CN100430711C

CN100430711C - 测定方法、测定信号输出电路及测定装置

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Publication number: CN100430711C
Application number: CNB2004800002209A
Authority: CN
Inventors: 小林祥宏
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: EP1605246A1; US7165452B2; CN1697967A; WO2004081542A1; US20050081635A1; EP1605246A4; JP2004279167A; JP3729181B2

Abstract

本发明提供一种测定方法、测定信号输出电路及测定装置，用简单的电路构成测定压电振动片的频率变化的测定装置。作为测定装置的电路，由相位比较器(22)、环路滤波器(24)和电压控制振荡器(26)构成相位同步电路(20)。此外，将质量测定用压电振动片(12)的振荡电路(10)连接到相位比较器(22)。在环路滤波器(24)的后级设置输出端子(30)。而且，在根据质量测定用压电振动片(12)的振荡频率的变化来测定质量的测定方法中，将来自上述压电振动片(12)的输入信号输入到相位同步电路(20)的相位比较器(22)中，根据上述相位同步电路(20)的环路滤波器(24)的输出，求出上述压电振动片(12)的振荡频率。

Description

测定方法、测定信号输出电路及测定装置

技术领域

本发明涉及测定方法、测定信号输出电路及测定装置，特别涉及适于检测因在作为测定传感器的压电振动片上粘附微量质量而引起的频率变化的测定方法、测定信号输出电路及测定装置。

背景技术

在食品、生化、环境等领域，为了测定特定物质的有无或浓度等，利用了石英晶体振子微量天平(Quartz Crystal Microbalance，以下称为QCM)法。该QCM法具有质量测定用石英晶体振子，该质量测定用石英晶体振子以具有与特定物质结合的感应膜的作为压电振动片的石英晶体振动片为主要结构。质量测定用石英晶体振子的感应膜具有对于特定物质的检测或浓度测定等的分子识别功能，在压电振动片(石英晶体振动片)上形成有激励电极。例如，为了通过QCM法检测液体中的特定物质或测定浓度，可如下进行。

使形成有感应膜的压电振动片浸渍在溶液中并使其振荡，等待在该液体中振荡频率稳定下来。然后，在液体中加入能引起使液体中的物质吸附或沉淀在感应膜上、或引起使吸附在感应膜上的物质脱落或分解的反应的物质，或加入想要检测的物质，使压电振动片上的感应膜与测定对象的特定物质发生反应。从而，压电振动片的激励电极上的质量增加或减少，压电振动片的振荡频率降低或升高。从而，可以求出液体中的测定对象的特定物质的有无、浓度和质量。

作为利用该QCM法的化学物质含量的定量法，可例举出特开平7-43284号公报。

该方法将形成有感应膜的压电振动片连接到振荡电路。该振荡电路连接到频率计数器。此外，该频率计数器与计算机连接。在这样构成的装置中，将上述压电振动片浸渍在含有化学物质的溶液中并使其振荡，用频率计数器来测定此时的振荡频率。根据该测定的振荡频率，通过减去将上述传感器浸渍在不含化学物质的溶液中并使其振荡时的频率，求出频率变化进行化学物质的定量分析。

如上所述那样构成的现有测定装置中，用频率计数器计测压电振动片的振荡频率。上述频率计数器另外需要高稳定性的频率振荡源，存在其频率精度会大大影响测定精度的问题。而且，还存在高稳定性、高精度的频率计数器价格昂贵、而且测定装置会大型化的问题。

此外，在利用频率计数器的测定中，为了提高测定精度，测定时间必须大于等于1秒，不能捕捉短时间内的频率变化。

此外，由于振荡电路具有温度特性，因此存在测定环境的温度变化大大影响测定精度的问题。为了排除温度特性引起的测定误差，必须将测定***设置在恒温环境中，存在作为测定***价格昂贵和大型化的问题。

为了解除上述那样的现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种质量测定用振动片的测定方法和测定装置，用简单电路来构成对压电振动片的频率变化进行检测的测定装置，而且，使该测定装置价格低廉并且小型化。

发明内容

为了达到上述目的，与本发明有关的测定方法和测定信号输出电路及测定装置如下所述。一种测定方法，根据质量测定用压电振动片的振荡频率的变化来测定质量，其特征在于，

将来自使所述压电振动片振荡的振荡电路的输入信号输入到相位比较器，

将与来自所述振荡电路的所述输入信号和来自VCO的输出信号之间的相位差对应的偏差信号，从所述相位比较器输入到环路滤波器，

将根据所述偏差信号生成的电压从所述环路滤波器输入到所述VCO，

将根据所述电压生成的频率作为所述输出信号，从所述VCO输入到所述相位比较器，

根据所述电压来测定质量。

从而，相位同步(PLL)电路被控制成与压电振动片的振荡频率的相位同步。因此，构成PLL电路的环路滤波器的输出与上述压电振动片的振荡频率相关，当上述压电振动片的振荡频率发生变化时，环路滤波器的输出也随上述振荡频率的变化而变化。通过求出环路滤波器的输出变化量，可以求出上述压电振动片的振荡频率的变化。

这是一种测定信号输出电路，输出用于根据质量测定用压电振动片振荡的振荡电路的振荡频率的变化来测定质量的信号，其特征在于，具有：

相位比较器，其输出与来自使所述压电振动片振荡的振荡电路的输入信号和来自VCO的输出信号之间的相位差对应的偏差信号；

环路滤波器，其根据所述偏差信号来输出电压；以及

VCO，其根据所述电压生成频率，并作为所述输出信号输出，

所述测定信号输出电路输出所述电压，作为用于根据所述振荡电路的振荡频率的变化来测定质量的信号。

在这种情况下，上述压电振动片可采用在单面的激励电极上具有感应膜并用于在液体中进行测定的结构。此外，上述压电振动片可采用在两面或单面的激励电极上具有感应膜并用于在气体中进行测定的结构。此外，可以构成具有这些测定信号输出电路的测定装置。

从而，由电压控制振荡器、相位检测器、环路滤波器构成PLL电路，由于采用了在上述环路滤波器的输出端设置有输出端子的结构，因此，可以从输出端子取出环路滤波器所输出电压的一部分，该环路滤波器控制振荡电路的振荡频率使得在PLL电路中相位同步。根据从该输出端子输出的电压，可以求出上述振荡电路的振荡频率。因此，即使不用频率计数器也可以求出上述振荡电路的振荡频率，所以由于不使用频率计数器和高稳定振荡源，可使装置小型化，而且可以廉价地制造测定装置。

由于测定值是电压，通过观测该电压的变化，可以求出短时间内的频率变化。

此外，通过使上述振荡器和电压控制振荡器的温度特性匹配，可以容易地制造抗温度变化的稳定的装置。

此外，由于用感应膜在压电振动片的单面或两面上形成激励电极，因此，该测定装置无论在液体中还是在气体中都可以进行测定。

附图说明

图1是本实施方式的测定信号输出电路的方框图。

图2是表示由振荡电路检测出的频率的图。

图3是表示测定装置的方框图。

图4是***了本实施方式的分频器后的测定信号输出电路的说明图。

具体实施方式

以下，根据附图，对本发明的测定方法和测定信号输出电路及测定装置的具体实施方式进行说明。

图1是本实施方式的测定装置的方框图。该测定装置包括：振荡电路10，其使质量测定用振动片振荡；测定信号输出电路，其输出用于检测使上述质量测定用压电振动片振荡的振荡电路的振荡频率的信号。

质量测定用振动片(以下称为压电振动片12)具有在压电材料的两面形成激励电极、并在单面的激励电极上涂敷了感应膜的结构，或者在两面的激励电极上涂敷了感应膜的结构。并且，在液体或气体中使用在单面的激励电极上涂敷了感应膜的压电振动片12，在气体中使用在两侧面的激励电极上涂敷了感应膜的压电振动片12。此外，压电振动片12可由石英晶体振动片等压电材料构成。使该压电振动片12振荡的振荡电路10具有用于将压电振动片12的振荡频率作为输入信号输出到测定信号输出电路的相位比较器22的未图示的装置。

用于检测质量测定用振动片的振荡频率的测定信号输出电路由相位同步电路20(以下称为PLL电路)构成，由相位比较器22、环路滤波器24、VCO26构成。相位比较器22的输入端连接到上述振荡电路10和VCO26的输出端。该相位比较器22的输出端连接到环路滤波器24的输入端，环路滤波器24的输出端连接到VCO26的输入端。此外，还具有将从VCO26输出的信号反馈到相位比较器22的反馈环路28，PLL电路20作为整体构成封闭电路。此外，在PLL电路20内，设置有用于输出由环路滤波器24所输出的电压的输出端子30，将缓冲电路32连接到该输出端子30上。

相位比较器22求出由VCO26输出的输出信号、与将压电振动片12的振荡频率从振荡电路10输出的输入信号之间的相位差，将与该相位差对应的偏差信号输出到环路滤波器24。该环路滤波器24在去除了上述偏差信号的高频分量和噪音后，将平滑化了的直流电压输出到VCO26中。VCO26将基于上述平滑化电压的频率作为输出信号，输出到相位比较器。并且VCO26可以在包含上述压电振动片12的振荡频率的、测定所需的频率范围内振荡。

在具有对这样构成的质量测定用振动片的振荡频率进行检测的测定信号输出电路的测定装置中，根据测定质量的压电振动片12的振荡频率变化来测定质量的测定方法如下。

图2中示出使压电振动片12浸渍在溶剂中，将检测对象物质放入该溶剂后的压电振动片12的振荡频率的变化。首先，将作为测定传感器的压电振动片12浸渍在溶剂中，通过振荡电路10使压电振动片12振荡。此时，压电振动片12的振荡频率比空气中的基准频率低。其次，使压电振动片12振荡直到稳定为止后，将检测对象物质放入浸渍有压电振动片12的上述溶剂中。该检测对象物质扩散到溶剂中，一部分吸附到压电振动片12的上述激励电极上。此时，压电振动片12的振荡频率因上述检测对象物质的吸附而降低，随着吸附量的增加，振荡频率也变低。

此时的压电振动片12的振荡频率作为输入信号，通过振荡电路10输入到PLL电路20的相位比较器22。此外，相位比较器22被输入VCO26的输出信号。进而，比较上述输入信号与上述输出信号的相位，将与该相位差对应的偏差信号输出到环路滤波器24。环路滤波器24去除上述偏差信号的高频分量和噪音，作为平滑化后的直流电压，输出到VCO26。VCO26根据上述直流电压进行振荡，为了减小与上述输入信号的相位差，将电压控制后的频率作为输出信号输出。该输出信号通过反馈环路28反馈到相位比较器22。

此外，从环路滤波器24输出的上述直流电压的一部分被施加到位于环路滤波器24输出端的输出端子30上。由于PLL电路20是与上述输入信号相位同步地动作的电路，因此上述输入信号与上述偏差信号相关，测定从输出端子30输出的电压的变化量并进行积分，就可以换算为压电振动片12的振荡频率的变化量。从而，如果在上述输出端子30处测定从相位同步电路20的环路滤波器24输出的上述直流电压，就可以求出在上述压电振动片12上吸附检测对象物质所引起的振荡频率发生的变化，并且根据从输出端子30所输出的电压的变化量，可以换算已转换为频率的上述溶液的检测浓度等。并且，将缓冲电路32连接到输出端子30上，通过电压计或万用表等得到从该缓冲电路32输出的电压，能够得到压电振动片12的频率变化。

根据这样的实施方式，由于通过PLL电路20，使因在压电振动片12上吸附检测对象物质而变化的振荡频率相位同步，因此，输入到相位比较器22的来自振荡电路10的输入信号、与从环路滤波器24输出的平滑化后的直流电压具有相关性。因此，通过读取从环路滤波器24输出的上述直流电压的变化量，可以读取压电振动片12的振荡频率的变化。由于能够用电压计或万用表等读取从上述环路滤波器24输出的电压，因此不必使用频率计数器，可以使质量测定用振动片的测定装置价格低而且小型化。

此外，为了提高在压电振动片12上吸附了检测对象物质后的灵敏度，虽然只要提高压电振动片12的基准频率即可，但质量测定用振动片的测定装置的电路就需要处理高频信号。在用本实施方式处理高频信号的情况下，由于只由PLL电路20处理高频信号，因此只对PLL电路20进行高频对应，而缓冲电路32以后的计测器不必进行高频对应。从而，就很难受到来自外部的电场或感应的影响。因此，可以使质量测定用振动片的测定装置小型化，不必如现有例的情况那样使作为测定器的频率计数器和振荡电路的阻抗匹配。此外，由于处理低频信号的电路没有必要进行高频对应，因此可以用低价格制造质量测定用振动片的测定装置。而且，与在整个测定装置上处理高频信号的情况相比，SN比(信噪比)不变差。

此外，如图4所示，为了提高灵敏度，只要提高压电振动片12的基准频率，将该频率进行分频来降低频率后输入到PLL电路20即可。将振荡电路10和相位比较器22通过它们之间配置的分频器35连接起来。将VCO26和相位比较器22通过它们之间配置的分频器36连接起来。

用分频器35对振荡电路10输出的频率进行分频，作为更低的频率输入到相位比较器22，此外，用分频器36对VCO26输出的频率进行分频，作为更低的频率输入到相位比较器22。通过调整分频器35和分频器36的分频比，即使振荡电路10的频率高，也可以降低PLL电路20的工作频率，可以实现不受高频噪声影响且小型低价的装置。

此外，在本实施方式中，在用PLL电路20的环路滤波器24所限制的频带范围内，可以检测高速的频率变化，可以计测在非常短的时间内，例如0.1秒内发生的频率变化。

此外，包含振荡电路10的PLL电路20是小规模电路，因为由该电路输出的信号是低频带的电压，所以在该电路和与其连接的电压计或万用表等的连接中不必考虑阻抗匹配等，可以任意设定该电路与电压计或万用表等之间的距离。因此，配置该电路的位置的自由度变高，此外也很方便。

此外，通过调整环路滤波器24和VCO26的环路滤波特性，可以容易地去除振荡电路10发生的频率跳变，可以提高测定的信噪比。

在本实施方式中，对在PLL电路20中用VCO26作为使相位同步的振荡器的结构进行了说明，但也可以利用电压控制石英晶体振荡器或电压控制表面声波振荡器，可以进行更稳定的PLL电路20的相位同步。

此外，在振荡电路10和VCO26中，可以设置温度传感器和温度补偿电路，形成对振荡电路10和VCO26的温度特性进行校正的结构。此外，由于通过使振荡电路10和VCO26的温度特性匹配，各振荡器随周围温度变化的频率变化相同，因此PLL电路20的环路滤波器输出不变化。从而，振荡电路10和VCO26不受周围温度的影响，不必将检测电路设置在恒温环境内。

此外，可以将频率变化量运算部40连接到PLL电路20的输出端子30上。这时的框图表示在图3中。该频率变化量运算部40具有：A/D转换器41，其将缓冲电路32的输出信号从模拟量转换为数字量；中央运算装置(CPU)42，其对转换为数字量的信号进行运算；存储器43；输入输出装置(I/O)44；显示器45；计时功能46；基准电压控制47，其形成频率变化量运算部40的基准电压。而且，还具有：D/A转换器48，其将运算后的输出信号从数字量转换为模拟量；输出放大器49，其将该信号放大。

通过这样的结构，从缓冲电路32输出的电压信号可以通过A/D转换器4 1转换为数字信号后被运算，并将该运算结果显示在显示器45上，存储在存储器43中，通过I/O44输入输出到其它装置等。此外，可以通过D/A转换器48将该运算结果转换为模拟信号，并通过输出放大器49输出。从而，由于缓冲电路32的输出是电压，因此能够容易地进行A/D转换，可以简单地构成对计测结果进行运算的集成***，可以廉价地构成时间分辨率很高且具有高精度的测定装置。

此外，本实施方式中的质量测定用振动片的测定方法和测定装置，例如可以应用在粘度/密度计、水分传感器、气味传感器、以及离子传感器中。首先，对作为粘度/密度计利用时的测定原理进行说明。AT切割压电振动片沿其表面作厚度剪切振动。当将该AT切割压电振动片浸渍在液体中使其振荡时，其与液体间产生剪切应力。因此，根据牛顿的粘度公式和石英晶体振子的振动公式，可以导出用液体粘度表示频率变化量的下式：

ΔF = - F^{\frac{3}{2}} \cdot {(\frac{{ηρ}_{L}}{πμρ})}^{\frac{1}{2}}

此处，ΔF表示压电振动片的频率变化量，F表示压电振动片的频率，η表示液体粘度，ρ_L表示液体密度，μ表示压电材料的弹性率。根据上式，若将液体的粘度η或液体的密度ρ_L中的任意一方设为恒定，则任意另一方与谐振频率的变化量一一对应。从而，通过测定谐振频率的变化量，就可以求出液体的粘度变化或液体的密度变化。

此外，当作为气味传感器利用时，只要在压电振动片的表面上形成选择性地吸收气味物质的感应膜即可。此外，当作为水分传感器利用时，只要在压电振动片的电极上形成吸收膜即可。此外，当作为离子传感器利用时，仅使压电振动片的一个电极接触检测体溶液，将其作为作用电极，利用将银-氯化银电极或白金线作为对电极的电解单元，在某个电场电压下，进行一定时间的电极沉积。可以根据由此产生的压电振动片的频率变化量对检测体溶液中的离子进行定量分析。

Claims

1.一种测定方法，根据质量测定用压电振动片的振荡频率的变化来测定质量，其特征在于，

根据所述电压来测定质量。

2.一种测定信号输出电路，输出用于根据质量测定用压电振动片振荡的振荡电路的振荡频率的变化来测定质量的信号，其特征在于，具有：

环路滤波器，其根据所述偏差信号来输出电压；以及

VCO，其根据所述电压生成频率，并作为所述输出信号输出，

3.如权利要求2所述的测定信号输出电路，其特征在于，

所述压电振动片在单面的激励电极上具有感应膜，用于在液体中进行测定。

4.如权利要求2所述的测定信号输出电路，其特征在于，

所述压电振动片在两面或单面的激励电极上具有感应膜，用于在气体中进行测定。

5.一种测定装置，其特征在于，

具有如权利要求2至4的任意一项所述的测定信号输出电路。