CN101371132B - 自励、自感知压电悬臂梁传感器 - Google Patents

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Abstract

一种压电悬臂梁传感器包括压电层和非压电层，所述非压电层的一部分附着到所述压电层。在一个实施方式中，所述非压电层的一端延伸超过压电层的所述端以提供悬伸。所述悬伸的压电悬臂梁传感器能够增加灵敏度，允许应用在例如液体介质的更粘性的环境中的设备，以及应用在比常规压电悬臂梁以更高流速的液体介质中。在另一个实施方式中，传感器包括第一和第二基底，并且将所述压电层和所述非压电层中的至少一个固定到所述第一和第二基底中的每一个以形成所述压电悬臂梁传感器。在该实施方式中，即使在经受相对高的流速时，在气体和液体介质中所述传感器都是坚固的并且呈现极好的感测特性。

Description

自励、自感知压电悬臂梁传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2006年1月23日提交的题为“PIEZOELECTRICCANTILEVER SENSORS(压电悬臂梁传感器)”的美国临时专利申请No.60/761,172和2006年7月11日提交的题为“PIEZOELECTRICCANTILEVER SENSORS(压电悬臂梁传感器)”的美国临时专利申请No.60/807,020的优先权，在此并入其全部内容作为参考。
技术领域
本技术领域一般地涉及传感器，更具体地涉及压电悬臂梁传感器以及利用压电悬臂梁传感器检测和测量分析物。
背景技术
根据传感器的尺寸，压电悬臂梁传感器可以大致分成两类：微悬臂梁和大悬臂梁。可以在静态(弯曲)模式和动态(谐振)模式中使用微悬臂梁传感器。在静态模式中，测量悬臂梁臂的变形以确定是否存在分析物(分析中的物质)。在动态模式中，测量谐振频率以确定是否存在分析物。在静态模式中通常不使用大悬臂梁传感器，因为悬臂梁臂的弯曲经常受限制。可以在液体浸透条件下或在气体或真空中使用大悬臂梁传感器。通常，在气体/真空中使用悬臂梁传感器时比在液体中能实现更高的灵敏度。液体阻尼易于对灵敏度产生不利地影响。然而，在液体介质中测量分析物具有许多实际用途。
一种已知的微悬臂梁传感器是硅基微悬臂梁传感器。典型的硅基微悬臂梁传感器包括充当谐振器的微悬臂梁。微悬臂梁由在微悬臂梁基底处的外部致动器驱动以在谐振器中产生振动。通常，通过外部光学探测器检测所述振动。典型的硅基微悬臂梁的一个缺点是需要检测复杂的外部光学部件。此外，光学检测装置不利地限制微悬臂梁传感器应用到视觉上清晰的样品。另一个缺点是由于外部致动器而增加到传感器的重量和复杂性。还有另一个缺点是所述外部致动器仅可以位于微悬臂梁的基底处，其限制它在驱动悬臂梁振动中的有效性。硅基微悬臂梁传感器的另一个缺点是它们是机械地易碎的。因此，在高液体流速环境中不能使用硅基微悬臂梁传感器。此外，典型的硅基微悬臂梁传感器在液体介质中由于粘性阻尼而损失灵敏度。
另一种已知的悬臂梁传感器是石英基压电悬臂梁传感器。石英是弱压电的，并且因此很象硅基悬臂梁传感器，石英基压电悬臂梁传感器在液体介质中由于粘性阻尼而损失灵敏度。此外，石英基传感器的检测灵敏度受传感器的平面几何形状的限制。
已知常规的压电悬臂梁是利用附着到在压电层的部分或整个表面上的非压电层的压电层制造的。在一些常规压电悬臂梁中，压电层固定在悬臂梁的一端，使得当激发压电材料时非压电层弯曲以适应压电材料中引起的应变。当激发的频率与下面机械结构的固有频率相同时，发生谐振。已知该类型的压电悬臂梁传感器在毫米尺寸时在低于大约100kHz的频率处工作。现在，仅通过将悬臂梁制造得非常短(长度小于1.0mm)、非常窄(宽度小于0.1mm)、并且非常薄(厚度小于100微米)就可以获得更高的频率。然而，将悬臂梁的尺寸特别是宽度减小到如此小的程度使得悬臂梁传感器由于粘性阻尼而较少能被使用在液体介质中。阻尼随着悬臂梁的宽度的平方而反向增加。
发明内容
自励和自感知压电悬臂梁传感装置包括压电层和附着到压电层的非压电层使得非压电层的远端延伸超过压电层的远端或压电层的远端延伸超过非压电层的远端。即，将压电层耦合到非压电层使得压电层和非压电层是不同延的。在压电悬臂梁传感装置的多种配置中，将压电层、非压电层、或两者都固定到至少一个基底。电极与压电层在操作上相关联。利用自励、自感知压电悬臂梁传感器感测质量变化。为确定传感装置上的分析物的质量，测量悬臂梁传感器的机械构件的谐振频率。比较测量的谐振频率与固有频率以确定频率差。所述频率差可表示传感装置上的分析物的质量。
附图说明
当结合附图研究时，可以更好地理解前述的概括描述以及以下的详细描述。为了阐明自励、自感知压电悬臂梁传感器，在附图中示出其示例性结构；然而，自励、自感知压电悬臂梁传感器并不限于公开的具体方法和手段。
图1是自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图2是示出用于与压电层在操作上相关联的电极的电极设置区的示例自励、自感知压电悬臂梁传感器的横截面图。
图3是示出在自励、自感知压电悬臂梁传感器的基底部分内的示例性电极设置的示例自励、自感知压电悬臂梁传感器的横截面图。
图4是示出不在自励、自感知压电悬臂梁传感器的基底部分内的示例性电极设置的示例自励、自感知压电悬臂梁传感器的横截面图。
图5是其中压电层的远端与非压电层的远端齐平的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图6是其中压电层的远端延伸超过非压电层的远端并且压电层的近端延伸超过非压电层的近端的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图7是具有两个基底部分的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图8是自励、自感知压电悬臂梁传感器的另一个示例配置的图解，其中压电层没有附着到任何一个基底部分。
图9是具有锚定在两端的压电层的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图10是其中压电层包括两个部分、所述两个部分中的一个被锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图11是其中压电层包括两个部分、所述两个部分中的一个被锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的另一个图解。
图12是其中压电层包括两个部分、所述两个部分都不被锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图13是具有锚定的非压电部分和非锚定的压电部分的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图14是其中非压电层没有附着到任何一个基底部件的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置的图解。
图15是其中压电部分具有与压电部分不同的宽度的自励、自感知压电悬臂梁传感器的另一个示例配置的图解。
图16是包括压电层和非压电层的自励、自感知压电悬臂梁传感器的实例配置的图解，其中压电层的宽度小于非压电层16的宽度，并且压电层的远端延伸超过非压电层的远端以及压电层的近端延伸超过非压电层的近端。
图17是利用自励、自感知压电悬臂梁传感器检测分析物的示例过程的流程图。
图18是在空气中工作的图1中所示的自励、自感知压电悬臂梁传感器的配置的示例谐振谱的曲线。
具体实施方式
在此描述的自励、自感知压电悬臂梁传感器能够检测和测量极少量的分析物。所述自励、自感知压电悬臂梁传感器能够用来检测和测量浸没在液体中的分析物以及包含在气体或真空中的分析物。在多个示例配置中，自励、自感知压电悬臂梁传感器包括至少一个压电层和至少一个非压电层，其中将压电层耦合到非压电层使得所述压电层和所述非压电层是不同延的(not coextensive)。可以将压电层、非压电层、或两者都耦合到至少一个基底。压电层和非压电层可以改变宽度、长度、和厚度。
自励、自感知压电悬臂梁传感器能够用于确定累积在其上的分析物的质量。在示例性实施方式中，将自励、自感知压电悬臂梁传感器的一部分放置在介质(例如液体、气体、真空)中。而在介质中，测量自励、自感知压电悬臂梁传感器的谐振频率并且与基线谐振频率比较。测量的谐振频率和基线谐振频率的差可表示累积(例如粘合、吸附、吸收)在自励、自感知压电悬臂梁传感器上的分析物的质量的数量。
可以将分析物直接或间接地粘合到自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电层部件的表面。分析物粘合到自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电部分导致自励、自感知压电悬臂梁传感器的质量变化、自励、自感知压电悬臂梁传感器的硬度变化、或其组合。质量和/或硬度的变化是可测量的，作为谐振频率的变化，并且可以由合适的分析设备例如运算放大器、阻抗分析仪、网路分析仪、振荡电路等监测和测量。其中将自励、自感知压电悬臂梁传感器的至少一部分浸没在液体中的谐振频率的变化是可检测和可测量。其中自励、自感知压电悬臂梁传感器的至少一部分浸没在气体或真空中的谐振频率的变化也是可检测和可测量的。
自励、自感知压电悬臂梁传感器可以运行在高频率例如大约0.1MHz到6MHz处。在这些高频率处，在液体浸没下可以获得大约10到100的Q因数(谐振峰值频率相对于在半峰高处的谐振峰宽的比率)。自励、自感知压电悬臂梁传感器在液体介质、气体介质、和真空中可以工作在较高频率处。因此自励、自感知压电悬臂梁传感器对质量变化极其灵敏。自励、自感知压电悬臂梁传感器尤其适合于在介质例如体液、水、和食物材料中以非常低的浓度存在的分析物。
在此描述的自励、自感知压电悬臂梁传感器在浸没在液体介质中时能够检测累积在其上的质量的小到100attogram/Hz(100×10-18grams/Hertz)或更小的变化。因此，关于检测质量变化，自励、自感知压电悬臂梁传感器比石英晶体微悬臂梁传感器灵敏大约1百万倍、比标准分析工具灵敏大约100,000倍、以及比常规的三层压电悬臂梁设计灵敏大约10,000倍。
自励、自感知压电悬臂梁传感器允许检测极小浓度的粘合到其非压电部分的分析物。利用所述自励、自感知压电悬臂梁传感器，在低到少许病原体/mL的浓度、并且对于在少于1个病原体/mL的浓度下的平均尺寸(60kilo-Daltons，kDa)的蛋白质的情况下，可以检测病原体和蛋白质。此外，可以检测粘合到所述非压电部分上的有机或无机功能团的任何分析物。自励、自感知压电悬臂梁传感器可以工作在具有相对高流速的介质中。自励、自感知压电悬臂梁传感器可以工作在具有0.5到10.0mL/分钟的流速的介质中，所述流速是已知的弯曲模式微悬臂梁成功使用的流速的大约1000倍。
压电悬臂梁的多个示例性应用包括检测诸如炭疽杆菌的生物恐怖制剂、检测诸如大肠杆菌的食物源性病原体、检测食物和水中的病原体、体液中的某些细胞类型(例如循环肿瘤细胞)、检测体液中的生物标志(例如标志特定病理生理学α胎球蛋白、β-2-微球蛋白、囊肿瘤抗原、乳癌标志CA-15-3、和其它CAs(癌抗原)、降钙素、癌胚抗原等的蛋白质)、检测例如三硝基甲苯的爆炸性标志、硝基甲苯的存在、以及检测空气传播和水传播的毒素。自励、自感知压电悬臂梁传感器也可以用来检测皮可克级的生物实体、以及用来检测稳态和动态的蛋白质-蛋白质相互作用。
可以利用自励、自感知压电悬臂梁传感器检测病原体例如大肠杆菌。通过利用自励、自感知压电悬臂梁传感器以大约1到2MHz的频率直接在液体中测量可以分别实现对浓度为1.0femtogram/mL(10-15grams)的模型蛋白质、脂蛋白、DNA、和/或RNA以及1个病原体/mL的病原体的检测，其中所述自励、自感知压电悬臂梁传感器利用专用于目标分析物的抗体固定。自励、自感知压电悬臂梁传感器在即使存在污染的实体时也可以在没有假阳性和假阴性的情况下检测目标分析物。当利用原样品时在此描述的自励、自感知压电悬臂梁传感器特别有利，并且没有准备、浓缩步骤、和/或任何类型的富集。可以利用自励、自感知压电悬臂梁传感器直接在流动条件例如0.5到10.0mL/分钟的原样品中进行分析物的检测。如果可以得到清洁的样品，例如在实验室环境中，则可以实现1.0femtogram/mL的检测。该灵敏度比与已知的光学技术相关的灵敏度相比要灵敏大约100倍。
如下所述，自励、自感知压电悬臂梁传感器的灵敏度部分是由于其几何设计。自励、自感知压电悬臂梁传感器的压电和非压电层的相对长度和宽度确定灵敏度，并且也确定由自励、自感知压电悬臂梁传感器提供的频谱的峰的形状。正如以下更详细描述的，自励、自感知压电悬臂梁传感器包括耦合在一起的压电层和非压电层，使得压电层的一部分延伸超过非压电层，或非压电层的一部分延伸超过压电层，或其组合。因此，所述压电层和非压电层是不同延的。即，配置自励、自感知压电悬臂梁传感器使得不将非压电层的整个表面耦合到压电层的整个表面。
自励、自感知压电悬臂梁传感器的灵敏度部分是由于利用悬臂梁传感器的压电层进行致动和感测以及自励、自感知压电悬臂梁传感器的压电层的电机械特性。在谐振时，振荡的悬臂梁将压电层中的应力引导到自励、自感知压电悬臂梁的基底部分。这引起压电层的电阻分量的放大的变化和谐振频率的大偏移。将该应力引导到一部分具有低抗弯模数(例如更柔软)的压电层允许利用谐振频率的相关偏移来检测自励、自感知压电悬臂梁传感器的质量的极小变化。例如，如果压电悬臂梁传感器的压电层和非压电层都锚定在相同端(例如罐装在环氧树脂中)，则传感器对质量的变化不那么敏感，因为与仅锚定压电层的情形相比，最接近锚定端的感测压电层中的弯曲应力较低。这是因为所述的两个复合层的抗弯模数高于仅锚定压电层的情形。抗弯模数是中性轴周围的弹性模数和惯性矩的乘积。并且，惯性矩与厚度的三次幂成比例。
图1是包括压电部分14和非压电部分16的自励、自感知压电悬臂梁传感器12的图解。压电部分利用大写字母P(“P”)标注，并且非压电部分利用大写字母NP(“NP”)标注。自励、自感知压电悬臂梁传感器12图示了非锚定的、悬伸的自励、自感知压电悬臂梁传感器的实施方式。因为非压电层16没有附着到基底部分20，所以自励、自感知压电悬臂梁传感器12被称为“未锚定的(unanchored)”。因为非压电层16延伸超过压电层14的远端24以产生非压电层16的悬伸部分22，所以自励、自感知压电悬臂梁传感器12被称为“悬伸的(overhang)”。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分16。压电部分14和非压电部分在区域23交叠。粘合部分18位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。将压电部分14耦合到基底部分20。
压电部分14可以包括任何合适的材料，例如锆钛酸铅、铌酸铅镁-钛酸铅固溶体、钛酸锶铅、石英硅石、压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)、压电聚合物纤维复合材料等。非压电部分16可以包括任何合适的材料例如玻璃、陶瓷、金属、聚合物，以及陶瓷和聚合物中的一个或多个的复合物，例如二氧化硅、铜、不锈钢、钛等。
自励、自感知压电悬臂梁传感器可以包括具有任何合适尺寸组合的部分。此外，这些物理尺寸可以不一致。因此，压电层和/或非压电层可以是锥形。例如，压电部分(例如压电部分14)的长度(例如图1中的LP)可以从大约0.1到大约10mm变化。非压电部分(例如非压电部分16)的长度(例如图1中的LNP)可以从大约0.1到大约10mm变化。交叠区域(例如交叠区域23)长度可以从大约0.1到大约10mm变化。压电部分(例如压电部分14)的宽度(例如图1中的WP)以及非压电部分(例如非压电部分16)的宽度(例如图1中的WNP)可以从大约0.1mm到大约4.0mm变动。压电部分的宽度(例如图1中的WP)也可以不同于非压电部分的宽度(例如图1中的WNP)。压电部分(例如压电部分14)的厚度(例如图1中的TP)以及非压电部分(例如非压电部分16)的厚度(例如图1中的TNP)可以从大约0.1mm到大约4.0mm变化。压电部分的厚度(例如图1中的TP)也可以不同于非压电部分的厚度(例如图1中的TNP)。
图2示出与压电部分14在操作上相关联的电极的电极设置区26的自励、自感知压电悬臂梁传感器12的截面图。可以将电极设置在由支架26指示的自励、自感知压电悬臂梁传感器的压电部分上的任何合适的位置。例如，如图3中所示，可以将电极28耦合到基底部分20内的压电部分14。或者，如图4中所示，可以将电极32耦合到不在基底部分20内并且不与非压电部分16交叠的任何位置的压电部分14。电极不需要关于压电部分14对称地设置。在示例性实施方式中，可以将一个电极可以耦合到在基底部分20内的压电部分14并且将另一个电极可以耦合到不在基底部分20内的压电部分14。可以利用电极或任何合适的装置(例如感应装置、无线装置)将电信号提供到压电部分14或从压电部分14接收电信号。在示例性实施方式中，电极可以通过焊盘等(在图3中描述为元件30并且在图4中描述为元件34)耦合到压电部分14。示例焊盘可以包括能够固定适合供化学感测或生物感测使用的接受体材料和/或吸收剂材料的任何合适的材料(例如金、氧化硅)。
可以将电极设置在任何合适的位置。在示例性实施方式中，电极在操作上位于压电层14中集中应力的位置附近。如上所述，自励、自感知压电悬臂梁传感器的灵敏度部分是由于有利地将应力引导(集中)在压电层14中并且将电极靠近那里放置。在此描述的自励、自感知压电悬臂梁传感器的配置(及其变量)易于将与应力相关的振动集中在压电层14中。在谐振时，在自励、自感知压电悬臂梁传感器的一些配置中，振动的悬臂梁将应力朝向基底部分20集中在压电层14中。这导致压电层14的电阻分量的放大的变化和在高应力位置处的谐振频率的大偏移。将该应力引导到一部分具有低抗弯模数(例如更柔软)的压电层14允许利用谐振频率的相关偏移来检测自励、自感知压电悬臂梁传感器的质量的极小变化。因此，在自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置中，位于基底部分20附近的压电层14的厚度比远离基底部件20的压电层14的部分薄。这易于向压电层14的较薄的部分集中应力。在示例配置中，电极位于与自励、自感知压电悬臂梁传感器的基底部分附近的集中应力相关的振动的位置或附近。在自励、自感知压电悬臂梁传感器的其它示例配置中电极位于最接近压电层中集中应力的位置，而不考虑集中应力接近自励、自感知压电悬臂梁传感器的基底部分。
可以根据多种配置来配置自励、自感知压电悬臂梁传感器，所述多种配置中的一些在图5到图16中示出。然而应该理解，在此示出的配置并不代表所有可能的配置，而是自励、自感知压电悬臂梁传感器的配置的代表性样品。图5是未锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置36的图解，其中压电部分14的远端40与非压电部分16的远端38齐平。因为非压电部分16没有附着到基底部分20，所以自励、自感知压电悬臂梁传感器36被称为“未锚定的”。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分。粘合部分18位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。将压电部分14耦合到基底部分20。
图6是其中压电层14的远端44延伸超过非压电层16的远端46并且压电层14的近端43延伸超过非压电层16的近端45的未锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置42的图解。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分16。粘合部分18位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。将压电部分14耦合到基底部分20。
也可以将自励、自感知压电悬臂梁传感器配置得包括多个基底部分。在图7到图14中示出包括多个基底部分的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置。将自励、自感知压电悬臂梁传感器配置为包括多个基底部分并不直观，因为本领域技术人员预期，固定自励、自感知压电悬臂梁传感器的两端会由于自励、自感知压电悬臂梁传感器的位移的限制而提供较差的响应，自励、自感知压电悬臂梁传感器的位移的限制是由于它固定到所述多个基底部件的结果而导致。在示例实施方式中，对于包括两个基底部分的自励、自感知压电悬臂梁传感器的配置而言，测量压电部分中的应力，而不是压电部分的位移。将自励、自感知压电悬臂梁传感器配置为包括两个基底部分提供稳定和坚固的传感器，所述稳定和坚固的传感器可以在相对高的介质流动条件下进行并且提供极好的质量变化灵敏度。连同在最小性能测定的情况下提供机械坚固的、可以经受相对宽范围的介质流动条件的自励、自感知压电悬臂梁传感器一起，将自励、自感知压电悬臂梁传感器配置为包括两个基底部分提供了基频(例如大于100kHz)，所述基频比具有单基底部分和类似尺寸的悬臂梁传感器高3到4倍。
图7是包括两个基底部分20、50的锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置48的图解。因为非压电部分16附着到基底部分20，所以自励、自感知压电悬臂梁传感器48被称为“锚定的”。在自励、自感知压电悬臂梁传感器48中所示的配置中，压电部分14的近端52和非压电部分16的近端54都附着到基底部分20。所述压电部分和非压电部分可以通过任何合适的装置附着到基底部分。非压电部分16的远端58也附着到基底部分50。非压电部分16的远端58延伸超过压电部分14的远端部分56。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分16。粘合部分18位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。
图8是包括两个基底部分20、50的锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置60的图解，其中压电层14未附着到基底部分20或基底部分50。在自励、自感知压电悬臂梁传感器60中所示的配置中，非压电部分16的近端62附着到基底部分20并且非压电部分16的远端64附着到基底部分50。非压电部分16的近端62延伸超过压电部分14的近端66，并且非压电部分16的远端64延伸超过压电部分14的远端68。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分16。粘合部分18位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。
图9是包括两个基底部分20、50，包括两个压电部分14、72，并且包括两个粘合部分18、74的锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置70的图解。在自励、自感知压电悬臂梁传感器70中所示的配置中，压电部分14的近端76和非压电部分16的近端78都附着到基底部分20。压电部分72的远端80和非压电部分16的远端82都附着到基底部分50。非压电部分16的近端78延伸超过压电部分72的近端86。非压电部分16的远端82延伸超过压电部分14的远端84。压电部分14的远端84和压电部分72的近端86在其间形成空间88。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分16。压电部分72通过粘合部分74耦合到非压电部分16。粘合部分18和74分别位于压电部分14和非压电部分16以及压电部分72和非压电部分16的交叠部分之间。
在图9中示出的配置70的多个可替换示例配置中，仅压电部分14、72中的一个附着到各自的基底部分20、50。例如，在图10中所示的一个示例配置中，压电部分14附着到基底部分20并且压电部分72未附着到基底部分50。在另一个示例配置中，如图11中所示，压电部分72附着到基底部分50并且压电部分14未附着到基底部分20。在又一个示例配置中，如图12中所示，压电部分14和压电部分72都未附着到相应的基底部分20、50。在其中压电层包括多个部分的多个示例配置中，电极可以附着到任何合适的一个压电部分多个压电部件。例如，在图9、图10、图11、和图12中示出的示例配置中，电极可以附着到压电部分14、压电部分72、或其结合。
图13是包括两个基底部分20、50的锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置90的图解，其中压电部分14附着到基底部分20并且非压电部分16附着到基底部分50。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分16。粘合部分18位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。非压电部分16的远端98延伸超过压电部分14的远端96。压电部分14的近端92延伸超过非压电部分16的近端94。
图14是包括两个基底部分20、50的锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置100的图解，其中非压电部分16未附着到基底部分20或基底部分50。在自励、自感知压电悬臂梁传感器100中所示的配置中，压电部分14的近端102附着到基底部分20并且压电部分14的远端104附着到基底部分50。压电部分14的近端102延伸超过非压电部分16的近端106并且压电部分14的远端104延伸超过非压电部分16的远端108。压电部分14通过粘合部分18耦合到非压电部分16。粘合部分18位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。
图15是包括压电部分14和非压电部分16的未锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置110的图解，其中压电部分的宽度WP小于非压电部分16的宽度WNP。除了WP小于WNP以外，图15中所示的配置110类似于图1中所示的配置12。因此，自励、自感知压电悬臂梁传感器110示出未锚定的、悬伸的、自励、自感知压电悬臂梁传感器的实施方式。压电部分14通过粘合部分(在图15中未示出粘合部分)耦合到非压电部分16。粘合部分位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。将压电部分14耦合到基底部分20。
图16是包括压电部分14和非压电部分16的未锚定的自励、自感知压电悬臂梁传感器的示例配置112的图解，其中压电部分的宽度WP小于非压电部分16的宽度WNP，并且其中压电部分14的远端114延伸超过非压电部分16的远端116以及压电部分14的近端118延伸超过非压电部分16的近端120。除了WP小于WNP以外，图16中所示的配置112类似于图6中所示的配置42。压电部分14通过粘合部分(在图16中未示出粘合部分)耦合到非压电部分16。粘合部分位于压电部分14和非压电部分16的交叠部分之间。将压电部分14耦合到基底部分20。
图17是利用自励、自感知压电悬臂梁传感器检测分析物的示例过程的流程图。在步骤120提供自励、自感知压电悬臂梁传感器。可以根据以上提供的描述或根据其任何合适变型来配置自励、自感知压电悬臂梁传感器。在步骤122自励、自感知压电悬臂梁传感器准备接收分析物。在示例实施方式中，将分析物吸引子施加到自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电部分。所述吸引子专用于分析物。因此所述吸引物将吸引目标分析物且不吸引其它物质。例如，自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电部分可以包括用来吸引下列物质的吸引子：例如炭疽杆菌的生物恐怖制剂、诸如大肠埃希菌的食源性病原体、食物和水中的病原体、体液中的细胞类型(例如循环肿瘤细胞)、体液中的生物标志(例如标志特定病理生理学α胎球蛋白、β-2-微球蛋白、囊肿瘤抗原、乳癌标志CA-15-3、和其它CAs(癌抗原)、降钙素、癌胚抗原等的蛋白质)、例如三硝基甲苯、硝基甲苯的爆炸性标志、空气传播和水传播的毒素、例如蛋白质的生物实体及其组合。
在步骤124，将自励、自感知压电悬臂梁传感器暴露于介质。所述介质可以包括任何合适的介质例如液体、气体、液体和气体的混合、或真空。所述介质可以呈现多种流动条件。如果目标分析物存在于介质中，则目标分析物将累积在已经用吸引子处理过的自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电部分上。如上所述，目标分析物在自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电部分上的累积(例如粘合)将导致自励、自感知压电悬臂梁传感器的硬度变化和/或自励、自感知压电悬臂梁传感器的质量增加，其将减小自励、自感知压电悬臂梁传感器的谐振频率。
在步骤126，测量自励、自感知压电悬臂梁传感器的谐振频率。可以通过任何合适的装置例如运算放大器、阻抗分析仪、网路分析仪、振荡电路等测量谐振频率。当激发自励、自感知压电悬臂梁传感器的压电部分的压电材料时，自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电部分弯曲以适应压电材料中引起的应变。当激发的频率与下面的机械结构的固有频率相同时，发生谐振。
在步骤128，将测量的谐振频率与基线谐振频率比较。基线谐振频率是其上没有累积分析物的自励、自感知压电悬臂梁传感器的谐振频率。如果未测量到测量的谐振频率和基线谐振频率之间的频率差(频率偏移)(在步骤130)，则在步骤132确定未检测到分析物。如果测量到测量的谐振频率和基线谐振频率之间的频率差(在步骤130)，则在步骤134确定检测到分析物，即在介质中存在分析物。在步骤136，根据在步骤130测量的频率偏移确定已经累积在自励、自感知压电悬臂梁传感器的非压电部分上的分析物的质量的数量。
已经利用自励、自感知压电悬臂梁传感器的多个配置进行多个实验。图18是在空气中工作的图1中所示的自励、自感知压电悬臂梁传感器的配置12的示例谐振谱的曲线137。宽度WP和宽度WNP均近似为2mm。曲线137示出在100mV的激发电压处相角(激发电压和激发电流之间)与激发频率的关系。第一谐振频率模式140大约发生在150和200kHz之间并且第二谐振频率模式142发生在250和300kHz之间。谐振谱在大约980kHz、2.90MHz和4.60MHz处示出较高阶的特征峰。
确定品质因数为谐振频率与半峰高处的峰宽的比率。因此，品质因数是谐振峰的形状的测量。实验已经证明，当将传感器设置在从真空到液体流动环境变动的不同环境中时，自励、自感知压电悬臂梁传感器的品质因数并没有大大减小。而且，实验已经证明，自励、自感知压电悬臂梁传感器的多个配置的Q值通常在10和70的范围内，取决于检测峰值的位置的相应频率模式。当用于真空、空气、和包括流动物的粘性环境中时，自励、自感知压电悬臂梁传感器的多个配置通常在Q值上的减小不会超过20％-35％。在该品质因数的总值中的相对小的损失表明了自励、自感知压电悬臂梁传感器精确检测包括水和血流的粘性环境中的化学药品和生物项目的能力。
实验已经证明，自励、自感知压电悬臂梁传感器的灵敏度是其尺寸的函数。自励、自感知压电悬臂梁传感器的几何形状的特定变化增强了所述传感器的质量变化灵敏度，并且因此增强了所述传感器对分析物的低浓度检测的响应。空气中的谐振谱、相角与激发频率的关系曲线分别示出在102±0.05、970±0.05、和1810±0.05kHz处的主要弯曲模式谐振曲线峰值。通过改变自励、自感知压电悬臂梁传感器的几何形状，增强了所述传感器的谐振特性。相应的弯曲谐振模式出现在较高的频率并且具有更大的相角，表明自励、自感知压电悬臂梁传感器的谐振曲线峰值更灵敏并且更小地被阻尼。
在示例实验中，测量自励、自感知压电悬臂梁传感器的质量变化灵敏度。将已知质量的固体石腊增加到自励、自感知压电悬臂梁传感器的玻璃表面并且将谐振频率的变化用于计算质量灵敏度，用g/Hz表示。对液体中的质量变化灵敏度进行直接测量；也对质量增加前后已知质量与液体中谐振频率变化的比率进行直接测量。将在液体条件下研究的谐振模式的质量灵敏度确定为1.5×10-15g/Hz。

Claims (27)

1.一种悬臂梁传感器，包括：
压电层，包括近端和远端；
基底部分，耦合到所述压电层的近端；
非压电层，包括近端和远端，其中所述压电层的至少一部分耦合到所述非压电层的至少一部分，使得所述压电层和所述非压电层是不同延的，其中，所述基底部分未附着到所述非压电层的近端；以及
电极，可操作地关联于所述压电层。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中：
所述非压电层的远端延伸超过所述压电层的远端；以及
所述压电层的近端延伸超过所述非压电层的近端。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中：
所述非压电层的远端与所述压电层的远端齐平；以及
所述压电层的近端延伸超过所述非压电层的近端。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中：
所述压电层的远端延伸超过所述非压电层的远端；以及
所述压电层的近端延伸超过所述非压电层的近端。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述非压电层包括玻璃、陶瓷、金属、聚合物、以及聚合物和陶瓷复合物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述非压电层包括二氧化硅、铜、不锈钢、和钛中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述压电层包括锆钛酸铅、铌酸铅镁-钛酸铅固溶体、钛酸锶铅、石英硅石、压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)以及压电陶瓷聚合物纤维复合物中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述非压电层的长度在0.1mm到10.0mm的范围内。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述压电层的长度在0.1mm到10.0mm的范围内。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述非压电层的宽度在0.1mm到4.0mm的范围内。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述压电层的宽度在0.1mm到4.0mm的范围内。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述压电层或所述非压电层中的至少一个的至少一种物理尺寸不一致。
13.根据权利要求1所述的传感器，其中，利用所述电极测量所述传感器的谐振频率。
14.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述测量的谐振频率可表示累积在所述传感器上的分析物的数量。
15.根据权利要求1所述的传感器，其中：
与应力相关的振动集中在所述基底部分附近的所述压电层中；以及
所述电极位于邻近所述集中应力的位置。
16.一种用于检测分析物的方法，该方法包括：
提供悬臂梁传感器，所述悬臂梁传感器包括：
压电层；
至少一个基底部分，耦合到所述压电层和所述非压电层中的至少一个；
非压电层，其中，所述压电层的至少一部分耦合到所述非压电层的至少一部分，使得所述压电层和所述非压电层是不同延的，其中，所述基底部分未附着到所述非压电层的近端；以及
电极，可操作地关联于所述压电层，
将所述非压电层的至少一部分暴露于介质；
经由所述电极测量所述传感器的谐振频率；
比较所述测量的谐振频率与基线谐振频率；
如果所述测量的谐振频率不同于所述基线谐振频率，则确定在所述介质中存在分析物。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述基线谐振频率是在其上没有累积分析物的所述传感器的谐振频率。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述介质包括液体、气体、和真空中的一种。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述分析物包括生物恐怖制剂、体液中的细胞类型、体液中的生物标志、爆炸性材料的指示、空气传播的毒素、水传播的毒素、以及生物学实体中的至少一种。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：根据所述测量的谐振频率与所述基线谐振频率之间的差来确定累积在所述传感器上的分析物的数量。
21.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：根据所述测量的谐振频率与所述基线谐振频率之间的差来确定累积在所述传感器上的分析物的质量的数量变化，其中，所述测量的谐振频率与所述基线谐振频率之间的1Hertz的差可表示大约100attograms的质量变化。
22.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：检测所述介质中分析物的存在，其中，所述分析物包括在所述介质中的、浓度为1.0femtograms每mL的蛋白质、DNA以及RNA中的至少一种。
23.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：检测所述介质中分析物的存在，其中，所述分析物包括在介质中的、浓度为1个病原体每mL的病原体。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述测量的谐振频率与所述基线谐振频率之间的差可表示所述压电层中的应力。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，与应力相关的振动集中在所述压电层中的位置，所述方法进一步包括将所述电极定位于邻近所述集中应力的位置。
26.根据权利要求19所述的方法，其中，所述生物学实体是食源性病原体和/或水病原体。
27.根据权利要求22所述的方法，其中，所述蛋白质是脂蛋白。
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