CN102967521A

CN102967521A - 石英晶体微天平质量传感器

Info

Publication number: CN102967521A
Application number: CN2012104599906A
Authority: CN
Inventors: 黄显核; 付玮
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: CN102967521B

Abstract

为了提高QCM质量传感器质量灵敏度的均匀性，本发明提供具有一种不对称电极结构的QCM质量传感器，属于电子技术领域。包括圆形石英晶片和分别位于圆形石英晶片上下两面的金属电极，其中下金属电极为一半径为m的圆电极，上金属电极为双环状电极，由一个内环状电极21(内半径为s、外半径为t)和与内环状电极21同心的外环状电极22(内半径为n、外半径为m)构成，且t<n。本发明对QCM质量传感器的上金属电极进行改进，通过双环状电极将QCM质量传感器的质量灵敏度分布曲线改进成四峰型，在保证了较高的绝对质量灵敏度基础上，提高了QCM质量传感器的质量灵敏度分布的均匀性，进而提高其测量结果的重复性。

Description

石英晶体微天平质量传感器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及石英晶体微天平（Quartz Crystal Mircrobalance，QCM），尤其是QCM质量传感器。

背景技术

石英晶体微天平（Quartz Crystal Mircrobalance，QCM）是一种在20世纪60年代兴起的新型的微小质量检测仪器，其核心部件是QCM质量传感器。QCM质量传感器是一种非常灵敏的质量传感器，它的质量测定可以精确到纳克级，已经在物理、化学、生物、医学等学科的检测问题中得到了应用。在一定的外界条件下，当石英晶振表面吸附其它物质时，根据石英振子的频率变化与晶体表面的所附物质质量变化成正比的这一原理，石英晶振的谐振频率将会随着吸附物质质量的大小而改变。QCM质量传感器其实就是具有上下电极结构的石英晶体谐振器。石英晶体谐振器因为压电效应会在外界激励下以它的谐振频率振荡，QCM质量传感器就是利用石英晶体谐振器这一特性，在石英晶体谐振器电极表面吸附一层待测物质，把待测物质的质量信号转化为频率信号进行检测的。QCM具有很高的灵敏度、优良的选择性、所需成本低廉，而且测试装置简单、易于实现现场连续检测等众多优点，所以受到了世界各国科学家的高度重视，它已经广泛应用于质量、密度、浓度等的检测领域。

然而，QCM在应用中存在一个显著问题：测量结果的重复性很低。为获得较高重复性的测量结果，人们提出了许多QCM使用时的注意事项，如使被测样品均匀刚性的分布于QCM的整个电极表面，能够实现样品均匀刚性的分布的方法主要有真空镀膜、电镀等，操作过程不仅繁琐而且效率很低。

目前，人们已认识到，QCM质量传感器质量灵敏度分布曲线的不一致是造成其测量结果重复性低的主要原因。理论和实践都已证明，常规如图1示的具有圆电极结构（m-m型）的QCM质量传感器，其质量灵敏度分布曲线为如图2所示的钟罩型（或高斯型），这就产生了QCM质量传感器质量灵敏度分布曲线的不一致，带来了测量结果重复性低的问题。

为了获得质量灵敏度分布均匀的QCM质量传感器，研究人员对QCM质量传感器的电极结构进行了该进，如设计出了不对称的圆形n-m型电极、椭圆形电极等，但这都不能解决由于QCM质量传感器质量灵敏度分布曲线的不一致所带来的测量结果重复性低的问题。

有国外研究者提出了具有一种不对称电极结构的QCM质量传感器，如图3、4所示，其上电极是一种圆环形电极（圆环电极内半径为n，外半径为m），其下电极仍然是一个外半径为m的圆形电极。具有这种电极结构的QCM质量传感器，其质量灵敏度分布曲线为双峰形，双峰间的凹陷是明显的，如果能够将凹陷补平，则可获得局部均匀的质量灵敏度分布。为将双峰间的凹陷补平，科学家们做了很多探讨。1996年，Youbok Lee等人发现，可以通过减小电极质量负载因数，使双峰间的凹陷减小（Y.Lee,F.Josse,“Radial dependence of mass sensitivity formodified-electrode quartz resonators”,Proc.IEEE Ultrason.Symp,vol.1,pp.321-325,1996.），其提供的质量灵敏度分布曲线如图5所示。可见在谐振器镀回频率极小时,其质量灵敏度分布曲线有趋于一致的趋势，但绝对质量灵敏度峰值却有所下降（即分辨率降低），尤其其致命的不足是：由于R值太小（即晶片的镀回频率太小），只有通过减小电极厚度的方法来减小电极质量负载因数，然而，即使电极薄至超过所能实现的工艺极限，双峰间的凹陷仍然比较明显。可见，通过减小电极的厚度将双峰间的凹陷补平，这在实际中是不可行的。

发明内容

为了提高QCM质量传感器质量灵敏度的均匀性，本发明提供具有一种不对称电极结构的QCM质量传感器，该QCM质量传感器可在基本不降低绝对质量灵敏度的基础上,提高质量灵敏度的均匀性，从而提高QCM测量结果的重复性，达到提高QCM测量精度的目的。

本发明技术方案如下：

石英晶体微天平质量传感器，如图6、7所示，包括圆形石英晶片1，所述圆形石英晶片1上下两面分别具有上金属电极2和下金属电极3。经过圆形石英晶片1几何中心的法线与经过上金属电极2几何中心的法线和经过下金属电极3几何中心的法线三者保持重合。所述下金属电极3为一半径为m的圆电极。所述上金属电极2为一双环状电极，由一个内环状电极21和与内环状电极21同心的外环状电极22构成。所述内环状电极21的内半径为s、外半径为t，所述外环状电极22的内半径为n、外半径为m，且t<n。

本发明提供的QCM质量传感器，其实质是将图3、4所示的具有不对称电极结构的QCM质量传感器的圆环状上金属电极改成双环状上金属电极。其中双环状上金属电极结构如图7所示，其中s、t、n、m分别表示内环状电极21的内半径、外半径，外环状电极22的内半径、外半径。从图7中可见它有三类区域：分别为非电极区（U区）、部分电极区（P区）和全电极区（E区），其截止频率分别用f^U、f^P和f^E表示。根据能陷理论要求，该QCM质量传感器的工作频率范围为f^E<f<f^P<f^U。在该工作频率范围下，该QCM质量传感器的质点位移幅度的解为:

A = \{\begin{matrix} C_{1} I_{0} (\frac{k_{P}}{\sqrt{N}} r) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot | r | \leq s \\ C_{2} J_{0} (\frac{k_{E}}{\sqrt{N}} r) + C_{3} Y_{0} (\frac{k_{E}}{\sqrt{N}}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot s \leq | r | \leq t \\ C_{4} I_{0} (\frac{k_{P}}{\sqrt{N}} r) + C_{5} K_{0} (\frac{K_{P}}{\sqrt{N}} r) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot t \leq | r | < n \\ C_{6} J_{0} (\frac{k_{E}}{\sqrt{N}} r) + C_{7} Y_{0} (\frac{k_{E}}{\sqrt{N}} r) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot n \leq | r | < m \\ C_{8} K_{0} (\frac{k_{U}}{\sqrt{N}} r) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot m \leq | r | \leq \infty \end{matrix} - - - (1)

由质点位移和应变在r=s、t、n、m处连续，可以得到八个线性齐次方程组成的分界连续方程组，选择方程组中的任意七个方程可以得到质点位移幅度常数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈的比例关系。

这样，就得到了A(r)的表示式，由下式即可得到该QCM质量传感器的质量灵敏度S_f(r)的表示：

S_{f} (r) = \frac{{| A (r) |}^{2}}{2 π {&Integral;}_{0}^{\infty} r {| A (r) |}^{2} dr} \cdot C_{f} - - - (2)

(2)式中C_f是QCM质量传感器的质量灵敏度常数。

图8为本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器与普通环状电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度的比较示意图。从图8中可以看出，采用双环状电极结构的QCM质量传感器，其质量灵敏度分布曲线的不一致程度减小了80%，这同时意味着其测量的重复性将提高五倍。

综上所述，本发明提供的QCM质量传感器在基本不降低绝对质量灵敏度的基础上,能够提高质量灵敏度的均匀性，从而提高QCM测量结果的重复性，达到提高QCM测量精度的目的。

附图说明

图1是常规具有上下对称圆电极结构（m-m型）的QCM质量传感器的纵向截面示意图。

图2是图1所示结构的QCM质量传感器的质量灵敏度分布曲线。

图3是具有环形电极结构的QCM质量传感器的纵向截面示意图。

图4是图3所示具有环形电极结构的QCM质量传感器的上金属电极结构示意图。

图5是图3所示具有环形电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度曲线。它在电极中心点周围的分布是双峰形的，随着R的减小，其质量灵敏度分布曲线有趋于一致的趋势，但这时的R值太小，已超出了所能实现的工艺极限。

图6是本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器的纵向截面示意图。

图7是本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器的上金属电极结构示意图。

图8是本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器与图3所示具有环形电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度曲线比较。其中实线为图3所示具有环形电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度曲线，虚线为本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度曲线。从图8中可以看出，本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器，在保证较高的绝对质量灵敏度的前提下，通过形成四峰形曲线，提高了QCM质量传感器的质量灵敏度的均匀性。

注:图4和图7中均只标明了电极区,未标起导电作用的电极引出线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的描述。

QCM质量传感器，如图6、7所示，包括圆形石英晶片1，所述圆形石英晶片1上下两面分别具有上金属电极2和下金属电极3。经过圆形石英晶片1几何中心的法线与经过上金属电极2几何中心的法线和经过下金属电极3几何中心的法线三者保持重合。所述下金属电极3为一半径为m的圆电极。所述上金属电极2为一双环状电极，由一个内环状电极21和与内环状电极21同心的外环状电极22构成。所述内环状电极21的内半径为s、外半径为t，所述外环状电极22的内半径为n、外半径为m，且t<n。

所述上金属电极2和下金属电极3材料为金或铬+金（以金属铬层为基层，在金属铬层上再镀金层，以增加金在石英基片上的附着力），厚度为10^-7米。

所述内环状电极21的内半径s在0.5毫米到1.5毫米的范围内，外半径t在0.7毫米到2.1毫米的范围内；所述外环状电极22的内半径n在1.6毫米到3.2毫米的范围内，外半径m在2.5毫米到5.0毫米的范围内。

石英晶片1的直径在8.0mm到14.0mm的范围内。

所述石英晶片1为AT切石英晶片，其切角范围从35°1'到35°12'。

所述QCM质量传感器的称频率为5MHz、10MHz或11MHz，工作泛音次数为基频、3次泛音或5次泛音。

根据上述技术方案，以切角为AT切35°8'、标称频率为10MHz、泛音次数为基频的石英晶片（厚度约为0.1648mm）制作QCM质量传感器。其中石英晶片直径为8.7mm，上下金属电极材料选择金，上下电极厚度为为10^-7米（1000埃）。上金属电极中，内环状电极21的内半径s=0.88mm、外半径t=1.00mm，外环状电极22的内半径n=2.12mm、外半径m=2.85mm。

选择同样的石英晶片制作另一个具有环状电极结构的QCM质量传感器，作为上述制作的QCM质量传感器的对比实施例（二者的区别仅仅在于上金属电极，本发明在外环状电极中增加了另一个同心的内环状电极，其余材料、尺寸等所有参数均相同，且对比实施例的环状电极的上电极环的内、外电极的半径也与本发明双环状电极中外环状电极22的内半径n=2.12mm、外半径m=2.85mm相同）。

按照上述规格参数设计的具有环状电极结构的QCM质量传感器和本发明设计的具有双环状电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度分布曲线如图8所示。

由图8可以看出，具有环状电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度分布曲线呈双峰状，双峰之间质量灵敏度的最大差值约为2.5×10¹¹Hz/Kg；本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器的质量灵敏度分布曲线呈四峰状，峰峰间质量灵敏度的最大差值缩小到大约0.5×10¹¹Hz/Kg。同时，从图8中也可以看出，本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器，保证了较高的绝对质量灵敏度。因此，本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器，在保证较高的绝对质量灵敏度的前提下，质量灵敏度分布曲线的不一致程度大约减小了80%，换句话说，本发明提供的具有双环状电极结构的QCM质量传感器，其测量的重复性将大约提高五倍。

Claims

1.石英晶体微天平质量传感器，包括圆形石英晶片（1），所述圆形石英晶片（1）上下两面分别具有上金属电极（2）和下金属电极（3），经过圆形石英晶片（1）几何中心的法线与经过上金属电极（2）几何中心的法线和经过下金属电极（3）几何中心的法线三者保持重合；其特征在于，所述下金属电极（3）为一半径为m的圆电极；所述上金属电极2为一双环状电极，由一个内环状电极21和与内环状电极21同心的外环状电极22构成；所述内环状电极21的内半径为s、外半径为t，所述外环状电极22的内半径为n、外半径为m，且t<n。

2.根据权利要求1所述的石英晶体微天平质量传感器，其特征在于，所述上金属电极（2）和下金属电极（3）材料为金或铬+金，厚度为10^-7米。

3.根据权利要求1或2所述的石英晶体微天平质量传感器，其特征在于，所述内环状电极21的内半径s在0.5毫米到1.5毫米的范围内，外半径t在0.7毫米到2.1毫米的范围内；所述外环状电极22的内半径n在1.6毫米到3.2毫米的范围内，外半径m在2.5毫米到5.0毫米的范围内。

4.根据权利要求1、2或3所述的石英晶体微天平质量传感器，其特征在于，所述石英晶片（1）的直径在8.0mm到14.0mm的范围内。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的石英晶体微天平质量传感器，其特征在于，所述石英晶片（1）为AT切石英晶片，其切角范围从35°1'到35°12'。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的石英晶体微天平质量传感器，其特征在于，所述石英晶体微天平质量传感器的称频率为5MHz、10MHz或11MHz，工作泛音次数为基频、3次泛音或5次泛音。