感測裝置的製作方法
2023-09-23 20:19:50 1
專利名稱：感測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用包括固有振動頻率因吸附試樣而改變的壓電振子的感測傳感器，根據上述壓電振子的固有頻率的變化感測試樣的吸附的感測裝置。
背景技術：
作為感測微量的物質的方法，已知使用了石英振子的感測裝置。該感測裝置在石英振子的表面形成用於吸附感測對象物的吸附層，構成石英傳感器，當感測對象物附著在石英振子上、詳細地說是附著在吸附層上時，其固有振動頻率根據其附著量而變化，利用該特徵測定感測對象物的有無或其濃度，其應用範圍廣泛，作為裝置也為簡單的結構，而且因為靈敏度高所以具有也能夠測定極微量的物質的優點。例如，在專利文獻1中記載有，在對血液、尿等中所包含的傳染病標誌物進行分析時，如果使用石英傳感器，則是能夠代替需要昂貴且大型的自動分析裝置的免疫乳膠凝集的有效方法。
於是，本發明者，作為石英傳感器的應用對象，研究了例如作為環境汙染物質的二惡英、PCB或血液中的傳染病標誌物等，如果通過該方法能夠高精度地測定對象物質則是劃時代的成果。這是因為，在現狀下，例如作為測定二惡英的方法，已知使用氣相色譜質量分析儀的方法和ELISA法(適用酶聯免疫吸附測定法)，但氣相色譜質量分析計的裝置價格極高，因此分析成本也相當高，而且分析需要較長的期間，ELISA法與氣相色譜質量分析計相比，裝置價格、分析價格較低，分析所需的時間也較短，但存在分析精度較低的問題。
使用了石英振子的感測裝置，形成使感測對象物質吸附在石英振子上的、例如由產生抗體抗原反應的抗體構成的吸附層，在該石英振子上連接振蕩電路，並且設置測量振蕩電路的振蕩頻率的頻率計測部而構成主要部分。
但是，在石英振子的CI值(晶體阻抗值)接近振蕩電路的負電阻值的情況下，振蕩輸出的信號電平(振幅)不穩定。此外，存在由於某種故障導致振蕩輸出的信號電平相比於設計值低相當多的情況。此外，在與石英傳感器接觸的試樣液的粘度高於使用範圍的情況下，上述信號電平也可能比設計值低。如果發生上述情況，則試樣液等中的感測物質的濃度與頻率的變化量的對應關係難以成立，不能高精度地測定感測對象物質的濃度。
但是，當顯示出測定結果時，操作者認為該測定結果是正確的，有引起麻煩的危險。例如，河川中含有的毒性物質超過允許濃度，但被判定為「在允許濃度以下」，或者血液中不存在癌標記物，但被判定為「存在」等，在這種情況下其誤認是很嚴重的。由於石英傳感器能夠以極高的精度測定感測對象物質，當信號處理不能正確進行時，會給之後的處理帶來很大的影響，因此，在發生不能進行正確的信號處理的情況時，使操作者能夠認識到該情況是很重要的。
專利文獻1日本特開2001—83154號公報段落0002、0004
發明內容
本發明鑑於上述情況提出，提供一種感測裝置，其使用固有振動頻率由於試樣的吸附而改變的石英振子等壓電振子，在處於不能進行正確的信號處理的狀態時，能夠避免操作者相信測定結果的狀況。
本發明提供一種感測裝置，其使用包括固有振動頻率因吸附試樣而改變的壓電振子的感測傳感器，根據所述壓電振子的固有振動頻率的變化感測試樣的吸附，該感測裝置的特徵在於，包括 用於使所述壓電振子振蕩的振蕩電路； 用於測定關於該振蕩電路的振蕩輸出的頻率的信號的測定部； 檢測所述振蕩電路的振蕩輸出的信號電平的電平檢測電路； 在由該電平檢測電路檢測出的信號電平為閾值以上時判定為正常、在比閾值低時判定為異常的電平判定單元；和 用於在由該電平判定單元判斷為異常時通知所述信號電平異常的情況的單元。
上述壓電振子可以使用如下壓電振子，其包括例如設置在壓電片的表面的電極；和形成在該電極的表面、用於吸附感測對象物的吸附層，上述壓電振子的固有振動頻率因感測對象物的吸附而改變。
電平判定單元對上述信號電平進行判定的時刻，例如是在接通感測裝置的電源後經過了預先設定的穩定時間之後。
按照本發明，在使用了固有振動頻率因試樣的吸附而改變的壓電振子例如石英振子的感測裝置中，檢測振蕩電路的振蕩輸出的信號電平(振幅)，在比閾值低時通知為異常的情況，因此，能夠較早地檢測出石英傳感器等的故障，能夠防止在石英傳感器等發生故障的狀態下認為測定結果是正確的。
圖1是表示本發明的感測裝置的實施方式的外觀的立體圖。
圖2是表示上述實施方式中使用的石英傳感器的立體圖。
圖3是表示上述實施方式的整體的電路結構的方框電路圖。
圖4是表示電平檢測電路和控制部的框圖。
圖5是表示上述實施方式的動作的一部分的流程圖。
圖6是表示上述本發明的其它實施方式的整體電路結構的方框電路圖。
圖7是表示測定部的一個例子的框圖。
圖8是表示圖7所示的電路框圖的一部分的結構圖。
圖9是表示從圖7所示的框圖提取的旋轉矢量的說明圖。
具體實施例方式 以下說明本發明的感測裝置的實施方式。如圖1和圖3所示，該感測裝置包括振蕩電路單元10和裝置主體20，振蕩電路單元10通過線纜例如同軸電纜30能夠自由裝卸地連接在裝置主體20上。
振蕩電路單元10在殼體11內包括振蕩電路12、用於使該振蕩電路12的共振頻率(後述的石英振子的主振動頻率)的信號通過的帶通濾波器(band pass filter)13和高通濾波器14。
此外，在振蕩電路單元10上能自由裝卸地連接有作為感測傳感器的石英傳感器1。石英傳感器1是公知的，因此圖2中僅表示其一個例子的外觀，其結構為在一端側成為連接端子的、作為布線基板的印刷電路板101之上重疊橡膠片102，以塞住設置在該橡膠片22上的凹部的方式設置作為壓電振子的石英振子，進而從橡膠片102之上安裝上蓋箱103。在上蓋箱103上，形成有試樣溶液的注入口104和試樣溶液的觀察口105，從注入口104注入試樣溶液，試樣溶液充滿石英振子的上表面側的空間。石英振子的下表面側利用上述凹部形成氣密空間，由此構成朗之萬(Langevin)型的石英傳感器。
該石英振子在石英片的兩面形成有激勵電極，進而，在該激勵電極的表面形成有用於吸附感測對象物的吸附層。作為該吸附層，例如在感測對象物為蛋白質等的抗原的情況下，使用用於通過抗原抗體反應捕捉該抗原的抗體。
裝置主體20在殼體21內收納有電路，該殼體21在其正面設置有例如通過點亮LED來顯示測定結果例如頻率或頻率的變化量等的顯示部201等。該電路沿著來自振蕩電路12的頻率信號的信號線設置有高通濾波器22、和用於區分頻率的多個例如3個帶通濾波器(band passfilter)23a～23c並聯連接而成的頻率區分電路23，在各個帶通濾波器23a～23c的輸出側上，分別連接有放大器24和低通濾波器25的串聯電路。此外，將由頻率區分電路23分支為3個的信號線稱作通道，設置有將各通道的下遊端(低通濾波器25的輸出端)切換並連接在作為測定部的頻率計測部4上的開關部5。
上述帶通濾波器23a～23c用於使與所使用的振蕩電路單元10的振蕩頻率分別對應的頻率的信號有選擇地通過，例如，當作為振蕩電路單元10選擇使用9MHz、30MHz、和60MHz這三個振蕩電路時，準備與這些頻率對應的帶通濾波器。
此處，對裝置主體20和振蕩電路單元10的電源進行敘述。供給至振蕩電路單元10內的電路的直流電壓+Vcc經由低通濾波器26與高通濾波器22的輸入側的信號線連接。另一方面，在振蕩電路單元10中，從高通濾波器14的輸出側的信號線分支，形成插入有低通濾波器15的電源線16。17、27是變阻器。如果採用這樣的結構，裝置主體20側的直流電壓疊加在信號線上，經由同軸電纜30的芯線被送至振蕩電路單元10內，由於高通濾波器14而不會被送至振蕩電路12側，通過低通濾波器15而得到直流電壓+Vcc。從而，在振蕩電路單元10中，能夠將該直流電壓+Vcc供給至振蕩電路12等，不用搭載直流電源即可以實現功能，結構簡單。另外，同軸電纜30的外側導體在振蕩電路單元10和裝置主體20接地。
此外，在裝置主體20中，設置有用於按已述的各通道檢測放大器24的輸出側的信號電平(振幅)的電平檢測部6。如圖4所示，該電平檢測部6包括用於進行對放大器24的直流切斷的電容器61、檢波器62和模擬/數字(A/D)轉換器63，在此處檢測出的信號電平被輸入至由計算機構成的控制部7。
控制部7包括CPU71、工作存儲器72和用於進行頻率的測定所需的一系列處理的程序73。其中，程序73實際上存儲在ROM中，但簡化了其記載。上述程序被編有下述步驟使三個通道與頻率計測部4依次連接，將所連接的通道的電平檢測值與閾值進行比較，如果電平檢測值為閾值以上則控制開關部5使得該通道與頻率計測部4連接，並且輸出控制信號，使得能夠根據與該通道對應的頻率進行計測。進一步，程序73還包括如後所述根據電平檢測值判斷裝置動作的故障例如石英傳感器1的振蕩動作的故障，並進行異常狀態的顯示的步驟。
在檢測各通道的信號電平時，優選預先使該通道與頻率計測部4連接。其理由是，當以使該通道的輸出端打開的狀態檢測信號電平時，進行該檢測時的終端阻抗的值與由頻率計測部4計測頻率時的終端阻抗的值不同，因此，信號電平的檢測的正確性下降。
上述頻率計測部4，在該例中如後所述，根據與來自振蕩電路單元10的頻率信號的頻率和基準頻率信號的頻率的差相當的頻率信號，通過數字處理求取頻率的變化量，基準頻率信號必須根據被使用的振蕩電路單元10的振蕩頻率分開使用。因此，上述程序通過掌握電平檢測值為閾值以上的通道，能夠得知頻率信號是與帶通濾波器23a～23c中的哪一個的頻帶相當的頻率，即，可知與裝置主體20連接的振蕩電路單元10的振蕩頻率。因此，輸出用於選擇與該頻率相應的基準頻率的控制信號，例如輸出使三個基準頻率輸出部中的哪一個有效的控制信號。
接著，說明上述實施方式的作用。首先，通過在裝置主體20側接通電源，向裝置主體20的內部電路供給直流電壓，並且該直流電壓經由同軸電纜30如上所述被供給至振蕩電路單元10側。此處，例如作為振蕩電路單元10能夠使用9MHz、30MHz和60MHz這三種頻率，這裡使9MHz的振蕩電路單元10與裝置主體20連接，在該振蕩電路單元10中插入有9MHz的石英傳感器1。並且，例如為了求取基準值而將不包含感測對象物的溶液注入石英傳感器1內，使石英振子24振蕩。該溶液可以是純水，或者也可以是其它的溶液。
此時程序73如圖5所示執行步驟。現在，為了說明的方便，使設置有9MHz的帶通濾波器23a的通道為通道1，設置有30MHz的帶通濾波器23b的通道為通道2，設置有60MHz的帶通濾波器23c的通道為通道3。首先，由開關部3選擇通道1與頻率計測部4連接(步驟S1)，在電源接通後，經過了直至振蕩電路12的動作穩定、頻率信號穩定的時間例如1秒鐘之後(步驟S2)，檢測該通道1的信號電平，判定是否在閾值以上(步驟S3和S4)。如果信號電平在閾值以上，則使顯示部201的LED點亮(步驟S5)。即，在該情況下，由於通道1的帶通濾波器23a的通過頻帶是9MHz，可知振蕩電路單元10的振蕩頻率為9MHz，作為用於在頻率計測部4進行9MHz的測定的基準頻率的10MHz的基準頻率被選擇，進行頻率的計測。關於該計測的例子，為了避免說明的複雜化，在此處不詳細敘述。
當這樣進行頻率的計測時，其計測結果，在該例中是來自振蕩電路單元10的頻率信號的頻率與基準頻率的頻率差被顯示在顯示部201中，通過點亮LED使操作者能夠進行確認。在圖5的流程中沒有記載與測定相關的內容，在點亮顯示LED後，再次進行通道1的信號電平的檢測、判定(步驟S6、S7)，如果電平在閾值以上則重複步驟S5～S7。另外，當測定結束，石英傳感器1被取下時，從步驟S7跳出使顯示部201熄滅(步驟S8)，回到步驟S1。
另一方面，在通道1的信號電平比閾值低的情況下，由開關部3從通道1切換至通道2，進行同樣的步驟。即，如果在步驟20判定為通道2的信號電平為閾值以上，則可知振蕩電路單元10的振蕩頻率為30MHz，作為用於在頻率計測部4進行30MHz的測定的基準頻率的31MHz的基準頻率被選擇，進行頻率的計測，同樣地在顯示部201顯示計測結果。
此外，如果在步驟20判定為通道2的信號電平比閾值低，則通過開關部3從通道2切換至通道3，進行同樣的步驟。然後，如果在步驟S30判定為通道2的信號電平比閾值低，在該情況下，9MHz、30MHz、60MHz中的任一個頻率信號的電平都低於閾值，換言之，這是指石英傳感器1發生了故障。於是，在步驟S40在顯示部201進行為異常的情況的顯示，之後返回步驟S1。程序73循環地推進步驟，但作為裝置的動作，保持在顯示部201中進行異常顯示。作為該異常顯示的方法，例如能夠舉出「信號電平低」這樣的顯示。
此外，也可以不進行異常顯示的步驟S40，在該情況下，因為顯示部201保持熄滅的狀態，因此操作者能夠認識到發生了異常情況。此外，作為通知故障的方法，也可以採用使異常燈點亮的方法、使異常蜂鳴器鳴響的方法等。
進而，在圖5所示的流程中進行追加，編入在對於一個通道判斷信號電平在閾值以上之後，對於其它通道確認信號電平比閾值低的步驟，在兩個以上的通道的信號電平為閾值以上時，也可以進行異常顯示。在該情況下，認為石英傳感器1以例如分別分配給兩種振蕩電路單元10的頻率的中間頻率(例如9MHz和30MHz之間的頻率)振蕩，在該情況下也不能進行正確測定。
回到石英傳感器1的振蕩正常的情況的說明，在如上所述將不包含感測對象物的溶液以設定的量注入石英傳感器1內進行頻率的測定之後，將要進行感測對象物的測定的試樣溶液注入上述溶液所注入的石英傳感器1，求取注入試樣溶液之後的石英傳感器1的石英振子的振蕩頻率。如果例如使用9MHz的石英傳感器1，則在重複圖5的步驟S5～S7的過程中進行頻率的計測，在顯示部201中顯示頻率。然後，求取由於注入了試樣溶液而引起的頻率的變化量，例如通過使用分析曲線，得知石英傳感器1內的感測對象物的濃度，結果可知試樣溶液中的感測對象物的濃度。
根據上述實施方式，在使用了石英傳感器1的感測裝置中，檢測振蕩電路12的振蕩輸出的信號電平(振幅)，該電平檢測主要目的在於查明來自振蕩電路單元10的頻率信號的頻率，但也能夠檢測裝置的異常。即，判定各通道是否均低於閾值，在全部通道均低於閾值時，從振蕩電路單元10發送的頻率信號的信號電平低於閾值。於是，在該情況下，通知為異常的情況，因此，能夠較早地檢測出石英傳感器等的故障，能夠防止在石英傳感器等發生故障的狀態下認為測定結果正確的情況，能夠避免基於錯誤的測定結果的之後的麻煩。
進一步，採用上述實施方式還具有下述優點。當採用振蕩電路單元10和裝置主體20分開的結構時，在裝置主體20側設置具有與振蕩電路12的振蕩頻率分別對應的帶通特性的多個在該例中為三個的帶通濾波器23a～23c來區分頻率信號，並檢測被區分出的頻率信號的電平。因此，能夠根據該信號電平的檢測值掌握哪個通道(帶通濾波器23a～23c)的信號電平在閾值以上，結果能夠得知振蕩電路單元10的振蕩頻率。結果，能夠控制開關部使得該通道與測定部連接，並且設定在頻率計測部4使用的與振蕩輸出相應的基準頻率，能夠進行頻率的計測。從而，能夠使振蕩電路單元10和裝置主體20分開，從多種頻率中選擇適於感測對象物的頻率的振蕩電路單元10，另一方面，對於裝置主體20，能夠對各振蕩電路單元10共用。
在本發明中，並不限於如上所述能夠利用三種振蕩電路單元10，也可以構成為能夠從1種、2種或4種以上的振蕩電路單元10中進行選擇並使其與裝置主體20連接的裝置。此外，頻率計測部4也不限於直接計測頻率，也可以檢測頻率信號的相位，作為其結果檢測出頻率。
在僅使用一種振蕩電路單元10的裝置中，圖3所示的三個通道成為一個通道。即，在高通濾波器22的後級不分支為三個信號線，僅為一個信號線，該信號線與頻率計測部4連接。在該情況下，開關部5是不需要的。
本發明並不限於如上所述的裝置主體20和振蕩電路單元10分開的結構，此外也不限於能夠與多個頻率對應的結構，例如也可以應用於圖6所示的裝置。在圖6所示的裝置中，石英傳感器1的使用頻率為1種，放大器24的輸出側的信號電平由電平檢測部6檢測，由控制部7接通電源，在經過頻率的穩定時間之後，判斷電平檢測值是否為閾值以上，如果比閾值低則進行異常顯示。另外，在圖6中，與圖3為相同符號的部分，是相同或相當的部分。
此處，在圖7中表示頻率計測部4的一個例子。在圖7中，81是基準時鐘發生部，為了對來自上述開關部的頻率信號進行採樣，輸出作為頻率的穩定性極高的頻率信號的時鐘信號。82是A/D(模擬/數字)轉換器，利用來自基準時鐘發生部81的時鐘信號對上述頻率信號進行採樣，將該採樣值作為數位訊號輸出。關於上述頻率信號的頻率fc和採樣頻率(時鐘信號的頻率)fs，例如，如果fc為9MHz，則將fs設定為10MHz。在該情況下，由作為來自A/D轉換器61的數位訊號的輸出信號指定的頻率信號的基波是1MHz的正弦波。另外，此處提到的9MHz、1MHz詳細地說是9.2MHz、0.8MHz，但為了方便簡略記載。
在A/D轉換器82的後級，以下述順序設置有載波去除器83和低通濾波器84。載波去除器83和低通濾波器84用於提取以由來自A/D轉換器82的數位訊號指定的例如1MHz的正弦波信號的頻率與在正交檢波中使用的正弦波信號的頻率的差的頻率旋轉的旋轉矢量。
為了清楚地說明提取旋轉矢量的作用，使由來自A/D轉換器82的數位訊號指定的正弦波信號為Acos(ω0t+θ)。另一方面，如圖8所示，載波去除器83具有對上述正弦波信號乘以cos(ω0t)的乘法部83a和對上述正弦波信號乘以—sin(ω0t)的乘法部83b。即，通過這樣的運算能夠進行正交檢波。乘法部83a的輸出和乘法部83b的輸出分別由式(2)和式(3)表示。
Acos(ω0t+θ)·cos(ω0t) ＝1/2·Acosθ+1/2{cos(2ω0t)·cosθ+sin(2ω0t)·sinθ}......(2) Acos(ω0t+θ)·-sin(ω0t) ＝1/2·Asinθ-1/2{sin(2ω0t)·cosθ+cos(2ω0t)·sinθ}......(3) 從而，使乘法部83a的輸出和乘法部83b的輸出分別通過低通濾波器84a和84b，由此能夠除去2ω0t的頻率信號，因此，結果能夠從低通濾波器84提取1/2·Acosθ和1/2·Asinθ。
而且，當由Acos(ω0t+θ)表示的正弦波信號的頻率變化時，Acos(ω0t+θ)變成Acos(ω0t+θ+ω1t)。其中，ω1相比於ω0足夠小。因此，1/2·Acosθ成為1/2·Acos(θ+ω1t)，1/2·Asinθ成為1/2·Asin(θ+ω1t)。即，從低通濾波器84得到的輸出為與正弦波信號[Acos(ω0t+θ)]的頻率的變化量ω1/2π相對應的信號。即，這些值是將以由來自A/D轉換器82的數位訊號指定的正弦波信號的頻率與正交檢波中使用的正弦波信號的頻率ω0/2π的差的頻率旋轉的旋轉矢量以複數表示時的實數部分(I)和虛數部分(Q)。
圖9是表示該旋轉矢量的圖，該旋轉矢量的角速度為ω1。從而，如果上述正弦波信號的頻率不變化，則ω1t為0，因此該旋轉矢量的旋轉速度為0，但在石英振子24上吸附有感測對象物質而使石英振子的頻率改變，由此上述正弦波信號的頻率變化，則以與該變化量相應的旋轉速度旋轉。
但是，與不存在感測對象物質時的石英振子的振蕩頻率對應的角速度與在正交檢波中使用的正弦波信號的角速度一致的情況是很少見的，因此，實際上，分別求取與不存在感測對象物質時的石英振子的振蕩頻率對應的旋轉矢量的角速度和與存在感測對象物質時的石英振子的振蕩頻率對應的旋轉矢量的角速度，並求取其角速度的差。該旋轉矢量的角速度的差是與由於在石英振子上吸附有感測對象物質而引起的石英振子的頻率的變化量對應的值。
權利要求
1.一種感測裝置，其使用包括固有振動頻率因吸附試樣而改變的壓電振子的感測傳感器，根據所述壓電振子的固有振動頻率的變化感測試樣的吸附，該感測裝置的特徵在於，包括
用於使所述壓電振子振蕩的振蕩電路；
用於測定關於該振蕩電路的振蕩輸出的頻率的信號的測定部；
檢測所述振蕩電路的振蕩輸出的信號電平的電平檢測電路；
在由該電平檢測電路檢測出的信號電平為閾值以上時判定為正常、在比閾值低時判定為異常的電平判定單元；和
用於在由該電平判定單元判斷為異常時通知所述信號電平異常的情況的單元。
2.如權利要求1所述的感測裝置，其特徵在於
所述壓電振子包括設置在壓電片的表面的電極；和形成在該電極的表面、用於吸附感測對象物的吸附層，
所述壓電振子的固有振動頻率因感測對象物的吸附而改變。
3.如權利要求1所述的感測裝置，其特徵在於
所述電平判定單元對所述信號電平進行判定的時刻，是在接通感測裝置的電源後經過了預先設定的穩定時間之後。
全文摘要
本發明提供感測裝置。本發明的目的是，在使用在表面形成有用於吸附感測對象物的吸附層、其固有振動頻率通過感測對象物的吸附而改變的石英傳感器的感測裝置中，較早地檢測出石英傳感器的故障，不使操作者無法辨認錯誤的測定結果。在本發明中，設置有檢測振蕩電路的振蕩輸出的信號電平的電平檢測電路，在經過接通電源後的穩定時間之後，將電平檢測值取入計算機，比較信號電平和閾值。並且，在信號電平低於閾值時判定為異常，例如在顯示部進行異常顯示，由此通知操作者發生了異常的情況。
文檔編號G01N5/02GK101523187SQ20078003640
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月27日 優先權日2006年9月29日
發明者大西直樹, 莖田啟行, 若松俊一 申請人:日本電波工業株式會社