專利名稱：物性測量設(shè)備和物性測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例一般地涉及物性測量設(shè)備，用于測量使得樣品變形時 在樣品中產(chǎn)生的應(yīng)力和用于測量樣品的阻抗，并且涉及物性測量設(shè)備所采 用的物性測量方法。更具體地，本發(fā)明的實施例涉及用于在一次測量中同 時測量樣品的動態(tài)粘彈性和介電特性的技術(shù)。
背景技術(shù)：
過去，旋轉(zhuǎn)流變儀被廣泛用于測量測量動態(tài)粘彈性。 一般來說，旋轉(zhuǎn) 流變儀具有如下構(gòu)造樣品被夾在固定在流變儀設(shè)備上的下平板與具有通 過軸連接到軸承的上表面的錐形的或平的上板之間。在這樣的構(gòu)造中，上 板被旋轉(zhuǎn)或振動，以使得樣品變形，然后測量由該變形導(dǎo)致的應(yīng)力。此時，可以改變施加到樣品的旋轉(zhuǎn)或振動的頻率，以獲得動態(tài)信息。 然后，基于該動態(tài)信息找到樣品的粘彈性。在具有這樣的構(gòu)造的流變儀 中，空氣軸承可以被用作所述軸承，以允許極小的應(yīng)力可以被檢測并允許 具有低粘度的樣品可以被有效地測量。作為如上所述的、樣品被夾在下板和上板之間的構(gòu)造的替換，旋轉(zhuǎn)流 變儀可以具有如下的構(gòu)造外圓筒和內(nèi)圓筒(或內(nèi)圓柱)被同心地設(shè)置， 并且樣品被注入到外圓筒和內(nèi)圓筒(或內(nèi)圓柱)之間的間隙之間進(jìn)行測 量。在流變儀具有這樣的構(gòu)造的情況下，內(nèi)圓筒(或內(nèi)圓柱)或外圓筒被 旋轉(zhuǎn)或振動，并且檢測由旋轉(zhuǎn)或振動導(dǎo)致的應(yīng)力。在具有如上所述的包括一對上下板的構(gòu)造的流變儀中，將樣品夾在板 之間的構(gòu)造可以看作是一電容器。因此，通過在板之間施加電壓，可以觀 察樣品的介電響應(yīng)。但是，在此情況下，需要以一定形式使得導(dǎo)體與上板 物理接觸，作為電接觸。如上所述，上板需要被旋轉(zhuǎn)或振動，以測量樣品 的動態(tài)粘彈性。具體來說，當(dāng)利用現(xiàn)有的物性測量設(shè)備來測量樣品的動態(tài)粘彈性和介電特性兩者時，至少，與樣品接觸的兩個表面由導(dǎo)體材料制 成，此外，使得金屬夾或類似物與旋轉(zhuǎn)軸接觸，以建立與兩個表面的電接 觸。此外，在過去已經(jīng)提出了一種方法，用于從作為彈性表面波之間的傳 播速度和傳播損耗差的測量結(jié)果所獲得的值找出測量對象的液體部分的粘 度系數(shù)和介電常數(shù)，其中，所述彈性表面波在形成彈性表面?zhèn)鞑ゾ€的梳狀 電極被浸沒在測量對象的液體部分中時輸入。對于所提出的這種方法的更多信息，建議讀者參考日本專利申請公開No. Hd 6-109710 (此后稱為專利 文件1)和日本專利申請公開No. Hei 6-194346 (此后稱為專利文件2)。發(fā)明內(nèi)容然而，在通過使得金屬夾與旋轉(zhuǎn)流變儀的旋轉(zhuǎn)軸接觸來測量樣品的介 電特性的情況下，當(dāng)測量具有低粘度系數(shù)的樣品時，金屬夾和旋轉(zhuǎn)軸之間 的摩擦變得突出，使得樣品的動態(tài)響應(yīng)不再能夠被觀察到。結(jié)果，導(dǎo)致動 態(tài)粘彈性的測量準(zhǔn)確性劣化的問題。此外，在介電特性的測量中，由于旋 轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動，與金屬夾的接觸的好壞每秒鐘都在變化，并且好壞的變化成 為大的噪聲。結(jié)果，導(dǎo)致不能正確估計樣品的介電響應(yīng)的問題。就是說， 使得構(gòu)件與旋轉(zhuǎn)軸和/或上板接觸以保證與旋轉(zhuǎn)軸和/或上板的電接觸的方 法不期望地向動態(tài)測量和電測量引入了大的誤差。應(yīng)該注意，除了使得金屬夾與旋轉(zhuǎn)軸和/或上板接觸以保證與旋轉(zhuǎn)軸和 /或上板的電接觸的方法之外，還存在使用水銀作為軸承的方法。然而，此 方法不能測量使用空氣軸承所能測量的極小的扭矩。因此，此方法的應(yīng)用 非常有限。此外，因為此方法使用水銀，所以從安全角度考慮，該方法不 是理想的。另一方面，在專利文件1和2中描述的測量設(shè)備被用于基于特定的模 型由聲阻測量的結(jié)果測量樣品的粘度系數(shù)、介電常數(shù)和電導(dǎo)率。然而，因 為粘度系數(shù)、介電常數(shù)和電導(dǎo)率不是直接測量的，所以較之直接測量所獲 得的結(jié)果，該粘度系數(shù)、介電常數(shù)和電導(dǎo)率中的每一個的測量值的可靠性 較差。此外，專利文件1和2中所述的測量設(shè)備各自的構(gòu)造導(dǎo)致如下問題設(shè)備不能通過改變測量頻率來測量動態(tài)粘彈性。此外，專利文件1和 2中所述的測量設(shè)備各自具有被設(shè)計成沒有實現(xiàn)高頻傳輸線的結(jié)構(gòu)。因 此，專利文件1和2中所述的測量設(shè)備都存在如下問題不能在高頻范圍 內(nèi)(尤其是例如不低于l MHz的頻率范圍)以高的準(zhǔn)確度測量介電常數(shù)和 電導(dǎo)率。如上所述，現(xiàn)有測量設(shè)備和現(xiàn)有測量方法不能以高的準(zhǔn)確度在一次測 量中同時測量具有低粘度系數(shù)的樣品的動態(tài)粘彈性和介電特性。具有低粘 度系數(shù)的樣品的典型實例是由液態(tài)材料制成的樣品和處于凝膠過程的初始 階段的樣品。此外，在具有高粘度系數(shù)的樣品的情況下，需要通過抑制噪 聲來提高測量準(zhǔn)確度。為了解決上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)明了一種物性測量設(shè)備，其能 夠以高的準(zhǔn)確度在一次測量中同時測量樣品的動態(tài)粘彈性和介電特性，并 且發(fā)明了一種用于物性測量設(shè)備的物性測量方法。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的物性測量設(shè)備使用以可旋轉(zhuǎn)和/或可振動 狀態(tài)安裝的第一板；以及面對所述第一板布置并設(shè)有阻抗測量部分的第二 板，其中由變形導(dǎo)致的應(yīng)力被測量，所述變形通過旋轉(zhuǎn)或振動所述第一 板而產(chǎn)生，作為給予樣品的變形，所述樣品設(shè)置在所述第一板和所述第二 板之間的間隙中；同時，所述阻抗測量部分測量所述樣品的阻抗。在根據(jù)本發(fā)明的此實施例的物性測量設(shè)備中，用于測量樣品阻抗的阻 抗測量部分設(shè)置在第二板上，而不是設(shè)置在連接到旋轉(zhuǎn)軸的第一板上。因 此，旋轉(zhuǎn)軸不會由于阻抗測量而對樣品的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響。此外，用于根據(jù)本發(fā)明的實施例的物性測量設(shè)備的阻抗測量部分具有 至少采用如下部分的構(gòu)造絕緣層； 一對傳導(dǎo)層，所述傳導(dǎo)層彼此面對以 將所述絕緣層夾在中間，并且每一傳導(dǎo)層用作高頻傳輸線；層間斷間隙， 其形成在處于靠近所述第一板那側(cè)的所述傳導(dǎo)層上，用于間斷所述傳導(dǎo)層 并允許所述樣品的一部分引入其中，其中在所述傳導(dǎo)層之間施加電壓； 并測量由于將所述樣品弓I入到所述層間斷間隙而可發(fā)生變化的阻抗。作為可選的另一種方案，用于根據(jù)本發(fā)明的實施例的物性測量設(shè)備的 阻抗測量部分具有至少采用如下部分的構(gòu)造絕緣層；以及一對梳狀電6極，其以彼此配合的狀態(tài)形成，并由固定的間隙與所述絕緣層的所述表面 隔開，其中在所述梳狀電極之間施加電壓；并測量由于將所述樣品引入 到所述梳狀電極中的一個電極和另一個電極之間的間隙而可發(fā)生變化的阻 抗。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的物性測量設(shè)備中的任意一個可以具有分 析部分，其用于基于測量出的所述應(yīng)力而計算所述樣品的動態(tài)粘彈性； 以及基于測量出的所述阻抗而計算所述樣品的介電特性。所述樣品具有液體、懸浮液和凝膠態(tài)物質(zhì)中的至少一種類型。根據(jù)本發(fā)明的實施例提供一種用于物性測量設(shè)備的物性測量方法，所 述物性測量設(shè)備采用以可旋轉(zhuǎn)和/或可振動狀態(tài)安裝的第一板以及面對所述 第一板布置并設(shè)有阻抗測量部分的第二板，從而測量由變形導(dǎo)致的應(yīng)力， 所述變形通過旋轉(zhuǎn)或振動所述第一板而產(chǎn)生，并作為給予樣品的變形，所 述樣品設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間的間隙中，同時，所述阻抗測 量部分測量所述樣品的阻抗。在根據(jù)本發(fā)明的實施例的物性測量設(shè)備中，用于測量樣品阻抗的阻抗 測量部分設(shè)置在第二板上，而不是設(shè)置在連接到旋轉(zhuǎn)軸的第一板上。因 此，即使具有低粘度系數(shù)的樣品或具有高粘度系數(shù)的樣品被用作測量對 象，也能夠以高的準(zhǔn)確度在一次測量中同時測量樣品的動態(tài)粘彈性和介電 特性。具有低粘度系數(shù)的樣品的典型實例是液體，而具有高粘度系數(shù)的樣 品的典型實例是凝膠態(tài)物質(zhì)。


通過下面參考附圖對于優(yōu)選實施例所作的描述，本發(fā)明的實施例的這 些和其它特征將變得清楚，在附圖中圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備的構(gòu)造的側(cè)視 圖的模型圖；圖2A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備中所使用的 下板的阻抗測量部分的俯視圖，圖2B是示出了沿圖2A的俯視圖中所示的 A-A線的橫截面的視圖；以及7圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備中所使用的第二板中所嵌入的阻抗測量部分的俯視圖。
具體實施方式
下面參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。但是應(yīng)該注意，本發(fā)明 的實施方式?jīng)Q不限于這些優(yōu)選實施例。根據(jù)本發(fā)明的實施例的物性測量設(shè)備是用于測量樣品(諸如液體、懸 浮液或凝膠態(tài)物質(zhì))的動態(tài)粘彈性和介電特性的設(shè)備。物性測量設(shè)備使用 可旋轉(zhuǎn)和/或可振動的第一板和以面對第一板的狀態(tài)固定在物性測量設(shè)備的 主體上的第二板。充當(dāng)測量對象的樣品被插入第一板和第二板之間的間隙 中。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的物性測量設(shè)備還具有設(shè)置在第二板中的 阻抗測量部分。因此，在樣品的動態(tài)粘彈性被測量的同時，阻抗測量部分 也能夠同時測量樣品的介電特性。具體來說，第一板被旋轉(zhuǎn)或振動以使得 樣品變形。然后，測量由于變形在樣品中產(chǎn)生的應(yīng)力。同時，設(shè)置在第二 板中的阻抗測量部分測量同 一樣品的阻抗。設(shè)置在第二板中的阻抗測量部分不需要保證與第一板的電接觸。此 外，阻抗測量部分可以具有任何構(gòu)造，只要該構(gòu)造對于樣品的應(yīng)力測量沒 有影響。具體來說，第二板的一個特定表面是將與樣品接觸的表面。阻抗 測量部分具有包括多個薄膜電極的典型構(gòu)造，其中每一個薄膜電極在第二板的特定表面上形成微條狀線。在以不超過lMHz的頻率測量介電特性而 不在更高的頻率下進(jìn)行測量的情況下，阻抗測量部分的電極中的每一個不 必是形成微條狀線的薄膜電極。例如，阻抗測量部分的電極也可以是另一 種平面電極，其可以用于完成與分別形成微條狀線的那些薄膜電極相同的 阻抗測量。具體來說，例如，阻抗測量部分具有包括梳狀平面電極的典型 構(gòu)造，所述梳狀平面電極通過在第二板的特定表面之上(即在將與樣品接 觸的表面之上)進(jìn)行膜創(chuàng)建工藝(諸如氣相沉積工藝或濺射工藝)來產(chǎn) 生。如上所述，通過利用固定在物性測量設(shè)備的主體上的第二板，可以測 量樣品的阻抗。由此，不必再使得用來建立與操作部分(諸如第一板和/或連接到第一板的旋轉(zhuǎn)軸)的電連接的構(gòu)件與操作部分實體接觸。因此，可 以顯著提高同時測量樣品的動態(tài)粘彈性和介電特性兩者的測量過程的準(zhǔn)確 度。因而，可以以高準(zhǔn)確度同時測量寬范圍內(nèi)的樣品的動態(tài)粘彈性和介電 特性兩者。上述寬范圍包括從具有小的粘度系數(shù)的樣品到具有大的粘度系 數(shù)的樣品。具有小的粘度系數(shù)的樣品的典型實例是液體，而具有大的粘度 系數(shù)的樣品的典型實例是凝膠態(tài)物質(zhì)。首先，下面的描述將說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備。 在根據(jù)第一實施例的物性測量設(shè)備中所用的第二板中所形成的阻抗測量部 分具有如將在下面描述的、創(chuàng)建在第二板上的微條狀線的結(jié)構(gòu)。圖1是示 出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備10的構(gòu)造的側(cè)視圖的模型 圖。如圖1的模型圖所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備10采用固定在設(shè)備殼體1的基部的下板2，所述設(shè)備殼體1在從物性測量設(shè) 備10的側(cè)面位置觀察物性測量設(shè)備10時具有類似于L字符的形狀。下板 2包含阻抗測量部分。在物性測量設(shè)備10的上部，通過間隙調(diào)節(jié)夾具6安 裝有應(yīng)力測量頭4 (諸如空氣軸承)。上板3以可旋轉(zhuǎn)和/或可振動狀態(tài)被 安裝在應(yīng)力測量頭4上。上板3與旋轉(zhuǎn)軸3a連接。上板3和下板2分別是 前面提到的第一板和第二板。物性測量設(shè)備10的設(shè)備殼體1包含多個部分，諸如控制部分、顯示 部分和接口。控制部分是用于控制旋轉(zhuǎn)和/或振動上板3的操作和測量扭矩 的操作的部分。顯示部分是用于顯示信息(諸如物性測量設(shè)備10的狀態(tài) 和出錯消息)的部分。接口是與物性測量設(shè)備10外部的計算機(jī)連接的部 分。上板3具有與樣品5接觸的部分。與樣品5接觸的部分具有公知的形 狀，諸如盤形或錐形?？梢愿鶕?jù)充當(dāng)測量對象的樣品5適當(dāng)?shù)剡x擇該部分 的公知形狀。間隙調(diào)節(jié)夾具6具有允許間隙調(diào)節(jié)夾具6沿垂直方向滑動的構(gòu)造。通 過改變間隙調(diào)節(jié)夾具6的垂直方向上的位置，可以調(diào)節(jié)上板3和下板2之 間的間隙。例如，當(dāng)樣品5被插入到上板3和下板2之間的間隙或當(dāng)樣品 5被從該間隙取出時，間隙調(diào)節(jié)夾具6沿向上方向移動，以增大間隙的高度。通過增大上板3和下板2之間的間隙的高度，可以容易地完成將樣品 5插入到間隙中或?qū)悠?從間隙取出的工作。此外，根據(jù)充當(dāng)測量對象 的樣品5的厚度，來調(diào)節(jié)上板3和下板2之間的間隙的高度。下板2具有與樣品5接觸的接觸表面。在該接觸表面上，創(chuàng)建微條狀 線，所述微條狀線包含具有極小尺寸的層間斷間隙。圖2A示出了根據(jù)本 發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備10所用的下板2的阻抗測量部分的俯 視圖，而圖2B是示出了沿圖2A的俯視圖中所示的A-A線的橫截面的視 圖。如圖2A的俯視圖和圖2B的橫截面圖所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例 的物性測量設(shè)備IO所用的下板2包括創(chuàng)建在基部7的兩側(cè)上的傳導(dǎo)層8和 9，所述基部7由絕緣材料(諸如氧化鋁)制成。傳導(dǎo)層8和9各自由傳導(dǎo) 材料(諸如金)制成。上傳導(dǎo)層8被創(chuàng)建在與樣品5接觸的接觸表面上。如圖2A的俯視圖 所示，上傳導(dǎo)層8通常從圓形基部7的圓周上的一個邊緣到同一圓周上的 另一個邊緣來創(chuàng)建，形成沿基部7的直徑的帶狀形狀。上傳導(dǎo)層8在預(yù)先 確定的位置處包含具有極小尺寸的層間斷間隙G。例如，預(yù)先確定的位置 為用于下板2的基部7的中心點。就是說，上傳導(dǎo)層8被層間斷間隙G間 斷成左右部分。另一方面，下傳導(dǎo)層9被創(chuàng)建在靠近設(shè)備殼體1底部側(cè)的表面上。下 傳導(dǎo)層9和上傳導(dǎo)層8將基部7夾在中間。至少，下傳導(dǎo)層9隔著基部7 面對上傳導(dǎo)層8。作為另一種可選方式，下傳導(dǎo)層9被創(chuàng)建在靠近設(shè)備殼 體1底部側(cè)的整個表面上。應(yīng)該注意，上傳導(dǎo)層8和下傳導(dǎo)層9中的每一 個可以通過進(jìn)行膜創(chuàng)建工藝(諸如氣相沉積工藝或濺射工藝)來創(chuàng)建。如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備10中，基部7 是絕緣層，在其兩個表面上分別創(chuàng)建上傳導(dǎo)層8和下傳導(dǎo)層9，以形成高 頻傳輸線。在具有如上所述的構(gòu)造的還充當(dāng)阻抗測量部分的下板2中，充 當(dāng)測量對象的樣品5通過采用選定的方法被引入到層間斷間隙G中。在樣 品5被引入到層間斷間隙G的情況下，電信號被傳輸?shù)絺鲗?dǎo)層8和9。通 過對電信號進(jìn)行預(yù)定分析，可以測量樣品5的阻抗。更具體來說，在測量 樣品5的阻抗的操作中，發(fā)射器在傳導(dǎo)層8和9之間施加電壓，而接收器測量通過層間斷間隙G的電信號。在測量樣品5的阻抗的操作過程中，下 傳導(dǎo)層9被接地。具有上述構(gòu)造的傳輸線(條狀線)的特性阻抗由多個參數(shù)(諸如充當(dāng) 基礎(chǔ)的基部7的介電常數(shù)、基部7的厚度以及上傳導(dǎo)層8的寬度)來確 定。通常，選擇50歐姆的特性阻抗。應(yīng)該注意，可以根據(jù)諸如樣品5的 類型和測量條件之類的多個因素，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定上傳導(dǎo)層8的厚度和寬度、 層間斷間隙G的寬度以及下傳導(dǎo)層9的厚度。例如，如果充當(dāng)基礎(chǔ)的基部 7具有0.635 mm的厚度并且由介電常數(shù)為9.7的氧化鋁制成，則上傳導(dǎo)層 8可以由厚度為2.5微米、寬度為0.64 mm的傳導(dǎo)材料(諸如金)制成， 而層間斷間隙G的寬度可以被設(shè)為500微米。具體地，在非均相懸浮液樣品(諸如由細(xì)胞懸浮液制成的樣品)的物 性的測量中，如果層間斷間隙G非常小，則難以將樣品組分(例如細(xì)胞) 引入到層間斷間隙G。在此情況下，處于緊靠層間斷間隙G的位置處的樣 品部分的物理性質(zhì)不同于整體樣品的物理性質(zhì)，由此恐怕會導(dǎo)致測量準(zhǔn)確 度劣化。由此，理想的是將層間斷間隙G的寬度設(shè)為至少等于50微米的 值。另一方面，在某些情況下，如果層間斷間隙G的寬度太大，則從發(fā)射 器經(jīng)由層間斷間隙G傳播到接收器的電信號的幅度降低，同樣使得測量的 準(zhǔn)確度劣化。由此，理想的是將層間斷間隙G的寬度設(shè)為不大于1000微 米的值。此外， 一對適配器11被設(shè)置在基部7的兩側(cè)。適配器11中的一個與 上傳導(dǎo)層8電連接，而適配器11中的另一個與下傳導(dǎo)層9電連接。因此， 適配器11中的每一個是置于同軸電纜12和微條狀線之間的轉(zhuǎn)換接口。就 是說，適配器11中的每一個與同軸電纜12連接。同軸電纜12中的一個與 發(fā)射器連接，而同軸電纜12中的另一個與接收器連接。下板2通過固定 夾具13或類似物連接到設(shè)備殼體1的底部。接著，下面的描述將說明由具有上述構(gòu)造的物性測量設(shè)備IO所采用 的方法，作為用于測量樣品5的介電特性的方法。在物性測量設(shè)備10 中，電壓被施加在設(shè)置在下板2上的傳導(dǎo)層8和9之間。然后，利用測量 儀器(諸如阻抗分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀或時域介電譜儀)測量由于將樣品5ii引入到阻抗測量部分中的層間斷間隙G而變化的阻抗。例如，阻抗測量部分通過同軸電纜12與測量儀器連接，并且階躍脈沖被施加到微條狀線。 然后，測量由層間斷間隙G反射的波Sll和通過層間斷間隙G的波S21。 接著，基于作為測量結(jié)果所獲得的數(shù)據(jù)，分析部分(在附圖中沒有示出) 找出樣品5的復(fù)介電常數(shù)^。下面的描述將說明作為用于分析測量數(shù)據(jù)的方法而由分析部分采用的 典型技術(shù)。樣品的復(fù)介電常數(shù)6*可以根據(jù)下面給出的式l來獲得。應(yīng)該注 意，在式1中，符號ZJ旨代復(fù)阻抗，符號j指代虛數(shù)單位，符號"指代角 頻率，符號Q指代與基部7的基體材料的測量靈敏度相關(guān)的電容。Zx-GcoWC)-1 (式1)順便提一句，由創(chuàng)建在阻抗測量部分上的層間斷間隙G反射的反射波 Vr和通過層間斷間隙G的透射波Vt中的每一個都受到樣品5的復(fù)阻抗Zx 的影響。因此，通過分析反射波K和透射波Vt，可以得到樣品5的復(fù)介 電常數(shù)e*。用于得出復(fù)介電常數(shù)￡*的具體方法包括如下描述的(a)直 接方法；(b)反射/透射組合方法；以及(c)參比方法(reference method)。(a)直接方法根據(jù)直接方法，利用下面給出的式2-5中的任意一個，由輸入波Vi和 反射波Vr或透射波Vt得出樣品5的復(fù)介電常數(shù)e*。 _J_x a+Zl，2 6>Z0 1 + zf1 -(式2)應(yīng)該注意，在上面給出的式2中，符號Vi指代頻域輸入波，而符號vt 指代頻域透射波。頻域輸入波Vi可以通過對時域輸入波Vi使用Laplace變 換來得出。同樣，頻域透射波Vt可以通過對時域透射波Vt使用Laplace變 換來得出。<formula>formula see original document page 13</formula>應(yīng)該注意，在上面給出的式3中，符號Zo指代微條狀線的特性阻抗。 通常，選擇50歐姆的特性阻抗。通過將^設(shè)為無窮大，式2和式3分別 可以被簡化為如下給出的式4和5。<formula>formula see original document page 13</formula>(b)反射/透射組合方法根據(jù)反射/透射組合方法，利用下面給出的式6，由反射波Vr和透射 波Vt得出樣品5的復(fù)介電常數(shù)e*。" 2戰(zhàn)應(yīng)該注意，式6中的量Zi可以根據(jù)下面給出的式7得出(式7)(c)參比方法根據(jù)參比方法，為了得出充當(dāng)測量對象的樣品5的復(fù)介電常數(shù)^，具 有已知的復(fù)介電常數(shù) 一的標(biāo)準(zhǔn)樣品被測量作為參比樣品。這樣，可以以更 高的準(zhǔn)確度得出充當(dāng)測量對象的樣品5的復(fù)介電常數(shù)e*。根據(jù)參比方法， 利用下面給出的式8-12中的任意一個，由充當(dāng)參比樣品的標(biāo)準(zhǔn)樣品的復(fù)介電常數(shù)G*、參比樣品的反射波Vn和參比樣品的透射波Vrt得出充當(dāng)測量 對象的樣品5的復(fù)介電常數(shù)￡*。、(At = &/"tr)(式8)^一 1 x(3UlZ一i);; (1 + Z'， — -、) + j 2 W ZpQ〖1 - Z"(l -、)VJ2""i 1 g+zr"f(i - v)、+zr1)2 o z0 ca-1(1 - vk*(式9)通過將Z,設(shè)為無窮大，式8和式9分別可以被簡化為如下給出的式 lO和ll。此外，通過考慮式8和9兩者，可以推導(dǎo)出下面給出的式12。* a 、g = ￡ X t，；(X co〗i + ，2wz0q(i —、1J (式10)s爭- x x {1 (i+j 2 z0 clS/) V1}(Zi — oo)(式11)(i—柳—;g(式12)除此之外，通過校正層間斷間隙G的寄生電容Cr，可以實現(xiàn)更精確的分析。如果寄生電容Cr可以被忽略，樣品5的復(fù)介電常數(shù)^與復(fù)阻抗Zx之間的關(guān)系可以由式i表示。然而，如果寄生電容c;不可忽略，則測量系統(tǒng)的復(fù)阻抗Zx由下面給出的式13表示z - 1(式13)通過使用兩種不同的參比樣品，可以由下面給出的式14或式15得出 消除了寄生電容Cr的影響的有效電容Clt)應(yīng)該注意，如前面所解釋的， 參比樣品是具有已知的復(fù)介電常數(shù)^的樣品5。2 M Zo j(Sn* - ^物—，n抓-、2t)(式M) r 一1v (vnr - "C、2 CD & j— E^*)Vri^r2r (式j(luò) 5)應(yīng)該注意， 一旦通過使用上面給出的式14或式15確定了有效電容Q (有效電容是與測量靈敏度相關(guān)的電容)，式14或式15中使用的兩個參 比樣品之一被用作具有已知的復(fù)介電常數(shù) 一的標(biāo)準(zhǔn)樣品，以便根據(jù)上面給 出的式8-12中的任意一個得出充當(dāng)測量對象的樣品5的復(fù)介電常數(shù)e*。另一方面，如果考慮寄生電容C;的存在，則之前給出的式6被變?yōu)橄?面給出的式16。一 * , " 1「 ST聿H ,鵬隱)…肌丄! V ，T — ^」…--…—AJwZa ai+^—ft)(^ + W + ^)(式16)如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備10的情況 下，阻抗測量部分被設(shè)置在固定在設(shè)備殼體1上的下板2中，而不需要確 保與上板3的電連接。因此，即使樣品5處于液態(tài)，也可以以高的準(zhǔn)確度 測量樣品5的介電常數(shù)。此外，在物性測量設(shè)備10中，阻抗測量部分被 構(gòu)造成具有外條狀線的結(jié)構(gòu)，而且上傳導(dǎo)層8被形成為傳導(dǎo)薄膜。因此， 可以完全消除由在下板2中創(chuàng)建阻抗測量部分(作為流體的流動障礙而出 現(xiàn))所引起的流動障礙。結(jié)果，可以以高的準(zhǔn)確度同時測量同一樣品5的 粘彈性和介電特性。現(xiàn)有的物性測量設(shè)備不能以高的準(zhǔn)確度同時測量同一樣品5的動態(tài)粘 彈性和介電特性，尤其是在樣品5為具有低粘度樣品的情況下。然而，在15本實施例的情形中，不必用分開的測量過程來測量樣品5的粘彈性和介電 特性。相反，可以以高的準(zhǔn)確度在一次測量中同時測量動態(tài)粘彈性和介電 特性。然而，本發(fā)明第一實施例所提供的優(yōu)點不限于可以減小測量時間長度和可以簡化測量工作這樣的優(yōu)點。這是因為許多樣品5的物性、其物性隨時間等的改變一般受到多種極微量的雜質(zhì)的顯著影響，所述雜質(zhì)由用于 制造樣品引入部分的材料的物性和測量系統(tǒng)本身產(chǎn)生。例如，已知在監(jiān)測血凝固的過程中，與樣品5接觸的物質(zhì)之間的差異對血凝固的監(jiān)測時間有 影響。構(gòu)建處于完全相同條件下的不同測量系統(tǒng)來充當(dāng)用于分別測量動態(tài)粘 彈性和介電特性的測量系統(tǒng)是極其困難的。然而，通過采用根據(jù)本發(fā)明的 第一實施例的物性測量設(shè)備10，可以在基本相同的條件下測量樣品5的動 態(tài)粘彈性和介電特性。結(jié)果，可以例如對正確的測量結(jié)果進(jìn)行評估以處理 樣品5的動態(tài)粘彈性和介電特性。應(yīng)該注意，物性測量設(shè)備10所采用來測量樣品5的動態(tài)粘彈性的方 法和原理與由公知的物性測量設(shè)備(諸如旋轉(zhuǎn)流變儀)所采用的相同。此 外，在根據(jù)第一實施例的物性測量設(shè)備10中，下板2被固定在設(shè)備殼體1 上，而上板3被構(gòu)造成可旋轉(zhuǎn)和/或可振動的。然而，本發(fā)明的實施方式?jīng)Q 不限于此根據(jù)第一實施例的結(jié)構(gòu)。例如，相反地，上板被固定在設(shè)備殼體 上，而下板被構(gòu)造成可旋轉(zhuǎn)和/或可振動的。在此情況下，阻抗測量部分被 轉(zhuǎn)移到處于固定狀態(tài)的上板。下面將說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的物性測量設(shè)備。如果用于測量 介電特性的頻帶被限制為不高于l MHz的頻率帶，則可以采用微帶狀線之 外的其它電極充當(dāng)由微帶狀線所實現(xiàn)的高頻傳輸線。在根據(jù)本發(fā)明的第二 實施例的物性測量設(shè)備中，阻抗測量部分被構(gòu)造為一對電極，每一個電極 具有類似于梳子的形狀，如圖3的視圖中所示的。圖3是示出了根據(jù)本發(fā) 明的第二實施例的物性測量設(shè)備所用的第二板20中的阻抗測量部分的俯 視圖。如圖3的視圖所示，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的物性測量設(shè)備所用的 第二板20中的阻抗測量部分是一對彼此配合的梳狀電極22a和22b。梳狀說明書第14/15頁電極22a和22b由固定的間隙與由絕緣材料(諸如氧化鋁和玻璃)制成的 基部21的特定表面隔開?；?1的該特定表面是將與樣品5接觸的表 面。通過設(shè)置包括以此方式彼此配合的梳狀電極22a和22b的平面電極結(jié) 構(gòu)，可以提高從梳狀電極22a和22b泄漏到樣品5的電場的強(qiáng)度。結(jié)果， 可以提高樣品5的阻抗測量的靈敏度。梳狀電極22a和22b可以通過在第二板20的特定表面之上的位置進(jìn)行 膜創(chuàng)建工藝(諸如氣相沉積工藝或濺射工藝)，由具有數(shù)微米的典型厚度 的傳導(dǎo)金屬(諸如金)來創(chuàng)建。此外，適配器23被設(shè)置在基部21的側(cè)表面上，以充當(dāng)處于同軸電纜 24與梳狀平面電極22a和22b之間的轉(zhuǎn)換接口。梳狀電極22a和22b各自 的端部通過適配器23和同軸電纜24與測量儀器(諸如阻抗分析儀)連 接。在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的物性測量設(shè)備中，在梳狀電極22a和 22b之間施加電壓，以測量阻抗，該阻抗可由于將樣品5引入到梳狀電極 22a和22b之間的間隙而改變。通過如上所述將阻抗測量部分構(gòu)造為一對 電極，其中每一個電極具有類似于梳子的形狀，可以增大從梳狀平面電極 22a和22b泄漏到樣品5的電場(作為用于阻抗測量的泄漏電場)的強(qiáng) 度。由此，即使樣品5具有小的介電常數(shù)，也可以以高的準(zhǔn)確度測量樣品 5的阻抗。此外，如同根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的物性測量設(shè)備那樣，在根據(jù)本 發(fā)明的第二實施例的物性測量設(shè)備中，阻抗測量部分對于樣品5的流動幾 乎沒有影響。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的物性測量設(shè)備也能夠以高 的準(zhǔn)確度在寬范圍內(nèi)同時測量樣品5的動態(tài)粘彈性和介電特性，即使樣品 5為非均相懸浮液體。上述的寬范圍包括具有從低粘度系數(shù)到高粘度系數(shù) 的任何粘度系數(shù)的樣品5。具有低粘度系數(shù)的樣品5的典型實例為液體， 而具有高粘度系數(shù)的樣品5的典型實例為凝膠物質(zhì)。應(yīng)該注意，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的物性測量設(shè)備的其它可能構(gòu)造 和效果與在前面已經(jīng)描述的根據(jù)第一實施例的物性測量設(shè)備的相同。本發(fā)明包含與2008年5月29日向日本專利局提出的日本在先專利申請JP 2008-140530相關(guān)的主題，上述申請的全部內(nèi)容通過引用被包含于 此。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，根據(jù)設(shè)計需要和其它因素可以進(jìn)行各種修 改、組合、子組合和替換，只要這些落入所附權(quán)利要求書及其等同物的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種物性測量設(shè)備，包括以可旋轉(zhuǎn)和/或可振動狀態(tài)安裝的第一板；以及面對所述第一板布置并設(shè)有阻抗測量部分的第二板，其中，由變形導(dǎo)致的應(yīng)力被測量，所述變形通過旋轉(zhuǎn)或振動所述第一板而產(chǎn)生，作為給予樣品的變形，所述樣品設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間的間隙中，并且同時，所述阻抗測量部分測量所述樣品的阻抗。
2. 如權(quán)利要求1所述的物性測量設(shè)備，其中，所述阻抗測量部分至少 包括絕緣層；一對傳導(dǎo)層，所述傳導(dǎo)層彼此面對以將所述絕緣層夾在中間，并且每 個所述傳導(dǎo)層被用作高頻傳輸線；和層間斷間隙，其形成在處于靠近所述第一板那側(cè)的所述傳導(dǎo)層上，用 于間斷所述傳導(dǎo)層并允許所述樣品的一部分被引入其中；在所述傳導(dǎo)層之間施加電壓，并且測量由于將所述樣品弓1入到所述層間斷間隙而可發(fā)生變化的阻抗。
3. 如權(quán)利要求1所述的物性測量設(shè)備，其中，所述阻抗測量部分至少 包括絕緣層；以及一對梳狀電極，其以彼此配合的狀態(tài)形成，并通過固定的間隙而與所 述絕緣層的處于所述第一板那側(cè)的表面隔開； 在所述梳狀電極之間施加電壓，并且測量由于將所述樣品弓I入到所述梳狀電極中的 一個電極和另 一個電極 之間的間隙而可發(fā)生變化的阻抗。
4. 如權(quán)利要求1所述的物性測量設(shè)備，所述物性測量設(shè)備還包括 分析部分，其配置成-基于測量出的所述應(yīng)力而計算所述樣品的動態(tài)粘彈性；以及基于測量出的所述阻抗而計算所述樣品的介電特性。
5. 如權(quán)利要求1所述的物性測量設(shè)備，其中，所述樣品具有液體、懸 浮液和凝膠態(tài)物質(zhì)中的至少一種類型。
6. —種用于物性測量設(shè)備的物性測量方法，所述物性測量設(shè)備采用以 可旋轉(zhuǎn)和/或可振動狀態(tài)安裝的第一板以及面對所述第一板布置并設(shè)有阻抗 測量部分的第二板，其中，所述物性測量方法包括如下步驟測量由變形導(dǎo)致的應(yīng)力，所述變形通過旋轉(zhuǎn)或振動所述第一板而產(chǎn) 生，并作為給予樣品的變形，所述樣品設(shè)置在所述第一板與所述第二板之 間的間隙中，以及同時，通過所述阻抗測量部分進(jìn)行對所述樣品的阻抗的測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了物性測量設(shè)備和物性測量方法。該設(shè)備包括以可旋轉(zhuǎn)和/或可振動狀態(tài)安裝的第一板；面對所述第一板布置并設(shè)有阻抗測量部分的第二板，其中，由變形導(dǎo)致的應(yīng)力被測量，所述變形通過旋轉(zhuǎn)或振動所述第一板而產(chǎn)生，并作為給予樣品的變形，所述樣品設(shè)置在所述第一板和所述第二板之間的間隙中，同時，所述阻抗測量部分測量所述樣品的阻抗。
文檔編號G01R27/02GK101592581SQ200910141330
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者林義人 申請人:索尼株式會社