專利名稱：使用振蕩電路測量微質(zhì)量的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用振蕩電路來測量微質(zhì)量(micro mass)的裝置和方法，以及更具體地說，涉及一種通過使用振蕩電路來振蕩懸臂，測量諸如DNA和蛋白質(zhì)的生物分子的質(zhì)量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在質(zhì)量微平衡(mass micro-balancing)技術(shù)中，首先測量根據(jù)質(zhì)量的變化微型物質(zhì)諧振頻率的變化，并基于變化的諧振頻率來測量變化的質(zhì)量。
使用這種質(zhì)量微平衡技術(shù)來測量微型物質(zhì)的一種典型方法是石英晶體質(zhì)量微平衡(QCM)。Sauerbrey在QCM中系統(tǒng)地推理了諧振頻率的變化與質(zhì)量的增加之間的關(guān)系。根據(jù)Sauerbrey的理論，隨著質(zhì)量的增加，諧振頻率線性地降低。
通常使用QCM來測量物體(待測)每單位面積的質(zhì)量。QCM根據(jù)石英晶體振蕩器的剪切模式(shear mode)的變化來確定增加的質(zhì)量。QCM的優(yōu)點在于，其被設(shè)計成使輸入/輸出信號很容易以及在靈敏度方面勝出。然而，質(zhì)量必須被均勻地分布在石英晶體振蕩器的表面上，以及必須使用具有高諧振頻率的剪切模式。
作為質(zhì)量微平衡技術(shù)，還提出了一種使用光的方法和一種使用壓電阻抗的方法。
U.S.專利第5,719,324中，公開了一種使用光測量微質(zhì)量的傳感器。
如圖1所示，在該專利中公開的傳感器包括懸臂12、支撐懸臂12的壓電元件10和激光二極管19，激光二極管19形成在懸臂12的頂端部分以發(fā)射激光束20。由來自振蕩器14的脈沖波激勵壓電元件10，從而激勵壓電元件10。
當(dāng)對象被置于懸臂12上時，通過受檢對象的質(zhì)量，使懸臂12變形。作為這一點，由具有第一和第二單元23和29的光電檢測器27檢測從懸臂12發(fā)射出的激光束20?；谟晒怆姍z測器27檢測的光量來測量懸臂12的變形，從而確定變化的質(zhì)量。標(biāo)號30和34表示計數(shù)電路，標(biāo)號36和37表示差動電路以及標(biāo)號38和39表示從差動電路36和37輸出的信號。
然而，使用光的方法要求激光二極管和光電檢測器的精確的位置控制。因此，需要控制激光二極管和光電檢測器的位置的單獨的位置控制器。另外，由于彼此無關(guān)地形成用于振蕩懸臂的構(gòu)件和用于測量質(zhì)量的構(gòu)件，增加了裝置的體積，使結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。
在使用壓電阻抗的方法中，在懸臂中加入壓電阻抗材料以增加懸臂的質(zhì)量，使得懸臂由于增加的質(zhì)量而變形。懸臂的變形引起阻抗變化。通過測量由于阻抗的變化而變化的輸出電壓來測量質(zhì)量。
然而，在上述方法中，由于不是主動地(actively)振蕩懸臂，懸臂的變化太小以致不能精確地測量微質(zhì)量。另外，需要各種外圍設(shè)備，諸如用于測量變化的阻抗的設(shè)備、用于比較用于振蕩的輸入信號和由增加的質(zhì)量改變的諧振頻率的輸出信號的設(shè)備等等，增加了制造成本和裝置的體積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過使用振蕩電路主動地自振動懸臂，提供能夠精確地測量對象的微質(zhì)量，而不使用任何附加外圍設(shè)備的裝置和方法。
在本發(fā)明的一個方面中，提供一種微質(zhì)量測量裝置，包括在其上附著對象的懸臂；在懸臂上形成的壓電元件；用于主動振動所述懸臂并提供由對象改變的諧振頻率的振蕩電路；以及用于測量所述懸臂的諧振頻率的頻率測量設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述振蕩電路包括放大器，用于放大來自所述懸臂的輸出信號；以及反饋，用于將放大后的信號輸入到所述懸臂。
可以由靈敏度和分離因子來確定所述懸臂的形狀比。
可以由通過將所述懸臂的第一諧振頻率和由對象改變的第二諧振頻率之間的差值除以第一諧振頻率獲得的值來限定所述分離因子。
可以以三角形形狀形成所述懸臂。
所述懸臂的長、寬和厚之間的比率可以在20∶6∶1-20∶18∶1的范圍內(nèi)。
在其上附著對象的懸臂的面積可以為懸臂的整個面積的1/15-1/10。
所述壓電元件的厚度可以約為所述懸臂的厚度的40-60％。所述壓電元件的長度可以約為所述懸臂的長度的50-60％。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種用于使用質(zhì)量微平衡技術(shù)來測量微質(zhì)量的方法，包括下列步驟使用振蕩電路通過壓電元件，在第一諧振頻率自振動懸臂；將對象附著在所述懸臂上，并用由對象改變的第二諧振頻率自振動所述懸臂；以及使用所述第一和第二諧振頻率之間的差值來測量對象的質(zhì)量。


通過參考附圖詳細地描述其示例性實施例，本發(fā)明的上述和其他特征將變得更顯而易見，其中圖1是傳統(tǒng)的微懸臂傳感器的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置的示意圖；圖3A和3B是示例說明根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置所采用的懸臂的例子的視圖；圖4是示例說明分辨率相對于根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置所采用的懸臂的長度的圖；圖5是示例說明分離因子相對于根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置所采用的懸臂的長度和寬度之間的比率的圖；圖6是附著有根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置所采用的壓電元件的懸臂的有限元模型的視圖；圖7A是示例說明輸出電流相對于根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置所采用的壓電元件的厚度的圖；圖7B是示例說明輸出電流相對于根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置所采用的壓電元件的長度的圖；圖8是淀積有通過MEMS工藝制作的壓電元件的懸臂的照片；以及圖9是示例說明由根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置應(yīng)用的振蕩電路生成的自振動信號和反饋信號的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，參考附圖更全面地描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式體現(xiàn)，不應(yīng)當(dāng)視為限制到在此闡述的實施例，相反，提供這些實施例以便該公開內(nèi)容全面且完整，以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員將充分地領(lǐng)會本發(fā)明的原理。在圖中，為清楚起見，增大了層的厚度和區(qū)域。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的微質(zhì)量測量裝置的示意圖。
參考圖2，本發(fā)明的微質(zhì)量測量裝置包括用于測量對象p的質(zhì)量的微型懸臂50，以及用于主動地振蕩微型懸臂50并測量微型懸臂50的變化的諧振頻率的振蕩電路60。
對象可以是生物分子，諸如DNA和蛋白質(zhì)。
在懸臂50上形成壓電元件53。振蕩電路60耦合到壓電元件53。可以通過將PZT淀積在懸臂50上而形成壓電元件53。
振蕩電路60包括放大器57和反饋58。放大器57放大從微型懸臂50的壓電元件53輸出的第一諧振頻率，以及反饋58允許壓電元件53用第一諧振頻率振動懸臂50。
頻率測量設(shè)備65耦合到振蕩電路60以便測量諧振頻率的變化。頻率測量設(shè)備65可以由例如使用脈沖計數(shù)器的簡單電子電路形成。當(dāng)將頻率測量設(shè)備耦合到振蕩電路60時，能夠容易地測量當(dāng)對象p被置于懸臂50上時，由質(zhì)量的增加引起的諧振頻率的微小變化。
如上所述，通過將振蕩電路60應(yīng)用于耦合壓電元件53的微型懸臂50，懸臂50能夠以第一諧振頻率連續(xù)地振動。在將對象p置于微型懸臂50上之后，通過頻率測量設(shè)備65測量由對象p改變的諧振頻率。因此，可以使用單個壓電元件53來自振動并測量懸臂50的質(zhì)量。
本發(fā)明的測量裝置進一步包括數(shù)據(jù)傳送設(shè)備(未示出)，用于將頻率的變化量傳送到計算機。
根據(jù)本發(fā)明，為了測量諸如DNA和蛋白質(zhì)的對象的微質(zhì)量，將生物對象p附著在采用振蕩電路60的微型懸臂50的末端，并使用質(zhì)量微平衡技術(shù)來測量生物對象p的微質(zhì)量。
可以通過微電子機械系統(tǒng)(MEMS，micro electro mechanical system)工藝來制造淀積有壓電元件53的微型懸臂50?？梢酝ㄟ^生化反應(yīng)來實現(xiàn)生物對象p的附著。
振蕩電路60由放大器57和反饋58組成，放大器57用于放大來自懸臂50的信號，以及反饋58用于將放大后的信號輸入到懸臂50。還進一步提供電源59，用于向振蕩電路60提供電壓。電源可以是脈沖和步進型電源中的一種。小電池可被用作電源59。
由于微型懸臂50是清楚地示出位移，并通過MEMS工藝以小尺寸形成的簡單機械結(jié)構(gòu)，可將其應(yīng)用于能夠測量諸如DNA和蛋白質(zhì)的生物對象的微質(zhì)量的片上實驗室(lab-on-a-chip)。
最好將微型懸臂50設(shè)計成具有能夠提供對測量微質(zhì)量來說很好的靈敏度的形狀和大小。例如，當(dāng)DNA或蛋白質(zhì)的質(zhì)量密度為10-15g/μm2時，最好將懸臂50設(shè)計成具有提供約1Hz/10-15g的靈敏度和約10-15g/Hz的分辨率的形狀和大小。
即，最好，將懸臂設(shè)計成具有可以提供測量微質(zhì)量所需的靈敏度的簡單形狀和大小。當(dāng)懸臂具有簡單形狀時，能簡化MEMS工藝。
此外，最好，將微型懸臂50設(shè)計成具有能夠滿足適合于測量微質(zhì)量的分離因子的形狀和大小。能將懸臂50設(shè)計成滿足靈敏度和分離因子。例如，如圖3A和3B所示，可以將懸臂50設(shè)計成具有三角形形狀或矩形形狀。將比較三角形懸臂的靈敏度和分離因子與矩形懸臂的靈敏度和分離因子。
當(dāng)對象p未附著在微型懸臂50上時，矩形懸臂的諧振頻率fr如下[公式1]fr=12πkr0.24mr]]>其中，kr和mr分別是矩形懸臂的硬度和質(zhì)量。
當(dāng)對象p未附著在微型懸臂50上時，三角形懸臂的諧振頻率ft如下[公式2]ft=12πkt0.07mt]]>其中，kt和mt分別是三角形懸臂的硬度和質(zhì)量。
當(dāng)對象p附著在微型懸臂50上時，矩形懸臂的改變的諧振頻率f0r如下[公式3]f0r=12πkrΔm+0.24mr]]>當(dāng)對象p附著在微型懸臂50上時，三角形懸臂的改變的諧振頻率f0t如下[公式4]f0t=12πktΔm+0.07mt]]>
當(dāng)以矩形形狀形成懸臂時，可以使用公式1和3來計算根據(jù)對象p的微質(zhì)量的變化的諧振頻率的變化Δfr。即，諧振頻率的變化Δfr如下[公式5]Δfr=12πκr0.24mr(1-11+Δm/0.24mr)]]>當(dāng)以三角形形狀形成懸臂時，可以使用公式2和4來計算根據(jù)對象p的微質(zhì)量的變化的諧振頻率的變化Δft。即，諧振頻率的變化Δft如下[公式6]Δft=12πkt0.07mt(1-11+Δm/0.07mt)]]>在這里，由于懸臂的質(zhì)量mr和mt遠大于對象p的質(zhì)量Δm，當(dāng)將假設(shè)(Δm/m＜＜1)應(yīng)用到公式5和公式6時，通過由Taylor的展開式定義的下述公式7和8獲得Δfr和Δft。
Δfr≈12πkr0.24mr(12)(Δm0.24mr)]]>[公式8]Δft≈12πkt0.07mt(12)(Δm0.07mt)]]>根據(jù)公式1、2、7和8，用下述公式9表示由對象p引起的諧振頻率Δf除質(zhì)量變化Δm與懸臂的質(zhì)量和諧振頻率之間的關(guān)系。
ΔmΔf∝mf]]>在公式9中，Δm/Δf(g/Hz)表示分辨率。靈敏度是分辨率的倒數(shù)。即，分辨率越低，而靈敏度越高。即，當(dāng)大大地改變每單位質(zhì)量的諧振頻率時，意味著靈敏度很高。
另外，微型懸臂的分辨率與其m/f成比例，以及其靈敏度與f/m成比例。因此，設(shè)計成具有小質(zhì)量和高諧振頻率的懸臂更適合微質(zhì)量測量裝置。
如圖3A和3B所示，將對于懸臂50的長度L、寬度b和厚度t，比較以三角形形狀形成的懸臂的靈敏度和以矩形形狀形成的懸臂的靈敏度。在此，假定用相同的材料形成三角形懸臂和矩形懸臂并具有相同的長度、相同的寬度和相同的厚度。
矩形懸臂的硬度kr和三角形懸臂的硬度kt可以分別用下述公式10和11表示。在這里，E、I、ρ分別為懸臂的模數(shù)系數(shù)、面積的二次慣性矩(secondmoment of inertia of area)以及密度。
kr=3EIL3=(E4)(bt3L3)]]>[公式11]kt=(E6)(bt3L3)]]>矩形懸臂的質(zhì)量mr和三角形懸臂的質(zhì)量mt如下[公式12]mr＝ρbLt[公式13]mt=12ρbLt]]>當(dāng)將公式10和12應(yīng)用到公式7時，可以獲得如下所述的公式14[公式14](ΔfΔm)r≈2.1(12π)(E1/2ρ3/2)(1bL3)]]>當(dāng)公式11和13應(yīng)用于公式8時，能獲得如下所述的公式15[公式15](ΔfΔm)t≈30(12π)(E1/2ρ3/2)(1bL3)]]>當(dāng)比較公式14和15時，可以注意到三角形懸臂的靈敏度(Δf/Δm)t相對高于矩形懸臂的(Δf/Δm)r。這表示最好用三角形形狀形成懸臂。然而，就滿足靈敏度和分離因子而言，也可以使用矩形懸臂。
圖4示出示例說明三角形懸臂和矩形懸臂的分辨率的圖。分辨率是靈敏度的倒數(shù)。即，分辨率越低，則靈敏度越高。
參考圖4，當(dāng)三角形懸臂的長度L等于矩形懸臂的長度時，三角形懸臂的靈敏度高于矩形懸臂的靈敏度。
為了確定三角形懸臂的實際大小，首先定義分離因子并確定懸臂的長度、寬度和厚度之間的比。在這里，由將懸臂的第一和第二諧振頻率之間的差值除以第一諧振頻率而獲得的值來定義分離因子。分離因子表示第一和第二諧振頻率的相鄰程度。
第一諧振頻率模式用于用作檢測一系列結(jié)構(gòu)的振動的檢測傳感器的懸臂，其中混合生成無數(shù)個振動模式。在這一點，當(dāng)?shù)诙C振頻率太接近第一諧振頻率時，會干擾測量第一諧振頻率。因此，為了精確地測量第一諧振頻率，第一和第二諧振頻率之間的間隔必須在預(yù)定水平以上。定義分離因子來提供預(yù)定水平。由于由將三角形懸臂的第一和第二諧振頻率ft1和ft2之間的差值除以第一諧振頻率ft1而獲得的值來定義分離因子，其可以用公式16表示如下[公式16]ft2-ft1ft1]]>由長度、寬度和厚度之間的形狀比來具體確定三角形懸臂的形狀。確定該形狀比以便獲得分離因子的預(yù)定滿意值和靈敏度的預(yù)定滿意值。三角形懸臂的分離因子如下文所述。
圖5示出示例說明三角形懸臂的分離因子的圖。水平軸表示通過將寬度b除以長度L獲得的值(b/L)，以及縱軸表示根據(jù)值(b/L)的變化的分離因子。另外，示例說明了當(dāng)長度L與厚度t之比t/L為1/20、1/50和1/100時獲得的結(jié)果。
此外，當(dāng)將公式11和13應(yīng)用到公式2時，可以如下獲得諧振頻率ft[公式17]ft=12πE3ρ(tL2)]]>由于在液體中操作微懸臂以檢測生物對象，必須考慮質(zhì)量添加效應(yīng)。即當(dāng)懸臂在液體中振動時，由于液體的質(zhì)量獲得就象增加了懸臂的質(zhì)量的效應(yīng)。當(dāng)增加懸臂的質(zhì)量時，懸臂的諧振頻率被降低。根據(jù)公式15，當(dāng)諧振頻率降低時懸臂的靈敏度降低。
通過增加懸臂的厚度與長度之比(t/L)以增加懸臂的硬度，可以克服質(zhì)量添加效應(yīng)。因此，最好將該比率(t/L)設(shè)置成1/20。
參考圖5，存在分離因子具有與值(t/L)無關(guān)的預(yù)定值(最大值)的范圍。即，當(dāng)比率(b/L)處于0.3-0.9的范圍內(nèi)時，最大化分離因子。
即，當(dāng)值(t/L)為1/20以及值(b/L)處于范圍0.3-0.9內(nèi)時，同時滿足分離因子和靈敏度。因此，懸臂的形狀比可以確定在范圍L∶b∶t＝(20∶6∶1)-(20∶18∶1)內(nèi)。
在上述形狀比的基礎(chǔ)上，確定實際長度L、寬度b和厚度t。
圖8示出示例說明通過MEMS工藝制造的微型懸臂的照片。
參考圖8，在懸臂50的末端上提供探針54。諸如DNA和蛋白質(zhì)的生物對象被置于探針54上。由于生物對象p被置于懸臂54的最末端，可以最大化質(zhì)量添加效應(yīng)。探針54的面積可以是懸臂的整個面積的1/10。
通過生化反應(yīng)將生物對象附著在探針54上。即，通過將生物對象盡可能遠地集中附著在懸臂的末端，可以最大化質(zhì)量添加效應(yīng)。
(例子)DNA具有約6×10-15g/μm2的質(zhì)量密度以及蛋白質(zhì)具有約2×10-15g/μm2的質(zhì)量密度。通過將這些值應(yīng)用于表示靈敏度的公式15，可以測量懸臂的質(zhì)量。當(dāng)假定探針54的面積是懸臂面積的1/10時，可以將探針表示為“(1/10)(bL/2)＝(1/10)(3L/10)L/2＝3L2/200”。
通過MEMS工藝用硅形成懸臂。硅具有屬性值(E＝112GPa，ρ＝2330kg/m3)。當(dāng)將這些屬性值應(yīng)用到公式15時，能夠確定三角形懸臂的長度L、寬度b和厚度t。
在一點，假定考慮到當(dāng)生物對象p局部附著在懸臂上時，諧振頻率在0-150Hz的范圍內(nèi)變化，諧振頻率的變化Δft為150Hz。通過測量諧振頻率，可以確定附著在探針54上的生物對象p的質(zhì)量。確定諧振頻率的范圍以便如果存在為應(yīng)用本發(fā)明的片上實驗室(LOC)的一部分的特定生物對象，則提出確定參考。生化處理探針54以便將生物對象僅附著在探針54上。因此，根據(jù)諧振頻率的變化，能夠識別附著在探針上的生物對象的質(zhì)量。
例如，當(dāng)諧振頻率的變化為50Hz時，可以認為生物對象被附著在探針面積的1/3上。另外，當(dāng)諧振頻率的變化為75Hz時，可以認為將生物對象附著在探針面積的一半上。當(dāng)考慮到根據(jù)DNA或蛋白質(zhì)的質(zhì)量的增加第一諧振頻率的變化非常小時，則0-150Hz的諧振頻率變化足夠高。
可以基于上述條件來計算三角形懸臂的大小。當(dāng)生物對象為DNA時，懸臂的長度、寬度和厚度分別為40μm、12μm和2μm。當(dāng)生物對象為蛋白質(zhì)時，懸臂的長度、寬度和厚度分別為100μm、30μm和5μm。相對于彼此具有相同形狀比的懸臂，考慮到DNA和蛋白質(zhì)的表面密度，通過數(shù)值分析來確定這些值，這樣可以通過MEMS工藝來制造懸臂并具有足夠的靈敏度。
接著，確定壓電元件的厚度和長度。壓電元件可以由PZT形成?？梢源_定壓電元件的大小以便獲得大的輸出電流量。當(dāng)存在大的輸出電流量時，可以改善相對于對象p的質(zhì)量檢測性能。
在數(shù)值分析中，輸入為1000的Q因子和200m/V的輸入電壓。圖6示出用于數(shù)值分析的有限元模型，示例說明淀積有壓電元件53的三角形懸臂50。壓電元件可以盡可能大地淀積在懸臂的區(qū)域上。由于來自壓電元件的輸出電流最受壓電元件的大小的影響，最好盡可能大地形成壓電元件，以便根據(jù)微質(zhì)量的變化有效地測量諧振頻率。例如，壓電元件53可以形成為梯形。
為了識別壓電的厚度對輸出電流的影響，在長度L1為30μm的情況下，逐漸改變厚度t1(見圖3)。圖7A示出輸出電流根據(jù)壓電元件53的厚度而變化的圖。如圖所示，當(dāng)厚度t1為2.5μm時，獲得最大的輸出電流量。
為了識別輸出電流根據(jù)壓電元件的長度L1的變化，在厚度t1為2.5μm的情況下，測量輸出電流同時增加壓電元件53的長度。結(jié)果如圖7B所示。如該圖中所示，當(dāng)增加壓電元件的長度L直到60μm時，輸出電流單調(diào)地增加。當(dāng)增加長度L超出60μm時，輸出電流逐漸減小。根據(jù)基于該結(jié)果的數(shù)值分析，最好壓電元件的厚度為懸臂的40-60％，以及其長度為懸臂長度的50-60％。即，基于通過MEMS工藝制造的微型懸臂的屬性與數(shù)值分析結(jié)果和數(shù)學(xué)壓電模型類似的情形，可以確定壓電元件和懸臂之間的厚度比和長度比。
圖8示出通過MEMS工藝制造的懸臂，以及圖9示出示例說明通過示波器從振蕩電路輸出的信號的圖。
在圖9中，下面的波信號是微型懸臂的反饋振蕩信號，其通過振蕩電路返回到懸臂。上面的波信號是通過微型懸臂輸出的反饋信號。即，上面的波信號示出表示懸臂以第一諧振頻率連續(xù)地自振動的自振動信號。
如上所述，本發(fā)明的微質(zhì)量測量裝置被設(shè)計成通過與振蕩電路一起應(yīng)用的壓電元件，同時實現(xiàn)懸臂的自振動和對象質(zhì)量的測量。因此，在本發(fā)明中不需要諸如函數(shù)發(fā)生器的外部驅(qū)動器。
在下文中，將描述更具體的測量例子。
為了測量微質(zhì)量，最好將可能的大量蛋白質(zhì)(對象)附著在懸臂上。為了盡可能多地將蛋白質(zhì)附著在懸臂上，使用具有高粘合強度的海貝類蛋白質(zhì)。用包含對象(海貝類蛋白質(zhì))的水溶液使微型懸臂50的末端著色。振蕩電路連接到懸臂50以便測量頻率的變化。在這一點，由頻率測量設(shè)備65測量的第一諧振頻率為1.238544MHz。由海貝類蛋白質(zhì)引起的諧振頻率的變化為85Hz。使用表示靈敏度的公式15計算的海貝類蛋白質(zhì)的質(zhì)量為0.179483×10-12(g)。
在用于測量微質(zhì)量的方法中，振蕩電路60以第一諧振頻率自振動懸臂50。在將對象p置于懸臂50上之后，以第一變化的諧振頻率，進一步自振動懸臂50，并使用變化的諧振頻率來測量對象p的質(zhì)量。
當(dāng)懸臂50上沒有對象p時，振蕩電路60通過壓電元件53連續(xù)地激勵懸臂并測量懸臂的第一諧振頻率。
在將對象p重新附著在懸臂50上之后，測量由對象p改變的諧振頻率以測量諧振頻率的變化。根據(jù)諧振頻率的變化，使用公式15來測量對象p的質(zhì)量。如上所述，由振蕩電路主動驅(qū)動懸臂，并根據(jù)由對象p引起的諧振頻率變化來測量對象的質(zhì)量，而不使用單獨的測量設(shè)備。
根據(jù)上述微質(zhì)量測量裝置和方法，由于通過單個壓電元件同時實現(xiàn)懸臂的自驅(qū)動和諧振頻率的測量，不需要單獨的振動器和單獨的諧振頻率測量設(shè)備。因此，能夠簡化微質(zhì)量測量裝置的結(jié)構(gòu)。另外，可以通過MEMS工藝來制造微型懸臂。另外，當(dāng)設(shè)計具有多個懸臂的配置時，能同時測量多個生物對象的質(zhì)量。因此，當(dāng)將微型懸臂應(yīng)用于LOC時，可以實現(xiàn)便攜式DNA或蛋白質(zhì)檢測器。
盡管參考其示例性實施例具體地示出了和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解到在不背離由權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其形式和細節(jié)方面做出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種微質(zhì)量測量裝置，包括在其上附著對象的懸臂；在所述懸臂上形成的壓電元件；振蕩電路，用于主動振動所述懸臂并提供由所述對象改變的諧振頻率；以及用于測量所述懸臂的諧振頻率的頻率測量設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，所述振蕩電路包括放大器，用于放大來自所述懸臂的輸出信號；以及反饋，用于將放大后的信號輸入到所述懸臂。
3.如權(quán)利要求1所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，所述懸臂的形狀比由靈敏度和分離因子確定。
4.如權(quán)利要求3所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，由通過將所述懸臂的第一諧振頻率和由所述對象改變的第二諧振頻率之間的差值除以所述第一諧振頻率而獲得的值來定義所述分離因子。
5.如權(quán)利要求1所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，以三角形形狀形成所述懸臂。
6.如權(quán)利要求5所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，所述懸臂的長、寬和厚度之間的比率在20∶6∶1-20∶18∶1的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，在其上附著所述對象的懸臂的面積為所述懸臂的整個面積的1/15-1/10。
8.如權(quán)利要求1所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，所述壓電元件的厚度約為懸臂的厚度的40-60％。
9.如權(quán)利要求1所述的微質(zhì)量測量裝置，其中，所述壓電元件的長度約為所述懸臂的長度的50-60％。
10.一種使用質(zhì)量微平衡技術(shù)來測量微質(zhì)量的方法，包括下列步驟使用振蕩電路，通過壓電元件在第一諧振頻率自振動懸臂；將對象附著在所述懸臂上，并用由所述對象改變的第一諧振頻率自振動所述懸臂；以及使用由于所述對象的諧振頻率變化來測量所述對象的質(zhì)量。
全文摘要
一種微質(zhì)量測量裝置，包括在其上附著對象的懸臂、在懸臂上形成的壓電元件、用于主動振動懸臂并提供由對象引起的改變的諧振頻率的振蕩電路、以及用于測量懸臂的諧振頻率的頻率測量設(shè)備。
文檔編號G01L9/00GK1616947SQ200410094659
公開日2005年5月18日 申請日期2004年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月12日
發(fā)明者李守鉐, 文元圭, 李列鎬 申請人:三星電子株式會社