(57)【要約】【課題】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。【解決手段】検出対象が付着するセンシング領域を有する水晶振動子２と、水晶振動子２のセンシング領域が露出するように収容するパッケージ３と、水晶振動子２を発振させると共に、制御電圧入力端子２６に入力される制御電圧に基づいて、水晶振動子２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とを備え、該ＩＣチップ４が、パッケージ３に収容される。【選択図】図１
2016186442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項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、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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／ｃｍ２オーダーの物質の質量変化を検出することができる。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７１４４９号公報
【特許文献２】特開平１１−１６３６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【発明の効果】
【００２９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】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。
【図２】図２は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う拡大部分断面図である。
【図３】図３は電圧制御型発振回路の構成図である。
【図４】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。
【図５】図５は制御電圧と負荷容量との関係を示す図である。
【図６】図６は制御電圧と周波数変化の関係を示す図である。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
「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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
［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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【符号の説明】
【０１１１】
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
【図１】
2016186442.tif 000003
【図２】
2016186442.tif 000004
【図３】
2016186442.tif 000005
【図４】
2016186442.tif 000006
【図５】
2016186442.tif 000007
【図６】
2016186442.tif 000008
【図７】
2016186442.tif 000009
【図８】
2016186442.tif 000010