CN102625906A - 用于使用压电谐振器的流体介质中的纳米重量测定的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法、一种用于电子表征的设备和一种用于监视化学或物理过程的测量单元和支撑体，所述化学或物理过程具有能够根据沉积在压电传感器上、被暴露于具有稳定物理性质的流体介质的涂层的重量变化被评估的结果。本发明使用分析表达式的推演，其确定询问压电谐振器的固定频率信号的相位变化与涂层的体密度的变化之间的简单联系。本发明适合于使用用于表征生物化学和电化学过程的压电谐振器的实施方式，特别地诸如：压电生物传感器和免疫传感器、用AC电重量分析法(electrogravimetry)进行的过程和材料表征、溶解化学或生物学物质的检测。

Description

用于使用压电谐振器的流体介质中的纳米重量测定的方法和设备

技术领域

本发明涉及化学传感器的领域，特别地涉及使用电气测量来检测重量的极小变化的那些化学传感器，并且更特别地涉及在液体介质中使用诸如微量或纳米天平(nano-balance)的压电谐振器的那些化学传感器。

背景技术

微尺度传感器以及其中基于压电石英晶体的那些是用来通过作为谐振器进行操作的此类晶体的谐振频率所耐受的变化准确地测量沉积在其上面的每单位面积的重量变化的设备。在目前市场上存在的微量天平传感器(microbalance sensor)之中，所谓的AT切割石英谐振器(其中此类型切割对应于处于具有相对于晶体的光轴z的35°15′的倾斜度的角度的切割且垂直于其平面y-z)正在变成广范围的实施方式内的替换分析工具，其中，一个人希望检测溶液中的物质的存在或以在许多情况下可比较于经典化学技术的分辨力来表征化学过程(参见参考文献：A.W.Czanderna和C.Lu(1984)在C.LU and A.W.Czanderna(eds)，Elsevier，Amsterdam，Vol.7中的“Applications ofpiezoelectric quartz crystal microbalances”；A.Janshoff，H-J Galla和C.Steinem(2000)在Angew.Chem Int.Ed.39：4004-4032中的“Piezoelectric mass-sensing devices as biosensors-an alternative tooptical biosensors？”；MA.Cooper和VT.Singleton(2007)在Journalof Molecular Recognition 20(3)：154-184中的“A survey of the 2001to 2005 quartz crystal microbalance biosensor literature：applications ofacoustic physics to the analysis of biomolecular interactions”；TA.Camesano、YT.Liu和M.Datta(2007)在Advances in Water Resources30(6-7)：1470～1491中的“Measuring bacterial adhesion atenvironmental interfaces with single-cell and single-moleculetechniques”；O.Lazcka、FJ.Del Campo和FX、(2007)在Biosensors & Bioelectronics 22(7)：1205-1217中的“Pathogen detection：A perspective of traditional methods and biosensors”；TS.Hug(2003)在Assay and Drug Development Technologies(3)：479-488中的“Biophysical methods for monitoring cell-substrate interactions in drugdiscovery”；FL.Dickert、P.Lieberzeit和O.Hayden(2003)在Analyticaland Bioanalytical Chemistry 377(3)：540-549中的“Sensor strategies formicro-organism detection-from physical principles to imprintingprocedures”；KA.Marx(2003)在Biomacromolecules 4(5)：1099-1120中的“Quartz crystal microbalance：A useful tool for studying thinpolymer films and complex biomolecular systems at the solution-surfaceinterface”；KA.Fahnrich、M.Pravda和GG.Guilbault(2002)在Analytical Letters 35(8)：1269-1300中的“Immunochemical detectionof polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)”；J.Wegener、A Janshoff和C.Steinem(2001)在CeII Bio-chemistry and Biophysics 34(1)：121-151中的“The quartz crystal microbalance as a novel means tostudy cell-substrate interactions in situ”；CK.O′Sullivan和GG.Guilbault在Biosensors & Bioelectronics  14(8-9)：663-670中的“Commercial quartz crystal microbalances-theory and applications”；CK.O′Sullivan、R.Vaughan和GG.Guilbault(1999)在AnalyticalLetters 32(12)：2353-2377中的“Piezoelectric immunosensors-theory andapplications”；K.Bizet、C.Grabielli和H.Perrot(1999)在AnalysisEurJAC 27：609-616中的“Biosensors based on piezoelectrictransducers”)。

最初在Anglo-Saxon文献中作为QCM(石英晶体微量天平)更加众所周知的作为石英晶体微量天平的AT切割石英晶体谐振器的使用是基于本领域的技术人员众所周知的Sauerbrey等式(G.Sauerbrey(1959)在Zeitschrift Fuer Physik 155(2)：206-222中的“Verwendungvon schwingquarzen zur

dünner Schichten und zur”)。Sauerbrey的等式规定谐振器的谐振频率的下降与传感器表面上的涂层的表面重量密度的增加成比例。当传感器与牛顿液体介质接触时，Kanazawa等式(K.K.Kanazawa和J.G.Gordon II(1985)在Analytica Chimica Acta 175：99-105中的“The oscillationfrequency of a quartz resonator in contact with a liquid”)提供由于与流体的接触而引起的谐振器的谐振频率的漂移。对于表面中的一个涂有非常薄的材料层的QCM传感器而言，其如此薄以至于通过涂层厚度中的声波的滞后是非常小的，并被暴露于牛顿液体。Martin等式(I)提供涂层重量(Sauerbrey效果)和谐振频率变化中的液体(Kanazawa效果)的效果组合的定量联系(S.J.Martin、V.E.Granstaff和G.C.Frye(1991)在Anal.Chem.63：2272-2281中的“Characterization of quartzcrystal microbalance with simultaneous mass and liquid loading”)。

$\mathrm{\Δf}=-\frac{2f_s^2}{Z_{\mathrm{cq}}}({\mathrm{\ρ}}_c{h}_c+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_L{\mathrm{\δ}}_L)---\left(I\right)$

在以上等式中，右端的第一项对应于Sauerbrey效果且第二个对应于Kanazawa效果，其中，f_s是传感器的谐振频率，Z_cq是石英的特性声阻抗，ρ_c和h_c分别是涂层的密度和厚度，并且ρ_L和δ_L分别是声波在液体中的穿透的密度和深度：1/2ρ_Lδ_L实际上是跟与液体介质接触的传感器的表面的振荡移动相关联的等效重量的表面密度。

根据等式(I)，对于涂层的某个表面重量密度而言，频率偏移的绝对值与谐振频率的平方成正比地增加。因此，想到QCM传感器的谐振频率越高，其将具有越大的灵敏度看起来是合理的。实际上，谐振频率始终是QCM传感器中的基本表征参数。

的确，事实上，在QCM传感器的表征中使用的大多数技术已被用来确定谐振器的谐振频率的变化以及其其它相关参数(授予Granstaff等人的专利US5201215“Method for simultaneousmeasurement of mass loading and fluid property changes using a quartzcrystal microbalance”包括应监视的传感器的其它参数；还参见参考文献：A.Arnau、V.Ferrari、D.Soares、H.Perrot在Piezoelectric Transducersand Applications，2nd Ed.，pp.117，A.Arnau Ed.，Springer-Verlag BerlinHeidelberg(2008)中的“Interface Electronic Systems for AT-cut QCMSensors.A comprehensive review”；F.Eichelbaum、R.

J.

R.Lucklum和P.Hauptmann(1999)在Rev.Sci Instrum.70：2537-2545中的“Interface circuits for quartz crystal microbalancesensors”)：使用网络或阻抗分析器来确定在谐振频率范围内的谐振器的电导并确定与最大电导相对应的频率(J.

R.

R.Lucklum和P.Hauptmann(2001)在Review Scientific Instruments 72(6)：2750-2755中的“Network analysis based interface electronics forquartz crystal microbalance”；S.Doerner、T.Schneider、J.

和P.Hauptmann(2003)在Proceedings of IEEE Sensors 1，pp.596-594中的“Universal impedance spectrum analyzer for sensor applications”)；包含于在1999年授予Rodahl等人的专利US6006589中的衰减技术(还参见参考文献M.Rodahl和B.Kasemo(1996)在Rev.Sci Instrum.67：3238-3241中的“A simple setup to simultaneously measure theresonant frequency and the absolute dissipation factor of a quartz crystalmicrobalance”)通过使信号断开连接来处理结果得到的信号，利用该信号在接近于谐振频率的频率上激励谐振器达到一定时间。此分析最终提供关于谐振频率的变化(根据配置串行地或并行地)和谐振器中的损失的信息；在基于振荡器的技术中，使用谐振传感器作为用于控制振荡频率的元件，允许连续监视与谐振范围内的谐振器的特定相位对应的频率。此频率可以在许多应用中使用，诸如参考谐振器的谐振频率(参见以下参考文献：H.Ehahoun、C.Gabrielli、M.Keddam、H.Perrot和P.Rousseau(2002)在Anal Chem.74：1119-1127中的“Performances and limits of a parallel oscillator for electrochemicalquartz crystal microbalances”；C.Barnes(1992)在Sensors and ActuatorsA-Physical 30(3)：197-202中的“Some new conceptson factorsinfluencing the operational frequency of liquid-immersed quartzmicrobalances”；K.O.Wessendorf(1993)在Proceedings of the 1993IEEE International Frequency Control Symposium，pp.711-717中的“Thelever oscillator for use in high resistance resonator applications”；R.

J.

R.Lucklum和P.Hauptmann(2002)在IEEETrans.Ultrason.Ferroelect.Freq.Contr.49(9)：1254-1259中的“Is anoscillator-based measurement adequate in a liquid environment”；S.J.Martin、J.J.Spates、K.O.Wessendorf、T.W.Schneider和R.J.Huber(1997)在Anal.Chem.69：2050-2054中的“Resonator/oscillatorresponse to liquid loading”)。基于振荡器的技术对于监视频率而言是最简单和最快的，但是在液体介质中具有操作缺点，其中发生具有重大关系的许多应用；由于此类原因，已进行了很大的努力以便设计适合于这些应用的振荡器，其已导致不同的专利，诸如：题为“Systemfor sustaining and monitoring the oscillation of piezoelectric elementsexposed to energy-absortive media”的在1988年授予Hager的专利US4,783,987；在1988年和1995年授予Paul等人的专利US_4788466和US_6848299_B2“Piezoelectric sensor Q loss compensation”和“Quartzcrystal microbalance with feedback loop for automatic gain control”；在1995和2001年授予Wessendorf的专利US_5416448和US_6169459“Oscillator circuit for use with high loss Quartz resonator sensor”和“Active bridge oscillator”；最后，存在一组技术，其可以是所谓的“钩子技术”(参见参考文献A.Arnau、T.Sogorb、Y.Jim énez(2002)在Rev.Sci.Instrum.73(7)：2724-2737中的“Circuit for continuousmotional series resonant frequency and motional resistance monitoring ofquartz crystal resonators by parallel capacitance compensation”；V.Ferrari、D.Marioli和A.Taroni(2001)在IEEE Trans.Instrum.Meas.50：1119-1122中的“Improving the accuracy and operating range of quartzmicrobalance sensors by purposely designed oscillator circuit”；A.Arnau、J.V.Garc ía、Y.Jim énez、V.Ferrari和M.Ferrari(2007)在Proceedings of Frequency Control Symposium Joint with the 21stEuropean Frequency and Time Forum.IEEE International，pp.357-362中的“Improved Electronic Interfaces for Heavy Loaded at Cut QuartzCrystal Micro-seale Sensors”；M.Ferrari、V.Ferrari、D.Marioli、A.Taroni、M.Suman和E.Dalcanale(2006)在IEEE Trahs.Instrum.Meas.55(3)：828-834中的“In-liquid sensing of chemical compounds by QCMsensors coupled with high-accuracy ACC oscillator”；B.Jakoby、G.Art和J.Bastemeiier(2005)在IEEE Sensors Journal 5(5)：1106-1111中的“A hovel analog readout electronics for microacoustic thicknessshear-mode sensors”；C.Riesch和B.Jakoby(2007)在IEEE SensorsJournal 7(3)：464-469中的“Novel Readout Electronics for ThicknessShear-Mode Liquid Sensors Compensating for Spurious Conductivity andCapacitances”)，可以将其视为尖端振荡器，因为这些包括反馈环路，其中，可以认为传感器激励源在其外部，并且其中，可以准确地对环路的反馈条件进行校准。这些技术允许准确地监视谐振器的动态系列谐振频率，并且其中的某些已受到专利的保护(授予Ferrari等人的MI2003A000514“Metodo e dispositivo per determinare Ia frequenza dirisonanza di sensori piezoelettrici risonati”和在2004年授予Arnau等人的专利ES2197796“Sistema de caracterizaci ón de sensores de cristal decuarzo resonante en medios fluidos，y procedimiento de calibraci ón ycompensaci ón de Ia capacidad del cristal de cuarzo”)。

无论如何，使用某些所述技术或其变化但具有监视传感器的谐振频率的共同目的的其它最近的专利已被审查(在2000和2001年授予J.P.Dilger等人的那些，US 6161420“High frequency measuring circuit”和US 6222366_B1 U.S.“High frequency measuring circuit with Inherentnoise reduction for chemicals resonating sensors”；在2001年授予J.R.Vig的US 6247354_B1“Techniques for sensing the properties of fluidswith resonators”；在2003年授予Chang等人的专利US 6557416 B2“High resolution biosensor system”；在2006年授予Nozaki的专利US 7036375B2“QCM sensor and QCM sensor device”；在2007年授予Dayagi等人的US 7159463B2“Sensitive and selective method anddevice for the detection of trace amounts of a substance”；在2007年授予Itoh等人的US 7201041B2“Analysis method using piezoelectricresonator”；在2008年授予Zeng等人的US 7329536B2“Piezoimmunosensor”)。

执行谐振器的谐振频率的监视和因此的其变化的主要原因是在此变化与实际应用中的关心物理量之间存在简单的联系。在这种情况下，已在等式(I)中提出可能由于涂层的密度或液体介质的性质的变化而引起的传感器表面上的重量表面密度的变化。在覆盖宽范围过程表征的许多应用中，例如在压电生物传感器中(参见参考文献MA.Cooper和VT.Singleton(2007)在Journal of Molecular Recognition 20(3)：154-184中的“A survey of the 2001 to 2005 quartz crystalmicrobalance biosensor literature：applications of acoustic physics to theanalysis of biomolecular interactions”)，传感器的谐振频率所经历的位移通常是非常小的，以兆赫为单位约为几十赫兹，并且是由于覆盖谐振器的敏感薄层的重量增加而引起的，其中，液体介质基本上保持其流体物理性质恒定。因此，正在进行很大的努力以改善石英晶体微量天平传感器的灵敏度；如等式(I)提出的，这些努力中的大部分旨在增加谐振器的谐振频率。然而，等式(I)提供理论理想灵敏度，其隐含地针对表征和测量过程采取系统部件的无限稳定性，使得不存在与测量系统相关联的干扰或来自用于表征的电子系统的不稳定性。遗憾的的是情况不是如此，并且灵敏度不是唯一地取决于谐振器，而是还取决于测量系统和表征电子电路的设计和配置。除表征电子电路之外，在这里将执行实验所需的全部基础设施(包括测量单元、流量元件、泵、用于调整温度的系统等)理解为测量系统。假设测量系统已被设计为使可能影响谐振器的谐振频率的中断和干扰最小化，诸如：温度变化、振动、由于使用不适当注射泵而引起的流体压力变化等，组件的灵敏度将取决于传感器的谐振频率的测量的准确度，该准确度又将取决于由用于表征的电子系统本身产生的干扰。因此，在不考虑用来表征传感器的系统的情况下不能适当地评估灵敏度。

用来表征微量天平应用(上文已描述其中的大部分)中的压电谐振器的系统可以分为两类：a)被动地询问保持在表征系统外面的那些，以及b)其中传感器是表征系统本身的一部分的那些。网络或阻抗分析器和衰减的技术在第一组中，而第二组可以包括振荡器。可以认为在两组之间找到钩子技术。

认识到网络或阻抗分析器的优点且使其与能够在校准之后表征传感器的事实相关联，其中，在传感器本身外部的任何电影响已经被平衡。衰减法提供高准确度，只要衰减信号的获取方面的精度在相位和振幅两方面是高的，导致高频谐振器的复杂。因此，对于高于50MHz的高频谐振器而言，只有阻抗分析器是足够准确的，但是其高成本和尺寸使得其不适合于作为传感器的实现。钩子技术在谐振器的相对低的频率上提供比分析器简单的电路；但是在高频率上，电路复杂性增加且关于相对于分析器或衰减技术所表示的简单性的优点大大地减小。因此，振荡器变成用于监视高频谐振器中的谐振频率的替换；其低成本、集成能力以及谐振频率的快速和连续监视使得其为在高谐振频率上实现QCM传感器的所选替换。然而，在振荡器中，灵敏度是由频率的稳定性确定的且频率的稳定性是由相位的稳定性确定的，这取决于振荡器系统的所有部件的相位响应。原则上，谐振器在振荡器中的作用是吸收在振荡系统的其它部件中发生的相位变化。谐振器的相位-频率响应的陡斜(steep slope)使得这些相位变化被振荡频率中的非常小的变化补偿。然而，在QCM传感器的情况下传感器所经历的变化是精确地关心的，由此，形成振荡器电路的其它部件的相位响应的任何变化将导致频率不稳定。此外，在液体介质中的实现中大大地降低了作为传感器的谐振器的品质因数，因此，振荡器的其它部件的相对小的相位响应变化将导致将作为噪声出现的振荡频率的相对大的变化。频率和相位噪声随系统的频率增加，因此，说传感器的谐振频率的增加将必然意味着传感器系统的灵敏度的增加是不显著的，如等式(I)所示。

替换方法将是用来自在频率和相位方面具有高稳定性的外部源的测试信号(所谓测试信号)来询问传感器，与阻抗或网络分析器所做的类似，但处于在传感器的谐振波段内设定的测试频率(或频率测试)。从测试信号所经受的相位变化将检测到例如由于沉积在谐振器上的薄层的重量表面密度的变化而引起的谐振器的相位-频率响应的变化。原则上，此相位变化应定量地与传感器的表面上的重量变化相关。授予Drees等人的专利US5932953要求保护基于此思想的方法和系统，其具有以下优点。

—测试信号的稳定性可以非常高，使得传感器响应的表征方面的精度不受表征信号的噪声本身的干扰。

—在电路的输入端处的原始信号与受传感器的响应影响的结果信号之间执行滞后的测量。因此，滞后的测量是差动(differential)的，并且原始测试信号的任何相位不稳定性被同时地传递至在差动测量(differential measurement)中相互抵消的输出信号。

—可以用相对简单的电路来实现滞后的测量，甚至在非常高的频率下，因此，可以通过使用简单且容易集成的电子装置来实现该系统。

—当使用固定频率的测试信号时，可以使用相同信号或由此合成的信号来同时地询问其它传感器，这大大地促进具有多个谐振器的系统的实现。

然而，实际上可以由测量方法和系统基于用固定频率测试信号来询问传感器设备的原始思想提供的这些明显优点由于以下原因而都未被在所述专利US5932953中提出的方法和系统完全实现：

1.—在所述发明中要求保护的方法假设相位的测量提供沉积在谐振器的表面上的敏感涂层的重量变化的定量度量；然而其不提供所述相位变化与相应重量变化之间的数值联系。因此，为了应用所述方法，传感器设备的校准应是必要的；这使要求保护的方法的应用复杂化。此外，在此类专利中，假设由相位插入的变化与重量变化之间的联系给出的灵敏度也与频率成比例地增加，以与谐振频率变化与重量变化之间的联系相同的方式。此假设是由意图对在本专利中提出的方法和系统满意的问题的分析中的缺少严格性而导致的。如在本发明的详细说明所讨论的，情况不是这样，此外，对于真空或气体介质中的谐振器而言，由插入相位的变化与重量变化之间的联系给出的灵敏度在真空中不增加，并且在气体介质中通过增加传感器的谐振频率而略微增加，同时在液体介质中，其与谐振频率的平方根成比例。在本发明中第一次示出的此结果举例说明其目的不是之前的专利的简单或略微修改。

2.—在专利US5932953中要求保护的方法和系统假设测试信号的频率可以是传感器的谐振波段内的任何频率。如在本发明中将举例说明的，情况不是如此。必须用来确立相位基(phase base)或基准线的测试信号必须必要地或非常接近于是传感器的所谓“动态系列谐振频率”(此类频率称为DSRF且在本发明的详细说明中进行了定义)；相反，相位变化的度量不能简单地与重量变化有关，因为此联系将取决于测试信号的准确频率和所使用的传感器，其将使在另一频率下执行的任何校准无效并使得要求保护的方法的实现不切实际。在此意义上，系统要求保护，基于由两个谐振器(其谐振波段重叠、其中的一个被用作参考以抵消诸如温度、粘度等的外部效果，并且其中，测试信号的频率被设定在重叠波段的中间区上)产生的滞后的同时差动测量，未提供期望的结果，因为传感器在其相位-频率响应的不同区域中被询问；因此，外部效果在每个谐振器中产生不同的响应，这防止其抵消。

3.—此外，在要求保护的方法或要求保护的系统中未安排(schedule)将诸如在前一节中揭示的测试信号的频率选择。因此，要求保护的系统不适合于在方便频率上适当地测量相位变化。本发明的系统目的将此方面考虑在内，源于问题的精密分析，并且因此，其不是上文引用的专利所示的系统的简单或略微修改的结果。

4.—在专利US5932953中要求保护的方法和系统仅设置相位变化的测量。然而，相位变化的唯一测量不允许保证相位变化唯一地与传感器中的重量变化相关。事实上，如果谐振器上的流体介质的物理性质改变，则相位变化可能被此类变化通过引起重量变化表征的误差而破坏。因此需要在系统中包括允许确定相位与重量变化之间的联系的有效性的方式。

5.—如所述的，相位-频率灵敏度对于真空或气体介质的情况下不随着谐振频率而增加，甚至对于液体介质而言，其不会增加如预期的那么多；因此，仍可能期望使用谐振频率变化的度量作为表征参数。在专利US5932953中要求保护的系统未考虑此方面，因为其直到现在也未被揭示。本发明的系统目的考虑此方面，在详细说明包括的分析之后，实现允许确定适当测试频率和谐振频率变化的可选度量两者的反馈系统。

6.—专利US5932953要求保护其中用在传感器的谐振波段内的固定频率信号询问传感器的方法和系统。一旦设置了测试频率，其在测量过程中自始至终保持恒定。要求保护的方法和系统未考虑在测量过程期间的谐振区域内由于谐振器的相位-频率曲线的位移而引起的测试频率所遭受的移位。另外，其未提供用于在传感器的谐振区域内执行适当测试频率的选择的任何程序。此方面是非常重要的，如已指示的且如在以下本发明的详细说明中将变得显而易见的。允许固定测试信号的适当频率且同时确定测试信号的频率在要监视的实验期间如何远离其最佳值的受控反馈的插入是对已在前一节中提出的要求保护的系统和方法的重要改进。此方面是特别相关的，因为在实验期间的谐振器的相位-频率响应的修改可能导致测试信号最后在其中不存在灵敏度或者其被大大地降低、即其中不存在暴露于涂层重量变化的相位变化的其相位-频率响应区域中询问传感器；以另一方式，传感器的响应是饱和的。特别地，在气体介质中，传感器的饱和可以快速地发生，即相位变化与重量变化之间的响应的漂移(excursion)可能是非常短的，因为传感器的频率-相位响应是非常突变的。因此，包括允许在测量过程期间相对于其最佳值来评估测试信号的频率的偏差度并允许在测试频率的偏差在先前确定直之上时以适当和自动的方式来修正所述测试频率的方法和系统是改进的重要目的。

7.—在专利US5932953中要求保护的系统仅仅总体上确定传感器的相位变化的测量。如在本发明的详细说明中举例说明的，必须设计一种允许尽可能准确地测量由于主要关联的阻抗对传感器的动态分支的响应的变化而引起的相位变化的系统。系统的不适当设计将降低传感器系统的灵敏度。

除适当的电子表征方法和系统之外，在尝试用具有主要非常高的谐振频率的谐振器工作时要克服的另一困难是其小尺寸和易碎性；这些特征使得极其难以设计满足以下规范的测量单元：必须扩展用于连接到电子表征系统的谐振器的电接点，并且必须允许在不过度干扰传感器的响应的情况下的液体介质的谐振器一侧的隔离，必须促进流动中的实验的执行，其中，流体被引导(channel)从而与压电谐振器的至少一个振动表面接触，并且必须允许实验者进行的传感器的安全操纵。本发明的旨在增加当前微量天平系统的灵敏度，由此，其提出必须伴随有使得方法的应用和谐振传感器的电表征两者都可行的适当测量单元的电子表征方法和系统两者。目前，由于所述原因，不存在被准备用具有在50MHz以上的主要频率的AT切割压电石英谐振器进行工作的测量单元。本发明提供解决这些问题的支撑体(support)和测量单元。

上述分析用于突出本发明的目的的某些关键且不同的特征，其不限于所述专利，而是主要通用于当前现有的系统。

发明内容

因此本发明的主要目的是提供一种用于表征能够按照沉积在压电传感器上并被暴露于其物理性质保持稳定的流体介质的涂层上的传递、累积或重量损失来评估其结果的化学或物理过程的方法、电子装置和测量单元及支撑体。本发明利用分析表达式的推演确定询问压电谐振器的固定频率信号的相位变化与沉积在谐振器上的涂层的重量密度变化之间的简单联系。本发明提供可观的改善并避免先前系统的缺点。另外，提出的方法对在切变模式(shear mode)下操作的任何谐振器有效(所述模式被定义为其中粒点位移平行于传感器表面且波沿着垂直于位移的方向传播，亦即其产生横波传播的模式)，诸如，例如AT切割石英谐振器或以其英语缩写FBAR(薄膜体声波谐振器)被更加众所周知的体积和薄膜声波谐振器，其中的某些还可以以切变模式振动。

本发明的目的还有提供一种不要求在振荡器电路中结合传感器谐振器的方法和系统。

本发明的目的是提供一种在提供灵敏度增加的同时在物理或化学过程期间测量在沉积在压电谐振器上的涂层上发生的传递、累积或重量损失的方法和系统，其避免了基于阻抗分析器或衰减系统的复杂且昂贵的系统的使用。

本发明的优先权目的是提供一种方法，其使用简单的数学联系，以从在传感器的谐振区域内的固定和特定频率信号在要表征的物理或化学过程期间通过谐振传感器传送时所经历的相位变化获得沉积在谐振传感器的至少一个表面上的涂层所遭受的重量变化的定量度量，因此避免复杂校准程序的执行。

本发明的另一主要目的是提供一种允许确定用来询问谐振传感器的测试信号的最佳频率的方法和系统，其中，上述相位变化与重量变化之间的联系是有效的；并且其考虑的方法和系统允许在由涂层重量变化的效果进行的移动谐振器的相位-频率响应大于先前确定的值时相对于其最佳值来修正存在偏差情况下的测试信号的频率；因此避免谐振传感器的响应的饱和。

本发明的又另一目的是提供一种允许在监视动态系列谐振频率或监视测试信号的相位变化之间进行选择作为用于在实验期间表征谐振传感器的参数的方法和系统。

本发明的目的是提供一种主要是通过传感器的动态分支的相位-频率响应的变化的效果来允许获得通过谐振传感器传送的固定频率信号所耐受的相位变化的度量的方法和系统，因此使相位和重量变化之间的联系最大化。

本发明的又另一目的是提供一种系统，其中，相位变化的测量基本上没有来自环境的在传感器外部的因素。

本发明的又另一目的是提供一种扩展允许谐振器到用于表征的电子系统的连接的谐振器电接触的支撑体和测量单元，将谐振器的一侧与接触涂层的液体介质隔离，这允许执行流量测量且这提供实验者进行的传感器的安全操纵，并且所有这些没有过度地干扰传感器的相位-频率响应。

根据本发明的这些及其它目的，提供了一种用于表征沉积在压电传感器上并暴露于其物理性质保持稳定的流体介质的涂层的传递、累积或重量损失的方法，其包括以下操作：

1.—向其中连接了谐振传感器的电路施加测试电压信号。

2.—在被视为基准的状态中选择基本上等于(此术语被理解为相等或非常接近的频率)谐振器的动态系列谐振频率的测试信号的频率。

3.—测量两个电压信号的值，其中的一个确定传感器的相位基准且另一个确定其损失的水平基准。

4.—监视在要表征和监视的过程中先前被作为基准采取的电压值。

5.—保证在实验期间基本上不修改传感器损失基准电压的值。

6.—为了在要监视的过程期间修正测试信号的频率值，在提供相位变化的测量的信号已偏离超过或低于先前确定的值时，该值被设定为上述第3点中的传感器的相位基准，直到提供相位变化的测量的信号具有与被设定为上述第3点中的传感器的相位基准的值相同的值，或者其绝对值的差小于某个先前确定的量。

7.—从通过简单分析表达式的应用提供相位变化测量的信号变化获得在已被监视的实验过程期间的涂层上的重量变化，所述简单分析表达式将在步骤2中确定的测试信号在通过传感器被连接到的电路时耐受的相位变化与所寻找的重量变化联系。

根据前述目的提供了一种电子系统，其用于表征沉积在压电传感器上并暴露于其物理性质保持稳定的流体介质的涂层的传递、累积或重量损失，其允许实现上述方法且包括：

—某个固定频率的源，具有高稳定性和低相位噪声信号，

—频率合成子系统；

—信号控制和获取子系统；

—具有滤波能力和功率水平的适当性的信号调节电路；

—由共享输入端并具有两个输出端(每个分支一个)的两个分支形成的电路。一个分支包括其相位-频率响应不改变的部件；另一个包括部分地与第一个相同的部件作为反射镜，但部件的一部分被谐振传感器替换；

—可调整增益相位检测子系统，其提供与其输入端处的信号之间的相位差成比例的电压信号；以及

—功率测量子系统，其提供与其输入端处的信号水平之间的差成比例的电压信号；

并且其特征在于：

—频率合成子系统从固定频率信号提供其频率能够扫过谐振传感器的谐振频带的信号；

—由频率合成子系统提供的信号被连接到适当地对其进行滤波并提供适当功率水平的信号调节电路的输入；

—信号调节电路的输出端被连接到其中连接了谐振传感器的两个分支的电路的输入端；

—两个分支的电路的每个输出端被连接到相位检测子系统的一个输入端，相位检测子系统的输出端提供具有与在其输入端处的信号之间的相位差成比例的值的连续电压信号；

—两个分支电路的每个输出端还被连接到功率测量电路的一个输入端，该功率测量电路的输出端提供具有与在其输入端处的信号之间的功率水平差成比例的值的连续电压信号；

—相位检测电路的输出及其功率水平被能够作用于频率合成子系统以控制来自所述子系统的输出信号的频率的控制系统获取；

—根据上述方法步骤7直接分析来自由控制系统获取的信号的数据，或者传输至外部设备以便实时地或在稍后依照所述方法进行处理。

依照前文所述的目的，用于表征沉积在压电传感器上并暴露于其物理性质保持稳定的流体介质的涂层的传递、累积或重量损失的测量单元和支撑体，由以下各项组成：

—支撑体，谐振传感器被沉积在其上面并在提供使用的稳健性和容易性的同时扩展谐振器的电接触；

—下块，其被沉积在支撑体上，并且其允许从谐振器扩展、通过支撑体至常规连接器的电接触的连接，其提供谐振传感器至表征电气系统的电连接；

—上块，其包括流量系统且其连接使得支撑体位于两块之间，使得谐振传感器的一部分与流隔离；

并且其特征在于其使电接触从谐振器扩展，允许其到上述用于表征的电子系统的连接，在于其使谐振器的一个面从与涂层接触的液体介质隔离，在于其允许执行流量测量，并且在于其提供实验者进行的传感器的安全操纵，而不过度地干扰来自传感器的相位-频率响应。

通过本发明的详细说明，本发明的目的和优点将变得更加显而易见。

附图说明

为了补充所进行的说明且为了帮助更好地理解本发明的特征，根据其优选实施例，作为本说明的组成部分附加了一组图，其中以说明性且非限制性方式表示以下各项：

图1.—表示用于沉积压电传感器的支撑体的正视图(elevation)的设置(plant)、下底板和横截面；其还示出压电谐振器的底板。

图2.—其是本发明的整个测量单元目标的分解图，其具有其透明部分以便某些细节的更好可见度。

图3.—表示压电谐振器的等效电模型。

图4.—示意性地表示用于监视由于其路径中的压电传感器的相位-频率响应变化而引起的固定频率信号的相位变化的电路，本发明的目的。

图5.—其是示出针对动态阻抗的相位变化及等式XVI和XVIII获得的结果的比较的图，其在以下详细说明中针对不同谐振频率的三个AT石英传感器(在每一个的动态系列谐振频率周围)进行推演。

图6.—其是示出三个不同谐振频率的传感器的相位-重量灵敏度的比较的图表。

具体实施方式

图1示出特别地被设计为容纳谐振传感器的正视图的设置、下底板和横截面。支撑体旨在扩展谐振器电接触，该谐振器电接触允许其到用于表征的电子系统的连接，并提供实验者进行的传感器操作的稳健性和容易性。此类支撑体的设计是其在不过度地干扰传感器的频率-相位响应的情况下提供此类目的，并且因此其是本发明的优先权目的中的一个的优选实施例。

相对于在图1中提出的本发明的目的，在由具有用于支撑与必须在特定实验中使用的固体和液体元件的接触的适当特征的材料制成的支撑体1上，已执行由以下元素组成的机械加工：突出体3、狭槽5、肋6、孔7和8及中心肋9、在突出体与神经(nerve)6和9之间留下间隙10。通过执行所述支撑体1，在突出体3与肋6和9上之间沉积石英谐振器2；突出体3在用于放置谐振器的过程期间充当引导，使得谐振器的中心与孔8的中心重合；在此位置上，谐振器4的电极的末端适当地从肋6突出，每个到达狭槽5中的每一个。在放置谐振传感器2之前用具有适当物理性质的密封膏来填充在谐振器下面的间隙10，此类膏在干燥时不收缩是重要的。在这种情况下，位于石英的底面上的电极4的中心是可通过孔8被支撑体1的下侧接近的。肋6和9充当壁，使得液体膏填充间隙10，只要沉积适当的量即可，不在其上面溢流。一旦已经沉积并密封谐振传感器，则可从狭槽5接近电极4的末端；在此位置上，将导电液体膏放置在狭槽5中，确定与电极4的末端的接触，肋6充当壁并避免此膏遍布在狭槽5的区域外面的玻璃的表面上。一旦导电膏已经干燥，则传感器电极4已沿着每个狭槽5的长度扩展通过导电膏。一旦如上所述地对谐振器进行定位和密封，则将谐振器插入支撑体中，使得针对在扁平表面上的任一侧沉积支撑体之后，谐振器不碰触此类表面；这样，支撑体提供谐振器的安全操纵所需的稳健性，同时允许其电接触的扩展。所述设计基本上不改变谐振器的响应。与测量单元的其它元件相结合地使用此支撑体，使用孔7来相对于单元的其它元件固定支撑体的位置。

图2示出测量单元中的支撑体的使用的非限制性示例。在图2中，将支撑体布置在在两个块之间作为夹层(sandwich)。下块13包括突出体14，其允许通过将突出体14配合在孔7中来固定支撑体1的位置；块13包括电接触15，在其内部包括弹簧，使得电接触的上部处于一定的压力下；电接触15被定位为使得其当在狭槽5面朝下的情况下沉积支撑体时配合到狭槽5的末端中，使得谐振器4的电极通过狭槽和电接触15扩展到外部连接器16，外部连接器允许谐振器到用于表征的电子系统的连接。在此布置中，可通过支撑体的孔8从上方接近谐振器的电极中的一个的中心区域。上块17被放置在支撑体且其被上块和下块13两者压紧，使得配合到上块的狭槽21中的适当材料的垫圈19密封支撑体的孔8的边界；能够用包括在上和下块中的螺栓、螺钉或其它适当系统来调整块与支撑体之间的压力，然而，此压力不是直接在谐振传感器上而是在支撑体上执行的，因此基本上避免影响传感器的响应。在此布置中，上块17的通道20允许引导流体通过与谐振器2的电极4中的一个的中心区域接触的配件(fitting)18；配件18中的一个被用作输入且另一个用于流出物。图2所示的组件示出使用支撑体1的一个可能方式，其扩展谐振传感器的电接触并提供适合于实验者进行的传感器的安全操纵的稳健性，同时将谐振传感器的电极中的一个与被适当地引导至沿着其路线与谐振器的另一电极接触的流体隔离，并且完全不干扰传感器的响应。因此，所示示例不限于实现本发明的优先权目的中的一个且可以视为其优选实施例。

上述示例已示出允许设计其中可以用面中的一个用薄材料层来涂覆谐振传感器且这与流体介质接触的实验的支撑体和测量单元。在本发明是其目的的应用范围内，在谐振器的一侧上的涂层是重量层，其厚度与和涂层接触的液体介质中的声波穿透深度相比足够薄，是固体的，并且被使用适当技术刚性地附着于谐振器的表面；这保证与谐振器的振荡表面的同步运动。

谐振器用其侧面中的一个与在声学上薄的重量层接触，在其上面，存在流体介质，该流体介质足够长，以致在谐振器中产生的声波在到达介质的末端之前在介质中被衰减，可以用图3所示的等效电路对其进行电建模。图3所示的等效电路表示与涂层和流体接触的谐振器的电导纳；等效模型参数与谐振器和沉积在其上面的介质的物理和几何性质有关。等效电路由电容C₀、所谓的静电电容(其对应于由作为电极之间的电介质的石英晶体形成的电容)、作为在传感器的电极之间看在传感器外面的杂散电容的电容C_p以及包括由L_q、C_q、R_q、L_c、L_L和R_L串联地形成的电路的动态阻抗组成。参数Lq、Cq、Rq表示真空中的传感器的动态贡献且仅取决于谐振器的几何和物理性质，而Lc、L_L和R_L表示负载对谐振器的贡献；Lc建模涂层对动态阻抗的贡献并与涂层的重量表面密度m_c＝ρ_ch_c成比例，其中，ρ_c是涂层材料的密度且h_c是厚度，亦即L_C＝K_tm_c，其中，Kt是使物理性质和电参数相关的变换的常数，并且其是由

给出的，其中，h_q是谐振器的厚度，e_q是实现期间的谐振器的所关心的振动模式的压电应力系数且As是其中面对谐振器的一侧和另一侧的电极的区域中的电极的面积，即对重量变化敏感的区域的面积，L_L和R_L表示涂层上的流体介质相对于谐振器的动态阻抗的贡献，特别地L_L表示由传感器的振荡运动而移位的流体的等效重量的惯性效应且R_L表示损失的相应效果；这些电参数还通过以下表达式与相应的物理性质有关：R_L＝ωK_tm_L和L_L＝K_tm_L，其中，m_L＝ρ_Lδ_L/2是等价于由于其振荡运动而与涂层接触的液体的表面重量密度，其中，δ_L＝(2η_L/ωρ_L)^1/2是声波到液体中的深度穿透，η_L是流体粘度，ρ_L是流体密度且ω是与离开谐振器的电信号匹配的振荡运动的角速度。因此，所述条件下的谐振传感器的电导纳Y得自以下表达式：

$Y=\mathrm{j\ω}{C}_0^{*}+\frac{1}{Z_m}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中＝C₀+C_p且Z_m得自：

$Z_m=R_m+{\mathrm{jX}}_m=R_q+R_L+j(\mathrm{\ω}(L_q+L_c+L_L)-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_q})---\left(\mathrm{III}\right)$

从前述等式能够获得动态系列谐振频率(DSRF)的位移od，如由频率所定义的，由于涂层的重量变化，动态阻抗Z_m在该频率下仅具有实际值；对应于DSRF的相应角频率变化Δω_s是：

${\mathrm{\Δ\ω}}_s=-\frac{{\mathrm{\ω}}_s^2}{\mathrm{\π}{Z}_{\mathrm{cq}}}{\mathrm{\Δm}}_c---\left(\mathrm{IV}\right)$

其中，Z_cq是制成谐振器的材料的特性阻抗，ω_s是谐振器的谐振频率且Δm_c是涂层的重量表面密度的变化。

以上等式IV与用于在背景技术中描述的由Sauerbrey给出的涂层重量变化的效果来改变角谐振频率的表达式一致，并且其组成经典方法和用于微量天平进行的表征过程的系统的基础。

本发明提供用于表征其中在谐振器上的涂层的重量方面发生变化的过程的不同的方法和电子系统。如前所述，本发明利用分析表达式的推演，该分析表达式确定询问压电谐振器的固定频率信号的相位变化与涂层的重量密度变化之间的简单联系。此表达式示出在负载传感器的谐振区域内的具有给定频率的信号的相位变化与涂层的重量变化之间的联系是技术的关键部分且之前没有对其进行举例说明。

从图3所示的等效模型，其数学表达式已被包括在等式II和III中，可以获得由于涂层的重量密度变化而引起的某个频率上的相位响应的位移。事实上，根据图3所示的模型，由于涂层的小的重量变化而引起的谐振器的相位-频率响应变化将是动态阻抗Zm的相位-频率响应变化的结果；在以下推演中，将假设流体性质基本上保持恒定，即动态电阻R_L不显著地改变，并且因此传感器的相位-频率响应的斜率保持未改变。此限制在多种应用中是有效的，其中，可预期非常小的频移，并且其中，实际上需要增加微量天平系统的灵敏度，压电生物传感器和许多电化学应用的情况就是这样。

由下式给出在给定基准状态1中由图3中表示的模型的动态分支所提供的相位：

其中X_m＝ω(L_q+L_c+L_L)-1/ωC_q且R_m＝R_q+R_L，分指数(subindex)1指示对应于此类状态的值。

关于DSRF，Xm是小的，并且切线能够接近该相位，因此，

在涂层的重量变化之后，新相位将是

因为假设液体不改变，并且从状态1的相位变化将得自：

另一方面，在测试信号的频率ft下，X_m＝L_mω_t-1/C_mω_t，其中，L_m＝L_q+L_c+L_L且C_m＝C_q；并且可以对X_m写出以下近似：

$X_m=\frac{1}{C_m{\mathrm{\ω}}_t}(\frac{{\mathrm{\ω}}_t^2}{{\mathrm{\ω}}_s^2}-1)\≈\frac{2\mathrm{\Δ\ω}}{C_m{\mathrm{\ω}}_s^2}---\left(\mathrm{VII}\right)$

其中Δω＝ω_t-ω_s.

因此，由等式VI给出的相移将是：

其中Δω_s＝ωs₂-ω_s1。

由等式IV给出由于涂层的小的表面重量密度变化而引起的动态系列谐振角频率的变化。因此，通过在等式VIII中使用等式IV，获得两个状态1、和2之间的相位变化

其中m_q＝η_qπ/2V_q，为v_q＝(c_q/ρ_q)^1/2在制成谐振器的材料中的波的传播速度，其中，c_q是谐振器的振动模式下的弹性模数，并且ρ_q是制成谐振器的材料的密度，η_q是制成谐振器的材料的等效粘度且其包括由于与电极的接触及其它非理想效果而引起的摩擦损失等。稍后将确认前述等式的有效性。

强调使相位变化与涂层的重量变化相关的等式IX将仅在动态系列谐振频率周围是有效的是重要的；为此原因，必需使用与此类状态下的谐振器的DSRF相对应的测试信号的频率来确定被作为参考的初始状态的基线。这证明除在此类基准状态下基本上等于(此术语被理解为相等或接近的频率)谐振器的DSRF的频率之外，用于测试信号的任何频率不是有效的。因此，已证明本发明的优先权目的是提供一种方法，该方法确定此类基准状态下的谐振器的DSRF作为测试信号的频率，并提供允许对于此类目的使用适当过程来确定此类频率的系统。

此外，等式IX的简化不妨碍突出以下关键方面：

-与其中与涂层的重量表面密度变化相关联的频移不取决于流体介质的Sauerbrey等式(IV)相反，等式IX还包括流体介质的考虑。根据此类等式，已证明m_L越高，将要求越大的涂层重量变化以提供一定的相移。由于传感器的品质因数的减小(作为与液体的接触的结果)，此等式示出用于给定相位稳定性的在气体介质中比在液体介质中更高的微量天平传感器的灵敏度。换言之，Sauerbrey等式针对涂层的某个重量表面密度变化来预测与在液体中相同的在真空中的用于传感器的谐振频率移位；然而，对于传感器而言，用于涂层的相同重量表面密度变化的相应相移在液体中比在真空中低。因此，虽然Sauerbrey等式理想地相同的频率-重量灵敏度，如果您想要获得实际上相同的灵敏度，则对于在液体介质中的传感器的情况而言将需要比在真空中更多的系统稳定性。

-此外，等式IX中的m₁随着声波在液体中的穿透深度的减小而减小。此减小与ω^1/2成比例；因此，能够通过增加谐振频率来改善针对给定相位噪声的已确定流体介质中的相位-重量灵敏度，但是仅与频率的平方根而不是如在本发明的某些背景中已采取的谐振频率的平方成比例。

-此外，对于气体介质中的传感器的情况而言，相位-重量灵敏度未随着频率而显著地增加；特别是对于真空情况而言，其中，m_L是零，并且其中，相位-重量灵敏度是用于给定压电材料的可能的最大值，相位-重量灵敏度不随着频率而增加。此方面到目前为止尚未被考虑，并且在现有技术中提及的其它发明已尝试使用基于相位测量的方法来增加重量变化测量的灵敏度，当相位-重量灵敏度的此增加在气体介质中不显著时，增加传感器的谐振频率。因此，增加谐振频率以便增加相位-重量灵敏度在液体介质中有意义，然而，灵敏度的增加仅与谐振频率的平方根成比例；因此，保持监视谐振频率以及其相移的测量的可能性是令人感兴趣的。提供允许测量相位变化并另外测量谐振频率变化的系统已被证明是本发明的重要目的。

然后，从对基于不同谐振频率的AT石英晶体的谐振器的情况应用等式IX的非限制性示例揭示这些关键方面。在表1中示出AT切割石英晶体的物理性质。

表I

AT石英的性质

参数	值	描述
			e26(A s m-2)	9.657E-02	压电常数
ε22(A2s4Kg-1m-3)	3.982E-11	电容率
			C66(N m-2)	2.947E+10	弹性常数
ρq(Kg m-2)	2651	密度
			vq＝(C66/ρq)1/2(m s-2)	3334.15	波传播速度
Ko 2	7.947E-03	机电耦合因数
			Zcq(Kg m-2s-1)	8.839E+06	AT石英特性阻抗
ηq(*)(Pa s)	9.27E-03	AT石英有效粘度
			mq＝ηqπ/2vq(ng/mm-2)	4.37	等式IX中的Mq

(^*)其为从用阻抗分析器获得的R_q和C_q的实验值针对空气中的10MHz的AT石英晶体获得的有效粘度。

表II示出用于不同谐振频率且针对0.1°的相位检测极限与不同介质接触的AT石英晶体微量天平传感器的根据等式IX的检测能力；还包括根据Sauerbrey等式的相应频移以进行比较。如能够看到的，对于所有传感器而言在真空中获得相同的相位-重量灵敏度，因为已使用η_q的相同的值(参见表I)；因此，需要Δm_c的相同的值以实现

的相同滞后。因此，为了增加真空中的灵敏度需要对谐振器使用另一材料或减少损失源来增加波传播速度。

表II用于0.1°的相位检测极限的重量灵敏度

其还显示当增加频率时用于气体介质的相位-重量灵敏度未显著地增加，如已公布的；此方面通过假设通过增加谐振器的频率、相位-重量灵敏度将以与频率-重量灵敏度相同的方式增加来示出先前发明的错误。

然而，本发明的范围，其中在其中展开实验的介质是液体介质，由于穿透深度的减小且因此在当谐振器振动时使其移动的流体的较低等效重量下，通过增加传感器的谐振频率获得相位-重量灵敏度的增加。如能够看到的，频移的大的增加如Sauerbrey预测的那样发生，然而，必须指出的是此频移对应于0.1°的相同相移，因此虽然在150MHz的传感器与10MHz的传感器之间频率-重量灵敏度已增加约225倍，其对应于平方频率比，相位-重量灵敏度仅增加3.4倍，其近似对应于频率比的平方根，即与流体波的穿透深度的相对减小成反比。

现代相位检测器能够甚至在非常高的频率下检测0.1°以下的相移；因此，如果不能将系统的相位稳定性减小至0.1°以下，则灵敏度的实际改善将是3.4倍而不是225倍，因为频率的灵敏度取决于系统的相位噪声。因此，增加重量灵敏度的最重要方面是改善用于表征的系统的相位稳定性，并且同时执行能够检测传感器的响应中的非常小的相移的系统；否则，其将与使用较高谐振频率谐振器来增加频率-相位灵敏度无关，因为由于振荡系统的相位不稳定性，振荡器中的频率噪声，其将具有与被关联到意图要检测的重量变化的频移相同的幅值，使得灵敏度的改善不可行。

假设已以最适合于减少传感器上的干扰的形状来设计实验测量系统的配置，剩余的优先权目的是提供一种用于表征的电子系统，其中，频率和相位噪声是最小的。

因此，清楚的是本发明的另一优先权且重要目的是提供用于表征谐振传感器的相移的电子系统，其中，相位和频率噪声是最小的。

此外，系统实施例的基本目的是提供与由传感器的动态阻抗产生的滞后尽可能接近的滞后的度量，其中，等式IX是有效的。

本发明的另一目的是表征系统允许实现一种程序以确定在被视为基准的状态中基本上等于(此术语被理解为相等或接近的频率)传感器的动态系列谐振频率的测试信号的频率，因为等式IX仅在此类频率周围是有效的。

本发明的又另一重要目的是提供用于在实验期间确定流体介质的特性是否改变以便保证在应用等式IX时获得的结果的有效性的系统。此类特性的系统将允许应用本发明的方法，先前已描述了其操作。

图4示出用于本发明的微量天平传感器目标的电子表征系统的优选实施例，其由以下各项组成：

—某个固定频率的源，具有高稳定性和低相位噪声信号42，

—频率合成子系统41；

—信号控制和获取子系统40；

—由滤波器43和放大器44形成的具有滤波能力和功率水平适当性的信号调节电路；

—由共享输入端u_i且具有两个输出端u₁和u₂(每个分支一个)的两个分支形成的电路45。一个分支包括组件25、26、27、29、31、32、33、34，其相位-频率响应不改变；另一个部分地包括与第一25、26、28、30、31、32相同的部件作为反射镜，但是部件的一部分被谐振传感器2替换；

—可调整增益相位检测子系统35，其由乘法器36和低通滤波器37形成，其提供与其输入端处的信号之间的相位差成比例的电压信号u₀；

—功率测量子系统38，其提供与其输入端处的信号的功率水平之间的差成比例的电压信号u_A；以及

—外部处理元件46；

并且其特征在于：

—频率合成子系统41从源42的固定频率信号提供其频率能够扫过谐振传感器2的谐振频带的信号；

—由频率合成子系统41提供的信号被连接到滤波器43的输入端，滤波器43适当地对其进行滤波并且其输出端被连接到提供适当功率水平的放大器44。

—放大器44的输出端u_i被连接到两个分支45的电路的输入端，其中连接了谐振传感器2；

—两个分支u₁和u₂的电路的每个输出端被连接到相位检测子系统35的一个输入端，相位检测子系统35的输出端提供具有与其输入端处的信号u₁和u₂之间的相位差成比例的值的连续电压信号u₀；

—两分支电路的每个输出端u₁和u₂还被连接到功率测量电路38的一个输入端，该功率测量电路38的输出端提供具有与在其输入端处的信号之间的功率水平差成比例的值的连续电压信号u_A；

—相位检测电路的输出及其功率水平被能够作用于频率合成子系统41以控制来自所述子系统的输出信号的频率的控制系统40获取；

—来自由控制系统获取的信号的数据被直接地分析或传输至外部设备46以便实时地或在稍后依照本发明的方法目的进行处理。

如上所述，系统提供与在传感器的动态阻抗中发生的相位变化成比例的信号是优先权目的，此方面是重要的，因为系统随后干扰相位测量。下文将示出通过使用提出的系统的部件的适当选择，可以实现此目的。

首先，从相位检测器35获得信号u₁和u₂之间的滞后的测量，实际上，假设信号u₁和u₂分别是峰值振幅sine U₁和U₂、角频率ω且在一定量

的相移的情况下，乘法器36的输出将是：

因此，低通滤波器u₀的输出将是：

其中k_m＝U₁U₂/2。

如所示，基于乘法器的相位检测器的行为针对在90°周围的小的滞后(lap)提供与其输入端处的信号之间的时间滞后成比例的电压张力(tension)。因此，为了相位检测器的适当运行需要先前在传感器电路45的每个分支中使测试信号偏移90°；为此目的，已在两个分支中都布置由电阻器26和电容器25形成的电路。必须适当地设计这些偏移网络以获得滞后信号90°且具有与其输出类似的振幅。可以通过使用基于数字电路的其它类型的相位检测器来避免通过使用乘法器作为相位检测器所需的这个要求，然而，这些电路的相位噪声不适合于本发明的目的，因为这些将增加相位噪声。此外，从传感器电路45产生的差动系统是非常方便的，因为输入信号u_i中的原始相位噪声被相等地传送到两个分支且能够在相位检测器35中被至少部分地抵消。

相位检测器35的输出端被连接到放大器39的输入端。使用基准电压V_ref来在基准状态中将放大器39的输出电压设置为零伏，补偿连续电压的任何移位；这允许增加放大器39的增益以便提供在监视滞后方面的最大分辨力，这将由放大器39的输出信号

提供。

来自传感器电路45的输出信号还被连接到功率测量电路38，其提供与其输入端处的信号功率之间的比成比例的输出信号u_A。相位和功率测量的此组合提供传感器的完整表征并允许通过使用适当的控制系统来选择适当的测试频率。控制系统40包括嵌入式可编程系统，其连续地监视滞后和来自信号

与u_A的信号u₁和u₂之间的功率的比，可编程系统40控制频率合成器41和因此的其输出信号的频率。频率合成器使用由高频稳定性和相位42的源提供的基准信号。合成器的输出信号被连接到带通滤波器43，带通滤波器43对其进行滤波，在其输出端处提供在传感器的谐振频带中的足够纯的信号。滤波器43的输出端被连接到放大器44的输入端，放大器44在其输出端u_i处提供具有适当功率的信号。

信号u₁和u₂之间的滞后的变化是主要参数，其必须与谐振传感器的动态分支所经历的相移相关。相对于图4所示的系统，下面将获得此联系。

在基本分析之后，由以下表达式给出信号u₁和u₂与输入信号u_i之间的联系。

$u_1=\frac{R_c(1+\mathrm{j\ω}{R}_t{C}_t)}{R_t+R_c+\mathrm{j\ω}{R}_t{R}_c(C_t+C_c)}\frac{\mathrm{j\ω}{R}_i{C}_i}{1+\mathrm{j\ω}{R}_i{C}_i}{u}_i---\left(\mathrm{XII}\right)$

$u_2=\frac{(R_m+j{X}_m)(1+\mathrm{j\ω}{R}_t{C}_t)}{R_t+R_m-\mathrm{\ω}{R}_t(C_t+C_0)X_m+j[X_m+\mathrm{\ω}{R}_t{R}_m(C_t+C_0)]}\frac{1}{1+\mathrm{j\ω}{R}_i{C}_i}{u}_i---\left(\mathrm{XIII}\right)$

在获得上述表达式时，假设运算放大器27、28、29和30作为理想跟随器进行操作。

从等式XII和XIII，可以获得信号u₁和u₂之间的滞后变化的表达式。事实上，信号u₁和u₂相对于u_i的相位将是

其中

因此，u₁和u₂之间的滞后将得自：

因此，考虑到测试频率f_t是恒定的，基准状态“1”与第二状态“2”下的滞后之间的变化将是：

在某些近似和计算之后，从等式XVI获得以下表达式：

其中，是由等式IX给出的动态阻抗的相位变化。因此，等式XVII变成：

如从等式XVIII能够看到的，对于右端的第二项、Rt＞＞Rm的值而言，等式趋向于1且在XVIII中给出的滞后变化趋向于由IX给出的动态阻抗的值。由于实际原因，为了不过多地减小相位检测器的输入端处的信号的振幅，选择R_t＝10R_m是足够的。

由于测试频率保持恒定，所以由R_c和C_c形成的网络对滞后变化没有贡献，然而，建议分别与R_m和C₀类似地选择R_c和C_c的值。事实上，在这些条件下，以及传感器的DSRF，那些运算29和30的输出端处的信号水平是类似的，其期望相位检测器的最佳操作，并且功率表38的电压输出是零。此配置还对选择基准状态“1”中的测试信号的频率有用，因为张力

和u_A在此类频率中是零。

图5示出针对动态阻抗获得的滞后变化的值与由等式XVI和等式XVIII提供的那些之间的比较。等式XVI是提供信号u₁和u₂之间的精确相位变化的表达式，而等式XVIII是R_t比R_m高得多时对等式IX进行近似的简化表达式(在图的情况下，我们已选择R_t＝10R_m)。在图5中提出的结果是从非限制性示例获得的并举例说明表达式IX作为与动态阻抗相关联的滞后变化的近似值以及表达式XVIII作为等式XVI的近似值的有效性。

图5所示的结果是使用图3所示的电路作为通过一侧与有限声涂层(与牛顿流体介质接触)接触的谐振传感器的行为的等效模型从数值模拟获得的；这是用于表征生物过程的大多数应用的情况，诸如压电生物传感器和落在本发明的范围内的许多电化学应用。

已针对三个A切割石英晶体谐振传感器并用10、50和150MHz的谐振频率执行数值模拟，其与具有100nm的厚度和与水的密度相等的密度的薄层接触；牛顿流体被视为具有与水相同的性质。脱离谐振器的频率和用于商业可得到的传感器的电极的典型直径，用在表I中给出的AT石英性质：针对10MHz 5.2mm以及50y 150MHz 1.5mm的传感器，根据在以下参考文献中提供的项来计算等效模型参数：R.Lucklum、D.Soares和K.K.Kanazawa在Piezoelectric Transducers andApplications，2nd Ed.，pp 63，A.Arnau Ed.，Springer-Verlag BerlinHeidelberg(2008)中的“Models for resonant sensors”。石英有效粘度是在空气中用10MHz的传感器从实验数据且从用阻抗分析器获得的动态电阻R_q(其近似为10Ω)获得的。从表达式h_q≈V_q/2f_s计算谐振器的厚度。在表III中包括模型的其余参数及其它量。

表III.在图3中示出用于不同谐振频率并被加载100nm厚且密度与水的密度相等的薄重量层的三个AT石英传感器的性质和参数，所述薄重量层与具有诸如水的性质的液体接触。

在这些条件下，通过以

的步幅、即以100pg/mm²的步幅从-50nm/mm²至50nm/mm²改变涂层的厚度来模拟涂层的重量变化。针对每个步幅，计算等式XVI中的相位

和如通过简单地检查等式XII和XIII能够看到的，电容器C_t可以是空的，没有任何限制，因此

这改善了高频率上的运行。

最后，通过将用于Δm_c＝0的传感器的状态作为基准来评估滞后变化的模拟。在图5中针对10MHz(上画板)、50MHz(中间画板)和150MHz(下画板)的传感器示出了来自动态阻抗中的滞后的结果以及在此模拟中由等式XVI和XVIII提供的那些。这些结果举例说明提供用于动态阻抗的滞后的简单近似表达式的等式IX及表达式XVIII和提出的系统的有效性以测量此类滞后及其变化。

图6是从图5的每个画板提取的局部放大，其示出在根据重量变化的相位变化方面的三个微量天平传感器(10、50和150MHz)的灵敏度的比较。

重要考虑的是本发明的系统目的可以用来在实验过程期间监视传感器的DSRF。事实上，由于用系统来连续地测量滞后和功率的比，所以可以改变激励的频率，使得电压

和U_A被连续地保持为零，因此实现DSRF的连续监视。还可以通过根据特定函数进行测试信号的频率的修正来执行DSRF的这个连续监视，例如在提供传感器的相位变化的电压信号中发生的变化的积分或拟积分变化。

要强调重要的另一方面是最后可以在传感器的响应由于重量变化而改变时将测试信号的频率定位于低或零相位-重量敏感区域中。与本发明的系统目的相结合的本发明的方法目的提供了用于确定此不测事件并修正测试信号的适当频率的方法。

强调可以使用与所述的那些类似的两个或更多系统也是重要的，其中的一个包括参考传感器，无涂层，与液体介质接触，处于差动配置以使可能干扰测量的外部效果最小化，诸如温度、环境等的变化；这提供允许传感器的外部效果的抵消，如本发明的目的中的另一个一样。

一般地，已详细地描述了本发明，并且还结合其可能实施例中的一个进行了描述。很明显，可以存在意图被包括在本发明中的对本实施例的修改。已这样描述了针对我们的发明所选的实施例，我们要求：

Claims (10)

1.一种用于表征涂层的传递、累积或重量损失的方法，该涂层沉积在充当连接到被施加测试信号的电路的传感器的压电谐振器上，并被暴露于其物理性质保持稳定的流体介质，其特征在于步骤：

a)选择测试信号的频率，其在谐振器的初始状态中基本上等于谐振器的动态系列谐振频率(DSRF)，将此类状态作为基准，

b)测量两个电压信号的值，其中的一个确定传感器的相位基准且另一个确定其损失水平的基准，

c)在要表征或监视的过程期间监视在前一步骤中被作为基准采取的电压值，

d)检验传感器的损失基准电压的值在测量过程期间本质上不改变，

e)在由相位变化的测量提供的信号基于实验的特征已偏离预定值以上或以下的情况下，在要监视的过程期间修正测试信号的频率的值，电压值是在步骤b)中作为传感器的相位基准获得的，直至提供相位变化的测量的电压信号再次具有与在步骤b)中用传感器的相位基准获得的值相同的值，或者其绝对值的差小于取决于实验的特性的某个预定数目，

f)从提供相位变化测量的电压信号的变化获得在已经监视的实验过程期间的涂层上的重量变化，此类变化是作为信号的相位变化的函数计算的重量变化。

2.根据权利要求1所述的用于表征沉积在压电谐振传感器上的涂层的传递、累积或重量损失的方法，其特征在于通过应用以下表达式来执行获得涂层上的重量变化：

3.根据权利要求1～2中的任一项所述的用于表征沉积在压电谐振传感器上并面对其物理性质保持稳定的流体介质的涂层的传递、累积或重量损失的方法，其特征在于通过根据某个函数且特别地根据在提供传感器相位变化的电压信号中发生的变化的积分或拟积分变化来向测试信号的频率提供修正而连续地执行其中对测试信号的频率进行修正的步骤e)。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的方法，其特征在于压电谐振器是薄膜声谐振器。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的方法，其特征在于压电谐振器是在剪切模式中振动的谐振器。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的方法，其特征在于获得在步骤f)中确定的重量变化指示与涂层接触的液体溶液中的某个材料或化学或生物化合物的浓度。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的方法，应用于同时地询问多个压电传感器。

8.一种用于检测实现权利要求1～6的方法的重量变化的设备，包括：

—压电谐振器，其被作为谐振传感器(2)集成在表面上，其中被成形为薄层的材料已被物理地或化学地沉积；

—流体介质，其与被沉积的薄层接触且其物理性质在化学或物理过程发生期间基本上保持恒定；

—确定频率的信号源(42)，具有高频率稳定性和低相位噪声；

—频率合成子系统(41)；

—信号控制和获取子系统(40)；

—信号调节电路，其具有滤波能力和功率水平的适当性，包括滤波器(43)和放大器(44)；

—电路45，其由共享输入端(u_i)并具有两个输出端(u₁和u₂)的两个分支形成，每个输出端用于一个分支，一个分支由组件(25、26、27、29、31、32、33、34)组成，其相位-频率响应不改变；并且另一分支包括部分地作为反射镜的与第一个(25、26、28、30、31、32)相同的组件以及谐振传感器(2)；

—可调整增益相位检测子系统(35)，由乘法器(35)和低通滤波器(37)形成，其提供与在其输入端(u₁、u₂)处的信号之间的相位差成比例的电压信号(u₀)；以及

—功率测量子系统(38)，其提供与在其输入端(u₁、u₂)处的信号的功率水平之间的差成比例的电压信号(u_A)；

其特征在于：

—频率合成子系统(41)从源(42)的确定频率信号提供信号，该信号的频率能够扫过谐振传感器(2)的谐振频带；

—由频率合成子系统(41)提供的信号被连接到由滤波器(43)和放大器(44)形成的信号调节电路的输入端，其适当地对该信号进行滤波并且提供适当的功率水平；

—放大器(44)的输入端(u_i)被连接到两个分支(45)的电路的输入端，其中，连接了谐振传感器(2)；

—两个分支的电路(45)的每一个输出端(u₁、u₂)被连接到相位检测子系统(35)的一个输入端，其输出端提供具有与在其输入端处的信号(u₁、u₂)之间的相位差成比例的值的连续电压信号(u₀)；

—两个分支的电路(45)的每一个输出端(u₁、u₂)还被连接到功率测量电路(38)的一个输入端，其输出端提供具有与在其输入端处的信号(u₁、u₂)之间的功率水平差成比例的值的连续电压信号(u_A)；

—功率水平(38)和相位检测电路(35)的输出被控制系统(40)获取，控制系统(40)能够作用于频率合成子系统(41)以控制来自所述子系统的输出信号的频率。

9.一种用于检测实现权利要求1～6的方法的重量变化的设备，并且其允许对包括以下各项的压电谐振器执行流动实验：

—支撑部分(1)，其具有圆筒形状和并行的圆形面，谐振传感器(2)被沉积在其上；

—适当尺寸和形状的下块(13)，支撑部分(1)沉积在其上面并将谐振传感器(2)的电极连接至外部连接器(16)；

—上块(17)，其被沉积在支撑部分(1)上并包括一组沟道(20)和配件(18)作为用于引导流动的元件；

其特征在于：

—支撑部分(1)具有将其位置固定在下块(13)上的孔(7)，并且孔(7)已被以在其下圆形面处包括以下各项的方式进行机械加工：

—中心孔(10)，谐振传感器(2)被沉积在其中；

—中心通孔(8)，其使得可通过支撑部分(1)的上圆形面接近谐振器(2)的电极(4)中的一个的中心区域；

—狭槽(5)，其从其中沉积(2)了传感器的中心间隙(10)开始并扩展至支撑部分(1)的外边缘而不到达它们；

—肋(6)，其充当狭槽与中心间隙(10)之间的壁，

—另一肋(9)，其毗邻间隙(10)的中心孔(8)，留在与其它肋(8、9)相同的高度上，使得当传感器(2)被引入间隙(10)中时，其被沉积在肋(6、9)上；

并且其中：

—谐振传感器(2)的电极(4)的末端到达肋(6、9)上的狭槽(5)；

—密封材料，其填充传感器的下表面与肋(6、9)之间的间隙；

—沿着狭槽(5)的长度和宽度沉积导电材料并达到肋(6)的程度，肋(6)将中心间隙(10)的狭槽(5)分离，确定与压电谐振器(2)的电极(4)的末端的电接触；

—下块(13)已被机械加工，使得其包括：

—具有适当形状和深度的间隙，支撑部分(1)和在所述支撑部分之上的上块(17)被沉积在其中；

—前一间隙的底部上的至少两个孔，向其中的每一个中引入两个接触元件(15)，其上端与沉积在支撑部分(1)的狭槽(5)上的导电材料接触并当在其上面产生压力时屈服，并且其下端被连接到外部双极连接器(16)；

—上块(17)被沉积在支撑部分(1)上并嵌入下块(13)的间隙中，其在所述支撑部分(1)上的放置过程期间充当引导；

并且其中：

—垫圈(19)位于在上块(17)的下侧中的出于此类目的被机械加工的狭槽(21)上，并且所述垫圈压在支撑部分(11)上，围绕其中心孔(8)，通过该中心孔(8)可接近压电谐振器(2)的电极(4)中的一个的中心区域；以及

—两个管状沟道(20)从位于上块(17)的上部中的配件(18)开始并在下中心部分中、在下中心区域内通向垫圈(19)。

10.一种包括根据权利要求8所述的至少一个设备的用于检测重量变化的设备，并且其实现权利要求7的方法。

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