一种高品质因数QCM传感器

摘要

本发明公开了一种高品质因数QCM传感器，包括谐振底板以及位于谐振底板上下表面的上下金属电极，其中，谐振底板采用一种非对称单面凸台式结构，上金属电极为覆盖在圆形凸台表面的圆形电极，下金属电极为一圆形电极，覆盖在谐振底板几何中心位置。这样通过增加谐振底板有效谐振区域的厚度，达到改善能陷效应和能量集中效应，进一步提高QCM传感器品质因素的目的。

说明书

技术领域

本发明属于压电传感器技术领域，更为具体地讲，涉及一种高品质因数 QCM传感器，可以应用于化学、材料、生物以及物理等领域。

背景技术

QCM传感器，也叫石英晶体微天平，是一种工作于厚度剪切模式的压电石 英晶体材料制成的感知器件。它对质量变化非常敏感，通常用来检测微小的质 量变化，可以实现纳克量级的质量检测。

Sauerbrey G于1959年发现QCM传感器的频率变化与其面吸附的质量成线 性变化关系(Sauerbrey G；Verwendung von schwingquarzen zur w¨agung d¨unner  schichten und zur mikrow,agung Z.Phys.No.155,1959,206–222)，这一发现使得 QCM传感器在微质量感知领域得到广泛应用。

事实上，QCM传感器不只是在气相环境用来检测微小的质量变化，还可以 进行生物化学相关的其他检测。上世纪80年代，Nomura团队实验证明了QCM 在液相中也可以正常工作(见论文：T.Nomura and A.Minemura,“Behavior of a  piezoelectric quartz crystal in an aqueous-solution and the application to the  determination of minute amount of cyanide,”Nippon Kagaku Kaishi,pp.1621–1625, 1980.)，这一发现大大地拓展了QCM的应用空间，尤其是在分析化学及生物医 学领域得到广泛应用。最近几十年来，QCM传感在气相或者液相环境用于薄膜 厚度及密度检测及杨氏模量检测、分析化学、聚合物、生物医学等领域的分析 得到了广泛的应用，并且逐渐呈上升趋势。(详情见参考文献：M.A.Cooper,V. T.Singleton.A survey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensor  literature:applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular  interactions[J].J Mol Recognit,2007,20(3):154-184；陈令新,关亚风,杨丙成.压电 晶体传感器的研究进展.化学进展。2002,14(1):68-76；Molino PJ,Hodson OM, Quinn JF,Wetherbee R.The quartz crystal microbalance:a new tool for the  investigation of the bioadhesion of diatoms to surfaces of differing surface  energies[J].Langmuir,2008,24:6730-6737；Speight RE,Cooper MA.A Survey of  the 2010 Quartz Crystal Microbalance Literature[J].J Mol Recognit,2012,25(9): 451-473；S.K.Vashist,P.Vashist.Recent Advances in Quartz Crystal Microbalance  –Based Sensors[J].Journal of Sensors,2011,11(4):1-13；何建安,付龙,黄沫等.石英 晶体微天平的新进展.中国科学:化学.2011,41(11):1679-1698)。

图1所示为传统QCM传感器的结构图，其中(A)为俯视图，(B)为截面 图。如图(1)所示，传统QCM传感器为上下两个电极2、3中间夹着一个双面 为平面的压电石英晶片即谐振底板1的三明治结构。由于压电效应和反压电效 应的存在，在QCM传感器两面的电极上施加合适的激励信号，QCM传感器会 发生谐振并输出稳定的频率信号。

图2是传统圆QCM传感器的质量灵敏度分布曲线图。如图2所示，传统 QCM传感器其质量灵敏度分布不光滑。

传统的QCM传感器一般都是采用双平面结构，但是这种结构的QCM传感 器还存在一定的缺陷和不足，主要表现为有效谐振区域谐振底板的质量不大， 能陷效应不太明显，能量集中效应较差同时影响了谐振底板品质因素，导致QCM 传感器的输出频率稳定性较差而影响测试准确度和测试精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高品质因数QCM传感 器，提高QCM传感器的输出频率稳定性。

为实现上述发明目的，本发明高品质因数QCM传感器，包括谐振底板以及 位于谐振底板上下表面的上下金属电极，其特征在于：

所述的谐振底板底侧为平面，谐振底板上侧为凸台式圆形结构，包括圆形 凸台以及圆环状平台，圆形凸台位于谐振底板上侧的几何中心位置，圆环状平 台位于圆形凸台外围，其高度与圆形凸台外边沿高度相等；

上金属电极包括覆盖在圆形凸台上表面的圆形电极，并与一电极引线连接， 下金属电极为一圆形电极，覆盖在谐振底板几何中心位置，并与另一电极引线 连接。

本发明的目的是这样实现的。

本发明高品质因数QCM传感器，包括谐振底板以及位于谐振底板上下表面 的上下金属电极，其中，谐振底板采用一种非对称单面凸台式结构，上金属电 极为覆盖在圆形凸台表面的圆形电极，下金属电极为一圆形电极，覆盖在谐振 底板几何中心位置。这样通过增加谐振底板有效谐振区域的厚度，达到改善能 陷效应和能量集中效应，进一步提高QCM传感器品质因素的目的。

附图说明

图1是传统QCM传感器的结构图；

图2是传统QCM传感器的质量灵敏度分布曲线图；

图3是本发明高品质因数QCM传感器一种具体实施方式结构图；

图4是图3所示QCM传感器沿圆心的截面剖视图；

图5是本发明高品质因数QCM传感器的质量灵敏度分布曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员 更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和 设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本实施例中，如图3、4所示，本发明高品质因数QCM传感器包括：谐 振底板1以及位于谐振底板1上下表面的上下金属电极。

所述的谐振底板1底侧为平面，谐振底板1上侧为凸台式圆形结构，包括 圆形凸台101以及圆环状平台102，圆形凸台101位于谐振底板1上侧的几何中 心位置，圆环状平台102位于圆形凸台101外围，其高度与圆形凸台101外边 沿高度相等；

上金属电极包括覆盖在圆形凸台上表面的圆形电极201，并与电极引线203 连接，以便与后续电路连接。

下金属电极为一圆形电极，覆盖在谐振底板几何中心位置，

在本实施例中，如图3、4所示，本发明的QCM传感器的两面之间表现为 非对称的结构。需要指出的是，在有凸台式圆形结构的这一面，从圆形凸台101 外边沿到谐振底板1的边沿，为环形状平台102。在本实施例中，所述的QCM 传感器谐振底板1，其圆形凸台101厚度最厚，从环形状平台102内边沿往中间 方向逐渐变厚，即圆形凸台101从外边沿到距离中心一定位置高度逐步增加， 然后高度维持不变，形成平顶圆形凸台，其平顶圆形区域为谐振区域，覆盖圆 形电极201，其高度逐步增加部分覆盖渐变式电极202，覆盖圆形电极201和渐 变式电极202连通，组成上金属电极，与电极引线203连接，以便与后续电路 连接。

图5是本发明高品质因数QCM传感器的质量灵敏度分布曲线图。

在本实施例中，如图5所示，本发明高品质因数QCM传感器其质量灵敏度 分别光滑，但由于谐振区域厚度的增加，质量灵敏度有所下降。

下表面电极3覆盖在谐振底板中心位置处，下表面电极3的面积与谐振底 板1上侧的圆形凸台101部分的面积大小相等。

谐振底板的上表面电极和下表面电极通过声波耦合方式在谐振底板的振动 区域内建立电磁场并在谐振区内产生激励电压,谐振区产生的能量被束缚于谐 振器区域以减少能量泄漏以保证传感器的谐振底板具有良好的能陷效应和能量 集中效应。

${\Phi }_e\le \frac{l_q{M}_n}{n}{\left[\frac{f_e}{f_s-f_e}\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

$C=n·\frac{{\Phi }_e}{{2l}_q}\sqrt{\frac{f_s-f_e}{f_s}}---\left(3\right)$

其中，Φ_e是电极的直径，l_q为石英晶片的厚度，f_s是谐振底板未覆盖电极区 域的截止频率，f_e是谐振底板覆盖电极区域的截止频率，n是泛音次数，是修 正系数。

本发明所述的非对称结构的单面凸台式谐振底板，一面为平面状，另外一 面的中央位置处是谐振区域为圆形凸台状。QCM传感器的两面之间表现为非对 称的结构。需要指出的是，在有圆形凸台的这一面，从其边沿到中央位置被带 有一定倾斜角的渐变式斜坡围绕。本发明所述的QCM传感器谐振底板中间圆形 凸台平顶区域最厚，往边沿方向逐渐变薄，其结构如图3和图4所示。QCM传 感器的谐振频率由其谐振底板上平台的厚度确定，该厚度会影响QCM传感器作 为声波能陷效应的能力。同时通过圆形凸台的设计提高了谐振区域的质量达到 提高传感器品质因素的目的。

QCM传感器品质因素与谐振底板质量之间的关系可由下式给出：

$Q_q=\frac{m_q{\rho }_q\sqrt{{\rho }_q{\mu }_q}}{\mathrm{n\pi }{\eta }_q{A}_s}---\left(4\right)$

其中，ρ_q是石英的密度，A_S是谐振底板的面积，μ_q是石英的弹性系数，η_q是 石英的粘度系数，m_q为石英谐振底板的质量，n为泛音次数，n＝1,3,5…。

本发明的实质是：通过一个非对称单面凸台式谐振底板，增加有效谐振区 域的质量，从而提高传感器的品质因数。同时，通过围绕在谐振平台周围，从 传感器的谐振区域即圆形凸台101的平顶圆形区域到环形状平台102的渐变式 电极，改善能陷效应，提高能量集中效应。

本发明具有以下优点：与传统的双面扁平式QCM传感器相比，本发明描述 的非对称单面凸台式传感器，具有更好的能陷效应和能量集中效应，具有更高 的品质因数。同时，由于品质因数的提高，使得QCM传感器发生谐振时具有更 高的频率稳定度，这样就可以提高测试精度和准确度。

在本实施例中，上金属电极和下金属电极材料为金、银或者铬+金(为了增 加金在谐振底板的吸附力，首先以金属铬为基层，在铬层的上面再镀一层金)， 金属电极的厚度为1～2×10^-7m。

在本实施例中，谐振底板直径在8mm～20mm范围内，圆形凸台的直径为 5mm～10mm范围。其材料为α型石英晶体，切型为AT切，切角范围为35°1′～35°15′。

在本实施例中，谐振底板的谐振频率为10MHz～30MHz，工作泛音次数可以 分别为：基频，3次泛音或者5次泛音。

根据上述技术方案，选用泛音次数为1次(也就是基频)，AT切型，切角为 的35°12′，谐振频率为10MHz的石英晶体材料制作QCM传感器。其中，谐振底板 直径为18mm，谐振底板圆形凸台直径为10mm，谐振底板的厚度为0.18mm。

当然，本发明不局限于上述具体实施方式，其他等同方式(如压电陶瓷，压 电薄膜，石英晶体，碳酸锂等压电材料做成的压电谐振式传感器；传感器的形 状可以是圆形，也可以是方形)也是本发明的保护范围。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。