DE69827767T2 - Gewichtssensor und verfahren zur bestimmung der masse - Google Patents

Gewichtssensor und verfahren zur bestimmung der masse Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Massensensor zum Bestimmen einer winzig kleinen Masse in der Größenordnung eines Nanogramms (10–9 g), so z. B. einen Massensensor zum Abfühlen von Mikroorganismen wie Bakterien, Viren und Protozoen (Immunsensor), sowie einen Massensensor zum Abfühlen von Feuchtigkeit, toxischen Substanzen oder spezifischen chemischen Substanzen wie Geschmackskomponenten (Feuchtigkeitsmessgerät, Gassensor und Geschmackssensor), sowie auf ein Verfahren zum Abfühlen einer Masse. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Massensensor und auf ein Verfahren zum Abfühlen einer Masse, das praktischerweise zur Bestimmung der Masse eines abzufühlenden Körpers durch Messung der Änderung der Resonanzfrequenzen verwendet wird, die durch die Änderung der Masse der Membran hervorgerufen wird, auf welcher eine Fängersubstanz zum Einfangen eines abzufühlenden Körpers, indem nur der abzufühlende Körper zur Reaktion gebracht wird, aufgetragen ist.
  • Da der Massensensor der vorliegenden Erfindung nicht auf das Messen der Änderung der auf einer Membran aufgebrachten Fängersubstanz, wie dies oben beschrieben ist, beschränkt ist, d. h. er ist nicht auf die indirekte Messung der Änderung der Masse einer Membran beschränkt, sondern es vielmehr möglich ist, die Änderung der Resonanzfrequenz aufgrund der Änderung der Masse der Membran selbst abzufühlen, kann der Massensensor auch zur Dickenmessung für aufgedampfte Filme oder zur Messung eines Taupunkts verwendet werden.
  • Selbst wenn die Masse der Membran weder direkt noch indirekt geändert wird, kann der Massensensor der vorliegenden Erfindung weiters auch als ein Vakuummeter, ein Viskositätsmeter oder ein Temperatursensor verwendet werden, indem er in einer Umgebung angeordnet wird, um eine Änderung der Resonanzfrequenz zu bewirken, d. h. er wird in eine Umgebung von Mediumgasen oder -flüssigkeiten mit unterschiedlichem Vakuum-, Viskositäts- oder Temperaturgrad eingebracht.
  • Somit wird dasselbe Grundprinzip, obwohl der Massensensor der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Anwendungen abhängig von seinen Ausführungsformen verwendet werden kann, auch für die Messung der Änderung der Resonanzfrequenzen der Membran und des Resonanzabschnitts, der die Membran umfasst, verwendet.
  • Hintergrundwissen
  • Durch die in der letzten Zeit erzielten Fortschritte im Bereich von wissenschaftlichen und medizinischen Technologien sowie aufgrund neu entwickelter Medikamente wie Antibiotika und Chemikalien wurde die Behandlung verschiedener Erkrankungen, die bis dato als schwierig zu behandeln galten, ermöglicht. Andererseits verringerte sich insbesondere in Industrieländern, in welchen Menschen an eine solche medizinische Zivilisation gewöhnt sind, die immunologische Widerstandsfähigkeit der Menschen, und viele Menschen leiden an verschiedenen Krankheiten, die durch Substanzen oder Mikroorganismen ausgelöst werden, die bis dato Menschen keinen Schaden zugefügt haben.
  • Bei diesen Erkrankungen sind Untersuchungen der Mikroorganismen für die Behandlung von durch Mikroorganismen wie Bakterien, Viren oder Protozoen ausgelösten Krankheiten wesentlich, um deren Pathogene zu finden, ihre Arten zu bestimmen und festzulegen, auf welche sie empfindlich reagieren.
  • Da die Ursache einer Erkrankung und die Art des Pathogens aus den Symptomen bestimmt werden können, werden im ersten Stadium der Untersuchungen von Mikroorganismen zur Zeit verschiedene Proben, so z. B. Blut, abhängig von der Art der Erkrankung ausgewählt, die in den Proben vorhandenen Mikroorganismen morphologisch identifiziert, oder es werden Antigene oder spezifische Metaboliten der Pathogene (so z. B. Toxine oder Enzyme etc.), die in den Proben vorhanden sind, immunchemisch identifiziert. Die Verfahren dafür sind Abstrich, Tinktur und Mikroskopie, die bei bakteriellen Untersuchungen verwendet werden, und in den letzten Jahre wurde eine unmittelbare Identifizierung in diesem Stadium mittels fluoreszierender Antikörper-Tinktur oder enyzmatischer Antikörper-Tinktur möglich.
  • Weiters ist der serologische Virustest, der in der letzten Zeit zur Detektion von Viren verwendet wurde, ein Verfahren, um das Vorhandensein von spezifischen Immunitätsantikörpern, die im Serum eines Patienten auftreten, zu prüfen. Beispiele für das Verfahren umfassen die Komplementfixierungsreaktion, in welcher das Vorhandensein von Antikörpern oder Antigenen durch die Zugabe von Komplementen zum Testblut bestimmt wird, und durch die Beobachtung, ob die Komplemente mit den Antigenen oder Antikörpern im Blut reagieren und ob sie sich an die Zellmembranen der Antigene oder Antikörper anlegen, oder ob sie die Zellmembranen zerstören.
  • Mit der Ausnahme von extrem speziellen Fällen, in welchen bis dato noch keine Symptome erkennbar sind, und wenn die Erkrankung durch ein neues Pathogen hervorgerufen wird, das noch nicht entdeckt wurde, kann bei der Behandlung von durch Mikroorganismen und dergleichen verursachten Krankheiten eine adäquate Behandlung durchgeführt werden, indem in einem frühen Stadium durch den oben beschriebenen Mikroorganismus-Test Pathogene entdeckt werden und indem somit der Patient einer Verbesserung zugeführt werden kann, ohne dass sich die Symptome dabei verschlimmern.
  • Mit Verfahren wie Abstrich, Tinktur und Mikroskopie ist abhängig von ihren Quantitäten die Detektion von Mikroorganismen manchmal aber schwierig, und bei Bedarf ist eine zeitintensive Behandlung wie die Kultivierung von Proben auf einem Agar erforderlich. Auch bei serologischen Virentests ergibt sich, da Messungen in der Regel sowohl im Akut- als auch im Konvaleszenzstadium zur Bestimmung der Bewegung der Quantitäten von Antikörpern durchgeführt werden müssen, das Problem des Zeitbedarfs in Hinblick auf eine prompte Diagnose.
  • Wie bei der obig beschriebenen Komplementfixierung ersichtlich ist, erhöht sich, wenn eine abzufühlende Substanz mit einer Fängersubstanz reagiert, welche die abzufühlende Substanz einfängt, indem sie nur mit der spezifischen abzufühlenden Substanz, den Mikroorganismen, reagiert, die Masse der Fängersubstanz um die Masse der abzufühlenden Substanz, wenn auch nur geringfügig. Eine solche Massensteigerung tritt auch in der Beziehung zwischen einer Fängersubstanz und einer chemischen Substanz wie einer spezifischen gasförmigen Substanz und einer Geruchskomponente auf, und sie gilt auch in dem Fall, in welchem ein Substrat selbst ohne Massenänderung eine Fängersubstanz ist, auf welcher eine spezifische Substanz abgelagert oder zu dieser zugegeben wird. Im Gegensatz dazu nimmt die Masse der Fängersubstanz oder dergleichen geringfügig ab, wenn eine Reaktion erfolgt, in welcher eine abzufühlende Substanz, die von einer Fängersubstanz oder dergleichen eingefangen wird, freigesetzt wird.
  • Als Beispiel für ein Verfahren zum Abfühlen einer Änderung in einer so kleinen Masse offenbart das US-Patent Nr. 4789804 in 27 einen Massensensor 80, der einen Quarz-Oszillator 81 und Elektroden 82, 83 umfasst, die dem Quarz-Oszillator gegenüberliegen. Haftet eine beliebige Substanz außen auf diesen Elektroden 82, 83 an, so fühlt der Massensensor 80 eine Änderung in ihrer Masse in der Resonanzfrequenz der Dicken-Gleitschwingung des Quarz-Oszillators 81 in die Richtung der Oberfläche der Elektroden ab. Da ein solcher Massensensor 80 die Änderung der Resonanzfrequenz, die im Grunde genommen durch die Änderung der Massenbelastung auf den Quarz-Oszillator 81 hervorgerufen wird, misst, geht man davon aus, dass ein solcher Massensensor 80 auch als Dickenmesser zum Messen der Dicke oder des Aufbaus eines dampfabgelagerten Films oder als ein Feuchtigkeitsmesser verwendet werden kann.
  • Wird aber ein solcher Quarz-Oszillator 81 verwendet, wird, da sich der Teil, an welchem eine äußere Substanz anhaftet, und der Teil zur Detektion der Resonanzfrequenz an derselben Stelle befinden, z. B. die Resonanzfrequenz instabil, wenn die piezoelektrischen Eigenschaften des Massensensors 80 selbst aufgrund der Temperatur der Proben oder einer Temperaturänderung variieren. Auch wenn die Probe eine leitfähige Lösung ist und wenn der Massensensor 80 ungeschützt in die Probe eingetaucht wird, kann ein Kurzschluss zwischen den Elektroden auftreten. Somit muss der Massensensor 80 isoliert werden, so z. B. durch eine Harzbeschichtung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die obigen Probleme eines Mikro-Massensensors zu lösen.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird ein Massensensor bereitgestellt, wie er in Anspruch 1 dargelegt ist.
  • In diesen zweiten bis sechsten Massensensoren wird bevorzugt, dass die Membran, die Anschlussplatte und die Sensorplatte eine gemeinsame Ebene bilden, wenn sie miteinander verbunden werden, d. h. diese Elemente weisen beinahe dieselbe Dicke auf. Es wird auch bevorzugt, dass die Sensorplatte in die Vertiefung, die durch die Anschlussplatte und das Sensorsubstrat gebildet wird, eingepasst und mit dieser verbunden wird. Auch wird bevorzugt, dass die Membran, die Anschlussplatte und die Sensorplatte einstückig aus einer Membran gebildet werden, und dass das Sensorsubstrat einstückig mit der Membran und der Basisplatte laminiert ist.
  • Auch wird bevorzugt, dass eine Federplatte an einer oder jeder der Plattenoberflächen der Anschlussplatte befestigt ist, und dass diese Federplatte mit dem Sensorsubstrat oder der Federplattenverstärkung verbunden ist. Zu diesem Zeitpunkt wird, anders als bei der Struktur, die mittels Klebstoff befestigt ist, bevorzugt, dass die Federplatte einstückig mit einer Zwischenplatte ausgebildet ist, die einstückig zwischen die Membran und die Basisplatte eingeschoben ist, oder einstückig mit der Federplattenverstärkung, die einstückig mit der Membran ausgebildet ist, und auch einstückig mit der Anschlussplatte ausgebildet ist. Wird eine Vielzahl von Anschlussplatten verwendet, so wird bevorzugt, dass die Anordnungen der Anschlussplatte und der Federplatte dieselbe Form aufweisen. Auch weist der Massensensor vorzugsweise eine Verstärkungsplatte auf, die an der Seite des Sensorsubstrats angebracht ist, und in diesem Fall wird bevorzugt, dass die Verstärkungsplatte einstückig mit der Federplatte und dem Sensorsubstrat ausgebildet ist.
  • Wird eine Fängersubstanz, die nur mit einer abzufühlenden Substanz reagiert und nur die abzufühlende Substanz einfängt, auf die Membran aufgetragen, so misst das piezoelektrische Element die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts in dem Zustand, in welchem die abzufühlende Substanz nicht durch die Fängersubstanz eingefangen wurde, und in dem Zustand, nachdem die abzufühlende Substanz durch die Fängersubstanz eingefangen wurde, wobei der Massensensor gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneterweise in Anwendungen verwendet wird, um die Masse der abzufühlenden Substanz zu messen, die durch die Fängersubstanz eingefangen wurde.
  • Vorzugsweise werden zumindest zwei Resonanzabschnitte auf dem Sensorsubstrat angeordnet, und die Fängersubstanz wird nicht auf eine der Membranen der Resonanzabschnitte aufgetragen, um diese Membran als Referenzmembran zu verwenden. Andererseits wird auch bevorzugt, dass die verschiedenen Fängersubstanzen auf jedem Resonanzabschnitt aufgetragen werden, d. h. auf eine Vielzahl von Resonanzabschnitten, auf welche mehr als eine verschiedene Fängersubstanz getrennt aufgetragen wird, ist in einem Sensor bereitgestellt. Hier können mehr als ein Resonanzabschnitt auf dem Sensorsubstrat angeordnet werden, so dass der dynamische Bereich durch die Aufnahme der Signale von den jeweiligen Resonanzabschnitten ausgedehnt wird. Auch kann ein Durchgangsloch mit einer beliebigen Form innerhalb des Sensorsubstrats ausgebildet sein, und der Resonanzabschnitt kann auf der inneren Umfangsfläche des Durchgangslochs ausgebildet sein.
  • Auch wird bevorzugt, die Empfindlichkeit zu verbessern, indem eines der piezoelektrischen Elemente in zwei Abschnitte unterteilt wird; ein Abschnitt wird zum Ansteuern und der andere zum Abfühlen verwendet. Weiters wird bevorzugt, die Empfindlichkeit zu verbessern, indem zwei piezoelektrische Elemente auf einem Resonanzabschnitt angeordnet werden, wobei eines der piezoelektrischen Elemente zum Ansteuern und das andere zum Abfühlen verwendet wird. Somit kann jedes der zwei piezoelektrischen Elemente, die auf einem Resonanzabschnitt angeordnet werden, weiter in zwei Abschnitte unterteilt werden, und in diesem Fall weist jedes der zwei piezoelektrischen Elemente sowohl eine Ansteuerungs- als auch eine Abfühlfunktion auf.
  • Weiters wird, wenn die Probe eine leitfähige Lösung ist, bevorzugt, einen Positionssensor bereitzustellen, der aus einem Paar Elektroden in der Mitte zwischen der Membran und dem piezoelektrischen Element auf dem Sensorsubstrat besteht, so dass die Membran in die Lösung getaucht wird, aber dass das piezoelektrische Element nicht in die Lösung getaucht wird, selbst wenn der Massensensor getaucht wird, um auf diese Weise den Massensensor auf einer geeigneten Position zu installieren. Selbst wenn die Probe eine leitfähige Lösung ist, kann ein Kurzschluss der Elektroden oder anderer Teile verhindert werden, wenn das piezoelektrische Element, die Elektroden des piezoelektrischen Elements und die Elektrodenleitungen, die mit der Elektrode verbunden sind, mit einer Harz- oder Glas-Isolierbeschichtungsschicht beschichtet werden. Weiters wird bevorzugt, dass eine Schutzschicht aus einem leitfähigen Material auf der Oberfläche der Isolierbeschichtungsschicht ausgebildet wird, um so auf diese Weise Störungen wie z. B. externe elektromagnetische Wellen zu reduzieren.
  • Es wird bevorzugt, dass das Sensorsubstrat, die Membran, die Anschlussplatte, die Sensorplatte und die Federplatte, die einen Massensensor der vorliegenden Erfindung darstellen, einstückig aus stabilisiertem Zirconiumoxid oder teilstabilisiertem Zirconiumoxid zusammengesetzt sind. Als Material für den piezoelektrischen Film im piezoelektrischen Element wird geeigneterweise ein Material, das eine Komponente umfasst, die hauptsächlich aus Bleizirconat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat besteht, verwendet, wobei die Schwingungsmode, das Einstellen der Resonanzfrequenzen und die Empfindlichkeit gesteuert werden können, wenn die Formen der Membran, der Anschlussplatte, der Sensorplatte oder der Federplatte in ihren Dimensionen dadurch eingestellt werden, dass sie mittels Laserbehandlung oder -bearbeitung geschnitten werden. Weiters wird bevorzugt, dass die Elektrode des piezoelektrischen Elements laserbehandelt oder -bearbeitet wird, um den effektiven Elektrodenbereich des piezoelektrischen Elements einzustellen.
  • Der hierin verwendete Ausdruck "piezoelektrisch" umfasst Piezoelektrizität und elektrische Verformung, und was hierin als piezoelektrisches Element bezeichnet wird, umfasst elektrische Verformungselemente, und piezoelektrische Keramikmaterialien umfassen elektrische Verformungskeramikmaterialien.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zum Abfühlen einer Masse gemäß der Struktur der verschiedenen oben beschriebenen Massensensoren bereitgestellt, wie dies in den Ansprüchen 33 und 34 dargelegt ist.
  • Mithilfe eines Massensensors der vorliegenden Erfindung kann, wie dies oben beschrieben wurde, eine Änderung in einer winzig kleinen Masse, wie sie in einer Membran auftritt, genau in einer kurzen Zeitspanne aus einem spezifischen Wert der Änderung der Resonanzfrequenz des im Massensensor bereitgestellten Resonanzabschnitts abgeleitet werden, und der Massensensor weist den Vorteil eines einfachen Messvorgangs auf. Somit können verschiedenen physikalische und chemische Quantitäten gemessen werden, indem der Massensensor in einer Umgebung angeordnet wird, welche die Resonanzfrequenzen des Resonanzabschnitts ändert. So kann der Massensensor der vorliegenden Erfindung z. B. geeignet als Dickenmesser für dampfabgelagerte Filme und als Taupunktmesser verwendet werden, welcher die direkte Änderung der Masse der Membran verwendet; als Vakuum- und Viskositätsmesser und als Temperatursensor, welche die Umgebung nützen, in welcher die Membran angeordnet wird, so z. B. Vakuum, Viskosität und Temperatur; und insbesondere zur Identifizierung einer abzufühlenden Substanz und zur Messung ihrer Masse, indem auf die Membran eine Fängersubstanz aufgetragen wird, welche selektiv mit der abzufühlenden Substanz, so etwa einem Mikroorganismus oder einer chemischen Substanz in einer Probe, reagiert, und indem die Änderung der Masse einer solchen Fängersubstanz verwendet wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Perspektive eines Massensensors, der zur vergleichenden Veranschaulichung dargestellt ist, und (a) bis (d) sind perspektivische Ansichten der Konstruktionen, in welchen die Positionen und Anzahl der Membranen geändert sind;
  • 2 ist eine Perspektive einer Ausführungsform eines piezoelektrischen Elements, das dafür geeignet ist, in einem Massensensor der vorliegenden Erfindung eingebaut zu sein;
  • 3 ist eine Perspektive einer Ausführungsform eines weiteren piezoelektrischen Elements, das dafür geeignet ist, in einem Massensensor der vorliegenden Erfindung eingebaut zu sein;
  • 4 ist eine Perspektive einer Ausführungsform eines anderen piezoelektrischen Elements, das dafür geeignet ist, in einem Massensensor der vorliegenden Erfindung eingebaut zu sein;
  • 5 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist ein Grundriss; (b) ist eine Darstellung einer θ-Schwingungsmode; und (c) ist eine Darstellung einer Φ-Schwingungsmode.
  • 6 ist ein Grundriss einer anderen Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist ein Grundriss; und (b) bis (e) sind Schnittansichten;
  • 8 ist eine Darstellung, welche die Ansteuerung eines Massensensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 9 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) und (b) sind Grundrisse; und (c) ist eine Schnittansicht;
  • 10 ist ein Grundriss einer anderen Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 11 ist ein Grundriss des Aussehens einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 12 ist ein Grundriss der Struktur des Sensorabschnitts im in 11 dargestellten Massensensor;
  • 13 ist eine Perspektive der Struktur des Sensorabschnitts im in 12 dargestellten Massensensor;
  • 14 ist eine weitere Perspektive der Struktur des Sensorabschnitts im in 12 dargestellten Massensensor;
  • 15 ist ein Grundriss einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 16 ist ein Grundriss einer anderen Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 17 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist ein Grundriss; und (b) ist eine Schnittansicht;
  • 18 ist ein Grundriss noch einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung
  • 19 ist eine Darstellung noch einer anderen Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) ist ein Grundriss; und (b) bis (d) sind Schnittansichten;
  • 20 ist ein Grundriss einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 21 ist ein Grundriss einer weiteren Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 22 ist eine Darstellung noch einer anderen Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung; (a) bis (d) und (f) sind Grundrisse verschiedener Strukturen, in welchen eine Sensorplatte mit den Anschlussplatten verbunden ist; und (e) ist ein Grundriss einer Struktur, in welcher eine Sensorplatte mit einer Membran verbunden ist;
  • 23 ist ein Grundriss eines Beispiels für die Verarbeitung einer grünen Lage für ein Sensorsubstrat, das in der Herstellung eines Massensensors der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 24 ist eine Darstellung der Größe und Form, welche in der Herstellung eines Massensensors der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eingestellt werden;
  • 25 ist eine Darstellung eines Beispiels für die Verarbeitung eines piezoelektrischen Elements eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 26 ist eine Darstellung der Betriebseigenschaften eines Massensensors der vorliegenden Erfindung;
  • 27 ist eine Schnittansicht der Basisstruktur eines herkömmlichen Mikro-Massensensors; und
  • 28 ist eine Perspektive der Struktur eines Quarz-Oszillators eines herkömmlichen Quarz-Reibungsvakuummeters.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf einem Massensensor liegt, der verwendet wird, indem eine Fängersubstanz, die nur mit einer spezifischen abzufühlenden Substanz reagiert und die abzufühlende Substanz auf der Membran einfängt, aufgetragen wird.
  • 1(a) ist eine Perspektive eines Massensensors 50A, der zur vergleichenden Veranschaulichung beschrieben ist. Auf der Plattenoberfläche zumindest einer Sensorplatte 51 ist ein piezoelektrisches Element 55 bereitgestellt, das aus einer ersten Elektrode 52, einem piezoelektrischen Film 53 und einer zweiten Elektrode 54 besteht. Das piezoelektrische Element 55 kann auf beiden Oberflächen der Sensorplatte 51 bereitgestellt sein, und die erste und die zweite Elektrode 52, 54 sind mit einer (nicht dargestellten) Elektrodenleitung verbunden, die dazu verwendet wird, sie mit einem Frequenzmesser oder dergleichen zu verbinden.
  • Eine schichtähnliche Membran 56 ist mit einer Seite der Sensorplatte 51 verbunden, so dass die Plattenoberfläche der Membran 56 und die Plattenoberfläche der Sensorplatte 51 senkrecht aufeinander liegen. Hier bezeichnet "die Seiten der Sensorplatte 51" eine Ebene, die normal auf die Plattenoberfläche der Sensorplatte 51 liegt, auf welcher das piezoelektrische Element 55 installiert ist, d. h. eine Ebene in die Dickenrichtung, und "eine Seite" bezeichnet eine der Seiten. Weiters ist hier die andere Seite der Sensorplatte 51, die gegenüberliegende Seite zu jener Seite, an welcher die Membran 56 befestigt ist, mit einem Sensorsubstrat 49 verbunden, und ein Resonanzabschnitt ist auf der Membran 56, der Sensorplatte 51 und dem piezo elektrischen Element 55 ausgebildet, um dadurch den Massensensor 50A auszubilden.
  • Hier bezeichnet eine Membran hauptsächlich den Ort, um eine Massenänderung hervorzurufen oder einer unterzogen zu werden, und sie ist ein Element, das in verschiedenen Moden schwingt, wie dies später ausgeführt wird; eine Anschlussplatte bezeichnet ein Element, um die Membran, das Sensorsubstrat und die Sensorplatte zu verbinden; und eine Sensorplatte bezeichnet ein Element, das durch die Bewegung der Membran verformt wird und die Belastung auf das Sensorelement überträgt, so etwa ein piezoelektrisches Element, das auf der Oberfläche angebracht ist, oder das im Gegensatz dazu die Dehnung oder Schwingung, die durch ein Ansteuerungselement wie etwa ein piezoelektrisches Element erzeugt wird, auf die Membran überträgt. Das Sensorsubstrat bezeichnet ein Element, um den Resonanzabschnitt zu halten und die verschiedenen Elektrodenenden zur Verbindung mit den Messinstrumenten zu tragen, und es dient im tatsächlichen Gebrauch zur Bedienung.
  • Verfahren zur Verwendung eines solchen Massensensors 50A umfassen z. B. ein Verfahren, in welchem eine Fängersubstanz, die nur mit einer abzufühlenden Substanz reagiert und diese einfängt, auf die Membran 56 aufgetragen wird, die Membran 56 in eine flüssige Probe eingetaucht oder einer gasförmigen Umgebung wie einem spezifischen Gas ausgesetzt wird, um eine Änderung der Resonanzfrequenzen des Massensensors 50A mit dem piezoelektrischen Element 55 zu messen, oder ein Verfahren, in welchem die Resonanzfrequenz gemessen wird, nachdem die Membran 56 in eine flüssige Probe getaucht und in einem Gas getrocknet wurde. Ein Beispiel für eine solche abzufühlende Substanz ist ein Antigen, das eine Krankheit hervorruft, und ein Beispiel für die Fängersubstanz ist ein Antikörper für ein solches Antigen.
  • Hier variiert die Resonanzfrequenz des Massensensors 50A abhängig von der Masse des Resonanzabschnitts, insbesondere der Masse der Membran 56, d. h. die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts in dem Zustand, in welchem die abzufühlende Substanz nicht von der Membran 56 eingefangen wurde, unterscheidet sich von der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts in dem Zustand, in welchem die abzufühlende Substanz eingefangen wurde, abhängig von der Masse des abzufühlenden Substrats, das eingefangen wurde. Somit kann durch die Messung der Änderung der Resonanzfrequenzen unter Verwendung des piezoelektrischen Elements 55 die Masse der abzufühlenden Substanz, die durch die auf der Membran 56 aufgetragene Fängersubstanz eingefangen wird, gemessen werden.
  • Nach dem gleichen Prinzip kann der Massensensor 50A verwendet werden, um eine Massenabnahme zu messen, wenn die Masse der Membran 56 sich ausgehend von der Masse im Ausgangszustand verringert. So kann z. B. der Massensensor 50A geeignet verwendet werden, wenn die aufgetragene Fängersubstanz sich aus irgendwelchen Gründen ablöst, wenn die außerordentlich geringe Korrosion oder eine außerordentlich kleine Menge der Auflösung in einer bestimmten Lösung des Materials selbst der Membran 56 überprüft werden soll, oder wenn die Massenänderung einer bestimmten chemischen Substanz, die nicht die Fängersubstanz und auf die Membran 56 aufgetragen ist, aufgrund der Verdampfung oder Auflösung einer solchen chemischen Substanz gemessen werden soll.
  • Die Struktur eines solchen Massensensors 50A kann zusammenfassend eine solche Struktur sein, in welcher eine Seite zumindest einer schichtenähnlichen Membran 56 mit einer Seite einer Sensorplatte 51 verbunden ist, so dass die Plattenoberfläche der Membran 56 normal auf die Plattenoberfläche liegt, auf welcher das piezoelektrische Element 55 der Sensorplatte 51 angebracht ist, und so dass die andere Seite der Sensorplatte 51 mit dem Sensorsubstrat 49 verbunden ist. Hier wird als Schwingungsmode der zur Messung der Resonanzfrequenz im Massensensor 50A verwendeten Membran vorzugsweise die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts auf der Grundlage zumindest eines der folgenden Schwingungsmoden gemessen: die θ-Schwingungsmode (nachfolgend hierin als "θ-Mode" bezeichnet), in welcher die Membran 56 eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum auf der Normalachse (Y-Achse), die orthogonal durch die Mitte der feststehenden Ebene verläuft, durchführt, wobei die feststehende Ebene eine Ebene ist, in welcher die Membran 56 mit der Sensorplatte 51 in 1(a) verbunden ist, in die Richtung orthogonal auf die Seite der Membran 56 und auch in die Richtung orthogonal auf die Y-Achse, d. h. in die Richtung der X-Achse; oder die Φ-Schwingungsmode (hierin nachfolgend als "Φ-Mode" bezeichnet), in welcher die Membran 56 eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum auf der Y-Achse in die Richtung senkrecht auf die Seite der Membran 56 und auch in die Richtung normal auf die Y-Achse, d. h. in die Richtung der X-Achse durchführt, begleitet von der Schwingungsbewegung in die parallel zur Seite der Membran 56 (Z-Achse) verlaufende Richtung, wenn die Membran 56 sich von der Y-Achse weg bewegt; und die Schwingung in die Richtung der Y-Achse.
  • Diese Verschiebungsmoden bezeichnen, dass die Richtung der Verschiebung der Membran 56 in die obig beschriebenen Richtungen dominiert, dass aber die anderen Richtungskomponenten als die obigen Richtungen nicht zur Gänze ausgeschlossen sind. Dies gilt auch für die Anführung der Verschiebungsmoden in den nachfolgenden beschreibenden verschiedenen Ausführungsformen.
  • Da die θ-Mode und die Φ-Mode dieselben sind wie im später beschriebenen Massensensor 30, werden sie detailliert in der Beschreibung des Massensensors 30 beschrieben; da die Schwingungsmoden die Starrkörper-Moden sind, welche die Seite der Membran 56 verwenden, werden sie geeignet insbesondere dann verwendet, wenn die Membran 56 oder der gesamte Massensensor 50A in eine Flüssigkeit getaucht ist.
  • Wird der Massensensor 50A in einem Gas verwendet, kann die Biegemode, in welcher die Biegung in die Richtung der Z-Achse in 1(a) vorherrscht, auch wirksam zusätzlich zu den obigen Schwingungsmoden verwendet werden. Wird die Biegemode in einer Flüssigkeit verwendet, obwohl die Wirkung der Viskosität oder Dichte der Flüssigkeit größer ist als im obigen θ- oder Φ-Mode, so kann die Massen änderung aus der Messung der Resonanzfrequenz erhalten werden. Somit kann durch die Detektion der auf dem piezoelektrischen Film 53 durch die Schwingung der Membran 56, wie dies oben beschrieben ist, induzierten Spannung die Änderung der Resonanzfrequenz oder die Änderung der Masse der Membran 56 erhalten werden.
  • Unter Verwendung des Betriebsprinzips des obig beschriebenen Massensensors 50A können die in den 1(b) bis 1(d) gezeigten Konstruktionen als Beispiel für Massensensoren mit einer ähnlichen Funktion wie jener in 1(a) dargestellte Massensensor verwendet werden. Der Massensensor 50B in 1(b) zeigt zwei parallele Membranen 56, die der Membran 56 in der Ausführungsform der 1(a) auf einer Seite der Sensorplatte 51 ähnlich sind. Die Verwendung einer Vielzahl von Membranen 56 kann den dynamischen Bereich des Massensensors verbessern.
  • Die Stelle, an welcher eine Vielzahl von Membranen 56 mit der Sensorplatte 51 verbunden ist, ist nicht beschränkt, sofern es eine andere Seite als jene ist, an welcher die Sensorplatte 51 mit dem Sensorsubstrat 49 verbunden ist. Da zumindest eine Membran 56 erforderlich ist, kann die Membran 56 auch mit der Seite verbunden sein, die orthogonal auf die Seite, an welcher die Sensorplatte 51 mit dem Sensorsubstrat 49 verbunden ist, von den Seiten der Sensorplatte 51 liegt, wie im in 1(c) dargestellten Massensensor 50C. Weiters kann jede der zwei Membranen 56 mit einem Paar Seiten verbunden sein, die einander gegenüber liegen, wie dies im in 1(d) dargestellten Massensensor 50D der Fall ist, um den dynamischen Bereich wie im Massensensor 50B zu verbessern.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird bevorzugt, dass die Stelle, an welcher die Membran 56 mit der Sensorplatte 51 verbunden ist, in der Nähe des Endes der Sensorplatte 51 so weit wie möglich vom Sensorsubstrat 49 entfernt liegt, da der Q-Wert (Peak-Wert, nachfolgend als "Q-Wert" bezeichnet) der θ- und der Φ-Mode erhöht werden können, d. h. die Amplitude der Membran 56 wird vergrößert und die Empfindlichkeit verbessert.
  • Obwohl das auf den obig beschriebenen Massensensoren 50A–50D angebrachte piezoelektrische Element 55 gewöhnlich eine Laminationsart ist, in welcher eine erste Elektrode 52, ein piezoelektrischer Film 53 und eine zweite Elektrode 54, wie in 2 dargestellt, laminiert sind, können auch ein piezoelektrisches Element 62A mit einer Wabenstruktur, in welcher ein piezoelektrischer Film 58 auf einer in 3 dargestellten Sensorplatte 57 angeordnet ist, und in welcher eine erste Elektrode 59 und eine zweite Elektrode 60 Zwischenräume 61 mit einer konstanten Breite auf der Oberseite des piezoelektrischen Film 58 ausbilden, verwendet werden. Die erste Elektrode 59 und die zweite Elektrode 60 in 3 können in der Oberfläche zwischen der Sensorplatte 57 und dem piezoelektrischen Film 58 ausgebildet sein. Weiters wird auch, wie in 4 dargestellt ist, ein piezoelektrisches Element 62B, in welchem ein piezoelektrischer Film 58 zwischen den wabenförmigen ersten und zweiten Elektroden 59, 60 eingebettet ist, geeignet verwendet.
  • Wird eine wabenförmige Elektrode, wie sie in den 3 oder 4 dargestellt ist, hier verwendet, so kann die Messempfindlichkeit erhöht werden, indem die Teilung 63 verringert wird. Solche piezoelektrischen Elemente, wie sie in den 2 bis 4 dargestellt sind, werden in allen später beschriebenen Massensensoren der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • Obwohl die Messung der Masse wie zuvor beschrieben unter Verwendung der Massensensoren 50A bis 50D durchgeführt werden kann, ist eine Vergrößerung der Empfindlichkeit begrenzt, da die Fläche der Membranen 56 unvermeidbar klein ist, wodurch die Fläche, auf welche eine Fängersubstanz aufgetragen ist, klein und das Ausführen von Änderungen in der Masse klein gemacht werden, wenn die Dicke des aufgedampften Films gemessen wird. Weiters können Verwertungen und Biegungen auf der Membran 56 auftreten und zusätzlich kann die Mode, in der nur die Membran 56 schwingt, stark in Erscheinung treten. Daher wird die Struktur bevorzugt modifiziert, so wie in 5(a) gezeigt, um solche Probleme zu lösen. 5(a) zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Massensensors. In Massensensor 30 sind eine Membran 31 und eine Verbindungsplatte 33 an ihren entsprechenden Seiten miteinander verbunden und eine Sensorplatte 32 ist mit der Verbindungs platte 33 an ihren entsprechenden Seiten in Richtung normal zur Y-Achsen-Richtung verbunden, welche jene Richtung ist, wo die Membran 31 und die Verbindungsplatte 33 verbunden sind, das ist die X-Richtung. Eine piezoelektrisches Element ist an zumindest einem Teil von zumindest einer der Plattenoberflächen der Sensorplatte 32 angebracht, um einen Sensorabschnitt auszubilden, und ist an zumindest einem Teil der Seiten der Verbindungsplatten 33 und der Sensorplatte 32 mit der Seite des Sensorsubstrats 34 verbunden, ohne daß die Membran 31 unmittelbar mit dem Sensorsubstrat 34 verbunden ist. Daher ist eine Resonanzabschnitt auf der Membran 31, der Verbindungsplatte 33, der Sensorplatte 32 und dem piezoelektrischen Element 35 ausgebildet, um einen Massensensor 30 auszubilden.
  • Hier sind die Membran 31, die Verbindungsplatte 33 und die Sensorplatte 32 nicht notwendigerweise von gleicher Dicke, vorzugsweise haben sie die gleiche Dicke, um die gleiche Oberfläche auszubilden, und mehr bevorzugt sind die einstückig ausgebildet. Die Bedingungen, die sich auf die Dicke beziehen sowie auf eine Verbindung für die Membran 31, die Anschlussplatte 33 und die Sensorplatte 32 werden ebenfalls auf alle nachfolgend beschriebenen Massensensoren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet. Weiters werden die Seiten der Anschlussplatte 33 und der Sensorplatte 32 vorzugsweise einstückig mit dem Sensorsubstrat 34 ausgebildet.
  • Die Struktur eines solchen Massensensor 30 kann als ein Massensensor mit zumindest einem piezoelektrischen Element zusammengefasst werden, in welchem eine Anschlussplatte 33 und eine Membran 31 an ihren jeweiligen Seiten miteinander verbunden sind; zumindest eine Sensorplatte 32 ist mit der Anschlussplatte 33 an ihrer jeweiligen Seite in die Richtung normal auf die Richtung, in welcher die Membran 31 mit der Anschlussplatte 33 verbunden ist, verbunden; und zumindest ein Teil der Seiten der Anschlussplatte 33 und der Sensorplatte 32 ist mit einem Teil der Seiten des Sensorsubstrats 34 verbunden. Im Massensensor 30 kann zumindest einer der Schwingungsmoden von den Biegemoden verwendet werden, in welchem die Membran 31 schwingt, wenn sie sich in die Richtung der (nicht dargestellten) Z-Achse normal auf die beiden X- und Y-Achsen biegt; den axialen Rotationsmodus, in welcher sie schwingt, wenn sie um die Y-Achse rotiert; die θ-Mode, in welcher die Membran 31 eine pendelähnliche Schwindung im Zentrum auf der Y-Achse innerhalb der Plattenoberfläche der Membran 31 in die X-Achsen-Richtung durchführt, um so einen konstanten Winkel θ zur Y-Achse zu erzeugen; und die Φ-Mode, die eine pendelähnliche Schwindung im Zentrum auf der Y-Achse in die X-Achsen-Richtung ist, und in welchem die Schwingungskomponente in die Richtung der (nicht dargestellten) Z-Achse parallel zur Seite der Membran 31 gesteigert wird, wenn sie sich von der Y-Achse weg bewegt.
  • Nun werden die obige θ-Mode und die Φ-Mode noch detaillierter beschrieben. 5(b) ist eine Darstellung der θ-Mode und zeigt die Änderung der Position der Membran 31, wenn der Massensensor 30 der 5(a) aus der A-A-Richtung in 5(a) betrachtet wird, d. h. auf der X-Achse von der Y-Achsen-Richtung. Hierin liegt die obere Stirnfläche 31F der Membran 31 auf der Position P1, wenn sie nicht schwingt, aber in der θ-Mode führt die Membran 31 mit Zentrum auf der Y-Achse innerhalb der Plattenoberfläche der Membran 31 eine pendelähnliche Schwingungsbewegung durch, d. h. in die X-Y-Achsenebene in die X-Achsen-Richtung, um somit einen konstanten Winkel θ zur Y-Achse zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt kann in die A-A-Richtung die Bewegung der oberen Stirnfläche 31F der Membran 31 als die reziproke Bewegung zwischen den Positionen P2 und P3 auf der X-Achse beschrieben werden, und diese Schwingbewegung wird als θ-Mode definiert.
  • Als nächstes ist 5(c) eine Darstellung der Φ-Mode, und ähnlich wie 5(b) zeigt 5(c) die Änderung der Position der Membran 31 von der in 5(a) dargestellten A-A-Richtung aus gesehen. Hierin ist auch die obere Stirnfläche 31F der Membran 31 die Position P1, wenn sie nicht schwingt. Wie bereits zuvor beschrieben wurde, führt die Membran in der Φ-Mode eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum auf der Y-Achse innerhalb der Oberfläche der Membran 31 in die X-Achsen-Richtung durch, und die Schwingungskomponente in die Richtung der Z-Achse parallel zur Seite der Membran 31 wird gesteigert, wenn sie sich von der Y-Achse weg bewegt. D. h. die Bewegung der oberen Stirnfläche 31F der Membran 31 in die A-A-Richtung kann als die reziproke Bewegung zwischen den Positionen P4 und P5 auf dem Bogenorbit S mit dem Mittelpunkt O an einem Punkt der Z-Achse und durch die Position P1 hindurchgehend beschrieben werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Winkel aus der Z-Achse und der geraden Linie, welche die Membran 31 und den Mittelpunkt O verbindet, Φ, und eine solche Schwingungsmode wird als Φ-Mode definiert.
  • Aufgrund dieser verschiedenen Schwingungsmoden wird der piezoelektrische Film des piezoelektrischen Elements 35 einer Dehn- oder Biegebelastung unterzogen, und es wird eine Spannung erzeugt, die der Größe der mechanischen Spannung entspricht. Die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts, der die Membran 31, die Anschlussplatte 33 und den Sensorabschnitt 36 umfasst, wird zu diesem Zeitpunkt durch das piezoelektrische Element 35 gemessen. Da die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts hautsächlich in Begleitung der Massenänderung der Membran 31 variiert, wenn sich eine Substanz an der Membran 31 anhaftet oder sich von dieser löst, wodurch die Masse der Membran 31 eine Änderung erfährt, kann die Massenänderung im selben Prinzip wie bei den Massensensoren 50A bis 50D erhalten werden. Der dynamische Bereich kann vergrößert werden, indem zwei piezoelektrische Elemente 35 auf beiden Oberflächen der Sensorplatte 32 installiert und durch Betätigung der von diesen piezoelektrischen Elementen 35 abgefühlten Signale verglichen werden. Weiters kann in diesem Fall die Empfindlichkeit verbessert werden, indem eines der piezoelektrischen Elemente 35 für das Ansteuern (Anregen) der Membran 31 und das andere für das Abfühlen (Schwingungsempfang) verwendet wird.
  • Weiter wird in 5(a) bevorzugt, die Empfindlichkeit zu verbessern, indem ein piezoelektrisches Element 35 in die Y-Achsen-Richtung installiert wird, dieses in zwei piezoelektrische Elementteile 35A und 35B geteilt wird und diese zum Ansteuern bzw. Abfühlen verwendet werden. Die Verfahren zum Teilen des piezoelektrischen Elements 35 umfasst ein Verfahren, in welchem nach der Installation eines piezoelektrischen Elements 35 dieses mittels Laserbehandlung geteilt wird, sowie ein Verfahren, um zwei piezoelektrische Elementteile 35A bzw. 35B gleichzeitig zu installieren. Diese Verfahren zum Installieren einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen und zum Teilen und Verwenden der jeweiligen piezoelektrischen Ele mente 35 können auf alle Massensensoren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
  • Wenn eine Resonanzfrequenz durch Eintauchen der Membran 31 in eine Flüssigkeit unter Verwendung der obig beschriebenen Biegemode gemessen wird, weist die Membran 31 den Vorteil auf, dass die Membran 31 von der Flüssigkeit Widerstand empfängt, welcher der Fläche der Membran 31 entspricht, und es somit schwierig wird, eine Änderung in der winzig kleinen Masse der Membran 31 abzufühlen. Ist die Probe ein Gas, so kann aber die Biegemode verwendet werden, weil der Widerstandswert nur klein ist. In diesem Fall wird es aber bevorzugt, die Länge der Membran 31 in die Y-Achsen- und X-Achsen-Richtung zu verkürzen.
  • Da die Massenänderung der Membran 31, wo sich die Breite der Anschlussplatte 33 (Breite in die Richtung der X-Achse) zur Membran 31 hin ausdehnt, in den Rotationsmode um die Y-Achse die Rotationsschwingung der Membran 31 nur gering beeinträchtigt wird und weniger zur Rotationsschwingung beiträgt als dieselbe Massenänderung an den linken und rechten Enden der Membran 31, ergibt sich in der Empfindlichkeit abhängig von der Position, wo die Massenänderung der Membran 31 auftritt, ein Problem. In diesem Fall kann ein Messfehler dadurch minimiert werden, dass die Form der Membran 31 konkav gemacht wird und dass der Bereich in der Nähe der Y-Achse klein wie im Massensensor 30A der 6 ausgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird bevorzugt, die Dimension H1 zu verringern, um den Messfehler an der Position des Auftragens der Probe zu minimieren, wenn die Massenänderung dieselbe ist; und um den dynamischen Bereich zu vergrößern, wird die Dimension H2 vorzugsweise erhöht.
  • Wird die θ- oder Φ-Mode verändert, ungeachtet dessen was die Probe ist, ob nun flüssig oder gasförmig, so kann der Effekt der Position, an welcher die Fängersubstanz auf die Membran 31 aufgetragen wird, dadurch minimiert werden, dass die Dimensionen H3 und H4 in 5 verringert werden. Zusätzlich dazu ist der Effekt von Dichte oder Viskosität gering, da die Membran 31 dünn ist, und da die Membran 31 in einer Starrkörper-Mode betrieben wird, wird dies auch nur sehr wenig durch eine Temperaturänderung beeinflusst, wodurch dem Massensensor exzellente Empfindlichkeit und Umgebungsbeständigkeit verliehen wird. Somit wird bevorzugt, den Massensensor der vorliegenden Erfindung in der θ-Mode oder in der Φ-Mode zu betreiben.
  • In der vorliegenden Erfindung kann als nächster Schritt eine Struktur, in welcher eine Federplatte in einer Plattenfläche oder jeder Fläche der Anschlussplatte befestigt ist, und in welcher die Federplatte mit einem Sensorsubstrat oder einer Federplattenverstärkung verbunden ist, vorteilhaft angenommen werden. 7(a) ist ein Grundriss des Massensensors 40A, der eine Ausführungsform ist, in welcher eine Federplatte 38 und eine Federplattenverstärkung 39 auf dem obig beschriebenen Massensensor 30 installiert sind. Die 7(b) bis (e) sind verschiedene Schnittansichten auf der Y-Achse aus der X-Achsen-Richtung gesehen, die Beispiele für die Anbringung der Federplatte 38 und der Federplattenverstärkung 39 veranschaulichen.
  • Die Federplatte 38 ist mit zumindest einer Plattenoberfläche der Anschlussplatte 33 verbunden. Obwohl die Breite der Federplatte 38 geringer als die Breite der Anschlussplatte 33 sein kann, wie dies 7(a) veranschaulicht, ist die Breite der Federplatte 38 vorzugsweise dieselbe wie die Breite der Anschlussplatte 33. Auch wenn die Federplatten 38 aus demselben Material an beiden Plattenflächen der Anschlussplatte 33 befestigt sind, wird bevorzugt, dass die Formen dieser Federplatten 38 dieselben sind. Werden die Materialien der Federplatten 38 aber auf verschiedene Materialien der Anschlussplatte 33 geändert, so ist es nicht erforderlich, dass die Formen dieser Federplatten 38 dieselben sind, wobei aber geeignete Formen unter Berücksichtigung des E-Moduls und anderer physikalischer Eigenschaften jeder Federplatte 38 angenommen werden können.
  • Solche Federplatten 38 werden also in der Regel mit dem Sensorsubstrat 34 verbunden. In diesem Fall ist die Notwendigkeit der Federplattenverstärkung 39 abhängig von der Position, an welcher die Anschlussplatte 33 mit dem Sensorsubstrat 34 verbunden wird; bestimmt, d. h. wenn die Anschlussplatte 33 mit der Position verbunden ist, an welcher die Federplatte 38 direkt mit dem Sensorsubstrat 34 verbun den ist, wie dies in den 7(b) und (c) dargestellt ist, so ist keine Federplattenverstärkung 39 erforderlich, da das Sensorsubstrat 34 auch als Federplattenverstärkung 39 dient. Dann kann die Federplatte 38 nur auf einer Plattenfläche der Anschlussplatte 33 befestigt werden.
  • Wenn die Anschlussplatte 33 aber mit dem Sensorsubstrat 34 an ihrem Ende verbunden ist, wie dies in 7(d) dargestellt ist, so wirkt für die Federplatte 38A das Sensorsubstrat 34 auch als Federplattenverstärkung 39; für die Federplatte 38B wird aber bevorzugt, eine Federplattenverstärkung 39 zum Halten der Federplatte 38B bereitzustellen. Selbst wenn die Anschlussplatte 33 mit dem Sensorsubstrat 12 an ihrem Ende verbunden ist, wie dies 7(e) zeigt, ist keine Federplattenverstärkung 39 erforderlich, wenn nur die Federplatte 38A, die mit dem Sensorsubstrat 12 verbunden werden kann, befestigt wird, und wenn keine Federplatte 38B verwendet wird.
  • Somit wird durch das Befestigen der Federplatte 38 die mechanische Festigkeit des Resonanzabschnitts verbessert. Auch kann dadurch die Dicke der Anschlussplatte 33 und der Membran 31 verringert werden, und auch die Dämpfung des Resonanz-Peaks bei Messung in einer Flüssigkeit wird vorteilhaft verringert. Weiters werden Federplatten 38 vorzugsweise an beiden Plattenflächen der Anschlussplatte 33 befestigt, da der Schwerpunkt des Federabschnitts, der aus der Anschlussplatte 33 und den Federplatten 38 besteht, dadurch angeregt werden kann, und die Membran 31 leicht im θ-Mode schwingt, wenn die Membran 31 mit dem piezoelektrischen Element 35 angeregt wird.
  • Hierin sind Schnittansichten auf der X-Achse von der Richtung der Y-Achse der in den 7(c) und (d) dargestellten Ausführungsformen in den 8(a) bzw. (b) gezeigt. In 8(a) schwingen die Membran 31 und der gesamte Resonanzabschnitt leicht in der θ-Mode in die Richtung der X-Achse, da das piezoelektrische Element 35 den Mittelpunkt O der Federplatte 38A, der Federplatte 38B und der Anschlussplatte 33 in die X-Achsen-Richtung ansteuern kann, während im Fall der 8(b) die Antriebskraft in die Richtung der X-Achse (Pfeil S1) durch das piezoelektrische Element 35 als Rotationskraft um den Mittelpunkt O (Pfeil S2) herum angetrieben wird und der Rotationsmodus leicht zu sein scheint, selbst wenn der Rotationsmodus durch die Festigkeit der Federplatte 38A selbst beschränkt ist, da der Mittelpunkt O der Federplatte 38A, der Federplatte 38B und der Anschlussplatte 33 nicht auf der Anschlussplatte 33 liegt.
  • Wird die Federplatte 38 wie zuvor beschrieben verwendet, so wird auch bevorzugt, dass eine Verstärkungsplatte 41 an der Federplatte 38 befestigt und mit der Seite des Sensorsubstrats 34 verbunden wird, wie dies am Beispiel des Massensensors 40B in 9 dargestellt ist. Die 9(a) und (b) sind Grundrisse des Massensensors 40B aus der Sicht von oben bzw. unten; und 9(c) ist eine Schnittansicht entlang der X-Achse aus der Sicht von der Richtung der Y-Achse in 9(b). Hierin ist die Verstärkungsplatte 41 an der auf der Anschlussplatte 33 installierten Federplatte 38A befestigt und mit dem Sensorsubstrat 34 an der senkrecht darauf geschnittenen Seite verbunden. Vorzugsweise ist die Verstärkungsplatte 41 einstückig mit der Federplatte 38 und dem Sensorsubstrat 34 ausgebildet.
  • Da eine solche Struktur es erleichtert, dass die Membran 31 in der θ-Mode und in der Φ-Mode in Resonanz gerät, wird die Dämpfung des Q-Werts reduziert, und die Empfindlichkeit wird vorteilhaft verbessert. Somit ist die Struktur insbesondere für die Messung in einer Flüssigkeit geeignet.
  • Offensichtlich kann die oben beschriebene Federplatte auf alle Massensensoren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden, in welchen eine Anschlussplatte als Komponente verwendet wird, und es wird bevorzugt, dass die Federplatte einstückig mit einer Zwischenplatte ausgebildet ist, die einstückig zwischen der Membranplatte und der Basisplatte eingeschoben ist, oder dass sie einstückig mit einer Federplattenverstärkung ausgebildet ist, die einstückig mit der Membran ausgeführt wurde, und dass sie auch einstückig mit den jeweiligen Anschlussplatten ausgebildet ist, wie dies später im Verfahren zur Herstellung des Massensensors der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
  • Die Form der Plattenfläche der Membran 31 im obigen Massensensor 30 ist nicht auf die rechteckige Form beschränkt, wie dies in den 5(a), 7(a) und 9 dargestellt ist, sondern es können verschiedene beliebige Formen, so z. B. rund, dreieckig, umgekehrte U-Form, polygonal, elliptisch und oval, verwendet werden, wie dies in den Massensensoren 30B bis 30D in den 10(a) bis (c) gezeigt ist. Die Membran 31 kann mit der Anschlussplatte 33 nicht symmetrisch um die Y-Achse verbunden sein, wie dies im Massensensor 30E der 10(d) dargestellt ist. Eine solche beliebige Auswahl der Form der Membran 31 kann auf alle Massensensoren der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
  • Als nächstes ist eine Ausführungsform eines Massensensors, in welcher nur eine Federplatte mit dem Massensensor 30 verbunden ist, wie dies oben beschrieben wurde, und in welcher sie im Sensorsubstrat angeordnet ist, in 11 dargestellt. Im Massensensor 1 ist es offensichtlich möglich, die Federplatte, die Federplattenverstärkung und die Verstärkungsplatte, die zuvor beschrieben wurden, auszubilden, oder gegebenenfalls die Form der Membran zu ändern.
  • 11 ist ein Grundriss eines Massensensors 2 aus der Richtung der Membran 3. Der Massensensor 1 ist symmetrisch konstruiert. Die Schwingungsplatte 3 bildet gemeinsam mit der Basisplatte 15 und der Zwischenplatte 17 das Sensorsubstrat 2, wie dies später beschrieben wird. Löcher 8, die im Sensorsubstrat 2 ausgebildet sind, werden als Ausrichtungsmarkierungen verwendet, die bei den Verpackungs- und Herstellungsprozessen des Massensensors 1 zur Anwendung kommen, und zwei Resonanzabschnitte 26, wobei einer dieser als Referenz dient, die aus einer Membran 19, einer Anschlussplatte 20, einer Sensorplatte 21, einem piezoelektrischen Element 25 und einer Federplatte 18 bestehen, wie dies in einem späteren Abschnitt beschrieben ist. Indem zwei oder mehr Resonanzabschnitte 26 in einem Massensensor 1 ausgebildet werden, umfassend dabei einen Resonanzabschnitt 26 als Referenz, können die Signale von den jeweiligen Resonanzabschnitten 26 kumuliert werden, um den dynamischen Bereich auszudehnen.
  • Die Positionssensorelektroden 4, 5 werden zum Abfühlen der Position des Massensensors 1 verwendet, wenn der Massensensor 1 in eine leitfähige Probe wie eine wässrige Lösung eingetaucht ist, indem ein elektrischer Strom durch die Probe geleitet wird. ist die Probe leitfähig, so verhindern diese Positionssensorelektroden 4, 5 einen Kurzschluss der zweiten Elektrode 24 und der ersten Elektrode 22 auf dem (in 11 nicht dargestellten) piezoelektrischen Element 25 sowie der Elektrodenleitungen 9, 10 von diesen Elektroden, indem sie den Teil oberhalb des Musters, der in die horizontale Richtung der Positionssensorelektroden 4, 5 ausgebildet ist, in die Probe eintauchen und den Teil des Massensensors 1, der tiefer als die Position der Positionssensorelektroden 4, 5 liegt, nicht in die Probe eintauchen. An ein Ende jeder der Positionssensorelektroden 4, 5 ist ein Anschluss 6 bzw. 7 ausgebildet; und an ein Ende jede der Elektrodenleitungen 9, 10 ist ein Anschluss 11 bzw. 12 ausgebildet. Diese Anschlüsse werden mit den Sonden oder anderen Verbindungselementen auf den jeweiligen Sensorinstrumenten verbunden.
  • Werden das piezoelektrische Element 25 und die Elektrodenleitungen 9, 10 aber mit einem Isolierharz oder dergleichen beschichtet, so sind keine Positionssensoren 4, 5 und Anschlüsse 6, 7 erforderlich, da das piezoelektrische Element 25 und die Elektrodenleitungen 9, 10 keinen Kurzschluss haben, selbst wenn der Massensensor 1 in die leitfähige Probe getaucht wird.
  • 12 ist ein vergrößerter Grundriss des Sensorabschnitts 13 in 11, gesehen von der Basisplatte 15 aus, d. h. von der Rückseite der Schwingungsplatte 3 in 11. 13 ist eine Perspektive der unmittelbaren Umgebung des in 12 dargestellten geschnittenen Abschnitts. Der Sensorabschnitt 13 bezeichnet einen Abschnitt des Massensensors 1, der den Resonanzabschnitt 26 und das Sensorsubstrat 2 in der unmittelbaren Nähe des Resonanzabschnitts 26 im Massensensor 1 umfasst.
  • Wie die 12 und 13 zeigen, ist eine Öffnung 14 mit einem U-förmigen geschnittenen Abschnitt 16 in der Basisplatte 15 ausgebildet. Dieselbe Form des geschnittenen Abschnitts 16 ist auch auf der Zwischenplatte 17, welche die Basisplatte 15 überlappt, ausgebildet, und in der Zwischenplatte 17 ist eine beinahe prismatische Federplatte 18 ausgebildet, die sich zur Mitte der Öffnung 14 von der Mitte der Unterseite des geschnittenen Abschnitts 16 aus erstreckt. Diese Zwischenplatte 17 und die Federplatte 18 sind aber nicht immer erforderlich, aber sie werden als Elemente verwendet, aus denen sich der Massensensor 1 zusammensetzt, wenn dies für die Einstellung der mechanischen Festigkeit des Resonanzabschnitts 26 oder der Empfindlichkeit des Massensensors 1 erforderlich ist.
  • Im geschnittenen Abschnitt 16 der Schwingungsplatte 3 sind eine Anschlussplatte 20, die mit der Federplatte 18 verbunden ist, und eine Membran 19, die mit dem oberen Ende der Anschlussplatte 20, aber nicht mit der Federplatte 18 verbunden ist, ausgebildet. Weiters ist im geschnittenen Abschnitt 16 der Schwingungsplatte 3 eine Sensorplatte 21 über eine Seite der Schwingungsplatte 20 und die gegenüberliegende Seite des geschnittenen Abschnitts 16 ausgebildet.
  • 14 zeigt eine Perspektive der unmittelbaren Nähe des geschnittenen Abschnitts 16, der in 12 aus der Sicht der Seite der Schwingungsplatte 3 dargestellt ist. Auf der Oberfläche der Seite der Schwingungsplatte 3 der Sensorplatte 21 ist ein piezoelektrisches Element 25 durch Laminierung einer ersten Elektrode 22, eines piezoelektrischen Films 23 und einer zweiten Elektrode 24 in dieser Reihenfolge ausgebildet. Weiters ist die zweite Elektrode 24 mit der Elektrodenleitung 9 verbunden, und die erste Elektrode 22 ist mit der Elektrodenleitung 10 verbunden. Somit besteht ein Sensorabschnitt 29 aus der Sensorplatte 21 und dem piezoelektrischen Element 25, und der Resonanzabschnitt 26 besteht aus der Federplatte 18, der Membran 19, der Anschlussplatte 20 und dem Sensorabschnitt 29.
  • Obwohl nur ein piezoelektrisches Element auf einer Plattenoberfläche der Sensorplatte 21 im Massensensor 1 angeordnet ist, können piezoelektrische Elemente 25 auf beiden Plattenoberflächen der Sensorplatte 21 installiert werden. In diesem Fall kann die Steifigkeit der Sensorplatten 21 ausgeglichen werden, indem die Struktur des Sensorabschnitts 29 symmetrisch wird.
  • Obwohl ein Schlitz 27 auf der Unterkante des geschnittenen Abschnitts 16 in der Sensorplatte 21 und der Schwingungsplatte 3 ausgebildet wird, wie dies 13 zeigt, wird auch im Massensensor 1 eine Struktur bevorzugt, in welcher die Sensorplatte 21 mit der Unterkante des geschnittenen Abschnitts 16. in der Schwingungsplatte 3 ohne Ausbildung des Schlitzes 27 verbunden wird, d. h. die Sensorplatte 21 wird in die durch die Anschlussplatte 20 und das Sensorsubstrat 2 ausgebildete Vertiefung eingepasst und mit dieser verbunden, wie dies beim Massensensor 42 in 15 dargestellt ist, um die Biegung des Federabschnitts, der aus einer Anschlussplatte 20 und/oder einer Federplatte 18 besteht, zu verhindern und um die auf das piezoelektrische Element 25 angelegte mechanische Spannung zu steigern.
  • Im obig beschriebenen Massensensor 1 kann der Sensorabschnitt 13 auf dem Umfang des Sensorsubstrats 2, z. B. auf der Oberkante in 11, installiert werden, obwohl ein Sensorabschnitt 13 angeordnet ist, der den Umfang der im Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Öffnung 14 verwendet. Da die schichtähnliche Membran 19 oftmals auf der vom geschnittenen Abschnitt 16 hervorragende Position installiert wird, wie dies aus der Struktur des Sensorabschnitts 13, der in den 11 bis 14 dargestellt ist, ersichtlich ist, wird bevorzugt, die Struktur anzupassen, in welcher der Sensorabschnitt 13 innerhalb des Sensorsubstrats 2 installiert ist, wie dies 11 zeigt, und zwar in Hinblick auf den Schutz des Resonanzabschnitts 26 vor äußeren Einflüssen, um so z. B. die Membran 19 bei Bedienung des Massensensors 1 nicht zu beschädigen. Eine solche Struktur wird auch bevorzugt, um den Herstellungsvorgang des Massensensors 1 zu erleichtern, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
  • Als nächstes sind verschiedene Ausführungsformen des Massensensors beschrieben, die den Sensorabschnitt 13 im obig beschriebenen Massensensor 1 ersetzen können. 16(a) ist ein Grundriss eines Massensensors 43A, der eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Massensensor 43A weist eine Struktur auf, in welcher eine Anschlussplatte 20 und eine Membran 19 miteinander an den jeweiligen Seiten verbunden sind, zwei Sensorplatten 21A, 21B sind mit der Anschlussplatte 20 verbunden, so dass die Anschlussplatte 20 in die Richtung normal auf die Richtung, in welcher die Membran 19 und die Anschlussplatte 20 verbunden sind, in einer Sandwich-Anordnung eingefügt ist, und die jeweiligen Sensorplatten 21A, 21B sind ebenfalls mit dem Sensorsubstrat 2 in derselben Weise wie die Sensorplatte 21 im in 15 dargestellten Massensensor 42 verbunden, gehalten und an drei Seiten befestigt. Diese dreiseitige Halterung dient einer erhöhten Empfindlichkeit. Die Sensorplatten 21A, 21B müssen aber nicht notwendigerweise mit der Unterkante der durch die Anschlussplatte 20 und das Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Vertiefung verbunden sein.
  • Piezoelektrische Elemente, die jeweils aus einer ersten Elektrode, einem piezoelektrischen Film und einer zweiten Elektrode bestehen, sind auf zumindest einem Teil an zumindest einer der Plattenflächen der zumindest einen Sensorplatte installiert. In den in 16 dargestellten Ausführungsformen sind piezoelektrische Elemente 25A bis 25D auf beiden Plattenoberflächen der Sensorplatten 21A, 21B angeordnet, und der Resonanzabschnitt besteht aus einer Membran 19, einer Anschlussplatte 20, den Sensorplatten 21A, 21B sowie den piezoelektrischen Elementen 25A bis 25D. Alle piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D sind nicht unbedingt notwendig, wenngleich die optimale Anzahl an piezoelektrischen Elementen an fakultativen Positionen der Sensorplatte 21A oder 21B installiert werden kann.
  • Wird eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 25A bis 25D wie in diesem Massensensor 43A verwendet, können, da die Steifigkeit der Sensorplatten 21A und 21B ausgeglichen werden kann und zusätzlich dazu die Q-Werte in der θ-Mode und in der Φ-Mode gesteigert werden können und der Q-Wert des Rotationsmode durch Kumulierung oder Verarbeitung der Signale von den jeweiligen piezoelektrischen Elementen 25A bis 25D verringert werden kann, die Resonanzfrequenzen noch genauer gemessen werden. Weiters kann, wenn zumindest zwei der piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D angeordnet sind, und dabei eines zum Ansteuern und eines zum Abfühlen verwendet wird, die Empfindlichkeit verbessert werden. Hierin werden zur Verbesserung der Empfindlichkeit vorzugsweise diese piezoelektrischen Elemen te 25A bis 25D auf ähnliche Weise geteilt, wie das piezoelektrische Element 35 in die piezoelektrischen Elemente 35A und 35B im Massensensor 30 geteilt wird.
  • Auch wird zur Verbesserung der Ausgangsladung bevorzugt, die Struktur anzupassen, in welcher z. B. die piezoelektrischen Elemente 25A und 25C auf den Plattenflächen in dieselbe Richtung der Sensorplatten 21A bzw. 21B angeordnet werden, und die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Filme in diesen piezoelektrischen Elementen 25A und 25C zueinander umgedreht ist. Auch wird vorzugsweise eine Struktur auf den jeweiligen Plattenoberflächen der Sensorplatten 21A und 21B angenommen. Weiters wird zur Verbesserung der Empfindlichkeit auch bevorzugt, die Struktur anzunehmen, in welcher zumindest eine der Richtungen von zumindest einem der piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D eine Seite oder zwei Seiten der dreiseitigen Halterung ist, wie dies im in 16(b) dargestellten Massensensor 43B der Fall ist. Selbst in diesem Fall ist aber erforderlich, dass die piezoelektrischen Elemente 25A bis 25D nicht die Federplatte überlappen, wenn die Anschlussplatte 20 und die Federplatte verwendet werden.
  • Sind die Federplatten an den Massensensoren 43A, 43B befestigt, so können Federplattenverstärkungen oder Verstärkungsplatten wie im Massensensor 40B verwendet werden. So wird z. B. eine Verstärkungsplatte ausgebildet, so dass sie an einer Federplatte befestigt ist, und die Seite der Verstärkungsplatte ist mit den drei Seiten verbunden, d. h. den Seiten des Sensorsubstrats 2, wo die Sensorplatten 21A, 21B mit dem Sensorsubstrat 2 verbunden sind (die seitliche Seite des abgeschnittenen Abschnitts 16), und der Seite des Sensorsubstrats 2, wo die Anschlussplatte 20 mit dem Sensorsubstrat 2 verbunden ist (die Unterseite des abgeschnittenen Abschnitts 16). Zur Verbesserung der Empfindlichkeit kann, da der Q-Wert im θ-Mode verbessert werden kann, die Resonanzfrequenz in der Biegemode (die Mode, in welcher zwischen dem Sensorsubstrat und der Anschlussplatte gebogen wird) des piezoelektrischen Elements erhöht werden, und die Frequenz in der θ-Mode kann gesteigert werden.
  • Der in 16(c) dargestellte Massensensor 43C ist eine Ausführungsform, in welcher ein Schlitz 48 auf der Mitte in die Längsrichtung der Anschlussplatte 20 im Massensensor 43A ausgebildet ist. Der Schlitz 48 ist hohl und dient dazu, das Auftreten von Schwingungen in der θ-Mode und in der Φ-Mode der Membran 19 zu erleichtern und die Resonanzfrequenz zu identifizieren. Auch dient, wie dies später beschrieben ist, der Schlitz 48 dazu, die Masse der Anschlussplatte 20 zu verringern und die Empfindlichkeit zu verbessern. Wird eine Federplatte verwendet, so kann die Federplatte in dieser hohlen Form einstückig mit der Anschlussplatte ausgebildet werden.
  • Werden zwei Sensorplatten auf einem Resonanzabschnitt angeordnet, wie dies in 16(a) dargestellt ist, so kann die Antriebskraft der Membran 19 gesteigert werden, indem der Bereich jeder der Sensorplatten 21A und 21B dadurch erweitert wird, dass die Längen N1 und N2 und die Breiten M1 und M2 der Sensorplatten 21A und 21B geändert werden, und die Q-Werte in der θ-Mode und in der Φ-Mode können dadurch erhöht werden, dass der Bereich der anderen Sensorplatte verengt wird, wie dies in 17(a) dargestellt ist. 17(b) ist eine Schnittansicht entlang der X-Achse der 17(a) aus der Sicht der Y-Achse. Die Q-Werte in der θ-Mode und in der Φ-Mode können erhöht und die Empfindlichkeit verbessert werden, indem die Eigenfrequenz der biegenden Verschiebungsschwingung der Sensorplatten 21A, 21B, die durch die piezoelektrischen Elemente 25A, 25B und die Sensorplatten 21A, 21B (Pfeil G in 17(b)) bestimmt sind, auf f1 bzw. f2 geändert wird, indem die Breiten M1 und M2 der Sensorplatten 21A, 21B z. B. unter Verwendung eines der piezoelektrischen Elemente 25A, 25B für die Ansteuerung und des anderen für das Abfühlen geändert werden. Auch kann das piezoelektrische Element mit den kleineren Eigenfrequenzen f1 und f2 zur Ansteuerung und das andere zur Fehlerdiagnose verwendet werden.
  • Werden zwei Sensorplatten in einem Resonanzabschnitt verwendet, wie dies in 16 oder 17 dargestellt ist, so wird auch vorzugsweise eine Struktur angenommen, in welcher zumindest eines der piezoelektrischen Elemente 25C, 25D auf einer Sensorplatte angeordnet ist, so z. B. auf der Sensorplatte 21B, und ein Schlitz 28 ist auf der anderen Sensorplatte 21A in die Richtung orthogonal auf die Richtung ausgebildet, in welche die Sensorplatte 21A mit der Anschlussplatte 20 verbunden ist, wie dies 18 veranschaulicht. Durch eine solche Struktur kann die Schwingung in der Rotationsmode beschränkt werden, die Q-Werte in der θ-Mode und in der Φ-Mode können erhöht und die Abweichung vom Resonanzpunkt kann vergrößert werden, um somit den Absolutwert der Variation der Resonanzfrequenzen zu erhöhen. Obwohl die Anzahl der Schlitze 28 eins sein kann, wird eine Vielzahl von Schlitzen bevorzugt, um die oben erwähnten Effekte zu verstärken.
  • Nunmehr zeigt 19(a) einen Grundriss eines Massensensors 43D, eine Ausführungsform, in welcher der in 16(a) dargestellte Massensensor 43A in der im Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Öffnung 14 ausgebildet ist; 19(b) zeigt eine Schnittansicht dieser entlang der unterbrochenen Linie A-A in 19(a). Im Massensensor 43D sind zwei piezoelektrische Elemente 25A, 25C installiert, und die Elektrodenleitungen 9, 10 sind mit den piezoelektrischen Elementen 25A bzw. 25C verbunden. Eine Isolierbeschichtungsschicht 65 ist ausgebildet, um die piezoelektrischen Elemente 25A, 25C und die Elektrodenleitungen 9, 10 zu bedecken. Diese Isolierbeschichtungsschicht 65 schützt die piezoelektrischen Elemente 25A, 25C sowie die Elektrodenleitungen 9, 10 vor einem Kurzschluss, selbst wenn der Resonanzabschnitt des Massensensors 43D in eine leitfähige Probe getaucht wird.
  • Der Massensensor 43D ist auch mit Schutzschichten 66 ausgestattet, die ein leitfähiges Material umfassen, um so die Isolierbeschichtungsschicht 65 zu bedecken. Die Schutzschicht 66 ist auf beiden Oberflächen des Sensorsubstrats 2 ausgebildet und mit jeder dieser durch ein Durchgangsloch 67 verbunden. Wird eine extrem kleine Masse in der Größenordnung von 0,1 ng abgefühlt, so wird bevorzugt, auch die Drahtelemente (piezoelektrische Elemente 25A, 25C und Elektrodenleitungen 9, 10) auf dem Sensorsubstrat 2 als auch die Verdrahtung vom Sensorsubstrat 2 zum Instrument zu schützen, um so den Massensensor vor externen elektromagnetischen Wellen zu schützen und den Bestimmungsfehler der Resonanzfrequenzen zu minieren. Zusätzlich zum Aspekt der Ausbildung der Schutzschicht 66, um so das in 19(b) dargestellte Sensorsubstrat 2 in einer Sandwich-Anordnung anzubringen, kann auch die Ausführungsform verwendet werden, in welcher die Schutzschicht nur die Drahtelemente auf dem Sensorsubstrat 2 umgibt, wie dies in der Schnittansicht der 19(c) dargestellt ist, und auch die Ausführungsform, in welcher eine Schutzschicht nur die Oberseite der Drahtelemente bedeckt, wie dies in 19(d) dargestellt ist. Insbesondere Ausführungsformen zum Schutz der gesamten Drahtelemente sind bevorzugt, wie in den 19(b) und (c) dargestellt. In der Ausführungsform der 19(a) können diese Schichten unter Verwendung der Seite des Sensorsubstrats 2 verbunden werden, obwohl die Schutzschichten 66, die auf beiden Oberflächen des Sensorsubstrats 2 ausgebildet sind, elektrisch miteinander durch das Durchgangsloch 67 verbunden sind. Die Details der vorzugsweise zur Ausbildung der Isolierschutzschicht 65 und der Schutzschicht 66 verwendeten Materialien werden zu einem späteren Zeitpunkt in Verbindung mit der Beschreibung der in den Massensensoren verwendeten Materialien beschrieben.
  • 20 ist ein Grundriss einer anderen Ausführungsform eines Massensensors der vorliegenden Erfindung. Im in 20(a) dargestellten Massensensor 44A ist eine Anschlussplatte 20 nicht direkt mit einer Sensorplatte 21 verbunden, sondern die Anschlussplatte 20 und die Sensorplatte 21 sind mit der Membran 19 an den jeweiligen Seiten verbunden, so dass die Verbindungsrichtungen mit der Membran 19 parallel zueinander liegen, und die Membran 19 ist nicht mit dem Sensorsubstrat 2 verbunden, sondern die Anschlussplatte 20 und die Sensorplatte 21 sind mit der Seite des Sensorsubstrats 2 verbunden, d. h. die Sensorplatte 21 dient auch als Anschlussplatte 20.
  • Ein piezoelektrisches Element 25 ist auf zumindest einem Teil zumindest einer der Plattenflächen der Sensorplatte 21 installiert, und der Resonanzabschnitt ist aus der Membran 19, der Anschlussplatte 20, der Sensorplatte 21 und dem piezoelektrischen Element 25 gebildet. Während im in 20(b) gezeigten Massensensor 44B die zwei Sensorplatten 21A, 21B auf beiden Seiten einer Anschlussplatte 20 ausgebildet sind, sind die piezoelektrischen Elemente 25A, 25B auf den Sensorplatten 21A bzw. 21B ausgebildet.
  • Solche Massensensoren 44A, 44B sind für die Messung in der θ-Mode geeignet, da die Schwingung der Membran 19 leicht in der Ebene der Membran 19 auftritt, und weil die Schwingung der Membran 19 in der Rotationsmode eingeschränkt ist. Da die Schwingung der Membran 19 direkt durch die Sensorplatten auf das piezoelektrische Element 25 übertragen wird, kann die Empfindlichkeit der Massensensoren vorteilhaft verbessert werden.
  • Als nächstes zeigen die 21(a) bis (c) im Grundriss eine weitere Ausführungsform des Massensensors der vorliegenden Erfindung. Zuerst ist im in 21(a) dargestellten Massensensor 45A eine Membran 72 mit zwei Anschlussplatten 74A, 74B an der jeweiligen Seite verbunden, so dass die Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, und die Anschlussplatten 74A, 74B überbrücken die Seitenwände der Vertiefung 76 des Sensorsubstrats 70 an den jeweiligen Seiten. Hier hat die Vertiefung 76 eine ähnliche Funktion wie der geschnittene Abschnitt 16, der im Massensensor 1 ausgebildet ist, und kann somit auf der Seite oder auf anderen Abschnitten des Sensorsubstrats 70 ähnlich zum Umfang des in 11 dargestellten Sensorsubstrats 2 oder der im Sensorsubstrat 2 ausgebildeten Öffnung 14 ausgebildet sein.
  • Die Sensorplatten 73A, 73B sind über die Anschlussplatten 74A, 74B und die Unterseite der Vertiefung 76 in die Richtung vorgesehen, in welche die Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, d. h. in die Richtung senkrecht auf die Y-Achse. Weiters sind die piezoelektrische Elemente 75A, 75B auf zumindest einer der Plattenflächen der Sensorplatten 73A bzw. 73B angeordnet. Somit wird ein Resonanzabschnitt aus der Membran 72, den Anschlussplatten 74a, 74B, den Sensorplatten 73A, 73B und den piezoelektrischen Elementen 75A, 75B gebildet.
  • Die Struktur des Massensensors 45A kann zusammenfassend als ein Massensensor mit zumindest einem piezoelektrischen Element erklärt werden, in welchem eine Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung mit zwei Anschlussplatten an den jeweiligen Seiten aufgenommen ist, die Anschlussplatten 74A, 74B über die Seitenwände der Öffnung oder des Zwischenraum, die/der im Sensorsubstrat 70 ausgebildet ist, überbrücken, und zumindest eine Vielzahl von Sensorplatten 73A, 73B über die Anschlussplatten 74A, 74B und die Seiten der Öffnung oder des Zwischenraums in die Richtung normal auf die Richtung, in welche die jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, vorgesehen ist.
  • In einem solchen Massensensor 45A kann die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts auf der Grundlage von zumindest einer der Folgenden durch die auf den Sensorplatten 73A, 73B installierten piezoelektrischen Elemente 75A, 75B gemessen werden:
  • Die θ-Schwingungsmode, in welcher die Membran eine pendelähnliche Schwingung auf der feststehenden Fläche, auf welcher die jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B mit dem Sensorsubstrat 70 verbunden sind, um das Zentrum auf der senkrechten Achse, so dass die Membran 72 senkrecht durch die feststehende Fläche verläuft, d. h. die Y-Achse, und in die Richtung senkrecht auf die Seite der Membran 72 und normal auf die Y-Achse, d. h. die X-Achse, ausführt; die Φ-Schwingungsmode, in welchem die Membran 72 eine pendelähnliche Schwingung um das Zentrum auf der Y-Achse in die X-Achsen-Richtung ausführt, begleitet von der Schwingbewegung in die Richtung parallel zur Seite der Membran 72, d. h. die (nicht dargestellte) Z-Achse; die Schwingungsbewegung, in welcher die Membran 72 eine Schwingung mit dem Zentrum um die Y-Achse in die X-Achsen-Richtung ausführt; oder die Rotationsschwingung in der Plattenfläche der Membran 72.
  • Die Strukturen der Massensensoren 46A bis 46F, die später beschrieben sind, können auch als ähnlich den Massensensoren 45A bis 45C zusammengefasst werden, und das Verfahren zum Abfühlen der Masse mit den Massensensoren 46A bis 46F ist dasselbe wie jenes der Massensensoren 45a bis 45C. In den Massensensoren 46A bis 46F ist aber die Anzahl der Sensorplatten auf vier erhöht, und in diesen Ausführungsformen ist zusätzlich die Struktur zugefügt, in welcher zumindest eine Vielzahl der Sensorplatten 73A bis 73D zwischen der Membran 72 und der Seite der Öffnung oder dem Zwischenraum in die Richtung normal auf die Richtung, in welcher die jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, überbrücken.
  • Somit schwingt, da die Membran 72 und die Sensorplatten 73A, 73B in die Richtung des Pfeils K in 21 geschwungen werden, d. h. die Y-Achse wird zum Zentrum der Schwingung, und in die Richtung normal auf die Plattenfläche der Membran 72 und auch normal auf die Y-Achse, d. h. in die Richtung der X-Achse, die Membran 72 schwingt in die Richtung des Pfeils K stabil im Starrkörpermodus als θ-Mode der Membran 72. Es ist auch von Vorteil, dass die Biegemode der Membran 72 eingeschränkt ist. Die Form der Membran 72 ist nicht wie in den 21(a) bis (c) dargestellt auf die rechteckige Form beschränkt, sondern es können beliebige Formen, wie in 10 gezeigt, angepasst werden, und wie im in 21(b) dargestellten Massensensor 45B gezeigt ist, kann die Membran 72 mit den jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B an beliebigen Positionen verbunden werden. Weiters können, wie dies im in 21(c) dargestellten Massensensor 45C dargestellt ist, die jeweiligen Sensorplatten 73A, 73B an drei Seiten der jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B und des Sensorsubstrats 70 auf dieselbe Weise wie die Sensorplatte 21 im in 15 dargestellten Massensensor 42 gehalten und befestigt werden. Im Massensensor 45B ist ein Positionssensor 77 ähnlich den Positionssensoren 4, 5 des Massensensors 1 angeordnet.
  • Nun ist in den Massensensoren 46A bis 46F, weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im Grundriss der 22(a) bis (f) dargestellt sind, eine Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung von den zwei Anschlussplatten 74A, 74B aufgenommen und an den jeweiligen Seiten mit diesen verbunden, die jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B überbrücken die Seitenwände der Öffnung 71 des Sensorsubstrats 70 und zumindest eine Vielzahl von Sensorplatten, hier die Sensor platten 73A bis 73D, ist zwischen den jeweiligen Anschlussplatten 74A, 74B und der Seitenwand der Öffnung 71 oder zwischen der Membran 72 und der Seitenwand der Öffnung 71 in die Richtung senkrecht auf die Richtung, in welche die Anschlussplatten 74A, 74B die Membran 72 in einer Sandwich-Anordnung aufnehmen, vorgesehen.
  • Weiters sind piezoelektrische Elemente 75A bis 75D auf zumindest einer der Plattenoberflächen zumindest einer der Sensorplatten 73A bis 73D angeordnet, und somit wird ein Resonanzabschnitt aus einer Membran 72, den Anschlussplatten 74A, 74B, den Sensorplatten 73A bis 73D und den piezoelektrischen Elementen 75A bis 75D gebildet.
  • Bei Betrachtung von in den 22(a) bis (f) dargestellten Massensensoren 46A bis 46F erkennt man, dass im in 22(a) dargestellten Massensensor 46A die Rotation der Membran 72 um die Y-Achse durch die Sensorplatten 73A, 73B im Vergleich zu den in 21 dargestellten Massensensoren 45A bis 45C eingeschränkt wird. Vorzugsweise werden Schlitze 28 auf den Sensorplatten 73A, 73B ausgebildet, wie dies in 17 dargestellt ist, weil die Membran 72 leicht in die Richtung des Pfeils K schwingt.
  • Im Massensensor 46B der 22(b) sind die piezoelektrischen Elemente 75A bis 75D auf den Oberflächen der Sensorplatten 73A bis 73D, die in 22(a) dargestellt sind, in dieselbe Richtung ausgerichtet. Dadurch wird die Höhe der in die K-Richtung schwingenden Membran vergrößert, und der Massensensor kann geeignet zur Messung in hochviskosen Substanzen sowie auch in Substanzen mit niedriger Viskosität verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt sollten die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Filme der piezoelektrischen Elemente 75A und 75D sowie 75B und 75D einander gegenüberliegen. Weiters können die piezoelektrischen Elemente 75A bis 75D auf beiden Seiten der Sensorplatten 73A bis 73D angeordnet werden.
  • 22(c) zeigt einen Massensensor 46C, in welchem eine Seite der Sensorplatten 73A bis 73D in den in den 22(a) und (b) gezeigten Ausführungsformen, die dem Sensorsubstrat 70 gegenüberliegen, mit dem Sensorsubstrat 70 verbunden ist. Durch eine solche Struktur können die durch die Struktur des in 15 dargestellten Massensensors 42 erzielten Effekte zu den Effekten der in den 22(a) und (b) gezeigten Ausführungsformen addiert werden.
  • Im Massensensor 46D der 22(d) sind die piezoelektrischen Elemente 75B, 75C auf den Sensorplatten 73B, 73C installiert, die punktsymmetrisch um den Schnittpunkt der X-Achse und der Y-Achse, der die Mitte der Membran 72 darstellt, positioniert sind. Da die Resonanzfrequenz unter Verwendung der Starrkörper-Mode, in welcher die Schwingung in die η-Richtung um den Schnittpunkt der X-Achse und der Y-Achse (Richtung des Pfeils in 22(d)) vorherrscht, abgefühlt wird, sind die Sensorplatten 73A, 73D nicht unbedingt erforderlich. Sind die Sensorplatten 73A, 73D ausgebildet, so können Schlitze oder piezoelektrische Elemente 75A, 75D auf den Sensorplatten 73A, 73D bereitgestellt werden. In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Polarisationsrichtungen der jeweiligen piezoelektrischen Filme in jedem Satz der piezoelektrischen Elemente 75A und 75D sowie 75B und 75C dieselben sind.
  • Im Massensensor 46E der 22(e) sind die Sensorplatten 73A bis 73D mit der Membran 72 verbunden, und die Positionen der piezoelektrischen Elemente 75A bis 75D sind dieselben wie jene im Fall der 22(b). Die Schwingung der Membran 72 in die Richtung des Pfeils K kann ebenfalls durch eine solche Struktur abgefühlt werden. Weiters weist der in 22(f) dargestellte Massensensor 46F die Struktur auf, in welcher er leicht in der θ- und in der Φ-Mode schwingt, indem die Breite einer der Anschlussplatten 74A, 74B vergrößert und die Breite der anderen verkleinert wird.
  • Obwohl verschiedene Formen für die Massensensoren der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden können, werden somit die für die Herstellung dieser Massensensoren verwendeten Materialien abhängig von den jeweiligen Massensensoren nicht geändert. Nachfolgend sind Elemente, aus denen ein Massensensor der vorliegenden Erfindung besteht, und ihre Formen unter Verwendung des obig beschriebenen Massensensors 1 beschrieben. Erstens bestehen das Sensorsubstrat 2, die Membran 19, die Anschlussplatte 20, die Sensorplatte 21 sowie die Federplatte 18 vorzugsweise aus Keramikmaterialien, z. B. stabilisiertem oder teilstabilisiertem Zirconiumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid sowie Siliziumnitrid. Davon werden stabilisiertes oder teilstabilisiertes Zirconiumoxid am meisten bevorzugt verwendet, weil diese eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, selbst im Fall einer dünnen Platte, eine hohe Zähigkeit sowie eine geringe Reaktivität mit den Materialien der piezoelektrischen Filme oder Elektroden.
  • Wird das zuvor erwähnte stabilisierte oder teilstabilisierte Zirconiumoxid als Material für das Sensorsubstrat 2 verwendet, so wird vorzugsweise ein Additiv wie Aluminiumoxid oder Titanoxid zumindest zur Sensorplatte zugegeben.
  • Obwohl die Schwingungsplatte 3, die Zwischenplatte 17 und die Basisplatte 15 im Sensorsubstrat 2 und die Membran 19, die Anschlussplatte 20, die Federplatte 20 und die Sensorplatte 21 nicht notwendigerweise aus demselben Material bestehen müssen, und obwohl verschiedene Keramikmaterialen in Kombination abhängig vom Design verwendet werden können, bestehen diese Elemente in Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Teile, an welchen die Elemente verbunden sind, und auf die Vereinfachung des Herstellungsvorgangs vorzugsweise einstückig aus demselben Material.
  • Werden die Federplatten 18 aber auf beiden Plattenoberflächen einer Anschlussplatte 20 ausgebildet, so kann die auf der Oberfläche, auf welcher ein piezoelektrisches Element 25 installiert ist, ausgebildete Federplatte so hergestellt werden, dass sie dieselbe Struktur wie das piezoelektrische Elemente 25 aufweist. Dies wird in Hinblick auf den Herstellungsvorgang bevorzugt, da die Federplatte gleichzeitig mit dem piezoelektrischen Element 25 ausgebildet werden kann. Für das als eine Federplatte ausgebildete piezoelektrische Element wird die Elektrode nicht als Elektrode verwendet.
  • Obwohl die Hauptaufgabe des Massensensors 1 darin liegt, eine Masse in der Größenordnung von 0,1 Nanogramm (ng) abzufühlen, beträgt die Dicke der Membran 19 vorzugsweise etwa 3 bis 20 μm, noch mehr bevorzugt etwa 5 bis 15 μm, und die Dicke der Basisplatte 15 wird hinsichtlich der leichten Bedienbarkeit geeignet festgelegt.
  • Wird eine Federplatte 18 ausgebildet, beträgt in jedem Fall, ob die Federplatte nun auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Anschlussplatte 20 befestigt ist, die Dicke vorzugsweise 10 bis 220 μm, die Breite vorzugsweise 100 bis 500 μm, und das Seitenverhältnis (Breite/Dicke) der Federplatte 18 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,4 und 50. Unter Berücksichtigung der Dämpfung der Schwingungshöhe durch die Verwendung des Massensensors 1 in einer Flüssigkeit beträgt die Dicke vorzugsweise 10 bis 70 μm, die Breite vorzugsweise 100 bis 500 μm, und das Seitenverhältnis liegt vorzugsweise zwischen 1,4 und 50. Noch bevorzugter beträgt die Dicke 10 bis 70 μm, die Breite 100 bis 300 μm und das Seitenverhältnis 1,4 bis 30. Die Dicke der Federplattenverstärkung ist, wenn eine solche Federplattenverstärkung erforderlich ist, vorzugsweise dieselbe wie die Dicke der Federplatte, die mit der Federplattenverstärkung verbunden ist.
  • Dennoch kann auch die Anschlussplatte 20 als Federplatte verwendet werden, ohne dass dabei die Federplatte 18 ausgebildet wird. In diesem Fall kann keine Zwischenplatte 17 ausgebildet werden, aber es wird bevorzugt, die Dicke der Basisplatte 15 um die Dicke der Zwischenplatte 17 zu vergrößern, um die mechanische Festigkeit des Sensorsubstrats 2 zu erhalten.
  • Für den piezoelektrischen Film 23 im piezoelektrischen Element 25 können auch Elektrostriktionskeramikmaterialien oder ferroelektrische Keramikmaterialien verwendet werden, obwohl filmähnliche piezoelektrische Keramikmaterialien geeignet verwendet werden können. Solche Materialien können entweder Polarisation erfordern oder nicht.
  • Keramikmaterialien, die im piezoelektrischen Film 23 verwendet werden können, umfassen z. B. Bleizirkonat, Bleittitanat, Bleimagnesiumniobat, Bleinickelniobat, Bleizinkniobat, Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleimanganwolfram, Bleikobaltniobat und Bariumtitanat. Diese können allein oder als Keramikmaterialien, die aus einer Kombination einiger dieser bestehen, verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein Material, das die Komponente enthält, die vorrangig aus Bleizirkonat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat als Hauptkomponente besteht, verwendet, weil ein solches Material nicht nur einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und eine piezoelektrische Konstante aufweist, sondern auch nur geringe Reaktivität mit dem Sensorsubstratelement beim Sintern des piezoelektrischen Films zeigt und stabil die gewünschte Zusammensetzung ausbilden kann.
  • Weiters können Keramikmaterialien, die Oxide von Lanthan, Kalzium, Strontium, Molybdän, Wolfram, Barium, Niobium, Zink, Nickel, Mangan, Cerium, Kadmium, Chrom, Kobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Lithium, Bismut und Zinn allein enthalten, oder eine Kombination einiger dieser Oxide, oder Keramikmaterialien, in welchen Verbindungen dieser Elemente zugegeben sind, für die obigen piezoelektrischen Elemente verwendet werden. So wird z. B. ein Keramikmaterial, das Bleizirkonat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat als Hauptkomponenten enthält, zu welchem Lanthan oder Strontium zugegeben wird, bevorzugt, und ein solches Material, zu welchem weiter noch Mangan zugegeben wird, wird insofern bevorzugt, als der mechanische Qualitätsfaktor groß ist und der Q-Wert nicht nur aufgrund der Struktur des Sensors sondern auch aufgrund des Materials erhöht werden kann.
  • Andererseits sind die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 im piezoelektrischen Element 25 hauptsächlich aus einem Metall gebildet, das bei Raumtemperatur fest und leitfähig ist. So kann z. B. ein Metall wie Aluminium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Niobium, Molybdän, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Silber, Zinn, Tantal, Wolfram, Iridium, Platin, Gold oder Blei allein oder eine Legierung aus einigen dieser Elemente verwendet werden. Weiters kann ein Cermet- Material, in welchem dasselbe im piezoelektrischen Film 23 oder der Sensorplatte 21 verwendete Material in diesen Materialien dispergiert ist, verwendet werden.
  • Die Auswahl des Materials für die tatsächliche erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 wird abhängig vom Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Films 23 bestimmt. Wird z. B. die erste Elektrode 22 auf der Sensorplatte 21 ausgebildet, so wird der piezoelektrische Film 23 auf der ersten Elektrode 22 durch Sintern ausgebildet, und die erste Elektrode 22 muss aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt bestehen, so etwa Platin, worauf die Temperatur für den Sintervorgang des piezoelektrischen Films 23 keine Auswirkung hat. Da die auf dem piezoelektrischen Film 23 nach der Ausbildung des piezoelektrischen Films 23 ausgebildete zweite Elektrode bei einer niedrigen Temperatur ausgebildet werden kann, kann ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, so z. B. Aluminium, verwendet werden.
  • Obwohl das piezoelektrische Element 25 einstückig durch Sintern ausgebildet werden kann, müssen in diesem Fall sowohl die erste Elektrode 22 als auch die zweite Elektrode 24 aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt bestehen, das der Temperatur zum Sintern des piezoelektrischen Films 23 widersteht. Andererseits können, wenn die erste und die zweite Elektrode 59, 60 auf dem piezoelektrischen Film 58 nach Ausbildung des piezoelektrischen Films 58 ausgebildet werden, wie dies im in 3 dargestellten piezoelektrischen Element 62A der Fall ist, beide Elektroden aus demselben Material mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen, aber wenn das piezoelektrische Element 62A gleichzeitig gesintert wird, dann müssen sowohl die erste Elektrode 22 als auch die zweite Elektrode 24 aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt bestehen. Somit können die Materialien für die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 geeignet abhängig von der Temperatur zur Ausbildung des piezoelektrischen Elements 23, die durch die Sintertemperatur des piezoelektrischen Films 23 dargestellt ist, und von der Struktur des piezoelektrischen Elements 25 ausgewählt werden. Die Materialien und Verfahren zur Ausbildung der Elektrodenleitungen 9, 10 sind dieselben wie jene für die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 des piezoelektrischen Elements 25.
  • Da ein Problem entsteht, wenn der Bereich des piezoelektrischen Films 23 ausgedehnt wird, insofern, als die Größe des Sensors zunimmt, obwohl die Empfindlichkeit sich erhöht, wenn die Ausgangsladung ansteigt, sollte der Bereich des piezoelektrischen Films 23 mit einer adäquaten Größe konfiguriert werden. Auch da sich ein Problem ergibt, wenn die Dicke des piezoelektrischen Films 23 verringert wird, als insofern die Festigkeit des piezoelektrischen Films 23 gesenkt wird, obwohl die Empfindlichkeit zunimmt, beträgt die Gesamtdicke der Sensorplatte 21 und des piezoelektrischen Films 23 vorzugsweise 15 bis 50 μm.
  • Wird eine Isolierbeschichtungsschicht 65 auf dem piezoelektrischen Element 26 und den Elektrodenleitungen 9, 10 ausgebildet, wie dies im Massensensor 43D in 19 dargestellt ist, so wird ein Isolierglas oder -harz als Material dafür verwendet. Um die Leistung des Massensensors 1 zu erhöhen, wird noch mehr die Verwendung eines Harzes als Material für die Isolierbeschichtungsschicht als von Glas bevorzugt, und vorzugsweise werden dabei chemisch stabile Fluorharze, z. B. Teflon auf Tetrafluorethylen-Basis (Teflon PTFE von DuPont), Teflon auf Basis von Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (Teflon FEP), Teflon auf Basis von Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymer (Teflon PFA) und Teflon aus einem PTFE/PFA-Verbund, verwendet. Obwohl die Korrosionsbeständigkeit und Wetterfestigkeit geringer ist als bei Fluorharzen, können Silikonharze (insbesondere hitzehärtende Silikonharze) geeignet verwendet werden, und es können auch Epoxyharze oder Acrylatharze abhängig von den Anwendungen verwendet werden. Vorzugsweise wird die Isolierbeschichtungsschicht 65 unter Verwendung verschiedener Materialien für das piezoelektrische Element 25 und seine Umgebung sowie für die Elektrodenleitungen 9, 10 und ihre Umgebung ausgebildet. Weiters werden vorzugsweise auch organische oder anorganische Füllstoffe zum Isolierharz zugegeben, um die Steifigkeit des Resonanzabschnitts einzustellen.
  • Wird die Isolierbeschichtungsschicht 65 ausgebildet, so sind die Materialien für eine auf der Isolierbeschichtungsschicht 65 ausgebildete Schutzschicht 66 vorzugsweise Metalle wie Gold, Silber, Kupfer, Nickel und Aluminium; es können aber auch beliebige metallische Materialien, die in der obig beschriebenen ersten Elektrode 22 des piezoelektrischen Elements 25 oder dergleichen verwendet werden, zum Einsatz kommen. Es kann auch eine leitfähige Paste, die aus einem in einem Harz gemischten Metallpulver besteht, verwendet werden.
  • Als nächstes ist das Verfahren zur Verwendung eines Massensensors der vorliegenden Erfindung beschrieben, wenn der Massensensor 1 als Immunsensor verwendet wird. Eine der zwei Sensorabschnitte 13 wird als Detektionssensorabschnitt 13D verwendet. Auf die Membran des Detektionssensorabschnitts 13D wird eine Fängersubstanz aufgetragen, die nur mit einer abzufühlenden Substanz wie etwa einem pathogenen Virus reagiert und diese einfängt. So kann z. B. die Kombination eines Antigens als abzufühlende Substanz und eines Antikörpers als Fängersubstanz verwendet werden. Beispiele für solche Kombinationen umfassen Humanserum Albumin/Anti-Humanserum-Albumin-Antikörper und Humanimmunoglobulin/Anti-Humanimmunoglobulin-Antikörper. Währenddessen wird der andere Sensorabschnitt 13 als Referenzsensorabschnitt 13R verwendet, auf dessen Membran keine Fängersubstanz aufgebracht wird.
  • Die beiden Sensorabschnitte 13D und 13R werden in dieselbe Probe getaucht oder auf dieser angeordnet. In vielen Fällen können, da die Proben Fluide wie Flüssigkeiten oder Gase sind, die Proben getestet werden, indem die Signale von den Sensorabschnitten 13D und 13R verglichen werden, ohne dabei von den physikalischen Eigenschaften der Proben wie Art, Fluss und Temperatur des Fluids oder von der Testumgebung beeinflusst zu werden.
  • Wird dieser Massensensor 1 z. B. in eine leitfähige flüssige Probe getaucht, wenn der Massensensor 1 in die Probe bis zu einer Höhe eingetaucht wird, an welcher die Positionssensorelektroden 4, 5 einen Kurzschluss haben, werden die Membranen 19 der Sensorabschnitte 13D und 13R in die Probe eingetaucht, aber der Sensorab schnitt 28 erfährt durch die Probe keinen Kurzschluss. Werden aber das piezoelektrische Element 25 und die Elektrodenleitungen 9, 10 mit Isolierglas oder -Harz beschichtet, so können andere Bereiche des Massensensors 1 als die Enden 11, 12 oder andere Anschlussstücke in die Probe getaucht werden.
  • Somit wird, wenn die abzufühlende Substanz in der Probe mit der Fängersubstanz reagiert und durch diese eingefangen wird, die Masse der Membran 19 im Detektionssensorabschnitt 13D vergrößert, und die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts 26 variiert in Begleitung zu diesem Anstieg der Masse der Membran 19. Somit kann im Gegensatz dazu durch Beobachtung der Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts 26 bestimmt werden, ob die abzufühlende Substanz auf der Membran 19 eingefangen wurde oder nicht, d. h. ob die abzufühlende Substanz in der Probe vorhanden war oder nicht, und es kann der Massenanstieg gemessen werden.
  • Im Verfahren zur Verwendung der zwei Sensorabschnitte 13 als einen Detektionssensorabschnitt 13D und einen Referenzsensorabschnitt 13R kann, wenn der Resonanzabschnitt im Referenzsensorabschnitt 13R, d. h. in der Membran, die Anschlussplatte, die Sensorplatte, das piezoelektrische Element und die Federplatte mit Teflon beschichtet sind, die Haftung der abzufühlenden Substanz am Referenzsensorabschnitt 13R verhindert werden, und es kann eine genauere Messung durchgeführt werden. Wird anders als die Membran 19 der Detektionssensorabschnitt 13D mit Teflon beschichtet, so kann die abzufühlende Substanz nur auf der Membran eingefangen werden, und es wird die Empfindlichkeit erhöht. Weiters wird aus wirtschaftlicher Sicht bevorzugt, das gesamte Sensorsubstrat 2 und nicht nur die Membran 19 mit Teflon zu beschichten, um somit eine teure Fängersubstanz wie einen Antikörper nur auf einer erforderlichen Stelle aufzubringen.
  • Wird der Massensensor 1 in eine Probe wie eine Flüssigkeit getaucht, oder wenn eine Membran 10 in eine Fängersubstanz eingetaucht wird, um die Fängersubstanz auf der Membran 19 aufzutragen, so wird die Struktur angenommen, in welcher zwei Sensorabschnitte 13 in die seitliche Richtung des Sensorsubstrats 2 (horizontale Richtung) in 11 angeordnet sind, so dass die zwei Sensorabschnitte 13 gleichzeitig in die Probe getaucht werden.
  • Sind die zwei Sensorabschnitte 13 aber in die senkrechte Richtung des Sensorsubstrats 2 (nach oben und nach unten) angeordnet, d. h. auf der Position, an welcher der Detektionssensorabschnitt 13D zuerst in die Flüssigkeit getaucht wird und der Referenzsensorabschnitt 13R nicht in die Flüssigkeit getaucht wird, so kann der Vorgang leicht durchgeführt werden, wobei nur der Bereich des Detektionssensorabschnitts 13D in die Fängersubstanz getaucht wird, um diese aufzutragen, und der Referenzsensorabschnitt 13R wird als Sensor verwendet, so z. B. als temperaturkompensierender Sensor ohne Teflon-Beschichtung, und nicht in die Fängersubstanz getaucht, um die Fängersubstanz somit nicht aufzutragen.
  • Selbst wenn aber der Massensensor 1 verwendet wird, in welchem die Fängersubstanz nur auf den Detektionssensorabschnitt 13D aufgetragen wird, müssen der Detektionssensorabschnitt 13D und der Referenzsensorabschnitt 13R bei der tatsächlichen Massenabfühlung in derselben Umgebung angeordnet werden. Auch wenn der gesamte Massensensor 1 in eine leitfähige Flüssigkeit getaucht wird, müssen die piezoelektrischen Elemente 25 und die Elektrodenleitungen 9, 10 in den Sensorabschnitten 13R, 13D offensichtlich einer Isolierbeschichtung unterzogen werden.
  • Das Verfahren der Verwendung, in welchem dieselbe Fängersubstanz auf die Membranen beider Sensorabschnitte 13D und 13R aufgebracht wird, um den dynamischen Bereich durch Addition der Signale von den Sensorabschnitten 13D und 13R auszudehnen, kann ebenfalls angewendet werden. Weiters ist es möglich, den Referenzsensorabschnitt 13R nicht als Referenz zu verwenden, und es wird eine andere Fängersubstanz als jene, die auf dem Detektionssensorabschnitt 13D aufgetragen ist, auf den Referenzsensorabschnitt 13R aufgetragen.
  • Bei der Messung der Änderung der Resonanzfrequenz im Massensensor 1 unter Verwendung dieser Verfahren wird bevorzugt, die Resonanzfrequenzen in der θ- Mode und in der Φ-Mode, die oben beschrieben wurden, abzufühlen. Wie z. B. 14 zeigt, wird, wenn die Membran 19 eine Schwingung in der θ-Mode um die Federplatte 18 und die Anschlussplatte 20 in der Plattenfläche der Membran 19 erzeugt, die Bewegung zur Sensorplatte 21 übertragen, um die Biegeschwingung der Sensorplatte 21 und die Dehnschwingung des planaren piezoelektrischen Films 23 im piezoelektrischen Element 25 auf der Oberfläche der Sensorplatte 21 auszulösen, und es wird eine konstante Spannung auf der Grundlage des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k31 (piezoelektrischer Faktor d31) des piezoelektrischen Films 23 erzeugt. Weist das piezoelektrische Element 25 eine wabenförmige Elektrodenstruktur auf, so wird eine konstante Spannung auf der Grundlage von k33 (d33) erzeugt. Dasselbe gilt bei Verwendung der Φ-Mode.
  • Im Gegensatz dazu wird, wenn ein Wechselstrom an den piezoelektrischen Film 23 durch die zweite Elektrode 24 und die erste Elektrode 22 angelegt wird, eine Dehnschwingung im piezoelektrischen Film 23 durch d31 oder d33 erzeugt, wodurch die Sensorplatte 21 dazu gebracht wird, eine Biegeschwingung zu erzeugen, und der Schwingungswinkel θ der Membran 19 variiert entsprechend der Masse der Membran 19, und die Resonanzschwingung wird bei einer gewissen Frequenz erzeugt. Somit ist die Beobachtung der Änderung der Resonanzfrequenz die Beobachtung der Änderung der Masse der Membran 19, und es kann bestimmt werden, ob eine abzufühlende Substanz auf der Membran 19 eingefangen wird oder nicht. Indem zwei piezoelektrische Elemente 25 auf beiden Plattenoberflächen der Sensorplatte 21 installiert werden und indem die erhaltenen Signale verglichen werden, kann die Störung verringert, die Wirkung der anderen Schwingungsmoden eliminiert und die Empfindlichkeit verbessert werden.
  • Um die Empfindlichkeit des Massensensors 1 weiter zu verbessern, muss hierin die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts 26 gesteigert werden. Dafür kann ein Verfahren zum Einstellen des Verhältnisse der Massen der Membran 19 und der Federplatte 18 verwendet werden. Wird die Federplatte 18 dünner gemacht, um die Masse zu verringern, und wird das Massenverhältnis mit der Mem bran (Masse der Membran 19/Masse der Federplatte 18) erhöht, so wird die Empfindlichkeit verbessert.
  • Da die Steifigkeit der Federplatte 18 aber mit der Verringerung der Dicke und der Masse der Federplatte 18 herabgesetzt wird, beträgt das Massenverhältnis (Masse der Membran 19/(Masse der Federplatte 18 + Masse der Anschlussplatte 20)) vorzugsweise 0,1 oder mehr innerhalb eines Bereichs, in welchem die Steifigkeit der Federplatte 18 und der Anschlussplatte 20 sichergestellt ist, in Hinblick auf die Dicke und Fläche der Membran 19 wird aber bevorzugt, das geeignete Verhältnis unter Berücksichtigung der Fläche der Membran 19 zu bestimmen. Diese Massenverhältnisse werden aber vorzugsweise innerhalb des Bereichs festgelegt, in welchem die Bedingungen von Dicke, Breite und Seitenverhältnis der obig beschriebenen Federplatte 18 erfüllt werden. Der in 16(c) dargestellte Massensensor 43C ist ein Beispiel dafür.
  • Ein weiteres Mittel zur Verbesserung der Empfindlichkeit ist ein Verfahren, um die Dicke der Membran 19 zu verringern, um dadurch das Massenverhältnis mit einer abzufühlenden Substanz (Masse der abzufühlenden Substanz/Masse der Membran 19) zu erhöhen, d. h. es kann die Proportion der Änderung der Masse der Membran 19 verwendet werden. Wird die Dicke der Membran 19 verringert, wenn die Oberfläche der Membran 10 vergrößert wird, ohne die Masse zu verkleinern, so kann weiters der Bereich, auf welchen die Fängersubstanz aufgetragen wird, vergrößert werden, und es kann mehr abzufühlende Substanz eingefangen werden, wodurch eine Verbesserung der Empfindlichkeit erzielt werden kann.
  • Im nächsten Schritt sind andere Anwendungen des Massensensors 1 beschrieben. Erstens kann der Massensensor 1 als Feuchtigkeitsmesser verwendet werden, wenn die auf die Membran 19 aufgebrachte Fängersubstanz ein feuchtigkeitabsorbierendes Material ist. Wird auf die Membran 19 ein feuchtigkeitabsorbierendes Material aufgetragen, das eine spezifische gasförmige Komponente absorbiert, oder eine organische oder anorganische Substanz als Fängersubstanz, so kann der Massensensor 1 als Gassensor, Geruchssensor oder Geschmackssensor verwendet wer den. Wird die Temperatur der Membran 19 so eingestellt, dass sie Feuchtigkeit kondensiert, kann der Massensensor 1 weiters als Taupunktmesser verwendet werden, der den Taupunkt aus der Temperatur misst, bei welcher die Masse der Membran 19 ansteigt.
  • Der Massensensor 1 kann auch als Filmdickenmesser verwendet werden. Die Filme, die gemessen werden können, umfassen Sputter-Filme oder CVD-Filme, die in Vakuum ausgebildet werden, in Gasen ausgebildete LB-Filme oder in Flüssigkeiten ausgebildete elektroabgelagerte Filme. Werden diese Filme ausgebildet, wenn die Membran 19 oder der Resonanzabschnitt 26 des Massensensors 1 in derselben Filmausbildungsumgebung angeordnet sind, so wird ein Film auf der Membran 19 oder dem Resonanzabschnitt 26 ausgebildet, wodurch eine Änderung der Masse ausgelöst wird, und es kann die Änderung der Resonanzfrequenz, der Dicke oder der Aufbaugeschwindigkeit des ausgebildeten Films gemessen werden.
  • Obwohl man weiß, dass ein Messinstrument für die quarzdampfabgelagerte Filmdicke die Änderung der Resonanzfrequenz eines Quarz-Oszillators 80, der jenen in 21 dargestellten ähnlich ist, in die Gleitrichtung detektiert, wenn sich die Filmdicke ändert, weist dieser insofern Probleme auf, als er durch Temperaturänderung, Störungen aufgrund der Kollision von Verunreinigungen und Änderung des Vakuumdrucks beeinflusst werden kann, da der Oszillator selbst in einer Dampfabscheidungs-Umgebung verwendet wird.
  • Wird der Massensensor 1 in der θ-Mode als Messinstrument für die dampfabgelagerte Filmdicke verwendet, so widersteht der Sensorabschnitt 29 der Temperaturänderung aufgrund des Starrkörper-Modus aufgrund dessen, dass die Wahrscheinlichkeit der Kollision von Verunreinigungen gering ist, weil die Membran 19 nur 3 bis 20 μm dünn ist, und aufgrund der Struktur, in welcher der Sensorabschnitt 29, die Federplatte 19 und die Anschlussplatte 20 leicht in einer konstanten Umgebung gehalten werden, wodurch die Messgenauigkeit im Vergleich zur Verwendung eines Quarz-Oszillator 80 verbessert werden kann.
  • Weiters kann der Massensensor 1 als Viskositätsmeter verwendet werden, um das Auftreten von Scherwellen der Transversalwellen in einem Fluid zu bewirken, wenn die Membran 19 in ein Flüssigkeit getaucht wird, und um die Massenbelastung des Abschnitts, an welchem das viskose Wasser eintritt, aufzunehmen.
  • Obwohl ein Quarz-Viskositätsmeter zur Detektion der Änderung der Resonanzfrequenz eines Quarz-Oszillators 80 in die Gleitrichtung ebenfalls verwendet wird, zeigt dieser insofern Probleme, als er durch die Temperaturänderung und Störungen aufgrund der Kollision von Verunreinigungen in der Flüssigkeit beeinflusst wird, da der Quarz-Oszillator 80 selbst in die Flüssigkeit eingetaucht wird.
  • Andererseits widersteht, wenn der Massensensor 1 in der θ-Mode als Viskositätsmeter verwendet wird, da der Sensorabschnitt 29, die Federplatte 18 und die Anschlussplatte 20 nicht in die Flüssigkeit eintauchen müssen, der Sensorabschnitt 29 der Temperaturänderung aufgrund der Starrkörper-Mode, und die Membran 19 ist nur 3 bis 20 μm dünn, die Wahrscheinlichkeit der Kollision von Verunreinigungen ist gering und die Empfindlichkeit wird verbessert.
  • Weiters wird ein Quarz-Oszillator als Reibungsvakuummeter verwendet, da sein elektrischer Widerstand aufgrund der Reibung der Gasmoleküle und aufgrund der viskosen Reibung des Gases in einem Vakuum variiert. Da diese Art eines Vakuummeters aber zur Messung von Frequenzänderungen aufgrund des Effekts der Massenbelastung des Quarz-Oszillators verwendet wird, kann der Massensensor 1 der vorliegenden Erfindung, der im Grunde genommen dieselben Messprinzipien anwendet, auch als Vakuummeter verwendet werden.
  • Obwohl ein Reibungsvakuummeter unter Verwendung eines Quarz-Oszillators eine Änderung des Widerstands detektiert, wenn der abstimmende gabelförmige Oszillator 90 in die X-Achsen-Richtung, wie in 28 dargestellt, schwingt, ist es schwierig, die Dicke d1 des Oszillators 90 zu verringern und somit stellt auch die Verbesserung der Empfindlichkeit eine Schwierigkeit dar. Aber im Massensensor 1 kann die Dicke der Membran 19 auf 3 bis 20 μm verringert und der θ-Mode verwendet werden, und so kann die Empfindlichkeit verbessert werden.
  • Zusätzlich dazu kann der Massensensor 1 als Temperatursensor verwendet werden, indem der Biegemodus der Membran 19 verwendet wird, d. h. indem die Änderung des E-Moduls als Änderung der Resonanzfrequenz in der Biegemode abgefühlt wird.
  • Obwohl der Massensensor 1 als verschiedene Sensoren verwendet werden kann, besteht das Grundprinzip der Messung darin, die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts 26 auf Grundlage der Massenbelastung auf die Membran 19 zu messen. Somit kann eine Vielzahl von Sensorabschnitten 13 mit verschiedenen Funktionen leicht in einem Massensensor 1 ausgebildet werden. So können z. B. die Funktionen eines Temperatursensors, eines Vakuummeters oder eines Viskositätssensors zur Funktion als Massensensor 1 hinzugezählt werden, d. h., ein Sensor zur Referenz für den Ausgleich von Temperatur, Vakuum oder Viskosität kann leicht im Massensensor 1 aufgenommen werden. Da es nicht erforderlich ist, eine Vielzahl von Sensoren mit verschiedenen Formen für verschiedene Anwendungen zu verwenden, ist dies in solchen Fällen aus Kostengründen hinsichtlich der Aufnahme von Sensoren für die Messung und ihrem Betrieb sowie hinsichtlich auf die Messinstrumente von Vorteil.
  • Als nächstes ist ein Verfahren zur Herstellung eines Massensensors der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei der Massensensor 1 als Beispiel angeführt wird. Als Materialien für das Sensorsubstrat werden geeigneterweise Keramikmaterialien wie Zirconiumoxid verwendet. Eine Aufschlämmung wird hergestellt, indem Bindemittel, Lösungsmittel, Dispersionsmittel und andere Additive in einem Keramikpulver vermischt werden, und nach der Entfernung von Schäumen aus der Aufschlämmung wird eine grüne Lage oder ein grünes Band für die Schwingungsplatte, die Zwischenplatten und Basisplatten mit der gewünschten Dicke unter Verwendung eines Verfahrens wie dem umgekehrten Walzenbeschichtungsverfahren und dem Rakelverfahren ausgebildet.
  • Danach werden diese grünen Schichten unter Verwendung einer Form oder eines Lasers in die gewünschten Formen, z. B., wie dies in 23 dargestellt ist, gestanzt, in die Form einer Zwischenplatte 17 mit einer Öffnung 14 und einer Federplatte 18, und die Form einer Basisplatte 15 mit einer Öffnung 14, und die grüne Lage wird, zumindest für jede der Schwingungsplatte, Zwischenplatte 17 und Basisplatte 15 in dieser Reihenfolge laminiert und gesintert und einstückig ausgebildet wird, um das Sensorsubstrat auszubilden. Nach der Laminierung dieser grünen Lagen werden Löcher 8 in jeder grünen Schicht für die Laminierungsausrichtung ausgebildet. Die Formen der in 23 dargestellten grünen Schichten wurden zur besseren Verständlichkeit der Ausbildung des Sensorabschnitts 13 des in 11 dargestellten Massensensors 1 vereinfacht.
  • Obwohl auch eine Öffnung 14 oder eine Membran 19 in der Schwingungsplatte 3 im grünen Zustand ausgebildet werden kann, da die Schwingungsplatte nur 20 μm oder weniger dünn ist, wird bevorzugt, die Öffnung 14 oder die Membran 19 in einer vorbestimmten Form auszubilden, nachdem das Sensorsubstrat 2 ausgebildet und das piezoelektrische Element 25 mittels nachfolgend beschriebener Laserbehandlung installiert wurde, um die Ebenheit und dimensionale Genauigkeit nach dem Sintern der Membran 19, der Anschlussplatte 20 und der Sensorplatte 21, die in der Schwingungsplatte 3 ausgebildet sind, sicherzustellen.
  • Verfahren zur Installierung des piezoelektrischen Elements 25, das aus einer ersten Elektrode 22, einem piezoelektrischen Film 23 und einer zweiten Elektrode 24 besteht, auf dem Bereich der Schwingungsplatte 3, wo die Sensorplatte 21 ausgebildet wird, umfassen ein Verfahren, in welchem ein piezoelektrischer Film 23 durch Pressausbildung unter Verwendung einer Form oder durch Bandausbildung unter Verwendung eines Schlämmmaterials ausgebildet wird, wobei der piezoelektrische Film 23 vor dem Sintern durch Hitze und Druck auf dem Bereich der Schwingungsplatte 3, wo die Sensorplatte 21 ausgebildet ist, überlagert wird, und sie gleichzeitig gesintert werden, um das Sensorsubstrat 2 und den piezoelektrischen Film 23 gleichzeitig auszubilden. In diesem Fall müssen aber die Elektroden 22, 24 auf dem Sensorsubstrat 2 oder dem piezoelektrischen Film 23 zuvor im nachfolgend beschriebenen Filmausbildungsverfahren ausgebildet werden.
  • Obwohl die Temperatur zum Sintern des piezoelektrischen Films 23 abhängig vom Material bestimmt wird, liegt sie im Allgemeinen bei 800 bis 1.400°C und vorzugsweise bei 1.000 bis 1.400°C. In diesem Fall wird für die Steuerung der Zusammensetzung des piezoelektrischen Films 23 bevorzugt, dass der Sintervorgang in Gegenwart der Verdampfungsquelle des Materials für den piezoelektrischen Film 23 durchgeführt wird. Werden der piezoelektrische Film 23 und das Sensorsubstrat 2 gleichzeitig gesintert, so müssen die Sinterbedingungen zueinander passen.
  • Andererseits kann, wenn das Filmausbildungsverfahren verwendet wird, das piezoelektrische Element 25 in verschiedenen Dickfilmausbildungsverfahren wie dem Siebdruck, dem Eintauchen und dem Aufmalen; oder in verschiedenen Dünnfilmausbildungsverfahren wie dem Ionenstrahlverfahren, dem Sputter-Verfahren, der Dampfablagerung, Ionenplattierung, chemischen Dampfablagerung (CVD) oder mittels Elektroplattierung auf dem Bereich des gesinterten Sensorsubstrats 2 installiert werden, wo die Sensorplatte 21 ausgebildet ist. Davon werden vorzugsweise die Dickfilmausbildungsverfahren wie der Siebdruck, das Eintauchen und das Aufmalen für die Ausbildung des piezoelektrischen Films 23 verwendet. Dies liegt darin, dass der piezoelektrische Film 23 unter Verwendung einer Paste oder einer Aufschlämmung ausgebildet werden kann, die hauptsächlich aus Teilchen der piezoelektrischen Keramikmaterialien mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,01 bis 5 μm, vorzugsweise 0,05 bis 3 μm besteht, und es werden dadurch günstige piezoelektrische Eigenschaften erhalten.
  • Nachdem das Sensorsubstrat 2 unter vorbestimmten Bedingungen gesintert wurde, wird z. B. die erste Elektrode 22 auf dem vorbestimmten Oberflächenbereich der Schwingungsplatte 3 gedruckt und gesintert, und danach wird der piezoelektrische Film 23 gedruckt und gesintert, und danach wird die zweite Elektrode 24 gedruckt und gesintert, um das piezoelektrische Element 25 auszubilden. Danach werden die Elektrodenleitungen 9, 10 gedruckt und gesintert, um die Elektroden 22, 24 mit der Messvorrichtung zu verbinden. Wird z. B. Platin (Pt) für die erste Elektrode 22 verwendet, und Bleizirkonattitanat (PZT) wird für den piezoelektrischen Film 23 verwendet, so werden Gold (Au) für die zweite Elektrode 24 und Silber (Ag) für die Elektrodenleitungen 9, 10 verwendet, wobei die Sintertemperaturen im Sintervorgang schrittweise verringert werden können. Somit werden die zuvor gesinterten Materialien nicht noch einmal in einem gewissen Sinterschritt gesintert, und es kann vermieden werden, dass Probleme beim Material für die Elektroden oder dergleichen, so z. B. Ablösung und Aggregation, auftreten.
  • Indem die geeigneten Materialien ausgewählt werden, können die jeweiligen Elemente des piezoelektrischen Elements 25 und der Elektroden 9, 10 eines nach dem anderen gedruckt und auf einmal einstückig gesintert werden, oder nachdem der piezoelektrische Film 23 ausgebildet ist, können die jeweiligen Elektroden oder dergleichen bei einer niedrigen Temperatur ausgebildet werden. Auch können die jeweiligen Elemente des piezoelektrischen Elements 25 und der Elektroden 9, 10 im Dünnfilmausbildungsverfahren wie etwa dem Sputter-Verfahren oder der Dampfablagerung ausgebildet werden. In diesem Fall ist eine Wärmebehandlung nicht erforderlich.
  • Somit wird insbesondere bevorzugt, das piezoelektrische Element 25 unter Verwendung des Filmausbildungsverfahrens auszubilden, da das piezoelektrische Element 25 und die Sensorplatte 21 einstückig verbunden und ohne Verwendung von Klebstoffen installiert werden können, und weiters zeigt auch der Massensensor exzellente Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit und wird leicht aufgenommen. Hierin kann der piezoelektrische Film 23 ein passendes Muster aufweisen, und die Verfahren für die Musterung umfassen z. B. Siebdruck, Lichtlithografie, Laserbehandlung oder mechanische Verarbeitung wie in Scheiben Schneiden und mit Ultraschall Behandeln.
  • Als nächstes wird eine Membran 19 auf dem vorbestimmten Bereich des auf diese Weise ausgebildeten Sensorsubstrats ausgebildet. Hier wird vorzugsweise der unnotwendige Teil der Schwingungsplatte 3 durch die Behandlung mit der vierten Harmonischen des YAG-Lasers entfernt. Somit kann z. B. eine Öffnung 14 ausgebildet werden, wobei sich mit dem Sensorsubstrat 2 einstückig verbundene Elemente wie z. B. die Membran 19 und die Sensorplatte 21, wie in 11 oder 12 ersichtlich, ergeben, und zu diesem Zeitpunkt kann durch Einstellung der Form der Membran 19 oder dergleichen die Resonanzfrequenz auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden, und es kann der Massenbereich der abzufühlenden Substanzen bestimmt werden.
  • Wie in 24 dargestellt ist, kann, wenn ein Teil der Membran 19 geschnitten und entfernt worden ist, so dass die Länge der Membran 19 von L0 auf L1 verkürzt wurde, der Resonanzpunkt erhöht werden, und andererseits kann, wenn die Breite der Federplatte 18 und der Anschlussplatte 20 von t0 auf t1 verengt wird, der Resonanzpunkt gesenkt werden. Somit kann durch die Kombination dieser Werte der Resonanzpunkt eingestellt werden. Weiters kann durch das Verringern der Breite der Membran 19 von W0 auf W1 der Rotationsmodus eingeschränkt werden, es kann der Q-Wert in der θ-Mode erhöht und der Unterschied der Änderung der Resonanzfrequenzen abhängig von der Haftstelle verkleinert werden, selbst wenn die Masse der angehafteten Substanz dieselbe ist.
  • Weiters kann, wie 25 zeigt, nachdem ein piezoelektrisches Element 25, das eine erste Elektrode 22 als obere Elektrode, eine zweite Elektrode 24 als untere Elektrode und einen dazwischen ausgebildeten piezoelektrischen Film 23 umfasst, ausgebildet wurde, die obere Elektrode durch die vierte Harmonische des YAG-Lasers entfernt werden, oder durch eine solche Bearbeitung, dass der wirksame Elektrodenbereich des piezoelektrischen Elements eingestellt und die Empfindlichkeit angepasst wird. Ist die Struktur des piezoelektrischen Elements 25 eine Wabenstruktur, wie sie in den 3 oder 4 gezeigt ist, so kann ein Teil der einen oder beiden Elektroden entfernt werden.
  • Durch die Verarbeitung eines solchen Resonanzabschnitts sind verschiedene Behandlungsverfahren für die Größe und Form des Resonanzabschnitts geeignet, so z. B. so etwa die Laserbehandlung mit einem YAG-Laser, die zweite oder dritte Harmonische des YAG-Lasers, Excimer-Laser oder CO2-Laser; Elektronenstrahlverarbeitung; und Würfeln (maschinelle Bearbeitung) zusätzlich zur oben beschriebenen vierten Harmonischen des YAG-Lasers.
  • Zusätzlich zum oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung von grünen Lagen kann das Sensorsubstrat 2 durch Pressformen hergestellt werden, wobei Formteile, der Schlickerguss und die Spritzgusstechnik dabei zur Anwendung kommen. In diesen Fällen wird auch eine Bearbeitung wie Schneiden, Mahlen, Laserbehandlung, Pressstanzen und Ultraschallbehandlung vor und nach dem Sintern durchgeführt, und der Massensensor 1 einer vorbestimmten Form wird erhalten.
  • Wird eine Isolierbeschichtungsschicht 65 auf dem piezoelektrischen Element 25 und den Elektrodenleitungen 9, 10 in auf diese Weise hergestellten Massensensor 1 ausgebildet, wie dies beim in 19 dargestellten Massensensor 43D der Fall ist, so kann diese unter Verwendung eines Glases oder eines Harzes mittels Siebdruck, Bemalung oder Aufsprühen ausgebildet werden. Wird hierin Glas als Material verwendet, so muss der Massensensor 1 selbst bis zum Erweichungspunkt des Glases erhitzt werden, und da Glas über eine große Härte verfügt, kann die Schwingung verhindert werden. Da das Harz weich ist, und nachdem nur eine Bearbeitung wie das Trockenen erforderlich ist, ist die Verwendung eines Harzes bevorzugt. Obwohl bereits beschrieben wurde, dass Fluor- oder Silikonharze als Harze, die in der Isolierbeschichtungsschicht 65 verwendet werden können, geeignet sind, wird bevorzugt, dass bei Verwendung dieser Harze eine Primer-Schicht, die für die Arten der verwendeten Harze und Keramikmaterialien geeignet ist, ausgebildet wird, um z. B. die Haftung mit den unterliegenden Keramikmaterialien zu verbessern und um die Isolierbeschichtungsschicht 65 auf der Primer-Schicht auszubilden.
  • Als nächstes wird, wenn eine Schutzschicht 66, die auf der Isolierbeschichtungsschicht 65 ausgebildet ist, aus einem Harz besteht, da das Sintern schwierig ist, ein Verfahren, für das keine Hitze erforderlich ist, so z. B. das Sputtern, verwendet, wenn verschiedene metallische Materialien als leitfähige Elemente verwendet werden; wird aber eine leitfähige Paste verwendet, die ein Metallpulver und ein Harz umfasst, so kann vorzugsweise der Siebdruck oder das Malverfahren verwendet werden. Besteht die Isolierbeschichtungsschicht 65 aus Glas, so kann eine metallhältige Platte siebgedruckt und unter einer Temperatur gesintert werden, bei welcher Glas fließt.
  • Schließlich wird eine Fängersubstanz oder dergleichen auf die gesamte Membran 19 oder den Resonanzabschnitt 26 aufgetragen, um den Massensensor zu vervollständigen. Die Messung der Resonanzfrequenzen wird unter Verwendung eines Impedanzanalysators oder eines Netzwerkanalysators oder mittels des SINSWEEP-Systems, oder durch die Messung der Transferfunktionen durch Schwingen um externe Ultraschallwellen. Weiters kann eine Änderung der Masse der Membran 19 aus der Messung der Änderung der Resonanzfrequenzen gemessen werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nunmehr nachfolgend in Bezug auf das Beispiel beschrieben; dieses Beispiel dient aber keineswegs dazu, die vorliegende Erfindung einzuschränken.
  • Bei der Herstellung des Massensensors mit der in 11 dargestellten Struktur wurden grüne Lagen mit unterschiedlicher Dicke für die Schwingungsplatte, die Zwischenplatte und die Basisplatte aus Zirconiumoxid, welche durch Yttriumoxid teilstabilisiert, in vorbestimmte Formen verarbeitet, in dieser Reihenfolge laminiert, erhitzt und komprimiert und einstückig bei 1.450°C gesintert wurden, hergestellt. Danach wurden ein piezoelektrisches Element, das aus einer ersten Elektrode, einem piezoelektrischen Film und einer zweiten Elektrode besteht, und an diesen Elektroden befestigte Elektrodenleitungen auf dem vorbestimmten Bereich der Schwingungsplatte, auf welchem die Sensorplatte im Siebdruckverfahren ausgebildet wird, ausgebildet. Die erste Elektrode war aus Platin; der piezoelektrische Film bestand aus einem Material, das Bleizirconat, Bleittitanat und Bleimagnesiumniobat als Hauptkomponenten enthält; die zweite Elektrode war aus Gold; und die Elektrodenleitungen wurden aus Silber hergestellt.
  • Danach wurde eine Behandlung mit einem YAG-Laser (vierte Harmonische, Wellenlänge: 266 nm) durchgeführt, so dass eine Öffnung, eine Membran und eine Sensorplatte im in 12 dargestellten Sensorabschnitt 13 ausgebildet wurden, um den Massensensor 1 zu vervollständigen. Hier betrug die Dicke der Membran 7 μm, die Dicke der Zwischenplatte 65 μm, die Dicke der Basisplatte 150 μm und die Dimension der Membran war 0,5 mm × 0,3 mm.
  • Die Masse auf der Membran wurde geändert, indem eine Vielzahl von Punktmustern mit einem Durchmesser von 10 μmΦ in einer Goldschicht mit einer Dicke von 0,3 μm, die auf einer gesamten Oberfläche der Membran mit dem YAG-Laser ausgebildet wurde, wie dies oben beschrieben ist, um die Masse zu verkleinern. Die Resonanzfrequenzen vor und nach der Behandlung wurden beobachtet, und es wurden die in 26 dargestellten Ergebnisse erzielt. Aus diesen Ergebnissen lässt sich bestätigen, dass der Massensensor der vorliegenden Erfindung eine Änderung der Resonanzfrequenzen entsprechend der Änderung der Masse in der Größenordnung im Nanometerbereich zeigte.
  • Der Massensensor der vorliegenden Erfindung wurde mit Schwerpunkt auf einer piezoelektrischen Umwandlungsvorrichtung unter Verwendung eines piezoelektrischen Films, der den piezoelektrischen Effekt als Vorrichtung zum Abfühlen der Schwingung eines Resonanzabschnitts und zum Umwandeln der Schwingung in elektrische Signale einsetzt. Eine solche Schwingungssignale umwandelnde Vorrichtung ist aber nicht auf jene beschränkt, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, sondern sie kann eine solche sein, in welcher die elektromagnetische Induktion, die Änderung der elektrostatischen Kapazität, Änderung des Einfalllichts, Änderung des elektrischen Widerstands oder Pyroelektrizität angewendet werden.
  • So umfassen z. B. jene, die sich der elektromagnetischen Induktion bedienen, solche, die auf der Sensorplatte eine Spule installiert haben, die einen Stromkreis zum Detektieren der in der Spule fließenden elektrischen Signale und einen Magneten (kann ein Elektromagnet sein) zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Spule um fasst. In diesem Fall fließt, wenn die Spule gemeinsam mit dem Resonanzabschnitt schwingt, aufgrund der elektromagnetischen Induktion ein elektrischer Strom durch die Spule, und der elektrische Strom wird durch den elektrischen Stromkreis detektiert. Jene Vorrichtungen, welche die Änderung der elektrostatischen Kapazität verwenden, umfassen jene mit einem Paar auf der Oberfläche der Sensorplatte installierter Elektroden, mit einer zwischen diesen Elektroden in Sandwich-Anordnung aufgenommenen dielektrischen Schicht sowie einen mit diesen Elektroden verbundenen Stromkreis, und jene zur Detektion der in diesem bestimmten Raum mit dem elektrischen Stromkreis beladenen elektrostatischen Kapazität.
  • Die Vorrichtungen, welche die Änderung des Einfalllichts verwenden, umfassen jene mit einer Vorrichtung zum Erleuchten des Resonanzabschnitts, z. B. eine Leuchtdiode, und eine Vorrichtung zum Messen der Menge an Licht, die durch den Resonanzabschnitt reflektiert wird (Lichtempfänger). Der Lichtempfänger kann ein Lichtsensor sein. Wenn der Resonanzabschnitt schwingt, so ändert sich die Menge an Licht, die vom Resonanzabschnitt reflektiert wird, und die Änderung der Menge an Einfallslicht wird durch den Lichtempfänger gemessen.
  • Jene Vorrichtungen, die eine Änderung des elektrischen Widerstands verwenden, werden grob gesprochen in jene unterteilt, die einen Leiter verwenden, und jene, die einen Halbleiter verwenden. Die einen Leiter verwendende Vorrichtung verfügt über einen auf der Oberfläche des Resonanzabschnitts bereitgestellten Leiter und einen mit dem Leiter verbundenen elektrischen Stromkreis. Da der Leiter durch die Schwingung gestört wird, wenn der Leiter gemeinsam mit dem Resonanzabschnitt schwingt und wenn sich der Widerstand ändert, wird diese Widerstandsänderung durch den elektrischen Stromkreis detektiert. Die Vorrichtung, die einen Halbleiter verwendet, verwendet anstatt des Leiters einen Halbleiter.
  • Jene Vorrichtungen, die Pyroelektrizität verwenden, umfassen ein Paar auf der Oberfläche der Sensorplatte bereitgestellte Elektroden, ein zwischen diesen Elektroden ausgebildetes piezoelektrisches Element sowie eine Wärmequelle, und detek tieren einen durch die Schwingung mit dem elektronischen Schaltkreis erzeugten pyroelektrischen Strom.
  • Diese Arten von Schwingungssignalwandlern können anstelle der obig beschriebenen piezoelektrischen Elemente verwendet werden, und zusätzlich dazu können verschiedene Signalwandler für die Anregung des Resonanzabschnitts und getrennt davon für das Aufnehmen der Schwingung aus dem Resonanzabschnitt verwendet werden. So kann z. B. ein piezoelektrischer Wandler zum Anregen und ein elektrostatischer Wandler vom Kapazitätstyp zum Empfangen verwendet werden. Die Anordnung der anregenden und empfangenden Vorrichtungen kann geeignet und passend abhängig von der Anzahl der Sensorplatten ausgewählt werden. Wenn z. B. nur eine Sensorplatte verwendet wird, können sie auf der Oberfläche der Sensorplatte angeordnet werden; wenn zwei Sensorplatten verwendet werden, können sie auf beiden Oberflächen der zwei oder auf jeder Oberfläche angeordnet werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie bereits oben beschrieben wurde, zeigen ein Massensensor und ein Verfahren zum Abfühlen einer Masse gemäß der vorliegenden Erfindung insofern exzellente Wirkungen, als die verschiedenen extrem kleinen Massenänderungen, die auf einer Membran auftreten, d. h. Änderung der Massenbelastung auf der Membran, leicht und genau innerhalb eines kurzen Zeitraums abgefühlt werden können. Somit kann, wenn eine Fängersubstanz zum Einfangen verschiedener abzufühlender Substanzen auf der Membran auftragen wird, der Massensensor als Gassensor, Geschmacks- oder Geruchssensor, Immunsensor oder ein Feuchtigkeitsmessgerät verwendet werden, das verschiedene chemischen Substanzen oder Mikroorganismen wie Bakterien und Viren leicht und schnell abfühlen kann. Wird eine solche Fängersubstanz nicht auf die Membran aufgetragen, so kann der Massensensor als Filmdickenmeter, Viskositätsmeter, Vakuummeter oder Thermometer verwendet werden. Zusätzlich dazu kann, wenn der Sensor als das Trockenverfahren ersetzender Immunsensor, als Geruchs- oder Geschmackssensor verwendet wird, die Zuverlässigkeit der Tests verbessert werden, da die Bestimmung sich nicht nur auf den menschlichen Sinn verlässt.
  • Auch da der Massensensor der vorliegenden Erfindung nur in sehr geringem Ausmaß durch die Temperatur der Probe oder durch eine Änderung der Eigenschaften der Materialien für den Massensensor selbst aufgrund der Temperatur der Probe nach dem Abfühlen von Resonanzfrequenzen beeinflusst wird und eine extrem geringe Menge in der Größenordnung von 0,1 Nanogramm als die Natur der Struktur messen kann, zeigt der Massensensor die Wirkung des Abfühlens einer extrem kleinen Menge der Substanz.
  • Obwohl der Massensensor der vorliegenden Erfindung für verschiedene, oben beschriebene Anwendungen verwendet werden kann, da die Messung auf der Basis eines grundlegenden Messprinzips durchgeführt wird, in welchem die Änderung der Resonanzfrequenzen des Resonanzabschnitts, umfassend dabei die einer Massenbelastung ausgesetzte Membran, gemessen wird, kann weiters eine Vielzahl von Resonanzabschnitten mit verschiedenen Funktionen leicht in einem Massensensor bereitgestellt werden. Somit zeigt, da die Verwendung einer Vielzahl verschiedener diskreter Sensoren nicht erforderlich ist, der Massensensor der vorliegenden Erfindung auch eine exzellente wirtschaftliche Wirkung hinsichtlich der Kostenreduzierung für die Aufnahme des Sensors an der Messstelle, für die Einrichtungen zur Handhabung oder Messung solcher Messinstrumente sowie auch in Hinblick auf die Kostenverringerung durch die Aufnahme und geteilte Verwendung der Herstellungsausrüstung.

Claims (34)

  1. Massensensor, umfassend: ein Sensorsubstrat (34, 2, 70); zumindest eine Anschlussplatte (33, 20, 74), die sich in eine erste Richtung erstreckt und ein erstes, an einen ersten Abschnitt des Sensorsubstrats (34, 2, 70) angebrachtes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende aufweist; zumindest eine in Schwingung versetzbare Membran (31, 19, 72), die am zweiten Ende der Anschlussplatte (33, 20, 74) an jeweiligen Seiten dieser in einer ersten Verbindungsrichtung angebracht ist; zumindest eine Sensorplatte (32, 21, 73) mit einem ersten, an einem zweiten Abschnitt des Sensorsubstrats (34, 2, 70) angebrachten Ende und einem gegenüberliegenden, an eine der Membranen (31, 19, 72) und an der Anschlussplatte (33, 20, 74) angebrachten zweiten Ende, wobei das zweite Ende entweder (a) an der Anschlussplatte (33, 20, 74) an jeweiligen Seiten dieser in einer zweiten Verbindungsrichtung, die senkrecht zur ersten Verbindungsrichtung verläuft, angebracht ist; oder (b) an der Membran (31, 19, 72) an jeweiligen Seiten dieser in einer Verbindungsrichtung, die parallel zur ersten Verbindungsrichtung verläuft, angebracht ist, und wobei im Fall (b) die Anschlussplatte (33, 20, 74) und die Sensorplatte nicht direkt miteinander verbunden sind; und zumindest ein piezoelektrisches Element (35, 25, 75) an einer Fläche der Sensorplatte (32, 21, 73) angeordnet ist; worin die zumindest eine Anschlussplatte (33, 20, 74), die zumindest eine Membran (31, 19, 72), die zumindest eine Sensorplatte (32, 21, 73) und das zumindest eine piezoelektrische Element (35, 25, 75) einen Resonanzabschnitt definieren.
  2. Massensensor nach Anspruch 1, worin die Sensorplatte (32, 21, 73) mit der Anschlussplatte (33, 20, 74) in der senkrecht zur Verbindungsrichtung der Membran (31, 19, 72) und der Anschlussplatte verlaufenden Richtung verbunden ist.
  3. Massensensor nach Anspruch 1 oder 2, worin zwei Sensorplatten (21A, 21B) mit der Anschlussplatte (20) an gegenüberliegenden Seiten in der senkrecht zur Verbindungsrichtung der Membran (19) und der Anschlussplatte (20) verlaufenden Richtung verbunden sind; das piezoelektrische Element (25) an zumindest einer der Flächen von zumindest einer der Sensorplatten (21A, 21B) angeordnet ist; die ersten Enden beider Sensorplatten mit dem Sensorsubstrat (2) verbunden sind.
  4. Massensensor nach Anspruch 3, worin das piezoelektrische Element (25) an einer Fläche einer ersten der beiden Sensorplatten (21B) angeordnet ist und ein oder mehrere Schlitze (28) in der anderen Sensorplatte (21A) ausgebildet sind, die sich in eine senkrecht zur Verbindungsrichtung der ersten Sensorplatte (21B) und der Anschlussplatte (20) verlaufenden Richtung erstreckt.
  5. Massensensor nach Anspruch 3 oder 4, worin das piezoelektrische Element (25A, 25B) an einer Fläche einer jeden der Sensorplatten (21A, 21B) angeordnet ist, die sich in dieselbe Richtung erstrecken, und die jeweiligen Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Filme in den piezoelektrischen Elementen auf den jeweiligen Sensorplatten entgegengesetzt zueinander sind.
  6. Massensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die zwei Anschlussplatten (74A, 74B) mit der Membran (72) an gegenüberliegenden Seiten dieser verbunden sind, um so eine Vertiefung des Sensorsubstrats (70) zu überbrücken, und zwei der Sensorplatten jeweils zwischen den Anschlussplatten und dem Boden der Vertiefung in der zur Richtung der Anschlussplatten mit der dazwischen eingebrachten Membran senkrecht stehenden Richtung angeordnet sind.
  7. Massensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin eine Anordnung der Membran mit zwei der an gegenüberliegenden Seiten der Membran verbundenen Anschlussplatten, zwischen denen sie eingebracht ist, ein im Sensorsubstrat ausgebildetes Durchgangsloch überbrückt, und zumindest eine Vielzahl der Sensorplatten zwischen den Anschlussplatten und der Seite des Durchgangslochs, oder der Membran und der Seite des Durchgangslochs, in der senkrecht zur Richtung der jeweiligen Anschlussplatten, zwischen denen die Membran eingebracht ist, stehenden Richtung angeordnet sind.
  8. Massensensor nach Anspruch 7, worin auf jedem Paar oder den Sensorplatten, die einander über die Anschlussplatten oder die Membran gegenüberliegen, ein piezoelektrisches Element auf zumindest einer der Flächen der Sensorplatten angeordnet ist und ein oder mehrere Schlitze in der anderen Sensorplatte ausgebildet sind, die sich in eine senkrecht zur Verbindungsrichtung der anderen Sensorplatte und den Anschlussplatten oder der Membran verlaufenden Richtung erstreckt.
  9. Massensensor nach Anspruch 7 oder 8, worin die piezoelektrischen Elemente auf der Fläche eines jeden Paars an Sensorplatten, die einander über die Anschlussplatten oder die Membran gegenüberliegen, in zumindest derselben Richtung angeordnet sind, und die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Filme in den jeweiligen piezoelektrischen Elementen, die auf den jeweiligen Sensorplatten angeordnet sind, entgegengesetzt zueinander sind.
  10. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Membran (31, 19, 72), die Anschlussplatte (33, 20, 75), und die Sensorplatte (32, 21, 73) in derselben Ebene liegen.
  11. Massensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Sensorplatte (21) in eine Vertiefung, die von der Anschlussplatte (20) und dem Sensorsubstrat (2) ausgebildet ist, eingepasst und mit dieser verbunden ist.
  12. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Membran, die Anschlussplatte und die Sensorplatte einstückig aus einer Schwingungsplatte geformt sind und das Sensorsubstrat mit der Schwingungsplatte einer Basisplatte einstückig laminiert ist.
  13. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin eine Federplatte (18, 38) an einer oder an jeder der Flächen der Anschlussplatte (33) angebracht ist und die Federplatte mit dem Sensorsubstrat (34) oder einer Federplattenverstärkung (39) verbunden ist.
  14. Massensensor nach Anspruch 13 in Abhängigkeit von Anspruch 12, worin die Federplatte einstückig mit der Anschlussplatte und einer Zwischenplatte, die zwischen der Schwingungsplatte und der Basisplatte eingeführt ist, geformt ist, oder einstückig mit der Federplattenverstärkung und der Schwingungsplatte geformt ist.
  15. Massensensor nach Anspruch 13 oder 14, worin das Sensorsubstrat mit der Federplatte verbunden ist und die Verstärkung mit der Seite des Sensorsubstrats verbunden ist.
  16. Massensensor nach Anspruch 15, worin die Verstärkung (39) einstückig mit der Federplatte und dem Sensorsubstrat gebildet ist.
  17. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin eine Fängersubstanz ausschließlich mit einer abzufühlenden Substanz reagiert und das Einfangen der abzufühlenden Substanz zumindest in einem Teilbereich der Membran vollzogen wird, die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnitts durch das piezoelektrische Element im Zustand, in dem die abzufühlende Substanz noch nicht von der Fängersubstanz eingefangen wurde, und im Zustand, nachdem die abzufühlende Substanz von der Fängersubstanz eingefangen wurde, messbar ist, und die Masse der abzufühlenden Substanz, die von der Fängersubstanz eingefangen wurde, aufgrund der Veränderung in der gemessenen Resonanzfrequenz messbar ist.
  18. Massensensor nach Anspruch 17, worin zumindest zwei Resonanzabschnitte (14) auf dem Sensorsubstrat angeordnet sind und die Fängersubstanz auf die Membran von zumindest einem der Resonanzabschnitte nicht aufgebracht wird.
  19. Massensensor nach Anspruch 17 oder 18, worin zumindest zwei Resonanzabschnitte (14) auf dem Sensorsubstrat angeordnet sind und jeweils unterschiedliche Fängersubstanzen auf die Membranen der Resonanzabschnitte aufgebracht werden.
  20. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin zumindest zwei Resonanzabschnitte (14) auf dem Sensorsubstrat angeordnet sind und der Dynamikbereich durch Integrieren der Signale der Resonanzabschnitte erweitert wird.
  21. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin ein Durchgangsloch im Sensorsubstrat ausgebildet ist und der Resonanzabschnitt (14) auf der inneren Umfangsoberfläche des Durchgangslochs ausgebildet ist.
  22. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das piezoelektrische Element in zwei Abschnitte (35A, 35B) geteilt ist, wobei einer zur Ansteuerung und der andere zum Abfühlen eingesetzt wird.
  23. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin zwei piezoelektrische Elemente auf einem Resonanzabschnitt angeordnet sind, wobei eines zur Ansteuerung und das andere zum Abfühlen eingesetzt wird.
  24. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin ein Positionssensor, bestehend aus einem Paar an Elektroden, zwischen der Membran und dem piezoelektrischen Element auf dem Sensorsubstrat bereitgestellt ist.
  25. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin mit dem piezoelektrischen Element und einer Elektrode des piezoelektrischen Elements verbindende Elektrodenleitungen mit einer Harz- oder Glas-Isolierbeschichtungsschicht überzogen sind.
  26. Massensensor nach Anspruch 25, worin das Harz ein Fluorharz oder Silikonharz ist.
  27. Massensensor nach Anspruch 25 oder 26, worin zudem eine Schutzschicht, die aus einem leitfähigen Material besteht, zusätzlich auf der Oberfläche der Isolierbeschichtungsschicht ausgebildet ist.
  28. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Sensorsubstrat (34, 2 70), die Membran (31, 19, 72), die Anschlussplatte (33, 20, 75), die Sensorplatte (32, 21, 73) und die Federplatte, falls bereitgestellt, aus stabilisiertem Zirconiumoxid oder teilstabilisiertem Zirconiumoxid zusammengesetzt sind.
  29. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin ein piezoelektrischer Film im piezoelektrischen Element aus einem Material besteht, das eine in erster Linie aus Bleizirkonat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat bestehende Komponente enthält.
  30. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Formen von zumindest einigen der Membranen, der Anschlussplatte, der Sensorplatte oder der Federplatte, falls bereitgestellt, durch Zuschneiden mittels Laserbehandlung oder -bearbeitung dimensional angepasst sind.
  31. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin eine Elektrode des piezoelektrischen Elements laserbehandelt oder -bearbeitet ist, um die tatsächliche Elektrodenfläche des piezoelektrischen Elements anzupassen.
  32. Massensensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Anschlussplatte (20) und die Sensorplatte (21), die nicht direkt miteinander verbunden sind, mit der Membran (19) in Verbindungsrichtungen mit der Membran, die parallel zueinander verlaufen, verbunden sind, und die Anschlussplatte (20) und die Sensorplatte (21) mit einer Seite des Sensorsubstrats verbunden sind.
  33. Verfahren zur Bestimmung von Masse mit einem Massensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 31, in dem zumindest eine Sensorplatte mit der Anschlussplatte in der zur Verbindungsrichtung der Membran und der Anschlussplatte senkrecht verlaufenden Richtung verbunden ist, umfassend das Messen der Resonanzfrequenz mithilfe des piezoelektrischen Elements auf der Grundlage von zumindest einer aus: der θ-Schwingungsmode der Membran, in der die Membran eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum auf der senkrechten Achse, die durch den Mittelpunkt einer feststehenden Ebene verläuft, die die Verbindungsoberfläche der Anschlussplatte und des Sensorsubstrats bildet, in die senkrecht zur Seite der Membran und ebenfalls senkrecht zur senkrechten Achse verlaufende Richtung aufweist, oder der ϕ-Schwingungsmode der Membran, in der die Membran eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum auf der senkrechten Achse aufweist, wobei die Schwingbewegung in die senkrecht zur Seite der Membran und ebenfalls senkrecht zur senkrechten Achse verlaufende Richtung verläuft, begleitet von der Schwingbewegung in die parallel zur Seite der Membran verlaufenden Richtung.
  34. Verfahren zur Bestimmung von Masse mit einem Massensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 31, in dem eine Anordnung der Membran mit den zwei an gegenüberliegenden Seiten der Membran verbundenen Anschlussplatten, zwischen denen sie eingebracht ist, die Seitenflächen einer Vertiefung oder ein Durchgangsloch, ausgebildet im Sensorsubstrat, überbrückt, zumindest eine Vielzahl der Sensorplatten zwischen den Anschlussplatten und dem Boden der Vertiefung oder der Seite des Durchgangslochs, oder zwischen der Membran und dem Boden der Vertiefung oder der Seite des Durchgangslochs, in der zur Verbindungsrichtung der Anschlussplatten, zwischen denen die Membran eingebracht ist, senkrecht verlaufenden Richtung angeordnet sind, umfassend das Messen der Resonanzfrequenz mithilfe des piezoelektrischen Elements auf der Grundlage von zumindest einer der Folgenden: der θ-Schwingungsmode der Membran, in der die Membran eine pendelähnliche Schwingung mit dem Zentrum auf der senkrechten Achse, die durch den Mittelpunkt einer feststehenden Ebene verläuft, die die Verbindungsoberfläche der Anschlussplatte und des Sensorsubstrats bildet, in die senkrecht zur Seite der Membran und ebenfalls senkrecht zur senkrechten Achse verlaufende Richtung aufweist, oder der ϕ-Schwingungsmode der Membran, in der die Membran eine pendelähnliche Schwingung mit Zentrum auf der senkrechten Achse aufweist, wobei die Schwingbewegung in die senkrecht zur Seite der Membran und ebenfalls senkrecht zur senkrechten Achse verlaufende Richtung verläuft, begleitet von der Schwingbewegung in die parallel zur Seite der Membran verlaufenden Richtung, der Schwingung der Membran mit dem Zentrum auf der senkrechten Achse, die parallel zur senkrecht zur Seite der Membran und ebenfalls senkrecht zur senkrechten Achse stehenden Richtung schwingt, oder der Rotationsschwingung der Membran in der Plattenoberfläche der Membran.
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