴とする請求項６記載の回路。
【請求項８】
前記イネーブル手段は、
出力、イネーブル入力、及びクロック入力を有し、該イネーブル入力が、前記サンプリング期間を開始するためのイネーブル信号を受け、前記クロック入力が、前記イネーブル信号の受け取りに続いて、まず、差分信号周波数のサイクルの受け取りに伴って、前記第１の双安定装置の出力で出力信号を生成するために、前記加算回路に接続された第１の双安定装置と、
出力、イネーブル入力、及びクロック入力を有し、該クロック入力が、前記クロック信号源に接続され、前記イネーブル入力が、前記クロック信号源から前記出力へクロック信号の伝達を開始するために、前記第１の双安定装置からの出力信号に応答する第１のゲートと
を備え、
前記第２のカウンタは、カウントを進めるために、前記第１の双安定装置からの出力信号に応答するイネーブル入力を有し、
前記第１のカウンタは、前記第１のゲートの出力に接続され、カウントを進めるために、前記第１のゲートからのクロック信号に応答する
ことを特徴とする請求項７記載の回路。
【請求項９】
前記第２のカウンタの出力に接続されたクロック入力と、出力とを有し、その出力で信号を与えるように、前記第２のカウンタの所定のカウントに応答する第２の双安定装置と、
前記第１の双安定装置の出力に接続された第１の入力と、前記第２の双安定装置の出力に接続された第２の入力と、前記第２のカウンタと前記第１のゲートとのイネーブル入力に接続された出力とを有し、前記第１及び第２のカウンタによるカウンタの進行を同時に開始するために、前記第１の双安定装置からの出力信号に応答し、また、前記第２のカウンタ及び前記第１のゲートを同時にディセーブルするために、前記第２の双安定装置からの出力信号に応答する第２のゲートと
を備えることを特徴とする請求項８記載の回路。
【請求項１０】
前記水晶微量天秤センサ装置は、
所定の厚さを規定する第１及び第２の離反する面を有する第１の水晶基板と、
第１の面上の第１の電極と、
第２の面上の第２の電極と、
少なくとも前記第１の電極の一部及び前記第１の面上の前記所定の検体と親和性のある材料からなる第１の層と
を備え、
前記第１及び第２の電極、並びに前記第１の層は、前記第１の水晶基板が第１の所定の初期周波数で共振するように、対応する厚さを有し、前記第１の水晶基板は、前記水晶の第１の層の暴露部分を前記所定の検体に晒すのに伴い、その共振周波数を変え、
前記水晶微量天秤基準装置は、
前記第１の水晶基板の前記所定の厚さと実質的に等しい所定の厚さを規定する第３及び第４の離反する面を有する第２の水晶基板と、
前記第３の面上の第３の電極と、
前記第４の面上の第４の電極と、
少なくとも前記第３の電極の一部及び前記第３の面上の前記所定の検体と親和性のある材料からなる第２の層と
を備え、
前記第３及び第４の電極、並びに前記第２の層は、前記第２の水晶基板が第２の所定の周波数で共振するように、対応する厚さを有し、
前記第２の層及び前記第４の電極のうちの少なくとも１つの厚さは、前記第２の所定の周波数が設計量だけ前記第１の所定の初期周波数と異なるように、対応する第１の層又は第２の電極とは異なる
ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項記載の回路。
【請求項１１】
前記第４の電極の厚さは、前記第２の所定の周波数が前記設計量だけ前記第１の所定の周波数よりも低くなるように、前記第２の電極の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１０記載の回路。
【請求項１２】
前記第４の電極の厚さは、前記第２の電極の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１０記載の回路。
【請求項１３】
前記第２の層の厚さは、前記第１の層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、ジョン・P・ディルガーとナイル・K・ディエルシュナイダーとによる1997年11月12日の出願「高周波測定回路」（08/968,081）に関し、これは本願と同一の譲受人に譲受されており、参照することによってここに取り込む。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
水晶微量天秤（QCM）のような体積音響波（BAW）ケミカルセンサは、流体（気体及び液体）の組成又は検体の濃度を測定するために使用される。これらの音響波装置は、典型的には、濃度が測定される検体と親和性のある物質を少なくとも一側に被覆された圧電性水晶から製作される。該装置は、測定される検体を含む流体の流れに配され、検体が吸収又は被覆面に吸収される。吸収された又は音響波装置により吸収される検体の量は、装置の質量を増大させ、装置の表面での粘弾性的特性を変化させ、これにより、装置の音響波特性を弱める。結果として、音響波装置が共振する周波数が変更される（通常は低くされる）。
【０００３】
音響波装置が電気振動回路に組み込まれる場合には、該装置の共振周波数の変化は、発振器の動作周波数を変化させる。検体の濃度は、経時的な発振器の動作周波数の変化を測定することによって判定することができる。
【０００４】
QCM装置は、様々な動作状態におけるセンサの性能を扱うために独特の検体に特化した被覆を要求する。従って、これらのセンサは、温度（例えば、-10℃〜50℃）及び湿度（例えば、相対湿度0％〜90％）のような特別な環境条件の範囲において動作するように設計されており、対象とする検体の僅かな濃度及び濃度変化を検出する能力を有している。しかしながら、検体の濃度の僅かな変化は、水晶の共振周波数における僅かな変化を生じさせる。典型的な環境においては、測定される検体の濃度は、共振周波数を、公称共振周波数で例えば0.002％程度変化させる。従って、10.000MHzの公称共振周波数を有する水晶にあっては、測定される検体の僅かな濃度は、200Hzだけ共振周波数を変化させる可能性がある。さらに、上記QCM装置は、検体の濃度の僅かな変化から、共振周波数の僅かな変化まで検出する能力を有している。従って、検出回路は、水晶の共振周波数を、しばしば約5Hz以下の分解能まで比較的正確に検出する能力を有している。
【０００５】
しかしながら、上記装置の粘弾性的特性は、該装置が対象とする熱力学的条件によって影響され得る。より詳しくは、温度及び湿度は、水晶の特性を「経時劣化」させ、水晶の粘弾性特性の永続的な変化をもたらす。この粘弾性特性の変化は、上記装置の動特性に影響し、故に、該装置を形成する水晶の共振速度に影響する。水晶の共振特性の変化は、しばしば、不調和応答を生じさせ、これが、発振回路の動作周波数における雑音を生じさせる。
【０００６】
前述のディルガーらの出願は、約0.1Hzの分解能でセンサの共振周波数の変化を測定する装置について記述している。より詳しくは、ディルガーらは、流体中の検体の瞬間的な濃度を表わす共振周波数を生成するために、検体に晒されるQCMセンサについて記述している。第１のカウンタは、粗カウントを供給するために、テスト期間に亘る共振周波数をサンプリングする。粗カウントは、該粗カウントの分解能に基づいた量だけ、センサの共振周波数よりも低い周波数を表わしている。粗カウントは、パルス幅変調信号を生成するために、センサからの共振周波数をデジタル的にミックスされた信号周波数に変換される。パルス幅変調信号の低周波成分は、センサの構成粗周波数と共振周波数との間の差を表わしている。パルス幅変調周波数は、高周波成分を除去するためにフィルタリングされ、その結果としての低周波成分が、差分周波数のカウント表示を導き出すために、高周波クロックが第２カウンタを動作する間のサンプリング期間を確立する。前記結果は、センサの共振周波数の絶対デジタル表示を導き出すために、検体の濃度を表わす、最初からの粗カウントと組み合わされる。濃度の変化は、センサの共振周波数のデジタル表示の変化から特定することができる。
【０００７】
前述のディルガーらの出願に記述された発明は、流体中の検体濃度の正確な測定において効果がある。より詳しくは、検体濃度の僅かな変化は、フィルタリングされたパルス幅変調信号に基づく差分周波数カウントの比較的大きな変化によって検出される、センサの共振周波数の僅かな変化を生じさせる。ディルガーらの装置が高効率である一方、その分解能は、しばしば、設備の要求及び能力、並びに監視する条件を超える。さらには、上記装置は、甚大な演算資源及び演算能力を必要とする。従って、そのような大規模な演算資源及び演算能力を必要としない簡易なシステムが要求されている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、共振するQCMのS/N比を増大するために、時間領域の信号処理を利用している。
【０００９】
本発明の１つの態様においては、流体中の検体の濃度が、該流体中に水晶微量天秤センサ装置を配することによって測定される。水晶微量天秤基準装置は、センサ装置が検体に晒されていないときの、センサ装置の共振周波数を表わす共振周波数を与える。センサ装置及び基準装置の共振周波数は、該センサ装置及び基準装置の共振周波数間の差を表わす差分信号周波数を与えるために加算される。差分信号周波数の所定のサイクル数は、サンプリング期間を特定するためにカウントされる。クロックは、そのサイクルが、差分信号周波数を表わすカウントを導き出すために、サンプリング期間中カウントされるクロック信号周波数を与える。上記センサ装置により検出された検体の濃度の僅かな変化に伴う差分周波数の僅かな変化が、差分周波数に対して検出される。
【００１０】
本発明の別の態様においては、回路が、流体中の検体の濃度を測定するために設けられる。水晶微量天秤センサ装置は、第１の共振回路に接続され、検体の濃度を含む流体に晒される。前記センサ装置は、流体中の検体濃度を表わす共振周波数を与える。水晶微量天秤基準装置は、上記センサ装置が検体に晒される前の、該センサ装置の共振周波数とは異なる共振周波数を与えるために、第２の共振回路に接続される。デジタル差分回路が、上記センサ装置の共振周波数と上記基準装置の共振周波数との間の差を表わし、サンプリング期間を表わす信号を与えるために、第１及び第２の共振回路に接続される。カウンタが、デジタル差分回路に接続され、サンプリング期間中のカウントを進めるために、クロック信号に応答する。カウンタ中に結果として生じたカウントは、上記センサ装置及び基準装置の共振周波数間の差を表わす。
【００１１】
上記回路の好ましい実施の形態においては、上記デジタル差分回路は、センサ装置の共振周波数と基準装置の共振周波数との間の差を表わす周波数を有する信号を与えるために、第１及び第２の共振回路に接続された加算回路を有する。第２のカウンタが、差分周波数のサイクルをカウントする加算回路に接続され、該第２のカウンタは、サンプリング期間を表わす第１のカウンタに信号を与えるために、所定のカウントまでそのカウントを進める。
【００１２】
この実施の形態の好ましい態様においては、イネーブル手段が、第１及び第２のカウンタを、これらの対応するカウントの進行を開始させるために、同時にイネーブルし、第１のカウンタは、そのカウントの進行を停止するために、第２のカウンタからの信号に応答する。論理装置は、イネーブル信号が上記回路に与えられた場合に、両方のカウンタをイネーブルし、第２のカウンタが前記所定のカウントまでカウントした場合に、第１のカウンタをディセーブルする。
【００１３】
いま１つの好ましい実施の形態においては、上記センサ装置及び基準装置のそれぞれが、第１及び第２の電極を有する水晶基板を備え、それぞれの第２の電極は、異なる厚さである。結果として、上記基準装置の共振周波数は、設計量だけ上記センサ装置の初期共振周波数とは異なり、これによって、上記回路の動作を最適化する。
【００１４】
本発明のいま１つの態様においては、同等の水晶微量天秤ケミカル装置を製造するための方法が、それぞれが、所定の厚さを規定する第１及び第２の離反面を有する第１及び第２の水晶基板を提供することを有している。第１検体と、検体と親和性のある材料の層とは、第１の基板の第１の面上に形成されている。第２の電極と、検体と親和性のある材料の層とは、第２の基板の第１の面上に形成されている。第１の電極は、検体と親和性のある材料の少なくとも一部が対応する第１の面に望むように配される。第３の電極は、第１の基板の第２の面上に形成され、第４の電極は、第２の基板の第２の面上に形成されている。第３及び第４の電極は、第１及び第２の水晶基板が設計量だけ異なる初期共振周波数で共振するような、異なる厚さを有している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の今現在好ましい実施の形態に係る流体の検体濃度を測定する回路の閉塞回路図である。水晶微量天秤（QCM）装置10のような第１の体積音響波（BAW）ケミカルセンサは、測定される検体を有する流体に晒され、上記装置10の共振周波数で振動するように設計された発振回路を形成すべく、QCM並列共振回路12へ入力を与える。本発明の好ましい態様にあっては、上記回路12は、QCMセンサ10の共振周波数で振動すべく動作するNANDゲート及びANDゲートの対を有している。本発明の好ましい態様にあっては、上記回路12は、前述のディルガーらの出願に記述されたように製作されている。回路12は、加算回路14の第１の、加算的な入力へ、上記装置10の共振周波数での出力信号を与える。第２のQCM検出装置16は、基準信号周波数を、加算回路14の第２の、減算的な側へ与えるように、並列共振回路18に接続されている。上記センサ16は、それが、センサ10の共振周波数とは僅かに異なる（好ましくは、低い）共振周波数を呈するように構成され、また、測定される検体を含む流体に晒されない以外は、センサ10と同様である。上記回路18は、好ましくは、回路12と同一に構成される。従って、上記センサ16及び回路18は、センサ10及び回路12の公称周波数よりも僅かに低い基準周波数を与える。特定の例にあっては、センサ16及び回路18の基準周波数は、センサ10及び回路12の12MHzという公称周波数よりも約200kHz小さい。それ故に、回路12及び18は、約200kHzという初期差分周波数Δfを呈する。回路18の基準周波数が、当初、回路12のセンサ周波数よりも低い約200kHzであるので、加算回路14の信号周波数出力は、Δfである。差分周波数は、予期される検体の濃度によるセンサ10の共振周波数の如何なる予期される変化よりも大きいが、該差分周波数は、センサ10の共振周波数の僅かな変化が該差分周波数に対して適切に測定されるように十分に低いため、200kHzという差分周波数が選択される。
【００１６】
上述したように、吸収された又はセンサ10の被覆表面により吸収された検体は、テスト下の流体において測定される検体の濃度を表わす量だけ、センサ10の共振周波数を下げる。従って、回路12により加算回路14に与えられた信号の周波数は、流体中の検体の濃度を表わす量だけ、その公称周波数とは異なる（低い）。結果として、差分周波数Δfもまた、検体の濃度を表わす量だけ変化（減少）する。
【００１７】
加算回路14は、回路12及び18からの信号周波数の瞬間的な差Δfを表わす出力を与える。加算回路14の出力は、該加算回路14からの差分周波数の周期をカウントするように構成された8ビットカウンタである256-プレスケーラ20に与えられ、また、該256-プレスケーラ20は、256への移行が検出された場合に、出力信号を与えるように構成されている。より詳しくは、プレスケーラ20は、差分信号周波数の256サイクルをカウントするために、加算回路14からの差分周波数信号の各サイクルの傾き又は稜線を検出する。
【００１８】
クロック回路22は、水晶10又は16の何れかの周波数よりも大幅に高い固定周波数で信号を24-ステージカウンタ24へ与える自走クロック回路である。カウンタ24は、クロック22からのクロック信号の224サイクルまでカウントする24ビットカウンタである。より詳しくは、カウンタ24は、カウンタ24内のカウントに先行してクロック信号の各サイクルの正の傾き又は稜線に応答する。
【００１９】
プレスケーラ20及びカウンタ24は、D型フリップフロップ28を介した同期プレスケーラ20及びカウンタ24への、加算回路14からの信号を伴ったイネーブル26からの信号によって同時にイネーブルされる。より詳しくは、26でのイネーブル信号がHIGHに設定されている場合（つまり、ΔfがHIGHとなる場合）には、フリップフロップ28は、加算回路14からの次のHIGH入力に基づいてHIGH信号出力を与えるので、差分周波数信号Δfは、フリップフロップ28のクロック入力への入力である。フリップフロップ28からのHIGH出力は、排他的論理和（XOR）ゲート30の１つの入力に与えられる。ゲート30のその他の入力がLOWであると仮定すれば、ゲート30は、イネーブル信号を、プレスケーラ20のイネーブル入力に、また、ANDゲート32に与える。従って、プレスケーラ20は、差分周波数信号サイクルのカウントを開始するために、加算回路14からのΔfの次の正の信号周期に応答する。同時に、ゲート32は、クロック22からカウンタ24への反転クロック信号を渡し、これによって、カウンタ24内のカウントを進めるために、ゲート30からのイネーブル信号に応答する。
【００２０】
プレスケーラ20がそのフルカウントに達した場合（例えば、加算回路14からのΔf信号の256サイクルをカウントした場合）には、プレスケーラ20は、ディセーブルカウンタ24に使用する出力を与える。より詳しくは、プレスケーラのフルカウントを意味するプレスケーラ20からのHIGH出力は、そのD-入力が正の供給源VDDに接続されたD型フリップフロップ34のクロック入力に適用される。従って、フリップフロップ34は、XORゲート30の第２の入力にHIGH出力を与え、ゲート30の出力をLOWにし、また、プレスケーラ20からイネーブルを除去してゲート32の入力をLOWにする。ゲート32の入力をLOWにするのに伴い、該ゲート32は、クロック22からのクロック信号の伝達を停止し、これによって、カウンタ24内のカウントの進行を停止する。従って、カウンタ24は、加算装置14からの差分信号周波数の256サイクルを表わす時間、クロック22からのクロック信号サイクルをカウントする。加算回路14からの平均化された差分信号周波数を表わすカウンタ24内のカウントは、プレスケーラ20のカウント中、差分周波数の平均値の表示をなすために、デジタル再構成回路36に与えられる。差分信号周波数の連続的な表示を反復的に検出することによって、テスト下の流体中の検体の濃度を測定することができる。従って、センサ10の共振周波数を変化させた、センサ10に影響する検体の濃度に関する重要な情報が与えられる。
【００２１】
センサ10及び16は、センサ16が所定量だけ（例えば、200kHz）センサ10の共振周波数とは異なる共振周波数を有するように製作される。制御された周波数差を達成するための好ましい方法は、図２及び図３に示されたセンサ40を参照して説明される。一対の水晶基板42は、その一部が装置の等価共振周波数を規定する基板42の厚さを規定するように、離反面44及び46を有している。金電極48及び50は、基板42の離反面44及び46の50オングストロームのクロムシード層上に約3000オングストロームの厚さで蒸着されている。電極48及び50は、対応する共振回路12及び18への対応するセンサの接続のための端子を有している。測定すべき検体と親和性のあるポリマー材料からなる0.1〜8ミクロン層52が、電極48上に蒸着されている。オプションとして、同一のポリマー材料からなる第２の層54が、電極50上に蒸着される。
【００２２】
上記装置の公称共振周波数は、水晶基板、電極48及び50の厚さ、並びに層52及び54の厚さに基づいている。センサ10と基準装置16との間の共振周波数の設計上の差を達成するために、基準装置16の電極50は、センサ10の対応する電極50よりも厚い層を蒸着されるのが好ましい。電極50の蒸着厚さを制御することによって、対応する装置の共振周波数が正確に制御される。電極50の質量は、装置の共振周波数に影響する。従って、等しい温度係数、また、これに代えて等しい物理的寸法を呈するセンサにあっては、電極50に対して大きい厚さ又は質量を有するこれらのセンサは、電極50に対してより小さい厚さ又は質量を有する同様のセンサとは、所定の異なる共振周波数を呈するであろう。電極50に対してより大きい質量又は厚さは、対応する水晶に亘る共振波の伝播を減衰させ、これによって、設計量だけ共振周波数を低下させる。これ故に、センサ10と基準装置16との間の差分周波数に亘る正確な制御を達成することができる。
【００２３】
便宜上、センサ10及び基準装置16は、同一の基板から一体に製造することが可能であり、これによって、装置の一致又は補完対の製造一貫性を保証する。上記装置は、電極50の蒸着まで製造を通じて一緒に処理され、ここで、センサ装置の電極よりも大きい厚さが、基準装置の電極に適用される。あまり望ましくないアプローチとしては、基準装置16の一方又は両方の被覆52及び／又は54に、センサ10の同一の被覆よりも大きい厚さで蒸着する。何れの場合においても、基準装置及びセンサ装置は、特定の設計上の差分周波数を呈する。また、何れかの場合において、上記装置の共振周波数は、最終の周波数を定めるために、周波数カウンタによって製造中に監視されてもよい。
【００２４】
図面に示された回路の動作は、センサ10及び共振回路12が（検体が不在の場合に）12.000MHzの初期信号周波数を与えるように設計され、基準水晶16及び共振回路18が11.800MHzの基準周波数を与えるように設計され、また、クロック22が50MHzの信号を与えるように設計されている例によって最も良く説明される。従って、加算回路14は、当初、回路12及び18からの信号の周波数差を表わす出力信号（つまり、200kHz）をプレスケーラ20に与える。
【００２５】
イネーブル信号26は、プレスケーラ20及びカウンタ24の進行を同時に開始するように、フリップフロップ28に与えられる。より詳しくは、イネーブル信号の適用に続く加算回路14からの次の正の信号に基づいて、フリップフロップ28は、プレスケーラ20にイネーブル信号を与えるためにゲート30を動作し、プレスケーラ20は、加算回路14からの差分周波数氏信号Δfサイクルのカウントを開始する。同時に、ゲート30は、ゲート32にイネーブル信号を与え、ゲート32は、クロック信号のサイクルのカウントを開始するように、カウンタ24にクロック22からのクロック信号を伝える。この例においては、プレスケーラ20は、それぞれ5×10-6秒を１カウントとして進める一方、カウンタ24は、それぞれ0.02×10-6秒をそのカウントとして進める。プレスケーラ20のカウントが256に達した場合、プレスケーラ20は、カウンタ24によるカウントの進行を停止するように、フリップフロップ34を介してゲート30にディセーブル信号を与える。より詳しくは、XORゲート30の両方の入力が現在HIGHの場合には、ゲート30の出力はLOWにされ、プレスケーラ20及びゲート32の両方からイネーブル入力が除去される。従って、この例においては、プレスケーラ20は、1.28×10-3秒の間、カウンタ24を動作させる。この時間（1.28×10-3秒）、カウンタ24のカウントは、50MHzのクロック入力により、64×103カウントだけ進める。従って、カウンタ24の停止に伴い、カウンタ24は、64×103までカウントを進める。
【００２６】
サンプリング期間（1.28×10-3秒）の間、平均差分周波数は、カウンタ24のカウントから決定される。従って、プレスケーラ20の合計カウント（256）は、クロック22の周波数（50MHz）を乗じられ、その積は、カウンタ24のカウント（例えば、64×103）で除され、200KHzの平均差分周波数を得る。
【００２７】
各反復の後で、イネーブル信号26は、フリップフロップ28のQ-出力をLOWにするために、フリップフロップ28のD-入力から除去され、リセット信号が、ゼロに内部カウントをリセットするために、プレスケーラ20及びカウンタ24に与えられる。リセット信号は、そのQ-出力をLOWにセットするために、フリップフロップ34にも与えられ、これによって、次の反復のために回路をリセットする。
【００２８】
次の反復で、センサ10が晒される流体中の検体が、センサ10の共振周波数を50Hz毎に11.79995MHzまで変更する場合には、プレスケーラ20により確立されたサンプリング期間は、僅かに長く、カウンタ24によるカウンタを僅かに増大させる。この場合には、プレスケーラ20の合計カウント（256）は、クロック22の周波数（50MHz）で再び乗じられ、その積は、前よりも僅かに大きいカウンタ24のカウントで除され、199.95KHzという僅かに小さい平均差分周波数を得る。
【００２９】
上記回路の分解能は、加算回路14からの差分周波数と、クロック22の周波数とに基づいている。より詳しくは、分解能は、プレスケーラ20により確立された期間の間、クロック22からのサイクルをカウントしたカウンタ24のカウント数で除される。この例においては、200KHzの公称差分周波数と、50MHzのクロック周波数とに伴う、上記回路の分解能は、3.125Hzである。これは、カウンタ24の各カウンタが3.125Hzの差分周波数を表わし、測定される検体の濃度が±1.5625Hzの精度で測定することができるということを意味する。
【００３０】
上記回路の分解能が、差分周波数Δfと、クロック22のクロック信号との変化に影響を受けることは明らかである。分解能は、差分周波数Δfの減少に伴って増大し（カウンタ24のカウント毎のより小さい差分周波数）、クロック22の信号周波数の減少に伴って低下する（カウント毎のより大きい差分周波数）。このことから、クロック22の周波数を実用上可及的に高く維持することが望ましい（クロック22の周波数の増加は、より大きいカウンタ24を必要とすると認識される）。さらに、上記システムの感度を最適に設計した初期差分周波数Δfを確立することによって、また、検体の濃度の増加に応じてΔfが小さくなるのに伴って、上記システムの分解能が最適化される。
【００３１】
クロック22のクロック周波数が任意の便宜上の周波数であってもよい一方で、カウンタ24のサイズは、任意の便宜上のサイズであってもよく、カウンタ24のサイズがクロック周波数の最大カウントを超えることが、プレスケーラ20のサイズと、加算回路14からの最小差分周波数とによって確立されたサンプリング期間中に、予期されることは重要である。24-ステージカウンタと50MHzクロック周波数とは、カウンタ24のカウントが該カウンタの最大値を通常は超えないようになっている。例えば、200kHzの差分信号によって確立されたサンプリング期間中、64×103カウントが24ステージカウンタの約16ステージだけ進める。
【００３２】
本発明の装置は、256差分周波数サイクルのタイムスパンに亘る差分周波数信号を平均化することによる上記センサでの熱力学的条件の変化に依存した固有雑音を低減する。従って、サンプリング周期中に生じる僅かな瞬間的な変化は、上記期間に亘って平均化され、結果として、雑音の影響を最小化する。回路時間は、差分周波数信号を平均化し、これによって、上記センサからの雑音を低減する。上記回路の単純さによって、該回路は、半注文製のICチップで容易に実現することができる。効率的なデータ取得及び信号処理は、差分信号のより小さい周波数変化よりもむしろ比較的大きい周波数差分信号を処理する加算回路によって実現される。その濃度が測定されている検体にではなく、同一又は同様の環境条件（温度及び湿度）に基準QCM 16を晒すことによって、基準クロック信号周波数は、温度及び湿度変動に伴って変化し、これによって、外部環境条件に対して上記回路を固有に調整する。
【００３３】
本発明は、好ましい実施の形態を参照して記述されたが、当業者にとっては本発明の精神及び意図を逸脱しない限りその形態への変更がなされ得ることが認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の今現在好ましい実施の形態に係る雑音低減を利用した測定システムのブロック図である。
【図２】  図１のシステムで使用するセンサの平面図である。
【図３】  図２の線3-3でのセンサの断面図である。
【符号の説明】
10  QCM検出装置（センサ，水晶）
12  QCM共振回路
14  加算回路（加算装置）
16  基準QCM検出装置（基準センサ，基準水晶）
18  共振回路
20  256-プレスケーラ（同期プレスケーラ）
22  クロック回路（クロック）
24  24-ステージカウンタ
24  ディセーブルカウンタ
26  イネーブル信号
28，34  D型フリップフロップ
30  XORゲート
32  ANDゲート
36  デジタル再構成回路
40  センサ
42  水晶基板
44，46  離反面
48，50  金電極
52，54  被覆（層）
【図１】
0004476496.tif 000002
【図２】
0004476496.tif 000003
【図３】
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