专利名称：使用振荡电路测量微质量的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种使用振荡电路来测量微质量(micro mass)的装置和方法，以及更具体地说，涉及一种通过使用振荡电路来振荡悬臂，测量诸如DNA和蛋白质的生物分子的质量的装置和方法。
背景技术：
在质量微平衡(mass micro-balancing)技术中，首先测量根据质量的变化微型物质谐振频率的变化，并基于变化的谐振频率来测量变化的质量。
使用这种质量微平衡技术来测量微型物质的一种典型方法是石英晶体质量微平衡(QCM)。Sauerbrey在QCM中系统地推理了谐振频率的变化与质量的增加之间的关系。根据Sauerbrey的理论，随着质量的增加，谐振频率线性地降低。
通常使用QCM来测量物体(待测)每单位面积的质量。QCM根据石英晶体振荡器的剪切模式(shear mode)的变化来确定增加的质量。QCM的优点在于，其被设计成使输入/输出信号很容易以及在灵敏度方面胜出。然而，质量必须被均匀地分布在石英晶体振荡器的表面上，以及必须使用具有高谐振频率的剪切模式。
作为质量微平衡技术，还提出了一种使用光的方法和一种使用压电阻抗的方法。
U.S.专利第5,719,324中，公开了一种使用光测量微质量的传感器。
如图1所示，在该专利中公开的传感器包括悬臂12、支撑悬臂12的压电元件10和激光二极管19，激光二极管19形成在悬臂12的顶端部分以发射激光束20。由来自振荡器14的脉冲波激励压电元件10，从而激励压电元件10。
当对象被置于悬臂12上时，通过受检对象的质量，使悬臂12变形。作为这一点，由具有第一和第二单元23和29的光电检测器27检测从悬臂12发射出的激光束20。基于由光电检测器27检测的光量来测量悬臂12的变形，从而确定变化的质量。标号30和34表示计数电路，标号36和37表示差动电路以及标号38和39表示从差动电路36和37输出的信号。
然而，使用光的方法要求激光二极管和光电检测器的精确的位置控制。因此，需要控制激光二极管和光电检测器的位置的单独的位置控制器。另外，由于彼此无关地形成用于振荡悬臂的构件和用于测量质量的构件，增加了装置的体积，使结构变复杂。
在使用压电阻抗的方法中，在悬臂中加入压电阻抗材料以增加悬臂的质量，使得悬臂由于增加的质量而变形。悬臂的变形引起阻抗变化。通过测量由于阻抗的变化而变化的输出电压来测量质量。
然而，在上述方法中，由于不是主动地(actively)振荡悬臂，悬臂的变化太小以致不能精确地测量微质量。另外，需要各种外围设备，诸如用于测量变化的阻抗的设备、用于比较用于振荡的输入信号和由增加的质量改变的谐振频率的输出信号的设备等等，增加了制造成本和装置的体积。
发明内容
本发明通过使用振荡电路主动地自振动悬臂，提供能够精确地测量对象的微质量，而不使用任何附加外围设备的装置和方法。
在本发明的一个方面中，提供一种微质量测量装置，包括在其上附着对象的悬臂；在悬臂上形成的压电元件；用于主动振动所述悬臂并提供由对象改变的谐振频率的振荡电路；以及用于测量所述悬臂的谐振频率的频率测量设备。
根据本发明的实施例，所述振荡电路包括放大器，用于放大来自所述悬臂的输出信号；以及反馈，用于将放大后的信号输入到所述悬臂。
可以由灵敏度和分离因子来确定所述悬臂的形状比。
可以由通过将所述悬臂的第一谐振频率和由对象改变的第二谐振频率之间的差值除以第一谐振频率获得的值来限定所述分离因子。
可以以三角形形状形成所述悬臂。
所述悬臂的长、宽和厚之间的比率可以在20∶6∶1-20∶18∶1的范围内。
在其上附着对象的悬臂的面积可以为悬臂的整个面积的1/15-1/10。
所述压电元件的厚度可以约为所述悬臂的厚度的40-60％。所述压电元件的长度可以约为所述悬臂的长度的50-60％。
在本发明的另一方面中，提供一种用于使用质量微平衡技术来测量微质量的方法，包括下列步骤使用振荡电路通过压电元件，在第一谐振频率自振动悬臂；将对象附着在所述悬臂上，并用由对象改变的第二谐振频率自振动所述悬臂；以及使用所述第一和第二谐振频率之间的差值来测量对象的质量。
通过参考附图详细地描述其示例性实施例，本发明的上述和其他特征将变得更显而易见，其中图1是传统的微悬臂传感器的示意图；图2是根据本发明实施例的微质量测量装置的示意图；图3A和3B是示例说明根据本发明实施例的微质量测量装置所采用的悬臂的例子的视图；图4是示例说明分辨率相对于根据本发明实施例的微质量测量装置所采用的悬臂的长度的图；图5是示例说明分离因子相对于根据本发明实施例的微质量测量装置所采用的悬臂的长度和宽度之间的比率的图；图6是附着有根据本发明实施例的微质量测量装置所采用的压电元件的悬臂的有限元模型的视图；图7A是示例说明输出电流相对于根据本发明实施例的微质量测量装置所采用的压电元件的厚度的图；图7B是示例说明输出电流相对于根据本发明实施例的微质量测量装置所采用的压电元件的长度的图；图8是淀积有通过MEMS工艺制作的压电元件的悬臂的照片；以及图9是示例说明由根据本发明实施例的微质量测量装置应用的振荡电路生成的自振动信号和反馈信号的图。
具体实施例方式
现在，参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以用许多不同的形式体现，不应当视为限制到在此阐述的实施例，相反，提供这些实施例以便该公开内容全面且完整，以及本领域的技术人员将充分地领会本发明的原理。在图中，为清楚起见，增大了层的厚度和区域。
图2示出根据本发明实施例的微质量测量装置的示意图。
参考图2，本发明的微质量测量装置包括用于测量对象p的质量的微型悬臂50，以及用于主动地振荡微型悬臂50并测量微型悬臂50的变化的谐振频率的振荡电路60。
对象可以是生物分子，诸如DNA和蛋白质。
在悬臂50上形成压电元件53。振荡电路60耦合到压电元件53。可以通过将PZT淀积在悬臂50上而形成压电元件53。
振荡电路60包括放大器57和反馈58。放大器57放大从微型悬臂50的压电元件53输出的第一谐振频率，以及反馈58允许压电元件53用第一谐振频率振动悬臂50。
频率测量设备65耦合到振荡电路60以便测量谐振频率的变化。频率测量设备65可以由例如使用脉冲计数器的简单电子电路形成。当将频率测量设备耦合到振荡电路60时，能够容易地测量当对象p被置于悬臂50上时，由质量的增加引起的谐振频率的微小变化。
如上所述，通过将振荡电路60应用于耦合压电元件53的微型悬臂50，悬臂50能够以第一谐振频率连续地振动。在将对象p置于微型悬臂50上之后，通过频率测量设备65测量由对象p改变的谐振频率。因此，可以使用单个压电元件53来自振动并测量悬臂50的质量。
本发明的测量装置进一步包括数据传送设备(未示出)，用于将频率的变化量传送到计算机。
根据本发明，为了测量诸如DNA和蛋白质的对象的微质量，将生物对象p附着在采用振荡电路60的微型悬臂50的末端，并使用质量微平衡技术来测量生物对象p的微质量。
可以通过微电子机械系统(MEMS，micro electro mechanical system)工艺来制造淀积有压电元件53的微型悬臂50。可以通过生化反应来实现生物对象p的附着。
振荡电路60由放大器57和反馈58组成，放大器57用于放大来自悬臂50的信号，以及反馈58用于将放大后的信号输入到悬臂50。还进一步提供电源59，用于向振荡电路60提供电压。电源可以是脉冲和步进型电源中的一种。小电池可被用作电源59。
由于微型悬臂50是清楚地示出位移，并通过MEMS工艺以小尺寸形成的简单机械结构，可将其应用于能够测量诸如DNA和蛋白质的生物对象的微质量的片上实验室(lab-on-a-chip)。
最好将微型悬臂50设计成具有能够提供对测量微质量来说很好的灵敏度的形状和大小。例如，当DNA或蛋白质的质量密度为10-15g/μm2时，最好将悬臂50设计成具有提供约1Hz/10-15g的灵敏度和约10-15g/Hz的分辨率的形状和大小。
即，最好，将悬臂设计成具有可以提供测量微质量所需的灵敏度的简单形状和大小。当悬臂具有简单形状时，能简化MEMS工艺。
此外，最好，将微型悬臂50设计成具有能够满足适合于测量微质量的分离因子的形状和大小。能将悬臂50设计成满足灵敏度和分离因子。例如，如图3A和3B所示，可以将悬臂50设计成具有三角形形状或矩形形状。将比较三角形悬臂的灵敏度和分离因子与矩形悬臂的灵敏度和分离因子。
当对象p未附着在微型悬臂50上时，矩形悬臂的谐振频率fr如下[公式1]fr=12πkr0.24mr]]>其中，kr和mr分别是矩形悬臂的硬度和质量。
当对象p未附着在微型悬臂50上时，三角形悬臂的谐振频率ft如下[公式2]ft=12πkt0.07mt]]>其中，kt和mt分别是三角形悬臂的硬度和质量。
当对象p附着在微型悬臂50上时，矩形悬臂的改变的谐振频率f0r如下[公式3]f0r=12πkrΔm+0.24mr]]>当对象p附着在微型悬臂50上时，三角形悬臂的改变的谐振频率f0t如下[公式4]f0t=12πktΔm+0.07mt]]>
当以矩形形状形成悬臂时，可以使用公式1和3来计算根据对象p的微质量的变化的谐振频率的变化Δfr。即，谐振频率的变化Δfr如下[公式5]Δfr=12πκr0.24mr(1-11+Δm/0.24mr)]]>当以三角形形状形成悬臂时，可以使用公式2和4来计算根据对象p的微质量的变化的谐振频率的变化Δft。即，谐振频率的变化Δft如下[公式6]Δft=12πkt0.07mt(1-11+Δm/0.07mt)]]>在这里，由于悬臂的质量mr和mt远大于对象p的质量Δm，当将假设(Δm/m＜＜1)应用到公式5和公式6时，通过由Taylor的展开式定义的下述公式7和8获得Δfr和Δft。
Δfr≈12πkr0.24mr(12)(Δm0.24mr)]]>[公式8]Δft≈12πkt0.07mt(12)(Δm0.07mt)]]>根据公式1、2、7和8，用下述公式9表示由对象p引起的谐振频率Δf除质量变化Δm与悬臂的质量和谐振频率之间的关系。
ΔmΔf∝mf]]>在公式9中，Δm/Δf(g/Hz)表示分辨率。灵敏度是分辨率的倒数。即，分辨率越低，而灵敏度越高。即，当大大地改变每单位质量的谐振频率时，意味着灵敏度很高。
另外，微型悬臂的分辨率与其m/f成比例，以及其灵敏度与f/m成比例。因此，设计成具有小质量和高谐振频率的悬臂更适合微质量测量装置。
如图3A和3B所示，将对于悬臂50的长度L、宽度b和厚度t，比较以三角形形状形成的悬臂的灵敏度和以矩形形状形成的悬臂的灵敏度。在此，假定用相同的材料形成三角形悬臂和矩形悬臂并具有相同的长度、相同的宽度和相同的厚度。
矩形悬臂的硬度kr和三角形悬臂的硬度kt可以分别用下述公式10和11表示。在这里，E、I、ρ分别为悬臂的模数系数、面积的二次惯性矩(secondmoment of inertia of area)以及密度。
kr=3EIL3=(E4)(bt3L3)]]>[公式11]kt=(E6)(bt3L3)]]>矩形悬臂的质量mr和三角形悬臂的质量mt如下[公式12]mr＝ρbLt[公式13]mt=12ρbLt]]>当将公式10和12应用到公式7时，可以获得如下所述的公式14[公式14](ΔfΔm)r≈2.1(12π)(E1/2ρ3/2)(1bL3)]]>当公式11和13应用于公式8时，能获得如下所述的公式15[公式15](ΔfΔm)t≈30(12π)(E1/2ρ3/2)(1bL3)]]>当比较公式14和15时，可以注意到三角形悬臂的灵敏度(Δf/Δm)t相对高于矩形悬臂的(Δf/Δm)r。这表示最好用三角形形状形成悬臂。然而，就满足灵敏度和分离因子而言，也可以使用矩形悬臂。
图4示出示例说明三角形悬臂和矩形悬臂的分辨率的图。分辨率是灵敏度的倒数。即，分辨率越低，则灵敏度越高。
参考图4，当三角形悬臂的长度L等于矩形悬臂的长度时，三角形悬臂的灵敏度高于矩形悬臂的灵敏度。
为了确定三角形悬臂的实际大�。紫榷ㄒ宸掷胍蜃硬⑷范ㄐ鄣某ざ�、宽度和厚度之间的比。在这里，由将悬臂的第一和第二谐振频率之间的差值除以第一谐振频率而获得的值来定义分离因子。分离因子表示第一和第二谐振频率的相邻程度。
第一谐振频率模式用于用作检测一系列结构的振动的检测传感器的悬臂，其中混合生成无数个振动模式。在这一点，当第二谐振频率太接近第一谐振频率时，会干扰测量第一谐振频率。因此，为了精确地测量第一谐振频率，第一和第二谐振频率之间的间隔必须在预定水平以上。定义分离因子来提供预定水平。由于由将三角形悬臂的第一和第二谐振频率ft1和ft2之间的差值除以第一谐振频率ft1而获得的值来定义分离因子，其可以用公式16表示如下[公式16]ft2-ft1ft1]]>由长度、宽度和厚度之间的形状比来具体确定三角形悬臂的形状。确定该形状比以便获得分离因子的预定满意值和灵敏度的预定满意值。三角形悬臂的分离因子如下文所述。
图5示出示例说明三角形悬臂的分离因子的图。水平轴表示通过将宽度b除以长度L获得的值(b/L)，以及纵轴表示根据值(b/L)的变化的分离因子。另外，示例说明了当长度L与厚度t之比t/L为1/20、1/50和1/100时获得的结果。
此外，当将公式11和13应用到公式2时，可以如下获得谐振频率ft[公式17]ft=12πE3ρ(tL2)]]>由于在液体中操作微悬臂以检测生物对象，必须考虑质量添加效应。即当悬臂在液体中振动时，由于液体的质量获得就象增加了悬臂的质量的效应。当增加悬臂的质量时，悬臂的谐振频率被降低。根据公式15，当谐振频率降低时悬臂的灵敏度降低。
通过增加悬臂的厚度与长度之比(t/L)以增加悬臂的硬度，可以克服质量添加效应。因此，最好将该比率(t/L)设置成1/20。
参考图5，存在分离因子具有与值(t/L)无关的预定值(最大值)的范围。即，当比率(b/L)处于0.3-0.9的范围内时，最大化分离因子。
即，当值(t/L)为1/20以及值(b/L)处于范围0.3-0.9内时，同时满足分离因子和灵敏度。因此，悬臂的形状比可以确定在范围L∶b∶t＝(20∶6∶1)-(20∶18∶1)内。
在上述形状比的基础上，确定实际长度L、宽度b和厚度t。
图8示出示例说明通过MEMS工艺制造的微型悬臂的照片。
参考图8，在悬臂50的末端上提供探针54。诸如DNA和蛋白质的生物对象被置于探针54上。由于生物对象p被置于悬臂54的最末端，可以最大化质量添加效应。探针54的面积可以是悬臂的整个面积的1/10。
通过生化反应将生物对象附着在探针54上。即，通过将生物对象尽可能远地集中附着在悬臂的末端，可以最大化质量添加效应。
(例子)DNA具有约6×10-15g/μm2的质量密度以及蛋白质具有约2×10-15g/μm2的质量密度。通过将这些值应用于表示灵敏度的公式15，可以测量悬臂的质量。当假定探针54的面积是悬臂面积的1/10时，可以将探针表示为“(1/10)(bL/2)＝(1/10)(3L/10)L/2＝3L2/200”。
通过MEMS工艺用硅形成悬臂。硅具有属性值(E＝112GPa，ρ＝2330kg/m3)。当将这些属性值应用到公式15时，能够确定三角形悬臂的长度L、宽度b和厚度t。
在一点，假定考虑到当生物对象p局部附着在悬臂上时，谐振频率在0-150Hz的范围内变化，谐振频率的变化Δft为150Hz。通过测量谐振频率，可以确定附着在探针54上的生物对象p的质量。确定谐振频率的范围以便如果存在为应用本发明的片上实验室(LOC)的一部分的特定生物对象，则提出确定参考。生化处理探针54以便将生物对象仅附着在探针54上。因此，根据谐振频率的变化，能够识别附着在探针上的生物对象的质量。
例如，当谐振频率的变化为50Hz时，可以认为生物对象被附着在探针面积的1/3上。另外，当谐振频率的变化为75Hz时，可以认为将生物对象附着在探针面积的一半上。当考虑到根据DNA或蛋白质的质量的增加第一谐振频率的变化非常小时，则0-150Hz的谐振频率变化足够高。
可以基于上述条件来计算三角形悬臂的大小。当生物对象为DNA时，悬臂的长度、宽度和厚度分别为40μm、12μm和2μm。当生物对象为蛋白质时，悬臂的长度、宽度和厚度分别为100μm、30μm和5μm。相对于彼此具有相同形状比的悬臂，考虑到DNA和蛋白质的表面密度，通过数值分析来确定这些值，这样可以通过MEMS工艺来制造悬臂并具有足够的灵敏度。
接着，确定压电元件的厚度和长度。压电元件可以由PZT形成。可以确定压电元件的大小以便获得大的输出电流量。当存在大的输出电流量时，可以改善相对于对象p的质量检测性能。
在数值分析中，输入为1000的Q因子和200m/V的输入电压。图6示出用于数值分析的有限元模型，示例说明淀积有压电元件53的三角形悬臂50。压电元件可以尽可能大地淀积在悬臂的区域上。由于来自压电元件的输出电流最受压电元件的大小的影响，最好尽可能大地形成压电元件，以便根据微质量的变化有效地测量谐振频率。例如，压电元件53可以形成为梯形。
为了识别压电的厚度对输出电流的影响，在长度L1为30μm的情况下，逐渐改变厚度t1(见图3)。图7A示出输出电流根据压电元件53的厚度而变化的图。如图所示，当厚度t1为2.5μm时，获得最大的输出电流量。
为了识别输出电流根据压电元件的长度L1的变化，在厚度t1为2.5μm的情况下，测量输出电流同时增加压电元件53的长度。结果如图7B所示。如该图中所示，当增加压电元件的长度L直到60μm时，输出电流单调地增加。当增加长度L超出60μm时，输出电流逐渐减小。根据基于该结果的数值分析，最好压电元件的厚度为悬臂的40-60％，以及其长度为悬臂长度的50-60％。即，基于通过MEMS工艺制造的微型悬臂的属性与数值分析结果和数学压电模型类似的情形，可以确定压电元件和悬臂之间的厚度比和长度比。
图8示出通过MEMS工艺制造的悬臂，以及图9示出示例说明通过示波器从振荡电路输出的信号的图。
在图9中，下面的波信号是微型悬臂的反馈振荡信号，其通过振荡电路返回到悬臂。上面的波信号是通过微型悬臂输出的反馈信号。即，上面的波信号示出表示悬臂以第一谐振频率连续地自振动的自振动信号。
如上所述，本发明的微质量测量装置被设计成通过与振荡电路一起应用的压电元件，同时实现悬臂的自振动和对象质量的测量。因此，在本发明中不需要诸如函数发生器的外部驱动器。
在下文中，将描述更具体的测量例子。
为了测量微质量，最好将可能的大量蛋白质(对象)附着在悬臂上。为了尽可能多地将蛋白质附着在悬臂上，使用具有高粘合强度的海贝类蛋白质。用包含对象(海贝类蛋白质)的水溶液使微型悬臂50的末端着色。振荡电路连接到悬臂50以便测量频率的变化。在这一点，由频率测量设备65测量的第一谐振频率为1.238544MHz。由海贝类蛋白质引起的谐振频率的变化为85Hz。使用表示灵敏度的公式15计算的海贝类蛋白质的质量为0.179483×10-12(g)。
在用于测量微质量的方法中，振荡电路60以第一谐振频率自振动悬臂50。在将对象p置于悬臂50上之后，以第一变化的谐振频率，进一步自振动悬臂50，并使用变化的谐振频率来测量对象p的质量。
当悬臂50上没有对象p时，振荡电路60通过压电元件53连续地激励悬臂并测量悬臂的第一谐振频率。
在将对象p重新附着在悬臂50上之后，测量由对象p改变的谐振频率以测量谐振频率的变化。根据谐振频率的变化，使用公式15来测量对象p的质量。如上所述，由振荡电路主动驱动悬臂，并根据由对象p引起的谐振频率变化来测量对象的质量，而不使用单独的测量设备。
根据上述微质量测量装置和方法，由于通过单个压电元件同时实现悬臂的自驱动和谐振频率的测量，不需要单独的振动器和单独的谐振频率测量设备。因此，能够简化微质量测量装置的结构。另外，可以通过MEMS工艺来制造微型悬臂。另外，当设计具有多个悬臂的配置时，能同时测量多个生物对象的质量。因此，当将微型悬臂应用于LOC时，可以实现便携式DNA或蛋白质检测器。
尽管参考其示例性实施例具体地示出了和描述了本发明，本领域的技术人员将理解到在不背离由权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在其形式和细节方面做出各种改变。
权利要求
1.一种微质量测量装置，包括在其上附着对象的悬臂；在所述悬臂上形成的压电元件；振荡电路，用于主动振动所述悬臂并提供由所述对象改变的谐振频率；以及用于测量所述悬臂的谐振频率的频率测量设备。
2.如权利要求1所述的微质量测量装置，其中，所述振荡电路包括放大器，用于放大来自所述悬臂的输出信号；以及反�。糜诮糯蠛蟮男藕攀淙氲剿鲂�。
3.如权利要求1所述的微质量测量装置，其中，所述悬臂的形状比由灵敏度和分离因子确定。
4.如权利要求3所述的微质量测量装置，其中，由通过将所述悬臂的第一谐振频率和由所述对象改变的第二谐振频率之间的差值除以所述第一谐振频率而获得的值来定义所述分离因子。
5.如权利要求1所述的微质量测量装置，其中，以三角形形状形成所述悬臂。
6.如权利要求5所述的微质量测量装置，其中，所述悬臂的长、宽和厚度之间的比率在20∶6∶1-20∶18∶1的范围内。
7.如权利要求1所述的微质量测量装置，其中，在其上附着所述对象的悬臂的面积为所述悬臂的整个面积的1/15-1/10。
8.如权利要求1所述的微质量测量装置，其中，所述压电元件的厚度约为悬臂的厚度的40-60％。
9.如权利要求1所述的微质量测量装置，其中，所述压电元件的长度约为所述悬臂的长度的50-60％。
10.一种使用质量微平衡技术来测量微质量的方法，包括下列步骤使用振荡电路，通过压电元件在第一谐振频率自振动悬臂；将对象附着在所述悬臂上，并用由所述对象改变的第一谐振频率自振动所述悬臂；以及使用由于所述对象的谐振频率变化来测量所述对象的质量。
全文摘要
一种微质量测量装置，包括在其上附着对象的悬臂、在悬臂上形成的压电元件、用于主动振动悬臂并提供由对象引起的改变的谐振频率的振荡电路、以及用于测量悬臂的谐振频率的频率测量设备。
文档编号G01L9/00GK1616947SQ200410094659
公开日2005年5月18日 申请日期2004年11月11日 优先权日2003年11月12日
发明者李守鉐, 文元圭, 李列镐 申请人:三星电子株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
