CN102749130A - Love波型超微量物质质量的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LOVE波型微量物质质量的测量装置，包括在同一压电基片材料上制作的一个输入叉指换能器、两个相同的输出叉指换能器、输入叉指换能器的第一电极、输入叉指换能器的第二电极、输出叉指换能器的第一电极、输出叉指换能器的第二电极，以及覆盖在输入叉指换能器、输出叉指换能器和压电基片上的LOVE波波导层；输入叉指换能器的第一电极、输入叉指换能器的第二电极、输出叉指换能器的第一电极和输出叉指换能器的第二电极的末端均从LOVE波波导层中伸出；两个输出叉指换能器分别对称设置在输入叉指换能器的左、右两侧，输入叉指换能器与输出叉指换能器之间的区域为测量区域。本发明结构简单，能够实现对毫克以及毫克以下物质质量的测量。

Description

LOVE波型超微量物质质量的测量装置

技术领域

本发明涉及一种微量物质质量的测量装置，特别涉及一种LOVE波型微量物质质量的测量装置。

背景技术

质量是指一种物质中所含物质量多少的标识量。通过对物质质量的测量，不仅可以确定某种物质量的多少，同时，由于不同的物质、元素具有相对固定的密度，因此，通过确定单位数量或体积物质的质量，就可以实现对该物质的标识和辨识。随着科学技术的快速发展，人类对世界的认识和探索，已经从宏观世界进入原子、离子、DNA等微观物质的范畴，对物质质量的度量也逐渐从千克、克进入毫克、微克、纳克等微量的计量范畴，因此，如何实现对微量物质的计量对科学研究、人类自身发展都具有重要的意义和价值。

LOVE波是由于压电基片存在的逆压电效应，利用输入叉指换能器将激励电信号转化为声信号，并能够被约束在波导层中传播的一种声波信号，并且，这种声信号可以借助于压电基片同时存在的压电效应，利用输出插指换能器将声信号转换为易测量的电信号进行输出。由于LOVE波信号被约束在波导层中传播，所以很容易受到波导层表面质量加载效应的影响，进而引起LOVE波传输特性发生改变，因此，通过对LOVE波器件输出特性的测量，实现对波导层表面加载物质质量的测量。目前，还很少有利用LOVE波器件输出特性实现对波导层表面加载物质质量的测量的装置。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种LOVE波型微量物质质量的测量装置，该器件结构简单，能够实现对毫克以及毫克以下物质质量的测量。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：

一种LOVE波型微量物质质量的测量装置，包括在同一压电基片材料上制作的一个输入叉指换能器、两个相同的输出叉指换能器、输入叉指换能器的第一电极、输入叉指换能器的第二电极、输出叉指换能器的第一电极、输出叉指换能器的第二电极，以及覆盖在输入叉指换能器、输出叉指换能器和压电基片上的LOVE波波导层；所述输入叉指换能器的第一电极、输入叉指换能器的第二电极、输出叉指换能器的第一电极和输出叉指换能器的第二电极的末端均从LOVE波波导层中伸出；所述两个输出叉指换能器分别对称设置在输入叉指换能器的左、右两侧，输入叉指换能器与输出叉指换能器之间的区域为测量区域。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述的LOVE波波导层的厚度h的计算公式为：

$h=\frac{V_S{V}_L}{4f\sqrt{V_S^2-V_L^2}}---\left(1\right)$

式中，厚度h指LOVE波波导层在水平高度上高出压电基片材料的距离，单位：米；V_S是在压电基片材料上传播的声表面波速度，单位：米/秒；V_L是在LOVE波波导层中传播的LOVE波速度，单位：米/秒；f为所设计器件的中心频率，单位：赫兹。

所述的LOVE波波导层采用体横波速度、密度均小于压电基片材料体横波速度、密度的材料。

所述的输入叉指换能器与输出叉指换能器具有相同尺寸的声孔径，该声孔径的尺寸为压电基片材料上声表面波波长的60倍到100倍；

所述的输入叉指换能器与两个输出叉指换能器之间的间距相等，均为1微米到5厘米。

所述输入叉指换能器与每个输出叉指换能器之间的间距为5毫米。

所述的输入叉指换能器和输出叉指换能器是等叉指换能器或变迹叉指换能器。

所述的压电基片材料采用压电晶体。

所述的输入叉指换能器的第一电极、输入叉指换能器的第二电极、输出叉指换能器的第一电极和输出叉指换能器的第二电极从LOVE波波导层伸出的长度均大于1微米。

所述的输入叉指换能器的第一电极、输入叉指换能器的第二电极、输出叉指换能器的第一电极和输出叉指换能器的第二电极从LOVE波波导层伸出的长度均为2毫米。

本发明中的LOVE波型微量物质质量测量器件，利用输入叉指换能器激励的声波同时向左、右两个方向同时传播的特性，在输入叉指换能器的左、右两侧对称设置两个结构参数完全相同的输出叉指换能器，用于接收输入叉指换能器激励的、同时向左、右两侧传播的声波。

对于LOVE波型微量物质质量测量器件的两种工作模式。差模式是指对两条声路输出信号进行差值，由于测量声路与参考声路具有相同的结构，并处于相同的测量环境中，所受到的环境干扰相同，因此对两条声路输出信号进行差值后，可以消除由于环境干扰所引起的测量误差。和模式是指两条声路都作为测量声路使用，输出信号是两路信号的和值，这种测量模式下装置的输出值是单声路时的两倍，因此对于响应灵敏度低的微量和超微量物质的测量特别有效。

由于采用无源、体积小、重量轻、易于大规模生产、成本低的LOVE波器件实现了毫克及毫克级别以下微量物质质量的测量，所以为制造微型、易集成、成本低的微量物质质量测量器件提供了一条新的技术途径。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图。

图2是本发明的剖面结构示意图。

图3是本发明的一个实施例。

图4是图3实施例中输入叉指换能器与输出叉指换能器的实施图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明的LOVE波型微量物质质量的测量装置，包括在同一压电基片材料1上制作的一个输入叉指换能器2、两个相同的输出叉指换能器3、输入叉指换能器的第一电极5、输入叉指换能器的第二电极6、输出叉指换能器的第一电极7、输出叉指换能器的第二电极8，以及覆盖在输入叉指换能器2、输出叉指换能器3和压电基片1上的LOVE波波导层4；输入叉指换能器的第一电极5、输入叉指换能器的第二电极6、输出叉指换能器的第一电极7和输出叉指换能器的第二电极8的末端均从LOVE波波导层4中伸出；所述两个输出叉指换能器3分别对称设置在输入叉指换能器2的左、右两侧，输入叉指换能器2与输出叉指换能器3之间的区域为测量区域9。

LOVE波波导层4的厚度h按照LOVE波波导层理论（Z.Wang,J.D.N.Cheeke,and C.K.Jen.Sensitivity analysis for Love mode acoustic gravimetricsensors.Appl.Phys.Lett.1994,64(22),2940-2942）设计，厚度h的计算公式为：

$h=\frac{V_S{V}_L}{4f\sqrt{V_S^2-V_L^2}}---\left(1\right)$

式中，厚度h指LOVE波波导层4在水平高度上高出压电基片材料1的距离（单位：米）；V_S是在压电基片材料1上传播的声表面波速度（单位：米/秒）；V_L是在LOVE波波导层4中传播的LOVE波速度（单位：米/秒）；f为所设计器件的中心频率（单位：赫兹）；其中，其中，声表面波速度V_S和LOVE波速度V_L在压电基片材料1确定后其值是确定的，这两个声速值通常是利用超声光栅衍射法、时差测声速法及相应的仪器测量得到，或者直接由制作压电基片材料1的厂商提供；

通常LOVE波波导层4采用体横波速度、密度均小于压电基片材料1体横波速度、密度的材料。

所述输入叉指换能器2与输出叉指换能器3具有相同尺寸的声孔径，声孔径的尺寸为压电基片材料1上声表面波波长的60倍到100倍，输入叉指换能器2与两个输出叉指换能器3之间的间距（即测量区域9的宽度）相等，均为1微米到5厘米。

本发明的LOVE波型微量物质质量的测量装置可根据需要，选择在差模式或者和模式下工作。在差模式工作时，在其中一个测量区域9上放置被测量物品，其所在声路作为测量声路；另一个测量区域9上不放置测量物品，其所在声路作为参考声路。在和模式工作时，两个测量区域9上均放置被测量物品，其所在声路均作为测量声路。

所述输入叉指换能器2和输出叉指换能器3是等叉指换能器或变迹叉指换能器，它们是利用微机械、微电子技术在同一片压电基片材料1上制作出来的。

所述压电基片材料1采用压电晶体。采用128°Y-X LiNbO₃晶体、41°Y-X LiNbO₃晶体或LiTaO₃。

所述输入叉指换能器的第一电极5、输入叉指换能器的第二电极6、输出叉指换能器的第一电极7和输出叉指换能器的第二电极8从LOVE波波导层4伸出的长度均大于1微米。这种结构便于对本发明的装置进行测试和标定。

参照图3，该图是本发明中的LOVE波型微量物质质量的测量装置的一个实施例的剖面示意图，压电基片材料1采用128°Y-X LiNbO₃晶体，输入叉指换能器2是变迹叉指换能器，输出叉指换能器3是对称设置在输入叉指换能器2的左、右两侧的两个等叉指换能器，压电基片材料1上传播的声表面波速度V_S是3870米/秒，ZnO波导层4中传播的LOVE波速度为2702米/秒，所设计器件的中心频率f为150MHz，根据公式1公式推导并沉积制作厚度为6.29μm的ZnO波导层作为LOVE波波导层4。

参照图1，在实施例中，输入叉指换能器的第一电极5、输入叉指换能器的第二电极6、输出叉指换能器的第一电极7和输出叉指换能器的第二电极8从LOVE波波导层4伸出的长度均为2毫米，输入叉指换能器2与每个输出叉指换能器3之间的间距为5毫米（即测量区域9的宽度）。

图4是图3所示的实施例中输入叉指换能器2与输出叉指换能器3的实施图。其中，输入叉指换能器2为变迹叉指换能器，输出叉指换能器3为等叉指换能器。

室温下，利用差模式对本发明的LOVE波型微量物质质量的测量装置进行试验标定，得到测量量和输出量的线性关系；在其中一条声路的测量区域（即其中一个测量区域9）中滴定0.01ml的酒精，并利用本发明的装置进行测试，得到的结果为8mg。同样试验条件下，利用和模式对本发明的LOVE波型微量物质质量的测量装置进行试验标定，得到测量量和输出量的线性关系；在两条声路的测量区域（即两个测量区域9）分别滴定0.001ml的酒精，测试得到的结果为1.6mg，进行平均加权处理后，得到0.001ml的纯净水的质量为0.8mg。可以看出，本发明的装置测量结果精确度较高，实现了毫克及毫克级别以下微量物质质量的测量。

Claims (10)

1.一种LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，包括在同一压电基片材料（1）上制作的一个输入叉指换能器（2）、两个相同的输出叉指换能器（3）、输入叉指换能器的第一电极（5）、输入叉指换能器的第二电极（6）、输出叉指换能器的第一电极（7）、输出叉指换能器的第二电极（8），以及覆盖在输入叉指换能器（2）、输出叉指换能器（3）和压电基片（1）上的LOVE波波导层（4）；所述输入叉指换能器的第一电极（5）、输入叉指换能器的第二电极（6）、输出叉指换能器的第一电极（7）和输出叉指换能器的第二电极（8）的末端均从LOVE波波导层（4）中伸出；所述两个输出叉指换能器（3）分别对称设置在输入叉指换能器（2）的左、右两侧，输入叉指换能器（2）与输出叉指换能器（3）之间的区域为测量区域（9）。

2.如权利要求1所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的LOVE波波导层（4）的厚度h的计算公式为：

$h=\frac{V_S{V}_L}{4f\sqrt{V_S^2-V_L^2}}---\left(1\right)$

式中，厚度h指LOVE波波导层（4）在水平高度上高出压电基片材料（1）的距离，单位：米；V_S是在压电基片材料（1）上传播的声表面波速度，单位：米/秒；V_L是在LOVE波波导层（4）中传播的LOVE波速度，单位：米/秒；f为所设计器件的中心频率，单位：赫兹。

3.如权利要求1所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的LOVE波波导层（4）采用体横波速度、密度均小于压电基片材料（1）体横波速度、密度的材料。

4.如权利要求1所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的输入叉指换能器（2）与输出叉指换能器（3）具有相同尺寸的声孔径，该声孔径的尺寸为压电基片材料（1）上声表面波波长的60倍到100倍。

5.如权利要求1所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的输入叉指换能器（2）与两个输出叉指换能器（3）之间的间距相等，均为1微米到5厘米。

6.如权利要求5所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述输入叉指换能器（2）与每个输出叉指换能器（3）之间的间距为5毫米。

7.如权利要求1所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的输入叉指换能器（2）和输出叉指换能器（3）是等叉指换能器或变迹叉指换能器。

8.如权利要求1所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的压电基片材料（1）采用压电晶体。

9.如权利要求1所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的输入叉指换能器的第一电极（5）、输入叉指换能器的第二电极（6）、输出叉指换能器的第一电极（7）和输出叉指换能器的第二电极（8）从LOVE波波导层（4）伸出的长度均大于1微米。

10.如权利要求9所述的LOVE波型微量物质质量的测量装置，其特征在于，所述的输入叉指换能器的第一电极（5）、输入叉指换能器的第二电极（6）、输出叉指换能器的第一电极（7）和输出叉指换能器的第二电极（8）从LOVE波波导层（4）伸出的长度均为2毫米。

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