JP2007248324A - Detection sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】振動子の高感度化を図ることのできる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】振動子20の内径Rbと外径Raとの比Rb/Raを適切に選ぶことにより、振動子20の外径部分もしくは内径部分において、Radial方向の変位のr成分(U(Ra)もしくはU(Rb))、Tangential方向の変位のr成分(V(Ra)もしくはV(Rb))が0になる場合がある。振動子20の外径RaにおいてU(Ra)=0になる場合、振動子20の外径部分での振動がなくなるので、振動子20を、支持部材22によってその外径部分で支持する。このとき、V(Ra)≠0であっても、Tangential方向の変位は、sin(nθ)=0となる位置においては振動が生じない。この位置で、支持部材22によって振動子20を保持することで、振動子20の振動エネルギが支持部材22によって失われることなく、振動子20を保持できる。
【選択図】図2An object of the present invention is to provide a technique capable of increasing the sensitivity of a vibrator.
By appropriately selecting a ratio Rb / Ra between an inner diameter Rb and an outer diameter Ra of a vibrator 20, an r component (U (Ra ) Or U (Rb)), and the r component (V (Ra) or V (Rb)) of displacement in the tangential direction may be zero. When U (Ra) = 0 in the outer diameter Ra of the vibrator 20, the vibration at the outer diameter portion of the vibrator 20 is eliminated, so that the vibrator 20 is supported by the outer diameter portion by the support member 22. At this time, even if V (Ra) ≠ 0, the displacement in the tangential direction does not generate vibration at a position where sin (nθ) = 0. By holding the vibrator 20 by the support member 22 at this position, the vibrator 20 can be held without the vibration energy of the vibrator 20 being lost by the support member 22.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、質量を有した物質の有無の検出、物質の質量の検出等を行うために用いるのに適した検出センサに関する。 The present invention relates to a detection sensor suitable for use in detecting the presence or absence of a substance having mass, detecting the mass of a substance, and the like.
マイクロマシン/MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術などの微細加工技術の進展により、機械的な振動子を極めて小さく作ることが可能となっている。これにより振動子そのものの質量を小さく作ることが可能になったことから、分子レベルの極微小な物質(例えば分子やウイルス等)の付着による質量変化によっても、周波数やインピーダンス特性の変動が生ずるほどに高感度な振動子が実現しつつある。このような高感度な振動子を用いれば、極微小な物質の存在や量を検出できるセンサ等を構成することが可能となる。すなわち振動子の大きさが大幅に小さくなったことにより、振動子の周波数がGHzレベルにまで高くなり、しかもSiを材料とすることができるため、半導体回路との一体化を目指した研究に発展しつつある。 Advances in microfabrication technologies such as micromachine / MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology have made it possible to make mechanical vibrators extremely small. As a result, the mass of the vibrator itself can be made small, so even if the mass changes due to the adhesion of extremely small substances (such as molecules or viruses) at the molecular level, the frequency and impedance characteristics fluctuate. Highly sensitive vibrators are being realized. By using such a highly sensitive vibrator, it is possible to configure a sensor or the like that can detect the presence or amount of a very small substance. In other words, because the size of the vibrator has been significantly reduced, the frequency of the vibrator has increased to the GHz level, and since Si can be used as a material, it has developed into research aimed at integration with semiconductor circuits. I am doing.
振動子の一種として、ディスク状の振動子がある。ディスク状の振動子の機械的振動に関する基礎的研究は、古くから行われてきており、ディスク状の振動子の振動状態を規定する振動姿態(振動モード)等の基礎的研究は既に終了したと言ってもよく、現在はマイクロマシン/MEMS技術によって製作された振動子のRF信号濾波器への応用を目的とした研究が盛んに行われている(例えば、非特許文献参照。)。 One type of vibrator is a disk-shaped vibrator. Basic research on the mechanical vibration of disk-shaped vibrators has been conducted for a long time, and basic research on vibration modes (vibration modes) that define the vibration state of disk-shaped vibrators has already been completed. In other words, research is currently actively conducted for the purpose of applying a vibrator manufactured by micromachine / MEMS technology to an RF signal filter (see, for example, non-patent literature).
ディスク状の振動子のMEMS化に伴う研究課題として、高感度化のためのQ値の向上、振動子の駆動・検出法、濾波器への応用を目的として振動子の組み合わせによる特性制御等があり、これらについて鋭意研究が行われている。
本発明は、上記のような技術的課題のうち、振動子の高感度化を図ることのできる技術を提供することを目的とする。
Research issues associated with the MEMS of disk-shaped vibrators include improvement of Q value for higher sensitivity, vibrator drive / detection method, characteristic control by combination of vibrators for the purpose of application to filters, etc. There are intensive studies on these.
An object of the present invention is to provide a technique capable of increasing the sensitivity of a vibrator among the technical problems as described above.
ここで、高感度化のためのQ値の向上のため、MEMS化した場合の振動子の保持法を改良できないかと考えた。
振動子を評価するパラメータであるQ値は、振動子が振動エネルギを失わずにいられるかによってきまり、式(1)のような関係で表すことができる。
Here, in order to improve the Q value for increasing the sensitivity, it was considered that the method for holding the vibrator when using the MEMS could be improved.
The Q value, which is a parameter for evaluating the vibrator, is determined by whether the vibrator can be kept without losing vibration energy, and can be expressed by a relationship such as Expression (1).
すなわち、振動子の振動エネルギが失われる主な原因として、
1)空気など周囲の媒質による損失Qair、
2)振動子が振動し変形することによって生じる損失QTED、
3)振動子の保持機構による損失Qanchor Loss、
およびその他の損失Qothersが考えられている。
1)のQairを決める空気を代表とする周囲の媒質へのエネルギ損失を少なくするためは、振動子の振動を制御して、振動子の振動エネルギは大きいが周囲の媒質へのエネルギ移動が少ない振動モードを選ぶことで対処している。例えばディスク状機械的振動子は振動子のディスク面内方向にだけ振動し(円柱座標で言えばr、θ方向だけの振動で、Z方向には振動しない)、太鼓の膜のように(Z方向に)振動して大きな振動エネルギを周囲の媒質に移動することが少ない。
また2)のQTEDは、振動子が振動することで変形し、この変形により断熱膨張や断熱圧縮が起こる。このため断熱膨張領域は冷え、逆に断熱圧縮する領域は熱くなり、振動子に温度傾斜が生まれて、その温度が伝導して平均化することでエネルギが失われると言われている。すなわちこのエネルギ損失は振動子の振動モードと振動子の材質によって決まるものと言える。
さて3)のQanchor lossは振動子の保持部による損失で、保持部に振動子の振動が伝わることによって生ずる。例えば振動子が振動しない所に保持部を設けることによってエネルギ損失を無くすことが可能になると考えられるが、通常の円盤状のディスク状振動子では、最も一般的な振動子材料であるSi単結晶を用いる限り、この様な条件を見いだすには至っていない。
That is, as a main cause of the loss of vibration energy of the vibrator,
1) Loss Q air due to surrounding medium such as air ,
2) Loss Q TED caused by vibration and deformation of the vibrator,
3) Loss Q anchor Loss due to the holding mechanism of the vibrator,
And other loss Q others are considered.
1) In order to reduce energy loss to the surrounding medium represented by air, which determines the Q air , the vibration of the vibrator is controlled so that the vibration energy of the vibrator is large but the energy transfer to the surrounding medium is not. This is dealt with by selecting fewer vibration modes. For example, a disk-shaped mechanical vibrator vibrates only in the disk in-plane direction of the vibrator (in a cylindrical coordinate, it vibrates only in the r and θ directions and does not vibrate in the Z direction), like a drum film (Z It is less likely to vibrate and move large vibrational energy to the surrounding medium.
The Q TED of 2) is deformed by vibration of the vibrator, and adiabatic expansion or adiabatic compression occurs due to the deformation. For this reason, it is said that the adiabatic expansion region is cooled, and conversely, the region where adiabatic compression is performed becomes hot, and a temperature gradient is generated in the vibrator. In other words, this energy loss is determined by the vibration mode of the vibrator and the material of the vibrator.
Now, Q anchor loss of 3) is a loss due to the holding portion of the vibrator, and is caused by the vibration of the vibrator being transmitted to the holding portion. For example, it is considered that it is possible to eliminate energy loss by providing a holding portion in a place where the vibrator does not vibrate. However, in a normal disk-like disk-like vibrator, the most common vibrator material is a Si single crystal. As long as is used, such a condition has not been found.
例えば、ディスク状振動子の共振モードの中で最もよく知られているモードにWine−Glassモード(2,1)がある。このようなディスク状振動子の振動における、モード関数であるRadial方向の変位U(r,θ)とTangential方向の変位V(r,θ)は次式(2)で示すことができる。 For example, the most well-known mode among the resonance modes of the disk-shaped vibrator is the wine-glass mode (2, 1). In such vibration of the disk-shaped vibrator, the radial direction displacement U (r, θ) and the tangential direction displacement V (r, θ), which are mode functions, can be expressed by the following equation (2).
この式(2)において、Wine−Glassモード(2,1)は、n=2における最低周波数の共振モードであることを意味しており、この(2,1)モードの振動の様子は、Radial方向では、r成分は振動子のr=0を除く全てrにおいて有限の値を持ち、それがcos2θに従って円周方向に変化しており、θ=π/4、3π/4、−3π/4、−π/4の角度ではRadial方向の振動は無くなる。このような位置を、nodal pointと称し、その位置で振動子を保持する手法も提案されている。
しかしこの(2,1)モードはCompoundモードであり、Tangential方向にも振動成分があるため、このTangential方向の振動においてもr成分はr=0を除く全てのrに対して有限の値を持ち、それが円周方向ではsin2θに従って変化している。このためU(r,θ)が0、すなわちcos2θが0になるθ=π/4、3π/4、−3π/4、−π/4の各角度において、V(r,θ)はsin2θが1,−1,1,−1となるため、逆に振幅が最大になってしまう。すなわちWine−Glassモード(2,1)で振動する円形振動子をRadial成分の振動の無い点で保持しようとすれば、Tangential成分の振動を妨げる形で保持すことになってしまい、どの方向成分に対しても振動の無い点で振動子を保持することはできない。
そこで、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、上記の例とは異なり、Radial成分とTangential成分の振動を共に無くすことのできる手法を見いだすに至ったのである。
In this formula (2), the Wine-Glass mode (2, 1) means that the resonance mode has the lowest frequency at n = 2, and the mode of vibration in the (2, 1) mode is Radial. In the direction, all the r components except for r = 0 of the vibrator have a finite value at r, which changes in the circumferential direction according to cos 2θ, and θ = π / 4, 3π / 4, −3π / 4. The vibration in the radial direction is eliminated at an angle of −π / 4. Such a position is called “nodal point”, and a method of holding the vibrator at the position has been proposed.
However, since this (2, 1) mode is a compound mode and there is a vibration component in the tangential direction, the r component has a finite value for all r except r = 0 even in the vibration in the tangential direction. In the circumferential direction, it changes according to sin 2θ. For this reason, at each angle of θ = π / 4, 3π / 4, -3π / 4, and −π / 4 when U (r, θ) is 0, that is, cos 2θ is 0, V (r, θ) is sin 2θ. On the other hand, since the amplitude becomes 1, -1,1, -1, the amplitude becomes maximum. That is, if a circular vibrator that vibrates in the Wine-Glass mode (2, 1) is to be held at a point where there is no radial component vibration, the circular component is held in a form that prevents the vibration of the tangential component. However, the vibrator cannot be held at a point where there is no vibration.
Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have come to find a technique that can eliminate both the radial component and the tangential component, unlike the above example.
このようにしてなされた本発明の検出センサは、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化する振動子と、振動子を振動させる駆動部と、振動子における振動の変化を検出することで、物質を検出する検出部と、を備え、振動子は、外径がRaとされ、中央部に開口部が形成されることで内径がRbとされたリング状とされている。そして、振動子が振動したときの位置座標(r、θ)における位置rでの変位は、式(3)に示すように、Radial方向の変位がU(r)、Tangential方向の変位がV(r)によって表される。このとき、r=RaまたはRbとしたときにU(r)=0またはV(r)=0をほぼ満足する外径Raと内径Rbで、振動子が形成されていることを特徴とする。 The detection sensor of the present invention thus configured detects a vibrator whose vibration characteristics change due to adhesion or adsorption of a substance having a mass, a drive unit that vibrates the vibrator, and a change in vibration in the vibrator. Thus, the vibrator has a ring shape in which the outer diameter is Ra and the inner diameter is Rb by forming an opening in the center. The displacement at the position r in the position coordinates (r, θ) when the vibrator vibrates is, as shown in the equation (3), the displacement in the radial direction is U (r), and the displacement in the tangential direction is V ( r). At this time, the vibrator is formed with an outer diameter Ra and an inner diameter Rb that substantially satisfy U (r) = 0 or V (r) = 0 when r = Ra or Rb.
なお、式(3)において、A6、A7、A8は、振動子の外径と内径、振動子材料のヤング率、密度およびポアソン比と、振動子の境界条件(この場合はFree−Free条件)によって規定される固有振動モードに伴って一意的に決まる定数である。具体的には、後述する式(9)においてA5=1とした場合、A6、A7、A8は、式(9)の連立一次方程式の解である。 In Equation (3), A6, A7, and A8 are the outer diameter and inner diameter of the vibrator, the Young's modulus, density, and Poisson's ratio of the vibrator material, and the boundary conditions of the vibrator (in this case, the Free-Free condition). Is a constant uniquely determined according to the natural vibration mode defined by. Specifically, when A5 = 1 in equation (9) described later, A6, A7, and A8 are solutions of simultaneous linear equations of equation (9).
このように、リング状の振動子において、その外径Raと内径Rbの比によって、外径部分または内径部分で振動の生じないことがある。このときの比は、振動子を形成する材料のポアソン比や、振動子を振動させるときの振動モードのモード数n、高調波振動の次数mによって異なってくる。
そして、式(3)においてr=RaであるときにU(r)=0またはV(r)=0をほぼ満足する場合、振動子は外径部分で支持する。また、式(3)においてr=RbであるときにU(r)=0またはV(r)=0をほぼ満足する場合は、振動子を内径部分で支持する。
さらに、式(3)においてr=RaまたはRbであるときにU(r)=0をほぼ満足する場合、振動子は、sin(nθ)=0となる位置θで支持する。また、式(3)においてr=RaまたはRbであるときにV(r)=0をほぼ満足する場合、振動子は、cos(nθ)=0となる位置θで支持する。
このようにして、振動子における、Radial成分とTangential成分の振動を共に無くすことができる。
ここで、本発明においては、U(r)=0またはV(r)=0の条件を完全に満足する場合だけでなく、ほぼ満足する場合を許容する。これは、製造誤差等により、U(r)=0またはV(r)=0の条件を完全に満足できる外径Ra、内径Rbで、振動子を形成することが困難であるからであり、また、U(r)=0またはV(r)=0の条件を若干外れた場合であっても、外径部分または内径部分において、十分に振動が小さい場合があるからである。
As described above, in the ring-shaped vibrator, vibration may not occur in the outer diameter portion or the inner diameter portion depending on the ratio of the outer diameter Ra and the inner diameter Rb. The ratio at this time varies depending on the Poisson ratio of the material forming the vibrator, the mode number n of the vibration mode when vibrating the vibrator, and the order m of the harmonic vibration.
When r = Ra in the expression (3) and U (r) = 0 or V (r) = 0 is substantially satisfied, the vibrator is supported by the outer diameter portion. In addition, when r = Rb in Equation (3) and U (r) = 0 or V (r) = 0 is substantially satisfied, the vibrator is supported by the inner diameter portion.
Furthermore, when r = Ra or Rb in Equation (3) and U (r) = 0 is substantially satisfied, the vibrator supports at a position θ where sin (nθ) = 0. In addition, when r = Ra or Rb in Expression (3) and V (r) = 0 is substantially satisfied, the vibrator is supported at a position θ where cos (nθ) = 0.
In this way, it is possible to eliminate both the radial component and the tangential component in the vibrator.
Here, in the present invention, not only the case where the condition of U (r) = 0 or V (r) = 0 is completely satisfied, but also the case where it is almost satisfied is allowed. This is because it is difficult to form a vibrator with an outer diameter Ra and an inner diameter Rb that can completely satisfy the condition of U (r) = 0 or V (r) = 0 due to manufacturing errors and the like. Further, even if the condition of U (r) = 0 or V (r) = 0 is slightly deviated, vibration may be sufficiently small in the outer diameter part or the inner diameter part.
このような検出センサにおいては、振動子に物質が直接または間接的に付着または吸着したことによって生じる振動子の振動の変化を検出し、これによって物質を検出する。なお、物質の検出は、物質の有無の検出だけでなく、振動子に付着した物質の量を検出することも可能である。 In such a detection sensor, a change in the vibration of the vibrator caused by the substance directly or indirectly adhering or adsorbing to the vibrator is detected, and thereby the substance is detected. In addition, the detection of the substance can detect not only the presence / absence of the substance but also the amount of the substance attached to the vibrator.
振動子に物質を付着または吸着させるには、例えば、振動子の表面に、分子の吸着を効率よく行えるような吸着材料を付加しても良い。これには、グローバルな認識材と、選択認識材がある。グローバルな認識材は、選択性は強くないが、ある特定の分子群、例えばアルコールやエーテル等を吸着するポリマーである。これらのポリマーをナノファイバー化したり、またポーラスにして表面積を増やすことも有効である。また選択性の強い認識材としては、抗原−抗体反応を起こすような生物由来の材料や、アクセプター−レセプターの組み合わせや、遺伝子やDNA、RNAとハイブリダイゼーションする特定の塩基配列を持ったプローブ等がある。また、脂質二重膜でも良い。 In order to attach or adsorb a substance to the vibrator, for example, an adsorbing material that can efficiently adsorb molecules may be added to the surface of the vibrator. There are global recognition materials and selective recognition materials. A global recognition material is a polymer that adsorbs a specific molecular group, such as alcohol or ether, although the selectivity is not strong. It is also effective to increase the surface area by making these polymers into nanofibers or making them porous. Examples of highly selective recognition materials include biological materials that cause antigen-antibody reactions, acceptor-receptor combinations, probes with specific base sequences that hybridize with genes, DNA, and RNA. is there. A lipid bilayer membrane may also be used.
このような検出センサにおいては、検出対象となる物質を特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子とすることができる。これにより、例えば、ガス検出センサ、匂いセンサ等に本検出センサを用いることができる。これには、振動子で、特定の分子としてガスや生体由来の分子、生活空間の浮遊分子、揮発性分子等を対象とする場合、特定種の分子のみを高い選択性を持って検出するのが望ましい。また、このように選択性の高い検出センサを複数用い、複数種の分子を認識したり、用途の応用範囲を広げることができる。また、グローバル認識と称される、特定の特徴を持った分子群や、同じ側鎖を持つ分子群等を検出することもできる。この場合、検出センサを複数用い、これら複数の検出センサ間における検出能の差から、信号処理やソフトフェアを用いた処理等によって分子群の認識を行うようにしても良い。また、液中で動作するように構成を変更して、特定のたんぱく質や酵素、糖鎖等を検出しても良い。 In such a detection sensor, the substance to be detected can be a specific molecule or a plurality of types of molecules having specific characteristics or characteristics. Thereby, this detection sensor can be used for a gas detection sensor, an odor sensor, etc., for example. For this purpose, when a specific target molecule is a gas, a biological molecule, a living space floating molecule, a volatile molecule, etc., only a specific type of molecule is detected with high selectivity. Is desirable. In addition, by using a plurality of detection sensors with high selectivity as described above, a plurality of types of molecules can be recognized and the application range of applications can be expanded. It is also possible to detect a group of molecules having specific characteristics or a group of molecules having the same side chain, which is called global recognition. In this case, a plurality of detection sensors may be used, and molecular groups may be recognized by signal processing, processing using software, or the like based on the difference in detection ability between the plurality of detection sensors. In addition, a specific protein, enzyme, sugar chain, or the like may be detected by changing the configuration to operate in a liquid.
微小質量の検出は、薄膜形成の際の膜厚モニタ、抗体抗原反応や蛋白質吸着作用などのバイオ研究にも用いることができる。本発明の検出センサは、このような用途に好適である。
また、小型で安定な高感度な家庭用や個人用のガスセンサや、携帯性に優れる使い捨て型で空気中などに浮遊する有害物質の検出等の用途にも、本発明の検出センサや振動子を用いることも考えられる。更に高感度化が進めばその応用範囲はさらに広がり、「におい」の検出識別が可能となるまで発展することが可能であり、さらにこれ以外の用途に対しても、本発明の検出センサの利用を妨げるものではない。
しかも本発明の検出センサは、いわゆるSi単結晶を構造材料として用いることで、MEMS技術により製造することができることから、Si半導体と同一チップ内への作り込むことも可能となる。その場合、極めて安価でしかも高性能な微小物質の検出装置とすることができる。
The detection of minute mass can also be used for bio-research such as film thickness monitoring during antibody film formation, antibody antigen reaction and protein adsorption. The detection sensor of the present invention is suitable for such applications.
The detection sensor and vibrator of the present invention can also be used for applications such as small and stable high-sensitivity home and personal gas sensors, and portable, disposable types that detect harmful substances floating in the air. It can also be used. If the sensitivity is further increased, the range of application will be further expanded, and it can be developed until “smell” can be detected and identified. It does not prevent.
Moreover, since the detection sensor of the present invention can be manufactured by the MEMS technology by using so-called Si single crystal as a structural material, it can be built in the same chip as the Si semiconductor. In that case, a very inexpensive and high-performance minute substance detection device can be obtained.
本発明によれば、ディスク状の振動子の振動成分が無いところで振動子を保持することが可能となり、Q値の高い高品質な検出センサを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to hold a vibrator where there is no vibration component of the disk-like vibrator, and it is possible to provide a high-quality detection sensor having a high Q value.
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図1は、本実施の形態におけるセンサ(検出センサ)10の基本的な構成を説明するための図である。
この図1に示すセンサ10は、ディスク状で、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有し、質量を有した分子等の検出対象物が付着すると振動周波数が変化する振動子20と、ディスク状の振動子20を振動させるための駆動源30と、振動子20における振動特性の変化を検出する検出部40と、を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining a basic configuration of a sensor (detection sensor) 10 according to the present embodiment.
The
駆動源30では、外部の図示しないコントローラで発生する電流によって、静電効果やピエゾ効果(圧電効果)を用い、振動子20を振動させる。
また、検出部40も、静電効果やピエゾ効果により、振動子20における振動を検出し、電気信号として出力するようになっている。このとき、振動子20に質量を有した物質が付着すると、その質量の影響を受けて振動子20の振動数が変化する。検出部40では、検出部40から出力される電気的な振動をモニタリングすることで、振動子20への物質の付着の有無、あるいは振動子20への物質の付着量を検出することが可能となっている。
In the
The
このようなセンサ10において、振動子20には、その中央部に開口部21が形成されている。そして、この振動子20は、外周部の所定の位置に接続された支持部材22のみによって支持され、残る他の部分は全てフリー状態とされている。
ここで、振動子20の外径をRa、開口部21の径をRbとすると、振動子20は、Rb/Raが以下のような条件をほぼ満足するように、振動子20の外径Ra、開口部21の径(振動子20の内径)Rbを設定するのが好ましい。
In such a
Here, when the outer diameter of the
ディスク状の振動子20に生じる振動には、(a)Radialモード(径方向(r方向)にのみ振動するモード)、(b)Tangentialモード(θ方向にのみ振動するモード)、(c)Compoundモード(径方向の振動およびθ方向の振動が複合したモード)、の3通りがある。
振動子20におけるCompoundモードにおける共振周波数の決定式は、以下の式(4)のようになる。
The vibration generated in the disk-shaped
The equation for determining the resonance frequency in the compound mode of the
ただし、a11〜a44は以下の通りである。 However, a 11 ~a 44 is as follows.
なお、σ:振動子材料のポアソン比、E:振動子材料のヤング率、ρ:振動子材料の密度、ω:角周波数(=2πf)である。 Here, σ is the Poisson's ratio of the vibrator material, E is the Young's modulus of the vibrator material, ρ is the density of the vibrator material, and ω is the angular frequency (= 2πf).
さて、開口部21を有した振動子20における2つの境界、すなわち外径と内径部分では、Free−Free条件であることから、Radial方向の残留ストレスとTangential方向の残留ストレスが無くなり、これにより4つの境界条件が定まることが判る。また、モード関数であるRadial方向の変位U(r,θ)とTangential方向の変位V(r,θ)は、次式であらわすことができる。
Now, at the two boundaries in the
そして、この式(6)に、先に述べた4つの境界条件を適用することで、以下の関係式が求まる。 Then, the following relational expression is obtained by applying the above-described four boundary conditions to the expression (6).
さらに式(3)の共振周波数の決定式は、式(7)がいかなるA5,A6,A7,A8においても成り立つことを意味し、これは式(7)の4×4マトリクスのDeterminant=0が条件となる。これは共振周波数を決定する式(3)である。 Furthermore, the equation for determining the resonance frequency in Equation (3) means that Equation (7) holds for any A5, A6, A7, and A8, and this means that the Determinant = 0 of the 4 × 4 matrix in Equation (7) is It becomes a condition. This is equation (3) that determines the resonant frequency.
さて、モード関数である式(6)の係数A5,A6,A7,A8は、未だ未定であり、これが決まらなければ振動子20の振動状態は定まらない。また共振条件では式(7)はいかなるA5,A6,A7,A8においても成立しているため、共振時における係数A5,A6,A7,A8は未定でありこのままでは決定出来ない。しかし式(7)のマトリクスを1次式に分解して表せば、次式(8)となる。
Now, the coefficients A5, A6, A7, and A8 of the equation (6), which is a mode function, are not yet determined. If this is not determined, the vibration state of the
この様にして求めた式(8)の4つの1次式の中から、任意の3つの式を取り出し、さらにその中の係数A5,A6,A7,A8のどれか一つに対する比としてなら、係数を定めることができる。例えば、式(8)から例えば上の3つの式を取り出し、全てA5で割ると、次式(9)のような連立一次方程式が得られる。 From the four linear equations of the equation (8) thus determined, any three equations are taken and, as a ratio to any one of the coefficients A5, A6, A7, A8, A coefficient can be defined. For example, taking the above three equations from equation (8) and dividing them all by A5, a simultaneous linear equation such as the following equation (9) is obtained.
この式(9)から、A5を分母とする係数比A6/A5,A7/A5,A8/A5を求めることができる。この結果を式(6)に代入すれば、共振時のRadial方向とTangential方向の変位、すなわちモード関数を全て決定できる。なお、ここでは式(8)の上3つの式を用いたが、任意の異なる3個の式を用いて同様に解くことができ、ここでは4組の異なる連立一次方程式が得られるが、求めた結果は全て同じである。
また全てがA5に対して比例関係にあるためA5=1としてもモード関数に本質的に変化は無いことから、改めてA5=1として、各モードにおけるRadial方向のr成分をU(r)、Tangential方向のr成分をV(r)として表せば、式(6)のモード関数は、次式(10)となる。
From this equation (9), the coefficient ratios A6 / A5, A7 / A5, A8 / A5 with A5 as the denominator can be obtained. By substituting this result into equation (6), the displacement in the radial direction and the tangential direction at the time of resonance, that is, all the mode functions can be determined. Although the above three equations are used here, they can be similarly solved using any three different equations, and four different linear equations are obtained here. All the results are the same.
In addition, since all are proportional to A5, there is essentially no change in the mode function even if A5 = 1, so that A5 = 1 again and the r component in the radial direction in each mode is U (r), Tangential. If the r component in the direction is expressed as V (r), the mode function of Expression (6) is expressed by the following Expression (10).
ここで、U(r)、V(r)は、次式(11)の通りである。 Here, U (r) and V (r) are as shown in the following equation (11).
さて、この解析は、通常のディスク状の振動子と異なり、開口部21を有した円形のディスク状の振動子20に対するものである。この振動子20においては、この振動子20の外径Raと内径Rbの比によって、式(11)に示すU(r)とV(r)が大きく変わり、振動子20外径Raと内径Rbの比が特定の値になったとき、U(r)またはV(r)が0になることが起こりうる。
例えば振動子20の外径RaにおいてU(Ra)=0になる場合には、振動子20の外径部分での振動がなくなる。したがって、振動子20を、支持部材22によってその外径部分で支持する。
このとき、V(Ra)≠0であっても、式(10)に示すようにTangential方向の変位は、これにsin(nθ)をかけたものであるから、sin(nθ)=0となる位置においては、式(10)のV(r、θ)では振動が生じない。n=1の振動モードの場合、V(Ra、0)、V(Ra、π)の位置で、支持部材22によって振動子20を保持すれば、振動子20の振動エネルギは支持部材22を通して失われることは無い。
逆にV(Ra)=0の場合には、U(Ra)≠0であってもRadial方向の変位はこれにcos(nθ)をかけたものであるからcos(nθ)=0となる位置で、振動子20を保持すれば良いことになる。
なお、ここでは穴あきのディスク状の振動子20の外径における保持方法を述べたが、これが内径で保持する場合であっても同様の考え方でその位置を決めることができる。
This analysis is for a circular disk-shaped
For example, when U (Ra) = 0 at the outer diameter Ra of the
At this time, even if V (Ra) ≠ 0, the displacement in the tangential direction is obtained by multiplying sin (nθ) by this, as shown in Expression (10), so sin (nθ) = 0. At the position, no vibration occurs at V (r, θ) in the equation (10). In the vibration mode of n = 1, if the
Conversely, when V (Ra) = 0, even if U (Ra) ≠ 0, the displacement in the radial direction is obtained by multiplying this by cos (nθ), so that cos (nθ) = 0. Thus, the
Here, the holding method at the outer diameter of the perforated disk-shaped
図2〜図4は、それぞれn=1からn=3までの各振動モードにおけるr成分、すなわち式(11)に示したU(r)とV(r)の変動の様子を、内径Rbと外径Raの比Rb/Raを横軸にして図示したものである。なおこのとき、振動子20の材料としてSi単結晶を想定し、ポアソン比をσ=0.28とした。また、nは振動モードのモード数、mは高調波振動の次数を示す。
なお図2〜図4では、各モードにおいて最低次の共振周波数(m=1)から4番目の共振周波数(m=4)まで示し、これを通常のモード表現に従い(n,m)と表示している。
2 to 4 show the variation of the r component in each vibration mode from n = 1 to n = 3, that is, the variation of U (r) and V (r) shown in Equation (11), with the inner diameter Rb. The ratio Rb / Ra of the outer diameter Ra is shown on the horizontal axis. At this time, a Si single crystal was assumed as the material of the
2 to 4, the lowest resonance frequency (m = 1) to the fourth resonance frequency (m = 4) are shown in each mode, and this is expressed as (n, m) according to the normal mode expression. ing.
図2〜図4を見ると、図3(a)の(2,1)モードと図4(a)の(3,1)モードを除き、U(Ra),U(Rb),V(Ra)およびV(Rb)のいずれかが、適当なRb/Raにおいて0になること観察される。
例えば図2(b)に示す(1,2)モードでは、V(Ra)がRb/Ra=0.17において0になっていることが示されている。従ってポアソン比0.28の材料(例えば、単結晶Si)を用い、(1,2)モードで用いる振動子20を設計するには、内径Rbと外径Raの比を0.17に選び、cosθ=0の角度、すなわちθ=±π/2の位置の内径部分で振動子20を保持するように設計すれば、振動子20の共振振動になんら影響を与えず振動子20を保持することが可能である。
2 to 4, U (Ra), U (Rb), and V (Ra) except for the (2,1) mode in FIG. 3A and the (3,1) mode in FIG. ) And V (Rb) are observed to be zero at the appropriate Rb / Ra.
For example, in the (1,2) mode shown in FIG. 2B, it is shown that V (Ra) is 0 when Rb / Ra = 0.17. Accordingly, in order to design the
すなわち、外径が100μmで、(1,2)モードで用いる振動子20の場合、Rb/Ra=0.17となる、開口部21の径を17μmとしたときに、振動子20の外径部分におけるTangential方向の振動を0とすることができる。そして、このときに、開口部21の外径部分において、cosθ=0の角度、すなわちθ=±π/2の位置で振動子20を支持することで、共振振動に全く影響を与えない振動子20の保持法を実現できる。
That is, in the case of the
ところで、一般の材料、例えばポアソン比がσ=0からσ=0.5の材料では、U(Ra),U(Rb),V(Ra)およびV(Rb)が0になる場合は、いかなるRb/Raの場合に起こるのかを調べることが非常に重要になる。このため式(11)から、次式(12)が成り立つRb/Raとポアソン比σの組み合わせを、各モード(n=1〜3,m=1〜4)について調べた。 By the way, in a general material, for example, a material having a Poisson's ratio of σ = 0 to σ = 0.5, when U (Ra), U (Rb), V (Ra) and V (Rb) are 0, any It is very important to investigate what happens in the case of Rb / Ra. For this reason, the combination of Rb / Ra and the Poisson's ratio σ, in which the following expression (12) holds, was examined for each mode (n = 1 to 3, m = 1 to 4) from the expression (11).
その結果を図5〜図7に示す。 The results are shown in FIGS.
なお、ポアソン比だけを変数とすることで全ての材料について調べたことになる理由は式(6)から、hとkに、
k=h(2/(1−σ))1/2
という関係があり、hとkを変数として見ると、この二つの変数がポアソン比σでのみ関係付けられていることによる。
The reason that all the materials were examined by using only the Poisson's ratio as a variable is that h and k are obtained from equation (6).
k = h (2 / (1-σ)) 1/2
When h and k are viewed as variables, these two variables are related only by the Poisson's ratio σ.
図5〜図7では、n=1〜3,m=1〜4の各モードにおいて式(12)を満足するポアソン比σ(縦軸)と、振動子20の内径Rbと外径Raの比Rb/Ra(横軸)との関係を示した。すなわち振動子材料のポアソン比が判れば、図5〜図7の関係から、振動モードとその振動子20を保持する位置や、振動子20の内径Rbと外径Raの比を決めることができる。なお共振周波数は振動子20、例えば大きさ、すなわち外径Raを変えることで決定する。
5 to 7, the Poisson's ratio σ (vertical axis) that satisfies Expression (12) in each mode of n = 1 to 3 and m = 1 to 4 and the ratio of the inner diameter Rb and the outer diameter Ra of the
このように、図5〜図7の関係を予め知ることにより、振動エネルギが保持部を通して逃げることの無い高性能なディスク状の振動子20を実現することが可能になる。
As described above, by knowing the relationships in FIGS. 5 to 7 in advance, it is possible to realize a high-performance disk-shaped
さて、支持部材22は、Tangential方向に振動させて使用する振動子20の場合、次式(13)で示される長さLRを有するものとするのが好ましい。なお、駆動源30でピエゾ効果を用いた駆動方式を採用する場合、振動子20はTangential方向に振動させて使用することになるので、この場合、支持部材22の長さを、式(13)で表されるLRにするのが好ましい。
Now, the
また、Radial方向に振動させて振動子20の場合、支持部材22は、次式(14)で示される長さLSを有するものとするのが好ましい。
In the case of the
このように、振動子20の内径Rbと外径Raとの比Rb/Raを適切に選ぶことにより、振動子20の外径部分もしくは内径部分においてRadial方向の変位のr成分すなわちU(Ra)もしくはU(Rb)、ならびにTangential方向の変位のr成分すなわちV(Ra)もしくはV(Rb)が0になる場合がある。このようなディスク状で開口部21を有した振動子20に特有な現象を用いることで、振動子20の共振振動に全く影響を与えず振動子20を保持することが可能となり、極めてQの高い振動子20が提供できる。これにより、センサ10においては、高感度な質量の物体の検出や、質量の検出を行うことが可能となる。また、振動子20は、いわゆるSi単結晶を構造材料として用い、MEMS技術によって製造することができることから、Si半導体と同一チップ内にセンサ10を組み込んで作ることも可能となる。
As described above, by appropriately selecting the ratio Rb / Ra between the inner diameter Rb and the outer diameter Ra of the
ところで、上記では、振動子の材料としてSi単結晶(ポアソン比σ=0.28)を用いた振動子20の例を示したが、もちろん、他の材料においても、同様の検討を行うことで、振動子20の外径Ra、開口部21の内径Rb、および支持部材22による支持位置を選定することができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
In the above description, the example of the
In addition to this, as long as it does not depart from the gist of the present invention, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
10…センサ(検出センサ)、20…振動子、21…開口部、22…支持部材、40…検出部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記振動子を振動させる駆動部と、
前記振動子における振動の変化を検出することで、前記物質を検出する検出部と、を備え、
前記振動子は、外径がRaとされ、中央部に開口部が形成されることで内径がRbとされたリング状で、
前記振動子が振動したときの位置座標(r、θ)における位置rでの、式(1)で表されるRadial方向の変位U(r)、Tangential方向の変位V(r)が、r=RaまたはRbとしたときにU(r)=0またはV(r)=0をほぼ満足する外径Raと内径Rbで、前記振動子が形成されていることを特徴とする検出センサ。
A drive unit for vibrating the vibrator;
A detection unit for detecting the substance by detecting a change in vibration in the vibrator, and
The vibrator has a ring shape in which the outer diameter is Ra and the inner diameter is Rb by forming an opening in the center.
The displacement U (r) in the radial direction and the displacement V (r) in the tangential direction represented by Expression (1) at the position r in the position coordinates (r, θ) when the vibrator vibrates are r = A detection sensor, wherein the vibrator is formed with an outer diameter Ra and an inner diameter Rb that substantially satisfy U (r) = 0 or V (r) = 0 when Ra or Rb is set.
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