专利名称：：Sc切石英微天平的制作方法
技术领域：
：本发明涉及石英微天平，特别涉及能够补偿因温度造成的频率变化，从而高精度地测量附着质量的改良后的石英微天平。
背景技术：
：利用石英振子的频率变化来检测微量质量的石英微天平(石英振子微量天平、QCM)应用于各种领域中。当在石英振子、例如AT切石英振子的电极膜上由于相对于石英基板厚度十分薄的均匀皮膜而产生了质量变化Δm(g)时，石英振子的谐振频率的变化ΔF(Hz)如公知的那样表示如下ΔF＝-Fo2Δm/(K·ρ·A)(1)其中，Fo表示谐振频率，K表示频率常数，ρ表示石英的密度，A表示电极面积。根据式(1)可知，频率Fo越高，质量检测的灵敏度越好，并且以其平方的方式提高。另外，要想提高检测灵敏度，如日本特开平4-369459号公报公开的那样，如果使用谐波振动(overtone)，则能够得到大幅改善。在谐波振子中，谐振频率Fo和厚度t之间具有下述关系Fo＝K/(t·m)(2)Fo表示谐波振子的振动率，K表示频率常数，m表示谐波的次数(m＝3、5、7、9)。根据上述公报，使用180MHz的谐波振子，能够获得0.023ng/cm2Hz的质量检测灵敏度。并且，记载了通过在谐波振子的电极上涂覆较薄的高分子，使其表现特异吸附性，从而用作气体传感器。另外，在日本特开2004-304766号公报中，详细公开了在大气中把石英振子用作质量测量装置的传感器部的情况、和把石英振子浸渍于液体中使用的情况。把石英振子浸渍于液体中时，其晶体阻抗(CI)增大为大气中的晶体阻抗的10倍～30倍，很难产生振荡。并且，记载了相对于石英振子在大气中的相位变化从-90度急剧变化为+90度，在液体中大致从-90度变为-50度，在以往的放大器中很难产生振荡。振荡电路一般由放大器和反馈电路构成，当把该放大器的增益设为A、把反馈电路的反馈率设为β时，功率条件为Re(Aβ)≥1(3)频率条件为Im(Aβ)＝0(4)只有在满足条件式(3)、(4)时，振荡电路才能持续振荡。其中，Re(Aβ)、Im(Aβ)表示复量Aβ的实部和虚部。在上述公报中详细记载了为了满足振荡电路的相位条件而具有第1相位电路和第2相位电路这两个放大电路的振荡电路，作为压电振子列举了石英振子、LBO(Li2B4O7)振子。作为石英振子可以使用AT切振子、BT切振子、GT切振子、SC切振子等，也可以使用SAW振子。众所周知，SC切(StressCompensatedCut)石英振子如图6所示，是把绕Z轴旋转约22度、再绕X轴旋转约34度切取的石英基板研磨成预定厚度，并在其两个主表面上附着电极而形成的振子，如图7所示进行C模、B模、A模这三种振动模式的激励。在这三种模式中，使用C模构成石英振荡器。如图8所示，相对于AT切石英振子的变极点约为27.5度，C模的变极点约在95度的高温侧，适合于使用恒温槽构成的高稳定石英振荡器。SC切石英振子的热冲击特性、重力灵敏度特性良好，热冲击特性与AT切石英振子相比变化为约1/200，重力灵敏度特性与AT切石英振子相比也非常小。并且，B模的频率温度特性如图9所示，相对于温度变化，频率偏差(df/f)大致呈直线变化(约-30ppm/℃)，所以被指出具有作为温度传感器的可能性。在日本特开平5-243892号公报中公开了使用SC切石英振子的振荡器。使SC切石英振子连接双模型振荡电路以进行C模和B模的振荡，以C模为主振动，B模的温度-频率特性相对于温度呈直线性，利用这一点将温度信息反馈给补偿电路以构成石英振荡器。在上述公报中还公开了排除B模和其他模的结合的边比，以使B模的温度-频率特性成为直线。日本特开平4-369459号公报[专利文献2]日本特开平5-243892号公报[专利文献3]日本特开2004-304766号公报如日本特开平4-369459号公报记载的那样，在以往的石英微天平使用的传感器部中，为了提高检测灵敏度，适合于高频的AT切石英振子占大部分。但是存在如下的问题例如把石英微天平用作蒸镀装置的膜厚监视器时，因蒸镀物质的附着而使作为传感器的AT切石英振子的温度上升，因温度造成的频率变化和因蒸镀物质的附着造成的变化叠加，再加上因热冲击造成的频率变动，使检测灵敏度的准确度劣化。在日本特开平5-243892号公报中，公开了把SC切石英振子的B模用作温度传感器来对主振动的C模的频率进行补偿的石英振荡器，但未提及把SC切石英振子用于SC切石英微天平的传感器部。另外，在日本特开2004-304766号公报中披露了SC切石英振子用于压电振子的可能性，但是存在如下的问题除了用SC切石英振子替换AT切石英振子外，没有具体公开如何构成。
发明内容本发明为了提高石英微天平的精度，其第1发明的SC切石英微天平具有SC切石英振子、C模/B模切换型振荡电路、频率计数器和频率信息处理装置，其特征在于，根据来自所述频率信息处理装置的信号，切换所述C模/B模切换型振荡电路，分别测量C模和B模的频率，根据基于B模频率变化的温度信息，根据C模的频率变化量校正基于温度变化的变化量，从而测量质量变化。第2发明的SC切石英微天平具有SC切石英振子、C模/B模双模型振荡电路、频率计数器和频率信息处理装置，其特征在于，根据来自所述频率信息处理装置的信号，分别测量C模和B模的频率，根据基于B模频率变化的温度信息，根据C模的频率变化量校正基于温度变化的变化量，从而测量质量变化。第3发明的SC切石英微天平的特征在于，所述C模/B模切换型振荡电路构成为在晶体管Tr1的发射极和地之间连接电阻R1，还连接电容C3和电容C4的串联连接电路，在电源Vcc和Tr1的集电极之间、Vcc和Tr1的基极之间分别连接电阻R2、R3，在晶体管Tr1的基极和地之间连接电阻R4，还连接电容C1和电容C2的串联连接电路，利用电感器L1连接电容C1和C2的接点与电容C3和C4的接点，在电容C1和C2的接点处连接电容C7和C8各自的一个端子，另一个端子分别连接开关SW，将开关SW的另一个端子连接在电容C3和C4的接点上，将SC切石英振子和可变电容C5的串联电路连接在Tr1的基极和地之间，通过电容C6从Tr1的集电极取出输出OUT。本发明的SC切石英微天平，通过B模的频率变化求出氛围气中的温度变化，对C模的温度变化引起的频率变化量进行补偿，由于使用了SC切石英振子，所以与AT切石英振子相比，热冲击性可以减小为约1/200，具有能够大幅改善石英微天平的正确度的优点。图1是表示本发明的第1实施例的SC切石英微天平的结构的电路方框图。图2是表示C模/B模切换型振荡电路的结构的电路图。图3是在图2的振荡电路中改变电容C7时的频率-负性电阻特性。图4是表示本发明的第2实施例的SC切石英微天平的结构的电路方框图。图5是表示C模/B模双模型振荡电路的结构的电路图。图6是表示SC切的切断方位的概略图。图7是表示SC切石英振子的三种模式即C模、B模、A模的电抗特性的概略图。图8是SC切石英振子的频率温度特性与AT切石英振子的频率温度特性的对比图。图9是表示B模的频率温度特性的图。具体实施例方式图1是表示本发明的SC切石英微天平的实施方式的电路方框图，由SC切石英振子1、C模/B模切换型振荡电路2、频率计数器3、频率信息处理装置4构成。SC切石英振子1通过把绕Z轴旋转约22度、再绕X轴旋转约34度切取的石英基板研磨成预定厚度，并在其两个主表面上附着电极膜，把由此形成的结构利用导电性粘接剂或焊接等固定在支架上而构成。把该SC切石英振子1的电极部放入到要测量的氛围气体5中，将从两个电极膜延伸出来的引线连接到振荡电路2上。振荡电路2内置有可以从外部利用控制信号进行控制的开关，通过切换该开关，可以选择性地进行SC切石英振子1的C模或B模中的任一模式的振荡。振荡电路2的输出连接到频率计数器3，作为数字信号输入到频率信息处理装置4中。频率信息处理装置4以预定的时间间隔向振荡电路2输出C模/B模切换信号，使振荡电路2以C模或B模中的任一模式振荡。通过对氛围气体5中的C模的频率变化进行信息处理，可以测量附着在SC切石英振子1的电极膜上的质量。此时，通过切换成B模进行振荡，如图9所示，由于温度-频率偏差特性表现出直线性，所以能够利用频率信息处理装置4高精度地测量氛围气体5中的温度，根据该温度信息，根据C模的频率变化量校正因温度造成的频率变化量，可以高精度地求出附着在电极膜上的质量。从频率信息处理装置4输出计算求出的附着质量和氛围气体5中的温度信息。另外，为了进一步提高测量精度，可以用内置于频率计数器3中的基准频率替换基于外部的原子振荡的基准频率。另外，由于使用SC切石英振子1，所以因热冲击造成的频率变动相比AT切石英振子约减小为1/200，测量准确度大幅提高。图2是表示C模/B模切换型振荡电路2的实施例的电路图。在晶体管Tr1的发射极和地(GND)之间连接电阻R1，还连接电容C3和电容C4的串联连接电路。在电源Vcc和Tr1的集电极之间、Vcc和Tr1的基极之间分别连接电阻R2、R3，从集电极通过电容C6取出输出OUT。并且，在晶体管Tr1的基极和地之间连接电阻R4，还连接电容C1和电容C2的串联连接电路。通过电感器L1连接电容C1和C2的接点与电容C3和C4的接点。并且，在电容C1和C2的接点上连接电容C7和C8各自的一个端子，另一个端子分别连接在开关SW上。将开关SW的另一个端子连接在电容C3和C4的接点上。并且，将SC切石英振子Xta1和可变电容C5的串联电路连接在Tr1的基极和地之间，构成C模/B模切换型振荡电路2。作为图2所示的切换型振荡电路的常数的一例，晶体管Tr1为2SC372，电感器L1为2.2μH，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6分别为47pF、75pF、150pF、180pF、5pF～20pF、1000pF，电容C7为参数。另外，电阻R1、R2、R3、R4分别设定为330Ω、220Ω、10kΩ、10kΩ。石英振子Xta1为SC切的10MHz，电源Vcc为5v。图3是表示图2所示振荡电路的频率(MHz)-负性电阻(Ω)的图，表示把开关SW连接在电容C7上，使电容C7的值变化为0pF、5pF、10pF、15pF、20pF时的频率(MHz)-负性电阻(Ω)的曲线。SC切石英振子Xta1的C模、B模的频率分别为10MHz、10.8MHz。根据图3，通过把电容C7设定为20pF，C模(10MHz)的振荡电路的负性电阻约为-300Ω，B模(10.8MHz)的负性电阻约为+30Ω，只能进行C模振荡。另一方面，通过把电容C7设定为5pF，C模(10MHz)的振荡电路的负性电阻约为90Ω，B模(10.8MHz)的负性电阻约为-280Ω，只能进行B模振荡。即，通过把电容C7、C8分别设定为20pF、5pF，把开关SW切换到C7或C8，可以选择性地进行C模、B模振荡。图4是表示本发明的第2实施方式的电路方框图，由SC切石英振子1、同时进行C模和B模振荡的双模型振荡电路6、频率计数器7和频率信息处理装置8构成。当把从SC切石英振子1延伸出来的引线连接在双模型振荡电路6上时，可以同时进行C模和B模振荡。振荡电路6的输出连接到频率计数器7，为数字信号，根据频率信息处理装置8的控制信号，把C模和B模的数字信号输入到频率信息处理装置8中。通过对氛围气体5中的C模的频率变化进行信息处理，可以测量附着在SC切石英振子1的电极膜上的质量，这和前面叙述的相同，根据B模的频率测量氛围气体5中的温度变化，根据C模的频率变化量对因温度造成的频率变化量进行校正，从而高精度地求出附着在电极膜上的质量，这也和前面叙述的相同。从频率信息处理装置8输出计算求出的附着质量和氛围气体5中的温度信息。另外，要想进一步提高测量精度时，可以用内置于频率计数器中的基准频率替换基于外部的原子振荡的基准频率。图5是表示图4所示的双模型振荡电路的电路图，是在“HighlyStableandLowPhase-NoiseOven-ControlledCrystalOscillatorsUsingDual-ModeExcitation”IEICETrans.Fundamentals，Vol.E85-A，No.2February2002中公开的电路图。由振荡电路1、振荡电路2、SC切石英振子Xta1和可变电容二极管Cv的串联连接电路构成。振荡电路1在晶体管Tr1的发射极和地(GND)之间连接电阻Re1，在Tr1的基极和地之间连接电阻Rb1，还连接电容C1和电容C2的串联连接电路。并且，在电容C1和C2的接点与发射极之间连接石英振子Xtal1和电容Ca1的串联连接电路。在电源Vcc和Tr1的集电极之间、Vcc和Tr1的基极之间分别连接电阻Rc1、Ra1，从发射极取出输出OUT1。使SC切石英振子Xtal和可变电容二极管Cv的串联连接电路的一端通过电容Ci1与Tr1的基极连接，另一端接地，向可变电容二极管Cv的负极施加控制电压Vcnt。振荡电路2的结构与振荡电路1相同，相对于SC切石英振子Xtal和可变电容二极管Cv的串联连接电路对称构成。并且，通过把石英振子Xtal1、Xtal2的谐振频率分别设定为C模、B模的频率，把振荡电路1用作C模用振荡电路，把振荡电路2用作B模用振荡电路，与输出OUT1连接的石英振子Xtal1只起到使C模的振荡频率通过的滤波器的作用，与输出OUT2连接的石英振子Xtal2只起到使B模的振荡频率通过的滤波器的作用。权利要求1.一种SC切石英微天平，具有SC切石英振子、C模/B模切换型振荡电路、频率计数器和频率信息处理装置，其特征在于，根据来自所述频率信息处理装置的信号，切换所述C模/B模切换型振荡电路，分别测量C模和B模的频率，根据基于B模的频率变化的温度信息，根据C模的频率变化量校正基于温度变化的变化量，以测量质量变化。2.一种SC切石英微天平，具有SC切石英振子、C模/B模双模型振荡电路、频率计数器和频率信息处理装置，其特征在于，根据来自所述频率信息处理装置的信号，分别测量C模和B模的频率，根据基于B模的频率变化的温度信息，根据C模的频率变化量校正基于温度变化的变化量，以测量质量变化。3.根据权利要求1所述的SC切石英微天平，其特征在于，所述C模/B模切换型振荡电路构成为在晶体管(Tr1)的发射极和地之间连接电阻(R1)，还连接电容(C3)和电容(C4)的串联连接电路，在电源(Vcc)和晶体管(Tr1)的集电极之间、电源(Vcc)和晶体管(Tr1)的基极之间分别连接电阻(R2、R3)，在晶体管(Tr1)的基极和地之间连接电阻(R4)，还连接电容(C1)和电容(C2)的串联连接电路，通过电感器(L1)连接电容(C1)和(C2)的接点与电容(C3)和(C4)的接点，在电容(C1)和(C2)的接点上连接电容(C7)和(C8)各自的一个端子，另一个端子分别连接在开关(SW)上，开关(SW)的另一个端子连接在电容(C3)和(C4)的接点上，将SC切石英振子和可变电容(C5)的串联电路连接在晶体管(Tr1)的基极和地之间，通过电容(C6)从晶体管(Tr1)的集电极取出输出(OUT)。全文摘要SC切石英微天平。本发明的课题是获得不受温度影响和热冲击左右的石英微天平。作为解决手段，SC切石英微天平具有SC切石英振子、C模/B模切换型振荡电路、频率计数器和频率信息处理装置，根据来自频率信息处理装置的信号，切换C模/B模切换型振荡电路，分别测量C模和B模的频率，根据基于B模的频率变化的温度信息，根据C模的频率变化量校正基于温度变化的变化量，以测量质量变化。文档编号H03B5/30GK1801600SQ20061000036公开日2006年7月12日申请日期2006年1月6日优先权日2005年1月6日发明者佐藤富雄申请人:爱普生拓优科梦株式会社