悬臂型探测器以及使用该探测器的物质探测系统和物质探测方法

专利名称：悬臂型探测器以及使用该探测器的物质探测系统和物质探测方法
技术领域：
本发明涉及悬臂型探测器以及使用该探测器的物质探测系统和物质探测方法。
背景技术：
最近，主要在生命科学领域，对于探测微小物质如蛋白、细胞、病毒和细菌出现了 日益增加的需要，并且已经开发出用于探测这些微小物质的多种装置和方法。已经商业化、高度敏感性的检测方法包括光学技术如利用表面等离激元 (Plasmon)共振的SPR(表面等离激元共振)测量法。已经提出了使用悬臂型探测器的检 测装置，以从悬臂中的偏移量或其振动的数量检测微小物质(参见JP 2004-506872A和JP 2005-156526A)。JP 2004-506872A描述了具有测量悬臂和对比悬臂的探测器系统，所述测量悬臂 具有对于涂覆到其一个表面上的对象物质敏感的涂层，而所述对比悬臂具有对于涂覆到其 一个表面上的对象物质不敏感的涂层。在此探测器系统中，将两个悬臂在对比步骤中暴露于对比液体，而在检测步骤中 暴露于具有对象物质的对比液体；在对比步骤和检测步骤中，探测器系统检测测量悬臂和 对比悬臂的偏移之差。JP 2004-506872A还描述了使用光学探测器以检测此偏移的方法。JP 2005-156526A描述了具有悬臂的悬臂探测器型分析器系统，在悬臂中，驱动膜 和电热垫重叠在上表面上，而由对将要测量的物质具有反应性的物质形成的分子识别层重 叠在下表面上。在此系统中，反应性物质粘附到悬臂中的分子识别层上，于是其由驱动膜振动，并 且由此得到频率用电热垫探测，以检测共振频率。将探测的共振频率与在没有将反应性物 质粘附到分子识别层上的情况下已经测量的共振频率值比较，由此检测粘附到分子识别层 上的反应性物质的质量。Nature, vol. 446，1066-1069页(2007)描述了悬臂型探测器，其具有安置在悬臂 中的通道，并且由此将要测量的液体或含有将要测量的对象的液体流动通过通道，以测量 正在测量的对象的质量。

发明内容
如在JP 2004-506872A和JP 2005-156526A中所述的系统中，在悬臂的一个表面 上吸附物质的方法所具有的问题在于，由于悬臂被放置于流体中，其机械品质因数Q劣化， 从而降低测量的敏感性。作为再一个问题，将要测量的对象通过抗原-抗体反应选择性地吸附，但是非特 异性吸附的发生阻止了测量中的更高精度。另一方面，如在Nature，vol. 446，1066-1069页(2007)中所述，在悬臂内形成通道 能够使悬臂在空气中振动，并且可以实现的机械品质因数Q高于当其在溶液中被振动时的机械品质因数Q。作为进一步的益处，可以在没有感兴趣的物质吸附在悬臂上的情况下，因而在没有发生非特异性吸附的情况下进行测量。但是，在Nature，vol. 446，1066-1069页(2007)中所述的悬臂涉及笨大的问题，原 因在于装置使用通过静电系统振动悬臂的驱动机械装置和用光学探测器检测偏移的检测
器部ο本发明是旨在解决现有技术的上述问题而完成的，并且本发明的第一个目的在于 提供一种悬臂型探测器，其具有测量精度高的特征并且是紧凑和更低成本的。本发明的另一个目的在于提供一种使用该探测器的物质探测系统。本发明的再一个目的在于提供一种使用该探测器的物质探测方法。本发明的第一个目的可以由其第一方面实现，所述的第一方面提供一种悬臂型探 测器，所述的悬臂型探测器用于在液体中含有将要测量的物质时检测该物质，包括悬臂， 所述悬臂至少在一端被固定到支撑部上并且其内形成有通道；压电设备，所述压电设备由 压电元件和在所述压电元件的相反侧上形成的电极部构成并且安置在所述悬臂的至少一 侧上；驱动部，所述驱动部将电压施加给所述压电设备的所述电极部，以使所述悬臂振动； 检测部，所述检测部由所述压电设备的膨胀或收缩检测所述悬臂的振动；和液体供应装置， 所述液体供应装置用于使所述液体流动通过在所述悬臂中的所述通道。考虑到提高压电特性，压电元件由含Pb的钙钛矿型晶体的组合物制成。考虑到环 境保护，压电元件由无Pb的钙钛矿型晶体的组合物制成。上面所指的无Pb组合物是Pb含 量不超过0. 1重量％的组合物。优选所述悬臂仅一端被固定到所述支撑部上。还优选所述悬臂的两端都被固定到 所述支撑部上。本发明的第二个目的可以由其第二方面实现，所述的第二方面提供一种物质探测 系统，其包括上述的悬臂型探测器；频率计算部，所述频率计算部由所述检测部检测的值 计算悬臂的第一共振频率；和探测部，所述探测部将由所述频率计算部计算的第一共振频 率与将不含所述将要测量的物质的液体流过所述通道时的所述悬臂的第二共振频率进行 比较，并且所述探测部依赖比较的结果以探测在所述将要测量的物质在所述通道内时的该 物质。优选探测部依赖比较的结果以探测被测量的物质的质量。还优选探测部依赖比较的结果以探测被测量的物质的存在或不存在。本发明的第三个目的可以由其第三方面实现，所述的第三方面提供一种用于探测 在液体内的待测量物质的物质探测方法，所述方法包括将液体流过在悬臂内形成的通道， 所述悬臂具有安置在其至少一侧上的压电设备；对所述压电设备施加电压，使得所述压电 设备膨胀或收缩，以在所述液体正流过通道时振动所述悬臂；用所述压电设备检测所述悬 臂的振动；在所述液体正流过通道时，由所检测的振动检测所述悬臂的第一共振频率；将 所检测的第一共振频率与将不含所述将要测量的物质的液体流过所述通道时的所述悬臂 的第二共振频率进行比较；和由比较的结果探测将要测量的物质。在物质探测方法中，优选由比较的结果探测被测量的对象的质量。根据本发明，可以通过将液体流动通过在悬臂内形成的通道，进行探测，因此可以 在空气中振动悬臂；此外，可以在将要测量的对象在其没有吸附到悬臂上的情况下流动通过通道时，进行探测，因此可以在没有发生非特异性吸附的情况下实现探测。这有助于更高 的测量精度。 作为再一个益处，压电设备可以执行两个功能，振动悬臂和检测其振动；这有助于 简化装置的构造和减小其尺寸。由于可以简化装置的构造和减小其尺寸，可以使整个系统容易地被改造以具有阵 列构造。


图1是显示使用根据本发明第一方面的悬臂型探测器的根据本发明第二方面的 物质探测系统的图解构造的示意图。图2是图解地显示悬臂和支撑部如何一起形成图1中所示的悬臂型探测器的主体 的透视图。图3A是通过在图1中所示的物质探测系统中使用的悬臂型探测器的主体顶侧的 剖面。图3B是通过在图1中所示的物质探测系统中使用的悬臂型探测器的主体侧面的 剖面。图4是图示根据本发明第三方面的物质探测方法的一个实例的流程图。图5是图示根据本发明第三方面的物质探测方法的同一实例的流程图。图6是图示根据本发明第三方面的物质探测方法的另一个实例的流程图。图7是显示根据本发明第一方面的悬臂型探测器的另一个实例的图解构造的顶 视图。图8A至8K顺次显示在用于制备根据本发明第一方面的悬臂型探测器的主体的方 法中的步骤。
具体实施例方式下面参考在附图中所示的实施方案详细描述根据本发明第一方面的悬臂型探测 器、根据本发明第二方面的使用该悬臂型探测器的物质探测系统和根据本发明第三方面的 使用该悬臂型探测器的物质探测方法。图1是显示使用根据本发明第一方面的悬臂型探测器的根据本发明第二方面的 物质探测系统的图解构造的示意图；图2是图解地显示悬臂和支撑部如何一起形成图1中 所示的悬臂型探测器的主体的透视图；图3A是通过在图1中所示的悬臂型探测器的主体顶 侧的剖面；和图3B是通过在图1中所示的悬臂型探测器的主体侧面的剖面。如图1中所示，总体上由10表示的物质探测系统包括悬臂型探测器12、频率计 算部14和质量计算部16 ；悬臂型探测器12如此改造以使含有将要测量的对象的液体在悬 臂内流动，所述悬臂的共振频率在将要测量的对象在其内部流动时改变；频率计算部计算 悬臂型探测器12的共振频率；并且依赖于在频率计算部14中计算的共振频率，质量计算部 16计算被测量的对象的质量。如上所指的将要测量的对象是微小物质，其由蛋白、细胞、病毒、细菌、纳米粒子、 珠粒等示例。
用于含有将要测量对象的液体不以任何特别的方式受到限制，并且可以由水、醇 等示例。首先描述悬臂型探测器12。悬臂型探测器12包括主体20，信号源22，混频器24， 分路滤波器26，检波器28和液体供应/回收部30。如图2、3A和3B中所示，主体20具有悬臂32，支撑悬臂32 —端的支撑部34和安置在悬臂32顶侧的压电设备36。悬臂32是在一端由支撑部34支撑的横梁。支撑部34是支撑悬臂32 —端的底座， 并且它与悬臂32 —体形成。悬臂32和支撑部34具有在它们的内部形成的通道38。如图2中所示，通道38开始于支撑部34并且通过悬臂32的基端以延伸到其远端， 在此它改变其方向并且返回到悬臂32的基端并且通过支撑部34。简言之，通道38中的在悬臂32内形成的部分以U型形成，S卩，它在远端在相反的 方向上返回。通道38中的在支撑部34内形成的部分由两个子通道形成，它们连接到在悬 臂32的基端部运行的两个子通道。运行通过支撑部34的两个子通道38中的每个连接到 稍后描述的液体供应/回收部30。压电设备36安置在悬臂32的顶侧，并且包含下电极40，压电元件42，上电极44， 保护层46，以及拾波电极48和50。下电极40是安置在悬臂32顶侧的板形电极。下电极40经由拾波电极48连接到 稍后描述的混频器24上。上面所指的下电极40可以由各种材料制备，所述的材料包括例如金属如Au，Pt和 Ir，金属氧化物如IrO2, RuO2, LaNiO3和SrRuO3,以及它们的组合。形成在下电极40上的压电元件42是在从上电极44至下电极40 (在图3B中从顶 部到底部)的方向上具有一定厚度的构件。压电元件42由这样的材料形成，所述的材料响 应施加的电压变化而膨胀或收缩，或在其膨胀或收缩时输出规定的电压；在考虑中的实施 方案中，压电元件42由作为主要成分的PbxByOz形成，其中x，y和ζ各自是任何实数，B是B 位元素，其是选自 Ti，Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe 和 Ni 中 的至少一个成员。对于压电元件的一个标准情况是，χ = y = 1和ζ = 3，但是χ和y可以 改变，以取在可以实现钙钛矿结构的范围内的各种其它值。如果压电元件由作为主要成分 的PbxByOzB成，则其压电特性如压电系数可以通过将其设计成具有钙钛矿结构而提高。这 提供了响应仅施加小的电压而使显著的膨胀和收缩发生的益处。如上所指的压电元件42优选含有作为主要组分的锆酸钛酸铅(PZT)，其中ττ和 Ti是B位元素。使用PZT作为主要组分有助于增强的压电特性和比较低的价格。压电元件的材料不限于锆酸钛酸铅(PZT)，并且它可以使用其它含铅化合物如钛 酸铅，锆酸铅，钛酸镧铅，锆酸钛酸镧铅和铌酸镁铅钛酸锆。在考虑中的实施方案中，将PbxByOz用作压电元件42的主要组分，但是需要时，也 可以使用在所谓的A位不具有铅的化合物，并且实例包括钛酸钾铋，铌酸钠，铌酸钾，铌酸 锂，铁酸铋以及它们的固溶体。在压电元件由上述组合物形成的情况下，再次优选将其改造，以具有钙钛矿结构。 改造成具有钙钛矿结构的组合物形成压电元件有助于增强的压电特性。
使用由具有钙钛矿结构的含Pb组合物形成的压电元件有助于再增强的压电特性，而如上所述使用由具有钙钛矿结构的无Pb组合物形成的压电元件有助于环境保护。如 上所指的无Pb组合物是这样的组合物，即Pb含量不超过0. 1重量％，并且这可以由上面所 列出的各种材料示例。如上所述，优选使用具有钙钛矿结构的压电元件，但本发明不限于此特殊的情况， 并且还可以使用由氧化锌(ZnO)，氮化铝(AlN)和五氧化二钽(Ta2O5)制备的压电元件。如上所指的压电元件42可以由各种方法制备，所述的方法包括本体烧结，丝网 印刷和旋涂，但是优选通过气相生长技术制备压电元件。具体地，优选由各种气相生长技 术制备压电元件，包括采用等离子体的气相生长技术和如由溅射、离子束溅射、离子电镀、 PLD(脉冲激光沉积)和CVD(化学气相沉积)示例的采用光、热等的气相生长技术。气相生长技术能够使压电元件在不进行退火或任何其它额外处理的情况下制备， 因此可以防止铅损和其它问题，以确保形成均勻的压电元件。上电极44也是板形电极，其安置在压电元件42远离安置下电极40侧的一侧。换 言之，上电极44和下电极40以使得它们将压电元件42保持在之间的方式安置。上电极44 经由拾波电极50连接到稍后描述的混频器24。上电极44可以由各种材料形成，所述材料包括例如金属如Au，Pt和Ir，金属氧化 物如IrO2, RuO2, LaNiO3和SrRuO3，通常在半导体工艺中采用的电极材料如Al，Ta，Cr和Cu， 以及它们的组合。需要时，为了对压电元件具有更好的粘附，上电极44可以具有多层结构，包括叠 置的粘合剂层和电极层。最后，保护层46由绝缘材料如SiO2形成并且覆盖下电极40、压电元件42和上电 极44除了安置拾波电极48和50之外的所有暴露区域。通过提供保护层46，下电极40、压 电元件42和上电极44中没有区域保留暴露，因此防止了事故如放电和漏电的发生。上述是悬臂型探测器12的主体20的基本构造。下面描述信号源22 ；这是用于施加电压的电源并且基经由混频器24连接到在压 电设备36中的下电极40和上电极44。将混频器24连接到压电设备36，信号源22和分路滤波器26。混频器24给压电 设备36供应从信号源22输出的电压，并且将还给分路滤波器26供应从压电设备36输出 的电压。分路滤波器26从混频器24接收已经响应在悬臂32振动时压电设备36中的压电 元件42经受的变形而产生的电压；分路滤波器26将接收的电压分成频率成分。将来自分路滤波器26的各个频率成分的输出供给到检波器28中，所述的检波器 28计算每个频率成分的强度和其它参数。液体供应/回收部30连接到运行通过支撑部34的通道38的两个子通道中的每 一个的一端，使得它将液体供应到通道38中，并且在液体流动通过通道38后将其回收。如上所指的液体供应/回收部30供应两种液体，一种含有将要测量的对象，并且 另一种不含有它。将不含将要测量的对象并且将稍后描述的第二种液体用来计算用于探测 被测量的对象的质量的对比值。上述是悬臂型探测器12的基本构造。
频率计算部14基于如由检波器28检测的值计算悬臂32的共振频率。质量计算部16将悬臂32的共振频率与在不含将要测量的对象的液体流动通过通 道38时从悬臂32初步检测到的共振频率进行比较，然后它基于两种共振频率之间的差别 计算被测量对象的质量。下面描述根据本发明第三方面的使用物质探测系统10的物质探测方法。图4和5各自是显示本发明的物质探测方法的一个实施方案的流程图。在将物质作为将要测量的对象探测时，物质探测系统10检测在不含作为将要测 量的对象的物质的液体流动通过通道时所发生的悬臂的共振频率。首先，使不含将要测量的对象的液体从液体供应/回收部3 0流入到通道38中，以 建立其中不含将要测量的对象的液体流动通过在悬臂32中的通道38的状态(步骤S12)。然后，液体流动通过的悬臂32由压电设备36振动(步骤S14)。具体地，规定电势 的脉冲波在信号源22中产生并且经由混频器24被施加在压电设备36中的上电极44上。 注意，将固定电压施加给下电极40。在将电压由此施加给下电极40和上电极44的情况下， 在压电元件42中出现电势差，从而使其膨胀或收缩。由于压电元件42膨胀或收缩，将力作 用于悬臂32上，从而使其偏移一定的量。然后，悬臂32进行阻尼振动，直到它返回到初始 位置(即，偏移前的位置)。然后由悬臂32的振动计算其共振频率(步骤S16)。计算的具体程序如下。作用于压电元件42上的力使悬臂32振动。当悬臂32振动时，安置在悬臂32顶 侧的压电元件42也膨胀或收缩。压电元件42通过膨胀或收缩(即，在其变形时)产生电压。在压电元件42中产生的电压由下电极40和上电极44检测，并且经由混频器24 送到分路滤波器26。分路滤波器26将来自混频器24的变化电压分成频率成分并且将它们 送到检波器28。检波器28检测相应的频率成分并且将检测的结果送到频率计算部14。依赖于如在检波器28中检测的悬臂32振动的频率成分，频率计算部14计算悬臂 32的共振频率。这是如何在不含将要测量的对象的液体流动通过通道38时计算悬臂32的共振频率。在下一个步骤中，计算被测量的对象的质量。首先，使含有将要测量的对象的液体从液体供应/回收部30中流入到通道38 中，以建立其中含有将要测量的对象的液体流动通过在悬臂32中的通道38的状态(步骤 S22)。然后，液体流动通过的悬臂32由压电设备36振动(步骤S24)。具体地，如在上述 步骤S14中，将规定电压施加到压电设备36中的上电极44，从而引起压电元件42膨胀或收 缩，由此振动悬臂32。然后由悬臂32的振动计算其共振频率(步骤S26)。具体地，如在上述步骤S16 中，悬臂32的振动由压电设备36检测并且通过混频器24，分路滤波器26和检波器28，以 检测悬臂振动的相应频率成分。然后，频率计算部14由如在检波器28中检测的悬臂32振 动的频率成分计算悬臂32的共振频率。这是如何在含有将要测量的对象的液体流动通过通道38时计算悬臂32的共振频率。随后，计算在含有要测量的对象的液体流动通过通道38的同时在步骤S26中检测 的悬臂32的共振频率与在不含要测量的对象的液体流动通过通道38的同时在步骤S16中 检测的悬臂32的共振频率之间的差值(步骤S28)。具体地，在质量计算部16，将如步骤S26中检测的共振频率与如步骤S16中检测的 共振频率进行比较，并且计算两种共振频率之间的差值。然后，由计算的共振频率差值检测被测量的对象的质量(步骤S30)。具体地，依赖于如在步骤S28中计算的差异共振频率，质量计算部16计算在流动 通过悬臂32中的通道38的液体中含有的被测量的对象的质量。这是如何计算被测量的对象的质量。如上所述，在悬臂中安置通道，并且含有将要测量的对象的液体流动通过通道，以 测量将要测量的对象的质量；这能够使悬臂在空气中振动。结果，与将悬臂放置在液体中并 且在其在将要测量的对象保持附着到悬臂表面上的同时振动时探测将要测量的对象的质 量的情况相比，可以提高机械品质因数Q。此外，将要测量的对象不需要附着到悬臂上，这有助于防止非特异性吸附的发生； 更甚者，甚至可以探测不能附着到悬臂上的那些微小物质，从而能够探测更多种类的微小 物质。作为再一个益处，通道的内部可以由简单程序清洁，以除去残余的微小物质，所以 可以通过简单的清洁程序将悬臂利用多于一次，并且更甚者，在前一周期中探测的将要测 量的对象保留未被除去的可能性得到充分地降低，从而提高测量精度。再此外，通过利用压电设备不仅使悬臂振动而且检测其振动，S卩，通过使压电设备 同时负责悬臂的振动及其振动的检测，可以使装置紧凑并且更低成本，并且可以简化其构 造。由于以低成本制造所述装置，因此可以改造成一次性的。在上面的实施方案中，在初始步骤中确定不含将要测量的对象的液体的共振频 率，但是这不本发明的唯一情况。在下面的篇幅中，参考图6描述测量方法的另一个实例。图6是用于图示根据本发明第三方面的物质探测方法的另一个实例的流程图。在 此实施方案中使用的含有将要测量的对象的液体是具有低含量的将要测量的对象的液体 并且对此存在两种情况，一种是将要测量的对象流动通过在悬臂32中的通道38的情况，而 另一种是其不流动的情况。首先，含有将要测量的对象的液体从液体供应/回收部30流入到通道38中，以建 立其中含有将要测量的对象的液体流动通过在悬臂32中的通道38的状态(步骤S22)。然后，液体流动通过的悬臂32由压电设备36振动(步骤S24)。具体地，如在上述 步骤S14中，将规定电压施加给在压电设备36中的上电极44，以使压电元件42膨胀或收 缩，由此振动悬臂32。
然后，悬臂32的共振频率由其振动计算(步骤S26)。具体地，如在上述步骤S 16 中，悬臂32的振动由压电设备36检测并且通过混频器24，分路滤波器26和检波器28，以 检测悬臂振动的相应频率成分。然后，频率计算部14由如在检波器28中检测的悬臂32振 动的频率成分计算悬臂32的共振频率。这是如何在含有将要测量的对象的液体流动通过通道38时计算悬臂32的共振频率。随后，进行检查，以发现从测量开始是否已经经过了规定的时间(即，预设的任何 时长)(步骤S40)。如果没有经过规定时间，S卩，在经过规定时间之间，将过程返回到步骤S24，并且再次振动悬臂32，并在含有将要测量的对象的液体流动通过通道38时，计算悬臂32的共振频 率。换言之，重复共振频率的检测，直到经过规定的时间。另一方面，如果在步骤S40中发现已经经过了规定的时间，则过程到步骤S42。如果从测量开始已经经过了规定时间，则依赖其中含有将要测量的对象的液体流动通过通道38的悬臂32的共振频率(如通过多次重复步骤S24和S26直到经过规定时 间而检测的)，以检测具有与其它部分不同的共振频率的部分(其以下有时也称作“变化部 分”)(步骤S42)。具体地，如由多于一次检测的共振频率根据将要测量的对象是否流动通过通道38 而变化；因此，将如由多于一次检测的共振频率分成两个部分，一个部分是将要测量的对象 流动通过通道的同时已经检测的部分，而另一部分是将要测量的对象没有流动通过通道的 同时已经检测的部分。然后，将要测量的对象流动通过通道的同时已经检测的共振频率被 检测为共振频率的变化部分。随后，由检测的、共振频率的变化部分与共振频率的其它部分之间的差值，探测被 测量的对象的质量(步骤S44)。具体地，计算在将要测量的对象流动通过通道的同时检测的共振频率与其中不含 将要测量的对象的液体流动通过通道38的悬臂32的共振频率之间的差值，并且由差异共 振频率，计算在流动通过悬臂32中的通道38的液体中含有的被测量的对象的质量。这是可以用来计算被测量的对象的质量的另一种方式。如上所述，将要测量的对象的质量可以通过在含有将要测量的对象的液体流动时 多于一次检测共振频率并且通过然后计算共振频率的差值进行检测。因此，即使在仅有一种液体流动的情况下，也可以由多于一次的共振频率检测得 到的共振频率差值，检测将要测量的对象的质量。这里应当注意，在由多于一次的共振频率 检测得到的共振频率差值检测将要测量的对象的质量的情况下，优选使用具有低含量的将 要测量的对象的液体。具体地，优选的液体是这样的，即，在悬臂内的通道中将出现两种不 同的状态，一种是将要测量的对象流动的状态，而另一种是不流动的状态，即是将要测量的 对象的数量小于单位元素(unity)/在悬臂内的通道的容量这样的液体。在一种备选的情况中，可以将共振频率检测多于一次，而不管将要测量的对象是 否流动通过悬臂中的通道，并且将结果分成三种情况，第一种情况是一个将要测量的对象 流动通过悬臂，第二种情况是两个将要测量的对象流动，而第三种情况是三个对象流动；然 后依赖相应情况之间的差别，检测被测量的对象的质量。在上面所述的具体实施方案中，悬臂振动一次用于检测共振频率一次；但是这不 是本发明的唯一情况，并且可以将悬臂振动和检测共振频率的时机以任何需要的方式设定。在上面所述的具体实施方案中，重复检测共振频率，直到达到规定的时间；但是， 检测共振频率的次数和用以确定检测终点的标准不限于上述方式，并且可以采用下列备选模式中的一种检测共振频率预定次数；重复检测共振频率，直到液体已经完成流动之后； 或重复检测共振频率，直到发出操作者指令。上面所述的具体实施方案关注仅一个悬臂的使用，但是需要时，可以如图7中所示安置多于一个的悬臂，其中将主体70改造，使得在支撑部72设置多个悬臂32。使用多个悬臂能够更精确地探测将要测量的对象。此外，在悬臂的序列中，可以逐渐改变实验条件，由此能够探测作为将要测量的对象的物质的变化。即使在安置多个悬臂的情况下，也可以通过为每个悬臂安置的单个压电设备进行 它们的振动和得到的振动的检测，因此，可以实现紧凑装置。这能够使悬臂以高密度布置， 并且更甚者，可以容易地布置它们以形成阵列构造。如果将要安置多个悬臂，则优选将相邻悬臂中的通道连接在一些。换言之，优选将 一个悬臂的出口通道连接到相邻悬臂的进口通道。通过连接相邻悬臂中的通道，可以多次测量同一个将要测量的对象。这可以允许 更精确的探测。需要时，可以在不同的条件下(如在液体性质变化的情况下，或者在不同的温度 条件下)探测同一个将要测量的对象。在上述实施方案中，探测将要测量的对象的质量，但这不是本发明的唯一情况，并 且代替将要测量的对象的质量，可以探测它的存在或不存在。在此备选的情况中，不运行质 量计算(或探测)部以计算(或探测)将要测量的对象的质量，而是可以进行共振频率比 较，以探测将要测量的对象是否在悬臂中的通道中。在此情况下，不知是否含有将要测量的对象的液体流动通过悬臂中的通道，并且 将所述液体已经流动通过的悬臂的共振频率与不含将要测量的对象的液体流动通过的悬 臂的共振频率进行比较；如果存在共振频率的变化，则因此确定除了液体之外的某物进入 了通道。如上刚才所述，还可以利用本发明的物质探测方法检测将要测量的对象的存在或 不存在，并且由于特别高的测量精度，它甚至可以探测更微小物质的存在或不存在。在上述实施方案中，悬臂偏移，并且探测持续直到其返回到初始位置的阻尼振动 的频率，以由此探测悬臂的共振频率；但是，这不是本发明的唯一情况，并且可以逐渐地改 变由压电设备施加给悬臂的振动的频率，且由压电设备检测悬臂在施加的每个频率下的振 动，以检测悬臂的共振频率。在此情况下，将要施加的振动的频率可以通过改变从信号源施 加给压电设备中的上电极的电压的脉冲度来改变。在一个优选的实施方案中，悬臂型探测器安置有容器，所述的容器紧密地密封悬 臂，并且将其抽气，以确保悬臂处于低于大气压的压力下；在一个更优选的实施方案中，在 容器内产生真空。通过使悬臂在低于大气压的压力下振动，即在稀薄空气中振动，可以使机械品质 因数Q更高，因而可以使测量精度更高；悬臂在真空中的振动也有助于将测量精度提高到 一个甚至更高的水平。将要在悬臂内形成的通道的形状也不以任何特别的方式受到限制，并且它可以形 成运行通过悬臂的蜿蜒轨迹。需要时，可以跨过悬臂的厚度重叠在相反的方向上运行的通 道的两个节段。
压电设备将要放置的位置决不限于悬臂的顶侧，并且可以将它放置在悬臂的底 侧。由于悬臂可以通过更大幅度振动并且可以由主模式的振动探测共振频率，因此优选将 压电设备设置在悬臂具有最大表面积的一侧，这在考虑中的实施方案中是顶侧或底侧；如 果必要，压电设备可以设置在悬臂的侧面。此外，在不含将要测量的对象的液体流动通过通道的情况下检测悬臂的共振频率 的时机不以任何特别的方式受到限制，并且它可以每当在探测将要测量的对象之前检测， 或者它可以在将要测量的对象探测规定次数之后检测。如果在全部测量中使用同一种液 体，则可以采用在首次使用过程中探测的共振频率。 下面描述用于制备本发明的悬臂型探测器的方法。图8A至8K显示用于制备本发明的悬臂型探测器的主体的一个示例性方法中的步 骤次序。工艺开始的基板是其上重叠有Si层102、Si02层104和Si层106的S0I基板 100 (参见图8A)。将在S0I基板100中的Si层106干法蚀刻，以在其中形成通道108 (参见图8B)。随后，将其中重叠有Si层112和Si02层114的S0I基板110附着到S0I基板100 中的Si层106的表面上(参见图8C)。此处，以使得Si层106和Si层112粘合在一起这 样的方式组装S0I基板100和S0I基板110。附着的方法不以任何特殊的方式受到限制，并 且可以采用各种技术，如用粘合剂粘合。然后，将S0I基板110中的5102层114蚀刻并且抛光，以形成5102层114'(参 见图8D)。随后，在S0I基板110中的5102层114'的顶部上形成下电极116 (参见图8E)。 具体地，通过溅射、附着或一些其它的适宜方法，在Si02层114 ‘的顶部上安置金属如Pt或 Ti的膜，以形成下电极116。然后，在下电极116的顶部上形成压电元件118 (参见图8F)。在一个具体的实例中，使用PZT烧结体(sinter)作为被溅射的靶，以在下电极116 的顶部上形成PZT压电元件118。形成压电元件118的方法不限于溅射，并且可以将它附着 到下电极116上。随后，在压电元件118的项部上形成上电极120(参见图8G)。具体地，通过溅射、 附着或一些其它的适宜方法，在压电元件118的顶部上安置金属如Pt的膜，以形成上电极 120。然后，相继蚀刻3102层114'，Si层112，Si层106和5102层，以形成凹槽122 (参 见图8H)。此处，沿着下电极116的三个边(即，两个较长的平行边和一个较短的边)形成 凹槽122，以分开两个区域，一个用来形成悬臂，而另一个用来形成支撑部。不用来形成凹槽 122的一边提供悬臂和支撑部之间的接头。随后，在形成下电极116、压电元件118和上电极120的区域中及周围的区域中， 即在安置悬臂的区域和在对悬臂提供接头的一边上的支撑部中，形成保护层124(参见图 81)。具体地，通过溅射、等离子体增强的CVD或其它方式在形成下电极116、压电元件118 和上电极120的区域及周围区域的上表面上，形成Si02膜，由此形成保护层124。通过此保 护层124，覆盖下电极116、压电元件118和上电极120的暴露区域以变成电绝缘的。
然后，形成两个开口通过保护层124，使得它们中的一个到达下电极116上表面的 选定区域，而另一个开口到达上电极120上表面的选定区域。然后，在下电极116的上表面 上形成的开口中形成拾波电极126，并且在上电极120的上表面上形成拾波电极128 (参见 图 8J)。此处，形成两个开口通过保护层124的方法可以由蚀刻示例，并且形成拾波电极 126和128的方法可以由溅射示例。用来形成拾波电极的金属可以由Au示例。如此，形成了压电设备，其由下电极116，压电元件118，上电极120，保护层124，以 及拾波电极126和128构成。然后，从底侧(与Si层106相对的Si02层104的一侧)，干法蚀刻S0I基板100 中的Si层102，以形成开口 130(参见图8K)。通过在Si层102中形成开口 130，除接头中的以外，将包含Si02层和重叠的层的 支撑部与悬臂分开，所述的悬臂在另外区域中由Si层106，112和Si02层104，114'组成， 并且其中形成有通道108。上述是人们可以制造包含悬臂、支撑部和压电元件的主体的方式。然后，将液体供应/回收部，混频器及任何其它必要的组件连接到主体上，由此制 备本发明的悬臂型探测器。此处，可以将根据本发明第一方面的悬臂型探测器、根据本发明第二方面的使用 它的物质探测系统和根据本发明第三方面的使用它的物质探测方法用来分析和探测微小 物质，以用于如流动细胞计量术和新药开发中的筛选之类的应用。虽然上面已经详细地描述了根据本发明第一方面的悬臂型探测器、根据本发明第 二方面的使用它的物质探测系统和根据本发明第三方面的使用它的物质探测方法，但是应 当注意，本发明决不限于上述实施方案，并且可以在不离开本发明的精神和范围的情况下 进行各种改进和改变。例如，在上述实施方案中，将悬臂仅一端固定到支撑部上，但是可以将它在两端固 定。换言之，可以如此改造板形构件，使得其两端被固定到支撑部上。如果将悬臂型探测器 或横梁型探测器中的两端固定，则它不再是"悬臂"，并且其振动的幅度将变得更小，但是 另一方面，可以使其更耐久。在另一种变体中，通道可以是在相反的方向上没有地方弯曲的 直线，换言之，它可以简单地从板形元件和支撑部之间的一个接头延伸至另一个接头。改造 悬臂内的通道以确保这样的直线通道有助于防止其被感兴趣的物质堵塞，因此，在将探测 器利用多于一次的情况下，可以提高测量精度。
权利要求
一种悬臂型探测器，所述的悬臂型探测器用于在液体中含有将要测量的物质时检测该物质，包括悬臂，所述悬臂至少在一端被固定到支撑部上并且其内形成有通道；压电设备，所述压电设备由压电元件和在所述压电元件的相反侧上形成的电极部构成并且安置在所述悬臂的至少一侧上；驱动部，所述驱动部将电压施加给所述压电设备的所述电极部，以使所述悬臂振动；检测部，所述检测部由所述压电设备的膨胀或收缩检测所述悬臂的振动；和液体供应装置，所述液体供应装置用于使所述液体流动通过在所述悬臂中的所述通道。
2.根据权利要求1所述的悬臂型探测器，其中所述压电元件由含Pb的钙钛矿型晶体的 组合物制成。
3.根据权利要求1所述的悬臂型探测器，其中所述压电元件由无Pb的钙钛矿型晶体的 组合物制成。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的悬臂型探测器，其中所述悬臂仅一端被固定 到所述支撑部上。
5.根据权利要求1至3中任何一项所述的悬臂型探测器，其中所述悬臂的两端都被固 定到所述支撑部上。
6.一种物质探测系统，其包括根据权利要求1至5中任何一项所述的悬臂型探测器；频率计算部，所述频率计算部由所述检测部检测的值计算所述悬臂的第一共振频率；和探测部，所述探测部将由所述频率计算部计算的第一共振频率与将不含所述将要测量 的物质的液体流过所述通道时的所述悬臂的第二共振频率进行比较，并且所述探测部依赖 比较的结果以探测在所述将要测量的物质在所述通道内时的该物质。
7.根据权利要求6所述的物质探测系统，其中所述探测部依赖比较的结果以探测被测 量的物质的质量。
8.根据权利要求6所述的物质探测系统，其中所述探测部依赖比较的结果以探测被测 量的物质的存在或不存在。
9.一种用于探测在液体内的待测量物质的物质探测方法，所述方法包括将液体流过在悬臂内形成的通道，所述悬臂具有安置在其至少一侧上的压电设备； 对所述压电设备施加电压，使得所述压电设备膨胀或收缩，从而在所述液体正流过通 道时振动所述悬臂；用所述压电设备检测所述悬臂的振动；在所述液体正流过通道时，由所检测的振动检测所述悬臂的第一共振频率； 将所检测的第一共振频率与将不含所述将要测量的物质的液体流过所述通道时的所 述悬臂的第二共振频率进行比较；和 由比较的结果探测将要测量的物质。
10.根据权利要求9所述的物质探测方法，其中由比较的结果探测被测量的对象的质量。
全文摘要
悬臂型探测器在液体中含有将要测量的物质时检测该物质。探测器包括悬臂，所述悬臂至少在一端被固定到支撑部上并且其内形成有通道；压电设备，所述压电设备由压电元件和在所述压电元件的相反侧上形成的电极部构成并且安置在所述悬臂的至少一侧上；驱动部，所述驱动部将电压施加给所述压电设备的所述电极部，以使所述悬臂振动；检测部，所述检测部由所述压电设备的膨胀或收缩检测所述悬臂的振动；和液体供应装置，所述液体供应装置用于使所述液体流动通过在所述悬臂中的所述通道。悬臂型探测器具有测量精度高的特征并且是紧凑和更低成本的。
文档编号B81B3/00GK101802586SQ20088010680
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月10日 优先权日2007年9月13日
发明者坂下幸雄 申请人:富士胶片株式会社